鋼管定（減）徑工藝技術(shù)（Ⅰ）
——《熱軋無(wú)縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

鋼管定（減）徑的目的是將直徑較大的荒管通過(guò)定（減）徑機(jī)孔型，軋制成直徑較小的成品鋼管，并保證鋼管的外徑和壁厚符合質(zhì)量要求。

1 鋼管定（減）徑機(jī)的類型及特點(diǎn)

1.1 鋼管定（減）徑機(jī)的分類

鋼管定（減）徑機(jī)可按以下四種方式進(jìn)行分類。

（1） 按軋制方式，可分為斜軋定徑機(jī)和縱軋定（減）徑機(jī)。

（2） 按張力大小，可分為無(wú)張力定徑機(jī)和張力減徑機(jī)。當(dāng)平均張力系數(shù)小于0.5，稱之為微張力減徑機(jī)。

（3） 按結(jié)構(gòu)型式，可分為二輥式、三輥式和四輥式定（減）徑機(jī)。

（4） 按傳動(dòng)方式，可分為單輥傳動(dòng)、單架傳動(dòng)、集中傳動(dòng)、集中傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)和集中傳動(dòng)+集中差速傳動(dòng)定（減）徑機(jī)。

1.2 鋼管定（減）徑機(jī)的特點(diǎn)

1.2.1 斜軋定徑機(jī)和縱軋定（減）徑機(jī)的特點(diǎn)

斜軋定徑機(jī)為單機(jī)架兩輥式或三輥式定徑機(jī)，三輥式使用較多。它是利用荒管在變形區(qū)中的壓下和旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到定徑和轉(zhuǎn)圓的目的。減徑量在10 mm 左右。適用于長(zhǎng)度較短，中、厚管壁的鋼管定徑，定徑后的鋼管外徑精度可達(dá)±0.5%。

縱軋定（減）徑機(jī)的軋制過(guò)程是空心荒管在一組機(jī)架中的連軋過(guò)程，由2 個(gè)或3 個(gè)軋輥構(gòu)成定（減）徑孔型。無(wú)張力定徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般為3～7 架，單機(jī)架減徑率≤3%，總減徑率≤25%。也有使用1個(gè)機(jī)架的，采用往復(fù)翻轉(zhuǎn)軋制的方式進(jìn)行大直徑厚壁鋼管的定徑。微張力減徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般為8～14 架，單機(jī)架減徑率≤3.5%，總減徑率≤45%。張力減徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般在16 架以上，最多達(dá)28架，單機(jī)架減徑率在6%～12%，總減徑率可高達(dá)90%左右。

1.2.2 二輥式和三輥式縱軋定（減）徑機(jī)的特點(diǎn)

二輥式縱軋定（減）徑機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，孔型易于加工，輥縫調(diào)整比較方便。但孔型頂部與邊部的速差較大，不利于鋼管表面質(zhì)量的提高。并且，孔型側(cè)壁處凸緣面積較大，定（減）徑后的鋼管外徑和壁厚精度相對(duì)較低。

三輥式縱軋定（減）徑機(jī)的孔型由3 個(gè)互為120°布置的軋輥組成，軋槽較淺。與二輥式縱軋定（減）徑機(jī)相比，三輥式縱軋定（減）徑機(jī)具有以下8 個(gè)特點(diǎn)。

（1） 單輥軋制力小。在相同的單機(jī)架減徑量前提下，三輥式縱軋定（減）徑機(jī)的單個(gè)軋輥與荒管接觸的面積比二輥式縱軋定（減）徑機(jī)小，每一個(gè)軋輥的軋制力小，為緊湊型機(jī)架設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。

（2） 機(jī)架間距小。因軋輥直徑小，機(jī)架小，帶來(lái)機(jī)架間距小。

（3） 容易建立起張力。三輥式縱軋定（減）徑機(jī)增加了軋槽與荒管的接觸面積。加之，單機(jī)架減徑率大，可采用更大的張力系數(shù)。

（4） 鋼管尺寸精度高。三輥式縱軋定（減）徑機(jī)的孔型封閉性更好，孔型側(cè)壁處的凸緣面積小，配合施加更大的張力系數(shù)，使得金屬變形更加均勻，不容易產(chǎn)生“內(nèi)方”，有利于鋼管尺寸精度的提高。

（5） 表面質(zhì)量好。三輥式縱軋定（減）徑機(jī)軋槽淺，孔型頂部和邊部的速差小，降低了因孔型側(cè)壁結(jié)瘤而帶來(lái)的鋼管表面質(zhì)量缺陷，鋼管外表面更加光潔。

（6） 軋制的鋼種范圍大。單個(gè)軋輥的軋制力小，機(jī)架剛性好，為軋制變形抗力更高，變形難度更大的鋼管創(chuàng)造了條件，適應(yīng)的鋼種更多。

