定徑技術(shù)在Φ174 mm圓鋼生產(chǎn)過程中的應用

供稿|闞開，王德勇 / KAN Kai, WANG De-yong

AISI 4145H鉆鋌用鋼在石油天然氣工程中用于制造油田鉆井工具石油鉆鋌。隨著我國石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，對鉆鋌鋼的需求呈上升趨勢。過去用戶采購φ175 mm鋼材加工168 mm加重鉆桿成品，考慮到用戶降成本需求，新開發(fā)規(guī)格φ173 mm鋼材滿足用戶的需要。為了保證用戶的加工余量以及鋼材表面質(zhì)量的影響因素，根據(jù)技術(shù)協(xié)議的要求，φ173 mm公差±1.8 mm，因此孔型按照φ174 mm公差0～0.8 mm進行設(shè)計，鋼材實際尺寸控制在φ174.0 mm～φ174.8 mm國標Ⅰ組范圍內(nèi)，來滿足用戶的需求。傳統(tǒng)的軋制技術(shù)很難保證產(chǎn)品尺寸精度達到超國標Ⅰ組的水平，即使通過嚴格的輥縫調(diào)整，保證在軋件高度方向上的精度達到GB702Ⅰ組的水平，但也保證不了圓鋼的另外兩個尺寸參數(shù)寬度和橢圓度的精度達到GB702Ⅰ組的水平。這主要是由于圓鋼孔型本身設(shè)計存在但無法改變的缺陷、軋件頭尾溫度變化、機架間張力波動、孔型磨損等因素的影響。

定徑技術(shù)簡介

定徑技術(shù)工藝就是通過采用橢圓－圓－圓孔型系統(tǒng)[1-3]（見圖1），定徑圓與成品圓設(shè)計同一孔型尺寸，這樣保證定徑圓對軋件規(guī)圓時，產(chǎn)生小變形量，是無寬展軋制，減小產(chǎn)品的橢圓度和尺寸波動對產(chǎn)品尺寸影響的生產(chǎn)工藝過程。在軋制過程中，孔型、軋件溫度、材質(zhì)、張力、孔型磨損等因素的影響，軋件在長度方向上直徑發(fā)生變化，造成最終產(chǎn)品尺寸不合，通過定徑軋制系統(tǒng)，消除這方面的影響，提高產(chǎn)品尺寸精度。

定徑技術(shù)的應用

實際生產(chǎn)過程中，軋件材質(zhì)、頭尾溫度變化引起機架間張力波動和軋件寬展系數(shù)變化、孔型磨損以及成品圓孔存在缺陷等都將造成圓鋼局部尺寸不能達到預期的精度。

圖1 定徑原理簡圖

孔型設(shè)計自身缺陷對產(chǎn)品尺寸精度的影響

在孔型設(shè)計時，為了保證軋件便于咬入，一般孔型設(shè)計在基圓兩旁做一對稱的擴展圓弧[4]。但這種設(shè)計無法解決其擴展圓弧范圍內(nèi)直徑尺寸大于產(chǎn)品公稱直徑尺寸的問題，見圖2。由圖2可知擴展圓弧直徑比基圓直徑尺寸大1.2～1.3 mm，經(jīng)過軋制，鋼材兩旁熱尺寸基本達到177.3 mm，高度方向尺寸176.1 mm，50°角范圍擴展圓弧所對應直徑為177.3～177.4 mm，橢圓度為1.2～1.3 mm，產(chǎn)品斷面尺寸出現(xiàn)橢圓度超差，局部尺寸不合問題。

圖2 孔型擴展圓弧造成產(chǎn)品φ174 mm尺寸偏大示意圖

寬展系數(shù)對產(chǎn)品尺寸精度的影響

根據(jù)Wusatowski寬展公式可知，溫度對寬展的影響在生產(chǎn)過程中不可避免地出現(xiàn)以下兩種狀態(tài)，一是在730 ℃時，軋件兩側(cè)直徑小于標準合格直徑0.56～0.78 mm，見圖3。二是在850 ℃時軋件兩側(cè)直徑大于標準合格直徑0.56～0.78 mm，見圖4。由圖3和圖4可見，由于標準的熱尺寸為176.08～176.89 mm，所以在生產(chǎn)過程中軋件溫度變化出現(xiàn)175.3 mm或177.67 mm兩種不同的熱尺寸產(chǎn)品，出現(xiàn)冷尺寸超差問題，這種問題在實際生產(chǎn)過程很難解決。

