穿孔毛管尾部鐵耳子產(chǎn)生原因分析及控制

尹錫泉，朱寶祿，張 進(jìn)，黃尊良

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)斜軋穿孔薄壁毛管，尤其在穿孔徑壁比∧12的毛管時(shí)，經(jīng)常會(huì)在毛管尾部出現(xiàn)鐵耳子。觀察發(fā)現(xiàn)，鐵耳子由毛管尾部?jī)?nèi)層金屬延伸而出，在尾端內(nèi)側(cè)較為均勻地分布一周或在尾端內(nèi)側(cè)成條狀伸出。毛管尾部?jī)?nèi)側(cè)均勻分布的鐵耳子與內(nèi)側(cè)條狀鐵耳子如圖1～2所示。在薄壁管生產(chǎn)過(guò)程中，均勻分布的鐵耳子由于長(zhǎng)度較短且與母體結(jié)合較強(qiáng)，不易脫落，較條狀鐵耳子的危害相對(duì)小。條狀鐵耳子會(huì)損傷軋制工具從而降低軋制工具使用壽命，造成故障停機(jī)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。鋼管內(nèi)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(chǎn)生，可有效提高下道工序軋制工具的使用壽命，同時(shí)對(duì)提高大直徑薄壁管內(nèi)外表面質(zhì)量也至關(guān)重要。

1 形成原因分析

（1）斜軋穿孔管坯內(nèi)層剪切應(yīng)力較大。

在斜軋穿孔過(guò)程中存在兩種應(yīng)變形式：一種是可以直接觀察到的3個(gè)相互垂直的主應(yīng)變，即徑向應(yīng)變（反映壁厚變化）、縱向應(yīng)變（反映長(zhǎng)度方向上的橫斷面變化）和周向應(yīng)變（反映直徑變化），這3個(gè)應(yīng)變?yōu)楦淖冃螤钏蟮膽?yīng)變，稱為“必要應(yīng)變”；另一種是不可以直接觀察到的3個(gè)剪切應(yīng)變，即周向剪切應(yīng)變（使材料的內(nèi)外層質(zhì)點(diǎn)在周向錯(cuò)開）、縱向剪切應(yīng)變（使斷面上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生軸向位移）及扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變（使毛管長(zhǎng)度方向上的質(zhì)點(diǎn)朝同一方向扭轉(zhuǎn)），這3個(gè)剪切應(yīng)變是由材料內(nèi)部應(yīng)力引起的，其大小與材料的力學(xué)性能有關(guān)，而對(duì)被加工工件所需形狀的改變不起作用，稱為“多余應(yīng)變”。必要應(yīng)變與多余應(yīng)變對(duì)變形的影響如圖4所示［1-6］。

圖1 毛管尾部?jī)?nèi)側(cè)均勻分布的鐵耳子

圖2 毛管尾部?jī)?nèi)側(cè)條狀鐵耳子

圖3 鋼管內(nèi)壁劃傷缺陷

根據(jù)N.A.伏米切夫等人的研究［1-2］，塑性變形主要發(fā)生在1/3半徑的表層區(qū)域內(nèi)，而內(nèi)層金屬在外層金屬的帶動(dòng)下延伸。在剪切應(yīng)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(yīng)變?cè)趦?nèi)層比較集中，會(huì)在內(nèi)層產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。圖5所示為斜軋穿孔前卡時(shí)管坯前端面形狀，可明顯看出外層金屬帶動(dòng)內(nèi)層金屬流動(dòng)時(shí)端面呈拋物線型。

圖4 必要應(yīng)變與多余應(yīng)變對(duì)變形的影響

圖5 斜軋穿孔前卡時(shí)管坯前端面形狀

（2）管坯內(nèi)層溫度較高。

雖然管坯在加熱初期內(nèi)層溫度較低，但是通過(guò)制定合理的加熱制度，隨著加熱繼續(xù)，管坯內(nèi)層溫度會(huì)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(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）Ф250mm MPM（Multi-stand Pipe Mill）機(jī)組生產(chǎn)Ф270mm規(guī)格N80鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的加熱溫度制度曲線。隨著變形的繼續(xù)，管坯中心部位的金屬在頂頭和軋輥的交變作用下強(qiáng)迫延伸，當(dāng)外層金屬帶動(dòng)內(nèi)層金屬流動(dòng)時(shí)，內(nèi)層金屬與變形工具和周邊的金屬相互摩擦產(chǎn)生熱量，使得內(nèi)層金屬的溫度迅速升高。

圖6 N80鋼級(jí)無(wú)縫鋼管加熱溫度制度曲線

（3）軋輥轉(zhuǎn)速躍升。

在管坯被穿破的瞬間（斜軋穿孔末期），軋輥轉(zhuǎn)速有一個(gè)躍升的過(guò)程（觀察發(fā)現(xiàn)，天津鋼管Ф250 mm MPM機(jī)組軋輥轉(zhuǎn)速躍升值能達(dá)到正常穿孔時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速的9%以上），加劇了管坯穿破時(shí)的不穩(wěn)定性。

