秦建平，朱艷春，楚志兵

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

隨著連軋管和張力減徑技術(shù)的廣泛應(yīng)用，熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝過程與技術(shù)裝備趨于完善和成熟，熱軋無縫鋼管機組的生產(chǎn)能力顯著提高。當(dāng)前熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是產(chǎn)品品種和規(guī)格的多樣化、生產(chǎn)過程的節(jié)能化，以及提高熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的經(jīng)濟性［1］。為此，從不同角度分析現(xiàn)有熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的工藝過程和技術(shù)裝備的特點，探求新的生產(chǎn)工藝過程，開發(fā)新的生產(chǎn)技術(shù)裝備是十分必要的。

目前，我國無縫鋼管的生產(chǎn)企業(yè)很多，各種熱軋管生產(chǎn)方式均有應(yīng)用，根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量和品種規(guī)格的側(cè)重點不同，可以選用不同的生產(chǎn)系統(tǒng)。軋管生產(chǎn)系統(tǒng)主要有兩種：二輥斜軋穿孔—連軋—張力減徑生產(chǎn)工藝，斜軋穿孔—斜軋（三輥軋管機、精密軋管機）—定（減）徑生產(chǎn)工藝［2］。隨著熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的產(chǎn)能飽和，降低生產(chǎn)過程的消耗指標(biāo)，提高熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，滿足無縫鋼管深加工的需求是無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域技術(shù)進步所追求的目標(biāo)之一。

傳統(tǒng)的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的特征是將鋼管成型過程分為穿孔、軋管和定（減）徑三個部分，與其他材質(zhì)品種的熱軋生產(chǎn)相比，熱軋無縫鋼管生產(chǎn)是成型工序環(huán)節(jié)多，設(shè)備型式種類多，生產(chǎn)線最長，設(shè)備布置型式最復(fù)雜的熱軋生產(chǎn)過程［3-9］。由于坯料的物流距離長，為了保證軋制溫度，通常需要提高軋制速度，并設(shè)置再加熱裝置，從而增加了生產(chǎn)過程的能量消耗。

由于熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)多，設(shè)備種類多，因此導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格調(diào)整困難。通常的做法是，盡量減少穿孔和軋管成型過程中中間產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，將改變產(chǎn)品規(guī)格尺寸的成型過程放到定（減）徑工序中。這種做法增加了軋制成型過程的總變形量，同樣也增加了能量的消耗。即使如此，也難以很好地保證下游用戶對無縫鋼管產(chǎn)品規(guī)格的要求，無縫鋼管深加工企業(yè)需要設(shè)置大量的冷軋（拔）設(shè)備，進行無縫鋼管的改制和再加工，通過冷減徑減壁，滿足無縫鋼管產(chǎn)品尺寸和性能要求。但這樣的生產(chǎn)過程同樣會消耗大量的能源，增加了金屬消耗，同時需要酸洗等表面處理工序，又增大了對環(huán)境的危害［10］。

因此，以節(jié)能降耗為中心，滿足用戶多方面的需求，是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)進步的重要課題。

解決上述問題的根本途徑還是要從無縫鋼管生產(chǎn)工藝與技術(shù)裝備入手，通過開發(fā)新工藝，研制新設(shè)備，使得熱軋無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)裝備具有低投入、低產(chǎn)能、低消耗等特點，生產(chǎn)線具有短流程、工藝靈活、適應(yīng)性強等特點，實現(xiàn)無縫鋼管生產(chǎn)的技術(shù)進步［11］。多年來，太原科技大學(xué)開發(fā)研制了不同的無縫鋼管工藝裝備，并取得了較好的成效，主要的技術(shù)創(chuàng)新是穿-軋一體化技術(shù)。穿-軋一體化是實現(xiàn)熱軋無縫鋼管生產(chǎn)短流程的重要手段，可降低設(shè)備投資，縮短工藝流程，減少能源消耗。目前可以較好地應(yīng)用于生產(chǎn)中的穿-軋一體技術(shù)有兩種形式，即聯(lián)合穿軋技術(shù)和斜連軋技術(shù)。

1 聯(lián)合穿軋技術(shù)

