综合述评1
罗涛，刘京江，祝增龙
(成都诚悟钢管技术有限公司，四川成都610041)
摘要：简要介绍热轧无缝钢管斜轧穿孔机的基本情况，从斜轧穿孔原理方面对比曼式(桶形辊)穿孔机与锥形 辊穿孔机的特点；分析现有斜轧穿孔机的工艺及设备结构存在的问题，提出具体改进提升的方法，并介绍一种新型高
刚性斜轧穿孔机。新型高刚性斜轧穿孔机前台采用坯料主动旋转对中引人的设计，主机采用侧向换辊、全封闭框架 结构，后台采用在线顶杆交替快速更换装置等，提高了穿孔效率和毛管外表面质量、壁厚精度，降低了生产成本。
关键词：无缝钢管；斜轧；穿孔机；锥形辊；桶形辊；机架结构；换辊方式
中图分类号：TG335 文献标志码：A 文章编号：1001-2311(2019)03-0001-08
Current Condition and Improvement of Seamless Steel Tube Rotary
Piercing Process and Equipment
LUO Tao, LIU Jingjiang, ZHU Zenglong
(Chengdu Chengwu Tube Technology Ltd., Chengdu 610041 , China )
Abstract：Basic conditions of rotary piercing mills for hot-rolled seamless steel tube are briefly introduced, comparing Mannesmann (barrel type) piercer and cone type piercer for their piercing principles. Problems of the current rotary piercing process and the equipment structure are analyzed, an improving method is put forward and a new type of high rigidity rotary piercing mill is introduced. This new type of high rigidity rotary piercing mill adopts a design involving a billlet initiative rotating and centering mechanism on the front table, a lateral roll changing method and a fully-closed frame structure on the main body, and an on-line mandrel switching and quick changing device on the rear table. Therefore the piercing efficiency, the outer surface quality and the wall thickness precision of shells are increased and production cost is reduced.
Key words：seamless steel tube; rotary piercing; piercing mill; cone type roll; barrel type roll; stand structure;
roll changing mode
