無縫管軋機

進入21 世紀以來隨着全球經濟復甦、增長,尤其是中國的經濟快速增長帶動世界經濟的發展,同時也帶動了全球的能源需求增長。以石油(天然氣) 、煤炭為主要能源的需求大幅度增長,尤其是石油(天然氣) 的增長對鑽採和輸送用管的需求,極大地帶動了鋼管業的發展,也帶動了無縫鋼管的發展。

為了滿足能源工業的需求,一大批新建的現代化無縫鋼管項目陸續投入,使全球的無縫鋼管產能大幅度增長,同時也推動了無縫鋼管生產技術裝備水平的提高 ^[1]  。

熱軋無縫鋼管生產的幾種主要機型

1 　熱連軋鋼管成為無縫鋼管生產的主流機型多機架連續軋管技術,是無縫鋼管生產中一項重要的工藝技術。該技術從1887 年美國的Kellogg連軋管機問世至今已有100 多年的發展歷史。

20世紀50 年代以來由於傳動技術和電氣控制技術的突破,連軋管生產技術得到了長足的發展。芯棒運行方式從浮動式芯棒軋機到限動式芯棒軋機以及半浮動式芯棒軋機,機架數從9～7 架減少到6～5 架,軋製工藝從2 輥變為3 輥,生產過程的操作方式由手動到區域自動化到整條線由CPU 、PLC 控制的全自動化運行方式,採用了液壓小倉控制技術,配套了工藝控制軟件技術,連軋管機的整體裝備水平有了很大的提高。與其他機型相比連軋管機以優質、高產、高效率、低消耗等特點,成為世界無縫鋼管主要生產企業的首選機型。近10 年來全球新建的連軋管軋機有近20 套(不包括在建的) ,全球已有連軋管軋機50 多套,機型的產能已經遠遠超過其他機型的產能,連軋管機已成為無縫鋼管生產的主流機型。

連軋管機進入中國是在20 世紀80 年代初期,寶鋼建設時引進了德國Meer 公司<140 mm 浮動式芯棒連軋管軋機,這讓業內人士真正看到了現代化連軋管軋機高質量、高效率的優勢。90 年代初天津鋼管公司從意大利Innse 公司引進了更為先進的<273 mm 限動芯棒連軋管軋機,隨後,衡陽鋼管廠又引進德國Meer 公司<89 mm 半浮式芯棒連軋管軋機。進入21 世紀隨着鋼管需求的快速增長,包鋼、鞍鋼、天津鋼管、衡陽鋼管、攀成鋼等企業先後引進了數套連軋管軋機,其中包括5 套最先進3 輥連軋管軋機,這些軋機的建設推動了中國鋼管工業的快速發展。已經建成的連軋管軋機有16套(截至2009 年) ,產能超過了800 萬t 。

2 　3 輥連軋管機開創了連軋鋼管工藝的新時代

2003 年9 月世界上第一套<168 mm 3 輥PQF( Prime Quality Finishing) 連軋管機在中國天津鋼管公司順利投產。3 輥PQF 連軋管工藝技術,以其在均勻變形、變形應力、軋機結構、軋機剛性、負荷分配及軋輥受力等方面的優勢,使其在軋製產品規格範圍、徑壁比(D/ S) 、裂孔和拉凹缺陷、壁厚精度、成材率、工具消耗、高合金難變形材料軋製等方面具有2 輥軋機無可匹敵的優勢。另外, 天津鋼管公司<168 mm 3 輥PQF 連軋管軋機還有在其他方面的創新和新技術的應用,如芯棒前行循環工藝是指當軋製結束時芯棒不返回而繼續前行的循環工藝和相關的配套技術,省去了芯棒返回時間,使每根管的軋製週期縮短4 s ,可提高軋機的產能20 %;在線激光測厚,作為新一代測厚系統,測量精度高,可帶芯棒檢測,對人體傷害小(與射線相比) ;液壓小倉控制技術,使軋輥壓下抬起響應快,調節精度高,可帶鋼操作並應用於頭尾削薄技術,提高鋼管頭尾壁厚精度。

