无缝钢管生产企业的产品多样化探讨

朱艳春，楚志兵，秦建平

（太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

随着我国钢铁工业的快速发展，钢铁产品的社会保有量急剧增加，钢铁生产能力过剩的问题越来越突出。无缝钢管生产领域同样存在产能过剩的问题，只是由于与板带和长材相比，生产流程较短，企业规模较小，与钢铁生产的上游相距较远，生产相对独立，因此影响范围较小。尽管如此，无缝钢管生产企业的产能过剩问题也应该引起重视，寻求有效的、积极的解决办法［1-14］。

与板带和长材生产过程相比，无缝钢管生产具有变形工序多，工艺流程长，产品规格多，轧件长度短等特点。无缝钢管生产线的机械设备种类多，设备设置相对独立，适于处理小尺寸、小批量的金属材料，易于生产非钢管类轧制产品。随着国家军工、能源、海洋和高科技等领域的发展，小批量、多品种的轻金属材料、特种金属材料和双金属复合材料的需求增长很快，然而相应的生产加工手段的开发相对滞后，由于产量有限，新建专门的生产厂经济效益较低，所以充分利用现有无缝钢管生产企业的热轧和后续加工能力，开发生产非钢管类轧制产品，对于无缝钢管生产企业和相关领域的技术进步是十分有益的。

轻金属材料主要是铝、镁、钛及其合金，轧制产品的形式主要是板和棒、线材。近年来钛合金管材和铝合金型材的发展很快。

特种金属材料包括特殊合金钢和钨、钼、镍等金属材料，特殊合金钢的产品形式以板、带材为主，钨、钼主要是棒、线材，镍则是薄窄带材。

双金属复合材料钢、铝、镁、钛、铜等异种或同种金属构成板、管、棒线和型材，作为结构性材料，主要是双金属板、带材和双金属管材。

利用无缝钢管机组生产上述材料可以采取不同的工艺路线，使用不同的轧制设备。由于无缝钢管轧制生产线的主要变形设备是斜轧穿孔机和轧管机，所以，为了充分利用这些设备的轧制变形能力，可以针对不同产品设计不同的工艺路线。另外，斜轧、连轧、定（减）径、热扩径设备等也可以直接用来生产不同形式的产品。

根据上述思路，设定部分非无缝钢管产品的生产工艺过程，并探索了实际应用的可能性。

1 棒材生产

对于小批量的特殊合金棒材和有色金属棒材，不适合采用产能高的棒材连轧生产线生产，通常是采用自由锻和精锻的方式生产，产品的尺寸规格受到限制。利用无缝钢管生产设备可以生产相应规格的棒材。

1.1 斜轧棒材生产

采用斜轧方式生产棒材有很多优点：

（1）轧制速度快，轧件温降小，适于变形温度窄的金属材料的棒材生产；

（2）坯料适应性强，尺寸调整方便，产品规格多；

（3）棒材的圆度和直线度好，可以省去矫直工序；

（4）切损小，金属收得率高。

最适合生产棒材的无缝钢管生产设备是三辊穿孔机或三辊轧管机，可以直接生产成品棒材。通过对前、后台和压下系统的调整改造，满足坯料长度和压下量的要求，可以实现棒材生产。

Φ50 mm三辊联合穿轧机在生产无缝钢管的同时，可将Φ65 mm的坯料经一个道次轧制成Φ45 mm棒材，其延伸系数达到2.0。产品的几何尺寸、表面质量和组织性能都满足要求。德国SKET公司也采用三辊斜轧机作为棒材轧机的粗轧机，用于合金棒材生产线。

由于轧制速度快，轧件温降小，在保证前、后台长度，或者在设置在线热锯机的情况下，可以实现多道次轧制，从而实现更大的变形量，生产更多规格的产品。

目前，国内有多套大直径无缝钢管斜轧生产线，如果能进行轻金属和特种金属材料棒材的开发和生产，将会显著改变大棒材和圆坯的生产状况，获得良好的经济效益。

1.2 连轧棒材生产

利用无缝钢管生产线的连轧管机组和张力减径机组生产长尺寸棒材也是可行的。国内某有色金属材料企业将无缝钢管生产企业废弃的二辊连轧管机和张力减径机组成有色金属棒线材连轧生产线，用于将大规格有色金属锭轧制成大盘卷有色金属棒线材，填补了国内空白，效果很好。

