采用熱札穿孔后毛管直接冷拔無縫不銹鋼管是一種極不合理的生產工藝。針對用這種工藝生產中徑以上無縫不銹鋼管的企業(yè)，提出了在不改變原有設備和增設必要設備的基拙上，以節(jié)能、降耗、減少污染等為出發(fā)點，將其改造為具有“冷熱結合、普優(yōu)結合，產品結構的中徑無縫姻管生產企業(yè)。
20世紀90年代以來，中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展非常迅速。目前，不僅成為產鋼大國，而且無縫不銹鋼管的產量突破千萬噸大關，居于世界首位?，F(xiàn)已擁有世界上各種類型的熱軋無縫不銹鋼管機組，產品規(guī)格齊全，其用途覆蓋國民經濟各部門;冷加工設備除有一般的鏈式拔管機和二輥、三輥冷軋機外，尚有旋壓管機、液壓冷拔機和先進快速的高效大口徑冷軋管機等。
中國無縫不銹鋼管生產在向強國邁進的今天，仍存在與無縫不銹鋼管生產大國不相適應的不合理的生產工藝。過去許多老的企業(yè)，特別是采用直徑76 mm以下穿孔機的，都仍用熱軋穿孔后毛管直接冷拔工藝來生產小口徑冷拔鋼管，可以說是獨有的生產工藝。國家鋼鐵工業(yè)發(fā)展政策及相關政策明確規(guī)定，必須加快淘汰落后生產工藝，但這種鋼管生產工藝并未完全被淘汰，相反，近年來又有不少民營企業(yè)仿造這種生產工藝用來生產中口徑以上的無縫不銹鋼管。這些生產企業(yè)要在鋼管行業(yè)占有一席之地，就必須加速進行技術改造，否則，將在國家節(jié)能、降耗、保護環(huán)境政策落實及市場競爭中被淘汰。本文討論以優(yōu)化產品結構、節(jié)能、降耗、保護環(huán)境為原則，利用原有設備和增加必要設備以及盡力減少投資，將這種企業(yè)改造成“冷熱結合，普優(yōu)結合”的中徑無縫不銹鋼管生產企業(yè)的問題。
1現(xiàn)有生產工藝及主要設備
1.1工藝流程
外構管坯→切斷→加熱→穿孔‘定尺截斷→錘頭→酸洗→潤滑→拔制→最終退火→最終矯直→切頭→水壓→檢查→成品。若進行多道次拔制則需要重復進行上述工序。
1.2主要生產設備
煤氣發(fā)生爐、斜底式加熱爐、曼式穿孔機、鏈式拔管機、退火滬、斜輥矯直機及其輔助設備(截斷、錘頭、酸洗、潤滑等)。
2工藝、設備分析及改造
2.1煤氣發(fā)生爐
2.1.1單段式謀氣發(fā)生爐 近年來所建的煤氣發(fā)生爐均為單段式。單段式煤氣發(fā)生爐的主要問題是技術陳舊、氣化率低、污染嚴重。
2.1.2兩段式謀氣發(fā)生爐 兩段式煤氣發(fā)生爐與單段式煤氣發(fā)生爐相比，具有氣化效率高(提高7%-10%)、污染程度低、無重質焦油、易于回收利用、爐內煤層厚熱容器量大、爐況穩(wěn)定和抗事故能力強等優(yōu)點。
2.1.3改造意見 兩段式煤氣發(fā)生爐制氣技術已成熟。將單段式煤氣發(fā)生爐改造成兩段式煤氣發(fā)生爐極為簡單，只需在原有設備的基礎上將車間廠房加高，在爐體內增設干餾段，配以相應的管道即可。改造后的爐體結構是至上而下分為加料裝置、干餾段、氣化段，回轉爐蓖及排灰裝置等。
干餾段位于爐體上半部，煤料在其內部受熱由常溫升至600℃左右，同時進行干燥、脫氣、干餾出焦油、分解出氫氣等過程，并形成半焦落人氣化段。由于半焦的氣化率高，反應性強，是氣化的良好原料，其產氣量較單段式煤氣發(fā)生爐高。
