国内外不锈钢管生产技术发展趋势

国内外不锈钢管生产技术发展趋势
近20年来，世界各国的不锈钢管生产有了很大发展，工艺技术和装备水平都有很大提高，国外不锈钢管生产发展的主要特点是采用新工艺和新设备来提高产量、扩大品种，采用自动控制和无损探伤以改善和保证产品质量?因此，近年来在新建和改扩建的不锈钢无缝管车间、焊管车间和冷轧冷拔车问里， 出现了很多卓有成效的新工艺和高效率的新设备。我国不锈钢管生产经过40多年的发展，尤其是近20年来，无论是不锈钢无缝管还是焊管的生产技术都有了长足的进步，产量、质量和品种不断增加和提高，少数产品的质量达到了国际先进水平：但是和国际先进水平相比，我国不锈钢管厂在工艺技术、装备水平、产品质量等方面尚有较大的差距，需要进行技术改造和提高，以适应我国国民经济发展的要求。
一：世界不锈钢管生产技术的发展趋势
2．1 “三步法”炼钢和连铸工艺 采用“三步法”炼钢和连铸生产不锈钢管坯工艺，为提高不锈钢管坯质量，降低成本创造了条件。世界上一些主要不锈钢厂在“二步法”的基础上，研究和采用了“三步法” 冶炼不锈钢的新工艺。目前日本大部分专业不锈钢厂都已采用了“三步法”生产工艺。德国曼内斯曼德马克冶金技术公司开发了一套专门用于“三步法” 的工艺设备，它包括1台超高功率电炉、1台MRP—L转炉和1台VOD装置。该工艺采不锈钢管用电炉熔化，MRP—L转炉加氧枪快速脱碳，VOD真空炉最终深脱碳。此工艺的基本出发点是把AOD和VOD两种工艺各自的优点结合和发扬，并克服了AOD的氩气和耐火材料耗量大及处理时间长的缺点，实现低消耗、缩短时间、降低成本的目的。当然，电炉一AOD “二步法” 冶炼不锈钢也是可行的， 目前世界上60％以上的不锈钢是用“二步法”工艺生产的。国外不锈钢管坯已基本连铸化连铸机以立式和弧型为主，也有使用水平连铸机的。不锈钢连铸坯与传统的钢锭一轧坯相比，金属收得率提高10％ ～15％ ，管坯质量更好，并节省能源，降低生产成本。不锈钢在连铸过程中有些合金元素极易氧化，易产生氧化物夹杂；另外，钢水的粘度大，很易造成水口堵塞。由于不锈钢的凝固形态比较复杂，钢水的导热性差，铸坯易产生裂纹，所以，对冷却和拉坯的速度要求较严格，采取各中间包加热、无氧化保护浇铸、电磁搅拌、液面自动控制等一系列新技术，使铸坯质量大大提高，使一些难浇铸的钢种，如含钛不锈钢、单相奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢等都能顺利浇铸，扩大了不锈钢连铸的钢种。
2．2 热挤压工艺
热挤压工艺是世界当前热加工不锈钢无缝管的主要生产工艺。随着技术的发展，有些类型的热轧钢管机组都可以生产不锈钢管，但挤压机组是世界上不锈钢无缝管的主要生产机组。目前，世界上有60多套挤压机组，除少数用于型材挤压外，70％的机组用于生产钢管，主要品种是不锈钢管。挤压与轧制(纵轧、斜轧)生产方法相比，挤压法的特点是金属变形过程中承受三向压应力。在这种最佳应力状态下，对于变形抗力大的不锈钢管可以获得较好的内外表面质量和金相组织。由于立式液压穿孔工艺设备的改进，可使挤压后的荒管壁厚偏差达到5％ ～7％ 的精度。