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冶金行業中水淬火設備廣泛應用于不銹鋼管的熱處理生產線中,通過對不銹鋼管的水淬火處理,提高不銹鋼管的硬度和耐磨性。淬火與不同溫度的回火配合可以大幅度提高不銹鋼管韌性及疲勞強度,獲得綜合機械性能較好的不銹鋼管。以往的水淬火設備的淬火工藝流程是經淬火爐加熱的不銹鋼管由上料裝置直接放入到裝滿冷卻水的淬火槽中冷卻,一定時間后再由出料裝置撥出。這樣的淬火工藝很容易造成不銹鋼管冷卻不均勻,產生彎曲、開裂等缺陷,影響不銹鋼管的性能。本文介紹的新型不銹鋼管用水淬火設備,采用國內外先進的“外淋+旋轉+內噴”淬火工藝,并進行了大量的結構改造、技術革新,有效的提高了不銹鋼管的精度和機械性能,大大減少了淬裂、彎曲、橢圓等缺陷。通過對該水淬設備工作原理、淬火工藝、結構特點的分析,說明了該設備與國內其他水淬設備在機械結構、淬火效果、淬后不銹鋼管精度、機械性能等方面的不同。

2設計條件及主要參數

淬火形式:外淋+旋轉+內噴來料不銹鋼管:石油套管、高壓鍋爐管、管線管、接箍料外徑:<114.3mm��<273mm,外徑公差:±1%壁厚:7.35mm��35mm,壁厚公差:±12.5%直度:≤2mm/m,長度:6.0m��15.0m溫度:約900℃淬后不銹鋼管:溫度<100℃,管端直度≤3mm/m,管體直度≤1.5mm/m

3系統組成

主要由機械、液壓、控制系統三部分組成,如圖1所示。

3.1機械部分

主要包括:淬火爐出爐輥道、上料裝置、固定門、水淬火設備主體(以下簡稱主機)、出料裝置、空水裝置、步進運輸機等部分。淬火爐出爐輥道輸送加熱后的不銹鋼管。采用不銹鋼管水淬出加熱爐傾斜式輥道,減少在不銹鋼管運輸過程中V形輥和不銹鋼管的變形。上料裝置的功能是將不銹鋼管從淬火爐出料輥道移至旋轉裝置的支撐輪上。主要由主傳動軸、旋轉臂及安裝在旋轉臂上的“V”型塊等部分組成。采用“惠斯頓杠桿”原理,使V型塊始終保持豎直向上的位置,這樣“V”型塊平穩的托起加熱后的不銹鋼管輸送到旋轉支撐輪上。驅動電機采用變頻調速,以適應不銹鋼管規格和節奏的變化。固定門安裝在淬火爐出爐輥道與上料裝置之間,防止淬火時大量的水飛濺在出爐輥道上。主機由旋轉裝置、壓緊裝置、外淋裝置、內噴水系統、外淋機架、擋水機構等部分組成。旋轉裝置的作用是高速旋轉需淬火的不銹鋼管,使外淋、內噴水均勻的噴淋到不銹鋼管內外表面。因為不銹鋼管的旋轉速度對其彎曲度有很大影響,當不銹鋼管的旋轉速度超過某一值時,幾乎可以消除淬火彎曲,因此電機采用變頻調速技術,以滿足不同規格不銹鋼管對淬火速度的要求。設計時增加不銹鋼管旋轉輔助支撐,以減少不銹鋼管甩尾現象。壓緊裝置安裝在機架上,分別與旋轉裝置的每對支撐輪對應。工作時壓緊輪壓緊支撐輪上的不銹鋼管,實現不銹鋼管平穩旋轉,減少不銹鋼管在淬火過程中變形。壓緊力采用過負荷保護系統。外淋裝置、內噴水系統是實現不銹鋼管“噴淋+旋轉+內噴”熱處理工藝的核心部分。外淋裝置由電動蝶閥、流量計、壓力、溫度傳感器、一級管道、二級管道和噴淋管等組成。一級管道上裝有流量計和調節總量的電動蝶閥,一級管道分支出多條二級管道,每條二級管道上均裝有電動蝶閥和壓力表,分別調節進入各二級管的流量和壓力,使各二級管內的流量、壓力一致,外淋水按要求的流量、壓力噴出,滿足不同不銹鋼管對外淋工藝的要求。由于不銹鋼管規格較大,噴淋管設計成雙排可拆卸的噴淋管,增大水量及水的包容面積,確保不銹鋼管水冷卻的一致性。外淋裝置設有氧化皮沖刷機構,定期沖刷排渣溝里的氧化皮;壓緊輪擋水處設有補水系統,保證壓緊輪與不銹鋼管接觸的部分同樣受到外淋水的噴淋。內噴水系統由雙吸葉片泵、電動蝶閥、止回閥、流量計、壓力傳感器、內噴嘴、液動三通截止閥及管道等組成。通過控制不同泵的開啟、關閉和各管路上蝶閥的開口角度,實現不同規格不銹鋼管對內噴流量的需求。根據不銹鋼管不同的外徑規格,設計不同規格的噴嘴,保證內噴中心與不銹鋼管中心一致。外淋機架主要用于支撐外淋裝置,機架上還安裝有擋水機構、壓緊裝置、導水槽等。擋水機構安裝在外淋機架上。不銹鋼管淬火時,擋水板抬起,外淋水通過噴淋管均勻的噴淋在旋轉中的不銹鋼管上,淬火結束后,擋水板落下,外淋水通過導水槽返回蓄水池中。出料裝置用于接收淬火后的不銹鋼管并存放待回火的不銹鋼管。空水裝置用于淬火后不銹鋼管的空水。步進運輸機將不銹鋼管一步一步運送到空水裝置和入回火爐輥道上。

