Φ219 CPE機組關鍵設備應用研究

李慧斌

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

CPE是一種熱軋無縫鋼管生產工藝，CPE機組產品結構包括石油管、高壓鍋爐管、液壓管等高端合金鋼管，特別適用于生產中小直徑薄壁無縫鋼管。

CPE工藝是在傳統頂管工藝基礎上發展而來，即斜軋（Cross Roll）+穿孔（Pierecing）+頂管延伸（Elongating）的組合生產工藝。CPE生產技術具有的優點：產品質量好，尺寸精度高；頂管機采用縱軋變形，荒管內表面質量好，延伸系數大，最大延伸系數可達10以上，適合生產薄壁鋼管；頂管機采用頂推變形，輥模機架采用被動輥，結構簡單，設備投資少，生產成本低，作業率高；生產節奏快，達3支鋼管/min，排產靈活，適合多品種、小批量軋制生產，可按倍尺或單倍尺生產，管坯長度短；采用最新的縮口工藝，芯棒頭部設計階梯結構，縮口后毛管緊壓芯棒，避免頂穿，同時可提高金屬收得率；頂管過程中，軋輥是被動的，與連軋工藝相比更易于保證連軋關系，機架之間的拉鋼小，壁厚比連軋更均勻[1，2，3]。

CPE機組按照工藝流程順序主機設備有：管坯準備—加熱—穿孔機—縮口機—頂管機—松棒機—脫棒機—張力減徑機—冷卻定尺—矯直—探傷—收集。

本文主要介紹新冶鋼Φ219 CPE機組關鍵設備組成，該機組是目前國內最大規格CPE生產機組，機組裝備水平最先進，設計年產量為22萬t，主要產品為油井管、高壓鍋爐管、液壓支柱管等高質量無縫鋼管。

1 項目背景及工藝參數

2014年初，湖北新冶鋼特種鋼管有限公司在原有Φ273ASSEL機組的基礎上升級改造的Φ219 CPE機組。

改造內容主要包括：拆除原Φ273 ASSEL軋機以及該區域的配套設備，改造成新型頂管機組及配套的芯棒循環系統；改造原有的穿孔機后臺和毛管橫移小車，改造后的穿孔機后臺以及毛管橫移小車可以適用于新的毛管長度；對再加熱爐進行改造，適應頂管機生產的荒管長度，利用現有的定徑機；改造原芯棒加工設備，新增芯棒全長淬火裝置及芯棒碾軋機。

通過對關鍵主機設備進行更新，短周期內實現了由斜軋厚壁鋼管生產到縱軋薄壁鋼管生產的升級，成為國內最大的CPE頂管機組，提升了產品的競爭力，同時與其他ASSEL機組產品規格行成互補。

Φ219 CPE機組主要工藝參數見表1。

表1 Φ219 CPE機組主要工藝參數

2 Φ219CPE機組設備組成

2.1 穿孔機

穿孔機組用于將實心管坯穿成空心毛管[4]。

主要設備組成：進口臺、主機座、主傳動裝置、出口臺一段、出口臺二段等。

主機座由機架裝配、壓上、壓下裝置、上、下轉鼓裝配、轉鼓調整裝置、軋輥裝置、導板裝配、入口導套、導向裝置、底座等組成。主機座是實現管坯由實心坯到空心毛管這一變形過程的主要變形設備，為導板式、兩輥立式結構，兩套導板左右布置，兩套錐形軋輥上下布置，出口側單獨傳動。

機架采用鑄件整體結構，上橫梁為可移動式，工作狀態下由鎖緊液壓缸鎖緊，換輥時由推拉液壓缸打開到換輥位，下橫梁則固定在機架上。

壓下、壓上裝置分別安裝在上、下橫梁上，各由1臺減速電機帶動兩臺蝸輪減速機傳動兩組絲桿進行調整，每組調整機構的平衡均采用液壓平衡。

上、下轉鼓調整均安裝在機架側面，轉鼓的送進角調整通過一套減速電機、絲桿、螺母進行調整，由一個液壓缸平衡，調整完畢后，由安裝在機架內的兩個轉鼓鎖緊液壓缸分別將其鎖緊在機架內。軋輥裝配安裝在轉鼓內，采用壓板固定，換輥時，同時將軋輥和轉鼓一起吊出。

