Mini-MPM連軋管機194 mm系列孔型開發

王 棟，王增海，張文亮，呂洪禮，史江歡

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司鋼管公司，內蒙古 包頭 014010）

內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管公司）Φ180 mm連軋管機組共計有3個孔型系列，分別是173 mm系列、238 mm系列、266 mm系列。其中，173 mm系列主要軋制Φ139.7 mm×7.72 mm和Φ139.7 mm×9.17 mm規格石油套管（兩倍尺），成材率90.0%。為了整合煉鋼坯型資源，減少坯型斷面更換次數，包鋼鋼管公司開發出194 mm系列孔型，實現了Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組與Φ159 mm PQF連軋管機組坯料共享，充分釋放了煉鋼作業區的產能，同時Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管實現了三倍尺生產，提高了倍尺率，提升了成材率?，F對194 mm系列孔型的開發過程進行介紹。

1 孔型設計步驟及結果

此次孔型開發主要針對Mini-MPM連軋管機以及脫管機進行，對錐形穿孔機也進行孔型系列開發，對定徑機、微張力定（減）徑機則只做部分孔型調整。Φ180 mm連軋管機組各軋機的極限參數見表1。

1.1 連軋管機軋管時的變形分析

連軋管機常采用直線或圓弧側壁的圓孔型，有時也采用橢圓孔型和圓孔型（帶側壁）的組合孔型。在圓孔型（帶側壁）中軋制鋼管時抽芯棒困難，而在橢圓孔型中軋管時管體精度差，但相比較圓孔型抽芯棒容易，為了在連軋管機后面機架中使毛管內表面與芯棒之間形成一定的間隙，必須形成金屬在孔型中橫向流動的條件。

連軋管機軋管時分為一次咬入和二次咬入，一次咬入屬于減徑工序，二次咬入屬于減壁工序。毛管在連軋管機中一次咬入時，由于毛管外徑大于孔型直徑，毛管最先與孔型接觸是在側壁的4個點上，假定接觸點位于側壁角處，可推導出一次咬入角與軋輥直徑、側壁角和毛管直徑的關系（公式1），在摩擦因數一定的情況下，軋輥工作直徑越大，側壁角越大，或毛管的直徑越小，越有利于一次咬入。實現一次咬入后，二次咬入是軋輥、芯棒共同作用的區域，毛管除在軋輥之間摩擦力的作用下有咬入力外，同時還受到芯棒與毛管內表面摩擦力的作用阻止其咬入，其二次咬入角按孔型頂部進行計算（公式2）。在進行連軋管機孔型設計時，可先計算一下最大允許咬入角和最大允許減壁量，作為確定各機架孔型分配減壁量和孔型高度尺寸的參考［1-13］。

表1 Φ180 mm連軋管機組各軋機的極限參數（最大值）

式中δ1——一次咬入角，（°）；

δ2——二次咬入角，（°）；

D——軋輥工作直徑，mm；

θ——孔型側壁角，（°）；

a——孔型高度，mm；

D0——毛管直徑，mm。

上述咬入條件的推導主要是針對連軋管機第1機架，除第1機架外，以后各機架都存在前機架給予軋件后推力的作用，可以幫助實現一次咬入和二次咬入［3］。

通過對咬入條件的校核，設計的194 mm孔型系列選擇橢圓孔型與圓孔型組合。第1機架的壓下量大，毛管較厚，不存在鋼管與芯棒抱死的問題，而且為了更好地咬入，選擇橢圓孔型；第2～5機架選用帶圓弧側壁的圓孔型，其中第4～5機架為精軋機架，采用相同的孔型［1］。

1.2 確定設計常量

選用芯棒冷態直徑Dt0為184.8 mm，出連軋管機的荒管壁厚Sh為4.5 mm，毛管壁厚為14.5 mm、芯棒插棒間隙為10 mm。根據以上各參數，由公式Dh=2Sh+1.001 1Dt0可計算出毛管出連軋管機的荒管外徑Dh為194 mm，從而計算出毛管外徑為224 mm。