還有CARTA 技術,QAS 系統等。上述新技術新工藝的應用,使連軋管機的整體裝備水平上升到一個嶄新的平台。近年來, SMS2Meer 公司在3 輥連軋管機的換輥方面又有了創新,將軸向換輥( PQF 2ACO) 改為側向換輥( PQF 2LCO) 。這種換輥方式既保留了原軋機結構剛性大、變形小、受力均勻的特點,又使軋輥更換簡便,便於對軋機、軋輥的檢查以及對設備的維護。

從2003 年9 月至今6 年多時間裏,3 輥連軋管機以其先進的技術指標,向人們展示了新一代的熱連軋無縫鋼管技術優越的工藝特性。2005 年以來全球已經建成和正在建設的3 輥連軋管軋機已超過了20 套,這些軋機的建設,開創了3 輥連軋鋼管工藝技術的新時代。

3 　大中口徑的自動軋管機通過技術改造後仍然發揮着作用

自動軋管機又稱Plug mill ,多建於20 世紀70年代前,曾稱霸世界40 多年。隨着連軋管技術裝備不斷髮展,新的生產線不斷建設,自動軋管機的霸主地位逐漸被連軋管機所取代。21 世紀前,隨着一些現代軋管機的建設許多小型自動軋管機( <168 mm軋機以下) 被淘汰,由於大口徑的連軋管機全球僅3套(2 輥) ,而且生產大口徑薄壁管時易產生裂孔和拉凹缺陷,所以大口徑的自動軋管機在這一組距仍佔有一定的優勢,軋製<273 ～ <426 mm 規格的鋼管,自動軋管機仍是主力軍。進入21 世紀後,全球又新建了數套大口徑連軋管機,這使得自動軋管機在這一組距的優勢被削弱了。全球自動軋管機有46 套,成品規格小於等於<168 mm 軋機26 套,<168～ <273 mm 軋機有6 套(不含<168 mm) 、<273～<355 mm 軋機有7 套( 不含<273 mm) 、<355 ～<426 mm 軋機有7 套(不含<355 mm) ,其中大中型自動軋管機通過技術改造後仍然發揮着重要作用。

像V &M 有3 套自動軋管機包括<340 mm(法國) 、<355 mm(巴西) 和<406 mm 軋機(德國) ,日本N KK<426 mm 軋機、J FE <426 mm 軋機、包鋼<426 mm 軋機等, 都成為企業主要生產軋機。其中包鋼<426 mm 軋機2002 年通過與德國MEER 公司合作,對熱軋線進行了系統的改造,包括環形爐:原2座、中徑24 m ,改為1 座中徑36 m(2008 年) ,提高管坯加熱能力和加熱質量; 穿孔機: 輥身長度由原760 mm 加長到1 000 mm ,增加頂頭碾軋帶長度,提高毛管壁厚精度;軋管機:上工作輥平衡由原重錘改為液壓平衡,輥縫壓下采用A GC 輥縫自動控制系統;再加熱爐:改成步進式並配有在線常化設備;均整機:採用頂頭自動更換,後台3 輥定心由氣動系統改為液壓系統;引進了MEER 定徑機,原2 輥改為3 輥,採用方形機架和快速換輥以及單機架傳動;熱軋線實現了自動化控制。通過上述改進使熱軋線的整體裝備水平有了很大提高,產品質量有了很大改善。

4 　精密、3 輥軋管機以其各自的優勢也佔有一席之地

精密軋管機又稱Accu2Roll 軋管機,是在狄塞爾軋管機結構的基礎上,將鼓形軋輥改成錐形軋輥,增設了碾軋角,加長了輥身長度、增大了導盤直徑,並將浮動芯棒軋製方式改為限動芯棒軋製方式,從而減小了金屬扭轉變形,增加了均壁鋼管的重軋次數,提高了鋼管壁厚精度。近年來精密軋管機以其軋製工序短、設備投資少(國內可以整條線製造) 、更換規格容易、品種適應的範圍寬以及適合於小批量、多品種等的生產優勢在中國已成為中小型鋼管企業技術改造和新建軋機的首選機型。精密軋管機是美國埃特納標準公司提出的設計思想,由中美合作設計製造,並在中國迅速推廣。全球共有精密軋管軋機33 套,全部都在中國。

