无缝钢管生产的新工艺——金属斜连轧*

王付杰，双远华，张国庆

（1.太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2.运城学院机电工程系，山西运城044000；3.太原磬泓机电设备有限公司，山西太原030024）

无缝钢管生产的新工艺
——金属斜连轧*

王付杰1，2，双远华1，张国庆3

（1.太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2.运城学院机电工程系，山西运城044000；3.太原磬泓机电设备有限公司，山西太原030024）

金属斜连轧工艺是一种新型的无缝钢管生产工艺，能够在1台设备上实现穿孔—轧管工艺。介绍了斜连轧设备的结构，斜连轧工艺的特征、流程以及与传统轧管工艺的区别，同时介绍了利用斜连轧试验机组展开试验研究的情况。该工艺的优势在于：只需1台设备就可完成无缝钢管的穿孔和轧管，工艺流程短，生产效率高，节能环保，投资少，成本低。经试验证明：该工艺切实可行，在生产难变形金属时具有一定的竞争优势。

无缝钢管；斜连轧工艺；短流程；穿孔—轧管

节能、环保、短流程是目前管材生产探索的方向之一，但是新工艺、新方法、新理论的探索难度较大，近10多年以来未能有大的发现和突破。金属斜连轧工艺是在太原科技大学的三辊联合穿轧工艺［1］和德国SMS Meer公司的3RCM型三辊联合穿轧工艺［2］理论研究的基础上提出的。三辊联合穿轧和3RCM型三辊联合穿轧工艺名称相近，但工作原理大相径庭。太原科技大学的三辊联合穿轧工艺是在1组轧辊上实现穿孔和轧管等多道工序，即将穿孔、轧管、均整3道工序在1个工艺过程中连续完成（图1）；轧辊变形区分为5段，即咬入、穿孔、扩径、轧管与均整，芯棒由锥形顶头和圆柱芯棒组合而成［1］。德国SMS Meer公司的联合穿轧工艺同样是在1台主机、1组轧辊上完成穿轧，不过是先正向穿孔，穿孔后毛管反向返回主机进行轧管［2］。显然，前者实现了在1组轧辊上斜轧连轧的关系，但又不属于真正的斜轧连轧，因为其穿孔与轧管只能在同一组压下装置下进行，互相产生干扰；后者减少了传统的设备，但仍属传统三步轧管工艺，并非穿轧一体化，且运动复杂，不具备工艺的先进性。

图1 三辊联合穿轧工艺原理示意

斜连轧工艺是在2组（或2组以上）斜轧轧辊上进行轧制，金属在2组（或2组以上）轧辊之间实现连轧关系（图2）。斜连轧工艺是无缝钢管生产中的一种崭新的工艺，也是对二步轧管工艺新的探索。

1 金属斜连轧的工艺探索

目前，全球采用斜轧方法生产无缝钢管基本是传统的三步成型（穿孔—轧管—定/减径）轧管工艺模式。自1886年6月曼氏兄弟在德国Remscheid建立钢管厂成功轧出第1根穿孔坯，120多年来，在这一模式下延伸出各种工艺达30余种，图3所示为目前典型的无缝钢管生产工艺之一；而CPS（Cross-roll Piercing，Stretch-reducing，斜轧穿孔+张力减径）轧管工艺，则是典型的二步轧管工艺，即只有斜轧锥形穿孔和张力减径两个变形工序，而没有轧管工序的生产方法，是20世纪90年代由德国曼内斯曼-德马克公司提出，随后由Widera先生在南非Tosa钢管厂进行CPS工艺的工业性试验，后因在生产壁厚8 mm以下的钢管时螺旋印难以消除而未获成功，而后由意大利Innse公司在穿孔机与张力减径机之间安装了1台4机架MPM轧管机以解决薄壁管生产问题，称为Mini-MPM轧管机［3-6］。图4所示为斜连轧工艺生产无缝钢管流程，由图4可见斜连轧工艺将穿孔—轧管道次合二为一，属于典型的二步轧管工艺。

图2 金属斜连轧原理示意

图3 典型无缝钢管生产工艺流程

图4 斜连轧工艺生产无缝钢管流程

斜轧理论研究取得的成果往往是建立在新工艺、新材料的发明与进步基础上。工艺和设备的创新直接带来后续的理论研究、材料研究、过程模拟分析等进一步的研究发展。从国内外研究的重点和方向来看，主要集中在采用不同方法和手段对现有斜轧工艺变形机理、成型理论以及对新材料在轧制中的组织演变和材料性能的研究。这些研究方法和思路为新工艺的发展和研究提供了明确的指向。

