两种机型穿孔钢管的内螺旋产生原因及控制

两种机型穿孔钢管的内螺旋产生原因及控制张国宽;田晓燕【摘要】两种典型斜轧穿孔机型(桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机)热穿轧的无缝钢管,在轧制过程中容易产生内螺旋缺陷.从变形区、轧制冷(热)工具方面分析了穿孔毛管形成内螺旋缺陷的原因.提出增加1个斜轧机架、减小轧辊出口锥的辊面角度、准确选择轧制冷(热)工具、防止外界因素干扰等减少钢管内螺旋缺陷的措施.【期刊名称】《钢管》【年(卷),期】2015(044)002【总页数】4页(P51-54)【关键词】热轧钢管;斜轧;内螺旋缺陷;穿孔机;桶形辊;锥形辊【作者】张国宽;田晓燕【作者单位】内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂,内蒙古包头014010;内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TG333.8在热轧无缝钢管生产中，将实心坯穿制成空心毛管是钢管热轧变形中的一道重要工序，而斜轧穿孔一直是最主要的穿孔方法。

桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机是两种最重要的斜轧穿孔机，得到了广泛的应用［1］。

随着社会生产不断发展，市场对钢管质量的要求不断提高，对生产钢管的机组要求也越来越高。

Assel等斜轧管机组轧制径厚比∧20的薄壁荒管，其内、外表面螺旋道比较突出。

外表面螺旋缺陷在随后的定（减）径工序中得到改善或消除；而内表面螺旋缺陷很难去除，轻则影响钢管内表面质量，重则致使钢管降级或报废［2］。

长期以来钢管内表面螺旋缺陷一直制约着斜轧管机组生产薄壁管［3］。

在纵轧管机组中，虽然自动轧管机或连轧管机可以通过一定的变形量来减轻或消除穿孔工序带来的螺旋缺陷，但是如果穿孔后毛管的螺旋较严重，也会产生一系列的质量和工艺问题（如自动轧管机组产生的内螺旋、纵向偏壁厚、凹坑等；连轧管机组产生的凹坑、撕裂等）［4-5］。

毛管内螺旋缺陷还会造成轧制热工具（顶头、芯棒等）的过度磨损。

本文主要分析桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机穿制毛管产生内螺旋缺陷的原因，并对解决办法进行探讨。

1.1 桶形辊穿孔机内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂（简称包钢无缝钢管厂）的Φ400 mm自动轧管机组，是从前苏联引进，于1971年投产的一套大直径无缝钢管生产机组。

在2000年，结合德国的桶形辊穿孔工艺进行了一系列的工艺和设备改造，现在可生产各种用途的Φ180～426 mm无缝钢管。

机组经过40年的生产运行，随着市场竞争的日趋激烈，产品范围过窄的缺陷突出地暴露出来。

Φ400 mm自动轧管机组使用的是2台桶形辊穿孔机连续延伸，以满足机组变形能力不足的问题［6-7］。

但实际生产中存在的主要问题有：顶头磨损严重，钢管内壁的直道缺陷多、螺旋缺陷严重、纵向壁厚精度差。

经过分析后认为，其主要原因是穿孔后毛管的螺旋缺陷严重。

1.2 锥形辊穿孔机包钢无缝钢管厂Φ180 mm MPM连轧管机组的穿孔机是锥形辊穿孔机，轧管机轧制薄壁管过程中频繁出现撕裂、堆钢现象，钢管的周向、纵向壁厚偏差较大。

经过工艺分析和质量跟踪，最终认定其造成原因是穿孔后毛管有严重的内螺旋缺陷。

2.1 变形区分析桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机结构如图1所示，其主要区别是：①桶形辊穿孔机采用桶形轧辊，锥形辊穿孔机采用锥形轧辊；②桶形辊穿孔机只有送进角β，没有辗轧角γ（γ=0°），锥形辊穿孔机既有送进角β，又有辗轧角γ。

在20世纪80年代以前，可以说是桶形辊穿孔机（包括狄塞尔穿孔机）一统天下，80年代以后锥形辊穿孔机得到迅速发展。

桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机的变形区如图2所示，两种穿孔机在穿制相同规格的毛管时，变形区的纵剖面完全相同。

两者的根本区别在于：引入辗轧角γ之后，轧辊形状由桶形变成锥形。

这是桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机具有不同特征的根本原因所在。

由图2可知：无论是桶形辊穿孔机还是锥形辊穿孔机，毛管的螺旋螺距Z计算是相同的，Z=D tan α式中 D——管坯直径，mm；α——咬入角，（°）。

为确保顺利咬入，从管坯被咬入点到与顶头相接触的距离，对一次穿孔必须有1个螺距，对二次穿孔应有0.75个螺距。

2.2 现场影响因素分析2.2.1 现场影响因素除变形区直接影响穿孔后毛管的螺旋深度和严重程度外，现场实际生产过程中，还有多种因素与毛管的外形有关，可从工艺和设备两方面进行归类。

工艺方面的影响因素有：管坯的加热温度；穿孔延伸量（变形量）的大小；顶头的偏心度；顶杆的直度（轧钢过程中是否摆动）；顶杆小车的中心线与轧机中心线的重合度；顶头的磨损程度及顶头外表面是否堆钢、粘钢；轧辊倾角（咬入角）的大小。

