碳鋼無縫鋼管空心套管熱軋穿孔工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究

摘要：熱軋穿孔工藝是碳鋼無縫鋼管空心套管生產(chǎn)的核心工序，其關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的合理性，直接決定套管的壁厚均勻性、尺寸精度、表面質(zhì)量及力學(xué)性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品的后續(xù)加工適配性與使用效能。目前，碳鋼無縫鋼管空心套管熱軋穿孔生產(chǎn)中，常因加熱溫度、穿孔速度、頂頭前伸量等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置粗放，導(dǎo)致套管出現(xiàn)偏心、壁厚不均、表面裂紋、內(nèi)折等缺陷，制約產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。本文以20#、45，系統(tǒng)分析熱軋穿孔工藝的核心原理，明確加熱溫度、穿孔速度、頂頭前伸量、導(dǎo)板間距四大關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)，優(yōu)化參數(shù)組合方案，解決生產(chǎn)中的缺陷問題，實(shí)現(xiàn)熱軋穿孔工藝的精準(zhǔn)管控，為企業(yè)提升產(chǎn)品合格率、降低生產(chǎn)成本提供理論支撐與實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：碳鋼無縫鋼管；空心套管；熱軋穿孔；關(guān)鍵參數(shù)；參數(shù)優(yōu)化；缺陷防控

一、引言

碳鋼無縫鋼管空心套管作為機(jī)械制造、液壓傳動(dòng)、工程機(jī)械等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)零部件，其生產(chǎn)工藝主要分為熱軋與冷拔兩大類。其中，熱軋穿孔工藝憑借成型效率高、產(chǎn)能大、成本低、適配大規(guī)格套管生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，成為中大型碳鋼無縫鋼管空心套管（外徑80~200mm）的主流成型方式，廣泛應(yīng)用于批量生產(chǎn)場(chǎng)景。熱軋穿孔工藝以碳鋼圓鋼錠為原材料，通過加熱爐加熱至塑性狀態(tài)后，經(jīng)穿孔機(jī)、導(dǎo)板、頂頭等部件的協(xié)同作用，將實(shí)心圓鋼錠加工成空心毛管，為后續(xù)精整、熱處理工序奠定基礎(chǔ)。

熱軋穿孔工序是碳鋼無縫鋼管空心套管成型的“定形”環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵工藝參數(shù)的匹配度，直接決定空心毛管的壁厚均勻性、圓度、表面質(zhì)量及內(nèi)部組織性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于20#、45，且生產(chǎn)企業(yè)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化重視不足，常采用統(tǒng)一化參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致空心套管易出現(xiàn)偏心、壁厚波動(dòng)、表面氧化裂紋、內(nèi)折、外折等缺陷，缺陷率居高不下，不僅增加后續(xù)精整加工難度與生產(chǎn)成本，還會(huì)影響套管的后續(xù)加工適配性與使用壽命。

因此，深入研究碳鋼無縫鋼管空心套管熱軋穿孔工藝的關(guān)鍵參數(shù)，分析各參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，通過試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，對(duì)降低缺陷率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本文聚焦加熱溫度、穿孔速度、頂頭前伸量、導(dǎo)板間距四大核心參數(shù)，結(jié)合20#、45，開展參數(shù)優(yōu)化研究，形成適配不同鋼號(hào)的最優(yōu)參數(shù)方案。

二、碳鋼無縫鋼管空心套管熱軋穿孔工藝核心原理

碳鋼無縫鋼管空心套管熱軋穿孔工藝的核心原理，是利用金屬在高溫狀態(tài)下的塑性變形特性，通過穿孔機(jī)的軋輥、導(dǎo)板與頂頭的協(xié)同作用，將實(shí)心圓鋼錠逐步軋制成空心毛管。其整個(gè)工藝過程主要分為三個(gè)階段：咬入階段、穿孔階段、均整階段。

