连续轧管机是在毛管内穿入长芯棒后,经过多机架顺序布置且相邻机架辊缝互错(二辊式辊缝互错90°如图4-1所示,三辊式辊缝互错60°)的连轧机轧成不锈钢管,它是当今最为广泛使用的纵轧不锈钢管方法。在连续轧管机轧制过程中,轧件变形实际上是受多组(4~8组)轧辊与芯棒的反复作用从圆到椭圆···椭圆再到圆的过程。
连续轧管机的发展历史悠久,早在19世纪末就曾尝试在长芯棒上进行轧管,但由于种种原因,至1950年世界上也仅有6台连续轧管机。1960年后,随着科学技术的进步和生产的发展,特别是电子计算机技术的飞速发展和应用,使连续轧管机在生产工艺和设备上日趋完善,得到了迅速的发展和推广。在浮动芯棒连续轧管机的基础上,限动芯棒连续轧管机于20世纪60年代中期进行了工艺试验,获得了可喜的成果。1978年世界上第一套限动芯棒连续轧管机(MPM)在意大利达尔明钢管厂建成投产,连续轧管工艺发展到了一个新的水准。20世纪90年代末又推出了三辊连续轧管机(PQF)技术,使连续轧管工艺装备跃上了更高的台阶。
连续轧管机在PQF出现以前,都是两辊式的,即由两个轧辊为一组组成孔型,二辊式的机架既有与地面呈45°交错布置的,也有与地面垂直、水平交错布置的。PQF为三辊式的,即由三个轧辊为一组组成孔型,如图4-2所示。连续轧管时,孔型顶部的金属由于受到轧辊外压力和芯棒内压力作用而产生轴向延伸,并向圆周横向宽展,而孔型侧壁部分的金属与芯棒不接触,但它被顶部轴向延伸的金属对它附加的拉应力作用而产生轴向延伸,并同时产生轴向拉缩。不论两辊式的还是三辊式的连续轧管机,按芯棒的运行方式可分为浮动芯棒连续轧管机、半浮动芯棒连续轧管机和限动芯棒连续轧管机三种形式。
为了完成将连续轧管机轧出的荒管与芯棒脱开分离的工艺目的,便于荒管在后道工序进一步加工成品不锈钢管,一般采用以下两种方法。
1. 脱棒机
轧制结束后荒管/芯棒被一起移出轧制线,荒管受轴向约束不动,用装置将芯棒从荒管中抽出。我们将这种荒管不动,芯棒动的设备称为脱棒机。当带芯棒的荒管进入脱棒位置后,脱棒链上的脱棒卡紧装置就钩住芯棒的尾柄,而液压开闭的卡板挡住荒管,脱棒链从荒管中抽出芯棒。脱棒链转过半圈完成一次脱棒动作,链所走过的距离约为芯棒长度的1.1倍。脱棒机的最大速度大于4.5m/s,到达终位的误差为±50mm.脱出的芯棒经输送辊道送到芯棒定位升降挡板前,然后由芯棒移送装置把芯棒送人芯棒冷却槽,循环使用。脱棒机安装位置与连续轧管机平行。脱棒机有两列脱棒链,这两列脱棒链用横梁连接起来,两列脱棒链间共有两个脱棒横梁及多个承载横梁。脱棒横梁用来从荒管中抽出芯棒,而承载横梁用来在脱棒过程中支撑芯棒。在脱棒橫梁上用螺栓紧固与轧件尺寸相关的脱棒卡紧装置,当更换轧制芯棒时,需要更换脱棒卡紧装置。
2. 脱管机
轧制结束后,芯棒停止运动,荒管在线被脱管装置将其从芯棒中脱出,我们将这种芯棒不动,荒管动的设备称为脱管机。脱管机既有两辊式的,也有三辊式的。脱管机的设置有两个重要的工艺目的:(1)将荒管从芯棒上脱出,完成脱管目的,在轧制线上脱管,省去了脱棒机,缩短了工艺流程,提高了终轧温度;(2)起定径作用,也就是说在每一支钢管生产中,该机也有延伸和定径作用。在早期设计的限动芯棒连续轧管机组中就尝试过不单独设置脱管机(如1985年建造的日本NKK京滨厂的ф250mm机组和1990年建造的俄罗斯伏尔加钢管厂的Φ426mm机组),而是将MPM轧出的荒管直接送人紧随其后的10机架二辊式脱管/定径机组定径(1997年日本住友和歌山ф426mm MPM 机组脱管/定径机组则是送入其后的12架三辊式(FQS)),使脱管和定径在一个工序内完成;荒管在连续轧管机轧制的同时,被脱管/定径机组从芯棒上脱出并完成定径任务,实现MPM与定径机组之间的连轧。但由于荒管的规格和材质种类较多,给成品管的外径控制带来困难,很难保证钢管的外径精度,因此在以后的机组中没有再使用这种工艺布置。为生产薄壁管和中厚壁管,每架脱管机的孔型名义直径必须小于轧管机芯棒直径。在生产薄壁管时,脱管机的减径量要相应加大,否则薄壁管不易被脱出。每架脱管机上都装有安全白,以防止芯棒进入脱管机时损伤轧辊及相关的机械部分。在事故情况下,假如当带芯棒的荒管进入脱管机孔型时,若脱管机轧辊承受的径向载荷大于预设值,则轧辊孔型会相应张开,防止芯棒顶坏轧辊及设备。
