从自由运动到约束放飞——连轧钢管芯棒运行方式50年演变历程

李群

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

从自由运动到约束放飞
——连轧钢管芯棒运行方式50年演变历程

李群

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

按投产时间顺序叙述了近50年连轧管机组芯棒运行方式的演变历程，简要介绍了从浮动芯棒到限动芯棒各种芯棒运行方式的特点与不足；推测了使用齿条控制芯棒运行方法的缘由；期望新科技进步为中国无缝钢管生产技术的发展带来全新机遇。

连轧管机组；芯棒运行方式；演变历程；浮动芯棒；半浮动芯棒；限动芯棒

当今在中国钢管行业从业的许多生产技术人员，都能从《钢管》杂志中学到许多钢管工艺与设备的发展历史知识以及现代钢管前沿的生产技术，同时《钢管》杂志还为同行们搭建了一个交流生产经验、表述想象世界里实现蓝图的平台。是《钢管》杂志的扶植和鼓励给了我在无缝钢管生产领域学习前行的勇气和信心，特别是那些蕴含于《钢管》文章中或隐或现的观点，给予我很多启发，那些作者对于无缝钢管领域技术的种种现代解读与定位，让我得以有更多的视角来观察了解现代、当代无缝钢管生产理论和实践的全貌。如果说以前我曾写过一些值得一读或半读的文章，首先应感谢《钢管》的栽培，再就是要感谢读者的宽容。

2014年是《钢管》杂志创刊50周年，这50年间，连轧管工艺一直为如何扩大生产品种规格、提高产品质量、确保轧制节奏等环节而不断地求新求变。本文是想借回顾近50年连轧管芯棒运行方式的演变之际，来表达我对《钢管》深怀的感恩之情。

1 芯棒自由运动

1964年《钢管》创刊时，正值德国米尔海姆钢管厂RK1机组的设计、建设期间，当时世界范围内连轧管芯棒的运行方式单一，我们称之为浮动芯棒工艺，简称MM（Mandrel Mill）；随后1965—1977年间投产的浮动芯棒连轧管机组超过10套，当时的主要工业国家如德国、意大利、英国、日本、前苏联、美国以及阿根廷和波兰都兴建了浮动芯棒工艺的连轧管机组［1］。我国直至1985年才有真正生产意义上的连轧管机组——宝钢Ф140 mm浮动芯棒连轧管机组。现代浮动芯棒连轧管机组是由德国的米尔（Meer）公司研制的。轧制过程中对芯棒速度不加控制，芯棒由被辗轧金属的摩擦力带动，自由跟随钢管通过轧机，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、抛钢而有波动，从而引起钢管壁厚的波动；轧制结束后，芯棒随荒管轧出至连轧管机后的输出辊道，在轧制中、薄壁管时芯棒几乎全长都在荒管内；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支甚至更多的荒管；但荒管的壁厚精度稍低，设有脱棒机使其工艺流程较长，芯棒的长度接近于荒管长度；由于芯棒较长、质量较大，限制了荒管的外径尺寸，因此浮动芯棒连轧管机只适合生产较小规格（外径小于219 mm）的无缝钢管。

比较有代表性的浮动芯棒连轧管机是德国米尔海姆厂1972年投产的RK2机组［2］。

2 芯棒受控制移动

1978年是世界无缝钢管发展史上的一个里程碑。从1978年开始，人们逐步实现了在连轧管时控制芯棒运动速度（缩短芯棒工作段长度），在轧制线上实现芯棒与荒管快速分离的工艺。

2.1 Neuval工艺

1978年1月，法国圣索夫厂的Ф127 mm连轧管机组投产，该机组采用的Neuval工艺是法国瓦卢瑞克（Vallourec）公司在20世纪70年代初提出并实施的连轧管方法。

Neuval工艺的特点是：①采用限动机构——链条控制芯棒的运行速度，当轧制终了时（即轧件由最后一个机架轧出时）才松开芯棒，芯棒随荒管一起前行至连轧管机后的输出辊道［3-4］，而后将芯棒/荒管横移出轧制线，用脱棒机将芯棒/荒管分离，脱棒长度一般小于8 m；②为了节省穿孔、轧管之间的辅助时间，将顶杆与芯棒合二为一，即穿孔后毛管和顶杆（芯棒）一起被送到连轧管机上，事实上，穿孔时支撑顶头的顶杆被用作连轧管机的芯棒，以减少从毛管中先脱顶杆再穿芯棒的时间，轧制节奏最快可达20 s/支。

