|
最近几年随着预引力混凝土管桩的迅速推广应用，国产ＰＣ钢棒生产线经过不断探索与相互借鉴，生产水平也有了较大提高。其重要标志：生产线速度，直径９．０由３０～４０米／分上升到１００米／分，直径１０．７由２０～３０米／分上升到９０米／分；断后伸长率较稳定地控制在８．５％～９．０％之间；笔者有幸组织参与某家ＰＣ钢棒生产企业的生产线自主研制开发，历时４年，愿将其中的感悟与大家分享和探讨，并望借此对国产ＰＣ钢棒生产线的发展有所帮助。
一． ＰＣ钢棒生产线的组成与特点
１．生产流水线组成：原料放线、除鳞、拉丝（单独拉丝后，另需再放线）、校直、牵引、淬火加热、淬火水冷、回火加热、回火水冷、牵引、剪切、分线拨叉和成品卷绕。 （图片） ２．生产线按拉丝是否与后续工序连动分为拉丝连动生产线与拉丝单独生产线两种。
拉丝连动的主要优点是能充分利用拉丝所产生的热能，依不同的生产规格和速度能节省１０～４０ＫＷ的功率消耗；与单独拉丝相比能减少拉丝后的放线工序，因此不仅节省了拉丝后半成品的堆放场地，而且每条线每班节省１～１．５个人员；其次是每个接头减少材料损耗２米左右。当然，拉丝连动的前题是拉丝模耗比较低，否则会因频繁换模而影响整个生产线的运行，而且每次换模停车造成的废丝长度是线速度的１～１．５倍，相当于单独拉丝３０～５０个接头的废丝，因此每模拉丝寿命不低于４０～５０吨是采用拉丝连动的必要前题，究竟采用哪种方式生产线应由企业根据具体情况而定。
３．放线可分为有扭与无扭放线两种。
４．除鳞，由于受环保制约一般采用机械除鳞，效果不如化学除鳞，且受原料时效影响。
５．拉丝按与后续工序的连动关系可分单独拉丝和连动拉丝二种。连动拉丝采用齿轮变速，效率高、磨损小，钢棒上的热量又可利用。拉丝凹模又可分为被动旋转与主动旋转两种。由于主动旋转凹模可以精确控制拉丝导程，故有利于延长凹模使用寿命，提高生产率。
６．校直在水平与垂直二个方向上进行。如果采用连拉工艺，可以简化、甚至取消水平校直。
７．牵引分为上下轮全主动驱动与上轮被动下轮主动驱动二种方式：全主动驱动可以增大牵引力，但在牵引轮不均匀磨损后会造成各牵引轮各点的牵引线速度不一致，从而增加牵引机构的自身损耗。动力传递分硬连接和软连接（主要是皮带）。对于加热牵引，前者在剪切时对加热区钢棒的张力影响较小，后者可以缓减剪切时对驱动的阻转力矩。
８．淬火加热可分为二段（台）加热与三段（台）加热二种。高速线宜采用三段加热，一来有利减小单台加热电源的功率便于制造，二来有利于提高加热效率。
９．淬火水冷系统的安排与设计的好坏对产品质量和生产影响很大，对经验的依赖性很强。
１０．回火加热与淬火水冷的合理安排，对产品质量与能耗影响很大，需合理平衡。同时回火加热频率的高低影响产品硬度的分布梯度，从而直接影响到管桩的滚焊。
１１．剪切可分为同步剪切与异步剪切二种。高速线最好采用同步剪切。
１２．成品卷绕机构分为卧式与立式二种。卧式不易排线，成型差，但有利于高速与安全生产；立式排线整齐，但成品入盘与加速同步难度大，对操作人员的要求也高。
二．国产ＰＣ钢棒生产线的现状与提高生产速度的瓶径
由于各种原因，ＰＣ钢棒生产线研制单位没有把ＰＣ钢棒当作一个产业来长期运作，潜心研究，因此缺乏人、财的有效投入和ＰＣ钢棒生产企业的紧密合作，目前主要停留在仿制阶段，生产线产能短时间内难于有效突破。下面笔者就近年来研制ＰＣ钢棒生产线的体会和所遇瓶径与同仁交流。
