热轧棒材孔型设计探究

周发元

（西宁特殊钢股份有限公司，青海 西宁 810005）

1 孔型设计理论

1.1 孔型设计的主要内容

断面孔型设计。根据原料和成品的断面形状、尺寸和产品的性能要求，选择孔型系统，确定轧制各道次的变形量，设计各道次和各道次的变形量，设计各道次的孔型形状。

1.2 孔型设计的基本原则

（1）成品质量好。包括产品断面几何形状正确，尺寸公差合格，表面光洁，无缺陷，机械性能好。

（2）轧机产量高。合理的孔型设计应使轧制节奏时间最短，一般情况是轧匀形，使串辊的次数最少，这些有可能提高轧机的作业率。

（3）产品的成本低。即使金属消耗、电能消耗合轧辊等技术经济指标降到最低。

（4）劳动条件好。劳动强度小，在进行孔型设计时，应使轧制平稳，轧制顺利，操作方便，便于调整，改善劳动条件，还应考虑轧制过程，易于实现自动化，减轻劳动强度。

（5）适应车间的设备条件。

1.3 孔型设计考虑的因素

①产品优质，成本低；②合理利用车间设备条件，轧机生产率高。

2 孔型系统的选择

2.1 棒材孔型系统

棒材生产常用的孔型系统有箱形孔型系统、椭圆－圆孔型系统、椭圆－方孔型等系统。他们的特点和适用范围各有不同。棒材粗轧机的主要任务在高温状态缩减断面，中轧机组主要承担轧件延伸和为精轧机组提供精确料型的任务。精轧机组保证轧制产品的尺寸精度的任务。随着连续棒线材轧机的不断发展及工艺技术、装备水平的逐步提高，经过生产实践和产品质量的筛选，其所用孔型系统不是在扩散，而是在收敛、在趋同。粗轧机组平/立交替布置、架次为偶数时，首先采用1 ～2 对箱型孔型，再接椭圆—圆孔型系统。椭圆—圆孔型系统使用范围从精轧机组逐渐向中轧、粗轧机组扩张，甚至覆盖所有轧制道次。在连续棒线材轧机发展进程中，椭圆－圆孔型系统逐渐占主导地位，究其原因主要是连续棒线材轧机把提高轧机作业率及产量，保证坯料内外质量和成品尺寸精度，以及降低轧辊消耗和成本等作为增强产品市场竞争力的主要手段。因此，要求选用的孔型系统变形柔和、生产稳定、孔型磨损均匀，这些正是椭圆—圆孔型系统的典型特征。另外，连续棒线材轧机产品规格范围宽，为尽量采用共用孔型和调整孔型，特别是生产较大规格从精轧机组前几个机架甚至从中轧机组出成品，因此要求圆孔前置，这也相应扩大了椭圆一圆孔型系统的使用范围[1]。

2.1.1 棒材箱型孔型系统

箱形孔型优点如下：①用改变辊缝的方法可以轧制多种尺寸不同的轧件，共用性好。这样可以减少孔型数量，减少换孔或换辊次数，提高轧机的作业率。②在轧件整个宽度上变形均匀。因此孔型磨损均匀，且变形能耗少。③轧件侧表面的氧化铁皮易于脱落，这对改善轧件表面质量是有益的。④与相等断面面积的其他孔型相比，箱形孔型在轧辊上的切槽浅，轧辊强度较高，故允许采用较大的道次变形量。⑤轧件断面温度降较为均匀。

箱形缺点如下：①由于箱形孔型的结构特点，难以从箱形孔型轧出几何形状精确的轧件。②轧件在孔型中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。由箱形孔型系统的优缺点可知，采用箱形孔型轧制大型和中型断面时轧制稳定，轧制小型断面时稳定性较差。它适用于：小型棒材粗轧机架。

2.1.2 椭圆—圆孔型系统

该孔型系统特点如下：①变形较为均匀。孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生的局部应力；②在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；③孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面；④在某些情况下，可以在椭圆－圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；⑤延伸系数小，因而增加了轧制道次，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；⑥椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确；⑦在圆孔型中，对宽展敏感大，容易出耳子，因此调整严格。

