米永峰，陳圣明，成海濤

（1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國(guó)金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)，北京 100711）

隨著裝備大型化、高效化發(fā)展的需要，市場(chǎng)對(duì)流體輸送、石油化工、壓力容器、鍋爐及結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域用大直徑無縫鋼管的需求量正在不斷增加。但對(duì)于直徑與壁厚之比特別大的大直徑薄壁無縫鋼管，由于受到軋管機(jī)所能軋制的產(chǎn)品外徑和壁厚的限制而難以生產(chǎn)。目前不同熱軋管機(jī)組所能軋制的無縫鋼管最大直徑和最大徑壁比（D/S）見表1。此外，軋管機(jī)所能軋制的無縫鋼管壁厚，隨其直徑的增加而增加，即直徑越大，壁厚也越大，D/S會(huì)有所減?。?-4］。軋管機(jī)所能軋制的無縫鋼管直徑與壁厚的關(guān)系如圖1所示。

熱擴(kuò)管工藝是指將作為管坯的合格成品鋼管加熱到規(guī)定的工藝溫度后，在頂頭的支撐下，通過對(duì)管壁進(jìn)行徑向輾軋（斜軋熱擴(kuò)管工藝）或周向拉伸（拉拔式熱擴(kuò)管工藝和中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝），使管坯外徑增加、壁厚減薄的一種制造大直徑、薄壁無縫鋼管的生產(chǎn)工藝。熱擴(kuò)管工藝是生產(chǎn)特大直徑、特薄管壁無縫鋼管的有效方法，包括：斜軋熱擴(kuò)管工藝、拉拔式熱擴(kuò)管工藝和中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝等?，F(xiàn)對(duì)熱擴(kuò)管工藝進(jìn)行分析。

表1 不同熱軋管機(jī)組所能軋制的無縫鋼管最大直徑和最大徑壁比

圖1 軋管機(jī)所能軋制的無縫鋼管直徑與壁厚的關(guān)系

1 熱擴(kuò)管生產(chǎn)工藝的比較

1.1 斜軋熱擴(kuò)管工藝

斜軋熱擴(kuò)管工藝起源于二次穿孔工藝。世界上多個(gè)國(guó)家都建設(shè)了斜軋熱擴(kuò)管機(jī)組，包括：捷克斯洛伐克Chomotov鋼管廠、美國(guó)Lorain鋼管廠、德國(guó)Rath鋼管廠、意大利Dalmine鋼管廠和我國(guó)的天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）等［5］。

斜軋熱擴(kuò)管機(jī)是一種帶有2個(gè)錐形軋輥且軋輥呈水平布置的二輥斜軋管機(jī)［6］。軋輥直徑從變形區(qū)入口到出口逐漸增大，軋輥的圓周速度沿軋制方向也隨之增大，軋輥軸線與軋制線呈空間交叉，構(gòu)成送進(jìn)角和輾軋角。2個(gè)軋輥均為單臂支撐，分別由2臺(tái)電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)置于擴(kuò)管機(jī)的出口側(cè)。軋輥的位置可沿軋輥軸線調(diào)整。導(dǎo)板呈上、下布置。斜軋擴(kuò)管時(shí)，經(jīng)過加熱的管坯被送進(jìn)2個(gè)帶有送進(jìn)角和輾軋角的旋轉(zhuǎn)軋輥之中，并在由軋輥、導(dǎo)板和錐形頂頭所組成的“環(huán)形封閉”孔型中進(jìn)行斜軋擴(kuò)徑。斜軋熱擴(kuò)管過程如圖2所示，其工藝流程為：合格管坯—步進(jìn)式加熱爐加熱—鋼管外表面除鱗—鋼管內(nèi)表面除鱗、潤(rùn)滑—斜軋熱擴(kuò)管—均整—步進(jìn)式加熱爐再加熱—定徑—冷卻—精整—檢（化）驗(yàn)—包裝、入庫(kù)。