挤压机工模具易于制造和更换，适合生产小批量、多规格不锈钢管。挤压机组还可以生产较宽范围的钢管，1套50MN的挤压机组可生产@25—254mm的钢管，对市场需求的适应远远高于其他轧管方法。采用挤压法生产不锈钢管的突出优点是可以直接使用连铸坯作原料，产品质量稳定，更换品种灵活，可以直接生产热挤压成品管，也可以生产各种异型断面不锈钢管。显然，用挤压法生产成品管以及为冷加工提供荒管料，是国外目前热加工不锈钢管生产广泛采用的一种较经济的方法 、随着高速、自动化、大吨位挤压机的采用，以及玻璃润滑剂、无氧化加热、高强度高韧性热作模具等相关技术的发展，用热挤压法生产不锈钢无缝钢管，特别是生产难变形的不锈、高合金钢管得到了迅速的发展。用单一的二辊斜轧穿孔为冷加工提供荒管料的方法，国外已基本不采用了。
2．3 冷加工以冷轧为主、冷拔为辅
冷加工不锈钢管趋向于采用以冷轧为主、冷拔为辅的联合生产工艺，冷轧机、冷拔机向高速、高精度、长行程、多线方向发展。不锈钢管有50％ ～80％ 是通过冷加工出成品的。因此，对冷加工工艺设备的发展给予了较多的关注。冷加工工艺基本有三种，即冷拔工艺、冷轧工艺、冷轧一冷拔联合工艺。不锈钢管的冷加工国外大多数采用冷轧一冷拔联合工艺，并以冷轧为主、冷拔为辅的加工方法。现代冷轧机可实现大减径量和大减壁量，轧制变形量80％ 在冷轧机上完成。采用冷轧定壁、辅以冷拔改变规格和控制外径，满足不同品种和规格的要求。冷轧一冷拔联合工艺生产的优点是：钢管质量好，冷轧钢管壁厚精度和表面质量较高，冷拔确保钢管外径精度；冷加工周期短，减少中间脱脂、热处理、缩口、矫直等工序，节省能源，减少金属消耗；可采用大规格荒管生产小直径的钢管，简化原料规格种类。目前，世界上冷轧、冷拔工艺技术和装备水平有了很大的发展。冷轧机正向高速、长行程、环孑L型、高精度的方向发展，这种轧机的特点是：① 采用惯性力和惯性扭矩垂直平衡机构，轧机往返次数提高；② 采用环形孔型，轧制变形区长度比短行程轧机长70％ ，轧制变形的均匀性提高、送量增加；⑧ 采用长管坯，荒管原料长度可增加到l2～15m，可生产长钢管，提高轧机利用率，轧制有效利用系数高达80％ 以上；④采用曲线型芯棒和最佳抛物面孔型，金属变形合理，工模具寿命长 上述特点使冷轧机的生产能力和产品精度大大提高生产不锈钢管的冷拔管机结构上仍以链式冷拔机为主，也有少数液压冷拔机。多线、高速、全自动是当前冷拔机发展的方向。
2．4 多种焊接技术
焊接工艺技术的进步加速了不锈钢焊管生产的发展，多种焊接方法的应用进一步提高了焊接质量和生产率。目前，工业上应用的不锈钢焊接方法主要有钨极氩弧焊(TIG)、高频焊、等离子焊和激光焊等。几种焊接方法各具特点，使用最多的是氩弧焊和高频焊：
