大口徑厚壁鋼管熱模法離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

習(xí) 杰

(新興河北工程技術(shù)有限公司,河北邯鄲市 056017)

大口徑厚壁鋼管熱模法離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

習(xí) 杰

(新興河北工程技術(shù)有限公司,河北邯鄲市 056017)

詳細(xì)介紹了采用熱模法離心鑄造厚壁鋼管坯的設(shè)計(jì)思路，以及該機(jī)主要機(jī)構(gòu)（等量澆注裝置、主機(jī)、推管機(jī)構(gòu)等）的設(shè)計(jì)。

鑄鋼管；離心鑄造機(jī)；設(shè)計(jì)

1 概述

大口徑厚壁鋼管應(yīng)用于高溫高壓及腐蝕性工況，其組織性能要求較高，不僅坯料的冶煉鑄造要求嚴(yán)格，而且必須經(jīng)過(guò)均勻充分的塑性變形。目前世界上僅有為數(shù)不多的幾家跨國(guó)鋼鐵公司具備生產(chǎn)能力，所采用的工藝分為三種：

（1）周期軋制方法 其基本工藝路線(xiàn)為：連鑄坯加熱—壓力穿孔—延伸—周期軋制—鋸切夾持端頭—二次加熱—矯直—精整定徑。其產(chǎn)品規(guī)格范圍多為外徑小于?400mm、壁厚50mm以?xún)?nèi)。該工藝存在著工藝路線(xiàn)長(zhǎng)、無(wú)法生產(chǎn)大口徑規(guī)格、多次加熱能耗高、材料收得率低的缺點(diǎn)。該工藝在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已面臨淘汰。

（2）穿孔—拔伸方法 其工藝路線(xiàn)為：鑄錠加熱—立式穿孔—二次加熱—多環(huán)模拔伸—熱處理—內(nèi)外機(jī)加工—精整。由于環(huán)模拔伸時(shí)材料與模圈間的熱粘性強(qiáng)力摩擦，管身尺寸精度、內(nèi)外圓同心度誤差大，需通過(guò)較大切削量才能得到成品，材料利用率低，能耗偏高，僅能生產(chǎn)塑性較好的材質(zhì)。目前應(yīng)用此工藝的有德國(guó)曼內(nèi)斯曼、日本住友，我國(guó)的武漢重型鑄鍛廠于1996年經(jīng)技術(shù)改造引進(jìn)了此種工藝。

（3）熱擠壓方法 大口徑鋼管采用熱擠壓僅有美國(guó)的威曼—高登，其工藝路線(xiàn)為：鑄錠加熱—沖孔—擠壓—精整。該工藝建立在美國(guó)航空工業(yè)巨大投資興建的超級(jí)擠壓機(jī)基礎(chǔ)上，其產(chǎn)品成本較高。目前在大口徑厚壁鋼管領(lǐng)域與曼內(nèi)斯曼同處于壟斷地位。

針對(duì)上述各工藝存在的不足，新興鑄管有限公司自2006年開(kāi)始，沿著“離心鑄造空心鋼管坯-擠壓和徑向鍛造”的工藝路線(xiàn)，全面展開(kāi)了鋼管坯離心鑄造和擠壓、徑鍛、熱軋制成型的試驗(yàn)，截至目前，主要工藝環(huán)節(jié)已經(jīng)得到充分驗(yàn)證，還多次組織行業(yè)專(zhuān)家、教授和工程院院士舉行技術(shù)研討會(huì)并得到一致肯定和支持。采用這一新的工藝路線(xiàn)，通過(guò)離心鑄造能獲得組織優(yōu)良、尺寸精確的空心管坯，不僅坯料質(zhì)量高，還省去了以上各生產(chǎn)方法中必須具備的穿孔工序和設(shè)備，直接進(jìn)入產(chǎn)品最終熱成型，無(wú)需二次加熱；無(wú)論擠壓還是徑向鍛造，其產(chǎn)品精度較高，先進(jìn)的成型工藝能滿(mǎn)足各種塑性材質(zhì)的要求，產(chǎn)品的縱向、橫向力學(xué)性能一致性超過(guò)現(xiàn)有其它工藝，材料綜合收得率達(dá)到較高水平。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)和工序完善，該工藝路線(xiàn)已具備規(guī)模生產(chǎn)條件，產(chǎn)品口徑可突破700mm、壁厚可達(dá)100～150mm，所生產(chǎn)的大口徑厚壁鋼管產(chǎn)品不僅能滿(mǎn)足能源、石化等行業(yè)的巨大需求，而且與進(jìn)口產(chǎn)品相比具備質(zhì)量和成本的雙重優(yōu)勢(shì)。