圖2 斜軋熱擴(kuò)管過程示意

斜軋熱擴(kuò)管機(jī)組的主要特點(diǎn)有：①機(jī)組產(chǎn)量大，一套斜軋熱擴(kuò)管機(jī)組的產(chǎn)量在20萬(wàn)t/年左右；②變形量大，一道次擴(kuò)徑率可達(dá)70%；③壁厚精度高，有糾正管坯壁厚偏差的效果，壁厚精度可達(dá)-4.5%～+4.5%或-8%～+8%；④金屬消耗較少、成材率較高；⑤設(shè)備投資大；⑥生產(chǎn)成本高；⑦產(chǎn)品表面質(zhì)量一般，加熱后的鋼管表面氧化嚴(yán)重，擴(kuò)制后的鋼管表面存在螺旋道；⑧可生產(chǎn)大直徑薄壁鋼管（D/S可達(dá)70），但鋼管外徑不能太大，最適宜生產(chǎn)直徑為500～800 mm的鋼管。

當(dāng)二輥斜軋穿孔機(jī)用于二次穿孔時(shí)，具有擴(kuò)徑功能，能夠起到擴(kuò)大管徑、減薄管壁的作用。但是，因?yàn)樗c斜軋熱擴(kuò)管機(jī)的軋機(jī)結(jié)構(gòu)和輥型形狀不同，其擴(kuò)徑率遠(yuǎn)小于斜軋熱擴(kuò)管機(jī)（一道次擴(kuò)徑率一般不大于25%）。目前，我國(guó)幾套主要的大型斜軋穿孔機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格見表2，其產(chǎn)品直徑偏差±1%D，壁厚偏差0～25%S或±13%S。

1.2 拉拔式熱擴(kuò)管工藝

最早的拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)于1936年在意大利Dalmine鋼管廠建成投產(chǎn)，原成都無縫鋼管廠于1965從意大利Innocenti公司引進(jìn)了一臺(tái)Φ650 mm拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)，并于1969年正式投產(chǎn)［7］。

拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)擴(kuò)管時(shí)，先將管坯的一端（長(zhǎng)度為350～550 mm）送入縫式加熱爐或感應(yīng)加熱爐中，加熱到850℃以上，再對(duì)該段管端進(jìn)行擴(kuò)口，形成喇叭狀；然后將擴(kuò)口后的管坯送入步進(jìn)式加熱爐中進(jìn)行整體加熱，加熱溫度一般為900～1 200℃；待管坯加熱均勻后，再將其擴(kuò)口管端固定在擴(kuò)管機(jī)的內(nèi)、外卡環(huán)上；隨后將一組（一般3～4個(gè)）直徑逐漸增大的頂頭按順序分別套在對(duì)應(yīng)的一組拉桿上，拉桿在卡爪的拉動(dòng)下，與頂頭一道通過管坯內(nèi)孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)管坯的擴(kuò)徑、減壁［8-9］。拉拔式熱擴(kuò)管過程如圖3所示，其工藝流程為：合格管坯—縫式加熱爐（或感應(yīng)加熱爐）加熱鋼管一端—加熱端擴(kuò)成喇叭狀—步進(jìn)式加熱爐加熱—拉拔擴(kuò)管（一次加熱可以擴(kuò)2～4道次）—冷卻—精整—檢（化）驗(yàn)—包裝、入庫(kù)。