2．4．1 氩弧焊 不锈钢焊管要求熔深焊透，不含氧化物夹杂，热影响区尽可能小，钨极惰性气体保护的氩弧焊具有较好的适应性，焊接质量高、焊透性能好，其产品在化工、核工业和食品等工业领域得到广泛应用焊接速度不高是氩弧焊的不足之处，为提高焊接速度，国外研究开发了多种方法。其中，由单电极单焊炬发展到多电极多焊炬，这一焊接方法在生产中已得到应用。20世纪70年代德国首先采用多焊炬沿焊缝方向直线排列，形成长形热流分布，焊速明显提高。一般采用三电极焊炬的氩弧焊，焊接钢管壁厚s≥2ram，焊接速度比单焊炬提高3～4倍，焊接质量也得到改善。氩弧焊与等离子焊组合，可以焊接更大壁厚的钢管。此外，在氩气中使用5％ ～10％的氢气，再采用高频脉冲焊接电源，也可提高焊接速度。多焊炬氩弧焊适用于奥氏体和铁素体不锈钢管的焊接。 2．4．2 高频焊 高频焊用于碳钢焊管生产已经有40多年的历史，但用于焊接不锈钢管确属较新的技术。其生产的经济性，使其产品更为广泛地用于建筑装饰、家用器具和机械结构等领域。高频焊接具有较大的电源功率，对不同材质、口径和壁厚的钢管都能达到较高的焊接速度(比氩弧焊的最高焊接速度高出l0倍以上)。因此，高频焊接生产一般用途的不锈钢管具有较高的生产率因为高频焊接速度高，给焊管内毛刺的去除带来困难，这也是目前高频焊不锈钢管尚不能为化工、核工业所接受的原因之一。从焊接材质看，高频焊可以焊接各种类型的奥氏体不锈钢管。同时，新钢种的开发和成型焊接方法的进步，铁素体不锈钢AISI 409等钢种也可成__功地进行焊接。 2．4．3 组合焊接技术 不锈钢焊管的各种焊接方法均有各自的优点和不足。如何扬长避短，将几种焊接方法加以组合形成新的焊接工艺，满足人们对不锈钢焊管质量和生产效率的要求，是当前不锈钢焊管技术发展的新趋势。经过近几年的探索研究，组合焊接工艺已取得了进展， 日本、法国等国家已掌握一定的不锈钢焊管生产组合焊接技术。组合焊接方法有：氩弧焊+等离子焊、高频焊+等离子焊、高频预热+三焊炬氩弧焊、高频预热+等离子焊+氩弧焊。组合焊接提高焊速十分显著。对于采用高频预热的组合焊接，钢管焊缝质量与常规的氩弧焊、等离子焊相当，焊接操作简单，整个焊接系统易实现自动化，这种组合易于与现有的高频焊接设备衔接，投资成本低，效益好。 2．5 光亮热处理 不锈钢管的热处理，国外普遍采用带保护气体的无氧化连续热处理炉，进行中问热处理和最终的成品热处理。由于可以获得无氧化的光亮表面，从而取消了传统的酸洗工序。这一热处理工艺的采用，既改善了钢管的质量，又克服了酸洗对环境的污染。根据目前世界发展的趋势，光亮连续热处理炉基本分为三种类型： (1)辊底式光亮热处理炉。这种炉型适用于大规格、大批量钢管热处理，小时产量在1．Ot以上。可使用的保护气体为高纯度氢气、分解氨及其他保护气体。可以配备对流冷却系统，以便较快地冷却钢管。 (2)网带式光亮热处理炉。这种炉型适合于小直径薄壁精密钢管，小时产量约为0．3～1．0t，处理钢管长度可达40m，也可以处理成卷的毛细管。配备对流冷却系统可进行快冷。使用气体燃料或电加热，可采用各种保护气体。经过这种炉型热处理后的钢管无划伤，光亮度好。 (3)马弗管式光亮热处理炉 钢管装在连续的托架上，在马弗管内进行加热，能以较低的成本处理优质小直径薄壁钢管，小时产量在0．3t以上。可经济地使用保护气体，加热热源可为燃气、油或电。 2．6 有机溶剂脱脂 采用有机溶剂脱脂技术，脱脂效果好， 自动化程度高为了去除冷轧、冷拔润滑时残存在钢管表面的油污，以提高热处理钢管质量并防止渗碳，采用了除油效果好、技术装备先进的有机溶剂脱脂装置。