2 熱模法鑄鋼管離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)

鋼管坯較之球墨鑄鐵管具有較大差異，鋼管坯管壁較厚（≥80mm），材質(zhì)多樣（不銹鋼、21CrMo10、20G、30CrMo等），長(zhǎng)短不一（長(zhǎng)度有 1200mm、2400mm、3200mm、6000mm），直徑范圍大（DN220～DN770），產(chǎn)品的多樣性使得離心機(jī)的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)和控制方面增加很大難度。我們根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，根據(jù)產(chǎn)品自身特點(diǎn)，結(jié)合球墨鑄鐵管離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)根據(jù)管徑大小和生產(chǎn)節(jié)奏的要求，我們將離心機(jī)設(shè)計(jì)為單工位熱模法離心機(jī)和雙工位熱模法離心機(jī)兩種形式（圖1）。

由于鑄鋼管坯產(chǎn)品的自身特點(diǎn)以及澆注工藝要求，對(duì)離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)提出四個(gè)方面的要求：

（1）能滿(mǎn)足不同規(guī)格，不同長(zhǎng)度產(chǎn)品的澆注；

（2）在澆注過(guò)程中，離心機(jī)參數(shù)（主機(jī)轉(zhuǎn)速、澆注速度等）實(shí)時(shí)控制、調(diào)整；

（3）為保證澆注溫度，在減少倒換澆包的同時(shí)實(shí)現(xiàn)等量澆注，保證鋼管坯成型質(zhì)量；

（4）提高離心機(jī)生產(chǎn)節(jié)奏。

2.1 澆注裝置

為較少溫度散失，并保證成型管坯壁厚均勻、組織穩(wěn)定，在此次設(shè)計(jì)中我們采用了鋼包等量澆注裝置（圖2），即鋼液從電爐倒入鋼包后，不再進(jìn)行倒換包，直接吊裝在澆注裝置上，快速固定后翻包澆注。該裝置的設(shè)計(jì)核心點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)鋼包的等量澆注。因?yàn)槠胀ㄤ摪螤钆c澆注扇形包完全不同，隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化，更難以實(shí)現(xiàn)等量澆注。實(shí)現(xiàn)這一功能，實(shí)際上是針對(duì)等速板的精確設(shè)計(jì)。我們利用有限元法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)生成曲線(xiàn)，并采用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，將鋼包翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行全程模擬（圖3），最終完成了等速板的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)這一功能。

2.2 離心主機(jī)

為方便參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，離心主機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用直流調(diào)速電機(jī)，由PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程中速度的變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)澆注速度、澆注時(shí)間、鋼液溫度等參數(shù)的采集監(jiān)視與歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。另外，由于管坯直徑在較大范圍變化，且長(zhǎng)度尺寸也有多個(gè)規(guī)格，因此設(shè)計(jì)托輪機(jī)構(gòu)在徑向、軸向都能夠調(diào)整（圖4）。

2.3 推管機(jī)構(gòu)

由于鋼管坯管壁厚且多為直管，在出管機(jī)構(gòu)上我們沒(méi)有采用復(fù)雜的拔管機(jī)構(gòu)，而是設(shè)計(jì)了操作方便、維修簡(jiǎn)單、成本較低的銷(xiāo)齒傳動(dòng)的推管機(jī)構(gòu)。銷(xiāo)齒傳動(dòng)屬于齒輪傳動(dòng)的一種特殊形式。由于銷(xiāo)輪的輪齒是圓銷(xiāo)形，故與一般齒輪相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、造價(jià)低、拆修方便等優(yōu)點(diǎn)。銷(xiāo)齒傳動(dòng)適用于低速、重載的機(jī)械傳動(dòng)和粉塵多、潤(rùn)滑條件差等工作環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合，傳動(dòng)效率在90%以上。銷(xiāo)齒傳動(dòng)的特點(diǎn)比較適合鑄造現(xiàn)場(chǎng)使用情況。