采用Neuval工艺的机组至今也仅有这一套。

我国无缝钢管领域习惯将Neuval工艺称为半浮动芯棒工艺。

2.2 MPM工艺

1978年8月，意大利达尔明厂的Ф356 mm连轧管机组投产。该机组采用的限动芯棒连轧管工艺由意大利的茵西（Innse）公司开发，简称MPM（Multi-Stand Pipe Mill）。轧管时芯棒受齿条控制限动，轧制速度可以控制；芯棒的速度应高于第1机架的咬入速度而低于第1机架的轧出速度。轧制的整个过程中芯棒速度恒定不变，从而确保钢管的壁厚精度，轧制不同的钢管时，芯棒的速度可在一定范围内调节（一般芯棒的运行速度为0.5～1.5 m/s）。轧制结束后，芯棒停止，由脱管机将荒管从芯棒上脱出，而后芯棒回送离开轧管机，拨出轧制线冷却、润滑后循环使用。限动芯棒轧制促进了金属的纵向流动，限制了横向宽展；由于采用在线布置的脱管机将荒管与芯棒分离，孔型设计时可适当减小侧壁角及脱棒间隙，从而允许采用封闭式圆孔型，并可提高前面几机架的单机架延伸率，这就为改善钢管质量（主要是提高壁厚精度）提供了可能［5］。

MPM工艺的特点是：①荒管的壁厚精度高，用脱管机取代了脱棒机，缩短了工艺流程及芯棒与轧件的接触时间，提高了荒管温度，芯棒较短［6］；②轧制节奏慢，每分钟仅轧制2支或稍多一点的荒管；③由于芯棒的工作长度约为浮动式的1/3，芯棒质量减轻，芯棒循环方便，因此扩大了轧制荒管的外径范围；④适合生产大、中等规格（外径不大于508 mm）的无缝钢管。

1978年至今，建成投产的MPM限动芯棒连轧管机组已超过30套。

2.3 MRK-S工艺

1983年，德国人称之为MRK-S（Mannesmann bohrKontimill Stripper）的半浮动芯棒工艺连轧管机组在日本新日铁八幡厂投产。德国米尔公司设计的工艺为：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——链条的控制，以恒定速度前进，芯棒与轧件的速度差分布是不一致的，第1机架的轧件出口速度小于芯棒速度；自第2机架开始，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、荒管脱离倒数第3机架时，限动机构加速释放芯棒，像浮动芯棒一样由荒管将芯棒带出轧管机［6］。

采用德国模式半浮动芯棒工艺（MRK-S）的机组有日本新日铁八幡厂的Ф194 mm机组和我国衡阳钢管厂（现衡阳华菱钢管有限公司）1997年投产的Ф89 mm机组两套。

不论是法国的Neuval工艺还是德国的MRK-S工艺，半浮动芯棒连轧管机轧制结束后，约有1/3长的荒管（尾部）包住芯棒前端；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。

MRK-S工艺的特点是：①荒管壁厚的精度较高、节奏较快，每分钟可轧制3支甚至更多的荒管；②设有脱棒机使其工艺流程较长；③芯棒长度虽然比浮动式短得多，但比限动芯棒还是略长一些，荒管外径也受到限制，适合生产较小规格（外径小于219 mm）的无缝钢管。

3 芯棒约束后放飞

3.1 芯棒穿过脱管机运行

2003年，天津钢管集团股份有限公司Ф168 mm PQF连轧管机组投产，轧制时芯棒的运行速度与MPM工艺一样，也是在轧制的整个过程中恒定不变，从而确保钢管的壁厚精度；与MPM工艺的区别在于：轧制结束后，芯棒停止，待荒管由脱管机从芯棒上脱出后，芯棒不是回送，而是向前快速运行跟随荒管之后依次穿过连轧管机和脱管机，芯棒穿过脱管机后，拨出轧制线再回送、冷却、润滑循环使用，该方法减少了芯棒的在线待轧（非轧钢）时间，从而有效地缩短了轧制周期，加快了轧制节奏。为此，PQF连轧管机组要配置具备辊缝快速打开、闭合功能的脱管机，以确保在轧制薄壁管（荒管壁厚小于等于脱管机总减径量的1/2）时，芯棒能安全穿过脱管机。

PQF工艺的优势是：①保留了原有MPM工艺荒管壁厚精度高的特点，使轧制节奏更快；②在芯棒全程限动、使用脱管机（没有脱棒机）、工艺路线较短的情况下达到每分钟2.5支钢管的轧制节奏；③适合生产小规格（外径小于219 mm）的无缝钢管，因为随着芯棒规格、质量的增大，芯棒在向前输送通过脱管机的过程中可能要遇到一些困难。

采用该芯棒运行方式的连轧管机组目前也仅有这一套。

3.2 芯棒“空中接力”式运行

2010年有人提出了一个更大胆的芯棒运行方案：将轧管机最后一架与脱管机第1架的距离由传统的10 m左右增加到50 m甚至更远，轧管时芯棒是受齿条控制限动的，轧制终了时芯棒随荒管一起前行，当荒管（头部）被较远处的脱管机轧过一定长度时，由设在轧管机与脱管机间辊道上的捕捉装置卡住芯棒尾部，使芯棒停止轴向运动，待荒管由脱管机从芯棒上脱出后，芯棒被移出轧制线后冷却润滑循环使用。

