维普资讯 http://www.cqvip.com 自动轧管机的发展进程 纪念曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔工艺１２０周年 邱永泰 （衡阳钢管（集团）有限公司，湖南衡阳４２１００１） 摘 要：介绍了自动轧管机的诞生背景和轧管机技术的主要发展过程及自动轧管机组的主要技术：阐述了现 有自动轧管机组通过采用微张力减径机和“强化均整工艺”．在相当长的时期内仍会具有很强的市场竞争力的观 点。 关键词：自动轧管机；单孔型；串列式； “强化均整工艺” 中图分类号：ＴＧ３—０９；ＴＧ３３５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２３１１（２００５）０１—００５１—０４ ０前言 时技术条件和轧辊转速控制及芯棒寿命等技术问题 而未获得成功。 １ ８９７年瑞士人Ｒａｌｐｈ·Ｓｔｉｅｆｅｌ在美国俄亥俄州的 Ｓｈｅｌｂｙ钢管公司。实现了用空心锻坯在二辊轧钢机 将介绍自动轧管机的发展过程作为对曼内斯曼 兄弟发明斜轧穿孔工艺１２０周年的纪念具有双重意 义：一方面自动轧管工艺和斜轧穿孔工艺在轧管生 产工艺过程中有着上下＿工序衔接的关系；另一方面 斯蒂弗尔和曼内斯曼兄弟在轧管技术方面又有着 上进行带顶头轧制。次年Ｐｏｅｎｓｇｎ采用了曼氏兄弟 的同事Ｏｔｔｏ·Ｈｅｅｒ的建议，即采用斜轧穿孔毛管， 在二辊轧钢机上轧制第ｌ道后，抬起上辊，并用回 某种程度的师承关系。前者不言自喻，后者则可 由斯蒂弗尔的早期工作经历看出。斯蒂弗尔曾在 送辊将毛管送回前台，接着进行第２道轧制……，Ｌａｎｄｏｒｅ、Ｒｅｍｓｃｈｅｉｄ、Ｋｏｍｏｔａｕ等３个曼内斯曼钢 这一方法实现了用一次加热连续进行多道次轧制生 管厂工作过。在这些钢管厂工作期间积累的轧管技 产较长的薄壁无缝钢管。该方法大大提高了无缝钢 术经验。为他在１８９４年赴美后不到ｌＯ年的时间内 管的质量和生产效率。自动轧管机（顶头轧管机）也 发明自动轧管机奠定了基础。所以在曼内斯曼兄弟 发明斜轧穿孔工艺１２０周年之际，阐述自动轧管机 的发展过程是对曼氏兄弟很好的纪念。 就这样诞生了，并在长达近一个世纪的时间里，成 为与曼氏二辊斜轧穿孔机相匹配的最主要的轧管 机。自动轧管机组也成为世界无缝钢管生产的主力 轧管机组。 １自动轧管机的诞生 无缝钢管的生产历史是从ｌ９世纪８Ｏ年代末曼氏 斜轧穿孔机投人工业生产后开始的。当时仅用１台 斜轧穿孔机生产厚壁的短无缝管，且管子的尺寸精 度和表面质量也不好，每天的生产量不足５０支。 为了突破这一技术“屏障”，提高无缝钢管的 ２常规自动轧管机的技术概述 ２．１自动轧管机的工作特点和作用 自动轧管机的变形特点是单机架“纵轧”变 形。工作方式是由不可逆的二辊式轧管机架和回送 辊装置实现“往复多道次轧制”。 在由曼氏二辊斜轧穿孔机和自动轧管机等组成 的生产热轧无缝钢管的自动轧管机组中，自动轧管 机作为延伸轧机通过对穿孔毛管进行减壁延伸轧制 质量和生产效率，一些从事无缝钢管生产和设备制 造的科技工作者进行了不懈的努力，终于在ｌ９世纪 ９Ｏ年代初推出了二次斜轧延伸，随后又推出了周期 式轧管机。同期还推出过ｌ０机架连轧管机，但受当 邱永泰（１９３８一），男，享受特殊津贴，高级工 程师，长期从事无缝钢管生产、设计、科研工作。 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ｆｅｂ．２００５，Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１ 获得“薄壁长管”，同时消除穿孔毛管的内、外表 面螺旋缺陷。