軋管工藝技術(shù)（Ⅱ）
——《熱軋無縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

1.4 連軋管機(jī)工具設(shè)計(jì)

連軋管機(jī)的工具設(shè)計(jì)包括軋輥尺寸、孔型形狀、芯棒長度和軋輥及芯棒的化學(xué)成分設(shè)計(jì)等。

1.4.1 軋 輥

1.4.1.1 軋輥尺寸

（1）軋輥直徑。

軋輥直徑的大小主要考慮軋制的鋼管尺寸、咬入條件、軋制速度、軋輥強(qiáng)度、軋輥重車次數(shù)（直徑總重車量≤100 mm）、軋機(jī)結(jié)構(gòu)等因素。一般來講，連軋管機(jī)的前1～3號(hào)機(jī)架使用同一直徑的軋輥，其余機(jī)架使用另一直徑的軋輥。對(duì)于二輥式連軋管機(jī)而言，軋輥直徑Dg可用公式（16）計(jì)算：

式中Dh——在該軋輥孔型中軋制的最大荒管直徑，mm。

（2）軋輥長度。

軋輥長度Lg可用公式（17）計(jì)算：

1.4.1.2 軋輥孔型

（1）孔型特征參數(shù)。

二輥式連軋管機(jī)常用孔型如圖6所示，包括：橢圓孔型（a）、帶圓弧側(cè)壁的圓孔型（b）、帶直線側(cè)壁的圓孔型（c）和圓孔型（d）。每個(gè)孔型由上下兩個(gè)軋槽組成，每個(gè)軋槽由槽底、開口側(cè)壁、輥縫和輥縫與側(cè)壁交接處的圓弧組成。

孔型主要特征參數(shù)有：孔型高度A、孔型寬度B、輥縫值S、槽底半徑R、側(cè)壁圓弧半徑ρ、側(cè)壁開口角φ、連接弧半徑r和孔型偏心距e。孔型的寬高比（B/A）稱為孔型橢圓度系數(shù)，用ξ表示。

（2）孔型特征參數(shù)計(jì)算。

①對(duì)于橢圓孔型，槽底半徑R和偏心距e可由公式（18）～（19）計(jì)算：

②對(duì)于帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，槽底圓弧半徑R和側(cè)壁圓弧半徑ρ可由公式（20）～（22）計(jì)算：

③對(duì)于帶直線側(cè)壁的圓孔型，槽底圓弧半徑R和孔型寬度B可由公式（23）～（25）計(jì)算：

④連接弧半徑r。

連接弧是孔型側(cè)壁圓?。ɑ蛑本€）與孔型中心線的公切圓弧，連接弧半徑r的大小與連接弧角（連接弧與孔型側(cè)壁圓弧和連接弧與孔型中心線在相切處所對(duì)應(yīng)的圓心角）的大小有關(guān)，連接弧角一般取8°～15°。從入口機(jī)架到出口機(jī)架逐漸減小。當(dāng)連接弧角確定之后，連接弧的圓心就是兩個(gè)相切點(diǎn)圓弧法線的交點(diǎn)，可用作圖法得到連接弧半徑r，也可通過平面幾何的計(jì)算方法求出連接弧半徑r。

⑤孔型側(cè)壁開口角φ。

由于孔型側(cè)壁開口角φ的存在，芯棒與毛管內(nèi)壁之間在孔型側(cè)壁凸緣處有一定的間隙?？仔晚敳繀^(qū)域的金屬在軋輥和芯棒的作用下，發(fā)生減徑、減壁變形并產(chǎn)生延伸?？仔蛡?cè)壁處不與工具接觸的金屬受到孔型頂部金屬延伸的影響，產(chǎn)生拉應(yīng)力而發(fā)生拉伸變形。在這一過程中，孔型側(cè)壁處受拉的金屬，又會(huì)抑制孔型頂部金屬的延伸，使其產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得二者的變形協(xié)調(diào)一致。由此可見，影響毛管外表面與軋輥接觸面積以及毛管內(nèi)表面與芯棒接觸面積的孔型側(cè)壁開口角φ的大小，影響著變形區(qū)中金屬的應(yīng)力狀態(tài)和大小。若孔型側(cè)壁處的金屬受到的拉應(yīng)力太大，則此處的金屬被“嚴(yán)重拉薄”，孔型會(huì)出現(xiàn)“欠充滿”，從而導(dǎo)致荒管的圓度和尺寸精度達(dá)不到要求。若拉應(yīng)力太小，此處的金屬出現(xiàn)“堆積”，孔型會(huì)出現(xiàn)“過充滿”，導(dǎo)致荒管產(chǎn)生“耳子”，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生“飛翹”，甚至?xí)斐绍埧?。在某一機(jī)架中，當(dāng)荒管出現(xiàn)“耳子”以后，會(huì)增加后續(xù)機(jī)架的壓下量，產(chǎn)生新的“耳子”。這種惡性循環(huán)一直要延續(xù)到成品機(jī)架。造成荒管尺寸超差或產(chǎn)生軋折缺陷。所以，在設(shè)計(jì)孔型側(cè)壁開口角時(shí)（一般為30°～40°），要考慮孔型頂部區(qū)域和孔型側(cè)壁處的金屬橫截面積大小，使其滿足金屬流動(dòng)基本方程。即：

