Ф180 mm TCM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組的工藝裝備特點(diǎn)*

王愛(ài)國(guó)，馮世云

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030024）

Ф180 mm TCM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組的工藝裝備特點(diǎn)*

王愛(ài)國(guó)，馮世云

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030024）

概述了Ф180 mm TCM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組的設(shè)計(jì)制造及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，介紹了該機(jī)組導(dǎo)板式錐形輥穿孔機(jī)、5機(jī)架限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)、3機(jī)架脫管機(jī)和24機(jī)架張力減徑機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)以及控制系統(tǒng)應(yīng)用情況，并對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)制造及安裝調(diào)試的特點(diǎn)和精度要求進(jìn)行了論述。

國(guó)產(chǎn)三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組；Ф180 mm；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；生產(chǎn)工藝；控制系統(tǒng)；性能參數(shù)

太原重工股份有限公司生產(chǎn)的Ф180 mm TCM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組（簡(jiǎn)稱Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組）于2010年4月在山東省某鋼管廠試車成功以來(lái)，已陸續(xù)在國(guó)內(nèi)外銷售5套，得到用戶的一致肯定。該機(jī)組的順利運(yùn)行打破了國(guó)外公司長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)三輥連軋管技術(shù)的壟斷態(tài)勢(shì)。本文將結(jié)合近年來(lái)Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組的運(yùn)行情況對(duì)其生產(chǎn)工藝及設(shè)備進(jìn)行全面介紹。

1 Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組簡(jiǎn)介

Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組是國(guó)產(chǎn)首套擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組，年產(chǎn)Ф25.4～180.0 mm×2.5～25.0 mm×6 000～15 000 mm各類熱軋無(wú)縫鋼管40萬(wàn)t。品種包括油井管、管線管、鍋爐用管、結(jié)構(gòu)用管、液壓支柱用管、船舶用管、流體輸送用管、汽車用管等專用管材。

生產(chǎn)時(shí)，將合格的Ф120 mm和Ф210 mm連鑄圓坯（特殊鋼種也可能成為軋材）鋸成1 500～4 500 mm的定尺管坯，依次經(jīng)過(guò)加熱、穿孔、連軋和張力減徑等工序加工成為成品鋼管。Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程如圖1所示［1-4］。

2 主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組生產(chǎn)線工藝布置情況如圖2所示。環(huán)形加熱爐跨和熱軋跨采用高架平臺(tái)布置。該生產(chǎn)線的主要設(shè)備組成為：導(dǎo)板式錐形輥穿孔機(jī)+（帶空減機(jī)）5機(jī)架三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)+內(nèi)傳動(dòng)式3機(jī)架三輥脫管機(jī)+內(nèi)傳動(dòng)式24機(jī)架張力減徑機(jī)［5］。其主要特點(diǎn)及工藝參數(shù)如下。

（1）穿孔機(jī)。

管坯直徑120 mm，210 mm

毛管外徑125 mm，230 mm

主機(jī)架型式軋輥上下布置，導(dǎo)板左右布置

軋輥直徑650～1 000 mm

軋制速度 最大1.35 m/s

延伸系數(shù) 最大3.85

外徑偏差±1%

壁厚偏差±4%

（2）連軋管機(jī)。

出口鋼管外徑106 mm，191 mm

壁厚最小3 mm，最小4 mm

長(zhǎng)度最大32 m

圖1 Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程

圖2 Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組生產(chǎn)線工藝布置情況

軋制速度最大4 m/s

芯棒長(zhǎng)度16 m

延伸系數(shù)最大3.85

徑壁比最大50

外徑偏差±0.5%

壁厚偏差±6%

（3）脫管機(jī)。

出口鋼管外徑98 mm，184 mm

本課程通過(guò)教學(xué)整體設(shè)計(jì)的改革使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的目標(biāo)更加明確，學(xué)習(xí)更加積極主動(dòng)，能運(yùn)用到實(shí)踐項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)表現(xiàn)中，整體的效果圖設(shè)計(jì)表現(xiàn)水平有顯著提高。教學(xué)方法上采用了雙線并行貫穿項(xiàng)目，課內(nèi)和課外兩個(gè)項(xiàng)目作為課程內(nèi)容的主要載體，訓(xùn)練能力，學(xué)習(xí)知識(shí)，養(yǎng)成職業(yè)道德和職業(yè)素質(zhì)。同時(shí)，將外語(yǔ)知識(shí)滲透到課程教學(xué)實(shí)施中，提高學(xué)生專業(yè)技能水平及職業(yè)素質(zhì)。

壁厚最小3.07 mm，最小4.10 mm

長(zhǎng)度最大33 m

軋輥名義直徑360 mm

（4）張力減徑機(jī)。

成品鋼管外徑25.4～180.0 mm

成品鋼管壁厚最小2.5 mm（Φ25.4 mm），

最小3.3 mm（Φ180.0 mm）

鋼管長(zhǎng)度最大100 m

軋制速度最大6 m/s

軋輥名義直徑360 mm

延伸系數(shù)最大5.5

外徑偏差±0.2%

壁厚偏差±0.3 mm

3 生產(chǎn)工藝控制技術(shù)

