20 MN擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的優(yōu)化改造

李樹偉，王志永，張康鵬，龐瑞福

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030003）

20 MN擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的優(yōu)化改造

李樹偉，王志永，張康鵬，龐瑞福

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030003）

從硬件、軟件和工藝特點等3方面對20 MN擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手進(jìn)行改造，并對其速度和角度進(jìn)行優(yōu)化。改造后的使用效果表明：將出料機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)方向逆向旋轉(zhuǎn)90°，基本消除了感應(yīng)爐“頂爐”事故的發(fā)生，降低了感應(yīng)爐的內(nèi)襯消耗，使內(nèi)襯的使用費用從100元/t降低到45元/t，提高了感應(yīng)爐加熱坯料溫度的均勻性和擠壓成材率。

不銹鋼管坯；擴(kuò)孔機(jī)；感應(yīng)加熱爐；內(nèi)襯；出料機(jī)械手；旋轉(zhuǎn)方向；改進(jìn)；成材率

山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司（簡稱太鋼不銹）進(jìn)口的20 MN（2 000 t）擴(kuò)孔機(jī)，主要用于將坯料內(nèi)孔擴(kuò)大到實際擠壓所需范圍，最大擴(kuò)孔力為25 MN，最大擴(kuò)孔速度為300 mm/s；其動作控制由比例液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，動作部件主要由穿孔梁、鐓粗梁、頂料桿、封堵缸、上料機(jī)械手、出料機(jī)械手等組成。在擠壓生產(chǎn)工藝中，感應(yīng)爐作為主要加熱設(shè)備，主要負(fù)責(zé)為擴(kuò)孔機(jī)和擠壓機(jī)提供加熱合格的坯料。在不銹鋼鋼管的感應(yīng)爐加熱過程中，坯料在線圈中產(chǎn)生渦流從而實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)化成熱能），通過熱傳導(dǎo)使坯料變熱，加熱溫度區(qū)間為1 160～1 280℃［1-3］；為了延長線圈中耐火材料的壽命，一般線圈內(nèi)壁都安裝有厚度不等的內(nèi)襯作為保護(hù)層［4］。在理想狀態(tài)下，待內(nèi)襯安裝后，坯料處于線圈的中心位置，與內(nèi)襯有2～5 mm的間隙，不損傷內(nèi)襯，但是內(nèi)襯一旦卷曲或破裂必須更換。因此，提高感應(yīng)爐內(nèi)襯的使用壽命是優(yōu)化擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的一個重要目的。

1　擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手介紹

擠壓生產(chǎn)線的工藝流程是：坯料鋸切→鉆孔→倒角→清洗→環(huán)形爐預(yù)熱→一次感應(yīng)爐加熱→玻璃粉潤滑→擴(kuò)孔→出料→高壓水除鱗→二次感應(yīng)爐加熱→玻璃粉潤滑→擠壓成型→入水固溶→荒管檢驗等［5］。其中，出料機(jī)械手是擴(kuò)孔機(jī)的主要部件之一，負(fù)責(zé)將擴(kuò)孔完成后的坯料從擴(kuò)孔筒內(nèi)取出，并將坯料由垂直狀態(tài)變成水平放置狀態(tài)，然后將坯料放在下部的輸送輥道上，運輸至二次感應(yīng)爐加熱［6］。

圖1所示為擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意。其中，擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手安裝在固定支架上，支架安裝在輥道上部，出料機(jī)械手主要依靠行走電機(jī)驅(qū)動其在支架軌道內(nèi)橫向移動，依靠擺升液壓缸來實現(xiàn)上下運動（縱向移動），依靠上部的齒條齒輪嚙合實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，所有動作的位置由限位開關(guān)來實現(xiàn)電氣自動化控制。為了保證坯料的安全運輸，在出料機(jī)械手上安裝有一副夾爪，夾爪的夾緊和放松依靠液壓缸實現(xiàn)，同時為了保護(hù)出料機(jī)械手上的液壓膠管和電纜不被燒毀，特安裝有一塊含有耐火材料的防護(hù)罩。

圖1　擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

2　擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手改造前狀況

按照現(xiàn)有的工藝流程，擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手主要用于將擴(kuò)孔后的中空坯料輸送給感應(yīng)爐加熱，然后再運輸給擠壓機(jī)擠壓成荒管。目前一些延伸系數(shù)大（≥1.3）的規(guī)格產(chǎn)品在擴(kuò)孔后存在頂部（自由端）傾斜的現(xiàn)象［7］，這種坯料進(jìn)入后續(xù)工序時會帶來以下影響。

