高速冷軋管機檢測裝置改進

紀松山，徐生華，凡 明，俞旭東，李鐵揚

(1. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 西南鋁業(集團)有限責任公司，重慶 401326；3. 浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012；4. 大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116011)

0 前言

近幾年冷軋管機發展迅速[1]，由于其可采用大變形工藝[2]和精密軋制的特點，在無縫管生產領域應用很廣，可軋制不銹鋼、碳鋼、鋁合金、鈦、鋯、銅等金屬無縫管。2007年以前國內的高速全自動冷軋管機全部采用進口設備，主要是德國生產的KPW系列冷軋管機，我國在2007年也自主研發了高速全自動無縫冷軋管機，并經過不斷的更新換代，在市場中有大量的應用。現在在精密度要求極高的核電領域也能見到國產高速冷軋管機。但在生產中，軋機速度高，沖擊負載大，容易出現機械疲勞破壞，影響設備穩定性。出現不可預知的故障時沒有有效的檢測手段來及時停機，也是現有設備遇到的難以解決的問題。在開發大規格自動化設備時，國內外均找不到穩定可靠的檢測元件。本文通過改善冷軋管機檢測管坯頭尾的特制渦流開關，增加軋制力檢測設備，增加管壁厚和外徑檢測設備，有效地提高了軋機運行的安全穩定性，減少軋機故障發生的幾率。

1 軋機組成及存在的問題

1.1 軋機組成

軋機組成[3]如圖1所示。軋機上料裝置用于存儲坯料管，可以在上料時自動撥料到輥道中，通過喂料輥運送到裝料床身。裝料床身[4]有多組夾送輥裝置，檢測到管子時夾送輥由電機驅動旋轉將管坯運往送料床身。送料床身負責將坯料夾緊后在機架前后送進回轉區內將管坯以給定的送進量送往軋制區。軋機配有兩套芯棒卡緊裝置[5]，兩套裝置上料時交替動作，使芯棒桿始終保持在固定位置。另外配有兩套管坯卡盤，卡盤交替送進可實現不停機連續軋制。

圖1 軋機組成圖

1.2 軋機檢測存在問題

裝料床身上有多組夾送輥，且前端裝有渦流檢測開關，用于檢測管子是否到達相應的輥道內。整臺軋機穿有十多米長的芯棒桿，用來固定軋制區的芯棒。上料時管坯需穿入芯棒桿才能到達裝料床身和送料床身，軋制時芯棒桿及管坯在圓周方向有擺動，檢測管坯到達的元件用接近開關或光電開關均無法實現，因此現有軋機檢測均采用特制的渦流開關。軋制時芯棒桿間歇旋轉和擺動對檢測元件干擾較大，為避免擺動干擾，每次更換軋制規格都需要調整渦流檢測元件的靈敏度，同時更換適合的導套，每次拆卸導向套需將十多米長的芯棒桿拉出才能更換，調整非常繁瑣。

在軋制區配有芯棒斷裂檢測裝置，當芯棒因疲勞斷裂進入檢測開關時需及時停機，以免模具損壞。但市場中的檢測元件檢測靈敏度低，容易誤報，使用不理想。

在生產中會經常測量外徑和壁厚值，確保產品合格。每次更換產品規格后需調整壓下裝置測量成品外徑是否合格，停機測量時軋機內部較熱，機器部件全部都是潤滑油，操作不便，安全性差。測量壁厚時還需將管子切下一段，從軋機中取出來測量，而軋機生產過程中的抽檢量較多，檢驗會耗費大量時間。現有國內外軋機均無法實現軋機區域自動鋸切，切割需要人工完成。

2 檢測裝置改進

2.1 裝料檢測裝置新方案

渦流檢測與色彩傳感器檢測裝置安裝方式如圖2所示。渦流檢測開關需安裝在芯棒桿中間，與芯棒桿中心保持一致，檢測開關兩邊有導套保護，當渦流檢測開關檢測到管子時，夾送輥啟動，將管坯向軋制區運送。色彩傳感器安裝在芯棒桿上方，有效調節距離在200 mm，無需保護套，在檢修時也不易碰撞損壞。裝料檢測裝置原來采用渦流檢測開關是通過識別線圈中的磁通量來辨別芯棒桿中是否有管坯通過。現采用色彩傳感器來檢測，設定識別芯棒的顏色即可。管坯與芯棒桿顏色有差別，利用色差來發訊號，傳感器為模擬量輸出，可手動調節各開關，也可以在操作臺工控機中統一設定。調整操作在短時間內完成，無需人工每個開關都設定一次。兩種方案的優缺點對比見表1。

