國外不銹鋼管熱擠壓加工成型工藝的發(fā)展狀況

   擠壓作為一種壓力加工的方法，早在1797年就被用來擠壓鋁管；1894年英國人 Alexnder Diok開始用冷擠壓法生產錫、鉛、黃銅以及銅合金產品；1899年，俄國人首先用熱擠壓法生產較難熔的金屬和合金棒材；1924年英國用熱擠壓法擠壓出管子；1925年，法國開始用熱擠壓法試制黑色金屬產品。通過以上實踐證明了一點，黑色金屬和有色金屬一樣可以用熱擠壓法來生產各種產品。于是，在1928年德國建成了世界上第一臺機械擠壓機，用來成批生產碳素鋼管。

  但是，由于過去鋼擠壓試驗都是利用低速的有色金屬擠壓機來進行的，因此當時并沒有進行過任何關于鋼擠壓特性和方法的試驗研究。對鋼擠壓時的工模具設計和潤滑劑的選擇以及擠壓坯料的加熱，都是利用有色金屬擠壓工藝范圍內已有的經驗。試驗結果表明，這是不行的。因為由于擠壓速度很低，潤滑劑的選擇和工模具形狀的設計不合適，以及坯料無氧化加熱的可操作性和經濟性的問題還沒有解決，所以不能保證擠壓時合適的金屬流動條件，以致在擠壓過程中坯料很快被冷卻，相反工具很快被加熱，導致擠壓過程無法進行。由于當時鋼擠壓時有以下四個基本工藝和裝備上的條件尚不具備，致使用擠壓法來生產黑色金屬產品并沒有投入工業(yè)性生產。這四個條件是：（1）高使用壽命的工模具材料；（2）坯料的無氧化加熱；（3）適當的工藝潤滑劑；（4）高的擠壓速度。

 與此同時，德國的一個鋼廠和一個有色金屬半成品工廠合作進行了鋼擠壓試驗，在原理上證實了鋼擠壓的可行性。直至20世紀40年代，高參數的蒸汽透平制造業(yè)、燃氣透平制造業(yè)、儀器儀表制造業(yè)以及機器制造業(yè)中某些領域的快速發(fā)展，都必須使用具有高耐熱強度、耐酸、高電磁性和其他特殊性能的高合金鋼和難熔合金制造的零件。而當耐熱強度或其他物理化學性能提高時，許多材料的工藝塑性會明顯地下降，使一個很有使用價值的材料在流動狀態(tài)下，塑性指標降低到甚至不能用軋制或自由鍛的方法進行加工。因此，在當時，對一些不銹鋼、鎳基合金等材料的無縫鋼管產品，雖然用軋制法生產有很大的困難，但也只能用軋制和自由鍛的方法生產，導致這類產品生產的經濟性和可能性大大降低。對高性能、低塑性、難變形材料產品的實際需求，促進了對高合金鋼和各種特殊材料熱擠壓過程的研究。

 1941年，法國的塞菲拉克（ CEFILAC）公司（原金屬拉拔與軋制公司）的技術經理J.賽茹爾內（J. Sejournet）在于仁恩（ Ugine）電爐鋼公司的協助下成功研制出玻璃潤滑劑，奠定了鋼擠壓工藝及設備迅速發(fā)展的基礎。同年，“玻璃潤滑劑高速擠壓法”專利許可證頒發(fā)給 J. Sejournet后，很快被美國、英國、西班牙、奧地利、日本、瑞典和其他國家所購買（表1-1）。

 1945年，玻璃潤滑劑開始用于工業(yè)性生產。當時一些長期使用的用來生產銅和黃銅產品舊式有色金屬擠壓機，在結構、擠壓速度和加熱工藝方面都已不能適應鋼擠壓的特殊要求。因此，在擠壓鋼時，這些擠壓機大部分被拆除，同時被現代鋼擠壓機替代。當時對所設計的擠壓機和輔助設備的結構提出了以下三點要求：

  1. 在生產絕對可靠的條件下，具有高的工作速度。要求擠壓速度為300~400m，空程速度為650mm/s。這樣，生產的間隙時間從110s減少到25~30秒。

  2. 設計要求純擠壓時間為2~3秒。這是因為考慮到當時液壓系統的管和閥門的費用比較高，再進一步減少純擠壓時間就沒有什么益處了。但是，仍需調在這方面要繼續(xù)努力。因為擠壓坯料與擠壓筒和擠壓模的接觸時間縮短可使工模具的使用壽命提高，并且檢查和更換工模具的工作量也可以減輕，使擠壓機的生產效率提高，同時使產品的生產成本降低。

  3. 擠壓機的結構強度和裝配精度要求比有色金屬擠壓的要求高。這是因為鋼擠壓時的擠壓力相對比有色金屬擠壓時大得多，這樣可確保擠壓鋼管壁厚公差精度，滿足當時特殊產品生產的需要。