表2 我國(guó)幾套主要的大型斜軋穿孔機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格

圖3 拉拔式熱擴(kuò)管過程示意

從拉拔式熱擴(kuò)管的變形過程可知，當(dāng)大于鋼管內(nèi)徑的頂頭通過鋼管內(nèi)孔時(shí)，管坯的外表面并沒有受到工具的約束，管壁沿周向存在著很大的拉應(yīng)力，使得管坯的管徑擴(kuò)大、管壁減薄，這種變形方式有誘發(fā)鋼管裂紋產(chǎn)生的趨勢(shì)和可能。若管坯已經(jīng)存在裂紋，則該裂紋會(huì)隨著擴(kuò)徑量的增加而擴(kuò)大。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，頂頭斜面就會(huì)像斧劈一樣將荒管的管體撕裂，造成管體開裂（俗稱“破肚”）。同時(shí)，拉拔式熱擴(kuò)管時(shí)，管坯最小處的管壁會(huì)先發(fā)生擴(kuò)徑、減壁變形，使壁厚減薄。這樣的結(jié)果是，本身就是壁厚最薄處的管壁變得更薄，而相對(duì)較厚處的管壁減壁量較小。因此，經(jīng)過擴(kuò)徑后的鋼管，其壁厚不均程度在原管坯壁厚不均的基礎(chǔ)上會(huì)進(jìn)一步加大。

拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)組的主要特點(diǎn)是：①機(jī)組產(chǎn)量較大，生產(chǎn)能力5～8萬(wàn)t/年；②變形量較大（一次加熱后的管坯擴(kuò)徑率一般在40%～45%，最大不超過65%；一次加熱后的管坯擴(kuò)徑道次最多為4道次，各道次的擴(kuò)徑率依次減小，分別為18%～22%、13%～16%、5%～10%、1%～2%）；③設(shè)備投資較斜軋熱擴(kuò)管機(jī)組少很多，較中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管機(jī)組多很多；④壁厚精度差，會(huì)進(jìn)一步惡化管坯的壁厚精度（一般拉拔熱擴(kuò)后的壁厚精度為-12.5%～+12.5%或-20.0%～+20.0%；⑤金屬消耗大，成材率低；⑥鋼管表面質(zhì)量差，管坯加熱后，表面氧化嚴(yán)重；頂頭容易對(duì)鋼管內(nèi)表面造成劃傷，形成內(nèi)直道；⑦生產(chǎn)成本高；⑧生產(chǎn)的鋼管壁厚和直徑均受到限制，管徑不能太大，管壁不能太薄。

1.3 中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝

中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝是近十多年來在我國(guó)廣泛采用的一種相對(duì)簡(jiǎn)易的熱擴(kuò)管工藝［10-13］。因其工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，很多鋼管廠都建有中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管機(jī)組［14］。

中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝過程是：用合格的鋼管作為管坯，在控溫、控速、控?cái)U(kuò)徑率的狀態(tài)下，將管坯連續(xù)置于中頻感應(yīng)加熱線圈中，沿管坯全長(zhǎng)、從頭到尾、非同時(shí)對(duì)整支管坯進(jìn)行連續(xù)加熱。當(dāng)變形區(qū)中管坯的溫度達(dá)到一定后，靠液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)，使其連續(xù)通過固定架上的錐形頂頭，實(shí)現(xiàn)管坯的連續(xù)擴(kuò)徑。中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管過程如圖4所示，其工藝流程為：合格管坯—內(nèi)壁涂潤(rùn)滑劑—中頻感應(yīng)加熱—頂推式擴(kuò)管—鋼管整體熱處理—精整—檢（化）驗(yàn)—包裝、入庫(kù)。

圖4 中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管過程示意

中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管機(jī)組的特點(diǎn)是：①擴(kuò)徑變形時(shí)，變形區(qū)中的金屬沿縱向受壓應(yīng)力，沿徑向從鋼管壁厚的內(nèi)表面到外表面受到的壓應(yīng)力依次減小，直至為零，沿周向受拉應(yīng)力，擴(kuò)制速度較?。焕问綗釘U(kuò)管時(shí)，變形區(qū)中的金屬在徑向和周向的受力狀態(tài)與中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管是相同的，但沿縱向受拉應(yīng)力，且擴(kuò)制速度很快，相比之下，中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)小一些；②鋼管表面質(zhì)量好。中頻感應(yīng)加熱時(shí)，鋼管表面氧化鐵皮少，擴(kuò)制后的鋼管外表面基本上保持了熱軋管坯外表面的原始狀態(tài)；因鋼管內(nèi)表面涂有潤(rùn)滑劑，頂頭不易黏鋼，有效地提高了鋼管的內(nèi)表面質(zhì)量；③比拉拔式熱擴(kuò)管工藝擴(kuò)制的鋼管壁厚精度稍好；④成材率高；⑤設(shè)備投資少；⑥生產(chǎn)靈活，工藝簡(jiǎn)單，制造成本低；⑦擴(kuò)制的鋼管直徑大、管壁薄，鋼管直徑可達(dá)1 500 mm，徑壁比D/S可達(dá)100；⑧單臺(tái)機(jī)組產(chǎn)量很低；⑨管坯加熱溫度較低，變形量較小。

