芯棒輾軋機在CPE 機組中的應用及布置

石虎珍 張海軍 季明明

(中冶京誠工程技術有限公司 北京100176)

1 前言

芯棒輾軋機是隨著頂管機組的出現發展起來的［1］，為頂管機組中的重要生產設備，目前國內的CPE 頂管機組均配置有芯棒碾軋機。其作用在于采用二輥斜軋的方法對芯棒表面進行重復輾軋加工，既可減少芯棒切削加工帶來的損耗，又可使芯棒表面得到強化。芯棒輾軋時，芯棒做螺旋運動，一邊旋轉一邊前進通過軋輥完成輾軋過程。

芯棒為CPE 機組中最重要的生產工具之一，一般為整體實心結構，材質為H11 或H13。在頂管生產過程中，頂桿推著預穿好毛管的芯棒逐一通過輥模，完成軋制。芯棒再經松棒、脫棒、冷卻、潤滑等工序后再次穿入毛管，循環使用。在使用過程中，芯棒不僅承受較高的壓力和摩擦力，同時還承受頻繁的冷熱沖擊［2］。如果芯棒出現表面剝落、開裂等情況，會影響荒管的內表面質量，因此芯棒使用一段時間后需要進行輾軋處理和表面熱處理，以改善表面質量，減少芯棒直徑差，減少由于芯棒磨損而產生的荒管壁厚誤差。

實際生產中20 ～25 根芯棒為一組，一組芯棒生產1萬根鋼管左右之后需進行收集修復，輾軋為修復過程的一個重要環節。輾軋頻率根據生產過程中軋制的鋼種和生產情況調整。

2 輾軋機的結構形式

1)現有CPE 機組中輾軋機的主體結構基本相同，軋機本體由機架裝配、軋輥裝配、導輥裝配、側壓下裝配及導筒等組成。芯棒的壓下量由兩側軋輥的側壓下機構調整。軋輥為鼓形輥(圖1a)，輾軋帶寬度一般都在100mm 以上。輾軋機一般為臥式布置，軋輥沿軋制線方向左右布置，并帶有一定的傾角，軋輥由兩臺電機分別傳動，傳動裝置分別布置在輾軋機的出入口，根據空間分布在軋制線的兩側。在機架的上下兩側布置有導輥，用來支撐輾軋中的芯棒，如圖1b、c。另外輾軋機的出入口一般還設置有導衛裝置。

2)芯棒輾軋機是以芯棒中心定位的，如果生產中更換芯棒規格或更改軋制壓下量時，需提前調整好軋輥、前后輥道及導衛裝置的位置。

圖1 輾軋布置示意圖

3)輾軋機的前后輔助設備主要有V 型升降輸送輥、輾軋時支撐芯棒的托輥或導槽、抱筒等，主要有兩種布置型式:

(1)V 型輸送輥與升降旋轉托輥，托輥偏轉一定的角度;

(2)升降輸送V 輥與導槽，V 輥偏轉一定的角度。

4)輾軋前需檢查軋輥及導衛的磨損情況，調整工作面的高度，使輾軋中心線不變;輾軋壓下量范圍一般為0 ～0.4mm，直徑最小的芯棒取壓下量為0。輾軋后需檢查芯棒表面質量，表面不應有劃傷、結疤等缺陷，發現周期性結疤，應立即停車檢查輾軋輥、導筒、導槽是否粘鋼、掉肉和破損，并迅速處理。

3 輾軋機的兩種工藝布置方式

1)在CPE 機組中輾軋機一般都布置在生產線的芯棒循環區域中，屬于連線設備，根據其是否在屬于芯棒循環線上區域，分為兩種布置方式:

(1)方式A:芯棒循環區域外布置，與芯棒預熱爐配合使用，可與芯棒輔助加工設備集中布置在一起，見附圖2(簡稱為離線布置)。芯棒成組使用一段時間后集中起來在預熱爐中加熱后，通過輾軋機輾軋芯棒表面;

(2)方式B:芯棒循環區域內布置，結合頂管生產節奏使用，見附圖3(簡稱為在線布置)。在生產中接到工藝師通知后對芯棒進行輾軋，否則，芯棒在輾軋機中空過。因生產故障而使芯棒溫降過大，不進行輾軋。結合生產過程輾軋一段時間后，如果芯棒需要整合時，則需結合生產檢修計劃，配合芯棒預熱爐集中輾軋處理。

圖2 輾軋機在芯棒循環區域外的布置圖

圖3 輾軋機在芯棒循環區域內的布置圖

2)目前CPE 機組中輾軋機的布置因建廠條件不同，上述兩種方式均有，各有一定的優劣。從以下幾個方面進行分析:

