斜軋擴(kuò)徑機(jī)及大直徑不銹鋼無縫管的生產(chǎn)方法

  斜軋擴(kuò)徑（也稱斜軋擴(kuò)管）屬于軋管的形式之一，是到目前為止通過軋制獲得最大直徑不銹鋼無縫管的方法。鋼管斜軋擴(kuò)徑工藝是一古老、成熟的工藝，早在1925~1933年間美國和德國就相繼研制出鋼管斜軋擴(kuò)徑機(jī)并投入了生產(chǎn)；1993年意大利的INNSE 公司將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)、液壓小艙等控制技術(shù)應(yīng)用于斜軋熱擴(kuò)徑技術(shù)中，為意大利的達(dá)爾明公司提供了一臺(tái)ф610mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)，使得斜軋擴(kuò)徑工藝得到了翻新和復(fù)蘇。前世界上有4臺(tái)斜軋擴(kuò)徑機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中，即美國Lorain廠1930年投產(chǎn)的ф660mm機(jī)組，年產(chǎn)15萬t;捷克Chomutov廠有2臺(tái)斜軋擴(kuò)徑機(jī)，即1928年投產(chǎn)的ф545mm機(jī)組，年產(chǎn)10萬t和隨后投產(chǎn)的Φ610mm機(jī)組；意大利1993年投產(chǎn)的ф610mm機(jī)組，年產(chǎn)15萬t.德國Rath廠1933年建的ф1500mm機(jī)組早已停產(chǎn)。

  斜軋擴(kuò)徑一般一個(gè)道次的擴(kuò)徑率為35%~65%,最大可達(dá)75%甚至80%,可生產(chǎn)的品種有：套管、鍋爐電站用管、氣瓶管、管線管、液壓支架管、結(jié)構(gòu)管、機(jī)加工管、石油裂化管和高壓化肥管等。

一、工藝描述

  斜軋擴(kuò)徑機(jī)組母管有兩種：一種是來自軋管機(jī)組（自動(dòng)軋管機(jī)、連續(xù)軋管機(jī)等）的成品管；另一種是來自穿孔機(jī)后的毛管。斜軋擴(kuò)徑機(jī)既可與主軋機(jī)成在線布置，也可離線布置。根據(jù)來料母管的壁厚和溫度，在線布置的可直接送擴(kuò)徑機(jī)加工；離線布置或溫度較低的鋼管送入加熱爐中加熱至1100~1250℃,由輥道送出，經(jīng)高壓水進(jìn)行外表面除鱗后，以螺旋的運(yùn)動(dòng)方式送入斜軋擴(kuò)徑機(jī)進(jìn)行擴(kuò)徑軋制；溫度損失較少的厚壁管經(jīng)橫移臺(tái)架輸送和高壓水除鱗后可直接送斜軋擴(kuò)徑機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)徑軋制。

  斜軋擴(kuò)徑機(jī)主要是由兩個(gè)位于不重合的水平面上同向轉(zhuǎn)動(dòng)的錐形輥、一對上下布置的固定導(dǎo)板以及一個(gè)錐形頂頭和一個(gè)沿軋制中心線方向支撐頂頭的頂桿組成，在軋制過程中，管徑擴(kuò)大、壁厚減薄，延伸系數(shù)接近1。軋輥軸布置在兩個(gè)偏離的水平面上，沿軸向有一個(gè)大交叉角度。軋輥軸線的空間交叉和垂直偏移量將產(chǎn)生喂入角并使軋件作螺旋運(yùn)動(dòng)，如圖 4-25 所示。調(diào)整軋輥軸向位置可以改變軋件的咬入條件及荒管的外徑，頂頭位置決定擴(kuò)徑后荒管的壁厚。軋輥由計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

