碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔工艺关键参数优化研究

碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔工艺关键参数优化研究

摘要：热轧穿孔工艺是碳钢无缝钢管空心套管生产的核心工序，其关键参数设置的合理性，直接决定套管的壁厚均匀性、尺寸精度、表面质量及力学性能，进而影响产品的后续加工适配性与使用效能。目前，碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔生产中，常因加热温度、穿孔速度、顶头前伸量等关键参数设置粗放，导致套管出现偏心、壁厚不均、表面裂纹、内折等缺陷，制约产品质量与生产效率。本文以20#、45，系统分析热轧穿孔工艺的核心原理，明确加热温度、穿孔速度、顶头前伸量、导板间距四大关键参数对产品质量的影响机制，通过单因素试验与正交试验，优化参数组合方案，解决生产中的缺陷问题，实现热轧穿孔工艺的精准管控，为企业提升产品合格率、降低生产成本提供理论支撑与实践参考。

关键词：碳钢无缝钢管；空心套管；热轧穿孔；关键参数；参数优化；缺陷防控

一、引言

碳钢无缝钢管空心套管作为机械制造、液压传动、工程机械等领域的核心基础零部件，其生产工艺主要分为热轧与冷拔两大类。其中，热轧穿孔工艺凭借成型效率高、产能大、成本低、适配大规格套管生产等优势，成为中大型碳钢无缝钢管空心套管（外径80~200mm）的主流成型方式，广泛应用于批量生产场景。热轧穿孔工艺以碳钢圆钢锭为原材料，通过加热炉加热至塑性状态后，经穿孔机、导板、顶头等部件的协同作用，将实心圆钢锭加工成空心毛管，为后续精整、热处理工序奠定基础。

热轧穿孔工序是碳钢无缝钢管空心套管成型的“定形”环节，其关键工艺参数的匹配度，直接决定空心毛管的壁厚均匀性、圆度、表面质量及内部组织性能。在实际生产中，由于20#、45，且生产企业对关键参数的优化重视不足，常采用统一化参数进行生产，导致空心套管易出现偏心、壁厚波动、表面氧化裂纹、内折、外折等缺陷，缺陷率居高不下，不仅增加后续精整加工难度与生产成本，还会影响套管的后续加工适配性与使用寿命。

因此，深入研究碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔工艺的关键参数，分析各参数对产品质量的影响机制，通过试验优化参数组合，实现工艺参数的精准调控，对降低缺陷率、提升产品质量、提高生产效率具有重要的现实意义与工业应用价值。本文聚焦加热温度、穿孔速度、顶头前伸量、导板间距四大核心参数，结合20#、45，开展参数优化研究，形成适配不同钢号的最优参数方案。

二、碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔工艺核心原理

碳钢无缝钢管空心套管热轧穿孔工艺的核心原理，是利用金属在高温状态下的塑性变形特性，通过穿孔机的轧辊、导板与顶头的协同作用，将实心圆钢锭逐步轧制成空心毛管。其整个工艺过程主要分为三个阶段：咬入阶段、穿孔阶段、均整阶段。

咬入阶段是热轧穿孔的初始环节，将加热至塑性状态的碳钢圆钢锭送入穿孔机，通过轧辊的旋转摩擦力，将圆钢锭咬入轧辊与顶头之间，此时圆钢锭开始承受径向压力与轴向拉力，表面金属发生初步塑性变形，为后续穿孔奠定基础。该阶段的核心要求是确保圆钢锭平稳咬入，避免出现打滑、跑偏等问题，否则会导致后续穿孔偏心。

穿孔阶段是整个工艺的核心，圆钢锭被咬入后，在轧辊的挤压、顶头的顶推及导板的导向作用下，内部金属逐步被穿透，形成空心毛管。该阶段中，金属的塑性变形最为剧烈，径向变形与轴向变形协同进行，壁厚逐步减薄至预设尺寸，其变形均匀性直接决定空心毛管的壁厚均匀性与圆度。

均整阶段是穿孔工艺的收尾环节，空心毛管经过穿孔阶段后，进入均整段，通过均整轧辊的进一步挤压与修整，修正空心毛管的壁厚偏差、圆度偏差，细化金属晶粒，提升表面质量，使空心毛管的尺寸精度、表面质量达到后续加工的要求。

整个热轧穿孔过程中，加热温度决定碳钢的塑性与变形抗力，穿孔速度、顶头前伸量、导板间距决定金属的变形速度、变形均匀性与受力状态，四大关键参数相互协同、相互影响，共同决定空心毛管的产品质量。若任一参数设置不合理，都会导致金属变形不均，引发各类缺陷。

三、热轧穿孔工艺关键参数对产品质量的影响机制

以20#、45，结合生产实践，分析加热温度、穿孔速度、顶头前伸量、导板间距四大关键参数对产品质量的影响机制，明确各参数的合理调控范围，为后续参数优化提供理论依据。

