CN102350441B - 无缝钢管壁厚的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无缝钢管壁厚的控制方法，通过检测连轧机出口侧沿无缝钢管长度方向的壁厚分布，调节定减径轧机的设定参数，解决定减径轧机出口侧的无缝钢管长度方向的壁厚分布不均，从而均匀化无缝钢管的壁厚。当无缝钢管长度方向的壁厚为凸状分布时，增加第2-n机架的轧辊速度，减小第1机架的轧辊速度；当无缝钢管长度方向的壁厚为凹状分布时，减小第2-n机架的轧辊速度，增加第1机架的轧辊速度；当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚减薄的场合，降低各机架轧辊的速度；当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚增厚的场合，增加各个机架轧辊的速度；当无缝钢管的整体超厚时，增加各个机架轧辊的速度；当无缝钢管的整体超薄时，降低各个轧辊的速度。

Description

无缝钢管壁厚的控制方法

技术领域

本发明涉及一种无缝钢管壁厚的控制方法。

背景技术

无缝钢管主要应用于能源开发、交通运输、机械结构、化工装置等领域。随着世界经济和生产技术的发展，用户对无缝钢管的壁厚精度要求不断提高，而壁厚精度已成为无缝钢管越来越重要的一个质量指标和决定其市场竞争力的主要因素，这促使企业重视壁厚控制技术，开发具有高壁厚精度的无缝钢管，以提高无缝钢管的使用性能和质量，以满足社会发展的需要。

壁厚误差是衡量热轧无缝钢管产品的主要尺寸精度之一，直至目前都是困扰生产企业的难题之一。究其原因，无缝钢管轧制条件复杂恶劣，轧制力的变化、毛管料的误差、轧辊的误差、轧制张力的变化、轧辊接触状态、轧辊热变形、轧辊缝的变化等都影响壁厚误差的控制，这些干扰因素可集中表现为轧制过程中轧制力和压下量的波动以及轧辊的变形，轧制力和压下量的波动将导致壁厚误差的波动。

目前，人们对壁厚误差涉及到的各个领域都进行了大量的理论研究和实践。例如，“无缝钢管张力减径过程壁厚不均匀模拟分析”（《现代制造工程》2010年，9期:110-114）研究了无缝钢管张力减径过程中钢管壁厚不均现象；“无缝钢管张减过程平均壁厚控制迭代自学习方法”（《钢铁》2002年，37卷4期：28-34）基于轧制过程前后钢管壁厚的实测数据和钢管的特征数据，提出了无缝钢管轧制过程的平均壁厚控制的迭代自学习控制算法；“热轧钢管壁厚调节装置”（专利申请号：200910028425）利用电气控制装置和电控液压装置提高钢管成材率及减低轧钢管纵向壁厚不均；“一种无缝钢管生产过程信息跟踪方法”（专利申请号：200810230016）公开了一种无缝钢管生产过程信息跟踪方法，实现对无缝钢管生产中每一支钢管从原料管坯上线到成品钢管下线全过程的实际生产信息的实时跟踪记录。

壁厚精度控制技术，目前有三种技术方案：

第一种：在定减径轧机的入口侧测量无缝钢管长度方向的壁厚分布，基于测量结果调整轧辊的压下量和速度；

第二种：在定减径轧机的出口侧测量无缝钢管的端部通过时间，增加管体端部通过机架时的张力，动态增加压下量和轧制速度进行补偿，解决管体端部的壁厚化问题；

第三种：在定减径轧机的出口侧测量无缝钢管长度方向的壁厚分布，调整轧辊的压下量和控制速度轧制的无缝钢管壁厚在目标壁厚范围内。

其中，第一种技术方案：在定减径轧机的入口侧测量无缝钢管长度方向的壁厚分布，如果定减径轧机出口侧的无缝钢管长度方向壁厚分布不均的场合，就不能调整定减径轧机的轧制参数，产生无缝钢管长度方向的壁厚分布不均问题；第二种技术方案：在定减径轧机的出口侧测量无缝钢管的端部通过时间，需要区分非稳定状态的轧制过程，准确捉捕无缝钢管的端部通过时间，这种情况要得到高精度的壁厚是不容易的；第三种技术方案：在定减径轧机的出口侧测量无缝钢管长度方向的壁厚分布，管端部的壁厚增厚现象及来料的壁厚不均导致无缝钢管长度方向的壁厚分布不均。这些方案的缺点在于定减径轧机的来料毛管来源于前段工序的连轧机，壁厚不均问题必须考虑连轧机的张力不平衡影响和无缝钢管长度方向的壁厚分布变化情况。