  在斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制過程中，通過頂頭內(nèi)壁噴嘴噴鹽溶液來去除管子內(nèi)表面氧化鐵皮及起潤滑作用，以優(yōu)化表面質(zhì)量，并保證頂頭有足夠長的使用壽命。軋制時(shí)頂頭和頂桿是相連接的，但可以快速地裝拆，擴(kuò)徑結(jié)束后，頂桿從管中抽出，頂頭在軋機(jī)出口位置冷卻、檢查和潤滑后重復(fù)使用。

  斜軋擴(kuò)徑機(jī)的調(diào)整依靠在線的軟件包，基于少數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（管徑、鋼種、溫度等），計(jì)算機(jī)對整個(gè)軋制線計(jì)算出所有的調(diào)整參數(shù)。此外，這一軟件包也對軋制時(shí)的動(dòng)力參數(shù)（如力能、電流、電機(jī)功率等）進(jìn)行估算。

  現(xiàn)代斜軋擴(kuò)徑機(jī)的頂桿采用液壓小艙控制定位，液壓小艙也可以在軋制過程中調(diào)整頂頭位置，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對因頂桿彈性和膨脹延伸所產(chǎn)生的長度變化進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。軋制過程管子受到上下導(dǎo)板的約束。

  軋制時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)對整個(gè)軋線的最主要的工藝、操作參數(shù)進(jìn)行測量、顯示和記錄。這有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和軋制效率，因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)測得的實(shí)際值和由調(diào)整數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算所得的預(yù)期值兩者進(jìn)行比較，若有差異，控制系統(tǒng)或操作者可以立即得知軋線的不正常功能和不正常狀態(tài)，并加以調(diào)整。此外，每一根熱擴(kuò)徑鋼管的主要數(shù)據(jù)均加以存儲(chǔ)，可以用于進(jìn)一步的工藝操作分析，以便改進(jìn)實(shí)際操作。

  斜軋擴(kuò)徑機(jī)的一個(gè)主要特點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，保持壁厚精度不變，這是由于液壓小艙可以對軋機(jī)和扎制時(shí)頂頭位移而造成的任何長度尺寸變異進(jìn)行補(bǔ)償。主要是針對頂頭、頂桿的熱膨脹，機(jī)因利履算出所要求的液壓小艙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)軋機(jī)的實(shí)際操作對頂頭位移量進(jìn)行數(shù)字模擬并加以放大，而由液壓小艙控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

  出斜軋擴(kuò)徑機(jī)后的管子由橫移裝置和輥道運(yùn)送至均整機(jī)進(jìn)行均整，以進(jìn)一步改善管子的表面質(zhì)量。均整后的鋼管由專用設(shè)備送至步進(jìn)梁式再加熱爐中加熱，加熱好的鋼管經(jīng)高壓水除鱗后在定徑機(jī)組定徑，得到成品尺寸的不銹鋼無縫管。定徑后的鋼管送往冷床冷卻，收集后在中間庫存放。

 根據(jù)生產(chǎn)品種的要求，需要矯直的不銹鋼無縫管由吊車從中間庫吊運(yùn)到壓力矯直機(jī)上進(jìn)行矯直，之后再吊運(yùn)到精整線進(jìn)行精整。首先由輥道送到切割裝置處切頭尾，然后經(jīng)橫移臺(tái)架送至銑頭、倒棱處加工。經(jīng)過銑頭、倒棱的鋼管再送往超聲波探傷處探傷，有缺陷的鋼管被打上標(biāo)記并被撥入缺陷管收集料筐，合格鋼管則運(yùn)送至測長、稱重、打標(biāo)裝置處進(jìn)行測長、稱重和打標(biāo)，然后運(yùn)送到中間庫或成品庫轉(zhuǎn)運(yùn)或發(fā)貨。

 對于需要水壓試驗(yàn)的不銹鋼無縫管，倒棱后直接送入水壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，對節(jié)奏來不及的鋼管由吊車吊運(yùn)至中間庫存放，然后根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃安排，再自中間庫吊出送至水壓試驗(yàn)機(jī)的上料臺(tái)架，進(jìn)行水壓試驗(yàn)，之后測長、稱重及打標(biāo)，運(yùn)人成品庫存放。

