20 MN擴孔機出料機械手的優化改造

李樹偉，王志永，張康鵬，龐瑞福

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030003）

20 MN擴孔機出料機械手的優化改造

李樹偉，王志永，張康鵬，龐瑞福

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030003）

從硬件、軟件和工藝特點等3方面對20 MN擴孔機出料機械手進行改造，并對其速度和角度進行優化。改造后的使用效果表明：將出料機械手的旋轉方向逆向旋轉90°，基本消除了感應爐“頂爐”事故的發生，降低了感應爐的內襯消耗，使內襯的使用費用從100元/t降低到45元/t，提高了感應爐加熱坯料溫度的均勻性和擠壓成材率。

不銹鋼管坯；擴孔機；感應加熱爐；內襯；出料機械手；旋轉方向；改進；成材率

山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司（簡稱太鋼不銹）進口的20 MN（2 000 t）擴孔機，主要用于將坯料內孔擴大到實際擠壓所需范圍，最大擴孔力為25 MN，最大擴孔速度為300 mm/s；其動作控制由比例液壓系統和電氣控制系統組成，動作部件主要由穿孔梁、鐓粗梁、頂料桿、封堵缸、上料機械手、出料機械手等組成。在擠壓生產工藝中，感應爐作為主要加熱設備，主要負責為擴孔機和擠壓機提供加熱合格的坯料。在不銹鋼鋼管的感應爐加熱過程中，坯料在線圈中產生渦流從而實現能源的轉換（電能轉化成熱能），通過熱傳導使坯料變熱，加熱溫度區間為1 160～1 280℃［1-3］；為了延長線圈中耐火材料的壽命，一般線圈內壁都安裝有厚度不等的內襯作為保護層［4］。在理想狀態下，待內襯安裝后，坯料處于線圈的中心位置，與內襯有2～5 mm的間隙，不損傷內襯，但是內襯一旦卷曲或破裂必須更換。因此，提高感應爐內襯的使用壽命是優化擴孔機出料機械手的一個重要目的。

1　擴孔機出料機械手介紹

擠壓生產線的工藝流程是：坯料鋸切→鉆孔→倒角→清洗→環形爐預熱→一次感應爐加熱→玻璃粉潤滑→擴孔→出料→高壓水除鱗→二次感應爐加熱→玻璃粉潤滑→擠壓成型→入水固溶→荒管檢驗等［5］。其中，出料機械手是擴孔機的主要部件之一，負責將擴孔完成后的坯料從擴孔筒內取出，并將坯料由垂直狀態變成水平放置狀態，然后將坯料放在下部的輸送輥道上，運輸至二次感應爐加熱［6］。

圖1所示為擴孔機出料機械手的結構示意。其中，擴孔機出料機械手安裝在固定支架上，支架安裝在輥道上部，出料機械手主要依靠行走電機驅動其在支架軌道內橫向移動，依靠擺升液壓缸來實現上下運動（縱向移動），依靠上部的齒條齒輪嚙合實現旋轉運動，所有動作的位置由限位開關來實現電氣自動化控制。為了保證坯料的安全運輸，在出料機械手上安裝有一副夾爪，夾爪的夾緊和放松依靠液壓缸實現，同時為了保護出料機械手上的液壓膠管和電纜不被燒毀，特安裝有一塊含有耐火材料的防護罩。

圖1　擴孔機出料機械手結構示意

2　擴孔機出料機械手改造前狀況

按照現有的工藝流程，擴孔機出料機械手主要用于將擴孔后的中空坯料輸送給感應爐加熱，然后再運輸給擠壓機擠壓成荒管。目前一些延伸系數大（≥1.3）的規格產品在擴孔后存在頂部（自由端）傾斜的現象［7］，這種坯料進入后續工序時會帶來以下影響。

（1）頂部傾斜損壞感應爐線圈內襯。太鋼不銹的感應爐為立式結構，感應爐線圈的底部安裝有頂升液壓缸機構。圖2所示為改造前坯料進入感應爐的位置示意。坯料擴孔后自由端朝前被輥道運輸至感應爐加熱，由于頂升液壓缸機構的端面為平面，當頂升液壓缸機構將坯料頂起并送入線圈進行加熱時，坯料的自由端朝下，在升起的過程中，因坯料頂部傾斜極易造成線圈內襯的卷曲、折疊和劃傷，降低了內襯的使用壽命；而頻繁的更換內襯又減慢了整條生產線的生產節奏，增加了檢修成本。

