0前言120年前曼氏兄弟(Reinhardmannesmann,Maxmannesman n)发明斜轧穿孔工艺,由此开创了无缝钢管生产技术发展的历史。以曼氏兄弟为代表的杰出的发 明家和企业家都有两个鲜明的特点:第一是对“国计民生”的市场需求具有超前敏锐的洞察力;第 二是勇于实践,具有坚韧不拔的创业精神。纪念以曼氏兄弟为首的为无缝钢管发展做出突出贡献的 前辈,旨在与正在从事由无缝钢管生产大国迈向强国的我国钢管工作者共勉。让我们重温120年 来无缝钢管发展历程中的几个关键发明的简况。1斜轧穿孔和轧管(延伸)曼氏兄弟发明斜轧穿孔 工艺时,其家族主要生产世界名牌锉刀,已建成在欧洲屈指可数的大企业。当时蒸汽机虽广泛使用 ,但用焊接钢管制作的锅炉导致了许多机毁人亡的恶性事故。曼氏兄弟不安于继承祖业,决心解决 使用焊接钢管存在的问题,用轧制方法来生产无缝钢管以满足制造业、军事工业(当时军工采用圆 钢镗孔生产短无缝管)和以自行车为代表的民用管材(当时制造成本高)的市场需求<1>,并依 据生产实践中所观察到的生产锉刀用圆钢在斜辊矫直过程中出现的疏松和孔腔现象(至今仍称为“ 曼氏效应”),提出了著名的斜轧穿孔工艺(专利DRP34617号)<2>。从该专利公布, 到继后提出周期轧管工艺,并最终实现完整的无缝钢管轧制生产工艺的商业化生产之前的近10年 (1885~1894年),曼氏兄弟不仅在技术上,而且在经济上承受了巨大的压力。当时人们 对斜轧“这种工艺都抱有过高的期望,对其短期内的实用的可能性估计得太乐观”,没有等到该工 艺在工业生产中成熟,曼氏兄弟便想仅用斜轧穿孔一道次变形就轧出商品钢管<3>,并急于占领 和垄断无缝钢管市场,并在欧洲各地先后建立了4个钢管厂,一边试验,一边生产短而厚的钢管, 但不能满足市场对薄壁长钢管的需求,且废品率很高,生产效率很低,几个厂都亏损严重。曼氏兄 弟以百折不挠的精神,在西门子兄弟等投资者和银行家各方面的大力支持下,沿发明专利的思路( 如图1所示),进行了各种斜轧机的试验,包括二辊、三辊、四辊及盘式、锥形、桶形的立式和卧 式斜轧机A、B、C、D、E、G、L、I型<1>。这些轧机对随后在无缝钢管生产过程中诞生 的一些重要斜轧管机有着启示作用。如斯蒂弗尔于1930年在美国所建的旋转式扩径机(类同于 曼氏的“B式”斜轧机),狄塞尔轧管机(1932年,美国将曼氏的“I式”轧机的导板改为导 盘),1967年法国瓦卢雷克公司发展的特朗斯瓦尔轧机(根据曼氏的“C型轧机”的原理发展 而成的)。目前被普遍推崇的锥形辊斜轧机,也是曼氏专利和前期试验工作中强调的技术内容之一 。但无论采用何种形状的轧辊(如图2所示),斜轧变形区都是由以轧辊辗轧带为分界的入口和出 口两个反向锥和内部变形工具(穿孔顶头、轧管芯棒)组成的。斜轧穿孔工艺的实质就是管坯被斜 置轧辊一次咬入和旋转前进到与顶头接触的二次咬入,在该过程中,其直径方向受到反复压缩和扩 张,中心部分受到反复拉、压和剪切等复杂的应力、应变,进而形成孔腔(“曼氏效应”),依靠 顶头实现穿孔并进一步将管壁辗薄。不同的轧辊形状(和相应的轧机结构)只是通过轧辊对管坯运 动的边界条件(改变接触面上的前后滑区域的分布)在上述变形过程中施加有限的外部因素的影响 ,而对斜轧变形区中必然会发生的“曼氏效应”,且利用其实现穿孔过程的这一内在规律不会产生 实质性的影响。