魏广
摘要：为了在大直径5机架定径机上实现共用一套孔型轧制30~100 m m壁厚大直径钢管的目的，提出了采
用递减分配法进行定径机孔型设计的理念。介绍了减径率设计思路，钢管热膨胀系数测算方法，总减径率递减分
配模式以及宽展的选择及孔型的设计等，采用递减分配法设计的定减径孔型方案合理，能够满足30~100 m m壁厚
组距薄、厚壁管一套孔型生产的要求。
关键词：三辊定径机；孔型设计；大直径；宽壁厚组距；递减分配法
中图分类号：TG333.8 文献标志码：B文章编号：1001-2311(2020)06-0057-04
Design and Development of Pass of Large-sized 5-stand,
3-roll Sizing Mill
WEI Guang
(Yangzhou Chengde Steel Pipe Co., Ltd., Yangzhou 225200, China)
Abstract：The idea that adopts decreasing distribution method to design the sizing mill passes is proposed in order
to use one common set of passes to roll the 30~ 100 mm heavy wall, large-sized steel tubes with the large-sized 5-stand sizing mill. Elaborated here in the article are the main aspects of the pass design, involving the design approach with the reduction rate, the computing method for the steel pipe thermal expansion coefficient, the general reduction rate decreasing distribution mode，and broad siding determination as well as the pass design. The scheme of the sizing/reducing passes as designed with the decreasing distribution method is reasonable, being satisfactory to the requirements for manufacturing the 30〜100 mm light-wall and heavy-wall pipes with one common set of passes.
Key words：3-roll sizing mill;pass design; large-sized; wide wall thickness range; decreasing distribution method
钢管定径机是热轧无缝钢管变形的重要成型工 序设备，定径机孔型的参数决定了成品钢管的尺寸 精度[1-5]。为了提高钢管的外径尺寸精度及管体外表 面平直度，扬州诚德钢管有限公司（简称扬州诚德）与太原恒信科达重工成套设备有限公司（简称太原 恒信科达)共同研发设计制造了 0914 mm规格5机 架三辊定径机组，并于2020年4月投入生产运行 调试。
1现存问题分析
(1)定径机轧制前荒管状态：
魏广（1979-)，男，工程师，长期从事无缝钢管工艺编制、生产管理、工艺装备模具设计等工作。
① 斜轧穿孔+斜轧扩径延伸穿轧后的热轧钢管；
② 斜轧穿孔+斜轧均整微扩穿轧后的热轧钢管；
③斜轧穿孔+斜轧扩径延伸穿轧+斜轧均整微 扩穿轧后的热轧钢管。
(2)由于前工序设备穿孔机、轧管机以及均整
机等主体轧机轧辊设计的送进角，均为初始的前进
角9°，9°, 8°，并已相对固定，故以现使用的辊面
出口角度>3.5。，為4。，>3.5。等数据，再穿轧大
直径热轧无缝钢管，管体外表面普遍会存在明显螺
旋形波纹现象，轴向螺旋平直波纹深度8~13 mm。
因此在定径变形要求上，5机架的总减径率必须满
足為5.5%要求，再通过定径机架排序上逐架次递减
径的变形方式0，确保定径后的管体外表面的轴向
螺旋平直波纹现象完全消除。
STEEL PIPE Dec. 2020, Vol.49, No.6钢管2020年12月第49卷第6期
58
技术交流
(3) 0914 mm 规格5机架三辊定径机设计产
品定径壁厚组距为50~100 mm 。而在同一■组孔型实 际生产中，需兼具满足定径壁厚组距为30〜100 m m 的条件，这对孔型减径率、椭圆度、速率分配等都 提出了更高的要求。原因如下：
①
大直径钢管在相同外径、不同壁厚状态下的 冷缩率尤为明显；
② 壁厚30~100 mm 组距在同一组孔型定径过 程中，单机架减径率、椭圆度、速率分配等问题尤 为突出[M]。单机架减径量过大直接影响机架电机
的过载；椭圆度过大直接影响厚壁管成品孔型外径 的规圆效果以及内孔圆整度质量，椭圆度过小则容 易导致薄壁管成品外表面出现轧管横向青线缺陷。
为了实现30〜100 mm 大跨度壁厚组距兼容共 用一套孔型的设计目标，决定采用全递减方法进行
少机架孔型的设计。
2孔型的设计中914 mm 规格5机架三辊定径机设备关键参 数见表1。
表1 $914 m m 规格5机架三辊定径机设备关键参数
轧棍直径/mm
电机功率/k W 过载系数电机转速Mi -m i t )轧辊转速/(r -m irr 1)定径温度/丈
单机架减径率/%
总减径率/%
1 550
新鲜空气可以使你致命1 000
2
525
^22
850-920
在2.5
在10
2.1 0914 m m 5机架三辊定径机减径率设计思路
常用的定径机减径率分配方法主要有3种叭 如图1所示；而单机架的绝对减径量5，都是按递 减的方式进行分配。
氟化钙1 一单机架减径率P ,
2 —单机架减径量S ,.
