无缝钢管的现状及发展前景目录1. 无缝钢管在世界钢管市场上的地位 (2)1.1 无缝钢管和焊管的产品规格及质量标准的划分.....................................2 1.2 生产成本结构.......................................................................................3 1.3 无缝管和焊管的市场分配比例..............................................................3 1.4发展趋势 (5)2. 新工艺为无缝钢管称霸世界奠定了基础 (6)2.1 工艺控制系统和工艺自动化系统 (C ARTA ®)...........................................6 2.2 新型的在线激光测量系统(L ASUS ®测量系统).....................................15 2.3 偏心率(Eccentricity Control)的方案和系统原理..................................21 2.4 轧机机械构造和轧制工艺的技术改进.................................................24 2.5微型3辊组合轧机(3RCM) (33)3. 发展趋势 (38)3.1 以工艺为基础进行生产计划,生产控制和质量管理.............................38 3.2热轧成品管的各种质量检查 (39)朱光亚数字签名人 朱光亚DN ：cn=朱光亚，c=CN-中国，o=西姆莱斯，ou=锡钢，email=zhuguangya1971@ 日期：2010.09.1817:12:25 +08'00'1.无缝钢管在世界钢管市场上的地位1.1无缝钢管和焊管的产品规格及质量标准的划分如果要想了解钢管市场上无缝管和焊管的竞争能力首先必须了解各自的技术性 能,质量标准和生产成本的消耗.除此而外当然还有许多其他因素也会导致钢管市场分配的变化.表1示出焊管和无缝管的一些常用的产品规格.壁厚(毫米)钢管(无缝管和焊管)的规格范围外径(毫米)焊管无缝管表1: 无缝管和焊管的产品规格范围焊管的重心立足于薄壁管生产.在这个方面焊管显示出突出的经济性优点.至今为止在焊管生产中,其壁厚的变形极限尚在使用1:6的直径/壁厚比.不过近年来焊管的规格和壁厚范围在不断地扩大.无缝管的重心立足于厚壁管生产,也就是说具有较大的直径/壁厚比.所以一些中厚壁的管子既可采用焊管也可采用无缝管,但是纯粹的厚壁管就只能采用无缝管,绝不能用焊管来代替.另外,还有大约400种钢种的无缝钢管是焊管不能代替的.此外还由于一些特殊用途的无缝钢管也不能用焊管来代替,例如由于安全性要求高的钢管.1.2 生产成本结构图1示出,在无缝钢管和焊管生产中,中等规格钢管的生产成本.其中,焊管的材料成本相对较高.通过采用热轧宽带钢可使其成本下降约12%,现在通过CSP技术可以使成本再次下降,预计为22%.无缝管焊管坯料成本轧机成本精整和运输成本图1:无缝管和焊管的成本结构在无缝薄壁管的生产中,较高的切头损耗会导致材料成本增加,再加上较高的检验成本和管加工成本,最后使整个所以生产成本增加.通过使用热区在线测量系统,通过轧制工艺的最佳化系统和工艺自动化控制等可以解决这个问题.原则上讲,中等壁厚和薄壁焊管的生产成本较低,比相同规格的无缝管的成本低大约10%.