李;高瑞全;张永兰;王连发
【摘 要】针对连轧管机组限动芯棒使用寿命这一普遍关心的问题,在简要介绍不同机型机组生产相同规格产品时变形量分配、芯棒工作段长度、芯棒使用寿命等参数的基础上,提出了芯棒单位长度延伸系数的概念,意在量化反映芯棒的负荷,并结合芯棒的轧制支数与吨管芯棒消耗,衡量不同机型机组限动芯棒的使用寿命；同时初步分析了芯棒的主要失效机理和应力、应变、位移情况,提出了一些可能影响芯棒寿命的问题供同行讨论. 【期刊名称】《钢管》杀夫
【年(卷),期】2011(040)006
【总页数】6页(P65-70)
【关键词】热连轧管;限动芯棒;使用寿命;芯棒单位长度延伸系数;交变应力;热应力;裂纹
【作 者】李;高瑞全;张永兰;王连发
【作者单位】青蛙连连看天津钢管集团股份有限公司,天津300301;天津钢管集团股份有限公司,天津300301;天津钢管集团股份有限公司,天津300301;天津钢管集团股份有限公司,天津300301
【正文语种】中 文
【中图分类】TG355+.4
芯棒是热连轧管生产中消耗量最大的关键工具。热轧钢管用芯棒的服役温度较高，同时要承受很高的径向压应力和轴向拉应力。另外，芯棒在反复使用过程中处于非稳定的温度场中，需要承受冷热交替循环的温度变化和热磨损。因此，现代连轧管工艺对芯棒的性能和表面质量要求较高。芯棒的使用寿命对钢管的内表面质量和机组生产运行成本均有重要影响，虽然各机组的机型、芯棒运行速度、芯棒工作段长度、规格品种结构、轧制节奏等情况不尽相同，但总体来说，芯棒费用占生产成本的比重均较大。影响芯棒寿命的因素有很多，如材质、加工成型工艺、热处理工艺、使用环境等。芯棒失效的主要表现形式是开裂和表面剥落“掉肉”［1-2］。二辊限动芯棒连轧管机的出现，在扩大连轧管机组产品的规格品种范围，改善钢管壁厚精度和内外表面质量状况的同时，由于芯棒与轧件间的相对速度差较大，使限动芯棒的使用寿命明显低于浮动芯棒；曾被无缝钢管工作者寄予厚望的三辊
限动芯棒连轧管机，虽然在理论分析上认为因孔型半径差的减小，使变形更加均匀、轧制力减小，将有利于提高芯棒的使用寿命，但从近几年投产的多套三辊限动芯棒连轧管机的实际运行效果来看，芯棒的使用寿命并不像预期的那样高，有的三辊限动芯棒连轧管机组的芯棒寿命还要低于二辊限动芯棒连轧管机组的。因此，本文拟对一些影响热连轧无缝钢管限动芯棒使用寿命的因素进行探讨。
限动芯棒连轧管机组在生产中一般是根据1组芯棒（一般为6支）所轧制钢管的支数来平均计算芯棒使用寿命的，即平均1支芯棒轧制了多少支钢管；生产成本是按吨管产量消耗多少公斤芯棒来计算芯棒费用，成本计算中还要考虑芯棒重车改制规格后重复使用的因素。本文所讨论的芯棒使用寿命和吨管芯棒消耗均不包括芯棒重车变更规格后再投入使用的轧制支数。
为了尽量使各机型机组采用的芯棒使用寿命具有可比性，讨论的前提条件是各机组使用相同厂家牌号相同状态的芯棒、相同厂家牌号的毛管抗氧化剂和芯棒润滑剂，用同厂家、同直径、同材质、同长度的管坯生产典型规格产品Φ139.7 mm×7.72 mm套管；针对二辊连轧管机（MPM）、三辊连轧管机（PQF-ACO、PQF-LCO）3种机型芯棒使用寿命的平均统计数据，来分析影响限动芯棒使用寿命的原因。
表1列出了各机组在生产Φ139.7 mm×7.72 mm成品钢管时，穿孔、轧管两个工序的变形分配、芯棒工作段长度和芯棒平均使用寿命等参数，因只讨论芯棒的使用寿命，故这里没有列出定（减）径工序的变形分配；提出了芯棒单位长度延伸系数的概念，意在下面分析影响芯棒使用寿命原因时能更客观地反映芯棒参与变形的强度。芯棒单位长度延伸系数可由下式得出：
芯棒单位长度延伸系数 =轧管延伸系数/芯棒工作段长度
3种机型在生产相同规格的产品时，尽管使用同种规格的管坯，但各机组在穿孔、轧管以及后续的定（减）径工序的变形量分配是不同的：A机组穿孔延伸系数最小，轧管变形量最大；B机组则相反，将变形前移，穿孔的变形量最大，轧管的延伸系数最小；C机组的穿孔、轧管变形量在3个机组中居中。
芯棒在轧制过程中直接与处在高温状态的轧件接触，其受力状况复杂，既要承受轴向力、表面摩擦力的作用，还要承受交变的径向拉压应力、切应力的作用；工作温度也较高（一般荒管的终轧温度高于1 000℃，轧后芯棒的外表面温度高达700℃左右［1-3］）。每轧制1支钢管后，芯棒都要用水急冷至120℃左右、喷涂芯棒润滑剂后再循环使用。可见，芯
棒是在高温、高压条件下工作和急冷急热中循环使用，经受着机械疲劳和热疲劳的双重考验。热疲劳开裂是热加工模具最普遍也是最极端的损坏形式，在周期性热应力作用下，热加工过程中裂纹的产生、传播与扩大是非常严重的。在模具服役时形成的表面残余应力叠加在热应力上，使热疲劳破坏加速［4］。故芯棒常因主要工作段（通常位于距芯棒头、尾各1 m以上的中间部位）局部的环裂、龟裂、凹坑（表面剥落“掉肉”）等失效形式而停止使用。
