Φ219 CPE機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用研究

李慧斌

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

CPE是一種熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝，CPE機(jī)組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括石油管、高壓鍋爐管、液壓管等高端合金鋼管，特別適用于生產(chǎn)中小直徑薄壁無縫鋼管。

CPE工藝是在傳統(tǒng)頂管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來，即斜軋（Cross Roll）+穿孔（Pierecing）+頂管延伸（Elongating）的組合生產(chǎn)工藝。CPE生產(chǎn)技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高；頂管機(jī)采用縱軋變形，荒管內(nèi)表面質(zhì)量好，延伸系數(shù)大，最大延伸系數(shù)可達(dá)10以上，適合生產(chǎn)薄壁鋼管；頂管機(jī)采用頂推變形，輥模機(jī)架采用被動(dòng)輥，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低，作業(yè)率高；生產(chǎn)節(jié)奏快，達(dá)3支鋼管/min，排產(chǎn)靈活，適合多品種、小批量軋制生產(chǎn)，可按倍尺或單倍尺生產(chǎn)，管坯長度短；采用最新的縮口工藝，芯棒頭部設(shè)計(jì)階梯結(jié)構(gòu)，縮口后毛管緊壓芯棒，避免頂穿，同時(shí)可提高金屬收得率；頂管過程中，軋輥是被動(dòng)的，與連軋工藝相比更易于保證連軋關(guān)系，機(jī)架之間的拉鋼小，壁厚比連軋更均勻[1，2，3]。

CPE機(jī)組按照工藝流程順序主機(jī)設(shè)備有：管坯準(zhǔn)備—加熱—穿孔機(jī)—縮口機(jī)—頂管機(jī)—松棒機(jī)—脫棒機(jī)—張力減徑機(jī)—冷卻定尺—矯直—探傷—收集。

本文主要介紹新冶鋼Φ219 CPE機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備組成，該機(jī)組是目前國內(nèi)最大規(guī)格CPE生產(chǎn)機(jī)組，機(jī)組裝備水平最先進(jìn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為22萬t，主要產(chǎn)品為油井管、高壓鍋爐管、液壓支柱管等高質(zhì)量無縫鋼管。

1 項(xiàng)目背景及工藝參數(shù)

2014年初，湖北新冶鋼特種鋼管有限公司在原有Φ273ASSEL機(jī)組的基礎(chǔ)上升級(jí)改造的Φ219 CPE機(jī)組。

改造內(nèi)容主要包括：拆除原Φ273 ASSEL軋機(jī)以及該區(qū)域的配套設(shè)備，改造成新型頂管機(jī)組及配套的芯棒循環(huán)系統(tǒng)；改造原有的穿孔機(jī)后臺(tái)和毛管橫移小車，改造后的穿孔機(jī)后臺(tái)以及毛管橫移小車可以適用于新的毛管長度；對(duì)再加熱爐進(jìn)行改造，適應(yīng)頂管機(jī)生產(chǎn)的荒管長度，利用現(xiàn)有的定徑機(jī)；改造原芯棒加工設(shè)備，新增芯棒全長淬火裝置及芯棒碾軋機(jī)。

通過對(duì)關(guān)鍵主機(jī)設(shè)備進(jìn)行更新，短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了由斜軋厚壁鋼管生產(chǎn)到縱軋薄壁鋼管生產(chǎn)的升級(jí)，成為國內(nèi)最大的CPE頂管機(jī)組，提升了產(chǎn)品的競爭力，同時(shí)與其他ASSEL機(jī)組產(chǎn)品規(guī)格行成互補(bǔ)。

Φ219 CPE機(jī)組主要工藝參數(shù)見表1。

表1 Φ219 CPE機(jī)組主要工藝參數(shù)

2 Φ219CPE機(jī)組設(shè)備組成

2.1 穿孔機(jī)

