提高穿孔毛管轧制质量的控制方法
【专利摘要】本发明提供一种提高穿孔毛管轧制质量的控制方法，该控制方法是对两辊斜轧无缝钢管穿孔机轧制工艺后半程中加入了控制毛管尾端稳态轧制工艺；具体控制方法步骤为：基速端部咬钢；毛管尾端轧制起始时间点的确立；毛管尾端轧制斜坡控制速度给定的输出。本发明效果是新型工艺及数学模型控制安全可靠、设计合理，提高了轧制机后三辊装置的使用性能，故障率明显下降,可提高产品成材率1％以上，降低设备故障率80％，降低设备维护费用，提高运转率，有利于优化保护措施延长电机的使用寿命。经近一年多的实践检验，取得了非常好的效果；年减少损失、多创效益在1200万元以上。
【专利说明】提高穿孔毛管轧制质量的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及穿孔毛管轧制生产工艺，特别是一种提高穿孔毛管轧制质量的控制方 法，改变传统轧钢的工艺，实现钢管穿孔轧制过程中的尾端稳态均匀轧制。
【背景技术】
[0002] 在无缝钢管生产过程中，应用穿孔工艺非常经济。1886年德国的曼内斯曼兄弟申 请了用斜辊穿孔机生产管状断面产品的专利。文献中描述了金属变形时内部力的作用和使 用两个或多个呈锥形的轧辊进行穿孔，因此被称作曼内斯曼穿孔过程。
[0003] 在无缝钢管生产中，穿孔工序是将实心的加热后的管坯穿成空心的毛管。穿孔作 为金属变形的第一道工序，穿出的管子壁厚较厚、长度较短、内外表面质量较差，俗称毛管。 但通常要求轧制出的毛管几何尺寸合乎要求和外表面光滑，并具有相应的穿孔速度和轧制 周期，以适应整个机组的生产节奏。如果在毛管上存在一些缺陷，经过后面的工序也很难消 除或减轻。所以在钢管生产中穿孔工序极为关键，穿孔质量的好坏直接关系到下道工序的 工艺是否能正常执行及最终产品质量的高低。为此，特对穿孔工艺提出如下三点要求：
[0004] (1)首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高。
[0005] (2)其次，毛管的内外表面要光滑，不得有结疤、折迭、裂纹等缺陷。
[0006] (3)最后要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的 终轧温度能够满足连轧管机的要求。
[0007] 当今无缝钢管生产中穿孔工艺更加合理，穿孔过程实现了自动化。
[0008] 1、两辊斜轧穿孔机穿孔过程及穿孔运动学分析
[0009] 1. 1斜轧穿孔整个过程
[0010] 斜轧穿孔整个过程可以分为三个阶段
[0011] 第一个不稳定过程--管坯前端金属逐渐充满变形区阶段，即管坯同轧辊开始接 触到前端金属出变形区，这个阶段存在一次咬入和二次咬入。
[0012] 稳定过程--这是穿孔过程主要阶段，从管坯前端金属充满变形区到管坯尾端金 属开始离开变形区为止。
[0013] 第二个不稳定过程一为管坯尾端金属逐渐离开变形区到金属全部离开轧辊为止。
[0014] 稳定过程和不稳定过程有着明显的差别，这在生产中很容易观察到的。如一只毛 管上头尾尺寸和中间尺寸就有差别，一般是毛管前端直径大，尾端直径小，而中间部分是一 致的。头尾尺寸偏差大是不稳定过程特征之一。造成头部直径大的原因是：前端金属在逐 渐充满变形区中，金属同轧辊接触面上的摩擦力是逐渐增加的，到完全充满变形区才达到 最大值，特别是当管坯前端与顶头相遇时，由于受到顶头的轴向阻力，金属向轴向延伸受到 阻力，使得轴向延伸变形减小，而横向变形增加，加上没有外端限制，从而导致前端直径大。 尾端直径小，是因为管坯尾端被顶头开始穿透时，顶头阻力明显下降，易于延伸变形，同时 横向展轧小，所以外径小。
