外淋式鋼管淬火設(shè)備的改造研究

吳量 賈祥 劉維鴿 杜學(xué)斌 馬輝 王建國 謝凡

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072；3.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710018)

隨著鋼管行業(yè)尤其是無縫鋼管的快速發(fā)展，鋼管的熱處理在國外批量生產(chǎn)技術(shù)快速進(jìn)步。二十世紀(jì)七八十年代，日本的川崎制鐵知多廠、日本鋼管京濱廠、新日鐵、住友金屬等多家公司先后建立了無縫鋼管的熱處理生產(chǎn)線。1983年，日本鋼管公司京濱廠投產(chǎn)了一套中直徑無縫鋼管熱處理裝置，采用了“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”的整體淬火工藝，該淬火工藝提高了鋼管熱處理的性能要求，同時減小了鋼管的彎曲度和橢圓度，促進(jìn)了鋼管熱處理的發(fā)展。

目前國內(nèi)鋼管水淬熱處理主要有三種生產(chǎn)方式：通過式環(huán)形水淬、“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”水淬、槽內(nèi)水淬[1]。

通過式環(huán)形水淬是用淬火環(huán)對鋼管外表面進(jìn)行冷卻，鋼管在輸送輥道上一邊螺旋前進(jìn)一邊淬火。此種淬火方式生產(chǎn)效率較低，多用于薄壁管或鉆鋌的淬火，且鋼管全長不是同時進(jìn)行冷卻，鋼管的淬火均勻性較差，彎曲度較大。

“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”工藝是用壓緊裝置把鋼管壓緊固定在旋轉(zhuǎn)輪上，讓鋼管快速旋轉(zhuǎn)的同時，對鋼管的外表面和內(nèi)壁噴水進(jìn)行快速冷卻。國內(nèi)2000年左右研制出了外淋淬火設(shè)備并擁有了專利技術(shù)，成功應(yīng)用于各大鋼管廠。

槽內(nèi)淬火是將高溫鋼管全部浸沒在充滿水的水槽中，旋轉(zhuǎn)的同時使用槽內(nèi)水快速冷卻鋼管的內(nèi)外表面。中國重型機械研究院于2006年研發(fā)出了“槽淬+旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+攪拌”的槽內(nèi)淬火工藝，加熱后的鋼管在高速旋轉(zhuǎn)的同時，整體下降浸沒在充滿水的水槽中，鋼管端部進(jìn)行內(nèi)噴水，對鋼管外部水槽內(nèi)的水進(jìn)行攪拌，該設(shè)備實現(xiàn)了單獨的鋼管槽內(nèi)淬火，尤其適用于大規(guī)格厚壁管的熱處理工藝[2]。

隨著國內(nèi)外鋼管熱處理市場對高品質(zhì)鋼管的需求日益增加，鋼管熱處理的新工藝技術(shù)成為行業(yè)競爭的新動力，同時也促進(jìn)了淬火工藝的技術(shù)革新和設(shè)備的升級換代。國內(nèi)某鋼鐵公司原本的鋼管熱處理生產(chǎn)線存在工藝落后、設(shè)備老化嚴(yán)重以及生產(chǎn)節(jié)奏偏慢等許多問題，加上市場要求的鋼管壁厚范圍增大(40 mm以上)，現(xiàn)有的鋼管淬火設(shè)備已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)要求，而更換全新設(shè)備不僅前期投資大，同時也需要較長的設(shè)計安裝周期，因此，在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造就是一種省時省力的解決方案。我公司應(yīng)邀對該公司的鋼管熱處理生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，以達(dá)到增加設(shè)備淬火能力、提高淬火均勻性、節(jié)能減排、提高生產(chǎn)率的目的。

