无缝管轧机是指无缝钢管的轧机。它包括：多个轧辊，轧辊轧制管或管坯的外周面；芯棒状内部工具，它与管或管坯同轴线地布置；在轧辊和内部工具之间限定出变形区，轧辊和内部工具适于依次穿孔管坯和延伸管子。为了满足能源工业的需求,一大批新建的现代化无缝钢管项目陆续投入,使全球的无缝钢管产能大幅度增长,同时也推动了无缝钢管生产技术装备水平的提高。

进入21 世纪以来随着全球经济复苏、增长,尤其是中国的经济快速增长带动世界经济的发展,同时也带动了全球的能源需求增长。以石油(天然气) 、煤炭为主要能源的需求大幅度增长,尤其是石油(天然气) 的增长对钻采和输送用管的需求,极大地带动了钢管业的发展,也带动了无缝钢管的发展。

为了满足能源工业的需求,一大批新建的现代化无缝钢管项目陆续投入,使全球的无缝钢管产能大幅度增长,同时也推动了无缝钢管生产技术装备水平的提高。

热轧无缝钢管生产的几种主要机型

1 　热连轧钢管成为无缝钢管生产的主流机型多机架连续轧管技术,是无缝钢管生产中一项重要的工艺技术。该技术从1887 年美国的Kellogg连轧管机问世至今已有100 多年的发展历史。

20世纪50 年代以来由于传动技术和电气控制技术的突破,连轧管生产技术得到了长足的发展。芯棒运行方式从浮动式芯棒轧机到限动式芯棒轧机以及半浮动式芯棒轧机,机架数从9～7 架减少到6～5 架,轧制工艺从2 辊变为3 辊,生产过程的操作方式由手动到区域自动化到整条线由CPU 、PLC 控制的全自动化运行方式,采用了液压小仓控制技术,配套了工艺控制软件技术,连轧管机的整体装备水平有了很大的提高。与其他机型相比连轧管机以优质、高产、高效率、低消耗等特点,成为世界无缝钢管主要生产企业的首选机型。近10 年来全球新建的连轧管轧机有近20 套(不包括在建的) ,全球已有连轧管轧机50 多套,机型的产能已经远远超过其他机型的产能,连轧管机已成为无缝钢管生产的主流机型。

连轧管机进入中国是在20 世纪80 年代初期,宝钢建设时引进了德国Meer 公司<140 mm 浮动式芯棒连轧管轧机,这让业内人士真正看到了现代化连轧管轧机高质量、高效率的优势。90 年代初天津钢管公司从意大利Innse 公司引进了更为先进的<273 mm 限动芯棒连轧管轧机,随后,衡阳钢管厂又引进德国Meer 公司<89 mm 半浮式芯棒连轧管轧机。进入21 世纪随着钢管需求的快速增长,包钢、鞍钢、天津钢管、衡阳钢管、攀成钢等企业先后引进了数套连轧管轧机,其中包括5 套最先进3 辊连轧管轧机,这些轧机的建设推动了中国钢管工业的快速发展。已经建成的连轧管轧机有16套(截至2009 年) ,产能超过了800 万t 。

2 　3 辊连轧管机开创了连轧钢管工艺的新时代

2003 年9 月世界上第一套<168 mm 3 辊PQF( Prime Quality Finishing) 连轧管机在中国天津钢管公司顺利投产。3 辊PQF 连轧管工艺技术,以其在均匀变形、变形应力、轧机结构、轧机刚性、负荷分配及轧辊受力等方面的优势,使其在轧制产品规格范围、径壁比(D/ S) 、裂孔和拉凹缺陷、壁厚精度、成材率、工具消耗、高合金难变形材料轧制等方面具有2 辊轧机无可匹敌的优势。另外, 天津钢管公司<168 mm 3 辊PQF 连轧管轧机还有在其他方面的创新和新技术的应用,如芯棒前行循环工艺是指当轧制结束时芯棒不返回而继续前行的循环工艺和相关的配套技术,省去了芯棒返回时间,使每根管的轧制周期缩短4 s ,可提高轧机的产能20 %;在线激光测厚,作为新一代测厚系统,测量精度高,可带芯棒检测,对人体伤害小(与射线相比) ;液压小仓控制技术,使轧辊压下抬起响应快,调节精度高,可带钢操作并应用于头尾削薄技术,提高钢管头尾壁厚精度。