圖3 φ174 mm棒材在730 ℃時尺寸情況示意圖

圖4 φ174 mm棒材在850 ℃時尺寸情況示意圖

定徑孔規(guī)圓軋制，解決尺寸波動問題

在生產(chǎn)過程中成品孔型、鋼溫及鋼種變化等因素影響軋件尺寸波動，經(jīng)常出現(xiàn)圖3、圖4情況。圖4所示情況可直接用定徑孔進行軋制，但出現(xiàn)圖3情況無法用定徑直接軋制彌補軋件所缺部分金屬，而且在現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，圖3和圖4兩種情況經(jīng)常會交錯出現(xiàn)，因此無法直接利用規(guī)圓技術(shù)消除成品孔型、鋼溫及鋼種變化影響的軋件尺寸波動問題。如果將成品前軋件尺寸提前預調(diào)0.4～0.5 mm，則可保證成品軋件尺寸輥縫方向尺寸增大到176.49～177.4 mm，這樣可保證預留出定徑機組孔型進行定徑軋制所用的壓下量，最終熱尺寸達到176.08～176.89 mm的正圓產(chǎn)品，即冷尺寸精度達國標Ⅰ組正差0～0.8 mm標準要求。

定徑軋制結(jié)果分析

產(chǎn)品尺寸精度分析

為了準確驗證定徑軋制對產(chǎn)品尺寸精度及穩(wěn)定性的控制效果，生產(chǎn)過程中在線取20塊試料，進行各項尺寸參數(shù)檢測，具體數(shù)據(jù)見表1 。所抽檢產(chǎn)品中，非定徑軋制的產(chǎn)品尺寸很不穩(wěn)定，有70%的產(chǎn)品尺寸精度達不到國標Ⅰ組公差尺寸要求的范圍，有80%的產(chǎn)品橢圓度達不到國標Ⅰ組要求。產(chǎn)品尺寸合格率低，主要是軋制線長，軋件溫降變化大，尤其頭尾溫差超過70～90 ℃，機架間張力波動大，并且鋼種更換頻繁等因素影響軋件尺寸精度。經(jīng)過定徑軋制后產(chǎn)品尺寸偏差及橢圓度均在超國標Ⅰ組公差0～0.8 mm范圍內(nèi)，合格率達到100%。雖然產(chǎn)品寬度方向尺寸受軋件溫度、機架間張力關(guān)系等因素影響，變化幅度較大，但經(jīng)小變形量無寬展定徑軋制后，產(chǎn)品尺寸精度均控制在標準公差范圍內(nèi)，并達到超國標Ⅰ組正差0～0.8 mm標準要求。

表1 φ174 mm產(chǎn)品尺寸抽檢試驗數(shù)據(jù)

合格率對比分析

為了更清楚說明產(chǎn)品尺寸指標合格情況，根據(jù)表1中測試數(shù)據(jù)，分別抽取非定徑和定徑軋制的數(shù)據(jù)，實際測量尺寸進行分析比較。φ174 mm產(chǎn)品滿足技術(shù)協(xié)議Ⅰ組正公差的直徑尺寸范圍：174 mm（D下限）～174.8 mm（D上限）。非定徑技術(shù)軋制φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸D值分布見圖5，其中棒材尺寸小面（D1線）全部都分布在D下限界限之下，大面(D2線)有40%多分布在D上限界限之上，而且D線的波動很大，說明軋件尺寸很不穩(wěn)定，并且局部超差嚴重。

定徑技術(shù)軋制φ174 mm圓產(chǎn)品直徑尺寸D值分布圖6所示，其中棒材尺寸小面（D1線）全部都分布在D上限界限之上，大面(D2線)有85%多分布在D上限界限之下，D線波動較小，并且在公差帶范圍內(nèi)波動，這說明產(chǎn)品直徑尺寸的合格率達到100%。

從以上對比分析看，采用定徑技術(shù)軋制大規(guī)格圓棒材，在控制產(chǎn)品尺寸精度和尺寸的穩(wěn)定性方面有獨特的優(yōu)點。

圖5 非定徑技術(shù)的φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸情況

結(jié)論

（1）定徑技術(shù)的應用，保證φ174 mm成品尺寸精度達到合同技術(shù)協(xié)議尺寸要求和國標Ⅰ組正差尺寸精度，橢圓度可控制在≤0.8 mm范圍內(nèi)。

（2）在生產(chǎn)中應用定徑技術(shù)，軋件溫度，機架間張力、孔型形狀等因素對產(chǎn)品尺寸影響明顯減小。產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性達到較高水平。

（3）對矯直產(chǎn)品頭部彎曲有明顯的效果。

圖6 定徑技術(shù)的φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸情況

[1] 王延?。堜摴に噷W．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1981

[2] 曹乃光．金屬塑性加工原理．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1983

[3] 趙志業(yè)．金屬塑性變形與軋制理論．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1980

[4] 鞍鋼孔型設(shè)計室．鋼材孔型設(shè)計．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1959

[5] 白光潤，欒瑰馥，朱殿強．孔型設(shè)計．沈陽: 東北工學院出版社,1992