综合述评　弋　

关于锥形辊穿孔机的穿孔原理及应用问题的讨论　田　党，李　群　（天津钢管有限责任公司，天津３００３０１）　摘要：论述了二辊斜轧锥形辊穿孔机的穿孔原理及其应用范围。指出最大限度地抑制孔腔的发生．消除孔　腔，不是二辊斜轧穿孔合理工艺追求的目标。通过对轧辊辊型的对比．认为二辊斜轧桶形辊穿孔机和二辊斜轧锥　形辊穿孔机一样，也能适应连铸坯直接穿孔和高合金钢（包括部分难变形合金）制管的要求。　关键词：锥形辊穿孔机；孔腔；形成机理；应用　中图分类号：ＴＧ３３１；ＴＧ３３３．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２３１１（２００３）０６—０００１—０４　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｉｅｒｃｉｎｇ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｅ　Ｒｏｌｌ　Ｐｉｅｒｃｅｒ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｉａｎ　Ｄａｎｇ，Ｌｉ　Ｑｕａ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｉｅｒｃｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　２－ｒｏｌｌ　ｃｒｏｓｓ—ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｉｅｒｃｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ａ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｆｏｒ　ａ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　２－ｒｏｌｌ　ｃｒｏｓｓ—ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｉｅｒｃｅｒ　ｔｏ　ｔｒｙ　ｂｅｓｔ　ｔｏ　ｒｅｓｔｒｉｃｔ　ｃａｖｉｔｉｅｓ　ｏｒ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅｍ．Ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｒｏｌｌ　ｔｙｐｅｓ，ｂｏｔｈ　２－ｂａｒｒｅｌ－ｒｏｌｌ　ｃｒｏｓｓ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｉｅｒｃｅｒ　ａｎｄ　２－ｃｏｎｅ—ｒｏｌｌ　ｃｒｏｓｓ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｉｅｒｃｅｒ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｐｉｅｒｃｉｎｇ　ｏｆ　ＣＣ　ｂｉｌｌｅｔｓ　ａｎｄ　ｔｕｂｅ　ｍａｋｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ａｌｌｏｙｓ　（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｈａｒｄ　ｒｅｆｏｒｍｅｄ　ｏｎｅｓ）．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｅ　ｒｏｌｌ　ｐｉｅｒｃｅｒ；Ｃａｖｉｔｙ；Ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　０前言　二辊斜轧锥形辊穿孑Ｌ机是移居美国的瑞士工程　师斯蒂费尔（Ｒ．