[0015] 生产中出现的前卡、后卡也是不稳定特征之一，虽然三个过程有所区别，但他们都 在同一个变形区内实现的。变形区是由轧辊、顶头、导盘（导板）构成。如图1-1所示，整 个变形区为一个较复杂的几何形状，大致可以认为，横断面是椭圆形，到中间有顶头阶段为 一环形变形区。纵截面上是小底相接的两个锥体，中间插入一个弧形顶头。
[0016] 变形区形状决定着穿孔的变形过程，改变变形区形状（决定与工具设计和轧机调 整）将导致穿孔变形过程的变化。穿孔变形区大致可分为四个区段，如图1-2所示。
[0017] I区称之为穿孔准备区，（轧制实心圆管坯区）。I区的主要作用是为穿孔作准备 和顺利实现二次咬入。这个区段的变形特点是：由于轧辊入口锥表面有锥度，沿穿孔方向前 进的管坯逐渐在直径上受到压缩，被压缩的部分金属一部分向横向流动，其坯料波面由圆 形变成椭圆形，一部分金属轴向延伸，主要使表层金属发生形变，因此在坯料前端形成一个 "喇叭口"状的凹陷。此凹陷和定心孔保证了顶头鼻部对准坯料的中心，从而可减小毛管前 端的壁厚不均。
[0018] II区称为穿孔区，该区的作用是穿孔，即由实心坯变成空心的毛管，该区的长度为 从金属与顶头相遇开始到顶头圆锥带为止。这个区段变形特点主要是壁厚压下，由于轧辊 表面与顶头表面之间距离是逐渐减小的，因此毛管壁厚是一边旋转，一边压下，因此是连 轧过程，这个区段的变形参数以直径相对压下量来表示，直径上被压下的金属，同样可向 横向流动（扩径）和纵向流动（延伸）但横向变形受到导盘的阻止作用，纵向延伸变形是 主要的。导盘的作用不仅可以限制横向变形而且还可以拉动金属向轴向延伸，由于横向变 形的结果，横截面呈椭圆形。
[0019] III区称为碾轧区，该区的作用是碾轧均整、改善管壁尺寸精度和内外表面质量， 由于顶头母线与轧辊母线近似平行，所以压下量是很小的，主要起均整作用。轧件横截面在 此区段也是椭圆形，并逐渐减小。
[0020] IV区称为归圆区。该区的作用是把椭圆形的毛管，靠旋转的轧辊逐渐减小直径上 的压下量到零，而把毛管转圆，该区长度很短，在这个区变形实际上是无顶头空心毛管塑性 弯曲变形，变形力也很小。
[0021] 变形过程中四个区段是相互联系的，而且是同时进行的，金属横截面变形过程是 由圆变椭圆再归圆的过程，见图1-3。
[0022] 1. 2斜轧穿孔运动学
[0023] 穿孔机轧辊是同一方向旋转，且轧辊轴相对轧制轴线倾斜，相交一个角度称作前 进角。当圆管坯送入轧辊中，靠轧辊和金属之间的摩擦力作用，轧辊带动圆管坯一毛管反 向旋转，由于前进角的存在，管坯一毛管在旋转的同时向轴向移动，在变形区中管坯一毛 管表面上每一点都是螺旋运动，即一边旋转，一边前进。
[0024] 表现螺旋运动的基本参数是：切向运动速度、轴向运动速度、和轧辊每半转的位移 值（螺距）。
[0025] 首先分析轧辊上任意一点的速度，如果轧辊圆周速度为VR，则可以分解为两个分 量（切向分量和轴向分量）。
[0026] VaR = VRCOS β = Ji D Nb/60 X COS β------切向旋转速度 （I)
[0027] VtR = VR sin^ = JiD Nb/60 X Sin^-----轴向速度 （2)
[0028] 式中D--所讨论截面的轧辊直径，mm ;
[0029] Nb----乳棍转速，rpm ;ν β----咬入角。
[0030] 在轧制过程中由于坯料靠轧辊带动，乳辊将相应的速度传递给管坯，则管坯速度 为：VB = JiD Nb/60XC0SP (3)
[0031] 但实际上轧辊速度和金属速度并非完全相等。一般金属运动速度小于轧辊速度， 即两者之间产生滑移，可用滑移系数来表示两者速度，这样
[0032] VaR = π D Nb/60 X COS β X η τ (4)
[0033] VtR = π D Nb/60 X sin β X η 0 (5)
[0034] 式中：η τ ---切向滑移系数，
[0035] n〇轴向滑移系数，两者小于1。
