孫世忠，管學(xué)聰，丁宏鈞，馬紹輝

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

PQF連軋管機(jī)的厚壁超短管軋制工藝技術(shù)開發(fā)

孫世忠，管學(xué)聰，丁宏鈞，馬紹輝

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

通過優(yōu)化PQF連軋管工藝，解決了厚壁超短管軋制時存在的問題，重點介紹了制約生產(chǎn)的關(guān)鍵要素——芯棒限動速度和脫管機(jī)軋制速度優(yōu)化匹配的問題，提出了電氣控制增加限動齒條返回延時的措施，實現(xiàn)了脫管機(jī)軋制過程扭矩平穩(wěn)，滿足連軋區(qū)域的自動化生產(chǎn)。通過現(xiàn)場生產(chǎn)，鋼管幾何尺寸精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品成材率達(dá)到機(jī)組設(shè)計水平。

PQF連軋管機(jī)；厚壁超短管；芯棒限動速度；脫管機(jī)扭矩

目前，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司投建了Φ168 mm、Φ258 mm、Φ460 mm和Φ508 mm共計4套PQF連軋管機(jī)組，其工作機(jī)架孔型是由3個軋輥組成的連軋軋制孔型，有利于軋件的均勻變形和軋輥的均勻磨損，提高了產(chǎn)品的壁厚精度和表面質(zhì)量［1-12］。近幾年隨著鋼管行業(yè)形勢的日趨嚴(yán)峻，以及客戶所需產(chǎn)品規(guī)格范圍廣、幾何尺寸精度要求高，為滿足客戶對壁厚和交貨長度不同的產(chǎn)品需求，特別是生產(chǎn)厚壁超短管時，由于環(huán)形爐爐膛寬度對管坯長度和穿孔機(jī)組軋制毛管最大長度的限制，出現(xiàn)連軋后的荒管長度小于連軋管機(jī)與脫管機(jī)之間的巷道長度的問題。本文以5機(jī)架Φ460 mm PQF限動芯棒連軋管機(jī)組軋制Φ367.0 mm×46.85 mm×10.9 m荒管生產(chǎn)過程為例，通過工藝優(yōu)化解決連軋管機(jī)組生產(chǎn)厚壁超短管時存在的各類問題，以期對其他機(jī)組生產(chǎn)起到一定借鑒作用。

1 厚壁超短管軋制工藝流程及現(xiàn)狀

1.1 連軋管機(jī)正常軋制芯棒限動工藝流程

連軋管機(jī)正常軋制芯棒限動工藝流程［13］：毛管運輸裝置將噴好硼砂后的毛管運到連軋管機(jī)入口支承輥上，限動齒條將涂過石墨潤滑劑的芯棒高速插入毛管中，芯棒前端達(dá)到軋機(jī)預(yù)設(shè)定位置時，夾送輥將毛管送入連軋管機(jī)進(jìn)行軋制，這時芯棒以設(shè)定限動速度前進(jìn)，連軋管機(jī)最后1個機(jī)架拋鋼前，荒管頭部已到達(dá)脫管機(jī)第1機(jī)架內(nèi)，當(dāng)荒管尾部經(jīng)過連軋管機(jī)后熱金屬檢測器時，限動齒條經(jīng)一個延時后開始減速至停止，再經(jīng)過一固定延時后限動齒條加速返回連軋管機(jī)入口，此支芯棒翻出軋線，同時下一支芯棒翻入軋線，等待下一支毛管軋制［14］。

1.2 生產(chǎn)厚壁超短管存在的問題

連軋管機(jī)最后1個機(jī)架與脫管機(jī)第1個機(jī)架間距為12 m，當(dāng)連軋管機(jī)后荒管長度短于此長度時，限動工藝選用短管模式：毛管運輸裝置將噴好硼砂后的毛管運到連軋管機(jī)入口支承輥上，限動齒條將涂過石墨潤滑劑的芯棒高速插入毛管中，芯棒前端達(dá)到軋機(jī)預(yù)設(shè)定位置時，夾送輥將毛管送入連軋管機(jī)進(jìn)行軋制，這時芯棒以設(shè)定限動速度前進(jìn)，因荒管長度小于巷道長度，連軋管機(jī)最后1個機(jī)架拋鋼時，荒管頭端未到達(dá)脫管機(jī)第1個機(jī)架，為實現(xiàn)脫管機(jī)咬鋼，限動齒條需繼續(xù)以設(shè)定限動速度前進(jìn)，將抱在芯棒上的荒管送入脫管機(jī)，當(dāng)限動齒條到達(dá)最大行程時停止，經(jīng)過一固定延時后限動齒條加速返回，此支芯棒翻出軋線，同時下一支芯棒翻入軋線，等待下一支毛管軋制。

軋制Φ367.0 mm×46.85 mm厚壁超短管的主要工藝變形參數(shù)見表1。

表1 軋制Φ367.0 mm×46.85 mm厚壁超短管的主要工藝變形參數(shù)

