专利名称：一种限动芯棒连轧机组中芯棒限动速度的处理方法
技术领域：
本发明涉及确定限动芯棒连轧机组中芯棒限动速度的一种处理方法，更具体的说
是在综合考虑芯棒使用长度和使用寿命的基础上对芯棒限动速度的一种设计方法。
背景技术：
在金属变形过程中，体积不变和秒流量相等是建立轧制过程的基本原则。限动芯 棒连轧技术就是依此原则建立的，并且以轧制过程中芯棒速度恒定为特征，从而可以消除 浮动芯棒连轧机轧制的钢管上产生的"竹节"缺陷，提高产品的壁厚精度。因此，芯棒是限 动芯棒连轧管机组中最重要的热变形工具，通过轧辊与芯棒的共同作用，毛管被轧制到精 确范围内，实现减壁目的。芯棒表面质量和芯棒限动速度直接关系着产品精度和管体内表 面质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种在综合考虑芯棒使用长度和使用寿命基础上的确定芯 棒限动速度的一种处理方法。利用该方法可以得到最佳的芯棒限动速度，有效地提高芯棒 的使用寿命，降低生产成本。 按照本发明提供的技术方案，所述限动芯棒连轧机组中芯棒限动速度的处理方 法，包括如下步骤 (1)芯棒由进入连轧机组第一机架时的咬钢速度加速到限动速度后保持不 变直到轧制结束，由连轧时各机架秒流量相等的原则和芯棒与轧件相对运动的速度状
态计算芯棒与轧件接触的总长度，得到芯棒参与轧制的工作长度LL的计算表达式 -1 / w-l r 其中Vi为第i台轧机的轧制速度(m/s) ， 1为荒管的长度，Li为第i台与第i+1台 轧机间的距离(m)， i为芯棒限动速度(m/s); (2)在轧制过程中芯棒与轧件产生摩擦，芯棒单位面积上的摩擦热量等于轧件与 芯棒间摩擦力与相对位移的乘积，由芯棒与轧件相对运动的速度状态计算得到有载荷时芯 棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量Q的计算表达式 Q( J = t 乂 & _ ;)丄+ / ( ，。)2 ; 其中&为第i机架中轧件与芯棒对应的摩擦力，&为芯棒加速时的加速度(m/s2)， vma。芯棒的咬钢速度(m/s); (3)根据上述两步骤的计算结果，求解合适的限动速度vma使芯棒工作长度LL最 短，艮卩(？inQ(v柳)凍解合适的限动速度Vma使单位面积摩擦热量Q最小，即？in20J ，综
合考虑限动速度Vma的取值范围并使芯棒工作长度减短和芯棒使用寿命提高，形成如下的多目标优化形式^n丄i:(v邮)，mne(v则);
vm。 'ma
max(v, —4.5},mi+,，Vw。02+Vl
1，2，. ，4，5。 其中，min :是求最小化的数学符号；max :是求最大化的数学符号；LL :芯棒参与 轧制的工作长度；Q :芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量；Vma :芯棒限动速度(m/s); V迈ao :芯棒的咬钢速度(m/s) ;Vi :第i台轧机的轧制速度(m/s) ;1 :荒管的长度;1^ :第i台 与第i + 1台轧机间的距离(m) ;fi :第i机架中轧件与芯棒对应的摩擦力A :芯棒加速时的 加速度(m/s2); 最后3个公式合在一起是多目标优化的一种数学符号表达，其中，in^^^》和 ming(XJ是两个优化目标，分别表示求解Vma，使芯棒工作长度LL(Vma)最小和使单位面积vm。
摩擦热量Q(vJ最小。vff
max{" _4,5},min"，-
2
1，2，... ，4，5是芯棒限
动速度vma的取值范围。最终求解这个多目标优化可以得到满足条件的芯棒限动速度，即一
种确定合理芯棒限动速度综合考虑减短芯棒工作长度和提高芯棒使用寿命。 限动芯棒连轧技术是依在金属变形过程中体积不变和秒流量相等这两个基本原
则建立的，并且以轧制过程中芯棒速度恒定为特征。芯棒是限动芯棒连轧钢管机组中最重
要的热变形工具，通过轧辊与芯棒的共同作用，毛管被轧制到精确范围内，实现减壁目的。
芯棒表面质量和状态的好坏直接关系生产能否顺利进行、产品精度以及管体内表面质量。
本发明通过建立限动芯棒连轧机组中芯棒运动的数学模型，在综合考虑芯棒使用寿命和工
作长度的基础上，给出了一种芯棒限动速度的计算方法。利用该方法可以得到最佳的芯棒
限动速度，有效地提高芯棒的使用寿命，降低生产成本。
图1芯棒限动速度和行程曲线。
具体实施例方式
在限动芯棒连轧的工艺流程中，毛管在预穿线定位后进行芯棒预穿，然后由限动 齿条带动芯棒进行二次插入到设定位后，芯棒和毛管一起送入连轧机进行轧制。连轧机轧 制中，荒管由脱管机从芯棒脱出，当荒管从连轧最后架脱出后，芯棒由限动齿条带动返回。 实际生产中限动齿条的运行过程由六个速度段组成，分别为插入速度、咬钢速度、限动速 度、返回低速、返回高速和定位速度，如图l所示。在最后第二机架扎制结束后经过很短的 延时后由限动齿条带动芯棒减速并返回。
为保证连轧机的正常生产，芯棒限动速度需要满足下列3项基本原则 a)避免因没有芯棒造成空轧，即使芯棒前端比轧件先到，或至少是同时到达最后机架。 b)轧件与芯棒的相对速度方向同向，即轧制中金属的纵向流动速度大于限动速
度，因此芯棒的限动速度Vma满足Vm。 ^ ，式中V 。为第1机架入口速度，即咬钢速度
4(m/s) ， Vl为第1机架轧制速度(m/s)。 c)提高芯棒使用寿命，根据经验，第i机架轧件与芯棒的相对速度AVi =