[0036] 不同的材料有不同的滑移系数，如碳钢：η0 = 0.8?1.0,低合金钢：η0 = 0.7? 〇. 8,高合金钢：no = 0. 5?0. 7。
[0037] 在生产中最有实际意义的是毛管离开轧辊时的那一点速度可知，出口速度愈大， 生产率也愈高。为了简化计算，一般假设轧辊出口速度等于VtR，实际误差包含在滑移系数 中。
[0038] 毛管离开轧辊一点的轴向滑移系数可用公式（2)求出轴向速度，除以毛管长度得 出理论的穿孔时间，再和实测时间相比，即no = T理/T实.这样确定no后，则可计 算出毛管离开轧辊的轴向速度。
[0039] 螺距在变形中是个可变值，并且随着管坯进入变形区程度增加而增加，这是由于 管坯-毛管断面积不断减小而轴向流动速度不断增加所致。
[0040] 毛管离开轧辊一点的螺距值计算公式为：
[0041] T = 31 /2X n〇/ η τ XdXtg^ (6)
[0042] 式中：d――毛管直径
[0043] 1.3穿孔的咬入条件
[0044] 斜轧穿孔过程存在着两次咬入，第一次咬入是管坯和轧辊开始接触瞬间，由轧辊 带动管坯运动而把管坯拽入变形区中。当金属进入变形区到和顶头相遇，克服顶头的轴向 阻力继续进入变形区为二次咬入。一般满足了一次咬入的条件并不见得就能满足二次咬入 条件。在生产中我们常常看到，二次咬入时由于轴向阻力作用，前进运动停止而旋转继续着 即打滑。
[0045] I. 3. 1 -次咬入条件
[0046] -次咬入既要满足管坯旋转条件又要满足轴向前进条件。
[0047] 管坯咬入的力能条件由下式确定：
[0048] Mt ^ Mp+Mq+Mi (7)
[0049] 式中：Mt-使管坯旋转的总力矩
[0050] Mp -由于压力产生的阻止坯料旋转力矩
[0051] Mq-由于推料机推力而在管坯后端产生的摩擦力矩
[0052] Mi-管坯旋转的惯性矩
[0053] 如果忽略Mq、Mi (值很小）则一般的表达式为：
[0054] n (Mt+Mp)彡 0 (n-轧辊数）（8)
[0055] 前进咬入条件是指管坯轴向力平衡条件，也就是，曳入管坯的轴向力应大于或等 于轴向阻力，其表达式为：
[0056] n (Tx-Px)+Pi (9)
[0057] 式中：Tx-每个轧辊作用在管坯上的轴向摩擦力
[0058] Px--每个轧辊作用在管坯上正压力轴向分量P' -后推力（一般为零）
[0059] 一次咬入所需旋转条件
[0060] 下面的公式表明在管坯咬入时力的平衡，两个重要参数，摩擦系数和角速度可以 通过下面公式计算。
【权利要求】
1. 一种提高穿孔毛管轧制质量的控制方法，该控制方法是对两辊斜轧无缝钢管穿孔机 组轧制工艺后半程中加入了控制毛管尾端稳态轧制工艺，通过用于控制轧制工艺后半程机 组中的一级基础自动化控制程序PLC的高速轧制控制程序段中，编辑加入毛管尾端稳态轧 制数学模型而实现的；用于本机组控制的一级基础自动化采用意大利ANSALDO电气公司的 AMS程序逻辑控制PLC系统； 具体控制方法步骤如下： (1) 基速端部咬钢 穿孔机组轧辊在基速状态下运行，等待管坯来料，通过基速咬入管坯，即：基速端部咬 钢，实现基速稳定运行状态到第一个不稳定咬钢状态的过程，根据不同钢级品种，对基速速 度设定是有差别的，对于基速设定通常为稳态高速轧制速度的70-80% ; (2) 高速中间稳态轧制 穿孔机组在上下轧辊装有独立的轧制力仪表检测单元，以便于及时检测到咬钢信号和 抛钢信号，并为工艺人员合理调整设备参数提供依据；当穿孔主机轧制力传感器检测到咬 钢信号后，当大于50吨轧制力时，通过轧制力仪表检测单元发出开关量动作信号10443 = 1给穿孔机的一级基础自动化PLC系统的速度控制程序，穿孔主机升速进入高速轧钢状态， 艮P:高速中间轧制； (3) 