1 工藝流程

1.1 改造前的工藝流程

加熱后鋼管通過輥道到達(dá)上料工位，惠斯頓裝置將鋼管翻轉(zhuǎn)到支撐輪上，壓緊裝置壓緊鋼管，支撐輪帶動鋼管高速旋轉(zhuǎn)，擋水板打開進(jìn)行外淋的同時鋼管端頭的噴嘴向鋼管內(nèi)部進(jìn)行噴水。淬火后的鋼管通過翻料鉤翻出，再經(jīng)過下料臺架運送到步進(jìn)運輸機并進(jìn)行空水，最終將鋼管運送到回火爐進(jìn)料輥道上，完成全部的淬火工藝。原外淋淬火設(shè)備生產(chǎn)的鋼管直線度和橢圓度較差，合格率低，側(cè)噴效果差，壓輥處硬度偏差大，尤其是對壁厚超過30 mm的鋼管淬后性能不達(dá)標(biāo)。其次，外淋內(nèi)噴供水主管路銹蝕漏水嚴(yán)重，內(nèi)噴水系統(tǒng)震動大，內(nèi)噴嘴噴淋效果差；旋轉(zhuǎn)壓緊設(shè)計不合理，甚至出現(xiàn)跳管現(xiàn)象。因此，對原有淬火工藝進(jìn)行技術(shù)改造刻不容緩。原外淋淬火設(shè)備斷面圖如圖1所示。

1—輥道；2—上料裝置；3—擋水板；4—旋轉(zhuǎn)裝置；5—翻料鉤；6—下料；7—外淋裝置。

1.2 改造后的工藝流程

鋼管經(jīng)過淬火爐加熱后，通過輥道運送至待料工位，惠斯頓上料裝置將鋼管翻送到接料臺架上并滾落到接料工位的翻料裝置上，熱金屬檢測儀感應(yīng)并發(fā)送有料信號后，翻料鉤緩慢落下，將鋼管放置在半浸槽內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置支撐輪上并隱藏在支撐輪下方，壓緊裝置在油缸驅(qū)動下下壓使壓緊輪壓住鋼管，支撐輪在變頻電機驅(qū)動下帶動鋼管進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。此時，安裝在大梁上的擋水裝置在油缸驅(qū)動下迅速抬升并漏出外淋管釋放外淋水，使鋼管外表面得到充分淬火；同時內(nèi)噴裝置釋放內(nèi)噴水，對鋼管內(nèi)表面進(jìn)行充分淬火。位于機架下方的水槽不斷收集外淋和內(nèi)噴水，水位漸漸浸沒鋼管，對鋼管進(jìn)行半浸式淬火。水槽具有調(diào)節(jié)水位的功能，可根據(jù)鋼管外徑，調(diào)節(jié)鋼管浸入時間及深度。

鋼管淬火完成，外淋擋水裝置關(guān)閉，內(nèi)噴停止供水，壓緊機構(gòu)打開，淬火后的鋼管通過翻料鉤翻出，再經(jīng)過下料臺架運送到步進(jìn)運輸機并進(jìn)行空水，最終將鋼管運送到回火爐進(jìn)料輥道上，完成全部的淬火工藝[3-4]。淬火設(shè)備改造方案斷面圖如圖2所示。

1—上料裝置；2—擋水板；3—接料臺架；4—浴槽；5—旋轉(zhuǎn)裝置支撐輪；6—接出料鉤；7—下料；8—外淋裝置。

2 設(shè)備改造要點

原設(shè)備進(jìn)出料輥道中心距和標(biāo)高不變，由于改造設(shè)備的產(chǎn)品大綱鋼管外徑范圍由?273 mm擴大至?339.72 mm，設(shè)備改造工作主要有四點：

(1)新增淬火核心設(shè)備半浸水槽(含旋轉(zhuǎn)裝置等)，淬火工藝由“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”改造為“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”；

