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design of cold rolled and drawn steel tube plant
简介
以热轧无缝钢管或电焊管为原料，用冷轧、冷拔方法生产精密、薄壁、高强度钢管的车间设计。产品广泛用于机械制造、化工、仪表及尖端技术领域。车间设计方法见轧钢厂设计。
简史 19世纪中期已开始用简陋的冷拔管机生产冷拔钢管。1932年美国在冷轧管公司(Tube Reduc-ing Co.)开始用冷轧管机生产钢管。1935年德国梅尔(Meer)公司开始制造周期式冷轧管机。1948年苏联研制出多辊式冷轧管机。1955年美国开始制造多线冷轧管机。1959年联邦德国开始使用高速冷轧管机。1986年双排辊冷轧管机在苏联投入工业应用。
中国鞍山钢铁公司无缝钢管厂的第二冷拔钢管车间，于1956年建成投产，它是中国设计建设的第一个冷拔钢管车间;该厂的第一冷拔钢管车间，是一个轧、拔结合生产不锈钢管的车间，于1958年建成投产。1971年在成都无缝钢管厂金堂分厂建成投产了中国自行设计建设的，完全国产化设备的冷轧冷拔钢管车间。
设计规模和产品方案 由于冷轧冷拔钢管的规格范围较大及生产过程的多工序和多道次的循环性，产品品种和规格差别较大。冷拔钢管直径范围为0.2～765mm，冷轧钢管直径范围为4～450mm，产品最小厚度可达0.01mm。所用钢种有碳素钢、低合金钢和高合金钢。一个车间可以设计为生产单品种或多品种。车间设计规模可以年产几吨到几万吨。
因为冷轧冷拔是多道次循环，所以要按轧、拔程序表来计算各种设备的总加工台时，最后确定各种设备的台数和负荷率。
图1 碳素钢和合金钢钢管生产工艺流程图
图2 不锈钢管生产工艺流程图
生产工艺 根据产品品种、钢种和有关技术标准与技术条件，选择不同的生产工艺。图1为碳素钢和合金钢钢管生产工艺流程图，图2为不锈钢钢管生产工艺流程图。在冷轧、冷拔生产工艺中有时还可采用一些特殊技术。
冷拔方法 根据所用内模(芯棒)不同可以分为无芯棒、短芯棒、游动芯棒和长芯棒冷拔四种方法。
(1)无芯棒冷拔法。冷拔时只用外模，不用内模，主要用于减径，每道次减径量为4～8mm，最大可达12mm，道次变形量为30%～35%，每道次的延伸系数不大于1.6。
(2)短芯棒冷拔法。冷拔时芯棒由支撑杆固定在变形区，既减径又减壁。道次减径量一般为6～8mm，最大为10mm，道次减壁量为0.2～1mm，道次变形量为35%～40%，延伸系数最大为1.7～1.8。主要用于开始和中间道次。
(3)游动芯棒冷拔法。冷拔时芯棒由管料带入变形区，并依靠其特殊形状自动定位和调整，道次减径量为4～5mm，壁厚变化不大，一般为0.05～0.1mm，延伸系数为1.8～1.9。这种方法适用于卷筒拔制。用于链式冷拔管机时可拔制较长的钢管。
(4)长芯棒冷拔法。冷拔时钢管内衬有大于钢管长度的芯棒。其特点是变形量大，道次变形量可达40%～55%，减壁率为30%～35%，延伸系数可达2～2.5。产品尺寸精度高，表面质量好。主要用于小管和毛细管的拔制。
特殊技术 对于低塑性管材，为了减小变形抗力，缩短生产周期，冷拔时还可采用温拔和超声波拔制，冷轧时还可采用温轧。
(1)温拔。在无芯棒和短芯棒拔制时，一般采用感应加热的方法，在变形前钢管被加热到300℃左右，可使道次变形量增大约30%，拔制力降低30%～40%。
(2)超声波拔制。在拔制时将超声波导入芯棒和冷拔模上，可使拔制力和作用在芯棒上的力减小，增大变形量，从而减少拔制道次和中间工序，降低能耗，缩短生产周期。
(3)温轧。在变形前将钢管加热到200～400℃，每道次延伸系数可达16，两道次之间不经热处理，总延伸系数可达40。
工艺设备选型 冷轧、冷拔钢管生产所用设备主要有冷轧、冷拔、锤头、酸洗、润滑、喷砂、抛光和热处理等设备，另外还有切断、修磨、矫直、探伤、称重和包装等常用设备。
冷轧管机 冷轧管机变形量大，可缩短冷加工生产周期，适合于单一品种和大批量生产。可以直接生产成品管，也可以提供半成品管料。冷轧管机的规格一般以原料直径表示，常用的冷轧管机规格为16～250mm，最大的为400mm。按结构形式可以分为二辊周期式冷轧管机和多辊式冷轧管机; 按同时轧制管材根数可以分为单线和多线冷轧管机。
二辊周期式冷轧管机有高速、低速和短行程、长行程之分。高速和长行程冷轧管机生产率高。所用轧槽块有半圆形和环形两种，高速长行程冷轧管机采用环形轧槽块。这种冷轧管机最大减壁率可达75%～85%，减径率可达40%～65%，断面减缩率可达80%，最小壁厚可达0.2mm，壁厚与外径之比为1/6～1/100。
