8种主要轧管工艺(钢管轧制工艺)

继周期轧管工艺之后,世界上又先后出现了多种轧管工艺。其中包括艾哈德轧管、自动轧管、狄塞尔轧管、三辊轧管、热挤压管、连续轧管、冷拔(轧)管、热扩管等8种轧管工艺。现分别予以介绍。

1 艾哈德(Ehrhardt)轧管工艺

艾哈德于1891年发明水压冲孔工艺以生产冲孔杯状坯,并于1899年完成用芯棒将冲孔坯顶推通过一系列直径逐渐缩小的圆环以生产无缝钢管的方法。通常又称为顶管工艺。

现今特大口径无缝钢管仍采用顶管法生产,最大直径可达1 066 mm,20世纪80年代,曼内斯曼公司将此工艺发展为CPE工艺,主要生产中小直径无缝钢管。

2 自动轧管工艺

斯蒂弗尔(Stiefel)1895年获得盘式穿孔机的专利后,第一台自动轧管机于1903年在美国投产,1905年采用均整机的自动轧管机组诞生。自动轧管机又称为斯蒂弗尔轧管机。之后,自动轧管机一度成为生产无缝钢管的主要机组。

3 狄塞尔轧管工艺和Accu Roll轧管工艺

Sam Diescher首先构思将旋转导盘引入二辊斜轧机代替原先的导板,以进行延伸轧管,并于1932年诞生第一台狄塞尔(Diescher)轧管机。半个世纪之后,美国AS公司首先将锥形辊引入斜轧管机并获得专利,1989年世界上第一台Accu Roll轧管机在我国烟台投入生产。

4 三辊轧管工艺

这是一种三辊斜轧管工艺,毛管在芯棒与3个辊之间被辗轧延伸,三辊轧管机又称阿塞尔(Assel)轧管机。

5 热挤压管工艺

早在曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔前,就已经有了采用热挤压铝材的工艺来生产无缝钢管的专利。但只是在20世纪50年代成功采用玻璃润滑剂之后,钢管的热挤压工艺才获得真正的应用和快速发展。现代热挤压钢管工艺主要用于高合金难变形管材及异型管材的生产。

6 连续轧管工艺

早在1891年美国凯洛格(Kellogg)钢管厂就已获得连续轧管机的专利。但由于众多的技术原因,这一工艺并未获得真正成功。直到20世纪50年代这种工艺才获得巨大发展,并以其高产能、高效率、高质量逐渐成为生产无缝钢管的主导轧机。

纵观上述多种轧管工艺,它们诞生在不同时期,经不断改进并发展自身的特点,以满足市场对产品的规格、品种、质量和不同批量的要求。并在不同时期,陆续形成各种无缝钢管生产方式。目前三辊行星轧管机(PSW)及穿孔机轧管工艺(CPS)的研制与开发,表明世界上仍在继续探索新的轧管工艺。

7 冷拔(轧)管工艺

为了扩大、补充及提高热轧无缝钢管的品种和质量,所采用的管材二次加工技术——冷拔(轧)及热扩管工艺亦得到相应发展。

早在热轧无缝钢管生产方法采用之前,冷拔工艺就已经用于焊管的二次加工。冷轧工艺是由美国Tabl Reduing公司于1931年获得专利,采用类同周期轧管机的变形工艺(机架往复运动,多道次变形),因此又称为冷皮尔格轧管机。

采用冷拔(轧)方法不仅可以生产热轧方法难以生产(或不经济)或无法生产的规格品种及高质量要求的产品,而且也可采用穿轧毛坯代替热轧生产小规格钢管及高质量的特殊品种(如轴承管、不锈钢管等)。目前我国冷拔(轧)产品占无缝钢管总产量的20%左右,远高于美国、日本、俄罗斯等国的产量。

8 热扩管工艺

热扩管工艺是生产大口径无缝钢管的主要方法,分辊式(斜轧)、拉扩式和推制式3种形式。辊式扩管扩径最大可达1 500mm,适合于规模生产;而推制式扩管设备简单,投资少,产量低,仅适合于小批量生产。

