熱軋不銹鋼管生產(chǎn)工藝優(yōu)化的探討

陳洪琪，胡亞東，莊 鋼

（1.中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼管分會(huì)，天津 300301；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

在歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)品中，擠壓管占67%，冷軋（拔）管僅占33%；而我國(guó)這個(gè)比例恰好相反，冷軋（拔）管占有絕大部分市場(chǎng)。造成這種現(xiàn)象的原因是：早期我國(guó)沒有擠壓管機(jī)組，采用的是“斜軋穿孔+冷軋（拔）”工藝。“斜軋穿孔+冷軋（拔）”工藝已經(jīng)使用了近70年，工藝成熟，生產(chǎn)成本很低，成材率較高。但是，這種工藝不能生產(chǎn)熱軋成品管，使用酸處理氧化鐵皮，環(huán)保要求嚴(yán)格，成本過高。

目前，國(guó)內(nèi)幾條熱擠壓生產(chǎn)線普遍開動(dòng)率不足，處于停產(chǎn)、半停產(chǎn)狀態(tài)，主要原因是工藝流程繁瑣以及生產(chǎn)低端產(chǎn)品成本高。在目前國(guó)情和煉鋼工藝下采用連鑄坯、離心澆注坯比較少，使用擠壓機(jī)生產(chǎn)大量的304、321、316等300系不銹鋼實(shí)在困難。

能否在擠壓工藝和“斜軋穿孔+冷軋（拔）”之間找到另外一種生產(chǎn)不銹鋼管的方法，即能否用現(xiàn)有的熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)不銹鋼管就值得嘗試和探索［1-9］。本文就熱軋不銹鋼管生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題做一些探討。

1 熱軋鋼管機(jī)組基本情況

我國(guó)已擁有10余類熱軋無縫鋼管機(jī)型，即連軋管機(jī)組（MM、MPM、PQF、FQM）、精密軋管機(jī)組（Accu Roll）、斜軋管延伸機(jī)組（由錐形輥、短芯棒和導(dǎo)板構(gòu)成封閉孔型的二次斜軋延伸機(jī)組）、三輥軋管機(jī)組（Assel）、自動(dòng)軋管機(jī)組、頂管機(jī)組（含CPE機(jī)組）、擠壓管機(jī)組、周期軋管機(jī)組等200余套，還有300多條穿孔+冷軋（拔）機(jī)組，產(chǎn)能規(guī)模約3 500萬t。尤其是代表世界領(lǐng)先水平的連軋管機(jī)組的產(chǎn)能占到了全國(guó)總產(chǎn)能的40%左右。在這些機(jī)組中，斜軋管機(jī)組生產(chǎn)的鋼管因容易產(chǎn)生微裂紋以及有螺旋狀波紋而不能用作成品管使用，可以生產(chǎn)不銹鋼管的就只有縱軋管機(jī)組，即連軋管機(jī)組、自動(dòng)軋管機(jī)組、CPE機(jī)組和周期軋管機(jī)組4種軋管機(jī)，又因后3種軋管機(jī)較少，所以重點(diǎn)應(yīng)考慮連軋管機(jī)組。

現(xiàn)有常用的不銹鋼管及高合金鋼管種類包括：13Cr、15Cr、17Cr系列馬氏體不銹鋼油套管；奧氏體不銹鋼管（TP304、TP321、TP316L）；雙相鋼（22Cr）、超級(jí)雙相鋼（25Cr）和特超級(jí)雙相鋼（27Cr）不銹鋼管；G3、825、028、2535等鐵鎳基高合金鋼管。而根據(jù)筆者的調(diào)研，國(guó)際上著名的鋼管企業(yè)都在不同程度地使用現(xiàn)有的熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)不同類型的不銹鋼管及高合金鋼管。國(guó)內(nèi)外部分生產(chǎn)熱軋不銹鋼管及高合金鋼管的機(jī)組情況見表1。

2 熱軋問題解決方案

2.1 存在的問題

（1）軋管機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)沒考慮不銹鋼等品種的生產(chǎn)，軋管機(jī)負(fù)載能力不足。我國(guó)引進(jìn)的無縫鋼管軋管機(jī)從2003年以后才考慮生產(chǎn)不銹鋼品種，也是為了滿足國(guó)內(nèi)L80 13Cr馬氏體不銹鋼油套管的需求，軋管機(jī)負(fù)載能力才逐漸加大。因不銹鋼的軋制力是碳鋼的1.5～2.0倍，引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備也只能保證中等壁厚以上的馬氏體或奧氏體不銹鋼管生產(chǎn)的需求，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)階段沒有考慮生產(chǎn)不銹鋼產(chǎn)品。

