任明杰 徐能惠

(金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，陜西710032)

隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，油田對油管、鉆桿的需求量越來越大，對管材的質(zhì)量要求也越來越高。熱處理是提高管材力學性能的重要手段。為提高鋼管熱處理的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動強度，西安重型機械研究所為國內(nèi)某大型鋼管廠成功研制出一套全自動?219 mm～?533.4 mm鋼管噴淋淬火生產(chǎn)線，并順利投產(chǎn),產(chǎn)品完全符合APISpec5CT標準。本文主要介紹了該生產(chǎn)線的工藝流程和設備的技術特點。

1 生產(chǎn)線主要技術參數(shù)

(1)鋼管外徑：?219 mm～?533.4 mm，壁厚：7.35 mm～57.17 mm , 長度6.0 m～15 m；

(2)單根鋼管最大重量：4 500 kg；

(3)產(chǎn)品鋼號：N80、L80、P110；

(5)最大生產(chǎn)能力：100根/小時；

(6)產(chǎn)量：22萬噸/年。

2 工藝流程

鋼管經(jīng)淬火爐加熱至1 000℃左右后由進料輥道送至待料位，上料裝置將鋼管托到旋轉(zhuǎn)裝置慢速旋轉(zhuǎn)的支撐輪上。安裝在外淋機架上的壓緊裝置迅速壓緊鋼管，接著旋轉(zhuǎn)裝置帶動鋼管快速轉(zhuǎn)動。外淋裝置擋水門抬起，位于鋼管正上方的外淋管向鋼管外表面均勻噴水。同時，安裝在鋼管端頭的內(nèi)噴裝置向鋼管內(nèi)壁噴水。內(nèi)噴水流貫穿整個鋼管，從一端噴入，從另一端噴出。這樣，鋼管在快速旋轉(zhuǎn)的過程中內(nèi)外表面得到均勻淬火。淬火結(jié)束后，壓緊裝置抬起，松開鋼管。同時，外淋裝置擋水門落下，將外淋水導入導水槽，通過管道循環(huán)流回水池。鋼管通過翻料鉤及斜臺架送至步進運輸機接料位。步進運輸機經(jīng)過兩個工作循環(huán)，將鋼管運至空水工位?？账b置將鋼管一端抬起，壓縮空氣吹掉鋼管內(nèi)殘余水分。步進運輸機再將鋼管運至出料輥道上，完成全部淬火過程。出料輥道將鋼管送入回火爐。

3 設備結(jié)構及特點

3.1 進料輥道

進料輥道由多個輥道、定位擋板及檢測裝置組成。輥道之間間距1.8 m。每個輥道主要由一個V形輥、一臺電機減速機、兩個軸承座和一個支架組成。V形輥中心線與鋼管軸線呈84°夾角，如圖1所示。輥子旋轉(zhuǎn)帶動鋼管軸向前進的同時其徑向摩擦力使鋼管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，避免紅熱的鋼管一側(cè)向下，因自重產(chǎn)生彎曲變形。相同轉(zhuǎn)速的V形輥對不同直徑鋼管的送進速度不同，鋼管直徑大，送進速度快，鋼管直徑小，送進速度慢。減速機通過變頻調(diào)速，使不同直徑的鋼管均能夠達到合理的送進速度。定位擋板前設有檢測裝置，當鋼管接近定位板時，檢測裝置發(fā)出訊息，輥道轉(zhuǎn)速降低，鋼管減速并緩慢接近定位擋板，防止產(chǎn)生劇烈撞擊損壞鋼管端面。

1—V形輥 2—軸承座 3—支架4—電極減速機 5—鋼管

3.2 上料裝置

上料裝置的作用是將紅熱的鋼管從進料輥道托到旋轉(zhuǎn)裝置的支撐輪上。該裝置采用斯惠頓杠桿原理設計，主要由電機減速機(圖中未示出)、一個主軸、數(shù)個間距為1.8 m的擺臂組成。擺臂的數(shù)量視鋼管的長度而定。每個擺臂由V形塊、轉(zhuǎn)軸、等直徑的固定鏈輪和活動鏈輪、鏈條及拉桿組成，如圖2所示。V形塊和活動鏈輪通過鍵聯(lián)接固定在轉(zhuǎn)軸上，與擺臂鉸接。擺臂通過鍵聯(lián)接固定在主軸上。固定鏈輪內(nèi)嵌軸瓦，與主傳動軸之間為滑動配合，并通過拉桿固定在支座上。固定鏈輪和活動鏈輪之間由鏈條相連接。上料裝置工作時，電機減速機帶動主軸擺臂旋轉(zhuǎn)。假設其角速度為ω，則V形塊隨同擺臂旋轉(zhuǎn)的牽連速度為ω。拉桿將固定鏈輪連接在機架上，固定鏈輪相對擺臂的速度為(-ω)，活動鏈輪與固定鏈輪等直徑，相對擺臂的轉(zhuǎn)速相等，活動鏈輪和V形塊相對擺臂的角速度同為(-ω)。這樣，V形塊的合成角速度的代數(shù)和為零，只有平動而沒有轉(zhuǎn)動。所以不論擺臂轉(zhuǎn)到任何角度，V形塊的開口始終朝上，保證鋼管不會滑落。減速機輸入軸上安裝塊式制動器， V形塊處于接料位時，制動器合閘將主軸制動。為平衡鋼管重量，減輕電機負載，降低主軸扭矩，擺臂的另一端增加配重。驅(qū)動電機采用變頻調(diào)速，以適應工作節(jié)拍的變化。主軸端部裝有光電編碼器，通過PLC按設定程序使上料裝置接料和放料時慢速，其余時段快速，實現(xiàn)輕拿輕放，避免損傷鋼管表面。

