無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品多樣化探討

朱艷春，楚志兵，秦建平

（太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)品的社會(huì)保有量急劇增加，鋼鐵生產(chǎn)能力過剩的問題越來越突出。無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域同樣存在產(chǎn)能過剩的問題，只是由于與板帶和長(zhǎng)材相比，生產(chǎn)流程較短，企業(yè)規(guī)模較小，與鋼鐵生產(chǎn)的上游相距較遠(yuǎn)，生產(chǎn)相對(duì)獨(dú)立，因此影響范圍較小。盡管如此，無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能過剩問題也應(yīng)該引起重視，尋求有效的、積極的解決辦法［1-14］。

與板帶和長(zhǎng)材生產(chǎn)過程相比，無縫鋼管生產(chǎn)具有變形工序多，工藝流程長(zhǎng)，產(chǎn)品規(guī)格多，軋件長(zhǎng)度短等特點(diǎn)。無縫鋼管生產(chǎn)線的機(jī)械設(shè)備種類多，設(shè)備設(shè)置相對(duì)獨(dú)立，適于處理小尺寸、小批量的金屬材料，易于生產(chǎn)非鋼管類軋制產(chǎn)品。隨著國家軍工、能源、海洋和高科技等領(lǐng)域的發(fā)展，小批量、多品種的輕金屬材料、特種金屬材料和雙金屬復(fù)合材料的需求增長(zhǎng)很快，然而相應(yīng)的生產(chǎn)加工手段的開發(fā)相對(duì)滯后，由于產(chǎn)量有限，新建專門的生產(chǎn)廠經(jīng)濟(jì)效益較低，所以充分利用現(xiàn)有無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的熱軋和后續(xù)加工能力，開發(fā)生產(chǎn)非鋼管類軋制產(chǎn)品，對(duì)于無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步是十分有益的。

輕金屬材料主要是鋁、鎂、鈦及其合金，軋制產(chǎn)品的形式主要是板和棒、線材。近年來鈦合金管材和鋁合金型材的發(fā)展很快。

特種金屬材料包括特殊合金鋼和鎢、鉬、鎳等金屬材料，特殊合金鋼的產(chǎn)品形式以板、帶材為主，鎢、鉬主要是棒、線材，鎳則是薄窄帶材。

雙金屬復(fù)合材料鋼、鋁、鎂、鈦、銅等異種或同種金屬構(gòu)成板、管、棒線和型材，作為結(jié)構(gòu)性材料，主要是雙金屬板、帶材和雙金屬管材。

利用無縫鋼管機(jī)組生產(chǎn)上述材料可以采取不同的工藝路線，使用不同的軋制設(shè)備。由于無縫鋼管軋制生產(chǎn)線的主要變形設(shè)備是斜軋穿孔機(jī)和軋管機(jī)，所以，為了充分利用這些設(shè)備的軋制變形能力，可以針對(duì)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同的工藝路線。另外，斜軋、連軋、定（減）徑、熱擴(kuò)徑設(shè)備等也可以直接用來生產(chǎn)不同形式的產(chǎn)品。

根據(jù)上述思路，設(shè)定部分非無縫鋼管產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程，并探索了實(shí)際應(yīng)用的可能性。

1 棒材生產(chǎn)

對(duì)于小批量的特殊合金棒材和有色金屬棒材，不適合采用產(chǎn)能高的棒材連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)，通常是采用自由鍛和精鍛的方式生產(chǎn)，產(chǎn)品的尺寸規(guī)格受到限制。利用無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備可以生產(chǎn)相應(yīng)規(guī)格的棒材。

1.1 斜軋棒材生產(chǎn)

采用斜軋方式生產(chǎn)棒材有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）軋制速度快，軋件溫降小，適于變形溫度窄的金屬材料的棒材生產(chǎn)；

（2）坯料適應(yīng)性強(qiáng)，尺寸調(diào)整方便，產(chǎn)品規(guī)格多；

（3）棒材的圓度和直線度好，可以省去矯直工序；

（4）切損小，金屬收得率高。

最適合生產(chǎn)棒材的無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備是三輥穿孔機(jī)或三輥軋管機(jī)，可以直接生產(chǎn)成品棒材。通過對(duì)前、后臺(tái)和壓下系統(tǒng)的調(diào)整改造，滿足坯料長(zhǎng)度和壓下量的要求，可以實(shí)現(xiàn)棒材生產(chǎn)。

