無縫鋼管軋制設(shè)備的再設(shè)計(jì)制造

胡建華，陳建勛，朱艷春，楚志兵，秦建平

（太原科技大學(xué)山西省現(xiàn)代軋制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024）

再制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”“綠色經(jīng)濟(jì)”的重要途徑，國務(wù)院在《中國制造2025》中，明確指出“推進(jìn)資源再生利用產(chǎn)業(yè)規(guī)范化、規(guī)模化發(fā)展，強(qiáng)化技術(shù)裝備支撐，提高大宗工業(yè)固體廢棄物、廢舊金屬、廢棄電器電子產(chǎn)品等的綜合利用水平，大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，實(shí)施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進(jìn)產(chǎn)品認(rèn)定，促進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”。

隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，各種軋制設(shè)備的社會(huì)保有量急劇增加。由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等種種原因，各種軋制設(shè)備的退役和報(bào)廢的數(shù)量也顯著增加。軋制生產(chǎn)設(shè)備具有價(jià)格昂貴、用途單一、體積龐大等特點(diǎn)，設(shè)備的報(bào)廢將會(huì)給企業(yè)和社會(huì)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)軋制機(jī)械設(shè)備進(jìn)行再制造具有十分重要的意義。

在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，設(shè)備再制造工程則是最大限度地利用機(jī)械設(shè)備以及零部件的剩余壽命，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要手段。因此，機(jī)械設(shè)備的再制造工程可以認(rèn)為是落實(shí)“節(jié)能減排”和實(shí)現(xiàn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的重要措施。

通常，再制造產(chǎn)品是針對(duì)批量生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品，如工程機(jī)械等，在整機(jī)使用壽命期內(nèi)，發(fā)生局部損壞后，工作能力的恢復(fù)。其核心工作是關(guān)鍵零部件的功能恢復(fù)。生產(chǎn)工藝機(jī)械裝備的特點(diǎn)是具有工藝性和成套性，服役壽命長，如軋制設(shè)備的使用壽命一般在幾十年以上，而工程機(jī)械的使用周期一般為8～10年。因此其再設(shè)計(jì)制造的意義與通常的再制造有很大的不同，除時(shí)效性外，更多的是考慮經(jīng)濟(jì)性。無縫鋼管軋制設(shè)備再設(shè)計(jì)制造的內(nèi)容應(yīng)包括：①重要零部件的修復(fù)與利用，如軸承座、傳動(dòng)軸等；②設(shè)備升級(jí)改造，如提高軋制精度、擴(kuò)大產(chǎn)品范圍、提高生產(chǎn)效率等；③重大零部件和整體設(shè)備的改制與利用，如改作其他生產(chǎn)設(shè)備或相關(guān)零部件等。

由此可見，軋制設(shè)備的再設(shè)計(jì)制造不僅包括機(jī)械零部件的修復(fù)技術(shù)，更與生產(chǎn)工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)密切相關(guān)。即軋制設(shè)備的再設(shè)計(jì)制造工程實(shí)質(zhì)上是再設(shè)計(jì)與再制造兩部分，其中再設(shè)計(jì)工程更重要。隨著該領(lǐng)域技術(shù)與工藝的逐漸發(fā)展，機(jī)械再設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品的市場需求將會(huì)不斷增加，成套工藝裝備的再設(shè)計(jì)制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將具有更好的前景。

1 設(shè)備零件再制造

傳統(tǒng)的再制造技術(shù)主要是在原有零件的基礎(chǔ)上采用噴涂、堆焊等成形技術(shù)，恢復(fù)零部件的形狀、尺寸和性能，然后形成可以重復(fù)使用的再制造產(chǎn)品。這樣的尺寸恢復(fù)技術(shù)存在的問題是費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、存在熱影響區(qū)等。筆者開發(fā)的塑性成型的方法，對(duì)圓柱尺寸進(jìn)行恢復(fù)，取得一定的成效。主要用于軸類和筒體類零件的圓柱面的修復(fù)。

太原科技大學(xué)研究開發(fā)的金屬筒體內(nèi)壁和軸類零件的金屬包覆尺寸恢復(fù)技術(shù)的基本原理是：采用常溫狀態(tài)下塑性變形的方法將薄壁鋼套與基體表面緊密地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度機(jī)械結(jié)合（咬合）。同時(shí)，使缸體內(nèi)徑和活柱外徑的尺寸公差和粗糙度達(dá)到技術(shù)要求。該項(xiàng)技術(shù)的主要工序有：

（1）薄壁金屬筒體制作：根據(jù)再制造工藝要求，制作符合要求的薄壁金屬筒體，其技術(shù)要點(diǎn)是準(zhǔn)確計(jì)算板料尺寸，卷圓成型，確定焊接方式與焊接參數(shù)和焊縫處理；

