TP850RD 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管開發(fā)與生產(chǎn)

郝劍英，王連發(fā)

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

旋挖機(jī)作為新興的工程施工機(jī)械設(shè)備，它的主要用途是為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)工程旋挖成孔。旋挖機(jī)鉆桿是旋挖機(jī)的重要部件，它在作業(yè)施工中對鉆頭起到傳遞載荷的作用。旋挖機(jī)鉆桿根據(jù)設(shè)計(jì)需求用若干個無縫鋼管經(jīng)機(jī)加工、焊接后套裝而成。

自天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）生產(chǎn)旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管以來，為國內(nèi)某知名制造商批量生產(chǎn)了TP550RD 鋼級的無縫鋼管。為提高產(chǎn)品機(jī)械性能，滿足更加惡劣的作業(yè)工況，提高旋挖機(jī)鉆桿的使用壽命，制造商提出更高鋼級產(chǎn)品的需求。因此，天津鋼管結(jié)合產(chǎn)品指標(biāo)，在Φ382 mm 孔型開發(fā)了TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管[1-2]。

1 產(chǎn)品技術(shù)要求

天津鋼管針對制造商的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，對該產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸公差進(jìn)行了調(diào)整，分別見表1、表2、表3。

2 冶煉工藝

煉鋼連鑄坯斷面直徑為Φ350 mm，主要生產(chǎn)工藝流程為：EAF 電弧爐冶煉→LF 鋼包精煉爐冶煉/VD 真空脫氣爐處理→CCM(連續(xù)澆注)工藝生產(chǎn)。為了確保軋制產(chǎn)品具有較高的機(jī)械性能，在煉鋼時需要嚴(yán)格控制鋼水的純凈度、夾雜物等指標(biāo)。針對此次采用的鋼種煉鋼按照以下工藝控制要點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)。

電爐冶煉通過合理調(diào)整氧氣和燃料的使用量來增加輔助能量，提高電爐冶煉強(qiáng)度。電爐形成1支爐門BSE 碳氧槍與3 支爐壁固定氧槍、2 支爐壁固定碳槍的“四點(diǎn)”分散吹氧和“三點(diǎn)”噴吹工藝，從而實(shí)現(xiàn)吹氧和噴碳沿爐壁周向更加優(yōu)化，達(dá)到均衡熔化、均勻反應(yīng)和造良好泡沫渣的目的。

精煉爐（LF）過程對鋼水進(jìn)行精煉處理，主要任務(wù)是脫硫、脫氧、脫氣、去夾雜物和調(diào)節(jié)溫度等，在提高鋼水質(zhì)量方面起到重要的作用。加熱按操作曲線由低級數(shù)至高級數(shù)逐級控制升溫，鋼包平均升溫速度為3～4℃/min，采用全過程吹氬攪拌工藝。

表1 TP850RD 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的化學(xué)成分最大值要求 %

表2 TP850RD 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的力學(xué)性能要求

表3 TP850RD 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的尺寸公差要求

真空處理主要是主控人員通過工藝控制計(jì)算機(jī)自動控制，在高真空（0.066 kPa 以下）保持10～15 min。在真空處理完成后通過Ca 絲喂絲工藝，促進(jìn)鋼水中Al2O3形成低熔點(diǎn)的球狀夾雜物鋁酸鈣（12CaO·7Al2O3），避免澆注過程發(fā)生堵塞水口問題，同時還可以改善軋制后鋼材的各向異性。并采用氬氣弱攪拌以及適量的吹氬工藝措施促使夾雜物上浮被渣吸收。

3 鋼管軋制工藝

鋼管軋制在460PQF 機(jī)組進(jìn)行軋制，主要軋制設(shè)備有錐形穿孔機(jī)、5 機(jī)架PQF 連軋機(jī)、脫管機(jī)、12機(jī)架定徑機(jī)。此次生產(chǎn)規(guī)格為Φ368 mm×12 mm 規(guī)格，主要軋制工序：圓坯鋸切→環(huán)形爐加熱→斜軋穿孔→PQF 連軋→脫管→定徑→冷床。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和各變形工序的軋制變形，確定各軋制變形工序軋件規(guī)格尺寸，具體情況見表4。

