羅德金，褚光勝，王雪飛

（1.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303；2.濟(jì)南斯帝圖普冶金工程技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

在熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中，供給延伸機(jī)軋制的空心坯料（穿孔毛管）一般是由二輥斜軋穿孔機(jī)穿軋生產(chǎn)［1］。穿孔機(jī)穿制毛管是熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中的重要工序。穿孔毛管的質(zhì)量好壞直接影響成品無(wú)縫鋼管的質(zhì)量和產(chǎn)量。由于穿孔變形的固有特點(diǎn)及其金屬材料的內(nèi)應(yīng)力［2］，穿制毛管尾端常常產(chǎn)生“鐵耳子”或者“鐵圈圈”，對(duì)延伸工藝造成危害，是長(zhǎng)期困擾熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的難題。

1 毛管“鐵耳子”分布形態(tài)及危害

穿孔機(jī)在穿制毛管過(guò)程結(jié)束時(shí)，穿孔毛管尾部往往產(chǎn)生“鐵耳子”、“鐵圈圈”。這種“鐵耳子”、“鐵圈圈”多數(shù)在穿孔結(jié)束時(shí)脫落在穿孔機(jī)底座，被冷卻水沖入氧化鐵皮溝排到鐵皮沉淀池。穿孔機(jī)下部氧化鐵皮溝內(nèi)被水沖不走的“鐵耳子”、“鐵圈圈”勾結(jié)在一起，生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)了通常采用氧割清除。穿孔結(jié)束未脫落而被毛管帶出的“鐵耳子”、“鐵圈圈”呈3種形態(tài)分布在穿孔毛管尾端：①與管尾內(nèi)壁端撕裂的“鐵耳子”，一頭自由伸出，一頭與管尾體仍然連接，毛管尾端“鐵耳子”如圖1所示；②“鐵圈圈”的一部分與管尾內(nèi)壁端撕裂離開(kāi)管尾體，未撕裂部分仍然與管尾體內(nèi)壁端連接，毛管尾端“鐵圈圈”（撕裂）如圖2所示；③“鐵圈圈”完好但已經(jīng)伸出管尾體，仍然與管尾體內(nèi)壁端連接，毛管尾端“鐵圈圈”（未撕裂）如圖3所示。

圖1 毛管尾端“鐵耳子”

圖2 毛管尾端“鐵圈圈”（撕裂）

圖3 毛管尾端“鐵圈圈”（未撕裂）

毛管尾端“鐵耳子”、“鐵圈圈”的危害：

（1）伸出管體外的“鐵耳子”、“鐵圈圈”在輸送到軋管機(jī)途中沒(méi)有脫落，因冷卻而變硬，進(jìn)入延伸機(jī)軋制孔型中容易劃傷軋制工具，造成產(chǎn)品缺陷。特別是在采用隧道式機(jī)座安裝機(jī)架的三輥連軋管機(jī)中容易卡住軋輥，造成停產(chǎn)故障。

（2）伸出管端的“鐵耳子”、“鐵圈圈”，在裝入芯棒的瞬間被芯棒頭帶入毛管內(nèi)，軋制時(shí)造成荒管內(nèi)表面結(jié)疤或者內(nèi)凹坑，產(chǎn)生軋制廢品。

（3）伸出管端的“鐵耳子”、“鐵圈圈”，在裝入芯棒時(shí)雖然沒(méi)有被芯棒帶入毛管，但很容易劃傷芯棒表面，或者刮落芯棒表面的石墨潤(rùn)滑劑薄膜。特別是未撕裂的“鐵圈圈”，因內(nèi)徑小更容易刮落芯棒表面的石墨潤(rùn)滑劑薄膜，嚴(yán)重者插不進(jìn)芯棒，出現(xiàn)生產(chǎn)故障，毛管報(bào)廢。

2 毛管“鐵耳子”、“鐵圈圈”形成機(jī)理

2.1 穿孔毛管尾端軋卡件的幾何形狀

從穿孔軋卡件分析，穿孔頂頭未穿透管坯底端的軋卡件形狀如圖4所示，未穿透的底端中心區(qū)在頂頭尖的作用下是突出的，管坯底端外表面受軋輥影響而縮進(jìn)，底端中心部分凸出，底端中心邊緣凹下；穿孔頂頭已經(jīng)穿透管坯底端的軋卡件形狀如圖5所示，頂頭尖部周邊金屬受頂頭作用力影響，內(nèi)壁金屬被拖著變形而伸出管坯底端，金屬伸出部分尖銳鋒利。