（7） 切頭尾少。因機(jī)架間距小，與二輥式縱軋定（減）徑機(jī)相比，在相同的張力系數(shù)和變形條件下，“張力頭”短，減小了鋼管的頭尾切損，提高了成材率。

（8） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔型加工需要專用的加工機(jī)床。并且，輥縫調(diào)整的范圍也非常有限。

1.2.3 無(wú)張力定徑機(jī)和張力減徑機(jī)的特點(diǎn)

無(wú)張力定徑工藝是指荒管定徑時(shí)，不事先人為設(shè)定相鄰機(jī)架之間的軋輥速差，使其不產(chǎn)生張力的一種定徑工藝。但在實(shí)際生產(chǎn)中，因軋制過(guò)程會(huì)受到軋制工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀況、荒管尺寸偏差和孔型形狀的影響，要長(zhǎng)期并穩(wěn)定地保持機(jī)架間的金屬秒體積流量相等、而相鄰機(jī)架之間完全沒(méi)有張力是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，真正的完全無(wú)張力定徑過(guò)程是不存在的，只是張力較小、時(shí)有時(shí)無(wú)且不斷波動(dòng)而已。無(wú)張力定徑機(jī)的減徑量較小。

微張力減徑和張力減徑工藝是指在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，人為設(shè)定相鄰機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速，有意造成速度差，使相鄰機(jī)架之間的鋼管產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的張力，鋼管在帶有張力的條件下進(jìn)行減徑的工藝。微張力減徑工藝和張力減徑工藝的不同之處在于所施加的張力系數(shù)大小不一樣，后者要大于前者。微張力減徑機(jī)的減徑量比無(wú)張力定徑機(jī)的減徑量大，但比張力減徑機(jī)的減徑量小。

與無(wú)張力定徑工藝相比，張力減徑工藝具有以下特點(diǎn)：

（1） 提高鋼管的尺寸精度。張力（微張力）減徑時(shí)，相鄰機(jī)架之間存在設(shè)定且比較穩(wěn)定的張力，促進(jìn)了金屬的縱向流動(dòng)，抑制了金屬的橫向?qū)捳梗沟米冃胃泳鶆?，鋼管不容易產(chǎn)生“內(nèi)四方”或“內(nèi)六方”。

（2） 減薄荒管壁厚。較大的張力系數(shù)有利于減壁變形，生產(chǎn)出更薄的鋼管。隨著張力的增加，減壁效果更加明顯。

（3） 擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格。單機(jī)架的減徑率和總減徑率較大，可用同一荒管直徑，生產(chǎn)更多規(guī)格的成品鋼管。

（4） 提高機(jī)組產(chǎn)量。生產(chǎn)同一規(guī)格的成品鋼管，可采用更大直徑的荒管，增加管坯單位長(zhǎng)度質(zhì)量和孔型的共用性，提高機(jī)時(shí)產(chǎn)量，減少換輥時(shí)間。

1.2.4 軋輥傳動(dòng)方式的特點(diǎn)

（1） 軋輥單獨(dú)傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)是指每一個(gè)軋輥由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，它主要用于大直徑（Φ340 mm以上）軋管機(jī)組。

（2） 機(jī)架單獨(dú)傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)表示每一個(gè)機(jī)架由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，機(jī)架之間沒(méi)有相互關(guān)聯(lián)的調(diào)速和傳動(dòng)系統(tǒng)。

單輥和單架傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)，具有結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、調(diào)速特別靈活的優(yōu)點(diǎn)，但速度剛性差。

（3） 機(jī)架集中傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)表示多個(gè)機(jī)架由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)。機(jī)架之間通過(guò)齒輪分配箱傳動(dòng)，有一種固定的速度與張力關(guān)系。這種傳動(dòng)形式的定（減）徑機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且速度剛性好，但調(diào)速不太方便。

（4） 集體傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)為復(fù)合傳動(dòng)形式。它具有集中傳動(dòng)定（減）徑機(jī)的速度剛性好和單獨(dú)傳動(dòng)定（減）徑機(jī)的調(diào)速范圍寬且靈活的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

（5） 集體傳動(dòng)+集體差速傳動(dòng)的定（減）徑機(jī)，它與集體傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)的形式不同，由一臺(tái)疊加電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向各機(jī)架進(jìn)行速度疊加。這種傳動(dòng)方式簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，其速度剛性和調(diào)速的靈活性都比較好。

2 鋼管定（減）徑機(jī)的金屬變形特點(diǎn)

2.1 斜軋定徑時(shí)金屬的變形特點(diǎn)

