歐陽建，穆 東，湯宏亮

（1.中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

國內(nèi)某大型鋼管集團原Φ89 mm無縫鋼管熱軋機組于1997年建設(shè)投產(chǎn)，其采用的是1條在當時最先進的6機架二輥半浮動芯棒連軋管生產(chǎn)線，熱軋線三大主機設(shè)備均從德國公司引進［1］。該生產(chǎn)線的主要生產(chǎn)流程為：管坯加熱（環(huán)形爐）→錐形穿孔（頂桿循環(huán)式）→6機架二輥連軋（半浮動芯棒）→再加熱（步進爐）→張力減徑（24機架集中差速內(nèi)傳動式）→冷床冷卻（電動步進式）→成排鋸切（瓦格納鋸）。

從連軋管機工藝及設(shè)備技術(shù)的發(fā)展史來看，相較于伺服液壓壓下結(jié)構(gòu)，該Φ89 mm無縫鋼管熱軋機組原機械壓下式的二輥連軋管機主機在操作方式及設(shè)備結(jié)構(gòu)上存在著先天不足［2-9］，再加上經(jīng)過21年高強度超負荷生產(chǎn)，原連軋管機設(shè)備老化嚴重，設(shè)備承載能力、軋輥定位穩(wěn)定性、因孔型設(shè)計及芯棒表面加工方式等因素引起的產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量均已無法滿足當前市場需求及機組定位；設(shè)備故障率攀升，導(dǎo)致機組作業(yè)率無法提高；機組負荷率及成材率過低，使維護與生產(chǎn)成本激增，市場競爭力下降。為此，2018年該企業(yè)委托中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司對該機組主軋機設(shè)備進行升級改造，整個改造工程已于2019年7月16日竣工，生產(chǎn)線已投產(chǎn)。

該工程是迄今為止國內(nèi)外第一個以連軋管機主機為對象的升級改造工程，回顧整個建設(shè)過程和近半年的生產(chǎn)經(jīng)營情況，它在建設(shè)工期、工程質(zhì)量、工程投資、設(shè)計與施工融合、經(jīng)濟社會效益等方面均取得了較好的效果，對今后進一步搞好鋼管連軋工程升級改造工作具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程情況

1.1 主要改造內(nèi)容及設(shè)備選型特點

采用工藝、設(shè)備、自動化控制成熟可靠的國產(chǎn)化三輥限動芯棒連軋管機+脫管機取代原機組的二輥半浮動芯棒連軋管機+脫棒機，并對區(qū)域內(nèi)配套的機、電、液輔助設(shè)施進行了升級改造。改造范圍從穿孔機后臺撥料到步進爐前運輸輥道。改造區(qū)域設(shè)備布置如圖1所示。改造后產(chǎn)品目標主要瞄準高鋼級、大徑壁比，規(guī)格為Φ48～114.3 mm、壁厚4～14 mm，設(shè)計年產(chǎn)量20萬t，主要產(chǎn)品品種包括油管管料、鉆桿、射孔槍管、低溫管及管線管、高壓鍋爐管、機加工用管、石油裂化管、結(jié)構(gòu)管、流體管等。

圖1 某Φ89 mm連軋管機組設(shè)備改造區(qū)域布置示意

工程改造范圍內(nèi)的主要設(shè)備及設(shè)計特點如下：

（1）三輥連軋管機采用側(cè)向換輥，換輥更便利、快速；可實現(xiàn)單機架拉出，便于軋輥檢查和維護；便于處理軋卡事故。

（2）配置了離線校準站，可把裝配后的軋輥機架作為一個整體進行校準，測量數(shù)據(jù)自動發(fā)給軋機執(zhí)行，確保軋輥準確定位。

（3）軋輥孔型采用了伺服液壓壓下+液壓平衡方式控制，具有控制精度高（控制精度實際高達±5 μm）、沖擊回復(fù)快、調(diào)整迅速等特點，動態(tài)調(diào)整速度（0.1 mm實際階躍時間≤50 ms）可確保滿足削尖軋制要求；軋制過程設(shè)置了快開功能，避免事故狀態(tài)損傷設(shè)備和工具，事故處理簡單、快捷。

（4）主機配置了工藝控制模型，實現(xiàn)了軋制過程全自動控制，包括生產(chǎn)計劃管理，軋機工藝參數(shù)自動計算，設(shè)定參數(shù)自動下放執(zhí)行、記錄、顯示、調(diào)用等功能，已達到國際先進水平，業(yè)主評價其設(shè)定控制精度及操作靈活性優(yōu)于公司類似機組。

