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我国不锈钢管生产工艺及其发展方向
2009-05-20 14:08:30
一、工艺设备介绍
不锈钢管的生产技术工艺根据钢种、用途和规格的不同，有多种生产工艺，它们的产品特征、生产能力和工艺流程如图1所示。

外径 3~1800mm
壁厚0.2~20mm
长度20m
产量0.5万吨/年（一条机组）
图1  各种钢管的生产工艺及其特点
1、挤压管的生产工艺和设备
由于挤压机吨位的提高和感应加热炉由低额改成中额，以及设备结构、工具材质及工艺的改进，用挤压方法可以生产一般轧制法难以生产的各种异型钢管和难变形高温合金的钢管等。挤压管的生产工艺流程如图4所示。穿孔机一般为液压传动的立式挤压机，属于反挤压过程，能力为500~1200T，穿孔机的能力较小，为相配的挤压机能力的0.2~0.4倍，穿孔机速度400mm/s。挤压机一般为液压传动的卧式挤压机。为了提高生产效率，采用双挤压筒及4个工位的旋转模架，以缩短生产周期，使小时的挤压次数可达到140次。润滑剂使用玻璃润滑剂或矿物结晶盐，其摩擦系数≤0.052，成品管用喷丸或碱酸洗清除氧化铁皮。

图2  挤压管生产工艺流程图
2、顶管生产工艺和设备
顶管工艺适合于薄壁管的生产，生产规模灵活，技术复杂性较低，产品质量好。其生产工艺流程见图5所示。顶管的生产是用一根芯棒将穿孔（并延伸）后的空心坯一端缩口，同时将下一工序用的芯棒插入，随后在辊式模顶管机上顶出，使其减壁和减径。现代的顶管机采用新式松棒，脱棒机，并配有一座单独传动的24~28个机架的张力减径机。现代的顶管机已成为生产小直径无缝管的有效设备。

图3  顶管生产工艺流程
3、三辊轧管工艺和设备
三辊轧管工艺是把穿孔后的荒管在三个呈120°配置的轧辊和一根长芯棒之间进行旋转前进碾轧的，所以可以生产尺寸精度高、灵活性高等特点。适合小批量多品种的钢管生产。主要用于生产厚壁钢管。产品的外径与壁厚比可在4~18的范围。生产工艺过程包括管坯准备、加热、定心、穿孔轧管、再加热、定减径、回转定径、冷却和矫直、切头和探伤等工序。生产工艺流程见图6所示。三辊轧管机在生产D/S=15~4.5的钢管式采用全浮动式芯棒，在生产D/S=4.5~3.5的壁厚管时采用回退式芯棒。三辊轧管机一般都配置5~14架定径机（或减径机、张力减径机）和二辊式回转定径机。

