王 棟，王增海，張文亮，呂洪禮，史江歡

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管公司）Φ180 mm連軋管機組共計有3個孔型系列，分別是173 mm系列、238 mm系列、266 mm系列。其中，173 mm系列主要軋制Φ139.7 mm×7.72 mm和Φ139.7 mm×9.17 mm規(guī)格石油套管（兩倍尺），成材率90.0%。為了整合煉鋼坯型資源，減少坯型斷面更換次數(shù)，包鋼鋼管公司開發(fā)出194 mm系列孔型，實現(xiàn)了Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組與Φ159 mm PQF連軋管機組坯料共享，充分釋放了煉鋼作業(yè)區(qū)的產(chǎn)能，同時Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管實現(xiàn)了三倍尺生產(chǎn)，提高了倍尺率，提升了成材率。現(xiàn)對194 mm系列孔型的開發(fā)過程進行介紹。

1 孔型設計步驟及結(jié)果

此次孔型開發(fā)主要針對Mini-MPM連軋管機以及脫管機進行，對錐形穿孔機也進行孔型系列開發(fā)，對定徑機、微張力定（減）徑機則只做部分孔型調(diào)整。Φ180 mm連軋管機組各軋機的極限參數(shù)見表1。

1.1 連軋管機軋管時的變形分析

連軋管機常采用直線或圓弧側(cè)壁的圓孔型，有時也采用橢圓孔型和圓孔型（帶側(cè)壁）的組合孔型。在圓孔型（帶側(cè)壁）中軋制鋼管時抽芯棒困難，而在橢圓孔型中軋管時管體精度差，但相比較圓孔型抽芯棒容易，為了在連軋管機后面機架中使毛管內(nèi)表面與芯棒之間形成一定的間隙，必須形成金屬在孔型中橫向流動的條件。

連軋管機軋管時分為一次咬入和二次咬入，一次咬入屬于減徑工序，二次咬入屬于減壁工序。毛管在連軋管機中一次咬入時，由于毛管外徑大于孔型直徑，毛管最先與孔型接觸是在側(cè)壁的4個點上，假定接觸點位于側(cè)壁角處，可推導出一次咬入角與軋輥直徑、側(cè)壁角和毛管直徑的關系（公式1），在摩擦因數(shù)一定的情況下，軋輥工作直徑越大，側(cè)壁角越大，或毛管的直徑越小，越有利于一次咬入。實現(xiàn)一次咬入后，二次咬入是軋輥、芯棒共同作用的區(qū)域，毛管除在軋輥之間摩擦力的作用下有咬入力外，同時還受到芯棒與毛管內(nèi)表面摩擦力的作用阻止其咬入，其二次咬入角按孔型頂部進行計算（公式2）。在進行連軋管機孔型設計時，可先計算一下最大允許咬入角和最大允許減壁量，作為確定各機架孔型分配減壁量和孔型高度尺寸的參考［1-13］。

表1 Φ180 mm連軋管機組各軋機的極限參數(shù)（最大值）

式中δ1——一次咬入角，（°）；

δ2——二次咬入角，（°）；

D——軋輥工作直徑，mm；

θ——孔型側(cè)壁角，（°）；

a——孔型高度，mm；

D0——毛管直徑，mm。

上述咬入條件的推導主要是針對連軋管機第1機架，除第1機架外，以后各機架都存在前機架給予軋件后推力的作用，可以幫助實現(xiàn)一次咬入和二次咬入［3］。

通過對咬入條件的校核，設計的194 mm孔型系列選擇橢圓孔型與圓孔型組合。第1機架的壓下量大，毛管較厚，不存在鋼管與芯棒抱死的問題，而且為了更好地咬入，選擇橢圓孔型；第2～5機架選用帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，其中第4～5機架為精軋機架，采用相同的孔型［1］。

1.2 確定設計常量

選用芯棒冷態(tài)直徑Dt0為184.8 mm，出連軋管機的荒管壁厚Sh為4.5 mm，毛管壁厚為14.5 mm、芯棒插棒間隙為10 mm。根據(jù)以上各參數(shù)，由公式Dh=2Sh+1.001 1Dt0可計算出毛管出連軋管機的荒管外徑Dh為194 mm，從而計算出毛管外徑為224 mm。