图1常用的定径机减径率分配法
在实际生产过程中，随着轧制速度、变形轧制 程度、机架数等逐步增加，以及轧制温度的下降， 都会导致变形抗力增加，轧制力消耗，辊面磨损消 耗和摩擦因数加大等[KM1]。因此，大直径5机架定
径机的减径率分配方式选递减分配法更为合理。
2.2钢管热膨胀系数的确认
为了得到较为精准的外径热膨胀系数[1«，经过 阶段性的跟进台车炉不同成品规格钢管正火加热前 后的外径检测，进行装炉前冷态及出炉后热态钢管 外径的测定，汇总0914 mm 规格成品钢管热膨胀 系数的结果，具体见表2；依据表2所示汇总的热 膨胀系数，设计兼容共用30~100 mm 的壁厚组距 孔型的热膨胀系数。
以
m m x 38 m m 和 0711 mmx 44.5 m m 钢
管试验为例，定径前实测钢管温度为820~840 t 时，定径后^711 mmx 38mm 钢管冷态外径均值 为 717.26 mm , <I >711 mmx 44.5 m m 钢管冷态外径 均值为716.485 mm ；而当定径前实测钢管温度提 高到920~940 "t ，定径后0711 mmx 38 mm 钢管冷 态测量外径均值为716.31 mm 。
故而推论，在恒定820~840尤时，0711 m m x 38 mm 的热膨胀系数约1.009 5x 10-71；同一定径 成品孔型下，
m m 系列壁厚每增加10 m m 左
右，冷态钢管外径减少量约1.19 mm ；当在恒定 820~840 T 温度基础上提高100 t 左右，定径出钢 管冷态外径测量均值比恒定820~840
时，减少
约0.95 m m ；同时<I >711 m m x 38 m m 的热膨胀系数 约增加到 1.010 67xlO_5A ：。
由此推导出$914 mm 系列壁厚兼容共用的热 态定径成品孔型直径见表3。
GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》中规 定，d )600rnm 以上钢管外径£»允许公差为：+1%/) 或+7 mm ，取较小者-2 mm [1]。因而在考虑兼容共
STEEL PIPE Dec . 2020, Vol . 49, No .
