第一臺(tái)355.6mm的MPM軋管機(jī)于1978年在Dalmine 不銹鋼管廠投產(chǎn)。投產(chǎn)后不斷加以改進(jìn),終于發(fā)展成世界上生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無縫不銹鋼管的主流工藝設(shè)備,由于市場要求進(jìn)一步提高不銹鋼管生產(chǎn)的效益,幾年前這種工藝發(fā)展到了它的頂峰。由于PQF工藝的發(fā)展,MPM軋管工藝的種種限制已被克服,從而將MPM軋管工藝向前推進(jìn)了一大步。在中國天津鋼管有限公司(TPCO)PQF軋管機(jī)的順利投產(chǎn)表明這種軋管工藝將成為無縫鋼管生產(chǎn)的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝。


 世界上最新型的無縫不銹鋼管軋機(jī)于2003年年底在天津投產(chǎn),這是世界上第一臺(tái) PQF軋管機(jī)(圖26-5)。PQF 是 PremiumQuality Finishing 三詞的縮寫。


圖 26-5.jpg


 PQF連軋管機(jī)能保證最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)然,只有當(dāng)軋管機(jī)在日常生產(chǎn)中能保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì),它才具有真正的競爭優(yōu)勢。這就需要軋機(jī)在運(yùn)行中即堅(jiān)固可靠,又易于操作。


 早在1999年,SMS就有發(fā)展PQF軋機(jī)的設(shè)想。在穿孔和張減工藝的優(yōu)化方面,SMS-Meer 擁有多項(xiàng)專門技術(shù),而SMS-Uemag-Innse的主要技術(shù)領(lǐng)域則在MPM連續(xù)軋管工藝方面。


 新的軋管機(jī)設(shè)備的目標(biāo)是使鋼管質(zhì)量有一個(gè)飛躍,定量地說,就是使現(xiàn)在常用的直徑、壁厚公差減少50%。


 世界范圍內(nèi)無縫不銹鋼管設(shè)備制造的經(jīng)驗(yàn),顯示出在設(shè)備改進(jìn)提高這方面具有很大的潛力,這一潛力沒有被挖掘出來的原因是由于軋管設(shè)備和輔助設(shè)備配置不當(dāng)。對(duì)于軋制全過程監(jiān)控而言,缺少合適的檢測技術(shù),穿孔工藝過程難以掌握。另外,在軋制過程中也缺乏進(jìn)行適當(dāng)修正調(diào)節(jié)的執(zhí)行裝置。


 只有當(dāng)所有問題具有一致且全面的解決辦法后,才能在實(shí)際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)既定的目標(biāo)。因此,在PQF這一理念中結(jié)合了一系列完整的解決方案(圖26-6),包括:


圖 26-6.jpg


  1. 輥式穿孔機(jī),設(shè)有最優(yōu)化的軋輥箱和導(dǎo)衛(wèi)裝置以及扭轉(zhuǎn)變形小的機(jī)架;


  2. 用于軋制延伸的三輥式連軋機(jī),這種軋機(jī)容易操作,且產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)越;


  3. HGC輥縫液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),使軋管延伸階段的壁厚偏差減至最小值;


  4. CARTA工藝系統(tǒng),可以優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃并在生產(chǎn)過程中進(jìn)行在線調(diào)節(jié);


  5. CARTA/FGF,即自由孔型形狀工藝系統(tǒng),厚壁管的質(zhì)量得以優(yōu)化;


  6. 張減機(jī)采用三組疊加傳動(dòng)和可調(diào)式精軋機(jī)架(FPS)以減少張減管的直徑偏差值;


  7. LASUS壁厚測量系統(tǒng),可對(duì)壁厚進(jìn)行可靠的、高分辨率的測量;


  8. QAS質(zhì)量保證系統(tǒng),可對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能評(píng)估,并提供有效的工藝過程監(jiān)控。




一、三輥式連軋管機(jī)


  早在20世紀(jì)90年代初,SMS-Demag-Innse 就對(duì)三輥軋管機(jī)作過報(bào)道,認(rèn)為這是已發(fā)展完善的二輥式MPM軋機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的方向。三輥式連軋管工藝的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,因?yàn)樵趶垳p工藝領(lǐng)域早已實(shí)現(xiàn)了由二輥式機(jī)架向三輥式機(jī)架的轉(zhuǎn)變,使無縫不銹鋼管的質(zhì)量顯著提高。對(duì)這種工藝危險(xiǎn)性的預(yù)測,是三輥式軋管工藝應(yīng)用成熟較晚的原因之一,因此要盡可能做到不用價(jià)格昂貴的試驗(yàn)軋機(jī)來開發(fā)與MPM軋機(jī)不同的新的孔型設(shè)計(jì)技術(shù),特別要注意將軋件從芯棒上脫出的問題。SMS-Meer 和 SMS-Demag-Innse應(yīng)用以MPM軋機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的FEM有限元模擬法(圖26-7),實(shí)施了技術(shù)安全措施,獲得了為安裝新的PQF軋管工藝所需的訣竅。這是一項(xiàng)獨(dú)立的技術(shù),它可安全、切實(shí)地被引入實(shí)際應(yīng)用之中。


