轧管工艺技术（Ⅶ）<br/>——《热轧无缝钢管实用技术》

轧管工艺技术（Ⅶ）
——《热轧无缝钢管实用技术》

2020-04-26成海涛,李赤波,李晓

钢管 2020年1期

4 周期轧管工艺技术

周期轧管法是利用喂料器将穿有芯棒的毛管送到轧管机前台，周而复始地把毛管送入与喂料方向反向旋转的2个轧辊所组成的孔型中轧制，将一支毛管分若干次，逐段轧制成尺寸和质量符合要求的荒管的一种轧管方法。

周期轧管机是最古老的无缝钢管轧管机，于1884年由曼内斯曼兄弟提出设想，1891年试验成功并取得专利，迄今已有100多年的历史，因其锻、轧、挤相结合的变形方式，具有变形量大、轧制钢种范围广、品种规格适应性强等特点，比较适合生产大直径厚壁合金无缝钢管。仍是当今一种具有较强生命力、不可被完全替代的无缝钢管轧机。

4.1 周期轧管机的特点

4.1.1 周期轧管机的结构特点

周期轧管机属于单机架二辊纵轧管机，由机架、传动机构、喂料器和芯棒系统组成。轧辊安装在机架内的滑动轴承上。传动机构装有一个大飞轮，起到蓄能的作用。喂料器置于轧管机的入口滑台上，当轧辊转到空轧段时，喂料器准确地将一段长度为一个喂入量的毛管送进孔型中轧制。与其他纵轧管机不同，周期轧管机的轧辊旋转方向与毛管的送进方向相反。

4.1.2 周期轧管机的孔型特点

周期轧管机的孔型由若干个不同圆心、不同半径的圆弧组成，变截面的轧槽分成空轧段（非工作段）和工作段（或称锤头区）两个区段。将轧辊周长按空轧、锻轧、精轧、脱管等功能进行合理分配，习惯上用轧辊圆心角的大小来反映各段所占的长度。在孔型侧壁处，用直线和槽底圆弧连接，且两线在连接处相切。孔型侧壁开口角从锻轧段到精轧段逐渐减小。周期轧管机孔型形状如图16所示。

4.1.3 周期轧管机的变形特点

周期轧管机是所有轧管机中减径量和减壁量最大的轧管机，延伸系数可达10～20。其轧制过程可分为毛管的送进和翻转、锻轧、精轧、脱离4个阶段，如图17所示，对应孔型的空轧段、锻轧段、精轧段和终轧段的终了位置分别为A、B、C、D各点（图 16a）。

（1）送进和翻转。当轧辊旋转到空轧段时，由于空轧段的孔型尺寸比毛管直径大，喂料器把穿有芯棒的一段毛管送进轧槽，在送进过程中将毛管翻转90°，如图17（a）所示。喂入量的大小视毛管和成品管的尺寸及轧制负荷而定。

（2）锻轧。长度为喂入量m的一段毛管在送进空轧段轧槽之后，轧辊随即旋转到锻轧段。锻轧段的孔型尺寸是由大逐渐变小的，随着孔型半径的不断减小，在轧辊锤头和芯棒的作用下，首先是毛管的外径受到压缩，直径减小，直到毛管内壁与芯棒之间的间隙消除；接着，毛管的外径和壁厚同时受到辗轧，即减径、减壁，得到符合要求的荒管基础壁厚。毛管变形量主要在锻轧段完成，如图17（b）所示。锻轧段长度占整个轧槽长度的1/6～1/4。

（3）精轧。精轧段的孔型直径是不变的，且孔型侧壁开口角比锻轧段要小一些。当轧辊转到精轧段，荒管的壁厚在精轧段得到均壁辗轧，如图17（c）所示。为了提高荒管的壁厚精度和表面质量，精轧段的长度占整个轧槽长度的1/4～1/3。

（4）脱离。轧辊转到终轧段之后，由于孔型半径放大了1～2 mm，荒管逐步脱离轧槽，并过渡到空轧段，如图17（d）所示。

上述四个阶段组成一个轧制周期。在轧制过程中，反向旋转的轧辊辗压着毛管向喂入相反的方向后退，将毛管和芯棒推向轧机入口，喂入孔型中的金属从轧机出口中轧出。当轧辊转动到空轧段，毛管脱离轧辊之后，喂料器再向空轧段轧槽送进一段毛管。一支毛管需要经过若干个轧制周期才能轧完。

