钢管张力减径工艺特点及设备选型

钢管张力减径工艺特点及设备选型力减径机是钢管生产系统中应用最广泛的设备之一。

文章介绍了张力减径工艺的发展和特点、设备分类和特点，并对设备选型进行了初步分析指出：张力减径机对提高整个穿孔、延伸机组的生产能力有决定性作用；单独传动及双电机集中传动（不包括单电机集中变速传动）是张力减径工艺两种极端表现方式，分组传动及混合传动是这两种方式的中间方式；外传动方式的优点使其具有很大的市场潜力；根据工艺选择合适的张力减径机可实现方案的最佳化，效益的最大化。

为国内钢厂钢管张力减径的选型提供了参考依据。

张力减径机专利自1932年出现后，由于其特有的工艺，在连轧管机组及其他方式生产无缝管的机组后，都广泛安设了张力减径机。

张力减径机成为了三步轧管法（穿孔、延伸、精轧）中不可或缺的设备。

针对机组不同的工艺要求，对张力减径机机型的选择就显得尤为重要。

本文将介绍张力减径工艺的特点、各类张力减径机的特征及设备选型。

张力减径工艺的发展最早的张力减径机为二辊式，但由于三辊式张力减径机在变形均匀及防止内外表面缺陷的产生上有许多明显优势，故在解决了三辊式轧辊驱动结构设计问题后，目前的张力减径机都采用三辊式布置形式。

张力减径机传动系统由单电机集中变速传动演变到每个机架单独调速传动，在单独传动上除直流电机单独传动外，又出现了液压差动调速（集中传动单独差动），针对这两种传动的特点又演变出了双电机集中变速传动，在双电机基础上又出现了分组传动系统（串联集中变速传动系统），即三电机、四电机和六电机集中变速传动。

为了改善张减后钢管质量及提高钢管成材率，在张力减径机组上又应用了各种过程控制系统，如：切头尾控制（CEC）、平均壁厚控制（WTCA）、局部壁厚控制（WTCL）、管长控制、剪切长度最佳化控制等[1]。

由不可调机架发展到成品机架用可调机架，增加了产品的生产灵活性，并且对产品的尺寸精度有了更好的控制。

定径机+张力减径机的工艺布置对提高延伸机组的生产能力，简化其生产管理具有积极的作用。

张力减径研究理论则是由按均匀变形的传统方法发展为利用计算机把张力减径按非均匀变形来计算的现代方法。

张力减径工艺特点张力减径的优点张力减径工艺的主要特点是：荒管在连续的多机架（二辊或三辊）上按连轧的原则进行无芯棒轧制，采用适当的孔型系列使荒管外径减缩，通过设定各机架的轧辊转速，以获得预定的壁厚变化。

只需采用很少规格的荒管，便能生产出不同规格的成品钢管，简化了穿孔机组及延伸机组的生产管理，大大减少了穿孔机组及延伸机组所需工具的数量，充分提高了整个机组的生产能力。

张力减径还具有与连轧机组同样的高生产率、高自动化及高质量的优点，并且具有能生产多品种的独特优点。

目前，张力减径总减径率可达85%以上，单机架减径率可达7%，总减壁量可达38%，机架数多达32架，可进行张力减径的钢管其径壁比范围为3.3~56，机组出口成品管外径17.2~244.5 mm，入口荒管外径60~255 mm，入口温度900~1000℃。

对减径荒管施加张力后，钢管变形有利于金属纵向流动，减小径向金属的流动量，故张力减径可减少钢管横向壁厚不均，通过调节各机架的轧辊转速，可实现钢管的增壁、等壁、减壁。

张力减径还可改变荒管和轧辊的滑动条件，减轻摩擦力沿孔型宽度上分布不均的状况，最终减小壁厚变化不均，并且可以使钢管内孔不规则现象得以消除[2]。

张力减径另一个特点是生产灵活，变更成品钢管的规格，其设备、电控方面所需的变动很少，生产调整时间较短。

张力减径的缺点及解决方法在张力减径过程中，由于荒管的两端不承受张力或承受张力较小，并且减径量很大，所以此部分的增壁很多，内孔的形状更不规则，因此在张力减径后要将钢管的两端切去相当长的一段，增加了切头尾损失，降低了钢管成材率。

