斜轧毛管壁厚偏心预报模型及影响工艺分析

2023-09-21陈明航王昊奇张银生

机械设计与制造 2023年9期

陈明航，李爽，王昊奇，张银生

（1.南阳职业学院，机械与汽车工程学院，河南南阳 474500；2.郑州轻工业大学，机电工程学院，河南郑州 450064；3.河南劲派集团有限公司，河南南阳 474500）

1 引言

制备无缝钢管时，需要经历穿孔、轧管、定减径共三个变形环节，因此斜轧成为了一种起到关键作用的轧管技术［1-4］。采用斜轧方式制得的毛管各处壁厚存在差异，呈现偏心现象，同时毛管还要在之后续定减径阶段完成空心变形过程［5-7］，受壁厚偏差因素的影响将会导致最终得到的成品无缝钢管也发生壁厚尺寸偏差过大的问题，因此进行无缝钢管生产时需对毛管壁厚偏心进行严格控制［8］。

文献［9］针对钢管在连轧机架上的轧制加工过程构建了仿真模型，并对轧制阶段钢管截面发生的位移、应力、应变与壁厚变化进行了测试，同时根据仿真结果优化了机组轧机的结构参数与加工技术。文献［10］则对（111×4.35）mm的42CrMo4钢管处于顶管阶段产生的滑动速度进行测试。可以发现，轧件辊缝处形成了沿轴向拉伸的应力作用，到达接近轧件头部的区域时轧件受到了较大轴向拉应力作用，引起了更明显的壁厚拉凹变化特征。文献［11］开发了一种直径尺寸为480mm的顶头结构，根据其控制要求对穿孔参数进行了优化，同时调整了连轧数模，并且配备了509.6mm外径的芯棒。采用该方法可以制备得到具有稳定尺寸的大口径薄壁无缝钢管，实现钢管的减径与延伸效果，从而获得更薄的管壁，获得更光滑的毛管表面，得到更均匀的壁厚，可以使壁厚偏差不超过±8%。文献［12］主要研究了三辊轧管工艺引起的毛管壁厚偏心，并对毛管壁厚偏心进行了优化控制。通过测试发现，毛管壁厚不均比例达到了80%；其中，毛管温度与壁厚偏心是造成斜轧毛管产生壁厚偏心的关键因素。

为改善无缝钢管生产工艺，研究人员需深入分析控制无缝钢管壁厚的作用机制并对各类管壁厚度影响因素开展深入探讨，对各项质量指标进行全面分析，从而获得更优的无缝钢管质量控制性能。从实际生产过程与理论层面进行研究，对引起斜轧毛管壁厚偏心的各项因素进行了分析，为提升无缝钢管壁厚尺寸控制精度提供了一定的参考价值。

2 壁厚偏心试验

2.1 试验方案

采用三辊轧管机进行轧制得到三种不同规格的无缝钢管，对各规格依次下线一支毛管。

利用手动操作的方式轧卡1支毛管，由此获得前半段为毛管以及后半段为毛管的轧卡试样。首先在原料管坯表面铣出一条宽度为6mm、深度为12mm并沿纵向分布的沟槽，根据该沟槽轧制后的形态判断钢管发生扭转的情况。从FQM 连轧管线上直径140mm 三辊轧管机实际情况出发，现场实测数据，各项轧制参数，如表1 所示。分析表1可知：延伸系数取值在（1～4）之间，选取的数据具有很好的分散性，可以作为实验参数代表处理后续的结果分析。

表1 三辊轧管机轧制Tab.1 Three High Pipe Mill Rolling

因此从三个规格毛管上切割得到990mm长的管段，并对横截面圆周方向按照四等分的方式进行标记，在外表面区域以上述四个标记点作为起始点并沿轴向划出四条纵线，接着按照20mm间隔在毛管轴线上设置圆周线，并对该圆周线设置相应的标号；通过砂轮锯把毛管锯成方便测试的管段，采用千分尺测定了圆周线与纵向线交汇位置的壁厚尺寸。

2.2 结果分析

各规格毛管在纵向线上形成的壁厚状态，如图1所示。结果发现，本次测试的三种规格毛管壁厚都在纵向线上形成了具有周期性特征的分布形态，呈现近似正弦曲线的特点，并且相隔180°二条纵向线壁厚波形刚好相差π 的相位差，对于同一横截面部位，最大和最小壁厚间保持180°的对应状态。

图1 不同规格毛管的纵向壁厚分布Fig.1 Longitudinal Wall Thickness Distribution of Capillary of Different Specifications

根据图1可知，毛管壁厚沿横截面方向发生了偏心现象，并沿纵向形成了螺旋扭转的变化趋势，同时形成了“偏心螺旋”形态的壁厚。根据图1中的壁厚分布状态可以发现，毛管壁厚偏差主要表现为“偏心螺旋型”的壁厚分布结果，是引起毛管壁厚不均现象的关键因素。毛管横截面壁厚参数通过偏心拟合方式进行处理得到，在毛管壁厚不均中存在比例超过80%，所得结果具有很好的代表性。