1.3 孔型設計及計算過程

根據(jù)毛管及荒管的尺寸計算出Mini-MPM連軋管機的總延伸系數(shù)μz及頂部延伸系數(shù)μδz，并將總延伸系數(shù)和頂部延伸系數(shù)合理分配到5個機架上。分配原則如下。

（1）第1機架的延伸系數(shù)較大，可以補償由于穿孔機設定不當而引起的毛管尺寸偏差。第2機架可包容第1機架的延伸。第4機架的延伸系數(shù)一般在1.13左右。每機架的平均延伸系數(shù)應小于1.6。MPM孔型如圖1所示。

圖1 MPM孔型示意

（2）Mini-MPM連軋管機是由5個機架組成，1、3、5機架是橫輥，2、4機架是立輥，橫立輥互成90°交替布置。因此，在設計頂部延伸系數(shù)時，1、3、5機架的總延伸系數(shù)等于2、4機架的總延伸系數(shù)。194 mm系列孔型各機架延伸系數(shù)見表2。

表2 194 mm系列孔型各機架延伸系數(shù)

根據(jù)孔型結(jié)構(gòu)及各機架孔型頂部延伸系數(shù)，計算出各機架孔型半徑，進而計算出孔型的其他參數(shù)。軋輥孔型與目前采用的孔型類似，以使金屬在軋機中有一個非常好的流動狀態(tài)為參考標準。其中，部分系數(shù)為經(jīng)驗參數(shù)，見表3［2］。計算得出194 mm系列孔型的各參數(shù)，具體見表4。

表3 194 mm系列孔型的經(jīng)驗參數(shù)

2 孔型校核

（1）孔型中鋼管截面積（截面積是橫截面面積）也即孔型理論截面積，具體如圖2所示，計算公式（3）為：

式中Fi——第i機架的截面積，mm2；

Fi-1——第i-1機架的截面積，mm2；

μi——第i機架的延伸系數(shù)。

圖2 孔型中鋼管截面積計算示意

當i-1≤0時，F(xiàn)i-1=Fm。

（2）孔型中鋼管實際斷面積FT（斷面積是總的孔型面積刨去芯棒和芯棒間隙的面積）計算公式為：

式中Fp——孔型斷面積，mm2；

Ft——芯棒斷面積，mm2；

Dt——芯棒熱狀態(tài)直徑，Dt=1.001 1Dt0，mm；

ΔFt-m——輥縫處棒管間的間隙面積，mm2。

經(jīng)校核，鋼管的理論截面積與實際斷面積相差在誤差允許范圍內(nèi)。

（3）把設計好的孔型參數(shù)輸入到MPMMOD程序中，計算頂部延伸系數(shù)和平均延伸系數(shù)，計算結(jié)果與原孔型的計算結(jié)果相比較，差值在誤差允許范圍內(nèi)。經(jīng)校核，最終確定了孔型的合理性。

3 脫管機孔型設計步驟及結(jié)果

3.1 確定總減徑率

實踐中，脫管機的總減徑率為3%～6%。為了得到良好的脫管效果，脫管機總減徑率需控制在3.5%～4.5%，并分配到3個機架上。連軋后鋼管直徑較大時，脫管機總減徑率取較小值；鋼管直徑較小時，取較大值。

3.2 各機架減徑率的確定

通常所說的減徑率均指相對減徑率，公式為：

式中ρi——第i機架的單機架減徑率，也稱相對減徑率，%；

Di-1——第i-1機架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm；

Di——第i機架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm。

第i機架的單機架對數(shù)減徑率ρDi為：

3.3 減徑率的分配

為了適應來料的外徑波動和鋼管不圓，并有利于咬入，第1機架的減徑率取小值，通常應小于第2機架的減徑率。每個機架的對數(shù)減徑率占總對數(shù)減徑率的比例分別是：第1機架為41%～42%，第2機架為50%，第3機架為7.5%～8.3%。

