作者:李 丁德元 来源:河北钢管网
0 前言
限动芯棒连轧管机是在在浮动芯棒连轧管机的基础上发展起来的。限动芯棒连轧管机于20世纪60年代中期进行了工艺试验并获得了可喜的成果。1978年世界上第一套限动芯棒连轧管机（MPM：Multi-Stand Pipe Mill的缩写）在意大利达尔明钢管厂建成投产，将连轧管工艺发展到了一个新的水准；限动芯棒连轧管机在整个轧制过程中对芯棒的运行加以控制，使其以设定的恒定速度前进，轧制过程结束时，由脱管机将荒管与芯棒分离后，荒管被移送到下道工序进一步加工；芯棒则返回，拨出轧制线后，冷却、润滑后循环使用。MPM使得钢管壁厚偏差得到改善，工具、能耗有所降低，将连轧管机轧制钢管的最大外径由194mm扩大到426mm。20世纪90年代中期又推出了三辊连轧管机（PQF：Premium Quality Finishing的缩写）技术， 2003年世界上第一套三辊限动芯棒连轧管机组（PQF）在中国天津钢管公司建成投产，使连轧管工艺装备跃上了更高的台阶。经过近30年的发展和应用，世界上目前正在运行和在建的限动芯棒连轧管机超过了20台套。
连轧管机在PQF出现以前，都是两辊式的，即由两个轧辊为一组组成孔型, 两个轧辊相互平行，相邻两个孔型的辊缝相错90°； PQF为三辊式的，即由三个轧辊为一组构成孔型，三个轧辊互成120°，相邻两个孔型的辊缝相错60°；使上一架孔型的槽底对应下一架孔型的槽顶。
图1 连轧管孔型构成
本文拟对近30年来限动芯棒连轧管机的发展情况进行一下回顾并展望其前景。
1 1978～1992年， MPM的推广期
MPM一经问世，因其在技术、产量、质量、自动化和劳动生产率等诸方面的突出优势，引起了无缝钢管界的广泛关注并得到认同和推崇，目前已使其在除大洋州以外的五大洲得以迅速的推广应用；特别是1978年到1992年间的前15年，受当时石油产业对油井管需求旺盛的影响，促使了MPM技术的飞速发展，相继建成投产了10套限动芯棒连轧管机组，从第二套到第十套仅用了10年的时间。各机组情况见下表1。
表1 前十套限动芯棒连轧管机组一览表
序号 | 机组 名称 | 厂名 | 国家 | 投产 年份 | 设计年产量 （/万吨） | 成品管规格 D X S(mm) | 辽宁医学院护理学院 机架数 |
1 | 365mm | 达尔明厂 | 意大利 | 1978 | 50 | 159～365X3.5～25 | 8 |
2 | 245mm | 京滨厂 | 日本 | 1983 | 60 | 114～245X4.5～40 | 8 |
3 | 273mm | 坦姆萨厂 | 墨西哥 | 1983 | 60 | 114～273X4.5～40 | 7 |
4 | 245mm | 费尔菲尔 | 美国 | 1983 | 60 | 89～245X5.4～32 | 7 |
5 | 245mm | 北方星钢厂 | 美国 | 1987 | 30 | 114～245 | 7 |
6 | 245mm | 阿尔戈马厂 | 加拿大 | 1986 | 30 | 48～178X3.6~32 | 7 | 美国人眼中的中国人
7 | 245mm | 希德尔卡厂 | 阿根廷 | 1988 | 35 | 140～273X4.5~35 | 6 |
8 | 245mm | 西多厂 | 委内瑞拉 | 1990 | － | 114～245X4.5～35 | － |
9 | 426mm | 伏尔加钢管厂 | （前苏联）俄罗斯 | 1990 | 72 | 114～245X4.5～35 159～426X6.0～35.0 | 7 |
10 | 250mm | 天津钢管公司 | 中国 | 1992 | 50 | 114～273X4.5～35 | 7 |
| | | | | | | |