（5）采用了激光標定系統(tǒng)校準軋制中心線，實際精度確保在±0.1 mm以內(nèi)。

（6）配備了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對主傳、輔傳、液壓缸等所有信息進行全方位監(jiān)控和評估；同時具有完備的主動安全保護措施，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)連軋管機軋制過程參數(shù)監(jiān)控、負載報警、主電機高溫報警、區(qū)域同步停車、軋輥快開等功能。

（7）軋輥輥縫調(diào)整機構(gòu)采用擺臂式［10］，可長期穩(wěn)定地實現(xiàn)削尖軋制，減少切損。擺臂式輥縫調(diào)整機構(gòu)的運動件與機架為鉸接，與滑槽式輥縫調(diào)整機構(gòu)相比，擺臂式對頻繁、快速抬壓軋輥更加穩(wěn)定、靈活。

（8）針對高合金目標產(chǎn)品，三輥連軋管機為高剛度設(shè)計，且在制造后實測系統(tǒng)剛度值，在生產(chǎn)中自動補償彈跳，保證孔型準確性以及軋制高合金鋼品種的生產(chǎn)穩(wěn)定性。

（9）主機機架上干油和液壓的快換接頭采用整體自動插拔式，機架更換時，管路自動對接或脫離，操作方便快捷，確保生產(chǎn)的安全性和可靠性。

（10）芯棒限動裝置為齒輪齒條驅(qū)動，采用高強度、低慣量優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)高速運行過程的精確定位，軋制周期短。同時，前臺毛管和芯棒支撐采用帶位移傳感器的液壓缸進行控制，中心高度實現(xiàn)在線閉環(huán)反饋，確保軋制過程中毛管中心線、芯棒中心線與連軋管機中心線時刻保持高度一致。

（11）連軋管機前臺各托輥采用帶位移傳感器的液壓缸進行單獨升降調(diào)整，調(diào)整方便快捷、調(diào)整精度高。

（12）采用多支芯棒在線限動循環(huán)，在保證軋制節(jié)奏的同時，對芯棒進行均勻冷卻和良好的潤滑，從而保證芯棒具有較高的使用壽命，保證軋制過程良好的工藝條件。

（13）為減少溫降、避免低溫軋管，將穿孔機與連軋管機間的運輸裝置由原來的鏈式橫移運輸機改為地上快速橫移小車，橫移快速、穩(wěn)定，同時便于煙塵的排除。

（14）綜合該工程區(qū)域設(shè)備空間的結(jié)構(gòu)特點，分別對穿孔后臺、連軋主機及前后臺、脫管機主機及前后臺的除塵裝置進行量身設(shè)計，其除塵收集效果好。

（15）穿孔機中心與連軋管機中心相距僅11 m，距離短，如圖2所示。改造空間受限、布置困難，為實現(xiàn)合理化布置，對連軋管機改造采用特定非標設(shè)計。

圖2 某Φ89 mm連軋管機組穿孔機與連軋管機區(qū)域布置

1.2 改造后主要設(shè)備性能參數(shù)

改造后主要設(shè)備性能參數(shù)如下：

毛管外徑 158 mm

毛管橫移小車最大速度 2.5 m/s

三輥連軋后荒管外徑 128 mm

三輥連軋管機機架數(shù) 6

三輥連軋管機單輥最大軋制力 260 t

三輥連軋管機最大入口速度 1.5 m/s

三輥連軋管機最大出口速度 4.5 m/s

最大限動力 170 t

芯棒限動速度 0.9～1.4 m/s

脫管后荒管外徑 120 mm

脫管機型式 3機架三輥單機架傳動

2 工程主要建設(shè)運營情況

該工程在設(shè)計方案、機組定位、建設(shè)運營等方面的特點主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 工期記錄

該工程從合同簽訂到成功熱負荷試車共計9.5個月，從舊機組停產(chǎn)開始到熱負荷試車共用了45天，創(chuàng)造了無縫鋼管領(lǐng)域同類工程最快投產(chǎn)記錄。

2.2 產(chǎn)品定位

改造后機組定位于Φ48～114.3 mm、壁厚4～14 mm小直徑中高端無縫鋼管的生產(chǎn)，產(chǎn)品包含13Cr、T91、T92等高合金品種。

2.3 生產(chǎn)情況

該工程自2019年7月16日凌晨投產(chǎn)后，歷經(jīng)一個半月，8月陸續(xù)實現(xiàn)日達產(chǎn)和周達產(chǎn)，9月實現(xiàn)月達產(chǎn)，10月生產(chǎn)18 000 t、實現(xiàn)月超產(chǎn)。