(2)抬升原有外淋機架(含壓緊裝置等)，滿足大規(guī)格鋼管的淬火要求；

(3)更換外淋內(nèi)噴供水主管路，增加內(nèi)噴、外淋總水量；

(4)改造內(nèi)噴控制系統(tǒng)，增加回水節(jié)流功能、增設(shè)水錘吸納器減少鋼管淬火時的水錘現(xiàn)象。

2.1 拆除舊設(shè)備

設(shè)備改造首先需要拆除舊設(shè)備，諸如上料裝置(保留驅(qū)動裝置)、擋水板、旋轉(zhuǎn)裝置、翻料鉤、下料斜臺架等老舊部件。

2.2 設(shè)備基礎(chǔ)改造

考慮到如果重新進(jìn)行土建施工會嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度并對其他設(shè)備基礎(chǔ)造成破壞，根據(jù)工藝設(shè)備的要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。施工單位在原有的基礎(chǔ)上，對舊的設(shè)備基礎(chǔ)(上料裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、斜臺架)進(jìn)行清理，再用矩形管焊接成新的整體設(shè)備基礎(chǔ)平臺，將型鋼平臺放置在清理過的原有基礎(chǔ)之上，根據(jù)標(biāo)高要求使用斜墊鐵找平并進(jìn)行焊接，最終進(jìn)行二次灌漿，形成新的設(shè)備基礎(chǔ)用以安裝設(shè)備。

2.3 斯惠頓上料裝置利舊改造

斯惠頓裝置的功能是將加熱后的鋼管從淬火待料位翻送到水槽上的接料臺架，主要由主傳動軸、支臂及電機減速機等組成。

原上料裝置電機部分保留利舊，拆除回轉(zhuǎn)臂、軸承座、支座和軸等部件，斯惠頓上料裝置根據(jù)內(nèi)噴中心重新設(shè)計優(yōu)化，上料臂中心整體向輥道側(cè)偏移并縮短擺臂長度，將改造后的上料裝置底座在設(shè)備基礎(chǔ)平臺上定位安裝，并使用萬向聯(lián)軸器連接利舊電機和轉(zhuǎn)軸。

2.4 半浸裝置的安裝

半浸裝置是本次淬火裝置改造的核心組成部分，由半浸水槽、旋轉(zhuǎn)裝置、翻料鉤及水位調(diào)節(jié)機構(gòu)等部件組成。

(1)半浸水槽的安裝

半浸水槽主要是用槽鋼和鋼板拼焊構(gòu)成，并裝有水位調(diào)節(jié)閘門，用于收集淬火中的外淋內(nèi)噴水用于半浸式淬火。

半浸槽的底部設(shè)計成一定斜度并裝有水位調(diào)節(jié)閘門，浸淬時，氧化皮沉積在槽底部，設(shè)備檢修時，打開沖渣閥，內(nèi)噴水通過沖渣管將氧化皮沖到排渣溝中。半浸槽內(nèi)安裝有放料小臺架、翻料鉤(接料鉤)、旋轉(zhuǎn)裝置等。

將水槽安裝在設(shè)備基礎(chǔ)平臺上，定位及找平標(biāo)高后，將水槽底部與型鋼基礎(chǔ)平臺滿焊固定并進(jìn)行澆筑。

(2)旋轉(zhuǎn)裝置的安裝

旋轉(zhuǎn)裝置主要由兩根傳動軸、成對支撐輪(支撐輪的材質(zhì)為合金鋼5CrNiMo)、支架、直連式電機和雙出軸減速器等組成。

并且優(yōu)化了傳動方式，改善了由鏈條傳動引起的支撐輪不同步和鏈條張緊不合適的情況。改造后的旋轉(zhuǎn)裝置改良了旋轉(zhuǎn)輪傳動結(jié)構(gòu)，使用直聯(lián)式雙出軸減速器同時轉(zhuǎn)動兩根旋轉(zhuǎn)輪傳動軸，消除了由鏈條傳動引起的支撐輪不同步和鏈條張緊不合適甚而斷鏈的情況。旋轉(zhuǎn)裝置每組旋轉(zhuǎn)組件通過聯(lián)軸器連接，確定好中心位置及直線度后與水槽內(nèi)的橫梁滿焊固定[5]。

(3)接出料鉤的安裝

接出料鉤用于淬火前接料、放料和淬火后出料，由帶位移傳感器的油缸驅(qū)動，每組組件通過聯(lián)軸器連接，安裝在旋轉(zhuǎn)裝置之后、水槽內(nèi)的橫梁上，確定好中心位置及直線度后滿焊固定。