无缝钢管与其他钢材的生产工艺比较,最突出的特点是使用了内部工具(顶头、芯 棒),这些工具不仅参与变形,而且是决定钢管生产的主要工序(穿孔、轧管)能否正常、有效和 经济地运行的最重要、最活跃的因素。对斜轧穿孔而言,就是在合理的孔型设计条件下,将顶头调 整到使管坯中心部分的“曼氏效应”仅发展到“疏松”而未形成“孔腔”的位置为最佳状态<4> 。与此类似的斜轧过程中的扭转问题,也不能仅从轧辊与管子的运动学(早期甚至只从几何学)方 面来分析,起主导作用的是管子沿变形区的不均匀的切向扭矩分布(包括接触面上的摩擦力和轧制 力对轧件的扭矩)和斜轧时金属在轧辊和顶头(芯棒)之间主要受横(切)向辗轧而又要求其纵( 轴)向延伸(因而要用导辊、导板和导盘等限制横向变形,引导向纵向流动)这一特殊的变形模式 。由于曼氏兄弟在创业初期(1886年以前)坚持不用顶头,认为在锥形辊斜轧机上将实心管坯 可一道次穿轧成商品管(1890年以前)的观点,使他们付出了很大的代价(时间、资金和市场 );尤其是那种认为斜轧出的管子产生扭转是“优点”的观点,使他们在与其原雇员斯蒂弗尔(R .C.Stiefel)专利诉讼中败诉,并失去了美国市场。斯蒂弗尔认为错开型的盘式穿孔机 的优点是“工件不受扭变”,事实上正如有实践经验的钢管车间主任J.J.Dunn<3>指出 的:“采用错开型盘式穿孔机,可以调整孔型和穿孔顶头的位置以避免管子发生扭变。但通过调整 也可以发生向右或向左的扭变。”此外,曼氏兄弟1—盘形2—锥形3—桶形4—曼氏孔型图2各 种辊形的斜轧穿孔(轧管)变形区图3组合轧辊斜轧穿孔机示意也正是听取了斯蒂弗尔的建议,才 放弃了单锥形辊改用桶形辊。据U.A伏米切夫<5>介绍,在欧洲曾试验过出口锥比入口锥有较 高的角速度的组合轧辊斜轧穿孔机(如图3所示),但因对改善金属的轴向流动并未见效果而放弃 。笔者提及以上历史,丝毫没有贬低曼内斯曼和斯蒂弗尔这些钢管工艺大师的天才发明之意,旨在 于提醒至今仍然不加分析地还在轻信外国设备供货商有关锥形辊穿孔机“没有曼氏效应”、“没有 扭转”等宣传的人们,不要再像曼氏兄弟早期那样,陷入只看表面现象的认识误区。近20多年来 ,我国无缝钢管生产既有从国外引进的各种类型的斜轧穿孔机和轧管机的主力机组;也有包括江浙 一带很多民营企业广泛使用的结构简易的Φ50~130mm(最大为Φ800mm)国产斜轧机 ,这些设备不仅承担了国内1/3多的无缝管生产量,而且也解决了国有大型钢管厂尚未能很好解 决的如精密管、轴承管、不锈管等的品种发展问题。如中小直径的轴承管,江浙一带十多家民营企 业采用“大”厂生产的符合要求的管坯经斜轧穿孔和冷轧一道次的“短流程、近终形”工艺,其投 入少,成本低,竞争力强,使得近几年我国的轴承管年产量从上世纪90年代的年均1.2万t迅 速发展到20万t<6>,并在美国提出的反倾销案中胜诉。在国产的桶形辊穿孔机上,不仅使应 用最广的300系列的奥氏体不锈钢成坯率达到98%以上,而且可成批量(几百吨到上千吨)穿 轧国外一般都是在挤压机上生产的双相不锈钢和高温合金。