CPE 工艺改良刍议

李 群

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

CPE（Cross-roll Piercing and Elongation，斜轧穿孔和顶管延伸）机组建设投资比较少（特别是电器部分的投资低，连轧管机电器部分的价格比CPE高50%［1］），设备和工具简单，能源消耗较低（在取得变形量、质量和精度相等的情况下，顶管机组的产量是连轧管机组的1/5~1/3，而设备是1/15，占地面积只有1/10，能耗是1/10~1/8［2］），轧制节奏快，荒管长度超过14 m（最长可达20 m［1］，这是除连轧管机之外其他机组生产很难达到的荒管长度），可直接生产倍尺成品，生产运行成本低，产品质量高——特别是可生产小规格（Φ100 mm 以下）、薄壁（S≤6 mm）的双倍尺热轧无缝钢管并且其实物壁厚精度较高［3-6］。近几年，CPE 机组越来越引起我国无缝钢管界的关注，全国范围内已陆续新建并投产了至少3 套CPE 机组，同时拟建的还有几套。然而，这些已建和拟建机组的工艺基本雷同，只是简单的复制，工艺上没有什么创新。目前，CPE 机组有加热、穿孔、缩口、顶管、松棒、脱棒、切头、再加热、定（减）径等9 道工序［1］，比使用其他工艺生产热轧无缝钢管的机组多了松棒和切头两个工序；其芯棒循环包括预热、润滑、冷却、辗压等工序，比其他热轧无缝钢管机组多了辗压工序。

为此，笔者曾与从事无缝钢管工厂设计的技术人员、无缝钢管生产（非使用CPE 工艺）的同行们进行了研讨，其结果有讨论价值，现列出5 项，作为对CPE 工艺改良的设想。

1 卡环（档叉）在线脱棒

传统的CPE 脱棒工艺为将顶管延伸后的芯棒/荒管横移出轧制线，经松棒工序后再使用链式或辊式脱棒机脱棒，将这种在轧制线以外进行的荒管与芯棒分离方法称之为离线脱棒；而在轧制线上实现荒管与芯棒分离的工艺称为在线脱棒。

可借鉴法国Vallourec 公司提出的Neuval R［7］方法并将限动芯棒连轧管机的芯棒夹持头技术移植到顶管齿条上来，改变齿条与推杆及推杆与芯棒的连接方式，在顶管机最末机架出口侧安装一个脱棒卡环（档叉），轧件离开顶管机最后一个机架后，芯棒/荒管继续向前运行一段距离，当荒管尾部离开卡环位置后再停止，卡环合拢套在芯棒上并将荒管尾部挡住，芯棒就可由齿条装置的后退从轧件中抽出。采用这种方法可有效防止因辗压松棒而引起钢管断面的纤维组织发生扭转现象［8］。因荒管温度较高，部分中、厚壁规格的荒管应该能实现这种在线脱棒；但由于需要脱棒的距离较长，对于薄壁管可能要困难些。能否通过改变最后两个机架孔型设计、增加脱棒间隙并增加向毛管内表面吹硼砂或其他润滑剂的方法来降低荒管与芯棒的附着力，从而实现在线脱棒的工艺目的还有待进一步试验后再下结论。

实现CPE 在线脱棒，一方面可缩短工艺流程、较大幅度地提高荒管温度，为其后续加工减少能源消耗成为可能；另一方面，因荒管与芯棒接触时间的减少，为提高芯棒的使用寿命创造了条件。但使用上述在线脱棒方法可能会降低CPE 机组的轧制节奏。

2 行星松棒机在线松棒

目前，CPE 机组的松棒工序是在轧制线外，如果在脱棒卡环（档叉）后增加一台行星轧机（三辊式、四辊式均可）用来辗轧荒管，可实现在线松棒。由于行星轧机的轧辊既自转也公转，具有轧制时轧件的入口侧旋转、出口侧不旋转的工艺特点［9］，要实现在线松棒的工艺目的即实现顶管延伸机（纵轧）与行星松棒机（斜轧）间的连轧，就要将行星松棒机设计成轧辊公转被（随）动旋转、轧辊自转主动旋转的方式进行试验，以实现行星松棒机入口侧荒管/芯棒不旋转而出口侧荒管旋转的目的。这种主机头不作旋转，而是被轧件旋转的行星轧机可使因主机头转动带来的离心力以及再由此引起的一切问题就都不存在了［10］。行星松棒机的轧制减壁量可设计小一些（行星轧制延伸系数≤1.1），主要目的是松棒。三辊式行星轧机的剖面如图1 所示［11］。

轧件经行星松棒后既可按第1 节中使用脱棒卡环（挡叉）、齿条后退的方式进行在线脱棒，也可以将芯棒/荒管移出轧制线按原工艺用链式或辊式脱棒机线外脱棒。这种方法可在不影响轧制节奏的前提下减少1~2 个工序环节、缩短工艺流程、适当提高荒管温度。