Ｃ．Ｓｔｉｅｆｅ１）于１　８９９年发明的。１００多　年来，锥形辊穿孑Ｌ机在设备结构、工艺技术和实际　应用等方面，都取得了重要进展。特别是１９８３年　１３本住友金属公司海南厂的锥形辊穿孑Ｌ机的投产和　相关报道，更引起人们对锥形辊穿孔机的关注【ｌ’２】。　目前，全世界已有锥形辊穿孑Ｌ机约２０台．但其中约　半分布在中国。因此。准确地认识锥形辊穿孑Ｌ机　的特点，充分地发挥锥形辊穿孔机的潜力。进一步　挖掘桶形辊穿孑Ｌ机的工艺潜力，这是钢管工作者面　临的重要课题。本文重点对二辊斜轧锥形辊穿孔机　的穿孔原理及应用问题进行讨论　田党（１９４１一），男，辽宁人，副总工程师，教授级　高级工程师，长期从事高温合金无缝钢管的研制工作。　ＳＴＥＥＬ　ＰＩＰＥ　Ｄｅｃ．２００３，Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．６　１锥形辊穿孔机的穿孔原理　关于二辊斜轧桶形辊穿孑Ｌ机的穿孑Ｌ原理，人们　已经有了比较一致的认识。二辊斜轧穿孔与其他穿　孑Ｌ方式不同，它是利用管坯中心区金属裂而未断的　疏松状态，将顶头置于疏松区进行穿孑Ｌ，从而获得　穿孑Ｌ过程的力学、运动学和毛管质量的最佳综合效　果嘲。　上述二辊斜轧桶形辊穿孑Ｌ机的穿孔原理是否适　用于二辊斜轧锥形辊穿孑Ｌ机，文献【１，２】认为锥形辊　穿孑Ｌ机的穿孑Ｌ原理“完全不同于曼内斯曼穿孑Ｌ原　理”，它“可以最大限度地抑制曼内斯曼效应的发　生”，　“消除曼内斯曼效应”。　笔者认为，为了实现管坯在二辊斜轧锥形辊穿　孑Ｌ机上穿孑Ｌ，穿孑Ｌ机导板（盘）间距ｂ要大于轧辊间　距口，即椭圆度ｂｌａ＞ｌ。这样，在管坯的中心区必　然产生反复交变作用的切应力、拉应力和压应力。　钢管２００３年ｌ２月

第３２卷第６期　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　综合述评　在切应力的作用下，金属发生塑性变形；塑性变形　的发展．产生微观缺陷，其集合后就形成一种疏松　状态。在切应力和拉应力的作用下，微观缺陷互相　连接、扩展和张开．形成孔腔　。上述管坯金属在　轧辊的人口端至轧制带之间的变形过程和状态，二　辊斜轧锥形辊穿孔和二辊斜轧桶形辊穿孔是完全一　样的。因此，在二辊斜轧锥形辊穿孔机上，管坯也　要发生“曼内斯曼效应”．也会出现孔腔。　实际情况也是这样，如在　１８０ｍｍ￣辊斜轧锥　形辊穿孔机上使用￣２００ｍｍ连铸坯进行无顶头穿孔　轧卡．在距入口端１１３ｒａｍ处（压下率６．９２％）出现孔　腔；有顶头穿孔轧卡时．ｂ／ａ＝１．１，在距入１２１端　７０ｍｍ处（压下率４．３０％）出现孔腔，孔腔尺寸为　４３ｍｍｘ２０ｍｍ１５１。　应当指出，在某些条件下．二辊斜轧穿孔的管　坯中心可能不出现孔腔。或者说在设定某些条件下　可以使二辊斜轧穿孔的管坯中心不出现孔腔。这是　因为二辊斜轧穿孔变形区管坯和毛管金属的变形和　破裂有两个特点：　（１）变形区管坯和毛管各横截面沿直径方向变　形强度的分布，可以用［（　。＋　）＋２Ｕ　］式表示，　简称［（　。＋　）＋２Ｕ　］分布。这种分布既反映了二　辊斜轧穿孔变形区管坯和毛管金属变形强度变化的　阶段性，又反映了各变形阶段管坯和毛管金属变形　强度变化的特点，是一种普遍规律。Ｗ形分布解释　了管坯孔腔产生的原因，而Ｕ形分布则说明了管坯　和毛管分层形成的机理。　（２）这种变形分布是一种动态的概念。由于钢　种、工艺因素和工具条件的不同，在某一具体情况　下，变形分布又具有特殊性。例如，如果管坯变形　抗力大，轧辊转速高，变形不容易深透，那么，管　坯金属的变形就不能形成ｗ形分布，管坯中心自然　就不会出现孔腔。这也是二辊斜轧穿孔金属变形规　律的一种表现【６＇７Ｊ。　对于二辊斜轧穿孔管坯中心可能出现的孔腔．　