庄 钢，陈洪琪，高瑞全
（1. 中国钢结构协会钢管分会，天津 300301；
2. 天津钢管制造有限公司，天津 300301）
以全浮动长芯棒为代表的连轧管机于20 世纪60年代在欧洲、日本得到快速发展，70年代后期欧洲又发明了半浮动芯棒和限动芯棒连轧管机。20世纪80年代初宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）从德国引进了第一套Φ140 mm 全浮动芯棒连轧管机组，此后天津钢管集团有限公司（简称天津钢管）、衡阳华菱钢管有限公司（简称华菱衡钢）、包头钢铁（集团）有限责任公司（简称包钢）也陆续从欧洲引进了限动芯棒、半浮动芯棒连轧管机组和少机架连轧管机组［1-2］。21 世纪以来我国钢管企业又引进了一大批更先进的三辊连轧管机组，后来又参照国外设备自主开发建设连轧管生产线，至今已建有48 套连轧管机组。其中限动芯棒连轧管机组46 套，全浮动芯棒、半浮动芯棒连轧管机组各1套。在46 套限动芯棒连轧管机组中，三辊连轧管机组28 条，其余均为二辊连轧管机组［2-16］。下面就连轧管机的发展分别作一叙述。
我国引进的二辊连轧管机组迭代发展过程及相关数据见表1。
表1 我国引进的二辊连轧管机组迭代发展过程及相关数据
1.1 全浮动芯棒连轧管机组
宝钢股份无缝钢管厂Φ140 mm 全浮动芯棒连轧管机组（8 机架，呈45°布置）1985年建成投产，是我国从德国引进的第一套先进的热轧无缝钢管机组，设计产量50 万t/年，产品规格为Φ21.3～139.7 mm，壁厚2.0～25 mm，主要用于生产油井管和锅炉管。该机组具有现代化的管理模式和在线自动化运行方式。它的建成投产大大提高了我国热轧无缝钢管技术装备水平，提高了无缝钢管产品的质量和生产的各项技术指标，尤其是生产效率和产品表面质量。该机组投产以来创造出了很多了不起的业绩：轧制节奏最快达到了3.5～4.0 支/min，最高产量超过了80 万t，较好地改善了竹节缺陷问题等。该机组的建设成为了我国无缝钢管现代化发展史上的一个里程碑。
1.2 限动芯棒连轧管机组
天津钢管Φ250 mm 限动芯棒连轧管机组（7 机架，呈45°布置）从意大利引进，1992年建成投产，是我国引进的第一套限动芯棒连轧管机组，产品直径114.3～273.1 mm，壁厚4.5～35 mm，主要产品定位于当时国内紧缺的石油套管。该机组的先进性在于采用了限动芯棒+脱管工艺，解决了浮动芯棒产生的竹节问题，脱棒后管端头部不规则和需在线切头问题以及不适于生产较大规格的钢管等问题；
该限动芯棒连轧管机组还配置了在线常化设备，可生产出组织均匀、晶粒度较细、强韧性较高的产品；
采用了双侧换辊小车，缩短了换辊时间。该机组创造出了多项世界第一，如产量多年超过了90万t/年，2006年达到了100 万t/年；
在线常化生产量最多时超过了11 万t/年。
1.3 半浮动芯棒连轧管机组
华菱衡钢Φ89 mm 半浮动芯棒连轧管机组（6机架，平立布置）1997年建成投产，该连轧管机组从德国引进，是我国第一套半浮动芯棒连轧管机（也是唯一的一套）。产品直径25～89（127）mm，壁厚2.5～12 mm，主要产品为高压锅炉管。半浮动芯棒连轧管机组既有限动芯棒连轧管机组壁厚精度高的特点，又有浮动芯棒连轧管机轧制节奏快的特点。但是该机组在设计时，穿孔机采用了单支顶杆循环，顶杆小车采用钢丝绳绞盘驱动，使机组的轧制节奏大打折扣。2019年中冶赛迪集团有限公司（简称中冶赛迪）对该机组进行了升级改造，包括穿孔机顶杆循环采用了多支循环、成套更换了6 机架单侧换辊限动芯棒三辊连轧管机等。改造后机组产品质量、生产品种钢能力等显著提升，轧制节奏、产量也有了提高，但与理想的水平仍有一定的差距。
1.4 少机架限动芯棒连轧管机
包钢Φ180 mm 限动芯棒连轧管机组（5 机架，平、立布置）2000年建成投产（国内第一套5 机架连轧管机组）。该机组从意大利引进，产品规格为Φ60～245 mm，壁厚3.2～25 mm，主要产品为油井管和锅炉管。该机组首次采用了轧辊液压压下，响应速度快，调整精度高，替代了传统机电压下系统，同时配套了头尾削尖的工艺控制模型；