 20世紀50年代初期，美國首先開始將低頻電感應加熱技術引入鋼擠壓的料加熱工藝并獲得成功；接著英國也于1957年開始采用低頻感應加熱技術來實現擠壓坯料的無氧化加熱，并且感應加熱爐被設計成單爐座，每小時可無氧化加熱壞料40噸。

  與此同時，由于特殊冶金技術的發(fā)展，其研究成果在擠壓工模具材料選擇工具設計和制作中的應用，使擠壓工模具在高溫下能夠承受更大的壓力、沖擊和疲勞負荷，提高了其使用壽命。例如，當時英國的勞芳·莫爾優(yōu)質鋼公司（Low Mour Fine steel Ltd.），采用尼莫尼克90合金擠壓模擠壓時，其模具的使用壽命得到了很大的提高。但是后來，由于尼莫尼克90合金擠壓模在機械加工方面遇到很大的困難，并且使用成本比較高，因而沒有被推廣使用。于是又進一步地研究出淬硬性、抗熱裂性、耐磨性和熱強度都很高，且加工容易和價廉的9%W和4.25W-Cr-Co-V-Mo鋼擠壓模，其熱處理后的硬度分別達到HRC49-50HRC56。用于擠壓有8個翅的異型管時，擠壓模的使用壽命超過100次/只。

 50年代后期，美國瓊斯·拉弗林（J&L）擠壓工廠的W. L. Steinbrenner試驗成功一種具有良好模具特性的新材料鉬合金用于制作擠壓模，取得很好的效果。采用鉬合金制造的擠壓模容易加工，不需要熱處理，并且在使用后還可以重新加工成尺寸較小一檔的擠壓模繼續(xù)使用，其壽命可以達到200-300次/只以上。

 至此，鋼擠壓工藝和設備上的四個主要難題已經基本上得到解決，鋼擠壓術進入到提高生產率、進一步完善擠壓機結構、改善技術經濟指標的新階段。

 當時，在美國和歐洲從事擠壓機設計和制造的公司主要有英國的勞威Loewy工程公司和菲爾?。?Fielding）工廠設計公司，德國的施勞曼（se mam）公司和美國的皮爾太克（ Buried）公司。他們采用最新科技，大量設計制造臥式液壓擠壓機，在將近20年的時間內使擠壓機的數量增加了9倍。其中液壓擠壓機的總能力增加了800%，機械擠壓機的總能力增加了250%，并且還量制造了4000~6000噸的管型材擠壓機。僅勞威工程公司一家就供應了197臺擠壓機，其中164臺用于有色金屬，33臺用于鋼擠壓。

1951年，世界上第一個采用玻璃潤滑劑高速擠壓法生產不銹鋼管的工業(yè)性生產車間在美國的 Babcock& Wilcox公司建成投產。此后的10~20年內，國外幾乎所有的不銹鋼管生產大公司都逐漸以擠壓法取代了其他生產不銹鋼無縫鋼管的方法，使熱擠壓工藝成為不銹鋼無縫鋼管不可缺少的生產手段。

 20世紀60年代初，鋼的熱擠壓技術已經發(fā)展到一個相當高的水平。由于設計和機械制造技術的進步，擠壓機的結構和裝備不斷完善：采用了更為合理的4張力柱式框架結構；帶預應力的張力柱固定螺帽；帶預應力裝配的多層結構擠壓筒；旋轉式雙擠壓筒和雙穿孔筒；旋轉式或抽屜式模架；擠壓筒的自動清理和冷卻；擠壓墊的自動分離和自動傳輸；擠壓機幾乎都配備有一個高壓蓄勢器系統采用具有多級不同壓力組合的多缸結構。例如，當時在新建投產的一系列3000噸鋼管和型鋼擠壓機上，不再采用一個單獨的3000噸水壓缸（只能用減小蓄勢器中的壓力的辦法來變換擠壓機的壓力等級），而是改為采用一種可以在500~3000噸范圍內按照6個相同等級來變換壓力的擠壓機。在這種情況下，坯料的直徑可以從125mm增大到350mm，長度可以由150mm增長到1000mm，使一臺擠壓機的應用范圍擴大了很多，并且提高了擠壓機的生產效率。

  當時，大量采用的是3000~5000噸臥式水壓擠壓機。與此同時，美國還建成臺1200噸的大型臥式擠壓機，其中3臺用于擠壓鋁合金，3臺用于擠壓鋼管、型鋼和難熔金屬及合金。當時在各種型號和噸位的臥式擠壓機上，其最佳的工藝技術單項指標可達到如下水平：鋼擠壓時的最大擠壓比達到70以上，而從理論上和實驗上可以達到200；擠壓速度提高到300~400mm/s；擠壓桿的空程速度可以達到600-700mm/s；擠壓的周期時間縮短到20秒；擠壓機的擠壓次數達到140次/小時。

