微张力定（减）径机厚壁孔型优化

郭海明，李琳琳，秦桂伟，杨永海，洪 汛

（鞍钢股份有限公司无缝钢管厂，辽宁 鞍山 114021）

鞍钢股份有限公司无缝钢管厂（简称鞍钢无缝厂）Φ159 mm MPM 连轧管机组采用Φ380 mm 微张力定（减）径机，14 机架单独传动，有112 mm、172 mm 两套孔型系列，主要生产Φ70～102 mm×4.5～16 mm（112 mm 孔型系列）和Φ108～159 mm×4.5～16 mm 钢管（172 mm 孔型系列）；Φ177 mm PQF 连轧管机组采用14 机架Φ380 mm 三辊微张力定（减）径机，有112 mm、160 mm、194 mm 三套孔型系列，但目前只使用160 mm、194 mm 孔型系列，主要生产Φ108～141.3 mm×4.5～16 mm（160 mm 孔型系列）和Φ139.7～180 mm×4.5～16 mm 钢管（194 mm 孔型系列）。但是，这两套机组因在设计时每个钢管规格只设计了一套孔型，轧制壁厚范围大，轧制壁厚S≥10 mm 厚壁管时会出现严重“内六方”等问题，因此一些产品改由Φ219 mm 自动轧管机组生产。但是，2013 年10 月Φ219 mm 自动轧管机组停产，该机组轧制的Φ70～159 mm 厚壁规格（16 mm ∧S ∧20 mm）要由Φ159 mm MPM 连轧管机组生产；轧制的Φ108～180 mm 厚壁规格（16 mm ∧S ∧25 mm）产品要由Φ177 mm PQF 连轧管机组生产。鉴于此，需要优化Φ159 mm MPM 连轧管机组和Φ177 mm PQF 连轧管机组轧制厚壁管时微张力定（减）径的孔型为负宽展孔型（孔型系数为负数），以提高厚壁管产品壁厚精度，改善“内六方”。

1 “内六方”成因及对策

1.1 “内六方”成因

在微张力定（减）径过程中，因孔型在轧辊上切槽深度不同，沿孔型宽度上各点线速度不同，使金属沿孔型宽度上的流动不均匀，所以沿孔型宽度上的壁厚增厚也不均匀。对于薄壁管，附加轴向应力对于壁厚变化的附加影响较小，“内六方”现象不明显；但对于厚壁管，附加轴向应力对于壁厚变化的附加影响较大，“内六方”现象较为明显［1-15］，致使壁厚精度不能满足相关标准要求。

1.2 减轻“内六方”对策

通过对“内六方”产生原因进行分析，要减轻厚壁管“内六方”，结合鞍钢无缝厂实际，只能单独设计厚壁管孔型，在无法改变减径率的前提下，只能通过减小椭圆度，采用负宽展孔型设计，同时合理施加张力来减轻“内六方”。

表1 112 mm 孔型系列生产Ф88.90 mm×13 mm 接箍管时的微张力定（减）径机孔型参数

2 微张力定（减）径机孔型优化

2.1 Φ159 mm MPM 连轧管机组

（1） 优化微张力定（减）径机112 mm 孔型系列，生产Φ76～102 mm 厚壁管（S≥10 mm）。对于112 mm 孔型系列，因Φ159 mm MPM 连轧管机组原定（减）径孔型的最大减径率3.30%和最大椭圆度系数1.042 较大，轧制生产Φ70～102 mm 厚壁管（S≥10 mm）时会出现严重“内六方”。2013 年4 月9 日，用原112 mm 孔型系列轧制Ф88.90 mm×13 mm 规格J55 接箍管，其外径极差为0.88 mm，外径精度达±0.49%D，壁厚极差为2.42 mm，虽然外径精度满足内控要求±0.75%D，壁厚精度满足内控要求±10%S，但尺寸控制一旦偏离目标值极易出现外径或壁厚超差现象；外径及壁厚精度不高，产品存在明显“内六方”倾向。

鉴于此，将微张力定（减）径机112 mm 孔型系列优化为负宽展孔型，并生产Φ76～102 mm（S≥10 mm）厚壁管；为减小减径量，孔型由原70～102 mm改为76～102 mm，最大减径率由3.30%减小到2.62%，孔型的最大椭圆度系数由1.042 改为1.022。

Φ159 mm MPM 连轧管机组生产Ф88.90 mm×13 mm 接箍管时，微张力定（减）径机112 mm 孔型系列优化前后的孔型参数见表1。

从表1 可以看出，优化后的负宽展孔型，其最大减径率由3.30%减小为2.62%，最大椭圆度系数由1.042 改为1.022。孔型由正宽展孔型改为负宽展孔型。该孔型专用于Ф88.9 mm 接箍（S≥10 mm）厚壁管的轧制。

用优化孔型在Φ159 mm MPM 连轧管机组轧制Ф88.9 mm×13 mm 规格J55 接箍管，测量其外径和壁厚。测量7 组，直径方向4 个位置为1 组。负宽展孔型轧制的Ф88.9 mm×13 mm 规格J55 接箍管的外径和壁厚测量数据见表2。

表2 负宽展孔型轧制的Ф88.9 mm×13 mm 规格J55 接箍管的外径和壁厚测量数据mm

从表2 可以看出：负宽展孔型轧制的Ф88.9 mm×13 mm 规格J55 接箍管的外径最大极差为0.62 mm，内控外径精度达±0.35%D，满足内控精度要求±0.75%D，较正宽展原孔型轧制的产品外径精度高0.14%D；壁厚最大极差为1.60 mm，壁厚精度达±6.15%S，满足内控精度要求±10%S，较正宽展原孔型轧制的产品壁厚精度高±3.16%S。可见，负宽展孔型在Φ159 mm MPM 连轧管机组轧制Ф88.9 mm×13 mm 规格J55 接箍管，产品外径及壁厚精度均达到较高水平，减轻了厚壁管外径不圆及壁厚“内六方”倾向，说明该负宽展孔型开发成功。

