李群

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

從自由運(yùn)動到約束放飛
——連軋鋼管芯棒運(yùn)行方式50年演變歷程

李群

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

按投產(chǎn)時(shí)間順序敘述了近50年連軋管機(jī)組芯棒運(yùn)行方式的演變歷程，簡要介紹了從浮動芯棒到限動芯棒各種芯棒運(yùn)行方式的特點(diǎn)與不足；推測了使用齒條控制芯棒運(yùn)行方法的緣由；期望新科技進(jìn)步為中國無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展帶來全新機(jī)遇。

連軋管機(jī)組；芯棒運(yùn)行方式；演變歷程；浮動芯棒；半浮動芯棒；限動芯棒

當(dāng)今在中國鋼管行業(yè)從業(yè)的許多生產(chǎn)技術(shù)人員，都能從《鋼管》雜志中學(xué)到許多鋼管工藝與設(shè)備的發(fā)展歷史知識以及現(xiàn)代鋼管前沿的生產(chǎn)技術(shù)，同時(shí)《鋼管》雜志還為同行們搭建了一個(gè)交流生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、表述想象世界里實(shí)現(xiàn)藍(lán)圖的平臺。是《鋼管》雜志的扶植和鼓勵給了我在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)W習(xí)前行的勇氣和信心，特別是那些蘊(yùn)含于《鋼管》文章中或隱或現(xiàn)的觀點(diǎn)，給予我很多啟發(fā)，那些作者對于無縫鋼管領(lǐng)域技術(shù)的種種現(xiàn)代解讀與定位，讓我得以有更多的視角來觀察了解現(xiàn)代、當(dāng)代無縫鋼管生產(chǎn)理論和實(shí)踐的全貌。如果說以前我曾寫過一些值得一讀或半讀的文章，首先應(yīng)感謝《鋼管》的栽培，再就是要感謝讀者的寬容。

2014年是《鋼管》雜志創(chuàng)刊50周年，這50年間，連軋管工藝一直為如何擴(kuò)大生產(chǎn)品種規(guī)格、提高產(chǎn)品質(zhì)量、確保軋制節(jié)奏等環(huán)節(jié)而不斷地求新求變。本文是想借回顧近50年連軋管芯棒運(yùn)行方式的演變之際，來表達(dá)我對《鋼管》深懷的感恩之情。

1 芯棒自由運(yùn)動

1964年《鋼管》創(chuàng)刊時(shí)，正值德國米爾海姆鋼管廠RK1機(jī)組的設(shè)計(jì)、建設(shè)期間，當(dāng)時(shí)世界范圍內(nèi)連軋管芯棒的運(yùn)行方式單一，我們稱之為浮動芯棒工藝，簡稱MM（Mandrel Mill）；隨后1965—1977年間投產(chǎn)的浮動芯棒連軋管機(jī)組超過10套，當(dāng)時(shí)的主要工業(yè)國家如德國、意大利、英國、日本、前蘇聯(lián)、美國以及阿根廷和波蘭都興建了浮動芯棒工藝的連軋管機(jī)組［1］。我國直至1985年才有真正生產(chǎn)意義上的連軋管機(jī)組——寶鋼Ф140 mm浮動芯棒連軋管機(jī)組?，F(xiàn)代浮動芯棒連軋管機(jī)組是由德國的米爾（Meer）公司研制的。軋制過程中對芯棒速度不加控制，芯棒由被輾軋金屬的摩擦力帶動，自由跟隨鋼管通過軋機(jī)，芯棒的運(yùn)行速度是不受控的；軋制過程中芯棒的運(yùn)行速度隨著各機(jī)架的咬入、拋鋼而有波動，從而引起鋼管壁厚的波動；軋制結(jié)束后，芯棒隨荒管軋出至連軋管機(jī)后的輸出輥道，在軋制中、薄壁管時(shí)芯棒幾乎全長都在荒管內(nèi)；帶有芯棒的荒管橫移至脫棒線，由脫棒機(jī)將芯棒從荒管中抽出，以便冷卻、潤滑后循環(huán)使用。其特點(diǎn)是軋制節(jié)奏快，每分鐘可軋4支甚至更多的荒管；但荒管的壁厚精度稍低，設(shè)有脫棒機(jī)使其工藝流程較長，芯棒的長度接近于荒管長度；由于芯棒較長、質(zhì)量較大，限制了荒管的外徑尺寸，因此浮動芯棒連軋管機(jī)只適合生產(chǎn)較小規(guī)格（外徑小于219 mm）的無縫鋼管。

