Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組的工藝與設(shè)備

王增海，林 震，高 峰，高和平，李利斌，白志峰，張瑞林，考 然

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組基本情況

內(nèi)蒙古包鋼特種鋼管有限公司（簡稱包鋼特鋼）Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組，該機(jī)組一期項(xiàng)目建設(shè)一條熱軋－精整生產(chǎn)線，是國產(chǎn)第三套6 機(jī)架三輥連軋管機(jī)，設(shè)備國產(chǎn)化率100%，穿孔機(jī)、連軋管機(jī)、張力減徑機(jī)三大機(jī)組的孔型計(jì)算和熱工具設(shè)計(jì)全部由內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司自主完成［1－2］。

二期項(xiàng)目計(jì)劃配套建設(shè)一條年產(chǎn)6 萬t 的智能熱處理生產(chǎn)線，產(chǎn)品涵蓋油管、鍋爐管、管線管等。熱處理工藝線路為：感應(yīng)加熱爐可實(shí)現(xiàn)正火、淬火以及回火；步進(jìn)式燃?xì)鉅t可實(shí)現(xiàn)正火和回火；臺式電阻爐亦可實(shí)現(xiàn)正火，同時(shí)配套有管端加厚線，修磨返切線，管線管倒棱、涂漆等設(shè)備。

新建Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組崗位定員158人；與同類型國有企業(yè)相比，用工人數(shù)極大減少。穩(wěn)定生產(chǎn)后，人均產(chǎn)鋼量可達(dá)到750 t/a。

包鋼特鋼Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組如圖1 所示。

圖1 包鋼特鋼Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組

2 機(jī)組產(chǎn)品大綱

（1） 產(chǎn)品規(guī)格。

鋼管外徑 25～89 mm

鋼管壁厚 3.5～15.0 mm

鋼管長度 6.0～12.5 m

成材率 90.9%

（2） 主要產(chǎn)品品種包括：石油油管、管線管、低壓鍋爐管、高壓鍋爐管、液壓支架管、氣瓶管及冷拔管等。熱軋線設(shè)計(jì)年產(chǎn)量12 萬t。按品種分配產(chǎn)品大綱見表1。

（3） 管坯規(guī)格及年需求量。

直徑 90，150 mm

表1 Ф100 mm 三輥連軋管機(jī)組產(chǎn)品大綱

長度 4 000～9 000 mm

年需要量 13.2 萬t

金屬消耗系數(shù) 1.1

3 工藝方案

3.1 工藝流程

Ф100 mm 三輥連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程：6 臺帶鋸切坯料定尺→13.5 m 環(huán)形加熱爐→錐形穿孔機(jī)→6 機(jī)架三輥連軋管機(jī)→3 機(jī)架脫管機(jī)→20 機(jī)架張力減徑機(jī)→66 m 步進(jìn)式冷床→2 臺管排鋸機(jī)→精整區(qū)1 號線六輥矯直機(jī)（精整區(qū)2 號線十輥矯直機(jī)）→2 座吹吸灰裝置→無損探傷檢查→人工檢查→測長、稱重、噴標(biāo)→收集、打捆、入庫。

3.2 確定軋制系列

（1） 根據(jù)產(chǎn)品大綱，篩選成品管最大直徑。

Ф100 mm 三輥連軋管機(jī)組成品管最大外徑DMax冷態(tài)為89 mm，計(jì)算熱態(tài)鋼管最大直徑DMax熱態(tài)：

式中 K —— 金屬熱膨脹系數(shù)，低合金鋼和普通碳鋼的金屬熱膨脹系數(shù)為1.009。

計(jì)算得出熱態(tài)鋼管最大直徑DMax熱態(tài)為89.801 mm。

（2） 確定張力減徑機(jī)的最大入口外徑。

張力減徑機(jī)最小減徑率δ 選定為29%，確定張力減徑機(jī)組最大入口直徑DMax張減：

計(jì)算得到張力減徑機(jī)組最大入口直徑DMax張減為126.6 mm，取整127 mm。

（3） 確定脫管機(jī)入口直徑，即連軋管機(jī)出口直徑。

脫管機(jī)減徑率選定δ1為6%，計(jì)算脫管機(jī)入口直徑D脫管：

計(jì)算得到脫管機(jī)入口直徑D脫管135.1 mm，取整135 mm。根據(jù)軋管機(jī)設(shè)計(jì)減徑率，最終確定連軋管機(jī)出口外徑135 mm，即135 mm 系列。