多辊式冷轧管机的孔型由3～4个辊子组成，辊子孔型断面尺寸不变。因工作辊直径小、轧制压力小，适用于生产薄壁和特薄壁钢管。道次变形量可达80%，减壁率最大可达75%，减径量可达40%，可以轧制壁厚与直径之比为1/150～1/250的钢管。
以上两类冷轧管机还有双排辊结构，双排辊的道次变形量比单机架大50%～100%。冷轧钢管机，一般采用单线或双线轧制，双线比单线轧制产量可提高40%～80%。此外，尚有轧制变断面钢管的冷轧管机。
冷拔管机 它是钢管冷变形使用最广泛的设备。其规格以拔制力表示，常用冷拔机的能力为50～1000kN，最大到4000kN。冷拔管机道次变形量一般最大为40%～55%，可以生产壁厚与外径之比大于1/100的钢管。冷拔管机有往复式、半连续式和连续式三种：(1)往复式冷拔管机。应用最为广泛，可用链条、钢绳、齿条或液压缸传动。(2)半连续式冷拔管机。是在链条上装有两个或几个拔管小车，小车间距等于有效的最大拔管长度。主要用于无芯棒拔制小直径钢管，生产效率高于链式冷拔管机。(3)连续式冷拔管机。有直线式和卷筒式两种，后者已广泛用于无芯棒拔制小直径钢管。
锤头部设备 有空气锤、回转锻造机、轧尖机、冷挤头机等，用以将钢管端部缩径，使之能顺利通过拔模，便于冷拔机夹钳夹持。(1)空气锤。管头加热后用空气锤打尖，适用于较大直径钢管，但劳动强度大，金属消耗高。(2)回转锻造机。适于小直径钢管的缩口，缩口质量好。(3)轧尖机。类似二重式轧机，在轧辊变断面孔型中反复辗轧管端，可将管端缩口，适于小直径钢管缩口。(4)冷挤头机。挤头后钢管头部形状规整，过渡部分较短、圆滑，挤头时钢管不翻转，劳动条件好。
酸洗设备 一般采用酸洗槽。碳素钢和低合金钢用硫酸或盐酸酸洗;不锈钢用混合酸或氢氟酸酸洗。酸洗槽配有蒸汽加热设施，以便提高酸液温度，缩短酸洗时间。当采用保护气体退火时，酸洗工序可以取消。
钢管润滑槽 润滑的作用是减少摩擦和防止粘结。不锈钢管可采用镀铜或氯化油进行润滑;碳素钢和合金结构钢可采用磷化或采用矿物油、牛油、硫化牛油、氯化油进行润滑。
喷砂机 一般是用压缩空气向钢管内外表面高速喷射Al2O3砂粒，以清除钢管表面氧化铁皮和轻微缺陷。
钢管热处理炉 根据钢管材质不同，在其冷加工前后，将钢管进行软化热处理，以消除加工硬化。热处理炉有辊底式连续退火炉、辊底式光亮退火炉、马弗管式光亮退火炉、网带式光亮退火炉、室式退火炉和电接触加热装置等。(1)辊底式连续退火炉。用于直径大于20mm碳素钢和合金钢钢管的中间退火或成品退火。这种炉子能连续生产，机械化程度较高。为节省燃料，提高钢管热处理质量，广泛采用无水冷辊底式退火炉。可用天然气、重油或煤气为燃料。(2)辊底式光亮退火炉。主要用于碳素钢、合金钢或不锈钢钢管热处理。处理碳素钢和合金钢钢管用氮气作为保护气体; 处理不锈钢钢管用氢气作为保护气体。可用电加热，也可用煤气加热。(3)马弗管式光亮退火炉。用于高标准小口径不锈钢钢管热处理。燃料可用电、煤气或重油。这种炉子能耗较低，且保护气体是在马弗管内，故较为经济。(4) 网带式光亮退火炉。用于处理直径1～80mm、壁厚0.2～5mm、长度达40m的钢管，燃料可用煤气或电。(5)室式退火炉。用于碳钢和合金钢钢管的中间退火或成品退火。可用煤气、天然气或重油为燃料，这种炉型钢管容易弯曲，生产率低，但由于结构简单、投资少、使用可靠，且可使钢管保温，所以仍被采用。(6)电接触加热装置。用于不锈钢钢管的淬火。具有加热快、均匀、氧化少、设备简单等优点。但切头损失大，收得率低，钢管弯曲严重，不好矫直。因此将逐渐被淘汰。
车间组成和平面布置 冷轧冷拔车间包括管坯准备、冷轧冷拔、热处理、酸洗润滑、精整、成品检查、成品仓库等工段。在冷轧冷拔工段还设有打头、中间切断等设备。热处理工段设有热处理炉。酸洗工段设有脱脂槽、酸洗槽、中和槽、高压水冲洗槽、镀铜槽、磷化槽、钝化槽和肥皂槽等。
冷轧冷拔车间的平面布置可以分为连续生产的流水作业线布置和多工序、多道次循环的间断生产作业线布置两大类。
按工艺设备和厂房的相对位置，车间平面布置可以分为横向布置(设备与厂房跨度方向垂直)、纵向布置(设备与厂房跨度方向平行)和混合布置(酸洗间厂房与主厂房垂直) 三大类，混合布置较为合理。
冷轧冷拔生产的特点是多工序和多道次循环，轧拔结合，因此车间平面布置应考虑：生产流程顺畅，流程路线短，避免流程路线交叉和往返。当车间品种较多时，专用管、精密管应建立独立的生产作业线。
车间辅助设施见轧钢厂设计。废酸处理站和工具制造间是冷轧冷拔钢管车间不可缺少的辅助设备。
消耗指标 由于冷轧冷拔钢管的原料和成品的规格较多，差别较大，又有多种钢种，因此消耗指标波动较大，每吨钢管的主要指标为：碳素钢和合金钢管料1.2～1.3t，不锈钢管料1.4～1.5t，燃料6.3～10GJ，电力150～400kW·h。