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：產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高；頂管機采用縱軋變形，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10以上，適合生產(chǎn)薄壁鋼管；頂管機采用頂推變形，輥模機架采用被動輥，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)計階梯結(jié)構(gòu)，縮口后毛管緊壓芯棒，避免頂穿，同時可提高金屬收得率；頂管過程中，軋輥是被動的，與連軋工藝相比更易于保證連軋關(guān)系，機架之間的拉鋼小，壁厚比連軋更均勻[1，2，3]。

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

本文主要介紹新冶鋼Φ219 CPE機組關(guān)鍵設(shè)備組成，該機組是目前國內(nèi)最大規(guī)格CPE生產(chǎn)機組，機組裝備水平最先進，設(shè)計年產(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機組的基礎(chǔ)上升級改造的Φ219 CPE機組。

改造內(nèi)容主要包括：拆除原Φ273 ASSEL軋機以及該區(qū)域的配套設(shè)備，改造成新型頂管機組及配套的芯棒循環(huán)系統(tǒng)；改造原有的穿孔機后臺和毛管橫移小車，改造后的穿孔機后臺以及毛管橫移小車可以適用于新的毛管長度；對再加熱爐進行改造，適應(yīng)頂管機生產(chǎn)的荒管長度，利用現(xiàn)有的定徑機；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。

通過對關(guān)鍵主機設(shè)備進行更新，短周期內(nèi)實現(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，成為國內(nèi)最大的CPE頂管機組，提升了產(chǎn)品的競爭力，同時與其他ASSEL機組產(chǎn)品規(guī)格行成互補。

Φ219 CPE機組主要工藝參數(shù)見表1。

表1 Φ219 CPE機組主要工藝參數(shù)

2 Φ219CPE機組設(shè)備組成

2.1 穿孔機

穿孔機組用于將實心管坯穿成空心毛管[4]。

主要設(shè)備組成：進口臺、主機座、主傳動裝置、出口臺一段、出口臺二段等。

主機座由機架裝配、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。主機座是實現(xiàn)管坯由實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)單獨傳動。

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

壓下、壓上裝置分別安裝在上、下橫梁上，各由1臺減速電機帶動兩臺蝸輪減速機傳動兩組絲桿進行調(diào)整，每組調(diào)整機構(gòu)的平衡均采用液壓平衡。

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

主傳動由主電機、主減速機、萬向聯(lián)軸器、接軸支架和底座等組成。主傳動是穿孔機主機工作的動力設(shè)備，位于穿孔機出口側(cè)。每個軋輥分別由一臺電機驅(qū)動；為方便軋輥的更換，萬向接軸設(shè)置了接軸支架和對中裝置，通過接軸支架可將萬向聯(lián)軸器回縮或伸出，實現(xiàn)軋輥接軸離合。

穿孔機主要性能參數(shù)見表2。

表2 穿孔機主要性能參數(shù)

2.2 縮口機

縮口機的工作原理是先將芯棒穿入毛管后再進行縮口，將芯棒前端直徑比芯棒直徑小2～3 mm，形成一個100 mm長的臺階，縮口模設(shè)計成特殊的形狀，縮口時，將毛管端部緊抱在芯棒頭上；頂管咬入時，縮口段要承受前2～3個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，要嚴格控制芯棒初始速度和加速點，使頂推力和加速力分時作用，保證頂管過程順利。這種縮口方式對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可參與變形，提高了成材率[5]。

Φ219 CPE機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，三爪縮口機縮口效果好，結(jié)構(gòu)簡單，?？诟鼡Q便捷。

三爪式縮口機采用杠桿式結(jié)構(gòu)，液壓缸驅(qū)動杠桿實現(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 縮口機三維模型

縮口機主要性能參數(shù)：縮口模3個；縮口力為120t。

2.3 頂管機

頂管機組的工作原理是通過傳動齒條驅(qū)動頂桿，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，達到減徑、減壁、延伸的目的[2]。

頂管機的組成包括：床身、輥模、活動扣瓦、頂管機前臺、主傳動、齒條、齒輪座、頂管機后臺、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，進而實現(xiàn)整體受力，提升機架的剛度及軋制精度。

圖2 床身三維模型

頂管機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：

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）輥模可以整體加工軋輥孔型，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)整機構(gòu)，可調(diào)整輥環(huán)安裝的對中性（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扣瓦段。上扣瓦有液壓缸控制自動開閉，通過更換不同的扣瓦適應(yīng)不同直徑的芯棒。