3 輥軋管機又稱Assel 軋管機,也是一種高軋製精度的無縫鋼管軋機。除延伸機採用3 輥斜軋外,前後工序的配置基本與Accu2Roll 軋管機相同。

3 輥軋管機軋製的品種以軸承管、液壓支拄管、機械加工用管、中厚壁高壓鍋爐管和套管接箍料及鑽桿、鑽鋌料為主。該類軋機因適應軋製中厚壁和厚壁無縫鋼管且壁厚精度高等特點而被稱為品種軋機。20世紀90 年代以來,德國MEER 公司對3 輥軋管機進行了一系列技術改進,採用限動階梯芯棒軋製方式或採用頭部軋後“快關”方法,以解決荒管頭部喇叭口問題;採用尾部“快開”方法以解決荒管尾部三角形問題;採用軋輥碾軋角可調整的設計,改變了過去以輥肩為中心線的調整方法,而變為以碾軋帶為中心的調整方法,提高了軋製過程的穩定性和重軋係數;在軋機後台,採用了長導向輥結構以防止軋製過程中荒管扭曲和劃傷。這些新技術已經應用於瑞典的Ovako 、中國天津鋼管公司<219 mm³輥軋管機和最新建成的新冶鋼<460 mm³輥軋管機上。與精密軋管機一樣,3 輥軋管機以其軋製工序短、設備投資少、更換規格容易、壁厚精度高等優點,在中國也成為中小型鋼管企業技術改造以及新建軋機的主要機型。另外,3 輥軋管軋機也適合於小批量、多品種的生產。全球已經建成和正在建設的3 輥軋管軋機共39 套,中國佔26 套。世界上最大的3 輥軋管機——新冶鋼鋼管廠的<460 mm³輥軋管機,已於2009 年6 月建成投產。該軋機生產的最大外徑為<508 mm、最大壁厚為100 mm。

雖然精密軋管軋機、3 輥軋管軋機有許多優勢和特點,但是這2 種機型由於是斜軋軋機,必然會在鋼管的內表面留下內螺旋痕跡(儘管內螺旋手感不明顯) ,這會給客户留下不佳的印象。另外,精密軋管軋機採用導盤與軋輥組成孔型,其封閉性較導板差,當軋製薄壁管時尤其是導盤磨損嚴重,邊部破損時,易產生頭尾撕破造成軋卡。3 輥軋管軋機在生產薄壁管時也易產生頭部喇叭口和尾部三角形。

5 　週期式軋管機通過技術改造後仍被保留並得到了發展

週期式軋管機又稱Pilger mill ,適用於生產中、厚壁大中口徑鋼管,是世界上最古老的機型之一。

這種軋機由於生產效率低,外表面質量差,其生產成本、產品質量難以與其他軋機抗衡,中小口徑的軋機大部分已被淘汰。大型週期軋管軋機由於在大口徑厚壁鋼管生產上仍佔有優勢,尤其對於生產大口徑厚壁電站用管,週期式軋管機仍然是有效的方法,所以被保留下來。世界上生產( <325～<711 mm)×(50～110 mm) 電站用管,主要有V &M 曼內斯曼、意大利Dalmine 、日本Sumitomo 等生產廠,其中V &M 曼內斯曼、意大利Dalmine 所採用的生產工藝就是週期式軋管機。全世界共有周期式軋管機26 套,其中<325 mm 軋機及<325 mm 以上軋機20 套,包括<711 mm 軋機5 套、<610 mm 軋機1 套、<508 mm 軋機7 套。週期式軋管機大部分建在東歐國家,包括捷克、波蘭、克羅地亞、烏克蘭、俄羅斯等國。這些軋機多建於20 世紀70 年代前,有些軋機甚至是20 - 30 年代建設的,裝備比較落後。在中國原成都無縫鋼管廠,1966 年和1969 年分別建成了<318 mm 和<216 mm 週期式軋管機。

90 年代對<318 mm 週期式軋管機進行多次改造,使產品規格從<325 mm 擴大到<457 mm , 並淘汰了<216 mm 軋機。2005 年該公司利用搬遷機會,對該軋機又進行了全面的改造, 使產品規格擴大到<508 mm。20 世紀中國大口徑厚壁電站用管大部分依賴進口,為了滿足國內電站用大口徑厚壁鋼管的需求,近年來國內一些企業紛紛加快建設大型週期軋管機,如衡陽鋼管廠的<720 mm 週期式軋管機,已於2009 年7 月建成投產,南通特鋼<720 mm 週期式軋管機,也於2009 年7 月建成投產,還有正在建設的四川三洲<660 mm 週期式軋管機等。