斜軋定徑時(shí)，荒管隨軋輥邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)通過(guò)定徑孔型，其外徑受到軋輥的輾壓而減小。二輥斜軋定徑時(shí)，鋼管的變形過(guò)程是一個(gè)從圓到橢圓再到圓的過(guò)程，與二輥斜軋管時(shí)的變形過(guò)程相比，除了沒(méi)有芯棒參與減壁變形之外，其他基本相同。三輥斜軋定徑時(shí)，鋼管的變形過(guò)程是一個(gè)從圓到三角形再到圓的過(guò)程，除無(wú)減壁變形之外，也與三輥斜軋管基本相同。因斜軋定徑時(shí)沒(méi)有芯棒，管壁不會(huì)減薄。在減徑量較大時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)比較明顯的增壁現(xiàn)象。鋼管外徑精度（可達(dá)±0.5%）是靠調(diào)整軋輥間距來(lái)保證的?？仔驼{(diào)整的方法與斜軋管機(jī)一樣。

2.2 無(wú)張力縱軋定徑時(shí)的金屬變形特點(diǎn)

荒管在無(wú)張力的情況下進(jìn)行縱軋定徑時(shí)，金屬除發(fā)生縱向延伸外，還存在著徑向和橫向變形而帶來(lái)鋼管壁厚的變化。決定鋼管壁厚變化的主要因素既與材料本身有關(guān)，還與D0/D 值、S0/D0值（D0、S0分別為定徑前的荒管直徑和壁厚、D 為定徑后的鋼管直徑）和孔型形狀有關(guān)。無(wú)張力縱軋定徑時(shí)，鋼管壁厚的變化曲線如圖1 所示。

從圖1 可以看出：對(duì)于S0/D0∧0.1 的薄壁鋼管，在任何減徑量下，其管壁都發(fā)生增厚；對(duì)于S0/D0∨0.35 的厚壁鋼管，在任何減徑量下，其管壁都發(fā)生減薄；S0/D0在0.10～0.35，鋼管的壁厚會(huì)隨減徑量大小的變化而變化（增厚或減?。?。

圖1 的曲線還表明，減徑量的大小對(duì)鋼管壁厚增厚的變化趨勢(shì)影響十分明顯。在一定范圍內(nèi)，鋼管的增壁量隨減徑量的增大而增大，但增厚的趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)達(dá)到某一減徑量，增壁量達(dá)到最大值。如果繼續(xù)增大減徑量，管壁不再繼續(xù)增厚，反而會(huì)出現(xiàn)減薄的現(xiàn)象。

圖1 無(wú)張力縱軋定徑時(shí)鋼管壁厚變化曲線

縱軋定徑機(jī)的孔型大多是帶側(cè)壁開口角的橢圓形孔型，荒管在無(wú)張力或小張力系數(shù)的條件下定徑時(shí)，徑向壓下的金屬一部分沿縱向延伸，使管體增長(zhǎng)，另一部分沿徑向流動(dòng)，使管壁增厚。但在輥縫和孔頂處的管壁增厚的程度存在差別，即輥縫附近的管壁增厚量要大于輥?lái)敻浇墓鼙谠龊窳俊．?dāng)管壁增厚量隨著減徑量的增大而增大，輥縫和輥?lái)斨車倪@種不均勻管壁增厚的程度會(huì)十分嚴(yán)重。在相鄰兩個(gè)軋輥的輥縫和孔頂交互變化著對(duì)荒管進(jìn)行定徑時(shí)，不均勻的管壁增厚會(huì)造成鋼管內(nèi)孔變成“內(nèi)四方”（兩輥定、減徑機(jī)）或“內(nèi)六方”（三輥定、減徑機(jī)）。鋼管“內(nèi)方”形狀如圖2 所示。

圖2 鋼管“內(nèi)方”形狀示意

2.3 張力減徑時(shí)的金屬變形特點(diǎn)

通過(guò)設(shè)定相鄰機(jī)架的軋輥速差，使相鄰機(jī)架之間的荒管產(chǎn)生張力，變形區(qū)中的金屬變成“一拉兩壓”的應(yīng)力狀態(tài)。拉應(yīng)力的存在，可以促進(jìn)金屬縱向延伸，抑制橫向?qū)捳?，影響管壁發(fā)生改變。管壁變化的結(jié)果主要與張力系數(shù)、孔型形狀、荒管尺寸和減徑率等因素有關(guān)。如果相鄰機(jī)架間的張力系數(shù)較小，不足以達(dá)到使管壁發(fā)生拉薄變形的程度（如微張力減徑時(shí)的情況），金屬在發(fā)生縱向延伸的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生管壁的不均勻增厚。并且，減徑量越大，增壁量也越大。管壁的這種不均勻增厚與無(wú)張力定徑時(shí)有些相似，荒管內(nèi)孔也會(huì)變成“內(nèi)四方”或“內(nèi)六方”，只是程度輕微一些。這也是微張力定（減）徑機(jī)的機(jī)架數(shù)不能太多（一般不超過(guò)14 機(jī)架），單機(jī)架減徑量和總減徑量不能太大的主要原因。隨著張力系數(shù)的增加，管壁增厚的趨勢(shì)減弱，并逐漸從增壁過(guò)渡到減壁?！皟?nèi)方”情況得到改善。在相同的變形工藝條件下，張力系數(shù)越大，“內(nèi)方”的程度越輕微。但一旦拉應(yīng)力超過(guò)了材料的斷裂應(yīng)力，管壁會(huì)被拉破。因此，人們習(xí)慣用張力系數(shù)來(lái)描述張力大小對(duì)金屬流動(dòng)的影響，尤其是對(duì)鋼管壁厚變化的影響。