圖 26-7.jpg



  與兩輥式軋管工藝相比,三輥式工藝在質(zhì)量和成本方面的優(yōu)越性在于三輥式機(jī)架中更加均勻的變形過程。三輥式結(jié)構(gòu)使得金屬流變得均勻,原因是軋輥和管件間的相對(duì)速度大約降低了50%,軋制力沿周邊和自由變形區(qū)的分布更加合理,未加控制的變形只有兩輥式軋管工藝的一半。更加均勻的變形意味著管件截面內(nèi)的壁厚偏差較小,與具有影響力的變量的關(guān)聯(lián)性較小,金屬變形應(yīng)力就相對(duì)較低。


 從不銹鋼管廠的角度來看,三輥式軋管機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是軋制過程穩(wěn)定,而且易于掌握。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)很重要,因?yàn)榇_定這種軋制過程的先決條件就是在日常生產(chǎn)中確保產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和持久性。上述較低的金屬應(yīng)力使得產(chǎn)品范圍得以擴(kuò)大到薄壁管和合金含量較高的鋼管。


 三輥式連軋管機(jī)可以達(dá)到無縫鋼管軋機(jī)靈活性高、在較短的時(shí)間內(nèi)小批量生產(chǎn)不同規(guī)格的管子的要求、同時(shí)具有成本較低和尺寸偏差較小等優(yōu)點(diǎn)。


 為了將這些成果應(yīng)用于三輥軋管工藝過程,PQF軋機(jī)結(jié)合了以下機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn):軋輥的準(zhǔn)確定位和保持正定位置的穩(wěn)定性,同時(shí)在軋制過程中可以調(diào)節(jié)軋輥孔型。


 軋輥裝在可擺動(dòng)的橫臂上,然后裝入機(jī)架的機(jī)芯(圖26-8)。機(jī)芯裝在隧道式機(jī)座內(nèi),后者裝有調(diào)整軋輥位置的液壓小艙(每一個(gè)軋輥設(shè)有一個(gè)液壓小艙),這些結(jié)構(gòu)均使軋機(jī)既穩(wěn)定又緊湊,使得軋輥定位和芯棒導(dǎo)向具有很高的準(zhǔn)確度,從而將變形過程設(shè)計(jì)得很精確。


圖 26-8.jpg


和兩輥式MPM軋機(jī)相比較,上述結(jié)構(gòu)又具有以下優(yōu)點(diǎn):


  1. 軋機(jī)總體設(shè)計(jì)緊湊,基座深度最??;


  2. 機(jī)架間距較小,芯棒長度較短,并具有最佳的芯棒導(dǎo)引系統(tǒng);


  3. 在封閉固定的環(huán)狀機(jī)架框架內(nèi),三股軋輥力互呈120°,可相互對(duì)稱吸收;


  4. 由于變形均勻再加上每一個(gè)軋輥機(jī)可以液壓調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)軋縫的自動(dòng)調(diào)整;


  5. 軸承間距離較短,作用在每一個(gè)軋輥上的軋制力較小,因此彎曲力矩較小,從而使孔型的改變量最小,管子公差明顯降低。



二、壁厚測量


  LASUS是設(shè)在軋機(jī)熱軋區(qū)的超聲波壁厚測量系統(tǒng)(圖26-9),其工藝技術(shù)原理和冷管超聲波探傷基本相同,具有同樣高的精確性、局部分辨率和可靠性。上述測量技術(shù)特性對(duì)于正確而詳盡地記錄熱軋管壁厚結(jié)構(gòu)具有決定性意義,這樣就可以在生產(chǎn)過程中進(jìn)行正確的介入。


圖 26-9.jpg


 測量頭(探頭)裝在抽芯棒裝置的軋出區(qū),它對(duì)PQF熱軋管和穿孔坯的軋制數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在張減機(jī)的輸出端則設(shè)有另一個(gè)測量頭以記錄熱軋荒管的壁厚偏差,并對(duì)管端增厚和內(nèi)六角形加以確認(rèn)。




三、質(zhì)量保證系統(tǒng)


  穿孔機(jī)和連軋管機(jī)對(duì)壁厚形成的影響可借QAS系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)姆治黾夹g(shù)而加以區(qū)分,從而對(duì)兩個(gè)機(jī)組分別實(shí)現(xiàn)工藝過程最佳化。在各種情況下可由單通道測量系統(tǒng)來對(duì)這兩種影響進(jìn)行區(qū)分,此時(shí)由機(jī)器人控制測量頭圍繞工件的軸線回轉(zhuǎn)。在QAS系統(tǒng)中設(shè)有被測數(shù)據(jù)的智能評(píng)價(jià)系統(tǒng),這一系統(tǒng)對(duì)所測得的數(shù)據(jù)沿周邊或軸向進(jìn)行正確分類,然后加以分析評(píng)估。



四、CARTA工藝技術(shù)系統(tǒng)