咬入階段是熱軋穿孔的初始環(huán)節(jié)，將加熱至塑性狀態(tài)的碳鋼圓鋼錠送入穿孔機(jī)，通過軋輥的旋轉(zhuǎn)摩擦力，將圓鋼錠咬入軋輥與頂頭之間，此時(shí)圓鋼錠開始承受徑向壓力與軸向拉力，表面金屬發(fā)生初步塑性變形，為后續(xù)穿孔奠定基礎(chǔ)。該階段的核心要求是確保圓鋼錠平穩(wěn)咬入，避免出現(xiàn)打滑、跑偏等問題，否則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)穿孔偏心。

穿孔階段是整個(gè)工藝的核心，圓鋼錠被咬入后，在軋輥的擠壓、頂頭的頂推及導(dǎo)板的導(dǎo)向作用下，內(nèi)部金屬逐步被穿透，形成空心毛管。該階段中，金屬的塑性變形最為劇烈，徑向變形與軸向變形協(xié)同進(jìn)行，壁厚逐步減薄至預(yù)設(shè)尺寸，其變形均勻性直接決定空心毛管的壁厚均勻性與圓度。

均整階段是穿孔工藝的收尾環(huán)節(jié)，空心毛管經(jīng)過穿孔階段后，進(jìn)入均整段，通過均整軋輥的進(jìn)一步擠壓與修整，修正空心毛管的壁厚偏差、圓度偏差，細(xì)化金屬晶粒，提升表面質(zhì)量，使空心毛管的尺寸精度、表面質(zhì)量達(dá)到后續(xù)加工的要求。

整個(gè)熱軋穿孔過程中，加熱溫度決定碳鋼的塑性與變形抗力，穿孔速度、頂頭前伸量、導(dǎo)板間距決定金屬的變形速度、變形均勻性與受力狀態(tài)，四大關(guān)鍵參數(shù)相互協(xié)同、相互影響，共同決定空心毛管的產(chǎn)品質(zhì)量。若任一參數(shù)設(shè)置不合理，都會(huì)導(dǎo)致金屬變形不均，引發(fā)各類缺陷。

三、熱軋穿孔工藝關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制

以20#、45，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，分析加熱溫度、穿孔速度、頂頭前伸量、導(dǎo)板間距四大關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，明確各參數(shù)的合理調(diào)控范圍，為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3.1 加熱溫度的影響

加熱溫度是熱軋穿孔工藝的首要參數(shù)，直接決定碳鋼的塑性、變形抗力與金屬組織狀態(tài)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響最為顯著。碳鋼的塑性隨加熱溫度的升高而提升，變形抗力隨加熱溫度的升高而降低，但若加熱溫度過高或過低，都會(huì)引發(fā)不同的質(zhì)量缺陷。

加熱溫度過低時(shí)，碳鋼的塑性不足、變形抗力較大，穿孔過程中金屬變形困難，易出現(xiàn)咬入打滑、穿孔力過大等問題，導(dǎo)致空心毛管出現(xiàn)壁厚不均、偏心、表面劃痕等缺陷；同時(shí)，變形過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，易引發(fā)表面裂紋，尤其是45，含碳量較高，塑性相對(duì)較差，低溫穿孔時(shí)裂紋缺陷發(fā)生率顯著升高。

加熱溫度過高時(shí)，碳鋼會(huì)出現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象，金屬晶粒急劇粗大，導(dǎo)致空心毛管的力學(xué)性能下降（強(qiáng)度、硬度降低，韌性變差）；同時(shí)，過高的溫度會(huì)加劇金屬表面的氧化，形成較厚的氧化皮，氧化皮脫落會(huì)導(dǎo)致空心毛管表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、凹坑等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)表面裂紋；此外，過燒還會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部組織疏松，出現(xiàn)分層缺陷，影響套管的承載能力。

