从MPM到PQF---限动芯棒连轧管机回顾及展望.doc

1、从 MPM 到 PQF- 限动芯棒连轧管机回顾及展望作者 :李群丁德元来源 :河北钢管网0 前言限动芯棒连轧管机是在在浮动芯棒连轧管机的基础上发展起来的。 限动芯棒连轧管机于 20世纪60年代中期进行了工艺试验并获得了可喜的成果。 1978年世界上第一套限动芯棒连轧管机（MPM ： Multi-Stand Pipe Mill 的缩写）在意大利达尔明钢管厂建成投产，将连轧管工艺发展到了一个新的水准；限动芯棒连轧管机在整个轧制过程中对芯棒的运行加以控制，使其以设定的恒定速度前进，轧制过程结束时，由脱管机将荒管与芯棒分离后，荒管被移送到下道工序进一步加工；芯棒则返回，拨出轧制线后，冷却、润滑后循环使

2、用。MPM 使得钢管壁厚偏差得到改善，工具、能耗有所降低，将连轧管机轧制钢管的最大外径由 194mm 扩大到426mm。20世纪 90年代中期又推出了三辊连轧管机 （PQF：Premium Quality Finishing 的缩写）技术， 2003年世界上第一套三辊限动芯棒连轧管机组（ PQF）在中国天津钢管公司建成投产，使连轧管工艺装备跃上了更高的台阶。经过近 30年的发展和应用，世界上目前正在运行和在建的限动芯棒连轧管机超过了 20台套。连轧管机在 PQF 出现以前，都是两辊式的， 即由两个轧辊为一组组成孔型 , 两个轧辊相互平行，相邻两个孔型的辊缝相错 90°； PQF 为三

3、辊式的，即由三个轧辊为一组构成孔型，三个轧辊互成 120°，相邻两个孔型的辊缝相错 60°；使上一架孔型的槽底对应下一架孔型的槽顶。图1 连轧管孔型构成本文拟对近 30年来限动芯棒连轧管机的发展情况进行一下回顾并展望其前景。11978 1992年， MPM 的推广期MPM 一经问世，因其在技术、产量、质量、自动化和劳动生产率等诸方面的突出优势，引起了无缝钢管界的广泛关注并得到认同和推崇，目前已使其在除大洋州以外的五大洲得以迅速的推广应用；特别是 1978年到 1992年间的前 15年，受当时石油产业对油井管需求旺盛的影响，促使了 MPM 技术的飞速发展，相继建成投产了10套

4、限动芯棒连轧管机组，从第二套到第十套仅用了 10年的时间。各机组情况见下表1。表 1前十套限动芯棒连轧管机组一览表序机组厂名国家投产设计年产量成品管规格机架数号名称年份（ /万吨）D X S(mm)1365mm达尔明厂意大利197850159365X3.5 2582245mm京滨厂日本198360114 245X4.5 4083273mm坦姆萨厂墨西哥198360114 273X4.5 4074245mm费尔菲尔美国19836089 245X5.4 3275245mm北方星钢厂美国198730114 24576245mm阿尔戈马厂加拿大19863048 178X3.63277245mm希德尔卡

5、厂阿根廷198835140273X4.53568245mm西多厂委内瑞拉1990114 245X4.5 359426mm伏尔加钢管厂（前苏联）俄罗斯199072114 245X4.5357159426X6.0 35.010250mm天津钢管公司中国199250114 273X4.5357这一时期所建机组的共同点为：一是连轧管机设有 78个机架（阿根廷希德尔卡厂为 6机架），因为机组中的穿孔机为推轧式（加斜轧延伸机）或二辊桶形辊斜轧式，其延伸系数比较小， （延伸系数一般小于 3），轧件的主要延伸靠连轧管机完成，轧管机的最大延伸系数为 67，所以连轧管机的机架数相对较多，机架数由开始的 8架减少到

6、 7架甚至 6架，意义在于尽量缩短芯棒工作段的长度，因为在所轧制的荒管长度和芯棒限动速度不变的前提下、 减少轧机第一架至最末一架轧辊中心线的距离，就可以缩短芯棒工作段的长度，从而达到降低芯棒的制造、加工难度和生产成本的目的；二是各机组均设有 23个孔型，主要成品管的外径范围大都在 114273mm 之间，用以生产中型规格的油井管品种为主的无缝钢管， 因为油田打井所需的套管规格绝大部分都在该组距范围内。另一个特点是： 前10套限动芯棒连轧管机组的分布地域比较广、 国家较多，欧洲、中北美洲、南美洲和亚洲都有；这些机组既有为满足本国所需而建设，也有为向产油国提供高质量的无缝钢管而建的。21993 2