因此对于普通的商业用管来说,焊管占据市场优势.1.3 无缝管和焊管的市场分配比例图2示出从1985到1994年之间世界各国钢管需求的市场情况,其中包括了西方各国,东欧各国(包括俄国)以及中国.从图中看出,西方国家和中国长期以来都持上升趋势,但上升幅度有明显的区别.吨)万1(况状产生管钢世界范围 西方国家 中国 东欧国家(包括前苏联)图2:钢管生产的产量概况图3示出钢管市场上世界各国对无缝管需求的比例.图中看出,在西方国家的无缝管所占比例逐渐下降,至今只占大约25%,而中国大比例却逐年上升占大约45%.东欧国家无缝管所占比例在50%以上.从1995年起无缝钢管市场的还在继续发展,所以无缝管将由焊管代替的迹象越来越少,几乎没有可能.)%(例比的管钢缝无世界范围 西方国家 中国 东欧国家(包括前苏联)图3:无缝管的世界市场比例分配1.4 发展趋势在焊管生产中,通过采用CSP技术使生产材料成本下降.在无缝管生产中也有很多技术措施和技术发明能促使生产成本下降,例如在轧制生产中采用连铸圆坯,另外还有一些改善无缝钢管直径和壁厚公差的措施等.提高成材率的和降低管加工成本也能相应地降低生产成本.针对这一目的本文在以下章节里较为详细地报导了这些技术措施.2. 新工艺为无缝钢管称霸世界奠定了基础2.1 工艺控制系统和工艺自动化系统 (C ARTA®)2.1.1 目标和基本方案中小型规格的现代化无缝钢管轧机的成材率一般在大约90%到98%之间,不同的轧制工艺和轧机装备对成材率也有影响.例如材料损耗,虽然其中一小部分材料损耗来自烧割氧化,但是另一大部分的材料损耗来自钢管尺寸超差,切割损耗导致材料成本增加,这个材料成本大约占无缝管生产成本的50%.因此在当今钢管市场的激烈竞争中无缝钢管面临着一个重要问题,即如何解决钢管尺寸超差的问题.钢管尺寸超差的原因有多方面:例如工具磨损,材质,摩擦以及温差等条件都会对钢管尺寸精度产生极大影响.另外钢管尺寸超差还会出现一些特殊的缺陷,例如:偏心率,轧槽,管端增厚,内六方及椭圆度等.在出现尺寸超差时常常还产生钢管的材质缺陷,例如折叠,结疤和裂纹等等缺陷.在钢管市场上,用户对钢管公差精度的要求越来越高,也对钢管生产厂提出了更严峻的考验,因此,为了提高产品精度,降低成本,减少废品,只有进行技术革新,采取各种自动化措施,才是唯一的出路.因此一种C ARTA®自动化系统应运而生.通过采用C ARTA®自动化系统能提高钢管质量,提高经济效益,现在这种C ARTA®自动化系统已经在很多钢管厂投入使用.下面举例说明,如果一家年产量20万吨的钢管厂,在采用C ARTA®系统以后,钢管公差精度只要提高1%,会节省成本60万欧元.采用C ARTA®系统能使钢管公差精度提高10%.一言一蔽之,C ARTA®系统是一种先进的工艺自动化系统.通过它使钢管工艺达到最佳状态,保证了钢管质量,减少废品率.生产计划C ARTA ®/工艺自动化系统C ARTA ®-CPM ( 斜轧穿孔机)自动化系统 C ARTA ®-MPM/PQF 连轧机自动化系统 C ARTA ®-SRM \张力减径机自动化系统数据库 工艺室 轧制工具 生产 经验数据库 工艺室 轧制工具 生产 经验数据库 工艺室 轧制工具 生产 经验生产控制系统 质量保证系统图4: 热轧生产区的C ARTA ®工艺系统这种工艺系统可以从头到尾地贯穿在整个轧制线上,即在穿孔机,延伸机,张力减径机上成为一体,这三个轧机机组都存在这些工艺问题,由于一些特殊条件的限制而导致产生钢管偏差和质量缺陷.