為提高成品鋼管的質(zhì)量（特別是外徑和壁厚精度），提高成材率，Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組采取了以下幾個(gè)方面的工藝控制技術(shù)。

（1）物料跟蹤系統(tǒng)。物料跟蹤系統(tǒng)的范圍從管坯上料開始至冷床出口結(jié)束，跟蹤通過(guò)不同工序時(shí)的流水號(hào)和工藝技術(shù)參數(shù)，冷床只跟蹤每批鋼管的實(shí)際支數(shù)和總質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（2）在線檢測(cè)質(zhì)量保證系統(tǒng)。采用在線檢測(cè)裝置是確保現(xiàn)代化軋管機(jī)組連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)以及獲得高質(zhì)量鋼管產(chǎn)品的重要手段之一。

（3）連軋管機(jī)輥縫控制系統(tǒng)。連軋管機(jī)輥縫控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)輥縫在軋鋼過(guò)程中的自動(dòng)調(diào)整，體現(xiàn)了液壓小艙快速準(zhǔn)確定位的優(yōu)勢(shì)。機(jī)架的每個(gè)軋輥都設(shè)有一個(gè)單獨(dú)的液壓小艙，每個(gè)液壓小艙都由一個(gè)伺服閥來(lái)控制。

（4）連軋管機(jī)的工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。連軋管機(jī)的工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工藝參數(shù)的設(shè)定和生產(chǎn)工藝的過(guò)程控制，管理該區(qū)域的操作人員、技術(shù)人員、維修人員可以根據(jù)連軋管機(jī)的工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)提供的信息，調(diào)整軋制參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

（5）穿孔機(jī)、張力減徑機(jī)工藝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。穿孔機(jī)和張力減徑機(jī)工藝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)、工模具管理系統(tǒng)和工藝管理系統(tǒng)3部分組成?？仔驮O(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是軋制工具的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊和存儲(chǔ)工模具參數(shù)以及工藝參數(shù)設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格計(jì)算出所需的變形工模具參數(shù)，并通過(guò)儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)為機(jī)加工提供模具的參數(shù)設(shè)定。工模具管理系統(tǒng)和工藝管理系統(tǒng)可以幫助操作人員和工藝人員進(jìn)行工模具的管理和優(yōu)化，便于數(shù)據(jù)的分析，為更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理提供了方便［2，6-9］。

（6）采取特殊工藝措施提高綜合成材率。采用有限元及三維仿真等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法對(duì)軋輥和穿孔機(jī)頂頭外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了毛管壁厚均勻性；連軋管機(jī)采用頭尾削尖軋制技術(shù)（FTCS），減少了荒管的切頭尾量［10-13］；張力減徑機(jī)采用變張力軋制技術(shù)進(jìn)一步減少了切頭尾量，提高了產(chǎn)品成材率。

4 設(shè)計(jì)制造及安裝調(diào)試技術(shù)

設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及安裝精度對(duì)其生產(chǎn)鋼管的外徑和壁厚精度影響非常大，尤其以連軋管機(jī)最為突出。

Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組在借鑒同類設(shè)備在國(guó)外的加工經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，在使用常規(guī)設(shè)計(jì)手段的同時(shí)，采用三維仿真設(shè)計(jì)繪制裝配圖校驗(yàn)其干涉情況和剛度及強(qiáng)度。模擬真實(shí)軋制狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，采用接觸算法，校核其在承受軋制力的狀態(tài)下隧道機(jī)座的下?lián)虾蛷较驈椥宰冃我约袄瓧U的強(qiáng)度，以保證Ф180 mm TCM連軋管機(jī)隧道機(jī)架在軋制過(guò)程中有較好的剛度與強(qiáng)度。

將設(shè)計(jì)與加工相互結(jié)合，提出合理的加工精度要求和加工方法，在實(shí)際加工中不斷改進(jìn)，以達(dá)到連軋管機(jī)生產(chǎn)高質(zhì)量無(wú)縫鋼管的要求。連軋管機(jī)隧道機(jī)座和軋輥機(jī)架的加工要求角度為120°，誤差小于±0.5′，從劃線開始，架水準(zhǔn)儀、輔助劃線，提高劃線精度。加工完成后，采用激光跟蹤儀對(duì)隧道機(jī)座和軋輥機(jī)架進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)證明各項(xiàng)精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。限動(dòng)齒條作為限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的關(guān)鍵部件，以前各大鋼管制造廠一直依賴進(jìn)口成品，供貨周期長(zhǎng)且進(jìn)口費(fèi)用昂貴，在一定程度上制約了我國(guó)優(yōu)質(zhì)管材的發(fā)展和自主創(chuàng)新能力。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，該機(jī)組限動(dòng)齒條的設(shè)計(jì)要求上、下齒距同步對(duì)正，各組齒條端部加工凹狀連接槽，裝配時(shí)以啞鈴狀連接桿連接鎖緊，通過(guò)電熱棒加熱使連接桿長(zhǎng)度膨脹后裝入兩端齒條連接槽，恢復(fù)常溫后縮緊實(shí)現(xiàn)預(yù)緊功能。