芯棒工作段要承受轧辊通过轧件传递过来的轧制力，轧件表面与芯棒间的摩擦力以及控制芯棒运行的轴向限动力等。其所受轧制力的状况与轧管机的机型有关。二辊式轧制时，因相邻机架辊缝相错90°，变形状况接近简单轧制过程，芯棒所受轧制力（通过轧件传递各机架两个轧辊的作用）的方向与两轧辊的连心线平行；因每对轧辊的受力大小相等方向相反，故作用在芯棒上的力是对称平衡的，芯棒受不同机架的作用沿圆周方向相隔90°受到交变的拉、压应力作用后将发生微小交变的弹塑性变形，芯棒截面因此由圆形变成椭圆状，轧制力方向为椭圆的短轴方向，长短轴交替变换。三辊式轧制时，辊缝相错60°，变形情况与简单轧制过程相差较大，芯棒在轧辊截面所承受每个机架3个轧辊的轧制力沿圆周方向相位角相差120°，理论上讲3个轧辊的轧制力大小是相等的，但作用在芯棒上的力的方向相
互交叉（交叉点是芯棒的圆心），为非轴线对称，芯棒在圆周方向相隔60°受到交变的拉压应力作用，发生微小交变弹塑性变形后其截面在轧制力作用部位向里凹，与之相对180°的辊缝处则向外凸，凹凸位置交替变换。轧制力、摩擦力和限动力的综合作用，还将在芯棒表面上生产切应力［5］。同时，由于芯棒与毛管接触时，芯棒表面迅速升温到700℃左右，而内层尚处于较低的温度，因此表层受热膨胀时会受到内层的约束，从而在芯棒表面产生压应力；轧制结束后芯棒很快被冷却至100～150℃，在芯棒表面产生拉应力［2］；累积的结果是在芯棒表面及近表面产生交变的拉压热应力。芯棒变形部位如图1所示。
（1）环裂。芯棒的环裂是在轧制过程中芯棒部分表面产生1条（图2 a）或多条（图2 b）沿芯棒圆周方向的环形裂纹。环裂使芯棒失去光滑的工作面而不能继续使用。环裂既是一种机械疲劳现象，也是一种热疲劳现象。轧管时，芯棒在承受很大径向压应力（轧制力）的同时还要承受很大的轴向拉应力（限动力和摩擦力），轧制时每经过1个机架，因轧制力的作用芯棒表面都会产生一定的很微小的弹塑性共存的变形，当芯棒多次使用后该弹塑性变形的塑性变形部分累积到一定程度时，芯棒表面局部就会产生应力集中，继而因机械疲劳产生裂纹源［1］，在随后的轧制过程中芯棒表面的裂纹不断沿圆周方向扩展，在轴向拉应力的作用下形成环裂；芯棒表面的交变热应力将引起疲劳裂纹，随着轧制的进行裂纹扩维果斯基的最近发展区理论
展也会形成环裂［2］。
（2）龟裂。芯棒表面龟裂，也是一种机械疲劳与热疲劳共存的复合疲劳现象，与环裂成因相似。轧管时，芯棒除了承受很大的径向压应力（轧制力）外，还要承受很大的与轧件之间的摩擦力和热应力。当芯棒表面出现裂纹源时，在切应力、摩擦力和热应力的共同作用下，裂纹除了沿芯棒的圆周方向扩展外还沿轴向扩展，形成龟裂缺陷（图3）。
（3）凹坑。凹坑是由于芯棒表面形成龟裂缺陷后继续使用，因其热强度相应降低而造成的。其根源也是上述的裂纹源，在拉应力、摩擦力、热应力和切应力的作用下，致使芯棒表面部分形成龟裂缺陷的金属与芯棒本体剥落分离，芯棒在重复使用过程中，这些剥落部位被反复磨损，在其表面形成了平行于芯棒轴向的磨损沟［2］，产生芯棒表面的凹坑缺陷，如图4所示。
由表1得知：A机组为二辊式连轧管机，孔型半径差最大，轧管工序的变形量也最大，理论上讲芯棒的使用寿命应该最低，但从统计数据上看其寿命却最高。B机组为世界上投产的第1台三辊式连轧管机，孔型半径差及轧管工序的延伸系数最小，理论上芯棒的使用寿命应该最高，实际却最低；有部分业内人士曾认为，B机组芯棒使用寿命低的主要原因是该机
组为提高机组的轧制节奏，将芯棒的循环设计成轧制结束后，芯棒要穿过轧管机、脱管机后再进行冷却润滑的方式，芯棒的运行距离长，运行速度较快，且在穿过脱管机时芯棒时常磕碰轧辊、擦伤芯棒表面致使芯棒的使用寿命降低。C机组也是三辊式连轧管机，孔型半径差及轧管工序的延伸系数均小于A机组，芯棒的循环方式与A机组相同，但其芯棒的使用寿命仅为A机组的80%左右，仍没有体现孔型半径差小的优势，显然上述关于B机组芯棒因磕碰擦伤降低使用寿命的说法是不够全面的。山东省主体功能区规划
（1）在同样的芯棒及其润滑状况、管坯规格及材质和轧制的产品规格，相似的轧制速度和芯棒限动速度的条件下，影响芯棒使用寿命的主要因素不是孔型半径差的大小，而是轧管工序延伸系数与芯棒工作段长度之比的大小，即芯棒单位长度的延伸系数决定了芯棒使用寿命的长短；芯棒单位长度延伸系数与芯棒使用寿命成反比，这从表1的相关数据中可以得到验证。接待就是生产力
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