热轧无缝钢管车间设计(engineering design of hot seamless steel tube mill)

将实心钢坯经加热、穿孔、轧制等工序生产无缝钢管的车间设计。无缝钢管是一种经济钢材，广泛用于流体输送、油(气)田钻采、机械制造和建筑结构等领域。无缝钢管的消费量约占钢材总消费量的4％～5％，所用坯料有方形或圆形轧坯、锻坯或连铸坯和异形钢锭。车间以轧管机型式命名，并冠以可能生产的钢管最大外径。设计方法和原则见轧钢厂设计。

车间分类及适用范围     通常，按轧管机型式分，有连轧管车间、自动轧管车间、皮尔格(周期)轧管车间、阿塞尔(三辊)轧管车间、顶管车间、狄塞尔轧管车间、挤压车间(见钢热挤压车间设计)等。轧管车间分类及适用范围见表。此外尚有制造大直径、厚壁钢管或筒体的顶管车间和尚在发展中的行星斜轧管车间(planeten—schrag walzwerk简称PSW)，但这两类车间极少设计。

工艺流程     根据车间设计的产品品种选择。几种类型的热轧无缝钢管的生产工艺流程示意图如图1所示。

零热轧无缝钢管生产除原料准备、加热和精整工序外，有三个基本的热加工工序：在穿孔机上将加热好的实心坯料制成空心毛管；在轧管机上将毛管轧成荒管；在定减径机上将荒管轧成所要求的成品管。坯料形状影响穿孔工艺，当坯料为圆形时，用斜轧穿孔机即可得到空心毛管；当坯料为方坯或异形断面钢锭时，则须用推轧穿孔机或压力穿孔机制成厚壁空心坯，再经延伸机轧薄，制成毛管。产品几何尺寸精度的要求不仅影响轧管机的选型，也影响毛管的生产工艺。如在现代化的连轧管车间，在斜轧穿孔机之后，空心坯再经二辊式或．三辊式斜轧延伸机加工，以提高其壁厚精度并将壁厚减薄，从而改善成品的尺寸精度；或增加毛管减径工序，用一种规格毛管满足轧管机多个孔型系统的需要。自动轧管车间，在轧管机后设均整工序。当产品方案所确定的产品规格小于轧管机所能轧制的规格范围时，或为了提高轧管车间的生产能力，简化坯料供应，可选用微张力或张力减径机完成精轧工序。顶管车间生产工艺流程在斜轧穿孔之后有缩口工序，在顶管之后有松棒脱棒等工序。

工艺设备选型     主要工艺设备包括管坯准备设备、加热炉、定心机、穿孔机、延伸机、轧管机、定减径机、冷床、精整设备和探伤设备等。

管坯准备设备     包括管坯检查、清理和切断设备。管坯检查一般为人工检查辅以无损探伤。常用的探伤方法有磁粉和漏磁两种，主要是检查表面缺陷。为了暴露管坯的表面缺陷，可采用酸洗或喷丸处理。清理设备有风铲、砂轮、铣床、火焰枪和剥皮机等，通常设在供坯车间。

管坯长度要符合要求的长度，因此在钢管车间设计中要配备管坯切断设备，将外来的长坯料切成要求的长度。管坯切断设备有剪断机、折断机、冷锯和火焰切割设备等。前两种设备能满足大多数钢种的切断，生产效率较高，但管坯端面不平整或压扁，切高合金钢时可能切裂，影响穿孔时的咬入和毛管质量。使用冷锯和火焰切割设备，切割面平整，但金属消耗大。冷锯可锯断各种钢，但效率低。火焰切割管坯可成排进行，因而效率高，但对于碳当量超过0.4％～0.45％的钢和一些高合金钢，不宜采用这种方法。

加热炉     常用的管坯加热炉有斜底连续式、炉底旋转式和步进梁式三种。斜底连续式加热炉构造简单，圆管坯在斜炉底上由人工拨动，由进料端向出料端滚动前进。这种炉子造价低，但加热质量差，烧损大和劳动强度高，逐渐被淘汰。炉底旋转式加热炉，或称环形炉，管坯按一定间距分布在炉底上。炉底转动时，管坯经预热段、加热段到均热段，由装出料机进行装料和出料。这种炉子加热质量好、机械化水平高、烧损小，但投资高，是一种广泛应用的炉型。

20世纪80年代的设计中开始采用步进梁式加热炉加热管坯。这种炉子加热质量较好、机械化水平高、烧损低，但造价高，可加热倍尺长管坯，以提高炉底的覆盖率，但使用时，须在出炉辊道上设置热管坯切断设备和保温设施。这种炉型还广泛应用于荒管定减径前再加热和钢管的热处理。

定心机     管坯在穿孔之前，先在其前端中心打一定心孔，以改善穿孔时的咬入，提高毛管的壁厚精度，减少钢管的内表面缺陷。大多数设计中，在穿孔机以前的管坯运输线上设热定心机。热定心机有液压式和气动式两种，后者因定心不准而被淘汰。此外尚有冷定心工艺，管坯在入炉前，用车床加工出定心孔，这一工艺仅用于高合金钢钢管生产。当管坯为方形或钢锭时，不需定心。