4.2 周期轧管机组工艺流程

周期轧管机组工艺流程如图18所示。

4.3 周期轧管机工艺参数设计

周期轧管机的工艺参数主要包括轧辊中心距，毛管减径量、减壁量、喂入量和延伸系数，芯棒直径，轧制速度和轧制时间等。

（1）轧辊中心距K。K为：

图16 周期轧管机孔型形状示意

图17 周期轧管机轧制过程示意

式中Dg——轧辊直径，mm；

E——辊缝，mm。

（2）减径量ΔD。ΔD为：

式中Dm——毛管直径，mm；

D0——荒管直径，mm。

根据轧辊尺寸和轧制的毛管及荒管尺寸，一般ΔD取50～200 mm；使用大直径轧辊、轧制大规格毛管时，ΔD取大值。

（3）减壁量ΔS。ΔS为：

式中Sm——毛管壁厚，mm；

S0——荒管壁厚，mm。

一般ΔS取20～90 mm；使用大直径轧辊、轧制薄壁、碳素钢钢管时，ΔS取大值。

图18 周期轧管机组工艺流程

（4）喂入量m。m为：

式中Lg——轧辊工作段长度，mm；

μ——延伸系数；

Lj——轧辊精轧段长度，mm；

ζ——重轧系数，一般取2.5～3.0；

θj——精轧段圆心角，一般取90°～110°；

Dj——精轧段孔型直径，mm。

实际生产中，喂入量m一般取20～50 mm；轧制厚壁、碳素钢钢管、减径量小时，m取大值。

（5）芯棒直径d。d为：

式中T——轧辊弹跳值，mm，一般取1～2 mm。

（6）延伸系数μ。μ为：

延伸系数μ可达10～20。

（7）轧制速度V。用单位时间内轧出的荒管长度来反映轧制速度V：

式中n——轧辊转速，r/min。

（8）轧制一支荒管需要的轧制时间T轧。T轧为：

式中t——纯轧制时间，s；

t1——打头时间，s；

t2——轧制皮尔格头的时间，s；

Lm——毛管长度，mm。

4.4 周期轧管机工具设计

周期轧管机的工具设计包括轧辊和芯棒的形状设计及材质设计。

4.4.1 轧辊

4.4.1.1 轧辊直径

轧辊直径Dg可由经验公式计算：

式中D0max——轧制的最大荒管直径，mm。

4.4.1.2 孔型纵截面曲线

周期轧管机孔型的纵截面形状由不同直径的圆弧和不同侧壁开口角的直线所组成，对应圆心角各点的轧槽底部圆弧半径为R，如图16（a）所示。

（1）锻轧段（锤头）孔型曲线计算公式为：

式中 Rx——对应于θx角的锻轧段（锤头）轧槽底部圆弧半径，mm；

Rg——轧辊半径，mm；

r0——轧制后的荒管内半径（r0=d/2，以该机型轧制的荒管最小壁厚来选择芯棒直径d），mm；

θx——对应于锻轧段x截面的圆心角，（°）；

θ1——锻轧段圆心角，（°）。

根据不同θx，计算出对应的Rx，然后圆滑连接Rx各点，得到锻轧段轧槽底部曲线。

（2）精轧段孔型曲线。精轧段轧槽底部曲线为一圆心在轧辊中心，半径为R3的圆弧曲线，与R3对应的精轧段轧槽直径为设计的目标孔型直径D。R3是一常数，它不因圆心角的变化而变化。

式中D——精轧段孔型直径，mm。

（3）终轧段孔型曲线。终轧段孔型曲线也是一圆心在轧辊中心，半径为R4的圆弧曲线。为了让荒管能逐步并平稳地与轧槽脱离接触，避免轧辊在荒管表面上产生压痕，并保证轧槽由精轧段圆滑过渡到终轧段，终轧段孔型直径要比精轧段孔型直径逐渐加大2～4 mm，相对应的终轧段轧槽底部圆弧半径R4要比精轧段轧槽底部圆弧半径减小1～2 mm。即：R4=R3-（1～2）。