6
技术交流
59
表2 4>914m m 规格成品数据汇总
序号钢种
规格/mm D/S
实测钢管温度A ：冷态外径/mm
热态外径/mm
热膨胀系数/丈_|1SA 106B _4x 28.0032.640893916.9926.5 1.010 5x l 〇-52SA 106C
<1)914x 44.0020.770898916.5927.7 1.012 2x l 〇-5320G
0914x 56.0016.320897916.8928.9 1.013 2x l 〇-54Grade 6$914x 69.85
13.085899916.7929.8 1.014 3x l 0'55Grade B d >914x 88.00
10.386906916.5930.5 1.015 3x l 〇-56
Grade C
中914x 96.00
8.960
905
915.3
930.1
1.016 2x l 〇-5
注：抽测的碳钢规格为台车炉(910 1正火)出炉的首支规格测量记录数据。
表 3 <I >914 mm 系列壁厚兼容共用的热态定径成品孔型直径推导
序号规格/mm D/S
定径前温度/T
矫直压下量/mm
外表面磨削量/mm
热膨胀系数/t 成品孔型直径/mm
1$914x 1008.31 彡 8300 1.0~ 1.2 1.015 3x l 〇-5929.202中914x 3030.47 多 820 1.2-1.5 1.0-1.2 1.009 5x l 〇-5925.413
0914x 30
30.47
彡 940
1.2-1.5
1.0〜1.2
1.011 5x l 〇-5
927.24
用的定径机热态成品机架孔型直径选择时，参考表 3所示厚壁与薄壁成品>940 时孔型直径的均值 进行预算约为928.22 m m ；同时考虑到厚壁管的热 膨胀系数较大，固而在孔型成品机架直径设计时，
在常规公称直径热膨胀系数l.OlxlO-Vt：的基础上， 略有增加预算更为合理些。
2.3总减径率递减分配模式的认定
早期工厂主体穿孔、轧管等设备由于在配套建 设时，以大扩径穿轧为主，在大送进角、大辗轧角 的变形扩径工艺下，大直径热轧无缝钢管穿轧的管 体外表面普遍存在明显的8~13 m m 深度的轴向螺 旋平直波纹。因此在定径变形要求上，5机架的总 减径率必须满足>5.5%要求，采用逐机架递减分 配模式[2]，才能逐机架降低金属变形的反弹效应， 确保定径后的管体椭圆度质量和消除外表面轴向螺 旋平直波纹的影响。总减径率按公式(1 )[Mi计算：
px =[(D -Dn )/D ]x \00% (1)式中内—总减径率，％;D 、D …—定径前、后热态钢管外径，m m 。 2.4宽展的选择及孔型的设计
由于钢管在机架变形过程受压缩和宽展反复交 替出现，为使金属沿切线方向的宽展流动不接触辊 缝边缘，孔型设计应覆盖变形过程，有足够的侧向 宽展包容量[13_15]。而定义孔型的宽展方式主要还是 依据D /S 比值进行选择。一般情况下，当Z )/S > 13，选择椭圆孔型，目的是避免产生青线，增大单 机架的减径率，具有减少装备机架数等优势，并且 能够保障成品钢管椭圆度等；当0/S « 13，选择圆开拓创新
孔型主要为解决产生内六方趋势的可能，同时也能 确保厚壁钢管成品椭圆度的超差符合质量要求；减径
率、宽展系数、覆盖系数设计曲线如图2所示。
12 3 4
机架序号
+
减径率/% +
宽展系数f +覆盖系数A
图2减径率、宽展系数、覆盖系数设计曲线
因此在相同楠圆度状态下，三辊定径孔型等三 角分配的乳辊弧面宽展覆盖包容量沿周向每个轧辊 弧面接触钢管弧长较小，使得周向金属流动受力变 形时更趋于均匀，远小于二辊定径机孔型弧面的宽 展覆盖包容量。由此可见，当三辊定径机孔型生产
£»/S >13的钢管，随着每个单机架减径率的减少， 在满足逐机架递减覆盖上机架的包容量时，也可 进行圆孔型的参数设计。圆孔型设计参数见表4; 定径孔型设计的基本公式如下[2-3]。
刀具直径A :
b 2-a 2 b 0J 5b 2
--------+CZ -----H-----------------------
D 〇压电陶瓷超声换能器
2
,62-a2 b 、
(-----+a ---)D 〇 2
(2)
式中A ----刀具直径，m m ;
D 〇----轧辊理论直径，m m ;
魏广：大直径5机架三辊定径机孔型的设计与开发
钢管2020年12月第49卷第6
期
60
技术交流
表4 5机架三辊定径机中914 m m 系列孔型参数