还有CARTA 技术,QAS 系统等。上述新技术新工艺的应用,使连轧管机的整体装备水平上升到一个崭新的平台。近年来, SMS2Meer 公司在3 辊连轧管机的换辊方面又有了创新,将轴向换辊( PQF 2ACO) 改为侧向换辊( PQF 2LCO) 。这种换辊方式既保留了原轧机结构刚性大、变形小、受力均匀的特点,又使轧辊更换简便,便于对轧机、轧辊的检查以及对设备的维护。

从2003 年9 月至今6 年多时间里,3 辊连轧管机以其先进的技术指标,向人们展示了新一代的热连轧无缝钢管技术优越的工艺特性。2005 年以来全球已经建成和正在建设的3 辊连轧管轧机已超过了20 套,这些轧机的建设,开创了3 辊连轧钢管工艺技术的新时代。

3 　大中口径的自动轧管机通过技术改造后仍然发挥着作用

自动轧管机又称Plug mill ,多建于20 世纪70年代前,曾称霸世界40 多年。随着连轧管技术装备不断发展,新的生产线不断建设,自动轧管机的霸主地位逐渐被连轧管机所取代。21 世纪前,随着一些现代轧管机的建设许多小型自动轧管机( <168 mm轧机以下) 被淘汰,由于大口径的连轧管机全球仅3套(2 辊) ,而且生产大口径薄壁管时易产生裂孔和拉凹缺陷,所以大口径的自动轧管机在这一组距仍占有一定的优势,轧制<273 ～ <426 mm 规格的钢管,自动轧管机仍是主力军。进入21 世纪后,全球又新建了数套大口径连轧管机,这使得自动轧管机在这一组距的优势被削弱了。全球自动轧管机有46 套,成品规格小于等于<168 mm 轧机26 套,<168～ <273 mm 轧机有6 套(不含<168 mm) 、<273～<355 mm 轧机有7 套( 不含<273 mm) 、<355 ～<426 mm 轧机有7 套(不含<355 mm) ,其中大中型自动轧管机通过技术改造后仍然发挥着重要作用。

像V &M 有3 套自动轧管机包括<340 mm(法国) 、<355 mm(巴西) 和<406 mm 轧机(德国) ,日本N KK<426 mm 轧机、J FE <426 mm 轧机、包钢<426 mm 轧机等, 都成为企业主要生产轧机。其中包钢<426 mm 轧机2002 年通过与德国MEER 公司合作,对热轧线进行了系统的改造,包括环形炉:原2座、中径24 m ,改为1 座中径36 m(2008 年) ,提高管坯加热能力和加热质量; 穿孔机: 辊身长度由原760 mm 加长到1 000 mm ,增加顶头碾轧带长度,提高毛管壁厚精度;轧管机:上工作辊平衡由原重锤改为液压平衡,辊缝压下采用A GC 辊缝自动控制系统;再加热炉:改成步进式并配有在线常化设备;均整机:采用顶头自动更换,后台3 辊定心由气动系统改为液压系统;引进了MEER 定径机,原2 辊改为3 辊,采用方形机架和快速换辊以及单机架传动;热轧线实现了自动化控制。通过上述改进使热轧线的整体装备水平有了很大提高,产品质量有了很大改善。

4 　精密、3 辊轧管机以其各自的优势也占有一席之地

精密轧管机又称Accu2Roll 轧管机,是在狄塞尔轧管机结构的基础上,将鼓形轧辊改成锥形轧辊,增设了碾轧角,加长了辊身长度、增大了导盘直径,并将浮动芯棒轧制方式改为限动芯棒轧制方式,从而减小了金属扭转变形,增加了均壁钢管的重轧次数,提高了钢管壁厚精度。近年来精密轧管机以其轧制工序短、设备投资少(国内可以整条线制造) 、更换规格容易、品种适应的范围宽以及适合于小批量、多品种等的生产优势在中国已成为中小型钢管企业技术改造和新建轧机的首选机型。精密轧管机是美国埃特纳标准公司提出的设计思想,由中美合作设计制造,并在中国迅速推广。全球共有精密轧管轧机33 套,全部都在中国。