在氣化段內熱的半焦被氣化，生成溫度為700-750℃的煤氣，其中約有40%的煤氣進人上部干餾段，對裝人煤進行加熱、干燥、預熱和干餾，并與干餾氣同時導出(上煤氣);其余60%的煤氣從氣化段導出(下煤氣)。上煤氣含有一定量輕質焦油，下煤氣基本不含焦油，混合煤氣的熱值視煤種而定。
按以上方案改造，不僅投資少，而且具有一定的經濟效益，特別是減少了污染物的排放量，解決了環(huán)境保護問題。
2.2加熱爐
目前，常用的管坯加熱爐有斜底式加熱爐，步進式加熱爐和環(huán)形加熱爐。
2.2.1料底式加熱爐 目前，尚有一些老的鋼管企業(yè)，特別是多數民營企業(yè)仍采用斜底式加熱爐加熱管坯。這種爐子致命弱點是勞動強度大，金屬消耗多，軋管時耗電大，工具磨損快和產品質量無法保證等。若企業(yè)目前尚沒有條件改造，仍繼續(xù)使用斜底式加熱爐，可進行以下幾方面的局部改進。(1)為減輕體力勞動，可采用上料、出料機械化，在預熱段采用架空爐底、并適當增加爐底斜度等措施。(2)為節(jié)約能源，可采用以下措施:①提高爐襯耐火材料隔熱性能，減少爐底散熱。爐襯材料由砌磚為主改為澆注料整體澆注，或以輕質隔熱磚加硅鈣板或纖維等組合爐襯，以提高爐子的嚴密性、整體性、保溫性和隔熱性。②提高爐膛的嚴密性。為減少熱輻射，除生產必需的爐門外，盡量減少爐子的開口數量。另外.注重爐門和開口處的密封。③為充分利用煙氣預熱管坯.可適當延長不供熱的預熱段長度，并在爐尾設置以陶瓷纖維為內襯的熱回收段。④提高熱輻射和對流傳熱能力。減少爐體蓄熱，爐膛內設置隔墻，爐襯內表面涂輻射率大的涂料或粘貼纖維制品。⑤采用換熱器回收煙氣余熱。
以上斜底式加熱爐所采取的改進措施是通過設備材料實現(xiàn)的。要在節(jié)能方面得到質的飛躍，應盡力采用高溫空氣燃燒技術(HTAC), HTAC在加熱工藝、設備可靠性和運行安全性等方面均優(yōu)于其他換熱器。這項技術中的關鍵設備是蓄熱式燃燒器，其蓄熱體有球狀陶瓷和蜂窩狀陶瓷兩種，以采用后者更為優(yōu)越(單位時間內熱回收率更高)。由于HTAC能使余熱利用達到極限程度，節(jié)能效益巨大。在使用熱值較低的煤氣為燃料時，若采用單項預熱空氣，對煙氣預熱回收不充分;采用空氣/煤氣雙預熱節(jié)能效果十分可觀。
2.2.2環(huán)形加熱爐 環(huán)形加熱爐是由回轉爐底(爐子的移動部分)和具有爐蓋的環(huán)形隧道(固定部分)所構成。固定部分和移動部分之間的縫隙用砂封或水封，管坯的裝出料用機械手操作，爐子供熱的燒嘴或噴嘴分布配置在爐子的內外爐墻上，爐內煤氣可由裝料的爐尾排除，也可同時經由爐膛長度上補充設置的中間排煙口排除，整個爐體僅設有觀測孔和爐門。
環(huán)形爐可實現(xiàn)連續(xù)或問斷操作。管坯在爐底上從裝人到出料不移動。爐底為水平，在分段供熱的條件下，可準確調整爐溫和煤氣與空氣的比例，有利于加熱時正壓操作和氣氛控制。由于采用自動調整，減少了加熱制度的波動。爐料在爐底上的間隔布置，保證管坯的加熱質量。
采用這種爐型不僅完全克服了斜底式加熱爐一系列缺點，同時還具有可用低熱值的氣體燃料與軋機產量很好匹配及利用煙氣余熱來預熱空氣/煤氣等優(yōu)點。
