無縫鋼管生產(chǎn)的新工藝
——金屬斜連軋*

王付杰，雙遠華，張國慶

（1.太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024；2.運城學院機電工程系，山西運城044000；3.太原磬泓機電設備有限公司，山西太原030024）

無縫鋼管生產(chǎn)的新工藝
——金屬斜連軋*

王付杰1，2，雙遠華1，張國慶3

（1.太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024；2.運城學院機電工程系，山西運城044000；3.太原磬泓機電設備有限公司，山西太原030024）

金屬斜連軋工藝是一種新型的無縫鋼管生產(chǎn)工藝，能夠在1臺設備上實現(xiàn)穿孔—軋管工藝。介紹了斜連軋設備的結構，斜連軋工藝的特征、流程以及與傳統(tǒng)軋管工藝的區(qū)別，同時介紹了利用斜連軋試驗機組展開試驗研究的情況。該工藝的優(yōu)勢在于：只需1臺設備就可完成無縫鋼管的穿孔和軋管，工藝流程短，生產(chǎn)效率高，節(jié)能環(huán)保，投資少，成本低。經(jīng)試驗證明：該工藝切實可行，在生產(chǎn)難變形金屬時具有一定的競爭優(yōu)勢。

無縫鋼管；斜連軋工藝；短流程；穿孔—軋管

節(jié)能、環(huán)保、短流程是目前管材生產(chǎn)探索的方向之一，但是新工藝、新方法、新理論的探索難度較大，近10多年以來未能有大的發(fā)現(xiàn)和突破。金屬斜連軋工藝是在太原科技大學的三輥聯(lián)合穿軋工藝［1］和德國SMS Meer公司的3RCM型三輥聯(lián)合穿軋工藝［2］理論研究的基礎上提出的。三輥聯(lián)合穿軋和3RCM型三輥聯(lián)合穿軋工藝名稱相近，但工作原理大相徑庭。太原科技大學的三輥聯(lián)合穿軋工藝是在1組軋輥上實現(xiàn)穿孔和軋管等多道工序，即將穿孔、軋管、均整3道工序在1個工藝過程中連續(xù)完成（圖1）；軋輥變形區(qū)分為5段，即咬入、穿孔、擴徑、軋管與均整，芯棒由錐形頂頭和圓柱芯棒組合而成［1］。德國SMS Meer公司的聯(lián)合穿軋工藝同樣是在1臺主機、1組軋輥上完成穿軋，不過是先正向穿孔，穿孔后毛管反向返回主機進行軋管［2］。顯然，前者實現(xiàn)了在1組軋輥上斜軋連軋的關系，但又不屬于真正的斜軋連軋，因為其穿孔與軋管只能在同一組壓下裝置下進行，互相產(chǎn)生干擾；后者減少了傳統(tǒng)的設備，但仍屬傳統(tǒng)三步軋管工藝，并非穿軋一體化，且運動復雜，不具備工藝的先進性。

圖1 三輥聯(lián)合穿軋工藝原理示意

斜連軋工藝是在2組（或2組以上）斜軋軋輥上進行軋制，金屬在2組（或2組以上）軋輥之間實現(xiàn)連軋關系（圖2）。斜連軋工藝是無縫鋼管生產(chǎn)中的一種嶄新的工藝，也是對二步軋管工藝新的探索。

1 金屬斜連軋的工藝探索

目前，全球采用斜軋方法生產(chǎn)無縫鋼管基本是傳統(tǒng)的三步成型（穿孔—軋管—定/減徑）軋管工藝模式。自1886年6月曼氏兄弟在德國Remscheid建立鋼管廠成功軋出第1根穿孔坯，120多年來，在這一模式下延伸出各種工藝達30余種，圖3所示為目前典型的無縫鋼管生產(chǎn)工藝之一；而CPS（Cross-roll Piercing，Stretch-reducing，斜軋穿孔+張力減徑）軋管工藝，則是典型的二步軋管工藝，即只有斜軋錐形穿孔和張力減徑兩個變形工序，而沒有軋管工序的生產(chǎn)方法，是20世紀90年代由德國曼內(nèi)斯曼-德馬克公司提出，隨后由Widera先生在南非Tosa鋼管廠進行CPS工藝的工業(yè)性試驗，后因在生產(chǎn)壁厚8 mm以下的鋼管時螺旋印難以消除而未獲成功，而后由意大利Innse公司在穿孔機與張力減徑機之間安裝了1臺4機架MPM軋管機以解決薄壁管生產(chǎn)問題，稱為Mini-MPM軋管機［3-6］。圖4所示為斜連軋工藝生產(chǎn)無縫鋼管流程，由圖4可見斜連軋工藝將穿孔—軋管道次合二為一，屬于典型的二步軋管工藝。