馮建寧充分認識到科學技術的重要性，自2014年起連續(xù)2年參加了縣農(nóng)廣校舉辦的新型職業(yè)農(nóng)民培訓，并于2015年參加了現(xiàn)代青年農(nóng)場主培訓，同年11月，馮建寧作為全省新型職業(yè)農(nóng)民代表帶著自己發(fā)明的專利產(chǎn)品“核桃樹防護貼”，參加了第四屆中國國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會。

3.3 旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)裝置主要由電機減速機、傳動軸、多個成對支撐輪、鏈輪、鏈條及支架組成，如圖3所示。支撐輪間距1.6 m。電機減速機通過一根傳動軸由鏈條同步驅(qū)動每一對支撐輪轉(zhuǎn)動，保證各支撐輪等速同步旋轉(zhuǎn)。淬火過程中，支撐輪帶動鋼管快速旋轉(zhuǎn)，最大限度地使鋼管各部分得到均勻冷卻。電機采用變頻調(diào)速，以調(diào)整不同規(guī)格鋼管的轉(zhuǎn)速，得到最佳的淬火效果。鏈條處于間斷水淋和高溫環(huán)境中，潤滑條件非常差，因此設計時采用不銹鋼鏈條，大大延長了鏈條的使用壽命。待料過程中，支撐輪轉(zhuǎn)速減緩，節(jié)省能耗。為消除鋼管旋轉(zhuǎn)時端頭的甩尾現(xiàn)象，設置可軸向移動的輔助支撐輪，以適應不同長度的鋼管。旋轉(zhuǎn)裝置安裝時要求支撐輪與鋼管軸線垂直，防止鋼管旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生軸向竄動。

1—鋼管 2—V形塊 3—轉(zhuǎn)軸 4—活動鏈輪5—擺臂 6—鏈條 7—主軸 8—固定鏈輪9—拉桿 10—配重

1—機架 2—油缸 3— 一級管 4—分流管 5—閘閥 6—噴淋管 7—擋水門 8—二級管9—油缸 10—導水槽 11—壓緊裝置12—鋼管 13—旋轉(zhuǎn)裝置

3.4 壓緊裝置

壓緊裝置安裝在外淋機架上，其位置與旋轉(zhuǎn)裝置支撐輪對應，由油缸、連桿和壓輪組成，如圖3所示。鋼管被送到旋轉(zhuǎn)裝置后，油缸驅(qū)動連桿壓下，由安裝在連桿端部的兩個壓輪壓緊鋼管，使鋼管在快速旋轉(zhuǎn)的過程中不會被甩出，同時增加鋼管與支撐輪間的摩擦力，支撐輪快速旋轉(zhuǎn)時不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。淬火結(jié)束后，壓輪抬起，翻料鉤將鋼管翻到斜臺架上，鋼管靠重力滾至步進運輸機接料位?？紤]到壓輪在高溫和有水的環(huán)境下工作，其潤滑比較困難，壓輪選用銅基自潤滑軸承。油缸壓力由比例減壓閥控制，以適應不同規(guī)格的鋼管，防止將薄壁鋼管壓變形。調(diào)整節(jié)流閥使壓輪慢速壓下，快速抬起，避免撞傷鋼管表面。由于壓輪會擋住上方外淋水，使鋼管與壓輪接觸處冷卻不充分，將壓輪外圓設計成鼓形與鋼管表面呈線接觸，最大限度的減少對外淋水的影響。

