?340 mm大口徑無縫管機(jī)組熱調(diào)試過程問題分析

師軍東 石曉東

(太原重工股份有限公司軋鋼設(shè)備分公司，山西030024)

大口徑無縫管是石油鉆采、高壓介質(zhì)輸送等領(lǐng)域的重要組成設(shè)備。隨著管徑增大，相應(yīng)無縫生產(chǎn)機(jī)組在調(diào)試過程中出現(xiàn)諸多新問題。國產(chǎn)某?340 mm無縫管生產(chǎn)線主要由上料區(qū)、環(huán)形加熱爐、立式穿孔機(jī)、Assel三輥軋機(jī)、定徑機(jī)、冷床及矯直機(jī)等設(shè)備組成。其中，“穿、軋、定、矯”四處區(qū)域均涉及對紅熱金屬的變形加工，由于調(diào)試初期的設(shè)備聯(lián)動性尚未滿足設(shè)計(jì)要求，且工藝參數(shù)設(shè)置未達(dá)到最佳狀態(tài)，因此調(diào)試過程中不可控因素較多，出現(xiàn)的現(xiàn)場問題較復(fù)雜。經(jīng)熱負(fù)荷調(diào)試合格后的機(jī)組將直接投入產(chǎn)品生產(chǎn)，因此其調(diào)試結(jié)果的優(yōu)劣將直接影響無縫管產(chǎn)品的壁厚精度和外觀質(zhì)量。針對這一問題，本文將對國產(chǎn)某?340 mm大口徑無縫管生產(chǎn)線在熱調(diào)試過程中所遇實(shí)際問題的產(chǎn)生原因和解決措施進(jìn)行分析，為同類型機(jī)組的調(diào)試提供參考。

1 調(diào)試過程問題類型及解決措施

熱負(fù)荷調(diào)試過程中，穿孔、軋制和定徑三道工序的工作狀況直接決定著紅熱棒料能夠最終加工為合格的無縫管，因此是主要的調(diào)試區(qū)域，以下將對各部分調(diào)試過程出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

1.1 立式穿孔機(jī)區(qū)域

對穿孔區(qū)調(diào)試影響最大的是卡鋼故障，卡鋼是指紅熱狀態(tài)的棒料在進(jìn)入軋輥區(qū)域后，未能隨軋輥轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，而卡在軋輥之間導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)過載停機(jī)。對于大直徑的毛坯來料，卡剛后，毛坯溫降時(shí)間長，因此若處理不當(dāng)，極易造成軋輥輥面、導(dǎo)板、入口導(dǎo)套及周邊設(shè)備的燒損，延長調(diào)試周期，因此應(yīng)在穿孔調(diào)試前進(jìn)行周密細(xì)致的準(zhǔn)備。

該機(jī)組立式穿孔機(jī)在調(diào)試過程中，來料直徑為?220 mm，后部推坯機(jī)按程序完成推料工序后退回，前部錐形頂頭剛進(jìn)坯料便無法繼續(xù)咬入，隨后頂桿挺轉(zhuǎn)，主電機(jī)過載停機(jī)，發(fā)生卡鋼事故，如圖1所示。故障發(fā)生后，迅速在控制室手動操作打開六套三輥抱芯裝置，頂頭退回，并立即打開周邊的全部冷卻水閥門，對毛坯和軋輥等進(jìn)行降溫，防止設(shè)備損壞，然后退回兩側(cè)左右導(dǎo)板架，待棒料毛坯冷卻后再將其取出。經(jīng)分析，本次卡鋼原因?yàn)椋?/p>

(1)軋輥間距偏小，咬入阻力大。

(2)鋼坯溫度偏高(約為1100℃)，導(dǎo)致鋼坯與軋輥接觸力偏小，不利于建立有效摩擦。

(3)送進(jìn)角偏大(約為6°)，致使坯料與輥面的接觸長度變短，摩擦力減小。

(4)主程序中設(shè)置的咬鋼信號(即咬鋼時(shí)的主傳動軋制電流)偏小，使主電機(jī)過早停機(jī)保護(hù)。

圖1 穿孔機(jī)調(diào)試現(xiàn)場卡鋼事故Figure 1 Steel jamming accident of piercer on commissioning site

在卡鋼原因分析基礎(chǔ)上，對軋制工藝進(jìn)行以下調(diào)整：

(1)增大上下輥和兩側(cè)導(dǎo)板間距，上下輥?zhàn)钚【嚯x由196 mm調(diào)至198 mm，導(dǎo)板距由210 mm調(diào)至215 mm。

