一、基本情况
江苏天淮钢管有限公司φ508mm（20in）PQF连轧管机组，是目前全球最大口径的三辊式连轧管机组，2012年5月28日热负荷试车成功。该机组由中冶京诚工程技术有限公司做工厂设计，主轧线设备由德国梅尔公司、意大利因西设计制造，设计能力为年产无缝钢管50万吨。自投产半年时间里，生产Φ377～508mm 规格钢管共3.8万吨，产品质量优良。
二、产品规格和主要品种
1. 产品规格
外径：φ245～508mm；
壁厚：6.1～60mm；
长度：6～15m。
2. 主要品种
管线管、锅炉用管、气瓶管、机械管、液压支柱管，流体输送管、结构管等。
3. 工艺流程
φ508mm PQF连轧管机组的工艺布置如图6-16所示。
工艺流程为：合格管坯→锯切→冷定心→环形炉加热→高压水除磷→穿孔→吹硼砂→穿芯棒→高压水除鳞→F连轧→脱管→高压水除鳞→定径→冷却→定尺锯切→矫直→吹吸灰→探伤→人工内外表面检查→喷标→收集入库。
三个变形主机由带管坯预旋转的锥形辊导板式穿孔机、5机架PQF限动芯棒连轧管机、12架单独传动的定径机组成，三大主机本体设备都由德国MEER公司设计制造，主机设备前后台连线设备由中冶京诚工程技术有限公司设计，天津赛瑞机器制造有限公司制造。φ508PQF机组采用更为完善的先进工艺控制系统-CARTA系统、严格的质量控制系统-QAS系统、物料跟踪系统（MTS）以及在线检测系统等工艺控制技术，从而确保了热轧大口径无缝钢管生产的工艺先进性及稳定性。
四、主要工艺设备及性能特点
1. 环形加热炉
环形炉由LOI天津公司设计及制作，为降低成本，采用高炉煤气和天然气混合气作为燃料。从装料到出料共分7个加热控制段，其中第1～2段为预热段，第3～5段为加热段，第6～7段为均热段；其中预热2段和加热段采用高炉煤气蓄热烧嘴，均热段用顶置的天然气平焰烧嘴均热，环形炉采用全自动、先进、可靠的热工控制系统测量和控制炉子的热工过程，可根据不同工况准确匹配炉子供热量，保证管坯按最佳的工艺曲线加热和保温。
环形加热炉主要参数包括：
中径：51m；
炉底宽度：5.4m；
最大加热长度：5.0m；
最大坯重：7620kg；
最大加热能力：260t／h；
最大装出料节奏：90p/h。
2. 锥形辊穿孔机
该机组采用导板式锥形辊立式穿孔机，在18in PQF机组基础上，穿孔辊直径从1500mm增大到1700mm，电机功率从6500kW2台增加到8200kW×2台，提高穿孔机的变形能力，减少连轧机的变形负荷；采用导板式主要目的是穿孔机孔型封闭性好、毛管壁厚精度高，减少了导盘传动系统，减小了牌坊的尺寸，降低了设备投资。
由于本机组采用的管坯直径（Φ310mm、ф380mm、Φ450mm、φ500mm）比18in机组管坯直径大，管坯重量也大，为方便管坯咬入，防止前卡事故，在前台设置了管坯预旋转装置，见图6-17，大管坯在推钢机推入轧辊前在预旋转的驱动下旋转起来，这样很大程度改善了咬入条件，减少了事故，提高了轧辊寿命。
该穿孔机后台一段有6组三辊定心装置，后台二段的顶杆采用在线小车上下料、顶头采用内部循环水冷加外部气雾冷却方式，当顶头穿废时随顶杆一起更换，见图6-18所示。顶杆上料后冷却水可直接循环到顶头工作段的内腔，在轧制及间歇不管顶杆在什么位置，都能通过内部循环水对顶头快速冷却；在轧制间歇时顶杆回退到基位后，进入有外部气雾冷却箱对顶头进行外部冷却，气雾冷却箱中的15道水环分4组控制，从圆周方向分别对顶头不同部位分别控制时间控制水量来冷却，从而保证了顶头工作段良好的冷却效果。
在以前18英寸PQF机组基础上顶头冷却形式做了很大改进，见图6-19（其中，图6-19为本机组顶头结构，图6-19（b）为原18in顶头结构），顶头由原来的实心体改为空腔体，以至于内部冷却水能一直贯通整个顶头的内腔，使顶头的尖端及工作段能得到彻底冷却，从而延长了顶头寿命。
本机组的毛管横移采用可伸缩的大摆臂移送到硼砂工位，吹完硼砂后由带摆动拨叉地面小车将毛管移送到PQF连轧机前台。
穿孔机主要参数包括：
最大／最小轧辊直径：1700mm／1550mm；
最大出口速度：0.8m／s；
最大轧制力矩：3165kN·m；
主电机功率：8200kW×2台；
主电机最大转速：354r／min；
气雾冷却系统：水压0.5～0.7MPa；气压0.4～0.5MIPa。
3. PQF连轧管机