3.1 穿孔機(jī)頂頭設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)

表4 各軋制變形工序軋件規(guī)格尺寸情況見表 /mm

460PQF 無縫鋼管連軋機(jī)組的穿孔機(jī)采用配置導(dǎo)板的錐形穿孔機(jī)設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)有工具規(guī)格進(jìn)行核算，需要增加新的穿孔頂頭以軋制壁厚更薄的Ф428 mm×27 mm 毛管。

在設(shè)計(jì)穿孔頂頭時，需要綜合考慮管坯、毛管尺寸和穿孔軋制工藝參數(shù)等因素。頂頭外形輪廓根據(jù)其各段軋制時起到的作用，分為穿孔錐、輾軋段、反錐段三部分。頂頭穿孔錐主要作用使實(shí)心圓坯經(jīng)過軋制變成空心的圓管，并隨著軋件螺旋前進(jìn)減薄圓管的壁厚；它采用圓弧段設(shè)計(jì)且長度較長，主要是為了緩和穿孔軋件沿軋制方向的減壁過程，減少軋制時頂頭對軋件的阻力，以達(dá)到降低頂頭穿孔錐磨損目的。頂頭輾軋錐的主要作用是均整毛管壁厚，使毛管壁厚更加均勻；理論上它的長度要大于一個毛管螺距，確保軋件任意截面的金屬都能保證在頂頭輾軋段區(qū)域軋制兩次，以實(shí)現(xiàn)毛管的均壁和平整作用；在實(shí)際設(shè)計(jì)時輾軋錐角一般略大于軋輥出口錐角0.3～0.6°左右[3]。

根據(jù)穿孔機(jī)頂頭設(shè)計(jì)原理并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了342 mm 頂頭。頂頭形狀如圖1 所示。

圖1 頂頭示意圖

已知：管坯直徑DB=350 mm，毛管外徑DH=428 mm，毛管壁厚SH=27mm，穿孔輥入口一段錐角α1=2.5°，入口二段錐角α2=3.9°，入口二段咬入錐L2=165 mm，出口錐角β=4.6°，咬入角γ=10°。

根據(jù)穿孔機(jī)工藝生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，軋輥壓下率取13%，則軋輥間距E=304.5 mm，同時取頂頭擴(kuò)徑量CHCTP=32 mm。

頂頭直徑DD 為：

由公式（1）可知DD=342 mm。

頂頭碾軋錐系數(shù)SF 取1.7。

輾軋錐長度LGT2為：

由公式（2）可知LGT2≈201.1 mm，取整為201 mm。

頂頭輾軋錐角度δ 取5.0°。

輾軋錐直徑DR 為：由公式（3）可知DR≈307 mm。

軋件在穿孔入口接觸長度Le 為：

由公式（4）可知軋件在穿孔入口接觸長度Le≈427 mm。

為確保管坯在穿孔的二次咬入階段軋制穩(wěn)定，避免造成軋卡，取一次咬入到二次咬入之間管坯的旋轉(zhuǎn)系數(shù)GF 為1.6。

則管坯一次咬入點(diǎn)到頂頭鼻部距離GL 為：

由公式（5）可知GL≈309.47 mm，取整為309 mm。

頂頭前伸量LD1為：

由公式（6）可知LD1=118 mm。

出口接觸長度LD2為：

由公式（7）可知LD2≈525.86 mm，取整為526 mm。

頂頭長度LD 為：

由公式（8）可知LD=644 mm。

穿孔錐圓弧半徑RD 為：

式中：F:頂頭鼻部直徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值50 mm。

由公式（9）可知RD=1 189.3 mm。

根據(jù)以上頂頭設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，重新加工制作Ф342 mm 規(guī)格的頂頭。頂頭主要尺寸和穿孔機(jī)主要工藝參數(shù)如表5 所示。

表5 Φ342 頂頭主要尺寸及穿孔機(jī)主要工藝參數(shù)

3.2 連軋機(jī)工藝參數(shù)