主傳動由主電機、主減速機、萬向聯軸器、接軸支架和底座等組成。主傳動是穿孔機主機工作的動力設備，位于穿孔機出口側。每個軋輥分別由一臺電機驅動；為方便軋輥的更換，萬向接軸設置了接軸支架和對中裝置，通過接軸支架可將萬向聯軸器回縮或伸出，實現軋輥接軸離合。

穿孔機主要性能參數見表2。

表2 穿孔機主要性能參數

2.2 縮口機

縮口機的工作原理是先將芯棒穿入毛管后再進行縮口，將芯棒前端直徑比芯棒直徑小2～3 mm，形成一個100 mm長的臺階，縮口模設計成特殊的形狀，縮口時，將毛管端部緊抱在芯棒頭上；頂管咬入時，縮口段要承受前2～3個輥模座軋制變形的頂推力，而隨后變形產生的頂推力由已經抱在芯棒上的毛管和縮口部分共同承受。因此，要嚴格控制芯棒初始速度和加速點，使頂推力和加速力分時作用，保證頂管過程順利。這種縮口方式對毛管的直徑和端部形狀要求較松，且縮口部分的金屬在頂管時可參與變形，提高了成材率[5]。

Φ219 CPE機組采用的是三爪式縮口技術，更有利于軋制高合金鋼種毛管抱緊芯棒，三爪縮口機縮口效果好，結構簡單，模口更換便捷。

三爪式縮口機采用杠桿式結構，液壓缸驅動杠桿實現縮口，通過力臂的比例放大，采用較小的液壓缸即可輸出大縮口力，杠桿式結構簡單，剛性好，縮口質量好；縮口力為內力，對相鄰設備無沖擊，穩定性好；縮口模更換便捷，設備緊湊便于布置，見圖1。

圖1 縮口機三維模型

縮口機主要性能參數：縮口模3個；縮口力為120t。

2.3 頂管機

頂管機組的工作原理是通過傳動齒條驅動頂桿，頂推已經完成縮口的芯棒和毛管，經過多道次的軋制，延伸軋出荒管，達到減徑、減壁、延伸的目的[2]。

頂管機的組成包括：床身、輥模、活動扣瓦、頂管機前臺、主傳動、齒條、齒輪座、頂管機后臺、安全擋板等。

床身主要作用是固定輥模架，承受沿軋制方向的頂推力。輥模安裝的位置需根據軋制不同規格的軋件來設定，所以床身兩側安裝有側板，側板上加工有一系列定位齒槽，齒槽寬度與輥模上的鍵寬相適應，齒槽下部設定位板，上部用壓板壓緊，實現了輥模的定位，使輥模的孔型中心位于同一軋制中心線上，保證了輥模在軋制過程中的穩定性。見圖2。側板采用鍛鋼加工，呈矩形結構；一側帶有均布的矩形齒槽，另外一側有加工的平面，與底座聯接在一起。床身側板沿軋制方向分4段，通過斜楔連接為整體，進而實現整體受力，提升機架的剛度及軋制精度。

圖2 床身三維模型

頂管機采用的是三輥孔型的輥模，配置有固定輥模和可調輥模兩種形式。具有如下特點：

1）三輥孔型軋輥線速度差小，軋制壓力分布均勻，表面質量高。

2）輥模架采用鑄造加工，整體封閉框架結構，制造成本低。

3）軋輥架內部有冷卻水環，且流量可調，可降低軋輥輥耗和生產成本。

4）輥模可以整體加工軋輥孔型，避免單輥加工裝配引起的偏差。

固定輥模由3套軋輥和輥模架組成，輥模架內腔加工有軋輥軸承座安裝槽，軋輥裝配設有軸向調整機構，可調整輥環安裝的對中性（見下頁圖3）。

圖3 固定輥模三維模型

可調輥模由3套軋輥裝配、輥模架、滑座、輥縫調整裝置組成。軋輥安裝在滑座后，在放入可調輥模架內；可調輥模與固定輥模相比，增加了軋輥徑向調整功能，可實現在線人工調整輥縫，提高產品精度（見圖4）。