1.4 熱擴(kuò)管工藝的優(yōu)劣勢(shì)比較

三種熱擴(kuò)管工藝優(yōu)劣勢(shì)比較見表3。

表3 三種熱擴(kuò)管工藝優(yōu)劣勢(shì)比較

1.5 熱擴(kuò)管工藝加熱方式分析

斜軋熱擴(kuò)管工藝和拉拔式熱擴(kuò)管工藝都是采用步進(jìn)式加熱爐，對(duì)爐內(nèi)管坯沿全長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行整體加熱。待整支管坯加熱到符合工藝溫度（900～1 200℃）后，送到斜軋熱擴(kuò)管機(jī)或拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)中進(jìn)行擴(kuò)制。

中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝的管坯加熱方式，不同于斜軋擴(kuò)管工藝和拉拔式擴(kuò)管工藝，在管坯擴(kuò)制之前，要先在步進(jìn)式加熱爐中對(duì)整支管坯同時(shí)進(jìn)行整體加熱，但不是人們印象中的只是對(duì)管坯進(jìn)行局部加熱，而是將管坯連續(xù)通過中頻感應(yīng)線圈，從頭到尾對(duì)整支管坯非同時(shí)進(jìn)行整體加熱。根據(jù)不同的鋼管品種和規(guī)格設(shè)定加熱溫度，當(dāng)變形區(qū)中的金屬加熱到750～950℃以后，按照設(shè)定的推制速度和擴(kuò)徑量，在連續(xù)加熱的同時(shí)，連續(xù)擴(kuò)管。

由此可見，與斜軋熱擴(kuò)管和拉拔式熱擴(kuò)管加熱工藝相比，中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝的管坯加熱溫度低（若加熱溫度太高，推頭前端的金屬會(huì)發(fā)生壓縮變形而產(chǎn)生褶皺）；此外，中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝加熱時(shí)采用的是將管坯從頭到尾連續(xù)通過中頻感應(yīng)線圈，對(duì)整支管坯非同時(shí)進(jìn)行連續(xù)整體加熱，而不是對(duì)整支管坯同時(shí)進(jìn)行整體加熱。

2 工藝參數(shù)對(duì)擴(kuò)管變形的影響

（1）管坯加熱方式。擴(kuò)管變形前的管坯加熱方式有兩種：沿著管坯全長(zhǎng)，對(duì)整支管坯同時(shí)進(jìn)行整體加熱（斜軋熱擴(kuò)管工藝和拉拔式熱擴(kuò)管工藝），待整支管坯的溫度都達(dá)到設(shè)定的加熱溫度后，再進(jìn)行擴(kuò)管變形；沿著管坯全長(zhǎng)，從頭到尾對(duì)整支管坯進(jìn)行分時(shí)、分段連續(xù)加熱（感應(yīng)加熱推制式熱擴(kuò)管工藝），待變形區(qū)中的一段管坯的溫度達(dá)到設(shè)定的加熱溫度后，再進(jìn)行擴(kuò)管變形。上述兩種不同的加熱方式，對(duì)擴(kuò)管變形來講，并沒有本質(zhì)影響。因?yàn)榧訜岬闹饕康氖菫榱颂岣呓饘僭诎l(fā)生變形時(shí)的變形能力，降低變形抗力；而擴(kuò)管變形主要發(fā)生在變形區(qū)中，加熱溫度對(duì)熱擴(kuò)管變形的影響，實(shí)際上就是加熱溫度對(duì)變形區(qū)中的金屬變形能力和變形抗力的影響。換句話說，變形區(qū)之外（變形區(qū)前和變形區(qū)后）的金屬，此時(shí)并沒有參與擴(kuò)徑變形，其加熱的狀況、溫度的高低，與擴(kuò)管變形沒有太大的關(guān)系。