（2）待修零件的鑲襯與包覆：通過塑性變形方式，如滾壓、擠壓等方式完成待修零件的鑲襯與包覆。選擇合適的工藝參數(shù)，如薄壁金屬筒體的材料、直徑、長度和壁厚，變形量，成型方式與成型工具等。

（3）修復(fù)后零件的表面處理：根據(jù)工藝要求可以對(duì)修復(fù)后的零件進(jìn)行加工或處理，如切槽、打孔、表面強(qiáng)化等。

在無縫鋼管軋制設(shè)備中，可以采用這種方式實(shí)現(xiàn)再制造的零件很多，如軋輥軸，輥道、箱體內(nèi)的齒輪軸等。

2 設(shè)備升級(jí)改造的再設(shè)計(jì)制造

設(shè)備升級(jí)改造的再設(shè)計(jì)制造主要包括提高軋制精度、擴(kuò)大產(chǎn)品范圍、提高生產(chǎn)效率等。主要是針對(duì)在用設(shè)備開展工作。主要途徑是：

（1）改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)。通過改變?cè)O(shè)備的零部件的結(jié)構(gòu)改善軋管機(jī)的工作性能，如開式結(jié)構(gòu)改為閉式結(jié)構(gòu)，鑄造結(jié)構(gòu)改為焊接結(jié)構(gòu)。

（2）更換新的裝置。通過更換設(shè)備的零部件改善軋管機(jī)的操作性能，如機(jī)械調(diào)整改為液壓調(diào)整。

（3）改進(jìn)調(diào)整控制手段。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制、智能控制將是軋制過程控制的主要形式，所以設(shè)備的再制造應(yīng)該與控制技術(shù)的改造同步進(jìn)行。

無縫管軋制設(shè)備的再制造，可以通過采用實(shí)用新技術(shù)和新設(shè)備配套，優(yōu)化形成新的經(jīng)濟(jì)性更好的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的優(yōu)化配置。

3 設(shè)備改制的再設(shè)計(jì)制造

無縫鋼管軋制設(shè)備改制的再設(shè)計(jì)制造是利用退役設(shè)備的基本構(gòu)成，通過再設(shè)計(jì)和再制造，形成具有其他工藝過程生產(chǎn)功能的成套設(shè)備。目前，無縫鋼管軋制設(shè)備改制的再設(shè)計(jì)制造主要用于以下幾個(gè)方面。

3.1 有色金屬無縫管軋制生產(chǎn)

利用退役的無縫鋼管斜軋生產(chǎn)設(shè)備[1-14］，通過再設(shè)計(jì)和再制造使其能夠用于生產(chǎn)有色金屬無縫管是可行而有效的退役設(shè)備利用途徑。

通常，有色金屬的變形抗力低于鋼，而變形溫度更敏感，因此需要考慮加熱、輸送和軋制過程坯料的溫度變化。由于有色金屬管材的批量小、品種多，因此需要靈活調(diào)整軋制參數(shù)。此外，有色金屬管生產(chǎn)工藝一般是穿孔→冷卻→表面處理→冷軋（拔）→成品，熱軋階段只有穿孔工序，因此穿孔機(jī)的前臺(tái)、后臺(tái)、輸出以及收集裝置需要重新設(shè)計(jì)和布置。

隨著我國有色金屬工業(yè)的發(fā)展，有色金屬無縫管材的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的擠壓生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足需求，而專用的有色金屬無縫管軋制生產(chǎn)線尚不完善，且投資大，經(jīng)濟(jì)性較低，因此將退役無縫鋼管軋制設(shè)備經(jīng)過改制，形成有色金屬無縫管生產(chǎn)系統(tǒng)將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如某Φ420 mm有色金屬三輥斜軋穿孔機(jī)可以用于對(duì)鈦、鋁、鎂等有色金屬進(jìn)行穿孔軋制。

3.2 棒材斜軋生產(chǎn)

將退役無縫鋼管穿孔機(jī)組改造為棒材斜軋機(jī)組具有十分良好的前景，工藝流程如圖1所示，可以保證棒材軋制具有足夠的延伸系數(shù)。在某Φ50 mm三輥斜軋管機(jī)上，有過將Φ65 mm管坯軋制到Φ45 mm的實(shí)例，其延伸系數(shù)達(dá)到2.0。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，德國斯凱特（SKET）公司也嘗試采用三輥斜軋管機(jī)作為棒材軋管機(jī)的粗軋機(jī)用于合金棒材的生產(chǎn)。

圖1 棒材斜軋工藝流程示意

棒材斜軋具有工藝流程短、尺寸調(diào)整靈活、棒材圓柱度好、設(shè)備操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此可以代替徑向鍛造和自由鍛造用于有色金屬和合金鋼的開坯生產(chǎn)。由于該生產(chǎn)線具有良好的產(chǎn)品品種和產(chǎn)量的靈活性，可以滿足市場多方面的需求，尤其是在特殊材料的棒材生產(chǎn)領(lǐng)域。例如生產(chǎn)難變形金屬，由于產(chǎn)量很小，而品種規(guī)格很多，從而顯示出其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