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)節(jié)奏

經(jīng)過優(yōu)化控制策略及生產(chǎn)磨合，該機組目前生產(chǎn)穩(wěn)定高效，生產(chǎn)過的產(chǎn)品規(guī)格已覆蓋全設(shè)計范圍，壁厚集中在4～8 mm，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)奏指標均已位于國內(nèi)外同類型機組先進水平之列。

2.4.1 產(chǎn)品質(zhì)量

外觀質(zhì)量方面：產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量大幅度提高，優(yōu)于該廠引進Φ180 mm機組相同規(guī)格產(chǎn)品質(zhì)量。

壁厚精度方面：軋制壁厚6 mm及以下，單截面極差0.3～0.5 mm；軋制壁厚6 mm以上，單截面極差≤0.8 mm。經(jīng)考核驗收實測，軋制代表規(guī)格Φ60 mm×5 mm（對應(yīng)軋后荒管規(guī)格Φ120 mm×5.3 mm）壁厚公差-5%～+6%；軋制代表規(guī)格Φ89 mm×8 mm（對應(yīng)軋后荒管規(guī)格Φ120 mm×7.8 mm）壁厚公差±5%。

2.4.2 生產(chǎn)節(jié)奏

之前單班（連續(xù)12 h）最高生產(chǎn)1 334支，平均節(jié)奏111支/h；目前單班（連續(xù)8 h）最高生產(chǎn)940支，平均節(jié)奏117.5支/h。經(jīng)0.5 h內(nèi)考核實測，軋制26.5 m極限長度荒管（脫管后）平均生產(chǎn)節(jié)奏穩(wěn)定達到120支/h。從軋制周期數(shù)據(jù)分析，對于某一單支鋼管的軋制過程，其周期內(nèi)最短時間已達到28.8 s。

2.5 自動化控制水平

連軋管機改造自動控制系統(tǒng)采用L1+L2級全自動化控制方式，并與車間現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，包括L2工藝控制模型進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理及指導(dǎo)；HMI主操作界面部分軋制參數(shù)靈活可調(diào)，且直觀顯示生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進度、設(shè)備狀態(tài)、主電機溫度、冷卻水條件（壓力、流量）、入口毛管溫度、削尖狀態(tài)、故障提醒等；采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)全方位實時監(jiān)控反饋完整軋制周期內(nèi)的所有動態(tài)信息，全面實現(xiàn)高度自動化控制。

2.6 工模具使用情況

2.6.1 軋 輥

軋輥使用方面，平均壽命可以達到6 000～7 000支（軋制鋼管支數(shù)）。為了提高軋輥使用壽命，采取了一系列措施。

（1）降低了軋制負荷：一方面對吹氮噴硼砂和石墨潤滑的質(zhì)量進行重點研究及控制；另一方面，對連軋管機換輥側(cè)進行換向布置，縮短了穿孔到連軋運輸距離，同時對過程溫降進行嚴格管控、嚴禁低溫軋管。

（2）優(yōu)化了工藝策略：一方面提供充足的冷卻水流量和壓力對軋輥進行強冷；另一方面，改用進口氣動閥對每個軋輥的冷卻水進行單獨間斷控制，響應(yīng)速度快、開閉間隙時間短；在不會冷卻到芯棒表面的時間段內(nèi)，盡量確保冷卻水處于長期工作狀態(tài)，從而保證軋輥充足的冷卻時間。

（3）在保證軋輥尺寸不增加的前提下，優(yōu)化了軸承選型及軋輥裝配結(jié)構(gòu)型式，延長了軋輥裝配的使用壽命。

2.6.2 芯 棒

芯棒使用方面，平均壽命≥1 200支（軋制鋼管支數(shù)），高于同等大小的其他三輥連軋管機組平均水平。為了提高芯棒使用壽命，采取了一系列措施。

（1）降低了限動負荷，這點已在上述提高軋輥壽命內(nèi)容中敘述。

（2）采用了整體結(jié)構(gòu)式芯棒，可實現(xiàn)兩頭軋制操作方式。

（3）采用了芯棒錯位軋制，在工藝控制模型中對芯棒頭部設(shè)置了4個軋制工位，每50 mm一次進階，避免同一根芯棒相同的部位長期遭受磨損，盡量保證磨損均勻性。

