新建热轧无缝钢管生产线设备选型的探讨
2006-01-24 00:00 来源： 我的钢铁
摘要：本文简要论述了穿孔机、轧管机和减定径机的主要机型，分析了不同生产设备的变形特点和应用的发展趋势。根据国家《钢铁产业政策》的要求，促进优化全国产品结构和提高装备水平，对企业新建热轧无缝钢管生产线的设备选型，进行了分析和建议。
一、优化热轧无缝管产品结构和装备水平的重要性
中国经济的持续稳定增长及业已启动的城市化和工业化，促进了钢铁行业的健康、快速和稳定发展。良好的市场环境，为钢铁企业进一步发展提供了良好契机。经过近年钢铁快速发展，钢材市场供需关系，由卖方市场变为卖方市场，各企业已开始探索企业可持续性发展的有效途径。 采用先进的生产工艺装备，是提高企业竞争力的有效手段。各钢铁企业为了提高自身竞争力，根据自身资金实力，大规模的改造或新建生产线。无缝管的生产水平是衡量一个国家钢铁整体生产水平的重要指标，我国目前无缝管总体装备水平还不高；按照国家《钢铁产业政策》的要求，站在优化整体钢铁行业产品结构和装备水平的高度，提高无缝管生产水平和企业竞争力已势在必行。本文就新建热轧无缝管生产线工艺设备选型，作以下探讨。
二、穿孔机
1.穿孔机型式[1]
应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、PPM推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和锥辊式穿孔机。 压力穿孔机和PPM推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯。穿轧过程中坯料中心处于全向压应力，消除了二辊斜轧穿孔出现的有害的拉伸剪切和滑动现象，毛管表面质量好；但此类型轧机穿孔延伸系数小，穿孔后须配备延伸机，设备投资大，在新建机组中已经很少使用。 曼内斯曼穿孔机是比较典型的二辊斜轧穿孔，采用轧制、锻造圆坯和圆锭为主要原料。穿孔时受拉伸应力、剪切应力和连续滑动的影响，应力状态条件差，毛管表面质量差，是较老的机型。
Diescher穿孔机和Stiefel穿孔机同属斜轧机，都使用连铸圆坯作为原料。Diescher穿孔机比Stiefel穿孔机延伸系数大，生产率高，生产成本低。Stiefel穿孔机最大延伸率为4，而Diescher穿孔机最大延伸率达到5。因此，Stiefel穿孔机已逐步由Diescher穿孔机所取代。目前，全世界有Diescher穿孔机10余台。Diescher穿孔机能在世界上得到广泛的应用，得益于它先进的生产技术。
Diescher穿孔机尽管取得了良好的生产效果，但为了进一步提高延伸率，经过多年工艺技术的研究，产生了更先进的新型锥辊式穿孔机。新型锥辊式穿孔机采用圆坯为原料，最大延伸系数可达到6；锥形轧辊的直径沿穿孔出口方向逐渐加大，与穿孔时金属流动速度逐渐增加相一致，从而减小了作用在管坯上的周向剪切应力，减少了毛管内外表面上的缺陷，工艺性能优于Diescher穿孔机[2]，是近年新建机组首选机型。
2.不同类型穿孔机应用分析
连铸坯代替轧坯或者锻坯作为原料，是降低生产成本的有效手段。根据无缝管变形分析研究，采用连铸圆坯比方坯更能减少不均匀变形和降低工具磨损，从而降低生产成本。采用连铸圆坯作为原料已被普遍采纳。 曼内斯曼穿孔机、压力穿孔机和PPM穿孔机由于使用原料的限制和自身生产的局限性，已不能满足降低生产成本、提高生产率和产品质量的发展要求，已逐渐被淘汰。作为斜轧穿孔的三种类型，采用连铸圆坯为原料的Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥辊式穿孔机，已经得到了广泛应用。
3.小结
Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥辊式穿孔机都采用连铸圆坯为原料，根据生产率和延伸率等指标的分析，新型锥辊式穿孔机最为先进[3]。锥辊式穿孔机具有以下优点： （1）穿孔效率高 穿孔速度可达1.0～1.5m/s，穿孔周期短，产量高，适合与连轧管机配套使用。 （2）能成功地穿轧连铸坯及难变形的金属 由于锥形工作辊及其碾轧角和主动旋转导盘的作用，改善了金属的变形及运动学条件，抑制了金属变形过程中的旋转锻造效应，可穿轧出内部缺陷少、表面质量好、同心度和壁厚均匀性高的毛管。毛管壁厚不均可控制在3～4%以下。 （3）可实现大延伸、大扩径量穿孔 穿孔延伸系数可达6，扩径量达30～40%，扩大了产品规格。 （4）工具消耗少 主传动的大导盘磨损均匀，使用寿命长，每4～6个星期更换一次。而传统的固定导板每个班需更换1～2次。由于大导盘更换次数少，不仅可减少工具消耗，同时还可以提高穿孔机的作业率。 综合以上分析，新型锥辊式穿孔机在生产效率、生产质量和降低成本方面所具有的优势，决定了新建无缝钢管生产线的穿孔机选型，将以其作为主要考虑机型。
三、轧管机
1.轧管机型式[4]
目前，我国应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、CPE轧管机、新型三辊轧管机、Accu Roll轧管机、MPM轧管机和PQF轧管机。
皮尔格轧管机可用钢锭作原料，宜于轧制大口径的厚壁钢管和变断面管，主要用于生产热轧大口径厚壁合金无缝管，产品规格一般为Æ140～560mm，壁厚最大可达80mm以上，生产能力为10～20万吨/年。该机型还用于冷轧管机组。
自动轧管机把厚壁毛管轧成薄壁荒管，一般经2～3道次，轧制到成品壁厚，总延伸率约为1.8～2.2；主要用于生产热轧中厚壁无缝管，热轧产品规格为Æ57～426mm，生产能力为7～40万吨/年不等。该机型在我国的数量最多。 CPE轧管机是一种改进的顶管机，采用比传统顶管机重量更大的管坯，可生产较长的管子（可达24m），提高了收得率，但仍比其他工艺收得率低。可生产薄壁钢管，生产工艺独特，生产能力为5～30万吨/年。 三辊轧管机产品尺寸精度高，表面质量好，轧机调整方便，工具消耗少，易于实现自动化；但生产率较低，需采用优质钢坯，生产薄壁管比较困难。主要用于生产中小口径高精度厚壁无缝管（规格一般<Æ219mm），特别适合生产合金钢无缝管，生产能力为7～20万吨/年。
Accu Roll轧管机穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤﹔但工具费用大，延伸系数小，毛管长度短。主要用于生产外径219mm以下普通用途的碳素钢管。生产能力为7～20万吨/年。
MPM轧管机为二辊连轧管机，工艺和技术成熟，机组规格型号较多，可以生产大部分钢种的中薄壁无缝管，D/S（直径/壁厚）可达45，生产能力达到50万吨以上，目前在世界上已经成为连轧管的主要选择机型。 PQF轧管机为三辊连轧管机，是目前理论上最为先进的连轧管机，可轧制薄壁管和难变形钢种，D/S（直径/壁厚）值可达58，生产能力可达30万吨以上，目前世界上只建有天津钢管公司一条生产线[5]。 其它类型轧管机有CPS轧管机和三辊行星轧管机。南非Tosa钢管厂于1989年进行技术改造，以CPS轧管机代替顶管机，最终由于技术原因，没有获得成功。三辊行星轧管机于1983年在德国Eschweiler厂投产，目前世界上只有一套此类型轧机在生产。 2.不同类型轧管机应用分析
皮尔格轧管机属于周期轧管工艺，是一种非连续式的分段纵轧工艺；自动轧管机采用的是自动轧管工艺，属于短顶头纵轧工艺。这两种轧机的发展趋势是逐步被采用长芯棒连续纵轧工艺的连轧管机所取代。
CPE轧管机、三辊轧管机和Accu Roll轧管机由于适合产量小和低投资的要求，在一段时间内，还不会被连轧管机所完全取代，但生产规模超过50万吨的轧管机将不得不采用连轧管机。
