Φ114 mm CPE機(jī)組高精度小直徑薄壁管的生產(chǎn)

鄭 臻，許才斌，馬 輝，王純凱，王 奎，張家琛，張萬(wàn)超

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213018；2.山東華宸高壓容器有限公司，山東濟(jì)南250000；3.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇常州213200）

Φ114 mm CPE機(jī)組高精度小直徑薄壁管的生產(chǎn)

鄭 臻1，許才斌1，馬 輝2，王純凱3，王 奎3，張家琛3，張萬(wàn)超3

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213018；2.山東華宸高壓容器有限公司，山東濟(jì)南250000；3.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇常州213200）

介紹了Φ114 mm CPE機(jī)組熱軋生產(chǎn)徑壁比∧27的Φ89 mm×3.2 mm、Φ108 mm×3.5 mm高精度小直徑薄壁管的工藝方案及控制措施，分析了其生產(chǎn)控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)。試制結(jié)果表明：穿孔壁厚偏差控制在7%以內(nèi)和有效控制頂管工序縱向壁厚波動(dòng)是保障成品尺寸的前提；熱軋生產(chǎn)徑壁比∧27、外徑允許偏差（-0.5%～+0.5%）D、壁厚允許偏差（-9%～+9%）S的高精度小直徑薄壁管是可行的。

CPE機(jī)組；小直徑薄壁管；徑壁比；穿孔；頂管；壁厚精度

CPE機(jī)組（Cross-Roll Piercing and Enongation）屬長(zhǎng)芯棒多機(jī)架連續(xù)變形機(jī)組，因產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)節(jié)奏快、投資少、生產(chǎn)成本低，且在小直徑薄壁管控制方面具有優(yōu)勢(shì)，CPE機(jī)組逐步在中小直徑無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)中成為主力機(jī)組之一［1-5］。雖然CPE機(jī)組具備生產(chǎn)小直徑薄壁管的優(yōu)勢(shì)，如常見規(guī)格Φ42 mm×4 mm（徑壁比在10左右）可實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定軋制，但生產(chǎn)徑壁比達(dá)到20以上，或小直徑薄壁管壁厚允許偏差在±10%以內(nèi)的管材，則需要冷加工工序的配合方能實(shí)現(xiàn)；而冷加工工序金屬消耗高、工藝流程長(zhǎng)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定且環(huán)境污染相對(duì)較大［6］，這些導(dǎo)致CPE機(jī)組的小直徑薄壁管（徑壁比≥20）的成材率無(wú)法得到提升。

為了打破生產(chǎn)徑壁比≥20或壁厚允許偏差在±10%以內(nèi)的小直徑鋼管只能輔以冷加工生產(chǎn)的局面［7］，江蘇常寶普萊森鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱常寶普萊森）在Φ114 mm CPE機(jī)組上生產(chǎn)試驗(yàn)了熱軋生產(chǎn)徑壁比∧27的Φ89 mm×3.2 mm、Φ108 mm× 3.5 mm高精度小直徑薄壁管。下面對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行介紹。

1 目標(biāo)規(guī)格的選定

氣瓶管用無(wú)縫鋼管在Φ114 mm以下的常見規(guī)格有Φ60 mm×3.5 mm、Φ63.5 mm×3.5 mm、Φ89 mm×4 mm、Φ108 mm×4 mm。以37Mn鋼Φ89 mm和Φ108 mm的氧氣瓶用無(wú)縫鋼管為例，其承壓最小壁厚分別為2.3 mm和2.9 mm；但采購(gòu)只有兩種選擇，要么采購(gòu)壁厚4 mm及以上的熱軋管（單瓶鋼管質(zhì)量增加），要么采購(gòu)壁厚3.5 mm及以下的冷加工鋼管（單瓶鋼管價(jià)格增加），這兩種方案均會(huì)導(dǎo)致單只鋼瓶的鋼管成本增加。經(jīng)與氣瓶生產(chǎn)單位溝通，確定了Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm氣瓶用管的主要尺寸要求，具體見表1。

表1 Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm氣瓶用管的主要尺寸要求

2 存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

2.1 工藝規(guī)格的確定

經(jīng)過(guò)對(duì)多套工藝方案的計(jì)算論證，確定了Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm氣瓶用管的熱軋工藝方案，具體見表2。此方案的控制難點(diǎn)是各工序中間管的長(zhǎng)度，尤其是頂管工序的控制。

表2 Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm氣瓶用管的熱軋工藝方案mm

2.2 穿孔偏心的控制

由表1可知，表2中兩種規(guī)格熱軋成品管的壁厚偏差需控制在±0.28 mm以內(nèi)。由于有效控制穿孔偏心是保障成品尺寸的重要前提［8-9］，這就需嚴(yán)格控制穿孔偏心。通過(guò)對(duì)過(guò)去生產(chǎn)的產(chǎn)品的壁厚分布數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析可知，影響穿孔偏心的主要因素是：①管坯加熱的整體均勻性，②穿孔中心線和頂桿等工裝模具中心線的重合度。由此制定穿孔工序控制要點(diǎn)如下。