3 工程設(shè)計主要亮點

作為一個局部改造工程，受車間內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備布置、總圖空間、工序流程、配管配線等客觀條件的限制，與新建工程相比，設(shè)計需要綜合考慮的因素較多，對精細化設(shè)計的要求也較高?；仡櫿麄€設(shè)計過程，該Φ89 mm連軋管機組改造工程具有以下亮點。

（1）優(yōu)化了軋制中心線標高。原機組方案中，穿孔和連軋兩大主機的軋制中心線標高均為+1 200 mm（相對于+5.0 m平臺），設(shè)計前期，結(jié)合以往多個類似工程的設(shè)計經(jīng)驗，為了最大限度利用舊有平臺，降低施工難度、節(jié)約施工成本和工期，經(jīng)工藝與設(shè)備專業(yè)綜合深入評估，兼顧廠房吊車軌面標高及吊運限制問題，將改造后三輥連軋中心線標高調(diào)整為+1 300 mm，如圖3所示，確保改造后整個芯棒限動循環(huán)冷卻區(qū)的設(shè)備土建標高均不低于0（相對于+5.0 m平臺），這樣只需在舊平臺基礎(chǔ)上澆筑出新的基礎(chǔ)，避免了大部分舊平臺的拆除和重建。

圖3 吊車軌面標高及吊運復(fù)核

（2）采用三維輔助設(shè)計。眾所周知，作為一種高精度、高自動化軋制機組，三輥連軋管機組涉及到機（機械）、電（電氣）、液（液壓潤滑）的配管配線較多，尤其是在熱軋線平臺下方的布置錯綜復(fù)雜，且要求較高（比如液壓伺服系統(tǒng)）。在初期土建方案階段采用三維輔助設(shè)計，重點對原熱軋改造區(qū)域+5.0 m平臺進行三維建模，詳細標注出平臺柱網(wǎng)、上方設(shè)備基礎(chǔ)、下方落地基礎(chǔ)、伸縮縫、鐵皮溝、各區(qū)域底板厚度、梁板立體結(jié)構(gòu)等重要信息（圖4a，c），并結(jié)合類似工程設(shè)計經(jīng)驗，對照補充相關(guān)區(qū)域內(nèi)改造后的初步設(shè)備基礎(chǔ)信息（圖4b），為后續(xù)土建基礎(chǔ)及中間配管配線的設(shè)計優(yōu)化創(chuàng)造條件，特別是為了縮短工期，還要考慮在生產(chǎn)期間可能對大面積改造區(qū)域平臺下的支撐基礎(chǔ)及樁基進行施工開挖，優(yōu)化土建實施方案，從而盡可能地保證設(shè)計進度和設(shè)計質(zhì)量，節(jié)約施工成本。

圖4 熱軋線改造區(qū)域原+5.0 m平臺詳細三維建模

（3）設(shè)計與施工深度融合。該工程施工圖設(shè)計最大的難點集中在連軋管區(qū)域的土建基礎(chǔ)設(shè)計上。圖5所示為改造前后兩種連軋管機的設(shè)備基礎(chǔ)輪廓橫向剖視對照。其中，粗實線代表改造后三輥連軋管機基礎(chǔ)輪廓，粗虛線代表改造前二輥連軋管機基礎(chǔ)輪廓。從圖5可以看出，兩者的基礎(chǔ)相差較大，原二輥連軋管機在主機座區(qū)和換輥側(cè)有幾大片落地基礎(chǔ)，改造后要想構(gòu)建新的連軋管機基礎(chǔ)，需要對原平臺基礎(chǔ)進行大面積拆除和重建，而舊軋機主機部分的基礎(chǔ)又為整塊的落地基礎(chǔ)，拆除起來更困難。為了確保施工質(zhì)量和施工安全，提高施工效率，設(shè)計與施工雙方就基礎(chǔ)特點、負載優(yōu)化、基礎(chǔ)切割及吊裝方式、基礎(chǔ)制作方式、基礎(chǔ)和設(shè)備施工順序等一系列關(guān)鍵點進行了多次溝通融合和施工方案比選，最終決定對該區(qū)域的基礎(chǔ)改造施工采用繩鋸切割法?？紤]到吊車的載重極限，將原軋機基礎(chǔ)進行橫向、縱向、水平分塊線性切割、逐塊吊運，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，光是連軋管機主機部分的兩塊落地基礎(chǔ)就切割了六七十塊。設(shè)計與施工的充分融合，是保證整個基礎(chǔ)施工改造能夠“一步到位”的關(guān)鍵之一。