图4  三辊轧管工艺流程
4、焊管生产工艺和设备
不锈钢焊管生产设备简单，容易变换产品规格和品种，比同规格的无缝管成本下降25%，两种钢管的特点比较见表1所示。不锈钢焊管适用于具有一般压力和腐蚀性介质及低温配管，一般外径为1/4~8in焊管的成型工艺用连续性成型机，大于8in管采用压力成型或三辊弯板成型机。焊接工艺一般采用融化极氩气保护焊MIG或埋弧焊，焊接速度小于1m/min。为了提高焊接速度，稳定焊缝质量，新的焊接工艺有等离子电弧焊和激光焊，其焊接速度根据壁厚的不同，可以达到5m/min。
项目
无缝不锈钢
焊接钢管
钢管制造
可生产用焊接方法难以生产地厚壁管
钢管规格范围宽，制造价格低，适于薄壁管生产
偏差
壁厚偏差大
壁厚偏差小，内外表面平滑
加工性
进行弯曲加工一般没有问题
因为有焊缝，弯曲加工中有时需注意
抗腐蚀性
适于在强腐蚀环境下适应
如加工处理不当，在腐蚀环境中，焊缝可能先被腐蚀
价格
设备复杂，工序多，设备费和生产费用高，所以价格比焊管高
设备简单，价格低，尤其对薄壁管，在大批量生产地情况下更为有利
用途举例
锅炉管，加热管、冷却管，热交换器管、冷凝器管、蒸馏管、再沸器官、盘管加热器、高温高压配管、废热吸热器、测量仪表配管、温度计保护管
水煤气配管、结构管、造纸设备配管、热交换气管、废水管、化学纤维管、合成纤维配管、啤酒、黄油、牛奶业用装置管、建筑、家具、制药设备用管等
表5  焊接钢管和无缝钢管的比较
无论采用哪种焊接方法，在焊接后都要根据有关标准进行各种处理和检验。一般经过切断后送去矫直，管端加工，除油，热处理，酸洗白化，空压或水压试验，涡流探伤，超声波探伤及各种检验（包括外观、金相组织、机械性能、耐蚀性）。对于装饰用管，表面要进行研磨处理。一般大批量生产去除缺陷的方法是采用连续式砂带或平头修磨机。在精磨工序使用PVA石墨或刷磨。
为了提高焊管表面的光洁度、尺寸精度（一般外径偏差0.5%，壁厚偏差±10%），机械和耐蚀性能和生产薄壁细小规格及异型管，不锈钢焊管需要进行冷拔加工。
5、钢管的冷加工（冷拔或冷轧）
不锈钢无缝管和焊管都可通过冷加工—冷拔和冷轧，达到更高的冷加工制品要求。进行冷加工制品有下述特点：①改善表面，由于提高了表面光洁度，从而改善耐蚀性②进一步提高尺寸精度，用芯棒冷拔或冷轧后不仅提高外径精度，还可以改善壁厚的精度。③可以生产更小直径和更薄管壁的钢管。④冷变形更配合热处理，可改善力学性能。⑤特殊尺寸，特殊断面（圆形除外）均可生产。
（1）冷拔
冷拔钢管的管径加热或常温将段部缩颈，表面通过酸洗去除氧化皮，涂上润滑剂进行冷拔。冷拔有三种方法，采用成品内径尺寸的顶头冷拔叫顶头冷拔。采用和管长相同的芯棒冷拔叫芯棒冷拔或无芯棒的自由冷拔。采用芯棒冷拔内壁光滑，可完成较大变形比，使用尺寸长的不锈钢管冷拔。
拉拔可以为链式、水压或油压机。链式拉拔一次可拔两支或多支钢管，为了减少冷拔管和模具间的磨损，润滑剂的品质对提高效率很重要。通常要经酸洗去除表面铁皮，再涂上润滑剂。
（2）冷轧
冷轧是通过两个轧辊具有沿圆周逐步变小轧辊孔型，内穿有斜度的芯棒往复轧制的冷加工法，称为冷皮尔格法。也可采用3辊式冷轧机。
这种方式和冷皮尔格法轧管机原理一样，是变形过程为压力状态，冷拔困难的高合金不锈钢可用这种方法，由于全圆周加工尺寸精度高，每一次加工量大，对品质改善显著，但效率较低，轧辊制作与调整困难。
二、对比国际 我国工艺改进方向
1、开拓不锈钢热轧无缝管产品
在美国不锈钢无缝管产品组成中，热轧管占67%，而冷拔（轧）管仅占33%。而我国目前的不锈钢无缝管市场中，不锈钢热轧管产品尚属空白，而冷拔（轧）不锈钢管占有100%的市场如果按照美国市场冷热比例，我国用于“以冷代热”的不锈钢无缝管高达67%！造成这种现象的原因在于，我国不锈钢无缝管生产采用的是“斜轧穿孔+冷拔冷轧”的工艺，这条工艺路线不能生产热轧成品管，而我国已经采用了50年。因此，在需要使用热挤压管的场合，就以冷拔（轧）管来代替，导致“以冷代热”的不合理现象出现，增加了不锈钢管的生产和使用成本。
自20世纪50年代以来，世界各国纷纷采用热挤压工艺来取代其他生产不锈钢无缝管的方法，因为从提高材料的变形能力，产品的综合质量以及经济性的角度考虑，采用热挤压工艺来生产不锈钢和高镍合金无缝钢管是最为有利的选择。目前，国外除了部分生产大直径不锈钢管采用“立式水压机穿孔+皮尔格轧管机轧制”工艺之外，基本上都是采用热挤压工艺来生产不锈钢等高合金无缝管。而且，采用全连铸坯、模铸坯、离心浇铸坯或电渣重熔坯，通过热挤压工艺，不仅可以直接生产不锈钢热挤压成品管，同时还可以为冷加工提供高品质的“近终型毛管”，特别是提供不锈钢和高镍合金长管的“近终型毛管”，以减少冷加工道次，降低消耗，提高质量，降低成本。
参照国际，我国有必要开拓不锈钢热轧无缝管产品，引进热轧挤压生产工艺，但是，我国的传统“斜轧穿孔+冷拔冷轧”工艺由来已久，生产成本已经大大降低，使用上也已经成为习惯，所以，热轧挤压工艺若要在国内成为主流，还需形成以下几个条件。
（1）对不锈钢无缝管市场上90%以上市场份额的304、316、321等300系不锈钢，采用全连铸供坯工艺，使热挤压不锈钢管的生产成本大幅度地降低，从而可以与国内的冷轧冷拔不锈钢管以及与国外的同类热挤压不锈钢管相竞争。
（2）采用适当的玻璃润滑剂，使生产出的热挤压不锈钢成品钢管的表面质量以及尺寸精度达到热轧管的标准，真正做到为用户所接受。
2、提高精品不锈钢焊管比重
根据我们对美国不锈钢管市场的了解，美国钢管市场中不锈钢焊管比重很大，其中自产比重大于进口比重，而高品质的焊管更主要是国产管。相比而言，我国不锈钢管市场情况则大不相同，虽然不锈钢焊管的自产比重很高，但是出口了大量低档的焊管产品，而进口了不少的高档产品，导致进出口外汇入不敷出。因此，就我国不锈钢管产品而言，提高焊管比的重点应该是发展焊管精品，提高高档次不锈钢管的焊管比。
综上而论，我国的不锈钢管市场相比美国等成熟市场而言，工艺上还有很大的局限性，改善传统工艺也非能一步到位，但是今后的方向还是要逐步开拓不锈钢无缝管热轧产品，以及提高不锈钢精品焊管比重。