既要控制，又要利用。管坯中心出现孔腔不等于毛　管一定会产生内折缺陷。只有孑Ｌ腔表面氧化．再经　顶头辗轧才会形成内折。若将顶头置于孔腔前的疏　松区穿孔，既可消除内折，又可提高穿孔速度，减　少力能消耗和工具磨损［３１。最大限度地抑制孔腔的　发生，甚至消除孔腔，不是二辊斜轧穿孔合理工艺　追求的目标；管坯中心不出现孑Ｌ腔前的疏松状态．　也不是二辊斜轧穿孑Ｌ的最佳状态。　ＳＴＥＥＬ　ＰＩＰＥ　Ｄｅｃ．２００３，Ｖｏ１．３２Ｎｏ．６　在二辊斜轧穿孔工艺发展的历史上，关于对孔　腔及顶头的认识曾经有几次变化。最早，是试图利　用孔腔获得毛管（不考虑使用顶头），但实际得到　的是中心开裂的管坯；随后，提出使用顶头，设想　管坯中心先形成孔腔，然后用顶头把管坯中心的开　裂辗平，结果是毛管形成内折；后来，认为不利用　孔腔，在保证咬入的条件下，顶头尽量前移，结果　是毛管内折消除了．但其力学、运动学的状况不尽　合理：最后认为顶头的位置不应该尽量前移，而应　该前移到一个合理的位置．即位于孔腔前的疏松　区．这是二辊斜轧穿孔工艺的最佳图示　。如果采　取工艺措施，最大限度地抑制孔腔的发生，甚至消　除孔腔，并在这种条件下穿孔，那么，其变形图示　只能是管坯旋转前进，而顶头则在任意位置上不动　的挤压变形。这和上述第三阶段的认识类似，都忽　视了二辊斜轧穿孔区别于其他方式穿孔金属变形的　特点。　人们把曼内斯曼兄弟首先观察到的二辊斜轧穿　孔管坯中心金属的变形和破裂——孔腔现象称作　“曼内斯曼效应”。纵观二辊斜轧穿孔机发展的历　史，从桶形辊到锥形辊，从穿制碳钢到高合金钢　（包括部分难变形合金），管坯金属的变形和破裂除　了孔腔现象之外，还有两个典型现象：①管坯和毛　管的分层；②毛管金属的扭转变形。如果把“曼内　斯曼效应”理解为二辊斜轧穿孑Ｌ管坯和毛管金属的　变形和破裂现象，那么，“曼内斯曼效应”就应该包　括孔腔、分层和扭转变形３种现象。对于上述３种管　坯和毛管金属的变形和破裂现象，人们已经有了足　够的认识和相应的对策。对于孔腔，既要控制又要　利用；对于分层，要完全消除；对于扭转变形，要　尽量减轻。管坯在二辊斜轧穿孔机上，包括桶形辊　和锥形辊，是怎样穿成和穿好毛管的，概括地讲，　就是利用管坯中心区金属裂而未断的疏松状态，将　顶头置于疏松区进行穿孔。同时，通过正确工艺参　数的制定和合理工具形状的设计，消除表层金属可　能产生的分层，并尽量减轻毛管金属的扭转变形．　从而获得穿孔过程的产量、质量和消耗的最佳综合　效果。这就是二辊斜轧穿孔区别于其他方式穿孔的　工艺实质。　２关于锥形辊穿孔机的应用　文献［１】认为，二辊斜轧桶形辊穿孔机已不能　

适应连铸坯直接穿孔和高合金钢制管的要求，二辊　维普资讯 http://www.cqvip.com 缘合述评　３　斜轧锥形辊穿孑Ｌ机解决了曼内斯曼穿孔机穿孔原理　的所有难题。对此，笔者不敢苟同，对于这个问题　要进行具体分析。　对于二辊斜轧桶形辊穿孔机不能直接对连铸坯　穿孔。而只有二辊斜轧锥形辊穿孔机才能直接对连　铸坯进行穿孔的观点，笔者认为缺少足够的依据。　目前许多钢管生产厂使用连铸坯直接进行穿孔的实　践证明，二辊斜轧桶形辊穿孔机也能直接对连铸坯　进行穿孔。随着连铸比的提高，二辊斜轧桶形辊穿　孔机使用连铸坯直接进行穿孔制管的比例将不断提　高。　在２０世纪８０年代之所以会提出这样的问题，　是因很久以来就有一种看法．认为二辊斜轧桶形辊　穿孔机不能对低塑性难变形合金进行穿孔，可能当　时人们误把连铸坯视为“低塑性”材料。实际上，低　塑性难变形合金主要是指耐热合金（高温合金、超　级合金）和耐蚀合金，其热加工性能的特点是：加　工塑性低、变形抗力大、变形温度范围窄。连铸坯　大都是碳钢、低合金钢和部分高合金钢。和难变形　合金相比．连铸坯的加工塑性是较高的。同一钢号　的连铸坯和变形坯比较。