并可在一定程度上减少穿孔毛管的 “螺旋壁厚不均”，同时使整个机组的生产能力大大 提高 钢管２００５年２月第３４卷第１期 维普资讯 http://www.cqvip.com ５２＿－－历垡鳜 辊（实现一次咬人），进行径向压扁和压缩（减径） 变形；毛管前进至与顶头接触时，须克服顶头的阻 力才能继续前进（实现二次咬人），并在轧辊和顶 头的共同作用下产生减壁变形（在顶头的轧制带处 也可称作均壁变形）。 咬人条件（特别是二次咬人条件）是提高自动 轧管机变形量即延伸系数的重要因素。 ２．２自动轧管机组的工艺流程 曼氏斜轧穿孔一自动轧管机延伸一均整机均 整一定（减）径机定（减）径等４个变形工序组成 了自动轧管机组的典型变形工艺路线。 ２５Ｏ ｍｍ 以上的大型自动轧管机组，在穿孔与自动轧管之间 采用两台斜轧穿孔机进行二次“穿孔”（延伸）变形。 典型的自动轧管机组的基本工艺流程如图ｌ所 示 图１典型的自动轧管机组的基本工艺流程 ２．３自动轧管机的组成与设备的工作原理 自动轧管机由工作机架、主传动、前台和后台 等部分组成。工作机架又由上辊可以升降的二辊不 可逆式（纵轧）主轧机和下辊可以升降的二辊式回 送辊装置（旋转方向与主轧机轧辊相反）两部分构成。 其轧制过程是：从穿孔机过来的毛管进入前台 后，由推料机将其推向主轧机，咬人后通过由轧辊 孑Ｌ型和顶头组成的“环形”缝隙进行减径、减壁的 延伸轧制。钢管轧后停留在后台，然后抬起上轧辊 和取出顶头，由二辊式回送辊将钢管返送回前台， 即完成一道轧制。返回的钢管在前台翻转９Ｏ。，再 如前述过程进行下一道轧制（一般进行２ ３道次轧 制）。 ２．４自动轧管机轧制变形过程的建立 自动轧管机的变形区是由减径段和减（均）壁 段组成。毛管接触轧辊后，由轧辊的摩擦力带人轧 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ｆｅｂ．２００５，Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１ ２．５自动轧管机孔型 现在，自动轧管机的轧辊和回送辊广泛采用带 圆弧侧壁斜度的椭圆孔型，该孔型由孔型半径尺、 侧壁斜角（开口角）０、侧壁圆弧半径ｐ以及辊缝５、 开口圆角 等参数构成。 对于工作轧辊，孔型半径尺等于轧后钢管半 径，侧壁斜角 大多取３Ｏ。，侧壁圆弧半径ｐ取决于 选定的孔型宽度 ，其计算公式为 ｐ＝（尺 ＋Ｏ．２５Ｂ －ＢＲｃｏｓ ０）￣（２Ｒ－Ｂｏｏｓ ０） （１） 在已设定孔型规格即孔型高度，同时选定孔型 的开口角为３Ｏ。的前提下，孔型设计的关键就是选 定孔型的椭圆度 （Ｂ／２Ｒ）。文献［１］推荐：对于薄壁 管， ＝１．０３—１．０４；对于厚壁管， ＝１．０５—１．０７。 为了兼顾在同一孔型中既轧薄壁管又轧厚壁 管，常取 ＝１．０５ １．０７（轧制高合金钢取小值）。 回送辊孔型的结构与工作轧辊相同，但开口角 较大（８＝４０。），孔型的椭圆度也大一些（约１．１３）。 ２．６自动轧管机的顶头 自动轧管机传统上采用锥形顶头，由圆柱段 （轧制带）和锥形段组成。半球形顶头的锥形段形 状是一个大圆弧，实质上也属锥形顶头。 球形顶头是一个完整的圆球．２Ｏ世纪６Ｏ年代 末首先在青岛钢厂 ７６ ｍｍ机组上采用，接着在国 内的其他 ７６ ｍｍ和 ｌｏ０ ｍｍ自动轧管机组上得到 全面推广。 采用球形顶头的优点：①较简便地解决了自动 轧管机组“自动”更换顶头的难题：②由于球形顶 头没有固定的“轧制带”（任意一个“圆环”都是轧 制带），因此顶头的寿命较锥形顶头提高５倍以上。 相应地钢管的内表面质量显著改善（内划道减轻）； ③轧制时的电机负荷明显减小。 由于球形顶头在钢管咬人时接触点对应的咬人 角不是固定的，即随着减壁量增大、“接触点”前 移，相应地咬人角呈非线性增大，因此了轧管 的减壁变形量。采用球形顶头的减壁量比锥形顶头 约小ｌ倍， ７６ ｍｍ和 ｌｏ０ ｍｍ机组的最大道次减 维普资讯 http://www.cqvip.com 历ｌ史鳜 ５３ 壁量≤２．０ ｍｍ。