CPE 工藝改良芻議

李 群

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

CPE（Cross-roll Piercing and Elongation，斜軋穿孔和頂管延伸）機組建設投資比較少（特別是電器部分的投資低，連軋管機電器部分的價格比CPE高50%［1］），設備和工具簡單，能源消耗較低（在取得變形量、質量和精度相等的情況下，頂管機組的產量是連軋管機組的1/5~1/3，而設備是1/15，占地面積只有1/10，能耗是1/10~1/8［2］），軋制節奏快，荒管長度超過14 m（最長可達20 m［1］，這是除連軋管機之外其他機組生產很難達到的荒管長度），可直接生產倍尺成品，生產運行成本低，產品質量高——特別是可生產小規格（Φ100 mm 以下）、薄壁（S≤6 mm）的雙倍尺熱軋無縫鋼管并且其實物壁厚精度較高［3-6］。近幾年，CPE 機組越來越引起我國無縫鋼管界的關注，全國范圍內已陸續新建并投產了至少3 套CPE 機組，同時擬建的還有幾套。然而，這些已建和擬建機組的工藝基本雷同，只是簡單的復制，工藝上沒有什么創新。目前，CPE 機組有加熱、穿孔、縮口、頂管、松棒、脫棒、切頭、再加熱、定（減）徑等9 道工序［1］，比使用其他工藝生產熱軋無縫鋼管的機組多了松棒和切頭兩個工序；其芯棒循環包括預熱、潤滑、冷卻、輾壓等工序，比其他熱軋無縫鋼管機組多了輾壓工序。

為此，筆者曾與從事無縫鋼管工廠設計的技術人員、無縫鋼管生產（非使用CPE 工藝）的同行們進行了研討，其結果有討論價值，現列出5 項，作為對CPE 工藝改良的設想。

1 卡環（檔叉）在線脫棒

傳統的CPE 脫棒工藝為將頂管延伸后的芯棒/荒管橫移出軋制線，經松棒工序后再使用鏈式或輥式脫棒機脫棒，將這種在軋制線以外進行的荒管與芯棒分離方法稱之為離線脫棒；而在軋制線上實現荒管與芯棒分離的工藝稱為在線脫棒。

可借鑒法國Vallourec 公司提出的Neuval R［7］方法并將限動芯棒連軋管機的芯棒夾持頭技術移植到頂管齒條上來，改變齒條與推桿及推桿與芯棒的連接方式，在頂管機最末機架出口側安裝一個脫棒卡環（檔叉），軋件離開頂管機最后一個機架后，芯棒/荒管繼續向前運行一段距離，當荒管尾部離開卡環位置后再停止，卡環合攏套在芯棒上并將荒管尾部擋住，芯棒就可由齒條裝置的后退從軋件中抽出。采用這種方法可有效防止因輾壓松棒而引起鋼管斷面的纖維組織發生扭轉現象［8］。因荒管溫度較高，部分中、厚壁規格的荒管應該能實現這種在線脫棒；但由于需要脫棒的距離較長，對于薄壁管可能要困難些。能否通過改變最后兩個機架孔型設計、增加脫棒間隙并增加向毛管內表面吹硼砂或其他潤滑劑的方法來降低荒管與芯棒的附著力，從而實現在線脫棒的工藝目的還有待進一步試驗后再下結論。

實現CPE 在線脫棒，一方面可縮短工藝流程、較大幅度地提高荒管溫度，為其后續加工減少能源消耗成為可能；另一方面，因荒管與芯棒接觸時間的減少，為提高芯棒的使用壽命創造了條件。但使用上述在線脫棒方法可能會降低CPE 機組的軋制節奏。

2 行星松棒機在線松棒

目前，CPE 機組的松棒工序是在軋制線外，如果在脫棒卡環（檔叉）后增加一臺行星軋機（三輥式、四輥式均可）用來輾軋荒管，可實現在線松棒。由于行星軋機的軋輥既自轉也公轉，具有軋制時軋件的入口側旋轉、出口側不旋轉的工藝特點［9］，要實現在線松棒的工藝目的即實現頂管延伸機（縱軋）與行星松棒機（斜軋）間的連軋，就要將行星松棒機設計成軋輥公轉被（隨）動旋轉、軋輥自轉主動旋轉的方式進行試驗，以實現行星松棒機入口側荒管/芯棒不旋轉而出口側荒管旋轉的目的。這種主機頭不作旋轉，而是被軋件旋轉的行星軋機可使因主機頭轉動帶來的離心力以及再由此引起的一切問題就都不存在了［10］。行星松棒機的軋制減壁量可設計小一些（行星軋制延伸系數≤1.1），主要目的是松棒。三輥式行星軋機的剖面如圖1 所示［11］。

軋件經行星松棒后既可按第1 節中使用脫棒卡環（擋叉）、齒條后退的方式進行在線脫棒，也可以將芯棒/荒管移出軋制線按原工藝用鏈式或輥式脫棒機線外脫棒。這種方法可在不影響軋制節奏的前提下減少1~2 個工序環節、縮短工藝流程、適當提高荒管溫度。

