SCM新型热轧无缝钢管斜轧管机

罗 涛

（成都诚悟钢管技术有限公司，四川 成都 610041）

自1885年德国曼内斯曼兄弟发明二辊斜轧穿孔机后，热轧无缝钢管生产进入了工业化生产时代。近30年来，随着高质量圆管连铸坯的应用，以及机械、电控技术全面发展，形成以连轧管机为代表的、高效连续生产的热轧机组规模化生产工艺，在世界范围内实现了无缝钢管供需平衡，近年来已经全面产能过剩。

现有热变形生产无缝钢管的工艺方法，除少数热挤压工艺外，绝大部分采用轧制工艺。从变形方式来看有纵轧与斜轧工艺，采用纵轧工艺的有连轧管机（MPM、PQF）、顶管机（CPE）；采用斜轧工艺的有三辊斜轧管机（Assel）、精密轧管机（Accu Roll）、旋转扩管机；另外，少量周期轧管机组则属于锻轧工艺［1-6］。

文献［7］已经详细比较和分析了热轧无缝钢管纵轧与斜轧工艺的变形原理和工艺特点，着重分析了斜轧工艺的独特优势，在此不再赘述。纵轧与斜轧由于变形原理与变形孔型结构不同，各有优势与不足。在不同产品市场环境条件下，两者优势有不同侧重点，不应简单得出一方具绝对优势的结论。针对目前斜轧生产工艺在变形量不足，难以轧制薄壁管及斜轧后钢管内表面存在螺旋道两大主要问题，从原理及生产实践上进行了详细分析，对斜轧工艺及设备全面提升，推荐一种SCM新型斜轧管机来实现斜轧工艺提升。SCM新型斜轧管机是在改进现有斜轧管工艺的基础上，结合生产实践进行的设计研发，本文进一步具体介绍斜轧管机的类型和特点，并在此基础上重点论述SCM新型斜轧管机的设备结构及其特点，比较SCM新型斜轧管机与PQF连轧管机的投资收益情况，总结SCM新型斜轧管机的优点。

1 主要斜轧管机组

1.1 三辊斜轧管机组

三辊斜轧管机（Assel轧管机）由3个斜轧轧辊构成主变形孔型，辊间没有导向装置。现有三辊轧管机由于没有或辗轧角很小，故轧辊辊形基本是同于最早斜轧穿孔机类的曼式辊形（桶形辊）［7］。三辊轧管机孔型结构如图1所示。

图1 三辊轧管机孔型结构

在三辊斜轧管机中，3个轧辊构成的内接圆直径大小与轧辊直径是相互约束的，轧辊直径大小确定了最小来料轧件尺寸，即轧制入口毛管外径尺寸上的变形受轧辊直径大小限制，大轧辊不能轧制小规格钢管，变形区变形条件受限制；因此，从轧制变形原理上就限制了轧制变形优化选择。为了轧制宽范围外径规格，轧机不得不多配置不同外径的轧辊来实现。另外，小规格钢管采用小尺寸轧辊本来就是恶化轧制变形条件；因此三辊轧管机生产小规格钢管劣势明显。反之，二辊斜轧变形就没有这类结构性问题。

3个轧辊之间没有导向工具（导盘或导板），变形区孔型没有构成封闭状态，横向变形没有得到任何方式的限制而处于自由变形状态。由于机械结构及传动连杆布置方式的限制，三辊斜轧管机难以配置轧辊的辗轧角，断面扭转变形大，变形金属纵向流动性差，尤其大变形轧制薄壁管时，较大的横向变形导致金属向两个轧辊间的空隙位置径向扩张，轧制金属断面呈三角形趋向，变形量越大，三角状态越明显。在三辊轧管机变形过程中，轧件尾部由于缺乏轧制理论中所谓的刚端效应，在尾部横向变形更趋明显，一旦三角形达到一定临界值，轧件旋转受阻，从而导致轧制中断（轧卡）。三辊斜轧管机孔型中三角变形状态如图2所示。

图2 三辊斜轧管机孔型中三角变形状态

显然，从变形原理上，在三辊斜轧管机上轧制时，钢管尾三角是不可避免的。尽管有所谓的快速旋转机架角度轧机结构方式，能实现荒管尾部自然轧厚，减轻尾三角效应，但是这种方式也是消极的生产方式。采用这种设备结构复杂的快速旋转机架，会导致轧机刚性下降，直接影响变形及产品质量。

