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12、热轧钢管生产工艺流程2．1一般工艺流程热轧无缝钢管的生产工艺流程包括坯料轧前准备、管坯加热、穿孔、轧制、定减径和钢管冷却、精整等几个基本工序。当今热轧无缝钢管生产的一般主要变形工序有三个：穿孔、轧管和定减径；其各自的工艺目的和要求为：2.1.1穿孔：将实心的管坯变为空心的毛管；我们可以理解为定型，既将轧件断面定为圆环状；其设备被称为穿孔机。对穿孔工艺的要求是：首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。2.1.2轧管：将厚壁的毛管变为薄壁（接近成品壁厚）的荒管；我们可以视其为定壁，即根据后续的工序减径量和经验公式确定本工序荒管的壁厚值；该设备被称为轧管机。对轧管工艺的要求是：第一是将厚壁毛管变成薄壁荒管（减壁延伸）时首先要保证荒管具有较高的壁厚均匀度；其次荒管具有良好的内外表面质量。2.1.3定减径（包括张减）：大圆变小圆，简称定径；相应的设备为定（减）径机,其主要作用是消除前道工序轧制过程中造成的荒管外径不一（同一支或同一批），以提高热轧成品管的外径精度和真圆度。对定减径工艺的要求是：首先在一定的总减径率和较小的单机架减径率条件下来达到定径目的，第二可实现使用一种规格管坯生产多种规格成品管的任务，第三还可进一步改善钢管的外表面质量。20世纪80年代末,曾出现过试图取消轧管工序,仅使用穿孔加定减的方法生产无缝钢管,简称CPS,即斜轧穿孔和张减的英文缩写),并在南非的Tosa厂进行了工业试验,用来生产外径:３３.４～１７９.８mm，壁厚3.4～25mm的钢管，其中定径最小外径为101.6mm；张减最大外径我101.6mm。经过实践检验，该工艺在产生壁厚大于10mm的钢管时质量尚可，但在生产壁厚小于8mm的钢管时通过定径、张减不能完全消除穿孔毛管的螺旋线，影响了钢管的外观质量。在随后的改造中不得不在穿孔机于定减径机之间增设了一台MINI-MPM(4机架)来确保产品质量。2．2各热轧机组生产工艺过程特点我们通常将毛管的壁厚加工称之为轧管。轧管是钢管成型过程中最重要的一个工序环节。这个环节的主要任务是按照成品钢管的要求将厚壁的毛管减薄至与成品钢管相适应的程度，即它必须考虑到后继定、减径工序时壁厚的变化，这个环节还要提高毛管的内外表面质量和壁厚的均匀度。通过轧管减壁延伸工序后的管子一般称为荒管。轧管减壁方法的基本特点是在毛管内按上刚性芯棒，由外部工具（轧辊或模孔）对毛管壁厚进行压缩减壁。依据变形原理和设备特点的不同，它有许多种生产方法，如表1所示。一般习惯根据轧管机的形式来命名热轧机组。轧管机分单机架和多机架，单机架有自动轧管机、阿塞尔轧机、ACCU-ROLL等,斜轧管机都是单机架的；连轧管机都是多机架的，通常4~8个机架，如MPM、PQF等。目前主要使用连轧（属于纵轧）与斜轧两种轧管工艺。2表1轧管减壁的工艺方法变形原理设备、工具特点加工工艺方式延伸系数外工具、设备芯棒纵轧法单机架短（固定）自动轧管机（plugmill）1.5~2.1多机架连轧长（浮动）MM3~4.5中长（半浮、限动）Neuval-R，MRK-S、MPM、MINI-MPM、PQF3~6.5斜轧法二辊导板短（固定、限动）二次穿孔、延伸机＜2.5导盘长（浮动）狄舍尔延伸机（Diescher）2~5.0中长（限动）ACCU-ROLL2~5.0三辊中、长（浮动、限动、回退）三辊轧管机（Assel，Transval）1.3~3.5多辊中长（固定）行星轧管机（PSW）5~14锻轧法周期断面辊中长（往复）周期式轧管机（Pilger）8~15顶管法一列模孔长（与出口管端同步）顶管机4~16.5挤压法单模孔中长（固定）挤压机1.2~302..2.1连续轧管机的几种形式：连轧管机是在毛管内穿入长芯棒后，经过多机架顺序布置且相临机架辊缝互错（二辊式辊缝互错90°，如图1所示；三辊式辊缝互错60°）的连轧机轧成钢管，它是当今被最广泛应用的纵轧钢管方法。