3. 空减机的配置
空减机是空心坯减径机的简称,一套连续轧管机为使其产品外径规格范围尽可能地大,设计时一般选用2~5个孔型,轧管机后配备张减机的选择孔型数较少,轧管机后配备定径机的选择孔型数较多。由于孔型尺寸的变化相应地轧管机入口的毛管外径也要随着发生变化,为适应轧管机入口毛管外径变化,通常有两种方法:
a. 选用几种外径的管坯,针对不同的孔型选用不同规格的管坯,但每次更换孔型时需对穿孔机的受料槽、导卫装置(导板或导盘)进行更换,这样做一方面占用较多工作时间;另一方面管坯料场、穿孔机工具需要场地较大;
b. 在穿孔机与轧管机之间布置一台空减机,通过空减机可使用同一种外径尺寸的管坯来满足轧管机不同孔型成为可能。
浮动芯棒连续轧管机组采用穿孔机与轧管机之间布置空减机的方法比较经济,这样既可仅用一个规格的管坯组织生产,减少了管坯库的面积和穿孔机相关的轧制工具数量,又可以减少换孔型的时间,提高了机组的作业率。经空减机后的毛管在运往连续轧管机入口台架前,先通过一个吹灰装置用压缩空气吹去毛管内的细小氧化铁皮,以减少对芯棒的磨损和管子内表面缺陷,同时空减机亦消除了狄塞尔穿孔机所造成的毛管头尾外径差,使轧制过程稳定。这种单独布置的空减机一般使用三辊式及3~6个机架。
半浮动芯棒连续轧管机组将空减机布置在连续轧管机的人口侧,即与连续轧管机串列布置,一般为两辊式、2~4架;在保持了原有空减机优点的同时,可缩短工艺流程,减少占地面积。这种变化一方面是因为锥形辊穿孔机的应用使变形前移,轧管机的机架数相应减少(减少2~3架),串列布置因芯棒的长度增加而引起的轧制节奏变化不是很多(因轧制终了芯棒向前运动);另一方面串列布置可减少毛管在纵向移动过程中内表面的氧化和温降,能更有效地确保钢管质量。
限动芯棒连续轧管机组在最初时没有空减机,采用的是一种规格的管坯对应一个孔型,这主要是因为轧制时芯棒与轧件内表面的相对运动比浮动的大,芯棒的工作条件更为恶劣,芯棒更容易磨损和划伤。限动芯棒工艺上不允许毛管在进入轧管机前做纵向运动,必须有效的防止毛管内表面的二次氧化,才能确保钢管的质量,因此不可能像浮动芯棒那样在穿孔机与轧管机之间布置空减机。如采用半浮动芯棒的串列布置,因芯棒长度的增加使轧制节奏更加缓慢(因轧制终了芯棒向后运动),将影响机组的产能的发挥,也是不经济的。近十年来,限动芯棒机组也在不断吸收其他机组的长处,在轧管机入口侧串列布置1架空减机(三辊、四辊形式均有),目的在于消除毛管内表面与芯棒之间的间隙和毛管外径的头尾直径偏差,使轧制更加平稳,从而提高轧辊的使用寿命,确保钢管的几何尺寸精度和内外表面质量。
4. 吹硼砂的工艺
限动芯棒连续轧管机组比浮动、半浮动机组多了一个工序就是在轧管机入口前向毛管内用氮气喷抗氧化剂,工艺目的是去除内表面的氧化铁皮并防止二次氧化。抗氧化剂在高温时呈熔融状态可起到很好的润滑作用,对抗氧化剂的成分、颗粒尺寸、化学稳定性、物理稳定性及吹撒的数量、喷吹的压力、时间都有严格的要求,主要是解决轧管机的延伸大、轧制时芯棒与轧件间相对运动较大、芯棒的工作条件更为恶劣,芯棒更容易磨损和划伤、润滑条件不好时容易发生轧卡事故或轧制终了时脱管机不能将荒管从芯棒中顺利的抽出等问题。