设备方面的因素有：主轧机的精度，包括转鼓的弹跳、轧辊的弹跳、轧机牌坊的弹跳；后台抱辊（定心辊）的同心度，抱辊的弹跳；顶杆小车的定位精度，闭锁机构的锁紧度和弹跳。

2.2.2 实测数据对比对包钢无缝钢管厂Φ400 mm自动轧管机组和Φ180 mm连轧管机组进行跟踪和测量，所有数据的采集均是保证现场影响因素处于良好运行的状况下进行的，即忽略非主流因素，只针对影响螺旋缺陷产生的主要原因进行分析。

为了明确表示毛管螺旋缺陷的严重程度，最直观的方法是沿着毛管外表面的螺旋线方向，在毛管螺旋缺陷1/2螺距处，分别量取毛管的直径，然后通过直径的波动值来反映螺旋的深度。

毛管直径的测量位置如图3所示。

在设备运行稳定、轧件温度良好的情况下，包钢无缝钢管厂Φ180 mm连轧管机组锥形辊穿孔机在送进角β=10°，辗轧角γ=15°时，生产Φ245 mm×8 mm钢管的毛管外径实际值见表1；Φ400 mm自动轧管机组桶形辊穿孔机在β=10°、γ=0°时，生产Φ325 mm×8 mm钢管的一次和二次穿孔毛管外径实际值见表2。

锥形辊穿孔机不同辗轧角γ穿孔后毛管外径对比见表3。

由表1～3可以看出：①虽然锥形辊穿孔机在穿孔变形时，金属的附加扭转变形比较小，但锥形辊穿孔和桶形辊穿孔的毛管内螺旋缺陷区别不是很明显，深度及变化规律几乎相同；②在其他工艺条件不变且符合变形区设计机理的情况下，辗轧角γ越大，毛管的螺旋缺陷越严重，随着γ的减小，毛管外表面逐步得到改善；③将辗轧角γ调为负值进行试验后发现，γ在-3°～0°范围，随着γ在负方向的增大，使毛管内螺旋得到改善，继续负方向增大，毛管螺旋道又会加重，这是因设备弹跳和变形区空间关系影响产生的。

2.3 根本原因分析在生产中，设备、轧制冷（热）工具等常常干扰调整工对轧机调整的判断，实际上，这些因素是造成毛管螺旋缺陷的次要因素，应予重视。

结合图2中对于变形区的分析，经过现场实际调整和取轧卡样测试，不论是桶形辊穿孔机，还是锥形辊穿孔机，直接决定穿后毛管螺旋深度的根本原因，就是穿孔变形区在三维空间下轧辊出口锥母线与顶头母线的配合程度。

也就是说，必须考虑实际轧钢过程中的三维空间关系，使穿孔时的内外变形工具良好配合，而不是投影关系上的两条母线绝对平行。

这也印证了辗轧角γ在调为负值的小范围内，毛管螺旋缺陷也在进一步改善。

20世纪80年代末，德国Meer公司推出了没有延伸变形的无缝钢管CPS （Cross-roll Piercing Stretch-reducing）工艺，即穿孔+定（减）径两步制管法；20世纪90年代初，南非Tosa公司投产的Φ168 mm CPS机组生产壁厚小于7.5 mm的钢管时，因穿孔后的毛管存在较严重的内外表面螺旋缺陷，且无法在后续的定（减）径工序中全部消除，使得CPS工艺半途而废，不得不在穿孔机与张力减径机之间增加轧管机。

实际生产控制中，可以采取的控制措施有［5-12］：（1）在穿孔机或者轧管机出口侧增加1个机架进行斜轧，通过轧辊与顶杆多一道次的辗轧，进一步改善钢管内表面的质量。

（2）减小轧辊出口锥的辊面角度，尽量减小轧辊的辗轧角γ，并在辗轧角γ实际测量中采取施加预应力的办法来消除轧辊弹跳，保证测量精准。

（3）准确选择轧制冷（热）工具，保证顶头偏心度、轧辊磨损、顶杆直度、导板磨损等处于合理的水平。

（4）减小外界影响因素的干扰，优化抱辊、轧机牌坊、各锁紧机构等设备方面的工作精度，并确保设备运行正常。

（1）穿孔过程中的附加变形，尤其是扭转变形，并不是产生毛管内表面螺旋缺陷的根本原因，只是影响因素之一；所以，穿孔后毛管内螺旋的产生与锥形辊穿孔或桶形辊穿孔的机型选择没有直接的关系。

（2）穿孔变形的变形区长度直接影响毛管螺旋缺陷的产生，尤其穿孔均壁区的长度与毛管内表面螺旋道的深度成反比。

（3）必须考虑三维空间关系，轧辊出口锥母线与顶头母线的良好配合（平行），即减小辗轧角γ，使金属变形更趋合理，才能从变形机理方面最大程度地优化穿孔后毛管的内外表面质量，减轻螺旋道的深度，从而为后续变形工序提供质量优良的坯料。

（4）除变形区的因素以外，生产中还有外界的影响因素，如顶杆抖动、轧机弹跳、顶头偏心、抱辊失稳、轧制中心线不正等也会间接造成毛管内外表面螺旋缺陷的加重，必须给予足够的重视。

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