圖4 可調輥模三維模型

活動扣瓦設置有芯棒扣瓦和毛管扣瓦，毛管上料后放置在活動扣瓦段。上扣瓦有液壓缸控制自動開閉，通過更換不同的扣瓦適應不同直徑的芯棒。

前臺一段、前臺二段的作用是接收帶芯棒的毛管，由推桿將其推入輥模，為推桿、芯棒、毛管導向，保證軋制過程順利進行。前臺又是齒條運行的導向機構，保證齒條運行平穩。頂管前臺設置有齒條導軌、芯棒導向槽、芯棒扣瓦。

前臺三段為齒條檢修段，當需要檢修齒條時，將齒條從滑道中拉出檢修，便于人工操作。

主傳動作用是提供頂管動力。是2臺主電機通過主減速機，驅動齒輪座，進而帶動齒條驅動頂桿。齒輪座內含有雙齒輪，通過與之嚙合的齒條提供動力。齒輪側隙可通過偏心套微調，使得動力平穩可靠。

齒條是頂管機組關鍵部件。齒條總長約45 m，由5段整體鍛造加工的齒條拼裝組成，各段之間采用熱裝過盈連接。齒條兩側有滾輪，保證齒條運行過程平穩。齒條尾段設置有推桿支撐座，用于安裝推桿。采用人字齒形，齒形對中性好，齒面受力均勻，承載力大，安全系數高。齒條和齒輪的潤滑采用干油噴射潤滑，多點潤滑齒條以提高齒條的使用壽命。

在齒條運行方向，全長設置有滑道裝配，由箱體、蓋板、軌道襯板組成，其中箱體采用焊接結構，蓋板與箱體通過螺栓聯接，使箱體上部封閉。箱體和蓋板上分別安裝有軌道襯板，用于支撐齒條滾輪，實現齒條運行的豎直導向。軌道襯板加工有弧型導向面，實現齒條運行的水平導向。

為了提升芯棒的使用壽命，芯棒可以兩頭調換使用。線上設置了芯棒除鱗裝置和芯棒輾軋機，這些配置使得機組運行更穩定、更高效。頂管機主要性能參數見表3。

表3 頂管機主要性能參數

2.4 松棒機

松棒機采用四輥式方案，即由兩對雙曲線輥對荒管進行松棒軋制，上下兩輥布置成一定的角度，且與荒管軸線成一定的角度，軋制方式為斜軋（或稱螺旋輾軋）；荒管以螺旋方式前進[6]。

沿軋制方向看，上下軋輥形成一定的封閉孔型，并且孔型可以自動調整，壓下量設定在1.5～2.0 mm，由孔型設定產生的軋制力，從上輥通過管壁傳遞到芯棒，再從芯棒傳遞到下輥。經過軋制使荒管擴徑3～5 mm，并且使芯棒與荒管內壁產生間隙，脫棒機便可以將芯棒從荒管中拔出。

對于不同規格的荒管，采用工藝程序計算相應孔型的設定參數，根據計算好的參數，調整上松棒輥壓下量，以及上下松棒輥與軋制線的夾角，進而調整松棒機的孔型。

松棒機由2個上松棒輥、2個下松棒輥、機架裝配、上輥調整裝置、下輥調整裝置、傳動裝置、換輥裝置等組成（見圖5）。

圖5 松棒機三維模型

機架裝配采用6立柱形式的機架，上下平臺通過立柱軸肩的定位安裝在立柱上，立柱上下加工有螺紋，通過液壓鎖緊螺母將立柱與平臺固定，安裝時拉桿施加一定的預緊力。由于機架裝配精度直接影響松棒機本體各部件的安裝精度，在松棒機制造過程中，對6個立柱的定位測量采用三坐標測量儀進行檢測，保證了設備加工及裝配精度。