表1 兩種檢測方式對比

2.2 增配軋制力檢測裝置

如圖3所示，軋制力檢測[6]裝置安裝在機架中，壓力傳感器[7]和軋機輥縫調節裝置裝配在一起，機架上裝有信號無線傳輸裝置，檢測元件通過無線傳輸將采集數據實時回傳至工控機。軋制力檢測裝置有助于采集每種鋼管的實際軋制力，可為孔型設計提供參考數據，優化孔型曲線。由于機架往復高速運動，如高速LG10軋機，機架往復速度高達280次/分，軋機內部有霧，采用有線供電易損壞電纜，所以采用KPC滑觸線供電，供電系統中配有電池，防止斷電時數據丟失。軋制力的異常變化都將傳輸到軋機工控機中，通過分析對比，判斷設備是否出現故障，如出現沖管、頂頭斷裂等。如果超過設定報警值，軋機會緊急制動，減少零件損壞。

圖3 軋制力檢測裝置

2.3 增配回轉丟失檢測

回轉送進箱是驅動管坯和芯棒桿回轉的動力機構[8]，通過伺服電機驅動蝸輪副實現。伺服電機連接蝸桿，小型軋機每分鐘起停最大在560次，伺服電機聯軸器易損壞。因此，需要規定使用時間，定期更換。如果聯軸器損壞后，回轉丟失，會造成管子軋出飛邊，導致孔型或芯棒損壞，而更換新孔型將耗費8～10 h。成品管損壞的成本也很高，尤其是軋制核電管，造成損失非常大。為解決該問題，設計了回轉丟失檢測裝置，如圖4所示。回轉軸上裝有感應套，感應套上方裝有檢測開關，當感應開關檢測到感應套停止回轉或回轉不穩定后發訊號至工控機報警。該裝置可有效保護設備，提高設備的可靠性。

圖4 回轉丟失檢測裝置

2.4 增配成品壁厚檢測裝置

鋼管車間常規測壁厚一般是先停機，將成品管頭切下后測量，將潤滑油清理干凈，去毛刺，用壁厚千分尺來測量，時間長，勞動強度大，環境差，油污多。為此，在軋機出口端增設成品壁厚檢測裝置，如圖5所示。超聲波探頭安裝在調節支架上，成品管在超聲波探頭下方。該裝置是通過超聲波原理實現檢測，不同材料管子的傳播聲速不同，需提前設定好。軋機停機后由定心卡爪將管子自動定心，超聲波測厚探頭自動對準成品管測量，壁厚值自動上傳至設備工控機，超差后有報警信號，并觸發停機。操作人員確認尺寸后才可以重新開機。超聲波測厚探頭在調節軌道上可上下運動。

管材軋制時在線測壁厚較難，現有技術無法實現軋制中檢測，管軋機機架高速往復運動，震動引起的檢測誤差非常大，因此需要停機檢測。高精度臂厚檢測儀檢測精度[9]可到0.001 mm，一般精密管測量精度達到0.01 mm 即可滿足使用要求。

圖5 成品壁厚測量裝置

2.5 增配成品外徑檢測裝置

在軋機曲軸傳動裝置出口和出料臺架之間安裝外徑檢測裝置可實時的檢測成品外徑，如圖6所示。激光測徑儀檢測頭安裝在成品管兩邊，通過計算激光投影面積實現。檢測直徑需要保持管子表面干凈，管子經過冷軋后表面有較多的軋制油，軋機在出料口位置配有自動除油裝置，使管子表面足夠干凈確保檢測準確。激光測徑檢測結果不受成品管震動影響，無需停機，一般選擇檢測精度為0.01 mm的檢測裝置就可以滿足常規產品要求。軋機生產中外徑檢測裝置將直徑數據實時傳至工控機，發現超差會報警提醒，超時不做處理會自動停機。在鋼管生產中軋制油溫度、坯料管退火后的抗拉強度、送進量變化都會影響成品尺寸的變化，因此配置該裝置十分有用。軋制完成后一般進行脫脂、退火、酸洗、鈍化等工序，在前道工序中盡可能多增加檢測環節，漏檢產品在后續流程中會耗費大量生產時間。

圖6 成品外徑檢測裝置

3 結束語

針對冷軋管機檢測裝置存在的檢測設備缺少，檢測設備安全性差等問題。本文用色彩傳感器代替特制渦流檢測開關檢測管子，有效解決了檢測信號不穩定的問題，也便于安裝和備件更換，降低了設備成本，解決了大規格軋機檢測元件難以選型的問題。增加了軋制力檢測裝置和回轉丟失檢測裝置，可檢測到軋機生產中的故障，確保軋機安全停機，減小損失。成品壁厚檢測和外徑檢測裝置可提高成品率，也有助于整個車間進一步提高了軋機的自動化水平[10]。