CPE机组生产不锈钢管及钛合金管的工艺探讨学习体会

文献概况与工艺背景

该文献由陈洪琪、庄钢完成，发表于2018年《钢管》第47卷第2期，作者来自中国钢结构协会钢管分会。研究聚焦于采用三辊穿孔机的CPE（Continuous Piercing and Rolling，连轧穿孔）机组生产不锈钢管及钛合金管的工艺可行性与关键技术问题。

CPE机组是一种先进的无缝钢管生产工艺，其核心特点是穿孔与轧管工序连续进行，实现了坯料从加热炉到成品管的连续生产。传统CPE机组多采用二辊穿孔机，而本文明确对比了二辊穿孔机与三辊穿孔机的工艺差异，论证了三辊穿孔机在不锈钢管和钛合金管生产中的优势。

CPE机组工艺组成与技术特点

CPE机组的工艺组成主要包括：坯料加热、穿孔、连轧管、定（减）径、热处理、精整等工序。其中，穿孔工序是决定毛管质量和后续轧制效果的关键环节。

三辊穿孔机的核心优势在于其变形更合理。三辊穿孔时，三个轧辊之间的咬入角和变形区分布更为均匀，坯料在穿孔过程中受到的不均匀变形较小，从而降低了穿不透（即坯料未能完全被轧辊穿透形成毛管）的风险。对于不锈钢和钛合金这类变形抗力大、塑性较差的材料，三辊穿孔机的这一优势尤为突出。

不锈钢管生产的工艺难点

不锈钢管生产的难点主要集中在以下几个方面：

加热问题：不锈钢的导热系数远低于碳钢（约为碳钢的1/3至1/4），且不锈钢在高温下容易氧化，表面氧化皮（主要为Cr₂O₃）硬度高、难以去除。在CPE机组的连续生产中，坯料从加热炉到穿孔机的时间窗口较短，不锈钢坯料需要更长的加热时间和更高的加热温度才能达到穿孔所需的变形温度。然而，过高的加热温度会导致不锈钢表面过度氧化，影响毛管表面质量。因此，不锈钢坯料的加热制度需要精确控制，通常需要在保护气氛或真空环境中加热，或在加热炉中采用分段控温策略。

润滑问题：不锈钢坯料在高温下与轧辊的摩擦系数较大，且不锈钢的再结晶温度较高，变形抗力大。在穿孔和轧制过程中，需要有效的润滑来降低摩擦、减少毛管表面划伤和轧辊磨损。常用的润滑方式包括涂覆氧化铁皮润滑剂、使用石墨润滑剂或在轧辊表面进行特殊处理。对于不锈钢管，润滑剂的选择需特别注意不能污染钢管表面，影响后续酸洗或抛光质量。

定（减）径工序的变形量控制：文献特别指出，用现有连轧管机组生产不锈钢管时，定（减）径工序不宜采用大变形量。这是因为不锈钢的冷加工硬化效应显著，大变形量会导致定径机孔型磨损加剧，同时钢管表面质量下降。建议采用多道次小变形量的轧制策略，逐步将钢管轧至成品尺寸。

钛合金管生产的工艺难点

钛合金管的生产难度较不锈钢管更大，主要体现在：

加热温度窗口窄：钛合金的再结晶温度较低，但高温下钛的吸气性极强（容易吸收氧、氮、氢等气体），导致材料脆化。钛合金坯料的加热温度需要严格控制，通常在1000~1100°C范围内，且需要在真空或惰性气体保护环境下加热。CPE机组的加热炉需要改造或专门设计，以满足钛合金坯料的加热要求。

润滑与保护：钛合金坯料在高温下与轧辊的粘结倾向严重，极易发生表面划伤和轧辊粘辊。在穿孔和轧制过程中，需要采用特殊的润滑和保护措施，如使用陶瓷基润滑剂或在轧辊表面进行陶瓷涂层处理。

变形抗力大：钛合金的变形抗力远高于碳钢和不锈钢，对穿孔机和轧管机的设备能力要求较高。三辊穿孔机由于其变形更合理的特点，在钛合金穿孔中比二辊穿孔机更具优势，可以降低穿孔力，减少设备负荷。

从钢管制造质量控制角度的思考

毛管质量对后续工序的影响：穿孔工序形成的毛管质量直接决定了后续连轧管、定径等工序的效果。对于不锈钢管和钛合金管，毛管的表面质量（无划伤、无氧化皮）、壁厚均匀性和椭圆度控制尤为关键。三辊穿孔机在减少毛管划伤方面的优势，对于最终产品的表面质量有直接贡献。

轧辊磨损与更换周期：生产不锈钢管和钛合金管时，轧辊的磨损速率远高于生产普通碳钢管。定径机孔型的磨损直接影响钢管的尺寸精度和表面质量。因此，在工艺安排上，应合理控制定径工序的变形量，采用多道次小变形量策略，同时制定合理的轧辊更换周期，确保产品质量稳定。

热处理工艺：不锈钢管和钛合金管在轧制后通常需要进行热处理（固溶处理或退火），以消除加工硬化、改善组织性能。CPE机组的连续生产节奏与热处理工序的衔接需要合理设计，避免热处理不及时导致产品性能不达标。

工程实践建议

• 采用三辊穿孔机的CPE机组是生产不锈钢管和钛合金管的优选方案，其变形合理性和毛管质量优势明显。
• 不锈钢坯料的加热制度需精确控制，建议采用分段控温策略，加热温度不宜过高，避免过度氧化。
• 钛合金坯料必须在真空或惰性气体保护环境下加热，加热温度控制在1000~1100°C范围内。
• 定（减）径工序应采用多道次小变形量策略，避免大变形量导致轧辊磨损加剧和钢管表面质量下降。
• 轧辊表面应进行特殊处理（如陶瓷涂层或渗氮处理），以提高耐磨性和抗粘结性。
• 毛管质量应进行严格的在线检测，包括壁厚测量、表面检查和椭圆度检测，确保不合格毛管不进入后续工序。

学习心得与启示

这篇文献为CPE机组生产不锈钢管和钛合金管提供了系统的工艺分析。三辊穿孔机相比二辊穿孔机的优势在于变形更合理、穿不透风险低、毛管划伤少，这对于变形抗力大、塑性差的不锈钢和钛合金材料尤为重要。然而，加热和润滑仍是工艺难点，需要针对性的技术解决方案。

从钢管制造工程师的角度，我深刻体会到材料特性与工艺设备之间的匹配关系。不锈钢和钛合金的导热性差、变形抗力大、高温吸气性强等特殊性能，决定了其生产工艺必须与普通碳钢管有本质区别。CPE机组作为一种先进的连续生产工艺，其柔性生产能力（小批量、多品种）在不锈钢管和钛合金管的生产中具有独特优势，但前提是加热、润滑、轧辊等关键环节的技术问题得到有效解决。

文献最后提到的定径工序不宜采用大变形量这一结论，在实际生产中尤为重要。多道次小变形量的轧制策略虽然增加了道次数和生产时间，但能有效控制轧辊磨损和钢管表面质量，对于高附加值的不锈钢管和钛合金管生产而言，这一策略是必要的。