  當時還普遍采用工頻感應加熱爐和再加熱爐，以及帶保護氣體的環(huán)形加熱爐等坯料無氧化加熱設備。當時已有128臺以上的感應加熱爐和再加熱爐在世界各國的擠壓車間運行，單臺的最大加熱能力達到40噸/小時。

  同時采用合金鋼、高合金鋼、高溫合金難熔金屬、金屬陶瓷、硬質合金等材料來制作擠壓機和穿孔機的工模具，使一些擠壓工模具的極限強度達到2360MPa。

 20世紀60年代末期，世界各國已擁有135臺以上擠壓鋼和鎳及其合金的擠壓機在運轉，其中85%~90%的擠壓機用于生產鋼管，10%~15%的擠壓機用于生產型鋼。一時擠壓機成為“最靈活的軋管機”，并且還推出擠壓機和張力減徑機聯合使用的擠壓鋼管生產線，用來大批量生產碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼和耐熱鋼等鋼管。

 采用3000~4000噸擠壓機配置16~24機架張力減徑機，張力減徑機進口鋼管的直徑為73~170mm，生產的成品管的最小直徑為20-30mm，最小壁厚為2~3mm。一般進張力減徑機鋼管的長度為10~20m。如果采用連鑄坯生產碳素鋼和低合金鋼管，擠壓鋼管的坯重還要增大。通過張力減徑機后的成品管長度可以達到25~35m，張力減徑的出口速度最大可以達到4~6m/s，年產量在10萬噸以上。

 從當時的發(fā)展情況來看，擠壓機與張力減徑機配合使用時，具有以下幾方面的優(yōu)勢：

 1. 提高了擠壓機的產量

    1臺3000噸擠壓機，如果是單機生產碳素鋼管年產量在5萬~6萬噸左右，而采用與張力減徑機聯合組成生產線時，使其年產量可提高至10萬噸以上。

 2. 擴大了擠壓機組生產鋼管的規(guī)格范圍

     一般1臺3000噸壓機生產鋼管的最小規(guī)格為d60mm×2.5mm，而配置了張力減徑機之后，由張力減徑機減徑后的鋼管最小規(guī)格為28mm×2.0mm，甚至可以減徑至16mm×2.0mm。

 3. 降低了生產成本

    由于擠壓機使用的坯料規(guī)格較少，一般僅3-6個規(guī)格系列，使工模具的準備和消耗量相應減少。并且生產小直徑鋼管時，無需進行進一步的冷拔冷軋等冷加工工序。

 4. 可以靈活生產

   既可以生產批量小、塑性低的難變形高合金鋼和合金鋼管，又可以生產批量大的小直徑碳素鋼管和低合金鋼管。

 因此，當時聯合使用擠壓機和張力減徑機的制管工藝曾一度以生產的靈活性和高效率、產品的低成本和高質量挑戰(zhàn)傳統的軋管工藝，并且其產量一度在鋼管后來，由于擠壓機和在行大量生產和連續(xù)運行中，在生產工藝、品種質量和經濟性等方面出現的不足，導致聯合生產線終止生產。

 例如，奧地利的1臺3100噸擠壓機配置張力減徑機后出現了不少問題，如擠壓機適合于小批量、多品種的訂單，而擠壓機與張力減徑機聯用后，機組則適合大批量、少品種的訂單。因此，在生產安排和設備效率等方面出現了矛盾。并且，帶玻璃潤滑劑擠壓后的鋼管經張減后，鋼管的內表面出現了小球狀的殘留物，使鋼管質量達不到標準要求。因此，擠壓后需進行張減的鋼管，只能采用石墨作為潤滑劑。但采用石墨潤滑劑擠壓不銹鋼管時，又可能會引起鋼管表面滲碳。為此，該廠曾一度只采用石墨潤滑劑，專門生產碳素鋼管和合金結構鋼管。

  德國1962年建成的1臺3400噸擠壓機組配置的張力減徑機于1968年拆除其原因是采用擠壓機和張力減徑機聯合工藝，生產碳素鋼管和合金結構鋼管在經濟上不合算。

 日本神戶制鋼于1967年建成投產的550噸擠壓機也配有張力減徑機，主要用于生產碳素鋼管和合金鋼管，最后張力減徑機大部分時間也處于停產。

 我國長城鋼廠在20世紀60年代從德國引進的3150噸擠壓機，配有24機架的張力減徑機，未能很好使用就遭拆除。

  此后建成的擠壓機，如日本京浜廠的3150噸擠壓機和羅馬尼亞共和國鋼管廠的3100噸擠壓機等都不再配置張力減徑機。其原因，一方面是由于擠壓機和張力減徑機聯合使用后在運行過程中出現的工藝和經濟性方面的問題；另一方面是由于連續(xù)軋管機組出現后，從生產效率和經濟性兩個方面考慮，生產碳素鋼管和低合金鋼管時，擠壓一張減聯合機組無法與連續(xù)軋管機組相競爭。

