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(chǎn)工藝。針對用這種工藝生產(chǎn)中徑以上無縫不銹鋼管的企業(yè)，提出了在不改變原有設(shè)備和增設(shè)必要設(shè)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(jié)合、普優(yōu)結(jié)合，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的中徑無縫姻管生產(chǎn)企業(yè)。
20世紀(jì)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(chǎn)鋼大國，而且無縫不銹鋼管的產(chǎn)量突破千萬噸大關(guān)，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(chǎn)品規(guī)格齊全，其用途覆蓋國民經(jīng)濟各部門;冷加工設(shè)備除有一般的鏈?zhǔn)桨喂軝C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(chǎn)在向強國邁進的今天，仍存在與無縫不銹鋼管生產(chǎn)大國不相適應(yīng)的不合理的生產(chǎn)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(chǎn)小口徑冷拔鋼管，可以說是獨有的生產(chǎn)工藝。國家鋼鐵工業(yè)發(fā)展政策及相關(guān)政策明確規(guī)定，必須加快淘汰落后生產(chǎn)工藝，但這種鋼管生產(chǎn)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(chǎn)工藝用來生產(chǎn)中口徑以上的無縫不銹鋼管。這些生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)、節(jié)能、降耗、保護環(huán)境為原則，利用原有設(shè)備和增加必要設(shè)備以及盡力減少投資，將這種企業(yè)改造成“冷熱結(jié)合，普優(yōu)結(jié)合”的中徑無縫不銹鋼管生產(chǎn)企業(yè)的問題。
1現(xiàn)有生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備
1.1工藝流程
外構(gòu)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(fù)進行上述工序。
1.2主要生產(chǎn)設(shè)備
煤氣發(fā)生爐、斜底式加熱爐、曼式穿孔機、鏈?zhǔn)桨喂軝C、退火滬、斜輥矯直機及其輔助設(shè)備(截斷、錘頭、酸洗、潤滑等)。
2工藝、設(shè)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(shù)陳舊、氣化率低、污染嚴(yán)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(zhì)焦油、易于回收利用、爐內(nèi)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(shù)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(shè)備的基礎(chǔ)上將車間廠房加高，在爐體內(nèi)增設(shè)干餾段，配以相應(yīng)的管道即可。改造后的爐體結(jié)構(gòu)是至上而下分為加料裝置、干餾段、氣化段，回轉(zhuǎn)爐蓖及排灰裝置等。
干餾段位于爐體上半部，煤料在其內(nèi)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(yīng)性強，是氣化的良好原料，其產(chǎn)氣量較單段式煤氣發(fā)生爐高。
在氣化段內(nèi)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(yù)熱和干餾，并與干餾氣同時導(dǎo)出(上煤氣);其余60%的煤氣從氣化段導(dǎo)出(下煤氣)。上煤氣含有一定量輕質(zhì)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(jīng)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(shù)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(chǎn)品質(zhì)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(yù)熱段采用架空爐底、并適當(dāng)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(zhì)隔熱磚加硅鈣板或纖維等組合爐襯，以提高爐子的嚴(yán)密性、整體性、保溫性和隔熱性。②提高爐膛的嚴(yán)密性。為減少熱輻射，除生產(chǎn)必需的爐門外，盡量減少爐子的開口數(shù)量。另外.注重爐門和開口處的密封。③為充分利用煙氣預(yù)熱管坯.可適當(dāng)延長不供熱的預(yù)熱段長度，并在爐尾設(shè)置以陶瓷纖維為內(nèi)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(nèi)設(shè)置隔墻，爐襯內(nèi)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(shè)備材料實現(xiàn)的。要在節(jié)能方面得到質(zhì)的飛躍，應(yīng)盡力采用高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC), HTAC在加熱工藝、設(shè)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(shù)中的關(guān)鍵設(shè)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(nèi)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(yù)熱空氣，對煙氣預(yù)熱回收不充分;采用空氣/煤氣雙預(yù)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(zhuǎn)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(gòu)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(nèi)外爐墻上，爐內(nèi)煤氣可由裝料的爐尾排除，也可同時經(jīng)由爐膛長度上補充設(shè)置的中間排煙口排除，整個爐體僅設(shè)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(zhǔn)確調(diào)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(diào)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(zhì)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(chǎn)量很好匹配及利用煙氣余熱來預(yù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)可四面加熱，而環(huán)形爐相當(dāng)于三面加熱。