穿孔機(jī)組用于將實(shí)心管坯穿成空心毛管[4]。

主要設(shè)備組成：進(jìn)口臺(tái)、主機(jī)座、主傳動(dòng)裝置、出口臺(tái)一段、出口臺(tái)二段等。

主機(jī)座由機(jī)架裝配、壓上、壓下裝置、上、下轉(zhuǎn)鼓裝配、轉(zhuǎn)鼓調(diào)整裝置、軋輥裝置、導(dǎo)板裝配、入口導(dǎo)套、導(dǎo)向裝置、底座等組成。主機(jī)座是實(shí)現(xiàn)管坯由實(shí)心坯到空心毛管這一變形過程的主要變形設(shè)備，為導(dǎo)板式、兩輥立式結(jié)構(gòu)，兩套導(dǎo)板左右布置，兩套錐形軋輥上下布置，出口側(cè)單獨(dú)傳動(dòng)。

機(jī)架采用鑄件整體結(jié)構(gòu)，上橫梁為可移動(dòng)式，工作狀態(tài)下由鎖緊液壓缸鎖緊，換輥時(shí)由推拉液壓缸打開到換輥位，下橫梁則固定在機(jī)架上。

壓下、壓上裝置分別安裝在上、下橫梁上，各由1臺(tái)減速電機(jī)帶動(dòng)兩臺(tái)蝸輪減速機(jī)傳動(dòng)兩組絲桿進(jìn)行調(diào)整，每組調(diào)整機(jī)構(gòu)的平衡均采用液壓平衡。

上、下轉(zhuǎn)鼓調(diào)整均安裝在機(jī)架側(cè)面，轉(zhuǎn)鼓的送進(jìn)角調(diào)整通過一套減速電機(jī)、絲桿、螺母進(jìn)行調(diào)整，由一個(gè)液壓缸平衡，調(diào)整完畢后，由安裝在機(jī)架內(nèi)的兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓鎖緊液壓缸分別將其鎖緊在機(jī)架內(nèi)。軋輥裝配安裝在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，采用壓板固定，換輥時(shí)，同時(shí)將軋輥和轉(zhuǎn)鼓一起吊出。

主傳動(dòng)由主電機(jī)、主減速機(jī)、萬向聯(lián)軸器、接軸支架和底座等組成。主傳動(dòng)是穿孔機(jī)主機(jī)工作的動(dòng)力設(shè)備，位于穿孔機(jī)出口側(cè)。每個(gè)軋輥分別由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；為方便軋輥的更換，萬向接軸設(shè)置了接軸支架和對(duì)中裝置，通過接軸支架可將萬向聯(lián)軸器回縮或伸出，實(shí)現(xiàn)軋輥接軸離合。

穿孔機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 穿孔機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 縮口機(jī)

縮口機(jī)的工作原理是先將芯棒穿入毛管后再進(jìn)行縮口，將芯棒前端直徑比芯棒直徑小2～3 mm，形成一個(gè)100 mm長的臺(tái)階，縮口模設(shè)計(jì)成特殊的形狀，縮口時(shí)，將毛管端部緊抱在芯棒頭上；頂管咬入時(shí)，縮口段要承受前2～3個(gè)輥模座軋制變形的頂推力，而隨后變形產(chǎn)生的頂推力由已經(jīng)抱在芯棒上的毛管和縮口部分共同承受。因此，要嚴(yán)格控制芯棒初始速度和加速點(diǎn)，使頂推力和加速力分時(shí)作用，保證頂管過程順利。這種縮口方式對(duì)毛管的直徑和端部形狀要求較松，且縮口部分的金屬在頂管時(shí)可參與變形，提高了成材率[5]。

Φ219 CPE機(jī)組采用的是三爪式縮口技術(shù)，更有利于軋制高合金鋼種毛管抱緊芯棒，三爪縮口機(jī)縮口效果好，結(jié)構(gòu)簡單，?？诟鼡Q便捷。

三爪式縮口機(jī)采用杠桿式結(jié)構(gòu)，液壓缸驅(qū)動(dòng)杠桿實(shí)現(xiàn)縮口，通過力臂的比例放大，采用較小的液壓缸即可輸出大縮口力，杠桿式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，縮口質(zhì)量好；縮口力為內(nèi)力，對(duì)相鄰設(shè)備無沖擊，穩(wěn)定性好；縮口模更換便捷，設(shè)備緊湊便于布置，見圖1。

圖1 縮口機(jī)三維模型

縮口機(jī)主要性能參數(shù)：縮口模3個(gè)；縮口力為120t。

2.3 頂管機(jī)

