熱軋方矩形管的開發(fā)

張國寬，李 曉，田曉燕

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

方矩形管是一種用途極廣的閉口型鋼，與相同截面積的圓管相比，具有強度高、抗彎截面模量大、易于裝配及穩(wěn)固、美觀等優(yōu)點，廣泛用于車輛、地鐵、建筑、造船等行業(yè)。為了適應市場環(huán)境的變化，針對國內(nèi)外市場方矩形管的需求和生產(chǎn)狀況，內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠（簡稱包鋼無縫鋼管廠）采用Φ400 mm自動軋管機組成功開發(fā)了多種規(guī)格的熱軋方矩形管，現(xiàn)已成功利用Φ219 mm 圓管完成了第一批150 mm×160 mm方矩形管生產(chǎn)合同。包鋼無縫鋼管廠生產(chǎn)的150 mm×160 mm 熱軋方矩形管的產(chǎn)品外觀良好、尺寸精確，性能滿足用戶要求，且已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，填補了國內(nèi)熱軋方矩形管批量生產(chǎn)的空白［1-6］。

本文將主要介紹包鋼無縫鋼管廠采用Φ400 mm 自動軋管機組開發(fā)熱軋方矩形管的具體情況。

1 工藝路線

包鋼無縫鋼管廠Φ400 mm 自動軋管機組生產(chǎn)熱軋方矩形管的工藝路線是：圓坯—環(huán)形爐—一次穿孔—二次穿孔—自動軋管機—均整機—再加熱爐—高壓水除鱗—三輥定徑機（方管成型）—冷床—方矩形管移送器—立式矯直機—切頭尾—檢查、測長、稱重、打包。

2 幾何尺寸控制和孔型的開發(fā)

2.1 配套相應標準及特征參數(shù)

目前，國外針對熱軋方矩形管的相關標準有：德國DIN EN 10084—1998《滲碳鋼：技術交貨條件》，日本JIS G 3466—1982《一般構造用角型鋼管》。而國內(nèi)還沒有相關權威部門發(fā)布的針對熱軋方矩形管的相應檢測和驗收標準；大部分的生產(chǎn)合同都是根據(jù)用戶要求，按照生產(chǎn)廠與用戶間的協(xié)議標準來執(zhí)行的［7-8］。熱軋方矩形管的常規(guī)幾何尺寸及外形標準見表1；根據(jù)熱軋方矩形管的不同用途，表1 中部分參數(shù)可與用戶協(xié)商，并進行微調。

表1 熱軋方矩形管的常規(guī)幾何尺寸及外形標準

2000 年，包鋼無縫鋼管廠對Φ400 mm 自動軋管機組進行了改造，配套增加了三輥定徑機，并且設計開發(fā)了雙軸驅動四輥方矩形管機架。2012 年，包鋼無縫鋼管廠成功軋制出140 mm×140 mm 規(guī)格熱軋方矩形管，其總體性能參數(shù)較好，具體幾何尺寸檢測結果見表2。

表2 140 mm×140 mm 熱軋方矩形管幾何尺寸檢測結果

目前，Φ400 mm 自動軋管機組已經(jīng)成功軋制出140 mm×140 mm、150 mm×160 mm、145 mm×145 mm、175 mm×175 mm、200 mm×200 mm 等規(guī)格熱軋方矩形管，而且軋制效果都比較理想。

