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不锈钢管水淬火设备的设计及应用
冶金行业中水淬火设备广泛应用于不锈钢管的热处理生产线中,通过对不锈钢管的水淬火处理,提高不锈钢管的硬度和耐磨性。淬火与不同温度的回火配合可以大幅度提高不锈钢管韧性及疲劳强度,获得综合机械性能较好的不锈钢管。以往的水淬火设备的淬火工艺流程是经淬火炉加热的不锈钢管由上料装置直接放入到装满冷却水的淬火槽中冷却,一定时间后再由出料装置拨出。这样的淬火工艺很容易造成不锈钢管冷却不均匀,产生弯曲、开裂等缺陷,影响不锈钢管的性能。本文介绍的新型不锈钢管用水淬火设备,采用国内外先进的“外淋+旋转+内喷”淬火工艺,并进行了大量的结构改造、技术革新,有效的提高了不锈钢管的精度和机械性能,大大减少了淬裂、弯曲、椭圆等缺陷。通过对该水淬设备工作原理、淬火工艺、结构特点的分析,说明了该设备与国内其他水淬设备在机械结构、淬火效果、淬后不锈钢管精度、机械性能等方面的不同。
2设计条件及主要参数
淬火形式:外淋+旋转+内喷来料不锈钢管:石油套管、高压锅炉管、管线管、接箍料外径:<114.3mm<273mm,外径公差:±1%壁厚:7.35mm35mm,壁厚公差:±12.5%直度:≤2mm/m,长度:6.0m15.0m温度:约900℃淬后不锈钢管:温度<100℃,管端直度≤3mm/m,管体直度≤1.5mm/m
3系统组成
主要由机械、液压、控制系统三部分组成,如图1所示。
3.1机械部分
主要包括:淬火炉出炉辊道、上料装置、固定门、水淬火设备主体(以下简称主机)、出料装置、空水装置、步进运输机等部分。淬火炉出炉辊道输送加热后的不锈钢管。采用不锈钢管水淬出加热炉倾斜式辊道,减少在不锈钢管运输过程中V形辊和不锈钢管的变形。上料装置的功能是将不锈钢管从淬火炉出料辊道移至旋转装置的支撑轮上。主要由主传动轴、旋转臂及安装在旋转臂上的“V”型块等部分组成。采用“惠斯顿杠杆”原理,使V型块始终保持竖直向上的位置,这样“V”型块平稳的托起加热后的不锈钢管输送到旋转支撑轮上。驱动电机采用变频调速,以适应不锈钢管规格和节奏的变化。固定门安装在淬火炉出炉辊道与上料装置之间,防止淬火时大量的水飞溅在出炉辊道上。主机由旋转装置、压紧装置、外淋装置、内喷水系统、外淋机架、挡水机构等部分组成。旋转装置的作用是高速旋转需淬火的不锈钢管,使外淋、内喷水均匀的喷淋到不锈钢管内外表面。因为不锈钢管的旋转速度对其弯曲度有很大影响,当不锈钢管的旋转速度超过某一值时,几乎可以消除淬火弯曲,因此电机采用变频调速技术,以满足不同规格不锈钢管对淬火速度的要求。设计时增加不锈钢管旋转辅助支撑,以减少不锈钢管甩尾现象。压紧装置安装在机架上,分别与旋转装置的每对支撑轮对应。工作时压紧轮压紧支撑轮上的不锈钢管,实现不锈钢管平稳旋转,减少不锈钢管在淬火过程中变形。压紧力采用过负荷保护系统。外淋装置、内喷水系统是实现不锈钢管“喷淋+旋转+内喷”热处理工艺的核心部分。外淋装置由电动蝶阀、流量计、压力、温度传感器、一级管道、二级管道和喷淋管等组成。