连轧管机主要有两种机型：MPM轧管机和PQF轧管机。MPM轧管机已经在世界上得到广泛应用，被认为是世界上先进的、成熟的生产技术。PQF轧机由于结合了典型二辊MPM限动芯棒技术及三辊孔型设计技术，因而比MPM限动芯棒连轧管机前进了一大步，理论上比MPM轧管机更先进，但投资也更大。
3.小结
目前，我国无缝管轧机型处于多种轧管机共存的阶段，各种轧管机的应用前景，取决于企业确定的产品品种和生产规模。连轧管机由于其生产规模大、成材率高、吨材投资低和适合生产品种广，被认为是最有发展前景的轧管机。MPM轧管机和PQF轧管机的取舍，决定于企业的对产品质量的要求和自身资金状况。
四、张力减径机
1.张力减径机的型式
在多机架（一般为24架）的减径机上不带芯棒热轧钢管，机架间形成张力，同时减小其直径和壁厚的减径过程叫做钢管张力减径。只减小钢管的直径而不同时减小钢管壁厚的过程一般称作定径或减径。张力减径机的应用使穿孔机、轧管机和均整机更换规格的次数减少，使所需要的管坯规格单一，并扩大了产品规格范围。一般张力减径机有两辊和三辊两种形式。
2.不同张力减径机应用分析
（1）减径量
二辊式减径机的最大单架减径量为12%～14%，而三辊式减径机最大单架减径量为7.5%～l0%，在减壁量方面，二辊式和三辊式基本相同。
（2）切头尾长度
只有当钢管在机架间承受全张力的情况下，才有可能使管壁减小。在钢管的两端，都有一段(等于机架中心距离B的长度)没有产生张力，而壁厚不均而需切除，影响成材率。假定钢管在减径机中的延伸等于µ，那么这个长度为B×µ。 根据经验，切头长度的计算可参考以下公式： L=B×µ×2 式中，L－切头长度 B－机架中心距离 µ－延伸系数 从以上公式可以看出，机架间的距离是影响切头损失的决定因素之一。根据实际生产经验，机架间距三辊张减机要比二辊张减机的小，因此，切头尾短。而且钢管在三辊张减机空行中的滑移比二辊张减机的小，表面质量好。 3.小结
通过以上分析，三辊式减径机生产钢管表面质量好，切头少，有较大的减径量和减壁量，成为目前张减机的主要选择机型。 五、结论
无论那种设备型式，都有它存在的历史背景和技术优势，根据不同生产要求，穿孔机、轧管机和张减机有多种匹配型式，同时，设备的选型除了要考虑其先进性外，还要考虑产品方案、生产规模和投资等综合因素。
一、优化热轧无缝管产品结构和装备水平的重要性
中国经济的持续稳定增长及业已启动的城市化和工业化，促进了钢铁行业的健康、快速和稳定发展。良好的市场环境，为钢铁企业进一步发展提供了良好契机。经过近年钢铁快速发展，钢材市场供需关系，由卖方市场变为卖方市场，各企业已开始探索企业可持续性发展的有效途径。 采用先进的生产工艺装备，是提高企业竞争力的有效手段。各钢铁企业为了提高自身竞争力，根据自身资金实力，大规模的改造或新建生产线。无缝管的生产水平是衡量一个国家钢铁整体生产水平的重要指标，我国目前无缝管总体装备水平还不高；按照国家《钢铁产业政策》的要求，站在优化整体钢铁行业产品结构和装备水平的高度，提高无缝管生产水平和企业竞争力已势在必行。本文就新建热轧无缝管生产线工艺设备选型，作以下探讨。
二、穿孔机
1.穿孔机型式[1]
应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、PPM推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和锥辊式穿孔机。 压力穿孔机和PPM推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯。穿轧过程中坯料中心处于全向压应力，消除了二辊斜轧穿孔出现的有害的拉伸剪切和滑动现象，毛管表面质量好；但此类型轧机穿孔延伸系数小，穿孔后须配备延伸机，设备投资大，在新建机组中已经很少使用。 曼内斯曼穿孔机是比较典型的二辊斜轧穿孔，采用轧制、锻造圆坯和圆锭为主要原料。穿孔时受拉伸应力、剪切应力和连续滑动的影响，应力状态条件差，毛管表面质量差，是较老的机型。