这种实施方法是在每个轧制机组上安装该工艺系统的主要组成部分:工艺计划,工艺过程管理和质量保证管理等系统.通过工艺计划系统能使轧机和轧制工具达到最佳化的基础调节.通过工艺过程管理系统能使生产中所有的轧制过程全部保持良好的轧制状态.通过质量保证系统能将记录生产中每根钢管的有关数据并输送给工艺检测系统进行分析评定.通过上位计算机与每个单机上的子程序进行数据连接和工艺联网,进行各种工艺检测.2.1.2 工艺计划和工艺最佳化“工艺和工艺计划“是C ARTA ®系统的子程序,它能为主管轧制的工艺工程师提供所有轧制工具计算方法和技术诀窍,使其能独自进行轧辊孔型设计,计算调节数据和变形参数以及调节工艺控制系统.工艺计划系统集中包括了所有的工艺标准,这是我们根据许多钢管厂的丰富轧制经验提炼出的工艺诀窍.在采用该系统工作的过程中,工艺工程师也可以将实践中自己发掘的一些好经验存储在软件里面,供自己的计算工作使用.通过“最佳化计划“子程序组件能管理轧制生产中的信息,并将信息再次反馈给轧机,不断改进,使工艺数据逐步臻于完善.在当前的钢管市场上用户对钢管质量要求越来越高,钢管厂必须按照很小的轧制道次来划分规格范围,在这方面“最佳化计划“子程序起到了重要作用.通过它能确保计算轧机调节数据,即使在小批量轧制中也能保证质量,减少了废品率.2.1.3 工艺过程控制系统工艺室轧机操作员轧机操作员车间轧机操作员C ARTA ®-张力减径自动化系统 工艺计划 / 孔型设计计划 C ARTA ®-张力减径自动化系统机架管理 C ARTA ®-张力减径自动化系统过程管理张力减径机操作 测量技术Ethernet TCP/IP张减机工艺自动化系统服务器和实时系统马达3 壁厚 直径 长度 温度马达1,马达2壁厚 直径 长度 温度整流器图5: 张力减径机的C ARTA ®工艺自动化系统通过工艺过程控制系统使工艺过程尽可能符合计划的工作数据.原则上讲该系统是一通用性软件,适合于生产线上的每一个轧机机组.这样在轧机线上每一机组都能达到良好的轧制条件,确保了从穿孔机开始到张减机后的成品管质量.在实际生产中实际数据往往与设计数据相差,通过该工艺过程控制系统可消除这种设计和实际尺寸偏差.至今为止,张力减径机的工艺控制系统已逐步臻于完善,它已经由很多钢管厂投入使用并取得了显著的效果.它为提高钢管质量,降低生产成本起到了决定性的作 用,C ARTA®系统具有如下主要功能:– 管端控制系统(CEC):钢管在张力减径时会由于较高张力的影响而产生管端增厚,通过采用管端控制系统能减少管端增厚现象.而且通过该控制系统还是能更好地利用张力减径过程的工艺特点,以便充分利用较高张力扩大成品管的规格,达到提高产量的目的.这种方案也适合于小规格的钢管,同样也能达到提高质量的效果,还可以消除已产生的钢管偏心率.米位单)部尾(耗损端管成品管尺寸图6:减少钢管长度切头损耗–平均壁厚控制系统(WTCA):通过该控制系统可以消除钢管平均壁厚的偏差.图7: 通过WTCA 系统减小钢管平均壁厚偏差成品管的壁厚偏差 荒管的壁厚偏差壁厚偏差(%)钢管根数–局部壁厚控制系统(WTCL):通过局部壁厚控制系统可以消除钢管沿长度方向上产生的壁厚偏差.图8: 通过WTCL 的作用减小钢管局部壁厚偏差荒管壁厚偏差单位毫米成品管荒管/钢管的长度–钢管长度控制系统(TLC):通过该系统能保证整根钢管在规定的不同成品管壁厚的范围内具有相同长度.这主要适合于管子按固定长度生产并按重量进行销售的情况,这样可以充分利用材料,减少材料损失.