無縫鋼管聯(lián)合穿軋生產(chǎn)技術(shù)，是指在一臺三輥斜軋管機上的一組軋輥上完成穿孔、軋管和均整三道成型工序的生產(chǎn)方法。早在20世紀50年代，國外就開始研究熱軋無縫鋼管的三輥聯(lián)合穿軋法，在理論與實踐上證明了聯(lián)合穿軋的可行性。20世紀60年代，我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)等一些單位也對聯(lián)合穿軋技術(shù)進行了研究。1977年，太原科技大學(xué)（原太原重型機械學(xué)院）設(shè)計制造了我國第一臺Φ50 mm三輥聯(lián)合穿軋機，并于1990年投入熱軋無縫鋼管生產(chǎn)［12］。

無縫鋼管三輥聯(lián)合穿軋過程，即采用一套軋輥，將穿孔、軋管、均整3個工序放在一個軋制道次內(nèi)完成，生產(chǎn)時管坯連續(xù)通過不同的變形區(qū)段，實現(xiàn)不同的成形過程，三輥聯(lián)合穿軋輥形與塑性變形區(qū)如圖1所示。通過對各工藝參數(shù)進行合理設(shè)計，如輥形曲線、送進角、軋輥直徑、轉(zhuǎn)速等，使各區(qū)段的變形滿足連續(xù)軋制條件；此外，還要解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問題，如鋼管外表面螺旋道、堆鋼、軋卡，從而獲得合格的熱軋成品管。

圖1 三輥聯(lián)合穿軋輥形與塑性變形區(qū)示意

該Φ50 mm三輥聯(lián)合穿軋機組安裝投產(chǎn)以后，多年來設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)濟效益高，累計生產(chǎn)數(shù)萬噸熱軋無縫鋼管。該機組的主要技術(shù)特點是：①只有一臺軋機，一個道次即可以將實心管坯加工為成品無縫鋼管；②短流程生產(chǎn)，軋件溫降小，管材無需二次加熱，可直接進行定（減）徑軋制；③鋼管材質(zhì)適應(yīng)性強，普碳鋼、不銹鋼、軸承鋼等合金鋼均可，有色金屬管也可生產(chǎn)（曾經(jīng)生產(chǎn)過鈦合金管）；④管材成品質(zhì)量好，其直徑和壁厚的公差精度均高于相關(guān)國家標(biāo)準。

2 斜連軋技術(shù)

盡管三輥聯(lián)合穿軋工藝實現(xiàn)了無縫鋼管的短流程生產(chǎn)過程，但是在輥形設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方面有諸多不便，這使得三輥聯(lián)合穿軋工藝的推廣應(yīng)用受到很大限制。隨著電子電氣技術(shù)的發(fā)展，在當(dāng)代先進電子技術(shù)的支撐下，為解決兩套軋輥軋制金屬的秒流量相等提供了條件，因此可以通過傳動控制實現(xiàn)斜軋穿孔和斜軋延伸連續(xù)成型過程。

太原科技大學(xué)開發(fā)了斜連軋技術(shù)，研制出我國首臺無縫鋼管斜連軋機組，如圖2所示。斜連軋軋制工藝將穿孔與軋管有機地結(jié)合在一起，在一臺軋制設(shè)備上采用兩套軋輥實現(xiàn)管坯的穿孔和軋制延伸，也可以實現(xiàn)穿孔—均整、穿孔—二次穿孔、管棒材斜連軋延伸等生產(chǎn)工藝過程［13］。

圖2 斜連軋機組示意

無縫鋼管斜連軋機組的主要技術(shù)特點是：①一臺軋機、兩套軋輥和兩套傳動系統(tǒng)；②通過兩個軋制道次即可將實心管坯加工為熱軋無縫鋼管（毛管）；③短流程生產(chǎn)，軋件溫降小，管材無需二次加熱，可直接進行定（減）徑軋制；④鋼管材質(zhì)適應(yīng)性強，普碳鋼、不銹鋼、軸承鋼等合金鋼均可，有色金屬管也可生產(chǎn)（曾經(jīng)生產(chǎn)過鎂合金管），也適于軋制難變形金屬。

采用斜連軋技術(shù)生產(chǎn)熱軋無縫鋼管需要從工藝分析與設(shè)備調(diào)整兩個方面實施。通過分析金屬斜連軋工藝的成型過程，設(shè)定并修正斜連軋的變形工藝參數(shù)，構(gòu)建金屬斜連軋穿孔和軋制的速度模型，推導(dǎo)出合理的穿、軋過程的速度匹配關(guān)系。此外，分析穿孔頂頭并對其參數(shù)進行設(shè)定，設(shè)計適應(yīng)于金屬斜連軋的頂頭也是必要的。