圖4 未穿透管坯底端的軋卡件形狀示意

圖5 已穿透管坯底端的軋卡件形狀示意

2.2 穿孔管坯尾端金屬的支撐效應(yīng)

實(shí)心圓管坯穿孔成一定幾何尺寸的空心毛管，金屬是在旋轉(zhuǎn)的軋輥、導(dǎo)板（或者導(dǎo)盤(pán)）和頂頭組成的狹縫（孔型）中雙面受力產(chǎn)生縱向變形，軋輥拉著金屬向前延伸，頂頭阻止金屬軸向流動(dòng)，實(shí)際是拉著金屬向后流動(dòng)。同軋輥和頂頭接觸的金屬流動(dòng)速度大于內(nèi)層金屬的流動(dòng)速度，當(dāng)穿孔過(guò)程快終結(jié)時(shí)，管坯底端金屬失去了支撐效應(yīng)，與軋輥表面接觸的金屬向前延伸縮進(jìn)，頂頭未穿透管坯底端時(shí)，管坯底端中心的金屬呈頂頭尖形狀突出，管坯底端其余金屬凹進(jìn)；當(dāng)頂頭尖穿透管坯底端時(shí)，包在頂頭尖部表面的金屬明顯伸出，其邊部鋒利。觀察現(xiàn)場(chǎng)穿孔薄壁毛管和穿孔厚壁毛管兩個(gè)尾端軋卡件形狀（氧割剝離頂頭后測(cè)量?jī)蓚€(gè)縱剖面的頂頭尖距離管坯外端部基本相等條件下），穿孔薄壁毛管軋卡件尾端凸出嚴(yán)重，厚壁毛管軋卡件尾端凸出微小。說(shuō)明穿孔薄壁毛管，穿透管坯底端瞬間時(shí)金屬的支撐效應(yīng)低；穿孔厚壁毛管，穿透管坯底端瞬間時(shí)金屬的支撐效應(yīng)較高［3-4］。

2.3 穿孔尾端金屬的切向剪切應(yīng)力

在整個(gè)的穿孔過(guò)程中，金屬的有用變形是軸向延伸變形、毛管周向的直徑變形、毛管徑向的壁厚變形，三大主變形是直觀的有形變形，將實(shí)心圓管坯穿制成需要的毛管，并提供給延伸機(jī)軋制。由于金屬內(nèi)應(yīng)力的存在，穿孔過(guò)程在產(chǎn)生有用變形的同時(shí)也產(chǎn)生了不可見(jiàn)的、無(wú)用的附加變形，如扭轉(zhuǎn)變形、縱向剪切變形、切向剪切變形。附加應(yīng)力引起附加變形，致使金屬產(chǎn)生變形缺陷［5-6］。

當(dāng)頂頭尖穿透管坯底端中心金屬的瞬間，穿孔尾端金屬失去了支撐效應(yīng)，與穿孔頂頭尖部周圍接觸的金屬伸出。管坯繼續(xù)穿軋，壁厚輾薄，頂頭尖部周圍伸出的金屬在延伸的同時(shí)也愈來(lái)愈薄。在交變切向（周向）剪切應(yīng)力的作用下，當(dāng)切向剪切應(yīng)力大于金屬的強(qiáng)度時(shí)，那塊伸出的金屬在毛管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的作用下就被撕裂而形成“鐵耳子”或者“鐵圈圈”。