图9: 通过TLC 系统减少钢管的长度偏差钢管长度控制断开钢管长度(米)钢管长度控制接通钢管根数–出口速度控制系统(ESC):通过该速度控制系统使钢管从张力减径机出来以后继续保持稳定的速度,以保证位于张减机后面的飞锯能精确无误地切割钢管.图10: 通过ESC 系统调节钢管出口速度出料侧速度(米/秒)出口速度断开出口速度接通时间(秒)– 切割长度最佳化:由此可以最佳分配整根钢管的长度,根据所规定的技术条件进行切割.2.1.4 工艺质量保证系统通过工艺质量保证系统能将每根钢管的工艺过程数据尤其是与质量有关的各种数据都制成文件并且保存起来.这些信息文件存放在工艺系统的数据库里可随时调用.例如,数据库里存放了每根钢管的详细数据:– 测量值– 传感信号– 电机额定转速值,实际转速值,电流– 操作输入数据– 轧制程序数据– 计算结果– 故障报警信号和报警提示– 同其它功能系统连网的文件根据这些记录可以了解任何一根管子的生产数据,这些记录可以说是生产工艺证书.质量保证系统一般是装在工艺自动化系统中,成为一体,这样整个生产过程中其工艺计算和数据收集都是自动化进行.图11:工艺数据记录曲线图利用一种工艺方法可以对各种数据进行处理和计算,达到以下目的:– 改正测量误差– 监控物料跟踪系统– 分析评估各种轧制缺陷– 促使生产过程最佳化– 评估产品质量– 确定产生尺寸偏差的原因通过质量保证系统能提高产品的质量,现在这种质保系统已成为质量管理体系中不可缺少的组成部分.2.1.5 采用C ARTA®系统的用户名单表2列出了世界各地使用C ARTA®系统的用户名单.其中值得一提的是,有很多用户还不断地扩展和完善了他们的C ARTA®系统,形成具有多种控制功能的综合性自动化系统.表2:张力减径机C ARTA®自动化系统的用户名单继在张减机上采用C ARTA®以后,SMS MEER公司现在在其它轧机机组上也开发使 用了C ARTA®系统,所以一些新的用户还没有列到现有的用户名单里.在高科技技术日益发达的今天,对钢管质量的要求愈来愈高,于是世界各地的钢管生产厂普遍面临着如何提高钢管质量和降低生产成本的问题.因此采用轧制新工艺,发展轧制新技术已经形成一个必然趋势,随着新技术新工艺的问世,一系列轧机新项目也应运而生.2.2 新型的在线激光测量系统(L ASUS®测量系统)随着热轧无缝钢管生产的不断发展,对其钢管质量和经济效益的要求也越来越高,因此钢管生产厂必须在整个生产线上配备很多测量仪器和设备,由此保证毛管和荒管以及成品管的相同质量,提高成材率,减少材料损失,提高轧机生产能力.在钢管热轧生产中,有一个重要工艺环节,就是对钢管壁厚的调节和控制.为了解决这个问题,我们研制成功了一种L ASUS®激光测量系统.2.2.1 L ASUS®系统的测量原理和功能结构L ASUS®是一种激光超声波壁厚测量系统,采用的还是传统的超声-脉冲测量方法.在超声脉冲两次通过钢管管壁的这段时间内根据已知的声速检测到钢管壁厚值.L ASUS®测量原理是在1000度高温下通过超声波来测量钢管壁厚,由于温度的原因,所以无论在激发面还是在检波面都要求使用无接触式的光学测量方法,才能使测量头与钢管保持安全可靠的测量距离,达到测量效果.激光-超声测量方法的原理见图12.探测系统壁厚激光感应超声波长度时间表面微波振动壁厚的计算信号变化高能激光(脉冲式)照射激光(连续性)壁厚图12: 激光-超声测量方法的原理将一个小于10ns 的脉冲宽度的激光对准在要测量的钢管上,由此产生出来的一种高能光脉冲被吸收到钢管表面.这种光能吸收作用会导致钢管表面极薄层的部分蒸发(材料消蚀在nm -范围内).通过蒸发脉冲会产生一种超声脉冲,它能垂直地进 入到钢管表面.