Φ50 mm三輥聯(lián)合穿軋機(jī)在生產(chǎn)無縫鋼管的同時(shí)，可將Φ65 mm的坯料經(jīng)一個(gè)道次軋制成Φ45 mm棒材，其延伸系數(shù)達(dá)到2.0。產(chǎn)品的幾何尺寸、表面質(zhì)量和組織性能都滿足要求。德國SKET公司也采用三輥斜軋機(jī)作為棒材軋機(jī)的粗軋機(jī)，用于合金棒材生產(chǎn)線。

由于軋制速度快，軋件溫降小，在保證前、后臺(tái)長(zhǎng)度，或者在設(shè)置在線熱鋸機(jī)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)多道次軋制，從而實(shí)現(xiàn)更大的變形量，生產(chǎn)更多規(guī)格的產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)有多套大直徑無縫鋼管斜軋生產(chǎn)線，如果能進(jìn)行輕金屬和特種金屬材料棒材的開發(fā)和生產(chǎn)，將會(huì)顯著改變大棒材和圓坯的生產(chǎn)狀況，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 連軋棒材生產(chǎn)

利用無縫鋼管生產(chǎn)線的連軋管機(jī)組和張力減徑機(jī)組生產(chǎn)長(zhǎng)尺寸棒材也是可行的。國內(nèi)某有色金屬材料企業(yè)將無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)廢棄的二輥連軋管機(jī)和張力減徑機(jī)組成有色金屬棒線材連軋生產(chǎn)線，用于將大規(guī)格有色金屬錠軋制成大盤卷有色金屬棒線材，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，效果很好。

對(duì)于還在正常運(yùn)行的連軋管機(jī)組和張力減徑機(jī)組，可合理利用機(jī)組的閑置時(shí)間，生產(chǎn)有色和黑色金屬棒材也是可行的?？紤]到孔型調(diào)整的復(fù)雜性，可以根據(jù)棒材的生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)置專用機(jī)架。對(duì)于某些塑性好、變形抗力低的金屬材料，也可以采用冷軋或溫軋工藝生產(chǎn)棒材。

1.3 周期軋制棒材生產(chǎn)

采用周期式軋管機(jī)軋制棒材已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。對(duì)于熱軋棒材，如原成都無縫鋼管廠曾采用皮爾格軋機(jī)熱軋生產(chǎn)棒材。但是，這方面的研究工作還有待于進(jìn)一步開展，以解決有色金屬材料和特殊鋼的開坯問題。目前，一些相關(guān)企業(yè)多關(guān)注徑向鍛造機(jī)開坯，對(duì)于軋制開坯，還停留在初軋機(jī)開坯的層面上，對(duì)于新的軋制開坯手段缺少足夠的認(rèn)識(shí)。

國內(nèi)外的專業(yè)棒材廠多采用周期冷軋機(jī)和冷拔機(jī)生產(chǎn)光亮棒材。光亮棒材提供給用戶，可以獲得更好的效益，因此應(yīng)該大力發(fā)展光亮棒材生產(chǎn)?，F(xiàn)有的光亮棒材大多采用冷拔方式生產(chǎn)，主要目的是實(shí)現(xiàn)表面光亮和保證尺寸公差，為后續(xù)的機(jī)械加工提供方便，在組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能方面沒有按照冷軋材要求生產(chǎn)。因此，利用無縫鋼管企業(yè)冷軋管的技術(shù)裝備，開展冷軋棒材生產(chǎn)，可以為市場(chǎng)提供高質(zhì)量的冷軋棒材。

近年來，大規(guī)格、多輥冷軋管機(jī)在一些生產(chǎn)特殊鋼，尤其是不銹鋼無縫鋼管的企業(yè)陸續(xù)投入使用，然而由于大直徑的冷軋?zhí)厥怃摵筒讳P鋼無縫鋼管市場(chǎng)需求量有限，造成設(shè)備閑置嚴(yán)重，如何有效提高設(shè)備利用率，是無縫鋼管企業(yè)面臨的新問題?？梢钥紤]采用冷軋或溫軋方式來為有色金屬和特殊合金的鑄錠開坯，取代自由鍛或精鍛機(jī)生產(chǎn)大規(guī)格有色金屬和特殊合金棒材。由于冷軋管機(jī)的設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于精鍛機(jī)，因而生產(chǎn)成本也將會(huì)比較低。

2 板材生產(chǎn)