圖1 芯棒（限動速度偏高）限動位置與脫管機(jī)扭矩示意

由表1可見，超短管軋制工藝荒管長度小于廠家設(shè)計的短管長度，雖然管坯長度未達(dá)到設(shè)計上限，但考慮鋼管切頭尾率最低，將管坯長度定尺在最佳長度，按照廠家設(shè)計的短管模式生產(chǎn)時，軋制過程中出現(xiàn)了脫管機(jī)扭矩大、電氣程序保護(hù)脫管機(jī)電機(jī)跳停、荒管未完全脫棒時限動齒條拖動芯棒返回造成工藝抱棒［15］、脫管機(jī)軋輥傳動軸安全銷斷裂等故障，造成生產(chǎn)中斷。通過連軋管機(jī)PSS（Process Supervisor System）系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)分析，影響正常軋制的主要因素有：

（1）芯棒限動速度。芯棒限動速度設(shè)定偏高，在脫管機(jī)第3機(jī)架咬鋼時，限動齒條到達(dá)最大行程，芯棒停止前進(jìn)，脫管機(jī)扭矩迅速增加到設(shè)定極限值，經(jīng)過延時后脫管機(jī)電機(jī)跳停并且連軋區(qū)域主電機(jī)電氣程序連鎖跳電，荒管軋制終止，造成抱棒。芯棒（限動速度偏高）限動位置與脫管機(jī)扭矩如圖1所示。

（2）脫管機(jī)軋制速度。該機(jī)組設(shè)計方提供連軋數(shù)模為選用短管軋制模式時脫管機(jī)出口速度與芯棒限動速度一致，脫管機(jī)軋制速度慢，軋制時間延長，荒管溫降大，脫棒力增大，電機(jī)扭矩升高。試軋時，將連軋管機(jī)出口速度設(shè)定為1 700 mm/s，芯棒限動速度V限與脫管機(jī)速度V脫設(shè)定為710 mm/s，脫管機(jī)軋制時間為：（∑L1～3脫+L荒脫）/V脫≈18.8（s）。其中，∑L1～3脫為脫管機(jī)1～3機(jī)架中心線距離，為2 000 mm；L荒脫為脫管機(jī)后荒管長度，mm。

（3）芯棒返回延時。軋制的超短管壁厚較厚，管坯單個質(zhì)量接近機(jī)組設(shè)計上限，為降低鋼管對設(shè)備的載荷沖擊，一般要求軋件運行速度較慢，鋼管由連軋拋鋼到脫管機(jī)脫棒結(jié)束時間延長，原設(shè)計芯棒返回延時時間較短，荒管未完全脫棒前芯棒帶動荒管返回，脫管機(jī)扭矩驟然增加，有時甚至造成安全銷斷裂故障，因此需在限動齒條運行至最大行程后適當(dāng)增加電氣控制以延時。

2 優(yōu)化超短管軋制工藝

2.1 設(shè)定合理的芯棒限動速度

采用較低的限動速度，縮短連軋后荒管在芯棒上的長度，從而減小荒管與芯棒間的摩擦力，有利于脫管機(jī)脫棒。芯棒限動速度的設(shè)定應(yīng)滿足以下位置條件［15］，芯棒位置如圖2所示。

