穿孔毛管尾部鐵耳子產生原因分析及控制

尹錫泉，朱寶祿，張 進，黃尊良

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

在無縫鋼管生產過程中，當斜軋穿孔薄壁毛管，尤其在穿孔徑壁比∧12的毛管時，經常會在毛管尾部出現鐵耳子。觀察發現，鐵耳子由毛管尾部內層金屬延伸而出，在尾端內側較為均勻地分布一周或在尾端內側成條狀伸出。毛管尾部內側均勻分布的鐵耳子與內側條狀鐵耳子如圖1～2所示。在薄壁管生產過程中，均勻分布的鐵耳子由于長度較短且與母體結合較強，不易脫落，較條狀鐵耳子的危害相對小。條狀鐵耳子會損傷軋制工具從而降低軋制工具使用壽命，造成故障停機，影響產品質量。鋼管內壁劃傷缺陷如圖3所示。

因此，降低或消除穿孔工序鐵耳子的產生，可有效提高下道工序軋制工具的使用壽命，同時對提高大直徑薄壁管內外表面質量也至關重要。

1 形成原因分析

（1）斜軋穿孔管坯內層剪切應力較大。

在斜軋穿孔過程中存在兩種應變形式：一種是可以直接觀察到的3個相互垂直的主應變，即徑向應變（反映壁厚變化）、縱向應變（反映長度方向上的橫斷面變化）和周向應變（反映直徑變化），這3個應變為改變形狀所要求的應變，稱為“必要應變”；另一種是不可以直接觀察到的3個剪切應變，即周向剪切應變（使材料的內外層質點在周向錯開）、縱向剪切應變（使斷面上的質點產生軸向位移）及扭轉剪切應變（使毛管長度方向上的質點朝同一方向扭轉），這3個剪切應變是由材料內部應力引起的，其大小與材料的力學性能有關，而對被加工工件所需形狀的改變不起作用，稱為“多余應變”。必要應變與多余應變對變形的影響如圖4所示［1-6］。

圖1 毛管尾部內側均勻分布的鐵耳子

圖2 毛管尾部內側條狀鐵耳子

圖3 鋼管內壁劃傷缺陷

根據N.A.伏米切夫等人的研究［1-2］，塑性變形主要發生在1/3半徑的表層區域內，而內層金屬在外層金屬的帶動下延伸。在剪切應變的作用下，雖然斜軋穿孔的塑性變形不均勻，但是由于剪切應變在內層比較集中，會在內層產生較大的剪切應力。圖5所示為斜軋穿孔前卡時管坯前端面形狀，可明顯看出外層金屬帶動內層金屬流動時端面呈拋物線型。

圖4 必要應變與多余應變對變形的影響

圖5 斜軋穿孔前卡時管坯前端面形狀

（2）管坯內層溫度較高。

雖然管坯在加熱初期內層溫度較低，但是通過制定合理的加熱制度，隨著加熱繼續，管坯內層溫度會逐漸升高并最終與表層金屬及爐溫處于同一水平。圖6所示為天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）Ф250mm MPM（Multi-stand Pipe Mill）機組生產Ф270mm規格N80鋼級無縫鋼管的加熱溫度制度曲線。隨著變形的繼續，管坯中心部位的金屬在頂頭和軋輥的交變作用下強迫延伸，當外層金屬帶動內層金屬流動時，內層金屬與變形工具和周邊的金屬相互摩擦產生熱量，使得內層金屬的溫度迅速升高。

圖6 N80鋼級無縫鋼管加熱溫度制度曲線

（3）軋輥轉速躍升。

在管坯被穿破的瞬間（斜軋穿孔末期），軋輥轉速有一個躍升的過程（觀察發現，天津鋼管Ф250 mm MPM機組軋輥轉速躍升值能達到正常穿孔時主機轉速的9%以上），加劇了管坯穿破時的不穩定性。

由于上述3個因素的影響，以及頂頭對內層金屬流動的阻礙作用，在斜軋穿孔末期，當金屬的塑性強度低于內層金屬的剪切應力時，管坯尾部內層金屬與帶動其流動的外層金屬之間產生破裂，頂頭將接近熔融狀態的內層金屬帶出管坯，導致鐵耳子的產生。