（1）生產(chǎn)前調(diào)整穿孔中心線，使其水平與標(biāo)高調(diào)整在±0.4 mm以內(nèi)。

（2）保障工裝模具，穿孔頂桿直度保證在0.5 mm/m以內(nèi)。

（3）延長(zhǎng)環(huán)形加熱爐管坯加熱時(shí)間到70 min，確保管坯截面溫度均勻。

（4）試穿時(shí)，穿孔壁厚控制在7%以內(nèi)方可批量生產(chǎn)。

2.3 頂管工序的控制

鑒于張力減徑工序總減徑量較小，頂管工序要實(shí)現(xiàn)精確定壁；因此，主減壁及對(duì)最終成品壁厚公差的控制交由頂管工序承擔(dān)。頂管后荒管壁厚分別達(dá)到3.35 mm和3.11 mm（對(duì)應(yīng)成品Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm）。頂管生產(chǎn)這樣的薄壁中間管，極易形成頂穿、拉斷、內(nèi)壁收縮、松棒印等質(zhì)量問(wèn)題［10］；同時(shí)，壁厚精度要求高，芯棒尺寸及芯棒溫度需進(jìn)行特定的選擇及重點(diǎn)控制，以確保有效控制全長(zhǎng)的壁厚精度；因此，頂管工序控制的重點(diǎn)為預(yù)防頂穿、拉斷和準(zhǔn)備工具。在充分考慮Φ114 mm CPE頂管機(jī)組承載能力的前提下，確定頂管工序的控制要點(diǎn)如下。

（1）對(duì)頂管孔型進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化［11］，設(shè)計(jì)出新的孔型系列。頂管孔型設(shè)計(jì)方案見表3。①在孔型設(shè)計(jì)上充分考慮薄壁管的頂管變形特點(diǎn)——在最后工作機(jī)架及可調(diào)機(jī)架處管壁薄、頂速快、鋼溫低，鋼管易出現(xiàn)內(nèi)壁拉凹及拉斷的事故，因此在薄壁管低溫變形區(qū)（壁厚S∧6 mm）對(duì)孔型尺寸進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)橢圓度及減面率的合理過(guò)渡，避免低溫劇烈變形帶來(lái)的拉斷產(chǎn)生；②充分利用床身長(zhǎng)度，合理調(diào)整機(jī)架間距，在高溫厚壁區(qū)密排機(jī)架（前3機(jī)架），在主減面區(qū)（4～8機(jī)架）增加機(jī)架間距，保證金屬的充分延伸，并利于同時(shí)咬鋼機(jī)架數(shù)量的減少，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

（2）芯棒尺寸及芯棒溫度控制。①建立專用芯棒的概念：芯棒支數(shù)匹配生產(chǎn)節(jié)奏，確保生產(chǎn)順行時(shí)芯棒溫度的穩(wěn)定；芯棒尺寸單支縱向偏差∧0.15 mm，同組芯棒的外徑∧0.2 mm。②通過(guò)芯棒循環(huán)線（芯棒區(qū)段冷卻系統(tǒng)與區(qū)段補(bǔ)溫系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)芯棒全長(zhǎng)溫度的均勻性，頭尾溫差控制在30℃，有效控制因芯棒膨脹量不同帶來(lái)的縱向壁厚不均。

（3）芯棒潤(rùn)滑系統(tǒng)的監(jiān)控。根據(jù)檢測(cè)的芯棒溫度的反饋調(diào)整噴涂，確保噴涂均勻附著在芯棒表面，減少潤(rùn)滑不均帶來(lái)的變形不均［12-13］。

（4）松棒質(zhì)量的保證。①生產(chǎn)前必須更換松棒輥，確保松棒輥面質(zhì)量好，以保證松棒后鋼管內(nèi)外表面不產(chǎn)生松棒??；②調(diào)整松棒角度和壓下量，以保證輥面與鋼管表面貼合度超過(guò)80%，同時(shí)控制松棒平均電流不超過(guò)160 A，有效避免松棒印的產(chǎn)生；③增加頂管機(jī)架橢圓度，以便利于薄壁管脫棒。

2.4 張力減徑工序的控制

根據(jù)生產(chǎn)工藝尺寸變形的分配，張力減徑工序總減徑率低于21%，導(dǎo)致張力減徑是增壁減徑過(guò)程。即使依托德國(guó)Meer張力減徑機(jī)的Carta（Computer aided rolling technology application）系統(tǒng)，也僅能將壁厚增加控制在0.1 mm內(nèi)［14］。不同總減徑率允許的壁厚改變率范圍如圖1所示。

表3 頂管孔型設(shè)計(jì)方案mm

圖1 不同總減徑率允許的壁厚改變率范圍

2.5 鋼管外表面質(zhì)量的控制

因氣瓶管的使用特性，其對(duì)外表面質(zhì)量的要求遠(yuǎn)高于油管、高壓鍋爐管等。本次生產(chǎn)試制對(duì)鋼管外表面控制進(jìn)行了全流程策劃［15］。