式中 σ——孔型頂部區(qū)域的軸向壓應(yīng)力，MPa；

σ′——孔型側(cè)壁處金屬的軸向拉應(yīng)力，MPa；

A——孔型頂部區(qū)域金屬的橫截面面積，mm2；

A′——孔型側(cè)壁處金屬的橫截面面積，mm2。

（3）孔型設(shè)計(jì)步驟。

第一步：輸入經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括延伸系數(shù)、偏心距、橢圓度系數(shù)、孔型側(cè)壁開口角度、輥縫值、金屬橫截面面積等。

第二步：將給定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入孔型參數(shù)計(jì)算式中，計(jì)算出孔型參數(shù)特征值。

第三步：根據(jù)設(shè)計(jì)的孔型形狀，計(jì)算出孔型出口的荒管橫截面面積，以期滿足給定的延伸系數(shù)。

第四步：當(dāng)荒管橫截面面積、延伸系數(shù)與給定值存在較大差別時(shí)，修正給定的槽底圓弧半徑和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

圖6 二輥式連軋管機(jī)常用孔型示意

表3 連軋輥化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表4 連軋輥力學(xué)性能

1.4.1.3 軋輥材質(zhì)

連軋管機(jī)的軋輥分球墨鑄鐵輥和鍛鋼輥兩種。球墨鑄鐵輥具有優(yōu)良的耐磨性、較高的強(qiáng)度和一定的韌性，被廣泛采用。鍛鋼輥的強(qiáng)度高，韌性好，并有較好的咬入特性和抗沖擊能力，多被用于大直徑連軋管機(jī)的大孔型系列前兩架上（其他機(jī)架采用球墨鑄鐵輥），但鍛鋼輥的成本高，沒有球墨鑄鐵輥耐磨。

球墨鑄鐵輥既可采用靜態(tài)澆鑄，也可采用離心復(fù)合澆鑄。離心復(fù)合澆鑄的連軋輥較靜態(tài)澆鑄的連軋輥組織致密、耐磨性好。

離心復(fù)合澆鑄的連軋輥按工作層又分為貝氏體球墨鑄鐵輥和無限冷硬鑄鐵輥。貝氏體球墨鑄鐵輥的工作層金相組織為：貝氏體+適量碳化物+殘余奧氏體+球狀石墨。無限冷硬鑄鐵輥的工作層的金相組織為：珠光體或貝氏體+碳化物+片狀石墨。

目前，廣泛采用組合式連軋輥，即將輥環(huán)鑲嵌在輥軸上。這種組合式連軋輥的輥環(huán)采用離心復(fù)合澆鑄的球墨鑄鐵輥，其輥面硬度高、耐磨性好；輥軸則采用強(qiáng)韌性高的鍛鋼制作。兩種材料的組合，有利于提高軋輥的整體性能，并降低軋輥的消耗。

連軋輥的使用環(huán)境十分惡劣，通常的失效形式是孔型磨損，輥面產(chǎn)生熱裂紋、剝落掉塊、烙傷和軋輥斷裂等。

連軋輥的化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能應(yīng)滿足表4的要求。

1.4.2 芯 棒

（1）芯棒長度。

在浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的軋輥帶動(dòng)毛管和芯棒一同向出口方向運(yùn)動(dòng)，芯棒的長度取決于軋后的荒管長度。

浮動(dòng)芯棒的長度Lx可用公式（27）計(jì)算：

式中Lp——荒管長度，mm；

ΔL0——芯棒裕量，mm。

在限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)中，由于受芯棒限動(dòng)裝置的牽制，芯棒以某一設(shè)定的恒定速度向出口方向運(yùn)動(dòng)。芯棒長度既與軋后的荒管長度、軋輥速度有關(guān)，也與芯棒自身的前進(jìn)速度有關(guān)。

限動(dòng)芯棒的長度Lx可用公式（28）～（30）計(jì)算：

式中Lx1——芯棒工作段長度，mm；

Lx2——芯棒支持段長度，mm；

LP——荒管長度，mm；

Vx/V——芯棒前進(jìn)速度與最后一個(gè)機(jī)架的荒管軋出速度之比，計(jì)算時(shí)取最大值；

ΔL1——芯棒工作段裕量，mm；

ΣL——連軋管機(jī)各機(jī)架的間距之和，mm；

ΔL2——芯棒支持段裕量，mm。

（2）芯棒材質(zhì)。

浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)和半浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒工作段和非工作段均采用H11整根材料加工而成。限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒工作段和非工作段（延長段和尾柄）采用不同材料制造，工作段的材質(zhì)是H13。

