大口徑厚壁鋼管熱模法離心鑄造機的設計與應用

習 杰

(新興河北工程技術有限公司,河北邯鄲市 056017)

大口徑厚壁鋼管熱模法離心鑄造機的設計與應用

習 杰

(新興河北工程技術有限公司,河北邯鄲市 056017)

詳細介紹了采用熱模法離心鑄造厚壁鋼管坯的設計思路，以及該機主要機構（等量澆注裝置、主機、推管機構等）的設計。

鑄鋼管；離心鑄造機；設計

1 概述

大口徑厚壁鋼管應用于高溫高壓及腐蝕性工況，其組織性能要求較高，不僅坯料的冶煉鑄造要求嚴格，而且必須經(jīng)過均勻充分的塑性變形。目前世界上僅有為數(shù)不多的幾家跨國鋼鐵公司具備生產能力，所采用的工藝分為三種：

（1）周期軋制方法 其基本工藝路線為：連鑄坯加熱—壓力穿孔—延伸—周期軋制—鋸切夾持端頭—二次加熱—矯直—精整定徑。其產品規(guī)格范圍多為外徑小于?400mm、壁厚50mm以內。該工藝存在著工藝路線長、無法生產大口徑規(guī)格、多次加熱能耗高、材料收得率低的缺點。該工藝在工業(yè)發(fā)達國家已面臨淘汰。

（2）穿孔—拔伸方法 其工藝路線為：鑄錠加熱—立式穿孔—二次加熱—多環(huán)模拔伸—熱處理—內外機加工—精整。由于環(huán)模拔伸時材料與模圈間的熱粘性強力摩擦，管身尺寸精度、內外圓同心度誤差大，需通過較大切削量才能得到成品，材料利用率低，能耗偏高，僅能生產塑性較好的材質。目前應用此工藝的有德國曼內斯曼、日本住友，我國的武漢重型鑄鍛廠于1996年經(jīng)技術改造引進了此種工藝。

（3）熱擠壓方法 大口徑鋼管采用熱擠壓僅有美國的威曼—高登，其工藝路線為：鑄錠加熱—沖孔—擠壓—精整。該工藝建立在美國航空工業(yè)巨大投資興建的超級擠壓機基礎上，其產品成本較高。目前在大口徑厚壁鋼管領域與曼內斯曼同處于壟斷地位。

針對上述各工藝存在的不足，新興鑄管有限公司自2006年開始，沿著“離心鑄造空心鋼管坯-擠壓和徑向鍛造”的工藝路線，全面展開了鋼管坯離心鑄造和擠壓、徑鍛、熱軋制成型的試驗，截至目前，主要工藝環(huán)節(jié)已經(jīng)得到充分驗證，還多次組織行業(yè)專家、教授和工程院院士舉行技術研討會并得到一致肯定和支持。采用這一新的工藝路線，通過離心鑄造能獲得組織優(yōu)良、尺寸精確的空心管坯，不僅坯料質量高，還省去了以上各生產方法中必須具備的穿孔工序和設備，直接進入產品最終熱成型，無需二次加熱；無論擠壓還是徑向鍛造，其產品精度較高，先進的成型工藝能滿足各種塑性材質的要求，產品的縱向、橫向力學性能一致性超過現(xiàn)有其它工藝，材料綜合收得率達到較高水平。經(jīng)過進一步試驗和工序完善，該工藝路線已具備規(guī)模生產條件，產品口徑可突破700mm、壁厚可達100～150mm，所生產的大口徑厚壁鋼管產品不僅能滿足能源、石化等行業(yè)的巨大需求，而且與進口產品相比具備質量和成本的雙重優(yōu)勢。

2 熱模法鑄鋼管離心鑄造機的設計

鋼管坯較之球墨鑄鐵管具有較大差異，鋼管坯管壁較厚（≥80mm），材質多樣（不銹鋼、21CrMo10、20G、30CrMo等），長短不一（長度有 1200mm、2400mm、3200mm、6000mm），直徑范圍大（DN220～DN770），產品的多樣性使得離心機的設計在結構和控制方面增加很大難度。我們根據(jù)多年設計經(jīng)驗和生產實踐，根據(jù)產品自身特點，結合球墨鑄鐵管離心鑄造機的設計特點，在多個方面進行改進設計；同時根據(jù)管徑大小和生產節(jié)奏的要求，我們將離心機設計為單工位熱模法離心機和雙工位熱模法離心機兩種形式（圖1）。

由于鑄鋼管坯產品的自身特點以及澆注工藝要求，對離心鑄造機的設計提出四個方面的要求：

（1）能滿足不同規(guī)格，不同長度產品的澆注；

（2）在澆注過程中，離心機參數(shù)（主機轉速、澆注速度等）實時控制、調整；

（3）為保證澆注溫度，在減少倒換澆包的同時實現(xiàn)等量澆注，保證鋼管坯成型質量；

（4）提高離心機生產節(jié)奏。

2.1 澆注裝置

為較少溫度散失，并保證成型管坯壁厚均勻、組織穩(wěn)定，在此次設計中我們采用了鋼包等量澆注裝置（圖2），即鋼液從電爐倒入鋼包后，不再進行倒換包，直接吊裝在澆注裝置上，快速固定后翻包澆注。該裝置的設計核心點在于如何實現(xiàn)鋼包的等量澆注。因為普通鋼包形狀與澆注扇形包完全不同，隨著翻轉角度的變化，更難以實現(xiàn)等量澆注。實現(xiàn)這一功能，實際上是針對等速板的精確設計。我們利用有限元法進行數(shù)據(jù)分析，自動生成曲線，并采用ADAMS軟件進行仿真，將鋼包翻轉過程進行全程模擬（圖3），最終完成了等速板的設計，從而實現(xiàn)這一功能。