基于斜轧变形原理和设备结构特点，三辊斜轧在生产规格及灵活性上与二辊相比是没有任何优势的，三辊斜轧管机只能用于轧制中等或厚壁钢管。实际上，现在建设的三辊斜轧管机组都是以轴承用管、机械及结构用管等品种中、厚壁为主要产品。由此可见，在斜轧管生产工艺中，三辊斜轧管机从变形特点和设备结构形式上来看，是不能从根本上提高轧薄能力和消除内表面螺旋道缺陷。新上无缝钢管热轧斜轧项目三辊斜轧没有任何优势可言。对已建设的三辊斜轧管机组，在不影响总体布局条件下，仅将主轧机替换为二辊新型SCM新型斜轧管机，可以全面提升轧制薄壁管能力，最大程度地减少或消除钢管内表面螺旋道质量问题，实现机组升级更新。

1.2 二辊精密轧管机组

二辊斜轧管机最初是在斜轧曼氏穿孔机的基础上，采用主动大导盘代替固定导板，以实现穿孔后空心坯管进一步延伸轧制。20世纪80年代后，由于锥形穿孔的推广及轧辊电控传动技术的发展，美国A·Standard公司推出轧辊有辗轧角的布置结构（锥形轧辊）并带主动导盘的斜轧管机，称为精密轧管机［7］。二辊带主动导盘的精密斜轧管机变形孔型结构如图3所示。

图3 二辊带主动导盘的精密斜轧管机变形孔型结构示意

我国最早从美国A·Standard公司引进的第一套Φ180 mm Accu Roll精密轧管机组的主要设计工艺参数为：①轧制节奏23 s，平均小时产量51.05 t；②轧制延伸系数1.5～3.0；③轧制后外径D与壁厚S之比的最大值为44.5；④钢管壁厚精度±5%；⑤热轧成材率95.1%。该机组的生产情况表明，将斜轧变形工艺通过严密的轧制数学模型、采用先进的机械液压技术及电控技术以实现轧管机高刚性、精确的控制及工艺参数调整，最终实现热轧无缝钢管精密轧制的初衷理念是无可指摘的；但是，该精密轧管机的工艺和设备技术是完全建立在理想化基础上，没有具体的轧制工艺和生产实践经验作为基础。根据美国A·Standard公司提供的设计资料，从轧制变形计算中分析，所有工艺计算都是一种理想条件下的一般斜轧工艺及数学方法计算，采用其设计的轧辊辊形基本上不能形成稳定生产，尤其是生产薄壁管，轧卡、轧烂或后台甩扁经常发生，轧机延伸系数在实际生产中基本上是小于1.2的，如轧制Φ219 mm规格钢管，最薄壁厚也只能达到12 mm。再加上设备及自动化等因素，该Φ180 mm精密轧管机组的作业率低下［7］。

通过Φ180 mm精密轧管机组调试及生产经验积累，基于理论研究分析及试轧实践，重新制定了新的斜轧工艺，并设计了轧辊等变形工具，同时也改良了设备及自动化技术，使得机组生产逐步正常，延伸系数达到2，钢管外径219 mm，实现了壁厚6.5 mm为代表的薄壁管规格的正常生产，钢管年产量达到了26万t（设计25万t）。自此以后，国内陆续新建了相同或不同组距的精密轧管机组，但是所有这类精密斜轧管机仍然没有从根本上解决好斜轧轧薄和内表面有明显螺旋道的质量问题。

应当说明，近年来国内斜轧轧管设计制造商几乎没有从斜轧管工艺要求和发展上考虑斜轧设备结构及相应的控制技术手段，未考虑在提高轧制变形稳定性方面采用更合理的设备结构，而更多从销售低价位与竞争项目出发，采用设备轻量化和简化机构方式，大大降低了斜轧管机变形稳定性以及产品质量水平，尽管这在市场短缺条件下充分发挥了低投资、低成本以及生产灵活、企业收益见效快的优势。

1.3 斜轧行星轧管机

行星轧管机变形原理与辊式斜轧管机相同，轧辊自转的同时也围绕轧制轴作行星旋转，理论上轧后的荒管仅作直线运动，相对二辊或三辊斜轧管机，轧件变形相对平稳。目前，仅德国Eschweiler ESW工厂的三辊行星斜轧管机在生产使用，其主要产品是中、厚壁结构用管和机械用管。三辊行星斜轧管机辊形及变形区孔型结构如图4所示。