另外，由于球形顶头的轧制带在理 续”（跟踪式）轧制，所以使串列式自动轧管机组的 论上就是ｌ条线（没有宽度），因此要求顶头位置的 调整精度高，加上咬入的问题，给轧机调整增加了 生产能力大幅度提高，如前苏联列宁钢管厂的 中ｌ１４ ｍｍ自动轧管机组改成串列式自动轧管机后， 产量比原来增Ｄｎ８ｏ％左右，同时钢管的质量和操作 条件都有了明显的改善。 定难度。 ３单孔型自动轧管机与串列式自动轧管机 由于自动轧管机组的产品品种规格范围大，更 ４自动轧管机组的前景 ２０世纪８０年代以来，限动和半浮动芯棒连轧 换规格方便，适应性强，生产效率高，因此在２０世 纪得到迅速发展，成为世界无缝钢管尤其是油井管 生产的主力机组。到２０世纪７０年代末，自动轧管 机技术发展到了顶峰，在中２５０ ｍｍ以上机组发展 了单孑Ｌ型自动轧管机：在中２５０ ｍｍ以下机组出现了 串列式自动轧管机。 ３．１单孔型自动轧管机 加拿大Ａｌｇｏｍａ钢管厂１ ９５７年建造的中２５０ ｍｍ 自动轧管机组。采用了单孑Ｌ型自动轧管机，这是世 界上第１台单孑Ｌ型自动轧管机。 单孑Ｌ型自动轧管机的主要优点是： （１）轧辊和轴承之间的间距大大缩小，且轧制 负荷均匀地分配在两侧的轴承上。因此轧辊和轴承 的尺寸得以减小，加上辊身长度大大缩短，使整个 自动轧管机组的设备重量大大减轻。 （２）换辊时间缩短到３０ ｍｉｎ。 （３）提高了轧机的刚性，加上采用液压ＡＧＣ， 使自动轧管机轧制的钢管壁厚精度有了较大提高。 （４）配置了顶头自动更换装置，最终解决了自 动轧管机劳动强度大的问题。 由于以上这些优点，在此后新建或改造的 中２５０ ｍｍ以上自动轧管机组均采用了单孑Ｌ型自动轧 管机 如日本１９７７～１９７８年先后投产４套中４００ ｍｍ 单孔型自动轧管机组。 ３．２串列式自动轧管机 ２０世纪６０～７０年代，高效率连轧管机组（全浮 式）在中１６８ ｍｍ以下无缝钢管生产领域得到迅速 发展，为了在生产率上与连轧管机组“抗衡”，前 苏联在１９７４～１９７５年先后投产了３套串列式自动轧 管机。 串列式自动轧管机由前、后串列布置的两台单 孔型轧管机组成。穿孔毛管先进入第１台轧管机， 用短顶头方式轧制完成后，顶杆后端的“止推装 置”打开，管子由“夹送辊”送入第２台轧管机进 行轧制，轧完后直接从“后台”输出。 由丁毛管是存两个的孑Ｌ型中进行“半连 邱永泰：『ｌ动轧管机的发展进程 管机（特别是少机架）得到迅速发展推广，顶管 机、二辊延伸机和三辊轧管机在技术上因有了质的 改进。也得到较大的发展，而自动轧管机组则基本 上没有再建新的机组。其主要原因如下。 （１）由于自动轧管机是短顶头轧制，产品的质 量以及轧出的荒管长度（影响后面的减径机配置） 等都与上述其他轧管机存在明显差距。 （２）与三辊和二辊延伸机组相比，自动轧管机 是“三机”（轧管、均整）顶“一机”，单位（吨 管）投资明显高于三辊和二辊延伸机组：而与连轧 管机相比。即使采用了串列式自动轧管机，生产能 力仍然要低５０％以上。 不过迄今为止。自动轧管机组仍是世界上生产 无缝钢管的主要机型之一。机组数量仍占第１位、 年钢管总产量占第２位，特别是在中２５０ ｍｍ以上大 直径无缝钢管（主要是石油套管）的生产中，还是 占主导地位。 目前自动轧管机组仍具有加工费用低、成材率 高（中１００ ｍｍ自动轧管机组已普遍达到９４％左右） 的突出特点，如果再对现有的自动轧管机组通过改 用微张力减径机和“强化均整工艺”（包括其他提 高壁厚精度措施），其产品质量也可与现有先进轧管 机组生产的产品竞争。这样，在相当长的时期内， 自动轧管机组仍会具有较强的市场竞争力。 要使成品管的壁厚精度达到７％～８％的先进水 平．关键是充分发挥二辊均整机“纠偏”能力强的 特点，实现“强化均整工艺”（当然提供“偏心度” 小的穿孑Ｌ毛管，仍然是获得壁厚精度高的成品钢管 的重要基础）。 “强化均整工艺”首先要打破“均整扩径量愈 大，均整效果愈好”的传统错误概念。