Assel轧管机轧制薄壁合金结构钢管工艺研究与辊型改进的学习体会

文献概况与技术背景

袁方成等人在《特殊钢》2013年第2期发表的这篇论文，针对湖北新冶钢有限公司钢管事业部在Assel轧管机上轧制Φ70 mm×3 mm 20Cr合金结构钢管的工艺难题，开展了系统的现场实验研究和辊型优化设计。该研究聚焦于薄壁小口径合金结构钢管的轧制工艺参数优化和辊型改进，具有明确的工程应用导向。

Assel轧管机是一种三辊斜轧式轧管机，以其连续轧制、生产效率高、产品质量好等优点，在无缝钢管生产中广泛应用。然而，轧制薄壁小口径钢管时，由于壁厚较薄、径壁比较大，轧制过程中容易出现壁厚不均匀、扩径量过大、轴向滑移系数不合理等质量问题。20Cr合金结构钢含有铬元素，具有良好的淬透性和耐磨性，广泛用于制造轴类、齿轮、传动件等机械零件，其钢管产品主要用于液压支柱、油缸管等高端应用领域。

试验方案与参数设计

研究采用现场实验方法，以减径量、减壁量、牌坊转角、钢管径壁比和转速为主要变量，系统考察这些参数对扩径量（Δd）、壁厚不均匀度（Δt）和轴向滑移系数（η_o）的影响。

从工艺设计方法论来看，该研究采用了典型的DOE（实验设计）方法，通过多因素多水平实验获取工艺参数与质量指标之间的定量关系。这种研究方法比单一变量实验更为高效，能够揭示参数之间的交互作用，为工艺优化提供更全面的信息。

核心工艺参数影响规律

减径量与减壁量的影响

减径量和减壁量是Assel轧管机轧制工艺中的核心参数。减径量过大时，钢管外壁受到过大的径向压缩力，容易导致外表面出现折叠或裂纹；减壁量过大时，壁厚减薄不均匀，导致壁厚偏差超标。对于Φ70 mm×3 mm的薄壁钢管，壁厚仅为3 mm，减壁量的控制精度要求极高。

从焊接冶金的角度来看，壁厚不均匀不仅影响钢管的尺寸精度，还会影响后续焊接接头的质量。壁厚偏差过大会导致焊接时的热输入分布不均，产生焊接变形和残余应力，甚至导致未熔合或烧穿等焊接缺陷。

牌坊转角的影响

牌坊转角是Assel轧管机特有的工艺参数，它决定了轧辊与钢管之间的接触角度和金属流动方向。转角过小，金属流动不畅，容易产生轴向滑移；转角过大，轧制力过大，可能损伤钢管表面。对于薄壁钢管，牌坊转角的优化选择尤为重要。

转速的影响

轧机转速影响金属流动速度和温度效应。转速过高，金属变形速度快，温度升高明显，有利于降低变形抗力，但可能导致壁厚不均匀度增大；转速过低，金属变形速度慢，温度升高不明显，变形抗力大，可能产生轧制裂纹。

辊型优化设计

研究基于实验结果，设计了适用于Φ70 mm×3 mm 20Cr钢管轧制的辊型。辊型设计是Assel轧管机工艺优化的关键环节，直接影响轧制力和金属流动状态。

辊型设计的关键要素包括：

• 辊缝形状：辊缝的入口段、变形段和出口段曲线设计
• 辊型圆弧半径：影响接触面积和压力分布
• 辊型长度：影响金属变形均匀性
• 辊型表面状态：影响摩擦系数和表面质量

优化的辊型设计应满足以下要求：

1. 保证壁厚均匀性，壁厚偏差控制在±0.1 mm以内
2. 控制扩径量在合理范围内，避免外径超标
3. 保证轴向滑移系数适中，避免钢管轴向窜动
4. 降低轧制力，延长轧辊使用寿命
5. 保证钢管表面质量，无划伤、折叠等缺陷

工业生产验证

工业生产结果表明，在毛管尺寸为Φ76.3～76.7 mm×7.89～8.36 mm的条件下，采用以下Assel轧机轧制参数可轧出符合标准要求的Φ70 mm×3 mm 20Cr钢管：

这一工艺参数的确定经历了从实验研究到工业验证的完整PDCA循环。实验阶段（Plan-Do）确定了工艺参数的优化方向，工业试轧阶段（Check）验证了参数组合的有效性，最终参数确定阶段（Act）固化了最优工艺方案。

与焊接质量的关联分析

从焊接与钢管制造的角度来看，Assel轧管机的轧制工艺直接影响钢管的焊接性能。具体关联包括：

1. 壁厚均匀性：壁厚偏差过大会导致后续焊接时热输入分布不均，产生焊接变形和残余应力。
2. 表面质量：轧制过程中的划伤、折叠等表面缺陷可能在焊接时扩展，形成焊接裂纹。
3. 金相组织：轧制工艺参数（特别是温度和变形量）影响钢管的金相组织，进而影响焊接接头的性能。
4. 残余应力：轧制过程中的残余应力状态影响焊接变形和应力分布。

建议在轧制工艺优化时，同步考虑焊接性能的要求。例如，通过控制轧制终温来优化金相组织，通过控制表面质量来降低焊接缺陷风险。

关键技术问题与对策

壁厚不均匀问题

薄壁钢管轧制中，壁厚不均匀是最常见也最棘手的质量问题。其主要原因包括：

• 毛管壁厚偏差过大
• 轧制参数选择不当
• 辊型设计不合理
• 轧辊磨损不均匀

对策建议：

• 严格控制毛管壁厚偏差，建议控制在±0.3 mm以内
• 采用优化的轧制参数组合
• 设计专用的薄壁钢管辊型
• 建立轧辊磨损监测和更换制度

扩径量控制

扩径量过大导致外径超标，扩径量过小则可能导致壁厚减薄不足。扩径量的控制需要通过调整减径量和牌坊转角来实现。

轴向滑移系数

轴向滑移系数反映了钢管在轧制过程中的轴向移动趋势。滑移系数过大，钢管可能从轧机出口窜出，造成安全事故；滑移系数过小，钢管可能堵塞在轧机内。

学习心得与启示

这篇文献给我最大的启示是，薄壁钢管的轧制工艺优化是一个系统工程，需要从毛管质量、轧制参数、辊型设计、设备状态等多个方面综合考虑。单一参数的优化可能带来其他参数的恶化，因此必须采用系统优化的方法，在多个目标之间寻求最佳平衡。

从钢管制造的质量管理角度来看，该研究体现了PDCA循环和DOE方法的实际应用价值。通过系统的实验研究和工业验证，最终确定了可靠的工艺参数，为批量生产提供了技术保障。建议企业在类似工艺优化项目中，采用同样的方法论，建立从实验研究到工业验证的完整闭环。

此外，该研究也提醒我们关注轧制工艺与焊接性能的关联。钢管的轧制质量直接影响后续焊接接头的性能，因此轧制工艺优化时应充分考虑焊接性能的要求，实现轧制-焊接一体化质量控制。