結(jié)合20#、45，加熱溫度的合理范圍為：20~1050℃，45~1080℃。在此范圍內(nèi)，碳鋼具有良好的塑性與變形抗力，變形均勻，可有效減少各類缺陷的產(chǎn)生。

3.2 穿孔速度的影響

穿孔速度是指軋輥的線速度，直接決定金屬的變形速度與穿孔效率，影響金屬變形均勻性與受力狀態(tài)。穿孔速度過快或過慢，都會(huì)導(dǎo)致金屬變形不均，引發(fā)質(zhì)量缺陷。

穿孔速度過慢時(shí)，金屬在穿孔區(qū)域的停留時(shí)間過長(zhǎng)，受到的擠壓次數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致局部金屬過度變形，出現(xiàn)壁厚偏薄、表面拉傷等缺陷；同時(shí)，停留時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)加劇金屬表面氧化，氧化皮附著在空心毛管表面，影響表面質(zhì)量；此外，過慢的穿孔速度會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。

穿孔速度過快時(shí)，金屬變形速度過快，塑性變形無法充分進(jìn)行，導(dǎo)致金屬內(nèi)部應(yīng)力集中，易引發(fā)表面裂紋、內(nèi)折等缺陷；同時(shí)，速度過快會(huì)導(dǎo)致咬入不穩(wěn)定，出現(xiàn)跑偏、偏心等問題，影響空心毛管的壁厚均勻性與圓度；此外，過快的穿孔速度還會(huì)導(dǎo)致頂頭磨損加劇，縮短頂頭使用壽命，間接影響產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，穿孔速度的合理范圍為1.2~2.0m/s，其中20，可采用1.5~2.0m/s的穿孔速度；45，需采用1.2~1.7m/s的穿孔速度，確保金屬變形充分、均勻。

3.3 頂頭前伸量的影響

頂頭前伸量是指頂頭頭部與軋輥中心線的偏移量，直接決定穿孔過程中金屬的穿透位置與受力狀態(tài)，對(duì)空心毛管的壁厚均勻性、偏心缺陷影響最為顯著。頂頭前伸量過大或過小，都會(huì)導(dǎo)致金屬受力不均，引發(fā)偏心、壁厚偏差等缺陷。

頂頭前伸量過小時(shí)，頂頭對(duì)金屬的頂推力不足，金屬穿透位置偏后，穿孔過程中金屬?gòu)较蜃冃芜^大、軸向變形不足，導(dǎo)致空心毛管壁厚偏厚、內(nèi)壁粗糙，且易出現(xiàn)內(nèi)折缺陷；同時(shí)，頂推力不足會(huì)導(dǎo)致咬入不穩(wěn)定，出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，加劇偏心。

頂頭前伸量過大時(shí)，頂頭對(duì)金屬的頂推力過大，金屬穿透位置偏前，穿孔過程中金屬軸向變形過大、徑向變形不足，導(dǎo)致空心毛管壁厚偏薄、壁厚均勻性差，且易出現(xiàn)外折、表面裂紋等缺陷；此外，過大的頂推力會(huì)加劇頂頭磨損，甚至導(dǎo)致頂頭損壞，中斷生產(chǎn)流程。

結(jié)合空心套管的規(guī)格（外徑80~200mm、壁厚5~15mm），頂頭前伸量的合理范圍為8~15mm，其中小規(guī)格套管采用8~11mm，大規(guī)格套管采用12~15mm，同時(shí)需根據(jù)鋼號(hào)調(diào)整，20，45。

3.4 導(dǎo)板間距的影響

導(dǎo)板間距是指導(dǎo)板與軋輥之間的距離，其作用是對(duì)圓鋼錠與空心毛管進(jìn)行導(dǎo)向、定位，確保金屬變形過程中保持平穩(wěn)，避免出現(xiàn)跑偏、偏心等問題，直接影響空心毛管的圓度與壁厚均勻性。導(dǎo)板間距過大或過小，都會(huì)影響導(dǎo)向效果，引發(fā)質(zhì)量缺陷。