在張力減徑條件下，S0/D0值（S0、D0分別為定徑前的荒管壁厚和直徑）和張力系數(shù)對(duì)鋼管壁厚變化的試驗(yàn)結(jié)果表明：其一，當(dāng)S0/D0值越?。ū”阡摴埽饘俚臋M向流動(dòng)越均勻，鋼管壁厚沿圓周的變化相對(duì)一致，鋼管幾乎不出現(xiàn)“內(nèi)方”；當(dāng)S0/D0值在0.20 以上（中、厚壁鋼管），鋼管的“內(nèi)方”比較明顯。其二，當(dāng)S0/D0值為0.05～0.10 時(shí)，張力的大小對(duì)金屬的橫向不均勻流動(dòng)無(wú)明顯影響，但當(dāng)S0/D0值較大，金屬的橫向不均勻流動(dòng)隨張力的增大而減小。

張力減徑時(shí)，鋼管前、后兩端都會(huì)產(chǎn)生增厚現(xiàn)象（“張力頭”），這是因?yàn)殇摴芮岸藦牡趇 機(jī)架軋出，還沒(méi)被第i+1 機(jī)架咬入時(shí)，處在兩個(gè)機(jī)架之間的管端沒(méi)有建立起張力，此段長(zhǎng)度（1 個(gè)機(jī)架間距）的管端在無(wú)張力的條件下減徑，管壁會(huì)增厚（第一增厚段）；即使管端進(jìn)入第i+1 機(jī)架后，在第i 機(jī)架和第i+1 機(jī)架之間的管端也只受到第i+1 機(jī)架的張力，它比其他機(jī)架之間的張力小，此段的管壁也有增厚，只是比第一增厚段的增厚量小（第二增厚段）。如果張力較大，增厚還會(huì)波及到更多機(jī)架，增厚段繼續(xù)增加，出現(xiàn)第三增厚段，甚至第四增厚段。但畢竟張力是在不斷建立、增大到穩(wěn)定的過(guò)程之中，各增厚段的管壁增厚量會(huì)隨之逐漸減小。另外，從入口到出口，各機(jī)架都有延伸變形，導(dǎo)致第i+1 機(jī)架的增厚段長(zhǎng)度要大于第i 機(jī)架的增厚段長(zhǎng)度（原則上相差第i 機(jī)架的延伸量）。由此可見，張力建立是一個(gè)從無(wú)到有，從小到大，最后達(dá)到正常值的過(guò)渡過(guò)程，相應(yīng)的管端壁厚隨軋制的進(jìn)行，也是一個(gè)從增厚較大到增厚較小，再到設(shè)定壁厚的過(guò)渡過(guò)程。成品鋼管的管端壁厚會(huì)出現(xiàn)開始增厚較多，進(jìn)而增厚較少，再到不增厚，最后直至減薄的多段“臺(tái)階”形狀。鋼管尾端增厚的原因和過(guò)程與前端相似。

張力減徑機(jī)的“張力頭”可能長(zhǎng)達(dá)2 000 mm，如果荒管太短，切除“張力頭”后，成材率會(huì)很低。因此，張力減徑機(jī)一般用于連軋管機(jī)組。微張力減徑機(jī)的“張力頭”可控制在500 mm 以內(nèi)，一般用于荒管長(zhǎng)度不大的精密軋管機(jī)組、阿塞爾軋管機(jī)組和頂管機(jī)組。

當(dāng)鋼管頭端通過(guò)某機(jī)架，迅速提高該機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速，當(dāng)鋼管尾端通過(guò)某機(jī)架，迅速降低該機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速，以此來(lái)快速增加兩個(gè)機(jī)架間的張力，減少達(dá)到正常張力的機(jī)架數(shù)，能有效控制鋼管端頭除第一增厚段之外的其他增厚段的增厚量，縮短其管端增厚段的總長(zhǎng)度，減小切頭損失。

（待 續(xù)）