2.2 離心主機

為方便參數(shù)的實時調整，離心主機的驅動采用直流調速電機，由PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)澆注過程中速度的變化，同時實現(xiàn)澆注速度、澆注時間、鋼液溫度等參數(shù)的采集監(jiān)視與歷史數(shù)據(jù)查詢。另外，由于管坯直徑在較大范圍變化，且長度尺寸也有多個規(guī)格，因此設計托輪機構在徑向、軸向都能夠調整（圖4）。

2.3 推管機構

由于鋼管坯管壁厚且多為直管，在出管機構上我們沒有采用復雜的拔管機構，而是設計了操作方便、維修簡單、成本較低的銷齒傳動的推管機構。銷齒傳動屬于齒輪傳動的一種特殊形式。由于銷輪的輪齒是圓銷形，故與一般齒輪相比，它具有結構簡單、加工容易、造價低、拆修方便等優(yōu)點。銷齒傳動適用于低速、重載的機械傳動和粉塵多、潤滑條件差等工作環(huán)境較惡劣的場合，傳動效率在90%以上。銷齒傳動的特點比較適合鑄造現(xiàn)場使用情況。

為了提高生產效率，同時盡量降低設備制造成本，在該機構的設計上真正實現(xiàn)了一機多能，即機構同時具備推管、噴涂、清理三種功能（圖5）。

2.4 控制系統(tǒng)的恒重力系數(shù)控制和自動數(shù)據(jù)采集

鋼管坯管壁相對較厚（50～120mm），在澆注過程中內外表面重力系數(shù)相差較大，會造成管坯凝固不均的現(xiàn)象。因此，在澆注過程中，要求管模轉速隨著澆注的管坯壁厚進行調整，保證成形管坯的重力系數(shù)內外壁基本一致。電氣控制系統(tǒng)經(jīng)過兩方面的設計完成了工藝要求，在生產過程中達到較好的效果。

2.4.1 硬件系統(tǒng)保證多點監(jiān)控

通過多點數(shù)據(jù)的信息反饋，自動調整澆注過程中工藝參數(shù)，保證鋼管質量。例如，通過檢測管模轉速控制液壓傳動轉速來保證恒重力系數(shù)澆注。監(jiān)控數(shù)據(jù)包括管模轉速、管模內外溫度、澆注重量等。

上位管理計算機系統(tǒng)完成對整個澆鑄系統(tǒng)的監(jiān)視和操作、歷史數(shù)據(jù)存檔，是控制系統(tǒng)主要的人機界面；二個顯示屏分別顯示澆鑄速度和澆鑄重量。

2.4.2 系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)多畫面顯示

為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，通過軟件的組態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)工藝畫面、報警畫面顯示，不同畫面的切換。文本框顯示離心澆鑄時各種運行的實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)。采用對話框完成了參數(shù)設定。

3 熱模法鑄鋼管離心鑄造機的現(xiàn)場應用

在正式進行離心鑄造機的設計之前，我們先按照設計思路設計了一臺試驗機，在半年的使用中，對試驗機進行了各方面改進，使其逐漸滿足各種工藝要求，因此在進行生產性設計時，我們根據(jù)試驗情況進行了總結，避免了彎路，設備的使用基本上能夠很好的滿足生產的需要。

根據(jù)車間布局情況及生產效率要求，我們設計了兩種布局的離心機機型：單工位離心機適用于DN300mm以下長度較短的小口徑鋼管坯；DN300～700mm直徑，長度在3000～6000mm的鋼管坯在雙工位離心機上生產。兩種機型的設備結構原理相同，只是布局上有所改變。目前，離心機使用情況良好，已生產了不銹鋼復合管坯、20CrMo10、20G等多種材質管坯，產能已達到了生產要求，管坯產品性能組織良好，各方面檢測均達到了標準要求。

Design and Application of A Centrifugal Casting Machine with Hot Die for Large Caliber Steel Pipt with Thick Wall

XI Jie
（Xin Xing Hebei Engineering Technology Co.Ltd.,Handan 056017,Hebei China）

Design idea of a centrifugal casting machine with hot die for large caliber steel pipt with thick wall has been introduced in details with design of the main equipment such as pouring device with dosing device,main machine and pipe ejector etc.,hence a typical instance of application of centrifugal casting technology on forming of pipe with thick wall.

Casting steel pipe；Centrifugal casting machine；Design

TG249．4;

A；

1006－9658（2011）03－3

2011－01－05

2011－002

習杰（1973-），女，高工，長期從事離心球墨鑄鐵管裝備的設計與開發(fā)，以及鑄鐵管及管件標準化工作