3 消除毛管尾端“鐵耳子”的新工藝

3.1 試驗(yàn)研究

1990年，原成都無(wú)縫鋼管廠（現(xiàn)攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，簡(jiǎn)稱攀成鋼）研究了圓管坯頭尾端定心對(duì)穿孔毛管質(zhì)量的影響。選擇同一爐號(hào)、同一幾何尺寸的圓管坯，分為頭端、頭尾端冷定心和頭尾端不定心的同一數(shù)量的3類圓管坯，同時(shí)加熱，并在曼式穿孔機(jī)上的同一調(diào)整孔型中穿制成同一規(guī)格的毛管。試驗(yàn)結(jié)果表明：頭端定心管坯穿孔后的毛管頭部壁厚均勻，端部整齊；頭端不定心管坯的穿孔毛管頭端壁厚不均；管坯尾端定心后穿孔的毛管，尾部形狀整齊，無(wú)鋸齒類毛刺，無(wú)“鐵耳子”、“鐵圈圈”；管坯尾端沒(méi)有定心的毛管，尾部形狀不整齊，嚴(yán)重的產(chǎn)生“鐵耳子”，或者出現(xiàn)“鐵圈圈”；雙頭定心管坯穿孔毛管的成材率較高［7-9］。

3.2 研究成果的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代初，原成都無(wú)縫鋼管廠在Φ318 mm周期軋管機(jī)組、Φ216 mm周期軋管機(jī)組的穿孔機(jī)前設(shè)計(jì)安裝了雙頭液壓熱定心機(jī)。攀成鋼新建的Φ159 mm、Φ340 mm連軋管機(jī)組和搬遷改造的Φ180 mm Accu Roll機(jī)組的穿孔機(jī)前也設(shè)計(jì)安裝了管坯尾端熱定心機(jī)或者雙頭液壓熱定心機(jī)［10-12］。實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)：管坯尾端定心后穿孔毛管尾端平整，沒(méi)有“鐵耳子”和“鐵圈圈”，鐵皮旋流池的鐵皮脫水坑中再也找不到“鐵耳子”和“鐵圈圈”［13］。

3.3 管坯尾端熱定心消除毛管尾端“鐵耳子”的原理

管坯尾端熱定心后，穿孔頂頭尖部穿透定心孔的形態(tài)如圖6所示。因?yàn)槎ㄐ目椎撞渴乔蛐蚊?，球面半徑通常較頂頭尖的球面半徑大，兩個(gè)球面體相反，頂頭尖部穿透時(shí)，頂頭尖周圍的金屬被擠壓到管坯體中，無(wú)多余金屬伸出。定心孔是一個(gè)圓錐形，頂頭尖穿透后，頂頭頭部周圍即與成喇叭口的金屬接觸產(chǎn)生周向變形。喇叭口體（圓錐形）金屬的支撐效應(yīng)強(qiáng)度高，金屬周向變形時(shí)不會(huì)被頂頭的軸向阻力帶出，也就不會(huì)產(chǎn)生“鐵耳子”或者“鐵圈圈”［14］。

圖6 穿孔頂頭尖部穿透定心孔的形態(tài)示意

3.4 熱定心孔尺寸的確定

根據(jù)試驗(yàn)研究和應(yīng)用成果分析，管坯尾端熱定心孔形狀如圖7所示。

圖7 管坯尾端熱定心孔形狀示意

定心孔直徑D比頂頭尖部直徑d大5%～10%，而頂頭尖部直徑為管坯直徑D0的15%～25%，定心孔深度H不小于定心孔直徑的60%～70%，定心孔圓錐角度不小于 30°［15］。

4 結(jié) 論

（1）增加管坯尾端熱定心工藝可有效地消除穿孔毛管的“鐵耳子”、“鐵圈圈”。

（2）增加管坯尾端熱定心工藝可以改善穿孔毛管尾端幾何形狀，有利于裝芯棒軋制，提高作業(yè)率。因吊離一根有嚴(yán)重“鐵圈圈”（圖2）的毛管需5～12 min，如果插不入芯棒，影響作業(yè)時(shí)間則更長(zhǎng)。

（3）采用管坯尾端熱定心工藝消除穿孔毛管的“鐵耳子”、“鐵圈圈”，提高了穿孔毛管成材率和軋管機(jī)軋制荒管的成材率。某廠采用Φ310 mm坯料，穿孔Φ340 mm×12 mm管坯，軋制成品Φ325 mm×8 mm，稱量“鐵耳子”的平均質(zhì)量約0.52 kg/塊。熱定心后穿孔毛管因不產(chǎn)生“鐵耳子”使成材率提高約0.06%（管坯長(zhǎng)度1 600 mm）。如果軋制前“鐵耳子”被芯棒帶入毛管內(nèi)軋制，造成廢品長(zhǎng)度300～500 mm，切廢率達(dá)2.03%～3.37%。

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