3.1 加热温度的影响

加热温度是热轧穿孔工艺的首要参数，直接决定碳钢的塑性、变形抗力与金属组织状态，对产品质量的影响最为显著。碳钢的塑性随加热温度的升高而提升，变形抗力随加热温度的升高而降低，但若加热温度过高或过低，都会引发不同的质量缺陷。

加热温度过低时，碳钢的塑性不足、变形抗力较大，穿孔过程中金属变形困难，易出现咬入打滑、穿孔力过大等问题，导致空心毛管出现壁厚不均、偏心、表面划痕等缺陷；同时，变形过程中应力集中现象明显，易引发表面裂纹，尤其是45，含碳量较高，塑性相对较差，低温穿孔时裂纹缺陷发生率显著升高。

加热温度过高时，碳钢会出现过热、过烧现象，金属晶粒急剧粗大，导致空心毛管的力学性能下降（强度、硬度降低，韧性变差）；同时，过高的温度会加剧金属表面的氧化，形成较厚的氧化皮，氧化皮脱落会导致空心毛管表面出现麻点、凹坑等缺陷，严重时会引发表面裂纹；此外，过烧还会导致金属内部组织疏松，出现分层缺陷，影响套管的承载能力。

结合20#、45，加热温度的合理范围为：20~1050℃，45~1080℃。在此范围内，碳钢具有良好的塑性与变形抗力，变形均匀，可有效减少各类缺陷的产生。

3.2 穿孔速度的影响

穿孔速度是指轧辊的线速度，直接决定金属的变形速度与穿孔效率，影响金属变形均匀性与受力状态。穿孔速度过快或过慢，都会导致金属变形不均，引发质量缺陷。

穿孔速度过慢时，金属在穿孔区域的停留时间过长，受到的挤压次数过多，会导致局部金属过度变形，出现壁厚偏薄、表面拉伤等缺陷；同时，停留时间过长会加剧金属表面氧化，氧化皮附着在空心毛管表面，影响表面质量；此外，过慢的穿孔速度会降低生产效率，增加生产成本。

穿孔速度过快时，金属变形速度过快，塑性变形无法充分进行，导致金属内部应力集中，易引发表面裂纹、内折等缺陷；同时，速度过快会导致咬入不稳定，出现跑偏、偏心等问题，影响空心毛管的壁厚均匀性与圆度；此外，过快的穿孔速度还会导致顶头磨损加剧，缩短顶头使用寿命，间接影响产品质量。

结合生产实践，穿孔速度的合理范围为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，确保金属变形充分、均匀。

3.3 顶头前伸量的影响

顶头前伸量是指顶头头部与轧辊中心线的偏移量，直接决定穿孔过程中金属的穿透位置与受力状态，对空心毛管的壁厚均匀性、偏心缺陷影响最为显著。顶头前伸量过大或过小，都会导致金属受力不均，引发偏心、壁厚偏差等缺陷。

顶头前伸量过小时，顶头对金属的顶推力不足，金属穿透位置偏后，穿孔过程中金属径向变形过大、轴向变形不足，导致空心毛管壁厚偏厚、内壁粗糙，且易出现内折缺陷；同时，顶推力不足会导致咬入不稳定，出现跑偏现象，加剧偏心。

顶头前伸量过大时，顶头对金属的顶推力过大，金属穿透位置偏前，穿孔过程中金属轴向变形过大、径向变形不足，导致空心毛管壁厚偏薄、壁厚均匀性差，且易出现外折、表面裂纹等缺陷；此外，过大的顶推力会加剧顶头磨损，甚至导致顶头损坏，中断生产流程。

结合空心套管的规格（外径80~200mm、壁厚5~15mm），顶头前伸量的合理范围为8~15mm，其中小规格套管采用8~11mm，大规格套管采用12~15mm，同时需根据钢号调整，20，45。

3.4 导板间距的影响

导板间距是指导板与轧辊之间的距离，其作用是对圆钢锭与空心毛管进行导向、定位，确保金属变形过程中保持平稳，避免出现跑偏、偏心等问题，直接影响空心毛管的圆度与壁厚均匀性。导板间距过大或过小，都会影响导向效果，引发质量缺陷。

导板间距过小时，导板对金属的挤压力过大，会导致空心毛管表面出现拉伤、划痕等缺陷；同时，挤压力过大还会导致金属变形不均，出现壁厚偏差、圆度超差等问题；此外，过小的导板间距会增加金属的运动阻力，加剧轧辊、导板的磨损，影响生产稳定性。

导板间距过大时，导板的导向、定位作用减弱，圆钢锭与空心毛管在穿孔过程中易出现跑偏、晃动等问题，导致空心毛管出现偏心、壁厚不均等缺陷；同时，过大的间距会导致金属变形过程中无约束，出现局部凸起、凹陷等表面缺陷，影响表面质量。