（1）頂部傾斜損壞感應(yīng)爐線圈內(nèi)襯。太鋼不銹的感應(yīng)爐為立式結(jié)構(gòu)，感應(yīng)爐線圈的底部安裝有頂升液壓缸機(jī)構(gòu)。圖2所示為改造前坯料進(jìn)入感應(yīng)爐的位置示意。坯料擴(kuò)孔后自由端朝前被輥道運輸至感應(yīng)爐加熱，由于頂升液壓缸機(jī)構(gòu)的端面為平面，當(dāng)頂升液壓缸機(jī)構(gòu)將坯料頂起并送入線圈進(jìn)行加熱時，坯料的自由端朝下，在升起的過程中，因坯料頂部傾斜極易造成線圈內(nèi)襯的卷曲、折疊和劃傷，降低了內(nèi)襯的使用壽命；而頻繁的更換內(nèi)襯又減慢了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏，增加了檢修成本。

圖2　改造前坯料進(jìn)入感應(yīng)爐的位置示意

（2）發(fā)生“頂爐”事故。如果擴(kuò)孔后坯料的傾斜度過大（超過45°），坯料極有可能直接頂歪線圈，發(fā)生“頂爐”事故，致使感應(yīng)爐設(shè)施損毀（如支撐架彎曲、水冷電纜漏水、上帽水管斷裂等）［8］。一次“頂爐”事故處理的時間長達(dá)50 min，嚴(yán)重影響連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)率的提高，增加維修成本。

（3）加熱不均勻。坯料在感應(yīng)爐中加熱時，由于底部傾斜，坯料不能完全直立在感應(yīng)爐內(nèi)線圈中央，影響了坯料加熱溫度的均勻性和加熱效率，按照設(shè)定的溫度加熱測量后，坯料圓周方向溫度與橫向溫度相差約90℃［9］。選用加熱溫度不均勻的坯料進(jìn)行擠壓生產(chǎn)時，其產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，且坯料與內(nèi)襯的直接接觸也會降低內(nèi)襯的使用壽命。

3　擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的優(yōu)化改造

在保證現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，為了克服上述問題對現(xiàn)場生產(chǎn)效率和工藝質(zhì)量、設(shè)備維修的制約，減少“頂爐”事故的發(fā)生，根據(jù)擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手的動作原理，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝需求，從以下幾方面對出料機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化和改造。

3.1出料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)方向改造

20 MN擴(kuò)孔機(jī)的出料機(jī)械手由德國西馬克公司設(shè)計制造，太鋼不銹為了實現(xiàn)出料機(jī)械手在原有基礎(chǔ)上實現(xiàn)逆向90°的旋轉(zhuǎn)，對部分零部件的位置、型號和管路做了改造：重新調(diào)整了出料機(jī)械手控制液壓缸的12根高壓軟管的位置及布線，更改了旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)齒輪齒條的嚙合位置點，并作標(biāo)記以確保在90°±5°之內(nèi)，同時改變了行走電機(jī)的接線布局、限位開關(guān)、位置檢測開關(guān)等信號裝置，重新安裝了每個停止點和減速點的限位開關(guān)等4處位置［10］。改造和增加的零部件有：

（1）4WE 6 E62/EG24N9K4型三位四通電磁換向閥；

（2）Z2FS 6-2-44/1Q型雙路節(jié)流單向閥；

（3）AD3E16EM型兩位四通電磁換向閥；

（4）AM3RDPIC型壓力順序閥；

（5）液壓閥采用NG6矩形密封圈密封；

（6）接近開關(guān)4個；

（7）齒輪齒條1組；

（8）規(guī)格為50/36 mm×50 mm的坯料頂推缸2個。

圖3所示為出料機(jī)械手改造前后的旋轉(zhuǎn)方向，藍(lán)色箭頭所指方向為改造前的旋轉(zhuǎn)方向，紅色箭頭所指方向為改造后的旋轉(zhuǎn)方向；圖4所示為改造后出料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)方向現(xiàn)場照片。從圖4可以看出：出料機(jī)械手所夾持的坯料端面平整，平端面朝前，自由端朝后。

圖3　改造前后旋轉(zhuǎn)方向示意

3.2優(yōu)化出料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)速度和角度

改造前，出料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度的控制主要依靠限位擋塊和限位開關(guān)來實現(xiàn)，角度旋轉(zhuǎn)范圍為0～90°（偏差±5°）。改造過程中，在齒輪軸上新增加一個絕對值數(shù)字編碼器（圖5所示），可實現(xiàn)出料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度的精確控制［11］；同時，為了保護(hù)限位檔塊，并降低齒軸的磨損程度，將原先控制旋轉(zhuǎn)液壓缸動作的普通換向閥更換為比例換向閥，并對控制程序進(jìn)行修改、補(bǔ)充和標(biāo)定，最終實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)速度的精確控制。