導(dǎo)板間距過小時(shí)，導(dǎo)板對(duì)金屬的擠壓力過大，會(huì)導(dǎo)致空心毛管表面出現(xiàn)拉傷、劃痕等缺陷；同時(shí)，擠壓力過大還會(huì)導(dǎo)致金屬變形不均，出現(xiàn)壁厚偏差、圓度超差等問題；此外，過小的導(dǎo)板間距會(huì)增加金屬的運(yùn)動(dòng)阻力，加劇軋輥、導(dǎo)板的磨損，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性。

導(dǎo)板間距過大時(shí)，導(dǎo)板的導(dǎo)向、定位作用減弱，圓鋼錠與空心毛管在穿孔過程中易出現(xiàn)跑偏、晃動(dòng)等問題，導(dǎo)致空心毛管出現(xiàn)偏心、壁厚不均等缺陷；同時(shí)，過大的間距會(huì)導(dǎo)致金屬變形過程中無約束，出現(xiàn)局部凸起、凹陷等表面缺陷，影響表面質(zhì)量。

導(dǎo)板間距的合理范圍需與空心套管的外徑相匹配，一般為套管外徑的1.02~1.05倍，其中20，可采用1.03~1.05倍的間距；45，需采用1.02~1.04倍的間距，確保導(dǎo)向精準(zhǔn)、受力均勻。

四、熱軋穿孔工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)與方案

為獲得最優(yōu)的熱軋穿孔工藝參數(shù)組合，以20#、45（規(guī)格：外徑120mm、壁厚10mm）為試驗(yàn)對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以壁厚均勻性、缺陷率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展參數(shù)優(yōu)化研究，確定適配兩種鋼號(hào)的最優(yōu)參數(shù)方案。

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取加熱溫度（A）、穿孔速度（B）、頂頭前伸量（C）、導(dǎo)板間距（D）為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，以空心毛管的壁厚偏差（≤±0.03mm）、缺陷率（≤1%）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素與水平如下表所示（單位：溫度℃、速度m/s、前伸量mm、間距mm）：

20：A1=950、A2=1000、A3=1050；B1=1.5、B2=1.7、B3=2.0；C1=8、C2=11、C3=14；D1=122.4、D2=123.6、D3=126.0。

45：A1=980、A2=1030、A3=1080；B1=1.2、B2=1.4、B3=1.7；C1=8、C2=11、C3=14；D1=122.4、D2=123.6、D3=126.0。

試驗(yàn)過程中，每一組參數(shù)組合生產(chǎn)100件空心毛管，檢測(cè)其壁厚均勻性與缺陷率，通過極差分析與方差分析，確定各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，篩選最優(yōu)參數(shù)組合。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)20#、45：對(duì)20，影響程度排序?yàn)榧訜釡囟龋敬┛姿俣龋卷旑^前伸量＞導(dǎo)板間距；對(duì)45，影響程度排序?yàn)榧訜釡囟龋卷旑^前伸量＞穿孔速度＞導(dǎo)板間距。

通過極差分析與方差分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，篩選出兩種鋼號(hào)的最優(yōu)熱軋穿孔工藝參數(shù)組合：

20：加熱溫度1000℃，穿孔速度1.7m/s，頂頭前伸量11mm，導(dǎo)板間距123.6mm。采用該參數(shù)組合生產(chǎn)時(shí)，空心毛管的壁厚偏差≤±0.025mm，缺陷率≤0.8%，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。

45：加熱溫度1030℃，穿孔速度1.4m/s，頂頭前伸量11mm，導(dǎo)板間距123.6mm。采用該參數(shù)組合生產(chǎn)時(shí)，空心毛管的壁厚偏差≤±0.028mm，缺陷率≤0.9%，有效解決了偏心、裂紋、內(nèi)折等常見缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