3.3 確定連軋管機(jī)最薄出口壁厚

已知連軋出口外徑135 mm，該類型軋管機(jī)最大徑壁比選定為43，即計(jì)算得出連軋最薄出口壁厚3.14 mm，機(jī)組軋制規(guī)格小、毛管外徑小，所以溫降更大，開軋溫度只有980～1 010 ℃，低于中型連軋管機(jī)一般開軋溫度1 050 ℃，所以最薄壁厚確定為3.5 mm。

3.4 確定最大芯棒直徑

135 mm 系列的最薄可軋壁厚SMin連軋為3.5 mm，出口外徑D連軋135.0 mm，最大芯棒直徑DMax為：

計(jì)算得出最大芯棒直徑 DMax為 128.0 mm［3－11］。

3.5 確定毛管外徑和最薄毛管壁厚

毛管外徑和壁厚的確定需要滿足兩個(gè)條件：第一個(gè)條件是連軋選定的最大延伸系數(shù)要小于其極限能力，連軋延伸系數(shù)計(jì)算公式為［12］：

第二個(gè)條件是毛管內(nèi)壁與芯棒之間要保持適當(dāng)間隙，穿棒間隙△設(shè)定為10 mm。

式中 K芯棒—— 芯棒膨脹系數(shù)，1.001 1。

兩個(gè)公式聯(lián)立得出毛管外徑的計(jì)算公式：

最終得出毛管外徑和壁厚：D毛管=164.31 mm；S毛管=13.43 mm。計(jì)算結(jié)果取整后確定135 mm 孔型系列對應(yīng)的毛管外徑D毛管=165 mm；毛管最薄壁厚SMin毛管=13.5 mm。

3.6 連軋孔型設(shè)計(jì)

孔型設(shè)計(jì)首先根據(jù)連軋管機(jī)組選定的總延伸系數(shù)分配各機(jī)架軋管機(jī)的平均延伸系數(shù)和頂部延伸系數(shù)，再次需要確定各機(jī)架軋管機(jī)脫離弧比例、脫離弧角度、連接弧角度、偏心系數(shù)、輥縫值，這些參數(shù)的確定一方面由計(jì)算得出，另一方面需要參考類似連軋管機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。135 mm 系列孔型設(shè)計(jì)主要參數(shù)見表2。

表2 135 mm 系列孔型設(shè)計(jì)主要參數(shù)

3.7 變形分配

機(jī)組設(shè)計(jì)135 mm 和75 mm 兩個(gè)孔型系列，各個(gè)機(jī)組的變形量分配見表3。

表3 135 mm 和75 mm 系列的變形量分配

3.8 確定連軋管機(jī)組速度制度

3.8.1 限動齒條速度

限動齒條循環(huán)周期為：在接棒位置啟動→低速接近毛管尾端→高速插入→第1 機(jī)架軋管機(jī)咬鋼→軋制過程限動→最后一機(jī)架軋管機(jī)拋鋼→減速到停止→低速返回→高速返回→低速回到接棒位置。限動齒條的速度曲線如圖2 所示。

限動齒條設(shè)計(jì)的最大速度和限動齒條設(shè)計(jì)的最大加速度見表4。

3.8.2 連軋管機(jī)速度

圖2 限動齒條的速度曲線

連軋管機(jī)的速度要與限動齒條的速度相匹配，限動速度低于第1 機(jī)架軋管機(jī)的入口速度［13］，連軋管機(jī)設(shè)計(jì)最大出口速度4.5 m/s，最大入口速度1.5

表4 限動齒條的最大設(shè)定參數(shù)

m/s，齒條限動速度與毛管入口速度最大比值0.9，連軋入口、脫管機(jī)和脫管機(jī)后輥道的線速度都要以軋管機(jī)出口速度為基準(zhǔn)進(jìn)行匹配。另外，連軋管機(jī)軋制壁厚3.5～4.5 mm 的鋼管時(shí)，為了利用搓軋更好的變形，限動速度設(shè)定到第1 機(jī)架軋管機(jī)入口速度的60%左右。