2.2.3步進式加熱爐 這種爐與環(huán)形加熱爐相比:(1)爐底面積利用率高。單位面積產量約為300-400 kg/ (m2. h)，而環(huán)形加熱爐僅為200一250 kgJ(m2. h);在同樣產量的條件下，其爐底面積僅為環(huán)形加熱爐的60%，相對其爐體尺寸比環(huán)形加熱爐要小得多。(2)加熱時間短，且加熱均勻性好。管坯在爐內可四面加熱，而環(huán)形爐相當于三面加熱。加熱時間短為提高產量創(chuàng)造有利條件。另外，管坯在爐內和步進梁的接觸相當于點，受熱均勻性好。而環(huán)形爐加熱的管坯和爐底的接觸相當于一個長方形的面。(3)燃料消耗低。由于爐底利用率高，且四面加熱，其燃料消耗較環(huán)形加熱爐低約10%, (4)占地面積小，便于在車間內的布置。這種爐子使用輥道直接裝料和出料，而環(huán)形加熱爐則用機械手裝料和出料。相比之下步進式加熱爐便于在車間內布置，且占地面積也少。(5)投資可行。從投資角度看，與環(huán)形加熱爐的投資相近。
2.2.4加熱爐爐型選擇 兩種管坯加熱爐都有各自的優(yōu)缺點。根據國內多數無縫不銹鋼管廠長期使用環(huán)形加熱爐的經驗和實踐，技術上較成熟，考慮產品結構，盡管其占地面積較大，還是采用環(huán)形加熱爐為易，爐子的中徑大小，視產量而定。
2.3穿孔機
保留現(xiàn)用的曼式二輥穿孔機。
2.4延伸機機型選擇
延伸機是生產熱軋成品管必須的設備，用于將穿孔后的毛管輾軋成接近鋼管的最終尺寸?，F(xiàn)用鋼管延伸機有兩種基本類型:縱軋延伸機和斜軋延伸機(狄塞爾軋管機、阿塞爾軋管機、行星式軋管機)。兩類延伸機有各自的優(yōu)缺點和其應用范圍，也是相對的，在特定條件下都可以完成延伸任務。
綜合考慮，以選用斜軋延伸最為合適。
2.4.1針扎延伸變形特點狄塞爾軋管機、阿塞爾軋管機、行星式軋管機三種斜軋延伸機的共同特點是都以芯棒為內變形工具(包括:浮動、半浮動和限動)，但所生產的不銹鋼管尺寸、材質和產量范圍存有差異。為保證生產鋼管的質量以及適于企業(yè)產品大綱的要求，必須從三種斜軋延伸機在軋制過程中的變形特點來衡量其優(yōu)劣。
(1)變形速度是否促進金屬流動。阿塞爾軋管機和狄塞爾軋管機都有軋輥傾角存在，對金屬的延伸是阻礙而不是促進。采用收斂式軋輥布置的狄塞爾軋管機對金屬延伸阻礙減少，采用同樣布置形式的阿塞爾軋管機軋輥對金屬延伸有促進作用。用行星式軋機軋管時軋輥對金屬延伸作用最大，但其速比變化特別大時會產生嚴重的剪切應力，除會使軋后鋼管壁厚不均外，還會產生三角形或多邊形缺陷，從而限制了其延伸作用的使用范圍。
(2)芯棒和軋輥是否承受相等份額的變形功。在狄塞爾軋管機軋制中，大部分變形是通過芯棒實現(xiàn)的;在阿塞爾軋管機軋制中，由于軋輥相對較小，軋輥孔型又具有相當一個小軋輥的輥肩存在，而且管件又螺旋前進，意味著鋼管的減壁量均勻分配在軋輥和芯棒上;行星式軋管機軋制中，軋輥和芯棒之間的變形量分配稍微均衡些。
(3)金屬流動受相鄰橫截面牽制程度。從軋制方向看，從一個橫截面到另一個橫截面過渡的突變處，其金屬流動與相應橫截面漸變處是不一致的。在阿塞爾軋管機軋制中，在軋制尾部時，其尾部金屬的凝聚力不存在，金屬以變形工具的速度流動，結果使管子周向金屬增多，產生尾三角效應。由于阿塞爾軋管機的軋輥有輥肩存在，在輥肩處鋼管的厚壁與薄壁橫截面的結合非常緊密，使其金屬的流動可達到最大程度的一致。狄塞爾軋管機的導盤從根本上限制了鋼管直徑的增加，在其均整段開始的橫截面具有明顯的多邊效應。用狄塞爾軋管工藝生產薄壁鋼管，金屬將充滿變形區(qū)的每個部分。由于頻繁的彎曲，加之管壁在芯棒上快速減薄，管子產生裂紋傾向增多，特別是當軋制難變形鋼種更是如此，說明用狄塞爾軋管機軋制難變形鋼種困難。另外，這種軋管機用導盤對軋件導向，阿塞爾軋管機軋輥輥肩的優(yōu)點在這種軋管機上也不適用。三輥行星式軋管機沒有導衛(wèi)裝置，可采用阿塞爾軋管機軋輥同樣的輥肩，但其速比過大時問題依然存在，且其產量較低。