3 辊轧管机又称Assel 轧管机,也是一种高轧制精度的无缝钢管轧机。除延伸机采用3 辊斜轧外,前后工序的配置基本与Accu2Roll 轧管机相同。

3 辊轧管机轧制的品种以轴承管、液压支拄管、机械加工用管、中厚壁高压锅炉管和套管接箍料及钻杆、钻铤料为主。该类轧机因适应轧制中厚壁和厚壁无缝钢管且壁厚精度高等特点而被称为品种轧机。20世纪90 年代以来,德国MEER 公司对3 辊轧管机进行了一系列技术改进,采用限动阶梯芯棒轧制方式或采用头部轧后“快关”方法,以解决荒管头部喇叭口问题;采用尾部“快开”方法以解决荒管尾部三角形问题;采用轧辊碾轧角可调整的设计,改变了过去以辊肩为中心线的调整方法,而变为以碾轧带为中心的调整方法,提高了轧制过程的稳定性和重轧系数;在轧机后台,采用了长导向辊结构以防止轧制过程中荒管扭曲和划伤。这些新技术已经应用于瑞典的Ovako 、中国天津钢管公司<219 mm3辊轧管机和最新建成的新冶钢<460 mm3辊轧管机上。与精密轧管机一样,3 辊轧管机以其轧制工序短、设备投资少、更换规格容易、壁厚精度高等优点,在中国也成为中小型钢管企业技术改造以及新建轧机的主要机型。另外,3 辊轧管轧机也适合于小批量、多品种的生产。全球已经建成和正在建设的3 辊轧管轧机共39 套,中国占26 套。世界上最大的3 辊轧管机——新冶钢钢管厂的<460 mm3辊轧管机,已于2009 年6 月建成投产。该轧机生产的最大外径为<508 mm、最大壁厚为100 mm。

虽然精密轧管轧机、3 辊轧管轧机有许多优势和特点,但是这2 种机型由于是斜轧轧机,必然会在钢管的内表面留下内螺旋痕迹(尽管内螺旋手感不明显) ,这会给客户留下不佳的印象。另外,精密轧管轧机采用导盘与轧辊组成孔型,其封闭性较导板差,当轧制薄壁管时尤其是导盘磨损严重,边部破损时,易产生头尾撕破造成轧卡。3 辊轧管轧机在生产薄壁管时也易产生头部喇叭口和尾部三角形。

5 　周期式轧管机通过技术改造后仍被保留并得到了发展

周期式轧管机又称Pilger mill ,适用于生产中、厚壁大中口径钢管,是世界上最古老的机型之一。

这种轧机由于生产效率低,外表面质量差,其生产成本、产品质量难以与其他轧机抗衡,中小口径的轧机大部分已被淘汰。大型周期轧管轧机由于在大口径厚壁钢管生产上仍占有优势,尤其对于生产大口径厚壁电站用管,周期式轧管机仍然是有效的方法,所以被保留下来。世界上生产( <325～<711 mm)×(50～110 mm) 电站用管,主要有V &M 曼内斯曼、意大利Dalmine 、日本Sumitomo 等生产厂,其中V &M 曼内斯曼、意大利Dalmine 所采用的生产工艺就是周期式轧管机。全世界共有周期式轧管机26 套,其中<325 mm 轧机及<325 mm 以上轧机20 套,包括<711 mm 轧机5 套、<610 mm 轧机1 套、<508 mm 轧机7 套。周期式轧管机大部分建在东欧国家,包括捷克、波兰、克罗地亚、乌克兰、俄罗斯等国。这些轧机多建于20 世纪70 年代前,有些轧机甚至是20 - 30 年代建设的,装备比较落后。在中国原成都无缝钢管厂,1966 年和1969 年分别建成了<318 mm 和<216 mm 周期式轧管机。