圖2 金屬斜連軋原理示意

圖3 典型無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程

圖4 斜連軋工藝生產(chǎn)無縫鋼管流程

斜軋理論研究取得的成果往往是建立在新工藝、新材料的發(fā)明與進步基礎上。工藝和設備的創(chuàng)新直接帶來后續(xù)的理論研究、材料研究、過程模擬分析等進一步的研究發(fā)展。從國內(nèi)外研究的重點和方向來看，主要集中在采用不同方法和手段對現(xiàn)有斜軋工藝變形機理、成型理論以及對新材料在軋制中的組織演變和材料性能的研究。這些研究方法和思路為新工藝的發(fā)展和研究提供了明確的指向。

從目前的信息資料看，德國Friedrich Kocks公司提出的一種無縫鋼管生產(chǎn)方法［7］（圖5），屬于斜連軋工藝，但沒有考慮穿孔問題。而這種工藝未能進一步地展開研究和分析，也未能見到相關的設備或試驗裝置的報道，只是一種設想。瑞典SKF集團Ovako公司Hofo廠于1986年設計并試驗完成的NEL（No End Loss）裝置是一種不完整的斜連軋型式，其軋輥是從動的，目前常作為Assel軋管機上的一個附加裝置存在；作為一種預軋裝置，它的變形量相對較小，甚至可以認為是荒管入口的抱芯輥裝置［8］。經(jīng)實踐檢驗，目前國內(nèi)Assel軋管機組雖然在設計時有NEL裝置，但現(xiàn)在大多不再使用，主要是不便于換輥和軸向調(diào)整；當生產(chǎn)規(guī)格較多時，小軋輥的調(diào)整時間長，預軋效果不佳。另外，關于矯直和定徑的研究，以前在技術交流中有學者和技術人員認為它具有斜連軋的特征，可以認為是冷斜連軋，但是由于變形較小，它又不是一種有效形式的金屬斜連軋，僅僅是金屬小變形量或局部塑性加工的材料成型過程?？傊?，目前來看國內(nèi)外對于金屬斜連軋尚缺乏相關的研究。

圖5 德國Friedrich Kocks公司提出的一種無縫鋼管生產(chǎn)方法示意

系統(tǒng)地分析無縫鋼管發(fā)展歷史，深入開展斜軋理論和試驗研究，是提出新型斜連軋工藝的基礎。具有穿孔和軋管過程連續(xù)加工的新型斜連軋工藝的提出前期也僅僅是一種設想，由于同行間的交流使得這種思想在小范圍內(nèi)獲得認可，文獻［9］在關于消除斜軋鋼管內(nèi)表面螺旋道的探索中曾經(jīng)提出斜軋連軋的設想。這種設想和本研究是相互獨立展開的，而國內(nèi)外就斜連軋的其他研究目前鮮見報道。

2 金屬斜連軋的工藝特點

斜連軋工藝是將生產(chǎn)中穿孔和軋管兩個變形階段合為一個連續(xù)軋制變形過程，并非簡單的將穿孔和軋管設備合二為一，工藝實現(xiàn)的難度遠遠大于簡單的合并，目前尚缺乏相關的理論支撐。

經(jīng)過多年的理論研究與實踐探索，提出新型斜連軋工藝的構想，并在工藝理論研究和實踐中做了大量工作，認為相對于傳統(tǒng)無縫鋼管生產(chǎn)工藝，金屬斜連軋工藝具有如下特點：①軋件在穿孔—軋管過程中溫降很小，可以軋制變形溫度范圍小或者難變形的特殊金屬；②相對于聯(lián)合穿軋，斜連軋輥型設計的難度降低；③相對于聯(lián)合穿軋工藝，軋輥角度調(diào)整方便簡單；④可以實現(xiàn)穿孔—軋管、穿孔—二次穿孔、連續(xù)大變形的棒材軋制、連軋有特殊要求的管材、連軋型材等，能夠有效提高生產(chǎn)效率；⑤實現(xiàn)短流程生產(chǎn)，初期投資少，生產(chǎn)效率高，成本低，能耗??；⑥有效降低穿孔—軋管道次間氧化鐵皮的生成，從而有效降低產(chǎn)品的缺陷和改善內(nèi)部組織的質(zhì)量。

