郭海明，李琳琳，張 堯，張衛(wèi)東，胡 斌

（鞍鋼股份有限公司大型總廠無縫鋼管廠，遼寧 鞍山 114001）

鞍鋼股份有限公司大型總廠無縫鋼管廠（簡稱鞍鋼無縫鋼管廠）Φ177 mm PQF 連軋管機(jī)組的14機(jī)架三輥微張力定（減）徑機(jī)采用單獨(dú)傳動(dòng)，目前使用160 mm、194 mm 兩套微張力定（減）徑孔型系列。Φ177 mm PQF 連軋管機(jī)組用Φ185 mm 管坯生產(chǎn)Φ108～146 mm 無縫鋼管，用Φ210 mm 管坯生產(chǎn)Φ139.7～180 mm 無縫鋼管，以Φ185 mm 管坯為主，存在管坯單個(gè)質(zhì)量小、換工具頻繁、設(shè)備調(diào)整多、故障率高等問題，限制了機(jī)組產(chǎn)能。2019 年，鞍鋼無縫鋼管廠在研究三輥微張力定（減）徑工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了Φ177 mm PQF 連軋管機(jī)組的微張力定（減）徑工藝，最終使用Φ210 mm 管坯成功軋制出滿足GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》的20 鋼Φ108～180 mm×4.5～16.0 mm 無縫鋼管，釋放了機(jī)組產(chǎn)能?，F(xiàn)以生產(chǎn)Φ108 mm 無縫鋼管為例，介紹三輥微張力定（減）徑工藝設(shè)計(jì)過程。

1 設(shè)計(jì)過程

微張力定（減）徑工藝設(shè)計(jì)包含孔型參數(shù)、張力選擇、各機(jī)架鋼管壁厚計(jì)算、速度制度及力能參數(shù)計(jì)算一系列內(nèi)容。孔型參數(shù)是基礎(chǔ)，孔型設(shè)計(jì)的正確與否影響到鋼管的幾何尺寸精度及表面質(zhì)量；張力的大小與分配是否合理關(guān)系到生產(chǎn)是否順行及產(chǎn)品壁厚精度；微張力定（減）徑壁厚增量的計(jì)算是否準(zhǔn)確直接影響成品鋼管的壁厚；電機(jī)的速度直接影響到鋼管壁厚及切頭尾長度，不合理的速度制度會(huì)影響軋輥壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)對(duì)電機(jī)及減速機(jī)造成損壞。

1.1 孔 型

微張力定（減）徑機(jī)組中的各機(jī)架減徑率分配，主要是從鋼管的質(zhì)量方面考慮。首先，要保證管子在孔型中軋制穩(wěn)定，易于咬入，不發(fā)生震動(dòng)；其次，管子在孔型中不可過充滿（即出現(xiàn)“耳子”或“青線”），也不能欠充滿（會(huì)使外圓不圓，壁厚不均）。使用較大的減徑率雖然可以減少機(jī)架數(shù)目，但很容易在厚壁管子內(nèi)部出現(xiàn)“內(nèi)六方”；較小的減徑率雖然可以保證管子表面質(zhì)量（壁厚均勻），延長軋制工具壽命，但會(huì)受總機(jī)架數(shù)目的限制。為此，一般將微張力定（減）徑孔型設(shè)計(jì)為兩套，即薄壁孔型和厚壁孔型。薄壁孔型是為了防止管子出現(xiàn)“青線”而設(shè)計(jì)的橢圓度較大的正寬展孔型，厚壁孔型是為了減輕厚壁管子內(nèi)部出現(xiàn)“內(nèi)六方”傾向而設(shè)計(jì)的負(fù)寬展孔型。在入口荒管直徑和最小成品管直徑確定的前提下，微張力定（減）徑孔型由每機(jī)架的減徑率和橢圓度決定[1-14]。