90 年代对<318 mm 周期式轧管机进行多次改造,使产品规格从<325 mm 扩大到<457 mm , 并淘汰了<216 mm 轧机。2005 年该公司利用搬迁机会,对该轧机又进行了全面的改造, 使产品规格扩大到<508 mm。20 世纪中国大口径厚壁电站用管大部分依赖进口,为了满足国内电站用大口径厚壁钢管的需求,近年来国内一些企业纷纷加快建设大型周期轧管机,如衡阳钢管厂的<720 mm 周期式轧管机,已于2009 年7 月建成投产,南通特钢<720 mm 周期式轧管机,也于2009 年7 月建成投产,还有正在建设的四川三洲<660 mm 周期式轧管机等。

6 　其他轧管机

除中国外,挤压机、大口径顶管机、大口径斜轧扩管机在世界其他国家几乎没有新的发展。在中国由于无缝钢管生产的飞速发展以及对高端产品的需求,这些轧机的建设也有了新的发展。

挤压机:在国外,生产不锈钢或高合金钢基本采用挤压的生产方式。全球共有挤压机44 套,中国有6 套,其中5 套是2006 年以后建成的,从这个数据上也可以看出,在高端产品上与国外的差距。

为了生产高合金、难变形的金属,开发高端产品,国内几家特钢和不锈钢企业如宝钢特钢和太钢钢管各新建了1 套6 000 t 挤压机、浙江久立新建了1 套3 500 t 挤压机;另外,北方重工为了开发航天航空用管和电站用大口径厚壁管,完全依靠国内的设计和制造力量, 2009 年6 月建成了世界上最大的36 000 t 挤压机,这使中国在挤压机装备上有了很大的提高,同时也加快了中国无缝钢管在高端产品上开发的步伐。

大口径顶管轧机:用于生产大口径、特大口径(最大<1 500 mm) 厚壁管,2007 年前全球只有5 套,其中V &M 曼内斯曼1 套、日本住友1 套、中国武汉471 厂1 套,美国2 套。2007 年河北宏润建成了1套<1 200 mm 顶管轧机,浙江格洛斯在2009 年也建成了1 套<1 200 mm 顶管轧机并配套<800 mm 穿轧生产线。大口径斜轧扩管轧机:全球共有3 套,意大利、美国各1 套,天津钢管公司为了开发大口径的车载气瓶用管和大口径管线管,2008 年3 月建成了世界上最大的技术最先进的<720 mm 斜轧扩管轧机,另外,攀成钢正在建设一条<720 mm 斜轧扩管轧机。大口径穿轧轧机: 扬州诚德钢管厂建成了<720 、<850 mm 大口径穿轧轧机。

工艺控制软件技术和液压控制技术

1 　CARTA 技术

CARTA (Comp uter Aided Rolling TechnologyApplication) 是SMS2Meer 公司研究开发的用计算机控制工艺设计和轧制过程的工艺控制系统。

CARTA 技术最早应用于张力减径机,其实际应用可追溯到20 世纪70 年代,但直到80 年代末,全球也只有为数不多的几个钢管厂采用了这一技术。90年代,随着计算机技术的普及,这一技术的应用得到了比较广泛的拓展。近几年来, SMS2Meer 公司将CARTA 技术除应用到SRM 轧机上外,还分别用于CPM、MPM/ PQF 和SM/ SRM 轧机上,其中CAR2TA2MPM/ PQF 系统是在INNSE 公司的PSS 系统的基础上进一步扩展和完善,使CARTA 系统在热轧生产线形成了一个完整的体系。

CARTA 技术应用的目的在于保证优质、高效、经济地生产钢管,它将生产计划、生产过程控制和质量保证3 者结合起来。

CARTA 技术的主要任务可以概括为如下5项: ①工具设计及管理; ②生产计划; ③轧制表计算;④过程监控和评估产品质量; ⑤数据存储和分析。

进入21 世纪以来,几乎SMS2Meer 供货的新建轧机都采用了CARTA 系统。但选择的内容有所不同,根据企业自身的情况有些钢管厂完整地采用了CARTA 系统的在3 大轧机和5 个方面的控制内容,而有的厂家则仅选用其中的部分轧机和控制内容。这一技术的应用取得了良好的经济效益。