 對于需要熱處理和管加工的不銹鋼無縫管，則經(jīng)過矯直、切頭尾、銑頭、探傷及稱重打標(biāo)后送往中間庫存放，再轉(zhuǎn)運(yùn)至公司相應(yīng)車間進(jìn)行處理和加工。

 對于超聲探傷后認(rèn)為可以修磨的缺陷管送入修磨臺(tái)架上進(jìn)行修磨、復(fù)探；不可修磨的缺陷或由再切鋸改尺，切除有缺陷的部分（剩余部分作為短尺管收集、存放、發(fā)運(yùn)），或直接判為廢品。對于水壓試驗(yàn)后的不合格鋼管直接判為廢品或在再切鋸上改尺。

二、各種生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)及設(shè)備選型

  目前，國內(nèi)外直徑大于460mm熱軋不銹鋼無縫管的生產(chǎn)方式主要有：擠壓法、頂管法、周期軋管法、二次穿孔法和擴(kuò)徑法。

  擠壓法主要用于低塑性難變形高合金鋼管的生產(chǎn)；頂管機(jī)、擠壓機(jī)適于高合金特殊專用管材生產(chǎn)，其年產(chǎn)量低，軋制批量小。

  周期式軋管機(jī)產(chǎn)品尺寸精度低，缺陷多，效率和成材率不高，故使用批量較大的大直徑不銹鋼無縫管通常采用擴(kuò)徑的方式來生產(chǎn)，即由已有的熱軋管機(jī)組提供荒管為原料，經(jīng)加熱擴(kuò)徑、減壁軋制生產(chǎn)，斜軋擴(kuò)徑機(jī)可以是離線布置的，也可以在線布置。周期軋管法可以生產(chǎn)直徑426mm 以上的大直徑厚壁鋼管（如德國Rath廠的周期軋管機(jī)組可生產(chǎn)φ711.2mm鋼管），但產(chǎn)品表面質(zhì)量不佳，生產(chǎn)效率不高。隨著其他更先進(jìn)的軋管技術(shù)的出現(xiàn)，周期軋管法因其產(chǎn)品的壁厚精度不高，已不再是生產(chǎn)大口徑厚壁管的最佳生產(chǎn)方式，目前國內(nèi)最大的周期軋管機(jī)是攀成鋼的ф318mm機(jī)組，產(chǎn)品規(guī)格范圍為ф168~377mm,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12萬t;改造后外徑擴(kuò)大到ф508mm,產(chǎn)量達(dá)到17萬噸。

  二次穿孔法是將已在穿孔機(jī)穿出的毛管在另一臺(tái)穿孔機(jī)上進(jìn)行第二次穿孔，以達(dá)到擴(kuò)徑減壁的目的。在世界鋼管發(fā)展史上，美國Gary廠采用二次穿孔法曾生產(chǎn)出外徑為φ339.7~508mm,最薄壁厚為6.35mm的不銹鋼無縫管。近年來，我國江都誠德鋼管公司在同一臺(tái)ф1000mm巨龍穿孔機(jī)上進(jìn)行二次穿孔，生產(chǎn)出直徑約Φ600mm特大口徑厚壁鋼管，用于二次穿孔的另一臺(tái)ф600mm穿孔機(jī)最近已試車投產(chǎn)。

  目前使用的擴(kuò)徑機(jī)有拉拔式擴(kuò)徑機(jī)、推制式擴(kuò)徑機(jī)和輥式斜軋擴(kuò)徑機(jī)三種生產(chǎn)方式。前兩種擴(kuò)徑機(jī)由于受應(yīng)力狀態(tài)和變形特點(diǎn)的限制，管材表面細(xì)微缺陷擴(kuò)大，易產(chǎn)生裂紋和內(nèi)直道缺陷，外徑、壁厚偏差及彎曲度均要變大，生產(chǎn)鋼管的尺寸精度、表面質(zhì)量不及輥式斜軋擴(kuò)徑機(jī)好。拉拔式擴(kuò)徑機(jī)因成材率低、生產(chǎn)效率低及工具費(fèi)用高等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在許多國家一般都不再新。建拉拔式擴(kuò)徑機(jī)進(jìn)行擴(kuò)徑生產(chǎn)。