穿孔机     德国人曼内斯曼(Reinhard Mannesmann)兄弟于1885年发明二辊斜轧穿孔机，为无缝钢管生产奠定了基础。随着穿孔工艺和设备结构的日益改进，当代的穿孔设备按其工艺和结构特点有压力穿孔机、推轧穿孔机和斜轧穿孔机三大类。

(1)压力穿孔机有立式和卧式两种。立式压力穿孔机主要是指为顶管机提供空心坯的穿孔设备，以高压水为动力，所穿孔的空心坯长度与内径之比有一定限制，如直接用来生产钢管，比值不宜大于6；如经斜轧延伸后再顶制钢管，比值可达9～10。卧式压力穿孔机主要用于把钢锭制成空心坯，为皮尔格轧管机提供坯料。压力穿孔机也可为挤压机提供坯料。

(2)推轧穿孔机(Press piercing mill简称PPM)于60年代由瑞士人卡尔莫斯(A．H．Calmes)发明，首先用于日本和意大利无缝钢管生产，它可以将方形钢坯制成中空圆坯。其工作原理见图2。在连铸圆坯出现后一般不再采用这种工艺。

(3)斜轧穿孔机，在现代钢管车间设计中主要采用桶形辊或锥形辊穿孔机。

桶形辊穿孔机有二辊式和三辊式两种。二辊式穿孔机按轧辊配置方式有立式与卧式之分。．所用导卫装置有导板和导盘两种。带导板的卧式二辊穿孔机，国际上称为斯蒂菲尔(Stiefel)穿孔机，其最大穿孔延伸系数为4，最长毛管约8m，送进效率约80％。带导盘的立式二辊穿孔机，国际上称为狄塞尔(Diescher)穿孔机，其工作原理如图3所示。其最大延伸系数可达4.5，最长毛管为12m，送进效率可达90％，轧辊立式配置使传动系统结构合理，便于更换工具。导盘比导板可提高效率。轧辊卧式配置的穿孔机也可采用导盘。轧辊立式配置的穿孔机也可采用导板。

三辊式斜轧穿孔机是60年代采用的一种穿孔机。其优点是在穿孔的过程中，坯料不受交变应力的破坏作用，因此能减少钢管内表面缺陷，可穿轧各种钢。但作用在顶头上的压力比二辊穿孔机约大20％～25％，会降低顶头使用寿命，所生产的毛管较短，也较厚。因此这种穿孔机的应用具有一定的局限性。

锥形辊穿孔机延伸系数大，穿孔效率高，可用于各种合金钢和难变形钢的穿孔，可配备导板或导盘，轧辊可配置成立式或卧式。是一种优点较多的穿孔设备。其工作原理如图4所示。

延伸机     或称均壁机，为了将空心坯轧薄，或纠正空心坯的壁厚偏差，在推轧穿孔机或斜轧穿孔机之后，轧管机之前设延伸机，常用的延伸机有二辊式和三辊式两种。均壁效果三辊式比二辊式好。二辊式延伸机与斜轧穿孔机相似。当空心坯壁厚与外径之比在O．2以上、延伸系数在2～3的条件下，壁厚偏差可纠正75％左右。三辊式延伸机是一种斜轧机。不论空心坯的壁厚与外径之比如何，均可使空心坯壁厚偏差得到50％左右的矫正。

轧管机      热轧无缝钢管轧机种类较多，各有其工艺特点，可按车间生产规模、品种和产品质量等因素选用(见连轧管车间设计，自动轧管车间设计，皮尔格轧管车间设计，阿塞尔轧管车间设计，顶管车间设计和狄塞尔轧管车间设计)。

定减径机     热轧钢管车间的精轧机。经定减径机精轧后的钢管外径应符合成品的要求。在现代钢管车间设计中采用的定减径机有定径机、微张力减径机和张力减径机。

(1)定径机。有二辊式和三辊式两种，均有5～7个机架，可单独传动或集体传动。其作用为少量减缩钢管外径，以达到成品钢管的尺寸要求。钢管进入轧机的速度为0.5～3m／s。

(2)微张力减径机。通常为三辊式，一般有12个机架，传动方式有单独传动、集中差动调速传动或分组传动。制管时，对钢管施以微张力，使壁厚保持不变而外径可以减小。这种设备的极限减径量不超过40％～45％，轧厚壁管时不超过20％～30％。钢管进入微张力减径机的速度一般为0.5～1.5m／s。

(3)张力减径机。一般为三辊式，最多可有28个机架，在实际生产中，可因产品规格不同而使用不同数目的机架。传动方式有单独传动和集中差动调速传动两种，它是生产小直径钢管的重要设备，在减径的同时可以减小壁厚。施加的张力可达轧制时金属屈服点的75％～85％，最大减径量可达75％～80％，最大减壁量可达35％～40％，延伸系数可达6～8。进入张力减径机的钢管速度为0.6～3m／s，出口速度可达16m／s。