（2）沒有軋制不銹鋼的工藝方案。因碳鋼及低合金鋼在加熱制度、軋制溫度以及金屬變形特點(diǎn)方面與不銹鋼相比差距較大，碳鋼管生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)不銹鋼管方面沒有技術(shù)積累，在加熱、穿孔、軋制、潤(rùn)滑等問題上沒有太好的解決方案，生產(chǎn)工藝需要大量的摸索和實(shí)踐。馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼及鐵素體不銹鋼在生產(chǎn)中的難點(diǎn)問題如圖1所示，生產(chǎn)時(shí)要針對(duì)每一個(gè)品種和規(guī)格制定詳細(xì)的工藝指導(dǎo)方案。馬氏體不銹鋼在冷卻到300～200℃時(shí)，由于相變使體積膨脹，引起組織應(yīng)力，從而容易發(fā)生裂紋。奧氏體不銹鋼管坯若存在少量的鐵素體相，在穿孔不均勻變形的作用下，鐵素體相和奧氏體相的界面上會(huì)產(chǎn)生超過金屬斷裂強(qiáng)度的拉應(yīng)力和切應(yīng)力，促進(jìn)了裂紋的形成與擴(kuò)展。雙相不銹鋼主要在鐵素體晶內(nèi)和α/γ晶界析出σ相，析出后將降低熱塑性。鐵素體不銹鋼采用較低熱加工溫度，較大變形量，破碎鑄態(tài)組織，可細(xì)化晶粒，提高韌性。

圖1 各類不銹鋼在生產(chǎn)中的難點(diǎn)

（3）沒有配套的工序、工藝。針對(duì)不銹鋼管生產(chǎn)的特點(diǎn)，熱軋無縫鋼管廠都沒有可以單獨(dú)使用的固溶設(shè)備、酸洗設(shè)備以及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝，如果生產(chǎn)不銹鋼品種就需要離線完成一些工序，使生產(chǎn)工序增加，制造成本上升。即使進(jìn)行設(shè)備改造，也困難重重。

2.2 需要解決的主要問題

利用熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)熱軋不銹鋼管需要解決的主要問題有：①優(yōu)選管坯加熱方式及加熱制度；②優(yōu)化穿孔過程中的金屬變形條件；③解決軋管的孔型設(shè)計(jì)問題；④提高工模具強(qiáng)度，并解決潤(rùn)滑問題。

3 主要問題的解決方案

3.1 管坯的加熱方式及加熱制度

目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)不銹鋼管的企業(yè)，采用的都是環(huán)形加熱爐。環(huán)形加熱爐具有加熱時(shí)間長(zhǎng)，管坯氧化嚴(yán)重以及容易造成加熱不均等問題，故此方法并非最佳加熱辦法，應(yīng)結(jié)合不銹鋼的特點(diǎn)，借鑒其他加熱方法。

（1）兩步加熱法，即環(huán)形加熱爐預(yù)熱+一次感應(yīng)加熱。環(huán)形加熱爐預(yù)熱溫度一般為750~850℃，應(yīng)有足夠的保溫時(shí)間，使坯料加熱均勻，在形成氧化物前完成預(yù)熱，然后使用感應(yīng)加熱爐加熱。感應(yīng)加熱具有加熱時(shí)間短，不容易產(chǎn)生裂紋等優(yōu)點(diǎn)。

（2）步進(jìn)式加熱爐。使用步進(jìn)式加熱爐不僅能保證管坯加熱質(zhì)量，還可以實(shí)施氣氛保護(hù)。據(jù)悉，國(guó)外相關(guān)企業(yè)使用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。

（3）單獨(dú)使用感應(yīng)加熱，此方法最適應(yīng)小直徑不銹鋼管坯的加熱。

3.2 穿孔過程中的金屬變形條件

從穿孔機(jī)的發(fā)展過程來看，經(jīng)歷從桶形輥穿孔機(jī)到錐形輥穿孔機(jī)的變化，在穿孔過程中金屬流動(dòng)速度也從“小—大—小”的不合理狀態(tài)到逐漸增大的合理狀態(tài)。管坯在變形過程中發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形也從桶形輥穿孔機(jī)的較大變成了錐形輥穿孔機(jī)的較小。這些變化都有利于塑性較低的不銹鋼管坯的穿孔，并減少缺陷的發(fā)生。從有利金屬變形方面看，不銹鋼管坯穿孔可選擇的穿孔機(jī)有三輥錐形輥穿孔機(jī)和經(jīng)過優(yōu)化的二輥錐形輥穿孔機(jī)（改進(jìn)型二輥錐形輥穿孔機(jī)）。