总体而言，无缝钢管生产过程中的壁厚误差的影响因素太多，各影响因素之间还存在不确定、非线性、强耦合的关系，难以建立精确的数学模型。目前还没有关于壁厚误差控制系统的全面方法，只能分析和解决相对简单的误差问题，不能全面、最优地分析和解决高难度的壁厚误差问题，难以保证管体的综合质量。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种无缝钢管壁厚的控制方法，通过检测连轧机和定减径轧机出口侧沿无缝钢管长度方向的壁厚分布，调节定减径轧机的设定参数，不依赖无缝钢管的端部通过机架的时间，解决定减径轧机出口侧的无缝钢管长度方向的壁厚分布不均，从而均匀化无缝钢管的壁厚，得到质量稳定的无缝钢管。

本发明通过下述技术方案实现：

一种无缝钢管壁厚的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）建立不同壁厚分布时的定减径轧机轧辊的轧制速度模型：

①当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凸状分布时，增加第2机架到第n机架的轧辊速度，减小第1机架的轧辊速度，第1机架的轧辊速度减小量等同于第2机架轧辊速度的增加量；

第j机架上相应轧辊速度的变化量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·\mathrm{\Δ}{v}_i}{2n}(j=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·,n)---\left(1\right)$

式中：Δv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度修正量反映在第j机架上相应轧辊速度的变化量；

Δvi为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度的最大修正量，通过下述公式得到：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(2\right)$

②当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凹状分布时，减小第2机架到第n机架的轧辊速度，增加第1机架的轧辊速度，第1机架轧辊速度的增加量等同于第2机架轧辊速度的减小量；

第j机架上相应轧辊速度的变化量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·{\mathrm{\Δv}}_i}{2n}(j=\mathrm{2,3}\·\·\·\·\·\·,n)---\left(3\right)$

式中：Δv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度修正量反映在第j机架上相应轧辊速度的变化量；

Δv_i为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧辊速度的最大修正量，通过下述公式得到：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(4\right)$

③当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚减薄的场合，整体降低各机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的减少量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(5\right)$

④当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚增厚的场合，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(6\right)$

⑤当无缝钢管的整体超厚时，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(7\right)$

⑥当无缝钢管的整体超薄时，整体降低各个轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(8\right)$

上述公式中：j为机架号，（j＝1,2,3,…,n）；

ΔWTtop为无缝钢管的头部和中间部分的壁厚差；

ΔWTbop无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差；

D_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管直径；

S_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管壁厚；

v_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的轧制速度；

D_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管直径；

S_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管壁厚；

v_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架的的轧制速度；

（2）测量连轧机出口处沿无缝钢管长度方向的壁厚值；

（3）根据测量的连轧机出口处无缝钢管长度方向的壁厚值，①首先判断无缝钢管头部和中间部分的壁厚差ΔWTtop、无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差ΔWTbop是否在允许的范围内，相当于步骤（1）中③和④的判断，②进而比较上述测量的壁厚分布和目标壁厚分布得出壁厚分布是否均匀，相当于步骤（1）中①和②的判断，③再判断无缝钢管的壁厚是否在允许的范围内，相当于步骤（1）中⑤和⑥的判断；如果步骤①和步骤③的判断在允许范围内、以及步骤②判断的壁厚分布是均匀的，则轧制速度不变；如果壁厚差ΔWTtop和ΔWTbop至少一个在允许范围外、壁厚分布不均匀、壁厚在允许的范围外有一种情况存在，都要根据壁厚的分布种类按步骤（1）的模型选择调整定减径轧机各轧辊速度，将计算获得的定减径轧机各轧辊速度的变化量分别按轧辊进行叠加，计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δv}}_{i,j}(j=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·,n)$

判断各轧辊叠加后总的轧制速度变化量，要求各轧辊叠加后总的轧制速度变化量都不得大于现轧制速度的20%；如果叠加后的轧制速度变化量大于现轧制速度的20%，则取轧制速度变化量最大的第jm机架的总轧制速度变化量为现轧制速度的20%，即

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,\mathrm{jm}}={0.2v}_{i,\mathrm{jm}}(1\≤\mathrm{jm}\≤n)$

其他轧辊的轧制速度变化也都按此比例进行等比减小，具体计算如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\frac{1.2v_{i,\mathrm{jm}}}{v_{i,\mathrm{jm}}+{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,\mathrm{jm}}}\·{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,j}(i=1,\mathrm{2,3},\·\·\·\·\·\·,n;j\≠\mathrm{jm})$