2 　MTS(Matter Trace System) 系统

MTS 主要任务是向QAS、CARTA (包括PSS)系统传递订单信息,收集这些系统的检测数据并归档保存:从管坯称重设备开始到冷床结束,跟踪物料通过不同工序时的流水号和各种工艺调整数据。

从冷床达到冷床下料只有包括钢管的实际支数和总质量的订单数据才被跟踪。若各轧机测量的数据与设定的数据不符,便会报警。

物料跟踪系统主要跟踪内容有:对管坯进行计数,并把数字与轧制批号、流水号、管坯质量对应起来;系统采用先进先出原则跟踪管坯通过加热炉;管坯出炉穿孔后,管坯的数据记录中将增加环形炉出口管坯温度、穿孔机后台毛管直径/ 毛管长度/ 毛管壁厚等数据;连轧后荒管的壁厚、直径、长度、温度的实际值和设定值将添加到荒管的数据记录中;跟踪系统跟踪荒管通过步进炉,并在炉子出口侧将炉子进出口侧荒管的实际温度加到荒管的数据中;从定径机后的测量设备中,跟踪系统取得长度、壁厚、直径、温度等参数。

除测量数据之外,如穿孔机、连轧管机、定/ 减径机的实际轧制调整值也存储在物料跟踪数据组中,以便进一步处理。

3 　QAS( Qual ity Assurance System) 系统

QAS 是一个独立的中心工作站,它通过对物料的跟踪、检/ 监测,对数据进行收集、分析和存储并将分析的结果及时反馈给生产控制系统以实施对物料的控制,以保证钢管的质量。

QAS 在线采用的检测设备主要有:红外线高温仪、射线测厚、同位素测厚或激光测厚、激光测长、CCD 数码摄像系统测径等。

QAS 现场检测点的主要检测内容和目的如下:

1) 管坯质量——控制来料超重,实现物料逐支跟踪。

2) 管坯、毛管测温——优化管坯加热,满足穿孔、连轧工艺要求,确保钢管质量。

3) 毛管测径、测长——控制毛管的外径和壁厚,确保连轧的咬入和轧制的稳定。

4) 芯棒测温——满足芯棒喷涂润滑剂的工艺要求,确保钢管内表面质量和芯棒的使用寿命。

5) 荒管测厚、长、温——控制钢管壁厚精度和性能,满足产品质量的要求。

6) 在加热炉前后对荒管测温——满足工艺(包括常化工艺) 的要求,确保钢管的性能。

7) 定减径后对钢管测厚、径和测长——控制钢管壁厚、外径尺寸,满足产品质量要求。

8) 定减径后对钢管测温——控制终轧温度,确保钢管的性能。

QAS 系统在现代连轧钢管生产控制系统中具有相对的独立性,对于任何控制水平的生产线,都可以考虑使用QAS 技术。不过,该技术的成功应用,需要配套的硬件和软件,更需要生产管理的高度重视。

4 　液压小舱控制系统( HCCS) 的应用

液压压下技术以其响应快、调节精度高、动态性能好等特点在20 世纪70 年代就应用于板带钢生产的压下控制。90 年代初, INNSE 公司开发了液压小舱控制技术,并将该技术应用于连轧管机,据说国际上最早应用这一技术的轧机是日本住友<426 mm连轧管机。国内最早应用这一技术的轧机是包钢<180 mm 连轧管机,据说最初的应用并不很成功。

随后,天津钢管公司在建设第一套<168 mm PQF 3辊连轧管机上使用了HCCS ,并结合PSS 系统实现生产工艺过程的控制。其中,使用HCCS 系统控制连轧机的液压压下装置的动作,实现辊缝控制;通过工艺参数的计算和控制实现温度补偿、咬入冲击控制、锥形芯棒伺服、头尾削薄等功能。另外,液压小舱控制系统也被用于斜轧扩管的顶杆定位、顶杆涨缩补偿、顶头磨损补偿等。