本机组PQF连轧管机为5机架的轴向换辊连轧管机见图6-20，优点是隧道式筒形牌坊刚度及强度好，传动布置紧凑，轧制稳定性好。每架轧机的三个互成120°的轧辊安装在独立的轧制单元一轧辊小机架内，安装在隧道上的伺服液压小仓，可以对轧辊辊缝进行同步调整也可以单独调整，即采用了辊缝自动控制系统（HCCS），从而保证了轧制质量，另外，该连轧管机在生产过程中采用了工艺过程控制系统（PSS），实现了温度补偿、咬入冲击控制、锥形芯棒伺服和头尾削尖等功能。
由于该机组轧制节奏较慢（最快40s／支），只有在线穿芯棒方式，不设预穿线，减少了芯棒在线数量，减少了芯棒与毛管接触时间，减少了毛管的温降，提高了芯棒寿命，节省了设备投资。
连轧机主要参数包括：
荒管外径：ф294mm，φ383mm，φ454mm，φ530mm；
轧辊直径：φ1060～1130mm；
最大入口速度：1.5m／s；
最大出口速度：4.0m／s；
最大轧制力：620kN；
最大轧制力矩：250kN·m；
电机功率：1～4号机架各3×1000kW，5机架为3×500kW；
限动力：2900kN；
限动电机功率：500kW×6台；
限动最大前进速度：2.5m／s；
限动最大返回速度：4.5m／s；
轧制中限动速度：1.5m／s。
4. 定径机
采用12架三辊式定径机，见图6-21，每架都有一台电机驱动，机架采用伞齿轮内传动结构，在机架外有一根传动轴通过联轴器与12架组合式的减速器相连接，奇偶架的电机前后排上下两层排列，整个定径机布置紧凑。该机组在定径机前设置了高压水除鳞装置，提高钢管的外表面质量，延长轧辊寿命。
定径机主要参数包括：
轧辊名义直径：φ1000mm；
机架间距：880mm；
入口钢管速度：0.8～1.5m／s；
出口钢管速度：0.85～2.0m／s；
电机功率：350kW×12台；
电机转速：200～600／1200r／min。
五、机组工艺控制系统和质量保证系统
PQF三辊连轧管机组数量的不断增多，使得PQF连轧管机的工艺控制系统和质量保证系统不断提高完善，从而保证了更好的产品质量，更高的成材率和设备利用率以及较低的工具消耗。整个机组的过程管理系统包括通常所说的MTS系统、HCCS系统、PSS系统等在内的CARTA系统以及QAS系统两大部分组成。整个热轧线的CARTA系统是用来生产计划及生产管理的工艺控制系统，由穿孔机CARTA系统、PQF轧管机CARTA系统及定径机CARTA系统三部分组成，其中PQF轧管CARTA是核心部分，穿孔机CARTA系统主要是工艺参数设定、顶头导板轧辊等轧制工具设计等内容；张减机CARTA系统主要是孔型设计、工艺参数设定等内容。QAS系统是用于热轧线质量控制的检测系统。
六、在线检测质量保证系统QAS
QAS是一个在线独立工作站，通过对物料的跟踪检测，对数据进行收集分析和存储，并将分析的结果及时反馈给CARTA系统以实施对物料的控制，保证钢管质量。QAS检测的具体内容包括：管坯称重以控制坯料超重，实现坯料跟踪；环形炉出口测温以优化管坯加热，满足穿孔及连轧工艺要求，确保钢管质量；穿孔后测长以控制毛管几何尺寸，确保连轧的咬入及轧制的稳定；芯棒润滑前测温以满足芯棒喷涂润滑剂的工艺要求，确保钢管内表面质量和芯棒使用寿命；连轧人口测温以控制毛管温度确保轧机正常咬入及轧制的稳定性；连轧后测厚测长测温以控制连轧出口荒管几何尺寸，确保荒管壁厚精度；定径前测温以控制荒管温度，确保定径轧制稳定性。
七、机组特点
1. 增大管坯直径，降低穿孔的扩径率，提高毛管的几何尺寸精度
与相近机组相比（如表6-11所示），该机组增大管坯直径的意义在于：对于环形炉，大口径厚壁管生产时降低了坯料的长度，设计中减少了环形炉的中径，在环形炉建设中减少了近5％投资；对于穿孔机而言，管坯外径增大了，但毛管的几何尺寸和同类机组一样，这样毛管的扩径率降低了近10％，在穿孔斜轧过程中，大大降低了轧件的横向变形，能很好抑制穿孔的附加变形程度，提高毛管的几何尺寸精度。
2. 穿孔机采用新型的顶杆顶头连接形式和更换方式