加熱時間短為提高產(chǎn)量創(chuàng)造有利條件。另外，管坯在爐內(nèi)和步進梁的接觸相當(dāng)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(dāng)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(nèi)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(nèi)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(jù)國內(nèi)多數(shù)無縫不銹鋼管廠長期使用環(huán)形加熱爐的經(jīng)驗和實踐，技術(shù)上較成熟，考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(chǎn)熱軋成品管必須的設(shè)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(yīng)用范圍，也是相對的，在特定條件下都可以完成延伸任務(wù)。
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(nèi)變形工具(包括:浮動、半浮動和限動)，但所生產(chǎn)的不銹鋼管尺寸、材質(zhì)和產(chǎn)量范圍存有差異。為保證生產(chǎn)鋼管的質(zhì)量以及適于企業(yè)產(chǎn)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(chǎn)生嚴(yán)重的剪切應(yīng)力，除會使軋后鋼管壁厚不均外，還會產(chǎn)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(dāng)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(yīng)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(jié)果使管子周向金屬增多，產(chǎn)生尾三角效應(yīng)。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(jié)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(dǎo)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(yīng)。用狄塞爾軋管工藝生產(chǎn)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(chǎn)生裂紋傾向增多，特別是當(dāng)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(dǎo)盤對軋件導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)量較低。
2.4.2選型 按上述理論分析和生產(chǎn)實踐(見表1)，原則上只要設(shè)計時對鋼管頭尾軋制采用適當(dāng)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(chǎn)鋼種、產(chǎn).等指標(biāo).并考慮改造后生產(chǎn)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(chǎn)生“尾三角”缺陷，應(yīng)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(gòu)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(zhì)是使鋼管成為最終尺寸，亦稱鋼管精軋工藝。
根據(jù)改造無縫不銹鋼管生產(chǎn)車間的產(chǎn)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(yán)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(diào)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(diào)節(jié)靈活性為代價，達到減少設(shè)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(diào)速靈活性來滿足生產(chǎn)工藝要求?？紤]中徑管的生產(chǎn)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(shè)備
(1)冷床?？蛇x用鏈?zhǔn)交虿竭M式。(Z)轎直機?？蛇x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(shè)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(chǎn)品為結(jié)構(gòu)管、軸承管、地質(zhì)管、液壓支柱管和精密機械管。
3冷拔設(shè)備
現(xiàn)用冷拔設(shè)備都是噸位較大的單鏈?zhǔn)嚼浒螜C。產(chǎn)品均為中等口徑的碳素優(yōu)質(zhì)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(fù)雜工藝特殊，主要用于生產(chǎn)精密無縫不銹鋼管的設(shè)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(chǎn)創(chuàng)造有利條件。即使有合理的供坯條件.還應(yīng)在強化拔制、提高效率、改善鋼管質(zhì)量等方面來完善拔管工藝。冷拔鋼管生產(chǎn)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(chǎn)出符合質(zhì)量要求的鋼管，同時消耗最少，所需輔助加工次數(shù)最少，并減輕或杜絕環(huán)境污染。
3.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品必須從單一普通碳素優(yōu)質(zhì)鋼管改為生產(chǎn)技術(shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高和附加值高的產(chǎn)品，如:軸承管、液壓支柱管、地質(zhì)管和特殊用途的經(jīng)濟斷面異性鋼管(方矩形、橢圓，梯形和多邊形等)。改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)量有所降低，但經(jīng)濟效益可觀。
3.2產(chǎn)品檢測
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改變后.必須完善檢側(cè)手段，增設(shè)無損探傷設(shè)備。
3.3錘頭設(shè)備
因管坯較重，為減輕勞動強度，應(yīng)選用縮口機或液壓擠頭設(shè)備。
3.4酸洗與潤滑
為改善工作環(huán)境，減少污染，應(yīng)廢除開口式、單工序比較落后的酸洗潤滑設(shè)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(jié)構(gòu)、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(zhì)量。