图4 三辊行星斜轧管机辊形及变形区孔型结构示意

行星斜轧管机采用较大辗轧角（40°～50°），穿孔空心坯从轧辊直径大端咬入。由于辗轧角较大，变形金属获得极大纵向变形，因此行星斜轧管机能达到很大延伸系数（μmax=12），轧辊绕轧制中心作行星旋转，轧后荒管可以保持直线运动。行星斜轧管机受设备结构限制，轧辊安装方式与三辊轧管机相同，轧辊直径相互受轧件直径制约，而轧辊不得不采用悬臂结构，加上轧辊在主机架内作行星运动，轧机刚性差，钢管内表面螺旋道质量缺陷明显，轧薄能力也受横向三角变形影响。因此，同三辊斜轧管机（Assel）一样，行星斜轧管机也只适用于中、厚壁钢管的生产。2014年德国KOCKS公司推出的四辊行星轧管机，是在三辊行星轧管机上进行了改进，企图减少三辊行星轧管机的尾三角形成，但仍囿于行星轧管机设备结构及辊形构成特性，在提高质量、增加变形轧薄能力方面也没有新的突破。因此，这类斜轧管机只适用于轧制易变形的铜管一类有色金属管，不适合大规模、多规格、多品种热轧无缝钢管的生产。

1.4 斜轧旋转扩管机

斜轧旋转扩管机的变形原理与作为二次延伸的辊式斜轧管机相同。斜轧旋转扩管机轧辊的辗轧角为60°，以构成扩管变形必需的扩管辗轧段。与行星斜轧管机不同，轧件（加工用钢管）从小头咬入，进入由轧辊与顶头所形成的变形区，并实现扩管变形轧制。斜轧旋转扩管机孔型结构如图5所示。

图5 斜轧旋转扩管机孔型结构示意

现有的斜轧旋转扩管机的轧辊仍然是采用轴单端悬臂固定，同时作为内部变形扩管工具的顶头也是靠顶杆支撑一端进行定位。因此，扩管变形也是一种不稳定的斜轧变形过程。扩管最终产品是大直径薄壁管，其内表面产生螺旋道也是不可避免的，且变形量越大，成品管越薄，螺旋道越严重。

2 斜轧管工艺的改进

2009年浙江格洛斯无缝钢管有限公司新建的Φ820 mm大直径斜轧管机项目，对斜轧工艺及设备作了全面改进，重点是对作为二次延伸变形的精密斜轧机的轧机变形工艺（包括辊形）制度、轧机前台、限动方式尤其是芯棒的工作方式等进行改进［8-10］，最终Φ820 mm大直径斜轧管机的轧薄能力与产品质量得到了一定的提升。

基于对斜轧理论的深入研究和在不同斜轧管机组上的生产实践，可获得对斜轧轧管变形的实质性新认识：斜轧管机是能实现较大延伸变形量（即轧制延伸系数为1.5～3.0）和轧制薄壁管（D/S为35～45）的。但是，变形后能否维持已成形的形态是斜轧管机能否生产高质量无缝钢管的关键。

现有的斜轧管工艺是完全能得到全面提高与发展的，具体方法及途径主要集中于变形工艺与设备技术的全面革新与提升上。

（1）减少斜轧不均匀变形，将实现均匀变形金属流动的物理条件与斜轧应力和应变计算结合起来，建立新的斜轧理论计算方法和工艺设计［11-14］。在轧辊的辊形设计上，从斜轧管功能要求出发，拟定变形方案，运用精确的数学模型和新的设计理论设计轧辊及变形导向工具。对与变形相关的所有辅助轧制工具、导向装置等，以实现斜轧变形均匀和稳定轧制为宗旨进行结构设计。

（2）从满足斜轧管工艺要求，提高斜轧变形稳定性为目的，突破现有斜轧管工艺固有方式，采用全新的轧管芯棒工作方式，重构新的设备结构方式、芯棒运动方式及约束方式，消除对斜轧变形有主要影响的轧辊、芯棒在轧制中的不稳定性因素。用设备的可靠与稳定性来实现和满足斜轧的变形工艺条件。

（3）从斜轧管变形工艺稳定性出发，在现有可靠设备结构及控制方式的基础上，对斜轧管机主机、前台、后台等设备结构进行重构或改进，尽可能消除或减少斜轧变形中影响变形稳定及对变形后成型金属质量有不利影响的因素，用整体设备的稳定与可靠性来保证斜轧变形工艺稳定，以期获得高质量的产品。

经过多年对斜轧轧管工艺的研究，结合多年生产实践经验，在现有二辊精密斜轧管机为代表的二次斜轧延伸机组基础上推出新一代斜轧管机组——SCM新型斜轧管机组。

3 SCM新型斜轧管机组工艺设备结构特点

3.1 机组简介

SCM斜轧管机组是高刚性无缝钢管斜轧管机组的简称（S—stiffness and stabilize，C—cross rolling，M—mill），目前已取得注册商标。SCM斜轧管机组的主要特点有：