 由于熱擠壓工藝的變形方式所具有的金屬流動特性，能夠提高材料的變形能力，加工采用其他加工方法（鍛壓和軋制）難以成型的低塑性、難變形的材料以及其所具有的工藝上的靈活性和制品的高質量等有利條件，使其在一些制管的重要場合成為最佳的加工方法，有時甚至是唯一可選擇的、無需進行經濟性論證的加工方法。

 擠壓機可以生產各種鋼種的產品，如碳素鋼、合金鋼、不銹鋼以及高溫合金和難變形金屬的管材和異型材。國外70%以上的擠壓機被用于生產鋼管并且主要生產不銹鋼管，專門用于生產型材的擠壓機并不多。由于不銹鋼無縫管約有50%要進行冷軋冷拔加工后交貨使用，因此，國內外的擠壓鋼管車間大多配有冷軋冷拔鋼管設備，以便生產高精度的冷加工不銹鋼精管。

 目前，不銹鋼和各種難熔金屬及合金熱擠壓工藝的發(fā)展，可以從現在已在使用的擠壓機的擠壓力來衡量?，F在工業(yè)上專門用于鋼質管型材的擠壓機壓力，已經從400噸增至30000噸以上。利用擠壓法還可以制造橫截面形狀和尺寸都能符合結構元件精度要求的管材和型材。

 特別是自1951年末期，世界上第一個采用玻璃潤滑劑高速擠壓法生產不銹鋼管的工業(yè)性生產車間在美國的 Babcock&wiox公司建成投產，此后的10~20年間國外幾乎所有大的不銹鋼管公司都逐漸地以擠壓工藝來取代其他的不銹鋼管生產方法，其中也包括自動軋管生產工藝。并且又有以生產低塑性的高合金鋼管以及復雜結構型材為主的擠壓機投產。有人曾對20世紀50年代初至70年代投產的擠壓機組按時間區(qū)分進行不完全的統計，來觀察世界各國建成并投產的擠壓機的發(fā)展進程：

  其中包括意大利的本特拉（Pea）公司在1965年安裝的兩臺1600噸立式擠壓機和1968年又安裝兩臺類似的擠壓機以及5450噸臥式擠壓機（用于生產對成品管幾何尺寸有較高要求的碳素鋼管和低合金鋼毛坯管）；美國的孤星（ Lone Star）鋼鐵公司建成的5500噸擠壓機（用于生產石油套管、油管等對質量和可靠性有高要求的專用管）；美國加美倫（ Cameron）公司的20000~30000噸型擠壓機（成功生產了直徑達1220mm的煤氣輸送管以及大直徑三通管、關閉閥體、管接頭等配件管）；蘇聯于1959年先后在尼科波爾南方鋼管廠建成投產的120、1500壓機（用于生產中（25~70mm）×（2.5~3.0mm) 的碳素鋼和合金鋼商品管、12Cr5MoA、36Mn2Si等合金結構鋼管以及GCr15滾珠軸承鋼管），1961年投產的1650噸和3150噸擠壓機各1臺（用于生產（57~159mm）×（4.5~20.0mm）的各種不銹鋼管）；德國里薩（ Riesa）鋼管聯合公司分別在格勒迪茨和杰里特契的2000噸和1600噸擠壓機；捷克斯洛伐克的2000噸擠壓機（用于生產不銹鋼管和軸承鋼管）和1600噸擠壓機（用于生碳素鋼管和低合金鋼管）。

  目前在運行的擠壓機大部分都是20世紀70年代以前建成投產的，70年代以后新建的擠壓機為數并不多。其中主要有羅馬尼亞共和國鋼管廠的3100噸擠壓機，日本京浜廠的3150噸擠壓機、前蘇聯伏爾加鋼管廠的5500噸擠壓機、美國孤星（ Lone Star）鋼管廠的5500噸擠壓機，以及新近建成的烏克蘭 Centralis鋼管廠的4400噸擠壓機和中國久立集團的3500噸擠壓機，寶鋼集團特殊鋼分公司的6000噸壓機、山西太鋼集團的6000噸擠壓機、江蘇華新不銹鋼管公司的3600噸擠壓機等。目前，在國外熱擠壓工藝已經成為不銹鋼管、高鎳合金管以及難熔金屬及其合金等高性能材料管型材產品不可缺少的生產手段。