圖4　改造后坯料平端面朝前示意

圖5　安裝編碼器的出料機(jī)械手

4　改造效果

通過上述改動，改變了出料機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)方向，使旋轉(zhuǎn)角度控制精確、旋轉(zhuǎn)速度平緩，避免了機(jī)械部件的沖擊，降低了備件的維修費用。此外，旋轉(zhuǎn)方向的改變使擴(kuò)孔機(jī)可以適應(yīng)延伸系數(shù)較大規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的多樣性。

（1）提高了感應(yīng)爐線圈內(nèi)襯的使用壽命。圖6所示為改造后坯料進(jìn)入感應(yīng)爐的位置示意。從圖6可以看出：坯料的自由端朝上，平端面朝下，在頂升機(jī)構(gòu)提升坯料到感應(yīng)爐加熱時，坯料穩(wěn)定可靠，不與內(nèi)襯直接接觸，不會造成線圈內(nèi)部內(nèi)襯的卷曲和折疊，同時杜絕了“頂爐”事故的發(fā)生［12］。據(jù)統(tǒng)計，自2012年太鋼不銹改造出料機(jī)械手后，感應(yīng)爐內(nèi)襯的使用費用從100元/t降低到45元/t，其降低成本效果顯著。按照每月生產(chǎn)1 000 t擠壓管計算，每月可節(jié)省感應(yīng)爐內(nèi)襯使用費用55 000元，減少更換內(nèi)襯約24次，降低了安全風(fēng)險，為設(shè)備定期檢修、質(zhì)量檢查、生產(chǎn)作業(yè)節(jié)約時間870 min（約14 h）。

（2）提高了坯料加熱的均勻性。改造后，坯料在感應(yīng)爐內(nèi)加熱處于居中位置，線圈產(chǎn)生的磁通量切割坯料的程度基本相同，坯料上部和底部溫度均勻性好［13］，溫度偏差在55℃以內(nèi)，降低了擠壓機(jī)的擠壓突破力。圖7所示為擠壓相同產(chǎn)品時改造前后的擠壓突破力曲線。從圖7可以看出：改造出料機(jī)械手后，擠壓突破力約降低了11 MN，極大地減小了“悶車”事故發(fā)生的幾率。

圖6　改造后坯料進(jìn)入感應(yīng)爐的位置示意

圖7　改造前后擠壓突破力對比

（3）提高了擠壓成材率。出料機(jī)械手改造后，向感應(yīng)爐輸送坯料時，坯料自由端朝后，平端面在前；擠壓時坯料端面能夠完全與擠壓模具相接觸，玻璃粉潤滑均勻，因此擠壓出的荒管頭部齊整［14］，下道工序鋸切量減小，提高了擠壓成材率。

5　結(jié)　語

針對現(xiàn)場“頂爐”等事故的發(fā)生，從硬件、軟件、工藝等3方面對20 MN擴(kuò)孔機(jī)出料機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化改造，通過改變出料機(jī)械手逆向旋轉(zhuǎn)90°，并優(yōu)化其旋轉(zhuǎn)精度和速度控制，提高了感應(yīng)爐內(nèi)襯的使用壽命，降低了擠壓突破力，提高了擠壓成材率，大幅度降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量水平。

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Optimization and Modification of Billet-discharging Manipulator of 20 MN Piercing Mill

LI Shuwei，WANG Zhiyong，ZHANG Kangpeng，PANG Ruifu
（Shanxi Taigang Stainless Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan 030003，China）

The billet-discharging manipulator of the 20 MN piercing mill is modified，focusing on the hardware，the software and the process characteristics etc.，and the operation speed and rotation angle thereof are optimized. Actual operation result of the modified equipment shows that due to the fact that the manipulator is capable of rotating reversely with 90°，ceiling-hitting-caused damage of the induction heating furnace is almost eliminated.As a result，the furnace liner consumption is reduced，and the liner expense is in turn cut down form the original 100 RMB/t to 45 RMB/t.Moreover，the billet heating temperature homogeneity is improved，and the yield of extrusion operation enhanced as well.

stainless steel billet；piercing mill；induction heating furnace；liner；billet-discharging manipulator；rotation direction；modification；yield

TG375

B

1001-2311（2015）02-0066-04

2014-11-21；修定日期：2015-03-03）

李樹偉（1982-），男，碩士，工程師，主要從事鋼管生產(chǎn)設(shè)備的管理維護(hù)工作。