1 管坯成型工艺

随着科技的发展, 生产成本较小的焊管替代无缝钢管的范围日趋扩大。以冷、热带卷为原料的直缝焊管, 是经多架带孔型的水平轧辊和立辊组合的成形系统, 逐架受力作圆弧冷弯曲变形, 逐渐变形为圆管, 再经焊接和定径机组的微冷拔, 生产合格的产品。产品成型工艺过程见图 1。

在成型过程中, 管坯和轧辊孔型之间有强烈的挤压作用, 且基本属于干摩擦或边界摩擦状态, 所以轧辊孔型的磨损相当厉害, 由此造成的辊耗对生产成本影响较大。降低辊耗不但经济效益可观, 而且可减少换辊时间, 提高生产率。

针对这一情况, 本文对管坯成型过程中水平辊孔型的受力情况作了定性近似分析。以此为基础相应分析了轧辊孔型磨损量分布特点, 并检测了轧辊的磨损情况来加以验证, 提出了一些改进措施。

2 管坯成型受力分析 2.1 轧辊孔径向力及摩擦力分布

辊式成型过程中带钢由板状经多道辊的圆周弯曲变形最后成为管状, 整机轧辊的孔型就是半径由大到小的圆弧(双半径孔型除外)。因此管坯的成型段其横截面内外周线可近似看作半径连续变化的圆弧线, 以此为变形模型, 在成型区相距△X两横截面间取微段, 见图 1 (g) ^[1]。此微段径向各处曲率相等, 因此轧辊孔径向力的分布必须满足成型区各微段径向截面弯矩相等的条件。

由于管坯在成型过程中处于弹塑性状态, 进入轧辊前受轧辊(立辊)约束有一定的轧前变形, 出轧辊后有一定的回弹, 所以轧辊孔径向力的实际分布相当复杂。但根据其主导变形情况, 以各微段径向截面弯距近似相等为条件, 仍可定性近似地得出轧辊孔径向力Pr之分布图(图 2、图 3)。

2.1.1 径向力Pr分布图

轧辊孔径向力分布特点为:

(1) 开口辊

上辊:中心处Pr最大, 越到边缘越小(顶径为中心)。

下辊:边缘处Pr最大, 越到中心越小(底径为中心)。

(2) 闭口辊

以底径处为中心, 上下辊均越接近底径(中心)处Pr越大。变形主要集中在管坯两边缘处, 变形量最大, 变形力多由上辊承担。

(3) 管坯头部从刚被咬入轧辊到变形完成, 轧辊孔径向力分布随头部变形的程度而变化, 其中心和边缘分布的不均尤为突出, 头部变形完成后, 轧辊孔径向力分布进入稳定阶段。

2.1.2 摩擦力分布

按经典理论, 滑动摩擦力大小Fm满足库仑定律Fm=fN, 焊管机组设计时, 让开口段水平下辊孔型的底径(最小直径)点, 上辊孔型的顶径(最大直径)点与管坯同速; 闭口段上、下辊底径相等且与管坯同速。孔型中的其余点都相对管坯滑动, 于是, 轧辊孔中摩擦力的大小分布与其径向力的大小分布相对应(图 2、图 3)。而摩擦力的方向见图 4、图 5。

由以上分析可知:

(1) 径向力分布最大处, 摩擦力也最大。

(2) 开口段下辊, 闭口段上、下辊对管坯的滑动摩擦力是构成管坯驱动成型力的主要来源。

(3) 开口段上辊对管坯的滑动摩擦力属成型阻力, 起有害作用。

2.1.3 轧辊磨损分析

对滑动摩擦来说, 摩擦功率消耗Nm=Fm×△V

Fm——摩擦力;

V——相对滑动速度。

滑动速度一定时, 摩擦力越大, 摩擦功耗越大。摩擦力一定时, 相对滑动速度越大, 摩擦功耗越大。各辊的滑动摩擦区及△V分布图见图 6。

由于轧辊表面硬度(约HRC60)比管坯表面硬度大得多。因此, 除轧辊孔与管坯等速点的微小区域内为疲劳磨损外, 其余区域均为磨粒磨损, 且管坯表面氧化铁皮在成型过程中的剥落又加剧了磨粒磨损(对成型段前面几架轧辊影响尤大) ^[2]。

综合△V分布图及摩擦力分布图, 可得出以下结论:

(1) 开口下辊孔△V与Fm增长趋势的分布一致, 边缘处将产生严重磨损。

(2) 其它辊孔△V与Fm增长趋势的分布恰恰相反, △V大则Fm小, 因此辊孔的磨损较为均匀。

我们曾检测因磨损而报废的轧辊, 结果如下:

(1) 上、下辊孔的滑动摩擦区可明显看见擦伤, 条痕(磨粒划伤线), 纯滚动区未见明显的疲劳点蚀, 可见滑动区的磨粒磨损是影响轧辊寿命的主要因素。

(2) 用样板检测磨损量发现:

① 开口上辊、闭口下辊的磨损较均匀, 最大磨损与最小磨损之差一般均小于等于1 mm。闭口上辊径向力最大处的磨损较明显地大于其它区域。

② 开口下辊边缘处的磨损明显地大于中心区域, 边缘磨损量最大(图 7)。

轧辊磨损情况的检测结果, 反映了理论上的分析与实际情况比较接近。

3 降低辊耗措施

由上述分析知:受成形条件的限制, 在干摩擦条件下, 某些轧辊孔一定会有严重的局部磨损, 从而恶化孔型, 恶化以后的成形条件, 加剧后几道轧孔的局部磨损。因此, 减轻局部磨损是降低整机辊耗的有效措施。

通常, 轧辊留有修磨5~6次余量, 但主动辊的实际修磨次数受下列约束:

(1) 主动辊系运动约束

① 下辊:各下辊同转速, 基本同底径, 但为了保证带张力轧制, 每道下辊底径均比上一道底径大0.5~1 mm。因此下辊修磨只能整体考虑。

② 上、下辊:同架的上、下辊有速比要求, 上(下)辊修磨了, 下(上)辊就得相应修磨。

(2) 上、下辊开口距可调节范围约束

开口距可调范围受传动方式约束:

① 万向接轴:有较大的调整范围, 保修磨3~5次。

② 变位齿轮传动:调整范围小于等于10 mm, 基本不能修磨或修磨1~2次。

③ 一辊主动, 一辊自由, 不受传动方式调整约束。

因此, 辊孔修磨量, 一部分为有效修磨量即将磨损孔型复原的最小修磨量; 一部分为无效修磨量, 即为满足上述约束的附加修磨量, 所以减少附加修磨量, 增加修磨次数, 同样能降低辊耗。

综上所述, 为降低辊耗, 可考虑采用以下措施:

(1) 开口段除第一架外, 其余水平上辊均改为自由辊, 并在孔型中用固体润滑, 这样可以:

① 减少成形阻力, 降低能耗。

② 简化传动机构, 延长上辊寿命。

③ 解除了相应的上、下辊运动约束, 开口距可调范围约束, 可减少附加修磨量, 增加修磨次数。

(2) 开口段下辊孔型边缘局部硬化或润滑(在满足成形力的前提下)以避免局部严重磨损。

(3) 定期检查在线孔型, 发现严重局部磨损及时更换。

(4) 优化整机孔型修磨方案。

(5) 冷却液加压以冲刷氧化铁皮, 防止其进轧孔。

(6) 载荷、辊耗大的被动辊, 如挤压辊、导向辊采用固体润滑。