（1）采用低溫張力減徑工藝和中間加熱+中頻感應(yīng)加熱相結(jié)合的中間加熱方案，并有針對(duì)性地對(duì)中間加熱爐的燒嘴角度、空燃比及爐內(nèi)氣氛進(jìn)行調(diào)整，避免因荒管壁厚薄、中間加熱過(guò)程中表面氧化導(dǎo)致的鋼管外表面缺陷的產(chǎn)生。

（2）矯直工序?qū)ΤC輥表面粗糙度的測(cè)定和修磨，控制調(diào)整矯輥角度和壓下量，確保包輥面達(dá)75%以上，以避免產(chǎn)生矯痕、矯凹、矯傷。

（3）檢查撥料機(jī)構(gòu)、落料機(jī)構(gòu)，控制走鋼線輥道，防止撥料和平輥空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的鋼管表面擦傷和落料砸傷。

（4）嚴(yán)格規(guī)定成品堆放的層數(shù)，防止成品鋼管變形。

3 成品管試制情況

3.1 幾何尺寸

通過(guò)上述工藝設(shè)計(jì)、工裝模具的精度保障及各工序生產(chǎn)過(guò)程的有效監(jiān)控，Φ114 mm CPE機(jī)組熱軋徑壁比∧27高精度薄壁成品管的尺寸參數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4。其中，外徑的檢測(cè)方式為長(zhǎng)度每隔1 m測(cè)量一個(gè)單截面外徑4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而取得鋼管全長(zhǎng)外徑的最大值和最小值；壁厚的檢測(cè)使用超聲波全長(zhǎng)測(cè)厚的方式獲取鋼管軸向的最大壁厚和最小壁厚。

由表4可知，試制的兩種規(guī)格熱軋高精度小直徑薄壁管成品尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)開發(fā)徑壁比∧30及壁厚∧3 mm熱軋高精度薄壁管奠定了基礎(chǔ)。因省去了冷加工工序，有效降低了氣瓶管及高精度小直徑薄壁管的鋼材成本，并縮短了交貨周期。

3.2 金屬收得率

因氣瓶管為切斷使用，在保證運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，按長(zhǎng)度上限交貨有利于降低氣瓶加工單位的管頭損失，也有利于充分發(fā)揮頂管機(jī)組的能力并提升金屬收得率。Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm成品管的生產(chǎn)指標(biāo)見表5。

表4 Φ114 mm CPE機(jī)組熱軋徑壁比∧27高精度薄壁成品管的尺寸數(shù)據(jù)

表5 Φ108 mm×3.5 mm和Φ89 mm×3.2 mm成品管的生產(chǎn)指標(biāo)

4 結(jié)論

（1）通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)和有效的全流程工序控制，常寶普萊森新建的Φ114 mm CPE機(jī)組目前具備了生產(chǎn)徑壁比∧27的高精度小直徑薄壁成品管的能力，省去了冷加工工序，縮短了交付周期，減少了金屬損耗。

（2）通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和分析可知，Φ114 mm CPE機(jī)組生產(chǎn)徑壁比∧27小直徑薄壁管的控制重點(diǎn)在于穿孔壁厚精度的控制和頂管工序的有效控制。

（3）通過(guò)此次有益的生產(chǎn)嘗試，提高了產(chǎn)品毛利率，也為氣瓶生產(chǎn)企業(yè)和高精度小直徑薄壁管的客戶降低了鋼材成本。

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Production of Hi-precision，Small-sized and Light-wall Pipes with Φ114 mm CPE Pipe Rolling Plant

ZHENG Zhen1，XU Caibin1，MA Hui2，WANG Chunkai3，WANG Kui3，ZHANG Jiachen3，ZHANG Wanchao3
（1.Jiangsu Changbao Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213018，China；2.Shandong Huachen High-pressure Vessel Co.，Ltd.，Ji'nan 250000，China；3.Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213200，China）

Described in the paper are the process scheme and control measures for production of the Φ89 mm× 3.2 mm and Φ108 mm×3.5 mm hi-precision，small-sized and light-wall pipes with D/S∧27 with the Φ114 mm CPE hot-rolling pipe mill.Also analyzed are the control difficulties and key points concerning the production activities. Result of the trial production demonstrates that the preconditions for guaranteeing the finished product dimensions are to get the pierced shell WT deviation within 7%，and properly control the longitudinal WT fluctuation during the push bench process，and that it is practical to use the hot-rolling process to produce the hi-precision，small-sized and light-wall pipe with D/S∧27，allowable OD tolerance D as（-0.5%～+0.5%）and allowable WT tolerance S as（-9%～+9%）.

CPE pipe plant；small-sized，light-wall pipe；D/S；piercing；push bench process；W.T.tolerance

TG335.71

B

1001-2311（2016）04-0051-04

2015-11-10；修定日期：2016-03-01）

鄭臻（1981-），男，工程師，主任工程師，從事高壓鍋爐管、油井管的生產(chǎn)工藝研究和質(zhì)量控制等工作。