轧管工艺技术（Ⅱ）——《热轧无缝钢管实用技术》

1.4 连轧管机工具设计

连轧管机的工具设计包括轧辊尺寸、孔型形状、芯棒长度和轧辊及芯棒的化学成分设计等。

1.4.1 轧 辊

1.4.1.1 轧辊尺寸

（1）轧辊直径。

轧辊直径的大小主要考虑轧制的钢管尺寸、咬入条件、轧制速度、轧辊强度、轧辊重车次数（直径总重车量≤100 mm）、轧机结构等因素。一般来讲，连轧管机的前1～3号机架使用同一直径的轧辊，其余机架使用另一直径的轧辊。对于二辊式连轧管机而言，轧辊直径Dg可用公式（16）计算：

式中Dh——在该轧辊孔型中轧制的最大荒管直径，mm。

（2）轧辊长度。

轧辊长度Lg可用公式（17）计算：

1.4.1.2 轧辊孔型

（1）孔型特征参数。

二辊式连轧管机常用孔型如图6所示，包括：椭圆孔型（a）、带圆弧侧壁的圆孔型（b）、带直线侧壁的圆孔型（c）和圆孔型（d）。每个孔型由上下两个轧槽组成，每个轧槽由槽底、开口侧壁、辊缝和辊缝与侧壁交接处的圆弧组成。

孔型主要特征参数有：孔型高度A、孔型宽度B、辊缝值S、槽底半径R、侧壁圆弧半径ρ、侧壁开口角φ、连接弧半径r和孔型偏心距e。孔型的宽高比（B/A）称为孔型椭圆度系数，用ξ表示。

（2）孔型特征参数计算。

①对于椭圆孔型，槽底半径R和偏心距e可由公式（18）～（19）计算：

②对于带圆弧侧壁的圆孔型，槽底圆弧半径R和侧壁圆弧半径ρ可由公式（20）～（22）计算：

③对于带直线侧壁的圆孔型，槽底圆弧半径R和孔型宽度B可由公式（23）～（25）计算：

④连接弧半径r。

连接弧是孔型侧壁圆弧（或直线）与孔型中心线的公切圆弧，连接弧半径r的大小与连接弧角（连接弧与孔型侧壁圆弧和连接弧与孔型中心线在相切处所对应的圆心角）的大小有关，连接弧角一般取8°～15°。从入口机架到出口机架逐渐减小。当连接弧角确定之后，连接弧的圆心就是两个相切点圆弧法线的交点，可用作图法得到连接弧半径r，也可通过平面几何的计算方法求出连接弧半径r。

⑤孔型侧壁开口角φ。

由于孔型侧壁开口角φ的存在，芯棒与毛管内壁之间在孔型侧壁凸缘处有一定的间隙。孔型顶部区域的金属在轧辊和芯棒的作用下，发生减径、减壁变形并产生延伸。孔型侧壁处不与工具接触的金属受到孔型顶部金属延伸的影响，产生拉应力而发生拉伸变形。在这一过程中，孔型侧壁处受拉的金属，又会抑制孔型顶部金属的延伸，使其产生压应力，使得二者的变形协调一致。由此可见，影响毛管外表面与轧辊接触面积以及毛管内表面与芯棒接触面积的孔型侧壁开口角φ的大小，影响着变形区中金属的应力状态和大小。若孔型侧壁处的金属受到的拉应力太大，则此处的金属被“严重拉薄”，孔型会出现“欠充满”，从而导致荒管的圆度和尺寸精度达不到要求。若拉应力太小，此处的金属出现“堆积”，孔型会出现“过充满”，导致荒管产生“耳子”，严重时会产生“飞翘”，甚至会造成轧卡。在某一机架中，当荒管出现“耳子”以后，会增加后续机架的压下量，产生新的“耳子”。这种恶性循环一直要延续到成品机架。造成荒管尺寸超差或产生轧折缺陷。所以，在设计孔型侧壁开口角时（一般为30°～40°），要考虑孔型顶部区域和孔型侧壁处的金属横截面积大小，使其满足金属流动基本方程。即：

式中 σ——孔型顶部区域的轴向压应力，MPa；

σ′——孔型侧壁处金属的轴向拉应力，MPa；

A——孔型顶部区域金属的横截面面积，mm2；

A′——孔型侧壁处金属的横截面面积，mm2。

（3）孔型设计步骤。

第一步：输入经验数据，包括延伸系数、偏心距、椭圆度系数、孔型侧壁开口角度、辊缝值、金属横截面面积等。

第二步：将给定的经验数据分别代入孔型参数计算式中，计算出孔型参数特征值。

第三步：根据设计的孔型形状，计算出孔型出口的荒管横截面面积，以期满足给定的延伸系数。

第四步：当荒管横截面面积、延伸系数与给定值存在较大差别时，修正给定的槽底圆弧半径和经验参数。

图6 二辊式连轧管机常用孔型示意

表3 连轧辊化学成分（质量分数） %

表4 连轧辊力学性能

1.4.1.3 轧辊材质

连轧管机的轧辊分球墨铸铁辊和锻钢辊两种。球墨铸铁辊具有优良的耐磨性、较高的强度和一定的韧性，被广泛采用。锻钢辊的强度高，韧性好，并有较好的咬入特性和抗冲击能力，多被用于大直径连轧管机的大孔型系列前两架上（其他机架采用球墨铸铁辊），但锻钢辊的成本高，没有球墨铸铁辊耐磨。