2.2 幾何尺寸控制

2.2.1 壁厚和邊長

采用不同壁厚Φ219 mm 熱軋圓管生產(chǎn)150 mm×160 mm 熱軋方矩形管，其幾何尺寸見表3。

表3 Φ219 mm 熱軋圓管生產(chǎn)的150 mm×160 mm熱軋方矩形管的幾何尺寸 mm

從表3 可以看出：150 mm×160 mm 熱軋方矩形管的邊長滿足用戶要求，但壁厚未完全滿足用戶要求（客戶要求壁厚按照負偏差控制）。造成壁厚不能滿足客戶要求的主要原因是：Φ219 mm 熱軋圓管經(jīng)過減徑變形成型為150 mm×160 mm 熱軋方矩形管，按照周長計算其總減徑率為9.84%，壁厚的增厚值要比原三輥定徑機（德國設計）的壁厚增厚值大0.2~0.4 mm。也就是說，如果按照負偏差來控制熱軋方矩形管的壁厚，定徑之前的熱軋圓管壁厚必須要滿足公式：熱軋方矩形管成品壁厚-三輥定徑機理論增厚值-0.4 mm=熱軋圓管壁厚［9］。

因此，需對熱軋圓管的壁厚進行調整，使得軋制出的熱軋方矩形管壁厚達到客戶要求。目前，包鋼無縫鋼管廠已經(jīng)摸索出幾種熱軋方矩形管能夠達到壁厚負偏差要求的熱軋圓管壁厚控制標準。

2.2.2 圓角半徑

選取18 個點，測量參數(shù)調整前200 mm×200 mm×20 mm 熱軋方矩形管的外圓角角度，具體見表4。從表4 可以看出：200 mm×200 mm×20 mm 熱軋方矩形管的外圓角角度不穩(wěn)定，部分值偏大，相應的造成對應圓弧的長度增加，不能達到客戶要求。而外圓角角度是熱軋方矩形管相比其他方式生產(chǎn)最難控制的特征尺寸。

表4 參數(shù)調整前200 mm×200 mm×20 mm熱軋方矩形管的外圓角角度 （°）

因此，進行以下調整：①定徑機的精軋圓孔型與方矩形管孔型的過渡，將原設計的1.0%的圓方孔型之間的減徑率修改為不按照減徑率控制，而是按最后一個機架圓孔型的周長要近似于熱軋方矩形管的周長來設計；②將熱軋方矩形管的定徑后終軋溫度由原來的800 ℃修改為850 ℃。

參數(shù)調整后再經(jīng)過幾次試軋，檢測參數(shù)調整后200 mm×200 mm×20 mm 熱軋方矩形管的外圓角角度，具體結果見表5?？梢钥闯觯簠?shù)調整后，由于圓孔型和壁厚的變化，熱軋方矩形管外圓角角度變小，相應的圓弧長度縮短，外圓角角度和圓弧長度基本達到客戶要求。

表5 參數(shù)調整后200 mm×200 mm×20 mm熱軋方矩形管的外圓角角度 （°）

2.2.3 邊的凹凸度和彎曲度

目前，國內(nèi)針對大規(guī)格方矩形管的生產(chǎn)一般采用直接成方方法，但有以下難點［10-11］：

（1） 側邊成型失穩(wěn)和軋輥線速度差值較大。大規(guī)格方矩形管的側邊較長，側邊成型失穩(wěn)的臨界力隨著邊長增加迅速變低，失穩(wěn)造成側邊內(nèi)凹，產(chǎn)品尺寸精度差。

（2） 成型速度慢；200 mm 以上邊長在成型升角超過30°時，平輥/立輥與管體表面的線速度差值迅速增大，導致管坯表面擦傷；壁厚超過12 mm時，實彎上輥輥角的成型壓力大，軋輥磨損快。

因此，包鋼無縫鋼管廠重點對大規(guī)格熱軋方矩形管的側邊成型失穩(wěn)問題進行攻關，主要調整了四輥方矩形管的機架孔型（調整方案在2.3 節(jié)中），以及圓孔型與方孔型之間的過渡。經(jīng)過上述調整，150 mm×160 mm、200 mm×200 mm 熱軋方矩形管的側邊凹凸度分別見表6~7。

表6 150 mm×160 mm 熱軋方矩形管的側邊凹凸度mm

表7 200 mm×200 mm 熱軋方矩形管的側邊凹凸度mm

由表6~7 可知：3 次生產(chǎn)的150 mm×160 mm熱軋方矩形管凹凸度均達到客戶要求，并且第3 次軋制生產(chǎn)的凹凸度最小；但在生產(chǎn)200 mm×200 mm 熱軋方矩形管時，立邊的凹凸度明顯過大。