6 　其他軋管機

除中國外,擠壓機、大口徑頂管機、大口徑斜軋擴管機在世界其他國家幾乎沒有新的發展。在中國由於無縫鋼管生產的飛速發展以及對高端產品的需求,這些軋機的建設也有了新的發展。

擠壓機:在國外,生產不鏽鋼或高合金鋼基本採用擠壓的生產方式。全球共有擠壓機44 套,中國有6 套,其中5 套是2006 年以後建成的,從這個數據上也可以看出,在高端產品上與國外的差距。

為了生產高合金、難變形的金屬,開發高端產品,國內幾家特鋼和不鏽鋼企業如寶鋼特鋼和太鋼鋼管各新建了1 套6 000 t 擠壓機、浙江久立新建了1 套3 500 t 擠壓機;另外,北方重工為了開發航天航空用管和電站用大口徑厚壁管,完全依靠國內的設計和製造力量, 2009 年6 月建成了世界上最大的36 000 t 擠壓機,這使中國在擠壓機裝備上有了很大的提高,同時也加快了中國無縫鋼管在高端產品上開發的步伐。

大口徑頂管軋機:用於生產大口徑、特大口徑(最大<1 500 mm) 厚壁管,2007 年前全球只有5 套,其中V &M 曼內斯曼1 套、日本住友1 套、中國武漢471 廠1 套,美國2 套。2007 年河北宏潤建成了1套<1 200 mm 頂管軋機,浙江格洛斯在2009 年也建成了1 套<1 200 mm 頂管軋機並配套<800 mm 穿軋生產線。大口徑斜軋擴管軋機:全球共有3 套,意大利、美國各1 套,天津鋼管公司為了開發大口徑的車載氣瓶用管和大口徑管線管,2008 年3 月建成了世界上最大的技術最先進的<720 mm 斜軋擴管軋機,另外,攀成鋼正在建設一條<720 mm 斜軋擴管軋機。大口徑穿軋軋機: 揚州誠德鋼管廠建成了<720 、<850 mm 大口徑穿軋軋機 ^[2]  。

工藝控制軟件技術和液壓控制技術

1 　CARTA 技術

CARTA (Comp uter Aided Rolling TechnologyApplication) 是SMS2Meer 公司研究開發的用計算機控制工藝設計和軋製過程的工藝控制系統。

CARTA 技術最早應用於張力減徑機,其實際應用可追溯到20 世紀70 年代,但直到80 年代末,全球也只有為數不多的幾個鋼管廠採用了這一技術。90年代,隨着計算機技術的普及,這一技術的應用得到了比較廣泛的拓展。近幾年來, SMS2Meer 公司將CARTA 技術除應用到SRM 軋機上外,還分別用於CPM、MPM/ PQF 和SM/ SRM 軋機上,其中CAR2TA2MPM/ PQF 系統是在INNSE 公司的PSS 系統的基礎上進一步擴展和完善,使CARTA 系統在熱軋生產線形成了一個完整的體系。

CARTA 技術應用的目的在於保證優質、高效、經濟地生產鋼管,它將生產計劃、生產過程控制和質量保證3 者結合起來。

CARTA 技術的主要任務可以概括為如下5項: ①工具設計及管理; ②生產計劃; ③軋製表計算;④過程監控和評估產品質量; ⑤數據存儲和分析。

進入21 世紀以來,幾乎SMS2Meer 供貨的新建軋機都採用了CARTA 系統。但選擇的內容有所不同,根據企業自身的情況有些鋼管廠完整地採用了CARTA 系統的在3 大軋機和5 個方面的控制內容,而有的廠家則僅選用其中的部分軋機和控制內容。這一技術的應用取得了良好的經濟效益。

2 　MTS(Matter Trace System) 系統

MTS 主要任務是向QAS、CARTA (包括PSS)系統傳遞訂單信息,收集這些系統的檢測數據並歸檔保存:從管坯稱重設備開始到冷牀結束,跟蹤物料通過不同工序時的流水號和各種工藝調整數據。