松棒機上輥調整裝置具有液壓轉角調整、電動壓下和液壓平衡的功能，可根據程序自動調整上軋輥的壓下量和角度，參數調整完成后，通過液壓鎖緊裝置鎖緊。每個松棒上輥配置2個平衡液壓缸，用于平衡軋輥及升降平臺等設備的重量，消除壓下螺絲間隙。下輥安裝在松棒機下平臺上，下輥輥面為軋制基準面，高度方向保持不變，當下松棒輥磨損后，可以通過墊片補償下輥高度，下輥也具有液壓轉角自動調整的功能。

采用液壓快開裝置，可以測定松棒力和保護設備安全的作用，變剛性機架為柔性機架，當軋卡或松棒力超過允許值時，快開裝置通過大流量的方式快速打開，快開裝置泄壓，平衡裝置會快速提升上松棒輥，減小軋制過載對設備的損壞。

松棒機主要性能參數見表4。

表4 松棒機主要性能參數

2.5 脫棒機

經過松棒機之后，芯棒和荒管之間形成了一定的間隙，進入脫棒工序。脫棒時，荒管和芯棒之間存在脫棒力，脫棒力主要由：芯棒與荒管之間存在同軸度差造成的包緊力；芯棒自重壓靠荒管的摩擦力；松棒后運輸過程中，荒管溫度下降，冷卻收縮，荒管對芯棒形成徑向包緊力三部分組成。

機組配置的是二輥式脫棒機，靠軋輥與芯棒之間的摩擦力使芯棒從荒管中脫出，可以滿足芯棒的調頭使用。

脫棒機牌坊采用分片式加工，通過拉桿將分片機架、機蓋連接在一起，加工簡單，調整及維護方便，機架整體強度高。

脫棒機上下輥同時傳動，由1臺電機、1臺雙出軸的減速機，經萬向聯軸器同時傳動上下輥。上輥高度調整采用液壓缸驅動，可以控制上下輥縫，同時脫棒過程中保證壓力恒定，根據工藝要求可以調整上輥壓力，在遇到卡鋼時，上輥可迅速抬起，便于事故處理。下脫棒輥高度調整通過墊片來實現，當生產使用不同規格的芯棒時，兩輥之間的輥距可以通過調節液壓缸行程、墊片的厚度來實現。

脫棒機主要性能參數見表5。

表5 脫棒機主要性能參數

3 設備研制

研發過程實行工藝、設備、電氣協同研發，打造了機電一體化的高性能CPE機組。

在關鍵設備設計過程中全面采用BIM軟件設計，優化設備結構。采用三維軟件設計，結構可視性強；零件模型、裝配模型、零件工程圖、裝配工程圖四者相互關聯；參數化設定，結構自動更新，提高設計效率，有利于設備結構快速優化。

同時在設備研發過程中，采用先進的有限元計算軟件對輥模、松棒輥等關鍵部件進行了強度和剛度仿真分析。根據計算結果，并結合鋼管軋制設備特定的工況安全系數，改善設備結構強度和機架剛度，達到最優化設計（見圖6）。

圖6 頂管機輥模有限元分析結果

3 結語

目前湖北新冶鋼Φ219 CPE機組已經順利投產，設備運行穩定可靠，成功生產薄壁鋼管大芯棒產品D/S達到近40，小芯棒產品到達30。Φ219 CPE機組成功為CPE大口徑無縫鋼管生產領域填補技術空白，促進了我國CPE無縫鋼管技術進步，提升了國內鋼管工藝設備加工制造水平。

Φ219 CPE機組采用新型頂管機，其技術優勢是生產高鋼級中小無縫鋼管，以熱加工代替冷加工，提高產品質量、成材率，降低能耗，避免冷加工產生的酸霧和含酸廢水對環境的污染，完全符合當前低碳經濟發展和節能環保的要求。