錐形穿孔機在大口徑無縫不銹鋼管領域的應用

臧樹林

（太原重工技術中心， 山西 太原 030024）

在無縫鋼管生產(chǎn)過程中，曼式穿孔機是最初發(fā)明較早管坯穿孔設備，但由于設備結構及其工藝參數(shù)的一些問題未得到解決，所以應用不廣。20世紀70年代末，由于帶大碾軋角度的錐形穿孔機的出現(xiàn)，人們對斜軋穿孔有了近一步新的認識，成為能夠穿制高合金鋼和連鑄坯的一種新型穿孔機。錐形穿孔機軋輥的形狀為前端小后端大，軋輥軸線與軋制線間除了有較大的送進角度（一般8°～15°）外還有一個碾軋角（一般10°～20°）兩個角分別分布于軋制水平面和垂直面。這樣不僅使穿孔的軸向滑移系數(shù)可以達到最大0.9，而且改善了斜軋穿孔的變形，降低變形過程中的切線剪應力，抑制了橫鍛效益，改善了鋼管內(nèi)外表明質(zhì)量，使得許多難穿的高合金管坯可以在這種機型上順利穿孔。依據(jù)參考文獻[1]內(nèi)相關介紹曼式穿孔機在穿軋不銹鋼和高合金鋼管坯時很容易產(chǎn)生大量缺陷，而且Ni、Cr、Mo、Cb含量越高則內(nèi)部缺陷也越嚴重。在錐形穿孔機上進行的實驗表明采用適當?shù)乃瓦M角度及碾軋角度可以有效預防內(nèi)折和離層缺陷，很適合不銹鋼及高合金鋼的生產(chǎn)。

2012年太原重工股份有限公司于與江蘇某不銹鋼管廠簽訂了720不銹鋼穿孔機組。該機組主要由加熱爐、輸送輥道、前臺裝置、穿孔機主機、出口臺一段裝置、出口臺二段裝置、主傳動裝置、固溶裝置、收集臺架、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等幾部分組成。穿孔機主機為臥式結構，軋輥左右布置，導板上下布置（見圖 1）。

圖1 穿孔機組平面布置

1 機組基本參數(shù)

1）入口實心坯。直徑為300～600 mm；長度為2 500～5 000 mm；質(zhì)量（max）為 9 000 kg。

2）入口空心坯。直徑為400～750 mm；厚度為50～120 mm；長度為 4 000～6 000 mm；質(zhì)量（max）為9 000 kg。

3）出口毛管規(guī)格。直徑為300～820 mm；壁厚為25～105 mm；長度為 4 000～11 000 mm。

4）管坯材質(zhì)。不銹鋼（奧氏體、馬氏體、雙向不銹鋼），高鎳合金鋼。

5）其他。電機功率為2 500 kW（單輥）；軋輥轉速為8～16 r/min；軋輥直徑為1 750 mm；軋輥長度為1 800 mm；送進角度為8°；碾軋角度為12°。

2 機組特點

2.1 機架裝置

由于大口徑機組的工具及工輔材料尺寸、質(zhì)量均比較大，機組工具更換操作占用了很多人力及場地。能夠快速方便的進行工具的更換既能減輕勞動強度，又能提高生產(chǎn)時間，增加產(chǎn)量。

對上述問題，本項目中穿孔機機架采用分體方式，機蓋采用升降液壓缸提升至高位，下機架的推拉缸將機架上蓋及上導板裝置整體推出。由于大口徑機組的工具，如軋輥、導板等重量均比較大，該結構使工具更換方便，大大節(jié)省了更換時間，便于人工操作（詳見圖2和圖3）。

圖2 機架閉合狀態(tài)

圖3 機架移出狀態(tài)

2.2 機內(nèi)定心裝置

當穿孔頂桿軋制過程中不穩(wěn)定，會造成毛管壁厚不均，最終造成品管壁厚精度不合格。為了避免該問題，本機組在主機出口處設置了機內(nèi)定心裝置，該裝置可以固定頂桿增加強度，減少頂桿彎曲，從而增加了頂桿在穿孔過程中的穩(wěn)定性，對提高鋼管幾何尺寸精度有重要精度。

該裝置主要由框架、上、下升降缸、機內(nèi)輥、滑座等裝置組成。通過液壓缸控制機內(nèi)輥的開口，液壓缸設置位移傳感器，精確控制開口度，完成不同規(guī)格頂桿及毛管的固定。滑座裝置設置多個輥位，實現(xiàn)較大規(guī)格之間的調(diào)整。

2.3 前預旋轉裝置

通過頂頭主動旋轉的方式可以減小管坯的切向阻力矩實現(xiàn)坯料順利咬入，使管坯穿孔工藝流程更加合理。

頂頭預旋轉裝置固定安裝在出口臺二段閉鎖裝置上，由電機帶減速機驅(qū)動，通過伸縮油缸完成齒圈與齒輪的嚙合。頂桿小車上配有外齒圈，當齒套與齒輪嚙合后，電機旋轉，帶動齒輪轉動。齒輪軸與頂桿小車內(nèi)部心軸依靠內(nèi)齒輪傳動，實現(xiàn)頂桿的預旋轉。頂桿小車外齒圈處設置超越離合器，當坯料完成一次咬入，順利建立軋制工序時頂桿旋轉速度高于預旋轉電機帶動頂桿的速度時，離合器實現(xiàn)超越，保護電機。

