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有限公司做工廠設計，主軋線設備由德國梅爾公司、意大利因西設計制造，設計能力為年產無縫鋼管50萬噸。自投產半年時間里，生產Φ377～508mm 規格鋼管共3.8萬噸，產品質量優良。

二、產品規格和主要品種

1. 產品規格

  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、結構管等。

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→人工內外表面檢查→噴標→收集入庫。

  三個變形主機由帶管坯預旋轉的錐形輥導板式穿孔機、5機架PQF限動芯棒連軋管機、12架單獨傳動的定徑機組成，三大主機本體設備都由德國MEER公司設計制造，主機設備前后臺連線設備由中冶京誠工程技術有限公司設計，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-CARTA系統、嚴格的質量控制系統-QAS系統、物料跟蹤系統（MTS）以及在線檢測系統等工藝控制技術，從而確保了熱軋大口徑無縫鋼管生產的工藝先進性及穩定性。

四、主要工藝設備及性能特點

  1. 環形加熱爐

  環形爐由LOI天津公司設計及制作，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段為預熱段，第3～5段為加熱段，第6～7段為均熱段；其中預熱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，環形爐采用全自動、先進、可靠的熱工控制系統測量和控制爐子的熱工過程，可根據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。

 環形加熱爐主要參數包括：

   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；

   最大裝出料節奏：90p/h。

 2. 錐形輥穿孔機

   該機組采用導板式錐形輥立式穿孔機，在18in PQF機組基礎上，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，減少了導盤傳動系統，減小了牌坊的尺寸，降低了設備投資。

  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，在前臺設置了管坯預旋轉裝置，見圖6-17，大管坯在推鋼機推入軋輥前在預旋轉的驅動下旋轉起來，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、頂頭采用內部循環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到頂頭工作段的內腔，在軋制及間歇不管頂桿在什么位置，都能通過內部循環水對頂頭快速冷卻；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為本機組頂頭結構，圖6-19（b）為原18in頂頭結構），頂頭由原來的實心體改為空腔體，以至于內部冷卻水能一直貫通整個頂頭的內腔，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；

   主電機最大轉速：354r／min；

   氣霧冷卻系統：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，優點是隧道式筒形牌坊剛度及強度好，傳動布置緊湊，軋制穩定性好。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，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整也可以單獨調整，即采用了輥縫自動控制系統（HCCS），從而保證了軋制質量，另外，該連軋管機在生產過程中采用了工藝過程控制系統（PSS），實現了溫度補償、咬入沖擊控制、錐形芯棒伺服和頭尾削尖等功能。

  由于該機組軋制節奏較慢（最快40s／支），只有在線穿芯棒方式，不設預穿線，減少了芯棒在線數量，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，節省了設備投資。

 連軋機主要參數包括：

   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動，機架采用傘齒輪內傳動結構，在機架外有一根傳動軸通過聯軸器與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置了高壓水除鱗裝置，提高鋼管的外表面質量，延長軋輥壽命。

定徑機主要參數包括：

  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；

  電機轉速：200～600／1200r／min。

五、機組工藝控制系統和質量保證系統

   PQF三輥連軋管機組數量的不斷增多，使得PQF連軋管機的工藝控制系統和質量保證系統不斷提高完善，從而保證了更好的產品質量，更高的成材率和設備利用率以及較低的工具消耗。整個機組的過程管理系統包括通常所說的MTS系統、HCCS系統、PSS系統等在內的CARTA系統以及QAS系統兩大部分組成。整個熱軋線的CARTA系統是用來生產計劃及生產管理的工藝控制系統，由穿孔機CARTA系統、PQF軋管機CARTA系統及定徑機CARTA系統三部分組成，其中PQF軋管CARTA是核心部分，穿孔機CARTA系統主要是工藝參數設定、頂頭導板軋輥等軋制工具設計等內容；張減機CARTA系統主要是孔型設計、工藝參數設定等內容。QAS系統是用于熱軋線質量控制的檢測系統。

六、在線檢測質量保證系統QAS

   QAS是一個在線獨立工作站，通過對物料的跟蹤檢測，對數據進行收集分析和存儲，并將分析的結果及時反饋給CARTA系統以實施對物料的控制，保證鋼管質量。QAS檢測的具體內容包括：管坯稱重以控制坯料超重，實現坯料跟蹤；環形爐出口測溫以優化管坯加熱，滿足穿孔及連軋工藝要求，確保鋼管質量；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，確保鋼管內表面質量和芯棒使用壽命；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：對于環形爐，大口徑厚壁管生產時降低了坯料的長度，設計中減少了環形爐的中徑，在環形爐建設中減少了近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，針對大機組節奏較慢（最快40s以上）的特點，為提高設備的運行穩定性，增加頂桿上下料小車，實現頂桿的在線循環，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，這樣減少了換規格過程的設備調整時間，改進后還避免生產過程中在線頂頭安裝不上出現無頂頭軋制工藝事故，節省了頂桿消耗和工藝事故擴大化造成的機械故障，節省工具費用同時提高了作業率。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（見圖6-19），設計時增加了內水冷的水壓，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，根據頂頭規格和溫度調整噴吹壓力和時間，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。該機組頂頭內外水冷的方式，從近半年生產統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，連軋機組增加短管模式，設計中連軋機與脫管機間距為11.5m，在生產短于11.5m大口徑超厚壁管時，開發連軋的短管模式，在設計過程中考慮實現最短8m管生產，脫管電機選型時保證低速性能穩定，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荒管和芯棒脫開。

 5. 為保證大口徑薄壁管表面質量，移送設備創新結構，做到輕拿輕放

    為保證大口徑薄壁管表面質量，防止鋼管在移送過程出現嗑傷及劃痕現象，本機組的毛管橫移機構及脫管后橫移鏈撥料機構都進行改進創新。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）在撥料滾動中出現的嗑傷和劃痕，天淮ф508mm機組在此進行了改進創新，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，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構應用較多，進一步提高了大口徑薄壁管的表面質量。

八、結論

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

  1. 在吸收以往的MPM和PQF機組經驗的基礎上，采用8200kW大功率穿孔機加大了穿孔機的變形量，減小了后續工序變形，穿孔機的延伸系數最大能夠達到4.7。并設計減小了穿孔毛管與連軋芯棒之間的間隙，因此更有利于生產薄壁管和高合金管，已成功生產的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個壁厚數據。由圖表可知鋼管各斷面的壁厚偏差率都在±8％以內。

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

  3. 穿孔機組頂頭增加了內水冷并設計外水冷裝置，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。

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

  5. 設計開發了輕拿輕放的鋼管移送機構，避免了大口徑薄壁管移送過程出現磕碰和劃傷，提高了薄壁管產品的一次合格率。