与φ460机组相比，天淮508机组穿孔后台二段形式彻底改进，针对大机组节奏较慢（最快40s以上）的特点，为提高设备的运行稳定性，增加顶杆上下料小车，实现顶杆的在线循环，改变了同类锥形穿孔机组单顶杆在线自动快换顶头模式（设备精度要求较高），采用顶头和顶杆通过过盈锥面配合外加定位销连接，见图6-19，并线外装配作业，这样减少了换规格过程的设备调整时间，改进后还避免生产过程中在线顶头安装不上出现无顶头轧制工艺事故，节省了顶杆消耗和工艺事故扩大化造成的机械故障，节省工具费用同时提高了作业率。另外，采用顶杆更换小车形式，换孔型时提前准备好新孔型的顶杆，10min 内完成穿孔机组的顶杆更换，较同类型机组穿孔孔型更换时换顶杆节省近90％的时间。
3. 改进了穿孔机组顶头的冷却方式
天淮φ508机组穿孔顶头的冷却方式增加了顶头的内水冷并改进了外水冷方式，该机组冷却水能直接到达顶头的腔体内（见图6-19），设计时增加了内水冷的水压，由同类机组的8bar增加到12bar，提高了冷却速率。改进了外水冷的形式，在同类穿孔机组顶头更换装置的位置，设计了顶头外冷的专用装置，该装置采用气雾冷却方式，见图6-18，并配套电气控制系统，根据顶头规格和温度调整喷吹压力和时间，保证顶头冷却均匀，避免了轧制后的高温顶头由冷却不均造成顶头开裂报废。该机组顶头内外水冷的方式，从近半年生产统计锻造顶头的平均寿命达到450支（个别达到900支）以上，顶头平均寿命是其他同类机组的1.5倍以上。
4. 连轧短管模式
为保证大口径厚壁管的生产，连轧机组增加短管模式，设计中连轧机与脱管机间距为11.5m，在生产短于11.5m大口径超厚壁管时，开发连轧的短管模式，在设计过程中考虑实现最短8m管生产，脱管电机选型时保证低速性能稳定，依靠限动齿条将连轧后管送进脱管机，这时脱管机的线速度和限动速度一致，咬入后脱管机升速实现荒管和芯棒脱开。
5. 为保证大口径薄壁管表面质量，移送设备创新结构，做到轻拿轻放
为保证大口径薄壁管表面质量，防止钢管在移送过程出现嗑伤及划痕现象，本机组的毛管横移机构及脱管后横移链拨料机构都进行改进创新。在ф460mm机组中，毛管从三辊定心由一个拨料钩拨出由另一个拨料钩接料放到旋转托辊上吹硼砂，见图6-22（a），吹完硼砂后由高架小车移送到带高度调整的受料鞍座上，毛管滚落到鞍座辊道上进而由连轧前台的回转臂取走；防止大口径薄壁管（特别是径壁大于48）在拨料滚动中出现的嗑伤和划痕，天淮ф508mm机组在此进行了改进创新，见图6-22（b），三辊定心出来的毛管由可伸缩的大摆臂移送到硼砂工位，吹完硼砂后由地面小车的拨叉将毛管取走，小车到行程后，小车上的拨叉将毛管移到垂直升降的放料叉，小车回退，然后由连轧前台的回转臂取走毛管，在毛管的三次接力传递中都避免了在拨叉及鞍座台架上的滚动冲击，都是轻拿轻放，避免了嗑伤和划痕，提高了表面质量。另外，本机组在脱管机后横移链冷床入口拨料采用了拨料防护机构，见图6-23，当链床的拨料臂抬起过程中附带在拨料臂上的防护板也随之升起以保护钢管防止在拨料盘上嗑伤，当拨料臂落下时反向连杆机构使防护板也落下，将钢管慢慢放下，从而避免了在以前18in机组上薄臂管总在小冷床入口嗑伤的后果。在天淮φ508mm机组中，类似以上保护措施及结构应用较多，进一步提高了大口径薄壁管的表面质量。
八、结论
Φ508mmPQF机组是当今世界上最大的热连轧管生产机组，拥有了世界上最先进的工艺设计和过程控制水平，同时设计过程中对同类机组的不足之处和薄弱环节进行了重大改进，创新了5项技术：
1. 在吸收以往的MPM和PQF机组经验的基础上，采用8200kW大功率穿孔机加大了穿孔机的变形量，减小了后续工序变形，穿孔机的延伸系数最大能够达到4.7。并设计减小了穿孔毛管与连轧芯棒之间的间隙，因此更有利于生产薄壁管和高合金管，已成功生产的φ508mmx9.5mm钢管径壁比达到56。同时最大限度地消除了PQF轧机的内壁伤问题，提高了钢管壁厚精度和均匀度。表6-12及图6-24为φ508mm机组生产的φ508mmx12.5mm钢管取样情况：A～H为沿钢管同一断面测得的8个壁厚数据。由图表可知钢管各断面的壁厚偏差率都在±8％以内。
2. 穿孔机组采用新型的顶杆和顶头连接和更换方式，保证设备运行稳定，减少了事故，提高了作业率，降低了顶杆费用。
3. 穿孔机组顶头增加了内水冷并设计外水冷装置，保证顶头冷却均匀，提高了顶头冷却效果，顶头寿命提高近50％，为同类机组提供了改进技术。
4. 连轧机组开发了短管模式，实现8m以上的大口径厚壁管的生产，扩大了该机组生产的产品大纲。
5. 设计开发了轻拿轻放的钢管移送机构，避免了大口径薄壁管移送过程出现磕碰和划伤，提高了薄壁管产品的一次合格率。
