關于增加軋件外端改善不銹鋼無縫管變形的討論

   簡述了變形體外端的含義及作用，介紹了幾個軋鋼生產中應用增加軋件外端方法來減少金屬不均勻變形的實例，用外端理論解釋了不銹鋼無縫管生產中在管坯尾部定心的原理和作用，提出了張力減徑機軋制不銹鋼無縫管時采用半無頭、無頭軋制工藝的設想，并分析了采用半無頭、無頭軋制工藝生產時可能出現的問題。加工成型過程中常見的邊界有自由表面（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（外區或剛端），是指在變形過程中某一瞬間不直接承受工具作用而處于變形區以外的部分。由于外端與變形區直接連接，所以在變形過程中它們會發生相互作用，外端的作用影響著金屬的變形流動；同時，變形區內金屬的變形流動也影響著外端，使變形波及到與變形區相連的一定區域。由于外端的限制作用，使得變形的不均勻性減小。軋制時的穩定階段中具有兩端（入口端和出口端）形成的外端。

一、軋鋼生產中增加外端的實例

  20世紀末，在熱軋板帶等領域興起的無頭軋制工藝，是在中間輥道上，用焊接方法，將粗軋后相鄰的帶坯首尾對焊起來，使坯料無限延長，并在一個換輥周期內連續不斷地通過精軋機的一種技術；其實質就是用合理增加變形體外端的方法來改善軋件部分區域的變形條件，以達到提高金屬變形時沿限定狀態流動]的比例、減少部分軋件的不均勻變形，從而減少切頭尾的數量、縮短切頭尾長度、提高成材率和產品整體尺寸精度以及生產效率的目的。焊管生產中，以前稱為ERW機組、現又稱為HFW機組的活套技術，實際上也是使用增加外端的方法，將各卷鋼板連接起來，以實現減少成品管的切頭尾數量、縮短切頭尾長度、提高成材率和生產效率的目的。

二、不銹鋼無縫管生產中增加外端的一些實踐

  1. 斜軋穿孔時在管坯尾部定心管坯尾部定心就是有意識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（奧氏體不銹鋼、鈦合金等）毛管時易發生的后軋卡現象。如使用250mm穿孔機將1Cr18Ni9Ti材質310mm管坯穿制成360mm×27mm毛管時，管坯未進行尾部定心，出現了后軋卡故障；在管坯尾部鉆了一個60mm×80mm的定心孔后便再也沒有發生后軋卡事故。

  b. 避免在穿軋304等材質毛管（徑壁比>12）尾部時常出現鐵耳子的情況。毛管尾部鐵耳子如圖所示。因鐵耳子溫降較快，在后續的連軋時容易劃傷軋輥表面或穿芯棒時將鐵耳子帶入毛管內部后劃傷管體，致使荒管內外表面質量下降。管坯尾部定心后的斜軋穿孔實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，軋制尾部定心孔時屬于二次穿孔。為了確保一次穿孔向二次穿孔平穩過渡，就要使尾部定心后管坯徑向具有足夠的熱強度（防止變形過程中出現失穩現象）；因此，尾部定心孔的直徑不宜過大，一般為管坯直徑的20%~35%，定心孔的長度為孔徑的1.0~1.5倍。

  2. 推制式熱擴管的首尾點焊連接

   使用推制式熱擴工藝生產薄壁管，當原料管的徑壁比>40，因鋼管截面徑向剛度低，變形過程中極容易發生失穩現象。為了避免出現熱擴變形時后面頂推的鋼管前端套到前面鋼管尾部的生產事故，減少管端產生“喇叭口”缺陷以及熱擴后鋼管頭、尾管端部出現嚴重的壁厚不均現象，就要在進入變形區前將兩支鋼管首尾斷面沿圓周方向焊接4~8個點，使下一支鋼管成為前一支鋼管的外端，以提高變形過程中管端的徑向強度和穩定性，從而改善鋼管端部的變形條件，減小管端變形時金屬徑向自由流動的趨勢，使提高管端的壁厚精度、減小切頭尾長度成為可能。