Diescher穿孔机和Stiefel穿孔机同属斜轧机，都使用连铸圆坯作为原料。Diescher穿孔机比Stiefel穿孔机延伸系数大，生产率高，生产成本低。Stiefel穿孔机最大延伸率为4，而Diescher穿孔机最大延伸率达到5。因此，Stiefel穿孔机已逐步由Diescher穿孔机所取代。目前，全世界有Diescher穿孔机10余台。Diescher穿孔机能在世界上得到广泛的应用，得益于它先进的生产技术。
Diescher穿孔机尽管取得了良好的生产效果，但为了进一步提高延伸率，经过多年工艺技术的研究，产生了更先进的新型锥辊式穿孔机。新型锥辊式穿孔机采用圆坯为原料，最大延伸系数可达到6；锥形轧辊的直径沿穿孔出口方向逐渐加大，与穿孔时金属流动速度逐渐增加相一致，从而减小了作用在管坯上的周向剪切应力，减少了毛管内外表面上的缺陷，工艺性能优于Diescher穿孔机[2]，是近年新建机组首选机型。
2.不同类型穿孔机应用分析
连铸坯代替轧坯或者锻坯作为原料，是降低生产成本的有效手段。根据无缝管变形分析研究，采用连铸圆坯比方坯更能减少不均匀变形和降低工具磨损，从而降低生产成本。采用连铸圆坯作为原料已被普遍采纳。 曼内斯曼穿孔机、压力穿孔机和PPM穿孔机由于使用原料的限制和自身生产的局限性，已不能满足降低生产成本、提高生产率和产品质量的发展要求，已逐渐被淘汰。作为斜轧穿孔的三种类型，采用连铸圆坯为原料的Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥辊式穿孔机，已经得到了广泛应用。
3.小结
Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥辊式穿孔机都采用连铸圆坯为原料，根据生产率和延伸率等指标的分析，新型锥辊式穿孔机最为先进[3]。锥辊式穿孔机具有以下优点： （1）穿孔效率高 穿孔速度可达1.0～1.5m/s，穿孔周期短，产量高，适合与连轧管机配套使用。 （2）能成功地穿轧连铸坯及难变形的金属 由于锥形工作辊及其碾轧角和主动旋转导盘的作用，改善了金属的变形及运动学条件，抑制了金属变形过程中的旋转锻造效应，可穿轧出内部缺陷少、表面质量好、同心度和壁厚均匀性高的毛管。毛管壁厚不均可控制在3～4%以下。 （3）可实现大延伸、大扩径量穿孔 穿孔延伸系数可达6，扩径量达30～40%，扩大了产品规格。 （4）工具消耗少 主传动的大导盘磨损均匀，使用寿命长，每4～6个星期更换一次。而传统的固定导板每个班需更换1～2次。由于大导盘更换次数少，不仅可减少工具消耗，同时还可以提高穿孔机的作业率。 综合以上分析，新型锥辊式穿孔机在生产效率、生产质量和降低成本方面所具有的优势，决定了新建无缝钢管生产线的穿孔机选型，将以其作为主要考虑机型。
三、轧管机
1.轧管机型式[4]
目前，我国应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、CPE轧管机、新型三辊轧管机、Accu Roll轧管机、MPM轧管机和PQF轧管机。
皮尔格轧管机可用钢锭作原料，宜于轧制大口径的厚壁钢管和变断面管，主要用于生产热轧大口径厚壁合金无缝管，产品规格一般为Æ140～560mm，壁厚最大可达80mm以上，生产能力为10～20万吨/年。该机型还用于冷轧管机组。
自动轧管机把厚壁毛管轧成薄壁荒管，一般经2～3道次，轧制到成品壁厚，总延伸率约为1.8～2.2；主要用于生产热轧中厚壁无缝管，热轧产品规格为Æ57～426mm，生产能力为7～40万吨/年不等。该机型在我国的数量最多。 CPE轧管机是一种改进的顶管机，采用比传统顶管机重量更大的管坯，可生产较长的管子（可达24m），提高了收得率，但仍比其他工艺收得率低。可生产薄壁钢管，生产工艺独特，生产能力为5～30万吨/年。 三辊轧管机产品尺寸精度高，表面质量好，轧机调整方便，工具消耗少，易于实现自动化；但生产率较低，需采用优质钢坯，生产薄壁管比较困难。主要用于生产中小口径高精度厚壁无缝管（规格一般<Æ219mm），特别适合生产合金钢无缝管，生产能力为7～20万吨/年。
