周期軋管機孔型優化設計

宋光鑫，唐澤華

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

衡陽華菱鋼管有限公司（以下簡稱衡鋼）φ720 機組采用德國SMS Meer 公司引進的周期軋管機組，周期軋管工藝采用單機架往復軋制的方式，具有變形量大、軋制范圍廣、品種規格適應性強的優點，但是周期軋管工藝與其他縱軋工藝相比有兩個方面的典型特征：一是孔型的斷面形狀和尺寸隨著軋輥的轉動是變化的；二是金屬的流動方向與軋制方向相反，這種工藝特性決定了合理的周期軋管機孔型設計是保證產品質量和生產效率的關鍵。本文通過對周期軋管機孔型設計原理進行分析，借鑒國內外周期軋管機組孔型設計經驗，結合衡鋼φ720 機組的生產實踐，淺析周期軋管機孔型優化設計的基本原理，為實際生產操作和孔型開發提供參考依據。

1 周期軋管孔型的分段

1.1 周期軋管工藝在一個軋制道次中，可以分為軋制過程和送進過程，軋制過程由軋輥的工作段完成，工作段分為鍛軋段、精軋段、終軋段，軋制過程軋件由軋輥帶著回退。送進過程在空軋段完成，此時軋輥不與軋件接觸，由喂料器帶著軋件完成送進過程。因此，周期軋管機孔型一般由四段組成：

（1）鍛軋段（θ1）：鍛軋段的主要功能是實現毛管到荒管的軋制，變形主要集中在鍛軋段，鍛軋段的最大開度決定最大減徑量；

（2）精軋段（θ2）：精軋段主要是將鍛軋段已經完成變形的部分精軋定徑，提高荒管的外徑和壁厚精度，精軋段孔型尺寸在不同截面保持一致，主要決定喂入量的大小；

（3）終軋段（θ3）：終軋段的主要作用是讓軋輥和荒管平穩脫離；

（4）空軋段（θ4）：空軋段孔型開度較大，軋輥旋轉到空軋段時完成毛管的喂入動作。

1.2 周期軋管機孔型各段的比例分配目前存在兩種不同的觀點，一種是“陡變形”，即θ1/θ2＜1；另一種是“緩變形”，即θ1/θ2＞1；采用“緩變形”設計，在同等的變形條件下可以增加減徑量，有效提高對不同毛管外徑的適應性，缺點是要保證產品質量，會犧牲軋制效率或是增加設備投入，因此，各生產廠應根據自身的設備和產品范圍合理選擇變形方式。衡鋼φ720 機組由于產品規格組距范圍較大（外徑273～720 mm，壁厚10～120 mm），同一孔型毛管來料尺寸波動范圍大，因此采用“緩變形”設計，通過增加輥徑保證產品質量和生產效率。

2 鍛軋段孔型曲線設計

鍛軋段是周期軋管機孔型的主要變形區，它對軋制過程、軋機生產率及產品質量均有著顯著影響，從周期軋管工藝問世以來，不同學者的研究成果和生產企業的實踐歸納起來主要有拋物線模型、指數模型以及經驗曲線（意大利達爾明公司）三種形式，目前應用較為廣泛的包絡線孔型，是曼內斯曼公司根據拋物線孔型模型原理提出改進模型，本文著重就包絡線孔型設計在不同產品生產中的關鍵要素進行探討。

C1=B/b2C2=b/A

A=L-B/tgη b=a/tgη-1

a=B/A

η-導角（鍛軋段孔型起始點的切角）

采用包絡線模型的孔型設計，各生產廠根據自身的設備和產品情況，主要有3 個參數要考慮：

（1）B—孔型開口深度，決定軋制的最大減徑量，軋制的最大理論減徑量是開口深度的2 倍，但是一般實際生產過程中控制最大減徑量為2B-10～20 mm。

（2）η—導角（鍛軋段孔型起始點的切角），選擇不同的導角，就得到不同陡度的鍛軋段曲線，一般來說，生產大口徑、薄壁的、合金含量較高的鋼管，導角宜取小值，同時需要減少孔型開口深度或增加鍛軋段（θ1）角度來保證產品質量，如生產減徑量較小的碳鋼和低合金鋼，導角可以取大值，通過減少鍛軋段（θ1）角度，增加精軋段（θ2）角度，以此提高生產效率。通常情況下導角的選擇在23°～30°之間。在實際生產過程中，如軋機負荷和軋輥強度允許的情況下，軋制變形量較小的高合金鋼的生產也可以通過增大導角以期獲得較大寬展，以此來改善脫棒條件。

（3）L—變形區長度，以鍛軋段結束點軋輥孔頂直徑計算鍛軋段展開長度作為變形區長度，L 越長，則變形越緩，導角和開口深度的調整余量會有所增加。在各段角度不變的前提下，采用較大的輥徑，能有效增加變形區長度，但會加大設備投入和軋輥的消耗。

3 孔型側壁角的選擇

由于軋件在變形過程中寬展是客觀存在的，為了避免金屬擠入輥縫形成耳子（耳子在再次翻轉喂入后會形成軋折缺陷），通常在孔型的各斷面采用帶不同側壁角的圓弧孔型來增加孔型的寬度，側壁角設計過小會產生削鋼、軋制缺陷，設計過大會導致鋼管縱向延伸和尺寸精度下降。側壁角的理論計算主要是根據軋件寬展情況，而軋件在軋輥各截面變形的寬展差異較大，側壁角也應隨之變化，孔型設計時，側壁角的選擇一般在理論計算的基礎上結合實際生產經驗進行選擇，通常比理論計算的寬展量要大：

（1）精軋段的側壁角一般保持不變，通常在18～25°之間選擇，對于尺寸精度要求較高的取小值，部分高合金鋼為了獲得更好的脫棒條件，可以適當取大值。

（2）鍛軋段的側壁角從起始點開始一般由大到小（呈線性變化），起始點通常在28～35°之間選擇，鍛軋段結束點側壁角一般與精軋段保持一致。

（3）終軋段的側壁角起始點與精軋段保持一致，結束點與空軋段保持一致，從起始到結束側壁角迅速變大，方面荒管平穩脫離軋輥防止削鋼。

4 輥縫的設計

孔型的輥縫設計對軋件的寬展和延伸影響較大，同時對軋輥的消耗也有較大影響，相同名義直徑的軋輥，輥縫值越大，軋輥孔頂的直徑越大，不僅增加了軋輥的工作段長度（工作段角度不變時），也增加了軋輥的強度和返車的次數，降低軋輥消耗。輥縫的選擇一般按孔型直徑的6%～20%，當軋輥名義直徑較大孔型直徑較小時，可以取大值。

5 結 語

周期軋管機孔型設計對產品的質量、生產效率都有著非常大的影響，孔型設計本身與生產條件、設備條件的關聯度是非常密切的。應當說明的是，哪怕采用同一孔型參數，由于軋輥加工或是選擇軋輥直徑的不同，實際孔型曲率半徑也會不同，生產單位應該根據設備條件，生產品種和規格組距以及軋輥返車的情況，根據上述原則合理配置孔型參數，使各項參數之間能達成有機的融合，以便在保證質量的前提下獲得更高的生產效率以及更經濟的軋輥消耗。