（4）空轧段孔型曲线。空轧段是不参与变形的。因此，对空轧段孔型曲线的形状和精度要求并不高，关键是要保证毛管顺利实现送进和翻转90°。为了能满足上述要求，空轧段的轧槽直径要大于轧制的最大毛管外径，但空轧段的轧槽直径过大会减小轧辊的强度。

4.4.1.3 各段圆心角的分配

在轧辊直径一定的前提下，各段圆心角的大小反映了各段轧槽底部圆弧的长短（图16a）。在360°的轧辊圆心角范围内，若某一段的圆心角大，则其他段的圆心角就小。合理分配各段圆心角的大小，有利于提高周期轧管机的产量和产品质量。

（1）锻轧段圆心角。锻轧段是金属集中变形区，锻轧段的圆心角越大，表明锻轧段的长度越长。在金属变形量（喂入量）不变的情况下，锻轧段越长，则金属的变形就越平缓均匀。从提高荒管质量的角度考虑，希望锻轧段长一些。另外，增加锻轧段的长度还有利于减小锤头角度而改善咬入条件，增加喂入量，提高轧机产量。一般取60°～90°。

（2）精轧段圆心角。精轧段的作用是均整管壁，从提高荒管壁厚精度和表面质量的角度考虑，希望精轧段长一些。在设计精轧段圆心角时，应保证同一截面的荒管在精轧段至少重轧2次，精轧段圆心角一般取 90°～110°。

（3）终轧段圆心角。终轧段的作用是保证荒管能平缓与轧槽脱离接触，一般取10°～20°。

（4）空轧段圆心角。空轧段的长度应保证毛管送进和翻转时不撞击轧辊，它与喂料器的工作性能有关。若空轧段太长，会削弱工作段的长度；若空轧段太短，喂料器没有充足的时间来完成毛管的送进和翻转。一般取 130°～160°。

4.4.1.4 孔型横截面形状

周期轧管机的孔型是带侧壁开口角的圆孔型。若孔型侧壁开口角α太小，则荒管在轧制过程中会发生金属的过充满，导致荒管在辊缝处形成尖锐的“耳子”，在下道次轧制时，“耳子”转至轧槽的底部位置，倒伏形成轧折。若孔型侧壁开口角α太大，孔型侧壁不能有效限制金属的宽展，虽不易形成“耳子”，但容易造成荒管的对称性壁厚不均。由此可见，孔型侧壁开口角α与金属宽展的影响密切相关，在锻轧段，压下的金属最多，宽展的金属也最多；在精轧段，毛管减径和减壁量都很小，宽展的金属也相对较少。因此，从锻轧段到精轧段要选用不同的孔型侧壁开口角。锻轧段孔型侧壁开口角α一般取17°～37°，精轧段孔型侧壁开口角α一般取14°～30°。孔型侧壁开口角还视孔型大小的不同而不同，小孔型取较小的孔型侧壁开口角。周期轧管机孔型侧壁开口角如图19所示。

图19 周期轧管机孔型侧壁开口角示意

4.4.1.5 轧辊材质

周期轧管机的轧辊常用60CrNiMo锻钢制作。某厂Φ630 mm大型周期轧管机的轧辊化学成分见表10，调质热处理后的力学性能见表11。

表10 轧辊（60CrNiMo）化学成分（质量分数）%

表11 轧辊（60CrNiMo）调质热处理后的力学性能

4.4 .2芯棒设计

4.4.2.1 芯棒长度

芯棒长度Lx：

式中L1——芯棒卡头长度，mm；

L2——脱管环长度，mm；

ΔLx——芯棒裕量，约大于轧辊工作段轧槽底部圆弧长度，mm。

4.4.2.2 芯棒材质

芯棒常用42CrMo锻钢制作，其调质热处理后的力学性能见表12。

表12 芯棒（42CrMo）调质热处理后的力学性能

4.5 周期轧管机工艺参数调整

周期轧管机的工艺调整参数包括孔型中心线、轧制中心线，轧辊直径、辊缝，轧制速度、喂料器的空气压力和喂入量等。

孔型中心线调整要保证上、下两个轧辊在水平面不错位、在垂直面平行，两侧辊缝大小相等。

轧制中心线的调整是要保证孔型中心线和轧制中心线重合。

如果上、下两个轧辊直径不相等，则大直径轧辊对应的轧槽弧线长，小直径轧辊对应的轧槽弧线短，势必造成两个轧辊孔型曲线不对称而带来变形不对称。一般来讲，两个轧辊的直径相差不大于10 mm，且将大直径的轧辊安装在上轧辊轴承座上。