前臺一段、前臺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行。前臺又是齒條運行的導(dǎo)向機構(gòu)，保證齒條運行平穩(wěn)。頂管前臺設(shè)置有齒條導(dǎo)軌、芯棒導(dǎo)向槽、芯棒扣瓦。

前臺三段為齒條檢修段，當需要檢修齒條時，將齒條從滑道中拉出檢修，便于人工操作。

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

齒條是頂管機組關(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，多點潤滑齒條以提高齒條的使用壽命。

在齒條運行方向，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，實現(xiàn)齒條運行的豎直導(dǎo)向。軌道襯板加工有弧型導(dǎo)向面，實現(xiàn)齒條運行的水平導(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，這些配置使得機組運行更穩(wěn)定、更高效。頂管機主要性能參數(shù)見表3。

表3 頂管機主要性能參數(shù)

2.4 松棒機

松棒機采用四輥式方案，即由兩對雙曲線輥對荒管進行松棒軋制，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[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)過軋制使荒管擴徑3～5 mm，并且使芯棒與荒管內(nèi)壁產(chǎn)生間隙，脫棒機便可以將芯棒從荒管中拔出。

對于不同規(guī)格的荒管，采用工藝程序計算相應(yīng)孔型的設(shè)定參數(shù)，根據(jù)計算好的參數(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，進而調(diào)整松棒機的孔型。

松棒機由2個上松棒輥、2個下松棒輥、機架裝配、上輥調(diào)整裝置、下輥調(diào)整裝置、傳動裝置、換輥裝置等組成（見圖5）。

圖5 松棒機三維模型

機架裝配采用6立柱形式的機架，上下平臺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固定，安裝時拉桿施加一定的預(yù)緊力。由于機架裝配精度直接影響松棒機本體各部件的安裝精度，在松棒機制造過程中，對6個立柱的定位測量采用三坐標測量儀進行檢測，保證了設(shè)備加工及裝配精度。

松棒機上輥調(diào)整裝置具有液壓轉(zhuǎn)角調(diào)整、電動壓下和液壓平衡的功能，可根據(jù)程序自動調(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。每個松棒上輥配置2個平衡液壓缸，用于平衡軋輥及升降平臺等設(shè)備的重量，消除壓下螺絲間隙。下輥安裝在松棒機下平臺上，下輥輥面為軋制基準面，高度方向保持不變，當下松棒輥磨損后，可以通過墊片補償下輥高度，下輥也具有液壓轉(zhuǎn)角自動調(diào)整的功能。

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

松棒機主要性能參數(shù)見表4。

表4 松棒機主要性能參數(shù)

2.5 脫棒機

經(jīng)過松棒機之后，芯棒和荒管之間形成了一定的間隙，進入脫棒工序。脫棒時，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；松棒后運輸過程中，荒管溫度下降，冷卻收縮，荒管對芯棒形成徑向包緊力三部分組成。

機組配置的是二輥式脫棒機，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。

脫棒機牌坊采用分片式加工，通過拉桿將分片機架、機蓋連接在一起，加工簡單，調(diào)整及維護方便，機架整體強度高。

脫棒機上下輥同時傳動，由1臺電機、1臺雙出軸的減速機，經(jīng)萬向聯(lián)軸器同時傳動上下輥。上輥高度調(diào)整采用液壓缸驅(qū)動，可以控制上下輥縫，同時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，上輥可迅速抬起，便于事故處理。下脫棒輥高度調(diào)整通過墊片來實現(xiàn)，當生產(chǎn)使用不同規(guī)格的芯棒時，兩輥之間的輥距可以通過調(diào)節(jié)液壓缸行程、墊片的厚度來實現(xiàn)。

脫棒機主要性能參數(shù)見表5。

表5 脫棒機主要性能參數(shù)

3 設(shè)備研制

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

在關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計過程中全面采用BIM軟件設(shè)計，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。采用三維軟件設(shè)計，結(jié)構(gòu)可視性強；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)自動更新，提高設(shè)計效率，有利于設(shè)備結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化。

同時在設(shè)備研發(fā)過程中，采用先進的有限元計算軟件對輥模、松棒輥等關(guān)鍵部件進行了強度和剛度仿真分析。根據(jù)計算結(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)強度和機架剛度，達到最優(yōu)化設(shè)計（見圖6）。

圖6 頂管機輥模有限元分析結(jié)果

3 結(jié)語

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

Φ219 CPE機組采用新型頂管機，其技術(shù)優(yōu)勢是生產(chǎn)高鋼級中小無縫鋼管，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環(huán)境的污染，完全符合當前低碳經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的要求。