由于5机架，在同一名义尺寸下，轧机牌坊尺寸、轧辊尺寸相应减小，芯棒长度缩短，投资降低。
1.5 最后引进的二辊连轧管机组
华菱衡钢、攀钢集团成都钢钒有限公司（简称攀成钢）Φ340 mm 限动芯棒连轧管机组投产于2004—2005年，晚于天津钢管的Φ168 mm PQF 机组，为国内最后引进的二辊连轧管机组。这两套机组的先进性：轧线配置了工艺控制模型（包括CARTA-CPM/SM、PSS HCCS、MTS、QAS 等）。
三辊连轧管工艺是20 世纪80年中期意大利人帕尔马提出的设想，90年代中期帕尔马到中国来介绍其工艺思想，提出尽管只是增加一个轧辊，但却带来一系列的优点，他的思想也得到了国内一些专家的赞同。20 世纪90年代末，天津钢管建设Φ168 mm 机组时选择了三辊连轧管工艺，并于2003年建成投产，它的建设在全球钢管界引起了很大的关注。Φ168 mm 三辊连轧管机组投产后，生产出的产品不仅质量好、成材率高，而且还成功地轧制出了如T91、13Cr、SUP13Cr、304、316 等难变形金属，以及后来的Φ460 mm 机组还轧制出了双相不锈钢等。三辊连轧管机组自问世以来，以其先进的生产工艺技术指标，展示了新一代的热连轧无缝钢管技术优异的工艺特性。引进的三辊连轧管机的迭代发展过程及相关数据见表2。三种换辊形式如图1 所示。
图1 三辊连轧管机的三种换辊形式
表2 引进的三辊连轧管机的迭代发展过程及相关数据
2.1 全球首套三辊连轧管机组
天津钢管Φ168 mm 三辊限动芯棒连轧管机组（5 机架+1 架空减机）2003年建成投产，是世界上第一套三辊连轧管机组（PQF），产品直径32～168 mm，壁厚3.5～22 mm，主要产品为油套管、钻杆、高压锅炉管等，还可轧制高合金、不锈钢管等难变形金属。
该机组的主要创新点：①采用了三辊孔型设计。尽管只是增加一个轧辊，但却带来一系列的优势，壁厚精度更高、表面质量更好、拉凹/裂的缺陷大幅减少、金属收得率提高、可轧制变形抗力更高或更难变形的金属、可轧制径壁比D/S 更大的钢管、工具消耗降低；
②轧机的牌坊连成一体，并呈隧道形状的结构，使得牌坊的刚性更高、稳定性更好、受力均匀、轧机更加紧凑；
③机架也设计成近似圆形，其刚性、稳定性、受力均匀等同牌坊，采用摆臂式结构使轧辊平衡简捷，维护方便；
④采用液压压下装置，通过HCCS 模型和PSS 模型实现辊缝控制、温度补偿、咬入冲击补偿、锥形芯棒伺服和头尾削尖等功能；
⑤采用芯棒前行循化缩短了轧制节奏，提高了机组的产能。
2.2 4 套大直径连轧管机组
天津钢管Φ460 mm PQF 连轧管机组是国内第2 套三辊连轧管机组，也是当时国内最大的连轧管机组。该机组2004年策划建设并选址，2007年2月投产，主要品种是流体输送管、结构管、管线管、石油套管、油井管接箍料、高压锅炉用管、低中压锅炉用管、液压支柱管、气瓶管及高合金的无缝钢管等。机组由导板式锥形辊穿孔、5 机架三辊连轧管机、10 机架微张力定（减）径机构成。机组没有采用导盘式穿孔机、6 机架连轧管机、再加热炉，均是出于减少设备投资和厂房的占地面积的考虑，减少了工具费用，就减少了总投资。另外，考虑到各机组变形分配（连轧管机的部分变形量前移至穿孔机）以及轧制高合金钢、不锈钢等产品的需要，穿孔机的电机功率由原外方提出的5500 kW×2，增加到6500 kW×2。机组采用了先进的CARTA—穿孔机工艺辅助设计系统、CARTA—定（减）径机工艺辅助设计系统，连轧管工艺参数设定的计算及在线工艺数据跟踪系统（PSS），连轧自动辊缝控制系统（HCCS），物料跟踪系统（MTS）和在线检测系统等工艺控制技术。机组在设计时预留了控轧控冷装置的位置，增加了从定（减）径机出口到冷床的长度。