圖2　改造前坯料進入感應爐的位置示意

（2）發生“頂爐”事故。如果擴孔后坯料的傾斜度過大（超過45°），坯料極有可能直接頂歪線圈，發生“頂爐”事故，致使感應爐設施損毀（如支撐架彎曲、水冷電纜漏水、上帽水管斷裂等）［8］。一次“頂爐”事故處理的時間長達50 min，嚴重影響連續生產作業率的提高，增加維修成本。

（3）加熱不均勻。坯料在感應爐中加熱時，由于底部傾斜，坯料不能完全直立在感應爐內線圈中央，影響了坯料加熱溫度的均勻性和加熱效率，按照設定的溫度加熱測量后，坯料圓周方向溫度與橫向溫度相差約90℃［9］。選用加熱溫度不均勻的坯料進行擠壓生產時，其產品質量不穩定，且坯料與內襯的直接接觸也會降低內襯的使用壽命。

3　擴孔機出料機械手的優化改造

在保證現有產品結構的前提下，為了克服上述問題對現場生產效率和工藝質量、設備維修的制約，減少“頂爐”事故的發生，根據擴孔機出料機械手的動作原理，結合現場生產工藝需求，從以下幾方面對出料機械手進行優化和改造。

3.1出料機械手旋轉方向改造

20 MN擴孔機的出料機械手由德國西馬克公司設計制造，太鋼不銹為了實現出料機械手在原有基礎上實現逆向90°的旋轉，對部分零部件的位置、型號和管路做了改造：重新調整了出料機械手控制液壓缸的12根高壓軟管的位置及布線，更改了旋轉運動的驅動機構齒輪齒條的嚙合位置點，并作標記以確保在90°±5°之內，同時改變了行走電機的接線布局、限位開關、位置檢測開關等信號裝置，重新安裝了每個停止點和減速點的限位開關等4處位置［10］。改造和增加的零部件有：

（1）4WE 6 E62/EG24N9K4型三位四通電磁換向閥；

（2）Z2FS 6-2-44/1Q型雙路節流單向閥；

（3）AD3E16EM型兩位四通電磁換向閥；

（4）AM3RDPIC型壓力順序閥；

（5）液壓閥采用NG6矩形密封圈密封；

（6）接近開關4個；

（7）齒輪齒條1組；

（8）規格為50/36 mm×50 mm的坯料頂推缸2個。

圖3所示為出料機械手改造前后的旋轉方向，藍色箭頭所指方向為改造前的旋轉方向，紅色箭頭所指方向為改造后的旋轉方向；圖4所示為改造后出料機械手旋轉方向現場照片。從圖4可以看出：出料機械手所夾持的坯料端面平整，平端面朝前，自由端朝后。

圖3　改造前后旋轉方向示意

3.2優化出料機械手旋轉速度和角度

改造前，出料機械手旋轉角度的控制主要依靠限位擋塊和限位開關來實現，角度旋轉范圍為0～90°（偏差±5°）。改造過程中，在齒輪軸上新增加一個絕對值數字編碼器（圖5所示），可實現出料機械手旋轉角度的精確控制［11］；同時，為了保護限位檔塊，并降低齒軸的磨損程度，將原先控制旋轉液壓缸動作的普通換向閥更換為比例換向閥，并對控制程序進行修改、補充和標定，最終實現了旋轉速度的精確控制。

圖4　改造后坯料平端面朝前示意

圖5　安裝編碼器的出料機械手

4　改造效果

通過上述改動，改變了出料機械手的旋轉方向，使旋轉角度控制精確、旋轉速度平緩，避免了機械部件的沖擊，降低了備件的維修費用。此外，旋轉方向的改變使擴孔機可以適應延伸系數較大規格產品的生產，提高了產品的多樣性。

（1）提高了感應爐線圈內襯的使用壽命。圖6所示為改造后坯料進入感應爐的位置示意。從圖6可以看出：坯料的自由端朝上，平端面朝下，在頂升機構提升坯料到感應爐加熱時，坯料穩定可靠，不與內襯直接接觸，不會造成線圈內部內襯的卷曲和折疊，同時杜絕了“頂爐”事故的發生［12］。據統計，自2012年太鋼不銹改造出料機械手后，感應爐內襯的使用費用從100元/t降低到45元/t，其降低成本效果顯著。按照每月生產1 000 t擠壓管計算，每月可節省感應爐內襯使用費用55 000元，減少更換內襯約24次，降低了安全風險，為設備定期檢修、質量檢查、生產作業節約時間870 min（約14 h）。