比較有代表性的浮動芯棒連軋管機(jī)是德國米爾海姆廠1972年投產(chǎn)的RK2機(jī)組［2］。

2 芯棒受控制移動

1978年是世界無縫鋼管發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。從1978年開始，人們逐步實(shí)現(xiàn)了在連軋管時(shí)控制芯棒運(yùn)動速度（縮短芯棒工作段長度），在軋制線上實(shí)現(xiàn)芯棒與荒管快速分離的工藝。

2.1 Neuval工藝

1978年1月，法國圣索夫廠的Ф127 mm連軋管機(jī)組投產(chǎn)，該機(jī)組采用的Neuval工藝是法國瓦盧瑞克（Vallourec）公司在20世紀(jì)70年代初提出并實(shí)施的連軋管方法。

Neuval工藝的特點(diǎn)是：①采用限動機(jī)構(gòu)——鏈條控制芯棒的運(yùn)行速度，當(dāng)軋制終了時(shí)（即軋件由最后一個(gè)機(jī)架軋出時(shí)）才松開芯棒，芯棒隨荒管一起前行至連軋管機(jī)后的輸出輥道［3-4］，而后將芯棒/荒管橫移出軋制線，用脫棒機(jī)將芯棒/荒管分離，脫棒長度一般小于8 m；②為了節(jié)省穿孔、軋管之間的輔助時(shí)間，將頂桿與芯棒合二為一，即穿孔后毛管和頂桿（芯棒）一起被送到連軋管機(jī)上，事實(shí)上，穿孔時(shí)支撐頂頭的頂桿被用作連軋管機(jī)的芯棒，以減少從毛管中先脫頂桿再穿芯棒的時(shí)間，軋制節(jié)奏最快可達(dá)20 s/支。

采用Neuval工藝的機(jī)組至今也僅有這一套。

我國無縫鋼管領(lǐng)域習(xí)慣將Neuval工藝稱為半浮動芯棒工藝。

2.2 MPM工藝

1978年8月，意大利達(dá)爾明廠的Ф356 mm連軋管機(jī)組投產(chǎn)。該機(jī)組采用的限動芯棒連軋管工藝由意大利的茵西（Innse）公司開發(fā)，簡稱MPM（Multi-Stand Pipe Mill）。軋管時(shí)芯棒受齒條控制限動，軋制速度可以控制；芯棒的速度應(yīng)高于第1機(jī)架的咬入速度而低于第1機(jī)架的軋出速度。軋制的整個(gè)過程中芯棒速度恒定不變，從而確保鋼管的壁厚精度，軋制不同的鋼管時(shí)，芯棒的速度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（一般芯棒的運(yùn)行速度為0.5～1.5 m/s）。軋制結(jié)束后，芯棒停止，由脫管機(jī)將荒管從芯棒上脫出，而后芯棒回送離開軋管機(jī)，撥出軋制線冷卻、潤滑后循環(huán)使用。限動芯棒軋制促進(jìn)了金屬的縱向流動，限制了橫向?qū)捳梗挥捎诓捎迷诰€布置的脫管機(jī)將荒管與芯棒分離，孔型設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)減小側(cè)壁角及脫棒間隙，從而允許采用封閉式圓孔型，并可提高前面幾機(jī)架的單機(jī)架延伸率，這就為改善鋼管質(zhì)量（主要是提高壁厚精度）提供了可能［5］。

MPM工藝的特點(diǎn)是：①荒管的壁厚精度高，用脫管機(jī)取代了脫棒機(jī)，縮短了工藝流程及芯棒與軋件的接觸時(shí)間，提高了荒管溫度，芯棒較短［6］；②軋制節(jié)奏慢，每分鐘僅軋制2支或稍多一點(diǎn)的荒管；③由于芯棒的工作長度約為浮動式的1/3，芯棒質(zhì)量減輕，芯棒循環(huán)方便，因此擴(kuò)大了軋制荒管的外徑范圍；④適合生產(chǎn)大、中等規(guī)格（外徑不大于508 mm）的無縫鋼管。

1978年至今，建成投產(chǎn)的MPM限動芯棒連軋管機(jī)組已超過30套。

2.3 MRK-S工藝

1983年，德國人稱之為MRK-S（Mannesmann bohrKontimill Stripper）的半浮動芯棒工藝連軋管機(jī)組在日本新日鐵八幡廠投產(chǎn)。德國米爾公司設(shè)計(jì)的工藝為：在軋制過程中，前半程，芯棒不是自由地隨軋件前進(jìn)，而是受限動機(jī)構(gòu)——鏈條的控制，以恒定速度前進(jìn)，芯棒與軋件的速度差分布是不一致的，第1機(jī)架的軋件出口速度小于芯棒速度；自第2機(jī)架開始，軋件的速度快于芯棒的速度，形成穩(wěn)定的差速軋制狀態(tài)；當(dāng)完成主要變形、荒管脫離倒數(shù)第3機(jī)架時(shí)，限動機(jī)構(gòu)加速釋放芯棒，像浮動芯棒一樣由荒管將芯棒帶出軋管機(jī)［6］。