 三、縮短張力減徑機組切頭尾長度的設想

   現實生產中，張力減徑機在減徑率>40%時，每支成品鋼管的頭、尾都會因壁厚偏差超出標準范圍而要各切掉1m甚至數米長，嚴重制約著成材率的提升。受熱軋板帶無頭軋制工藝、焊管活套技術以及推制式熱擴管工藝原料管首尾點焊連接方法等的啟發，能否借鑒這些生產經驗，在張力減徑機生產中也采用增加軋件外端的方法，以期達到改善原荒管頭尾部位的不均勻變形、縮短切頭尾長度的目的呢？為此，特提出以下兩點工藝設想。

  1. 張力減徑半無頭（長荒管）軋制工藝

  設想的張力減徑半無頭軋制工藝，即是用焊接方法將再加熱好的相鄰兩支荒管的首尾對焊起來，然后再進行減徑軋制。具體工序為：在荒管進入再加熱爐之前，用快速熱鋸鋸切掉荒管頭、尾軸向不規則的部分；在再加熱爐出口側與張力減徑機之間增加一臺隧道式保溫爐，隧道式保溫爐長度稍大于單支荒管的長度，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與隧道式保溫爐之間的快速焊機將第一支荒管的尾部與下一支荒管的頭部對接焊合（為區別于軋后的荒管，在這里將兩兩對接焊合后的荒管稱為長荒管），隨后再進入張力減徑機進行軋制，鋼管出張力減徑機后用飛鋸在原對接焊點附近將其鋸切為兩節，而后進行冷卻。這樣可大幅度地減小對接焊點附近金屬的徑向不均勻變形和鋼管的壁厚偏差，增加每一支長荒管在張力減徑后其軸向壁厚值達到目標尺寸的長度，即在隨后的鋼管精整加工中可少鋸切一個管頭、一個管尾或減小對接焊點處因管壁厚尺寸超差的鋸切長度。目前，張力減徑半無頭（長荒管）軋制工藝已申請國家專利?；墓茴^尾軸向不規則端部如圖所示，張力減徑機半無頭軋制如圖所示。

  2. 張力減徑無頭軋制工藝

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

  從生產實例可以看出，合理使用增加軋件外端的方法，可有效改善部分區域的應力狀態，增加金屬變形時沿限定狀態流動的比例，從而減小部分金屬的不均勻變形，使成材率和生產效率的提高成為可能。

應用張力減徑無頭軋制工藝的前提條件是：軋管機組要配備響應的在線檢測儀表，如荒管熱測壁厚和測長裝置，以便為荒管對接焊合提供準確的參數；另外，在張力減徑機出口側也要安裝測長裝置，因為通過荒管長度和張力減徑機延伸系數便能計算出變形后鋼管焊口間的長度，測長裝置可為飛鋸在焊口附近分段鋸切鋼管提供準確定位。上述張力減徑無頭軋制的工藝設想僅在張力減徑機組生產減徑率>40%的產品時使用才有意義。

   張力減徑無頭軋制工藝實現起來肯定有很多難度：首先要使焊接荒管所用焊機在功能和性能方面滿足機組軋制節奏的要求，不要因對接焊合荒管所用時間而降低機組的軋制節奏；其次要研究不同材質、不同壁厚的荒管在高溫狀態下的焊接技術，如焊接所用時長、焊接多長時間后其焊接強度才能滿足張力減徑工藝的要求等；第三是現有張力減徑機軋輥的使用壽命能否滿足無頭軋制的要求。張力減徑半無頭軋制、無頭軋制均要相應增加投資，因為要添置鋸切荒管頭尾的熱鋸和分切鋼管的飛鋸、隧道式保溫爐、快速焊機等，并且需加大車間廠房的長度（至少一個甚至數個荒管長度），相應地要增加占地面積。