（1）三輥錐形輥穿孔機(jī)。

自從第一臺(tái)三輥穿孔機(jī)于1965年投入工業(yè)生產(chǎn)以來，用三輥穿孔機(jī)穿軋合金鋼管坯就備受關(guān)注。后來由于二輥錐形輥穿孔機(jī)趨于成熟且廣泛應(yīng)用，三輥穿孔機(jī)相對(duì)發(fā)展緩慢。

三輥穿孔機(jī)的最大特點(diǎn)是變形區(qū)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，其受力情況如圖2所示。在三輥穿孔機(jī)上穿孔時(shí)，管坯中心只存在三向壓應(yīng)力，消除了管坯中心被撕裂的趨勢(shì)，避免了桶形輥穿孔機(jī)孔腔的形成，有效避免了內(nèi)折、裂紋缺陷的產(chǎn)生。在提高生產(chǎn)能力和改善毛管質(zhì)量方面，三輥穿孔機(jī)比二輥穿孔機(jī)具有更大潛力。三輥穿孔機(jī)穿出的毛管尺寸精度比二輥的高；可穿軋的合金鋼管的范圍比二輥的大；又因?yàn)槿伌┛讬C(jī)沒有導(dǎo)板或?qū)ПP，避免了其對(duì)毛管表面質(zhì)量的影響，提高了外表面質(zhì)量。隨著對(duì)三輥穿孔機(jī)機(jī)型的再認(rèn)識(shí)，個(gè)別生產(chǎn)合金鋼管的企業(yè)重新建設(shè)了三輥錐形輥穿孔機(jī)。

圖2 三輥穿孔管坯受力情況

三輥穿孔機(jī)雖然適合高合金鋼管的生產(chǎn)，但高合金毛管壁厚較大時(shí)，不適應(yīng)后面的延伸變形；因此，不銹鋼的穿孔普遍使用的是二輥斜軋穿孔機(jī)。

（2）改進(jìn)型二輥錐形輥穿孔機(jī)。

評(píng)價(jià)穿孔機(jī)的能力指標(biāo)不僅是延伸率，還需考察穿孔機(jī)穿軋合金鋼的能力。

二輥穿孔機(jī)穿孔時(shí)，在管坯的中心線區(qū)域（從咬入點(diǎn)到頂頭端部）作用著交變的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，拉應(yīng)力在垂直于軋輥?zhàn)饔镁€的平面內(nèi)。其頂頭前壓下量受到臨界壓下量的限制（一般頂頭前壓下量變化4%~9%）。當(dāng)超過臨界壓下量以后，就會(huì)引起管坯的中心破裂。管坯中心出現(xiàn)了內(nèi)裂或孔腔，會(huì)導(dǎo)致無縫鋼管內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、折疊、層裂等缺陷。這些缺陷不好消除，但可以通過其他工藝盡量避免或減輕。

從工藝參數(shù)方面講，錐形輥穿孔機(jī)基本要點(diǎn)是兩個(gè)角度值的問題，即輾軋角和送進(jìn)角，前者對(duì)一個(gè)機(jī)組來講是定值，后者根據(jù)設(shè)計(jì)的大小可調(diào)整。輾軋角和可調(diào)的送進(jìn)角的各種配合對(duì)穿孔過程中所發(fā)生的剪切變形會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

二輥桶形輥、錐形輥穿孔機(jī)毛管扭轉(zhuǎn)如圖3所示，分別是二輥桶形輥穿孔機(jī)、普通錐形穿孔機(jī)和改進(jìn)型二輥錐形輥穿孔機(jī)穿孔毛管扭轉(zhuǎn)方向、螺距大小。從圖3中可以看出，讓穿出的毛管不發(fā)生或發(fā)生較小的扭轉(zhuǎn)變形更有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

圖3 二輥桶形輥、錐形輥穿孔機(jī)毛管扭轉(zhuǎn)示意

20世紀(jì)80年代日本住友集團(tuán)開始研究使用改進(jìn)型二輥錐形輥穿孔機(jī)穿孔馬氏體、奧氏體、雙相不銹鋼及鎳基合金等高合金鋼管，試軋高合金鋼管的工藝試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示［10-11］。得出的結(jié)論如下：①這種新的軋管機(jī)有可能使得管坯金屬流動(dòng)情況與擠壓的情形相同或相似；②采用大輾軋角和大送進(jìn)角的穿孔工藝時(shí)，穿軋不銹鋼管坯不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)孔缺陷。因此，日本住友集團(tuán)將這種穿孔機(jī)稱作“Super Piercer”。