從冷牀達到冷牀下料只有包括鋼管的實際支數和總質量的訂單數據才被跟蹤。若各軋機測量的數據與設定的數據不符,便會報警。

物料跟蹤系統主要跟蹤內容有:對管坯進行計數,並把數字與軋製批號、流水號、管坯質量對應起來;系統採用先進先出原則跟蹤管坯通過加熱爐;管坯出爐穿孔後,管坯的數據記錄中將增加環形爐出口管坯温度、穿孔機後台毛管直徑/ 毛管長度/ 毛管壁厚等數據;連軋後荒管的壁厚、直徑、長度、温度的實際值和設定值將添加到荒管的數據記錄中;跟蹤系統跟蹤荒管通過步進爐,並在爐子出口側將爐子進出口側荒管的實際温度加到荒管的數據中;從定徑機後的測量設備中,跟蹤系統取得長度、壁厚、直徑、温度等參數。

除測量數據之外,如穿孔機、連軋管機、定/ 減徑機的實際軋製調整值也存儲在物料跟蹤數據組中,以便進一步處理。

3 　QAS( Qual ity Assurance System) 系統

QAS 是一個獨立的中心工作站,它通過對物料的跟蹤、檢/ 監測,對數據進行收集、分析和存儲並將分析的結果及時反饋給生產控制系統以實施對物料的控制,以保證鋼管的質量。

QAS 在線採用的檢測設備主要有:紅外線高温儀、射線測厚、同位素測厚或激光測厚、激光測長、CCD 數碼攝像系統測徑等。

QAS 現場檢測點的主要檢測內容和目的如下:

1) 管坯質量——控制來料超重,實現物料逐支跟蹤。

2) 管坯、毛管測温——優化管坯加熱,滿足穿孔、連軋工藝要求,確保鋼管質量。

3) 毛管測徑、測長——控制毛管的外徑和壁厚,確保連軋的咬入和軋製的穩定。

4) 芯棒測温——滿足芯棒噴塗潤滑劑的工藝要求,確保鋼管內表面質量和芯棒的使用壽命。

5) 荒管測厚、長、温——控制鋼管壁厚精度和性能,滿足產品質量的要求。

6) 在加熱爐前後對荒管測温——滿足工藝(包括常化工藝) 的要求,確保鋼管的性能。

7) 定減徑後對鋼管測厚、徑和測長——控制鋼管壁厚、外徑尺寸,滿足產品質量要求。

8) 定減徑後對鋼管測温——控制終軋温度,確保鋼管的性能。

QAS 系統在現代連軋鋼管生產控制系統中具有相對的獨立性,對於任何控制水平的生產線,都可以考慮使用QAS 技術。不過,該技術的成功應用,需要配套的硬件和軟件,更需要生產管理的高度重視。

4 　液壓小艙控制系統( HCCS) 的應用

液壓壓下技術以其響應快、調節精度高、動態性能好等特點在20 世紀70 年代就應用於板帶鋼生產的壓下控制。90 年代初, INNSE 公司開發了液壓小艙控制技術,並將該技術應用於連軋管機,據説國際上最早應用這一技術的軋機是日本住友<426 mm連軋管機。國內最早應用這一技術的軋機是包鋼<180 mm 連軋管機,據説最初的應用並不很成功。

隨後,天津鋼管公司在建設第一套<168 mm PQF 3輥連軋管機上使用了HCCS ,並結合PSS 系統實現生產工藝過程的控制。其中,使用HCCS 系統控制連軋機的液壓壓下裝置的動作,實現輥縫控制;通過工藝參數的計算和控制實現温度補償、咬入衝擊控制、錐形芯棒伺服、頭尾削薄等功能。另外,液壓小艙控制系統也被用於斜軋擴管的頂杆定位、頂杆漲縮補償、頂頭磨損補償等 ^[3]  。

無縫鋼管生產技術裝備未來的發展是根據全球未來經濟的發展和未來市場的需求而發展的。從無縫鋼管的生產看,儘管2009 年由於受世界金融危機的影響全球產量有所下降,但隨着世界經濟復甦,2010 年無縫鋼管需求也將從低谷開始逐步上升。一方面世界新興國家經濟復甦對鋼管需求的增長,另一方面全球低碳經濟發展的趨勢以及中國產業結構調整對鋼管行業的影響這些都將引導世界無縫鋼管行業的走向。