目前张力减径机组可配有切头控制系统（CEC）、平均壁厚控制（WTCA）、局部壁厚控制（WTCL）、管长控制来提高钢管成材率。

此外张力减径机孔型选配不当会造成钢管出现“内六方”现象，需要根据荒管径壁比来选取适当的孔型系列，以避免钢管出现“内六方”现象。

张力减径的设备类型张力减径的设备类型按机架内轧辊数可分为：二辊式，三辊式，四辊式。

经过生产实践证实三辊式张力减径机具有很多明显优势，故目前的张力减径机基本是三辊式，本文只介绍三辊式张力减径机的设备类型。

张力减径的设备类型按机架传动方式分为：单独传动，集中传动，分组集中传动（串联集中变速传动系统），混和传动。

此外还有液压差动系统（集中传动单独差动），但此传动系统中的液压系统比较复杂，其中的伺服马达制造精度高，维修困难，机组的运行效率较低，因而并未得到推广，并且集中传动中的单电机集中变速传动已属落后方式[3]，故本文不再叙述。

按传动系统分类介绍◇单独传动系统（直流单独传动）代表机组：宝钢140机组后的28机架张力减径机（可生产300多种规格）。

张力减径机每个机架有直流主电机，各自配有独立的直流调压供电装置，功率和调速范围大。

其优点有：从工艺角度来看，单独传动系统对张力的调节最好，对成品钢管规格最大化是最有利的，对实现诸多过程控制提高钢管成材率及产品质量是最有利的；轧辊调速灵活、快速，调速精度很高，机组生产组织灵活；轧机传动结构被大大简化，使传动的可靠性提高；轧辊转速能迅速可靠改变，对实现切头尾损失控制（CEC）变得容易。

单独传动的缺点是：单独传动的电机总功率远大于其他传动方式，电气设备数量多且复杂，维修较困难，投资较大；由单机架承受冲击负荷，导致此机架电机转速出现明显下降，从而会增加管端增厚的长度；由于在轧制管子前后段的过程中载荷的变化，机架间轧辊的速比产生变化，导致张力的稳定性受到影响，故管子前、后段容易出现壁增厚现象。

◇集中传动系统（双电机集中变速传动）代表机组：天津无缝ф100mm三辊机组后的24机架张力减径机，常钢ф102mm CPE机组后的22机架张力减径机，诚德ф125mm高频焊管机组后的24机架张力减径机，无锡西姆莱斯ф96mm机组后的18机架张力减径机。

张力减径机由两台电机传动，主传动电机可以是直流电机或交流电机，叠加传动电机是直流电机。

主传动电机通过一组齿轮系列配以基本速比分到各机架轧辊上，形成基本速度；叠加传动电机由另一组齿轮系列按附加速度要求的速比关系分到各机架轧辊上，形成附加速度，并使附加速度在一定范围内无级可调。

此传动系统的优点是：机架间的速度关系由齿轮刚性连接，故冲击负荷引起的速度改变由整个系统承受，此传动方式的刚性最好，有利于减少切头尾损失；电气设备较少，维修简单，投资较少；机组总功率较少。

其缺点是：机架间的速比关系不可自由选配，使成品钢管规格范围受到较大影响；机架间张力调整不灵活，对实现切头尾损失控制（CEC）、平均壁厚控制（WTCA）及局部壁厚控制（WTCL）较困难。

◇分组集中传动系统（串联式集中变速传动）四电机代表机组：衡阳ф89mm连轧管机组后的24机架张力减径机（曼乃斯曼），北满特钢ф114mm机组的20机架张力减径机（曼乃斯曼）。