从目前的信息资料看，德国Friedrich Kocks公司提出的一种无缝钢管生产方法［7］（图5），属于斜连轧工艺，但没有考虑穿孔问题。而这种工艺未能进一步地展开研究和分析，也未能见到相关的设备或试验装置的报道，只是一种设想。瑞典SKF集团Ovako公司Hofo厂于1986年设计并试验完成的NEL（No End Loss）装置是一种不完整的斜连轧型式，其轧辊是从动的，目前常作为Assel轧管机上的一个附加装置存在；作为一种预轧装置，它的变形量相对较小，甚至可以认为是荒管入口的抱芯辊装置［8］。经实践检验，目前国内Assel轧管机组虽然在设计时有NEL装置，但现在大多不再使用，主要是不便于换辊和轴向调整；当生产规格较多时，小轧辊的调整时间长，预轧效果不佳。另外，关于矫直和定径的研究，以前在技术交流中有学者和技术人员认为它具有斜连轧的特征，可以认为是冷斜连轧，但是由于变形较小，它又不是一种有效形式的金属斜连轧，仅仅是金属小变形量或局部塑性加工的材料成型过程。总之，目前来看国内外对于金属斜连轧尚缺乏相关的研究。

图5 德国Friedrich Kocks公司提出的一种无缝钢管生产方法示意

系统地分析无缝钢管发展历史，深入开展斜轧理论和试验研究，是提出新型斜连轧工艺的基础。具有穿孔和轧管过程连续加工的新型斜连轧工艺的提出前期也仅仅是一种设想，由于同行间的交流使得这种思想在小范围内获得认可，文献［9］在关于消除斜轧钢管内表面螺旋道的探索中曾经提出斜轧连轧的设想。这种设想和本研究是相互独立展开的，而国内外就斜连轧的其他研究目前鲜见报道。

2 金属斜连轧的工艺特点

斜连轧工艺是将生产中穿孔和轧管两个变形阶段合为一个连续轧制变形过程，并非简单的将穿孔和轧管设备合二为一，工艺实现的难度远远大于简单的合并，目前尚缺乏相关的理论支撑。

经过多年的理论研究与实践探索，提出新型斜连轧工艺的构想，并在工艺理论研究和实践中做了大量工作，认为相对于传统无缝钢管生产工艺，金属斜连轧工艺具有如下特点：①轧件在穿孔—轧管过程中温降很小，可以轧制变形温度范围小或者难变形的特殊金属；②相对于联合穿轧，斜连轧辊型设计的难度降低；③相对于联合穿轧工艺，轧辊角度调整方便简单；④可以实现穿孔—轧管、穿孔—二次穿孔、连续大变形的棒材轧制、连轧有特殊要求的管材、连轧型材等，能够有效提高生产效率；⑤实现短流程生产，初期投资少，生产效率高，成本低，能耗小；⑥有效降低穿孔—轧管道次间氧化铁皮的生成，从而有效降低产品的缺陷和改善内部组织的质量。

虽然斜连轧工艺具有一定的优点，但是对此工艺的探索是长期的，需要大量的试验和生产实践来进行更深入的探索。

3 斜连轧管的生产设备

斜连轧管机组主轧机就是在1台设备上完成穿孔和轧管过程，主要包括主机架（图6）、穿孔轧辊、穿孔压下调整系统、轧管轧辊、轧管压下调整系统、卡截器装置、机架开闭装置、锁紧装置、平衡系统、顶头-芯棒系统（后台系统）、前台系统、传动系统等，其中穿孔段的3个穿孔轧辊呈120°分布，轧辊系统由转毂来实现送进角调整；同样，轧管段的3个轧管轧辊也呈120°分布，其轧辊系统仍由转毂来实现送进角、辗轧角的调整。管坯由前台系统送入主轧机后，通过轧辊咬入送进穿孔段，完成穿孔过程，继续前进进入轧管段实现管材轧制，轧制后管材送入后台系统脱棒、翻钢再进入下一工序。穿孔和轧管由于工艺参数的设定形成连轧关系。由于机架间的相对独立性，使得斜连轧的工艺参数调整可以方便地实现在线控制和调整［10］。

斜连轧同时具有斜轧和连轧的特性，二者的优缺点同样会继承，因此控制和检测设备的合理使用会大大提高其工艺的可行性，进一步提高产品的质量。使用先进的传感器组，可以直接获得设备轧制力、扭矩、位移、速度、温度等信号，便于设备及工艺控制；安装中间卡截器为相应控制设备的安装提供了很好的平台，为构建工艺在线控制系统奠定了基础。完备的在线闭环控制系统能够为在生产中及时检测钢管质量做出准确的响应，最大限度地防止钢管出现扭转、堆钢、拉钢等生产问题。另外，斜连轧设备中轧辊辊型的设计相对而言比较简单，能够大大减少设备的维护成本。