連軋管機(jī)組安裝調(diào)試工作是機(jī)組建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一，高精度的安裝是軋制出高質(zhì)量鋼管的保證。在連軋管機(jī)組的機(jī)械安裝中，其中心線的校正是最關(guān)鍵的工作。采用激光跟蹤儀對(duì)連軋管機(jī)軋制中心線、脫管機(jī)軋制中心線以及限動(dòng)齒條導(dǎo)軌座中心線的同心度進(jìn)行了測(cè)量和校正，將其偏差控制在±0.10 mm內(nèi)，將軋輥機(jī)架中心與隧道機(jī)座中心偏差控制在±0.05 mm內(nèi)。

連軋管機(jī)的電氣及液壓元件均采用了先進(jìn)的監(jiān)控軟件及控制元件，以確保調(diào)試工作的順利進(jìn)行和一次試車成功。連軋管機(jī)的調(diào)試主要是液壓輥縫控制系統(tǒng)的調(diào)試。液壓輥縫控制系統(tǒng)由西門子TDC控制系統(tǒng)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，能夠快速處理復(fù)雜的控制、通信和驅(qū)動(dòng)任務(wù)。液壓輥縫控制系統(tǒng)用于控制空減機(jī)架的平衡裝置和連軋管機(jī)的輥縫調(diào)整?？諟p機(jī)架上裝有3個(gè)平衡液壓缸；每組軋管機(jī)架有3套軋輥，每套軋輥上分別裝有1個(gè)主液壓缸和1個(gè)平衡液壓缸，每個(gè)主液壓缸上安裝有一個(gè)位置傳感器用來(lái)檢測(cè)標(biāo)定軋輥的位置，主液壓缸的主腔及次腔分別安裝有壓力傳感器用來(lái)檢測(cè)各腔中的壓力。軋制時(shí)，通過(guò)采集安裝在液壓小艙上的壓力傳感器和位移傳感器的信號(hào)，并考慮軋輥重量、彈性變形等因素，計(jì)算出實(shí)際的軋制壓力和輥縫值。將實(shí)際的輥縫值與給定值相比較，對(duì)其偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)連軋管機(jī)壓下量的閉環(huán)控制，確保軋輥調(diào)整的靈活性和統(tǒng)一性，并達(dá)到連軋管機(jī)輥縫自動(dòng)控制的目的［14-15］。

5 應(yīng)用情況

山東省某鋼管廠Ф180 mm TCM限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組自2010年4月投產(chǎn)至今，已累計(jì)生產(chǎn)鋼管150余萬(wàn)t，成材率逐年提高，2013年達(dá)到92.38%；作業(yè)率不斷上升，2013年達(dá)到79.36%。機(jī)組生產(chǎn)的鋼種范圍廣，除生產(chǎn)碳鋼和低合金鋼外，還成功軋制了T91、13Cr、超級(jí)13Cr等難軋制品種。

6 結(jié)語(yǔ)

Ф180 mm TCM連軋管機(jī)組是擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組，運(yùn)行4年以來(lái)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提升，具有產(chǎn)品精度高、附加值高等突出特點(diǎn)，在生產(chǎn)高合金難變形品種鋼管等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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Features of Process and Equipment of Ф180 mm TCM 3-roll Retained-mandrel Pipe Mill

WANG Aiguo，F(xiàn)ENG Shiyun
（Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China）

Briefed in the paper are the features of design and manufacture of the Ф180 mm TCM 3-roll retainedmandrel pipe mill，and its manufacturing process.Also detailed are the structural characteristics，performance parameters and control system application，etc.of the main units of the mandrel mill line，i.e.，the cone type piercer with guide shoes，the 5-stand retained-mandrel mill proper，the 3-stand extracting mill and the 24-stand stretch reducing mill.Moreover，a discussion is presented，involving the features of design，manufacture，installation and commissioning，and accuracy requirement of the equipment of the mill plant.

home-made 3-roll mandrel pipe mill；Ф180 mm；structural features；manufacturing process；control system；performance parameters

TG333

B

1001-2311（2014）06-0034-04

2013-05-13；修定日期：2014-07-14）

*該項(xiàng)目獲得山西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)

王愛(ài)國(guó)（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師，副主任，長(zhǎng)期從事軋鋼設(shè)備設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和工藝研究工作。