馮世云

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

芯棒是無縫鋼管連軋管機組的核心部件，與軋輥共同作用將穿孔后毛管軋制成無縫鋼管［1-3］。芯棒作為無縫鋼管生產(chǎn)過程中重要的熱變形工具之一，其表面質(zhì)量直接影響到鋼管的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量。芯棒的制作成本較高，提高芯棒的使用壽命，可以大幅度降低生產(chǎn)成本［4-5］。這里就連軋芯棒表面環(huán)形傷形成原因進行分析并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 原因分析

某鋼管連軋現(xiàn)場出現(xiàn)的芯棒表面環(huán)形傷如圖1所示。芯棒表面環(huán)形傷形成原因可能有以下幾種：

圖1 連軋芯棒環(huán)形傷示意

（1）循環(huán)區(qū)設(shè)備磕碰。在循環(huán)區(qū)出現(xiàn)芯棒表面環(huán)形傷可能的原因是芯棒橫向移動過程中由其他設(shè)備磕碰所致。

（2）脫管機軋制中心線與連軋管機軋制中心線不在一條直線上。原因可能是由于安裝原因?qū)е旅摴軝C軋制中心線與連軋管機中心線不在一條直線上，脫管時管子將芯棒糾偏，拋鋼后芯棒被旋轉(zhuǎn)的軋輥撞擊，造成芯棒磨損。

（3）芯棒支撐裝置支撐輥閉合時間不合理。原因可能是芯棒支撐裝置閉合支撐芯棒較晚，連軋管機拋鋼后，沒有及時支撐芯棒且相鄰芯棒支撐裝置的間距較大，芯棒下?lián)?，芯棒被旋轉(zhuǎn)的軋輥撞擊，造成芯棒磨損。

（4）芯棒支撐裝置結(jié)構(gòu)不合理。芯棒支撐裝置的3 個支撐輥采用一連桿機構(gòu)控制其閉合及打開，3 個支撐輥閉合后其確定圓的圓心與軋制中心線同心，但其由打開位至閉合的過程中，底部支撐輥先接觸下?lián)希ㄏ噜徯景糁窝b置的間距較大）的芯棒，將芯棒扶正后左右兩支撐輥才會接觸芯棒。底部支撐輥采用弧面輥，在芯棒被扶正至軋制中心線的過程中側(cè)滑并撞擊旋轉(zhuǎn)的軋輥，造成芯棒磨損。

（5）拋鋼后軋輥的控制工藝不完善。若上述芯棒4 處環(huán)形傷是軋輥磨損芯棒所致，成本最低的就是增加電氣控制程序，使軋輥拋鋼后遠離芯棒。

2 逐項分析原因及對應(yīng)整改措施

（1）檢查循環(huán)區(qū)芯棒橫向移動時的支撐點間距。從現(xiàn)場測得芯棒環(huán)形傷間距，與循環(huán)區(qū)幾處可能磕碰芯棒的橫移設(shè)備間距對比，發(fā)現(xiàn)尺寸不符，得出結(jié)論：不是循環(huán)區(qū)設(shè)備磕碰產(chǎn)生。

另外，對比環(huán)形傷間距與連軋管機機架間距，發(fā)現(xiàn)尺寸基本相符，由此得出結(jié)論：軋輥摩擦芯棒導(dǎo)致芯棒表面出現(xiàn)擦傷，多次軋制后出現(xiàn)環(huán)形傷。

（2）采用高精尖儀器檢測脫管機與連軋管機軋制中心線偏離關(guān)系。采用激光跟蹤測量系統(tǒng)（Laser Tracker System）測量脫管機軋制中心線是否與連軋管機軋制中心線在一條直線上［6］，此設(shè)備不需要制作其他輔助工具就能完成測量，不會產(chǎn)生由輔助工具造成的偏差，且精度高，脫管機各定位塊距連軋管機軋制中心線的距離的標準名義值為450 mm，激光跟蹤測量系統(tǒng)測量脫管機定位塊距連軋管機軋制中心線的距離，其結(jié)果見表1。

表1 脫管機定位塊距軋制中心線的距離及其與標準名義值的偏差 mm

由表1 可知，脫管機偏離連軋管機中心線4.934～6.794 mm，由于脫管機已二次灌漿，只能修磨其定位塊，將脫管機軋制中心線與連軋管機中心線偏差調(diào)至可接受范圍［7］。

（3）根據(jù)軋制規(guī)格動態(tài)控制芯棒支撐裝置的支撐輥閉合時間。

芯棒出現(xiàn)環(huán)形傷，可能是芯棒支撐裝置的支撐輥閉合太晚，在連軋管機拋鋼后芯棒前進、停止及返回時，在芯棒支撐裝置的支撐輥未閉合前，芯棒下?lián)喜⒉涞杰堓仯瑢?dǎo)致芯棒表面出現(xiàn)擦傷，這可能是由于芯棒支撐裝置閉合選取信號及延時不合適所致。經(jīng)仔細分析研究，結(jié)合設(shè)備布置間距，程序按軋制規(guī)格精確計算管子在連軋管機各機架的速度及時間，芯棒支撐裝置閉合時間采用動態(tài)控制，做到管子剛經(jīng)過各芯棒支撐裝置時支撐輥即閉合?，F(xiàn)以Φ189 mm 芯棒軋制壁厚4.5 mm 鋼管舉例說明，毛管的入口速度約為1 500 mm/s，毛管的出口速度為5 000 mm/s，連軋管機各機架間管子的運行速度［8-9］計算值見表2，連軋管機各機架坐標及拋鋼時間見表3。