H11和H13芯棒的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織應(yīng)符合表5和表6的要求。

表5 H11芯棒的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織

表6 H13芯棒的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織

1.5 連軋管機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整

連軋管機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整的目標(biāo)是：保證軋制過程穩(wěn)定、軋制節(jié)奏合理、荒管質(zhì)量優(yōu)良，降低工具消耗。調(diào)整的主要參數(shù)包括：軋制中心線、穿棒中心線、限動(dòng)齒條位置、軋輥輥縫、軋制速度和芯棒速度等。

（1）軋制中心線的調(diào)整。

連軋管時(shí)，要求芯棒中心線與孔型中心線重合，以期獲得壁厚精度高的荒管。

（2）穿棒中心線的調(diào)整。

通過調(diào)整毛管受料鞍座和芯棒支撐架的高度，保證毛管與芯棒同心，以利于順利穿棒，防止芯棒擦傷毛管內(nèi)表面。

（3）限動(dòng)齒條位置的調(diào)整。

根據(jù)毛管長度、芯棒長度、限動(dòng)速度、延伸系數(shù)等參數(shù)確定芯棒限動(dòng)齒條的位置。芯棒限動(dòng)齒條位置的設(shè)定，既要保證芯棒不進(jìn)入脫管機(jī)安全區(qū)；又要保證芯棒工作段前端先行于毛管穿過機(jī)架，以防止發(fā)生空心軋制；還要盡量縮短軋制完成后，芯棒留在荒管內(nèi)的長度，以方便脫棒。

（4）輥縫的調(diào)整。

基于液壓小艙、工藝軟件包和自動(dòng)檢測技術(shù)的日臻完善，輥縫自動(dòng)調(diào)整成為可能。同一孔型，通過調(diào)整輥縫值，可以實(shí)現(xiàn)用同一尺寸的芯棒軋制相近幾種不同壁厚的荒管；也可以通過檢測脫管機(jī)出口側(cè)的荒管壁厚，根據(jù)荒管壁厚的實(shí)測值與理想值的對(duì)比分析結(jié)果，修正因孔型不正確或孔型發(fā)生磨損后所帶來的壁厚偏差，提高荒管壁厚精度；還可以實(shí)現(xiàn)毛管頭、尾“削尖”軋制。即在毛管頭端還沒有進(jìn)入軋槽前，把輥縫調(diào)小，將毛管前端的管壁軋??；之后，再自動(dòng)把輥縫調(diào)整到設(shè)定值，而在毛管尾端將要離開軋槽時(shí)，自動(dòng)把輥縫調(diào)小，將毛管尾端的管壁軋薄。

（5）軋制速度的調(diào)整。

軋制速度會(huì)影響軋機(jī)的生產(chǎn)效率、相鄰機(jī)架之間的張力、力能特性、工具消耗和金屬變形等。軋輥轉(zhuǎn)速調(diào)整的理想結(jié)果是要保證連軋管機(jī)各機(jī)架間沒有張力和推力。但在軋制過程中，要實(shí)現(xiàn)機(jī)架間完全沒有張力或推力是不可能的。正是因?yàn)楦鳈C(jī)架間張力或推力的存在，改變了變形區(qū)前滑區(qū)和后滑區(qū)的比例以及軋輥工作直徑的大小，從而保證了各機(jī)架金屬秒體積流量相等。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)軋制時(shí)各機(jī)架電機(jī)電流的變化來調(diào)整各機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)各機(jī)架間的張力或推力最小。

（6）芯棒速度的調(diào)整。

芯棒速度的設(shè)定視芯棒操作方式的不同而不同。全浮動(dòng)芯棒操作時(shí)，芯棒速度不受人為控制，它等同于荒管的運(yùn)動(dòng)速度。限動(dòng)芯棒操作時(shí)，芯棒速度應(yīng)小于或等于第一個(gè)機(jī)架的荒管軋出速度，形成差速軋制。芯棒速度的大小要根據(jù)芯棒限動(dòng)齒條的位置、軋制時(shí)芯棒到達(dá)的位置和軋制完成后芯棒在荒管中的長度等來綜合考慮。半浮動(dòng)芯棒操作時(shí)，從開始軋制到穩(wěn)定軋制階段為限動(dòng)芯棒操作方式。當(dāng)毛管的尾端離開倒數(shù)第三個(gè)機(jī)架后，到軋制過程終了時(shí)，為全浮動(dòng)芯棒操作方式。