馮世云

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

芯棒是無縫鋼管連軋管機(jī)組的核心部件，與軋輥共同作用將穿孔后毛管軋制成無縫鋼管［1-3］。芯棒作為無縫鋼管生產(chǎn)過程中重要的熱變形工具之一，其表面質(zhì)量直接影響到鋼管的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量。芯棒的制作成本較高，提高芯棒的使用壽命，可以大幅度降低生產(chǎn)成本［4-5］。這里就連軋芯棒表面環(huán)形傷形成原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 原因分析

某鋼管連軋現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的芯棒表面環(huán)形傷如圖1所示。芯棒表面環(huán)形傷形成原因可能有以下幾種：

圖1 連軋芯棒環(huán)形傷示意

（1）循環(huán)區(qū)設(shè)備磕碰。在循環(huán)區(qū)出現(xiàn)芯棒表面環(huán)形傷可能的原因是芯棒橫向移動(dòng)過程中由其他設(shè)備磕碰所致。

（2）脫管機(jī)軋制中心線與連軋管機(jī)軋制中心線不在一條直線上。原因可能是由于安裝原因?qū)е旅摴軝C(jī)軋制中心線與連軋管機(jī)中心線不在一條直線上，脫管時(shí)管子將芯棒糾偏，拋鋼后芯棒被旋轉(zhuǎn)的軋輥?zhàn)矒?，造成芯棒磨損。

（3）芯棒支撐裝置支撐輥閉合時(shí)間不合理。原因可能是芯棒支撐裝置閉合支撐芯棒較晚，連軋管機(jī)拋鋼后，沒有及時(shí)支撐芯棒且相鄰芯棒支撐裝置的間距較大，芯棒下?lián)希景舯恍D(zhuǎn)的軋輥?zhàn)矒?，造成芯棒磨損。

（4）芯棒支撐裝置結(jié)構(gòu)不合理。芯棒支撐裝置的3 個(gè)支撐輥采用一連桿機(jī)構(gòu)控制其閉合及打開，3 個(gè)支撐輥閉合后其確定圓的圓心與軋制中心線同心，但其由打開位至閉合的過程中，底部支撐輥先接觸下?lián)希ㄏ噜徯景糁窝b置的間距較大）的芯棒，將芯棒扶正后左右兩支撐輥才會(huì)接觸芯棒。底部支撐輥采用弧面輥，在芯棒被扶正至軋制中心線的過程中側(cè)滑并撞擊旋轉(zhuǎn)的軋輥，造成芯棒磨損。

（5）拋鋼后軋輥的控制工藝不完善。若上述芯棒4 處環(huán)形傷是軋輥磨損芯棒所致，成本最低的就是增加電氣控制程序，使軋輥拋鋼后遠(yuǎn)離芯棒。

2 逐項(xiàng)分析原因及對(duì)應(yīng)整改措施

（1）檢查循環(huán)區(qū)芯棒橫向移動(dòng)時(shí)的支撐點(diǎn)間距。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得芯棒環(huán)形傷間距，與循環(huán)區(qū)幾處可能磕碰芯棒的橫移設(shè)備間距對(duì)比，發(fā)現(xiàn)尺寸不符，得出結(jié)論：不是循環(huán)區(qū)設(shè)備磕碰產(chǎn)生。

另外，對(duì)比環(huán)形傷間距與連軋管機(jī)機(jī)架間距，發(fā)現(xiàn)尺寸基本相符，由此得出結(jié)論：軋輥摩擦芯棒導(dǎo)致芯棒表面出現(xiàn)擦傷，多次軋制后出現(xiàn)環(huán)形傷。

（2）采用高精尖儀器檢測(cè)脫管機(jī)與連軋管機(jī)軋制中心線偏離關(guān)系。采用激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（Laser Tracker System）測(cè)量脫管機(jī)軋制中心線是否與連軋管機(jī)軋制中心線在一條直線上［6］，此設(shè)備不需要制作其他輔助工具就能完成測(cè)量，不會(huì)產(chǎn)生由輔助工具造成的偏差，且精度高，脫管機(jī)各定位塊距連軋管機(jī)軋制中心線的距離的標(biāo)準(zhǔn)名義值為450 mm，激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量脫管機(jī)定位塊距連軋管機(jī)軋制中心線的距離，其結(jié)果見表1。