由此产生的超声脉冲(同传统的超声测量方法一样)首先反射到钢管的内表面,然后又返回到外表面,进行再次反射.周而复始直到钢管里面产生递减振幅的超声回波信号.反射回来的超声脉冲在钢管外表面产生微型振动.通过两次激光的作用,进行无接触式地光射进行测量,这就是所谓的双应效果.反射光束就是所谓的“载体“超声信号,通过一强烈的聚光透镜和一光波导体将它传输到一光学检波器上,常见的检波器是法布里-鉑罗干涉仪(FPI).采用常规的超声波电子计算技术对超声回波信号进行功能放大，过滤和处理.根据轧机具体情况决定测量仪的结构形式,例如采用单通道或多通道测量仪.测量系统一般由单头或多头组成，安装在轧机的相应位置，与电源元件相连．操作控制和电子计算组件装在操作室的电子开关柜以及操作台计算机（例如，HMI, Human Machine Interface ）中，以便进行测量数据分析．图13 示出一单通道测量仪的结构形式钢管系统组件脉冲激光: Nd: YAG1064 nm测量头等幅波激光 等辐波激光: Nd: YAG532 nm 脉冲激光正向电子技术干涉仪: FPI共焦光波导体控制和计算系统: MESUS干涉仪 (FPI)干涉仪稳定系统测试室中央控制系统和计算中心图13: 一激光测量仪的结构形式激发脉冲和照射脉冲元件安装在一个结构坚实的,可调节的测量仪器中，里面还有一些光学元件.测量仪还需要配备一些供电和冷却组件，例如激光测量头的电源供应系统．这些组件应尽量安装在测量头的附近．测量系统的全部组件，例如，超声信号提取（FPI 检波），超声信号分选，功能 放大和过滤，工作时间确认和计算求出壁厚值，控制系统和稳定检波器，监控组件系统以及激光保护锁紧线路等等全都装在一个开关柜里,放在张力减径机出料侧的现场操作室内．带电视屏幕和操作L ASUS®测试头, 调节技术, 供电系统 系统的仪器开关柜 法布里-伯罗注入式干涉仪图14:激光测量系统的组件部分2.2.2 使用结果一年前，第一套激光测量系统在一家钢管厂的连轧机组的张力减径机上成功投入使用．根据钢管产品大纲的要求，该系统必须测量最大壁厚为25mm的钢管，所以要将壁厚测量范围增加20%，在提高激发脉冲的能量后,基本达到要求.除此之外第二套测量系统已在一家钢管厂的定径机上正式投入使用，钢管壁厚是在两个轧制机架之间进行测量的．第三套测量系统在一顶管机组的脱棒机上进行了实验使用,试验是成功的，当时一些恶劣的临界条件：旋转的钢管里面带着芯棒,芯棒与钢管内表面直接接触，影响了测量的进行．尽管如此达到了非常准确的测量结果，测量准确性几乎达到100%．2.2.3 应用范围和发展前景激光测量系统可以采用多样化方案，满足和适应各种测量任务和要求，不受测量地点的限制，可以根据用户要求任意选择．在测量旋转的空心坯或毛管时如果芯棒还在管子里面,最好采取单通道测量头，将其直接装在斜轧穿孔机的出口侧，或者装在顶管机组的脱棒机范围内．根据下图的螺旋形扫描图可以看出激光测量仪除了计算检测平均壁厚以外还探测出了偏心度的情况．L ASUS®测试头图15:激光测量仪在旋转的荒管或毛管上测量壁厚的情况在阿塞尔轧机上常常出现这种缺陷情况“循环的特征曲线“,通过采用三通道激光测量仪可以检测出来持续的壁厚偏心情况.在这种缺陷频繁出现的情况下,可以增加测量头的通道数目这样可以达到精确的测量效果,另外采用多通道排列式组合旋转装置也可以达到好的测量效果.前景新型的激光测量仪以其坚实的结构,精密的点状壁厚测量效果展示了超声测量技术的优越性,为发展热轧无缝钢管新规格和新品种,提高产品质量开辟了光明前 景.