球墨铸铁辊既可采用静态浇铸，也可采用离心复合浇铸。离心复合浇铸的连轧辊较静态浇铸的连轧辊组织致密、耐磨性好。

离心复合浇铸的连轧辊按工作层又分为贝氏体球墨铸铁辊和无限冷硬铸铁辊。贝氏体球墨铸铁辊的工作层金相组织为：贝氏体+适量碳化物+残余奥氏体+球状石墨。无限冷硬铸铁辊的工作层的金相组织为：珠光体或贝氏体+碳化物+片状石墨。

目前，广泛采用组合式连轧辊，即将辊环镶嵌在辊轴上。这种组合式连轧辊的辊环采用离心复合浇铸的球墨铸铁辊，其辊面硬度高、耐磨性好；辊轴则采用强韧性高的锻钢制作。两种材料的组合，有利于提高轧辊的整体性能，并降低轧辊的消耗。

连轧辊的使用环境十分恶劣，通常的失效形式是孔型磨损，辊面产生热裂纹、剥落掉块、烙伤和轧辊断裂等。

连轧辊的化学成分见表3，力学性能应满足表4的要求。

1.4.2 芯 棒

（1）芯棒长度。

在浮动芯棒连轧管机中，旋转的轧辊带动毛管和芯棒一同向出口方向运动，芯棒的长度取决于轧后的荒管长度。

浮动芯棒的长度Lx可用公式（27）计算：

式中Lp——荒管长度，mm；

ΔL0——芯棒裕量，mm。

在限动芯棒连轧管机中，由于受芯棒限动装置的牵制，芯棒以某一设定的恒定速度向出口方向运动。芯棒长度既与轧后的荒管长度、轧辊速度有关，也与芯棒自身的前进速度有关。

限动芯棒的长度Lx可用公式（28）～（30）计算：

式中Lx1——芯棒工作段长度，mm；

Lx2——芯棒支持段长度，mm；

LP——荒管长度，mm；

Vx/V——芯棒前进速度与最后一个机架的荒管轧出速度之比，计算时取最大值；

ΔL1——芯棒工作段裕量，mm；

ΣL——连轧管机各机架的间距之和，mm；

ΔL2——芯棒支持段裕量，mm。

（2）芯棒材质。

浮动芯棒连轧管机和半浮动芯棒连轧管机的芯棒工作段和非工作段均采用H11整根材料加工而成。限动芯棒连轧管机的芯棒工作段和非工作段（延长段和尾柄）采用不同材料制造，工作段的材质是H13。

H11和H13芯棒的化学成分、力学性能、金相组织应符合表5和表6的要求。

表5 H11芯棒的化学成分、力学性能和金相组织

表6 H13芯棒的化学成分、力学性能和金相组织

1.5 连轧管机工艺参数调整

连轧管机工艺参数调整的目标是：保证轧制过程稳定、轧制节奏合理、荒管质量优良，降低工具消耗。调整的主要参数包括：轧制中心线、穿棒中心线、限动齿条位置、轧辊辊缝、轧制速度和芯棒速度等。

（1）轧制中心线的调整。

连轧管时，要求芯棒中心线与孔型中心线重合，以期获得壁厚精度高的荒管。

（2）穿棒中心线的调整。

通过调整毛管受料鞍座和芯棒支撑架的高度，保证毛管与芯棒同心，以利于顺利穿棒，防止芯棒擦伤毛管内表面。

（3）限动齿条位置的调整。

根据毛管长度、芯棒长度、限动速度、延伸系数等参数确定芯棒限动齿条的位置。芯棒限动齿条位置的设定，既要保证芯棒不进入脱管机安全区；又要保证芯棒工作段前端先行于毛管穿过机架，以防止发生空心轧制；还要尽量缩短轧制完成后，芯棒留在荒管内的长度，以方便脱棒。

（4）辊缝的调整。

基于液压小舱、工艺软件包和自动检测技术的日臻完善，辊缝自动调整成为可能。同一孔型，通过调整辊缝值，可以实现用同一尺寸的芯棒轧制相近几种不同壁厚的荒管；也可以通过检测脱管机出口侧的荒管壁厚，根据荒管壁厚的实测值与理想值的对比分析结果，修正因孔型不正确或孔型发生磨损后所带来的壁厚偏差，提高荒管壁厚精度；还可以实现毛管头、尾“削尖”轧制。即在毛管头端还没有进入轧槽前，把辊缝调小，将毛管前端的管壁轧薄；之后，再自动把辊缝调整到设定值，而在毛管尾端将要离开轧槽时，自动把辊缝调小，将毛管尾端的管壁轧薄。

（5）轧制速度的调整。

轧制速度会影响轧机的生产效率、相邻机架之间的张力、力能特性、工具消耗和金属变形等。轧辊转速调整的理想结果是要保证连轧管机各机架间没有张力和推力。但在轧制过程中，要实现机架间完全没有张力或推力是不可能的。正是因为各机架间张力或推力的存在，改变了变形区前滑区和后滑区的比例以及轧辊工作直径的大小，从而保证了各机架金属秒体积流量相等。在实际生产中，可以根据轧制时各机架电机电流的变化来调整各机架轧辊的转速，实现各机架间的张力或推力最小。

（6）芯棒速度的调整。

芯棒速度的设定视芯棒操作方式的不同而不同。全浮动芯棒操作时，芯棒速度不受人为控制，它等同于荒管的运动速度。限动芯棒操作时，芯棒速度应小于或等于第一个机架的荒管轧出速度，形成差速轧制。芯棒速度的大小要根据芯棒限动齿条的位置、轧制时芯棒到达的位置和轧制完成后芯棒在荒管中的长度等来综合考虑。半浮动芯棒操作时，从开始轧制到稳定轧制阶段为限动芯棒操作方式。当毛管的尾端离开倒数第三个机架后，到轧制过程终了时，为全浮动芯棒操作方式。