3.2液壓系統

液壓系統由液壓站及配套閥臺、管路組成,液壓站內設有液壓泵、冷卻循環裝置。液壓閥臺含必要的穩壓裝置和蓄能器,液壓閥臺對步進運輸機、壓緊裝置、擋水機構、出料裝置的油缸和步進運輸機的液壓馬達進行控制。

3.3控制系統

該系統主要由現場傳感器、儀表、西門子公司的SimaticS7-300系列PLC(CPU315-2DP)和工業控制PC(上位機),組成兩級計算機控制系統。具有功能強、指令處理速度快、通用性強和模塊化等特點,安裝方便,運行可靠,性價比高。PLC接收來自現場傳感器的測量信號及操作臺控制信號,按照程序設定有序的協調控制對齊輥道、惠斯頓移鋼機、壓緊裝置、內噴外淋、步進運輸機等整條淬火動作。上位機以Wincc作為人機界面,與PLC采用PROFIBUS總線通訊,實現計算機對淬火流程進行實時監控,診斷現場傳感器或設備出現的故障,提示故障原因;顯示內噴溫度、壓力、流量和外淋溫度、壓力;設定內噴外淋的時間等參數以及自動控制內噴的壓力、流量和外淋的壓力;存儲淬火數據,并打印統計報表。

4水淬火工藝流程

需淬火的不銹鋼管經淬火爐加熱后出爐,由出料輥道輸送到旋轉裝置的旋轉輪上慢速旋轉;壓緊裝置的壓緊輪將不銹鋼管壓緊,旋轉裝置加速旋轉;擋水機構打開,外噴淋管向不銹鋼管外表面均勻噴水,同時接近不銹鋼管端頭的錐形噴嘴向不銹鋼管內部進行噴水,這樣不銹鋼管內外表面均得到了淬火處理。淬火完成以后,內噴水旁路打開、擋水機構將外淋水切斷、壓緊輪抬起、旋轉裝置降速;淬火后的不銹鋼管由出料裝置輸送到擋料板處,步進運輸機將不銹鋼管輸送到空水裝置上分步空水,最后將不銹鋼管送到回火爐進爐輥道上。淬火后不銹鋼管離開旋轉輪,即可開始下一根不銹鋼管的淬火。當不淬火時內噴水由液壓三通閥控制進入蓄水池,外淋水通過外淋水控制裝置聚集到排水管中也返回蓄水池。