辊缝调整要求：一是要保证左、右两侧轧辊的辊缝大小一致；二是通过调整辊缝大小，保证荒管的外径和壁厚符合要求。

在轧辊直径确定的前提下，轧制速度的大小主要是通过调整轧辊转速来实现的。轧辊转速越高，则轧制速度越快。但轧辊速度的提高受到空轧段的轧槽长度、喂料器的送进速度和喂入量m的限制。轧辊转速的调整以喂料器将喂入量为m的毛管顺利送入空轧段并实现毛管的翻转且毛管不撞击轧辊为前提。同时，轧制速度还与轧制负荷有关，提高轧制速度会增大轧制力。

喂料器空气室内柱塞和螺杆是以压缩空气作为动力。通过调整空气室的体积来调节空气的压力，保证柱塞运行速度。轧制大直径钢管时，调小空气室的体积，柱塞前冲的压力就高；轧制小直径钢管时，调大空气室的体积，柱塞前冲的压力就小。

喂入量m是最重要的调整参数之一，它决定着轧机的产量和产品质量，也影响到轧机的负荷和喂料器喂入毛管时与轧辊转过空轧段的同步协调性。喂入量m一般取20～50 mm。

4.6 周期轧管机产品质量缺陷与预防

周期轧管机轧制的荒管缺陷来自毛管和轧管工序两部分。毛管自身的缺陷经轧制后会进一步扩展。轧管工序产生的缺陷包括荒管壁厚不均（横向壁厚不均、纵向壁厚不均和“跑壁厚”）、表面缺陷（表面擦伤、内外结疤、内直道、裂纹、内麻坑）和轧折（轧折、轧破、“娃娃口”）。

4.6.1 壁厚不均

荒管壁厚不均是周期轧管机容易产生的主要质量缺陷。在众多的轧管机中，周期轧管机轧制的荒管壁厚不均最为严重。影响荒管壁厚不均的主要因素有轧辊孔型形状、轧制工艺参数、轧管工具等。

（1）轧辊孔型形状对壁厚不均的影响。

轧辊孔型形状与轧槽的横截面和纵截面曲线及各段圆心角的大小有关，也与轧辊的调整有关。

周期轧管机的变形量大，轴向延伸阻力大，金属容易产生宽展，从而造成荒管横向壁厚不均。孔型侧壁开口角的大小对限制毛管横向变形有直接的关系，减小孔型侧壁开口角和辊缝值有利于减小荒管的对称性横向壁厚不均。但孔型侧壁开口角和辊缝值过小时，金属容易进入狭小的辊缝，使荒管产生“耳子”和轧折。为了做到二者兼顾，一般来讲，锻轧段的孔型侧壁开口角取17°～37°，精轧段的孔型侧壁开口角取 14°～30°；辊缝取 15～40 mm。孔型越大，辊缝取大值；轧制的荒管壁厚越厚，孔型侧壁开口角取小值。

精轧段的长度越长，均壁效果越好。在分配圆心角时，精轧段的长度要保证对同一截面的荒管进行两次以上的辗轧，重轧系数取2.5～3.0。

当上、下两个轧辊的轴线不平行，辊缝会一边大而另一边小，在这种孔型中轧制的荒管，其壁厚会出现一边厚而另一边薄。这种情况往往是由两个轧辊的轴承磨损不一致造成的。因此，应及时更换磨损不一致的轴承，或在磨损严重的轴承座下加放垫片，以保证两侧的辊缝相等。当上、下两个轧辊的孔型错位，轧制的荒管非但不圆，还会出现壁厚不均。

锻轧段孔型尺寸随圆心角的变化而不同，如果轧辊的接手发生了不均匀磨损，上、下轧辊的轧槽所对应的角度错位，会带来上轧槽和下轧槽对应的孔型曲线不一致，其中的一个轧辊会轧制超前，造成在两个轧辊上的减径、减壁变形不对称。同时，还会缩短精轧段的有效长度，减小重轧系数，不利于荒管壁厚精度的提高。如果将方形的轧辊接手改成梅花接手，可减小接手的不均匀磨损程度。