上述公式中：jm为轧制速度变化量超过现轧制速度20%时的轧制速度变化量最大的机架号；

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量；

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架轧辊的轧制速度变化量；

v_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架的现轧制速度；

ΣΔv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量计算结果的叠加；壁厚差ΔWTtop和ΔWTbop至少一个在允许范围外、壁厚分布不均匀、壁厚在允许的范围外有一种情况存在，都要根据壁厚的分布种类按步骤（1）的模型选择调整定减径轧机各轧辊速度，计算每种壁厚分布对应的速度变化量的计算结果之和；

ΣΔv_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度变化量最大的第jm机架的轧制速度变化量计算结果的叠加，壁厚差ΔWTtop和ΔWTbop至少一个在允许范围外、壁厚分布不均匀、壁厚在允许的范围外有一种情况存在，都要根据壁厚的分布种类按步骤（1）的模型选择调整定减径轧机各轧辊速度，计算每种壁厚分布对应的速度变化量的计算结果之和。

测量定减径轧机出口处的壁厚值，在步骤（3）调节定减径轧机的各机架轧辊速度后，将定减径轧机出口处的实际壁厚值与目标壁厚值的偏差作为壁厚差值，采用基于数字PID控制器的算法调整定减径轧机各机架的轧制速度，计算公式如下：

$e_{i,j}\left(k\right)=[r_{i,j}\left(k\right)-y_{\mathrm{act},i,j}\left(k\right)]---\left(9\right)$

式（9）中，e_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的壁厚差；

r_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的目标壁厚；

y_act,i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的实际壁厚；

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}\left(k\right)=c_j\·[c_{\mathrm{PF},j}\left(k\right)+c_{\mathrm{IF},j}\·\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{i,j}\left(k\right)]---\left(10\right)$

式中，Δv_i,j(k)为定减径轧机轧制第i根无缝钢管时的第j机架的第k控制周期壁厚误差反馈调整的轧制速度变化量；

c_j为第j机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数，取值范围为0.157-0.162；

c_PF,j(k)为第j机架的第k控制周期的壁厚误差反馈比例系数,取值范围为0.11-0.13；

c_IF,j为第j机架的壁厚误差反馈积分系数，当m＝j时为0.8，其余为0.2。

本发明具有下述技术效果：

本发明的壁厚控制方法通过连轧机和定减径轧机出口处壁厚的检测，调整定减径轧机的轧制速度，以得到均匀的壁厚。并通过比较无缝钢管长度方向的壁厚分布和预先设定的模型，不依赖无缝钢管的端部通过机架的时间，调整更精确，所得到的无缝钢管质量更稳定。

附图说明

图1为本发明的无缝钢管壁厚的控制方法壁厚控制的效果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

无缝钢管轧制外径219ｍｍ

壁厚分别为18ｍｍ、20ｍｍ、25ｍｍ和30ｍｍ

各壁厚的第一根无缝钢管不采用本发明提出的方法，定减径轧机的各机架轧辊按常规的标准设定轧制速度运行。各壁厚的第二根钢管及以后钢管的轧制基于各壁厚第一根管轧制的长度方向的壁厚分布模型，按照下述方法轧制：

（1）建立轧辊的轧制速度模型：

按照体积不变原则设计各轧辊的轧制速度：

$v_j=\frac{(D_0-S_0)\·S_0}{(D_j-S_j)\·S_j}\·v_0---\left(1\right)$

式中，D₀为理想的定减径轧机出口处的无缝钢管直径；

S₀为理想的定减径轧机出口处的无缝钢管壁厚；

v₀为理想的定减径轧机的轧制速度；

D_j为定减径轧机第j机架轧辊实际轧制的无缝钢管直径；

S_j为定减径轧机第j机架轧辊实际轧制的无缝钢管壁厚；

v_j为定减径轧机第j机架轧辊实际设定的轧制速度。

采用公式（1）和有限元计算方法建立不同壁厚分布形状的轧制速度模型：

（1）建立不同壁厚分布时的定减径轧机轧辊的轧制速度模型：

①当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凸状分布时，增加第2机架到第n机架的轧辊速度，减小第1机架的轧辊速度，第1机架的轧辊速度减小量等同于第2机架轧辊速度的增加量。

定减径轧机轧制第i根无缝钢管时的最大的速度修正量：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(2\right)$