近期出现的用Φ180~230mm水 平连铸坯(断面直径差达20mm)经改进后的三辊斜轧穿孔机穿孔和二辊斜轧机延伸、再冷拔, 生产的成品管D/S可达40,成材率约90%,加之投入较少,又具有一定的产量规模,因此, 质量和成本比同规格品种的焊管具有较强的竞争力。以上事例说明我国斜轧穿孔和轧管工艺技术已 达到相当好的水平。我们以崇敬的心情纪念以曼氏兄弟为代表的国外无缝钢管工艺大师并认真汲取 国外先进技术的同时,更要对符合我国现阶段发展水平的具有中国特色的实用技术给予热情的关注 。2毛管的纵向延伸——轧管工艺直到1890年前后,曼氏兄弟才越来越明确地认识到仅靠改变 轧辊倾角在斜轧机上一道次生产薄壁管是很困难的。最初在穿孔机后采用带导盘的斜轧机,虽然达 到了轧制薄壁管的目的,但由于管外径的扩大,长度几乎没有延伸。与此同时,美国的C.Kel logg在5机架(3H+2V)的二辊轧机上,用浇铸的空心坯带长芯棒进行轧管试验,由于氧 化铁皮嵌入管内表面且脱棒困难,又遭遇到1894年美国经济大萧条,也未获成功。此后,轧管 工艺分别向以下几个方向发展。2.1周期轧管曼氏兄弟于1890年提出周期轧管工艺的专利( DRP58762号,如图4所示),并采纳了老轧钢工长Brüser提出的将毛管从与周期轧 辊旋转相反的方向喂入的建议,随后将喂料方式由人工改为机械弹簧式,进而发展到采用气动-液 压制动的喂料器,使周期轧管工艺充分发挥独特的孔型设计优势,在每一轧制道次中依靠大的减径 量来完成毛管的减壁(延伸系数可在2.0~14.0的范围内),将毛管全长分为许多道次轧制 ,轧出薄而长的商品管。与Kellogg的长芯棒、多机架、一道次的轧管工艺比较,周期轧管 的短芯棒、单机架,多道次,既易轧出长的薄壁管,又易解决脱棒问题,因而首先在欧洲,随后在 美国迅速推广。由此曼氏兄弟最终完成了以实心钢锭为原料,经结构较简化的I式斜轧机,以较小 的延伸系数穿厚壁毛管,用周期轧管机轧成薄壁长钢管的曼氏轧管工艺的商业化,为曼内斯曼公司 百年雄居无缝钢管工业的鳌头奠定了基础。2.2自动轧管1901年前后,在美钢联Nicho lson的领导下,在Shelby、Greenville和Ellwood3个厂同时进行生 产薄壁管的试验。Shelby的试验是在1台闲置的周期轧管机上,将轧辊改为圆孔型进行的。 斯蒂弗尔在此试验的基础上,将他对斜轧技术上的突破,与Heer对二辊式轧管机的改进相结合 ,于1903年11月在Greenville厂建成第1台自动轧管机;1905年,又设置了 均整机,其生产效率、质量成本均优于周期轧管机,这项以斯蒂弗尔命名的继周期轧管机诞生11 年之后出现的第2项轧管工艺,很快在美国和欧洲大陆广泛采用,成为连轧管工艺成熟之前生产无 缝钢管的主力机组。2.3顶管艾哈德(H.Ehrhardt)在曼氏兄弟创业初期另辟蹊径, 为解决斜轧机对管坯质量要求高的难题,于1893年用适于当时炼钢水平的水压冲孔机将方形管坯冲成带杯底的空心坯,其长度基本不变;延伸变形主要是在随后发明的顶管机上进行的。这种工艺由于管子长度较短,生产率和成材率低,没有太大的发展。目前世界上除了几套顶管机组还在生产特大直径厚壁管以及上世纪70年代以后用斜轧穿孔取代水压冲孔而发展的CPE机组仍在生产
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