无缝钢管生产技术装备未来的发展是根据全球未来经济的发展和未来市场的需求而发展的。从无缝钢管的生产看,尽管2009 年由于受世界金融危机的影响全球产量有所下降,但随着世界经济复苏,2010 年无缝钢管需求也将从低谷开始逐步上升。一方面世界新兴国家经济复苏对钢管需求的增长,另一方面全球低碳经济发展的趋势以及中国产业结构调整对钢管行业的影响这些都将引导世界无缝钢管行业的走向。

1 　3 辊连轧管机将成为连轧管机的发展趋势

除中国钢管产能过剩外,新兴国家和发展中国家对钢管的需求仍是增长的,所以效率高、高质量的3 辊连轧管轧机仍然是各厂家新建设轧机的首选。从规格组距看,未来一段时期中小规格轧机新建比例将高些。

2 　一种高效率小口径的3 辊连轧管轧机将被开发出来

由于限动轧机芯棒返回方式,轧机的生产节奏较低,使小轧机的产量偏低,所以一种高效率的3 辊连轧管轧机将被开发出来,这种轧机既保持了3 辊连轧机的高质量,又达到了(半) 浮动式轧机的高效率。

3 　大中口径厚壁管轧机的发展趋势

（1）大口径3 辊(ASEEL) 轧管机

20 世纪以来,大中口径厚壁管的生产一直采用周期式轧管和顶管工艺。尽管10 年来出现了一些新的轧管工艺,但是对于<325～<711 mm 规格的厚壁钢管来说,周期式轧管轧机仍然是很有效的。但是随着大口径<460 mm 3 辊轧管轧机的问世,对于<273～<508 mm 规格的中、厚壁钢管,3 辊轧管机在壁厚精度、外表面质量、成材率、生产效率等方面更具有竞争优势。

（2）PFP 工艺

近年来, V &M 开发出了一种新的生产工艺———PFP 工艺。该工艺是将传统的挤压和锻压工艺有机地结合起来,生产中厚壁、厚壁钢管。该工艺可以采用连铸坯、模铸坯直接热加工成型,这对于生产一些中、高合金钢管来说可以降低生产成本,降低能耗。这种工艺的生产方法是先将管坯挤压冲孔,然后将冲孔的毛管带芯棒经四锤快锻旋转锻压,使其直接锻压成成品管的尺寸。PFP 生产工艺灵活,工序短、成材率高、规格范围宽,该工艺在法国V &M 公司<400 mm 以下规格成功地进行了工业性试验,并正在向<720 mm 规格推进,它将是周期式轧管机的有力竞争对手。

4 　采用离心浇注的毛坯生产钢管

20 世纪90 年代俄罗斯、乌克兰就已经开始研究并试验采用离心浇注的毛坯生产不锈钢管。近年来,国内也有企业利用离心浇注的毛坯试生产复合钢管和高合金钢管。采用离心浇注的毛坯生产钢管,可以避开因斜轧穿孔所产生的内表面缺陷,尤其是对于高合金钢和难变形材料。另外,这种工艺可以减少穿孔工序降低设备投资,还可以节能降耗,符合全球低碳经济发展的需要,是一种很有前途的生产工艺。

5 　工艺控制软件和在线检/ 监测技术进一步发展

随着市场竞争日趋激烈,以及用户对产品质量、服务的要求越来越高,企业的精益化生产和管理的要求也越来越高。为了进一步提高产品质量、降低成本、提高生产效率,一些新的工艺软件和管理软件被开发出来。如为了满足高精度钢管轧制的需要,对钢管全长壁厚进行实时控制的工艺软件技术和配套的检测装置将被开发出来。

激光测厚装置在本世纪初就已经开发出来,但由于现场使用存在较多问题,近来SMS2Meer 公司对该系统进行了改进,相信不远的将来激光测厚应用将会再一次登上这个舞台。

总之,随着世界经济的发展、随着人们对无缝钢管品种质量要求的提高,以及市场竞争的加剧和环保要求的提高,这些都将推动无缝钢管生产技术装备的进步和发展。中国是一个无缝钢管生产大国而且也应该称得上是一个无缝钢管强国。中国经济的发展带动了世界经济的发展,中国无缝钢管的发展将会引领世界无缝钢管技术装备的走向。