一、基本情況

  江蘇天淮鋼管有限公司φ508mm（20in）PQF連軋管機組，是目前全球最大口徑的三輥式連軋管機組，2012年5月28日熱負荷試車成功。該機組由中冶京誠工程技術(shù)有限公司做工廠設(shè)計，主軋線設(shè)備由德國梅爾公司、意大利因西設(shè)計制造，設(shè)計能力為年產(chǎn)無縫鋼管50萬噸。自投產(chǎn)半年時間里，生產(chǎn)Φ377～508mm 規(guī)格鋼管共3.8萬噸，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

二、產(chǎn)品規(guī)格和主要品種

1. 產(chǎn)品規(guī)格

  外徑：φ245～508mm；

  壁厚：6.1～60mm；

  長度：6～15m。

2. 主要品種

管線管、鍋爐用管、氣瓶管、機械管、液壓支柱管，流體輸送管、結(jié)構(gòu)管等。

3. 工藝流程

  φ508mm PQF連軋管機組的工藝布置如圖6-16所示。

  工藝流程為：合格管坯→鋸切→冷定心→環(huán)形爐加熱→高壓水除磷→穿孔→吹硼砂→穿芯棒→高壓水除鱗→F連軋→脫管→高壓水除鱗→定徑→冷卻→定尺鋸切→矯直→吹吸灰→探傷→人工內(nèi)外表面檢查→噴標→收集入庫。

  三個變形主機由帶管坯預(yù)旋轉(zhuǎn)的錐形輥導(dǎo)板式穿孔機、5機架PQF限動芯棒連軋管機、12架單獨傳動的定徑機組成，三大主機本體設(shè)備都由德國MEER公司設(shè)計制造，主機設(shè)備前后臺連線設(shè)備由中冶京誠工程技術(shù)有限公司設(shè)計，天津賽瑞機器制造有限公司制造。φ508PQF機組采用更為完善的先進工藝控制系統(tǒng)-CARTA系統(tǒng)、嚴格的質(zhì)量控制系統(tǒng)-QAS系統(tǒng)、物料跟蹤系統(tǒng)（MTS）以及在線檢測系統(tǒng)等工藝控制技術(shù)，從而確保了熱軋大口徑無縫鋼管生產(chǎn)的工藝先進性及穩(wěn)定性。

四、主要工藝設(shè)備及性能特點

  1. 環(huán)形加熱爐

  環(huán)形爐由LOI天津公司設(shè)計及制作，為降低成本，采用高爐煤氣和天然氣混合氣作為燃料。從裝料到出料共分7個加熱控制段，其中第1～2段為預(yù)熱段，第3～5段為加熱段，第6～7段為均熱段；其中預(yù)熱2段和加熱段采用高爐煤氣蓄熱燒嘴，均熱段用頂置的天然氣平焰燒嘴均熱，環(huán)形爐采用全自動、先進、可靠的熱工控制系統(tǒng)測量和控制爐子的熱工過程，可根據(jù)不同工況準確匹配爐子供熱量，保證管坯按最佳的工藝曲線加熱和保溫。

 環(huán)形加熱爐主要參數(shù)包括：

   中徑：51m；

   爐底寬度：5.4m；

   最大加熱長度：5.0m；

   最大坯重：7620kg；

   最大加熱能力：260t／h；

   最大裝出料節(jié)奏：90p/h。

 2. 錐形輥穿孔機

   該機組采用導(dǎo)板式錐形輥立式穿孔機，在18in PQF機組基礎(chǔ)上，穿孔輥直徑從1500mm增大到1700mm，電機功率從6500kW2臺增加到8200kW×2臺，提高穿孔機的變形能力，減少連軋機的變形負荷；采用導(dǎo)板式主要目的是穿孔機孔型封閉性好、毛管壁厚精度高，減少了導(dǎo)盤傳動系統(tǒng)，減小了牌坊的尺寸，降低了設(shè)備投資。

  由于本機組采用的管坯直徑（Φ310mm、ф380mm、Φ450mm、φ500mm）比18in機組管坯直徑大，管坯重量也大，為方便管坯咬入，防止前卡事故，在前臺設(shè)置了管坯預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置，見圖6-17，大管坯在推鋼機推入軋輥前在預(yù)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)起來，這樣很大程度改善了咬入條件，減少了事故，提高了軋輥壽命。

  該穿孔機后臺一段有6組三輥定心裝置，后臺二段的頂桿采用在線小車上下料、頂頭采用內(nèi)部循環(huán)水冷加外部氣霧冷卻方式，當頂頭穿廢時隨頂桿一起更換，見圖6-18所示。頂桿上料后冷卻水可直接循環(huán)到頂頭工作段的內(nèi)腔，在軋制及間歇不管頂桿在什么位置，都能通過內(nèi)部循環(huán)水對頂頭快速冷卻；在軋制間歇時頂桿回退到基位后，進入有外部氣霧冷卻箱對頂頭進行外部冷卻，氣霧冷卻箱中的15道水環(huán)分4組控制，從圓周方向分別對頂頭不同部位分別控制時間控制水量來冷卻，從而保證了頂頭工作段良好的冷卻效果。

