宝钢Ф140mm连轧管机组穿孔顶头提高使用寿命的研究
匡阿根;全小兵;刘楠;张玲
【摘 要】针对宝钢钢管事业部Ф140 mm连轧管机组改造后,初期设计的Meer材质顶头出现使用寿命低的情况,试制了一种新材质顶头,并从顶头形状、铸造工艺、氧化工艺等方面进行改进.通过试验,分析了这些改进措施对顶头使用寿命的影响.结果表明,新材质穿孔顶头的使用寿命较Meer材质顶头的提高7倍以上,解决了Ф140 mm连轧管机组顶头消耗量过大的难题. 【期刊名称】《钢管》 【年(卷),期】2010(039)005 【总页数】4页(P47-50)
【关键词】Ф140mm连轧管机组;穿孔顶头;使用寿命 【作 者】匡阿根;全小兵;刘楠;张玲
【作者单位】常州宝菱重工机械有限公司,江苏,常州,213019;常州宝菱重工机械有限公司,江苏,常州,213019;常州宝菱重工机械有限公司,江苏,常州,213019;常州宝菱重工机械有限公司,江苏,常州,213019 【正文语种】中 文
【中图分类】TG333.8%TG375
穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一。由于穿孔顶头工作条件恶劣，使得顶头使用寿命不高，进而影响钢管质量和生产效率［1-2］。宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部（简称宝钢钢管事业部）于2008年11月开始对从德
国SMS Meer公司引进的Φ140 mm连轧管机组进行改造，采用了常州宝菱重工机械有限公司（简称宝菱重工）生产的Meer材质顶头，但出现穿孔顶头使用寿命低（平均轧管8～20支）且不稳定的情况。为了提高穿孔顶头使用寿命，宝菱重工对穿孔顶头进行研究，通过大量试验、分析，采取改进措施，有效地提高了穿孔顶头的使用寿命。
穿孔顶头在钢管生产（图1）中的工作条件是相当恶劣的。在穿孔过程中，顶头直接与高温管坯接触，和管坯反向旋转，要承受压应力、切应力、表面摩擦力等的作用，工作温度较高（终轧时顶头鼻部温度在1 100℃左右）。每穿一支钢管，顶头都要入水槽急冷一次，然后循环再使用。宝钢钢管事业部Φ140 mm连轧管机组一个穿孔循环要使用14只顶头，用时约7～8 min。由此可见，在穿轧过程中顶头在高温、高压和急冷急热的条件下工作，表面非常容易被损坏，同时也易使管坯内表面损伤。顶头的失效形式一般为“啃肉”、“塌鼻”、开裂和粘钢。 据统计，宝钢钢管事业部Φ140 mm连轧管机组改造后轧制普通碳素钢和低合金钢的Meer材质顶头失效形式95%以上为“啃肉”。Φ136 mm Meer材质顶头 “啃肉”失效形式如图2所示。
宝菱重工通过对Meer材质顶头失效形式的分析，决定从材质选择、顶头形状、铸造工艺和氧化工艺等方面进行研究，取得良好效果。
目前宝钢生产的普通碳素钢和低合金钢钢管多 为 12Cr1MoVG、 15CrMoG、 16Mn、 27SiMn、35CrMo、37Mn5、38Mn6V等系列。针对Meer材质顶头使用寿命不高且不稳定的状况，宝菱重工开发出BLHI材质（简称B材质）的顶头，使穿孔顶头的使用寿命大幅度提高。两种材质顶头的化学成分见表1。
庞玉华等人的研究［3］发现：顶头的形状、尺寸与失效形式密切相关。对比球形、锥形等顶头外形，发现平头对心顶头能耗最低、管材壁厚均匀性最稳定、使用寿命最长。为此，宝菱重工对顶头形状进行了改进，将Meer材质顶头的圆头改进为B
材质的平头对心顶头进行试制。B材质顶头采用碱性电弧炉冶炼、砂型铸造、内外表面机械加工而成。铸造工艺上通过采用改大出铁口圆角、延长型砂震实时间、控制型砂强度、增加砂芯表面强度、增加刷涂料工序等措施，提高顶头铸造质量。 试制Meer材质和B材质顶头的化学成分见表1。试制规格均为Φ136 mm×280 mm；试制及检测设备为碱性电弧炉、井式气体氧化炉，HB-3000布氏硬度计、莱卡MeF3A电子显微镜、QG-1金相试样切割机，Φ1 000 mm×1 200 mm缓冷坑。
制备过程为：熔炼→浇注→开箱→清铲→回火→机加工→氧化→成品。
对试制顶头分批进行氧化，每炉16只，上下筐各8只，试块规格Φ40 mm×30 mm，采用同炉浇注试块，每筐放2只试块同炉氧化。
采用井式气体氧化炉氧化，800～900℃预热，850～1 200℃保温 2～8 h，Meer材质顶头采取空冷，B材质顶头入缓冷坑冷却。氧化过程中通入氮气、酒精、水。分别检测两种材质顶头表面氧化皮颜色、氧化层厚度、硬度、组织等氧化指标。 表2为Meer材质和B材质顶头的氧化结果，图3～10分别示出了两种材质顶头的氧化皮、金相组织、脱碳层及基体结合形态。
Meer材质和B材质顶头分别在宝钢钢管事业部Φ140 mm连轧管机组上进行穿管对比试验，轧制管坯材质均为普通碳素钢，工况条件相同，纯轧时间8.4～11.2 s，顶头数量各为7只，穿管寿命取平均值。表3为Meer材质和B材质顶头的穿管试验结果。
宝菱重工采用B材质顶头代替Meer材质顶头，在Φ140 mm连轧管机组上使用取得了良好的效果，顶头的平均使用寿命大幅度提高。B材质是一种新型顶头材料，与Meer材质相比，顶头晶粒得到细化，高温韧性和耐磨性显著提高，热敏感性降低，使用寿命明显提高。
从表2和图3～10中可以看出，在氧化过程结束后，Meer材质顶头与B材质顶
头相比，氧化皮较厚且不致密，内氧层与基体结合大部分较平直，基本无犬牙交错状，近表层周向脱碳较深，组织中存在马氏体，硬度过高。Meer材质顶头氧化皮剥落、较厚且不致密，使基体得不到隔热、润滑保护，氧化皮二次再生能力差，易产生“啃肉”现象；近表层周向脱碳较深表明铸造基体不致密；基体硬度太高，使顶头在轧制过程中塑韧性较差，表面易产生裂纹，氧化剥落，致使顶头失效。 宝钢钢管事业部Φ140 mm连轧管机组轧制普通碳素钢和低合金钢，采用B材质穿孔顶头使用寿命大幅度提高，平均轧制钢管超过100支。一方面得益于我们采用了合理的顶头形状，设计了合理的铸造工艺、材质及热处理氧化工艺，同时也得益于Φ140 mm连轧管机组的调试及工况条件趋于稳定。但在实际生产中，仍有许多难题需要进一步认识和分析，如顶头的材质选择、外形尺寸与机组工况匹配等。 Φ140 mm连轧管机组穿孔顶头使用寿命的研究成功，可为制备穿制高合金钢的顶头积累经验。
【相关文献】
［1］李连诗.中国无缝钢管生产分析［J］.钢铁，1994，29（8）： 33-36.
［2］殷国茂.我国无缝钢管技术装备的现状及发展前景［J］.钢管， 2005， 34（2）： 1-5. ［3］庞玉华，周忠民，成友义.顶头形状对穿孔毛管壁厚均匀性及能耗影响的研究［J］.钢管， 1991， 20（5）： 48-53.