表1 脫管機(jī)定位塊距軋制中心線的距離及其與標(biāo)準(zhǔn)名義值的偏差 mm

由表1 可知，脫管機(jī)偏離連軋管機(jī)中心線4.934～6.794 mm，由于脫管機(jī)已二次灌漿，只能修磨其定位塊，將脫管機(jī)軋制中心線與連軋管機(jī)中心線偏差調(diào)至可接受范圍［7］。

（3）根據(jù)軋制規(guī)格動(dòng)態(tài)控制芯棒支撐裝置的支撐輥閉合時(shí)間。

芯棒出現(xiàn)環(huán)形傷，可能是芯棒支撐裝置的支撐輥閉合太晚，在連軋管機(jī)拋鋼后芯棒前進(jìn)、停止及返回時(shí)，在芯棒支撐裝置的支撐輥未閉合前，芯棒下?lián)喜⒉涞杰堓仯瑢?dǎo)致芯棒表面出現(xiàn)擦傷，這可能是由于芯棒支撐裝置閉合選取信號(hào)及延時(shí)不合適所致。經(jīng)仔細(xì)分析研究，結(jié)合設(shè)備布置間距，程序按軋制規(guī)格精確計(jì)算管子在連軋管機(jī)各機(jī)架的速度及時(shí)間，芯棒支撐裝置閉合時(shí)間采用動(dòng)態(tài)控制，做到管子剛經(jīng)過各芯棒支撐裝置時(shí)支撐輥即閉合?，F(xiàn)以Φ189 mm 芯棒軋制壁厚4.5 mm 鋼管舉例說明，毛管的入口速度約為1 500 mm/s，毛管的出口速度為5 000 mm/s，連軋管機(jī)各機(jī)架間管子的運(yùn)行速度［8-9］計(jì)算值見表2，連軋管機(jī)各機(jī)架坐標(biāo)及拋鋼時(shí)間見表3。

表2 連軋管機(jī)各機(jī)架間管子的運(yùn)行速度計(jì)算值 mm/s

表3 連軋管機(jī)各機(jī)架坐標(biāo)及拋鋼時(shí)間

由表2 可知，芯棒支撐裝置1 位于軋制機(jī)架2后，當(dāng)軋制機(jī)架2 發(fā)出拋鋼信號(hào)后，芯棒支撐裝置1 閉合，從軋制機(jī)架2 發(fā)出拋鋼信號(hào)至芯棒支撐裝置1 閉合到位用時(shí)0.5 s，實(shí)際上這時(shí)管子尾部已至軋制機(jī)架4，軋制機(jī)架1 的選取信號(hào)不晚，軋制機(jī)架1 和軋制機(jī)架2 的軋輥不會(huì)磨到芯棒，此點(diǎn)正好與現(xiàn)場(chǎng)吻合。

芯棒支撐裝置2 位于軋制機(jī)架4 后，當(dāng)軋制機(jī)架4 拋鋼后，芯棒支撐裝置2 閉合，從軋制機(jī)架4拋鋼信號(hào)至芯棒支撐裝置2 閉合到位用時(shí)0.5 s，實(shí)際上這時(shí)管子尾部未至軋制機(jī)架6，此時(shí)所有機(jī)架的軋輥也不會(huì)磨到芯棒。

芯棒支撐裝置3 位于軋制機(jī)架6 后，當(dāng)軋制機(jī)架4 拋鋼后，芯棒支撐裝置3 延時(shí)閉合，做到毛管剛經(jīng)過芯棒支撐裝置3 時(shí)支撐輥剛好閉合，確保所有軋制機(jī)架的軋輥不會(huì)磨到芯棒。