我国现有无缝钢管热轧成品机组36套,另有多套冷轧(拔)管机组。

其中热轧管机组包括连轧管机组、自动轧管机组、周期轧管机组、精密轧管机组(Accu Roll)、圆盘轧管机组(Diescher)、三辊轧管机组、扩管机组、顶管机组及挤压管机组等九大类。也进行过三辊行星轧管机的工业性试验。还有100多台(套)生产无缝毛管的设备(主要是穿孔机),较之世界上任何一个国家的生产机组都多,可谓世界上无缝钢管生产机组的博物馆。

现今热轧无缝钢管生产的基本工艺是:坯料准备→加热→穿(冲)孔→ 再加热轧管→定径→精整、检查、测试(冷却、矫正、切(锯)头、取样、探伤、水压、测重称重、防腐等)→包装入库。

其中主要热变形工序是穿(冲)孔、轧管及定(减)径。穿(冲)孔主要是将实心管坯变成中空的荒管;轧管主要是减壁及控制壁厚,亦是纵向延伸变形的主要工序;定(减)径主要是减径及控制外径,同时也可调整壁厚(张力减径)。

由于轧管工序不仅是轧管纵向变形的主要工序,而且对壁厚控制,表面质量,以至整个机组的生产效率都起着至关重要的作用。因而人们已习惯于将轧管工序的名称称为该机组的型式,如连轧管机组、自动轧管机组、精密轧管机组等。

将经过加热的实体锭坯轧制成周边无接缝的空心管体的管材生产工艺。用热轧方法可以生产碳钢、合金管、高合金钢和部分有色金属无缝管,外径范围为16～1600mm,壁厚为2～200mm。

除圆断面管外还有各种异形断面管和变断面管。热轧无缝管除作为成品管外还可作为冷拔、冷轧管的管料(见管材冷轧冷拔)。用热轧法生产的无缝管占无缝管产量的80%～90%。

现代热轧管的工艺流程是:

热轧管用的管坯有铸锭、连铸坯、轧坯、锻坯和空心铸坯。

热轧管的基本工序是:

• (1)在穿孔机上将锭或坯穿成空心厚壁毛管。管坯穿孔的方法又分二辊斜轧穿孔、压力穿孔、推轧穿孔、三辊斜轧穿孔等。
• (2)在延伸机上将毛管轧薄,延伸成为接近成品管壁厚的荒管。毛管延伸即毛管轧制的方法有:自动轧管机轧管,连续轧管机轧管,三辊和二辊轧管机斜轧(见管材料轧延伸),周期式轧管机轧管,顶管机顶管。
• (3)荒管在精轧机上精轧成成品管。荒管精轧包括以改善质量为目的的管材均整和管材定径以及以扩大产品规格为目的的管材减径和管材热扩径。

生产热轧无缝管的机组,根据穿孔、延伸和精轧3个基本工序中使用的生产方法和设备的不同,可以有各种不同。不同的机组均以将毛管展轧延伸成荒管的轧机来命名。

例如,有自动轧管机的称自动轧管机组,有连续轧管机的称连续轧管机组,在三辊(或二辊)斜轧延伸机上展轧毛管的称三辊(或二辊)轧管机组,用周期式轧管机轧管的称周期式轧管机组,用CPE顶管机顶管的称CPE顶管机组。

在这些机组上热轧无缝管的工艺流程分别如图1～图5所示。

由于对无缝钢管质量的高要求及热轧钢管机组高效、快速发展,促使钢管精整工艺和设备进一步发展及现代化。步进式冷床、多辊式钢管矫直机、高效切管机及排管锯、快速铣头倒棱机、自动测长、称重、喷印及机械化捆扎装置等相继出现并广泛应用。

而相关技术的发展,特别是连铸圆坯工艺的日趋成熟以及在线检测、自动控制技术的运用更加推动了无缝钢管生产技术的发展。

对产品的更高质量要求及专用管材还需进一步进行热处理(正火、退火、调质等)和机加工(车丝扣、扒皮、磨光、端部加厚等)。