Accu Roll轧管机穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤﹔但工具费用大，延伸系数小，毛管长度短。主要用于生产外径219mm以下普通用途的碳素钢管。生产能力为7～20万吨/年。
MPM轧管机为二辊连轧管机，工艺和技术成熟，机组规格型号较多，可以生产大部分钢种的中薄壁无缝管，D/S（直径/壁厚）可达45，生产能力达到50万吨以上，目前在世界上已经成为连轧管的主要选择机型。 PQF轧管机为三辊连轧管机，是目前理论上最为先进的连轧管机，可轧制薄壁管和难变形钢种，D/S（直径/壁厚）值可达58，生产能力可达30万吨以上，目前世界上只建有天津钢管公司一条生产线[5]。 其它类型轧管机有CPS轧管机和三辊行星轧管机。南非Tosa钢管厂于1989年进行技术改造，以CPS轧管机代替顶管机，最终由于技术原因，没有获得成功。三辊行星轧管机于1983年在德国Eschweiler厂投产，目前世界上只有一套此类型轧机在生产。 2.不同类型轧管机应用分析
皮尔格轧管机属于周期轧管工艺，是一种非连续式的分段纵轧工艺；自动轧管机采用的是自动轧管工艺，属于短顶头纵轧工艺。这两种轧机的发展趋势是逐步被采用长芯棒连续纵轧工艺的连轧管机所取代。
CPE轧管机、三辊轧管机和Accu Roll轧管机由于适合产量小和低投资的要求，在一段时间内，还不会被连轧管机所完全取代，但生产规模超过50万吨的轧管机将不得不采用连轧管机。
连轧管机主要有两种机型：MPM轧管机和PQF轧管机。MPM轧管机已经在世界上得到广泛应用，被认为是世界上先进的、成熟的生产技术。PQF轧机由于结合了典型二辊MPM限动芯棒技术及三辊孔型设计技术，因而比MPM限动芯棒连轧管机前进了一大步，理论上比MPM轧管机更先进，但投资也更大。
3.小结
目前，我国无缝管轧机型处于多种轧管机共存的阶段，各种轧管机的应用前景，取决于企业确定的产品品种和生产规模。连轧管机由于其生产规模大、成材率高、吨材投资低和适合生产品种广，被认为是最有发展前景的轧管机。MPM轧管机和PQF轧管机的取舍，决定于企业的对产品质量的要求和自身资金状况。
四、张力减径机
1.张力减径机的型式
在多机架（一般为24架）的减径机上不带芯棒热轧钢管，机架间形成张力，同时减小其直径和壁厚的减径过程叫做钢管张力减径。只减小钢管的直径而不同时减小钢管壁厚的过程一般称作定径或减径。张力减径机的应用使穿孔机、轧管机和均整机更换规格的次数减少，使所需要的管坯规格单一，并扩大了产品规格范围。一般张力减径机有两辊和三辊两种形式。
2.不同张力减径机应用分析
（1）减径量
二辊式减径机的最大单架减径量为12%～14%，而三辊式减径机最大单架减径量为7.5%～l0%，在减壁量方面，二辊式和三辊式基本相同。
（2）切头尾长度
只有当钢管在机架间承受全张力的情况下，才有可能使管壁减小。在钢管的两端，都有一段(等于机架中心距离B的长度)没有产生张力，而壁厚不均而需切除，影响成材率。假定钢管在减径机中的延伸等于µ，那么这个长度为B×µ。 根据经验，切头长度的计算可参考以下公式： L=B×µ×2 式中，L－切头长度 B－机架中心距离 µ－延伸系数 从以上公式可以看出，机架间的距离是影响切头损失的决定因素之一。根据实际生产经验，机架间距三辊张减机要比二辊张减机的小，因此，切头尾短。而且钢管在三辊张减机空行中的滑移比二辊张减机的小，表面质量好。 3.小结
通过以上分析，三辊式减径机生产钢管表面质量好，切头少，有较大的减径量和减壁量，成为目前张减机的主要选择机型。 五、结论
无论那种设备型式，都有它存在的历史背景和技术优势，根据不同生产要求，穿孔机、轧管机和张减机有多种匹配型式，同时，设备的选型除了要考虑其先进性外，还要考虑产品方案、生产规模和投资等综合因素。