常用的有机溶剂有三氯乙烯、四氯乙烯、三氯乙烷、氯化甲烷，使用较多的是三氯乙烯。此种溶剂使用效果好，易回收，毒性低。脱脂是在一个密封室内进行的。装在筐中的不锈钢管在溶剂槽中脱脂，或者在溶剂蒸气中进一步冷凝脱脂。整个脱脂过程是在密封室内由计算机自动控制完成。三氯乙烯脱脂剂可再生和反复使用。并监控使用环境下的溶剂气体含量，避免环境污染。 2．7 精整设备现代化 配备现代化的精整设备，加强质量控制是当代不锈钢管生产的重要环节。不锈钢管精整工段设置无损探伤工序，是必不可少的质量检 4手段。无损检测技术的进步，使更多的厂家采用了涡流、超声波组合探伤机组，并配备激光测径、超声波测厚装置。钢管出厂前，从多个环节把住质量关。这种组合探伤机组具有先进的信息处理系统，测得的信号全部数据化，经过计算机处理并储存， 自动化程度高，生产效率高。高精度矫直机、冷态推压及旋压缩口机、多头(6～8头)抛光机、全长标记装置等，都是目前世界上广泛采用的不锈钢管精整高效率生产设备。 2．8 开发新技术新工艺 积极研究开发新技术新工艺， 以求获得高质量、低成本的不锈钢管产品。不锈钢管生产领域出现的许多新工艺新技术，促进了钢管质量的提高和生产成本的降低。 2．8．1 焊接+冷拔生产工艺 美国研究开发了焊接+冷拔的不锈钢管不锈钢管生产新工艺。即用纵剪后的不锈钢冷带经成型、氩弧焊接成焊管，再经冷拔、精整工序出成品。由于氩弧焊接质量高，焊缝的各项性能与基体一致，因此，这种工艺生产的不锈钢管，比采用热挤压+冷拔(轧)的常用工艺，成本降低10％ ～30％ ，生产工艺简化，周期缩短。 2．8．2 温轧技术 温轧技术是前苏联发明的。它是将冷轧前的管料通过一感应加热装置加热到150～400℃ 后进行轧制。这种技术具有轧制力小、一次变形量大的优点，对OCrl8Ni9Ti钢管进行二三次温轧无需中间退火，总变形量可达98％ 。 2．8．3 超声波振动冷拔工艺 拉模在冷拔过程中的不锈钢管超声波振动，能加大每个拉拔道次的减面率，并减少钢管振动现象和表面凹点，提高钢管表面质量。这是因为超声频率使设备振动，减少了拉拔时的摩擦力，钢管承受着拉拔模和芯棒的挤压而减少了拉应力带来的不良后果 二： 我国不锈钢管生产现状及与世界先进水平的差距 3．1 我国不锈钢管生产和技术的现状 近20年来，我国不锈钢管生产和技术有了一定的发展，引进了一批工艺技术先进的生产设备，工艺技术和装备水平得到了提高，生产能力有了较大幅度的增长。尤其是不锈钢焊管，新建机组数量和形成的生产能不锈钢管力都大于无缝钢管。我国不锈钢无钢管主要生产厂家有原上钢五厂、长城特钢、大冶特钢、成都无缝钢管厂等骨干企业，此外还有一批应运而生的乡镇和民营企业。目前全国有大小不锈钢无缝管生产厂200多家，综合生产能力在10～l5万t／a，产量约在6．5万t／a。可生产的外径规格为0．5～426mm，甚至更大。热轧不锈钢管已开始用连铸圆坯生产。冷加工配备了具有20世纪90年代先进水平的冷轧冷拔管机、光亮热处理炉、脱脂及精整设备。不锈钢焊管在我国起步较晚，但发展速度较快。从1986年起，开始大量引进国外设备和技术生产不锈钢焊管，到目前为止，不锈钢焊管生产线有400多条，综合生产能力约为40万t／a，其中引进的机组有100多条，生产能力约l0万t／a。