3 毛管壁厚偏心模型

对毛管壁厚偏心进行计算的流程，如图2所示。可以看到，此时芯棒轴线初始位置跟轧制中心线呈现重合的状态，根据计算结果发现芯棒轧制力P1与P2未达到平衡状态时，芯棒位置按照设计步长向更低压力方向运动。在P1与P2差值达到足够小的情况下，不再调整芯棒位置，记录此时的芯棒偏移量。先计算P1处轧制毛管达到最大壁厚时对应的芯棒偏移量e1，接着计算P1处轧制毛管达到最小壁厚时的芯棒偏移量e2，通过计算e1+e2得到毛管壁厚的偏心数据。

图2 毛管壁厚偏心计算流程图Fig.2 Flow Chart of Capillary Wall Thickness Eccentricity Calculation

4 壁厚偏心分析

4.1 壁厚偏心预报

采用20钢作为本次测试的钢材，根据实际测试结果计算毛管壁厚偏心值，沿毛管圆周方向的温差根据最小壁厚相对最大壁厚超出15℃进行计算，根据表1给出的三辊轧管参数计算各规格毛管的壁厚偏心。对毛管壁厚偏心预报值和实测值进行对比所得的结果，如表2所示。

表2 毛管壁厚偏心的预报值和实测值Tab.2 Predicted and Measured Values of Capillary Wall Thickness Eccentricity

根据2号与3号样品测试结构可知，处于较小的毛管壁厚条件下，壁厚偏心预报值达到了与实测值相近的程度。对于1号试样存在较大壁厚的毛管条件下，实测得到的壁厚偏心比预报值更小，这是由于厚壁钢管在三辊轧管变形区减径段获得了的壁厚纠偏的效果。因为减径段没有与芯棒发生接触，因此这里根据芯棒力平衡条件构建预报模型时未分析减径段变形因素引起的壁厚偏心变化，但依然可以采用这里的预报模型分析毛管壁厚偏心受到三辊轧管工艺的影响情况。

4.2 壁厚偏心影响工艺分析

结合试验机组特征，为三辊轧管确定了12个单独的工艺控制参数，各典型值参数及其变化区间结果，如表3所示。建立了毛管壁厚偏心预报模型，并将某一参数设定在典型取值范围中，其它各参数保持恒定的值，之后建立单因素和毛管壁厚偏心值曲线，在此基础上研究了毛管壁厚偏心受到各因素的影响程度。

表3 三辊轧管参数分布Tab.3 Parameter Distribution of Three-Roll Pipe Rolling

通过计算发现，在以上各工艺因素中，毛管壁厚偏受到了4个因素的显著影响，毛管壁厚偏与各因素的变化曲线，如图3所示。可以明显发现，毛管壁厚偏心值受到毛管壁厚以及毛管温度偏心因素的明显影响，呈现正相关特点，即随着毛管壁厚与温度偏心的增加，形成了更大的毛管壁厚偏心；轧辊转速与辊肩高度则对毛管壁厚偏心产生了负影响的作用，逐渐增大这两个变量后，发生了毛管壁厚偏心值降低现象。

图3 工艺因素对毛管壁厚偏心的影响曲线Fig.3 Influence Curve of Technological Factors on Capillary Wall Thickness Eccentricity

5 讨论

根据图3结果进行分析得到毛管壁厚偏心与三辊轧管工艺之间的关系，如表4所示。箭头方向朝上代表随着工艺参数的增大，壁厚偏心也越明显；箭头朝下代表工艺参数增大时，壁厚偏心将会减小；根据箭头数量判断影响程度。

表4 毛管壁厚偏心特点Tab.4 Eccentric Characteristics of Capillary Wall Thickness

通过分析以上研究结果与无缝钢管斜轧变形过程可知，毛管壁厚与温度偏心引起的毛管壁厚偏心变化最显著，同时因为会形成同位同源的毛管壁厚偏心与温度偏心，因此需重点关注斜轧穿孔毛管壁厚偏心与温度偏心产生的影响；其次，在增加毛管壁厚的过程中，形成了更大的毛管壁厚偏心，表明设计三辊轧管工艺的时候，可以通过合理增加壁厚压下量来降低毛管壁厚偏心；第三，提高毛管温度后，产生的毛管壁厚偏心也更大，因此可以通过将毛管温度控制在一个较低区间内来达到降低毛管壁厚偏心的效果；第四，轧管台肩属于三辊轧管的重要结构，设计时需对其高度进行精确控制，通过分析发现，降低轧管台肩高度后，形成了更大的毛管壁厚偏心，因此可以利用提高台肩高度的方式来实现降低毛管壁厚偏心的效果；第五，减小轧辊转速后，形成了更大的毛管壁厚偏心，由此表明可以在轧制阶段通过增大轧辊转速的方式来减小毛管壁厚偏心。进行工艺参数设计的时候需对上述因素开展深入研究，从而达到改善斜轧毛管壁厚偏心作用。

最后，考虑到三辊轧管减径段可以对厚壁钢管发挥良好的壁厚纠偏功能，但在本预报模型中并未对该因素进行深入研究，因此不能实现对厚壁毛管壁厚偏心的精确预报，还需对其进一步优化。