另外，周期轧管机的下辊为主动，上辊通过人字齿轮随动。在轧制过程中，上辊的运动稍滞后于下辊。为了保证上、下两个轧辊的孔型曲线对称，上辊直径要比下辊直径大一些，一般应在5～10 mm，大直径轧辊取大值。

前、后两支荒管的壁厚不一致（俗称“跑壁厚”）是周期轧管时的常见缺陷。造成“跑壁厚”的原因有两个：一是同组芯棒的直径差超过了要求，根据规定，1组芯棒为6根，同组芯棒的直径差不得超过0.5 mm；二是辊缝发生了改变。当一支荒管轧完之后，为使皮尔格头能顺利通过轧槽，上辊要提升一定的高度，若上辊不能准确恢复到原设定的位置，会使辊缝的大小发生变化，势必造成下一支荒管的壁厚与前一支的不一样。通过测量荒管的长度来间接反映荒管壁厚或检测荒管的外径来反映辊缝的大小或采用自动检测装置来测量荒管的外径和壁厚，以此数据作为指导上辊压下位置的依据，是减少因辊缝变化造成“跑壁厚”的有效措施。

（2）工艺参数对壁厚不均的影响。

工艺参数包括：毛管喂入量、延伸系数，轧制温度、轧制速度和润滑条件等。

喂入量越大，表明在一个轧制周期中，参与变形的金属越多。一方面，会增加金属宽展量而造成壁厚不均；另一方面，会增加延伸系数而减小重轧系数，降低精轧均壁的效果。特别是当轧辊的直径较小或轧制薄壁钢管（延伸系数较大），这种影响更加明显。

生产过程中，应根据轧辊直径、延伸系数和轧制负荷来选择毛管喂入量m，一般控制在20～50 mm，小直径轧辊在轧制薄壁钢管时取小值。

延伸系数对壁厚不均的影响主要反映在变形量的大小对壁厚不均的影响上。变形量大，则延伸系数大，造成金属宽展量大，重轧系数小，荒管的壁厚精度差。延伸系数对壁厚不均的影响与毛管喂入量的影响如出一辙。因此，在轧制延伸系数大的薄壁钢管时，应减小毛管喂入量。

轧制温度低，不利于金属纵向延伸，会降低荒管壁厚精度。同时，轧制温度低，钢变形抗力大，轧管机弹跳增加，也会降低荒管的壁厚精度。从降低轧制负荷，增加钢的变形能力，提高壁厚精度角度考虑，保证开轧温度符合工艺要求至关重要。

另外，周期轧管机的轧制速度低，轧制时间长，毛管在轧制过程中的温降大，在轧制毛管尾部时会出现温度低于轧制毛管头部时的情况。因毛管头、尾存在温差，从理论上讲，荒管前端的壁厚要比尾端的壁厚薄，但因芯棒套在毛管之中，当轧制时间增加时，芯棒的温度会升高，并产生热膨胀，它对前述因毛管温降而带来的荒管壁厚增厚有一定的抵消效果。所以，因轧制时间延长而造成毛管温度降低（不是在轧冷钢的条件下）所带来的壁厚不均并不突出。轧制速度对壁厚不均的影响反映在轧制负荷和轧制温度上。生产实践表明，轧制速度对荒管壁厚不均的影响不明显。

芯棒的润滑效果会影响荒管的壁厚不均。芯棒润滑效果越差，阻碍金属纵向延伸的阻力就越大，金属的横向变形就越明显，荒管的壁厚不均也就越严重。因此，加强芯棒润滑是提高荒管壁厚精度的有效手段。常用的芯棒润滑剂是水基石墨润滑剂。

（3）轧管工具对壁厚不均的影响。

轧辊直径大小对荒管壁厚不均的影响，主要为锻轧段和精轧段的轧槽长度对荒管壁厚不均的影响。轧辊直径减小，锻轧段变短，锤头角增大，锤头曲线变陡，在喂入量相同时变形更加集中剧烈，金属横向宽展严重，荒管的壁厚不均程度增加。同时，精轧段变短，重轧系数减小，均壁效果降低。