2.4 后預旋轉裝置

不銹鋼及高合金鋼均為高變形抗力的鋼種，穿孔時能耗及工具磨損量比較大，使用普通材質(zhì) (如20CrNi4、3Cr2W18等)穿孔頂頭不能很好完成該工作。一般鋼管直徑小于340 mm的不銹鋼穿孔機組，頂頭材質(zhì)多為鉬基合金，340 mm的鋼管穿孔用頂頭多用H13等高強度耐熱模具鋼，該材質(zhì)頂頭具有較高的高溫強度，低溫塑性差，其脆性轉變溫度在室溫以上（高于400℃）。頂頭在850～950℃使用效果最好且不容易開裂。

由于本機組生產(chǎn)鋼管范圍涵蓋外徑340 mm以下的規(guī)格，頂頭材質(zhì)部分為鉬基合金頂頭。該種材質(zhì)頂頭需加熱后安裝于頂桿上，由于頂頭與頂桿為螺紋連接形式，本機組設置后預選裝置，便于頂頭安裝及頂頭上粘鋼的打磨。

后預旋轉裝置主要由龍門架、擺動缸、液壓馬達、減速機、推拉油缸、立柱等裝置組成。

2.5 固溶池及其撥料裝置設計

奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)工藝需要將1 050℃左右的鋼管在溫度低于40℃的水里進行淬火，這種工藝被稱作固溶處理，這是不銹鋼生產(chǎn)的特點。固溶處理的目的如下：

1）不銹鋼管從高溫迅速冷卻，碳化物來不及析出，得到單一的奧氏體可以提高抗腐蝕性和塑性。

2）減弱奧氏體鋼的晶間腐蝕傾向。

3）不銹鋼在水中淬火有助于破壞致密的表面氧化鐵皮。

由于該項目內(nèi)鋼管規(guī)格較大，固溶池進料及出料采用撥料鉤形式，放料液壓缸驅(qū)動撥料鉤將鋼管放入固溶池中，鋼管溫度降到工藝要求溫度后，取料液壓缸動作將鋼管從池子里取出，放置于收集臺架上。該機構提升效率高，結構簡單，故障率低（見圖 4）。

圖4 固溶池及上下料裝置簡圖

2.6 機組自動化控制、安全連鎖、人機交流控制

在鋼管穿孔過程中，根據(jù)坯料及成品管規(guī)格的變化，需要對穿孔機主機及輔機設備進行工藝參數(shù)調(diào)整，該機組在前臺V型槽升降、導板調(diào)整、軋輥調(diào)整、出口臺一段三輥開口度調(diào)整、頂頭前伸量調(diào)整等機械結構上均設置位移傳感器、編碼器、熱金屬檢測器等元件，可對相應參數(shù)進行自動化調(diào)整，節(jié)省人工勞動強度、提高機組參數(shù)調(diào)整的精度、提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

機組設置多處接近開關、壓力繼電器等檢測反饋型元器件。保證設備在安全可靠的條件下運行，避免發(fā)生損壞設備或發(fā)生人員安全事故。例如主機正常運行需要滿足的基本條件：液壓潤滑油溫、壓力正常；稀油系統(tǒng)正常；機架鎖緊；上導板鎖緊；下導板鎖緊；左、右軋輥箱鎖緊。

本機組中設置了上位工控機控制系統(tǒng)，設計開發(fā)了人工智能界面，通過該界面可以輸入相關參數(shù)，通過PLC、西門子軟件系統(tǒng)控制完成智能調(diào)整。界面內(nèi)可以直接輸入簡單參數(shù)，消除中間計算環(huán)節(jié)，方便快捷。該系統(tǒng)還可以方便的觀測各個檢測點的狀態(tài)，故障報警，故障記錄等，如油箱液位、溫度、電機的電流曲線等關鍵參數(shù)，對指導生產(chǎn)，改進工藝有重要指導意義（見圖 5，圖 6，圖 7）。

圖5 主畫面

3 結論

1）不銹鋼穿孔工藝與普碳鋼及合金鋼工藝還是區(qū)別挺大的，不銹鋼軋制節(jié)奏比較慢，軋制速度在0.10～0.25 m/s比較合適。

圖6 工藝參數(shù)輸入界面

圖7 電流監(jiān)控畫面

2）304L不銹鋼的軋制力能及特點與合金鋼類似，穿孔不會出現(xiàn)大問題。但是雙相鋼（2205）、超級雙相鋼、低溫不銹鋼的軋制壓力要比同規(guī)格合金鋼力能1.6～2.0倍。

3）304L-316L不銹鋼的穿孔溫度可設置在1 250°左右，雙相鋼或低溫鋼的穿孔溫度在1 150°左右。

4）通過不銹鋼管生產(chǎn)流程及工藝的針對性設計，保證了該機組運行穩(wěn)定性，安全性，可靠性及自動化調(diào)整。

5）該項目生產(chǎn)運行的情況表明錐形穿孔機組完全滿足不銹鋼的生產(chǎn)要求，壁厚尺寸精度、內(nèi)外表面質(zhì)量都能很好的滿足用戶需求。

[1]李連詩，韓觀昌.小型無縫鋼管生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.