7、003年， MINI-MPM 的应用期MINI-MPM为少机架限动芯棒连轧机的意思，原是意大利的因西公司上世纪90年代中期为完成对南非托萨（ tosa）厂 cps（两步生产无缝钢管法，即只有斜轧锥形辊穿孔和张力减径两个变形工序，而没有轧管工序的生产方法，后因在生产壁厚8mm 以下的钢管时因螺旋印难以消除进行增加轧管机的改造）的改造，在锥形辊穿孔机与张减机之间安装的限动芯棒连轧管机而推出的机型。由于锥形辊穿孔机的变形能力较大，就可将原由MPM 承担的部分变形前移至穿孔机来完成，连轧工序的延伸可适当减小，轧管机没必要选用过多架数了，轧机的机架数由原来的 78架减少至 45架；与 MPM 相比它的最

8、大特点是实现了用更短的芯棒轧制较长的钢管，芯棒的工作段长度比 MPM 短了 2 3米；芯棒总长度可缩短 5米左右。后来随着锥形辊穿孔机的广泛应用，连轧管机的架数大多为 5架；或 5 1架， 1为在连轧管机前增设一架空减机。当时，因西公司为了尽快推广MINI-MPM轧机，罗列了 MINI-MPM一些与MPM 区别和特点；现转述如下：MINI-MPM机组工艺特点为：（1）一般采用锥形辊穿孔机，充分发挥锥形辊穿孔大变形、大延伸的作用，才有可能将连轧机的一部分变形量前移至穿孔机，使连轧机机架数减至 45架，将两变形机组的变形量均衡、合理地分配；（2）由于轧机总延伸系数减少，连轧前段单机架的变形量也可减

9、少，同时在孔型设计上由于降低了辊缝值和开口度，使金属横向流动和辊缝处凸出部分的面积减小，减缓轧制过程中的不均匀变形；（3）在同孔型尺寸的情况下，轧机前段孔型直径变小，减小了辊速差；（4）轧出荒管的鱼翅尾不规则部分减短，切头尾减短，提高了成材率。与 MPM 相比， MINI-MPM 轧机优势与不足是：（1）占地面积减小，厂房投资减少，由于机架减少 2 3架，芯棒长度变短，使热轧线设备占地面积大大缩小；（2）设备投资减少，包括轧机、电机、减速机等；（3）轧制工具的数量减少，包括轧辊、更换机架等；（4）芯棒制造难度降低，由于芯棒工作段长度变短相对制造难度和费用大幅度降低。（5）由于减少了机架数量及轧

10、机出口速度，机组产量相应有所降低。在这个期间，相继建成的 MINI-MPM 代表性机组除南非托萨（ tosa）厂的 168mm机组为 4 个机架外，其余如 1997年日本住友和歌山 426 mm机组、 1994年我国包钢的 180 mm机组（不带空减机）与 2001年鞍钢的 159 mm机组以及衡阳 2002年 273 mm机组和 2003年攀成钢的 340 mm 机组（都有 1架空减机）等均为 5个机架。随后 2006年建成的无锡西姆莱丝 250mm机组也是 1架空减机加 5个机架从近几年已建成投产的几套 MINI-MPM 机组运行效果来看， 原则上说， MINI-MPM 与 MPM 相比，

11、不论是变形原理、变形规律、轧制速度制度、限动速度大小还是产品质量等诸方面都没有什么本质上的区别，仅是少了 2 3个机架而已；由于绝大多数 MINI-MPM 机组都增设了一架空减机，与 7机架 MPM 相比，实际只减少了 1个机架；因此，现在已经很少有人再用MINI-MPM这一名称了，对两辊的限动芯棒连轧管机不论几个机架均称为MPM 。32003 2007年， PQF 的发展期上世纪 90年代中期国外就推出了PQF（Premium Quality Finishing ）三辊限动芯棒连轧管机，从轧钢工艺上讲三辊连轧管机比二辊连轧管机有明显的优点。但多了一个轧辊使得轧机结构上有了明显的差异，用什么样