圖2 芯棒位置示意

（1）第5機(jī)架開軋時，芯棒工作前端應(yīng)先于荒管前端到達(dá)第5機(jī)架，芯棒位移距離Sn：

式中Δl1——安全余量，mm。

（2）第1機(jī)架開軋時，芯棒端部的位置應(yīng)滿足：

式中S1——芯棒工作前端面至第5機(jī)架中心線

距離，mm；

TF——機(jī)架全充滿時間，s；

t1——毛管由連軋管機(jī)入口對齊喂入到第1

機(jī)架的時間，s；

L加——芯棒前端面超出第n架安全余量，

mm。

（3）第1機(jī)架拋鋼時，芯棒端部的位置應(yīng)保證整根荒管在芯棒工作段上軋制。

式中S2——芯棒工作段尾端面至第1機(jī)架中心線距離，mm；

Lw——芯棒全長，mm；

l2——芯棒尾端連接長度，mm；

L——連軋管機(jī)架全長，mm；

T軋——鋼管在連軋管機(jī)上的軋制時間，s。

（4）限動結(jié)束時，應(yīng)保證芯棒不得進(jìn)入脫管機(jī)安全區(qū)。

式中S3——芯棒工作前端面至第5機(jī)架中心線距離，mm；

L減——限動裝置由限動速度減速到停止時行程，mm；

L附——附加安全余量，mm。

芯棒位置和限動速度的確定應(yīng)滿足下述3個條件［2］：

式中ND——限動機(jī)構(gòu)工位數(shù)；

C——限動機(jī)構(gòu)每個工位變動距離，mm；

Δl2——芯棒尾端安全余量，mm；

ΔL坯——管坯單個質(zhì)量超差安全余量，mm；

V1、V0——連軋管機(jī)第1機(jī)架出口、入口速度，mm/s。

2.2 脫管機(jī)軋制速度與限動速度匹配設(shè)定

脫管機(jī)速度設(shè)定應(yīng)保持脫管機(jī)扭矩曲線平穩(wěn)，軋制過程中速度慢、溫降大，不利于脫棒，若慢于芯棒限動速度會阻止芯棒向前運行，易造成芯棒折斷；若快于連軋出口速度，易出現(xiàn)脫管機(jī)軋輥打滑的情況，影響順利脫棒。為避免試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，理想的狀態(tài)是荒管脫離芯棒時限動齒條正好到達(dá)最大行程，即：

式中S0——限動向前最大行程時芯棒前端面距連軋管機(jī)第5機(jī)架中心線距離，為10 000 mm；

L荒——連軋管機(jī)后荒管長度，mm；

μ脫——脫管機(jī)延伸系數(shù)。

生產(chǎn)時連軋出口速度與試生產(chǎn)一致，為1 700 mm/s，脫管機(jī)軋制速度由710 mm/s加快至1 500 mm/s，由公式（5）可得V限≤585 mm/s。

限動速度設(shè)定為580 mm/s時脫管機(jī)第1機(jī)架咬鋼前芯棒上荒管長度縮短850 mm，脫管機(jī)軋制時間減少了近10 s，數(shù)據(jù)采集曲線正常，軋制順利，芯棒（限動速度580 mm/s）限動位置與脫管機(jī)扭矩曲線如圖3所示。

圖3 芯棒（限動速度580 mm/s）限動位置與脫管機(jī)扭矩

2.3 增加芯棒返回延時

生產(chǎn)前正確輸入工藝設(shè)定參數(shù)，開軋第1支時密切關(guān)注芯棒返回時間，避免荒管未脫離芯棒時限動返回造成的脫管機(jī)扭矩增加現(xiàn)象，考慮管坯長度偏長誤差或連軋管機(jī)毛管咬入滯后時的安全余量。根據(jù)脫管機(jī)扭矩曲線設(shè)定合理的芯棒返回延時時間，既要保證生產(chǎn)順行，又要考慮生產(chǎn)節(jié)奏，提高生產(chǎn)作業(yè)率。

3 實施效果

根據(jù)芯棒限動速度和脫管機(jī)軋制速度匹配計算結(jié)果設(shè)定芯棒速度和脫管機(jī)速度，軋制過程中脫管機(jī)扭矩平穩(wěn)，未出現(xiàn)超出設(shè)定極值現(xiàn)象，改進(jìn)工藝數(shù)模后軋制了多種規(guī)格鋼管，未出現(xiàn)工藝抱棒和電機(jī)保護(hù)跳停故障，提高了生產(chǎn)作業(yè)率和產(chǎn)品成材率。鋼管生產(chǎn)規(guī)格見表2。

表2 鋼管生產(chǎn)規(guī)格

限動裝置運行至最大行程后，延長原設(shè)計限動返回等待時間，消除了扭矩突然增加現(xiàn)象，避免了因電氣程序保護(hù)脫管機(jī)電機(jī)跳停造成的工藝抱棒。

4 結(jié)語

（1）芯棒限動速度和脫管機(jī)軋制速度設(shè)定以有利于脫棒為依據(jù)，限動速度越慢，連軋后荒管在芯棒上的長度越短；脫管機(jī)第1機(jī)架速度設(shè)定以接近或等于連軋出口速度為宜，縮短脫管機(jī)軋制時間，減小荒管溫降。

（2）根據(jù)軋制荒管長度范圍并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況確定芯棒返回延時，完善電氣控制程序。

（3）超短管軋制工藝的開發(fā)，減少了原料投入量，提高了產(chǎn)品成材率。

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Development of Technology of PQF Process for Rolling Heavy-wall，Extra-short Tube

SUN Shizhong，GUAN Xuecong，DING Hongjun，MA Shaohui
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The problems staying with the PQF process in case of rolling the heavy-wall，extra-short tube are solved by means of optimizing the process itself.Described as the focus is the key element restraining the production，i.e.，optimally matching the retained mandrel speed with the extractor rolling speed.A measure as taken is to increase the retained rack return time delay via the electric control system so as to ensure consistent torque of the extractor during the rolling process，which is in line with automatic operation of the entire rolling area.The actual site operation result shows that the steel tube geometric dimension accuracies are up to applicable specification，and the metal yield is also up to the designed target of the mill line.

PQF mill；heavy-wall，extra-short tube；retained mandrel speed；extractor torque

TG335.71

B

1001-2311（2016）04-0042-04

2016-02-22；修定日期：2016-04-08）

孫世忠（1968-），男，工程師，主要從事熱軋無縫鋼管軋制工具設(shè)計及生產(chǎn)工藝研究工作。