1.3 孔型設計及計算過程

根據毛管及荒管的尺寸計算出Mini-MPM連軋管機的總延伸系數μz及頂部延伸系數μδz，并將總延伸系數和頂部延伸系數合理分配到5個機架上。分配原則如下。

（1）第1機架的延伸系數較大，可以補償由于穿孔機設定不當而引起的毛管尺寸偏差。第2機架可包容第1機架的延伸。第4機架的延伸系數一般在1.13左右。每機架的平均延伸系數應小于1.6。MPM孔型如圖1所示。

圖1 MPM孔型示意

（2）Mini-MPM連軋管機是由5個機架組成，1、3、5機架是橫輥，2、4機架是立輥，橫立輥互成90°交替布置。因此，在設計頂部延伸系數時，1、3、5機架的總延伸系數等于2、4機架的總延伸系數。194 mm系列孔型各機架延伸系數見表2。

表2 194 mm系列孔型各機架延伸系數

根據孔型結構及各機架孔型頂部延伸系數，計算出各機架孔型半徑，進而計算出孔型的其他參數。軋輥孔型與目前采用的孔型類似，以使金屬在軋機中有一個非常好的流動狀態為參考標準。其中，部分系數為經驗參數，見表3［2］。計算得出194 mm系列孔型的各參數，具體見表4。

表3 194 mm系列孔型的經驗參數

2 孔型校核

（1）孔型中鋼管截面積（截面積是橫截面面積）也即孔型理論截面積，具體如圖2所示，計算公式（3）為：

式中Fi——第i機架的截面積，mm2；

Fi-1——第i-1機架的截面積，mm2；

μi——第i機架的延伸系數。

圖2 孔型中鋼管截面積計算示意

當i-1≤0時，Fi-1=Fm。

（2）孔型中鋼管實際斷面積FT（斷面積是總的孔型面積刨去芯棒和芯棒間隙的面積）計算公式為：

式中Fp——孔型斷面積，mm2；

Ft——芯棒斷面積，mm2；

Dt——芯棒熱狀態直徑，Dt=1.001 1Dt0，mm；

ΔFt-m——輥縫處棒管間的間隙面積，mm2。

經校核，鋼管的理論截面積與實際斷面積相差在誤差允許范圍內。

（3）把設計好的孔型參數輸入到MPMMOD程序中，計算頂部延伸系數和平均延伸系數，計算結果與原孔型的計算結果相比較，差值在誤差允許范圍內。經校核，最終確定了孔型的合理性。

3 脫管機孔型設計步驟及結果

3.1 確定總減徑率

實踐中，脫管機的總減徑率為3%～6%。為了得到良好的脫管效果，脫管機總減徑率需控制在3.5%～4.5%，并分配到3個機架上。連軋后鋼管直徑較大時，脫管機總減徑率取較小值；鋼管直徑較小時，取較大值。

3.2 各機架減徑率的確定

通常所說的減徑率均指相對減徑率，公式為：

式中ρi——第i機架的單機架減徑率，也稱相對減徑率，%；

Di-1——第i-1機架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm；

Di——第i機架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm。

第i機架的單機架對數減徑率ρDi為：

3.3 減徑率的分配

為了適應來料的外徑波動和鋼管不圓，并有利于咬入，第1機架的減徑率取小值，通常應小于第2機架的減徑率。每個機架的對數減徑率占總對數減徑率的比例分別是：第1機架為41%～42%，第2機架為50%，第3機架為7.5%～8.3%。

3.4 確定后的孔型尺寸

脫管機孔型尺寸見表5。

表5 脫管機孔型尺寸 mm

4 穿孔機熱工具頂頭的設計

由連軋設計結果可知，穿孔機毛管外徑為224 mm，毛管壁厚為14.5 mm，該系列采用的坯型斷面尺寸為200 mm，即擴徑率為12.0%，符合設計要求。采用頂前壓下率為7.5%，可得出軋輥間距為185 mm。咬入角設定10°。由上述條件設計頂頭的具體步驟如下。