減徑率一般按照遞減梯形分配原則和不對(duì)稱梯形分配原則分配。為方便管坯咬入，第一機(jī)架的減徑率取最大減徑率的一半左右；為保證成品管尺寸精度，成品機(jī)架的減徑率很小，成品孔型直徑等于成品管直徑與熱膨脹系數(shù)的乘積。成品前孔型根據(jù)減徑率的大小取1～3 架進(jìn)行減徑率過渡。熱膨脹系數(shù)取1.008～1.015，厚壁管取大值。

對(duì)于橢圓度，一般薄壁孔型的橢圓度較大（橢圓孔型），厚壁孔型的橢圓度較小（圓孔型）。

為便于孔型設(shè)計(jì)，引入寬展率，薄壁管寬展率為8%～18%，厚壁管寬展率為-40%～-10%，最后一個(gè)機(jī)架用圓孔型，寬展率為0。第i 機(jī)架的孔型直徑di、減徑率ρi、橢圓度θi、長半軸ai、短半軸bi、寬展量ΔBi、壓下量ΔHi、寬展率Δbi、刀具直徑WDi和刀具距離WAi的計(jì)算公式為：

式中 D——軋輥理想直徑，mm。

為便于計(jì)算，利用電子表格的公式編輯功能，用數(shù)學(xué)解析方法把孔型參數(shù)的計(jì)算編輯成程序。生產(chǎn)Φ108 mm 無縫鋼管用薄壁孔型參數(shù)見表1。表1中的孔型參數(shù)適用于壁厚S 10 mm 的Φ108 mm 無縫鋼管，減徑率按1.5%遞減梯形分配，橢圓度分配按0.1%遞減梯形分配。表1 中的數(shù)據(jù)除斜體部分外，其余全用公式進(jìn)行編輯，數(shù)據(jù)計(jì)算修改孔型時(shí)，只需更改脫管后的孔型直徑、成品孔型直徑和表中斜體數(shù)據(jù)即可。該方法方便實(shí)用。

1.2 張力分布計(jì)算

在微張力定（減）徑機(jī)中，要消除每次定（減）徑時(shí)增加的管壁的壁厚，并進(jìn)一步減壁，以獲得所需壁厚的成品管，必須在各機(jī)架之間增加軸向張力，使進(jìn)入微張力定（減）徑機(jī)的荒管在通過每一機(jī)架時(shí)產(chǎn)生軸向、徑向和周向變形。張力的建立和釋放需要經(jīng)過一定數(shù)量的機(jī)架，因此鋼管頭尾端的張力無法建立，張力大時(shí)會(huì)造成切頭尾長度增加，張力小時(shí)壁厚“內(nèi)六方”傾向增加；因此，合理選擇張力系數(shù)可以提高鋼管壁厚精度。一般，最大張力系數(shù)Zm根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到：

式中 S0，d0—— 荒管的壁厚、外徑，mm；

Se，de—— 成品管的壁厚、外徑，mm。

張力系數(shù)呈梯形分布，前幾個(gè)機(jī)架的張力逐漸增大，中間機(jī)架的張力保持穩(wěn)定，最后幾個(gè)機(jī)架的張力逐漸減小至0。

利用電子表格的公式編輯功能，用數(shù)學(xué)解析方法把張力系數(shù)的計(jì)算編輯成程序。生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的張力計(jì)算結(jié)果見表2。表2 中的最大張力系數(shù)是通過公式計(jì)算出來的，僅供參考，根據(jù)實(shí)踐可選擇其他張力系數(shù)，張力系數(shù)分配按1%遞減梯形分配。表2 中數(shù)據(jù)除斜體部分外，其余全用公式進(jìn)行編輯，數(shù)據(jù)計(jì)算修改孔型、張力時(shí)，只需更改脫管后的孔型直徑、成品孔型直徑和表1～2 中斜體數(shù)據(jù)即可。