(1)設備配置:方式A，輾軋節奏不需要與熱軋節奏匹配，只需在預熱爐中加熱至一定的溫度就可生產，軋制速度較低，0.1 ～0.3m/s。方式B 中輾軋機與軋制速度匹配，速度為1.0 ～1.5m/s，而提高速度的方法主要有增大軋輥直徑、提高軋輥轉速、增大送進角等，從而使軸向滑移系數增大。同時由于速度的提高，前后臺設備需增加安全抱筒，防止芯棒甩動幅度過大。相應地，整體重量隨之增加，同時電機功率成倍增加。

(2)區域布置:方式A 中輾軋機布置在芯棒循環區域外，相對獨立，不與其它設備干涉;方式B 中輾軋機區域設備相對集中，設備基礎、操作裝置、流體系統、管線敷設、檢修與人行通道等的布置錯綜復雜，不便于日后的維護與檢修。

(3)電氣控制方面:方式B 須與其它設備配合生產，需多配置一部分在線檢測元件、控制元件、操作箱等，在控制和與上下游工序的銜接方面稍復雜一些。

(4)生產管理方面:方式A 不影響正常生產，芯棒運行一段時間后集中下線統一管理。方式B 在生產時需設置操作崗位，判斷芯棒是否需要輾軋，壓下量是多少，以及如何調整。相對來說方式B 對生產管理要求較高，需有豐富的生產管理經驗。熟悉生產過程中各工序的動作過程，了解各設備的運行狀況，才能統籌好生產時間與檢修時間，在不影響正常生產的情況下處理好需要輾軋的芯棒。

(5)對操作工的要求:如果壓下量和軋輥傾角不合適的話，方式A 允許操作工有一定的時間去調整。而方式B要求操作工應能快速準確的調整，實時性較強，不太熟練的操作工需有一段時間的生產經驗累積才能做到。

(6)物流方面:由于芯棒的長徑比值較大，吊運時兩端會下垂，并會隨著吊車的運行在水平面和垂直面內擺動，而吊車工視野有限，坐在司機室很難顧全到芯棒會觸碰干涉到的毛管橫移車、操作室、預熱爐、管道等所有設備，須有專人配合吊運。對比平面圖可知，對于同一組芯棒，方式B比A 減少了部分下線收集和再上料的吊運過程。根據芯棒的單根重量與吊車的起吊重量，每組芯棒需要吊運約3 ～4次，來回需要6 ～8 次。方式B 在很大程度上減少了一部分現場安全隱患，也在一定程度上保證了物流的順暢。

(7)運行成本:方式A 中輾軋速度較低，按平均0.2m/s 計算，以軋制20m 的芯棒為例需要軋100s，較長時間的溫降使得芯棒加熱的溫度需要提高，需重新加熱至700 ～850℃，每次加熱需要約1.5h，根據芯棒的根數可估算出輾軋時間，根據生產過程可得到燃氣的年耗量。而方式B 利用了芯棒的余熱直接在線輾軋，不完全需要通過預熱爐重新加熱，從而可節省了一筆運行成本。但B 中輾軋機本身功率增大，電能消耗也增加了。

綜上所述，兩種布置方式各有優劣:

方式A(離線):一次性投資低，操作簡單，及時性差，運行成本較高。

方式B(在線):一次性投資高，操作復雜，實時性強，運行成本較低。

用戶可根據自身情況設置各項條件的權重系數，綜合得出適宜的布置方式。

4 結論

CPE 機組在生產小無縫鋼管方面有諸多優勢，并且投資不大，產能規模適中，是新建小型無縫管機組/改造穿孔+冷拔無縫鋼管機組的理想機型［3］，受到了人們越來越密切的關注，其中芯棒循環區域的布置不可小視，尤其需要注意輾軋機與前后臺輔助設備的匹配，包括輥道的偏轉角度、偏轉方向、軋輥的傾角等。在實際建設活動中，新建機組不可避免地會受到占地面積、資金成本、人員配置等多方面因素的影響，還需綜合考慮芯棒輾軋機的布置方式。

［1］金如崧. 無縫鋼管百年史話［M］. 北京:冶金工業出版社.

［2］符涓，康志勇.φ114mmCPE 機組軋制節奏與產能整合的研究［J］. 鋼管學會五屆五次年會論文集，229－242.

［3］張海軍等.CPE 機組生產小規格無縫鋼管的技術優勢［J］.冶金設備，2012 特刊(1):30－33.