导板间距的合理范围需与空心套管的外径相匹配，一般为套管外径的1.02~1.05倍，其中20，可采用1.03~1.05倍的间距；45，需采用1.02~1.04倍的间距，确保导向精准、受力均匀。

四、热轧穿孔工艺关键参数优化试验与方案

为获得最优的热轧穿孔工艺参数组合，以20#、45（规格：外径120mm、壁厚10mm）为试验对象，采用单因素试验与正交试验相结合的方法，以壁厚均匀性、缺陷率为评价指标，开展参数优化研究，确定适配两种钢号的最优参数方案。

4.1 试验方案设计

试验采用四因素三水平正交试验设计，选取加热温度（A）、穿孔速度（B）、顶头前伸量（C）、导板间距（D）为试验因素，每个因素设置3个水平，以空心毛管的壁厚偏差（≤±0.03mm）、缺陷率（≤1%）为评价指标，正交试验因素与水平如下表所示（单位：温度℃、速度m/s、前伸量mm、间距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。

试验过程中，每一组参数组合生产100件空心毛管，检测其壁厚均匀性与缺陷率，通过极差分析与方差分析，确定各因素对评价指标的影响程度，筛选最优参数组合。

4.2 试验结果与分析

正交试验结果表明，各因素对20#、45：对20，影响程度排序为加热温度＞穿孔速度＞顶头前伸量＞导板间距；对45，影响程度排序为加热温度＞顶头前伸量＞穿孔速度＞导板间距。

通过极差分析与方差分析，结合生产实践验证，筛选出两种钢号的最优热轧穿孔工艺参数组合：

20：加热温度1000℃，穿孔速度1.7m/s，顶头前伸量11mm，导板间距123.6mm。采用该参数组合生产时，空心毛管的壁厚偏差≤±0.025mm，缺陷率≤0.8%，表面质量优良，力学性能达标。

45：加热温度1030℃，穿孔速度1.4m/s，顶头前伸量11mm，导板间距123.6mm。采用该参数组合生产时，空心毛管的壁厚偏差≤±0.028mm，缺陷率≤0.9%，有效解决了偏心、裂纹、内折等常见缺陷，产品质量稳定。

试验验证表明，优化后的参数组合，相较于优化前的传统参数（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%，壁厚均匀性提升30%以上，生产效率提升15%，优化效果显著。

五、工艺优化后的实施效果与保障措施 5.1 实施效果

将优化后的热轧穿孔工艺关键参数应用于某机械制造企业的碳钢无缝钢管空心套管生产中，经过3个月的批量生产验证，实施效果如下：20#、45.8%、0.9%以内，较优化前下降76%以上；壁厚均匀性达标率从75%提升至99%以上，尺寸精度稳定符合行业标准；生产效率从80件/小时提升至92件/小时，生产成本降低12%；后续精整加工时间缩短20%，产品合格率显著提升，获得了良好的经济效益与社会效益。

5.2 保障措施

为确保优化后的工艺参数稳定实施，提出以下保障措施：一是加强加热温度管控，采用智能温控系统，实时监控加热炉温度，确保温度波动≤±10℃，定期校准温控设备，避免温度偏差；二是优化穿孔速度调控，采用数字化控制系统，精准设置轧辊线速度，保持速度稳定，避免波动；三是加强顶头与导板的维护，定期检测顶头前伸量与导板间距，及时调整偏差，定期更换磨损的顶头与导板，确保导向与定位精准；四是建立参数台账，记录不同钢号、不同规格套管的最优参数组合，定期分析生产数据，根据原材料质量、设备状态的变化，适时微调参数；五是加强操作人员培训，提升操作人员的专业素养，确保操作人员严格按照优化后的参数进行操作，避免人为失误。

六、结论

热轧穿孔工艺的加热温度、穿孔速度、顶头前伸量、导板间距四大关键参数，对碳钢无缝钢管空心套管的质量具有显著影响，各参数相互协同、相互制约，合理设置参数组合是提升产品质量、降低缺陷率的核心。

通过试验研究表明，20：加热温度1000℃、穿孔速度1.7m/s、顶头前伸量11mm、导板间距123.6mm；45：加热温度1030℃、穿孔速度1.4m/s、顶头前伸量11mm、导板间距123.6mm。采用该参数组合，可有效解决空心套管偏心、壁厚不均、裂纹、内折等常见缺陷，提升壁厚均匀性与表面质量，降低缺陷率与生产成本。

优化后的热轧穿孔工艺，具有较强的针对性与可行性，适用于中大型碳钢无缝钢管空心套管的批量生产，可为企业提供理论支撑与实践参考。未来，可结合数字化仿真技术与智能检测技术，进一步优化工艺参数，模拟穿孔过程中金属的变形规律，实现参数的智能化调控；同时，结合表面处理技术，减少金属表面氧化，进一步提升产品质量，推动碳钢无缝钢管空心套管产业向精细化、高效化方向发展。