Φ460 mm PQF 連軋管機組345 mm 孔型的設計開發

張立志，林 震，柏廣杰，王 棟，楊 然

（1.內蒙古包鋼鋼管有限公司，內蒙古 包頭 014010；2.煙臺魯寶鋼管有限責任公司，山東 煙臺 264000）

1 機組簡介

內蒙古包鋼鋼管有限公司Φ460 mm PQF 三輥限動芯棒連軋管機組2012 年建成投產，熱軋生產線的主要設備由德國梅爾公司和意大利因西公司設計制造。機組年設計產能為62 萬t，2022 年實現了75 萬t 以上的鋼管產量；生產的鋼管外徑244.5～457.0 mm，壁厚6.5～60.0 mm，長度6.0～15.0 m。目前主要生產的鋼管品種為石油油管、高壓鍋爐管、管線管、氣瓶管、機械結構管和流體管，專用管占比在60%～70%。

2 工藝設備

2.1 工藝流程

Φ460 mm PQF 三輥限動芯棒連軋管機組的工藝流程為：連鑄管坯→圓盤鋸鋸切→Φ50 m 環形爐加熱→管坯熱定心（可以選擇用或不用）→錐形輥穿孔機穿孔→吹硼砂→高壓水除鱗→5 機架PQF 連軋管機軋制→脫管機脫棒→高壓水除鱗→12 機架定（減）徑機軋制→冷床冷卻→鋼管定尺切割→漏磁（渦流）探傷檢查→人工檢查→噴標、稱重、測長→收集入庫。

2.2 變形工藝

Φ460 mm PQF 連軋管機組的變形工藝制度見表1。

表1 Φ460 mm PQF 連軋管機組變形工藝制度

2.3 主要設備

2.3.1 環形加熱爐

環形加熱爐由洛伊熱工工程（天津）有限公司設計制造，爐子中徑50 m，爐底寬度5.3 m。加熱的管坯直徑為350 mm、390 mm、430 mm；加熱最長坯料5.0 m；最大加熱能力220 t/h。

2.3.2 錐形輥穿孔機

采用立式導板錐形輥穿孔機，軋輥最大直徑1.5 m；最大出口速度0.8 m/s；最大軋制力矩2 500 kN·m；電機功率7 000 kW×2 臺；主電機最大轉速600 r/min。

2.3.3 連軋管機

連軋管機為5 機架三輥連軋管機，屬于PQF類型軋管機；PQF 軋管機和FQM 軋管機的孔型構成與設計完全一致，PQF 軋管機的輥縫調整是沿弧線擺動壓下，而FQM 軋管機的輥縫調整是沿徑向垂直壓下。該軋管機的牌坊是隧道式筒形牌坊，這種牌坊剛度及強度好，傳動布置緊湊，軋制穩定性好。軋管機最大入口速度1.5 m/s，最大出口速度4.0 m/s；最大軋制力600 kN；最大軋制扭矩250 kN·m；第1 機架和第4 機架軋管機電機功率為3×800 kW，第2 機架和第3 機架軋管機電機功率3×1 000 kW，第5 機架軋管機電機功率3×400 kW。

2.3.4 定（減）徑機

定（減）徑機采用12 機架三輥定（減）徑機，每臺都有1 臺電機驅動，機架采用傘齒輪內傳動結構，在機架外有一根傳動軸通過聯軸器與12 機架組合式的減速器相連接，奇偶的電機前后排上下兩層結構，整個定（減）徑機布置緊湊。定（減）徑機軋輥名義直徑950 mm；機架間距840 mm；最大入口速度0.5 m/s，最大出口速度1.5 m/s；電機功率350 kW×12 臺；電機轉速200～600/1 200 r/min。

3 345 mm 連軋孔型系列設計開發

3.1 背 景

根據變形工藝制度可知，322 mm 孔型系列生產的鋼管的最大直徑為299 mm，該外徑鋼管的減徑率只有2.76%，減徑率偏小，導致該規格的鋼管橢圓度較大，特別是生產Φ298.4 mm 石油油管接箍橢圓度超差。403 mm 孔型系列生產Φ325 mm×7～8 mm 規格鋼管穿孔機擴徑率為14.9%，擴徑率偏大，軋制的最薄壁厚毛管幾何尺寸不穩定，導致連軋管機軋制過程中易出現“軋坑”“拉漏”等質量缺陷，影響鋼管成材率。最后322 mm 孔型系列與403 mm 孔型系列生產的成品管在Φ299～325 mm部分出現間斷。介于以上三方面原因，機組設計開發345 mm 孔型系列代替322 mm 孔型系列，使用直徑350 mm 的連鑄坯，在連軋管機組的345 mm孔型系列生產Φ244.5～325 mm×6.5～40 mm 的無縫鋼管。

3.2 確定毛管幾何尺寸

毛管外徑D毛和壁厚S毛的確定需要滿足以下兩個條件［1-3］。

第一個條件是連軋選定的最大延伸系數要小于其極限能力，連軋延伸系數計算公式為：

式中λ軋max——連軋管機組最大延伸系數；

S毛min——最薄毛管壁厚，mm；

D軋——連軋機出口鋼管直徑，mm；

S軋min——連軋機出口鋼管最薄壁厚，mm。

第二個條件是毛管內壁與芯棒之間要保持適當的穿芯棒間隙。

式中K芯——芯棒膨脹系數，取1.001；

D芯max——最大芯棒直徑，mm；

Δ芯——連軋管機穿芯棒間隙，mm。

兩個公式聯立得出毛管外徑的計算公式：

連軋管機的最大延伸系數選定為3.85，連軋管機最薄出口壁厚確定為6.2 mm，軋制最薄壁厚使用的芯棒直徑為332 mm，該系列的連軋管機穿棒間隙確定為14 mm。計算出毛管外徑和壁厚值，計算結果取整后確定345 mm 孔型系列對應的毛管外徑值為390 mm，毛管最薄壁厚值確定為22 mm。