12、的结构形式才能达到新机型的要求，使其发挥优势，实现高效生产，达到理想的效果。一直是人们探索的目标，多年来全世界一直没有哪家企业开发采用这项技术。进入廿一世纪， 天津钢管公司和米尔 /因西公司共同成功开发了168mmPQF限动芯棒连轧管机，于 2003年8月在天津钢管公司建成投产，并在当年十二月就达到了设计产量。PQF 一经问世，就引起了国内外同行的高度重视，现对其工艺、结构和传动等特点作一简要介绍：31工艺特点三辊连轧管机，简称PQF （Premium Quality Finishing ），是由因西公司开发推出的。轧管时芯棒是限动的、速度是可控的；芯棒的速度应高于第一架的咬入速度,也是限动芯

13、棒连轧管机，只不过每个机架由三个轧辊组成孔型； 采用三辊设计的孔型比传统的两辊设计的孔型圆度好，且孔型的半径差小， 有利于轧件的均匀变形和轧辊的均匀磨损。轧槽底部和轧槽顶部之间的圆周速度差较小， 从而能在稳定的条件下使轧制时的金属变形更加均匀， 使所轧制的荒管径壁比可达 45以上。凸缘面积 (不与轧辊或芯棒接触的管子面积。也就是辊缝处壁厚 / 外经的凸起面积 ) 有所减小，即流向凸缘的金属量减少了。这一优点在轧制不受外端及其它机架约束的钢管尾端时尤为重要。 事实上钢管尾端在三辊式轧管机上轧制时受控是由于凸缘面积较小（比二辊式的小 30% 左右）以及轧槽底部与轧槽顶部间的圆周速度差较小的缘故。因

14、此，能避免或大大减少管端折叠和飞翅的形成。因圆周压应力较高， 从而能在轧制时使辊缝处产生的纵向拉应力的危险性大大降低。孔型中芯棒的稳定性较高。 PQF 机组可以生产高强度（ P110以上）特殊钢级油井用管、高压锅炉管及 13Cr 、 304L 等不锈钢管。 PQF 最大的优势是：由于三辊孔型的半径差小于两辊，轧件变形更加均匀、平稳，使产品的壁厚精度和表面质量高于 MPM ，轧制的荒管直径越大，优势越明显。另外，由于采用芯棒在主轧线内预穿的方法，使预穿后的毛管在最短的时间内开始轧制。 大大缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间， 减少毛管温降并使毛管开轧温度均匀， 有效地降低了轧制载荷以及工具消耗

15、。32结构特点工作机架是由三个轧辊组成一体相对独立的轧制单元。天津钢管公司的PQF 连轧管机共由六个工作机架（包括第一架 空减机架即 VRS）组成。工作机架不承受轧制力，只承受限动力。工作机架内的三个轧辊在压下机构和平衡装置的控制下构成一个孔型，并可对孔型进行调整。每个轧辊（包括轴承座）安装在一个杠杆臂上，杠杆臂通过销轴安装在工作机架上，孔型调整时杠杆以销轴为指点摆动。每个轧辊轴承座的两侧，工作机架上都有导向滑板，用来保持轧辊调整时的位置，并承受限动力。工作机架上有一套轧辊轴承甘油润滑管线系统和一套轧辊冷却水系统，由液压缸操作的快速接头将这两个系统联接到外管网上。承受轧制力的是牌坊 隧道，安装

16、有液压压下缸的高强度、高刚度的焊接结构框架，起到了通常轧钢机牌坊的作用，这个焊接结构框架称之为“隧道 ”。 PQF 连轧管机所有的工作机架和芯棒支撑架都安装在隧道内，它们通过液压缸从垂直方向和轧制线方向固定在隧道内，与轧制线向吻合。 PQF 的轧制力和限动力都是由隧道来承受。隧道内有用于装、拆卸工作机架和芯棒支撑架的轨道，轨道保证换辊时工作机架和芯棒支撑架达到正确的位置。隧道出口有一个锁紧门，用隧道上的液压缸沿轧制线方向将工作机架和芯棒支撑架固定在隧道内，换辊时锁紧门随工作机架一起被移出隧道到换辊位置。驱动每个轧辊的传动轴（共计十八根）从各自的位置由外面伸入隧道和轧辊联接。PQF 轧机设计非常

