熱軋無縫鋼管短流程生產工藝研究

秦建平，朱艷春，楚志兵

（太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原030024）

隨著連軋管和張力減徑技術的廣泛應用，熱軋無縫鋼管生產工藝過程與技術裝備趨于完善和成熟，熱軋無縫鋼管機組的生產能力顯著提高。當前熱軋無縫鋼管生產的發展趨勢是產品品種和規格的多樣化、生產過程的節能化，以及提高熱軋無縫鋼管生產的經濟性［1］。為此，從不同角度分析現有熱軋無縫鋼管生產的工藝過程和技術裝備的特點，探求新的生產工藝過程，開發新的生產技術裝備是十分必要的。

目前，我國無縫鋼管的生產企業很多，各種熱軋管生產方式均有應用，根據產品產量和品種規格的側重點不同，可以選用不同的生產系統。軋管生產系統主要有兩種：二輥斜軋穿孔—連軋—張力減徑生產工藝，斜軋穿孔—斜軋（三輥軋管機、精密軋管機）—定（減）徑生產工藝［2］。隨著熱軋無縫鋼管生產的產能飽和，降低生產過程的消耗指標，提高熱軋無縫鋼管生產的經濟效益，滿足無縫鋼管深加工的需求是無縫鋼管生產領域技術進步所追求的目標之一。

傳統的熱軋無縫鋼管生產的特征是將鋼管成型過程分為穿孔、軋管和定（減）徑三個部分，與其他材質品種的熱軋生產相比，熱軋無縫鋼管生產是成型工序環節多，設備型式種類多，生產線最長，設備布置型式最復雜的熱軋生產過程［3-9］。由于坯料的物流距離長，為了保證軋制溫度，通常需要提高軋制速度，并設置再加熱裝置，從而增加了生產過程的能量消耗。

由于熱軋無縫鋼管生產工序環節多，設備種類多，因此導致產品規格調整困難。通常的做法是，盡量減少穿孔和軋管成型過程中中間產品的規格尺寸，將改變產品規格尺寸的成型過程放到定（減）徑工序中。這種做法增加了軋制成型過程的總變形量，同樣也增加了能量的消耗。即使如此，也難以很好地保證下游用戶對無縫鋼管產品規格的要求，無縫鋼管深加工企業需要設置大量的冷軋（拔）設備，進行無縫鋼管的改制和再加工，通過冷減徑減壁，滿足無縫鋼管產品尺寸和性能要求。但這樣的生產過程同樣會消耗大量的能源，增加了金屬消耗，同時需要酸洗等表面處理工序，又增大了對環境的危害［10］。

因此，以節能降耗為中心，滿足用戶多方面的需求，是熱軋無縫鋼管生產技術進步的重要課題。

解決上述問題的根本途徑還是要從無縫鋼管生產工藝與技術裝備入手，通過開發新工藝，研制新設備，使得熱軋無縫鋼管生產技術裝備具有低投入、低產能、低消耗等特點，生產線具有短流程、工藝靈活、適應性強等特點，實現無縫鋼管生產的技術進步［11］。多年來，太原科技大學開發研制了不同的無縫鋼管工藝裝備，并取得了較好的成效，主要的技術創新是穿-軋一體化技術。穿-軋一體化是實現熱軋無縫鋼管生產短流程的重要手段，可降低設備投資，縮短工藝流程，減少能源消耗。目前可以較好地應用于生產中的穿-軋一體技術有兩種形式，即聯合穿軋技術和斜連軋技術。

1 聯合穿軋技術

無縫鋼管聯合穿軋生產技術，是指在一臺三輥斜軋管機上的一組軋輥上完成穿孔、軋管和均整三道成型工序的生產方法。早在20世紀50年代，國外就開始研究熱軋無縫鋼管的三輥聯合穿軋法，在理論與實踐上證明了聯合穿軋的可行性。20世紀60年代，我國哈爾濱工業大學等一些單位也對聯合穿軋技術進行了研究。1977年，太原科技大學（原太原重型機械學院）設計制造了我國第一臺Φ50 mm三輥聯合穿軋機，并于1990年投入熱軋無縫鋼管生產［12］。

無縫鋼管三輥聯合穿軋過程，即采用一套軋輥，將穿孔、軋管、均整3個工序放在一個軋制道次內完成，生產時管坯連續通過不同的變形區段，實現不同的成形過程，三輥聯合穿軋輥形與塑性變形區如圖1所示。通過對各工藝參數進行合理設計，如輥形曲線、送進角、軋輥直徑、轉速等，使各區段的變形滿足連續軋制條件；此外，還要解決生產中出現的各種問題，如鋼管外表面螺旋道、堆鋼、軋卡，從而獲得合格的熱軋成品管。

圖1 三輥聯合穿軋輥形與塑性變形區示意

該Φ50 mm三輥聯合穿軋機組安裝投產以后，多年來設備運轉正常，產品質量好，經濟效益高，累計生產數萬噸熱軋無縫鋼管。該機組的主要技術特點是：①只有一臺軋機，一個道次即可以將實心管坯加工為成品無縫鋼管；②短流程生產，軋件溫降小，管材無需二次加熱，可直接進行定（減）徑軋制；③鋼管材質適應性強，普碳鋼、不銹鋼、軸承鋼等合金鋼均可，有色金屬管也可生產（曾經生產過鈦合金管）；④管材成品質量好，其直徑和壁厚的公差精度均高于相關國家標準。