现有无缝钢管的生产，无论是冷轧还是热轧轧 管工艺，除少数热挤压机组采用压力冲孔工艺外，由实心管坯(圆钢坯)变形成空心坯的加工绝大多数 都是采用斜轧穿孔工艺。因此，现在的无缝钢管生 产线，不论是高产能、大批量、以石油用管为代 表品种的纵轧连轧管机组，还是生产更灵活并强 调多规格、多品种、高合金(不锈钢）的斜轧管机, 所有的第一步变形轧制都是采用斜轧穿孔方式来 实现由实心坯到空心坯的轧制变形，直接为后面连 罗涛（I960-)，男，高级工程师，总经理，长期从 事热轧无缝钢管轧制工艺研究与无缝钢管项目建设、生产工作3接的轧管机提供合格的穿孔空心坯(毛管)。目前，国内的传统不锈钢生产工艺或小型机组，也是将斜轧 穿孔作为冷乳(拔)管机组的初道次加工变形工艺；也有企业直接在穿孔工序后接定（减）径机，但只 能生产质量差的低档次热轧无缝钢管。
1斜轧穿孔机的结构类型
1890年，德国曼内斯曼兄弟发明了二辊斜乳 穿孔机。受锻坯在交变横锻时出现中心撕裂导致形 成中心孔腔的启发，采用两个主动轧辊让坯料在轧 辊之间旋转(交变辗压)时形成中心组织疏松、裂纹 并扩展为孔腔，中间再加一个扩孔顶头完成穿孔变 形。另外，轧辊之间可采用导板或导盘来限制横向 捕鼠笼
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扩展，以确保穿孔过程的顺利完成m 。
目前，所有斜轧穿孔机的基本原理仍然是基于 曼内斯曼穿孔原理，只是后来随着人们对穿孔原理 的深人研究和机电技术的全面发展，在传统曼式 (桶形辊)穿孔机基础上又形成了新一代斜轧穿孔机， 即：每个轧辊单独传动的锥形辊穿孔机[2_3]。因此， 目前生产中使用的斜轧穿孔机分成两大类：曼式 (桶形辊)穿孔机和锥形辊穿孔机。另外，还有一种 三辊穿孔机，三辊穿孔原理与二辊是相同的，只是 主机结构有变化。现主要介绍二辊斜轧穿孔机。1.1曼式(桶形棍)穿孔机
如上所述，曼式穿孔机是最老的一种斜乳穿孔
机结构方式，它的主要特点是：两个轧辊由一个电 机带动，通过减速机后再分配到两个左右设置的轧 辊上。传动电机一般设置在穿孔机入口侧的前台。 受减速机机械结构限制，由减速机输出的两个传动 连杆，在宽度方向上不可能任意拉开距离，两个连 杆在水平面上看基本上是平行的（也就是轧辊轴与 轧制中线基本可视为平行），所以穿孔机的轧辊辊 型也是人口直径与出口直径基本一致，设计时还 必须考虑一定咬人辊面角度和抛出辊面角度，轧 辊的外形就像一个平放水桶，故这种穿孔机也叫 桶形辊穿孔机。曼式（桶形辊）穿孔机的设备布置 如图1所示，桶形轧辊孔型如图2所示。
(a )平面布置
(b )立面布置
图1曼式(桶形辑)穿孔机的设备布置示意
图2
桶形轧辊孔型示意
穿孔机主机是由一个主机座和一个可移动的上 盖组成，上盖可移动是为了便于将轧辊吊出更换。
不可否认，在近百年无缝钢管热轧生产中，桶 形辊穿孔机是应用最多和历史最长的穿孔机，对无 缝
钢管的生产发挥了积极作用。但是，从穿孔变形 分析的近代观点和生产实践中总结分析来看，桶形 辊穿孔机还存在以下缺点。
(1)穿孔形成“曼式效应”。斜轧穿孔机的发明 是基于交替平锻坯料中心处于三向拉应力状况而导 致中心组织形成孔隙、撕裂，在桶形辊穿孔工艺中， 这种坯料中心撕裂形成孔腔，即存在“曼式效应”。
传统的斜乳桶形辊穿孔机，由于轧辊呈桶形, 穿孔坯料从人口到出口轧辊直径相同，提供给变形金属的速度也相同(切向或纵向），但是毛管从实心 到空心是金属断面积减少的过程，根据金属秒体积 流量相同原则可知，乳件的出口速度从人口到出口 必须是增加的，但是桶形辊不可能实现这个基本 的、合理的变形要求。另外，由于辊面提供给轧件
前进的速度方向仅是由轧辊轴与轧制中线水平面所 形成角度y (喂入角）确定，金属流动的纵向速度分 量受限，斜轧变形金属仍主要是横向流动；因此， 桶形辊穿孔机从变形上分析就不合理，坯料纵向流 动受阻，横向变形大，穿孔效率低，变形不均勻严 重。而由于管坯在顶头之前承受过多横向变形并处 于反复的交变应力状态，更容易出现孔腔。斜轧穿 孔机顶头前的“曼式孔腔”如图3所示。
实际生产中圆管坯被乳辊咬人后，旋转并压缩 变形、螺旋前进，在与顶头接触前，管坯的中心区 金属在拉、压应力反复交变作用下的塑性变形逐渐 发展成疏松，随着疏松的逐渐加重，将导致中心破 裂，从而形成特有的“曼式孔腔”。轧辊布置方式、 辊型、顶头前变形量及顶头设计等因素都会导致这