2 控制方法

（1）去除管坯尾部中心處的金屬。如果去除管坯尾部中心處的金屬，那么鋼錠會在管坯尾端破裂時順著定心孔破裂，此時產生的鐵耳子附著力強、面積小、不易脫落，不會對后續工序及設備帶來損害。但尾部定心孔必須在管坯端面中心位置，否則會造成鋼管尾端壁厚不均。

基于上述思路，目前國內部分鋼管生產企業采用尾部定心的方法來抑制鐵耳子的出現。尾部定心分為熱定心和冷定心。熱定心是在管坯經環形爐加熱后，在穿孔前對管坯尾部進行定心［7］。熱定心對場地及設備要求較高，前期投入較多，而且在穿孔前增加了一道工序，導致管坯溫度降低較多，不利于對軋制溫度要求較高的鋼種的軋制。冷定心包括人工氣割定心及機械冷定心。其中，人工氣割定心雖然對場地及前期投入要求較低，但是工人勞動強度較大、工作環境惡劣，并且不能有效地保證定心質量；采用機械冷定心雖然能夠保證定心質量，但是前期投入較多且對場地有一定要求，而后續工具的更換及設備維護會導致軋制成本的增加。

（2）降低管坯內層金屬的剪切應力，尤其是尾部內層金屬的，可使得內層金屬與帶動其延伸的金屬之間不易發生破裂，從而降低鐵耳子的產生。

目前，在生產中可以通過增加毛管壁厚和降低穿孔軋制速度來降低內層金屬的剪切應力。若毛管壁厚增加，則穿孔過程中金屬的剪切應變減小，從而降低其剪切應力。但是增加毛管壁厚需要考慮其對連軋工序的影響，如果壁厚增加過大，會導致連軋變形量增加，使得連軋負荷過高。因此，通過調整壁厚來降低鐵耳子產生的幾率有一定作用，但是受到后續工序的制約，壁厚增加幅度有限，毛管尾部鐵耳子仍有一定幾率產生。降低穿孔軋制速度，不但可以抑制穿孔時管坯在高變形速度下吸收的變形能轉化為熱能，保證穿孔后期原本溫度就很高的尾部金屬不接近熔融狀態，避免被頂頭帶出而出現鐵耳子，而且可以使管坯在熱變形過程中有一定時間進行回復和再結晶，提高管坯的塑性，減少管坯內層金屬的剪切應變，從而降低剪切應力［8-14］。

目前，歐洲某廠利用穿孔頂桿小車上的附加液壓控制系統，使穿孔頂頭在穿破管坯同期后撤，可有效控制軋輥轉速躍升現象，使管坯在穿孔末期更加穩定，降低了管坯尾部金屬的應變速率，從而降低其剪切應力，對毛管尾部鐵耳子的產生也有較大抑制作用。但是，該程序的實現需要對設備進行改造，且改造費用較高。

（3）提高管坯加熱的均勻性及加工塑性，杜絕由于加熱不均勻產生的鐵耳子。這需要對加熱鋼種的特性進行研究，根據鋼種特性及管坯規格制定合理的加熱制度，杜絕高溫段加熱速度太快和均熱時間太短造成的管坯內外溫度不均，并盡量改善由于管坯下表面加熱條件較差造成的上下表面溫度不均勻情況。另外，盡量在管坯最佳塑性變形溫度區間內進行穿孔，以降低尾部內層金屬破裂脫離母體的幾率。

3 結 論

（1）在穿孔末期，由于管坯尾部內層金屬溫度升高過快，塑性降低，內層剪切應力過大及管坯被穿破的瞬間軋輥轉速躍升，導致穿孔拋鋼過程不穩定程度增加，從而導致鐵耳子的產生。

（2）通過管坯尾部定心、抑制管坯尾部內層金屬溫度升高過快及降低內層金屬剪切應力，可以有效控制鐵耳子的產生。

（3）對穿孔主機轉速進行線性控制，既可以抑制穿孔末期軋輥轉速躍升，又可以不對管坯尾部進行定心就能有效控制鐵耳子的產生，并且不會引起其他工藝問題，是一種控制穿孔過程鐵耳子產生的經濟有效的方法。

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