第j机架的轧辊速度变化修正量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·{\mathrm{\Δv}}_i}{2n}(j=\mathrm{2,3}\·\·\·\·\·\·,n)---\left(3\right)$

Δv_i,j为轧制第i根无缝钢管时轧辊速度的修正量反映在第j机架上相应轧辊速度的变化量；

②当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凹状分布时，减小第2机架到第n机架的轧辊速度，增加第1机架的轧辊速度，第1机架轧辊速度的增加量等同于第2机架轧辊速度的减小量。

定减径轧机轧制第i根无缝钢管时的最大的速度修正量为：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(4\right)$

第j机架的轧辊速度变化修正量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·{\mathrm{\Δv}}_i}{2n}(j=\mathrm{2,3}\·\·\·\·\·\·,n)---\left(5\right)$

③当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚减薄的场合，整体降低各机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的减少量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(6\right)$

④当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚增厚的场合，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(7\right)$

⑤当无缝钢管的整体超厚时，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(8\right)$

⑥当无缝钢管的整体超薄时，整体降低各个轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(9\right)$

上述公式中：i轧制的无缝钢管号，（i＝1,2,3,4,5,6,7）；

j为机架号，

ΔWTtop为无缝钢管的头部和中间部分的壁厚差；

ΔWTbop无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差；

D_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管直径；

S_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管壁厚；

v_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的轧制速度；

D_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管直径；

S_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管壁厚；

v_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架的的轧制速度；

（2）测量连轧机出口处和定减径轧机出口处沿无缝钢管长度方向的壁厚值；

在连轧机出口处和定减径轧机出口处分别安装有壁厚检测仪，用于测量连轧机出来的无缝钢管长度方向的壁厚值和定减径轧机出来的无缝钢管长度方向的壁厚值。

其中所检测的壁厚值可以是无缝钢管长度方向规定位置测量的壁厚，或在所定的时间或每时间间隔测量壁厚，从中选择规定的点或从前述复数的测量点中选择所定的测量点。例如，采取平均值的计算方法作为壁厚都可以。另外，长度方向的话，即使无缝钢管轴线上的不同点都可以。

基于壁厚检测仪的检测，计算无缝钢管P的头部的平均壁厚WTtop、中间部分的平均壁厚WTmid以及尾部的平均壁厚WTbop。无缝钢管的头部因无缝钢管制造设备及无缝钢管的长度不同，按照常规方法确定即可，其恰当的长度不同，一般为800mm，也可以是头部占无缝钢管全长的15%、中间部分接着头部占无缝钢管全长的70%、尾部占无缝钢管全长的15%。

基于各平均壁厚WTtop、WTmid、WTbop，计算无缝钢管的头部和中间部分的壁厚差ΔWTtop（＝WTtop－WTmid），以及无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差ΔWTbop（＝WTbop－WTmid）。

（3）根据测量的连轧机出口处无缝钢管长度方向的壁厚值，①首先判断无缝钢管头部和中间部分的壁厚差ΔWTtop、无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差ΔWTbop是否在允许的范围内，②进而比较上述测量的壁厚分布和目标壁厚分布得出壁厚分布是否均匀，③再判断无缝钢管的壁厚是否在允许的范围内；如果步骤①和步骤③的判断在允许范围内、以及步骤②判断的壁厚分布是均匀的，则轧制速度不变；果壁厚差ΔWTtop和ΔWTbop至少一个在允许范围外、壁厚分布不均匀、壁厚在允许的范围外有一种情况存在，则根据壁厚的分布种类按步骤（1）的模型选择调整定减径轧机各轧辊速度，将计算获得的定减径轧机各轧辊速度的变化量进行叠加，轧制速度变化量如下计算；

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δv}}_{i,j}$

上述公式中：

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量；

ΣΔv_i,j为按步骤（1）计算的定减径轧机各轧辊速度变化量的叠加。

要求轧辊叠加后总的轧制速度变化量不大于原轧制速度的20%；如果叠加后的总轧制速度变化量大于原速度的20%，则取轧制速度变化最大的第jm机架的轧制速度变化量为原速度的20%，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,\mathrm{jm}}={0.2v}_{i,\mathrm{jm}}(1\≤\mathrm{jm}\≤n)$

其他轧辊的速度也按比例减小，具体计算如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\frac{1.2v_{i,\mathrm{jm}}}{v_{i,\mathrm{jm}}+{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,\mathrm{jm}}}\·{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3},\·\·\·\·\·\·,n;j\≠\mathrm{jm})$

