連軋管技術未來發展方向展望

2021-04-26 07:40:56歐陽建

鋼管 2021年1期

歐陽建，穆東

（中冶賽迪技術研究中心有限公司，重慶 401122）

1 熱軋無縫鋼管技術發展現狀

熱軋無縫鋼管生產機組主要有連軋管機組、CPE 機組、二輥斜軋管機組（Accu-Roll 機組）、三輥斜軋管機組（Assel 機組）、擠壓機組、大頂管機組、周期軋管機組（皮爾格機組）、熱擴管機組等［1］。其中，連軋管機組以其高效、高產、優質、低耗等突出優點已成為熱軋無縫鋼管生產的主流機型［2-6］，至今已完成多次升級換代。近年來，無論是國內還是國外，熱軋無縫鋼管新建產能中90%以上均為連軋管機組。

連軋管機組自20 世紀80 年代誕生以來，就得到了國內外的廣泛青睞和長足發展，先后經歷了由全浮動到限動、由電動壓下到伺服壓下、由二輥到三輥的發展變化［7-9］，其產品的表面質量、壁厚精度、成材率已進一步提高，可軋制產品的規格、品種進一步擴大，相對于其他軋管機組的優勢更加明顯。自從2003 年德國Meer 公司發明三輥連軋管機以來，三輥+限動+伺服壓下的連軋管技術已成為發展主旋律［10］。

1.1 國內連軋管技術發展現狀

目前，國內已建及在建投產的連軋管機組共有45 套，在建的主要包括江蘇誠德鋼管股份有限公司1 套、江蘇常寶普萊森鋼管有限公司1 套、河南安陽龍騰熱處理材料有限公司1 套和河北承德建龍特殊鋼有限公司1 套，國內連軋管機組建設情況具體見表1。此外，另有幾家企業也在醞釀建設新的連軋管機組。

表1 目前國內連軋管機組建設情況

續表

從表1 可以看出，自2013 年以來，國內已建和在建的18 套連軋管機組中，有17 套為國產，國產率高達94%；13 套為三輥+限動+伺服壓下的主流配置，比例超70%，且大多都應用了工藝控制模型、連軋管機削尖等前沿技術。經過多年不斷的引進—消化吸收—升級引進—消化吸收，國內連軋管技術在理論認知、設計、裝備配置和生產應用方面都已經與國外最先進水平不分伯仲。

1.2 國外連軋管技術發展現狀

連軋管機組各階段技術的發展均起源于國外，主要掌握在德國SMS Meer 公司和意大利Danieli 公司手中：德國SMS Meer 公司收購Innse 公司，與其原有的鋼管穿孔機、定（減）徑機等產品相結合，為客戶提供連軋管線全線成套機械設備；意大利Danieli 公司成立Centro Tube 子公司，并與擁有減徑機成套技術的Kocks 公司合作，可為客戶提供連軋管線機電液設備總成套。德國SMS Meer 公司和意大利Danieli 公司在全球的主要連軋管機供貨業績見表2～3。

從表2～3 可以看出，2012 年以后，這兩家公司在國內的供貨業績已寥寥無幾。可見，隨著國產化連軋管機組核心技術的不斷進步和完善，眾多無縫鋼管企業對國產技術的認可和信任也逐漸增強，核心技術和裝備的國產化市場正在逐漸培育和興起。

近年來，德國SMS Meer 公司和意大利Danieli公司先后開發出了號稱更加完善的雙向側開換輥式三輥連軋管機組（BCO）。筆者認為，相較于常規單向側開換輥式三輥連軋管機組，由于其液壓小倉對稱安裝在牌坊上，理論上來講，使得軋管機主體壓下機構穩定、簡單可靠，周向剛性更好；同時，處理軋管機內堆鋼事故時更加簡單快捷。此外，采用這種雙側大角度下傳動的結構布置方式，可有效避免軋輥冷卻水沖刷飛濺而腐蝕下傳動軸及減速箱，后者在單向側開換輥式三輥連軋管機組中是普遍存在的較難解決問題。