頂管機(jī)組的工作原理是通過傳動(dòng)齒條驅(qū)動(dòng)頂桿，頂推已經(jīng)完成縮口的芯棒和毛管，經(jīng)過多道次的軋制，延伸軋出荒管，達(dá)到減徑、減壁、延伸的目的[2]。

頂管機(jī)的組成包括：床身、輥模、活動(dòng)扣瓦、頂管機(jī)前臺(tái)、主傳動(dòng)、齒條、齒輪座、頂管機(jī)后臺(tái)、安全擋板等。

床身主要作用是固定輥模架，承受沿軋制方向的頂推力。輥模安裝的位置需根據(jù)軋制不同規(guī)格的軋件來設(shè)定，所以床身兩側(cè)安裝有側(cè)板，側(cè)板上加工有一系列定位齒槽，齒槽寬度與輥模上的鍵寬相適應(yīng)，齒槽下部設(shè)定位板，上部用壓板壓緊，實(shí)現(xiàn)了輥模的定位，使輥模的孔型中心位于同一軋制中心線上，保證了輥模在軋制過程中的穩(wěn)定性。見圖2。側(cè)板采用鍛鋼加工，呈矩形結(jié)構(gòu)；一側(cè)帶有均布的矩形齒槽，另外一側(cè)有加工的平面，與底座聯(lián)接在一起。床身側(cè)板沿軋制方向分4段，通過斜楔連接為整體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體受力，提升機(jī)架的剛度及軋制精度。

圖2 床身三維模型

頂管機(jī)采用的是三輥孔型的輥模，配置有固定輥模和可調(diào)輥模兩種形式。具有如下特點(diǎn)：

1）三輥孔型軋輥線速度差小，軋制壓力分布均勻，表面質(zhì)量高。

2）輥模架采用鑄造加工，整體封閉框架結(jié)構(gòu)，制造成本低。

3）軋輥架內(nèi)部有冷卻水環(huán)，且流量可調(diào)，可降低軋輥輥耗和生產(chǎn)成本。

4）輥?？梢哉w加工軋輥孔型，避免單輥加工裝配引起的偏差。

固定輥模由3套軋輥和輥模架組成，輥模架內(nèi)腔加工有軋輥軸承座安裝槽，軋輥裝配設(shè)有軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)，可調(diào)整輥環(huán)安裝的對(duì)中性（見下頁圖3）。

圖3 固定輥模三維模型

可調(diào)輥模由3套軋輥裝配、輥模架、滑座、輥縫調(diào)整裝置組成。軋輥安裝在滑座后，在放入可調(diào)輥模架內(nèi)；可調(diào)輥模與固定輥模相比，增加了軋輥徑向調(diào)整功能，可實(shí)現(xiàn)在線人工調(diào)整輥縫，提高產(chǎn)品精度（見圖4）。

圖4 可調(diào)輥模三維模型

活動(dòng)扣瓦設(shè)置有芯棒扣瓦和毛管扣瓦，毛管上料后放置在活動(dòng)扣瓦段。上扣瓦有液壓缸控制自動(dòng)開閉，通過更換不同的扣瓦適應(yīng)不同直徑的芯棒。

前臺(tái)一段、前臺(tái)二段的作用是接收帶芯棒的毛管，由推桿將其推入輥模，為推桿、芯棒、毛管導(dǎo)向，保證軋制過程順利進(jìn)行。前臺(tái)又是齒條運(yùn)行的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，保證齒條運(yùn)行平穩(wěn)。頂管前臺(tái)設(shè)置有齒條導(dǎo)軌、芯棒導(dǎo)向槽、芯棒扣瓦。

前臺(tái)三段為齒條檢修段，當(dāng)需要檢修齒條時(shí)，將齒條從滑道中拉出檢修，便于人工操作。

主傳動(dòng)作用是提供頂管動(dòng)力。是2臺(tái)主電機(jī)通過主減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)齒輪座，進(jìn)而帶動(dòng)齒條驅(qū)動(dòng)頂桿。齒輪座內(nèi)含有雙齒輪，通過與之嚙合的齒條提供動(dòng)力。齒輪側(cè)隙可通過偏心套微調(diào)，使得動(dòng)力平穩(wěn)可靠。