均整“扩径 量”ａ Ｄｏ＝Ｄ 一Ｄ 也可由下式表达 ＡＤ ＝（Ｄｐ＿－Ｂ）一（Ｄ广Ｂ） （２） 式中Ｂ——辊距．ｍｍ： Ｄ。——均整后荒管外径，ｍｍ； 钢管２００５年２月第３４卷第１期 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｄ ——轧管后荒管外径，ｍｍ。 （Ｄ口．． ）即为在均整出口变形区的扩径量，其 主要与均整减壁量有关；（Ｄ 一Ｂ）则为均整入口变 形区的减径量。 ５结 语 ｌ９世纪末自动轧管机诞生后．由于其产品的品 种规格范围大，更换规格方便、适应性强，特别是 生产效率高，因此在２Ｏ世纪得到迅速发展，直至 ８Ｏ年代初，在这８Ｏ多年的时间里，自动轧管机组 分析可知，在相同的（Ｄ 一 ）前提下（即减 壁均壁作用原则上相同），（Ｄ 一 ）愈大，则△ＤＤ愈 已成为世界无缝钢管尤其是油井管生产的主力机 小，这不能说均整的效果差，实际是效果更好，因 组，在无缝钢管生产史中占有非常突出的地位。 为均整和所有斜轧变形过程一样．减径变形有显著 现有自动轧管机组可通过采用微张力减径机和 的“纠偏”能力，减径量愈大，“纠偏”作用也愈大。 “强化均整工艺”，使其产品的外径和壁厚精度达到 笔者在 １００ ｍｍ自动轧管机组的均整机上进 或接近现有的先进轧管机组水平。加上自动轧管机 行实验，通过新的辊型设计，只是加大了均整入口 段的减径量（甚至可进行等径均整），即取得显著 组仍具有生产规格灵活以及加工费用低、成材率高 的突出特点，在相当长的时期内仍会具有较强的市 的效果：咬人条件大大改善，使均整轧制过程更加 可靠；均壁效果明显增大（因主电机功率小，减壁 量未能增加）；均整轧制出口速度提高１５％左右， 场竞争力。 今后不宜再新建自动轧管机组。但是近几年， 国内一些企业将原有 １００ ｍｍ自动轧管机拆除． 均整的延伸系数也达到１．ｏ０左右；由于进、出口变 形区的轧制力分布均匀，人口压下螺母使用周期短 的问题也得以解决。 改成三辊或二辊延伸斜轧管机的做法值得商榷。 ６参考文献 １王廷溥主编．轧钢工艺学【Ｍ１．北京：冶金工业出版社， １９８１． 如果能加大均整机主电机功率（最好也能增加 辊身长度），通过采用新型的辊型设计，使均整的 减壁量达到０．３５～１．００ ｍｍ，成品管的壁厚精度达 到±（７～８）％是完全可能的。 （收稿日期：２００４—１ １－０４） ●信 息 第ｌ６届全国钢管生产技术信息交流会征集论文 第１６届全国钢管生产技术交流会拟于２００５年５月在上海召开．会议将重点研讨在新形势下钢管行业的发展前景，并组织 技术经验交流。会议研讨的主题：中国钢管行业的发展现状及展望；２００５年钢管的生产形势；宏观的形势下钢管行业 的对策；钢管行业如何为２００８年北京奥运会和２０１０年上海世博会服务。拟邀请中国钢铁工业协会有关领导和行业内的企业 家、技术专家就上述议题作专题报告。届时２００５年上海国际金属板材、管材、棒材、线材及技术、设备展览会将同时举行。 国际国内许多知名企业将参加展出。 会议征集如下技术经验交流论文： （１）钢管生产综合性论述； （２）钢管生产新工艺、新技术、新产品、新设备介绍； （３）钢管生产技术改造、设备改进经验； （４）生产、质量、财务管理等各方面经验； （５）市场开发方面的经验； （６）与钢管生产相关的其他方面经验。 请拟提交论文的单位和个人Ｔ２０Ｏ５年４月３０日前与上海钢管行业协会联系，届时将寄出会议正式邀请函。 联系人：蒋秋生 地址：上海市曹杨路ｌＯ４Ｏ弄１号（中友大厦）９Ｏｌ室 （全国轧钢信息网钢管分网 上海钢管行业协会） 邮编：２０００６３ 电话：ｏ２ １—６２５４９２５０ 传真：ｏ２ １—６２５４９２３０ ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ｆｅｂ．２００５，Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１