图1 三辊式行星轧机的剖面示意

3 行星脱管机离线脱管

用行星轧机替代原工艺中的松棒机和脱棒机。顶管后的芯棒/荒管移出轧制线后，送入行星轧机，采用固定芯棒轴向位置的方式进行行星轧制，以实现芯棒与荒管分离的目的；将行星轧制的延伸系数控制在1.2 以内，可有效防止因变形量过大使轧制功率增加而引起行星轧机轧辊轴承温升过高的事故。采用行星脱管机离线脱管可缩短生产线长度，重新分配顶管工序各机架的变形量、适当减少顶管机的总负荷、增大荒管的径壁比，可改善荒管表面质量，提高荒管的温度，并且省掉了芯棒循环过程中的辗压工序。

目前，关于脱棒/脱管速度问题，脱棒速度比较快的脱棒机有：宝山钢铁股份有限公司Φ140 mm连轧管机组链式脱棒机，其最大脱棒速度为4.52 m/s［12］；武钢集团汉口轧钢厂Φ114 mm CPE 机组辊式脱棒机，其脱棒速度为1.5 m/s［13］。当行星轧管机的延伸系数较大时（以前轧制钢管的试验机组延伸系数设计超过10），考虑到轧制负荷较大，为防止轧辊轴承温度升高过快而引起事故，将轧制速度设计的较慢（一般约为1 m/s［10］）；如果将行星脱管机的延伸系数控制在1.2 以内，其轧制速度达到2 m/s 应该不成问题。

国内某铜管厂使用三辊行星轧管机（PSW）将未加热的Φ90 mm×25 mm×23 000 mm 空心连铸铜管坯在室温下轧制成Φ48~50 mm×2.8~3.0 mm 荒管，其延伸系数达11.5~12.8，轧制速度为16 m/s。因此，使用行星脱管机应该不会影响CPE 机组的轧制节奏。

4 四辊辊模替代三辊辊模

因CPE 顶管机孔型是三辊椭圆形，芯棒是圆形，管壁是在轧辊孔型与芯棒之间形成的，所以横断面上壁厚不均呈外六棱内圆形［8］，这样横截面的荒管经定（减）径后即变为外圆内六方。北京天海气瓶厂在使用传统冲压方法制造气瓶时，其延伸工序采用四辊辊模。若使用四辊辊模替代三辊辊模，在顶管延伸时使壁厚变形更加均匀，可以将外六棱内圆形变为外八棱内圆形，即定（减）径后的钢管由“内六方”变为“内八方”，从而改善钢管壁厚精度。

5 旋压加工缩口部位

目前，在实际生产中，轧件的缩口部分是需要切除掉的，如果在张力减径前增加简易旋压机，用来加工再加热后荒管缩口部位（暂且称之为“CPE头”）的壁厚，这样在生产油管时，使缩口部位的壁厚达到加厚油管管端壁厚值的要求，可减少部分产品的切头损失，将“CPE 头”变废为宝，提高部分产品的综合成材率。该简易旋压机类似于某些冷拔钢管厂的回转式热打头机（图2），只是比其多一个用于辗轧壁厚的内模工具——芯棒。

6 结 语

上述5 项是笔者对CPE 工艺改良设想的一部分，没有得到CPE 行业专家的质疑指点，其主张多有不当之处。但是这5 项皆是制管工艺问题，草成此论，意在引起同行们对CPE 工艺改良的关注，真诚地欢迎业内专家匡纠是正。

图2 回转式热打头机

［1］ 刘成平，陈本轮，李广军. CPE 机组的发展与应用［J］.钢管，1997，26（4）：15-19.

［2］ 周云南. 小型无缝钢管厂扩大热轧管产量的途径［J］. 钢管，1983，12（2）：64-73.

［3］ 彭龙洲，段炜，余邦键. CPE 工艺的特点及发展趋势刍议［J］. 钢管，2012，41（4）：12-17.

［4］ 熊明祥，李鹏. 拟建Φ168 mm CPE 热轧无缝钢管生产线的工艺方案［J］. 钢管，2012，41（5）：57-61.

［5］ 杨力，张增全，高瑞全. 对CPE 机组生产无缝钢管技术的再认识［J］. 钢管，2013，42（3）：55-58.

［6］ 朱友松. 中信泰富特钢集团湖北新冶钢有限公司Ф219 mm CPE 顶管机组建成投产［J］. 钢管，2014，43（1）：77.

［7］ Grandemange F.Vallourec 公司发展的连轧管方法—NEUVAL［J］. 钢管技术，1984，13（3/4）：11-22.

［8］ 王景文. CPE 顶管机组热轧钢管壁厚不均探讨［J］. 钢管，1993，22（4）：14-17.

［9］ 曾幼宗. 三辊行星轧机的应用［J］. 钢管，1993，22（5）：43-46.

［10］ 殷国茂，周云南. 无缝钢管生产技术的新进展［J］. 钢管，1985，14（3）：1-34.

［11］ 金如崧. 无缝钢管百年史话［M］. 北京：冶金工业出版社，2008：150.

［12］ 龚饶，周国盈. 连轧钢管［M］. 北京：冶金工业出版社，1992：179.

［13］ 康志勇. Ф114 mm CPE 热轧管机组试生产情况［J］. 钢管，2004，33（2）：32-38.