（4）從力學(xué)角度動(dòng)態(tài)分析，最終更改下支撐輥結(jié)構(gòu)及控制。芯棒在齒條夾持頭內(nèi)間隙可活動(dòng)，可簡(jiǎn)化視為鉸接點(diǎn)。連軋管機(jī)入口處有一芯棒支撐輥，底部支撐芯棒，但無法限制芯棒上翹。連軋管機(jī)內(nèi)共設(shè)3 個(gè)芯棒支撐裝置，分別設(shè)置在軋制機(jī)架2 和軋制機(jī)架3 之間，軋制機(jī)架4 和軋制機(jī)架5 之間及軋制機(jī)架6 之后［10-14］。芯棒各支撐或限位點(diǎn)坐標(biāo)見表4。

表4 芯棒各支撐或限位點(diǎn)坐標(biāo) mm

支撐裝置的3 個(gè)支撐輥采用一連桿機(jī)構(gòu)，由一個(gè)液壓缸控制其打開及閉合［15］，3 個(gè)支撐輥將芯棒固定在軋制中心線上，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 芯棒支撐裝置結(jié)構(gòu)示意

但連軋管機(jī)出口輥道為固定式，當(dāng)芯棒與管子分離后，芯棒就好似一懸臂梁，會(huì)下?lián)?，芯棒的力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖3 所示。

圖3 芯棒的力學(xué)簡(jiǎn)化模型示意

在芯棒支撐裝置中心的斷面上，芯棒中心偏離軋制中心線靠下。芯棒支撐裝置閉合時(shí)，下支撐輥先接觸芯棒，此時(shí)上面兩個(gè)支撐輥還未接觸芯棒（研究此瞬間），因相鄰芯棒支撐裝置距離大，此時(shí)將芯棒斷面看成自由體。下支撐輥的力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖4 所示。

圖4 下支撐輥的力學(xué)簡(jiǎn)化模型示意

圖4 中，芯棒在下支撐輥給芯棒的力F（與接觸點(diǎn)至轉(zhuǎn)軸的線段垂直）和芯棒重力mg（過中心點(diǎn)垂直向下）的作用下，芯棒必然朝著支撐輥面較低的一側(cè)滾動(dòng)，芯棒中心偏離軋制中心線，導(dǎo)致芯棒蹭到旋轉(zhuǎn)的軋輥，造成芯棒磨損。

上述簡(jiǎn)化模型中將芯棒斷面看成自由體，實(shí)際上芯棒尾端受限，芯棒在芯棒支撐裝置的斷面處不一定是滾動(dòng)，也可能是滑動(dòng)，滾向或滑向支撐輥面較低的一側(cè)，被旋轉(zhuǎn)的軋輥蹭到，造成芯棒磨損。

整改措施：下支撐輥采用V 形輥，與其余兩個(gè)支撐輥分開控制，芯棒在扶正的過程中，只能是直線向上運(yùn)行，不會(huì)向左右兩側(cè)偏移，整改后的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 整改后的芯棒支撐裝置的力學(xué)簡(jiǎn)化模型示意

（5）控制理論創(chuàng)新增加芯棒躲避功能。因連軋管機(jī)軋輥采用電液伺服系統(tǒng)控制，其輥縫的控制是由液壓伺服系統(tǒng)來完成的［16-19］。為了避免軋輥?zhàn)矒粜景?，連軋管機(jī)電氣控制開發(fā)出芯棒躲避功能，就是各機(jī)架在拋鋼的一瞬間，軋輥打開一定距離，即使芯棒下?lián)?，旋轉(zhuǎn)的軋輥也不會(huì)蹭到芯棒，待芯棒返回后，軋輥再回復(fù)至軋制位。未使用芯棒躲避功能的軋輥位置曲線與使用芯棒躲避功能時(shí)的軋輥位置曲線如圖6～7 所示，曲線表明拋鋼后軋輥的位置變動(dòng)。

圖6 未使用芯棒躲避功能的軋輥位置曲線

圖7 使用芯棒躲避功能后的軋輥位置曲線

3 結(jié)語

通過以上設(shè)備及控制系統(tǒng)整改后，生產(chǎn)線采用新芯棒軋制，持續(xù)運(yùn)行沒有再產(chǎn)生類似的芯棒環(huán)形傷，整改費(fèi)用少且完美解決了問題，大幅提高了芯棒的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。電氣系統(tǒng)中增加芯棒躲避功能提升連軋控制水平的方法，值得推廣。