采用德國模式半浮動芯棒工藝（MRK-S）的機(jī)組有日本新日鐵八幡廠的Ф194 mm機(jī)組和我國衡陽鋼管廠（現(xiàn)衡陽華菱鋼管有限公司）1997年投產(chǎn)的Ф89 mm機(jī)組兩套。

不論是法國的Neuval工藝還是德國的MRK-S工藝，半浮動芯棒連軋管機(jī)軋制結(jié)束后，約有1/3長的荒管（尾部）包住芯棒前端；帶有芯棒的荒管橫移至脫棒線，由脫棒機(jī)將芯棒從荒管中抽出以便冷卻、潤滑后循環(huán)使用。

MRK-S工藝的特點(diǎn)是：①荒管壁厚的精度較高、節(jié)奏較快，每分鐘可軋制3支甚至更多的荒管；②設(shè)有脫棒機(jī)使其工藝流程較長；③芯棒長度雖然比浮動式短得多，但比限動芯棒還是略長一些，荒管外徑也受到限制，適合生產(chǎn)較小規(guī)格（外徑小于219 mm）的無縫鋼管。

3 芯棒約束后放飛

3.1 芯棒穿過脫管機(jī)運(yùn)行

2003年，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司Ф168 mm PQF連軋管機(jī)組投產(chǎn)，軋制時(shí)芯棒的運(yùn)行速度與MPM工藝一樣，也是在軋制的整個(gè)過程中恒定不變，從而確保鋼管的壁厚精度；與MPM工藝的區(qū)別在于：軋制結(jié)束后，芯棒停止，待荒管由脫管機(jī)從芯棒上脫出后，芯棒不是回送，而是向前快速運(yùn)行跟隨荒管之后依次穿過連軋管機(jī)和脫管機(jī)，芯棒穿過脫管機(jī)后，撥出軋制線再回送、冷卻、潤滑循環(huán)使用，該方法減少了芯棒的在線待軋（非軋鋼）時(shí)間，從而有效地縮短了軋制周期，加快了軋制節(jié)奏。為此，PQF連軋管機(jī)組要配置具備輥縫快速打開、閉合功能的脫管機(jī)，以確保在軋制薄壁管（荒管壁厚小于等于脫管機(jī)總減徑量的1/2）時(shí)，芯棒能安全穿過脫管機(jī)。

PQF工藝的優(yōu)勢是：①保留了原有MPM工藝荒管壁厚精度高的特點(diǎn)，使軋制節(jié)奏更快；②在芯棒全程限動、使用脫管機(jī)（沒有脫棒機(jī)）、工藝路線較短的情況下達(dá)到每分鐘2.5支鋼管的軋制節(jié)奏；③適合生產(chǎn)小規(guī)格（外徑小于219 mm）的無縫鋼管，因?yàn)殡S著芯棒規(guī)格、質(zhì)量的增大，芯棒在向前輸送通過脫管機(jī)的過程中可能要遇到一些困難。

采用該芯棒運(yùn)行方式的連軋管機(jī)組目前也僅有這一套。

3.2 芯棒“空中接力”式運(yùn)行

2010年有人提出了一個(gè)更大膽的芯棒運(yùn)行方案：將軋管機(jī)最后一架與脫管機(jī)第1架的距離由傳統(tǒng)的10 m左右增加到50 m甚至更遠(yuǎn)，軋管時(shí)芯棒是受齒條控制限動的，軋制終了時(shí)芯棒隨荒管一起前行，當(dāng)荒管（頭部）被較遠(yuǎn)處的脫管機(jī)軋過一定長度時(shí)，由設(shè)在軋管機(jī)與脫管機(jī)間輥道上的捕捉裝置卡住芯棒尾部，使芯棒停止軸向運(yùn)動，待荒管由脫管機(jī)從芯棒上脫出后，芯棒被移出軋制線后冷卻潤滑循環(huán)使用。

從控制芯棒移動速度而后放飛芯棒/軋件、最終捕捉住芯棒約束其運(yùn)行，在軋制線上完成芯棒與軋件分離的脫管工藝任務(wù)后，將芯棒撥出軋制線循環(huán)使用，筆者借用籃球比賽中的一句術(shù)語，將這種芯棒運(yùn)行方式稱為“空中接力”。據(jù)說采用這種芯棒運(yùn)行方式的Ф140 mm機(jī)組目前正在建設(shè)中，計(jì)劃于2015年投產(chǎn)，其軋制節(jié)奏設(shè)計(jì)值為3支/min，其機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效果還需同行耐心等待。