微张力减径机和张力减径机当不施加张力运转时，即起定径作用。

冷床     有链式冷床、螺旋式冷床和步进梁式冷床三类。

(1)链式冷床。分单链式和双链式两种。单链式冷床拖动钢管上坡运行，结构简单，但钢管矫直效果不大，且易于划伤钢管外表面。双链式冷床是在一般带拨爪的单链式冷床的两条链条之间增设一条或两条反向运动的链条，冷床拖动、钢管作水平或下坡运行。反向链条无拨爪，用于载负钢管，当钢管由带拨爪的链条向前拖动时，反向链条使钢管转动，以达到在冷却过程中矫直钢管的目的。链式冷床适用于大、中直径热轧钢管生产车间。单链式冷床可与双链式冷床组合使用，即在高温段采用双链式冷床，在低温段采用单链式冷床。

(2)螺旋式冷床。由多根带螺旋筋条的螺旋杆组成，钢管放置在螺旋筋条之间，螺旋筋的螺距由钢管直径而定。当螺旋杆旋转时，钢管作纵横双向移动，横向移动使钢管转动，以达到矫直的目的。纵向运动使钢管端部对齐，便于钢管在下冷床后可成排锯切。这种冷床适用于小直径钢管，可与链式冷床或步进式冷床组合用于高温段。但这种冷床易于划伤钢管，制造、安装水平要求高。

(3)步进梁式冷床。由步进活动梁和固定梁构成，钢管由活动步进梁托起并向前移动一定距离，放在固定梁上。固定梁和活动梁上的齿条应适当匹配，使钢管在一次步进过程中转动两次，从而达到矫直的目的，也不会划伤钢管。这种冷床广泛应用于高产量车间。但结构比较复杂、重量大。

矫直机      有压力矫直机和辊式矫直机两大类。压力矫直机多用以补充矫直，或对弯曲严重的钢管进行预矫。常用的辊式矫直机有5～7个辊子、上下布置。辊子配置方式有交错配置和对向配置两种。交错辊矫直机上辊比下辊小，矫直时钢管承受弯曲力矩。对向辊矫直机上下辊都有传动装置，矫直时钢管旋转前进，除了承受纵向弯曲外，还承受压扁，因此除有矫直作用外，还有规圆作用。

此外，还有3-1-3型矫直机，有两个由3个辊子构成的辊组，在辊组之间设有一个压下辊、多用于矫大、中口径的钢管。为矫直极薄钢管，还有一种回转架式矫直机，工作时，矫直辊绕钢管回转，钢管由夹送辊输送。

多辊卧式矫直机在现代钢管车间设计中已不采用。

钢管切割设备     钢管的切断、切头、倒棱及平头设备有热锯、冷锯、切管机、倒棱机与平头机等。

(1)热锯。用于轧制过程中或轧制后将钢管端部锯掉或将长钢管锯成定尺长度，每次只锯切一根钢管。热锯机有滑动式和摆动式两种，也可安设在轨道上，根据钢管的定尺长度进行位置调整。

(2)冷锯。设在产量较高的轧机车间冷床后的收集辊道上，用于将钢管成排地锯成定尺和将端部锯掉，适于中小直径钢管的切割。锯切时钢管被夹紧，锯片自上向下移动。锯片是镶齿的。还有一种无齿的摩擦锯，可以将钢管成捆地锯断，但钢管端部留有毛刺。

(3)切管机。有钢管回转和钢管固定两种型式，钢管回转式切管机可在切管的同时进行倒棱，生产效率低。钢管固定式切管机，刀头在绕钢管旋转的同时向钢管进刀进行切断，生产效率高。切管机适用于大、中直径钢管生产车间。

(4)倒棱机。将钢管端部车出一定坡口的机床。按有关规范规定，钢管端部的坡口有一定的尺寸要求，因此这种机床的夹持装置有以钢管内径为基准的夹持功能。一般说的倒棱机是将切断后的钢管端部内外径上的棱角车掉。

(5)平头机。有单头与多头之分，用于将钢管的端部车平并去除毛刺。

切管机、倒棱机和平头机多为成对布置，并配有能保证连续工作的辅助设备。

无损探伤设备     常用的基本在线探伤方法有超声波、涡流、漏磁三种。其功能各不相同，为了能在线探测各种缺陷，多采用组合探伤装置，如超声波和涡流、超声波和漏磁或涡流和漏磁等的结合。磁粉探伤法用于线外钢管端部或局部探伤。最新的在线无损探伤装置有由超声波、复合磁场、内表面涡流和管端漏磁等探伤设备组成的检查系统，用以检查中等口径的无缝钢管；以及由复合磁场、超声波探伤装置和超声波尺寸测量装置组成的高效检查系统，用以检查小口径无缝钢管。

发展趋势     热轧无缝钢管大量以连铸坯为原料。采用长芯棒轧管机生产。采用新工艺新设备提高尺寸精度(如毛管均壁)。应用在线检测和无损探伤技术并由计算机进行过程控制和管理。进一步优化生产过程。