一、基本情況
江蘇天淮鋼管有限公司φ508mm（20in）PQF連軋管機(jī)組，是目前全球最大口徑的三輥式連軋管機(jī)組，2012年5月28日熱負(fù)荷試車成功。該機(jī)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(jī)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(jī)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(biāo)→收集入庫。
三個變形主機(jī)由帶管坯預(yù)旋轉(zhuǎn)的錐形輥導(dǎo)板式穿孔機(jī)、5機(jī)架PQF限動芯棒連軋管機(jī)、12架單獨傳動的定徑機(jī)組成，三大主機(jī)本體設(shè)備都由德國MEER公司設(shè)計制造，主機(jī)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(jī)器制造有限公司制造。φ508PQF機(jī)組采用更為完善的先進(jìn)工藝控制系統(tǒng)-CARTA系統(tǒng)、嚴(yán)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(jìn)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(jìn)、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(zhǔn)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(jī)
該機(jī)組采用導(dǎo)板式錐形輥立式穿孔機(jī)，在18in PQF機(jī)組基礎(chǔ)上，穿孔輥直徑從1500mm增大到1700mm，電機(jī)功率從6500kW2臺增加到8200kW×2臺，提高穿孔機(jī)的變形能力，減少連軋機(jī)的變形負(fù)荷；采用導(dǎo)板式主要目的是穿孔機(jī)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(jī)組采用的管坯直徑（Φ310mm、ф380mm、Φ450mm、φ500mm）比18in機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)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(jìn)入有外部氣霧冷卻箱對頂頭進(jìn)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(jī)組基礎(chǔ)上頂頭冷卻形式做了很大改進(jìn)，見圖6-19（其中，圖6-19為本機(jī)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(jī)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(jī)前臺。
穿孔機(jī)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(jī)功率：8200kW×2臺；
主電機(jī)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(jī)
本機(jī)組PQF連軋管機(jī)為5機(jī)架的軸向換輥連軋管機(jī)見圖6-20，優(yōu)點是隧道式筒形牌坊剛度及強(qiáng)度好，傳動布置緊湊，軋制穩(wěn)定性好。每架軋機(jī)的三個互成120°的軋輥安裝在獨立的軋制單元一軋輥小機(jī)架內(nèi)，安裝在隧道上的伺服液壓小倉，可以對軋輥輥縫進(jìn)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(jī)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(bǔ)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(jī)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(jī)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(jī)功率：1～4號機(jī)架各3×1000kW，5機(jī)架為3×500kW；
限動力：2900kN；
限動電機(jī)功率：500kW×6臺；
限動最大前進(jìn)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(jī)
采用12架三輥式定徑機(jī)，見圖6-21，每架都有一臺電機(jī)驅(qū)動，機(jī)架采用傘齒輪內(nèi)傳動結(jié)構(gòu)，在機(jī)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(jī)前后排上下兩層排列，整個定徑機(jī)布置緊湊。該機(jī)組在定徑機(jī)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(jī)主要參數(shù)包括：
軋輥名義直徑：φ1000mm；
機(jī)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(jī)功率：350kW×12臺；
電機(jī)轉(zhuǎn)速：200～600／1200r／min。
五、機(jī)組工藝控制系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)
PQF三輥連軋管機(jī)組數(shù)量的不斷增多，使得PQF連軋管機(jī)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(jī)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(jī)CARTA系統(tǒng)、PQF軋管機(jī)CARTA系統(tǒng)及定徑機(jī)CARTA系統(tǒng)三部分組成，其中PQF軋管CARTA是核心部分，穿孔機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)組特點
1. 增大管坯直徑，降低穿孔的擴(kuò)徑率，提高毛管的幾何尺寸精度
與相近機(jī)組相比（如表6-11所示），該機(jī)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(jī)而言，管坯外徑增大了，但毛管的幾何尺寸和同類機(jī)組一樣，這樣毛管的擴(kuò)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(jī)采用新型的頂桿頂頭連接形式和更換方式
與φ460機(jī)組相比，天淮508機(jī)組穿孔后臺二段形式徹底改進(jìn)，針對大機(jī)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(jī)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(jìn)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(kuò)大化造成的機(jī)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(zhǔn)備好新孔型的頂桿，10min 內(nèi)完成穿孔機(jī)組的頂桿更換，較同類型機(jī)組穿孔孔型更換時換頂桿節(jié)省近90％的時間。
3. 改進(jìn)了穿孔機(jī)組頂頭的冷卻方式
天淮φ508機(jī)組穿孔頂頭的冷卻方式增加了頂頭的內(nèi)水冷并改進(jìn)了外水冷方式，該機(jī)組冷卻水能直接到達(dá)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(jī)組的8bar增加到12bar，提高了冷卻速率。改進(jìn)了外水冷的形式，在同類穿孔機(jī)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(jī)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(dá)到450支（個別達(dá)到900支）以上，頂頭平均壽命是其他同類機(jī)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(jī)組增加短管模式，設(shè)計中連軋機(jī)與脫管機(jī)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(jī)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(jìn)脫管機(jī)，這時脫管機(jī)的線速度和限動速度一致，咬入后脫管機(jī)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(jī)組的毛管橫移機(jī)構(gòu)及脫管后橫移鏈撥料機(jī)構(gòu)都進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。在ф460mm機(jī)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(jìn)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(jī)組在此進(jìn)行了改進(jìn)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(jī)組在脫管機(jī)后橫移鏈冷床入口撥料采用了撥料防護(hù)機(jī)構(gòu)，見圖6-23，當(dāng)鏈床的撥料臂抬起過程中附帶在撥料臂上的防護(hù)板也隨之升起以保護(hù)鋼管防止在撥料盤上嗑傷，當(dāng)撥料臂落下時反向連桿機(jī)構(gòu)使防護(hù)板也落下，將鋼管慢慢放下，從而避免了在以前18in機(jī)組上薄臂管總在小冷床入口嗑傷的后果。在天淮φ508mm機(jī)組中，類似以上保護(hù)措施及結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，進(jìn)一步提高了大口徑薄壁管的表面質(zhì)量。
八、結(jié)論
Φ508mmPQF機(jī)組是當(dāng)今世界上最大的熱連軋管生產(chǎn)機(jī)組，擁有了世界上最先進(jìn)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(jī)組的不足之處和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了重大改進(jìn)，創(chuàng)新了5項技術(shù)：
1. 在吸收以往的MPM和PQF機(jī)組經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用8200kW大功率穿孔機(jī)加大了穿孔機(jī)的變形量，減小了后續(xù)工序變形，穿孔機(jī)的延伸系數(shù)最大能夠達(dá)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(dá)到56。同時最大限度地消除了PQF軋機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組提供了改進(jìn)技術(shù)。
4. 連軋機(jī)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(kuò)大了該機(jī)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(jī)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。