对于还在正常运行的连轧管机组和张力减径机组，可合理利用机组的闲置时间，生产有色和黑色金属棒材也是可行的。考虑到孔型调整的复杂性，可以根据棒材的生产计划，设置专用机架。对于某些塑性好、变形抗力低的金属材料，也可以采用冷轧或温轧工艺生产棒材。

1.3 周期轧制棒材生产

采用周期式轧管机轧制棒材已经有很长的历史。对于热轧棒材，如原成都无缝钢管厂曾采用皮尔格轧机热轧生产棒材。但是，这方面的研究工作还有待于进一步开展，以解决有色金属材料和特殊钢的开坯问题。目前，一些相关企业多关注径向锻造机开坯，对于轧制开坯，还停留在初轧机开坯的层面上，对于新的轧制开坯手段缺少足够的认识。

国内外的专业棒材厂多采用周期冷轧机和冷拔机生产光亮棒材。光亮棒材提供给用户，可以获得更好的效益，因此应该大力发展光亮棒材生产。现有的光亮棒材大多采用冷拔方式生产，主要目的是实现表面光亮和保证尺寸公差，为后续的机械加工提供方便，在组织结构和机械性能方面没有按照冷轧材要求生产。因此，利用无缝钢管企业冷轧管的技术装备，开展冷轧棒材生产，可以为市场提供高质量的冷轧棒材。

近年来，大规格、多辊冷轧管机在一些生产特殊钢，尤其是不锈钢无缝钢管的企业陆续投入使用，然而由于大直径的冷轧特殊钢和不锈钢无缝钢管市场需求量有限，造成设备闲置严重，如何有效提高设备利用率，是无缝钢管企业面临的新问题。可以考虑采用冷轧或温轧方式来为有色金属和特殊合金的铸锭开坯，取代自由锻或精锻机生产大规格有色金属和特殊合金棒材。由于冷轧管机的设备造价和运行费用远低于精锻机，因而生产成本也将会比较低。

2 板材生产

近年来，国内钢铁行业宽厚板生产得到快速发展，与无缝钢管生产类似，许多地方建立了独立于上游钢铁冶炼生产的宽厚板生产厂，通过买入板坯轧制成材。尽管如此，特殊材料、小批量、多品种的宽厚板供货还是比较困难。此外，有色金属宽厚板生产设备还处于落后状态，产品的宽度和厚度范围有限；冷轧宽厚板技术基本上处于空白状态，这些问题都需要有新的工艺方案和技术装备来解决。

利用无缝钢管生产线的斜轧穿孔和斜轧轧管设备，采用由管到板的工艺路线生产热轧金属板材。利用大规格无缝钢管周期式轧管设备生产热轧和冷轧金属板材，将有可能满足重要领域对稀缺材料和特殊尺寸规格的宽厚板的需求。由管到板的生产工艺路线如下：管坯—加热—斜轧穿孔—（斜轧轧管）—（冷轧）—剖分—展平—板材轧制（温轧、冷轧）—矫直—剪切—成品。

采用管-板的工艺生产金属板材有以下优点：

（1）变形效率高，生产成本低。斜轧是变形效率很高的生产方式，一个道次即可以获得宽厚板的成品厚度。与常规宽厚板生产相比，设备质量少、轧制线长度和轧制时间短，开轧温度低，进而降低了生产成本。

（2）厚度尺寸和板形容易控制。轧件的主要变形是在斜轧过程中完成的，由于斜轧是螺旋轧制，轧制变形区近似于点状，且各点的变形参数基本是一致的，因此尺寸精度和板形能够得到保证。

（3）不易产生各向异性。由于轧制变形区近似于点状，变形的方向性不明显，所以轧件不易产生各向异性问题。

（4）适于轧制塑性差的难变形金属材料。对于三辊斜轧过程，轧件处于三向压应力状态，又由于轧件是轴对称状态，因此可以有效避免板材轧制时的边部开裂现象。

（5）生产工艺灵活，可以实现小批量生产。由于是单机轧制，在配置小容量加热炉的情况下，可以进行小批量生产，甚至单件生产。

（6）利用扩径技术，可以生产超宽板材。目前，国内最大的穿孔机生产的荒管直径可以达到1 000 mm，某无缝钢管企业采用Φ800 mm管坯，穿孔后获得Φ1 066.7 mm的荒管。如果进行扩径加工则直径可以达到1 700 mm。以此作为原料，能够生产宽度5 000 mm以上的板材，超过目前国内最宽的宽厚板轧机能够生产的无缝钢板宽度。国内最大的周期式冷轧管机生产的无缝钢管直径可以达到800 mm以上，由此，某企业的Φ914 m的三辊周期式轧管机，可以生产板宽超过2 500 mm的冷轧板材，超过目前国内最宽的冷连轧机能够生产的冷轧带钢的宽度。