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图3斜轧穿孔机顶头前的“曼式孔腔”
种“曼式孔腔”进一步扩张。如果管坯在已形成孔腔 后才与顶头接触轧制变形，已形成的裂纹或孔腔则 很容易在随后减壁轧制中折叠，也就是毛管的内孔 形成“内折”，除了坯料本身质量和温度因素外，穿 孔内折绝大多数是由此引起的。尤其是高合金钢和 易产生裂纹的不锈钢类〜1。
(2)从水平面上看两个轧辊，两个轧辊轴基本 上是平行布置(辗轧角《为0)，轧件变形纵向分量 较小，金属横向变形与断面扭转变形严重，这些附 加的不均匀变形(也称斜轧多余变形)会引起毛管外 表面质量问题，如扭屈、表面撕裂等穿孔后金属横断面扭转和纵向扭转如图4〜5所示。扭转及 附加变形，一方面直接影响穿孔变形效率，另一方 面容易使管坯形成轧制缺陷。
图4穿孔后金属横断面扭转示意
1.2锥形辊穿孔机
20世纪80年代初，随着人们对斜轧变形的深 人研究和生产实践总结，希望全面提升斜轧穿孔的 效率，并提高穿孔毛管的产品质量，从具体变形的 宏观现象分析，就是希望在穿孔机上尽量抑制或减 少桶形辊穿孔机的“曼式效应”，减少扭转等附加多 余不均匀变形，从而提高产品质量。尤其是随着电 机控制调速技术的全面发展，过去两个轧辊只能依 靠机械(减速机)来实现同步，现在可以通过电气技
罗涛等：无缝钢管斜轧穿孔机工艺和设备的现状及改进术实现一个轧辊一个电机传动，两个轧辊转速高精 度同步。这样，就给斜轧穿孔机带来革命性变化，轧辊的辊型和布置方式可以灵活设计来满足变形的 需要(如：轧辊可以实现从入口到出口轧辊直径增 大，实现变形区内金属更合理的变形流动方式），这也就导致了锥形辊穿孔机的问世。
在桶形辊穿孔机中，轧辊之间采用固定导板结 构来限制横向变形，新型锥形辊穿孔机采用电机传 动的主动导盘替换原来的固定导板，这进一步提高 了穿孔轧制纵向变形效率，减少了导板对毛管外表 面的划伤，减少了变形缺陷，提高了无缝钢管外表 面质量。锥形辊穿孔机结构如图6所示，辊型及布 置如图7所示。
1—导盘2 —坯料3 _轧辊4 —顶头
I —准备区n—穿孔区m—辗轧区IV—规圆区
图7锥形辊穿孔机辊型及布置示意
对比两类穿孔机的轧辊布置与辊型（图2、7), 可以看出锥形轧辊除了与桶形轧辊都有一个实现 轧件的7外，还有一个在水平面上(轧辊水平布置) 与轧制中心线交叉的扩张角，或称为辗轧角a(或 锥形角），一般这个辗轧角a要大于10°。
与桶形辊穿孔机相比，锥形辊穿孔机由于有了 辗轧角，其变形发生了根本性改变，主要体现在以 下两点。
(1)与桶形辊穿孔机相比，锥形辊穿孔机由于 有了辗轧角，金属在变形孔型中的塑性应力状态发
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电梯五方通话系统乙氧酰胺苯甲酯4综合述评
生了本质变化，金属在穿孔主要变形的3个区域 (坯料减径压缩变形区、顶头附近压缩变形区和穿孔 减壁变形区）的内部主应力张量是完全不同的。从 宏观现象分析，与无辗轧角的桶形轧辊相比，金属 材料在带有辗轧角布置的锥形辊穿孔机中轧制时，其应力状态更趋于三向压应力状况。尤其在顶头附 近的变形区域，金属材料在桶形辊穿孔机的应力状 态为两向拉应力一向压应力，而在锥形辊穿孔机则 是两向压应力一向拉应力，其中心区域更趋于三向 压应力状态，随着辗乳角增加，金属中心区域趋于 三向压应力状态越明显。
由于锥形轧辊改变了金属应力状态，尤其在顶 头附近区域，变形金属中心处于或最大程度趋于三 向压应力状态。三向压应力对材料塑性成型来说是 最佳的变形应力状态，如同压力冲孔变形中材料的 主要变形状态。因此，锥形辊穿孔可最大程度地限 制或减少穿孔过程中坯料在顶头前出现孔腔与撕裂 的可能，是提高穿孔变形质量最有效的手段之一。