根据激光测量原理使测量仪具备开辟新的自动化功能的可能性.通过点状测量功能清晰地分辨出钢管圆周上的壁厚结构分配,同时及时地发现一些钢管缺陷,例 如,张力减径时的内六方或斜轧穿孔时的偏心率,可以及时采取一些人工措施和自动化措施来减少缺陷.激光测量系统可以在轧机生产线上任何一个工序中进行.而且即使钢管内部存在轧制工具(芯棒)不会受到的影响,也能顺利地进行测量.采用激光测量仪使轧机技术状态和工艺水平得到进一步完善,实现了最佳化操作,提高了生产能力和经济效益.最后还要提到的是,一种热态多功能检测头装置即将在钢管精整线上投入使用.我们坚信通过这种新设备的使用可以极大降低精整线上的测量费用和检验成本.L ASUS®法辐射测量方法 适合于热轧钢管的全面质量检验 适合不适合适合用于整个热轧生产范围的产品规格检验 适合不适合没有环境污染问题,符合安全生产规范 适合不适合关键性工艺该系统展现了热生产中产品质量保证最新水平;并且在冷生产区也极大地节省了生产成本.图16:新型激光测量系统的优越性和发展趋势2.3偏心率(Eccentricity Control)的方案和系统原理2.3.1症结和目标钢管的偏心率问题是无缝钢管轧机质量标准中最严重的质量问题之一.这个缺陷大多是由于斜轧穿孔机的穿孔工艺的缺陷造成的.今天,通过对穿孔机机械结构的改进以及穿孔工艺的继续发展,成功地将偏心率降低到最小范围,使穿孔工艺逐步臻于完善.尽管有了这些改善数值但是它们还不能在较长的生产时间内继续保持下去.于是为了解决这个问题,还需要找出一个更可靠的方法.现在核心问题在于:所有的无缝钢管生产厂都在抱怨偏心率过高而影响了钢管的质量.随着市场竞争的日趋激烈,如何减小钢管的偏心率也是一个当务之急的任务.根据各轧机不同的实际生产情况,也产生其不同程度的偏心率,除了已经实现自动化操作的MPM 和SRW 轧机以外,一般的轧机的偏心率在8%或者更高.采取自动化操作措施能使生产中出现的严重偏心率减少了50%.相对地讲,钢管壁厚精度每提高一个百分点也就意味着减少废品率,提高年产量和降低成本.偏心率 [m m ] (+/-)壁厚 [mm]图17: 常见的偏心率数值和预计可达到的改善效果结语:由于市场竞争的原因,减小钢管偏心率是一项迫切的任务.实践证明,通过自动化系统能使钢管偏心率减少50%.实验证明,虽然采用优质的机器设备和先进的工艺方法可以减小钢管的偏心率,但是,由于穿孔过程中的许多不良因素,仍然会使钢管壁厚产生极大的偏差,如果不及时排除这些影响因素的话,就会导致钢管产生非常严重的偏心率.2.3.2 解决方法根据轧机机械结构和工艺特点设计成功了一种控制系统,通过该控制系统可以更好地控制钢管的偏心率问题.该控制系统具有以下主要功能:− 分析测量数据和传感信号− 诊断缺陷和故障原因− 排除缺陷和找出故障根源根据斜轧穿孔工艺过程得知大约有20种生产缺陷会导致空心坯产生严重偏心(例如加热不均和几何形状差),另外还要考虑到变形工具(例如轧辊,穿孔顶头.芯棒和导板)质量精度差,轧机的前后出料侧调整精度差等缺陷也会导致钢管产生偏心率.如果有必要的话最好根据钢管截面和沿空心坯长度方向的壁厚分布曲线详细地对分析每一种缺陷.偏心率控制系统采用合适的方法(例如谐波分析仪)对钢管壁厚值进行分析,并针对不同的问题进行计算处理,然后再将传感信号,其它的测量数据,工艺计算的数据以及数据库中的数据全部综合起来进行总结分析.这样可以针对壁厚偏差查找缺陷根源,一一确诊.轧机操作员及时得到偏差的信息和如何排斥缺陷的指示,这样就可以及时排除缺陷和预防故障.。