目前，國內唯一一套雙向側開換輥式三輥連軋管機組正在江蘇常寶普萊森鋼管有限公司工程建設中，2021 年有望建成投產。

2 連軋管技術未來發展方向展望

多年的理論和實踐表明，連軋管特別是三輥連軋管技術將是淘汰落后產能，實現無縫鋼管行業轉型升級的主要發展方向［11-13］，市場前景廣闊。但無論是國內還是國外，連軋管技術發展到現在，仍然面臨著幾大技術瓶頸，主要體現在以下7 個方面。

（1）從機組大小來看，目前市場上成熟應用的連軋管機組最大直徑為508 mm［14］，尚無法覆蓋超大直徑（比如Φ720 mm）無縫鋼管的生產。生產無縫鋼管的機組很多，但能夠生產Φ508 mm 以上規格無縫鋼管的機組只局限于大頂管軋管機、擠壓機組、周期軋管機和擴管機組等，這些機組不僅能耗和金屬消耗高，而且低下的自動化水平及生產效率無法滿足未來轉型發展新需求。因此，如何充分利用當下最先進最現代化的連軋管技術來生產大直徑無縫鋼管無疑是一個富有挑戰性和機遇性的課題。

（2）從機組規格組距來看，盡管連軋管機組標榜能生產的鋼管規格組距能夠適應徑壁比D/S≤50［15］，但生產實踐表明，現有連軋管機組在生產壁厚4 mm 以下極薄壁鋼管時，不僅容易導致產品表面產生孔洞、內直道、內折等缺陷，金屬成材率偏低，而且軋制負荷高，參與軋制的變形工具、裝備零部件損耗大，軋制過程容易失穩；在生產D/S ∧6 的特厚壁鋼管時，受連軋管孔型大小的限制，在后續變形過程中又容易出現明顯的內方缺陷。連軋管機組生產的產品規格范圍受限，直接導致了目前市場上極薄壁、特厚壁這兩類無縫鋼管由其他工藝技術、環保都相對落后的機型生產，產品質量良莠不齊。

表2 德國SMS Meer 公司連軋管機主要業績

表3 意大利Danieli 公司連軋管機主要業績

（3）從生產效率來看，現有連軋管機組換輥過程普遍依賴人工操作，結合對不同企業的生產調研，一次完整的換輥操作需要50～180 min 不等，耗時較長；對于當前最具代表性的限動芯棒連軋管機組，全線生產節奏（在線穿棒）難以實現所有目標規格在保證鋼管質量的同時達到穩定軋制120根/h 的理論設定值，究其技術“瓶頸”，主要卡在芯棒限動循環連軋階段的現有理論控制策略與實際生產控制過程無法完全匹配，限動連軋過程控制策略有待進一步優化。

（4）從生產質量管控來看，現有產品質量跟蹤、決策、控制更依賴人工檢測反饋，沒有完善的信息跟蹤反饋控制策略，軋線作業率波動較大，質量不穩定，消耗較高。與其他無縫鋼管生產機組相比，連軋管機組擁有較高的自動化控制和監測水平，可實現穿孔、連軋、定（減）徑三大變形工序的工藝模型自動設定；配備高速數據采集系統，能對軋制數據進行實時存儲、監控；采用動態壓下軋制技術，減少切頭損失，平均金屬成材率已達到91%～92%，在眾多無縫鋼管機組中處于先進水平；配置在線尺寸檢測系統，可實現熱軋過程尺寸閉環控制；精整線配置高靈敏度無損探傷+人工檢查，嚴格把控每一根下線鋼管的質量等。但是，這些技術均局限于對熱軋、精整局部區域的分區控制，并未實現全線（熱軋+精整線）逐支物料跟蹤，無法對全線數據進行關聯、篩選和大數據分析，特別是不能把上述檢驗工序與軋制工序相關聯，因此無法實現對產品質量缺陷的跟蹤追溯以及對質量缺陷產生原因的自動綜合評估，導致實際質量管控仍然比較困難。

（5）從環保來看，現有連軋管機組在軋制過程產生的潤滑劑及防氧化硼砂噴射均處于開放環境，除塵效果不理想，車間內石墨顆粒、硼砂顆粒、氧化鐵粉濃度高，時刻威脅著操作人員的身體健康，與國家越趨嚴格的環保政策相悖。