3.9 工藝平面布置

熱軋－精整生產(chǎn)線建設(shè)利用原Φ100 mm Aseel軋管機(jī)組廠房進(jìn)行改造，受到原廠房結(jié)構(gòu)限制，對工藝布置進(jìn)行了優(yōu)化。廠房共計(jì)兩個(gè)主跨長267 m，每個(gè)跨寬30 m，北側(cè)又新建139 m 短跨，寬度也是30 m；布置精整區(qū)設(shè)備，整個(gè)廠房東西走向。AB 跨為原料區(qū)和成品區(qū)；BC 跨布置環(huán)形爐、穿孔機(jī)、連軋管機(jī)、張力減徑機(jī)、冷床和排鋸、矯直機(jī)；CD 短跨，布置探傷機(jī)、人工檢查臺、收集稱重測長噴標(biāo)設(shè)備。

環(huán)形爐與穿孔機(jī)順次布置，坯料出爐后通過輥道運(yùn)輸?shù)酱┛讬C(jī)入口側(cè)。穿孔機(jī)與連軋管機(jī)平行布置，毛管通過橫移車運(yùn)輸至連軋前臺，回轉(zhuǎn)臂將毛管翻轉(zhuǎn)到連軋入口側(cè)；連軋管機(jī)與脫管機(jī)、張力減徑機(jī)、冷床由東向西依次布置。

連軋區(qū)域受到廠房長度限制，芯棒冷站布置在限動齒條北側(cè)，下線的芯棒返回到冷卻站，通過橫移天車運(yùn)送到潤滑線。

4 主要設(shè)備選型及特點(diǎn)

4.1 環(huán)形爐

Ф100 mm 三輥連軋管機(jī)組配備中徑13.5 m 環(huán)形加熱爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量（過鋼量）13.5 萬t，最大小時(shí)產(chǎn)量40 t，最快出料節(jié)奏120 支/h。環(huán)形爐以天然氣為燃料，設(shè)計(jì)噸鋼能耗48 Nm3/t，爐膛最高溫度1 350 ℃，管坯最高加熱溫度可以達(dá)到1 280℃。爐膛內(nèi)高度1 m；爐膛內(nèi)寬3.6 m；加熱鋼坯最大長度3.2 m，加熱鋼坯直徑90～150 mm，布料方式為單排、雙排和品字布料3 種方式。

4.2 穿孔機(jī)

主機(jī)座為立式錐形輥形式，出口側(cè)單獨(dú)傳動，左右導(dǎo)板水平布置。主要設(shè)備組成：軋輥、上/下轉(zhuǎn)鼓裝置、壓下/壓上裝置、上/下送進(jìn)角調(diào)整裝置、左/右導(dǎo)板裝置、入口導(dǎo)套、抱輥、頂桿小車等。穿孔機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 穿孔機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4.3 連軋管機(jī)

（1） 連軋管機(jī)牌坊型式是隧道式筒形牌坊連軋管機(jī)，第1 機(jī)架到第6 機(jī)架軋機(jī)中心線距離4.5 m。軋管機(jī)軸向換輥，裝入新輥后，垂直方向提升缸將機(jī)架固定在牌坊中間的定位座上，在牌坊的出口處，由3 個(gè)液壓缸鎖緊裝置將所有軋輥機(jī)架和芯棒支撐機(jī)架橫向鎖緊。隧道式筒形牌坊提高了機(jī)架的剛度，保證了軋制過程穩(wěn)定性，提高壁厚精度，但是這種類型牌坊換輥不方便，換1 套軋輥用時(shí)在90 min 以上。

（2） 連軋輥平衡缸安裝在伺服缸的中心位置，兩個(gè)缸形成一個(gè)整體，這樣有利于軋輥軸承箱與伺服缸端頭緊密貼合，避免咬鋼沖擊時(shí)的軋輥振動，提高了軋鋼的穩(wěn)定性。另外，軋輥軸承箱的T 型槽與平衡缸的鎖緊頭間隙小，抽輥或裝輥時(shí)需要特別注意。