一级管道上装有流量计和调节总量的电动蝶阀,一级管道分支出多条二级管道,每条二级管道上均装有电动蝶阀和压力表,分别调节进入各二级管的流量和压力,使各二级管内的流量、压力一致,外淋水按要求的流量、压力喷出,满足不同不锈钢管对外淋工艺的要求。由于不锈钢管规格较大,喷淋管设计成双排可拆卸的喷淋管,增大水量及水的包容面积,确保不锈钢管水冷却的一致性。外淋装置设有氧化皮冲刷机构,定期冲刷排渣沟里的氧化皮;压紧轮挡水处设有补水系统,保证压紧轮与不锈钢管接触的部分同样受到外淋水的喷淋。内喷水系统由双吸叶片泵、电动蝶阀、止回阀、流量计、压力传感器、内喷嘴、液动三通截止阀及管道等组成。通过控制不同泵的开启、关闭和各管路上蝶阀的开口角度,实现不同规格不锈钢管对内喷流量的需求。根据不锈钢管不同的外径规格,设计不同规格的喷嘴,保证内喷中心与不锈钢管中心一致。外淋机架主要用于支撑外淋装置,机架上还安装有挡水机构、压紧装置、导水槽等。挡水机构安装在外淋机架上。不锈钢管淬火时,挡水板抬起,外淋水通过喷淋管均匀的喷淋在旋转中的不锈钢管上,淬火结束后,挡水板落下,外淋水通过导水槽返回蓄水池中。出料装置用于接收淬火后的不锈钢管并存放待回火的不锈钢管。空水装置用于淬火后不锈钢管的空水。步进运输机将不锈钢管一步一步运送到空水装置和入回火炉辊道上。
3.2液压系统
液压系统由液压站及配套阀台、管路组成,液压站内设有液压泵、冷却循环装置。液压阀台含必要的稳压装置和蓄能器,液压阀台对步进运输机、压紧装置、挡水机构、出料装置的油缸和步进运输机的液压马达进行控制。
3.3控制系统
该系统主要由现场传感器、仪表、西门子公司的SimaticS7-300系列PLC(CPU315-2DP)和工业控制PC(上位机),组成两级计算机控制系统。具有功能强、指令处理速度快、通用性强和模块化等特点,安装方便,运行可靠,性价比高。PLC接收来自现场传感器的测量信号及操作台控制信号,按照程序设定有序的协调控制对齐辊道、惠斯顿移钢机、压紧装置、内喷外淋、步进运输机等整条淬火动作。上位机以Wincc作为人机界面,与PLC采用PROFIBUS总线通讯,实现计算机对淬火流程进行实时监控,诊断现场传感器或设备出现的故障,提示故障原因;显示内喷温度、压力、流量和外淋温度、压力;设定内喷外淋的时间等参数以及自动控制内喷的压力、流量和外淋的压力;存储淬火数据,并打印统计报表。
4水淬火工艺流程
需淬火的不锈钢管经淬火炉加热后出炉,由出料辊道输送到旋转装置的旋转轮上慢速旋转;压紧装置的压紧轮将不锈钢管压紧,旋转装置加速旋转;挡水机构打开,外喷淋管向不锈钢管外表面均匀喷水,同时接近不锈钢管端头的锥形喷嘴向不锈钢管内部进行喷水,这样不锈钢管内外表面均得到了淬火处理。淬火完成以后,内喷水旁路打开、挡水机构将外淋水切断、压紧轮抬起、旋转装置降速;淬火后的不锈钢管由出料装置输送到挡料板处,步进运输机将不锈钢管输送到空水装置上分步空水,最后将不锈钢管送到回火炉进炉辊道上。淬火后不锈钢管离开旋转轮,即可开始下一根不锈钢管的淬火。当不淬火时内喷水由液压三通阀控制进入蓄水池,外淋水通过外淋水控制装置聚集到排水管中也返回蓄水池。
5结构创新点