图6 斜连轧管机的主机架结构示意

4 金属斜连轧试验机组及试验结果

为进一步对金属斜连轧工艺进行摸索，本课题组设计开发了结构紧凑的金属斜连轧试验平台［11］（图7），并在试验台上进行了初步的试验，试轧普通45钢取得了成功。

图7 金属斜连轧试验平台

金属斜连轧试验平台具有结构紧凑，工艺参数调整方便，同时容易通过进一步改进来实现自动控制和在线检测，工艺和试验数据采集设备和端口安装齐全，为工艺研究奠定了基础。金属斜连轧试验时试轧了Φ40 mm毛管，获得的荒管直径为39 mm、壁厚为4 mm，图8所示为斜连轧的轧制样品，图9所示为轧制过程中轧制力及顶头轴向力的变化情况。试验中使用红外线测温仪测量中间段的温度为1 180℃，相对于管坯出炉温度1 150℃略高，穿孔段与轧管段距离较短，而轧制速度较快，在进入轧管段时温度降低较小或者依然保持在1 180℃，对于轧管段温度区间要求较高的材料而言，温度的控制较为容易。从已经采集的试验数据和试验结果来分析，生产的荒管表面质量良好，尺寸精度高，斜连轧的力能数据小于单一斜轧的力能数据，能够用于加工轧制变形温度较高或温度区间较小的难变形金属。

图8 金属斜连轧的轧制样品

图9 金属斜连轧工艺中轧制力及顶头轴向力的变化情况

试验工作仍在进一步进行，对新工艺的研究逐步深入，为获得生产需要的工艺参数做前期的探索，同时也为新工艺的实用化和推广奠定基础。

5 结语

结构紧凑的金属斜连轧设备具有工艺流程短、生产效率高、节能环保、设备和生产成本低等特点，应用前景将会非常广阔。金属斜连轧设备具备其他现代化穿孔机和延伸机的工艺特征，而新工艺的探索和发展仍需要做大量的研究。虽然斜连轧工艺的探索取得一定的进展，通过了工厂现场的模拟试验，表明斜连轧设备是一种成功的新型轧管机，但是要实现真正的工业化生产仍需要走很长的路，需要材料研究、工艺设计、机械设计、机械制造、液压系统设计、电气控制等专业技术人员以及试验厂家的协调、配合和攻关，共同为新工艺的发展作出努力，使斜连轧技术早日应用到实际生产中。

［1］李国祯.Φ50 mm三辊联合穿轧无缝钢管轧机［J］.钢管，1991，20（4）：42-47.

［2］Hans Joachim Pehle.新型三辊组合式轧管机——3RCM的工艺特点［J］.钢管，2003，32（2）：52-54.

［3］汤元艺，李幼安，周庆杰.CPS工艺介绍及评述［J］.钢管，1991，20（2）：9-12.

［4］金如崧.PQF、CPS和PAM轧管新工艺浅论［J］.钢管，2007，36（2）：31-34.

［5］李群，杨帆，丁德元，等.从MPM到PQF——限动芯棒连轧管机回顾及展望［J］.钢管，2007，36（6）：19-24.

［6］金如崧.Tosa钢管厂、CPS工艺和MINI-MPM：《无缝钢管百年史话》（续释7）［J］.钢管，2003，32（3）：57-59.

［7］Friedrich Kocks.Method for manufacture of seamless tube：United States Patent，3695076［P］.1972-10-03.

［8］樊汉生.NEL装置浅议［J］.钢管，1995，24（5）：48-51.

［9］李群.斜轧连轧——关于消除斜轧钢管内表面螺旋道的探索［J］.钢管，2009，38（4）：70-73.

［10］双远华，张国庆，同育权，等.无缝钢管三辊斜连轧生产方法及其设备：中国，201110035224.2［P］.2011-01-30.

［11］双远华，王付杰，孙京超，等.一种生产管材或棒材的三辊斜连轧机：中国，201310240400.5［P］.2013-06-18.

A New Type of Seamless Steel Pipe Production Process—Tandem Skew Rolling Process

WANG Fujie1，2，SHUANG Yuanhua1，ZHANG Guoqing3
（1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Mechanical&Electrical Engineering Department，Yuncheng University，Yuncheng 044000，China；3.Taiyuan Qinghong Electromechanical Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China）

The tandem skew rolling is a new type of seamless steel pipe production process，featuring piercing and rolling on one equipment.Introduced here are the structure of the tandem skew rolling equipment，the characteristics and flow of the process，as well as its difference from the traditional pipe rolling process.Also described are the tests and study made on the experimental tandem skew rolling mill.The advantages of this process lie in the features such as only one equipment is needed for piercing and rolling，short process flow，high efficiency，energy-saving and environmental friendly，less investment and low cost etc.The tests indicate that this process is practical and has competitive advantages for processing metals which are difficult to deform.

seamless steel pipe；tandem skew rolling process；short process；piercing-rolling

TG335.71

B

1001-2311（2014）03-0054-05

2013-06-08；修定日期：2014-02-08）

*山西省回国留学人员科研基金资助项目（2012-074）王付杰（1975-），男，博士，讲师，主要从事管材、棒材成型及其自动化研究。