2.5 外淋裝置的改造

外淋裝置是鋼管淬火工藝的關(guān)鍵部件之一。根據(jù)用戶產(chǎn)品大綱調(diào)整，鋼管規(guī)格增大，原外淋裝置淬火后不能正常過料，需要將外淋裝置整體抬升。首先拆除外淋擋水板和壓緊裝置，做好防護(hù)措施，割斷液壓和供水管路，拆離電纜，將外淋裝置的四根立柱割斷，使用千斤頂整體抬升200 mm后用型鋼墊平，然后將增加的型鋼分別與設(shè)備基礎(chǔ)和立柱重新焊接。重新設(shè)計的壓緊裝置和不銹鋼擋水板根據(jù)設(shè)計要求重新安裝。

2.6 內(nèi)噴裝置的改造

拆除原內(nèi)噴供水管路及設(shè)備底座，重新設(shè)計優(yōu)化水系統(tǒng)及內(nèi)噴裝置，在供水管上增加了水錘吸納器、在回水管路上增加回水電動閘閥，用來減小三通閥切換方向時造成的水錘和振動；在內(nèi)噴管路上增加電磁流量計、壓力傳感器和溫度傳感器，可據(jù)實檢測流量、壓力和溫度等工藝參數(shù)；根據(jù)用戶產(chǎn)品大綱重新設(shè)計覆蓋全套產(chǎn)品規(guī)格的內(nèi)噴嘴，上下左右可調(diào)整余量10 mm，保證內(nèi)噴噴口和淬火鋼管同心，改善鋼管端頭部內(nèi)噴水噴濺過大現(xiàn)象[6]。

2.7 內(nèi)噴供水系統(tǒng)的改造

內(nèi)噴供水系統(tǒng)原四組內(nèi)噴水泵系統(tǒng)利舊改造。內(nèi)噴供水系統(tǒng)在原水池內(nèi)噴水泵組旁再增加一組內(nèi)噴水泵，參數(shù)和原水泵匹配，采用變頻控制。新增內(nèi)噴泵的電機啟動采用變頻控制，原水泵控制不變。

2.8 斜臺架及擋料裝置的改造

斜臺架位于半浸水槽之后，一端焊接固定在水槽外壁，另一端安裝在原有支架上，用來收集淬火結(jié)束后從出料鉤的鋼管。拆除原斜臺架淬火端的翻料鉤及支架。原斜臺架角度較小不利于淬火后鋼管的滾動下落，在原有斜臺架支座上重新設(shè)計安裝傾角為4°的臺架。改造擋料裝置的擋料板，使其能夠承受大規(guī)格鋼管滾動下落時造成的沖擊力。

2.9 潤滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的改造

(1)潤滑系統(tǒng)

由于旋轉(zhuǎn)裝置支撐輥旋轉(zhuǎn)速度快且工作環(huán)境惡劣，所以軸承的潤滑顯得非常重要，為此設(shè)計了一套旋轉(zhuǎn)裝置干油集中自潤滑系統(tǒng)，降低設(shè)備運行對旋轉(zhuǎn)裝置造成的損耗。

(2)液壓系統(tǒng)改造

提供新的輔助閥臺及閥塊，控制接出料鉤和水位調(diào)節(jié)裝置，淬火裝置其余各機構(gòu)操作所需的液壓系統(tǒng)利舊。

改造后淬火裝置照片如圖3所示。

圖3 改造后淬火裝置照片

3 結(jié)束語

該機組自2021年4月改造投產(chǎn)以來，生產(chǎn)基本正常，運轉(zhuǎn)良好，本項目設(shè)備的各項技術(shù)參數(shù)均達(dá)到合同要求，并且其生產(chǎn)能力已超過設(shè)計能力，生產(chǎn)的鋼管銷往國內(nèi)及國外市場，受到用戶的一致好評。

在該公司原有鋼管熱處理生產(chǎn)線淬火設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”的創(chuàng)新工藝設(shè)計改造出的多功能淬火設(shè)備，優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，不僅增加了設(shè)備淬火能力，提高了淬火均勻性和鋼管淬火質(zhì)量，而且節(jié)能減排，極大地降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。該項改造為現(xiàn)有鋼管熱處理設(shè)備的工藝調(diào)整和升級換代提供了實踐案例。