（3） 牌坊內(nèi)布置6 機(jī)架軋管機(jī)和4 機(jī)架芯棒支撐機(jī)架。牌坊內(nèi)安裝調(diào)整芯棒支撐機(jī)架孔型大小的裝置，控制芯棒支撐機(jī)架開口度，保證不同直徑的芯棒在軋輥孔型中心。連軋管機(jī)每個(gè)機(jī)架3 個(gè)互成120°的軋輥，安裝在獨(dú)立軋制單元——軋輥小機(jī)架內(nèi)［14－15］。

輥縫由液壓伺服系統(tǒng)控制，液壓小倉安裝在連軋管機(jī)機(jī)座上，每個(gè)機(jī)架對應(yīng)3 個(gè)獨(dú)立的液壓小艙，每個(gè)液壓小艙分別對應(yīng)1 個(gè)軋輥，每機(jī)架軋機(jī)的3 個(gè)軋輥可以同步調(diào)整也可以單獨(dú)調(diào)整。液壓小艙的0 位調(diào)整，通過校準(zhǔn)工具完成。連軋管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表6。

4.4 張力減徑機(jī)

張力減徑機(jī)是將脫管后的荒管進(jìn)一步軋制成符合工藝要求的鋼管，減薄壁厚，控制鋼管外徑。張力減徑機(jī)組主要設(shè)備組成：減徑機(jī)入口擺動輥道、高壓水除鱗裝置、張力減徑機(jī)、出口輥道。張力減徑機(jī)有20 機(jī)架，具有頭尾端增厚控制（CEC）功能，以降低切頭尾長度，提高金屬收得率。張力減徑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表7。

表6 連軋管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表7 張力減徑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

5 軋制鋼管的幾何尺寸和性能

5.1 鋼管幾何尺寸

機(jī)組軋制的鋼管的倍尺數(shù)是1～5 倍尺，Φ57 mm×4 mm 的成品管長度63.5 m，5 倍尺，對該規(guī)格的鋼管壁厚進(jìn)行測量。Φ57 mm×4 mm 規(guī)格成品鋼管的實(shí)際壁厚見表8。

表8 Φ57 mm×4 mm 規(guī)格成品鋼管的實(shí)際壁厚

成品鋼管壁厚分布呈現(xiàn)頭尾端壁厚偏厚、中間壁厚偏薄的規(guī)律，頭尾端0.5 m 的位置同一端面壁厚差值0.31～0.34 mm；中間位置同一端面壁厚差值0.23～0.28 mm。該規(guī)格實(shí)測外徑56.8～57.1 mm，偏差－0.35%～0.18%。鋼管壁厚精度很高，體現(xiàn)出隧道式筒形牌坊三輥連軋管機(jī)控制壁厚精度的優(yōu)勢。鋼管頭尾端壁厚偏厚，所以切頭尾長度共計(jì)2 m，切損率3%左右。

5.2 鋼管性能

材質(zhì) 20 鋼，規(guī)格 Φ89 mm×7mm 和 Φ57 mm×4 mm 的成品鋼管的性能檢測結(jié)果見表9，滿足GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》要求。

6 結(jié) 語

（1） Φ100 mm 三輥連軋管機(jī)組軋制的鋼管幾何尺寸精度高，可以軋制最薄壁厚3.5 mm 的成品鋼管。

表9 20 鋼成品鋼管的性能檢測結(jié)果

（2） 投產(chǎn)兩個(gè)月生產(chǎn)節(jié)奏已經(jīng)達(dá)到35 s/支，接近預(yù)期目標(biāo)。

（3） 鋼管切損率在3%～5%，實(shí)際成材率90.0%～90.5%，需要控制鋼管中間掉隊(duì)數(shù)量，進(jìn)一步提高成材率。

（4） 這種隧道式牌坊的連軋管機(jī)，換機(jī)架有難度；換輥用時(shí)較長，后期需要優(yōu)化換輥機(jī)構(gòu)，降低換輥難度，縮短換輥時(shí)間。

（5） 二期熱處理生產(chǎn)線的投產(chǎn)，可以大幅度提高鋼管的附加值。