2 斜連軋技術

盡管三輥聯合穿軋工藝實現了無縫鋼管的短流程生產過程，但是在輥形設計和參數調整方面有諸多不便，這使得三輥聯合穿軋工藝的推廣應用受到很大限制。隨著電子電氣技術的發展，在當代先進電子技術的支撐下，為解決兩套軋輥軋制金屬的秒流量相等提供了條件，因此可以通過傳動控制實現斜軋穿孔和斜軋延伸連續成型過程。

太原科技大學開發了斜連軋技術，研制出我國首臺無縫鋼管斜連軋機組，如圖2所示。斜連軋軋制工藝將穿孔與軋管有機地結合在一起，在一臺軋制設備上采用兩套軋輥實現管坯的穿孔和軋制延伸，也可以實現穿孔—均整、穿孔—二次穿孔、管棒材斜連軋延伸等生產工藝過程［13］。

圖2 斜連軋機組示意

無縫鋼管斜連軋機組的主要技術特點是：①一臺軋機、兩套軋輥和兩套傳動系統；②通過兩個軋制道次即可將實心管坯加工為熱軋無縫鋼管（毛管）；③短流程生產，軋件溫降小，管材無需二次加熱，可直接進行定（減）徑軋制；④鋼管材質適應性強，普碳鋼、不銹鋼、軸承鋼等合金鋼均可，有色金屬管也可生產（曾經生產過鎂合金管），也適于軋制難變形金屬。

采用斜連軋技術生產熱軋無縫鋼管需要從工藝分析與設備調整兩個方面實施。通過分析金屬斜連軋工藝的成型過程，設定并修正斜連軋的變形工藝參數，構建金屬斜連軋穿孔和軋制的速度模型，推導出合理的穿、軋過程的速度匹配關系。此外，分析穿孔頂頭并對其參數進行設定，設計適應于金屬斜連軋的頂頭也是必要的。

無縫鋼管的斜連軋技術尚處于開發過程中，有待于進一步的工業性試驗和試生產來進行驗證與考核。期待該項技術能夠盡快在無縫鋼管的工業生產中發揮重要作用。

3 穿孔-軋制技術

聯合穿軋和斜連軋技術可以顯著縮短生產工藝流程，但是由于穿孔和軋制的變形集中在一臺設備上，除調整困難外，變形量有限是制約其廣泛應用的主要因素。因此尋求新的無縫鋼管生產工藝流程和設備布置是必要的。

將穿孔機與軋機布置在一條軋制線上，斜軋穿孔采用軸向出管技術，使荒管直接進入連軋機進行軋制，或者直接將穿孔脫棒過程與連續軋制過程結合在一起，形成穿孔-軋制生產線。這種方式顯著縮短了軋制線長度，減少了坯料運行時間，降低了能源消耗。

軸向出管技術早期在卡爾梅斯皮爾格軋管的延伸機上采用，在20世紀中期用于斜軋無縫鋼管穿孔生產，其目的是縮短脫棒時間，提高生產效率。穿軋軸向出管如圖3所示。太原科技大學研制的Φ50 mm三輥聯合穿軋機組就采用了軸向出管技術，減少了機組占地面積，提高了生產效率。

圖3 穿軋軸向出管示意

軸向出管裝置主要由前卡截器、出口導管、定心輥、夾送輥、后卡截器、止擋機構、輸出輥道、后臺臺架、頂桿和頂頭組成。其基本工作原理是：在穿孔狀態下，頂桿的尾部由止擋機構頂住，中間由定心輥抱緊，頂頭處于穿孔位置，開始穿孔，隨著穿孔過程的進行，定心輥逐個打開，便于荒管向前運行。當穿孔過程結束，荒管的尾部離開軋機，后卡截器將頂桿夾緊，夾送輥將荒管繼續送進頂桿，使頂桿的頭部露出，然后前卡截器夾緊頂桿頭部，后卡截器和止擋機構打開，夾送輥將荒管送出，進入輸出輥道。

在目前的無縫鋼管生產技術狀態下，可以利用軸向出管技術改進無縫鋼管生產車間的工藝路線和設備布置，為縮短工藝流程提供可能。

將軸向出管的輸出輥道與軋管機的輸入輥道結合在一起，從而實現穿孔與軋制的連續作業，縮短了軋件的運行時間。由于穿孔、軋制連續進行，在此軋制過程中溫度下降很小，降低了能源的消耗。

與穿孔機軸向出管銜接的軋制設備可以有不同的型式。圖4所示為一種小型管材連軋機組，機組由8機架三輥Y型軋機組成，可以根據要求增加或減少機架的數量。機架按照正反Y型布置，采用標準傳動裝置，單獨傳動；機組的入口和出口分別設置前、后臺；機組可以采用不同的芯棒軋制型式。目前，適用于多品種、多規格、小直徑無縫鋼管產品生產的緊湊型鋼管連軋生產線以及配套的芯棒裝置還在開發研制階段。

圖4 小型管材連軋機組示意

4 結 語

無縫鋼管的穿-軋成型特點決定了其生產工藝流程和設備布置的型式，穿-軋一體化是對現有無縫鋼管生產方式的重大變革，也是實現熱軋無縫鋼管經濟型生產和智能化生產的有效手段［1］。穿-軋一體化工藝具有降低設備投資、縮短工藝流程、減少能源消耗、適于生產難變形金屬管材等特點。因此積極開發無縫鋼管生產的穿-軋一體化技術，對無縫鋼管生產技術的發展具有重要意義。