（1）精确理论模型与二辊斜轧生产实践经验结合而成轧制工艺模块；

（2）全新的斜轧限动芯棒工作方式，即斜轧管机芯棒前、后台全支撑轧制工艺；

（3）独有专利设备技术（获得3项中国专利，同时德国、意大利专利已受理）的新型设备结构，应用于SCM新型斜轧管机组新的轧管芯棒工作方式、轧机本体主机设备、轧机前台及后台设备。同时，这些专利技术也可广泛用于辊式斜轧穿孔机、三辊轧管机（Assel）和旋转扩管机类斜轧管工艺设备的改进。

3.2 轧制工艺模块内容及轧辊设计方法

（1）消除影响变形稳定的各因素。分析影响变形稳定的因素，如轧辊辗轧角变动因素，并对此提出新的设备结构优化设计，最大可能地消除轧辊辗轧角在实际变形过程中的变动因素。

（2）建立精密斜轧变形及辊形设计的现代数学模型。包括：辊形与变形区数学关系模型，以满足于金属变形等效均匀应变规律及辊形设计方法。

3.3 设备结构特点

SCM新型斜轧管机的结构是在现有生产运行的精密二辊斜轧管机、大直径斜轧管机基础上的全面创新设备结构，主要包括一个发明专利（专利号201710387429.4，专利名称“热轧无缝钢管斜轧机前、后台芯棒全支撑轧制工艺、设备技术”）和两个实用新型专利技术（专利号201720603844.4，专利名称“热轧无缝钢管斜轧机前、后台芯棒全支撑轧制的设备构造”；专利号201720603633.0，专利名称“用于热轧无缝钢管生产的水平换辊全封闭框式机架”）。

（1）全面创新的轧管芯棒工作方式。

全面创新的芯棒工作方式就是在轧制过程中，实现热轧无缝钢管斜轧管机前、后台芯棒全支撑轧制工艺的芯棒工作方式。其要点是：在斜轧过程中，将现有芯棒从轧机入口与出口端同时限位、夹持，形成在轧机前、后台芯棒头尾两端同时固定、限位支撑，最大程度地减少芯棒径向位移和荒管的甩动。这种新的芯棒工作方式，实际上也是接近于连轧管机芯棒工作方式，芯棒在变形中是由各机架夹持以实现精准定位和稳定。SCM新型斜轧管机芯棒及芯棒定位棒工作情况如图6所示。

图6 SCM新型斜轧管机芯棒及芯棒定位棒工作情况示意

（2）实现斜轧管机前、后台芯棒全支撑轧制新工艺的设备构造。

热轧无缝钢管斜轧管机前、后台芯棒全支撑轧制工艺的设备构造，要旨是实现轧管变形过程中工作芯棒的全面限位与稳定。在斜轧限动轧制方式中，工作芯棒仍然由前台完成在线或离线穿棒过程，空心毛管与工作芯棒进入轧制线，由限动装置将芯棒与空心毛管推入斜轧管机孔型中，在斜轧管机的后台新增设计了1个芯棒定位棒，并由后台的止推小车将该芯棒定位棒送入斜轧管机孔型中，芯棒定位棒与芯棒间进行在线连接成为一个整体。前台限动装置、送料装置联动将芯棒与空心毛管一并送入斜轧主机的孔型中进行限动轧制。与传统限动芯棒工艺不同，工作芯棒在轧制中具有了在芯棒工作段前、后两端进行支撑约束的功能，即芯棒工作段在斜轧管机前台部分为现用常规支撑，芯棒工作段在斜轧管机后台部分由芯棒定位棒提供支撑作用，并通过后台相关设备实现对芯棒定位棒的定位与限位作用，从而保证结合后“长芯棒”的轧制稳定性。

实现斜轧后台芯棒定位棒与前台工作芯棒全面稳定的关键设备是双功能抱辊抱瓦机构和机内稳定装置等。SCM新型斜轧管机主机及后台设备如图7所示。

图7 SCM新型斜轧管机主机及后台设备示意

（3）斜轧机水平换辊、全封闭框式机架结构。

现在所有斜轧管机和穿孔机，都是有U型断面的主机架开放式结构。这种结构形式，尽管也采用液压缸锁紧，但是在轧制力作用下，U型断面的开式机架产生的弹性变形仍然较大、刚性较差。由于斜轧时轧制工件螺旋前进运动，在各种因素影响下，两个轧辊和芯棒的工作位置变化不会是同步的。再加上开式机架的较大弹性变形量，从而使轧辊轴相对轧制中心线的实际位置是偏离理想设定位置的，实际变形过程中，轧辊与芯棒间的距离波动变化也较大——轧制稳定性差。由此体现在轧机荒管的壁厚精度下降，荒管内表面产生的明显的内螺旋道是由轧机刚性和轧制过程中变形区整体综合稳定性差所导致的，文献［7］也详述了斜轧变形区孔型变化与轧辊工作位置（由设备结构决定）变化之间的关系。

