４．２连轧无缝钢管有限元数值模拟的结果分析 ４．２．１辊型的改变对金属流动的影响

  三辊ＰＱＦ轧机第一机架变形过程中的各横截面 变化如图６所示，其中（ａ）为轧件变形前断面形态；（ｂ） 为刚入变形区时的空减径截面；（ｃ）为轧件与芯棒接触 断面；（ｄ）为轧件与芯棒接触较大时断面；（ｅ）为壁厚减

  薄断面；（ｆ）为最终变形断面图。从图６中能够准确的看出，三 辊轧制后壁厚均匀，壁厚尺寸精度高。 ４．２．２辊缝处金属凸缘对不均匀变形的影响

  图７为三辊ＰＯＦ连轧时变形区应变分布情况。时 间轴上前面的一组曲线为第一机架应变分布，后面的 一组为第二机架应变分布。

  从图７中能够正常的看到，应变沿孔型轧槽周边分布均 匀，不均匀变形小，第一机架辊底处埋性应变最大为 ０．７０７，辊缝处最小为ｏ．３９１，最大塑性应变差值为 ０．３１６。因此ＰＱＦ轧机辊缝处轧件受到的轴向附加张应 力较低，轧制出来的荒管缺陷减少。

  将轧辊单独驱动技术应用在穿孔机、三辊连轧机、 脱管机、张减机上，单辊驱动方式承载能力更强，使张 力稳定，轧制温降小，缩短管端壁厚增厚长度，降低切 头尾损失。减小了轴承的尺寸，使轧制机架体积更小， 结构变得更简单，传输效率更加高。使用先进的电控系 统，解决了轧辊单独驱动转速同步的难题。满足了连轧 机和脱管机压下装置快速打开、闭合的工艺要求。

  采用复合探伤技术（漏磁＋超声波），提高了钢管 质量缺陷检验测试控制的水平，保证产品质量。 ３．２创新点内容 ３．２．１在线脱管，芯棒前行循环的组合技术开发 （１）芯棒在线预穿技术

  芯棒在线预穿技术闭是在轧管机轧制尚未结束 时，轧管机前台的芯棒受料辊道已空出，可以允许新 芯棒进入受料辊道。当上一支毛管轧制结束后，轧管 机前台毛管受料辊道已空出，允许毛管立即旋入主轧 线。在限动齿条回退的同时，新的一根芯棒可以由输 送装置送人待轧毛管以完成芯棒的在线预穿工艺。该 工艺的实现将节省轧制辅助时问５ ｓ以上，同时由于 芯棒从主轧线内预穿至毛管内，使预穿后的毛管在最 短的时问内开始轧制。缩短了毛管内表面与芯棒表面 的接触冷却时间，加之毛管从穿孔机穿出至连轧管机 问距离的缩短，最大限度地减地少了毛管的温度损 失。 （２）芯棒前行循环技术

  本装备技术的开发，不仅有效地解决了轧辊（机 架）更换问题１４］，而且对于生产故障如堆钢事故处理，

  轧管工艺的变形规律，揭示了其变形特征。三辊ＰＱｒ 五个机架连轧，轧制数学模型见图５所示。

  ５ Ｇ００ １５ １∞ ２８７ 士ｆ６一ｔｏ） ±０．５ ９３．７ Ｏ．９３一Ｉ．２３ １１５０ ” 不规则 大

  设计中大量使用新型行程控制液压缸。设备动作 行程小、精度高、速度快，从而在设备布置上节省了宝

  求和轧制工艺对轧制温度控制的严格要求，使各个变 形工序均在最佳变形温区完成，有效地降低了轧制载 荷以及工具消耗，钢管的组织和性能更稳定。 （３）优化的轧制变形分配制度

  引进国际先进的在线热测壁厚系统，该系统基于 激光转化超声波检测技术，具有测量精度高的优点。与 放射源检测技术相比，对使用环境无放射源污染。有利 于环境保护和安全防护。配合生产线个质量监控点 的测长、测径、测温、测速装置形成对钢管质量的动态 ｝盥控。

  集成在线常化工艺，利用轧制余热进行在线热处 理，提高效率，降低能源消耗。

  采用此技术后，１６８ ｍｍＰＱＦ机组设计生产能力达 到３５万妇以上（注：２００４年生产钢管３６万ｔ、２００５年 生产５１．８万ｔ以上）。

  ３．２．３ ＰＱＦ连轧管机结构设计 ＰＱＦ轧机的牌坊设计为全新的整体圆筒形框架结

  构，如图３所示，即５个连轧机架加空减机架的牌坊全 部成为一体，牌坊沿长度方向分成３段，之间为大型螺 杆连接，所有液压系统、电气传动装置等均布置在框 架上。这种整体结构设计使牌坊的刚性更高、稳定性 更好，同时便于运输及安装。