烟台宝钢钢管有限责任公司、包钢分别于2011年、2012年也建设了Φ460 mm PQF 连轧管机组，这两个机组总体设计与天津钢管的Φ460 mm 机组相似，结合天津钢管的生产经验，将该两个机组管坯规格增大，穿孔机轧辊直径由1450 mm 增加到1500 mm，减速机的减速比由5 增大到6，电机功率增加到7800 kW×2，提高其轧制力矩。该两个机组也都配套工艺控制软件/模型。稍晚建设的世界最大的连轧管机组——江苏天淮钢管有限公司Φ508 mm PQF 连轧管机组也于2012年5月热试成功，其机组的规格扩大到Φ508 mm，机组的相应能力也都作了适当调整。
2.3 轧辊单侧换辊方式
天津钢管的Φ258 mm PQF 连轧管机组是国内第三套三辊连轧管生产线，2008年投产；
安徽天大Φ273 mm PQF 连轧管机组、江苏锡钢Φ258 mm PQF 连轧管机组分别投产于2009年和2010年，这3 套机组的创新点是采用单向侧换辊方式。由于轴向换辊，无论是单架换辊还是全部更换，都必须将轧辊全部拉出来，这对于单架换辊来说，是非常不便的。另外，轴向换辊的轧机结构对于设备点检、维护以及工艺事故的处理也都带来很多不便。所以Meer/INNSE 公司开发出了单向换辊的轧机结构和侧换辊的方式，解决了上述问题。但同时也带来了机架定位、机架中心线易偏移等的不足。
2.4 达涅利的FQM 连轧管机组
攀成钢Φ159 mm FQM 连轧管机组是国内引进的第一套达涅利公司的连轧管生产线，此后黑龙江建龙、江阴华润也都引进了达涅利的连轧管生产线。3 条生产线连轧管机均采用了轴向换辊，与Meer/INNSE 公司设计不同的是机架结构，机架结构结合了二辊连轧管机的结构形式，轧辊的压下是直接压到轧辊的轴承座上，这使得辊缝调节更简捷、更直接。另外，张力减径机采用了KOCKS 公司的装备技术，24 架轧辊单独传动，交流变频调速，后3 个机架轧辊径向可调，便于张力的调整，减少了机架的更换次数和更换时间。
2.5 轧辊双侧换辊方式
江苏常宝2021年投资建设的Φ159 mm PQF连轧管机组是国内近年来唯一引进的三辊连轧管生产线，6 机架，双向侧换辊。双向侧换辊，由于设备为对称安装（包括传动系统、压下系统），轧机主体受力均衡（牌坊周向刚性均匀），使轧制中心线更趋稳定。该生产线在产品设计中包含了T91、T92、13Cr 等高合金钢产品。整条PQF 生产线采用了先进的数字化和智能化设计，建有MES 生产管理系统，能源管理系统、设备管理系统、质量大数据系统和逐支跟踪系统，生产工艺实现了模块化、数字化，并实现了一键调整功能。该生产线是目前国内整体装备水平最高的一条生产线。
经过30 余年的消化、吸收、再创新，国产连轧管机已基本达到国际先进水平。太原重工股份有限公司继与国外联合设计宝钢股份Φ140 mm 机组和天津钢管Φ250 mm 机组后，又自主设计、制造、集成了多套三辊连轧管机组，规格包括Φ159 mm、Φ180 mm、Φ273 mm 等；
太原通泽重工有限公司2006年自主设计、制造、集成了国内第一套Φ250 mm 5 机架二辊限动芯棒连轧管机，之后又陆续设计、制造、集成了Φ114 mm 二辊连轧管机组和Φ159 mm、Φ273 mm、Φ356 mm 等多个规格三辊连轧管机组；
中冶赛迪分别于2012年、2017年和2019年自主设计、制造、集成了Φ76 mm 3 机架、Φ89 mm 6 机架、Φ127 mm 5+1 机架三辊连轧管机组和正在建设的Φ159 mm 5 机架三辊连轧管机组。以上机组的设备的控制精度、自动化水平、液压伺服压下技术等逐步提高，代表了我国轧管设备制造和工艺发展水平。国产的连轧管机组的建设推动了中国钢管工业的高速发展。国产连轧管机的特点和发展过程见表3。
表3 国产连轧管机的迭代发展过程及相关数据
3.1 国内自主设计制造的第一套连轧管机组
西姆莱斯Φ250 mm 二辊限动芯棒连轧管机组（5 机架+1 架空减机）2006年建成投产，产品直径73～273 mm，壁厚4.5～35 mm，主要产品是油套管、钻杆、流体管、结构管等，设计产能50 万t。该机组参照了包钢Φ180 mm 机组，轧辊采用平立布置的设计结构，立辊采用下传动，换辊时，平辊侧出，立辊用吊车从轧机上方吊出。该机组的建设对我国连轧管机组的国产化建设和发展，产生了很大的影响，起到了重要的推动作用。