圖1 三輥式行星軋機的剖面示意

3 行星脫管機離線脫管

用行星軋機替代原工藝中的松棒機和脫棒機。頂管后的芯棒/荒管移出軋制線后，送入行星軋機，采用固定芯棒軸向位置的方式進行行星軋制，以實現芯棒與荒管分離的目的；將行星軋制的延伸系數控制在1.2 以內，可有效防止因變形量過大使軋制功率增加而引起行星軋機軋輥軸承溫升過高的事故。采用行星脫管機離線脫管可縮短生產線長度，重新分配頂管工序各機架的變形量、適當減少頂管機的總負荷、增大荒管的徑壁比，可改善荒管表面質量，提高荒管的溫度，并且省掉了芯棒循環過程中的輾壓工序。

目前，關于脫棒/脫管速度問題，脫棒速度比較快的脫棒機有：寶山鋼鐵股份有限公司Φ140 mm連軋管機組鏈式脫棒機，其最大脫棒速度為4.52 m/s［12］；武鋼集團漢口軋鋼廠Φ114 mm CPE 機組輥式脫棒機，其脫棒速度為1.5 m/s［13］。當行星軋管機的延伸系數較大時（以前軋制鋼管的試驗機組延伸系數設計超過10），考慮到軋制負荷較大，為防止軋輥軸承溫度升高過快而引起事故，將軋制速度設計的較慢（一般約為1 m/s［10］）；如果將行星脫管機的延伸系數控制在1.2 以內，其軋制速度達到2 m/s 應該不成問題。

國內某銅管廠使用三輥行星軋管機（PSW）將未加熱的Φ90 mm×25 mm×23 000 mm 空心連鑄銅管坯在室溫下軋制成Φ48~50 mm×2.8~3.0 mm 荒管，其延伸系數達11.5~12.8，軋制速度為16 m/s。因此，使用行星脫管機應該不會影響CPE 機組的軋制節奏。

4 四輥輥模替代三輥輥模

因CPE 頂管機孔型是三輥橢圓形，芯棒是圓形，管壁是在軋輥孔型與芯棒之間形成的，所以橫斷面上壁厚不均呈外六棱內圓形［8］，這樣橫截面的荒管經定（減）徑后即變為外圓內六方。北京天海氣瓶廠在使用傳統沖壓方法制造氣瓶時，其延伸工序采用四輥輥模。若使用四輥輥模替代三輥輥模，在頂管延伸時使壁厚變形更加均勻，可以將外六棱內圓形變為外八棱內圓形，即定（減）徑后的鋼管由“內六方”變為“內八方”，從而改善鋼管壁厚精度。

5 旋壓加工縮口部位

目前，在實際生產中，軋件的縮口部分是需要切除掉的，如果在張力減徑前增加簡易旋壓機，用來加工再加熱后荒管縮口部位（暫且稱之為“CPE頭”）的壁厚，這樣在生產油管時，使縮口部位的壁厚達到加厚油管管端壁厚值的要求，可減少部分產品的切頭損失，將“CPE 頭”變廢為寶，提高部分產品的綜合成材率。該簡易旋壓機類似于某些冷拔鋼管廠的回轉式熱打頭機（圖2），只是比其多一個用于輾軋壁厚的內模工具——芯棒。

6 結 語

上述5 項是筆者對CPE 工藝改良設想的一部分，沒有得到CPE 行業專家的質疑指點，其主張多有不當之處。但是這5 項皆是制管工藝問題，草成此論，意在引起同行們對CPE 工藝改良的關注，真誠地歡迎業內專家匡糾是正。

圖2 回轉式熱打頭機

［1］ 劉成平，陳本輪，李廣軍. CPE 機組的發展與應用［J］.鋼管，1997，26（4）：15-19.

［2］ 周云南. 小型無縫鋼管廠擴大熱軋管產量的途徑［J］. 鋼管，1983，12（2）：64-73.

［3］ 彭龍洲，段煒，余邦鍵. CPE 工藝的特點及發展趨勢芻議［J］. 鋼管，2012，41（4）：12-17.

［4］ 熊明祥，李鵬. 擬建Φ168 mm CPE 熱軋無縫鋼管生產線的工藝方案［J］. 鋼管，2012，41（5）：57-61.

［5］ 楊力，張增全，高瑞全. 對CPE 機組生產無縫鋼管技術的再認識［J］. 鋼管，2013，42（3）：55-58.

［6］ 朱友松. 中信泰富特鋼集團湖北新冶鋼有限公司Ф219 mm CPE 頂管機組建成投產［J］. 鋼管，2014，43（1）：77.

［7］ Grandemange F.Vallourec 公司發展的連軋管方法—NEUVAL［J］. 鋼管技術，1984，13（3/4）：11-22.

［8］ 王景文. CPE 頂管機組熱軋鋼管壁厚不均探討［J］. 鋼管，1993，22（4）：14-17.

［9］ 曾幼宗. 三輥行星軋機的應用［J］. 鋼管，1993，22（5）：43-46.

［10］ 殷國茂，周云南. 無縫鋼管生產技術的新進展［J］. 鋼管，1985，14（3）：1-34.

［11］ 金如崧. 無縫鋼管百年史話［M］. 北京：冶金工業出版社，2008：150.

［12］ 龔饒，周國盈. 連軋鋼管［M］. 北京：冶金工業出版社，1992：179.

［13］ 康志勇. Ф114 mm CPE 熱軋管機組試生產情況［J］. 鋼管，2004，33（2）：32-38.