可生产的不锈钢焊管为 4．76～720mm，就机组大小而言，85％ 一90％是生产~90mm以下的小规格机组。生产的钢种以奥氏体钢为主，其他钢种甚少。由于原料供应不足，加之多数机组工艺设备不配套尤其缺少热处理和检测设备，使机组的生产能力得不到充分发挥，工业用不锈钢焊管生产受到限制，工业用管产量不超过2万t／a，生产的大部分不锈钢焊管为装饰用管。总之，我国不锈钢管生产技术虽然有了一定的进步，但是与国外先进的工业国家相比还存在着较大的差距，google优化以致目前国内一些重要领域使用的不锈钢管，如不锈钢高压锅炉管、尿素管、核电站蒸发器管等仍然依靠进VI。尽快改变这种状况，促进我国不锈钢管生产技术的进一步发展，十分重要。 3．2 无缝管生产与世界先进水平的差距 不锈钢无缝管是以实心坯为原料，通过热穿孑L、热轧或冷加工生产出钢管。机组的类型和水平主要取决于热加工、冷加工(主要方式是冷轧和冷拔)以及热处理工艺。因此，不锈钢无缝管的生产和产品质量主要取决于管坯原料、热加工和冷加工等主要环节。正是在这些主要环节上，我国不锈钢无缝管的生产技术存在着很大差距。 3．2．1 不锈钢管坯生产工艺落后 我国不锈钢冶炼工艺落后，网站优化不但没有最新的“三步法” 冶炼工艺设备，而且就是采用电炉+AOD “二步法”冶炼不锈钢，一般炉子容量小，装备水平低，且没有连铸机，几乎全部采用钢锭一开坯轧制(锻造)生产工艺。这是不锈钢成本高的主要原因，也是与国外的最大差距。目前，只有个别厂采用水平连铸机生产不锈钢管坯。除了几个特殊钢厂能够自供管坯外，大多数厂家都是外购管坯，而外购管坯的品种、质量、规格很难全部满足用户的工艺要求，同时，价格也高。能够自供管坯的企业，虽然能够自己炼钢、锻(轧)坯，但由于要求管坯的钢种、规格多而杂，质量要求又高，数量又少。所以，其生产成本往往也很高，致使不锈钢无缝管的价格高，缺乏市场竞争能力。 3．2．2 不锈钢管热轧生产工艺差距大 我国目前不锈钢管热轧生产几乎都是采用斜轧穿孑L工艺。影响采用斜轧穿孑L工艺生产不锈钢管的因素有以下几方面： (1)不能生产热轧成品管，只能为冷加工提供坯料，由此导致了我国不锈钢管的使用领域中还存在着“以冷代热”的不合理现象。 (2)不锈钢管的质量难以保证，因为斜轧穿孔过程中的“曼内斯曼效应”和不锈钢的低塑性、加热温度范围窄， 以及变形过程中的温升，难以保证不锈钢荒管的质量。因此，对一些重要用途的不锈钢管，如核电站用蒸发器管等，用户都指定必须用挤压工艺生产供料。 (3)对一些难变形合金，如镍基高温合金GH39及si含量高的25—20型不锈耐热钢等，用斜轧穿孑L的方法很难或无法生产，即使生产，其穿孑L的成材率也极低。而挤压工艺则能生产出高质量的成品管或冷加工用的荒管。 (4)由于我国生产不锈钢管时仅使用了自动轧__管机组中的曼氏穿孔机而未用后面的轧管 、均整机和定径机，因此，生产的荒管尺寸精度差，壁厚较厚，这给冷加工增加了很大的变形量。 (5)~4fL穿孔工艺无法生产异型断面管。因此，国外普遍采用热挤压工艺生产不锈钢无缝管，这是我国不锈钢无缝管生产与国外先进国家相比的根本差距。