外淋式钢管淬火设备的改造研究

吴量 贾祥 刘维鸽 杜学斌 马辉 王建国 谢凡

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.西北工业大学，陕西 西安 710072；3.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710018)

随着钢管行业尤其是无缝钢管的快速发展，钢管的热处理在国外批量生产技术快速进步。二十世纪七八十年代，日本的川崎制铁知多厂、日本钢管京滨厂、新日铁、住友金属等多家公司先后建立了无缝钢管的热处理生产线。1983年，日本钢管公司京滨厂投产了一套中直径无缝钢管热处理装置，采用了“外淋+内喷+旋转”的整体淬火工艺，该淬火工艺提高了钢管热处理的性能要求，同时减小了钢管的弯曲度和椭圆度，促进了钢管热处理的发展。

目前国内钢管水淬热处理主要有三种生产方式：通过式环形水淬、“外淋+内喷+旋转”水淬、槽内水淬[1]。

通过式环形水淬是用淬火环对钢管外表面进行冷却，钢管在输送辊道上一边螺旋前进一边淬火。此种淬火方式生产效率较低，多用于薄壁管或钻铤的淬火，且钢管全长不是同时进行冷却，钢管的淬火均匀性较差，弯曲度较大。

“外淋+内喷+旋转”工艺是用压紧装置把钢管压紧固定在旋转轮上，让钢管快速旋转的同时，对钢管的外表面和内壁喷水进行快速冷却。国内2000年左右研制出了外淋淬火设备并拥有了专利技术，成功应用于各大钢管厂。

槽内淬火是将高温钢管全部浸没在充满水的水槽中，旋转的同时使用槽内水快速冷却钢管的内外表面。中国重型机械研究院于2006年研发出了“槽淬+旋转+内喷+搅拌”的槽内淬火工艺，加热后的钢管在高速旋转的同时，整体下降浸没在充满水的水槽中，钢管端部进行内喷水，对钢管外部水槽内的水进行搅拌，该设备实现了单独的钢管槽内淬火，尤其适用于大规格厚壁管的热处理工艺[2]。

随着国内外钢管热处理市场对高品质钢管的需求日益增加，钢管热处理的新工艺技术成为行业竞争的新动力，同时也促进了淬火工艺的技术革新和设备的升级换代。国内某钢铁公司原本的钢管热处理生产线存在工艺落后、设备老化严重以及生产节奏偏慢等许多问题，加上市场要求的钢管壁厚范围增大(40 mm以上)，现有的钢管淬火设备已经无法满足生产要求，而更换全新设备不仅前期投资大，同时也需要较长的设计安装周期，因此，在现有的设备基础上进行技术改造就是一种省时省力的解决方案。我公司应邀对该公司的钢管热处理生产线进行技术改造，以达到增加设备淬火能力、提高淬火均匀性、节能减排、提高生产率的目的。

1 工艺流程

1.1 改造前的工艺流程

加热后钢管通过辊道到达上料工位，惠斯顿装置将钢管翻转到支撑轮上，压紧装置压紧钢管，支撑轮带动钢管高速旋转，挡水板打开进行外淋的同时钢管端头的喷嘴向钢管内部进行喷水。淬火后的钢管通过翻料钩翻出，再经过下料台架运送到步进运输机并进行空水，最终将钢管运送到回火炉进料辊道上，完成全部的淬火工艺。原外淋淬火设备生产的钢管直线度和椭圆度较差，合格率低，侧喷效果差，压辊处硬度偏差大，尤其是对壁厚超过30 mm的钢管淬后性能不达标。其次，外淋内喷供水主管路锈蚀漏水严重，内喷水系统震动大，内喷嘴喷淋效果差；旋转压紧设计不合理，甚至出现跳管现象。因此，对原有淬火工艺进行技术改造刻不容缓。原外淋淬火设备断面图如图1所示。

