微扩径技术生产特厚壁热轧无缝钢管的工艺研发

罗忠辉，考 然，米永峰，郭志文，姜海龙，许博超，孟庆飞

（内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010）

通常情况下，钢管的径壁比 20 的钢管称为厚壁管，径壁比≤10 的钢管称为特厚壁管，特厚壁无缝钢管的制造方法可分为冷拔、冷轧和热轧三种基本方式，其中以热轧的成型方式最为经济合理[1-3]。

开发大直径特厚壁热轧无缝钢管，首先应开发锥形辊穿孔机微扩径穿孔技术，在保证咬入条件的前提下，尽量使变形区前移，同时减小轧辊的送进角，使出口锥角减小，从而使毛管脱离处外径尽可能减小。要做到以上条件，需对穿孔机顶头、导板以及轧辊形成的孔型进行合理设计。

1 穿孔机孔型及工具设计

设计毛管尺寸为Φ445 mm×110 mm，采用Φ430 mm 连铸圆坯进行穿孔机孔型及工具设计。在尽量少更改热工具的前提下，采用已有导板和轧辊。

1.1 轧辊角度及变形区长度的确定方法

（1） 设计顶头之前首先要确定轧辊的参数，即入口锥角度α，出口锥角度β 等。此次采用入口锥角为二段式轧辊，二段式的轧辊主要是为了增大顶前压下量，利于咬入。轧辊的出口锥角越小越好，这样毛管的内外表面会更加光滑[4-5]。

（2） 选择合适的总压下量，根据理论及现场的验证，得出经验公式：碳钢E=（88%～92%）×DB；低合金钢E=（85%～90%）×DB；高合金钢E=（88%～91%）×DB。式中，E 为辊距；DB为管坯直径。

此次试制产品材质为20 钢，壁厚较厚，需控制毛管外径，不能按照以往经验公式套用，选用总压下量系数为87.4%，计算辊距为376 mm。

（3） 根据辊距确定变形区的长度，即入口变形区长度Le、出口变形区长度La，如图1 所示。

图1 轧辊的入口、出口变形区示意

式中 Le2—— 入口锥第2 段变形区的长度，mm；

α1，α2—— 轧辊1，2 段入口锥角度，（°）；

β —— 轧辊的出口锥角度，（°）；

A —— 毛管外径，mm。

特厚壁毛管轧制设计要以轧辊抛钢计算，不是导板抛钢点计算，因主要以轧辊扩径为主，不是导板扩径。特厚壁穿孔基本都是微扩径、微缩径或等径穿孔。顶杆直径尽量要大一些，保证顶杆刚性，顶杆壁厚不能低于25 mm，至少为30CrMo 钢调质后。顶头具体参数方案见表1[6-7]。

表1 顶头基本参数

1.2 顶头参数计算

（1） 计算顶前压下率及顶头前伸量LD1，轧制大直径的管坯采用相对较大的顶前压下率来保证顺利咬入，穿孔机轧制碳钢的顶前压下率为6%～7%，此次生产应用微扩径工艺，为保证咬入和控制毛管外径，顶前压下率为12.5%。

（2） 根据生产毛管规格选择扩展值C，如顶头的扩径率大，扩展值会相应增大，从而确定顶头的直径，生产应用顶头直径为247 mm。

（3） 顶头长度LDcum依据以下公式确定：

式中 L —— 归圆区与反锥长度之和，mm。

（4） 确定顶头辗轧锥长度LGT2、角度γ，顶头鼻部直径d 及穿孔锥曲率半径R，如图2 所示。辗轧锥长度长，毛管辗轧充分，毛管壁厚均匀，但抛钢时的阻力会增大，易发生后卡[8-15]。

图2 顶头曲率计算示意

式中 θ —— 喂入角，（°）。

γ 一般大于轧辊的出口锥角度0.3°～0.6°。

顶头基本参数见表1。

1.3 设计结果及试制产品数据分析

最终设计的顶头及热工具工艺调整参数见表2。采用以上设计数据，现场使用低转速轧制，建立了3D 模型（图3）。试制生产了3 支坯料，根据生产情况，每支毛管在生产过程中采用了不同的顶头前伸量，1 号管采用顶头前伸量70 mm 轧制，2号管采用顶头前伸量120 mm 轧制，其调整方式及毛管尺寸见表3。

图3 通过设计数据建立的3D 模型

表2 顶头和热工具工艺调整参数

钢管实物尾端切除长度较短仅50 mm，尾端壁厚情况仅代表尾端缩径变形的不稳定情况。由表3可知：毛管尺寸基本符合设计要求，但尾端100 mm 内存在一定的缩口，影响连轧工序的穿棒动作，这与厚壁管尾端抛钢扭矩骤降有关，顶杆小车回退动作由抛钢扭矩启动，因厚壁管扭矩整体偏低，导致抛钢动作时顶杆小车同时回退，造成了毛管尾端内径偏小，壁厚不均度较差。内外表面方面，毛管外表面存在一定的穿孔轧制螺旋印，螺距间波峰与波谷差不超过0.5 mm，且圆滑过渡，外表面光滑；内表面质量较好，无内折及结疤等缺陷。最终毛管的扩径率为3.4%，毛管计算径壁比为4，毛管延伸率为1.25%。轧制钢管如图4 所示。

图4 轧制钢管实物示意

表3 不同顶头前伸量下试制毛管实测尺寸数据 mm

2 结 语

使用穿孔机孔型计算公式结合3D 建模的方法进行顶头设计，简化了穿孔机孔型设计过程，使设计过程更加直观，对工艺执行具有更强的指导性，达到了锥形辊穿孔机微扩径技术的应用目的。通过合理的穿孔机孔型设计，结合锥形辊穿孔机微扩径工艺技术，实现了锥形辊穿孔机生产径壁比≤5 的特厚壁无缝钢管的工艺路径，为拓宽无缝钢管产品应用市场奠定了基础。