当轧辊和芯棒的表面发生严重磨损、老化、龟裂，除会影响荒管的表面质量外，还会增加毛管表面与轧管工具之间的摩擦力，造成荒管的壁厚不均程度增加。由于芯棒的磨损容易发生在芯棒的后半部分（磨损最严重的部位在靠近芯棒尾端1/3处），一旦芯棒磨损形成“倒锥”状，应及时更换芯棒。

在轧制高合金钢管和不锈钢管时，为了便于脱棒和减小金属的延伸阻力，可将芯棒加工成后端直径比前端直径大1～2 mm的锥形芯棒。

4.6.2 表面缺陷

（1）表面擦伤与内直道。

表面存在缺陷的轧辊和不光滑的轧管机后导槽，均会造成荒管外表面擦伤。

内直道是由于表面黏钢、严重磨损、“掉肉”的芯棒或毛管内表面残存的坚硬氧化铁皮、“铁耳子”，在轧制过程中或在脱棒时，划伤毛管内表面而形成的直线状沟痕。

后导槽是由一组固定的半圆形铸钢件组成。从轧管机中轧出的荒管，在后导槽上随着毛管送进和后退来回摩擦，容易擦伤外表面。当轧制中心线调整不正确或后导槽磨损严重，这种擦伤会更严重。

为了避免荒管的表面擦伤和内直道缺陷，应保证芯棒和轧辊表面光滑，并加强对轧辊的冷却和芯棒的润滑，更换磨损严重的后导槽，将毛管内表面的氧化铁皮、“铁耳子”等清除干净。

（2）内麻坑。

内麻坑是传统工艺流程的周期轧管机组常见的产品质量缺陷。水压冲孔坯再加热时，其内表面会产生比较厚的氧化铁皮，若氧化铁皮未去除干净，在轧管时会被压入荒管内表面，荒管经矫直机矫直后氧化铁皮会脱落，从而产生内麻坑。

清除毛管内表面氧化铁皮的常用方法是增设吹硼砂防氧化吹扫系统，利用高压气体将毛管内表面的氧化铁皮吹出。现代化的周期轧管机组采用直接穿孔工艺，取消了水压冲孔工序和再加热工序，使内麻坑缺陷大大减少。

（3）结疤。

荒管表面结疤除与芯棒和轧辊的表面不光滑有一定的关系外，还与轧制状态有直接关系。轧制过程中，毛管向前送进，轧辊沿着与毛管送进相反的方向旋转。如果毛管在送进时与反向旋转的轧辊轧槽发生撞击，轧槽就会擦伤毛管表面，严重时会形成结疤。为了解决毛管喂入与轧制不同步的问题，应根据轧辊直径、喂料器冲程及气缸风压的大小来合理调整轧管机的转速。

4.6.3 轧折

轧折可分为纵向轧折和横向轧折。

金属被挤入辊缝会形成尖锐的“耳子”，在下一个周期轧制时，“耳子”被翻转到孔型顶部，倒伏轧成纵向外折。实际生产中，这种外折的形态和分布很有规律，即沿荒管轴线呈直线状断续分布，长度较短。

轧辊和芯棒表面不光滑、毛管喂入量太大等促进金属横向宽展的因素，都容易导致纵向轧折的产生。适当增大轧辊孔型侧壁开口角和辊缝，让金属有较宽松的宽展空间，防止其进入狭小的辊缝而变成尖锐的“耳子”，可以减少纵向轧折。

当喂入轧槽金属被轧辊辗轧而堆积在轧辊出口附近并形成凸包，在毛管后退时，凸包被叠轧在荒管表面，会产生类似“舌状”横向轧折。若叠轧金属太多，容易轧成穿透性的孔洞，变成“娃娃口”。

横向轧折在生产大直径薄壁钢管和轧制到后半段时容易发生。加大轧辊直径，减小毛管喂入量，提高轧制温度，保证轧制中心线与孔型中心线一致，增大轧辊孔型侧壁开口角等都有利于减少横向轧折的发生。另外，减小毛管和芯棒直径，或采用锥形芯棒（芯棒头尾直径相差1～2 mm），并加强芯棒润滑，也是减少横向轧折的有效措施。