  在以前18英寸PQF機組基礎(chǔ)上頂頭冷卻形式做了很大改進，見圖6-19（其中，圖6-19為本機組頂頭結(jié)構(gòu)，圖6-19（b）為原18in頂頭結(jié)構(gòu)），頂頭由原來的實心體改為空腔體，以至于內(nèi)部冷卻水能一直貫通整個頂頭的內(nèi)腔，使頂頭的尖端及工作段能得到徹底冷卻，從而延長了頂頭壽命。

  本機組的毛管橫移采用可伸縮的大擺臂移送到硼砂工位，吹完硼砂后由帶擺動撥叉地面小車將毛管移送到PQF連軋機前臺。

  穿孔機主要參數(shù)包括：

   最大／最小軋輥直徑：1700mm／1550mm；

   最大出口速度：0.8m／s；

   最大軋制力矩：3165kN·m；

   主電機功率：8200kW×2臺；

   主電機最大轉(zhuǎn)速：354r／min；

   氣霧冷卻系統(tǒng)：水壓0.5～0.7MPa；氣壓0.4～0.5MIPa。

 3. PQF連軋管機

  本機組PQF連軋管機為5機架的軸向換輥連軋管機見圖6-20，優(yōu)點是隧道式筒形牌坊剛度及強度好，傳動布置緊湊，軋制穩(wěn)定性好。每架軋機的三個互成120°的軋輥安裝在獨立的軋制單元一軋輥小機架內(nèi)，安裝在隧道上的伺服液壓小倉，可以對軋輥輥縫進行同步調(diào)整也可以單獨調(diào)整，即采用了輥縫自動控制系統(tǒng)（HCCS），從而保證了軋制質(zhì)量，另外，該連軋管機在生產(chǎn)過程中采用了工藝過程控制系統(tǒng)（PSS），實現(xiàn)了溫度補償、咬入沖擊控制、錐形芯棒伺服和頭尾削尖等功能。

  由于該機組軋制節(jié)奏較慢（最快40s／支），只有在線穿芯棒方式，不設(shè)預(yù)穿線，減少了芯棒在線數(shù)量，減少了芯棒與毛管接觸時間，減少了毛管的溫降，提高了芯棒壽命，節(jié)省了設(shè)備投資。

 連軋機主要參數(shù)包括：

   荒管外徑：ф294mm，φ383mm，φ454mm，φ530mm；

   軋輥直徑：φ1060～1130mm；

   最大入口速度：1.5m／s；

   最大出口速度：4.0m／s；

   最大軋制力：620kN；

   最大軋制力矩：250kN·m；

   電機功率：1～4號機架各3×1000kW，5機架為3×500kW；

   限動力：2900kN；

   限動電機功率：500kW×6臺；

   限動最大前進速度：2.5m／s；

   限動最大返回速度：4.5m／s；

   軋制中限動速度：1.5m／s。

 4. 定徑機

   采用12架三輥式定徑機，見圖6-21，每架都有一臺電機驅(qū)動，機架采用傘齒輪內(nèi)傳動結(jié)構(gòu)，在機架外有一根傳動軸通過聯(lián)軸器與12架組合式的減速器相連接，奇偶架的電機前后排上下兩層排列，整個定徑機布置緊湊。該機組在定徑機前設(shè)置了高壓水除鱗裝置，提高鋼管的外表面質(zhì)量，延長軋輥壽命。

定徑機主要參數(shù)包括：

  軋輥名義直徑：φ1000mm；

  機架間距：880mm；

  入口鋼管速度：0.8～1.5m／s；

  出口鋼管速度：0.85～2.0m／s；

  電機功率：350kW×12臺；

  電機轉(zhuǎn)速：200～600／1200r／min。

五、機組工藝控制系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)

   PQF三輥連軋管機組數(shù)量的不斷增多，使得PQF連軋管機的工藝控制系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)不斷提高完善，從而保證了更好的產(chǎn)品質(zhì)量，更高的成材率和設(shè)備利用率以及較低的工具消耗。整個機組的過程管理系統(tǒng)包括通常所說的MTS系統(tǒng)、HCCS系統(tǒng)、PSS系統(tǒng)等在內(nèi)的CARTA系統(tǒng)以及QAS系統(tǒng)兩大部分組成。整個熱軋線的CARTA系統(tǒng)是用來生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)管理的工藝控制系統(tǒng)，由穿孔機CARTA系統(tǒng)、PQF軋管機CARTA系統(tǒng)及定徑機CARTA系統(tǒng)三部分組成，其中PQF軋管CARTA是核心部分，穿孔機CARTA系統(tǒng)主要是工藝參數(shù)設(shè)定、頂頭導(dǎo)板軋輥等軋制工具設(shè)計等內(nèi)容；張減機CARTA系統(tǒng)主要是孔型設(shè)計、工藝參數(shù)設(shè)定等內(nèi)容。QAS系統(tǒng)是用于熱軋線質(zhì)量控制的檢測系統(tǒng)。