机架号
长半轴6/mm 短半轴a/mm 椭圆度平均直径/mm 减径率/%减径量/mm 宽展系数1485.839475.216 1.022 35961.054 1.989 819.576 84 1.033 072477.182469.108 1.017 21946.290 1.612 015.544 150.997 973470.901465.637 1.011 31936.538 1.118 010.606 830.998 314466.950463.964 1.006 44930.9140.673 0 6.313 5880.999 335
464.625
464.625
1.000 00
929.250
0.275 0
2.562 484
1.000 73
a 、b
—孔型的短半轴与长半轴，mm 。
刀具距离Z ,:
\/今-a )-(争-警
(3)
养殖技术顾问
3使用效果及总结
以上述定径机的单机架减径率设计的孔型，在
温度910尤时，定径生产0>914 mmx 30 mm 规格
Q 345B 成品钢管时，冷态钢管外径测量均值为 919.318 mm 左右；当温度850 T ，定径生产铬碳 钢$914 mmx 96 mm 规格成品钢管时，冷态外径测 量均值为915.434 mm 左右；通过兼用孔型上限和 下限的靠近极端规格径壁比的实测检验，未产生外 表面青线和内六方等缺陷问题，管体外表轴向平直 度、椭圆度及外径公差等均符合GB/T 5310—2017 标准规定要求。
生产实践表明，采用递减分配方式选取的定径 机单机架减径率，在满足近似覆盖的侧向宽展包容 量时，选取的圆孔型设计方案，可以满足兼用 中914 mmx 30~100 mm 壁厚组距孔型薄、厚壁管的 生产使用要求；同时，验证了同一孔型0914 m m 下，厚壁管通过调整定径前的加热降低80 t 时， 可以增加外径量1 mm 左右。
4参考文献
[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家
标准化管理委员会.高压锅炉用无缝钢管：G BA T 5310
—2017[S]. 2017.
[2] 李国桢.现代钢管乳制与工具设计原理[M ].北京：冶金
工业出版社，2006.
[3] 孙国新，付亚玲.<D168 m m 规格钢管的定径机孔型设计
[J ].包钢科技，2001, 27(2): 23-26.
[4] 卢立锋，王久刚.三辊连轧管机孔型设计软件的开发[J].
钢管，2019, 48(3): 28-32.
[5] 李.三辊式定(减)径机的类型及应用[J ].钢管，2016,
45(2)： 8-14.
[6] 陈今良，白磊，王军，等.单机架减径率对无缝钢管周
向壁厚影响的研究[J ].钢管，2015, 44(1): 33-37.
[7] 丁炜，孙强，梁海泉，等.幂函数减径率的张力减径机
孔型设计[J ].钢管，2013, 42(6): 28-32.
[8] 王建辉，董海波，覃宣.张力减径机不同传动系统刚度
及响应特性对比分析[J ].钢管，2015, 44.(5): 74-78.
[9] 王军，双远华，周研，等.流函数法在无缝钢管张力减
径过程中的应用[J ].塑性工程学报，2017, 24(3): 214
-218.
索尼爱立信w380c[10] 王超峰，郭延松，杜凤山.无缝钢管张力减径过程管
壁增厚规律研究[J ].钢管，2019, 48(2): 14-20.
[11]
肖永忠，王文强，刘国庆，等.张力减径机头尾壁厚
控制系统的开发与实践[J ].钢管，2017, 46(6): 36-
38.
[12] 周民，马靳江，杨军波.三辊减定径多道次孔型热力
耦合有限元分析[J ].金属材料与冶金工程，2019(1):
33-37.
[13] 季明明，姜素云，杨力.钢管冷却时间工程计算公式
[J ].钢管，2017, 46(3): 60-61.
[14] 马靳江，吕立华，袁泉.三辊微张力减径过程金属变形
行为模拟与分析[J ].武汉科技大学学报（自然科学版），
2006, 29(3)： 237-240.
[15] 杨小城，双远华，胡建华.管材带张力轧制的有限元
分析[J ].钢管，2012, 41(2): 56-59.
(收稿日期：2020-06-16)
句欢迎刊登广告•广而告之
STEEL PIPE Dec . 2020, Vol . 49, No .
6
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议