从控制芯棒移动速度而后放飞芯棒/轧件、最终捕捉住芯棒约束其运行，在轧制线上完成芯棒与轧件分离的脱管工艺任务后，将芯棒拨出轧制线循环使用，笔者借用篮球比赛中的一句术语，将这种芯棒运行方式称为“空中接力”。据说采用这种芯棒运行方式的Ф140 mm机组目前正在建设中，计划于2015年投产，其轧制节奏设计值为3支/min，其机组实际运行效果还需同行耐心等待。

4 结语

总的来说，近50年来，热连轧无缝钢管的工艺变革就是围绕着在确保产品质量、扩大轧制规格范围、提高荒管温度和轧制节奏的目标下，寻求在轧制线上实现芯棒与荒管快速分离的方法。

限动芯棒方法早在1883年即有人提出，国外有些工厂1889年起连续试用了近10年，后因经济原因而废弃。20世纪40年代法国再次尝试未获成功。

1958年，A.H.Calmes在意大利开始研试，经过近20的研究，工业性限动芯棒连轧管机于1978年投产［7］。A.H.Calmes之所以能获得成功，除了自动控制、液压等技术的进步等外部原因外，最重要的因素是在别人仍在使用链条控制芯棒运行时他使用齿条来控制芯棒的运行。在这里我妄加推测：这可能与他早年曾在瑞士苏黎世学习生活的经历有关；因为迄今为止已有150多年历史的欧洲第一条通往瑞士瑞吉山顶的登山齿轮火车就在苏黎世附近，登山齿轮火车在两条轨道之间铺有一条齿条（图1），各节车厢每对车轮中间设有一个齿轮，车轮在轨道上转动控制火车运行方向，齿轮通过齿条为火车上山时提供动力、下山时提供制动力。A. H.Calmes可能不止一次乘坐过这种登山火车；他采用齿条齿轮来控制轧制时芯棒的运行速度的灵感是否来自乘坐登山齿轮火车下山时的体验呢？

在当今世界这个无缝钢管生产技术飞速发展的时代，稍感遗憾的是上述变革内容均是国外人员开发的技术，在连轧管（包括芯棒运行方式）方面我们有的大多是重复引进、复制或仿制，至今还没有我们自己的核心技术，这应该与我国要自立于世界无缝钢管生产技术之林的愿望还有很大的距离，尚需我们所有业内人员竭力工作。

图1 登山齿轮火车轨道及齿条

也许，随着材料科学与3D打印技术的进步，在不远的将来（可能用不了50年），无缝钢管的制造工艺会有革命性的突破，现有的无缝钢管生产工艺技术都将成为浮云，但愿到那时在全新的无缝钢管制造工艺中能有我们中国人所创造的核心技术。

［1］龚饶，周国盈.现代钢铁工业技术连轧钢管［M］.北京：冶金工业出版社，1992：3-6.

［2］金如崧.无缝钢管百年史话［M］.北京：冶金工业出版社，2008：290.

［3］［法］Grandemange F.Vallource公司发展的连轧管方法——NEUVAL［J］.钢管，1984（3/4）：11-22.

［4］王先进，徐树成.钢管连轧理论［M］.北京：冶金工业出版社，2005：95.

［5］严圣祥，钟倩霞.世界上限动芯棒连轧管机的应用和发展［J］.钢管，1991，14（3）：1-6.

［6］邓丕安.半浮动芯棒连轧管机工艺及变形特点［J］.钢管，2004，33（4）：32-35.

［7］王廷溥.轧钢工艺学［M］.北京：冶金工业出版社，1981：437.

From Free Moving to Controlled Flying—Evolution of Mandrel Moving Mechanism of Mandrel Pipe Mill over the Past 50 Years

LI Qun
（Tianjin Pipe Group Corporation，Tianjin 300301，China）

The evolution of mandrel moving mechanism in mandrel pipe mill over the past 50 years is presented in chronological order according to mill startup time.Briefly described are the characteristics and shortcomings of different mandrel moving mechanisms from floating mandrel to retained mandrel.The reason of using rack in mandrel moving control is estimated.It is expected that the progress of new science and technology will open up new opportunities for the development of China’s seamless steel pipe production technology.

mandrel pipe mill；mandrel moving mechanism；evolution；floating mandrel；semi-floating mandrel；retained mandrel

TG335.71

A

1001-2311（2014）03-0017-04

2014-02-24）

李群（1958-），男，教授级高级工程师，从事无缝钢管生产技术研究工作。