  CARTA工藝技術(shù)系統(tǒng)為三大軋機(jī),即穿孔機(jī)、PQF軋機(jī)和張減機(jī)提供優(yōu)化操作所需的技術(shù)。借助于CARTA工藝技術(shù),生產(chǎn)計(jì)劃子系統(tǒng)得以確定工具及其整定數(shù)據(jù)。CARTA工具管理系統(tǒng)可以保證工具的正確加工以及工具機(jī)架的正確管理。CARTA過程管理系統(tǒng)完成過程控制,從而修正整定值,使尺寸偏差減至最小。CARTA工藝技術(shù)系統(tǒng)包括以下6個(gè)系統(tǒng):


  1. CARTA-CPM 這一系統(tǒng)得以保證穿孔機(jī)最佳化運(yùn)行所需的工藝技術(shù),即提供軋制表所需的工具數(shù)據(jù)及其整定值,而且可以在生產(chǎn)過程中對(duì)整定值加以修正。


  2. CARTA/EC(穿孔機(jī)壁厚不均控制系統(tǒng)) 采用CAR-TA-EC 對(duì)壁厚不均加以控制可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益,這一系統(tǒng)由過程數(shù)據(jù)分析和故障診斷兩個(gè)系統(tǒng)組成,其功能是大大改善穿孔機(jī)壁厚不均的狀況。


  3. CARTA/PQF 借助于CARTA/PQF的PSS過程監(jiān)控系統(tǒng)(Process Supervision System)以及CARTA/PQF的液壓輥縫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(HGC),可在軋制過程中對(duì)軋機(jī)調(diào)整進(jìn)行修正,這樣可對(duì)管子產(chǎn)生補(bǔ)償影響。


   更換軋制規(guī)格時(shí),有時(shí)往往需要改變輥縫調(diào)整或改變速度系列,從而改變中間機(jī)架張力狀態(tài)或延伸系數(shù)分配以優(yōu)化變形過程。這樣,可改變?cè)谲堉七^程中的摩擦力、溫度和材料性能的影響。輥縫調(diào)整也可以在軋制過程中進(jìn)行,以便使溫度的影響得以補(bǔ)償。此外,軋制過程中芯棒磨損的影響也可以采用適應(yīng)性調(diào)整而加以修正。采用這一系統(tǒng)也可以使管端軋得薄一些,以減少在張減過程中的管端的增厚。


  4. CARTA/SRM 采用這一系統(tǒng),張減機(jī)的軋輥速度可以自動(dòng)適應(yīng),從而將壁厚偏差減至最小。通常所配置的過程控制系統(tǒng)包括管端控制系統(tǒng)CEC和平均壁厚控制系統(tǒng)WTCA/L.工件通過張減機(jī)時(shí),控制系統(tǒng)調(diào)整工件的延伸,使壁厚符合要求。與沒有設(shè)置控制系統(tǒng)的張減機(jī)相比較,壁厚偏差精度和收得率能提高幾個(gè)百分點(diǎn)。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度看,有必要設(shè)置這種形式的控制系統(tǒng)。


  5. CARTA/FPS 成品機(jī)架采用可調(diào)機(jī)架(FPS),可以減小直徑偏差,即降低平均壁厚偏差和不圓度。圖26-10所示的是用于這一用途的具有可調(diào)機(jī)架的張減機(jī)。CARTA/FPS的功能是管理專用機(jī)架和確定其整定值。


  6. CARTA/PL(Planning)這一系統(tǒng)對(duì)測得的數(shù)據(jù)、操作臺(tái)的輸入值和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)估,其目的在于建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,優(yōu)化過程計(jì)劃,利用從生產(chǎn)操作中獲得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)過程控制。采用這一子系統(tǒng)的目的是使一批管子的生產(chǎn)中以最小量的管件生產(chǎn)出符合規(guī)定公差的管子。


 所有以上這些新技術(shù)的目的在于提高無縫不銹鋼管生產(chǎn)的靈活性,并使尺寸偏差降為最小值。



五、天津鋼管集團(tuán)有限公司(TPCO)的PQF連軋管機(jī)


  天津鋼管集團(tuán)有限公司的三輥連軋管機(jī)融合了PQF軋管工藝所有的精粹功能,也是世界上首臺(tái)此類軋機(jī)。該廠所生產(chǎn)的不銹鋼管外徑為31.8~168.3mm,年產(chǎn)量為40萬/噸。主要設(shè)備組成為:環(huán)形爐;錐輥式穿孔機(jī);5機(jī)架PQF軋管機(jī),其前設(shè)有空軋機(jī)架,其后設(shè)有芯棒抽出機(jī);再加熱爐;24架張減機(jī)。


  為縮短節(jié)奏時(shí),增加產(chǎn)量,軋機(jī)的芯棒由抽出裝置抽出,為此芯棒抽出機(jī)設(shè)有液壓輥縫控制設(shè)施。PQF三輥軋管工藝比較容易掌握,易于達(dá)到高級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量水平,可軋制如304L不銹鋼等合金含量較高的鋼管,因此可以說實(shí)現(xiàn)了軋管工藝技術(shù)更進(jìn)一步的目標(biāo)。