这一时期所建机组的共同点为：
一是连轧管机设有7～8个机架（阿根廷希德尔卡厂为6机架），因为机组中的穿孔机为推轧式（加斜轧延伸机）或二辊桶形辊斜轧式，其延伸系数比较小，（延伸系数一般小于3），轧件的主要延伸靠连轧管机完成，轧管机的最大延伸系数为6～7，所以连轧管机的机架数相对较多，机架数由开始的8架减少到7架甚至6架，意义在于尽量缩短芯棒工作段的长度，因为在所轧制的荒管长度和芯棒限动速度不变的前提下、减少轧机第一架至最末一架轧辊中心线的距离，就可以缩短芯棒工作段的长度，从而达到降低芯棒的制造、加工难度和生产成本的目的；
二是各机组均设有2～3个孔型，主要成品管的外径范围大都在114～273mm之间，用以生产中型规格的油井管品种为主的无缝钢管，因为油田打井所需的套管规格绝大部分都在该组距范围内。
另一个特点是：前10套限动芯棒连轧管机组的分布地域比较广、国家较多，欧洲、中北美洲、南美洲和亚洲都有；这些机组既有为满足本国所需而建设，也有为向产油国提供高质量的无缝钢管而建的。
2 1993～2003年， MINI-MPM的应用期
MINI-MPM为少机架限动芯棒连轧机的意思，原是意大利的因西公司上世纪90年代中期为完成对南非托萨（tosa）厂cps（两步生产无缝钢管法，即只有斜轧锥形辊穿孔和张力减径两个变形工序，而没有轧管工序的生产方法，后因在生产壁厚8mm以下的钢管时因螺旋印难以消除进行增加轧管机的改造）的改造，在锥形辊穿孔机与张减机之间安装的限动芯棒连轧管机而推出的机型。由于锥形辊穿孔机的变形能力较大，就可将原由MPM承担的部分变形前移至穿孔机来完成，连轧工序的延伸可适当减小，轧管机没必要选用过多架数了，轧机的机架数由原来的7～8郑和下西洋的资料架减少至4～5架；与MPM相比它的最大特点是实现了用更短的芯棒轧制较长的钢管，芯棒的工作段长度比MPM短了2～3米；芯棒总长度可缩短5米左右。后来随着锥形辊穿孔机的广泛应用，连轧管机的架数大多为5短蛸架；或5＋1架，1为在连轧管机前增设一架空减机。当时，因西公司为了尽快推广MINI-MPM轧机，罗列了MINI-MPM一些与MPM区别和特点；现转述如下：
MINI-MPM高效课堂小组建设机组工艺特点为：
（1）一般采用锥形辊穿孔机，充分发挥锥形辊穿孔大变形、大延伸的作用，才有可能将连
轧机的一部分变形量前移至穿孔机，使连轧机机架数减至4～5架，将两变形机组的变形量均衡、合理地分配；
（2）由于轧机总延伸系数减少，连轧前段单机架的变形量也可减少，同时在孔型设计上由于降低了辊缝值和开口度，使金属横向流动和辊缝处凸出部分的面积减小，减缓轧制过程中的不均匀变形；
（3）在同孔型尺寸的情况下，轧机前段孔型直径变小，减小了辊速差；
（4）轧出荒管的鱼翅尾不规则部分减短，切头尾减短，提高了成材率。
与MPM相比，MINI-MPM轧机优势与不足是：
（1）占地面积减小，厂房投资减少，由于机架减少2～3架，芯棒长度变短，使热轧线设备占地面积大大缩小；
（2）设备投资减少，包括轧机、电机、减速机等；
能源开发
（3）轧制工具的数量减少，包括轧辊、更换机架等；
（4）芯棒制造难度降低，由于芯棒工作段长度变短相对制造难度和费用大幅度降低。
（5）由于减少了机架数量及轧机出口速度，机组产量相应有所降低。
在这个期间，相继建成的MINI-MPM代表性机组除南非托萨（tosa）厂的φ168mm机组为4个机架外，其余如1997年日本住友和歌山φ426 mm机组、1994年我国包钢的φ180 mm机组（不带空减机）与2001年鞍钢的φ159 mm机组以及衡阳2002年φ273 mm机组和2003年攀成钢的φ340 mm机组（都有1架空减机）等均为5个机架。随后2006年建成的无锡西姆莱丝φ250mm机组也是1架空减机加5个机架
