周期轧管机孔型优化设计

宋光鑫，唐泽华

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

衡阳华菱钢管有限公司（以下简称衡钢）φ720 机组采用德国SMS Meer 公司引进的周期轧管机组，周期轧管工艺采用单机架往复轧制的方式，具有变形量大、轧制范围广、品种规格适应性强的优点，但是周期轧管工艺与其他纵轧工艺相比有两个方面的典型特征：一是孔型的断面形状和尺寸随着轧辊的转动是变化的；二是金属的流动方向与轧制方向相反，这种工艺特性决定了合理的周期轧管机孔型设计是保证产品质量和生产效率的关键。本文通过对周期轧管机孔型设计原理进行分析，借鉴国内外周期轧管机组孔型设计经验，结合衡钢φ720 机组的生产实践，浅析周期轧管机孔型优化设计的基本原理，为实际生产操作和孔型开发提供参考依据。

1 周期轧管孔型的分段

1.1 周期轧管工艺在一个轧制道次中，可以分为轧制过程和送进过程，轧制过程由轧辊的工作段完成，工作段分为锻轧段、精轧段、终轧段，轧制过程轧件由轧辊带着回退。送进过程在空轧段完成，此时轧辊不与轧件接触，由喂料器带着轧件完成送进过程。因此，周期轧管机孔型一般由四段组成：

（1）锻轧段（θ1）：锻轧段的主要功能是实现毛管到荒管的轧制，变形主要集中在锻轧段，锻轧段的最大开度决定最大减径量；

（2）精轧段（θ2）：精轧段主要是将锻轧段已经完成变形的部分精轧定径，提高荒管的外径和壁厚精度，精轧段孔型尺寸在不同截面保持一致，主要决定喂入量的大小；

（3）终轧段（θ3）：终轧段的主要作用是让轧辊和荒管平稳脱离；

（4）空轧段（θ4）：空轧段孔型开度较大，轧辊旋转到空轧段时完成毛管的喂入动作。

1.2 周期轧管机孔型各段的比例分配目前存在两种不同的观点，一种是“陡变形”，即θ1/θ2＜1；另一种是“缓变形”，即θ1/θ2＞1；采用“缓变形”设计，在同等的变形条件下可以增加减径量，有效提高对不同毛管外径的适应性，缺点是要保证产品质量，会牺牲轧制效率或是增加设备投入，因此，各生产厂应根据自身的设备和产品范围合理选择变形方式。衡钢φ720 机组由于产品规格组距范围较大（外径273～720 mm，壁厚10～120 mm），同一孔型毛管来料尺寸波动范围大，因此采用“缓变形”设计，通过增加辊径保证产品质量和生产效率。

2 锻轧段孔型曲线设计

锻轧段是周期轧管机孔型的主要变形区，它对轧制过程、轧机生产率及产品质量均有着显著影响，从周期轧管工艺问世以来，不同学者的研究成果和生产企业的实践归纳起来主要有抛物线模型、指数模型以及经验曲线（意大利达尔明公司）三种形式，目前应用较为广泛的包络线孔型，是曼内斯曼公司根据抛物线孔型模型原理提出改进模型，本文着重就包络线孔型设计在不同产品生产中的关键要素进行探讨。

C1=B/b2C2=b/A

A=L-B/tgη b=a/tgη-1

a=B/A

η-导角（锻轧段孔型起始点的切角）

采用包络线模型的孔型设计，各生产厂根据自身的设备和产品情况，主要有3 个参数要考虑：

（1）B—孔型开口深度，决定轧制的最大减径量，轧制的最大理论减径量是开口深度的2 倍，但是一般实际生产过程中控制最大减径量为2B-10～20 mm。

（2）η—导角（锻轧段孔型起始点的切角），选择不同的导角，就得到不同陡度的锻轧段曲线，一般来说，生产大口径、薄壁的、合金含量较高的钢管，导角宜取小值，同时需要减少孔型开口深度或增加锻轧段（θ1）角度来保证产品质量，如生产减径量较小的碳钢和低合金钢，导角可以取大值，通过减少锻轧段（θ1）角度，增加精轧段（θ2）角度，以此提高生产效率。通常情况下导角的选择在23°～30°之间。在实际生产过程中，如轧机负荷和轧辊强度允许的情况下，轧制变形量较小的高合金钢的生产也可以通过增大导角以期获得较大宽展，以此来改善脱棒条件。

（3）L—变形区长度，以锻轧段结束点轧辊孔顶直径计算锻轧段展开长度作为变形区长度，L 越长，则变形越缓，导角和开口深度的调整余量会有所增加。在各段角度不变的前提下，采用较大的辊径，能有效增加变形区长度，但会加大设备投入和轧辊的消耗。

3 孔型侧壁角的选择

由于轧件在变形过程中宽展是客观存在的，为了避免金属挤入辊缝形成耳子（耳子在再次翻转喂入后会形成轧折缺陷），通常在孔型的各断面采用带不同侧壁角的圆弧孔型来增加孔型的宽度，侧壁角设计过小会产生削钢、轧制缺陷，设计过大会导致钢管纵向延伸和尺寸精度下降。侧壁角的理论计算主要是根据轧件宽展情况，而轧件在轧辊各截面变形的宽展差异较大，侧壁角也应随之变化，孔型设计时，侧壁角的选择一般在理论计算的基础上结合实际生产经验进行选择，通常比理论计算的宽展量要大：

（1）精轧段的侧壁角一般保持不变，通常在18～25°之间选择，对于尺寸精度要求较高的取小值，部分高合金钢为了获得更好的脱棒条件，可以适当取大值。

（2）锻轧段的侧壁角从起始点开始一般由大到小（呈线性变化），起始点通常在28～35°之间选择，锻轧段结束点侧壁角一般与精轧段保持一致。

（3）终轧段的侧壁角起始点与精轧段保持一致，结束点与空轧段保持一致，从起始到结束侧壁角迅速变大，方面荒管平稳脱离轧辊防止削钢。

4 辊缝的设计

孔型的辊缝设计对轧件的宽展和延伸影响较大，同时对轧辊的消耗也有较大影响，相同名义直径的轧辊，辊缝值越大，轧辊孔顶的直径越大，不仅增加了轧辊的工作段长度（工作段角度不变时），也增加了轧辊的强度和返车的次数，降低轧辊消耗。辊缝的选择一般按孔型直径的6%～20%，当轧辊名义直径较大孔型直径较小时，可以取大值。

5 结 语

周期轧管机孔型设计对产品的质量、生产效率都有着非常大的影响，孔型设计本身与生产条件、设备条件的关联度是非常密切的。应当说明的是，哪怕采用同一孔型参数，由于轧辊加工或是选择轧辊直径的不同，实际孔型曲率半径也会不同，生产单位应该根据设备条件，生产品种和规格组距以及轧辊返车的情况，根据上述原则合理配置孔型参数，使各项参数之间能达成有机的融合，以便在保证质量的前提下获得更高的生产效率以及更经济的轧辊消耗。