2.4.2選型 按上述理論分析和生產實踐(見表1)，原則上只要設計時對鋼管頭尾軋制采用適當措施，以上三種斜軋軋管機都可用。綜合比較三種延伸機的延伸能力、D/S值、生產鋼種、產.等指標.并考慮改造后生產鋼種品種和提供合格冷拔料，建議選用收斂型阿塞爾軋管機。
為克服軋制D/s≥10產生“尾三角”缺陷，應對收斂型阿塞爾軋管機配置一個無切尾損失裝置(NEL裝置)，并采用較短芯棒限動芯棒操作，就構成了一個高效三輥軋管機。
2.5定徑機的選擇
鋼管定徑的實質是使鋼管成為最終尺寸，亦稱鋼管精軋工藝。
根據改造無縫不銹鋼管生產車間的產品規(guī)格范圍，考慮投資情況，選用二輥或三輥5機架定徑機，嚴格按工藝要求來確定傳動系統(tǒng)。軋輥機架的單獨傳動意味著最大調速的靈活性，而疊加差動傳動則是一種組傳動方式，是以犧牲速度調節(jié)靈活性為代價，達到減少設備投資的目的。介于這兩者之間的傳動形式諸如分組傳動、雙疊加傳動等則是在特定投資條件下，取得必要的調速靈活性來滿足生產工藝要求?？紤]中徑管的生產工藝要求和投資因素，選用分組傳動的傳動系統(tǒng)更為合適。
2.6精整設備
(1)冷床?？蛇x用鏈式或步進式。(Z)轎直機。可選上輥3個，下輥3個，均為主動輥的6輥立式矯直機。(3)鋸斷機。選用圓盤鋸或高速切管機。
2.7熱處理設備
選用輥底式退火爐，采用保護氣氛加熱。
2.8熱軋機組規(guī)格選擇
產品為結構管、軸承管、地質管、液壓支柱管和精密機械管。
3冷拔設備
現(xiàn)用冷拔設備都是噸位較大的單鏈式冷拔機。產品均為中等口徑的碳素優(yōu)質鋼管，規(guī)格都屬于熱軋管的范圍。鋼管冷拔屬多工序，中間處理復雜工藝特殊，主要用于生產精密無縫不銹鋼管的設備。
按上述方案改造后，就可獲得合理的供坯條件，為冷拔生產創(chuàng)造有利條件。即使有合理的供坯條件.還應在強化拔制、提高效率、改善鋼管質量等方面來完善拔管工藝。冷拔鋼管生產的最佳的工藝措施是:采用熱軋定徑管坯，以最佳的拔制道次.生產出符合質量要求的鋼管，同時消耗最少，所需輔助加工次數最少，并減輕或杜絕環(huán)境污染。
3.1產品結構
產品必須從單一普通碳素優(yōu)質鋼管改為生產技術質量分數高和附加值高的產品，如:軸承管、液壓支柱管、地質管和特殊用途的經濟斷面異性鋼管(方矩形、橢圓，梯形和多邊形等)。改變產品結構后，產量有所降低，但經濟效益可觀。
3.2產品檢測
產品結構改變后.必須完善檢側手段，增設無損探傷設備。
3.3錘頭設備
因管坯較重，為減輕勞動強度，應選用縮口機或液壓擠頭設備。
3.4酸洗與潤滑
為改善工作環(huán)境，減少污染，應廢除開口式、單工序比較落后的酸洗潤滑設備，最佳的潤滑方式是采用無氧化熱處理和使用軋制油，以省去酸洗、潤滑工序。
3.5輥底式退火爐
從爐型結構、燃燒條件和溫度控制幾個方面著手改造，在實現(xiàn)節(jié)能、降耗和改善環(huán)境污染的同時保證無縫不銹鋼管的退火質量。