从近几年已建成投产的几套MINI-MPM机组运行效果来看，原则上说，MINI-MPM与MPM相比，不论是变形原理、变形规律、轧制速度制度、限动速度大小还是产品质量等诸方面都没有什么本质上的区别，仅是少了2～3个机架而已；由于绝大多数MINI-MPM机组都增设了一架空减机，与7机架MPM相比，实际只减少了1个机架；因此，现在已经很少有人再用MINI-MPM这一名称了，对两辊的限动芯棒连轧管机不论几个机架均称为MPM。
3 2003～2007年，PQF的发展期
上世纪90年代中期国外就推出了PQF（Premium Quality Finishing）三辊限动芯棒连轧管机，从轧钢工艺上讲三辊连轧管机比二辊连轧管机有明显的优点。但多了一个轧辊使得轧机结构上有了明显的差异，用什么样的结构形式才能达到新机型的要求，使其发挥优势，实现高效生产，达到理想的效果。一直是人们探索的目标，多年来全世界一直没有哪家企业开发采用这项技术。进入廿一世纪，天津钢管公司和米尔/因西公司共同成功开发了φ168mmPQF限动芯棒连轧管机，于2003年8月在天津钢管公司建成投产，并在当年十二月就达到了设计产量。PQF一经问世，就引起了国内外同行的高度重视，现对其工艺、结构和传动等特点作一简要介绍：
3．1工艺特点
三辊连轧管机，简称PQF（Premium Quality Finishing），是由因西公司开发推出的。轧管时芯棒是限动的、速度是可控的；芯棒的速度应高于第一架的咬入速度,也是限动芯棒连轧管机，只不过每个机架由三个轧辊组成孔型；采用三辊设计的孔型比传统的两辊设计的孔型圆度好，且孔型的半径差小，有利于轧件的均匀变形和轧辊的均匀磨损。轧槽底部和轧槽顶部之间的圆周速度差较小，从而能在稳定的条件下使轧制时的金属变形更加均匀，
使所轧制的荒管径壁比可达45以上。凸缘面积(不与轧辊或芯棒接触的管子面积。也就是辊缝处壁厚/外经的凸起面积) 有所减小，即流向凸缘的金属量减少了。这一优点在轧制不受外端及其它机架约束的钢管尾端时尤为重要。事实上钢管尾端在三辊式轧管机上轧制时受控是由于凸缘面积较小（比二辊式的小30%左右）以及轧槽底部与轧槽顶部间的圆周速度差较小的缘故。因此，能避免或大大减少管端折叠和飞翅的形成。因圆周压应力较高，从而能在轧制时使辊缝处产生的纵向拉应力的危险性大大降低。孔型中芯棒的稳定性较高。PQF机组可以生产高强度（P110以上）特殊钢级油井用管、高压锅炉管及13Cr、304L等不锈钢管。PQF最大的优势是：由于三辊孔型的半径差小于两辊，轧件变形更加均匀、平稳，使产品的壁厚精度和表面质量高于MPM，轧制的荒管直径越大，优势越明显。
另外，由于采用芯棒在主轧线内预穿的方法，使预穿后的毛管在最短的时间内开始轧制。大大缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间，减少毛管温降并使毛管开轧温度均匀，有效地降低了轧制载荷以及工具消耗。
3．2结构特点
工作机架是由三个轧辊组成一体相对独立的轧制单元。天津钢管公司的PQF连轧管机共由
六个工作机架（包括第一架——空减机架即VRS）组成。 工作机架不承受轧制力，只承受限动力。 工作机架内的三个轧辊在压下机构和平衡装置的控制下构成一个孔型，并可对孔型进行调整。 每个轧辊（包括轴承座）安装在一个杠杆臂上，杠杆臂通过销轴安装在工作机架上，孔型调整时杠杆以销轴为指点摆动。 每个轧辊轴承座的两侧，工作机架上都有导向滑板，用来保持轧辊调整时的位置，并承受限动力。 工作机架上有一套轧辊轴承甘油润滑管线系统和一套轧辊冷却水系统，由液压缸操作的快速接头将这两个系统联接到外管网上。
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