1—辊道；2—上料装置；3—挡水板；4—旋转装置；5—翻料钩；6—下料；7—外淋装置。

1.2 改造后的工艺流程

钢管经过淬火炉加热后，通过辊道运送至待料工位，惠斯顿上料装置将钢管翻送到接料台架上并滚落到接料工位的翻料装置上，热金属检测仪感应并发送有料信号后，翻料钩缓慢落下，将钢管放置在半浸槽内的旋转装置支撑轮上并隐藏在支撑轮下方，压紧装置在油缸驱动下下压使压紧轮压住钢管，支撑轮在变频电机驱动下带动钢管进行高速旋转。此时，安装在大梁上的挡水装置在油缸驱动下迅速抬升并漏出外淋管释放外淋水，使钢管外表面得到充分淬火；同时内喷装置释放内喷水，对钢管内表面进行充分淬火。位于机架下方的水槽不断收集外淋和内喷水，水位渐渐浸没钢管，对钢管进行半浸式淬火。水槽具有调节水位的功能，可根据钢管外径，调节钢管浸入时间及深度。

钢管淬火完成，外淋挡水装置关闭，内喷停止供水，压紧机构打开，淬火后的钢管通过翻料钩翻出，再经过下料台架运送到步进运输机并进行空水，最终将钢管运送到回火炉进料辊道上，完成全部的淬火工艺[3-4]。淬火设备改造方案断面图如图2所示。

1—上料装置；2—挡水板；3—接料台架；4—浴槽；5—旋转装置支撑轮；6—接出料钩；7—下料；8—外淋装置。

2 设备改造要点

原设备进出料辊道中心距和标高不变，由于改造设备的产品大纲钢管外径范围由∅273 mm扩大至∅339.72 mm，设备改造工作主要有四点：

(1)新增淬火核心设备半浸水槽(含旋转装置等)，淬火工艺由“外淋+内喷+旋转”改造为“外淋+内喷+旋转+半浸”；

(2)抬升原有外淋机架(含压紧装置等)，满足大规格钢管的淬火要求；

(3)更换外淋内喷供水主管路，增加内喷、外淋总水量；

(4)改造内喷控制系统，增加回水节流功能、增设水锤吸纳器减少钢管淬火时的水锤现象。

2.1 拆除旧设备

设备改造首先需要拆除旧设备，诸如上料装置(保留驱动装置)、挡水板、旋转装置、翻料钩、下料斜台架等老旧部件。

2.2 设备基础改造

考虑到如果重新进行土建施工会严重影响生产进度并对其他设备基础造成破坏，根据工艺设备的要求进行优化设计。施工单位在原有的基础上，对旧的设备基础(上料装置、旋转装置、斜台架)进行清理，再用矩形管焊接成新的整体设备基础平台，将型钢平台放置在清理过的原有基础之上，根据标高要求使用斜垫铁找平并进行焊接，最终进行二次灌浆，形成新的设备基础用以安装设备。

2.3 斯惠顿上料装置利旧改造

斯惠顿装置的功能是将加热后的钢管从淬火待料位翻送到水槽上的接料台架，主要由主传动轴、支臂及电机减速机等组成。

原上料装置电机部分保留利旧，拆除回转臂、轴承座、支座和轴等部件，斯惠顿上料装置根据内喷中心重新设计优化，上料臂中心整体向辊道侧偏移并缩短摆臂长度，将改造后的上料装置底座在设备基础平台上定位安装，并使用万向联轴器连接利旧电机和转轴。

2.4 半浸装置的安装

半浸装置是本次淬火装置改造的核心组成部分，由半浸水槽、旋转装置、翻料钩及水位调节机构等部件组成。

(1)半浸水槽的安装

半浸水槽主要是用槽钢和钢板拼焊构成，并装有水位调节闸门，用于收集淬火中的外淋内喷水用于半浸式淬火。

半浸槽的底部设计成一定斜度并装有水位调节闸门，浸淬时，氧化皮沉积在槽底部，设备检修时，打开冲渣阀，内喷水通过冲渣管将氧化皮冲到排渣沟中。半浸槽内安装有放料小台架、翻料钩(接料钩)、旋转装置等。