無縫鋼管穿孔機(jī)組改造為棒材斜軋機(jī)組的重點(diǎn)是軋輥的輥型結(jié)構(gòu)和軋輥調(diào)整裝置。輥型應(yīng)采用軋制輥型，通過軋制使坯料產(chǎn)生較大的減徑延伸變形。調(diào)整機(jī)構(gòu)應(yīng)保證調(diào)整精度和滿足頻繁調(diào)整的要求。必要時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)座的受力和鎖緊零件進(jìn)行加強(qiáng)。

此外，將大規(guī)格無縫鋼管斜軋機(jī)組改制為管坯或方坯的開坯機(jī)，取代大型初軋機(jī)和精鍛機(jī)，亦可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 棒材連軋生產(chǎn)

將無縫鋼管連軋機(jī)組和定（減）徑機(jī)組改造為棒材連軋機(jī)，也是無縫鋼管機(jī)械設(shè)備再制造的重要方面。例如某8機(jī)架二輥連軋機(jī)組用于軋制有色金屬棒材，某10機(jī)架三輥連軋機(jī)組用于軋制有色金屬盤圓。

將無縫鋼管連軋機(jī)組和定（減）徑機(jī)組改造為棒材連軋機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①適于小批量，多品種的特殊合金材料的棒線材生產(chǎn)；②采用定壓下量軋制，通過增減機(jī)架數(shù)量調(diào)整成品尺寸；③生產(chǎn)線距離短，易于保證軋制溫度，可以實(shí)現(xiàn)恒溫軋制。

當(dāng)前，特殊合金材料的市場需求廣泛，而采用常規(guī)棒線材軋機(jī)難以適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝要求。利用無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備通過再制造形成特殊合金棒線材連軋生產(chǎn)線將成為解決該問題的有效途徑。

3.4 金屬窄帶材連軋生產(chǎn)

將生產(chǎn)無縫鋼管的三輥定（減）徑機(jī)組改造為特殊合金的窄帶材連軋機(jī)也具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。特殊合金窄帶材軋制要求在較窄的軋制溫度，考慮到溫降和產(chǎn)品的批量，現(xiàn)有的熱帶鋼連軋管機(jī)難以滿足要求。而利用退役的三輥定（減）徑機(jī)組的機(jī)座和傳動(dòng)系統(tǒng)，配以專門設(shè)計(jì)的二輥或四輥軋機(jī)機(jī)架，形成窄帶材連軋生產(chǎn)線（圖2），可以用于特殊合金的窄帶材軋制。其生產(chǎn)工藝流程是：窄帶坯水平連鑄→切斷→感應(yīng)加熱（均熱）→除鱗→12機(jī)架連軋→快速冷卻→卷取。

圖2 特殊合金窄帶連軋機(jī)生產(chǎn)線示意

特殊合金窄帶材連軋生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)：

（1）可以采用水平連鑄生產(chǎn)窄帶坯；

（2）帶坯直接軋制，工藝流程短、能耗低；

（3）緊湊型板帶軋機(jī)，設(shè)備質(zhì)量小、軋制線短；

（4）多機(jī)架定壓下板材連軋生產(chǎn)，軋機(jī)結(jié)構(gòu)簡單；

（5）中低速軋制，軋制溫度易于控制，節(jié)省冷卻用水。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的再制造技術(shù)是以批量機(jī)械零件的修復(fù)為目標(biāo)，對(duì)于無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備這樣的工藝裝備，再設(shè)計(jì)制造技術(shù)則是以設(shè)備升級(jí)與改制為主要目的。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場的變化，各種退役的生產(chǎn)工藝裝備將會(huì)越來越多，積極開展退役生產(chǎn)工藝裝備的再設(shè)計(jì)制造，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色發(fā)展的重要途徑。

再制造來源于設(shè)備維修，是維修發(fā)展的高級(jí)形式，也是先進(jìn)制造的重要組成，而再設(shè)計(jì)制造則是更進(jìn)一步的發(fā)展。生產(chǎn)工藝裝備的再設(shè)計(jì)制造不僅是退役設(shè)備的再利用，而且也將促進(jìn)相關(guān)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和提高，彌補(bǔ)現(xiàn)有工藝過程和生產(chǎn)設(shè)備的不足，為開發(fā)新的生產(chǎn)工藝裝備提供技術(shù)儲(chǔ)備。

為推動(dòng)退役生產(chǎn)工藝裝備再設(shè)計(jì)制造的進(jìn)一步發(fā)展，期待生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)備設(shè)計(jì)、制造部門通力合作，積極開展相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的再設(shè)計(jì)制造工作，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益的提升作出貢獻(xiàn)。