  ＰＱＦ三辊连轧管机组的生产工艺流程…如图ｌ所 示。其中采用了高精度的管坯加热系统，管坯加热温度 偏差±５℃，能保证管坯加热质量。锥形穿孔机可以实 现大延伸率的管坯穿孔，为生产高变形抗力的产品创 造了条件。高精度的＝三辊连轧管机以三个轧辊组成的 孑Ｌ型封闭性更好，同时配备有液压压下系统，能轻松实现 钢管高精度的轧制。张减机组共有２４架，能轻松实现大 范围的减径和减壁，同时备有可调式精轧机架，可以进 行外径精度的即时调整。 ３主要集成内容及创新点 ３．１集成难点及内容 ３．１．１集成的难点 （１）设备选型采用“点菜式”，供货厂家多（国内国 外）、接口多、加之无缝钢管生产工序多（１９个），整条 生产线在设备设计、自动化控制系统的衔接上难度极 大。 （２）开发与ＰＱＦ三辊连轧管机组相配套的工艺技 术，如自主开发在线脱管／芯棒前行循环，在线常化等 技术；配套应用新型２４机架张力减径机及第一套新型 激光转化超声波热态壁厚测量系统，这些技术为世界 首创，难度极大。 ３．１．２集成的主要内容

  ２００１年，国家批复了天津钢管集团有限公司第二 套轧机工程项目，为了将这套轧机建成世界最先进的 连轧管机组，公司决定采用新型三辊轧制工艺，并组织 成立了ＰＱＦ三辊连轧管机研发项目组，辅助以有限元 分析方法模拟钢管轧制过程并取得了重要数据，为工 艺设计提供了理沦依据。工程投产后，项目组在引进技 术消化、吸收的基础上，就实际应用过程中出现的不足 进行改进，发挥本机组的优势，开发超薄壁气瓶管、准 贝氏体高耐磨合金管、奥氏体和铁素体不锈钢管等一 系列新产品。 ２ ＰＱＦ三辊连轧管机组的概况 ２．１ ＰＱＦ三辊连轧管机组主要建设内容

  见图２。它采用液压压下控制的单机架三辊独立 外传动方式１３］，控制孔型的打开和闭合。当脱管机将荒 管从芯棒上脱出，芯棒即将开始向前运行时，每架脱 管机的三个轧辊快速打开，允许芯棒容易地通过三个 脱管机机架。该技术的开发是芯棒前行循环技术的前 提，彼此结合后即形成了限动芯棒轧制／在线脱管，芯 棒前行循环的组合技术。

  再历亓百磊磊ｉ而ｊ：而蒙再甄莱三等奖；获２００７年度冶金科学技术奖一等奖

  为主变形工艺，以此为核心，集成全套生产线，具体内 容如下。 （１）合理的工艺布局

  贯彻高效率、低消耗的设计思想，在设计中尽可能 减少轧件在各个工序间传输的工位，提高传输速度， 缩短传输时间。使轧件温降小，同时缩短轧制节奏。

  的设想，２０世纪９０年代初在试验室里用改造的定径 机进行了轧制试验，成功地试轧成口４８ ｍｍｘｌ ｍｍ的 热轧管，引起了世界各国广泛的关注。但足在此后十多 年的时间里，新建的连轧管机组没有一家选用新型三 辊轧机，主要是因为三辊连轧管机的结构复杂，而且在 实际生产中存在的一些难题，在设计上还没有一个可 信的方案。试验室的研究成果与形成一套完整的工艺 设计和设备设计还存在相当大的差距，作为工程项目 建设这样一套新型轧机将存在着很大的风险。

  达到２４ ｓ，突破了限动芯棒轧机生产节奏的瓶颈。 将环形加热炉布置在管坯准备跨和热轧跨之间，

  并采用弧形辊道过跨传输管坯至穿孔机前台；采用冷 定心代替热定心，减少热轧线工序，使管坯从出料至 穿孔机开轧的时间缩短为５０ ｓ。

  采用芯棒在线预穿的设计，使预穿后的毛管在最 短的时间内开始轧制。与离线预穿方式相比，有效地 缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间。减慢毛管 的温降速度。 （２）紧凑的结构设计