3.2 国内自主设计制造的第一套三辊连轧管机组
山东墨龙石油机械股份有限公司（简称山东墨龙）Φ180 mm 三辊连轧管机组和林州凤宝管业有限公司（简称林州凤宝）Φ180 mm 三辊连轧管机组分别投产于2010年和2011年，产品直径均为60～180 mm，壁厚3.5～20 mm，设计产能35 万t。这两套机组均采用轴向换辊方式，采用了伺服液压压下，轧辊压下的结构方式与达涅利的设计相似，是直接压到轧辊的轴承座上，机架的结构设计更简捷。
3.3 平立布置的二辊限动芯棒连轧管机组的改进型
辽阳西姆莱斯Φ114 mm 机组6 机架平立布置，2010年建成投产，产品直径60.3～140 mm，壁厚3.5～20 mm，设计产能20 万t。该机组在总结西姆莱斯Φ250 mm 机组生产应用经验的基础上，对连轧管机的设备进行了改进和创新：①开发出了轧辊伺服液压压下装置，同时配套开发了头尾削尖的工艺模型（在国内首次应用于连轧管机上）；
②在轧辊平立布置的结构中，将立辊的传动由下传动改为上传动，避免了轧辊冷却水对传动系统的侵蚀；
③采用了单侧换辊即平辊、立辊均侧进侧出（原立辊是用吊车从轧机上方吊出）。这些工艺技术的开发，进一步提高了二辊限动芯棒连轧管机组的装备水平，后来建设的重庆钢铁（集团）有限责任公司Φ114 mm 机组和山东磐金钢管制造有限公司（简称山东磐金）两条Φ159 mm 机组均采用上述工艺技术。
3.4 Φ89 mm 小直径连轧管机组
辽宁天丰特殊工具制造股份有限公司（简称辽宁天丰）Φ89 mm MPM 机组、林州凤宝Φ89 mm 三辊连轧管机组、包钢Φ89 mm 三辊连轧管机组分别投产于2017年1 月、2017年10 月和2020年。各机组的规格见表3。换辊的方式，辽宁天丰平辊采用侧出，立辊采用吊车从轧机上方吊出；
林州凤宝采用侧向换辊；
包钢采用轴向换辊。
林州凤宝、包钢两条生产线均采用了伺服液压压下装置，配套了工艺控制模型，包括连轧管机“削尖轧制”、张力减径机CEC 控制。另外林州凤宝配套了在线常化设备，包钢也在张力减径机前配备6 组感应加热，以控制荒管进张力减径机的温度。辽宁天丰在热轧线上将管坯、荒管的输送采用直通式，即环形炉出料机将管坯直接放在穿孔机前台的输送辊道上；
连轧管机、脱管机、张力减径机的辊道同在一条线上，并安装了保温罩，减少了运输过程的降温。
3.5 无缝钢管智慧工厂智能制造示范生产线
承德建龙特殊钢有限公司（简称承德建龙）Φ258 mm 6 机架三辊连轧管机组采用单向侧换辊，2021年底建成投产。该生产线实现了热轧线集中操作、生产线采用了先进的数字化和智能化设计，建有MES 生产管理系统、质量自动判定和预测系统、钢管逐支追踪、智能设备管理和智能安防等功能。
3.6 山东磐金钢管6 条连轧管机组
山东磐金钢管Φ159 mm MPM 机组2 条，Φ180 mm 三辊连轧管机组2 条，Φ273 mm 三辊连轧管机组2 条，投产于2018—2019年。各机组的规格见表3，6 条机组均采用侧向换辊，采用了伺服液压压下装置，配套了工艺控制模型。该6 条机组的主要创新点：①在国内首次采用了管坯热送热装工艺；
②采用了步进式加热炉；
③采用一个炉子供两条热轧线的生产摸式。
（1） 小直径薄壁管的生产。
21 世纪前10年，我国连轧管机组的结构还是偏重中大直径机组。市场上小直径薄壁钢管还是以穿拔生产的产品为主，所以2010 —2022年我国新建了近20 套中小直径的连轧管机组，这使得连轧管机组的结构有了很大改善。但是这些新建机组在投产后不长的时间，其生产的规格范围整体上移，其设计的产品下限规格如Φ25 mm、Φ32 mm、Φ38 mm 很少生产或不生产，随着时间的推移，后来基本就不生产了。究其原因：①小直径薄壁管产量低（单重低，多数精整线设备能力难以满足小直径钢管数量增加的需要）；