从轧辊形成的辊面速度场分析，辗轧角越大，纵向分量越大；因此，辗轧角加大了变形金属纵向 流动的能力，提高了穿孔效率。也就是说，管坯在 桶形辊穿孔机穿孔时，在顶头前要慢慢转，来回反 复弯曲、辗压多次才让顶头穿入；而锥形辊穿孔机 穿孔时则是相当于变形金属材料后面有较大轴向压
力的作用，将变形金属向顶头前推挤，与桶形轧辊 相比，能更加快速穿入顶头而且少转了若干圈。
(2)对于锥形轧辊辊型，轧辊的出口直径要比 入口的大，即穿孔机轧辊速度由入口到出口是逐步 增加的。而穿孔过程的壁厚变化是由厚到薄，为使 变形合理，减少金属之间扭屈与剪切变形，也希望 出口后面速度总是大于前面。显然，锥形乳辊就能 实现这种合理的变形方式。因此，与传统桶形辊辊 型比，锥形辊穿孔机的扭转、剪切变形小，更有利 于材料均匀变形，减少了附加变形，也大大降低了 表面缺陷形成或扩张的可能。
总之，锥形辊穿孔机完全改变了金属在桶形辊 穿孔机变形的应力状态，更利于金属合理变形。必 须强调的是，长期以来，一直有一种观点认为锥形 辊穿孔机要比桶形辊穿孔机结构复杂、造价高，这 其实不能笼统谈，要从力能参数具体设计及整体设 备刚度条件上去比较，就机械设备设计与制造加工 成本而言，实际上二者之间没有太大的区别。
经过近30年发展，锥形辊穿孔机已是目前热轧无缝钢管生产采用最普遍的穿孔机，其主机机架 结构形式有导板与主动导盘方式、轧辊立式布置或 水平布置，但是基本原理是相同的。
2斜轧穿孔机的不足及生产实践中的误解除了极少数特殊钢种外，斜轧穿孔机已经广泛 用于无缝钢管生产，包括高合金钢(大多类型的不 锈钢）、钛合金都已经在斜轧穿孔机上实现了实心 坯穿孔轧制。以德国西马克为代表的无缝钢管工艺 及设备供应商近年来也将斜轧锥形辊穿孔工艺及设 备相对固定
成标准配置，主要用于其高产能连乳管 机的配套，但在斜轧方面仍然没有新的技术与创 新。关于热轧无缝钢管连轧(纵轧)工艺与斜轧工艺 的特点及优势比较，有文献也作了陈述，在此不再 叙述。这里必须强调：对高合金钢或难变形金属，斜轧延伸轧制工艺仍是目前最适合和最经济的生产 方式，不论是从高合金钢(包括不锈钢)具体变形条 件的工艺状况技术层面，还是从项目投资、生产小 批量灵活组织、生产成本等企业运营因素上考虑，穿孔后采用斜轧延伸轧制仍然具有独特优势。
在目前的无缝钢管生产工艺中，鉴于斜轧穿孔 机的变形特点和现有设备的结构方式，斜轧穿孔仍 然被视为一种初(粗)加工方式，更多希望于管坯在 斜轧穿孔后的后序进一步精轧(热乳或冷加工)。2.1存在的不足
斜轧穿孔主要表现的问题仍然是变形量受限制 与穿孔后毛管质量不高，体现在：①穿孔变形量受 限制，目前生产实际中使用的穿孔机最大延伸系数 M仍小于5.0, —般小于4.5，穿孔后毛管外径与壁 厚之比D/S<25;②穿孔后毛管壁厚质量水平不高，断面壁厚不均匀，纵向壁厚差也明显，尤其是穿孔 薄壁钢管时，其壁厚公差>10%;③穿孔后毛管质 量差，外表面有裂纹或划伤，内表面存在严重螺旋 道；④毛管内表面易出现内折或内裂；⑤毛管头部、尾部容易开裂或起飞皮，直接导致生产不顺利。
上述穿孔机出现的质量问题或工艺水平低的因 素涉及较为广泛，但是要分为工艺设备可控因素与 不可控因素。坯料质量、加热或操作失误这类不是 穿孔工艺本身的问题，不属于设备可控因素。经过
多年斜轧理论研究与生产实践认为，目前在斜轧穿 孔中存在的主要关键可控因素还没有引起足够的重 视并得到很好地解决，具体如下。
(1)斜轧穿孔变形稳定性问题没有得到足够重
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视，故而没有从设备结构上加以改进或解决。
食品安全检测试纸
长期以来，人们一直认为穿孔是粗变形加工，对穿孔精度要求不高，把提高最终产品质量让位给 后部加工工序。实际经验表明，不论后面采用的是 纵轧还是斜轧或者冷轧(拔)工艺，后部加工纠正或 提高精度的能力是有限的。如，纵轧与冷拔对无缝 钢管横向断面壁厚不均的改进程度小于10%，斜 轧小于35%。因此，如果能更好地提高斜轧穿孔变 形的稳定性，这将会是提高产品质量的首要途径。