六、在線檢測質(zhì)量保證系統(tǒng)QAS

   QAS是一個在線獨立工作站，通過對物料的跟蹤檢測，對數(shù)據(jù)進行收集分析和存儲，并將分析的結(jié)果及時反饋給CARTA系統(tǒng)以實施對物料的控制，保證鋼管質(zhì)量。QAS檢測的具體內(nèi)容包括：管坯稱重以控制坯料超重，實現(xiàn)坯料跟蹤；環(huán)形爐出口測溫以優(yōu)化管坯加熱，滿足穿孔及連軋工藝要求，確保鋼管質(zhì)量；穿孔后測長以控制毛管幾何尺寸，確保連軋的咬入及軋制的穩(wěn)定；芯棒潤滑前測溫以滿足芯棒噴涂潤滑劑的工藝要求，確保鋼管內(nèi)表面質(zhì)量和芯棒使用壽命；連軋人口測溫以控制毛管溫度確保軋機正常咬入及軋制的穩(wěn)定性；連軋后測厚測長測溫以控制連軋出口荒管幾何尺寸，確保荒管壁厚精度；定徑前測溫以控制荒管溫度，確保定徑軋制穩(wěn)定性。

七、機組特點

 1. 增大管坯直徑，降低穿孔的擴徑率，提高毛管的幾何尺寸精度

    與相近機組相比（如表6-11所示），該機組增大管坯直徑的意義在于：對于環(huán)形爐，大口徑厚壁管生產(chǎn)時降低了坯料的長度，設(shè)計中減少了環(huán)形爐的中徑，在環(huán)形爐建設(shè)中減少了近5％投資；對于穿孔機而言，管坯外徑增大了，但毛管的幾何尺寸和同類機組一樣，這樣毛管的擴徑率降低了近10％，在穿孔斜軋過程中，大大降低了軋件的橫向變形，能很好抑制穿孔的附加變形程度，提高毛管的幾何尺寸精度。

 2. 穿孔機采用新型的頂桿頂頭連接形式和更換方式

    與φ460機組相比，天淮508機組穿孔后臺二段形式徹底改進，針對大機組節(jié)奏較慢（最快40s以上）的特點，為提高設(shè)備的運行穩(wěn)定性，增加頂桿上下料小車，實現(xiàn)頂桿的在線循環(huán)，改變了同類錐形穿孔機組單頂桿在線自動快換頂頭模式（設(shè)備精度要求較高），采用頂頭和頂桿通過過盈錐面配合外加定位銷連接，見圖6-19，并線外裝配作業(yè)，這樣減少了換規(guī)格過程的設(shè)備調(diào)整時間，改進后還避免生產(chǎn)過程中在線頂頭安裝不上出現(xiàn)無頂頭軋制工藝事故，節(jié)省了頂桿消耗和工藝事故擴大化造成的機械故障，節(jié)省工具費用同時提高了作業(yè)率。另外，采用頂桿更換小車形式，換孔型時提前準備好新孔型的頂桿，10min 內(nèi)完成穿孔機組的頂桿更換，較同類型機組穿孔孔型更換時換頂桿節(jié)省近90％的時間。

 3. 改進了穿孔機組頂頭的冷卻方式

    天淮φ508機組穿孔頂頭的冷卻方式增加了頂頭的內(nèi)水冷并改進了外水冷方式，該機組冷卻水能直接到達頂頭的腔體內(nèi)（見圖6-19），設(shè)計時增加了內(nèi)水冷的水壓，由同類機組的8bar增加到12bar，提高了冷卻速率。改進了外水冷的形式，在同類穿孔機組頂頭更換裝置的位置，設(shè)計了頂頭外冷的專用裝置，該裝置采用氣霧冷卻方式，見圖6-18，并配套電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)頂頭規(guī)格和溫度調(diào)整噴吹壓力和時間，保證頂頭冷卻均勻，避免了軋制后的高溫頂頭由冷卻不均造成頂頭開裂報廢。該機組頂頭內(nèi)外水冷的方式，從近半年生產(chǎn)統(tǒng)計鍛造頂頭的平均壽命達到450支（個別達到900支）以上，頂頭平均壽命是其他同類機組的1.5倍以上。