近年來，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)寬厚板生產(chǎn)得到快速發(fā)展，與無縫鋼管生產(chǎn)類似，許多地方建立了獨(dú)立于上游鋼鐵冶煉生產(chǎn)的寬厚板生產(chǎn)廠，通過買入板坯軋制成材。盡管如此，特殊材料、小批量、多品種的寬厚板供貨還是比較困難。此外，有色金屬寬厚板生產(chǎn)設(shè)備還處于落后狀態(tài)，產(chǎn)品的寬度和厚度范圍有限；冷軋寬厚板技術(shù)基本上處于空白狀態(tài)，這些問題都需要有新的工藝方案和技術(shù)裝備來解決。

利用無縫鋼管生產(chǎn)線的斜軋穿孔和斜軋軋管設(shè)備，采用由管到板的工藝路線生產(chǎn)熱軋金屬板材。利用大規(guī)格無縫鋼管周期式軋管設(shè)備生產(chǎn)熱軋和冷軋金屬板材，將有可能滿足重要領(lǐng)域?qū)ο∪辈牧虾吞厥獬叽缫?guī)格的寬厚板的需求。由管到板的生產(chǎn)工藝路線如下：管坯—加熱—斜軋穿孔—（斜軋軋管）—（冷軋）—剖分—展平—板材軋制（溫軋、冷軋）—矯直—剪切—成品。

采用管-板的工藝生產(chǎn)金屬板材有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）變形效率高，生產(chǎn)成本低。斜軋是變形效率很高的生產(chǎn)方式，一個(gè)道次即可以獲得寬厚板的成品厚度。與常規(guī)寬厚板生產(chǎn)相比，設(shè)備質(zhì)量少、軋制線長(zhǎng)度和軋制時(shí)間短，開軋溫度低，進(jìn)而降低了生產(chǎn)成本。

（2）厚度尺寸和板形容易控制。軋件的主要變形是在斜軋過程中完成的，由于斜軋是螺旋軋制，軋制變形區(qū)近似于點(diǎn)狀，且各點(diǎn)的變形參數(shù)基本是一致的，因此尺寸精度和板形能夠得到保證。

（3）不易產(chǎn)生各向異性。由于軋制變形區(qū)近似于點(diǎn)狀，變形的方向性不明顯，所以軋件不易產(chǎn)生各向異性問題。

（4）適于軋制塑性差的難變形金屬材料。對(duì)于三輥斜軋過程，軋件處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，又由于軋件是軸對(duì)稱狀態(tài)，因此可以有效避免板材軋制時(shí)的邊部開裂現(xiàn)象。

（5）生產(chǎn)工藝靈活，可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。由于是單機(jī)軋制，在配置小容量加熱爐的情況下，可以進(jìn)行小批量生產(chǎn)，甚至單件生產(chǎn)。

（6）利用擴(kuò)徑技術(shù)，可以生產(chǎn)超寬板材。目前，國內(nèi)最大的穿孔機(jī)生產(chǎn)的荒管直徑可以達(dá)到1 000 mm，某無縫鋼管企業(yè)采用Φ800 mm管坯，穿孔后獲得Φ1 066.7 mm的荒管。如果進(jìn)行擴(kuò)徑加工則直徑可以達(dá)到1 700 mm。以此作為原料，能夠生產(chǎn)寬度5 000 mm以上的板材，超過目前國內(nèi)最寬的寬厚板軋機(jī)能夠生產(chǎn)的無縫鋼板寬度。國內(nèi)最大的周期式冷軋管機(jī)生產(chǎn)的無縫鋼管直徑可以達(dá)到800 mm以上，由此，某企業(yè)的Φ914 m的三輥周期式軋管機(jī)，可以生產(chǎn)板寬超過2 500 mm的冷軋板材，超過目前國內(nèi)最寬的冷連軋機(jī)能夠生產(chǎn)的冷軋帶鋼的寬度。

另外，目前，國內(nèi)的冷軋板材主要是由成卷生產(chǎn)的冷軋帶鋼，通過橫切機(jī)組生產(chǎn)得到的，產(chǎn)品的厚度和寬度有限。還可以結(jié)合國內(nèi)的大型旋壓設(shè)備，通過強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)更寬的和更厚的冷軋板材，這也是擴(kuò)展無縫鋼管企業(yè)產(chǎn)品的有效渠道。

3 有色金屬管材生產(chǎn)

目前，有色金屬管材多作為功能材料使用，用于管道和結(jié)構(gòu)材料的比較少。近年來，隨著軌道車輛的快速發(fā)展，輕金屬管材的使用增加很快，輕金屬的大跨度構(gòu)件的應(yīng)用也受到重視；因此，輕金屬管材生產(chǎn)將會(huì)有很大的發(fā)展空間。