3.3 計算連軋管機孔型參數

入口毛管外徑設定為390 mm，毛管壁厚22 mm，連軋管機出口外徑345 mm，連軋出口最薄壁厚6.2 mm，軋制最薄壁厚使用的芯棒直徑為332 mm。設計345 mm 連軋管機孔型選用的經驗參數見表2。

表2 設計345 mm 連軋管機孔型選用的經驗參數

按照頂部延伸系數設計方法，設計的345 mm孔型系列孔型參數見表3，孔型輪廓如圖1 所示。

圖1 連軋管機孔型輪廓示意

表3 設計的345 mm 系列孔型參數 mm

3.4 脫管機孔型設計

脫管機的總減徑率一般為3%～6%［4-8］，連軋管機出口鋼管外徑較大時脫管機減徑率選較小值；出口鋼管外徑較小時脫管機減徑率選較大值，對于345 mm 孔型系列，脫管機減徑率選擇3%。為了適應來料鋼管外徑的波動，并且有利于咬入，第1機架的減徑率取較小值，通常應小于第2 機架的減徑率，最后一架脫管機孔型直徑確定為335 mm。具體的孔型參數設計見表4。

表4 345 mm 孔型脫管機參數設計

4 穿孔孔型設計

4.1 確定軋輥距離

確定軋輥距離首先需要確定軋輥壓下率δE：

式中Eg——軋輥距離（定義為軋輥錐面角交界處最小輥距），mm；

D坯——坯料直徑，mm；

δE——軋輥壓下率，mm。

4.2 確定入口變形區長度Le 和出口變形區長度La

式中α——軋輥入口工作錐角，（°）；

β——軋輥出口工作錐角，（°）。

說明：①受到送進角的影響，軋輥的入口和出口工作錐角不等于軋輥的入口和出口錐角；②軋輥出口錐角為毛管外徑變化率的函數，變化率越大，應該選擇更大的軋輥出口錐角；③對于擴徑量較小的機組，軋輥入口錐角和出口錐角之和不大于7°，入口錐角應該小于6°，否則坯料咬入困難。

4.3 確定頂頭外輪廓

4.3.1 確定頂頭擴徑段

根據設計經驗，擴徑率小于20%時頂頭采用二段式頂頭，擴徑率大于20%時采用三段或四段式。

4.3.2 確定頂頭直徑

頂頭直徑Dd［9-12］：

式中δ——頂頭與毛管間隙值（屬于經驗值，一般取10～12 mm，薄壁毛管選較大值；厚壁毛管選較小值），mm。

4.3.3 確定頂頭平滑段長度（均壁段）

頂頭平滑段長度LGT2：

式中SF——平滑系數屬于經驗值，取1.2～1.5；

γ——咬入角，（°）。

4.3.4 確定頂頭穿孔段末端（平滑段起始段）的直徑

頂頭穿孔段末端直徑DR［13-15］：

式中DR——頂頭穿孔段末段（平滑段起始段）直徑，mm；

βGT2——頂頭平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

4.3.5 自由變形區長度

自由變形區長度GL是沿軋制中心線坯料與軋輥接觸到頂頭前端面的距離。

式中GF——入口變形區滑移系數，一般取1.0～1.1。

4.3.6 頂頭前伸量

頂頭前伸量LD1（頂頭在軋制帶前的長度）：

4.3.7 頂頭在軋制帶后的長度

頂頭在軋制帶后的長度LD2：

4.3.8 頂頭總長度

頂頭總長度LD：

4.3.9 驗證計算頂頭前端面的坯料壓下率

頂頭前端面的坯料壓下率ρ：

頂前壓下率的范圍為：4%≤ρ≤7.5%，較合理的值選擇5.5%。

4.3.10 確定頂頭鼻部直徑頂頭鼻部直徑F：

4.3.11 確定頂頭穿孔段長度

頂頭穿孔段長度LR：

4.3.12 確定頂頭（穿孔段）圓弧半徑

頂頭圓弧半徑Rd：

4.4 穿孔機孔型參數

345 mm 系列已經確定毛管外徑390 mm，最薄毛管壁厚22 mm，根據穿孔機孔型設計方法計算出該系列對應穿孔機孔型工藝參數見表5。

表5 穿孔機孔型參數

與孔型參數對應的軋制毛管壁厚22 mm 的Φ294 mm 頂頭外輪廓尺寸及其他相關參數見表6。

表6 Φ294 mm 頂頭外輪廓尺寸及其他相關參數 mm

5 結語

（1）新開發設計的345 mm 連軋管機組孔型系列與322 mm 孔型系列相比，穿孔機擴徑率由5.1%增加到11.43%，對于錐形輥穿孔機擴徑率為10%是最佳值，所以新開發的孔型系列選擇穿孔機擴徑率更為合理。

（2）345 mm 連軋管機組孔型系列穿孔機軋制的最薄壁厚毛管22 mm，322 mm 孔型系列軋制的最薄壁厚毛管24.2 mm，在軋制最薄壁厚鋼管時，增加穿孔機延伸系數，減小連軋管機延伸系數，可以減緩軋制鋼管外徑和壁厚比值超過40 的規格（如Φ325 mm×7～8 mm）出現“軋坑”和“撕破”缺陷的傾向。

（3）新開發的345 mm 孔型系列，可以補充Φ299～325 mm 鋼管產品組距。