Vi-V迈a《4. 5，式中Vi为第i机架的轧制速度(m/S) ， V迈a为芯棒的限动速度(Hl/s)。 根据上述限动芯棒连轧的工艺流程和限动速度选定的基本原则，本发明按下列步 骤进行 1)根据芯棒运动模型建立芯棒工作长度的计算方法。 2)建立有载荷时芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量的计算方法。 3)建立优化芯棒工作长度和芯棒使用寿命的多目标优化并求解。 先设连轧机组由n台轧机组成，其中第i台轧机的轧制速度为、，第i台与第i+1
台轧机间的距离为b (i = 1， 2，. . . ， n)，芯棒的限动速度为vM(m/S)，连轧后荒管长度为1。
如图1所示，在最后第二机架扎制结束后经过很短的延时后由限动齿条带动芯棒减速并返回。 1)根据芯棒运动模型建立芯棒工作长度LL的函数表达式 根据连轧秒流量相等的原则FJi = F2V2 = F3V3 = =FnVn = cons tan。 其中&为第i机架轧后钢管断面积(mm2) ， Vi为第i机架钢管出口速度(m/s)，即
轧制速度。由体积不变原则得出，各机架纯轧时间相等，艮卩 TK1 = TK2 = TK3= =TKn = TK; 其中TKi为第i机架纯轧时间(s)，考虑最后一台机架n的轧制情况，可以得到 / 乙=一； 、 设IV为轧件充满全部轧机的时间，亦即轧件从进入第一台机架至轧件到达最后一
台机架的时间，则有^=!;2; 芯棒的咬钢速度为Vma。，并且在进入第2台轧机时已经达到了要求的限动速度Vma，
其芯棒的加速度为A，加速时间为tp则有J加<formula>formula see original document page 5</formula> 则芯棒的工作段长度LL(芯棒参与轧制段的长度，亦即每扎一根管子时，芯棒与 管子接触的总长度)"=+ vm。— 7>) = J]A + vm。(一 — J]~1); 2)建立有载荷时芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量Q的函数。 设在轧机有载荷时芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量为Q，设第i机架中
轧件与芯棒对应的摩擦力为fi，其对应的相对位移为Si，则有 <formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula>mo0
)2 ^y;(v,一v卿)丄+ y;^ 3)建立优化芯棒工作长度和芯棒使用寿命的多目标优化并求解。
从提高芯棒使用寿命的角度来看，即对摩擦产生热量的优化毋in^XJ ; 从提高芯棒利用率的角度来看，优化的目的是使芯棒的工作长度LL能够尽量短，
这样可以减少芯棒的使用成本或可以有效地调头使用芯棒，并且也可以减少芯棒润滑剂石
墨的使用量，B卩？inZ"v J; 同时考虑到芯棒限动速度选取的3项基本原则，Vma应满足max{" — 4.5} S v卿《min〗
2
1，2， ，4，5 ;
即建立如下关于芯棒限动速度的多目标优化
min。(v加。)；mini:Z(v附)；
V咖
fl
max(v,. - 4.5}, minj v,， V。 ; Vl
1，2， ，4，5 ;
关于上述多目标优化的求解本发明列举两种解决方案
方法1 :将上述多目标优化转换为单目标优化形式mi4^20卿)+ ^"0卿))
max
{v. _ 4.5), —-1 Vw。0 + Vl
，min<j v,.，
2
1，2， . ，4，5 其中a 、 |3分别为表示芯棒使用寿命和工作长度重要性的权重，取a > 13表示 优化的目标侧重于提高芯棒的使用寿命，反之取13 > a。 方法2 :从经济角度考虑，在实际生产中只能有一定数量的芯棒规格，即实际中可 以选取的芯棒长度是具有一定规格的，因此可以首先合理的取定芯棒的单次工作长度最长
为L'，有LL(vJ《L';即
K一^ 从而问题转化为对芯棒使用寿命的单目标优化，即7inG0U)
'卿
z'-
、，
'卿o
2
^一；
1，2，. ，4，5。
权利要求
一种限动芯棒连轧机组中芯棒限动速度的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤(1)芯棒由进入连轧机组第一机架时的咬钢速度加速到限动速度后保持不变直到轧制结束，由连轧时各机架秒流量相等的原则和芯棒与轧件相对运动的速度状态计算芯棒与轧件接触的总长度，得到芯棒参与轧制的工作长度LL的计算表达式 <mrow><mi>LL</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msub> <mi>v</mi> <mi>n</mi></msub> </mfrac> <mo>-</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <mfrac><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>(2)在轧制过程中芯棒与轧件产生摩擦，芯棒单位面积上的摩擦热量等于轧件与芯棒间摩擦力与相对位移的乘积，由芯棒与轧件相对运动的速度状态计算得到有载荷时芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量Q的计算表达式 <mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>v</mi><mi>n</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mfrac> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>v</mi><mrow> <mi>ma</mi> <mn>0</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <msub><mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi></mrow><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(3)根据上述两步骤的计算结果，求解合适的限动速度vma使芯棒工作长度LL最短，即求解限动速度vma，使单位面积摩擦热量Q最小，即综合考虑限动速度vma的取值范围，并使芯棒工作长度减短和芯棒使用寿命提高，形成如下的多目标优化形式 <mrow><munder> <mi>min</mi> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub></munder><mi>LL</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><munder> <mi>min</mi> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub></munder><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mo>∈</mo><mo>[</mo><mi>max</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mn>4.5</mn><mo>}</mo><mo>,</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mrow><mi>ma</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>}</mo><mo>]</mo><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mn>4,5</mn><mo>;</mo> </mrow>其中，min是求最小化的数学符号；max是求最大化的数学符号；LL芯棒参与轧制的工作长度；Q芯棒工作段长度上单位面积产生摩擦热量；vma芯棒限动速度(m/s)；vma0芯棒的咬钢速度(m/s)；vi第i台轧机的轧制速度(m/s)；l荒管的长度；Li第i台与第i+1台轧机间的距离(m)；fi第i机架中轧件与芯棒对应的摩擦力；a1芯棒加速时的加速度(m/s2)；和是两个优化目标，分别表示求解vma使芯棒工作长度LL(vma)最小和使单位面积摩擦热量Q(vma)最小； <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mo>∈</mo><mo>[</mo><mi>max</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mn>4.5</mn><mo>}</mo><mo>,</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mrow><mi>ma</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>}</mo><mo>]</mo><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mn>4,5</mn> </mrow>是芯棒限动速度vma的取值范围；最终求解这个多目标优化可以得到满足条件的芯棒限动速度，确定合理芯棒限动速度综合考虑减短芯棒工作长度和提高芯棒使用寿命。F200910211474XC00013.tif,F200910211474XC00014.tif,F200910211474XC00018.tif,F200910211474XC00019.tif
全文摘要
本发明涉及一种限动芯棒连轧机组中芯棒限动速度的处理方法，限动芯棒连轧技术是依在金属变形过程中体积不变和秒流量相等这两个基本原则建立的，并且以轧制过程中芯棒速度恒定为特征。芯棒是限动芯棒连轧钢管机组中最重要的热变形工具，通过轧辊与芯棒的共同作用，毛管被轧制到精确范围内，实现减壁目的。芯棒表面质量和状态的好坏直接关系生产能否顺利进行、产品精度以及管体内表面质量。本发明通过建立限动芯棒连轧机组中芯棒运动的数学模型，在综合考虑芯棒使用寿命和工作长度的基础上，给出了一种芯棒限动速度的计算方法。利用该方法可以得到最佳的芯棒限动速度，有效地提高芯棒的使用寿命，降低生产成本。
文档编号B21B28/00GK101722198SQ20091021147
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者晏谢飞 申请人:无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司