(2)優(yōu)化軋制工藝，控制坯料出爐溫度在1150℃左右，保證坯料進(jìn)入穿孔區(qū)時(shí)溫度在1000～1050℃之間。

(3)將送進(jìn)角從6°調(diào)整至5°，增大坯料跟輥面的接觸面積，增大摩擦力。

(4)增大主傳動的額定電流，確定咬鋼和軋制信號正常反饋至主程序和上位機(jī)。

(5)控制冷卻水流量，防止穿孔區(qū)坯料溫降過快，經(jīng)過多次軋制工藝優(yōu)化，最終保證了多種規(guī)格坯料的順利穿孔，完成了穿孔區(qū)調(diào)試。

1.2 Assel軋管機(jī)區(qū)域

1.2.1 咬鋼不入

毛管穿芯棒后，芯棒小車帶動毛管進(jìn)入機(jī)架內(nèi)的軋制區(qū)域，主傳動等設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但毛管與輥面發(fā)生打滑，始終無法咬入軋制，導(dǎo)致毛管溫度降低，軋制失敗，如圖2所示。

圖2 Assel軋管機(jī)咬鋼不入Figure 2 Bite without entering of Assel pipe rolling mill

原因如下：毛管溫度偏高，輾軋角偏大，致使咬合力不足，摩擦力偏小。

解決方案：

(1)優(yōu)化軋制工藝流程，保證毛管進(jìn)入軋機(jī)前的溫度在850～900℃。

(2)將輾軋角由7°減小至6°。

1.2.2 荒管尾三角

軋制過程中軋輥?zhàn)冃螀^(qū)主要由擠壓區(qū)、減壁區(qū)、均壁區(qū)、歸整區(qū)等組成，如圖3所示。擠壓區(qū)作用是產(chǎn)生摩擦力，便于咬入毛管，并為減壁區(qū)提供軸向分力；減壁區(qū)主要是減小毛管直徑和壁厚；均整區(qū)主要確保毛管壁厚的均勻性和表面質(zhì)量；歸整區(qū)主要作用是歸整，使毛管內(nèi)孔與芯棒之間產(chǎn)生間隙，便于脫棒。而在軋制管坯尾部，毛管上的縱向拉應(yīng)力降低，且在軋輥入口錐部分沒有足夠的變形材料，使得由徑向變形引起切向應(yīng)力，變形增大，出現(xiàn)尾三角。

1—芯棒 2—管坯 3—軋輥Ⅰ—擠壓區(qū) Ⅱ—減壁區(qū) Ⅲ—均壁區(qū) Ⅳ—?dú)w整區(qū)圖3 軋管變形區(qū)分類Figure 3 Classification of rolled pipe deformation zone

通過分析與現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，制定了以下缺陷治理方案：在Assel軋機(jī)機(jī)前輥附近加設(shè)1臺熱金屬檢測器，與軋機(jī)出口的熱金屬檢測器同時(shí)監(jiān)測毛管運(yùn)動狀態(tài)，更加精確地實(shí)現(xiàn)了對不同規(guī)格和不同軋制速度的毛管的控制，使得快開缸能夠在軋制管坯尾部時(shí)快速打開，明顯地抑制了荒管尾部的尾三角現(xiàn)象。

1.2.3 荒管扭曲

單機(jī)架無縫管軋制過程中，軋后荒管做螺旋運(yùn)動，加之熱狀態(tài)下鋼管剛性較差，因此易出現(xiàn)荒管甩動，尤其在鋼管后部，易出現(xiàn)荒管扭曲和破裂的現(xiàn)象。一般情況下，通過調(diào)節(jié)軋管機(jī)出口一段的壓輥、長導(dǎo)輥、扣瓦等裝置可減小或消除此現(xiàn)象。但在熱調(diào)試過程中，第一次試軋時(shí)，仍然出現(xiàn)了荒管的劇烈扭曲和甩動，甚至出現(xiàn)荒管脫離長導(dǎo)輥限制，砸壞出口檢測傳感器，迫使全線緊急停機(jī)。

經(jīng)檢查，造成甩動的原因是出口臺長導(dǎo)輥的設(shè)置速度過小，荒管旋轉(zhuǎn)速度與之不匹配，在輥面阻力作用下荒管撓曲變形，并脫離壓輥限制。針對這一問題，首先重新計(jì)算和調(diào)整長導(dǎo)輥的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之與毛輥轉(zhuǎn)速匹配；其次適當(dāng)增大壓輥的壓力，限制荒管抖動。經(jīng)過以上調(diào)整，再次過鋼時(shí)的穩(wěn)定性明顯提高。