4 結(jié)語

總的來說，近50年來，熱連軋無縫鋼管的工藝變革就是圍繞著在確保產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大軋制規(guī)格范圍、提高荒管溫度和軋制節(jié)奏的目標(biāo)下，尋求在軋制線上實(shí)現(xiàn)芯棒與荒管快速分離的方法。

限動芯棒方法早在1883年即有人提出，國外有些工廠1889年起連續(xù)試用了近10年，后因經(jīng)濟(jì)原因而廢棄。20世紀(jì)40年代法國再次嘗試未獲成功。

1958年，A.H.Calmes在意大利開始研試，經(jīng)過近20的研究，工業(yè)性限動芯棒連軋管機(jī)于1978年投產(chǎn)［7］。A.H.Calmes之所以能獲得成功，除了自動控制、液壓等技術(shù)的進(jìn)步等外部原因外，最重要的因素是在別人仍在使用鏈條控制芯棒運(yùn)行時(shí)他使用齒條來控制芯棒的運(yùn)行。在這里我妄加推測：這可能與他早年曾在瑞士蘇黎世學(xué)習(xí)生活的經(jīng)歷有關(guān)；因?yàn)槠駷橹挂延?50多年歷史的歐洲第一條通往瑞士瑞吉山頂?shù)牡巧烬X輪火車就在蘇黎世附近，登山齒輪火車在兩條軌道之間鋪有一條齒條（圖1），各節(jié)車廂每對車輪中間設(shè)有一個(gè)齒輪，車輪在軌道上轉(zhuǎn)動控制火車運(yùn)行方向，齒輪通過齒條為火車上山時(shí)提供動力、下山時(shí)提供制動力。A. H.Calmes可能不止一次乘坐過這種登山火車；他采用齒條齒輪來控制軋制時(shí)芯棒的運(yùn)行速度的靈感是否來自乘坐登山齒輪火車下山時(shí)的體驗(yàn)?zāi)兀?/p>

在當(dāng)今世界這個(gè)無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，稍感遺憾的是上述變革內(nèi)容均是國外人員開發(fā)的技術(shù)，在連軋管（包括芯棒運(yùn)行方式）方面我們有的大多是重復(fù)引進(jìn)、復(fù)制或仿制，至今還沒有我們自己的核心技術(shù)，這應(yīng)該與我國要自立于世界無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)之林的愿望還有很大的距離，尚需我們所有業(yè)內(nèi)人員竭力工作。

圖1 登山齒輪火車軌道及齒條

也許，隨著材料科學(xué)與3D打印技術(shù)的進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來（可能用不了50年），無縫鋼管的制造工藝會有革命性的突破，現(xiàn)有的無縫鋼管生產(chǎn)工藝技術(shù)都將成為浮云，但愿到那時(shí)在全新的無縫鋼管制造工藝中能有我們中國人所創(chuàng)造的核心技術(shù)。

［1］龔饒，周國盈.現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)連軋鋼管［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1992：3-6.

［2］金如崧.無縫鋼管百年史話［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008：290.

［3］［法］Grandemange F.Vallource公司發(fā)展的連軋管方法——NEUVAL［J］.鋼管，1984（3/4）：11-22.

［4］王先進(jìn)，徐樹成.鋼管連軋理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：95.

［5］嚴(yán)圣祥，鐘倩霞.世界上限動芯棒連軋管機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展［J］.鋼管，1991，14（3）：1-6.

［6］鄧丕安.半浮動芯棒連軋管機(jī)工藝及變形特點(diǎn)［J］.鋼管，2004，33（4）：32-35.

［7］王廷溥.軋鋼工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981：437.

From Free Moving to Controlled Flying—Evolution of Mandrel Moving Mechanism of Mandrel Pipe Mill over the Past 50 Years

LI Qun
（Tianjin Pipe Group Corporation，Tianjin 300301，China）

The evolution of mandrel moving mechanism in mandrel pipe mill over the past 50 years is presented in chronological order according to mill startup time.Briefly described are the characteristics and shortcomings of different mandrel moving mechanisms from floating mandrel to retained mandrel.The reason of using rack in mandrel moving control is estimated.It is expected that the progress of new science and technology will open up new opportunities for the development of China’s seamless steel pipe production technology.

mandrel pipe mill；mandrel moving mechanism；evolution；floating mandrel；semi-floating mandrel；retained mandrel

TG335.71

A

1001-2311（2014）03-0017-04

2014-02-24）

李群（1958-），男，教授級高級工程師，從事無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)研究工作。