由于3 次軋制的150 mm×160 mm 方矩形管均采用矯直機進行矯直，其整體直度能夠達到客戶要求（∧1 mm/m）。

2.3 機架孔型匹配情況

Φ400 mm 自動軋管生產(chǎn)線采用了不可調式三輥定徑機，各機架間的孔型匹配方式是經(jīng)過德國Meer 公司提供的CARTA 孔型計算系統(tǒng)計算得出的，原則上各機架間的減徑率控制在3%以下，以滿足軋制45 mm 以下各類壁厚無縫鋼管的工藝要求［12］。但是在軋制150 mm×160 mm 方矩形管時發(fā)現(xiàn)，圓管到方管的變形，前面的圓孔型需要較大的單機架減徑率，而變形到達方孔型時，最后一個機架圓孔型到方矩形管孔型的過渡不能過于劇烈，并且力求最后一個圓孔型的周長近似于最終方矩形管的周長，這樣才能保證圓孔型和方孔型各個機架的孔型充滿良好，成品形狀符合要求。

表8 是4 次軋制150 mm×160 mm 熱軋方矩形管時，方矩形管孔型機架前圓孔型的匹配情況。其中，第4 次的孔型狀況保證了方矩形管的變形穩(wěn)定、產(chǎn)品外形良好，尤其是方矩形管的4 個角部，其過渡均勻（避免應力集中），滿足用戶的使用要求。

表8 生產(chǎn)150 mm×160 mm 熱軋方矩形管時圓孔型的排列情況（孔型尺寸） mm

在軋制方矩形管時，為了使孔型充滿良好，以保證各邊的凹凸度、外圓角半徑都能達到要求，需進行以下調整：①使定徑機圓孔型各機架間的單機架減徑率達到3.00%（如果圓孔型的單機架減徑率在3.00%以下，但方矩形管的外圓角和弧長過大，外圓角角度在30°以上，則能難保證方矩形管的幾何尺寸滿足要求）；②力求最后一個機架圓孔型到方矩形管孔型間的過渡只有形狀變化，而不進行減徑，以保證方矩形管的關鍵幾何尺寸滿足要求；③原設計的方矩形管機架為兩個機架，在方變方的過程中，變形過于劇烈，難以保證方矩形管成品的抗側邊成型失穩(wěn)和圓角精度，必須增加機架數(shù)。

因此，對生產(chǎn)200 mm×200 mm 熱軋方矩形管的后續(xù)幾個方矩形機架的變形進行模擬（設定為3個道次）。200 mm×200 mm 熱軋方矩形管軋制數(shù)值模擬參數(shù)見表9，軋制數(shù)值模擬形狀如圖1 所示。

表9 200 mm×200 mm 熱軋方矩形管軋制數(shù)值模擬參數(shù)mm

圖1 200 mm×200 mm 方矩形管軋制數(shù)值模擬形狀

綜上所述，針對熱軋方矩形管4 個側邊凹凸度過大的問題，尤其是大直徑方矩形管（200 mm×200 mm 以上規(guī)格），可進行以下調整：

（1） 調整方矩形管精軋機架（成方機架）的4 個成型輥，將其輥面弧度半徑由原來的3 000 mm 改為4 152 mm，力求減小最后一個成型機架的側面形變量，降低側邊成型失穩(wěn)的可能性。