将水槽安装在设备基础平台上，定位及找平标高后，将水槽底部与型钢基础平台满焊固定并进行浇筑。

(2)旋转装置的安装

旋转装置主要由两根传动轴、成对支撑轮(支撑轮的材质为合金钢5CrNiMo)、支架、直连式电机和双出轴减速器等组成。

并且优化了传动方式，改善了由链条传动引起的支撑轮不同步和链条张紧不合适的情况。改造后的旋转装置改良了旋转轮传动结构，使用直联式双出轴减速器同时转动两根旋转轮传动轴，消除了由链条传动引起的支撑轮不同步和链条张紧不合适甚而断链的情况。旋转装置每组旋转组件通过联轴器连接，确定好中心位置及直线度后与水槽内的横梁满焊固定[5]。

(3)接出料钩的安装

接出料钩用于淬火前接料、放料和淬火后出料，由带位移传感器的油缸驱动，每组组件通过联轴器连接，安装在旋转装置之后、水槽内的横梁上，确定好中心位置及直线度后满焊固定。

2.5 外淋装置的改造

外淋装置是钢管淬火工艺的关键部件之一。根据用户产品大纲调整，钢管规格增大，原外淋装置淬火后不能正常过料，需要将外淋装置整体抬升。首先拆除外淋挡水板和压紧装置，做好防护措施，割断液压和供水管路，拆离电缆，将外淋装置的四根立柱割断，使用千斤顶整体抬升200 mm后用型钢垫平，然后将增加的型钢分别与设备基础和立柱重新焊接。重新设计的压紧装置和不锈钢挡水板根据设计要求重新安装。

2.6 内喷装置的改造

拆除原内喷供水管路及设备底座，重新设计优化水系统及内喷装置，在供水管上增加了水锤吸纳器、在回水管路上增加回水电动闸阀，用来减小三通阀切换方向时造成的水锤和振动；在内喷管路上增加电磁流量计、压力传感器和温度传感器，可据实检测流量、压力和温度等工艺参数；根据用户产品大纲重新设计覆盖全套产品规格的内喷嘴，上下左右可调整余量10 mm，保证内喷喷口和淬火钢管同心，改善钢管端头部内喷水喷溅过大现象[6]。

2.7 内喷供水系统的改造

内喷供水系统原四组内喷水泵系统利旧改造。内喷供水系统在原水池内喷水泵组旁再增加一组内喷水泵，参数和原水泵匹配，采用变频控制。新增内喷泵的电机启动采用变频控制，原水泵控制不变。

2.8 斜台架及挡料装置的改造

斜台架位于半浸水槽之后，一端焊接固定在水槽外壁，另一端安装在原有支架上，用来收集淬火结束后从出料钩的钢管。拆除原斜台架淬火端的翻料钩及支架。原斜台架角度较小不利于淬火后钢管的滚动下落，在原有斜台架支座上重新设计安装倾角为4°的台架。改造挡料装置的挡料板，使其能够承受大规格钢管滚动下落时造成的冲击力。

2.9 润滑系统和液压系统的改造

(1)润滑系统

由于旋转装置支撑辊旋转速度快且工作环境恶劣，所以轴承的润滑显得非常重要，为此设计了一套旋转装置干油集中自润滑系统，降低设备运行对旋转装置造成的损耗。

(2)液压系统改造

提供新的辅助阀台及阀块，控制接出料钩和水位调节装置，淬火装置其余各机构操作所需的液压系统利旧。

改造后淬火装置照片如图3所示。

图3 改造后淬火装置照片

3 结束语

该机组自2021年4月改造投产以来，生产基本正常，运转良好，本项目设备的各项技术参数均达到合同要求，并且其生产能力已超过设计能力，生产的钢管销往国内及国外市场，受到用户的一致好评。

在该公司原有钢管热处理生产线淬火设备的基础上，采用“外淋+内喷+旋转+半浸”的创新工艺设计改造出的多功能淬火设备，优化了设备结构，不仅增加了设备淬火能力，提高了淬火均匀性和钢管淬火质量，而且节能减排，极大地降低了企业生产成本，提高了生产效率。该项改造为现有钢管热处理设备的工艺调整和升级换代提供了实践案例。