  连轧主机的结构设计紧凑，其轧制机架总长小于 ５ ｍ，因此，轧件的轧制温降减少，芯棒长度得以缩短， 降低了工具消耗和能耗。

  在世界上首次采用侧挂式芯棒夹持方式，使在线 预穿齿条的工作行程与限动机构的工作行程互不干 扰。简化设备动作步序，提高轧制节奏。

  使用毛管横移车，提高毛管传输速度，缩短了毛管 从穿孔机轧制结束至连轧开轧的传输时间，减少了毛 管的温度损失。

  格范围是外径为３１．８ ｍｍ。１６８．３ ｍｍ，壁厚为３．２ ｍｍ ～２２．０ ｍｍ，长度为６ ｍ～１５ ｍ。主要品种为油井管（包 括套管、油管、钻杆）所需的管体料，占全部产品的６０ ％。其它产品为高压锅炉管、气瓶管、管线管、液压支架 管、船舶管和输送管等。 ２．３ ＰＱＦ三辊连轧管机组工艺流程

  ３．２．４ ＰＱ７连轧管机机架更换装置的开发 本项目组在对国内外其它无缝钢管机组及板带轧

  机换辊方式研究的基础上反复论证，采用长行程液压 缸（位置处于脱管机地下基础内），可有效处理机架卡 阻问题。同时开发多段轮式机架更换小车如图４所示， 可允许对机架（包括芯棒支撑架）进行单独更换。

  严泽生１庄刚，孙强ｚ高展展ｚ （１．天津钢管集团股份有限公司，天津３００３０１ ２．天津钢管集团股份有限公司１６８新型钢管厂，天津３００３０１）

  【摘要】天津钢管集团股份有限公司引进了意大利ＩＮＮＳＥ公司的设计理念，借助有限元分析方法对三辊连轧变形特点

  的模拟研究，通过在Ｌ程设计、设备设计和工艺设计等方而的一系列创新性的开发与生产应用，建成了世界上首套ＰＱＦ三辊连 轧管生产线。介绍了该生产线的机组慨况、创新内容及实际应用的情况。

  ２００３年９月投产以来，累计生产钢管１５０万ｔ，远远超 过原年设计产量３５万ｔ。成材率逐年提高，２００６年达 到９２．０８％，超过二辊ＭＰＭ机组。切头尾损失比二辊 ＭＰＭ轧机减少近４０％。作业率不断提高，２００６年达到 ７５．２１％。生产的钢种范围广，除生产碳钢和低级合金 钢外，还成功地轧制了Ｔ９１、１３Ｃｒ、超级１３Ｃｒ超级３０４ 高合金钢、不锈钢等难轧品种。开发的高耐磨输送管 其抗拉强度、表面硬度分别达到１ ５００ ＭＰａ和ＨＲＣ为

  芯棒前行循环技术的基本原理为：在连轧管机限 动芯棒轧制结束，荒管尾部出精轧机后，芯棒停止前 进（芯棒头部位于脱管机前，未进入脱管机），荒管在脱 管机内继续前进，最终与芯棒完全脱离，然后芯棒限 动系统将芯棒松开，芯棒立即前行，通过脱管机，并在 脱管机后台拨出轧制线。在芯棒前行时，芯棒限动齿 条回退，同时下一根毛管及芯棒已被拨入轧管机前 台，并进行芯棒穿人毛管的操作。这样前后台辅助设 备动作时间重合，相比传统限动芯棒轧管机，可以节 省芯棒同退时间，使轧制周期大为缩短（轧制周期时 间达到２４ ｓ），生产能力大为提高。 ３．２．２三辊快速打开技术

  ＰＱＦ三辊连轧管机组包括一条直径口１６８ ｍｉｌｌ的 热轧无缝钢管生产线，主要有管坯切割锯、环形加热 炉、锥形辊穿孑Ｌ机、ＰＱＦ三辊式高精度五机架连轧管 机、再加热炉、带有ＣＡＲＴＡ技术的２４架张力减径机、 冷床、管排锯、矫直机、吹灰装置及涡流探伤装置等主 要设备；两条钢管精整线，主要有超声＋漏磁组合式探 伤、倒棱机、水压机、测长、称重、标记、打捆、修磨等设 备；配套设施有水处理、除尘设施等。

  选用锥形穿孑Ｌ＋ＰＱＦ连轧管＋限动芯棒，在线脱管， 前行循环＋在线常化＋张力减径组成热轧线生产主要 工艺。借鉴传统连轧管机的经验，合理分配穿孔、连轧、 张力减径三大主变形工序的延伸系数。使用口２１０ ｎｌｌｎ

  延伸系数超过７０。配合ｌｏｏ ｍ的冷床设计宽度以及预 精整配套设备，能轻松实现８倍尺钢管生产。小时能力达 到１４０ Ｉ／１１。 （４）先进的技术和装备综合应用