热轧无缝钢管短流程生产工艺研究

秦建平，朱艳春，楚志兵

（太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西 太原030024）

随着连轧管和张力减径技术的广泛应用，热轧无缝钢管生产工艺过程与技术装备趋于完善和成熟，热轧无缝钢管机组的生产能力显著提高。当前热轧无缝钢管生产的发展趋势是产品品种和规格的多样化、生产过程的节能化，以及提高热轧无缝钢管生产的经济性［1］。为此，从不同角度分析现有热轧无缝钢管生产的工艺过程和技术装备的特点，探求新的生产工艺过程，开发新的生产技术装备是十分必要的。

目前，我国无缝钢管的生产企业很多，各种热轧管生产方式均有应用，根据产品产量和品种规格的侧重点不同，可以选用不同的生产系统。轧管生产系统主要有两种：二辊斜轧穿孔—连轧—张力减径生产工艺，斜轧穿孔—斜轧（三辊轧管机、精密轧管机）—定（减）径生产工艺［2］。随着热轧无缝钢管生产的产能饱和，降低生产过程的消耗指标，提高热轧无缝钢管生产的经济效益，满足无缝钢管深加工的需求是无缝钢管生产领域技术进步所追求的目标之一。

传统的热轧无缝钢管生产的特征是将钢管成型过程分为穿孔、轧管和定（减）径三个部分，与其他材质品种的热轧生产相比，热轧无缝钢管生产是成型工序环节多，设备型式种类多，生产线最长，设备布置型式最复杂的热轧生产过程［3-9］。由于坯料的物流距离长，为了保证轧制温度，通常需要提高轧制速度，并设置再加热装置，从而增加了生产过程的能量消耗。

由于热轧无缝钢管生产工序环节多，设备种类多，因此导致产品规格调整困难。通常的做法是，尽量减少穿孔和轧管成型过程中中间产品的规格尺寸，将改变产品规格尺寸的成型过程放到定（减）径工序中。这种做法增加了轧制成型过程的总变形量，同样也增加了能量的消耗。即使如此，也难以很好地保证下游用户对无缝钢管产品规格的要求，无缝钢管深加工企业需要设置大量的冷轧（拔）设备，进行无缝钢管的改制和再加工，通过冷减径减壁，满足无缝钢管产品尺寸和性能要求。但这样的生产过程同样会消耗大量的能源，增加了金属消耗，同时需要酸洗等表面处理工序，又增大了对环境的危害［10］。

因此，以节能降耗为中心，满足用户多方面的需求，是热轧无缝钢管生产技术进步的重要课题。

解决上述问题的根本途径还是要从无缝钢管生产工艺与技术装备入手，通过开发新工艺，研制新设备，使得热轧无缝钢管生产技术装备具有低投入、低产能、低消耗等特点，生产线具有短流程、工艺灵活、适应性强等特点，实现无缝钢管生产的技术进步［11］。多年来，太原科技大学开发研制了不同的无缝钢管工艺装备，并取得了较好的成效，主要的技术创新是穿-轧一体化技术。穿-轧一体化是实现热轧无缝钢管生产短流程的重要手段，可降低设备投资，缩短工艺流程，减少能源消耗。目前可以较好地应用于生产中的穿-轧一体技术有两种形式，即联合穿轧技术和斜连轧技术。

1 联合穿轧技术

无缝钢管联合穿轧生产技术，是指在一台三辊斜轧管机上的一组轧辊上完成穿孔、轧管和均整三道成型工序的生产方法。早在20世纪50年代，国外就开始研究热轧无缝钢管的三辊联合穿轧法，在理论与实践上证明了联合穿轧的可行性。20世纪60年代，我国哈尔滨工业大学等一些单位也对联合穿轧技术进行了研究。1977年，太原科技大学（原太原重型机械学院）设计制造了我国第一台Φ50 mm三辊联合穿轧机，并于1990年投入热轧无缝钢管生产［12］。

无缝钢管三辊联合穿轧过程，即采用一套轧辊，将穿孔、轧管、均整3个工序放在一个轧制道次内完成，生产时管坯连续通过不同的变形区段，实现不同的成形过程，三辊联合穿轧辊形与塑性变形区如图1所示。通过对各工艺参数进行合理设计，如辊形曲线、送进角、轧辊直径、转速等，使各区段的变形满足连续轧制条件；此外，还要解决生产中出现的各种问题，如钢管外表面螺旋道、堆钢、轧卡，从而获得合格的热轧成品管。

图1 三辊联合穿轧辊形与塑性变形区示意

该Φ50 mm三辊联合穿轧机组安装投产以后，多年来设备运转正常，产品质量好，经济效益高，累计生产数万吨热轧无缝钢管。该机组的主要技术特点是：①只有一台轧机，一个道次即可以将实心管坯加工为成品无缝钢管；②短流程生产，轧件温降小，管材无需二次加热，可直接进行定（减）径轧制；③钢管材质适应性强，普碳钢、不锈钢、轴承钢等合金钢均可，有色金属管也可生产（曾经生产过钛合金管）；④管材成品质量好，其直径和壁厚的公差精度均高于相关国家标准。