圖5 新舊連軋管機基礎(chǔ)剖面示意

（4）熱軋過程集中監(jiān)控。在改造設(shè)計過程將環(huán)形爐、穿孔機及三輥連軋管機操作室合并，操作臺綜合考慮，統(tǒng)一布置，同時在操作室內(nèi)布置了關(guān)鍵區(qū)域高清監(jiān)控器，實現(xiàn)了在一個操作室內(nèi)對環(huán)形爐裝出料、穿孔區(qū)域、連軋脫管區(qū)域、毛管橫移區(qū)域、芯棒限動區(qū)域、芯棒冷卻區(qū)域、荒管橫移區(qū)域進行全面集中操作與監(jiān)控，實現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)線的集中管控。

（5）新上線芯棒潤滑前采用在線感應(yīng)加熱。以往傳統(tǒng)的連軋管生產(chǎn)線在芯棒潤滑前多采用加熱爐方式進行成組預(yù)熱（圖6a），而該工程設(shè)計采用芯棒在線中頻感應(yīng)加熱爐（圖6b），對芯棒進行逐支加熱，與上述傳統(tǒng)方式相比，不僅具有投資省、占地少、施工及操作維護簡單、吊運便捷等優(yōu)點，而且由于芯棒預(yù)熱后不需要吊運操作，排除吊運操作過程可能存在時間不可控、操作失穩(wěn)等不確定因素，因而更容易把握芯棒表面的潤滑溫度，為良好的潤滑效果創(chuàng)造有利條件。從工程后續(xù)生產(chǎn)情況來看，該規(guī)格尺寸芯棒表面潤滑效果普遍較為理想。

圖6 芯棒加熱方式

4 改造前后經(jīng)濟社會效益對比

經(jīng)過近半年的生產(chǎn)運營，與改造前相比，機組改造后帶來了一系列顯著的經(jīng)濟社會效益。

（1）成材率。在生產(chǎn)同等品種及規(guī)格的產(chǎn)品的前提下（代表品種牌號20號鋼、代表規(guī)格Φ60 mm×6 mm），成材率由改造前的85%～89%提升到改造后的91%～92%，改造后的成材率指標達到國內(nèi)同類型機組先進水平。

（2）產(chǎn)品表面質(zhì)量。改造前鋼管麻面、劃傷、內(nèi)折、內(nèi)直道、內(nèi)凸筋等內(nèi)外表面缺陷比較嚴重；改造后鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量良好。

（3）壁厚精度。改造前產(chǎn)品壁厚精度普遍在±10%～±12.5%，改造后全產(chǎn)品規(guī)格范圍的壁厚精度基本控制在±5%～±8%。

（4）再加熱爐爐溫。改造后，芯棒循環(huán)方式從半浮動方式變成限動方式，荒管包芯棒時間減少［11-15］，相應(yīng)地軋后荒管溫度較改造前高，從而可節(jié)省下道工序再加熱爐的加熱能耗。經(jīng)實測，改造后再加熱爐每次溫升平均可節(jié)省200℃，可為整個熱軋生產(chǎn)線節(jié)約能耗15%以上。

（5）產(chǎn)品品種。改造前，機組主要以生產(chǎn)低碳鋼、低合金鋼為主；改造后，能夠生產(chǎn)包括T91、13Cr在內(nèi)的眾多高合金鋼品種。

5 結(jié) 語

（1）連軋管特別是三輥連軋管技術(shù)將是淘汰落后產(chǎn)能、實現(xiàn)無縫鋼管行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要發(fā)展方向，市場前景廣闊。

（2）該Φ89 mm連軋管機組改造工程建設(shè)總工期9.5個月，施工安裝調(diào)試工期45天，2個月實現(xiàn)月達產(chǎn)；軋制品種、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品精度等方面在投產(chǎn)4個月即達到了預(yù)期目標，并順利通過驗收，其高效率、高質(zhì)量的表現(xiàn)為行業(yè)同類型機組的改造建設(shè)樹立了標桿。

（3）該Φ89 mm連軋管機組改造工程在設(shè)計、施工建設(shè)、投產(chǎn)運營各個階段都具有獨特亮點和特色，改造后經(jīng)濟社會效益顯著，為小直徑無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)改造和行業(yè)升級起到了很好的示范性建設(shè)作用。