 4. 連軋短管模式

    為保證大口徑厚壁管的生產(chǎn)，連軋機組增加短管模式，設(shè)計中連軋機與脫管機間距為11.5m，在生產(chǎn)短于11.5m大口徑超厚壁管時，開發(fā)連軋的短管模式，在設(shè)計過程中考慮實現(xiàn)最短8m管生產(chǎn)，脫管電機選型時保證低速性能穩(wěn)定，依靠限動齒條將連軋后管送進脫管機，這時脫管機的線速度和限動速度一致，咬入后脫管機升速實現(xiàn)荒管和芯棒脫開。

 5. 為保證大口徑薄壁管表面質(zhì)量，移送設(shè)備創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，做到輕拿輕放

    為保證大口徑薄壁管表面質(zhì)量，防止鋼管在移送過程出現(xiàn)嗑傷及劃痕現(xiàn)象，本機組的毛管橫移機構(gòu)及脫管后橫移鏈撥料機構(gòu)都進行改進創(chuàng)新。在ф460mm機組中，毛管從三輥定心由一個撥料鉤撥出由另一個撥料鉤接料放到旋轉(zhuǎn)托輥上吹硼砂，見圖6-22（a），吹完硼砂后由高架小車移送到帶高度調(diào)整的受料鞍座上，毛管滾落到鞍座輥道上進而由連軋前臺的回轉(zhuǎn)臂取走；防止大口徑薄壁管（特別是徑壁大于48）在撥料滾動中出現(xiàn)的嗑傷和劃痕，天淮ф508mm機組在此進行了改進創(chuàng)新，見圖6-22（b），三輥定心出來的毛管由可伸縮的大擺臂移送到硼砂工位，吹完硼砂后由地面小車的撥叉將毛管取走，小車到行程后，小車上的撥叉將毛管移到垂直升降的放料叉，小車回退，然后由連軋前臺的回轉(zhuǎn)臂取走毛管，在毛管的三次接力傳遞中都避免了在撥叉及鞍座臺架上的滾動沖擊，都是輕拿輕放，避免了嗑傷和劃痕，提高了表面質(zhì)量。另外，本機組在脫管機后橫移鏈冷床入口撥料采用了撥料防護機構(gòu)，見圖6-23，當鏈床的撥料臂抬起過程中附帶在撥料臂上的防護板也隨之升起以保護鋼管防止在撥料盤上嗑傷，當撥料臂落下時反向連桿機構(gòu)使防護板也落下，將鋼管慢慢放下，從而避免了在以前18in機組上薄臂管總在小冷床入口嗑傷的后果。在天淮φ508mm機組中，類似以上保護措施及結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，進一步提高了大口徑薄壁管的表面質(zhì)量。

八、結(jié)論

Φ508mmPQF機組是當今世界上最大的熱連軋管生產(chǎn)機組，擁有了世界上最先進的工藝設(shè)計和過程控制水平，同時設(shè)計過程中對同類機組的不足之處和薄弱環(huán)節(jié)進行了重大改進，創(chuàng)新了5項技術(shù)：

  1. 在吸收以往的MPM和PQF機組經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用8200kW大功率穿孔機加大了穿孔機的變形量，減小了后續(xù)工序變形，穿孔機的延伸系數(shù)最大能夠達到4.7。并設(shè)計減小了穿孔毛管與連軋芯棒之間的間隙，因此更有利于生產(chǎn)薄壁管和高合金管，已成功生產(chǎn)的φ508mmx9.5mm鋼管徑壁比達到56。同時最大限度地消除了PQF軋機的內(nèi)壁傷問題，提高了鋼管壁厚精度和均勻度。表6-12及圖6-24為φ508mm機組生產(chǎn)的φ508mmx12.5mm鋼管取樣情況：A～H為沿鋼管同一斷面測得的8個壁厚數(shù)據(jù)。由圖表可知鋼管各斷面的壁厚偏差率都在±8％以內(nèi)。

  2. 穿孔機組采用新型的頂桿和頂頭連接和更換方式，保證設(shè)備運行穩(wěn)定，減少了事故，提高了作業(yè)率，降低了頂桿費用。

  3. 穿孔機組頂頭增加了內(nèi)水冷并設(shè)計外水冷裝置，保證頂頭冷卻均勻，提高了頂頭冷卻效果，頂頭壽命提高近50％，為同類機組提供了改進技術(shù)。

  4. 連軋機組開發(fā)了短管模式，實現(xiàn)8m以上的大口徑厚壁管的生產(chǎn)，擴大了該機組生產(chǎn)的產(chǎn)品大綱。

  5. 設(shè)計開發(fā)了輕拿輕放的鋼管移送機構(gòu)，避免了大口徑薄壁管移送過程出現(xiàn)磕碰和劃傷，提高了薄壁管產(chǎn)品的一次合格率。