無縫鋼管的斜連軋技術(shù)尚處于開發(fā)過程中，有待于進一步的工業(yè)性試驗和試生產(chǎn)來進行驗證與考核。期待該項技術(shù)能夠盡快在無縫鋼管的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

3 穿孔-軋制技術(shù)

聯(lián)合穿軋和斜連軋技術(shù)可以顯著縮短生產(chǎn)工藝流程，但是由于穿孔和軋制的變形集中在一臺設(shè)備上，除調(diào)整困難外，變形量有限是制約其廣泛應(yīng)用的主要因素。因此尋求新的無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備布置是必要的。

將穿孔機與軋機布置在一條軋制線上，斜軋穿孔采用軸向出管技術(shù)，使荒管直接進入連軋機進行軋制，或者直接將穿孔脫棒過程與連續(xù)軋制過程結(jié)合在一起，形成穿孔-軋制生產(chǎn)線。這種方式顯著縮短了軋制線長度，減少了坯料運行時間，降低了能源消耗。

軸向出管技術(shù)早期在卡爾梅斯皮爾格軋管的延伸機上采用，在20世紀中期用于斜軋無縫鋼管穿孔生產(chǎn)，其目的是縮短脫棒時間，提高生產(chǎn)效率。穿軋軸向出管如圖3所示。太原科技大學(xué)研制的Φ50 mm三輥聯(lián)合穿軋機組就采用了軸向出管技術(shù)，減少了機組占地面積，提高了生產(chǎn)效率。

圖3 穿軋軸向出管示意

軸向出管裝置主要由前卡截器、出口導(dǎo)管、定心輥、夾送輥、后卡截器、止擋機構(gòu)、輸出輥道、后臺臺架、頂桿和頂頭組成。其基本工作原理是：在穿孔狀態(tài)下，頂桿的尾部由止擋機構(gòu)頂住，中間由定心輥抱緊，頂頭處于穿孔位置，開始穿孔，隨著穿孔過程的進行，定心輥逐個打開，便于荒管向前運行。當(dāng)穿孔過程結(jié)束，荒管的尾部離開軋機，后卡截器將頂桿夾緊，夾送輥將荒管繼續(xù)送進頂桿，使頂桿的頭部露出，然后前卡截器夾緊頂桿頭部，后卡截器和止擋機構(gòu)打開，夾送輥將荒管送出，進入輸出輥道。

在目前的無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)下，可以利用軸向出管技術(shù)改進無縫鋼管生產(chǎn)車間的工藝路線和設(shè)備布置，為縮短工藝流程提供可能。

將軸向出管的輸出輥道與軋管機的輸入輥道結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)穿孔與軋制的連續(xù)作業(yè)，縮短了軋件的運行時間。由于穿孔、軋制連續(xù)進行，在此軋制過程中溫度下降很小，降低了能源的消耗。

與穿孔機軸向出管銜接的軋制設(shè)備可以有不同的型式。圖4所示為一種小型管材連軋機組，機組由8機架三輥Y型軋機組成，可以根據(jù)要求增加或減少機架的數(shù)量。機架按照正反Y型布置，采用標(biāo)準傳動裝置，單獨傳動；機組的入口和出口分別設(shè)置前、后臺；機組可以采用不同的芯棒軋制型式。目前，適用于多品種、多規(guī)格、小直徑無縫鋼管產(chǎn)品生產(chǎn)的緊湊型鋼管連軋生產(chǎn)線以及配套的芯棒裝置還在開發(fā)研制階段。

圖4 小型管材連軋機組示意

4 結(jié) 語

無縫鋼管的穿-軋成型特點決定了其生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備布置的型式，穿-軋一體化是對現(xiàn)有無縫鋼管生產(chǎn)方式的重大變革，也是實現(xiàn)熱軋無縫鋼管經(jīng)濟型生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)的有效手段［1］。穿-軋一體化工藝具有降低設(shè)備投資、縮短工藝流程、減少能源消耗、適于生產(chǎn)難變形金屬管材等特點。因此積極開發(fā)無縫鋼管生產(chǎn)的穿-軋一體化技術(shù)，對無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。