连轧管机轧制过程中，轧件变形实际上是受多组（4~8组）轧辊与芯棒的反复作用从圆到椭圆…椭圆再到圆的过程。连轧管机的发展历史悠久，早在19世纪末就曾尝试在长芯棒上进行轧管，但种种原因，至1950年世界上仅有6台连轧管机。1960年后，随着科学技术的进步和生产的发展，特别是电子计算机技术的飞速发展和应用，使连轧管机在生产工艺和设备上日趋完善，得到了迅速的发展和推广。在浮动芯棒连轧管机的基础上，限动芯棒连轧管机于20世纪60年代中期进行了工艺试验，获得了可喜的成果。1978年世界上第一套限动芯棒连轧管机（MPM）在意大利达尔明钢管厂建成投产，连轧管工艺发展到了一个新的水准。20世纪90年代末又推出了三辊连轧管机（PQF）技术，使连轧管工艺装备跃上了更高的台阶。连轧管机在PQF出现以前，都是两辊式的，即由两个轧辊为一组组成孔型,二辊式的机架既有与地面呈45°交错布置的，也有与地面垂直、水平交错布置的；PQF为三辊式的，即由三个轧辊为一组组成孔型；；MPM与PQF孔型构成见（图2）；连轧管时，孔型顶部的金属由于受到轧辊外压力和芯棒内压力作用而产生轴向延伸，并向圆周横向宽展，而孔型侧壁部分的金属与芯棒不接触，但它被顶部轴向延伸的金属对它附加的拉应力作用而产生轴向延伸，并同时产生轴向拉缩。不论两辊式的还是三辊式的连轧管机，按芯棒的运行方式可分为以下三种形式。32.2.1.1浮动芯棒连轧管机（或全浮动芯棒连轧管机）：简称MM（MandrelMill），一般设有8个机架。轧制过程中对芯棒速度不加以控制，芯棒由被辗轧金属的摩擦力带动自由跟随管子通过轧机，芯棒的运行速度是不受控的;轧制过程中芯棒的运行速度随着各机架的咬入、抛钢有波动，从而引起管子壁厚的波动；轧制结束后，芯棒随荒管轧出至连轧机后的输出辊道，在轧制中、薄壁管时芯棒的几乎全长都在荒管内，见图3；带有芯棒的荒管横移至脱棒线，由脱棒机将芯棒从荒管中抽出以便冷却、润滑后循环使用。其特点是轧制节奏快，每分钟可轧4支甚至更多的钢管；但荒管的壁厚精度稍低、设有脱棒机其工艺流程较长、芯棒的长度接近于管子的长度；适合生产较小规格（外径小于177.8mm）的无缝钢管。比较有代表性的浮动芯棒连轧管机有德国米尔海姆厂的RK2机组和我国宝钢的φ140mm机组。浮动芯棒连轧管机的工作特点是：由于在轧制时不控制芯棒速度，因此在整个轧制过程中，芯棒速度多次变化。例如，在一台8机架的连轧管机上，当金属进入第一机架时，芯棒在摩擦力的作用下，以接近第一机架的轧制速度运行；当金属进入第二机架时，芯棒速度就要改变，以第一和第二机架轧制速度之间的某个速度运行；当进入第三机架时，则芯棒速度已变为第一、第二和第三机架轧制速度之间的某个速度；依此类推，直至进入第八机架，芯棒速度便经过了8次变化，已1～8机架间的某个速度运行，进入一个相对稳定的轧制阶段。在此阶段，前面机架的轧制速度比芯棒速度慢（称为慢速机架），后面机架的轧制速度比芯棒速度快（称为快速机架），如果中间某个机架的轧制速度恰好与芯棒运行速度相同则称为同步机架。随后当金属逐渐从有关机架中轧出时，在芯棒速度变化为2～8机架间的某个速度；当金属由第二机架轧出，则芯棒速度又变为第三至第八机架间的某个速度，以此类推，直至金属从第八机架轧出为止。由上可以看出，在钢管的轧制过程中，芯棒的速度至少要变化15次，芯棒速度的变化将导致金属流动条件的改变。浮动芯棒连轧管机由于轧制过程中芯棒速度改变而使得金属流动发生变化，因金属流动的不规律而引起钢管纵向的壁厚和直径变化，尽管对此采取了不少措施并取得了一定的效果，当轧制条件的变化依然存在，且产品管的尺寸精度始终不如限动芯棒轧机。此外，芯棒长，使制造费用加大，制造困难，且长芯棒的重量也很大，钢管带着过重的芯棒在辊道上运行将会导致钢管表面损伤。故目前浮动芯棒连轧管机均用于小型机组。连轧管时，荒管可以看作是在不同直径的轧辊间连续轧制形成的。