（2）加熱溫度。不同的加熱溫度，表現(xiàn)為金屬的變形抗力和變形能力的不同，一般來講，溫度越低，變形抗力越大，變形能力越小，變形更加困難。中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管時(shí)的加熱溫度，要根據(jù)擴(kuò)制的鋼管品種、規(guī)格及質(zhì)量要求和變形工藝條件來設(shè)定。加熱溫度不能太高（一般為750～950℃），否則頂頭前端的金屬會(huì)發(fā)生壓縮變形而容易產(chǎn)生“手風(fēng)琴”狀褶皺。

（3）擴(kuò)徑量。因受變形方式的限制，變形區(qū)中管坯的加熱溫度不可能太高，由此會(huì)帶來變形抗力較大、變形能力較低。應(yīng)根據(jù)擴(kuò)制的品種、規(guī)格和加熱溫度等因素，合理設(shè)定變形量（擴(kuò)徑率），防止產(chǎn)生擴(kuò)制缺陷。一般來講，厚壁鋼管的一次擴(kuò)徑率不大于35%，薄壁鋼管的一次擴(kuò)徑率不大于60%。

（4）推制速度。推制速度的大小主要與變形區(qū)中的金屬是否有足夠的加熱時(shí)間，使其達(dá)到工藝規(guī)定的加熱溫度，且保證溫度均勻一致有關(guān)。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)、規(guī)格、壁厚等實(shí)際情況，設(shè)定推制速度。

3 熱擴(kuò)管應(yīng)注意的問題

（1）加強(qiáng)管坯質(zhì)量控制。管坯的質(zhì)量在很大程度上決定了擴(kuò)制后的鋼管質(zhì)量。應(yīng)選擇鋼質(zhì)純凈度高，夾雜物級(jí)別低，無裂紋，表面質(zhì)量好，幾何尺寸精度高，原始組織合格的鋼管作為擴(kuò)管用管坯。

（2）加強(qiáng)變形區(qū)中的管坯溫度控制。變形區(qū)中的管坯溫度及溫度的均勻性是影響中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管變形和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。必須保證變形區(qū)中的管坯溫度滿足工藝規(guī)定并使溫度均勻一致?？赏ㄟ^溫度檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)變形區(qū)中管坯加熱溫度和推制速度的閉環(huán)控制。

（3）選擇合適的變形參數(shù)。中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管時(shí)，除加熱溫度這一關(guān)鍵因素外，擴(kuò)徑率和推制速度也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。變形參數(shù)的確定必須與變形區(qū)中的管坯加熱溫度協(xié)調(diào)一致，以避免管坯的加熱溫度不合理或溫度不均勻，導(dǎo)致推制擴(kuò)管過程不能順利進(jìn)行，或產(chǎn)生擴(kuò)管裂紋。

（4）擴(kuò)制后進(jìn)行整體熱處理。由于中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管時(shí)的管坯加熱溫度較低，保溫時(shí)間較短，擴(kuò)制后的鋼管冷卻速度又難以控制，為了保證產(chǎn)品的金相組織和力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，擴(kuò)制后的鋼管必須進(jìn)行整體熱處理。

（5）加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)。中頻感應(yīng)加熱頂推式熱擴(kuò)管工藝是一個(gè)擴(kuò)大管徑、減薄管壁的變形過程。這種變形方式會(huì)讓已經(jīng)存在于原始管坯上的缺陷（特別是裂紋）不斷擴(kuò)大［15］。應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)擴(kuò)制后的成品鋼管進(jìn)行必要的檢測(cè)檢驗(yàn)，防止帶有缺陷的鋼管出廠。