１．ＰＣ钢棒生产线中的几个难题：当然首推热处理工艺，为了易于摸索合理工艺和稳定产品质量，应尽可能稳定工艺条件，建议水系统采用恒压供水，冷却塔采用恒温控制（最好喷淬能流量控制），也有利节能；除此是回火功率的控制，因为回火温度主要受到线速度、淬火硬度与冷却情况和回火加热功率等多种因素影响，当其中某个因素异常时必然造成回火温度波动，此时回火功率控制模式的好坏对保证产品质量的稳定和一致及电耗非常关键；另一个应该算上拉丝模耗问题，因为模耗牵涉到凹模质量、除鳞、拉丝润滑剂、模头冷却、拉丝导程控制和控制死区及模头驱动特性等诸多因数，解决好并非易事。再一个是拉丝后钢棒上的残余润滑剂与氧化皮没有一个合理的清除方法，容易在第一台加热线圈中烧结造成堵塞。还有一个粉尘污染问题，粉尘中的润滑剂、氧化皮对现场生产人员和加热电源、控制设备入侵不可忽视，但解决起来难度也不小。
２．当前ＰＣ钢棒生产线的装备现状。拉丝一般采用交流驱动，主要优点是电动机耐环境污染，缺点是变频器功率大，能耗制动不现实而逆变制动成本不易接受，故难以紧急停车；而直流驱动容易实现四象限运行停车迅速，在大功率应用中成本低以交流驱动，主要缺点是直流电机维护量大。在热处理生产线传动中，采用交流驱动的成本低以直流驱动，但前者的抗电网骚动和过载能力低于后者，这对同时分别拥有几条交流驱动与直流驱动生产线的企业感受特别深刻。在加热设备方面，加热电源普遍采用并联逆变，因此滤波电抗器的损耗相当大，电腐蚀也很厉害，采用串联逆变可以甩掉电抗器，难以可靠解决过流保护问题可能是阻碍串联逆变电源应用的一个障碍；目前逆变电路的换流角难以稳定自动控制，这对于回火加热功率的精确控制是不利的，对于超音频淬火加热，负载变化容易引起逆变管损坏；由于生产线常年连续工作，因此综合加热效率必须引起足够重视，例大电流回路应从经济密度而不是安全密度来设计，同时在设备的售价中要充分体现效率优势，这对于设备制造行业健康发展是有利的，同时也有利于降低ＰＣ钢棒生产成本（一般而言改善电源效率所增加的售价，一个年度内节省的电费足以回收）。在传动和加热自动控制方面，应引入在线诊断，异常记录备案和故障追溯功能，可以方便维修，完善质量保证体系；同时加入拉丝模导程和驱动力矩实时闭环控制，为降低模耗创造条件。
３．发展高速生产线的主要瓶径是探索和完善对应的热处理工艺。首先要解决快速加热与透热所期望的被加热材料横截面的温度梯度小之间的矛盾，其中涉及到加热区的合理分段、各段加热频率和功率的合理安排与搭配、透热性与加热效率之间的平衡、均热区的合理设置等诸多方面。其次要解决快速水冷淬火的渗透性及摸索合理的淬火曲线和工艺。
４．发展高速生产线的另一个障碍是缺乏贴合生产现场和合适成本的高可靠性配套设备。首先反映在加热电源上，国产能提供频率６～１０ＫＨｚ功率５００～１０００ＫＷ的可控硅或ＩＧＢＴ电源极少、频率４０～６０ＫＨｚ功率２５０～４００ＫＷ的ＩＧＢＴ电源也不多，产品成熟性能稳定更少。其次表现在机械设备上，为了减小高速走线剪切时对加热牵引的阻转力矩，迫切需要成本合适、工作可靠的同步剪切装置或能较好控制剪切时的钢棒拱出量的异步剪切装置；为了配合高速成品卷绕宜采用自动排线／卷绕，而国内尚无对应产品供应；主动旋转凹模轴承线速度受限，高速应用可能需要另辟蹊径；高速生产宜采用拉丝连动工艺，否则单独拉丝惯量大难以提速，势必增加拉丝机组与热处理线的配比，而采用拉丝连动，拉丝模耗问题必然凸现；拉丝滚筒的表面耐磨性还有待提高，如此等等，说明高速生产线的成熟和完善是一个系统和过程，有待行业同仁齐心协力共同努力，把我国ＰＣ钢棒生产水平推上一个新台阶。限于水平，上述定有不少欠妥之处，奢望同仁不吝指教！
附录：现有国产高速生产线主要指标
规格（φｍｍ） ７．１ ９．０ １０．７
线速度（米／分钟） １００ １００ ９０
抗拉强度（ＭＰａ） ≥１４２０ ≥１４２０ ≥１４２０
断后伸长率（％） ８～９ ８～９ ８～９
单位电耗（度／吨） ３８０ ３２０ ３１０
注：电耗在变压器低压侧，线电压＝３９０Ｖ、ＣＯＳφ＝０．９５时测得。其数值与工艺、加热耦合程度、电源效率等因数密切相关。
8/12/2009
|