连铸坯的加工塑性是低一　些，但是，在最佳温度范围内，连铸坯的加工塑眭　足以满足穿孔变形的要求。另外，可能由于当时连　铸坯的质量较差．所以把连铸坯的材质问题当作了　穿孔工艺问题。应该指出。直接进行穿孔的连铸　坯，一定要满足相关技术标准的要求。对毛管上的　缺陷要具体分析。区分是穿孔工艺的问题还是连铸　坯材质的问题，不要把连铸坯材质问题当作穿孔工　艺问题，更不能以此否定二辊斜轧桶形辊穿孔工艺。　使用连铸坯直接进行穿孔。人们还担心由于连　铸坯中心的缩孔可能使毛管产生内折。实际上，连　铸坯中心的缩孔不是贯通的。而是间隔一定长度断　续出现的，在加热过程中连铸坯中心的缩孔不被氧　化，因此穿孔时不会产生内折：只有暴露在连铸坯　端部的缩孔，加热时被氧化，如较小规格的连铸坯　在延伸较大的情况下，管材切头（尾）后。端部才　可能残留内折。现在连铸工艺不断改进．连铸坯质　量不断提高，这种情况很少出现。　实践证明，二辊斜轧锥形辊穿孔机能够对高合　金钢的管坯进行穿孔，其中包括Ｃｒ３０Ｎｉ４０Ｍｏ３、　Ｃｒ２５Ｎｉ５０Ｍｏ６和Ｃｒ２０Ｎｉ５０Ｍｏ９等固溶强化的难变形　合金【２Ｊ。日本住友金属公司对高合金钢（包括部分　难变形合金）管坯进行穿孔的主要经验是：①锥形　田　党等：关于锥形辊穿孔机的穿孔原理及应用问题的讨论　辊的辊形，在轧制带后，轧辊直径逐渐增大，轧辊　圆周速度的变化与金属流动速度的变化相适应，从　而减轻了金属的扭转变形和周向剪切应力，有利于　消除毛管的分层；②采用大辗轧角（１５。），在保证　变形区正常形状的前提下，增大辗轧角实际是增大　了锥形辊直径，增大了总轧制力，有利于变形的深　透，从而有利于避免轧卡和消除毛管的分层：③采　用大喂入角（１６。），有利于变形的深透和减轻扭转　变形，从而也有利于避免轧卡和消除毛管的分层；　④管坯咬人时，轧辊采用低的转速，有利于避免轧卡。　实际上，二辊斜轧桶形辊穿孔机也能够对高合　金钢管坯进行穿孔，其中包括ｃｒ２０Ｎｉ４０Ｍｏ２ｗ２、　Ｃｒ３０Ｎｉ４０Ｍ０３、Ｃｒ２０Ｎｉ４０Ｍｏ２Ａ１Ｔｉ、Ｃｒ２０Ｎｉ３０Ｍ０３Ｗ６　等固溶强化的难变形合金　匀。在二辊斜轧桶形辊　穿孔机上对高合金钢（包括部分难变形合金）管坯　进行穿孔，可能出现的工艺质量问题有３种，即管　坯轧卡、毛管裂碎、管坯和毛管分层。这是高合金　钢（包括部分难变形合金）管坯热加工性能特点在　二辊斜轧穿孔变形方式上的表现。提高高合金钢　（包括部分难变形合金）毛管合格率的主要工艺原　则是：提高管坯的热加工塑性，合理确定加热温　度，增大喂人角，提高顶头前压下量，在穿孔全过　程中使用低的轧辊转速。轧辊转速在消除管坯轧　卡，管坯和毛管分层中起决定性作用。要重视对轧　辊转速的控制网。　对比二辊斜轧锥形辊穿孔机和二辊斜轧桶形辊　穿孔机，可以看出：在金属变形和穿孔工艺方面．　在轧辊人口端至轧制带之间，两者的金属变形完全　样；在轧辊轧制带至出Ｅｌ端之间，二辊斜轧锥形　辊穿孔机轧辊直径逐渐增加，减轻了扭转变形和周　向剪切应力，比二辊斜轧桶形辊穿孔机变形合理：　但是，由于影响扭转变形的因素是多方面的。因　此，要想完全消除扭转变形得到类似挤压变形的图　示是一件很复杂的事情；两者的轧辊转速和喂入角　都是可调的；二辊斜轧锥形辊穿孔机有辗轧角．而　二辊斜轧桶形辊穿孔机没有辗轧角或辗轧角很小　（≤５。），但是，当前者的辗轧角选定某一角度固定　以后，可能两者又一样了；为了轧制高合金钢（包　括部分难变形合金），二辊斜轧锥形辊穿孔机可以　增大辗轧角，二辊斜轧桶形辊穿孔机也可以采取某　些措施弥补这方面的不足；另外，二辊斜轧锥形辊　穿孔机延伸系数较大，轧管机的变形量分配可以前　移，变形分配较灵活。在应用方面，二辊斜轧锥形　钢管２００３年ｌ２月

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