鉴于椭圆－圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本[2]。

2.2 孔型的设计计算

典型产品品种：圆钢，规格：Φ20mm，钢种：20MnSi。

（1）各道次延伸系数的确定原则如下

①轧制的前几道次的延伸系数应小些。轧制开始时，轧件温度高，氧化铁皮厚而且附着在钢坯表面上，摩擦系数较低，咬入困难。此外，电机能力也限制了前几道次的延伸系数。②中间道次的延伸系数由大到小。经前几道次轧制后，氧化铁皮脱落，咬入条件得到改善；而且温降不多；由于轧件断面积不断减小，亦使延伸系数提高，并达到最大值。以后，轧件断面大为减小，温降严重，变形抗力显著增加，因此，此时延伸系数应逐渐减小。③最后几道次的延伸系数要小。

（2）轧制道次的确定：

连铸坯断面积：0F =180×180=32400mm。

热膨胀系数：β=1.012 ～1.015（一般生产取1.013）。

Φ20 圆钢直径尺寸：d=20×1.013=20.26mm。

Φ20 圆钢的总延伸为：u=Fo/En=32400÷314.16=103.13。

式中：Σµ ——总延伸系数；0F ——原料断面面积；nF ——成品断面面积。

若坯料的断面积F0和成品的断面积En 均为已知，则总延伸系数为：

式中：0F 、1F ······ Fn为第1、2······n 道次轧件的断面积；

1µ 、2µ ······nµ 为第1、2······n 道次轧件的延伸系数。

为了孔型设计方便，可将粗轧的总延伸系数按对进行分配，粗轧总延伸系数为：

中轧同理。

一般情况下，在确定轧制道次时，用平均延伸系数 pµ 代替某个道次的延伸系数。所谓平均延伸系数是指在轧制道次和总延伸系数一定的条件下，各个道次的延伸系数相等。它是为了简化轧制道次的计算而提出来的假想延伸系数，在实际生产中各个道次的延伸系数并不相等。具体确定方法如下：

对上式取对数，则求出轧制道次数N：N = ln µ∑/µ∑。

（3）根据孔型分配延伸系数见表1。

表1 孔型延伸系数

延伸系数的分配见表2。

表2 各机架的延伸系数

（4）延伸系数分配的校核：

μ1·μ2·μ3······μ18＝1.4×1.36×1.34×……×1.2×1.16 ＝103.1 ＝Σµ

所以以上为延伸系数初步分配。

（5）轧制各道次面积的确定，由延伸系数与轧件断面面积关系，确定各道次轧件断面面积，见表3。

表3 各道次轧件断面面积（单位mm2）

然后确定等轴断面的尺寸：a2=180/√1.9=131mm，a4=131/√1.8=98mm

（6）延伸孔型的设计：

①第1 孔型一矩形箱孔型：轧件在第1 孔的宽展系数取0.3，在第2 孔中的宽展系数取0.25，设第一孔型高为h1=114mm，则b1=a0+(a0-h1)β=199.8mm 。验算轧件在第2 孔型一方箱形孔型的充满情况：与131 很接近，合适，否则需重新设定 h1。②第3 孔型一矩形箱孔型：轧件在第3 孔的宽展系数取0.3，在第4 孔中的宽展系数取0.25，设第一孔型高为h3=86mm，则。验算轧件在第4 孔型一方箱形孔型的充满情况：，与98 很接近，故设计合适，否则需重新设定 h3。③第5 孔型一椭圆孔型：轧件在第5 孔和第6 孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3，设孔型高为h5=75 mm，则，验算轧件在第6 孔型一圆形孔型的充满情况：，与84 很接近，故设计合适，否则需重新设定 h5。④第7 孔型一椭圆孔型：轧件在第7 孔和第8 孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3，设孔型高为h7=52mm，则，验算轧件在第8 孔型一圆形孔型的充满情况：，与64 很接近，故设计合适。⑤第9 孔型一椭圆孔型：轧件在第9 孔和第10 孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3，设孔型高为h9=38mm，则，验算轧件在第10 孔型一圆形孔型的充满情况：，故设计合适。⑥第11 孔型一椭圆孔型：轧件在第11 孔和第12孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3，设孔型高为h11=31mm，则，验算轧件在第12 孔型一圆形孔型的充满情况：，故设计合适。⑦第13 孔型一椭圆孔型：轧件在第13 孔和第14 孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3，设孔型高为h13=24.5mm，则，验算轧件在第14 孔型一圆形孔型的充满情况：，故设计合适。⑧第15 孔型一椭圆孔型，轧件在第15 孔和第16 孔中的宽展系数分别取0.7 和0.3：设孔型高为h15=20mm，则，验算轧件在第16孔型一圆形孔型的充满情况：，充满度合适。