關(guān)于增加軋件外端改善不銹鋼無(wú)縫管變形的討論

   簡(jiǎn)述了變形體外端的含義及作用，介紹了幾個(gè)軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)用增加軋件外端方法來(lái)減少金屬不均勻變形的實(shí)例，用外端理論解釋了不銹鋼無(wú)縫管生產(chǎn)中在管坯尾部定心的原理和作用，提出了張力減徑機(jī)軋制不銹鋼無(wú)縫管時(shí)采用半無(wú)頭、無(wú)頭軋制工藝的設(shè)想，并分析了采用半無(wú)頭、無(wú)頭軋制工藝生產(chǎn)時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。加工成型過(guò)程中常見(jiàn)的邊界有自由表面（工件不與工具接觸）和接觸面（工件與工具接觸）兩種。所謂變形體的外端（外區(qū)或剛端），是指在變形過(guò)程中某一瞬間不直接承受工具作用而處于變形區(qū)以外的部分。由于外端與變形區(qū)直接連接，所以在變形過(guò)程中它們會(huì)發(fā)生相互作用，外端的作用影響著金屬的變形流動(dòng)；同時(shí)，變形區(qū)內(nèi)金屬的變形流動(dòng)也影響著外端，使變形波及到與變形區(qū)相連的一定區(qū)域。由于外端的限制作用，使得變形的不均勻性減小。軋制時(shí)的穩(wěn)定階段中具有兩端（入口端和出口端）形成的外端。

一、軋鋼生產(chǎn)中增加外端的實(shí)例

  20世紀(jì)末，在熱軋板帶等領(lǐng)域興起的無(wú)頭軋制工藝，是在中間輥道上，用焊接方法，將粗軋后相鄰的帶坯首尾對(duì)焊起來(lái)，使坯料無(wú)限延長(zhǎng)，并在一個(gè)換輥周期內(nèi)連續(xù)不斷地通過(guò)精軋機(jī)的一種技術(shù)；其實(shí)質(zhì)就是用合理增加變形體外端的方法來(lái)改善軋件部分區(qū)域的變形條件，以達(dá)到提高金屬變形時(shí)沿限定狀態(tài)流動(dòng)]的比例、減少部分軋件的不均勻變形，從而減少切頭尾的數(shù)量、縮短切頭尾長(zhǎng)度、提高成材率和產(chǎn)品整體尺寸精度以及生產(chǎn)效率的目的。焊管生產(chǎn)中，以前稱為ERW機(jī)組、現(xiàn)又稱為HFW機(jī)組的活套技術(shù)，實(shí)際上也是使用增加外端的方法，將各卷鋼板連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)減少成品管的切頭尾數(shù)量、縮短切頭尾長(zhǎng)度、提高成材率和生產(chǎn)效率的目的。

二、不銹鋼無(wú)縫管生產(chǎn)中增加外端的一些實(shí)踐

  1. 斜軋穿孔時(shí)在管坯尾部定心管坯尾部定心就是有意識(shí)地加大管坯尾部的自由表面面積，從而增加管坯尾端心部外端的長(zhǎng)度，其目的是：

   a. 改善管坯尾部的變形條件，減少穿軋寬展較大的材質(zhì)（奧氏體不銹鋼、鈦合金等）毛管時(shí)易發(fā)生的后軋卡現(xiàn)象。如使用250mm穿孔機(jī)將1Cr18Ni9Ti材質(zhì)310mm管坯穿制成360mm×27mm毛管時(shí)，管坯未進(jìn)行尾部定心，出現(xiàn)了后軋卡故障；在管坯尾部鉆了一個(gè)60mm×80mm的定心孔后便再也沒(méi)有發(fā)生后軋卡事故。

  b. 避免在穿軋304等材質(zhì)毛管（徑壁比>12）尾部時(shí)常出現(xiàn)鐵耳子的情況。毛管尾部鐵耳子如圖所示。因鐵耳子溫降較快，在后續(xù)的連軋時(shí)容易劃傷軋輥表面或穿芯棒時(shí)將鐵耳子帶入毛管內(nèi)部后劃傷管體，致使荒管內(nèi)外表面質(zhì)量下降。管坯尾部定心后的斜軋穿孔實(shí)際上演變成為一次穿孔與二次穿孔的斜軋連軋，尾部定心孔之前的變形是一次穿孔，軋制尾部定心孔時(shí)屬于二次穿孔。為了確保一次穿孔向二次穿孔平穩(wěn)過(guò)渡，就要使尾部定心后管坯徑向具有足夠的熱強(qiáng)度（防止變形過(guò)程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象）；因此，尾部定心孔的直徑不宜過(guò)大，一般為管坯直徑的20%~35%，定心孔的長(zhǎng)度為孔徑的1.0~1.5倍。