2 斜连轧技术

尽管三辊联合穿轧工艺实现了无缝钢管的短流程生产过程，但是在辊形设计和参数调整方面有诸多不便，这使得三辊联合穿轧工艺的推广应用受到很大限制。随着电子电气技术的发展，在当代先进电子技术的支撑下，为解决两套轧辊轧制金属的秒流量相等提供了条件，因此可以通过传动控制实现斜轧穿孔和斜轧延伸连续成型过程。

太原科技大学开发了斜连轧技术，研制出我国首台无缝钢管斜连轧机组，如图2所示。斜连轧轧制工艺将穿孔与轧管有机地结合在一起，在一台轧制设备上采用两套轧辊实现管坯的穿孔和轧制延伸，也可以实现穿孔—均整、穿孔—二次穿孔、管棒材斜连轧延伸等生产工艺过程［13］。

图2 斜连轧机组示意

无缝钢管斜连轧机组的主要技术特点是：①一台轧机、两套轧辊和两套传动系统；②通过两个轧制道次即可将实心管坯加工为热轧无缝钢管（毛管）；③短流程生产，轧件温降小，管材无需二次加热，可直接进行定（减）径轧制；④钢管材质适应性强，普碳钢、不锈钢、轴承钢等合金钢均可，有色金属管也可生产（曾经生产过镁合金管），也适于轧制难变形金属。

采用斜连轧技术生产热轧无缝钢管需要从工艺分析与设备调整两个方面实施。通过分析金属斜连轧工艺的成型过程，设定并修正斜连轧的变形工艺参数，构建金属斜连轧穿孔和轧制的速度模型，推导出合理的穿、轧过程的速度匹配关系。此外，分析穿孔顶头并对其参数进行设定，设计适应于金属斜连轧的顶头也是必要的。

无缝钢管的斜连轧技术尚处于开发过程中，有待于进一步的工业性试验和试生产来进行验证与考核。期待该项技术能够尽快在无缝钢管的工业生产中发挥重要作用。

3 穿孔-轧制技术

联合穿轧和斜连轧技术可以显著缩短生产工艺流程，但是由于穿孔和轧制的变形集中在一台设备上，除调整困难外，变形量有限是制约其广泛应用的主要因素。因此寻求新的无缝钢管生产工艺流程和设备布置是必要的。

将穿孔机与轧机布置在一条轧制线上，斜轧穿孔采用轴向出管技术，使荒管直接进入连轧机进行轧制，或者直接将穿孔脱棒过程与连续轧制过程结合在一起，形成穿孔-轧制生产线。这种方式显著缩短了轧制线长度，减少了坯料运行时间，降低了能源消耗。

轴向出管技术早期在卡尔梅斯皮尔格轧管的延伸机上采用，在20世纪中期用于斜轧无缝钢管穿孔生产，其目的是缩短脱棒时间，提高生产效率。穿轧轴向出管如图3所示。太原科技大学研制的Φ50 mm三辊联合穿轧机组就采用了轴向出管技术，减少了机组占地面积，提高了生产效率。

图3 穿轧轴向出管示意

轴向出管装置主要由前卡截器、出口导管、定心辊、夹送辊、后卡截器、止挡机构、输出辊道、后台台架、顶杆和顶头组成。其基本工作原理是：在穿孔状态下，顶杆的尾部由止挡机构顶住，中间由定心辊抱紧，顶头处于穿孔位置，开始穿孔，随着穿孔过程的进行，定心辊逐个打开，便于荒管向前运行。当穿孔过程结束，荒管的尾部离开轧机，后卡截器将顶杆夹紧，夹送辊将荒管继续送进顶杆，使顶杆的头部露出，然后前卡截器夹紧顶杆头部，后卡截器和止挡机构打开，夹送辊将荒管送出，进入输出辊道。

在目前的无缝钢管生产技术状态下，可以利用轴向出管技术改进无缝钢管生产车间的工艺路线和设备布置，为缩短工艺流程提供可能。

将轴向出管的输出辊道与轧管机的输入辊道结合在一起，从而实现穿孔与轧制的连续作业，缩短了轧件的运行时间。由于穿孔、轧制连续进行，在此轧制过程中温度下降很小，降低了能源的消耗。

与穿孔机轴向出管衔接的轧制设备可以有不同的型式。图4所示为一种小型管材连轧机组，机组由8机架三辊Y型轧机组成，可以根据要求增加或减少机架的数量。机架按照正反Y型布置，采用标准传动装置，单独传动；机组的入口和出口分别设置前、后台；机组可以采用不同的芯棒轧制型式。目前，适用于多品种、多规格、小直径无缝钢管产品生产的紧凑型钢管连轧生产线以及配套的芯棒装置还在开发研制阶段。

图4 小型管材连轧机组示意

4 结 语

无缝钢管的穿-轧成型特点决定了其生产工艺流程和设备布置的型式，穿-轧一体化是对现有无缝钢管生产方式的重大变革，也是实现热轧无缝钢管经济型生产和智能化生产的有效手段［1］。穿-轧一体化工艺具有降低设备投资、缩短工艺流程、减少能源消耗、适于生产难变形金属管材等特点。因此积极开发无缝钢管生产的穿-轧一体化技术，对无缝钢管生产技术的发展具有重要意义。