SCM新型斜轧管机主机采用具有闭式机架结构的工作机架专利创新技术，全面替代现有的U型断面主机座与机盖组合构成工作机架的方式。通过对闭式机架的设计，使之具有水平方式移出和移入进行轧辊更换的特点，形成一种全新的水平换辊全封闭框架式钢管斜轧管机机架。显然，这种全封闭框架式机架结构是具有最高刚性的轧管机主机架，极大地提高了斜轧管机的稳定性。SCM新型斜轧管机主机设备结构如图8所示，轧辊更换如图9所示。

图8 SCM新型斜轧管机主机设备结构示意

图9 SCM新型斜轧管机轧辊更换示意

由此设计的斜轧机前、后台芯棒全支撑轧制新工艺的设备结构和全封闭框式机架结构，大幅度减少了现有斜轧管机轧制不稳定因素，是提升斜轧工艺的全新创新性方案。

这里必须强调，纵观近30年来连轧技术的发展，无论二辊还是三辊或者最近国内推出的四辊结构，连轧变形原理没有任何方式变化，变化的是设备结构形式，如三辊最早采用隧道式机架，也是一种全封闭机架结构（PQF），后来演变单侧、双侧向换机架，根本要义仍然是最大可能地减少机架变形，提高设备刚性与生产便利性，从而提高产品质量。上述对斜轧管机的改进实质上也是异曲同工。

4 SCM新型斜轧管机组的主要经济数据

文献［7］分析了企业建设热轧无缝钢管生产线，选择轧管机类型时主要考虑的因素；比较了国内某企业Φ180 mm连轧管机组与Φ180 mm Accu Roll斜轧管机组的主要经济数据。对比分析认为，斜轧管机组在投资与生产运行上与连轧管机组相比更经济，在新市场环境下有相对更大的灵活性和适应性。SCM新型斜轧管机的工艺及设备新专利技术是在目前国内大量正常生产的二辊斜轧管机组的基础上进行了全面提升与更新，尽管SCM新型斜轧管机的工艺条件（芯棒工作方式）、设备结构（主机与前、后相关设备）与现有二辊斜轧管机（如Accu Roll机组）完全不同，但整体变形工艺原理与工艺流程是相同的，并没有增加会使生产运行成本提高的工艺与设备；因此，现有精密轧管机的生产运行指标可以作为SCM新型斜轧机的参照。

PQF连轧机管与SCM新型斜轧管机组的投资收益对比见表1。

表1 PQF连轧机管与SCM新型斜轧管机组的投资收益对比

参照表1，并结合文献［7］中连轧管机组与斜轧管机组的主要经济数据，可以看出SCM新型斜轧管机组在投资与生产运行上比连轧管机更经济，同时在新的市场环境下相对具有更大的灵活性和适应性。

5 SCM新型斜轧管机组的生产优势

综上所述，SCM新型斜轧管机组具有以下优势：①轧制质量同连轧质量水准，钢管壁厚公差ΔS≤5%；②机组产品规格范围宽，生产组织灵活；③投资低，同规格机组的投资总额不到连轧管机组的1/2；④生产成本少，比连轧少1/4；⑤项目建设投资回收期短，仅为连轧项目的1/5；⑥可以生产高合金管及特种钢管（不锈钢管、钛管等），规格多，生产灵活，可以快速适应市场；⑦生产操作容易，运行及设备维修费用低；⑧基于生产实践的工艺及设备创新专利技术，新建或技改升级均无风险。

6 结语

SCM新型斜轧管工艺及设备技术是基于生产实践，针对现有斜轧管工艺设备在生产工艺和产品质量方面存在的问题，有效改进和全面优化与提升斜轧管技术得到的。在新的产业局面和无缝钢管市场环境条件下，斜轧管工艺方法是更具适应性的生产工艺，采用全面升级换代的SCM新型热轧无缝钢管斜轧管机，可以提升企业竞争能力，是值得采用和发展的新型轧管机。