  2. 推制式熱擴(kuò)管的首尾點(diǎn)焊連接

   使用推制式熱擴(kuò)工藝生產(chǎn)薄壁管，當(dāng)原料管的徑壁比>40，因鋼管截面徑向剛度低，變形過(guò)程中極容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)熱擴(kuò)變形時(shí)后面頂推的鋼管前端套到前面鋼管尾部的生產(chǎn)事故，減少管端產(chǎn)生“喇叭口”缺陷以及熱擴(kuò)后鋼管頭、尾管端部出現(xiàn)嚴(yán)重的壁厚不均現(xiàn)象，就要在進(jìn)入變形區(qū)前將兩支鋼管首尾斷面沿圓周方向焊接4~8個(gè)點(diǎn)，使下一支鋼管成為前一支鋼管的外端，以提高變形過(guò)程中管端的徑向強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而改善鋼管端部的變形條件，減小管端變形時(shí)金屬?gòu)较蜃杂闪鲃?dòng)的趨勢(shì)，使提高管端的壁厚精度、減小切頭尾長(zhǎng)度成為可能。

 三、縮短張力減徑機(jī)組切頭尾長(zhǎng)度的設(shè)想

   現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，張力減徑機(jī)在減徑率>40%時(shí)，每支成品鋼管的頭、尾都會(huì)因壁厚偏差超出標(biāo)準(zhǔn)范圍而要各切掉1m甚至數(shù)米長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著成材率的提升。受熱軋板帶無(wú)頭軋制工藝、焊管活套技術(shù)以及推制式熱擴(kuò)管工藝原料管首尾點(diǎn)焊連接方法等的啟發(fā)，能否借鑒這些生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在張力減徑機(jī)生產(chǎn)中也采用增加軋件外端的方法，以期達(dá)到改善原荒管頭尾部位的不均勻變形、縮短切頭尾長(zhǎng)度的目的呢？為此，特提出以下兩點(diǎn)工藝設(shè)想。

  1. 張力減徑半無(wú)頭（長(zhǎng)荒管）軋制工藝

  設(shè)想的張力減徑半無(wú)頭軋制工藝，即是用焊接方法將再加熱好的相鄰兩支荒管的首尾對(duì)焊起來(lái)，然后再進(jìn)行減徑軋制。具體工序?yàn)椋涸诨墓苓M(jìn)入再加熱爐之前，用快速熱鋸鋸切掉荒管頭、尾軸向不規(guī)則的部分；在再加熱爐出口側(cè)與張力減徑機(jī)之間增加一臺(tái)隧道式保溫爐，隧道式保溫爐長(zhǎng)度稍大于單支荒管的長(zhǎng)度，第一支再加熱后的荒管停留在隧道式保溫爐中保溫，用安裝于再加熱爐出口側(cè)與隧道式保溫爐之間的快速焊機(jī)將第一支荒管的尾部與下一支荒管的頭部對(duì)接焊合（為區(qū)別于軋后的荒管，在這里將兩兩對(duì)接焊合后的荒管稱為長(zhǎng)荒管），隨后再進(jìn)入張力減徑機(jī)進(jìn)行軋制，鋼管出張力減徑機(jī)后用飛鋸在原對(duì)接焊點(diǎn)附近將其鋸切為兩節(jié)，而后進(jìn)行冷卻。這樣可大幅度地減小對(duì)接焊點(diǎn)附近金屬的徑向不均勻變形和鋼管的壁厚偏差，增加每一支長(zhǎng)荒管在張力減徑后其軸向壁厚值達(dá)到目標(biāo)尺寸的長(zhǎng)度，即在隨后的鋼管精整加工中可少鋸切一個(gè)管頭、一個(gè)管尾或減小對(duì)接焊點(diǎn)處因管壁厚尺寸超差的鋸切長(zhǎng)度。目前，張力減徑半無(wú)頭（長(zhǎng)荒管）軋制工藝已申請(qǐng)國(guó)家專利?；墓茴^尾軸向不規(guī)則端部如圖所示，張力減徑機(jī)半無(wú)頭軋制如圖所示。