齒條是頂管機(jī)組關(guān)鍵部件。齒條總長約45 m，由5段整體鍛造加工的齒條拼裝組成，各段之間采用熱裝過盈連接。齒條兩側(cè)有滾輪，保證齒條運(yùn)行過程平穩(wěn)。齒條尾段設(shè)置有推桿支撐座，用于安裝推桿。采用人字齒形，齒形對(duì)中性好，齒面受力均勻，承載力大，安全系數(shù)高。齒條和齒輪的潤滑采用干油噴射潤滑，多點(diǎn)潤滑齒條以提高齒條的使用壽命。

在齒條運(yùn)行方向，全長設(shè)置有滑道裝配，由箱體、蓋板、軌道襯板組成，其中箱體采用焊接結(jié)構(gòu)，蓋板與箱體通過螺栓聯(lián)接，使箱體上部封閉。箱體和蓋板上分別安裝有軌道襯板，用于支撐齒條滾輪，實(shí)現(xiàn)齒條運(yùn)行的豎直導(dǎo)向。軌道襯板加工有弧型導(dǎo)向面，實(shí)現(xiàn)齒條運(yùn)行的水平導(dǎo)向。

為了提升芯棒的使用壽命，芯棒可以兩頭調(diào)換使用。線上設(shè)置了芯棒除鱗裝置和芯棒輾軋機(jī)，這些配置使得機(jī)組運(yùn)行更穩(wěn)定、更高效。頂管機(jī)主要性能參數(shù)見表3。

表3 頂管機(jī)主要性能參數(shù)

2.4 松棒機(jī)

松棒機(jī)采用四輥式方案，即由兩對(duì)雙曲線輥對(duì)荒管進(jìn)行松棒軋制，上下兩輥布置成一定的角度，且與荒管軸線成一定的角度，軋制方式為斜軋（或稱螺旋輾軋）；荒管以螺旋方式前進(jìn)[6]。

沿軋制方向看，上下軋輥形成一定的封閉孔型，并且孔型可以自動(dòng)調(diào)整，壓下量設(shè)定在1.5～2.0 mm，由孔型設(shè)定產(chǎn)生的軋制力，從上輥通過管壁傳遞到芯棒，再從芯棒傳遞到下輥。經(jīng)過軋制使荒管擴(kuò)徑3～5 mm，并且使芯棒與荒管內(nèi)壁產(chǎn)生間隙，脫棒機(jī)便可以將芯棒從荒管中拔出。

對(duì)于不同規(guī)格的荒管，采用工藝程序計(jì)算相應(yīng)孔型的設(shè)定參數(shù)，根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，調(diào)整上松棒輥壓下量，以及上下松棒輥與軋制線的夾角，進(jìn)而調(diào)整松棒機(jī)的孔型。

松棒機(jī)由2個(gè)上松棒輥、2個(gè)下松棒輥、機(jī)架裝配、上輥調(diào)整裝置、下輥調(diào)整裝置、傳動(dòng)裝置、換輥裝置等組成（見圖5）。

圖5 松棒機(jī)三維模型

機(jī)架裝配采用6立柱形式的機(jī)架，上下平臺(tái)通過立柱軸肩的定位安裝在立柱上，立柱上下加工有螺紋，通過液壓鎖緊螺母將立柱與平臺(tái)固定，安裝時(shí)拉桿施加一定的預(yù)緊力。由于機(jī)架裝配精度直接影響松棒機(jī)本體各部件的安裝精度，在松棒機(jī)制造過程中，對(duì)6個(gè)立柱的定位測量采用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行檢測，保證了設(shè)備加工及裝配精度。

松棒機(jī)上輥調(diào)整裝置具有液壓轉(zhuǎn)角調(diào)整、電動(dòng)壓下和液壓平衡的功能，可根據(jù)程序自動(dòng)調(diào)整上軋輥的壓下量和角度，參數(shù)調(diào)整完成后，通過液壓鎖緊裝置鎖緊。每個(gè)松棒上輥配置2個(gè)平衡液壓缸，用于平衡軋輥及升降平臺(tái)等設(shè)備的重量，消除壓下螺絲間隙。下輥安裝在松棒機(jī)下平臺(tái)上，下輥輥面為軋制基準(zhǔn)面，高度方向保持不變，當(dāng)下松棒輥磨損后，可以通過墊片補(bǔ)償下輥高度，下輥也具有液壓轉(zhuǎn)角自動(dòng)調(diào)整的功能。