（2） 最后一個圓孔型機架的孔型與第一個方矩形管孔型的過渡，要采用周長匹配的方法來設計。

（3） 減小每一個方矩形管機架之間的變形量，即在圓孔型機架后搭配3~4 個方矩形管機架，以解決側邊凹凸度過大和圓角精度較差的問題。

對于方矩形管的成型方法，圓成方工藝優(yōu)于直接成方焊接工藝。而在圓成方工藝中，四輥成型又優(yōu)于箱式孔型成型：四輥成型的加工范圍大于箱式成型，成型產(chǎn)品的表面質量（表面劃傷等缺陷少）優(yōu)于箱式孔型，成型力比箱式孔型成型的小很多。另外，隨著變形的深入，輥面上的曲率逐漸增大，弧面深度減小，反映在弧面上的接觸速差越來越小，這對于母材變形十分有利［11］。

3 性能控制

用戶對不同用途的方矩形管的性能要求也不相同，在實際生產(chǎn)過程中可以通過調節(jié)鋼種化學成分、軋后冷卻速度、變形分配等方式進行控制。例如，Q345B 鋼種、150 mm×160 mm×16 mm 規(guī)格方矩形管作為汽車用車橋用管時，用戶要對該方矩形管進行二次變形加工，所以要求降低該產(chǎn)品的軋后硬度和屈服強度。

包鋼無縫鋼管廠Φ400 mm 自動軋管機組生產(chǎn)Q345B 鋼種、150 mm×160 mm 規(guī)格方矩形管3 次，在鋼種成分方面，后兩次軋制鋼管的w（C）、w（Mn）由原來的0.16%、1.44%均給予適度降低，以滿足產(chǎn)品對于硬度和屈服強度的要求。

經(jīng)測試，包鋼無縫鋼管廠3 次生產(chǎn)的熱軋方矩形管的屈服強度為384~415 MPa、抗拉強度為547~580 MPa、伸長率為25.0%~28.5%，滿足客戶要求（屈服強度≥345 MPa、抗拉強度≥510 MPa、伸長率≥21.0%）。雖然軋態(tài)硬度高于客戶要求的（130±10）HBW，但是3 次生產(chǎn)的方矩形管硬度在逐步降低：第1 次生產(chǎn)的方矩形管的硬度為165~175 HBW，熱處理后硬度為143~146 HBW；而第3 次生產(chǎn)的方矩形管的平均硬度為153 HBW（熱處理后硬度可降低為130~135 HBW），說明第3 次生產(chǎn)的方矩形管經(jīng)熱處理后，其硬度已經(jīng)能夠滿足用戶要求。

因此，控制熱軋方矩形管硬度、屈服強度等性能參數(shù)較可行的辦法是：逐步降低C、Mn 含量，軋后在線空冷，減小軋制過程中的冷卻水量；同時，強化控制來料圓管的內(nèi)外表面缺陷。

4 結 論

（1） 包鋼無縫鋼管廠開發(fā)200 mm×200 mm、150 mm×160 mm、140 mm×140 mm 等規(guī)格熱軋方矩形管的工藝匹配方式、孔型設計、性能控制等是可行的，可應用到其他規(guī)格方矩形管的生產(chǎn)中。

（2） 合理控制圓管的壁厚、外徑穩(wěn)定性，定徑機圓孔型與方管孔型的變形量分配、方矩形管孔型的輥面弧度設計、軋制溫度等，才能保證方矩形管成品具有良好的壁厚、圓角半徑、直度、外表面、表面凹凸度等幾何參數(shù)。

（3） 根據(jù)用戶的需求選擇合適的鋼種，控制好C、Mn 含量，優(yōu)化冷卻速度，才可保證熱軋方矩形管的機械性能滿足使用要求。

（4） 目前，包鋼無縫鋼管廠的Φ400 mm 自動軋管機組可以軋制生產(chǎn)Φ219 mm、Φ273 mm、Φ325 mm、Φ377 mm、Φ426 mm 等5 個系列成品圓管；因此可連線生產(chǎn)的方形管規(guī)格覆蓋140 mm×140 mm~320 mm×320 mm，矩形管規(guī)格覆蓋180 mm×100 mm~360 mm×320 mm，且已經(jīng)實現(xiàn)了在線批量生產(chǎn)。

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