表1 生產(chǎn)Φ108 mm 無縫鋼管用薄壁孔型參數(shù)（S 10 mm）

表2 生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的張力計(jì)算結(jié)果

1.3 各機(jī)架鋼管壁厚計(jì)算

第i 機(jī)架的孔型直徑di已知，當(dāng)已知Si-1和選定Zi后，可利用迭代法計(jì)算出經(jīng)過第i 機(jī)架鋼管的壁厚Si。第i 機(jī)架的壁厚系數(shù)γi、壁厚和中徑的對(duì)數(shù)變形比βi及壁厚Si的計(jì)算公式為：

先將Si-1代入公式（14）求出γi，再將此γi代入公式（15）中求出βi，隨后將此βi和Si-1代入公式（16）中得到另一個(gè)Si值，然后再將此Si作為已知值代入公式（14），如此不斷迭代，直到前后兩次所得的Si無明顯變化（兩者差小于0.01 mm）時(shí)，此次得到的Si即為所求值。通過該迭代法可求出通過所有機(jī)架軋輥鋼管的壁厚。如果求出的壁厚不符合成品壁厚，則要重新選擇荒管壁厚或張力系數(shù)。

利用電子表格的公式編輯功能，用數(shù)學(xué)解析方法把通過各機(jī)架鋼管的壁厚的計(jì)算編輯成程序。生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的壁厚計(jì)算結(jié)果見表3，進(jìn)行3 次迭代即可滿足要求。表3 中的數(shù)據(jù)除斜體部分外，其余全用公式進(jìn)行編輯，數(shù)據(jù)計(jì)算修改孔型、張力、各機(jī)架鋼管的壁厚時(shí)，只需更改脫管后的孔型直徑和管子壁厚、成品孔型直徑和鋼管壁厚以及表1～3 中斜體數(shù)據(jù)即可。在上述條件選定的情況下，只需選擇脫管后管子的壁厚，使其成品壁厚符合要求即可。

表3 生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的壁厚計(jì)算結(jié)果

1.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

根據(jù)鋼管定（減）徑過程中各截面金屬秒流量相等原則，在已知第1 機(jī)架出口速度的前提下，依次計(jì)算出管材通過各孔型的出口速度。

（1） 第i 機(jī)架延伸系數(shù)μi為：

（2） 第i 機(jī)架鋼管速度Vi為：

i=1 時(shí)，V1=V0μ1。其中，V0為荒管進(jìn)入第1 機(jī)架軋輥的入口速度。

（3） 軋輥轉(zhuǎn)速ni為：

式中 Vi—— 軋輥線速度，m/s。

在橢圓孔型的輥面上，由于軋輥直徑的不同，每點(diǎn)的圓周速度是不同的，管子按照同一出口速度離開軋輥。

（4） 軋輥工作直徑Dg：

為了確定鋼管在離開微張力定（減）徑機(jī)軋輥時(shí)的出口速度，要考慮到張力的影響，以確定軋輥工作直徑。軋輥工作直徑是指孔型中軋件速度等于軋輥圓周速度的那點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軋輥直徑Dg。

（5） 中性角ω。帶張力軋制時(shí)，管子從孔型中軋出的速度加大，因此軋輥同管子速度一致的點(diǎn)所形成的軋制直徑也要大一些，中性角要有一個(gè)增量ε，即：

式中 α —— 無張力時(shí)中性角，（°）。

（6） 切頭長度Le為：

式中 Cd—— 機(jī)架間距，mm；

μE—— 總延伸率。

（7） 電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)Nd為：

式中 mi——減速比。

利用電子表格的公式編輯功能，用數(shù)學(xué)解析方法把電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算編輯成程序。生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果見表4。表4 中的數(shù)據(jù)除斜體部分外，其余全用公式進(jìn)行編輯，數(shù)據(jù)計(jì)算修改孔型、張力、壁厚、轉(zhuǎn)速時(shí)，只需更改脫管后的孔型直徑、管子壁厚、脫管速度、成品孔型直徑、成品壁厚及表中斜體數(shù)據(jù)即可。在上述條件選定的情況下，只需選擇微張力定（減）徑入口線速度即可。