数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺 当安装在穿孔机组轧辊上面的轧制力仪表检测单元检测到管坯的咬钢信号后，穿孔主 机升速进入高速轧钢状态；在完全自动轧制状态，且不再进行任何设备参数调整时，开始自 动进行毛管纯轧时间数据采集；一旦有控制方式或轧制参数的任何一种轧制状态改变时， 将重新进行毛管纯轧时间数据采集，乳制状态变化的主要内容包括手动或半自动控制方式 的切换、乳辊转速、乳辊压下量、管坯长度的调整；通过稳定连续采集前三只毛管纯轧时间 取均值与理论计算毛管纯轧时间相比较，以判定轧制是否正常，当连续前三只毛管纯轧时 间均值不小于理论计算毛管纯轧时间时，说明设备运行轧制状态良好，将从下一支毛管轧 制开始按照一级基础自动化控制程序PLC中编辑的数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺 生产； 所述数学模型控制是建立在毛管高速轧制过程的后半程即将结束轧制时自动实施的， 其首先要确定毛管尾端轧制开始时刻；其次，设计毛管尾部开始轧制时刻至轧制完全结束 期间的斜坡速度控制，以完成有效抛钢，实现平稳对管坯尾部的轧制，具体方法是： i)毛管纯轧时间的理论计算 斜轧的纯轧时间是指轧件通过变形区所需的时间--由管坯前端接触轧辊起到轧出 的毛管尾端离开轧辊止的时间间隔：
式中：1--变形区长度；L--毛管长度； T--纯轧时间；nx--出口断面的轴向滑动系数； D:--出口断面上的轧辊直径；&--轧辊的转速；a-送进角ii)毛管尾端乳制起始时间点Tn的确立 Tn=T-Ta(2) 式中：Tn--毛管尾端轧制控制的时间点Tn;T--纯轧时间； Ta--尾部轧制时间，该时间点是变量，根据轧制不同的品种进行调整； 由于轧制穿孔毛管的来料管坯状态有长度差别，此时，将利用轧机测压头实时采集有 效的全程轧钢时间，并连续采集前三只毛管的有效轧制时间之和，再取平均值，即为连续轧 制状态时的实际有效平均轧制时间Tm，当Tm>T时， Tn=Tm-Ta(3) 式中：Tn-毛管尾端乳制控制的时间点Tn; Tm--实际有效平均轧制时间Tm;iii)毛管尾端轧制速度控制 在穿孔轧制过程进入毛管尾端轧制控制的时间点Tn时，即将进行对毛管的尾端轧制， 此时，穿孔轧机转速控制程序自动进入毛管尾端轧制控制，直至抛钢后回到穿孔机基速转 速；穿孔机毛管尾端轧制控制是按照比例积分的运算来完成的，以实现速度控制是按照斜 坡曲线形式输出； 数学模型的理论表达式是：
轧钢最大速度值Vmax，基速速度值Vmin，尾部轧制时间值t=Ta，程序控制方法是， 程序扫描周期设置为Tsac= 5ms，速度最大值是乳钢速度Vmax，最小值是基速速度Vmin,， 尾部轧制时间设置为t=Ta，那么程序控制是按照将尾部轧制时间Ta按照程序扫描周期 Tsac分成N=Ta/Tsac时间段，在每个时间段中执行AV= (Vmax-Vmin)/N的变化量，若检 测第n次扫描周期时的速度应为Vn，Vn=Vmax-n*((Vmax-Vmin)/N,由于程序扫描周期在 尾部轧制时间时间段内至多5秒，穿孔电机轧制速度是由近1000个速度Vn组成，彼此之 间递减差值为AV，实际监控速度输出效果为斜坡曲线形式； 毛管尾端轧制控制的时间点Tn是在轧制管坯距离尾端还剩30cm处时，开始执行数控 尾端稳态轧制，既保证了抛钢轧制的稳定性，又满足了生产过程及生产节奏的要求。
【文档编号】B21B37/46GK104475459SQ201410531627
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】吴联合, 黄尊良, 朱宝禄, 王贵辉, 尹锡泉, 曹五星, 张晖, 宫涛, 张进, 李宏强, 李兰军, 孙海春, 赵博刚, 王凤东, 张国良 申请人:天津钢管集团股份有限公司