穿孔毛管尾部铁耳子产生原因分析及控制

2015-03-09尹锡泉朱宝禄黄尊良

钢管 2015年3期

尹锡泉，朱宝禄，张进，黄尊良

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

在无缝钢管生产过程中，当斜轧穿孔薄壁毛管，尤其在穿孔径壁比∧12的毛管时，经常会在毛管尾部出现铁耳子。观察发现，铁耳子由毛管尾部内层金属延伸而出，在尾端内侧较为均匀地分布一周或在尾端内侧成条状伸出。毛管尾部内侧均匀分布的铁耳子与内侧条状铁耳子如图1～2所示。在薄壁管生产过程中，均匀分布的铁耳子由于长度较短且与母体结合较强，不易脱落，较条状铁耳子的危害相对小。条状铁耳子会损伤轧制工具从而降低轧制工具使用寿命，造成故障停机，影响产品质量。钢管内壁划伤缺陷如图3所示。

因此，降低或消除穿孔工序铁耳子的产生，可有效提高下道工序轧制工具的使用寿命，同时对提高大直径薄壁管内外表面质量也至关重要。

1 形成原因分析

（1）斜轧穿孔管坯内层剪切应力较大。

在斜轧穿孔过程中存在两种应变形式：一种是可以直接观察到的3个相互垂直的主应变，即径向应变（反映壁厚变化）、纵向应变（反映长度方向上的横断面变化）和周向应变（反映直径变化），这3个应变为改变形状所要求的应变，称为“必要应变”；另一种是不可以直接观察到的3个剪切应变，即周向剪切应变（使材料的内外层质点在周向错开）、纵向剪切应变（使断面上的质点产生轴向位移）及扭转剪切应变（使毛管长度方向上的质点朝同一方向扭转），这3个剪切应变是由材料内部应力引起的，其大小与材料的力学性能有关，而对被加工工件所需形状的改变不起作用，称为“多余应变”。必要应变与多余应变对变形的影响如图4所示［1-6］。

图1 毛管尾部内侧均匀分布的铁耳子

图2 毛管尾部内侧条状铁耳子

图3 钢管内壁划伤缺陷

根据N.A.伏米切夫等人的研究［1-2］，塑性变形主要发生在1/3半径的表层区域内，而内层金属在外层金属的带动下延伸。在剪切应变的作用下，虽然斜轧穿孔的塑性变形不均匀，但是由于剪切应变在内层比较集中，会在内层产生较大的剪切应力。图5所示为斜轧穿孔前卡时管坯前端面形状，可明显看出外层金属带动内层金属流动时端面呈抛物线型。

图4 必要应变与多余应变对变形的影响

图5 斜轧穿孔前卡时管坯前端面形状

（2）管坯内层温度较高。

虽然管坯在加热初期内层温度较低，但是通过制定合理的加热制度，随着加热继续，管坯内层温度会逐渐升高并最终与表层金属及炉温处于同一水平。图6所示为天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）Ф250mm MPM（Multi-stand Pipe Mill）机组生产Ф270mm规格N80钢级无缝钢管的加热温度制度曲线。随着变形的继续，管坯中心部位的金属在顶头和轧辊的交变作用下强迫延伸，当外层金属带动内层金属流动时，内层金属与变形工具和周边的金属相互摩擦产生热量，使得内层金属的温度迅速升高。

图6 N80钢级无缝钢管加热温度制度曲线

（3）轧辊转速跃升。

在管坯被穿破的瞬间（斜轧穿孔末期），轧辊转速有一个跃升的过程（观察发现，天津钢管Ф250 mm MPM机组轧辊转速跃升值能达到正常穿孔时主机转速的9%以上），加剧了管坯穿破时的不稳定性。

由于上述3个因素的影响，以及顶头对内层金属流动的阻碍作用，在斜轧穿孔末期，当金属的塑性强度低于内层金属的剪切应力时，管坯尾部内层金属与带动其流动的外层金属之间产生破裂，顶头将接近熔融状态的内层金属带出管坯，导致铁耳子的产生。

2 控制方法

（1）去除管坯尾部中心处的金属。如果去除管坯尾部中心处的金属，那么钢锭会在管坯尾端破裂时顺着定心孔破裂，此时产生的铁耳子附着力强、面积小、不易脱落，不会对后续工序及设备带来损害。但尾部定心孔必须在管坯端面中心位置，否则会造成钢管尾端壁厚不均。

基于上述思路，目前国内部分钢管生产企业采用尾部定心的方法来抑制铁耳子的出现。尾部定心分为热定心和冷定心。热定心是在管坯经环形炉加热后，在穿孔前对管坯尾部进行定心［7］。热定心对场地及设备要求较高，前期投入较多，而且在穿孔前增加了一道工序，导致管坯温度降低较多，不利于对轧制温度要求较高的钢种的轧制。冷定心包括人工气割定心及机械冷定心。其中，人工气割定心虽然对场地及前期投入要求较低，但是工人劳动强度较大、工作环境恶劣，并且不能有效地保证定心质量；采用机械冷定心虽然能够保证定心质量，但是前期投入较多且对场地有一定要求，而后续工具的更换及设备维护会导致轧制成本的增加。

（2）降低管坯内层金属的剪切应力，尤其是尾部内层金属的，可使得内层金属与带动其延伸的金属之间不易发生破裂，从而降低铁耳子的产生。

目前，在生产中可以通过增加毛管壁厚和降低穿孔轧制速度来降低内层金属的剪切应力。若毛管壁厚增加，则穿孔过程中金属的剪切应变减小，从而降低其剪切应力。但是增加毛管壁厚需要考虑其对连轧工序的影响，如果壁厚增加过大，会导致连轧变形量增加，使得连轧负荷过高。因此，通过调整壁厚来降低铁耳子产生的几率有一定作用，但是受到后续工序的制约，壁厚增加幅度有限，毛管尾部铁耳子仍有一定几率产生。降低穿孔轧制速度，不但可以抑制穿孔时管坯在高变形速度下吸收的变形能转化为热能，保证穿孔后期原本温度就很高的尾部金属不接近熔融状态，避免被顶头带出而出现铁耳子，而且可以使管坯在热变形过程中有一定时间进行回复和再结晶，提高管坯的塑性，减少管坯内层金属的剪切应变，从而降低剪切应力［8-14］。

目前，欧洲某厂利用穿孔顶杆小车上的附加液压控制系统，使穿孔顶头在穿破管坯同期后撤，可有效控制轧辊转速跃升现象，使管坯在穿孔末期更加稳定，降低了管坯尾部金属的应变速率，从而降低其剪切应力，对毛管尾部铁耳子的产生也有较大抑制作用。但是，该程序的实现需要对设备进行改造，且改造费用较高。

（3）提高管坯加热的均匀性及加工塑性，杜绝由于加热不均匀产生的铁耳子。这需要对加热钢种的特性进行研究，根据钢种特性及管坯规格制定合理的加热制度，杜绝高温段加热速度太快和均热时间太短造成的管坯内外温度不均，并尽量改善由于管坯下表面加热条件较差造成的上下表面温度不均匀情况。另外，尽量在管坯最佳塑性变形温度区间内进行穿孔，以降低尾部内层金属破裂脱离母体的几率。