表4 生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

1.5 力能參數(shù)的確定

（1） 金屬塑性變形抗力Kf為：

式中 σs—— 金屬在軋制溫度時(shí)的屈服強(qiáng)度，MPa；

Tk—— 絕對(duì)溫度，K；

r —— 變形程度，%，r=ln［1/（1-ρ）］。

（2） 變形速度為：

（3） 變形區(qū)長度Li及接觸面積Fi：

鋼管定（減）徑和張力減徑時(shí)的減徑區(qū)由壓扁段和減徑段組成，考慮壓扁對(duì)軋制力的影響，ЩЕВЦЕНКО 提出變形區(qū)長度和接觸面積按照公式（29）～（30）計(jì)算。

（4） 單位壓力pi:

式中 nf—— 外摩擦的影響系數(shù)；

nL—— 外區(qū)的影響系數(shù)；

nq—— 張力的影響系數(shù)。

（5） 軋制力Pi：

（6） 軸向力臂Rci：

式中 R0—— 軋輥槽底旋轉(zhuǎn)半徑，mm。

（7） 軋制力矩Mi：

式中 Ni—— 第i 機(jī)架產(chǎn)生的張力，N；

Ni-1—— 第i-1 機(jī)架產(chǎn)生的張力，N。

（8） 功率N：

利用電子表格的公式編輯功能，用數(shù)學(xué)解析方法把軋制力、軋制力矩、功率等參數(shù)的計(jì)算編輯成程序。生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的力能參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。表5 中的數(shù)據(jù)除斜體部分外，其余全用公式進(jìn)行編輯，數(shù)據(jù)計(jì)算修改孔型、張力、壁厚、轉(zhuǎn)速、軋制力、軋制力矩、功率時(shí)，只需更改表中斜體數(shù)據(jù)和產(chǎn)品規(guī)格即可。

表5 生產(chǎn)Φ108 mm×4 mm 無縫鋼管時(shí)微張力定（減）徑工藝的力能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 生產(chǎn)實(shí)踐

生產(chǎn)Φ108 mm×5 mm 無縫鋼管時(shí)，微張力定（減）徑孔型參數(shù)用表1 數(shù)據(jù)，按軋制表調(diào)整，管坯入口速度0.8 m/s，第3 機(jī)架的張力系數(shù)0.25，脫管后長度24 m，微張力定（減）徑后長度35.8 m。檢測Φ108 mm×5 mm 無縫鋼管頭端、中間位置、尾端的外徑和壁厚，檢測發(fā)現(xiàn)：中間位置壁厚的極差不超過0.45 mm，端部壁厚的極差不超過0.72 mm，外徑的極差也很小，都滿足GB/T 8163 標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

2020 年5 月，鞍鋼無縫鋼管廠在Φ177 mm PQF 連軋管機(jī)組采用Φ210 mm 坯料生產(chǎn)Φ108～180 mm×4.5～16.0 mm 無縫鋼管，月產(chǎn)量2.2 萬t，創(chuàng)2008 年該機(jī)組投產(chǎn)以來月產(chǎn)量歷史記錄；用Φ210 mm 管坯代替Φ185 mm 管坯軋制了52 個(gè)規(guī)格、共12 454 t，而原Φ185 mm 管坯軋制此規(guī)格的月產(chǎn)量是10 542 t，Φ210 mm 管體代替Φ185 mm 管坯產(chǎn)能貢獻(xiàn)1 912 t，月產(chǎn)量提高18.73%，固定費(fèi)用降低了130 萬元。證明所述的三輥微張力定（減）徑工藝設(shè)計(jì)方法合理，具有推廣價(jià)值。