  國際上采用斜軋擴(kuò)徑法（也稱盤式擴(kuò)徑法或旋轉(zhuǎn)擴(kuò)徑法）生產(chǎn)大口徑無縫鋼管的主要廠家包括：美國的USS/Kobe-Lorain廠，由自動(dòng)軋管機(jī)供坯，產(chǎn)品規(guī)格：外徑Φ406.4~660.4mm、壁厚8~10mm、最大長度13m,生產(chǎn)能力15萬t/a;

  捷克的VFChomutov廠，在兩臺(tái)周期軋管機(jī)后各配一臺(tái)斜軋擴(kuò)徑機(jī)，最大管徑分別是ф530mm和ф720mm,生產(chǎn)能力10萬t/a.

  特別值得一提的是1993年投產(chǎn)的意大利達(dá)爾明鋼管廠的斜軋擴(kuò)徑機(jī)組，采用了液壓小艙工藝軟件包等最新技術(shù)使得產(chǎn)品質(zhì)量、成材率、工具消耗等指標(biāo)全面得到了優(yōu)化。該擴(kuò)徑機(jī)由MPM供坯，產(chǎn)品規(guī)格范圍為：外徑φ355.6~622.3mm(可擴(kuò)大到ф711.2mm)。

  據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國際上共有7臺(tái)拉拔擴(kuò)徑機(jī)，其中意大利2臺(tái)、法國2臺(tái)、委內(nèi)瑞拉1臺(tái)、中國1臺(tái)，阿根廷1臺(tái)，除法國的1臺(tái)安裝在Φ400mm自動(dòng)軋管機(jī)之后外，其余6臺(tái)均配置在周期軋管機(jī)之后，生產(chǎn)能力一般為3萬t/a.由于拉拔擴(kuò)徑法生產(chǎn)效率低，金屬消耗大，產(chǎn)品質(zhì)量不佳，沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。

  近年來，推制擴(kuò)徑法在我國得到了廣泛應(yīng)用。天津鋼管實(shí)業(yè)開發(fā)公司的4臺(tái)推制式擴(kuò)徑機(jī)可生產(chǎn)φ(273~800)mm×(5.4~30)mm的無縫鋼管，生產(chǎn)能力約1萬～2萬噸/a.在采用了嚴(yán)格管理、改進(jìn)工具設(shè)計(jì)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等一系列措施后，產(chǎn)品質(zhì)量得到了明顯改善，但國內(nèi)其他機(jī)組的產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

  斜軋擴(kuò)徑機(jī)于20世紀(jì)20年代隨著石油天然氣工業(yè)對大直徑熱軋無縫鋼管的需求增加而用于工業(yè)生產(chǎn)的，主要應(yīng)用在美國、德國和捷克，目前有4套機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行，生產(chǎn)鋼管的最大外徑為711.2mm。

  新型輥式斜軋擴(kuò)徑機(jī)產(chǎn)品表面質(zhì)量好，鋼管金屬組織均勻，尺寸精度高。鋼管壁厚精度可達(dá)到±4.5%~8%,生產(chǎn)效率高，金屬消耗小。上述優(yōu)點(diǎn)已使新型斜軋擴(kuò)徑工藝成為當(dāng)今一種經(jīng)濟(jì)靈活的大直徑不銹鋼無縫管生產(chǎn)工藝。斜軋擴(kuò)徑的產(chǎn)品規(guī)格為：外徑Φ323~720mm、壁厚9.5~40mm、長度6000~12500mm。