②轧制难度大（质量控制难度大如壁厚精度的控制，尤其是头尾壁厚精度控制，内六方的产生等）；
③价格不高（受同规格冷拔管价格限制）。正因为如此，Φ38 mm 及以下、壁厚3.5 mm 及以下小直径钢管热轧机组很少轧制，多数情况是采用穿拔工艺生产。热轧小直径薄壁钢管生产中的一些技术问题、质量问题，一直以来就没有得到很好解决，这也是我们与国外先进企业之间的差距。
（2） 小直径钢管轧制节奏问题。
提高小直径连轧管机组轧制节奏一直是行业所关注的问题。热轧线的生产节奏主要受穿孔机、连轧管机两工序的影响。①穿孔机顶杆运行方式是影响轧制节奏的主要因素，多支顶杆循环运行，节奏可以达到3.5～4 支/min；
单支顶杆运行，节奏可达到2.5～3 支/min，当然与坯料的长短也有关联。②连轧管机的芯棒运行方式也是影响轧制节奏的主要因素。浮动芯棒机组的轧制节奏达3.5～4 支/min，半浮芯棒机组可达3～3.5 支/min，芯棒前行循环的限动芯棒机组可达2.5 支/min，芯棒返回式的限动机组仅能达2.0～2.2 支/min。与前两种机组相比，小直径限动芯棒机组的生产效率要低很多。笔者10 多年前曾与德国Meer 公司的设计人员，就某企业Φ140 mm 机组项目芯棒前行循环的改进进行过深入讨论，但由于实施难度很大最终放弃了（该项目因资金问题最终没有实施）。③配有芯棒预穿可以提高连轧管机的轧制节奏，但对于小直径毛管来说，芯棒预穿时会使毛管降温较大，尤其是轧制薄壁管时，毛管的降温会更大，其负面影响也会加大，如轧制负荷升高、芯棒磨损加快等。一般情况下小机组的芯棒预穿很少用或基本不用，目前一些新建的小直径机组已不采用芯棒预穿的功能。④近年来Meer 公司在与国内企业交流时，提出了提高限动返回速度来提高轧制节奏的改造思路。但由于无缝钢管产能严重过剩，国内各机组产量都不很饱满，所以，提高机组轧制节奏的关注度也没有过去那么迫切了。但就技术问题来讲，小直径限动机组的轧制节奏是限制其产能的主要“瓶颈”。
（3） 工艺技术与数字化、智能化的深度融合是钢管行业发展的大趋势。
随着我国制造业数字化、智能化的发展，钢管行业的数字化、智能化也纳入到行业“十四五”发展的重要日程。将生产装备、工艺技术与数字化、智能化深度融合是钢管行业转型升级的重要抓手，同时也是钢管“十四五”发展规划中的一项重要任务。进入21 世纪以来，我国钢管企业在引进设备中，都选择性地配套了工艺控制模型。如CARTA—穿孔机工艺辅助设计系统、CARTA—定径机工艺辅助设计系统；
连轧工艺参数设定的计算及在线工艺数据跟踪系统PSS，连轧自动辊缝控制系统HCCS（通过HCCS 模型和PSS 模型，实现辊缝控制、温度补偿、咬入冲击补偿、锥形芯棒伺服和头尾削尖等功能）；
物料跟踪系统MTS 和在线检测系统等工艺控制模型等。但是这些工艺控制模型引进后，大多数企业都没有引起足够的重视，没有组织力量对这些工艺控制模型进行认真的消化、应用（当时企业注意力还是放在项目的投达产以及工艺、设备稳定运行上），其中确实存在着个别企业技术实力不能应对或因检测设备存在问题，数据/信息不能正常传递，使这些软件/模型不能正常应用而被搁置的问题。近年来，随着钢铁行业数字化、智能化的大力推进，大多数企业已经意识到了数字化、智能化的重要作用，而且部分引进工艺控制模型并坚持应用完善的企业已经得到了很好的效果。未来，钢管行业一方面要把已有的工艺控制模型进一步完善好，应用好；
另一方面，结合工艺技术、品种不断发展需求，开发出更多的更好的工艺模型。
中国要成为世界钢管强国，要引领世界钢管工艺技术的发展，我们还有一段路要走。在发展的道路上，我们要自信，但不能盲目的自大，还要继续虚心吸取国外的先进经验，要结合目前工艺技术方面存在的短板，认真地脚踏实地学习、钻研，并结合与数字化、智能化融合，去攻克这些难点，真正使我国钢管技术的发展走在世界的前列。
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