雖然斜連軋工藝具有一定的優(yōu)點，但是對此工藝的探索是長期的，需要大量的試驗和生產(chǎn)實踐來進行更深入的探索。

3 斜連軋管的生產(chǎn)設備

斜連軋管機組主軋機就是在1臺設備上完成穿孔和軋管過程，主要包括主機架（圖6）、穿孔軋輥、穿孔壓下調(diào)整系統(tǒng)、軋管軋輥、軋管壓下調(diào)整系統(tǒng)、卡截器裝置、機架開閉裝置、鎖緊裝置、平衡系統(tǒng)、頂頭-芯棒系統(tǒng)（后臺系統(tǒng)）、前臺系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等，其中穿孔段的3個穿孔軋輥呈120°分布，軋輥系統(tǒng)由轉轂來實現(xiàn)送進角調(diào)整；同樣，軋管段的3個軋管軋輥也呈120°分布，其軋輥系統(tǒng)仍由轉轂來實現(xiàn)送進角、輾軋角的調(diào)整。管坯由前臺系統(tǒng)送入主軋機后，通過軋輥咬入送進穿孔段，完成穿孔過程，繼續(xù)前進進入軋管段實現(xiàn)管材軋制，軋制后管材送入后臺系統(tǒng)脫棒、翻鋼再進入下一工序。穿孔和軋管由于工藝參數(shù)的設定形成連軋關系。由于機架間的相對獨立性，使得斜連軋的工藝參數(shù)調(diào)整可以方便地實現(xiàn)在線控制和調(diào)整［10］。

斜連軋同時具有斜軋和連軋的特性，二者的優(yōu)缺點同樣會繼承，因此控制和檢測設備的合理使用會大大提高其工藝的可行性，進一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。使用先進的傳感器組，可以直接獲得設備軋制力、扭矩、位移、速度、溫度等信號，便于設備及工藝控制；安裝中間卡截器為相應控制設備的安裝提供了很好的平臺，為構建工藝在線控制系統(tǒng)奠定了基礎。完備的在線閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠為在生產(chǎn)中及時檢測鋼管質(zhì)量做出準確的響應，最大限度地防止鋼管出現(xiàn)扭轉、堆鋼、拉鋼等生產(chǎn)問題。另外，斜連軋設備中軋輥輥型的設計相對而言比較簡單，能夠大大減少設備的維護成本。

圖6 斜連軋管機的主機架結構示意

4 金屬斜連軋試驗機組及試驗結果

為進一步對金屬斜連軋工藝進行摸索，本課題組設計開發(fā)了結構緊湊的金屬斜連軋試驗平臺［11］（圖7），并在試驗臺上進行了初步的試驗，試軋普通45鋼取得了成功。

圖7 金屬斜連軋試驗平臺

金屬斜連軋試驗平臺具有結構緊湊，工藝參數(shù)調(diào)整方便，同時容易通過進一步改進來實現(xiàn)自動控制和在線檢測，工藝和試驗數(shù)據(jù)采集設備和端口安裝齊全，為工藝研究奠定了基礎。金屬斜連軋試驗時試軋了Φ40 mm毛管，獲得的荒管直徑為39 mm、壁厚為4 mm，圖8所示為斜連軋的軋制樣品，圖9所示為軋制過程中軋制力及頂頭軸向力的變化情況。試驗中使用紅外線測溫儀測量中間段的溫度為1 180℃，相對于管坯出爐溫度1 150℃略高，穿孔段與軋管段距離較短，而軋制速度較快，在進入軋管段時溫度降低較小或者依然保持在1 180℃，對于軋管段溫度區(qū)間要求較高的材料而言，溫度的控制較為容易。從已經(jīng)采集的試驗數(shù)據(jù)和試驗結果來分析，生產(chǎn)的荒管表面質(zhì)量良好，尺寸精度高，斜連軋的力能數(shù)據(jù)小于單一斜軋的力能數(shù)據(jù)，能夠用于加工軋制變形溫度較高或溫度區(qū)間較小的難變形金屬。