5結構創新點

此水淬設備采用了不銹鋼管旋轉、管外層流、管內軸向噴射的工藝方法,通過控制水流量、壓力和不銹鋼管旋轉速度、壓緊輪布置位置及噴嘴出口高度來減少不銹鋼管變形、開裂等淬后缺陷,有效的提高了淬后不銹鋼管精度和機械性能。

5.1不銹鋼管水淬雙排噴淋裝置

單排外淋管只能實現小規格不銹鋼管的均勻冷卻,無法實現大規格不銹鋼管快速、均勻的冷卻,所以對于大規格不銹鋼管而言,需選用雙排噴淋管[注1]:增大水量及水的包容面積,確保不銹鋼管水冷卻的一致性。當大規格不銹鋼管淬火時,所有二級管道上的電動蝶閥都打開,調節蝶閥開口角度來控制流量和壓力;當小規格的不銹鋼管淬火時,可關閉一排二級管道的電動蝶閥,只用一排噴淋管工作,這樣既保證了質量又節約了能源。外淋噴管設計成可拆卸式結構,方便清理外噴淋管內的氧化皮,及時保證外淋水的流量、流速,提高生產速度和質量[注2]。該結構形式如圖2所示。

5.2淬火裝置內噴水用可調整噴嘴

根據不銹鋼管不同的外徑規格,設計不同規格的內噴嘴,且每種規格的內噴嘴在上、下、左、右四個方向都可以微調,保證內噴中心與不銹鋼管中心一致,解決了內噴嘴對中不銹鋼管中心的問題,使內噴水能全面、均勻的噴淋到不銹鋼管內表面,保證不銹鋼管均勻冷卻,減少淬火彎曲,提高淬后不銹鋼管硬度的均勻性[注3]。

5.3不銹鋼管表面壓緊輪處補水系統

當不銹鋼管淬火時,壓緊輪壓緊支撐輪上高速旋轉的不銹鋼管,實現不銹鋼管平穩旋轉。但在壓緊輪與不銹鋼管外表面接觸的地方外淋水噴淋不充分,造成淬火后不銹鋼管壓緊輪處硬度與其它處硬度不同。壓緊輪處側補水系統在每個壓緊輪擋水處設側補水管,引用外淋主管路上的水源,淬火時,側補水系統將外淋水均勻的噴淋到壓緊輪擋水處,保證了不銹鋼管硬度的一致性。該結構形式如圖3所示。

5.4不銹鋼管水淬出加熱爐傾斜式輥道

加熱后的不銹鋼管在出爐輥道傳輸過程中容易產生變形,影響不銹鋼管直度。設計不銹鋼管水淬出加熱爐傾斜式輥道,使熱不銹鋼管在運輸過程中產生旋轉,管體散熱均勻,減少不銹鋼管的變形,保證淬前不銹鋼管直度[注4]。

5.5水淬回水及排渣裝置

不銹鋼管不淬火時噴淋水會通過該裝置中的導水槽匯集到設有兩個支路的集水箱中進行重新利用:一路接入蓄水池使水循環利用,節省淬火用水量;另一路則通向排渣溝,實現定期自動排渣,保證生產順利進行[注5]。

5.6壓緊輪壓緊力的過負荷保護系統

此保護系統由電氣和液壓兩部分配合完成,既起到了保護不銹鋼管的作用,又使在不損傷不銹鋼管的情況下,壓緊輪的壓緊力處于最大狀態,以防止不銹鋼管的軸向串動。

5.7鏈輪固定的新型結構

上料裝置中,惠斯頓傳動機構的鏈輪固定方式采用法蘭式固定擋板新型固定結構,取代了以往結構復雜的連桿式固定形式,既節省原材料,縮短加工、制造時間,又可降低成本。該結構形式如圖4所示。

6結論

水淬火設備消化吸收了國內、外先進的淬火技術,在此基礎上又進行了多項技術革新,有效的提高了冷卻均勻性和淬透性,減少了淬裂、彎曲、橢圓等缺陷,是集液壓、機械、電氣、計算機控制于一體的新型水淬火設備,現已在天津不銹鋼管公司圓通管材投入使用。實踐證明此水淬火設備具有淬火均勻、冷卻速度快、淬后不銹鋼管精度高、硬度高、耐磨性強等諸多優點。