1 　3 輥連軋管機將成為連軋管機的發展趨勢

除中國鋼管產能過剩外,新興國家和發展中國家對鋼管的需求仍是增長的,所以效率高、高質量的3 輥連軋管軋機仍然是各廠家新建設軋機的首選。從規格組距看,未來一段時期中小規格軋機新建比例將高些。

2 　一種高效率小口徑的3 輥連軋管軋機將被開發出來

由於限動軋機芯棒返回方式,軋機的生產節奏較低,使小軋機的產量偏低,所以一種高效率的3 輥連軋管軋機將被開發出來,這種軋機既保持了3 輥連軋機的高質量,又達到了(半) 浮動式軋機的高效率。

3 　大中口徑厚壁管軋機的發展趨勢

（1）大口徑3 輥(ASEEL) 軋管機

20 世紀以來,大中口徑厚壁管的生產一直採用週期式軋管和頂管工藝。儘管10 年來出現了一些新的軋管工藝,但是對於<325～<711 mm 規格的厚壁鋼管來説,週期式軋管軋機仍然是很有效的。但是隨着大口徑<460 mm 3 輥軋管軋機的問世,對於<273～<508 mm 規格的中、厚壁鋼管,3 輥軋管機在壁厚精度、外表面質量、成材率、生產效率等方面更具有競爭優勢。

（2）PFP 工藝

近年來, V &M 開發出了一種新的生產工藝———PFP 工藝。該工藝是將傳統的擠壓和鍛壓工藝有機地結合起來,生產中厚壁、厚壁鋼管。該工藝可以採用連鑄坯、模鑄坯直接熱加工成型,這對於生產一些中、高合金鋼管來説可以降低生產成本,降低能耗。這種工藝的生產方法是先將管坯擠壓衝孔,然後將衝孔的毛管帶芯棒經四錘快鍛旋轉鍛壓,使其直接鍛壓成成品管的尺寸。PFP 生產工藝靈活,工序短、成材率高、規格範圍寬,該工藝在法國V &M 公司<400 mm 以下規格成功地進行了工業性試驗,並正在向<720 mm 規格推進,它將是週期式軋管機的有力競爭對手。

4 　採用離心澆注的毛坯生產鋼管

20 世紀90 年代俄羅斯、烏克蘭就已經開始研究並試驗採用離心澆注的毛坯生產不鏽鋼管。近年來,國內也有企業利用離心澆注的毛坯試生產複合鋼管和高合金鋼管。採用離心澆注的毛坯生產鋼管,可以避開因斜軋穿孔所產生的內表面缺陷,尤其是對於高合金鋼和難變形材料。另外,這種工藝可以減少穿孔工序降低設備投資,還可以節能降耗,符合全球低碳經濟發展的需要,是一種很有前途的生產工藝。

5 　工藝控制軟件和在線檢/ 監測技術進一步發展

隨着市場競爭日趨激烈,以及用户對產品質量、服務的要求越來越高,企業的精益化生產和管理的要求也越來越高。為了進一步提高產品質量、降低成本、提高生產效率,一些新的工藝軟件和管理軟件被開發出來。如為了滿足高精度鋼管軋製的需要,對鋼管全長壁厚進行實時控制的工藝軟件技術和配套的檢測裝置將被開發出來。

激光測厚裝置在本世紀初就已經開發出來,但由於現場使用存在較多問題,近來SMS2Meer 公司對該系統進行了改進,相信不遠的將來激光測厚應用將會再一次登上這個舞台 ^[2]  。

總之,隨着世界經濟的發展、隨着人們對無縫鋼管品種質量要求的提高,以及市場競爭的加劇和環保要求的提高,這些都將推動無縫鋼管生產技術裝備的進步和發展。中國是一個無縫鋼管生產大國而且也應該稱得上是一個無縫鋼管強國。中國經濟的發展帶動了世界經濟的發展,中國無縫鋼管的發展將會引領世界無縫鋼管技術裝備的走向 ^[3]  。