圖8 金屬斜連軋的軋制樣品

圖9 金屬斜連軋工藝中軋制力及頂頭軸向力的變化情況

試驗工作仍在進一步進行，對新工藝的研究逐步深入，為獲得生產(chǎn)需要的工藝參數(shù)做前期的探索，同時也為新工藝的實用化和推廣奠定基礎。

5 結語

結構緊湊的金屬斜連軋設備具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保、設備和生產(chǎn)成本低等特點，應用前景將會非常廣闊。金屬斜連軋設備具備其他現(xiàn)代化穿孔機和延伸機的工藝特征，而新工藝的探索和發(fā)展仍需要做大量的研究。雖然斜連軋工藝的探索取得一定的進展，通過了工廠現(xiàn)場的模擬試驗，表明斜連軋設備是一種成功的新型軋管機，但是要實現(xiàn)真正的工業(yè)化生產(chǎn)仍需要走很長的路，需要材料研究、工藝設計、機械設計、機械制造、液壓系統(tǒng)設計、電氣控制等專業(yè)技術人員以及試驗廠家的協(xié)調(diào)、配合和攻關，共同為新工藝的發(fā)展作出努力，使斜連軋技術早日應用到實際生產(chǎn)中。

［1］李國禎.Φ50 mm三輥聯(lián)合穿軋無縫鋼管軋機［J］.鋼管，1991，20（4）：42-47.

［2］Hans Joachim Pehle.新型三輥組合式軋管機——3RCM的工藝特點［J］.鋼管，2003，32（2）：52-54.

［3］湯元藝，李幼安，周慶杰.CPS工藝介紹及評述［J］.鋼管，1991，20（2）：9-12.

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［5］李群，楊帆，丁德元，等.從MPM到PQF——限動芯棒連軋管機回顧及展望［J］.鋼管，2007，36（6）：19-24.

［6］金如崧.Tosa鋼管廠、CPS工藝和MINI-MPM：《無縫鋼管百年史話》（續(xù)釋7）［J］.鋼管，2003，32（3）：57-59.

［7］Friedrich Kocks.Method for manufacture of seamless tube：United States Patent，3695076［P］.1972-10-03.

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［9］李群.斜軋連軋——關于消除斜軋鋼管內(nèi)表面螺旋道的探索［J］.鋼管，2009，38（4）：70-73.

［10］雙遠華，張國慶，同育權，等.無縫鋼管三輥斜連軋生產(chǎn)方法及其設備：中國，201110035224.2［P］.2011-01-30.

［11］雙遠華，王付杰，孫京超，等.一種生產(chǎn)管材或棒材的三輥斜連軋機：中國，201310240400.5［P］.2013-06-18.

A New Type of Seamless Steel Pipe Production Process—Tandem Skew Rolling Process

WANG Fujie1，2，SHUANG Yuanhua1，ZHANG Guoqing3
（1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Mechanical&Electrical Engineering Department，Yuncheng University，Yuncheng 044000，China；3.Taiyuan Qinghong Electromechanical Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China）

The tandem skew rolling is a new type of seamless steel pipe production process，featuring piercing and rolling on one equipment.Introduced here are the structure of the tandem skew rolling equipment，the characteristics and flow of the process，as well as its difference from the traditional pipe rolling process.Also described are the tests and study made on the experimental tandem skew rolling mill.The advantages of this process lie in the features such as only one equipment is needed for piercing and rolling，short process flow，high efficiency，energy-saving and environmental friendly，less investment and low cost etc.The tests indicate that this process is practical and has competitive advantages for processing metals which are difficult to deform.

seamless steel pipe；tandem skew rolling process；short process；piercing-rolling

TG335.71

B

1001-2311（2014）03-0054-05

2013-06-08；修定日期：2014-02-08）

*山西省回國留學人員科研基金資助項目（2012-074）王付杰（1975-），男，博士，講師，主要從事管材、棒材成型及其自動化研究。