試驗(yàn)驗(yàn)證表明，優(yōu)化后的參數(shù)組合，相較于優(yōu)化前的傳統(tǒng)參數(shù)（20#：1020℃、1.8m/s、12mm、124mm；45#：1050℃、1.5m/s、12mm、124mm），20.2%降至0.8%，45.1%降至0.9%，壁厚均勻性提升30%以上，生產(chǎn)效率提升15%，優(yōu)化效果顯著。

五、工藝優(yōu)化后的實(shí)施效果與保障措施 5.1 實(shí)施效果

將優(yōu)化后的熱軋穿孔工藝關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用于某機(jī)械制造企業(yè)的碳鋼無縫鋼管空心套管生產(chǎn)中，經(jīng)過3個(gè)月的批量生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)施效果如下：20#、45.8%、0.9%以內(nèi)，較優(yōu)化前下降76%以上；壁厚均勻性達(dá)標(biāo)率從75%提升至99%以上，尺寸精度穩(wěn)定符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)效率從80件/小時(shí)提升至92件/小時(shí)，生產(chǎn)成本降低12%；后續(xù)精整加工時(shí)間縮短20%，產(chǎn)品合格率顯著提升，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

5.2 保障措施

為確保優(yōu)化后的工藝參數(shù)穩(wěn)定實(shí)施，提出以下保障措施：一是加強(qiáng)加熱溫度管控，采用智能溫控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱爐溫度，確保溫度波動(dòng)≤±10℃，定期校準(zhǔn)溫控設(shè)備，避免溫度偏差；二是優(yōu)化穿孔速度調(diào)控，采用數(shù)字化控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)設(shè)置軋輥線速度，保持速度穩(wěn)定，避免波動(dòng)；三是加強(qiáng)頂頭與導(dǎo)板的維護(hù)，定期檢測(cè)頂頭前伸量與導(dǎo)板間距，及時(shí)調(diào)整偏差，定期更換磨損的頂頭與導(dǎo)板，確保導(dǎo)向與定位精準(zhǔn)；四是建立參數(shù)臺(tái)賬，記錄不同鋼號(hào)、不同規(guī)格套管的最優(yōu)參數(shù)組合，定期分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)原材料質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)的變化，適時(shí)微調(diào)參數(shù)；五是加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)，提升操作人員的專業(yè)素養(yǎng)，確保操作人員嚴(yán)格按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行操作，避免人為失誤。

六、結(jié)論

熱軋穿孔工藝的加熱溫度、穿孔速度、頂頭前伸量、導(dǎo)板間距四大關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)碳鋼無縫鋼管空心套管的質(zhì)量具有顯著影響，各參數(shù)相互協(xié)同、相互制約，合理設(shè)置參數(shù)組合是提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低缺陷率的核心。

通過試驗(yàn)研究表明，20：加熱溫度1000℃、穿孔速度1.7m/s、頂頭前伸量11mm、導(dǎo)板間距123.6mm；45：加熱溫度1030℃、穿孔速度1.4m/s、頂頭前伸量11mm、導(dǎo)板間距123.6mm。采用該參數(shù)組合，可有效解決空心套管偏心、壁厚不均、裂紋、內(nèi)折等常見缺陷，提升壁厚均勻性與表面質(zhì)量，降低缺陷率與生產(chǎn)成本。

優(yōu)化后的熱軋穿孔工藝，具有較強(qiáng)的針對(duì)性與可行性，適用于中大型碳鋼無縫鋼管空心套管的批量生產(chǎn)，可為企業(yè)提供理論支撐與實(shí)踐參考。未來，可結(jié)合數(shù)字化仿真技術(shù)與智能檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，模擬穿孔過程中金屬的變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的智能化調(diào)控；同時(shí)，結(jié)合表面處理技術(shù)，減少金屬表面氧化，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)碳鋼無縫鋼管空心套管產(chǎn)業(yè)向精細(xì)化、高效化方向發(fā)展。