（2） 优化微张力定（减）径机172 mm 孔型系列，生产Φ121～159 mm 厚壁管（S≥10 mm）。

由前述可知，Φ159 mm MPM 连轧管机组原定（减）径孔型的最大减径率和最大椭圆度系数较大，轧制厚壁管时会出现严重“内六方”。因此，将原172 mm 孔型系列优化为轧制厚壁管的负宽展孔型，以减小减径量，孔型由108～159 mm 改为121～159 mm，最大减径率由3.30%减到2.35%，孔型的最大椭圆度系数由1.042 改为1.020。

（3） 开发微张力定（减）径机152 mm 孔型系列，生产Φ108～140 mm 厚壁管（S≥10 mm）。

设计了152 mm 孔型系列负宽展孔型，生产厚壁管，为减小减径量，孔型仍为108～140 mm，减径率由3.30%减到2.29%，孔型的最大椭圆度系数由1.042 改为1.020［16］。

2.2 Φ177 mm PQF 连轧管机组

（1） 优化微张力定（减）径机160 mm 孔型系列，生产Φ108～141.3 mm 厚壁管（S≥10 mm）。

优化Φ177 mm PQF 连轧管机组微张力定（减）径机160 mm 孔型系列，原薄壁定（减）径孔型最大减径率由2.60%减小到2.50%，孔型的最大椭圆度系数由1.040 减小到1.021，孔型系数-9.84%较大，提高了钢管外径精度及壁厚精度，特别是减小了钢管“内六方”倾向。160 mm 孔型系列生产Ф180 mm 厚壁管时的微张力定（减）径机孔型参数见表3。以此类推，笔者设计160 mm 孔型系列生产Φ108～141.3 mm 11 种外径规格厚壁管的定（减）径机孔型40 架次。

（2） 优化微张力定（减）径机194 mm 孔型系列，生产Φ139.7～180 mm 厚壁管（S≥10 mm）。

优化Φ177 mm PQF 连轧管机组微张力定（减）径机194 mm 孔型系列，原薄壁定（减）径孔型最大减径率由2.20%减小到2.14%，孔型的最大椭圆度系数由1.040 减小到1.018，孔型系数-9.61%较大，提高了钢管外径精度及壁厚精度，特别是减小了钢管“内六方”倾向。194 mm 孔型系列生产Φ140 mm厚壁管时的微张力定（减）径孔型参数见表4。以此类推，设计194 mm 孔型系列生产Φ140～180 mm 12 种外径规格厚壁管的定（减）径机孔型41 架次。

3 厚壁管负宽展孔型的进一步优化

随着厚壁管的开发越来越多，特厚壁钢管开发成功，现有厚壁管孔型已不适应，还需对现有厚壁孔型进一步优化，以满足用户日益增长的需要。生产Φ133 mm×17 mm 钢管时的微张力定（减）径机孔型参数见表5。

2018 年8 月初，对Φ177 mm PQF 连轧管机组160 mm 孔型系列所有轧制厚壁管的孔型进行优化，最大椭圆度系数由1.021 减小到1.018，最大孔型系数由-9.84%减少到-18.30%，使用大负宽展孔型，进一步提高钢管壁厚精度。随后，将优化160 mm孔型系列的经验进行推广，先对194 mm 孔型系列厚壁孔型进行优化，最大椭圆度系数由1.018减小到1.015，最大孔型系数由-9.61%减少到-18.46%；然后对Φ159 mm MPM 连轧管机组微张力定（减）径孔型进行优化。

表3 160 mm 孔型系列生产Ф180 mm 厚壁管时的微张力定（减）径机孔型参数

4 优化后的应用效果

2018 年10 月6 日，采用优化后的、160 mm孔型系列中的120 mm 孔型轧制Φ120 mm×25 mm特厚壁管，共轧制195 支、166.566 t，包装合格385 支、155.612 t，废品1 支、0.404 t，上机组剔料2 支、1.616 t，原品种成材率93.42%，较2017年5 月同规格原品种成材率提高7.82%；一次检查合格率96.11%，没有因“内六方”而返工的产品。Φ120 mm×25 mm 特厚壁管的壁厚实测数据见表6。

根据表6 可知，Φ120 mm×25 mm 特厚壁管壁厚的极差为1.40～2.62 mm。将数据正态分析后，P值为0.308，大于0.05，数据正态分布；过程能力指数Cpk为1.57，过程性能指数Ppk为1.12，壁厚过程能力过剩。优化后孔型所轧制钢管的外径及壁厚精度均达到较高水平，减轻了厚壁管外径不圆及壁厚“内六方”倾向。

表4 194 mm 孔型系列生产Ф140 mm 厚壁管时的微张力定（减）径机孔型参数

表5 生产Φ133 mm×17 mm 钢管时的微张力定（减）径机孔型参数

表6 Φ120 mm×25 mm 特厚壁钢管的壁厚实测数据 mm

5 结 语

优化Φ159 mm MPM 连轧管机组、Φ177 mm PQF 连轧管机组微张力定（减）径机孔型，提高了钢管的外径和壁厚精度，钢管不圆现象得到解决，厚壁管外径不圆及壁厚“内六方”倾向减轻，油套管车削“黑皮扣”（一种没有完整齿顶的螺纹缺欠）现象减少，油管车削螺纹的合格率提高，用户可用相对薄的钢管壁厚达到原壁厚的效果，降低了生产成本。