  2. 張力減徑無(wú)頭軋制工藝

   張力減徑無(wú)頭軋制工藝的設(shè)想是建立在半無(wú)頭軋制基礎(chǔ)上的，就是想在一個(gè)換輥周期內(nèi)，用焊接方法將再加熱好的多支荒管按順序依次首尾對(duì)接焊合起來(lái)，使荒管無(wú)限延長(zhǎng)，而后進(jìn)行不間斷減徑軋制的方法。具體內(nèi)容為：將隧道式保溫爐縱向設(shè)計(jì)成兩支荒管長(zhǎng)度、橫向4個(gè)工位，使其具有將兩兩對(duì)接焊合后的長(zhǎng)荒管橫向整體步進(jìn)移送的功能，再在隧道式保溫爐與張力減徑機(jī)之間增加一臺(tái)能沿荒管軸向快速移動(dòng)焊接的跟蹤式焊機(jī)，在前一支長(zhǎng)荒管進(jìn)行張力減徑軋制時(shí)將兩支首尾相接觸的長(zhǎng)荒管在軸向行進(jìn)中動(dòng)態(tài)對(duì)接焊合，即前一支的長(zhǎng)荒管正在被軋制，下一支長(zhǎng)荒管的頭部緊隨其后在入張力減徑機(jī)前與上支長(zhǎng)荒管的尾部實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊合（為實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)跟蹤焊接長(zhǎng)荒管的目的，可能還要增加隧道式保溫爐出口至張力減徑機(jī)入口間的距離），鋼管出張力減徑機(jī)后用飛鋸在原對(duì)接焊點(diǎn)附近將其鋸切為多段，而后進(jìn)行冷卻。這樣可從根本上解決鋼管張力減徑后頭、尾壁厚不均問(wèn)題，也使得切頭尾的長(zhǎng)度大幅度減少，從而提高鋼管的成材率；即每次軋制后可減少鋸切管頭、管尾的數(shù)量或減小對(duì)接焊點(diǎn)處管頭、管尾的鋸切長(zhǎng)度；使張力減徑機(jī)不再以單支鋼管進(jìn)行軋制，而是實(shí)現(xiàn)在一個(gè)換輥周期內(nèi)的無(wú)縫鋼管減徑無(wú)頭軋制。目前，張力減徑無(wú)頭軋制工藝已申請(qǐng)國(guó)家專利。

  從生產(chǎn)實(shí)例可以看出，合理使用增加軋件外端的方法，可有效改善部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，增加金屬變形時(shí)沿限定狀態(tài)流動(dòng)的比例，從而減小部分金屬的不均勻變形，使成材率和生產(chǎn)效率的提高成為可能。

應(yīng)用張力減徑無(wú)頭軋制工藝的前提條件是：軋管機(jī)組要配備響應(yīng)的在線檢測(cè)儀表，如荒管熱測(cè)壁厚和測(cè)長(zhǎng)裝置，以便為荒管對(duì)接焊合提供準(zhǔn)確的參數(shù)；另外，在張力減徑機(jī)出口側(cè)也要安裝測(cè)長(zhǎng)裝置，因?yàn)橥ㄟ^(guò)荒管長(zhǎng)度和張力減徑機(jī)延伸系數(shù)便能計(jì)算出變形后鋼管焊口間的長(zhǎng)度，測(cè)長(zhǎng)裝置可為飛鋸在焊口附近分段鋸切鋼管提供準(zhǔn)確定位。上述張力減徑無(wú)頭軋制的工藝設(shè)想僅在張力減徑機(jī)組生產(chǎn)減徑率>40%的產(chǎn)品時(shí)使用才有意義。

   張力減徑無(wú)頭軋制工藝實(shí)現(xiàn)起來(lái)肯定有很多難度：首先要使焊接荒管所用焊機(jī)在功能和性能方面滿足機(jī)組軋制節(jié)奏的要求，不要因?qū)雍负匣墓芩脮r(shí)間而降低機(jī)組的軋制節(jié)奏；其次要研究不同材質(zhì)、不同壁厚的荒管在高溫狀態(tài)下的焊接技術(shù)，如焊接所用時(shí)長(zhǎng)、焊接多長(zhǎng)時(shí)間后其焊接強(qiáng)度才能滿足張力減徑工藝的要求等；第三是現(xiàn)有張力減徑機(jī)軋輥的使用壽命能否滿足無(wú)頭軋制的要求。張力減徑半無(wú)頭軋制、無(wú)頭軋制均要相應(yīng)增加投資，因?yàn)橐碇娩徢谢墓茴^尾的熱鋸和分切鋼管的飛鋸、隧道式保溫爐、快速焊機(jī)等，并且需加大車(chē)間廠房的長(zhǎng)度（至少一個(gè)甚至數(shù)個(gè)荒管長(zhǎng)度），相應(yīng)地要增加占地面積。