為了提高生產(chǎn)效率，同時(shí)盡量降低設(shè)備制造成本，在該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上真正實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，即機(jī)構(gòu)同時(shí)具備推管、噴涂、清理三種功能（圖5）。

2.4 控制系統(tǒng)的恒重力系數(shù)控制和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集

鋼管坯管壁相對(duì)較厚（50～120mm），在澆注過(guò)程中內(nèi)外表面重力系數(shù)相差較大，會(huì)造成管坯凝固不均的現(xiàn)象。因此，在澆注過(guò)程中，要求管模轉(zhuǎn)速隨著澆注的管坯壁厚進(jìn)行調(diào)整，保證成形管坯的重力系數(shù)內(nèi)外壁基本一致。電氣控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩方面的設(shè)計(jì)完成了工藝要求，在生產(chǎn)過(guò)程中達(dá)到較好的效果。

2.4.1 硬件系統(tǒng)保證多點(diǎn)監(jiān)控

通過(guò)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的信息反饋，自動(dòng)調(diào)整澆注過(guò)程中工藝參數(shù)，保證鋼管質(zhì)量。例如，通過(guò)檢測(cè)管模轉(zhuǎn)速控制液壓傳動(dòng)轉(zhuǎn)速來(lái)保證恒重力系數(shù)澆注。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括管模轉(zhuǎn)速、管模內(nèi)外溫度、澆注重量等。

上位管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)澆鑄系統(tǒng)的監(jiān)視和操作、歷史數(shù)據(jù)存檔，是控制系統(tǒng)主要的人機(jī)界面；二個(gè)顯示屏分別顯示澆鑄速度和澆鑄重量。

2.4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面顯示

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，通過(guò)軟件的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工藝畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面顯示，不同畫(huà)面的切換。文本框顯示離心澆鑄時(shí)各種運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)。采用對(duì)話(huà)框完成了參數(shù)設(shè)定。

3 熱模法鑄鋼管離心鑄造機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在正式進(jìn)行離心鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)之前，我們先按照設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)，在半年的使用中，對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了各方面改進(jìn)，使其逐漸滿(mǎn)足各種工藝要求，因此在進(jìn)行生產(chǎn)性設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行了總結(jié)，避免了彎路，設(shè)備的使用基本上能夠很好的滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。

根據(jù)車(chē)間布局情況及生產(chǎn)效率要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種布局的離心機(jī)機(jī)型：?jiǎn)喂の浑x心機(jī)適用于DN300mm以下長(zhǎng)度較短的小口徑鋼管坯；DN300～700mm直徑，長(zhǎng)度在3000～6000mm的鋼管坯在雙工位離心機(jī)上生產(chǎn)。兩種機(jī)型的設(shè)備結(jié)構(gòu)原理相同，只是布局上有所改變。目前，離心機(jī)使用情況良好，已生產(chǎn)了不銹鋼復(fù)合管坯、20CrMo10、20G等多種材質(zhì)管坯，產(chǎn)能已達(dá)到了生產(chǎn)要求，管坯產(chǎn)品性能組織良好，各方面檢測(cè)均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

Design and Application of A Centrifugal Casting Machine with Hot Die for Large Caliber Steel Pipt with Thick Wall

XI Jie
（Xin Xing Hebei Engineering Technology Co.Ltd.,Handan 056017,Hebei China）

Design idea of a centrifugal casting machine with hot die for large caliber steel pipt with thick wall has been introduced in details with design of the main equipment such as pouring device with dosing device,main machine and pipe ejector etc.,hence a typical instance of application of centrifugal casting technology on forming of pipe with thick wall.

Casting steel pipe；Centrifugal casting machine；Design

TG249．4;

A；

1006－9658（2011）03－3

2011－01－05

2011－002

習(xí)杰（1973-），女，高工，長(zhǎng)期從事離心球墨鑄鐵管裝備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以及鑄鐵管及管件標(biāo)準(zhǔn)化工作