（1）確定頂頭擴徑段。根據設計經驗，擴徑率小于20%的采用二段式頂頭，擴徑率大于20%時采用三段式或四段式，而194 mm系列的擴徑率為12.0%，所以確定采用二段式頂頭。

（2）確定頂頭直徑Dd。頂頭直徑Dd的計算公式為：

式中S0——毛管壁厚，mm；

C0——頂頭與毛管間隙值，屬于經驗值，一般取10～12 mm。

（3）確定頂頭平滑段長度LGT2。頂頭平滑段長度LGT2的計算公式為：

式中SF——平滑系數，屬于經驗值，取1.2～2.0；

γ——咬入角，（°）。

（4）確定頂頭穿孔段末段的直徑DR。頂頭穿孔段末段的直徑DR的計算公式為：

式中βGT2——平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

（5）計算頂頭前伸量Ld1。頂頭前伸量Ld1的計算公式為：

式中Le——軋輥入口長度，mm；

GL—— 自由段長度，GL=GFDBtan γ，其中GF取 1.0～1.5 mm。

（6）確定頂頭長度Ld。頂頭總長度是頂頭前伸量Ld1與頂頭在軋制帶后的長度Ld2之和，而Ld2的計算公式為：

式中E——軋輥間距，mm；

βu——軋輥出口錐角，（°）。

（7）確定頂頭圓弧半徑Rd。Rd的計算公式為：

式中LR——頂頭圓弧段長度，LR=Ld-LGT2；

F——頂頭鼻部直徑，?。?.25～0.30）Dd。

頂頭圓弧半徑在300～900 mm，二段式頂頭圓弧半徑不要取上限值。

根據以上7個步驟對194 mm系列頂頭進行設計，設計結果見表6。

5 生產數據驗證

194 mm系列孔型投入使用后，從2018年10月份至2019年3月份共計生產Φ139.7 mm×7.72 mm規格三倍尺石油套管2.7萬t，產品的外觀質量及尺寸精度都能滿足API Spec 5CT—2018《套管和油管規范》要求；生產Φ178 mm×9 mm規格車軸管2 000 t，壁厚精度滿足壁厚范圍9.0～10.3 mm要求。對不同孔型系列生產Φ139.7 mm×7.72 mm規格石油套管的成材率分別取6個月的生產情況進行對比，使用173 mm系列孔型生產的成材率為89.98%，而使用194 mm系列孔型生產的成材率為92.34%，較173 mm系列孔型提高2.36個百分點。同時抽取21組Φ178 mm×9 mm規格車軸管的壁厚，與原238 mm系列孔型生產的壁厚精度進行對比，結果顯示使用194 mm系列孔型生產的Φ178 mm×9 mm規格車軸管壁厚均勻度控制在1.3 mm范圍之內，而使用原238 mm系列孔型生產的壁厚不均度大于1.3 mm。不同孔型系列生產Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率如圖3所示，生產Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度如圖4所示。

表6 194 mm系列頂頭設計結果①

圖3 不同孔型系列生產Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率

圖4 不同孔型系列生產Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度

6 結 論

（1）在連軋管機孔型設計過程中，總結出按各機架的頂部延伸系數分配法計算軋管機的孔型高度（孔型直徑），并綜合各項經驗參數計算其他各段圓弧的孔型計算方法，是可行的，在今后連軋管機孔型設計中可借鑒應用。

（2）使用194 mm系列孔型，生產工藝穩定，產品質量得到了改善，成材率得以提高，該系列孔型的設計開發是成功的。

（3）系列孔型在設計開發過程中，還利用EXCEL表格自主編制了頂頭參數計算程序，并結合CAD制圖驗證，簡化了頂頭的設計過程。