芯棒環形傷產生原因及整改措施

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過程中重要的熱變形工具之一，其表面質量直接影響到鋼管的壁厚精度和內表面質量。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成本［4-5］。這里就連軋芯棒表面環形傷形成原因進行分析并提出相應的預防措施。

1 原因分析

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

圖1 連軋芯棒環形傷示意

（1）循環區設備磕碰。在循環區出現芯棒表面環形傷可能的原因是芯棒橫向移動過程中由其他設備磕碰所致。

（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導致脫管機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，芯棒下撓，芯棒被旋轉的軋輥撞擊，造成芯棒磨損。

（4）芯棒支撐裝置結構不合理。芯棒支撐裝置的3 個支撐輥采用一連桿機構控制其閉合及打開，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撓（相鄰芯棒支撐裝置的間距較大）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滑并撞擊旋轉的軋輥，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整改措施

（1）檢查循環區芯棒橫向移動時的支撐點間距。從現場測得芯棒環形傷間距，與循環區幾處可能磕碰芯棒的橫移設備間距對比，發現尺寸不符，得出結論：不是循環區設備磕碰產生。

另外，對比環形傷間距與連軋管機機架間距，發現尺寸基本相符，由此得出結論：軋輥摩擦芯棒導致芯棒表面出現擦傷，多次軋制后出現環形傷。

（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系。采用激光跟蹤測量系統（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］，此設備不需要制作其他輔助工具就能完成測量，不會產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，激光跟蹤測量系統測量脫管機定位塊距連軋管機軋制中心線的距離，其結果見表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至可接受范圍［7］。

（3）根據軋制規格動態控制芯棒支撐裝置的支撐輥閉合時間。

芯棒出現環形傷，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，芯棒下撓并蹭到軋輥，導致芯棒表面出現擦傷，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。經仔細分析研究，結合設備布置間距，程序按軋制規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控制，做到管子剛經過各芯棒支撐裝置時支撐輥即閉合?，F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，當軋制機架2 發出拋鋼信號后，芯棒支撐裝置1 閉合，從軋制機架2 發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，此點正好與現場吻合。

芯棒支撐裝置2 位于軋制機架4 后，當軋制機架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）從力學角度動態分析，最終更改下支撐輥結構及控制。芯棒在齒條夾持頭內間隙可活動，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。連軋管機內共設3 個芯棒支撐裝置，分別設置在軋制機架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，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，結構如圖2 所示。

圖2 芯棒支撐裝置結構示意

但連軋管機出口輥道為固定式，當芯棒與管子分離后，芯棒就好似一懸臂梁，會下撓，芯棒的力學簡化模型如圖3 所示。

圖3 芯棒的力學簡化模型示意

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。下支撐輥的力學簡化模型如圖4 所示。

圖4 下支撐輥的力學簡化模型示意

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滾動，芯棒中心偏離軋制中心線，導致芯棒蹭到旋轉的軋輥，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，被旋轉的軋輥蹭到，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，不會向左右兩側偏移，整改后的結構如圖5 所示。

圖5 整改后的芯棒支撐裝置的力學簡化模型示意

（5）控制理論創新增加芯棒躲避功能。因連軋管機軋輥采用電液伺服系統控制，其輥縫的控制是由液壓伺服系統來完成的［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，即使芯棒下撓，旋轉的軋輥也不會蹭到芯棒，待芯棒返回后，軋輥再回復至軋制位。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 結語

通過以上設備及控制系統整改后，生產線采用新芯棒軋制，持續運行沒有再產生類似的芯棒環形傷，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，降低了生產成本，改善了產品質量。電氣系統中增加芯棒躲避功能提升連軋控制水平的方法，值得推廣。