1.2.4 荒管輥印

圖4 荒管輥印缺陷Figure 4 Roll stamp defects on pierced billet

現(xiàn)場在熱調(diào)試?273 mm×12.7 mm的鋼管規(guī)格時(shí)，荒管外表面出現(xiàn)深度達(dá)1～1.5 mm的螺旋形輥印缺陷，如圖4所示。該缺陷在荒管全長范圍連續(xù)且規(guī)律性出現(xiàn)，因此初步懷疑軋輥表面被磨損刻劃的，后被復(fù)印至荒管表面。為驗(yàn)證以上猜測，首先計(jì)算由軋輥導(dǎo)致的輥印螺距：

管料送進(jìn)速度為：

式中，η0為出口斷面的軸向滑動系數(shù)；D1為出口斷面上的軋輥直徑，單位mm；nr為轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)速單位為r/min；F1、F分別為金屬在出口斷面及其研究的斷面x上的面積，單位為mm2。

管料旋轉(zhuǎn)1/k轉(zhuǎn)的時(shí)間為：

式中，k為軋輥數(shù)量，Assel軋管機(jī)k=3。nm為理論轉(zhuǎn)速為：

式中，ηt為出口斷面的切向滑動系數(shù)，ηt≈1；α為軋輥送進(jìn)角。

則荒管上輥印的螺距s為：

式中，dt為出口斷面上的管坯直徑，單位為mm。

由于荒管在Aseel軋機(jī)后還要經(jīng)過12架定徑機(jī)，故實(shí)際所測輥印的間距為螺距與12架定徑機(jī)延長系數(shù)的乘積，實(shí)際所測輥印間距t為：

t=sμ∑

定徑機(jī)各機(jī)架的延伸系數(shù)為：

μ∑≈nμi

帶入數(shù)值理論計(jì)算得出，在Assel軋機(jī)工序，荒管表面的輥印間距與現(xiàn)場實(shí)測值很接近，見表1，因此可判斷荒管輥印為軋機(jī)工序所致，應(yīng)立即在機(jī)床修復(fù)軋輥或更換備件。

表1 現(xiàn)場實(shí)際記錄的相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of actual site record

圖5 定徑機(jī)機(jī)架安裝Figure 5 Housing assembly of sizing mill

1.3 定徑機(jī)區(qū)域

在熱負(fù)荷調(diào)試階段，部分荒管運(yùn)動至定徑區(qū)時(shí)，溫度偏低，在進(jìn)入定徑機(jī)部分機(jī)架后即發(fā)生卡鋼，為了便于處理卡鋼情況，12架定徑機(jī)只安裝9架，可暫不裝入1#、2#、4#架方機(jī)架，如圖5所示。當(dāng)卡鋼時(shí)，利用火焰切割的方法割斷鋼管，可將其分段取出。另外，調(diào)試過程中，常因前部工序出現(xiàn)故障，造成軋制時(shí)間延誤，至定徑區(qū)前方時(shí)，荒管表面發(fā)黑，此時(shí)應(yīng)禁止荒管穿過定徑機(jī)，原因如下：

(1)容易造成卡鋼。

(2)主傳動按正常定徑工藝方案設(shè)置最大額定電流，若荒管表面發(fā)黑，造成電機(jī)負(fù)載增大，超過額定電流太大，燒壞電機(jī)。

(3)荒管表面發(fā)黑時(shí)，強(qiáng)制軋制，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，易損壞主減速機(jī)齒輪，降低其使用壽命。

(4)荒管表面發(fā)黑，表面硬度提高，易刮花軋輥的表面，進(jìn)而影響成品管的表面質(zhì)量。

為徹底解決定徑區(qū)卡鋼問題，在高壓水除磷裝置前增設(shè)溫度檢測儀，當(dāng)檢測到溫度過低時(shí)，由程序自動控制軋機(jī)出口臺，二段輥道停止轉(zhuǎn)動，并反饋警報(bào)信號，通知操作工人將荒管手動吊離輥道。

2 結(jié)論

通過研究?340 mm大口徑無縫管機(jī)組熱調(diào)試過程，在穿孔區(qū)、軋制區(qū)和定徑區(qū)常見的卡鋼、荒管尾三角、荒管扭曲、外圓輥印等現(xiàn)場問題及缺陷，并對問題發(fā)生的根本原因進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，從軋制工藝、設(shè)備參數(shù)等方面提出了相應(yīng)解決措施，有效提升了機(jī)組各設(shè)備的協(xié)調(diào)工作能力，提高了各種規(guī)格鋼管的成材率，為現(xiàn)場調(diào)試工作的有序推進(jìn)提供了有力保障。