17、紧凑，在隧道上安装的设备很密集，除超过 100个液压缸外，加上液压管、润滑管、冷却水管、冲渣水管和各种电器控制管线等辅助设备，只有通过统筹合理地安排才能安装恰当。使用圆形隧道式的轧机牌坊与传统的两辊式连轧机组交叉排列的轧机机架布置方式比较，机架间距缩短，减少了在轧制过程中因机架间距大而使轧件运行不稳定等因素。图2：PQF 轧机示意图3.3 传动系统PQF 每个工作机架上的三个轧辊互成120°，驱动这三个轧辊的传动系统在隧道外也要分布在互成 120°的位置上。同一工作机架上的三个轧辊的转速和加速度必须完全一致，因此，三个减速箱的速比必须完全相同，减速箱和传动轴的转动惯量必须基

18、本一致，电动机的特性和控制变形保持一致。相邻PQF 连轧管机工作机架之间布置非常紧凑，间距很小，相邻的传动系统的间距也因同样也很小，给设计减速机和选择电动机提出了苛刻的要求。传动轴是可伸缩的，在换辊时传动轴回缩脱离和轧辊的联接，新工作机架换入后传动轴伸出并和轧辊联接，伸缩的动作由液压缸来执行。3.4轧辊更换系统PQF 连轧管机三个互成 120°的传动系统占据了轧机四周的空间， 传统的从侧向换辊方式已不可能，只有采用从轴向即轧制线方向来换辊。在 PQF 连轧管机和脱管机之间布置一个换辊区，这个换辊区应满足以下要求：l 轧机出口到脱管机的输送辊道在换辊时要能移走， 换辊结束后，输送辊道要

19、及时复位并可靠地和轧制线对中；l换辊区要布置两列换辊小车， 分布放置待换入的工作机架和承接从隧道中拉出的需要换掉的工作机架；l每列换辊小车有可单独横移的换辊单元组成，其数量与工作机架和芯棒支撑架的数量相一致，两列换辊小车也可整列横移，并能和轧制线正确对中以达到整列更换和个别任意一架单独更换的目的。35 PQF 的推广由于 PQF 技术在工艺实践等方面的明显优势，受第一套168mmPQF机组建成投产的影响，极大的激励了各国在无缝钢管生产领域的投资热情，在不到5年的时间内，相继建设、建成了多套三辊限动芯棒连轧管机组，据不完全统计，有已投产的天津钢管公司460mmPQF机组，计划今年投产的白俄罗斯B

20、MZ 公司 168mmPQF机组、哈萨克斯坦BKV 集团 LLP 公司的 277mmFQM（ FQM：Fine QualityMill 的缩写，为意大利达涅力公司研制的三辊限动芯棒连轧管机组）机组、攀成钢的159mmFQM 机组以及 2008年投产的俄罗斯马克西集团的 170mmFQM机组和在建印度普那SMT 的 168mmPQF 机组等，拟建的还有多家，继上世纪 80年代中、后期两辊限动芯棒连轧管机组迅速发展后，形成了新一轮的、更加迅猛的三辊限动芯棒连轧管机组建设高潮。4 结语41限动芯棒连轧管机组在最初时没有空减机的，采用的是一种规格的管坯对应一个孔型，这主要是因为轧制时芯棒与轧件内表面的

21、相对运动比浮动是的大，芯棒的工作条件更为恶劣，芯棒更容易磨损和划伤。限动芯棒在工艺设计上尽量减少或禁止毛管在进入轧管机前做纵向运动，以便有效的防止毛管内表面的二次氧化，才能确保钢管的质量，因此不可能像浮动芯棒那样在穿孔机与轧管机之间布置空减机。如采用半浮动芯棒的串列布置，因芯棒长度的增加使轧制节奏更加变慢， （因轧制终了芯棒向后运动） ，将影响机组产能的发挥，也是不经济的。从第三套 “MINI MPM”（鞍钢 159mm机组）开始，限动芯棒机组也在不断吸收其他机组的长处，在轧管机入口侧串列布置了 1架空减机（二辊、三辊、四辊形式均有） ，目的在于消除毛管内表面与芯棒之间的间隙和毛管外径的头尾直径偏差，使轧制更加平稳，从而提高轧辊的使用寿命，确保钢管的几何尺寸精度和内外表面质量；4.2由于锥形辊穿孔机的变形能力较大， 伴随着锥形辊穿孔机的推广应用后， 使得限动芯棒连轧管机的机架数有所减少； 上世纪 90年代末结合锥形辊穿孔机延伸系数大而提出的连轧管机使用 34个机架（所谓 MINI MPM ：少机架）的设想，经南非托萨（ tosa）厂的实践检验，并不像当初想象的那样