有色金屬管材主要是采用擠壓方式生產(chǎn)，有部分鈦合金無縫管采用穿孔-軋制工藝生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格品種受到很大限制，難以滿足輕金屬結(jié)構(gòu)材料的市場(chǎng)需求。采用現(xiàn)代軋制方式大量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)用輕金屬無縫管的生產(chǎn)線還沒有出現(xiàn)。因此，利用現(xiàn)有閑置的無縫鋼管生產(chǎn)線，改造成為高效率的輕金屬無縫管生產(chǎn)系統(tǒng)，將會(huì)促進(jìn)輕金屬無縫管材生產(chǎn)的發(fā)展和產(chǎn)品的應(yīng)用。

將無縫鋼管生產(chǎn)線改造為輕金屬無縫管生產(chǎn)系統(tǒng)，需要做以下方面的工作。

（1）加熱爐與加熱制度。無縫鋼管生產(chǎn)多使用燃?xì)饧訜岬沫h(huán)形爐或斜底爐，輕金屬坯料多采用電加熱，因此需要根據(jù)產(chǎn)能在穿孔機(jī)的附近設(shè)置電加熱裝置。

（2）生產(chǎn)過程的溫度控制。輕金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)大，變形溫度窄，因此需要考慮生產(chǎn)過程中軋件的溫降。可以采用保溫輸送或補(bǔ)熱的方式，保證軋制溫度在允許范圍內(nèi)。另外，輥道、臺(tái)架等與軋件接觸的零件應(yīng)該做隔熱處理，冷卻水的使用也需要調(diào)整。

（3）變形參數(shù)調(diào)整與工具設(shè)計(jì)。由于輕金屬材料的塑性指標(biāo)、表面狀態(tài)與鋼鐵材料差異較大，需要根據(jù)情況制定專門的軋制變形制度和工具形狀尺寸，保證軋制過程的順利和產(chǎn)品的質(zhì)量。

（4）精整方式與精整設(shè)備。輕金屬無縫管材的鋸切、矯直、平頭倒棱工序等與無縫鋼管有很大不同，需要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備狀況進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)充。

（5）熱處理。輕金屬材料的牌號(hào)很多，成品熱處理方式和規(guī)范也與無縫鋼管生產(chǎn)不同，需要重新制定，或者委托有色金屬生產(chǎn)企業(yè)完成。

4 雙金屬材料生產(chǎn)

利用熱軋無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)雙金屬管棒材也是擴(kuò)大企業(yè)產(chǎn)品范圍的有效措施。這里主要討論采用穿孔機(jī)生產(chǎn)雙金屬管。

熱軋雙金屬管的主要工藝過程為：組裝制坯—熱軋復(fù)合加工—精整—后續(xù)處理—成品。

（1）組裝制坯。根據(jù)雙金屬產(chǎn)品厚度比和材料的延伸性，確定坯料管的尺寸。然后進(jìn)行表面處理，組裝，封口，制成雙金屬管坯。

（2）加熱。根據(jù)材料性質(zhì)以及所需的軋制溫度，制定加熱方式和加熱制度。

（3）熱軋復(fù)合加工。利用穿孔機(jī)對(duì)雙金屬管坯做二次穿孔軋制，使管坯延伸并實(shí)現(xiàn)兩種金屬材料的復(fù)合?？梢岳密埞軝C(jī)對(duì)荒管作進(jìn)一步的熱軋延伸。

（4）后續(xù)處理。對(duì)精整后的雙層金屬復(fù)合管做管端加工處理，保證管端的平整和兩種金屬的完好結(jié)合。也可以根據(jù)用戶需要，將雙金屬復(fù)合管加工成成品，供給用戶直接使用。例如直接制成雙金屬液壓缸管，供給煤礦綜采設(shè)備的制造企業(yè)。實(shí)踐表明，在機(jī)械制造領(lǐng)域使用雙金屬管材能夠取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)具有工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)設(shè)備多等特點(diǎn)，具備形成多種類型金屬材料的生產(chǎn)單元條件。鑒于我國金屬材料工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，需要專門從事各種金屬材料加工的專業(yè)廠，以解決新、特、少的金屬材料加工問題。在這方面，國內(nèi)的一些企業(yè)已經(jīng)做出了嘗試。

另外，利用閑置的無縫鋼管生產(chǎn)能力，通過工藝開發(fā)和設(shè)備調(diào)整補(bǔ)充，形成生產(chǎn)非無縫鋼管產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)備能力，期望以此推動(dòng)我國金屬材料加工領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，增強(qiáng)特殊金屬材料的供給能力。