（2）提高了坯料加熱的均勻性。改造后，坯料在感應爐內加熱處于居中位置，線圈產生的磁通量切割坯料的程度基本相同，坯料上部和底部溫度均勻性好［13］，溫度偏差在55℃以內，降低了擠壓機的擠壓突破力。圖7所示為擠壓相同產品時改造前后的擠壓突破力曲線。從圖7可以看出：改造出料機械手后，擠壓突破力約降低了11 MN，極大地減小了“悶車”事故發生的幾率。

圖6　改造后坯料進入感應爐的位置示意

圖7　改造前后擠壓突破力對比

（3）提高了擠壓成材率。出料機械手改造后，向感應爐輸送坯料時，坯料自由端朝后，平端面在前；擠壓時坯料端面能夠完全與擠壓模具相接觸，玻璃粉潤滑均勻，因此擠壓出的荒管頭部齊整［14］，下道工序鋸切量減小，提高了擠壓成材率。

5　結　語

針對現場“頂爐”等事故的發生，從硬件、軟件、工藝等3方面對20 MN擴孔機出料機械手進行優化改造，通過改變出料機械手逆向旋轉90°，并優化其旋轉精度和速度控制，提高了感應爐內襯的使用壽命，降低了擠壓突破力，提高了擠壓成材率，大幅度降低了生產成本，提高了產品質量水平。

［1］黃大鑫.鋼管熱處理方法的新發展——感應加熱處理［J］.鋼管，1994，23（6）：51-55.

［2］張居勤，嚴雪榮.感應加熱技術在鋼管熱處理工藝中的應用［J］.鋼管，2010，39（2）：52-56.

［3］牟俊茂，褚榮祥.感應加熱調質處理鋼管的特性［J］.鋼管，2012，41（1）：68-71.

［4］閆小平，張天賢.淺談感應爐在太鋼6 000 t擠壓機中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2010，20（21）：146-151.

［5］魏軍.金屬擠壓機［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［6］陳群立.無縫鋼管的熱擠壓技術探討［J］.鋼管，2007，36（4）：43-46.

［7］雷傳貞.熱擠壓工藝在生產中的應用［J］.企業技術開發，2003（7）：15-18.

［8］楊宗嶺，原治安.中頻感應爐的爐襯壽命分析［J］.工業加熱，2006，35（4）：68.

［9］潘天明.現代感應加熱裝置［M］.北京：冶金工業出版社，1996.

［10］王野牧，陳達.擴孔機液壓機及電氣控制系統［J］.機械工程師，2011（7）：24-25.

［11］籍淑珍，李文寶，張巍.擠壓機擠壓控制系統的改造［J］.有色設備，2008（2）：36-38.

［12］姜上林，趙長漢.感應加熱原理與應用［M］.天津：天津科技翻譯出版公司，1993.

［13］王三云.鋼管中頻感應加熱熱處理的優點及最新技術［J］.焊管，2001，24（3）：41-47.

［14］倪正順，師詞俊，鐘掘.熱擠壓模具的有限元分析與優化設計［J］.機械科學與技術，2004，23（1）：31-33.

Optimization and Modification of Billet-discharging Manipulator of 20 MN Piercing Mill

LI Shuwei，WANG Zhiyong，ZHANG Kangpeng，PANG Ruifu
（Shanxi Taigang Stainless Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan 030003，China）

The billet-discharging manipulator of the 20 MN piercing mill is modified，focusing on the hardware，the software and the process characteristics etc.，and the operation speed and rotation angle thereof are optimized. Actual operation result of the modified equipment shows that due to the fact that the manipulator is capable of rotating reversely with 90°，ceiling-hitting-caused damage of the induction heating furnace is almost eliminated.As a result，the furnace liner consumption is reduced，and the liner expense is in turn cut down form the original 100 RMB/t to 45 RMB/t.Moreover，the billet heating temperature homogeneity is improved，and the yield of extrusion operation enhanced as well.

stainless steel billet；piercing mill；induction heating furnace；liner；billet-discharging manipulator；rotation direction；modification；yield

TG375

B

1001-2311（2015）02-0066-04

2014-11-21；修定日期：2015-03-03）

李樹偉（1982-），男，碩士，工程師，主要從事鋼管生產設備的管理維護工作。