（6）從節能來看，現有的軋管工藝無論是從管坯連鑄工序到熱軋過程（通常溫度從1 300 ℃→室溫→1 200 ℃以上），還是定徑后鋼管空冷過程（通常溫度從900 ℃→100 ℃以下），都存在大量的熱能因沒有合適的技術進行回收利用而白白損失，造成潛在的能源浪費。因此，從煉鋼到無縫鋼管生產制造全流程中，研發合適技術路線，實現熱能利用是推進節能生產的技術關鍵。

（7）從生產產品的品種來看，連軋管機組在生產高端無縫鋼管品種（比如軸承管、高合金鍋爐管、不銹鋼管等）上具有一定的優勢［16］，但從實際應用效果來看，在生產這類品種時，無論是生產效率、成材率、生產成本還是產品合格率都有較大的提升空間。

綜上分析，未來圍繞著連軋管機組（尤其是三輥連軋管機組），從提效降耗、智能制造、綠色生產的角度出發，研發新一代高效、高品質、綠色、智能的連軋管線技術，將是無縫鋼管領域順應轉型發展需求、保持未來長續穩定發展的趨勢，具體表現在以下四個方面。

（1）加快工藝技術、設備結構、液壓及自動化控制技術升級，開發高效高精度軋制技術、石墨硼砂煙塵防治技術、軋制石墨廢水循環處理技術、新一代軋制工具材料及特殊涂層應用技術、軋制工具在線自動監控技術等，力求在長壽命、綠色、高效、高精度、高品質方面實現創新和突破，滿足國家環保政策要求以及鋼管生產企業對品質和效率的追求。

（2）大力推進軋管工藝技術創新，實現管坯熱送熱裝工藝技術、鋼管在線控軋控冷技術、冷床區鋼管余熱回收技術、低溫露點煙氣余熱回收技術、燃氣煙氣自驅動深度全熱回收技術等，全面實現鋼管生產過程的節能減排。

（3）在結合生產實踐總結的基礎上，加強理論研究，從機理上深入研究導致現有連軋管機組大小及產品規格范圍受限的主要原因及解決思路，有的放矢，一方面力爭在特大直徑、特厚壁無縫鋼管的生產上實現突破，另一方面提高小直徑、極薄壁和特厚壁無縫鋼管的生產穩定性和產品質量，從而在“以熱代冷”宏偉目標上更進一步。

（4）圍繞著連軋管機組，加快推進數字化、智能化發展。

中短期內實現高度自動化和數字化，包括：軋機換輥自動化、工藝模型自學習化、精整生產線高度自動化，提高設備穩定性和勞動生產率；開發鋼管在線智慧檢測技術、軋機控制技術及跟蹤標記技術，實現熱軋+精整全線物料跟蹤，并以此為基礎構建無縫鋼管生產工藝參數、生產工具、產品質量相互匹配的數據分析系統，形成軋線質量保證體系，實現全數字化生產，提高質量穩定性和產品合格率；基于機器人、跟蹤標記及MES 生產管理系統應用，開發智能熱處理線、智能探傷線、智能管加工線、智能接箍線等智能化精整線，在降本增效的同時，進一步助力無縫鋼管終極產品檔次升級及高新產品開發，實現無縫鋼管產品從量變到質變過渡；開發無人天車、新型運輸裝置及立體倉庫，打造智能管坯庫、智能中間庫、智能成品庫，實現管坯、鋼管轉運少人化，推動廠內物流革命。

長期逐步布局智能化工廠：構建設備健康智能監控系統以及完善的智能生產線控制模塊；普及智能立體倉庫、無人倉管理、智能機器人應用等。全面打造基于生產、質量、設備、物流、綠色、安全、數字化等多個維度構建的無縫管智能工廠；從生產計劃編制、全廠物流控制、產線全自動控制、原料及成品庫智能化管理，到質量管理、設備健康管理、成本控制、精細化能源管理、集中管控全面實現少人化或無人化。

3 結語

（1）連軋管特別是三輥連軋管技術將是淘汰落后產能、實現無縫鋼管行業轉型升級的主要發展方向之一，市場前景廣闊。

（2）國產化連軋管技術已取得長足發展，目前在理論認知、設計、裝備配置和生產應用方面，都已經與國外最先進水平不分伯仲。

（3）無論是國內還是國外，連軋管技術發展到今天，已經暴露出一些技術瓶頸，主要包括機組大小及產品規格范圍受限，新形勢下面臨環保壓力，在生產效率、產品質量、生產成本等方面存在一定短板。