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結(jié)合大口徑無縫不銹鋼管生產(chǎn)工藝，從機(jī)組選型特點，針對性方案設(shè)計、控制方式等方面綜合分析斜軋穿孔在該領(lǐng)域的應(yīng)用。720穿孔機(jī)組采用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)提高了大口徑鋼管質(zhì)量及尺寸精度，工具更換更加省時省力，機(jī)組配置的人工智能交流界面使操作更加安全、簡單、方便。

在無縫鋼管生產(chǎn)過程中，曼式穿孔機(jī)是最初發(fā)明較早管坯穿孔設(shè)備，但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)及其工藝參數(shù)的一些問題未得到解決，所以應(yīng)用不廣。20世紀(jì)70年代末，由于帶大碾軋角度的錐形穿孔機(jī)的出現(xiàn)，人們對斜軋穿孔有了近一步新的認(rèn)識，成為能夠穿制高合金鋼和連鑄坯的一種新型穿孔機(jī)。錐形穿孔機(jī)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(jìn)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(dá)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(yīng)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(jī)型上順利穿孔。依據(jù)參考文獻(xiàn)內(nèi)相關(guān)介紹曼式穿孔機(jī)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(yán)重。在錐形穿孔機(jī)上進(jìn)行的實驗表明采用適當(dāng)?shù)乃瓦M(jìn)角度及碾軋角度可以有效預(yù)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(jī)組。該機(jī)組主要由加熱爐、輸送輥道、前臺裝置、穿孔機(jī)主機(jī)、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(jī)主機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)，軋輥左右布置，導(dǎo)板上下布置。

1機(jī)組基本參數(shù)

1）入口實心坯。直徑為300~600mm；長度為2500~5000mm；質(zhì)量（max）為9000kg。

2）入口空心坯。直徑為400~750mm；厚度為50~120mm；長度為4000~6000mm；質(zhì)量（max）為9000kg。

3）出口毛管規(guī)格。直徑為300~820mm；壁厚為25~105mm；長度為4000~11000mm。

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(jī)功率為2500kW（單輥）；軋輥轉(zhuǎn)速為8~16r/min；軋輥直徑為1750mm；軋輥長度為1800mm；送進(jìn)角度為8°；碾軋角度為12°。

2機(jī)組特點

2.1機(jī)架裝置

由于大口徑機(jī)組的工具及工輔材料尺寸、質(zhì)量均比較大，機(jī)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(jìn)行工具的更換既能減輕勞動強(qiáng)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(jī)機(jī)架采用分體方式，機(jī)蓋采用升降液壓缸提升至高位，下機(jī)架的推拉缸將機(jī)架上蓋及上導(dǎo)板裝置整體推出。由于大口徑機(jī)組的工具，如軋輥、導(dǎo)板等重量均比較大，該結(jié)構(gòu)使工具更換方便，大大節(jié)省了更換時間，便于人工操作。

2.2機(jī)內(nèi)定心裝置

當(dāng)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(jī)組在主機(jī)出口處設(shè)置了機(jī)內(nèi)定心裝置，該裝置可以固定頂桿增加強(qiáng)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(jī)內(nèi)輥、滑座等裝置組成。通過液壓缸控制機(jī)內(nèi)輥的開口，液壓缸設(shè)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(shè)置多個輥位，實現(xiàn)較大規(guī)格之間的調(diào)整。

2.3前預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置

通過頂頭主動旋轉(zhuǎn)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(yù)旋轉(zhuǎn)裝置固定安裝在出口臺二段閉鎖裝置上，由電機(jī)帶減速機(jī)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(dāng)齒套與齒輪嚙合后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪轉(zhuǎn)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(yù)旋轉(zhuǎn)。頂桿小車外齒圈處設(shè)置超越離合器，當(dāng)坯料完成一次咬入，順利建立軋制工序時頂桿旋轉(zhuǎn)速度高于預(yù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動頂桿的速度時，離合器實現(xiàn)超越，保護(hù)電機(jī)。

2.4后預(yù)旋轉(zhuǎn)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340mm的不銹鋼穿孔機(jī)組，頂頭材質(zhì)多為鉬基合金，340mm的鋼管穿孔用頂頭多用H13等高強(qiáng)度耐熱模具鋼，該材質(zhì)頂頭具有較高的高溫強(qiáng)度，低溫塑性差，其脆性轉(zhuǎn)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(jī)組生產(chǎn)鋼管范圍涵蓋外徑340mm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(jī)組設(shè)置后預(yù)選裝置，便于頂頭安裝及頂頭上粘鋼的打磨。

后預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置主要由龍門架、擺動缸、液壓馬達(dá)、減速機(jī)、推拉油缸、立柱等裝置組成。

2.5固溶池及其撥料裝置設(shè)計

奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)工藝需要將1050℃左右的鋼管在溫度低于40℃的水里進(jìn)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(jìn)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，大口徑不銹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(jī)構(gòu)提升效率高，結(jié)構(gòu)簡單，故障率低（見圖4）。

2.6機(jī)組自動化控制、安全連鎖、人機(jī)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(jī)主機(jī)及輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，該機(jī)組在前臺V型槽升降、導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)上均設(shè)置位移傳感器、編碼器、熱金屬檢測器等元件，可對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行自動化調(diào)整，節(jié)省人工勞動強(qiáng)度、提高機(jī)組參數(shù)調(diào)整的精度、提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

機(jī)組設(shè)置多處接近開關(guān)、壓力繼電器等檢測反饋型元器件。保證設(shè)備在安全可靠的條件下運(yùn)行，避免發(fā)生損壞設(shè)備或發(fā)生人員安全事故。例如主機(jī)正常運(yùn)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(jī)架鎖緊；上導(dǎo)板鎖緊；下導(dǎo)板鎖緊；左、右軋輥箱鎖緊。

本機(jī)組中設(shè)置了上位工控機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)了人工智能界面，通過該界面可以輸入相關(guān)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(jī)的電流曲線等關(guān)鍵參數(shù)，對指導(dǎo)生產(chǎn)，改進(jìn)工藝有重要指導(dǎo)意義。

3結(jié)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0.10~0.25m/s比較合適。

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(shè)置在1250°左右，雙相鋼或低溫鋼的穿孔溫度在1150°左右。

4）通過不銹鋼管生產(chǎn)流程及工藝的針對性設(shè)計，保證了該機(jī)組運(yùn)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(yùn)行的情況表明錐形穿孔機(jī)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。