此水淬设备采用了不锈钢管旋转、管外层流、管内轴向喷射的工艺方法,通过控制水流量、压力和不锈钢管旋转速度、压紧轮布置位置及喷嘴出口高度来减少不锈钢管变形、开裂等淬后缺陷,有效的提高了淬后不锈钢管精度和机械性能。
5.1不锈钢管水淬双排喷淋装置
单排外淋管只能实现小规格不锈钢管的均匀冷却,无法实现大规格不锈钢管快速、均匀的冷却,所以对于大规格不锈钢管而言,需选用双排喷淋管[注1]:增大水量及水的包容面积,确保不锈钢管水冷却的一致性。当大规格不锈钢管淬火时,所有二级管道上的电动蝶阀都打开,调节蝶阀开口角度来控制流量和压力;当小规格的不锈钢管淬火时,可关闭一排二级管道的电动蝶阀,只用一排喷淋管工作,这样既保证了质量又节约了能源。外淋喷管设计成可拆卸式结构,方便清理外喷淋管内的氧化皮,及时保证外淋水的流量、流速,提高生产速度和质量[注2]。该结构形式如图2所示。
5.2淬火装置内喷水用可调整喷嘴
根据不锈钢管不同的外径规格,设计不同规格的内喷嘴,且每种规格的内喷嘴在上、下、左、右四个方向都可以微调,保证内喷中心与不锈钢管中心一致,解决了内喷嘴对中不锈钢管中心的问题,使内喷水能全面、均匀的喷淋到不锈钢管内表面,保证不锈钢管均匀冷却,减少淬火弯曲,提高淬后不锈钢管硬度的均匀性[注3]。
5.3不锈钢管表面压紧轮处补水系统
当不锈钢管淬火时,压紧轮压紧支撑轮上高速旋转的不锈钢管,实现不锈钢管平稳旋转。但在压紧轮与不锈钢管外表面接触的地方外淋水喷淋不充分,造成淬火后不锈钢管压紧轮处硬度与其它处硬度不同。压紧轮处侧补水系统在每个压紧轮挡水处设侧补水管,引用外淋主管路上的水源,淬火时,侧补水系统将外淋水均匀的喷淋到压紧轮挡水处,保证了不锈钢管硬度的一致性。该结构形式如图3所示。
5.4不锈钢管水淬出加热炉倾斜式辊道
加热后的不锈钢管在出炉辊道传输过程中容易产生变形,影响不锈钢管直度。设计不锈钢管水淬出加热炉倾斜式辊道,使热不锈钢管在运输过程中产生旋转,管体散热均匀,减少不锈钢管的变形,保证淬前不锈钢管直度[注4]。
5.5水淬回水及排渣装置
不锈钢管不淬火时喷淋水会通过该装置中的导水槽汇集到设有两个支路的集水箱中进行重新利用:一路接入蓄水池使水循环利用,节省淬火用水量;另一路则通向排渣沟,实现定期自动排渣,保证生产顺利进行[注5]。
5.6压紧轮压紧力的过负荷保护系统
此保护系统由电气和液压两部分配合完成,既起到了保护不锈钢管的作用,又使在不损伤不锈钢管的情况下,压紧轮的压紧力处于最大状态,以防止不锈钢管的轴向串动。
5.7链轮固定的新型结构
上料装置中,惠斯顿传动机构的链轮固定方式采用法兰式固定挡板新型固定结构,取代了以往结构复杂的连杆式固定形式,既节省原材料,缩短加工、制造时间,又可降低成本。该结构形式如图4所示。
6结论
水淬火设备消化吸收了国内、外先进的淬火技术,在此基础上又进行了多项技术革新,有效的提高了冷却均匀性和淬透性,减少了淬裂、弯曲、椭圆等缺陷,是集液压、机械、电气、计算机控制于一体的新型水淬火设备,现已在天津不锈钢管公司圆通管材投入使用。实践证明此水淬火设备具有淬火均匀、冷却速度快、淬后不锈钢管精度高、硬度高、耐磨性强等诸多优点。
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