圖4 日本住友集團(tuán)試軋高合金鋼管的工藝試驗(yàn)結(jié)果（黑色表示有缺陷，白色表示沒有缺陷）

3.3 孔型設(shè)計(jì)

對(duì)于二輥連軋管機(jī)，金屬在其槽底受到壓應(yīng)力，在輥縫處受到拉應(yīng)力，當(dāng)生產(chǎn)高溫塑性較差的不銹鋼管時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。解決方案是：改進(jìn)操作技術(shù)，重新設(shè)定各機(jī)架的變形量、孔型形狀和轉(zhuǎn)速。隨著三輥軋制技術(shù)的發(fā)展，三輥連軋技術(shù)彌補(bǔ)了二輥連軋的不足，所以三輥連軋管機(jī)得到大的發(fā)展。二輥和三輥孔型如圖5所示。

圖5 二輥和三輥孔型示意

3.4 工模具強(qiáng)度及潤(rùn)滑

因不銹鋼的高溫強(qiáng)度比碳鋼高許多，所以就要求軋制工具具有更高的強(qiáng)度、更好的耐磨性。使用現(xiàn)有的工模具就會(huì)有生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量問題多、成本高的一系列問題。需要改進(jìn)的軋制工具主要問題有以下方面。

（1）頂頭的壽命低問題。目前可選擇的辦法有：頂頭潤(rùn)滑，頂頭材質(zhì)改變（增加Mo和W的含量，見表2），使用復(fù)合頂頭（表面層用Mo合金，心部為工具鋼）以及鉬頂頭等。不同頂頭的化學(xué)成分見表2。不銹鋼管生產(chǎn)可以使用的專用頂頭如圖6所示，其中螺紋頂頭中螺紋的作用是增加氧化層的厚度。

表2 不同頂頭的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖6 不銹鋼管生產(chǎn)可以使用的專用頂頭

（2）導(dǎo)板或?qū)ПP的黏鋼問題。對(duì)于容易黏鋼的導(dǎo)板或?qū)ПP，主要對(duì)策是使用具有潤(rùn)滑功能的材料或者增加潤(rùn)滑設(shè)備，但后者效果更明顯。導(dǎo)盤潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖7所示，穿孔時(shí)將配置好的潤(rùn)滑液噴射到導(dǎo)盤表面，有效地降低了金屬與導(dǎo)盤的摩擦，防止了黏鋼。目前國(guó)內(nèi)已有企業(yè)在使用導(dǎo)盤潤(rùn)滑裝置。

（3）穿孔軋輥容易打滑問題。由于軋輥表面較軟，不銹鋼表面強(qiáng)度高，生產(chǎn)少量不銹鋼管后軋輥就容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，這將決定能否量產(chǎn)該類產(chǎn)品。為此，需要變更軋輥的材質(zhì)或增大軋輥表面的摩擦因數(shù)，以延長(zhǎng)其使用時(shí)間。13Cr管坯穿孔時(shí)軋輥表面粗糙度的變化如圖8所示，說明了生產(chǎn)一定量13Cr不銹鋼管后軋輥表面粗糙度降低。

圖7 導(dǎo)盤潤(rùn)滑系統(tǒng)示意

圖8 13Cr管坯穿孔時(shí)軋輥表面粗糙度的變化

（4）芯棒潤(rùn)滑問題。為防止不銹鋼管的碳污染以及提高芯棒的使用壽命，現(xiàn)有的石墨潤(rùn)滑劑已經(jīng)不能滿足要求，需使用無碳的潤(rùn)滑劑，云母可以代替石墨。新型芯棒潤(rùn)滑劑配比見表3，隨著硼酸鹽和云母的配比提高，軋制力也隨之降低。使用不同芯棒潤(rùn)滑劑后軋制力變化情況如圖9所示。

4 結(jié) 語

近些年，國(guó)內(nèi)有實(shí)力和生產(chǎn)不銹鋼管產(chǎn)品的企業(yè)加大了使用現(xiàn)有無縫鋼管軋管機(jī)生產(chǎn)不銹鋼管的實(shí)踐并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，品種也從13Cr馬氏體不銹鋼管發(fā)展到奧氏體不銹鋼管、雙相鋼不銹鋼管，同時(shí)也證明了：①用現(xiàn)有的熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)不銹鋼管是可行的；②用熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)不銹鋼管能否形成規(guī)模生產(chǎn)，很大程度上取決潤(rùn)滑技術(shù)的進(jìn)步。

表3 新型芯棒潤(rùn)滑劑配比%

圖9 使用不同芯棒潤(rùn)滑劑后軋制力變化情況