3.4 確定后的孔型尺寸

脫管機孔型尺寸見表5。

表5 脫管機孔型尺寸 mm

4 穿孔機熱工具頂頭的設計

由連軋設計結(jié)果可知，穿孔機毛管外徑為224 mm，毛管壁厚為14.5 mm，該系列采用的坯型斷面尺寸為200 mm，即擴徑率為12.0%，符合設計要求。采用頂前壓下率為7.5%，可得出軋輥間距為185 mm。咬入角設定10°。由上述條件設計頂頭的具體步驟如下。

（1）確定頂頭擴徑段。根據(jù)設計經(jīng)驗，擴徑率小于20%的采用二段式頂頭，擴徑率大于20%時采用三段式或四段式，而194 mm系列的擴徑率為12.0%，所以確定采用二段式頂頭。

（2）確定頂頭直徑Dd。頂頭直徑Dd的計算公式為：

式中S0——毛管壁厚，mm；

C0——頂頭與毛管間隙值，屬于經(jīng)驗值，一般取10～12 mm。

（3）確定頂頭平滑段長度LGT2。頂頭平滑段長度LGT2的計算公式為：

式中SF——平滑系數(shù)，屬于經(jīng)驗值，取1.2～2.0；

γ——咬入角，（°）。

（4）確定頂頭穿孔段末段的直徑DR。頂頭穿孔段末段的直徑DR的計算公式為：

式中βGT2——平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

（5）計算頂頭前伸量Ld1。頂頭前伸量Ld1的計算公式為：

式中Le——軋輥入口長度，mm；

GL—— 自由段長度，GL=GFDBtan γ，其中GF取 1.0～1.5 mm。

（6）確定頂頭長度Ld。頂頭總長度是頂頭前伸量Ld1與頂頭在軋制帶后的長度Ld2之和，而Ld2的計算公式為：

式中E——軋輥間距，mm；

βu——軋輥出口錐角，（°）。

（7）確定頂頭圓弧半徑Rd。Rd的計算公式為：

式中LR——頂頭圓弧段長度，LR=Ld-LGT2；

F——頂頭鼻部直徑，?。?.25～0.30）Dd。

頂頭圓弧半徑在300～900 mm，二段式頂頭圓弧半徑不要取上限值。

根據(jù)以上7個步驟對194 mm系列頂頭進行設計，設計結(jié)果見表6。

5 生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證

194 mm系列孔型投入使用后，從2018年10月份至2019年3月份共計生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm規(guī)格三倍尺石油套管2.7萬t，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及尺寸精度都能滿足API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》要求；生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管2 000 t，壁厚精度滿足壁厚范圍9.0～10.3 mm要求。對不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm規(guī)格石油套管的成材率分別取6個月的生產(chǎn)情況進行對比，使用173 mm系列孔型生產(chǎn)的成材率為89.98%，而使用194 mm系列孔型生產(chǎn)的成材率為92.34%，較173 mm系列孔型提高2.36個百分點。同時抽取21組Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管的壁厚，與原238 mm系列孔型生產(chǎn)的壁厚精度進行對比，結(jié)果顯示使用194 mm系列孔型生產(chǎn)的Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管壁厚均勻度控制在1.3 mm范圍之內(nèi)，而使用原238 mm系列孔型生產(chǎn)的壁厚不均度大于1.3 mm。不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率如圖3所示，生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度如圖4所示。

表6 194 mm系列頂頭設計結(jié)果①

圖3 不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率

圖4 不同孔型系列生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度

6 結(jié) 論

（1）在連軋管機孔型設計過程中，總結(jié)出按各機架的頂部延伸系數(shù)分配法計算軋管機的孔型高度（孔型直徑），并綜合各項經(jīng)驗參數(shù)計算其他各段圓弧的孔型計算方法，是可行的，在今后連軋管機孔型設計中可借鑒應用。

（2）使用194 mm系列孔型，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了改善，成材率得以提高，該系列孔型的設計開發(fā)是成功的。

（3）系列孔型在設計開發(fā)過程中，還利用EXCEL表格自主編制了頂頭參數(shù)計算程序，并結(jié)合CAD制圖驗證，簡化了頂頭的設計過程。