表2 連軋管機各機架間管子的運行速度計算值 mm/s

表3 連軋管機各機架坐標及拋鋼時間

由表2 可知，芯棒支撐裝置1 位于軋制機架2后，當(dāng)軋制機架2 發(fā)出拋鋼信號后，芯棒支撐裝置1 閉合，從軋制機架2 發(fā)出拋鋼信號至芯棒支撐裝置1 閉合到位用時0.5 s，實際上這時管子尾部已至軋制機架4，軋制機架1 的選取信號不晚，軋制機架1 和軋制機架2 的軋輥不會磨到芯棒，此點正好與現(xiàn)場吻合。

芯棒支撐裝置2 位于軋制機架4 后，當(dāng)軋制機架4 拋鋼后，芯棒支撐裝置2 閉合，從軋制機架4拋鋼信號至芯棒支撐裝置2 閉合到位用時0.5 s，實際上這時管子尾部未至軋制機架6，此時所有機架的軋輥也不會磨到芯棒。

芯棒支撐裝置3 位于軋制機架6 后，當(dāng)軋制機架4 拋鋼后，芯棒支撐裝置3 延時閉合，做到毛管剛經(jīng)過芯棒支撐裝置3 時支撐輥剛好閉合，確保所有軋制機架的軋輥不會磨到芯棒。

（4）從力學(xué)角度動態(tài)分析，最終更改下支撐輥結(jié)構(gòu)及控制。芯棒在齒條夾持頭內(nèi)間隙可活動，可簡化視為鉸接點。連軋管機入口處有一芯棒支撐輥，底部支撐芯棒，但無法限制芯棒上翹。連軋管機內(nèi)共設(shè)3 個芯棒支撐裝置，分別設(shè)置在軋制機架2 和軋制機架3 之間，軋制機架4 和軋制機架5 之間及軋制機架6 之后［10-14］。芯棒各支撐或限位點坐標見表4。

表4 芯棒各支撐或限位點坐標 mm

支撐裝置的3 個支撐輥采用一連桿機構(gòu)，由一個液壓缸控制其打開及閉合［15］，3 個支撐輥將芯棒固定在軋制中心線上，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 芯棒支撐裝置結(jié)構(gòu)示意

但連軋管機出口輥道為固定式，當(dāng)芯棒與管子分離后，芯棒就好似一懸臂梁，會下?lián)希景舻牧W(xué)簡化模型如圖3 所示。

圖3 芯棒的力學(xué)簡化模型示意

在芯棒支撐裝置中心的斷面上，芯棒中心偏離軋制中心線靠下。芯棒支撐裝置閉合時，下支撐輥先接觸芯棒，此時上面兩個支撐輥還未接觸芯棒（研究此瞬間），因相鄰芯棒支撐裝置距離大，此時將芯棒斷面看成自由體。下支撐輥的力學(xué)簡化模型如圖4 所示。

圖4 下支撐輥的力學(xué)簡化模型示意

圖4 中，芯棒在下支撐輥給芯棒的力F（與接觸點至轉(zhuǎn)軸的線段垂直）和芯棒重力mg（過中心點垂直向下）的作用下，芯棒必然朝著支撐輥面較低的一側(cè)滾動，芯棒中心偏離軋制中心線，導(dǎo)致芯棒蹭到旋轉(zhuǎn)的軋輥，造成芯棒磨損。

上述簡化模型中將芯棒斷面看成自由體，實際上芯棒尾端受限，芯棒在芯棒支撐裝置的斷面處不一定是滾動，也可能是滑動，滾向或滑向支撐輥面較低的一側(cè)，被旋轉(zhuǎn)的軋輥蹭到，造成芯棒磨損。

整改措施：下支撐輥采用V 形輥，與其余兩個支撐輥分開控制，芯棒在扶正的過程中，只能是直線向上運行，不會向左右兩側(cè)偏移，整改后的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 整改后的芯棒支撐裝置的力學(xué)簡化模型示意

（5）控制理論創(chuàng)新增加芯棒躲避功能。因連軋管機軋輥采用電液伺服系統(tǒng)控制，其輥縫的控制是由液壓伺服系統(tǒng)來完成的［16-19］。為了避免軋輥撞擊芯棒，連軋管機電氣控制開發(fā)出芯棒躲避功能，就是各機架在拋鋼的一瞬間，軋輥打開一定距離，即使芯棒下?lián)?，旋轉(zhuǎn)的軋輥也不會蹭到芯棒，待芯棒返回后，軋輥再回復(fù)至軋制位。未使用芯棒躲避功能的軋輥位置曲線與使用芯棒躲避功能時的軋輥位置曲線如圖6～7 所示，曲線表明拋鋼后軋輥的位置變動。

圖6 未使用芯棒躲避功能的軋輥位置曲線

圖7 使用芯棒躲避功能后的軋輥位置曲線

3 結(jié)語

通過以上設(shè)備及控制系統(tǒng)整改后，生產(chǎn)線采用新芯棒軋制，持續(xù)運行沒有再產(chǎn)生類似的芯棒環(huán)形傷，整改費用少且完美解決了問題，大幅提高了芯棒的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。電氣系統(tǒng)中增加芯棒躲避功能提升連軋控制水平的方法，值得推廣。