采用液壓快開裝置，可以測定松棒力和保護(hù)設(shè)備安全的作用，變剛性機(jī)架為柔性機(jī)架，當(dāng)軋卡或松棒力超過允許值時(shí)，快開裝置通過大流量的方式快速打開，快開裝置泄壓，平衡裝置會(huì)快速提升上松棒輥，減小軋制過載對(duì)設(shè)備的損壞。

松棒機(jī)主要性能參數(shù)見表4。

表4 松棒機(jī)主要性能參數(shù)

2.5 脫棒機(jī)

經(jīng)過松棒機(jī)之后，芯棒和荒管之間形成了一定的間隙，進(jìn)入脫棒工序。脫棒時(shí)，荒管和芯棒之間存在脫棒力，脫棒力主要由：芯棒與荒管之間存在同軸度差造成的包緊力；芯棒自重壓靠荒管的摩擦力；松棒后運(yùn)輸過程中，荒管溫度下降，冷卻收縮，荒管對(duì)芯棒形成徑向包緊力三部分組成。

機(jī)組配置的是二輥式脫棒機(jī)，靠軋輥與芯棒之間的摩擦力使芯棒從荒管中脫出，可以滿足芯棒的調(diào)頭使用。

脫棒機(jī)牌坊采用分片式加工，通過拉桿將分片機(jī)架、機(jī)蓋連接在一起，加工簡單，調(diào)整及維護(hù)方便，機(jī)架整體強(qiáng)度高。

脫棒機(jī)上下輥同時(shí)傳動(dòng)，由1臺(tái)電機(jī)、1臺(tái)雙出軸的減速機(jī)，經(jīng)萬向聯(lián)軸器同時(shí)傳動(dòng)上下輥。上輥高度調(diào)整采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，可以控制上下輥縫，同時(shí)脫棒過程中保證壓力恒定，根據(jù)工藝要求可以調(diào)整上輥壓力，在遇到卡鋼時(shí)，上輥可迅速抬起，便于事故處理。下脫棒輥高度調(diào)整通過墊片來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)使用不同規(guī)格的芯棒時(shí)，兩輥之間的輥距可以通過調(diào)節(jié)液壓缸行程、墊片的厚度來實(shí)現(xiàn)。

脫棒機(jī)主要性能參數(shù)見表5。

表5 脫棒機(jī)主要性能參數(shù)

3 設(shè)備研制

研發(fā)過程實(shí)行工藝、設(shè)備、電氣協(xié)同研發(fā)，打造了機(jī)電一體化的高性能CPE機(jī)組。

在關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)過程中全面采用BIM軟件設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。采用三維軟件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)可視性強(qiáng)；零件模型、裝配模型、零件工程圖、裝配工程圖四者相互關(guān)聯(lián)；參數(shù)化設(shè)定，結(jié)構(gòu)自動(dòng)更新，提高設(shè)計(jì)效率，有利于設(shè)備結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化。

同時(shí)在設(shè)備研發(fā)過程中，采用先進(jìn)的有限元計(jì)算軟件對(duì)輥模、松棒輥等關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度仿真分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合鋼管軋制設(shè)備特定的工況安全系數(shù)，改善設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)架剛度，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)（見圖6）。

圖6 頂管機(jī)輥模有限元分析結(jié)果

3 結(jié)語

目前湖北新冶鋼Φ219 CPE機(jī)組已經(jīng)順利投產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成功生產(chǎn)薄壁鋼管大芯棒產(chǎn)品D/S達(dá)到近40，小芯棒產(chǎn)品到達(dá)30。Φ219 CPE機(jī)組成功為CPE大口徑無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域填補(bǔ)技術(shù)空白，促進(jìn)了我國CPE無縫鋼管技術(shù)進(jìn)步，提升了國內(nèi)鋼管工藝設(shè)備加工制造水平。

Φ219 CPE機(jī)組采用新型頂管機(jī)，其技術(shù)優(yōu)勢是生產(chǎn)高鋼級(jí)中小無縫鋼管，以熱加工代替冷加工，提高產(chǎn)品質(zhì)量、成材率，降低能耗，避免冷加工產(chǎn)生的酸霧和含酸廢水對(duì)環(huán)境的污染，完全符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的要求。