此次軋制Ф368 mm×12 mm 旋挖機(jī)用鋼管的屈服強(qiáng)度要求Rp0.2≥835 MPa，在采用的鋼種添加了Cr、Mo 等合金，金屬變形抗力高，在軋制時荒管內(nèi)表面容易出現(xiàn)拉凹缺陷。通過連軋機(jī)組數(shù)學(xué)模型計(jì)算出連軋?jiān)O(shè)定參數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)類似鋼種的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對連軋軋輥輥縫進(jìn)行了修正，避免連軋機(jī)軋制時出現(xiàn)拉凹缺陷，各機(jī)架主要設(shè)定參數(shù)設(shè)定值和修正值見表6 所示。另外，對連軋和脫管機(jī)之間的傳輸輥道高度精細(xì)調(diào)整，既要保證連軋荒管中心與連軋機(jī)和脫管機(jī)中心保持良好狀況，減輕軋機(jī)中心線不正導(dǎo)致的頭部彎曲，還要避免軋制時輥道對連軋荒管造成的碰癟。

3.3 定徑機(jī)工藝參數(shù)

定徑是鋼管變形的最后一道軋制工序，其定徑機(jī)架孔型加工參數(shù)的設(shè)計(jì)決定了成品鋼管外徑尺寸大小和精度。因此，為滿足成品鋼管外徑尺寸要求，需要根據(jù)定徑前荒管和成品鋼管的外徑來設(shè)計(jì)定徑機(jī)架使用機(jī)架數(shù)量以及各機(jī)架的孔型加工參數(shù)。不同規(guī)格的鋼管在經(jīng)過相同的定徑孔型參數(shù)軋制時，由于鋼管壁厚不同，其通過定徑后的終軋溫度不同，因而導(dǎo)致鋼管在冷卻至室溫后外徑尺寸存在差異；不同的鋼種，由于其熱膨脹系數(shù)不同，高溫條件下相同溫度的鋼管冷卻到室溫后外徑也存在差異[4-6]。此次生產(chǎn)成品鋼管規(guī)格為Ф368 mm×12 mm，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)定徑后鋼管的熱縮系數(shù)取值為1.0116，那么計(jì)算定徑出口熱態(tài)鋼管外徑平均值約為372.3 mm。根據(jù)定徑孔型加工參數(shù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算出各機(jī)架的加工參數(shù)，各機(jī)架孔型加工參數(shù)和定徑機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速見表7。

表6 連軋機(jī)組軋機(jī)主要工藝參數(shù)

表7 Ф368 mm×12 mm 規(guī)格定徑機(jī)各機(jī)架孔型加工參數(shù)和定徑機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速

4 試生產(chǎn)軋制

TP850RD 鋼級Ф368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管經(jīng)過軋制機(jī)組工藝設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了小批量的軋制生產(chǎn)，軋制取得了成功，在熱處理后機(jī)械性能達(dá)到了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼管截面壁厚取樣數(shù)據(jù)見表8。

表8 Ф368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管橫截面壁厚測量數(shù)據(jù) /mm

5 結(jié)論

為滿足制造商對旋挖機(jī)鉆桿機(jī)械性能、使用壽命提出的更高要求，天津鋼管在原TP550RD 鋼級無縫鋼管的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶新的產(chǎn)品指標(biāo)，在Ф382 mm 孔型開發(fā)了TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管。通過調(diào)整鋼種冶煉成分和工藝，優(yōu)化穿孔和軋制工藝，最終生產(chǎn)出滿足制造商需求的合格的產(chǎn)品。

（1）Ф382 mm 孔型生產(chǎn)Ф368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管軋制工藝設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)的鋼管產(chǎn)品尺寸滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，具備批量軋制生產(chǎn)的能力。

（2）TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管成功生產(chǎn)開發(fā)，不僅進(jìn)一步擴(kuò)大了460 PQF 連軋管機(jī)組旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的產(chǎn)品規(guī)格，而且對高鋼級無縫鋼管在旋挖機(jī)機(jī)械設(shè)備中的廣泛應(yīng)用具有推廣意義。