斜轧穿孔稳定性除了与变形量大小、穿孔机调 整参数、孔型设计有关外，更主要是取决于穿孔机 主机及前后台的稳定性。斜轧变形中主机内辗轧角 变化与均壁效果的关系如图8所示["]。
-----咬入-----抛出
-----均壁始-----均壁终
图8斜轧变形中主机内辗轧角变化与均壁效果关系
分析图8可知，斜轧变形过程中，理论上应处 于固定不变的轧辊辗轧角发生了微小变化，直接影 响变形后金属的精度。对斜轧穿孔机而言，作为变 形工具的穿孔机顶头，在穿孔变形最后阶段，亦即 均壁段长度范围内，本来设计宗旨就是实现穿孔后 毛管壁厚的均匀轧制，它必须在空间上与穿孔轧辊 辊面保持空间平行与等距的几何关系才能起到均壁 功效，如果存在角度偏离设计值或轧辊跳动等因素，将会导致变形不稳定而使均匀效果没有起作用，反 而在内表面形成螺旋道或导致内表面缺陷出现。
斜轧穿孔机的轧制稳定性在设备上主要由以下 因素提供：①主机刚性、轧辊锁紧、导板(导盘)调 整与稳定状况；②穿孔机后台顶杆夹持装置的配置 及方式；③穿孔机入口坯料咬入平顺及稳定性。
第一点，主机刚性与轧辊稳定性差。目前穿孔 机结构设计存在结构性不足的问题。迄今为止，所 有的斜乳穿孔机主机普遍采用剖分结构机架(包括 立式轧辊布置），也就是由上盖与机座两部分合成。主机座从结构上是一种上面呈开放状的U型结构。
罗涛等：无缝钢管斜轧穿孔机工艺和设备的现状及改进斜轧穿孔机工作时，上盖与机座通过螺栓或锁
紧连 杆接合。但是，大轧制力的作用使主机座与上盖之 间形成间隙或弹跳，斜轧穿孔机轧制的不稳定在主 机中最终表现为轧辊不稳定，从上盖与主机座之间 结合到最终轧辊稳定的各项间隙因素叠加，使轧辊 波动且较大地偏离理想设定值。因此，要提高斜轧 穿孔变形稳定性，全面提升穿孔质量和增大变形 量，也必须从穿孔机结构设计上作根本性突破。
第二点，顶杆夹持装置的作用主要是确保穿孔 过程中顶头始终与轧制中心线同轴。它的稳定性取 决于后台机构的机械动态刚性与稳定，也主要决定 了顶杆的稳定状态。
防尘服第三点穿孔机人口坯料稳定平顺咬入取决于斜 轧穿孔机前台各要素。坯料送人穿孔机后，要确保 其能平顺稳定对中前进，能顺利实现一次及二次咬 人，关键问题就是要实现整体穿孔过程坯料对中与 穿孔稳定。这与前台设备结构形式、坯料导向输送 方式或是否采用坯料主动预旋转装置，是否采用穿 孔机前机内定心装置，接触到导板前引人与导板设 计、辊型设计等因素相关。
(2)斜轧辊型、顶头与穿孔变形参数设计不合 理。
穿孔主要是实现实心坯变形为合格空心管，我 们希望这个空心管具有最好的几何尺寸精度及表面 质量。穿孔主要变形是在外部工具穿孔轧辊和内部 工具穿孔顶头的共同作用下完成的，变形工具是否 合理将直接影响变形质量。穿孔轧辊作为外部工 具，它的主要功能就是确保轧件顺利进人轧辊并建 立稳定旋转(一次咬入）、顺利进入顶头(二次咬入）并减壁厚，实现对完成穿孔后毛管的壁厚均匀轧
制、外径规圆。对于顶头，则希望变形顺畅，尽量 减少多余附加变形(横向剪切、横向与纵向扭屈）。
显然，为了减少“曼式效应”，最大可能地减少 顶头前金属在一次咬入后出现的内部撕裂，以避免 穿孔后出现内表面裂纹、轧折等缺陷，只有尽量改 善变形金属的应力状态，最大可能地实现最佳塑性 变形的三向压应力状态。对斜轧穿孔变形而言，具 体要求就是坯料在二次咬入前，在确保二次咬人的 前提下，实现可能小的变形量(这个变形量可用直 径压下率来定量）。生产实践表明，顶头前压下率 控制在4%以内是合理的。显然，二次咬入必须保 证作用在穿孔坯料的轴向力大于顶头对金属材料变 形的轴向阻力，在桶形辊穿孔机轧辊上减少还料顶
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