由于上述3個(gè)因素的影響，以及頂頭對(duì)內(nèi)層金屬流動(dòng)的阻礙作用，在斜軋穿孔末期，當(dāng)金屬的塑性強(qiáng)度低于內(nèi)層金屬的剪切應(yīng)力時(shí)，管坯尾部?jī)?nèi)層金屬與帶動(dòng)其流動(dòng)的外層金屬之間產(chǎn)生破裂，頂頭將接近熔融狀態(tài)的內(nèi)層金屬帶出管坯，導(dǎo)致鐵耳子的產(chǎn)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(huì)在管坯尾端破裂時(shí)順著定心孔破裂，此時(shí)產(chǎn)生的鐵耳子附著力強(qiáng)、面積小、不易脫落，不會(huì)對(duì)后續(xù)工序及設(shè)備帶來(lái)?yè)p害。但尾部定心孔必須在管坯端面中心位置，否則會(huì)造成鋼管尾端壁厚不均。

基于上述思路，目前國(guó)內(nèi)部分鋼管生產(chǎn)企業(yè)采用尾部定心的方法來(lái)抑制鐵耳子的出現(xiàn)。尾部定心分為熱定心和冷定心。熱定心是在管坯經(jīng)環(huán)形爐加熱后，在穿孔前對(duì)管坯尾部進(jìn)行定心［7］。熱定心對(duì)場(chǎng)地及設(shè)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(dǎo)致管坯溫度降低較多，不利于對(duì)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(jī)械冷定心。其中，人工氣割定心雖然對(duì)場(chǎng)地及前期投入要求較低，但是工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大、工作環(huán)境惡劣，并且不能有效地保證定心質(zhì)量；采用機(jī)械冷定心雖然能夠保證定心質(zhì)量，但是前期投入較多且對(duì)場(chǎng)地有一定要求，而后續(xù)工具的更換及設(shè)備維護(hù)會(huì)導(dǎo)致軋制成本的增加。

（2）降低管坯內(nèi)層金屬的剪切應(yīng)力，尤其是尾部?jī)?nèi)層金屬的，可使得內(nèi)層金屬與帶動(dòng)其延伸的金屬之間不易發(fā)生破裂，從而降低鐵耳子的產(chǎn)生。

目前，在生產(chǎn)中可以通過(guò)增加毛管壁厚和降低穿孔軋制速度來(lái)降低內(nèi)層金屬的剪切應(yīng)力。若毛管壁厚增加，則穿孔過(guò)程中金屬的剪切應(yīng)變減小，從而降低其剪切應(yīng)力。但是增加毛管壁厚需要考慮其對(duì)連軋工序的影響，如果壁厚增加過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致連軋變形量增加，使得連軋負(fù)荷過(guò)高。因此，通過(guò)調(diào)整壁厚來(lái)降低鐵耳子產(chǎn)生的幾率有一定作用，但是受到后續(xù)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(chǎn)生。降低穿孔軋制速度，不但可以抑制穿孔時(shí)管坯在高變形速度下吸收的變形能轉(zhuǎn)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(tài)，避免被頂頭帶出而出現(xiàn)鐵耳子，而且可以使管坯在熱變形過(guò)程中有一定時(shí)間進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，提高管坯的塑性，減少管坯內(nèi)層金屬的剪切應(yīng)變，從而降低剪切應(yīng)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(tǒng)，使穿孔頂頭在穿破管坯同期后撤，可有效控制軋輥轉(zhuǎn)速躍升現(xiàn)象，使管坯在穿孔末期更加穩(wěn)定，降低了管坯尾部金屬的應(yīng)變速率，從而降低其剪切應(yīng)力，對(duì)毛管尾部鐵耳子的產(chǎn)生也有較大抑制作用。但是，該程序的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，且改造費(fèi)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(chǎn)生的鐵耳子。這需要對(duì)加熱鋼種的特性進(jìn)行研究，根據(jù)鋼種特性及管坯規(guī)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(shí)間太短造成的管坯內(nèi)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(qū)間內(nèi)進(jìn)行穿孔，以降低尾部?jī)?nèi)層金屬破裂脫離母體的幾率。

3 結(jié) 論

（1）在穿孔末期，由于管坯尾部?jī)?nèi)層金屬溫度升高過(guò)快，塑性降低，內(nèi)層剪切應(yīng)力過(guò)大及管坯被穿破的瞬間軋輥轉(zhuǎn)速躍升，導(dǎo)致穿孔拋鋼過(guò)程不穩(wěn)定程度增加，從而導(dǎo)致鐵耳子的產(chǎn)生。

（2）通過(guò)管坯尾部定心、抑制管坯尾部?jī)?nèi)層金屬溫度升高過(guò)快及降低內(nèi)層金屬剪切應(yīng)力，可以有效控制鐵耳子的產(chǎn)生。

（3）對(duì)穿孔主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行線性控制，既可以抑制穿孔末期軋輥轉(zhuǎn)速躍升，又可以不對(duì)管坯尾部進(jìn)行定心就能有效控制鐵耳子的產(chǎn)生，并且不會(huì)引起其他工藝問(wèn)題，是一種控制穿孔過(guò)程鐵耳子產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)有效的方法。

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