另外，目前，国内的冷轧板材主要是由成卷生产的冷轧带钢，通过横切机组生产得到的，产品的厚度和宽度有限。还可以结合国内的大型旋压设备，通过强力旋压生产更宽的和更厚的冷轧板材，这也是扩展无缝钢管企业产品的有效渠道。

3 有色金属管材生产

目前，有色金属管材多作为功能材料使用，用于管道和结构材料的比较少。近年来，随着轨道车辆的快速发展，轻金属管材的使用增加很快，轻金属的大跨度构件的应用也受到重视；因此，轻金属管材生产将会有很大的发展空间。

有色金属管材主要是采用挤压方式生产，有部分钛合金无缝管采用穿孔-轧制工艺生产，产品规格品种受到很大限制，难以满足轻金属结构材料的市场需求。采用现代轧制方式大量生产结构用轻金属无缝管的生产线还没有出现。因此，利用现有闲置的无缝钢管生产线，改造成为高效率的轻金属无缝管生产系统，将会促进轻金属无缝管材生产的发展和产品的应用。

将无缝钢管生产线改造为轻金属无缝管生产系统，需要做以下方面的工作。

（1）加热炉与加热制度。无缝钢管生产多使用燃气加热的环形炉或斜底炉，轻金属坯料多采用电加热，因此需要根据产能在穿孔机的附近设置电加热装置。

（2）生产过程的温度控制。轻金属材料的导热系数大，变形温度窄，因此需要考虑生产过程中轧件的温降。可以采用保温输送或补热的方式，保证轧制温度在允许范围内。另外，辊道、台架等与轧件接触的零件应该做隔热处理，冷却水的使用也需要调整。

（3）变形参数调整与工具设计。由于轻金属材料的塑性指标、表面状态与钢铁材料差异较大，需要根据情况制定专门的轧制变形制度和工具形状尺寸，保证轧制过程的顺利和产品的质量。

（4）精整方式与精整设备。轻金属无缝管材的锯切、矫直、平头倒棱工序等与无缝钢管有很大不同，需要根据现有设备状况进行调整，补充。

（5）热处理。轻金属材料的牌号很多，成品热处理方式和规范也与无缝钢管生产不同，需要重新制定，或者委托有色金属生产企业完成。

4 双金属材料生产

利用热轧无缝钢管生产设备生产双金属管棒材也是扩大企业产品范围的有效措施。这里主要讨论采用穿孔机生产双金属管。

热轧双金属管的主要工艺过程为：组装制坯—热轧复合加工—精整—后续处理—成品。

（1）组装制坯。根据双金属产品厚度比和材料的延伸性，确定坯料管的尺寸。然后进行表面处理，组装，封口，制成双金属管坯。

（2）加热。根据材料性质以及所需的轧制温度，制定加热方式和加热制度。

（3）热轧复合加工。利用穿孔机对双金属管坯做二次穿孔轧制，使管坯延伸并实现两种金属材料的复合。可以利用轧管机对荒管作进一步的热轧延伸。

（4）后续处理。对精整后的双层金属复合管做管端加工处理，保证管端的平整和两种金属的完好结合。也可以根据用户需要，将双金属复合管加工成成品，供给用户直接使用。例如直接制成双金属液压缸管，供给煤矿综采设备的制造企业。实践表明，在机械制造领域使用双金属管材能够取得显著的经济效益。

5 结 语

无缝钢管生产企业具有工艺流程长、生产设备多等特点，具备形成多种类型金属材料的生产单元条件。鉴于我国金属材料工业的发展现状，需要专门从事各种金属材料加工的专业厂，以解决新、特、少的金属材料加工问题。在这方面，国内的一些企业已经做出了尝试。

另外，利用闲置的无缝钢管生产能力，通过工艺开发和设备调整补充，形成生产非无缝钢管产品的技术设备能力，期望以此推动我国金属材料加工领域的技术进步，增强特殊金属材料的供给能力。