穿在钢管中的芯棒可以看作是曲率半径无穷大的内轧辊。浮动芯棒轧制时，芯棒除受到轧辊经轧件传递来的作用力外，再无其他外力作用。当轧件头部经第一机架咬入后，随着轧件逐一走向后面的延伸机架，作用在芯棒上的机架数相继增多，故芯4棒速度不断提高，这个阶段称为“咬入”阶段。当轧件头部进入最末机架后，整个轧件处在连轧管机所有机架的轧制中，芯棒速度维持不变，称为“稳定扎着急”阶段。当轧件尾部离开第一机架后，芯棒速度友逐级提高，直到轧出延伸，称为“轧出”阶段。轧辊工作圆周速度是安“稳定轧制”状态下设定的。轧制过程中轧件又是遵循着体积不变定律的。然而由芯棒引起的轧件速度的升高，使流入后面机架的金属必然增多，也就是说，后面的机架由芯棒送入了比其设定的轧辊圆周速度所允许的还要多的金属，这就出现了使断面积增大的金属积累。这种逐步流入的附加金属造成的较大断面，尽管在最后的机架上得到了加工，但仍然导致在荒管的一些部位上直径变大和壁厚变厚，这种现象称为“竹节”。原则上讲可能在整根钢管上均出现“竹节”。显然“竹节”现象属纵向壁厚不均，对随后的张减机轧制是不利的，应尽可能防止。为了防止或减少“竹节”形成，孔型设计分配压下量时，在保证总延伸不变的前提下，适当增加前几架压下量。这样，就可在后面几个机架中使芯棒速度的跃增得到减弱，从而减轻芯棒速度变化的影响。良好的芯棒润滑有利于延伸和降低能耗，也可以减少竹节的形成。还可以采用电控技术防止竹节的产生。由电子计算机进行预设定，轧辊转速按要求变化，当轧件通过时对轧辊进行校准，使各机架的出口速度与芯棒速度的变化相适应。70年代盛行浮动芯棒连轧管机机组。由于受到芯棒重量的限制，至今这种机组仅能生产直径小于177.8mm一下的钢管。2.2.1.2半浮动（或半限动）芯棒连轧管机：德国人称MRK-S（Mannesmannbohr-KontimillStripper）；法国人称Neuval-R。半浮动芯棒连轧管机一般7～8个机架。德国设计的工艺为：在轧制过程中，前半程，芯棒不是自由地随轧件前进，而是受限动机构的控制，以一恒定速度前进，芯棒与轧件的速差分布是不一致的，第1架的轧件出口速度小于芯棒速度；自第2架开始，轧件的速度快于芯棒的速度，形成稳定的差速轧制状态；当完成主要变形、管子脱离倒数第3架时，限动机构加速释放芯棒，像浮动芯棒一样由钢管将芯棒带出轧机。德国式的半浮动芯棒连轧管机于20世纪80年代初在日本八幡厂建成投产。法国研制的工艺为：在钢管由最后一个机架轧出时才松开芯棒，即在轧制过程中具有限动芯棒轧机的工艺特点，而在终轧后松开芯棒；芯棒随荒管至连轧机后的输出辊道。法国式的半浮动芯棒连轧管机于20世纪70年代后期在法国的圣索夫钢管厂投入生产。不论德国工艺还是法国工艺，半浮动芯棒轧管机轧制结束后，约有1/3长的荒管（尾部）包住芯棒前端，见图4；带有芯棒的荒管横移至脱棒线，由脱棒机将芯棒从荒管中抽出以便冷却、润滑后循环使用。其特点是荒管壁厚的精度较高、节奏较快，每分钟可轧3支甚至更多的钢管，芯棒长度虽然比浮动式的短得多，而比限动芯棒轧机略长一些；设有脱棒机工艺其流程较长；适合生产较小规格（外径小于219mm）的无缝钢管。德国模式的代表机组有日本的八幡厂的φ194mm机组和我国衡阳的φ89mm机组；法国模式的机组至今仅有一套，就是法国V&M公司圣索夫厂的φ127mm机组。半浮动芯棒连轧管机在扎着过程中对芯棒速度也进行控制，但在轧制结束之前即将芯棒放开，像浮动芯棒连轧管机一样由钢管将芯棒带出轧机，然后由脱棒机将芯棒从荒管中抽出。在对芯棒速度进行限动时，就在一定程度上解决了金属流动规律性的问题，将芯棒放开以后，又如同浮动芯棒连轧管机一样要考虑脱5棒条件的限制，因此半浮动芯棒连轧管机所轧制的钢管直径不宜太大。半浮动芯棒连轧管机兼顾了限动芯棒与浮动芯棒轧管机的优点，既保持了较高的轧制节奏，又确保了钢管的壁厚精度及内外表面质量，只是由于需要设置脱棒机，使其轧制规格的上限受