3.5 外淋裝置

外淋裝置主要由機架、一級管、分流管、二級管、外淋管、擋水門、導水槽、手動閘閥、電動蝶閥、壓力傳感器和流量計組成，如圖3所示。外淋裝置是該生產(chǎn)線的主要設備?？紤]到機架跨度18 m，設計采用平行桁架結(jié)構，由H型鋼焊接而成，具有強度高、剛性好和重量輕的特點。整個桁架由四根立柱支撐，鋼管在機架下側(cè)進側(cè)出。一級管總長19 m，通過管夾固定在機架上，其末端由法蘭蓋封死，一側(cè)均勻連接8個分流管，每個分流管連接1個二級管，每個二級管上有51個噴淋管，分流管上安裝手動閘閥。408個噴淋管均勻分布于鋼管正上方，總長度15.35 m，能夠滿足最長15 m鋼管的淬火要求。外淋水經(jīng)過供水管道和電動蝶閥首先進入一級管，由一級管進入各個分流管、再由分流管進入二級管，通過焊接在二級管上的噴淋管噴出。調(diào)整分流管上的手動閘閥使每個二級管的水壓一致，保證所有外淋管出水的均勻性，避免鋼管因冷卻速度不勻而出現(xiàn)彎曲。噴淋管彎曲圓弧最高點略高于一級管的最高點，這樣設備需要停機時，關掉供水管道上的電動蝶閥，噴淋管噴水迅速停止。擋水門由鋼板和型鋼拼焊而成，其寬度略大于408個噴淋管的寬度，由安裝在機架頂部的油缸驅(qū)動而上下擺動，對外淋水起分流作用：水不間斷的從外淋管噴出，當料被送到旋轉(zhuǎn)裝置上時，擋水門抬起，水迅速噴淋到快速旋轉(zhuǎn)的紅熱鋼管上，淬火結(jié)束后，擋水門落下，將水導入水槽，經(jīng)管道流回蓄水池再重新利用。

3.6 內(nèi)噴裝置

內(nèi)噴裝置主要由一組噴嘴和液動三通閥組成，與外淋裝置同步動作對鋼管進行淬火。內(nèi)噴水經(jīng)管道首先進入三通閥分流：淬火時，三通閥閥芯抬起，水進入內(nèi)噴管道，從內(nèi)噴噴嘴噴出，對鋼管內(nèi)表面淬火；淬火完成后，三通閥閥芯落下，水進入回水管道，排回蓄水池。三通閥由油缸驅(qū)動，比例閥控制，具有開啟時間短、流量大和沖擊小的特點。由于不同管徑的鋼管在旋轉(zhuǎn)裝置支撐輪上的中心高不同，所以噴嘴采用錐形偏心結(jié)構，使噴嘴口部與鋼管同心。出口為圓柱形直端，內(nèi)噴水呈柱狀噴出。噴嘴口徑根據(jù)鋼管內(nèi)徑確定，一般比鋼管內(nèi)徑小10 mm～20 mm。

3.7 步進運輸機及固定支架

步進運輸機主要由液壓馬達、油缸、齒輪齒條、步進梁、支座、傳動軸及連桿組成。步進梁包括固定梁和活動梁，活動梁通過滾輪在固定梁上滑動。固定梁和連桿組成四連桿機構，由油缸驅(qū)動，完成上升、下降動作。液壓馬達、傳動軸、齒輪齒條組成平移機構，驅(qū)動活動梁前進后退。步進機在油缸和液壓馬達的驅(qū)動下完成上升、前進、下降、后退動作。步進運輸機每一個工作循環(huán)使鋼管前進一個工位，鋼管從空水工位一步步前進，經(jīng)過兩組固定支架后運至回火爐入爐輥道。每組固定支架傾斜一定角度，使鋼管在固定支架上停留的時間內(nèi)可以倒掉管內(nèi)存水。

3.8 空水裝置

空水裝置的作用是清理淬火后鋼管內(nèi)存留的水分，主要由支架、油缸、V形塊、壓縮空氣噴嘴和氣閥組成。鋼管被輸送到空水工位后，油缸驅(qū)動V形塊將鋼管一端抬起，使鋼管傾斜，同時，氣閥打開，向管內(nèi)吹入壓縮空氣，空干管內(nèi)的水分。

3.9 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)為淬火提供冷卻水，主要由蓄水池、外淋泵、內(nèi)噴泵、補水泵、過濾器、電動蝶閥、手動閘閥及管道法蘭等組成。水泵安裝在地下室，其吸口低于蓄水水面，泵啟動前不必人工灌水，而且節(jié)省空間，降低噪音。蓄水池安裝水位報警裝置，當水位低于最低液位時，補水泵自動給蓄水池補水。系統(tǒng)管道將沒有參與淬火的水回收到蓄水池，提高了水的利用率。

3.10 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由油箱、恒壓變量泵、泵頭閥、控制閥、冷卻、過濾循環(huán)裝置以及管道、法蘭組成。系統(tǒng)采用恒壓變量泵供油，通過節(jié)流閥來確定進入執(zhí)行元件的流量，并使變量泵輸出的流量與執(zhí)行元件所需的流量自相適應。這種調(diào)速沒有溢流損失，效率高，速度穩(wěn)定。

4 結(jié)語

?219 mm～?533.4 mm鋼管噴淋淬火生產(chǎn)線自投產(chǎn)兩年多以來，設備運行穩(wěn)定可靠，為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。在此基礎上，其它規(guī)格的鋼管淬火生產(chǎn)線也相繼開發(fā)成功，裝備了我國許多鋼廠，大大提高了我國鋼管熱處理能力。