六电机代表机组：天津钢管（集团）公司ф168mmPQF机组后的24机架张力减径机（曼乃斯曼）。

三电机集中变速传动系统是附加传动的齿轮分开成两部分，每部分配以一个叠加电机，主传动电机给轧辊以基本速度，另外两个叠加电机对各自部分的轧辊以附加速度，当钢管在不同的轧制过程（稳定过程及过渡过程），通过调节各部分附加速度以实现不同的张力要求，来实现切头尾损失控制（CEC）、平均壁厚控制（WTCA）及均不壁厚控制（WTCL）。

四电机集中变速传动相当于将两套双电机集中变速传动系统串联合并。

这两个传动组相互机械独立，当钢管在稳定轧制过程中，两组内的轧辊的基本速度相同，附加速度则精确协调运行；当轧制钢管前、后段（过渡过程）要求实现CEC、WTCA及WTCL 时，两个传动组采用不同的速度制度。

六电机集中变速传动则是3组双电机集中变速传动系统串联合并，此传动方式更便于实现CEC、WTCA、WTCL等在线过程自动化和离线管理自动化。

◇混合传动系统代表机组：包钢ф180mm少机架限动芯棒连轧管机组后的24机架张力减径机（意大利因西公司）。

张力减径机传动系统由两个相互独立的传动机构组成，入口侧的一组机架采用双电机集中变速传动系统，出口侧的一组机架采用直流电机单独传动系统。

入口侧双电机集中变速传动的刚性好，可简单有效控制管端壁增厚，有利于减少切头损失。

出口侧电气单独传动系统则能单独调速，可精确控制张力，实施CEC、WTCA及WTCL的过程自动化，减少张减机切头尾损失及提高产品质量。

◇各种传动系统的比较各种传动系统的比较详见表1。

§按设备结构分类介绍§◇按机架内轧辊的驱动方式分为：外传动和内传动外传动的特点是轧辊从机架外部单个传动，机架内只装三套轧辊和轧辊轴承，机架结构简单，但主机座结构复杂，重量比内传动的主机座重10%左右。

外传动的优点是：有利于缩小机架间距和提高机架强度，较窄的机架间距能显著减少切头尾损失，提高钢管的成材率；外传动方式更换机架简单、快捷，维护也较简单；对张力减径机而言，备用机架数量多，采用外传动方式，其备用机架制造及装配简单，装备精度高，可大大降低尤其是生产品种规格多的机组的后续费用。

内传动的特点是机架内比外传动多出了两对螺旋伞齿轮，但主机座结构简单、紧凑。

投资比外传动方式少。

◇按主机座结构形式分为：框架式机座和C形机座框架式机座是把上下左右四个焊件机座用高强度螺栓紧固在一起，具有结构紧凑、安装维修简单、重量轻的特点，投资较小。

C形机座是一个焊接整体结构件，具有加工精度高、加工难度大、安装调试方便、刚性好的特点，但是整体重量比框架式机座重25%左右，投资较大[4]。

选择合适的张力减径机以满足工艺要求是设备选型中至关重要的环节。

分组集中传动及混合传动在性能综合指标上具有一定优势，但是这两项技术为外国专利技术，目前国内使用制造上还有一定困难。

单独传动系统适合于有需要产品规格范围大、产品规格多的工艺要求的机组。

有文献指出，对于小型钢管机组，由于机架间距小，采用单独传动，其机械布置十分困难的问题，并且小直径钢管的张减工艺相对成熟，轧制品种相对标准化，故采用双电机集中布置为宜。

内传动方式的张力减径机适用于受力状况好、切头尾损失小的工况。

外传动方式的张力减径机适用于受力不均、切头尾损失大的工况，虽然一次投资比内传动方式多，但是能节省较大的后续备用机架的费用，后期的维护也相对方便。

机架刚性及钢管成材率比内传动方式有明显优势。

C形机座刚性好，虽然投资较框架式机座大，但是其综合性能还是有一定优势。

从工艺角度看，可调式机架对减少轧辊磨损，提高轧辊寿命，扩大产品范围有显著作用，但是属于国外专利技术，目前笔者仅见宝钢140机组后的28机架张力减径机采用此技术的报道。