上述公式中：jm为轧制速度变化量超过现轧制速度20%时的轧制速度变化量最大的机架号；

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架轧辊的轧制速度变化量；

v_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架的现轧制速度；

ΣΔv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量计算结果的叠加；

ΣΔv_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度变化量最大的第jm机架的轧制速度变化量计算结果的叠加。

为了更精确的控制壁厚，在步骤（3）调节定减径轧机的各机架轧辊轧制速度后，将定减径轧机出口处的实际壁厚值与目标壁厚值的偏差作为壁厚差值，采用基于数字PID控制器的算法调整定减径轧机各机架的轧制速度，计算公式如下：

$e_{i,j}\left(k\right)=[r_{i,j}\left(k\right)-y_{\mathrm{act},i,j}\left(k\right)]---\left(10\right)$

式（10）中，e_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的壁厚差；

r_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的目标壁厚；

y_act,i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的实际壁厚；

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}\left(k\right)=c_j\·[c_{\mathrm{PF},j}\left(k\right)+c_{\mathrm{IF},j}\·\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{i,j}\left(k\right)]---\left(11\right)$

式（11）中，Δv_i,j(k)为定减径轧机轧制第i根无缝钢管时的第j机架的第k控制周期壁厚误差反馈调整的轧制速度变化量；

c_j为第j机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数，取值范围为0.157-0.162；

c_PF,j(k)为第j机架的第k控制周期的壁厚误差反馈比例系数,取值范围为0.11-0.13；

c_IF,j为第j机架的壁厚误差反馈积分系数，当m＝j时为0.8，其余为0.2。

由无缝钢管定减径轧机出口侧的厚度测量仪测量无缝钢管长度方向的壁厚分布，无缝钢管的最大壁厚和最小壁厚的差作为控制精度的评价，这个差值越小越好。

图1表示本实验轧制的4种无缝钢管的最大壁厚和最小壁厚的差值，每种无缝钢管都轧制7根，第一根采用原来的技术轧制，第2～7根采用发明的技术轧制。比较采用以前技术方法轧制生产的同样尺寸和壁厚精度的第一根管，可以判明采用本发明轧制的无缝钢管的最大壁厚和最小壁厚的差值缩小，长度方向的壁厚分布均一化。尤其，采用本发明技术后，2～7根以后的前述的最大壁厚和最小壁厚的差值进入控制目标的0.4mm以内。

如上说明，本发明不依存设备配置的位置关系和无缝钢管端部的几何形状，轧制无缝钢管的长度方向的壁厚分布能够均一化。

Claims (2)

1.一种无缝钢管壁厚的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）建立不同壁厚分布时的定减径轧机轧辊的轧制速度模型：

①当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凸状分布时，增加第2机架到第n机架的轧辊速度，减小第1机架的轧辊速度，第1机架的轧辊速度减小量等同于第2机架轧辊速度的增加量；

第j机架上相应轧辊速度的变化量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·{\mathrm{\Δv}}_i}{2n}(j=\mathrm{2,3}\·\·\·\·\·\·,n)---\left(1\right)$

式中：Δv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度修正量反映在第j机架上相应轧辊速度的变化量；

Δv_i为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度的最大修正量，通过下述公式得到：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(2\right)$

②当无缝钢管长度方向的壁厚呈现凹状分布时，减小第2机架到第n机架的轧辊速度，增加第1机架的轧辊速度，第1机架轧辊速度的增加量等同于第2机架轧辊速度的减小量；

第j机架上相应轧辊速度的变化量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(j-1)\·{\mathrm{\Δv}}_i}{2n}(j=\mathrm{2,3}\·\·\·\·\·\·,n)---\left(3\right)$

式中：Δv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度修正量反映在第j机架上相应轧辊速度的变化量；

Δv_i为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧辊速度的最大修正量，通过下述公式得到：

${\mathrm{\Δv}}_i=\frac{({2D}_i-\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·(\mathrm{\ΔWTtop}+\mathrm{\ΔWTbop})}{2(D_i-S_i)\·S_i}\·v_i---\left(4\right)$

③当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚减薄的场合，整体降低各机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的减少量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(5\right)$

④当无缝钢管的头部与尾部相比壁厚增厚的场合，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(\mathrm{\ΔWTtop}-\mathrm{\ΔWTbop})\·D_i}{2(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,2,3\·\·\·,n)---\left(6\right)$

⑤当无缝钢管的整体超厚时，整体增加各个机架轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(7\right)$

⑥当无缝钢管的整体超薄时，整体降低各个轧辊的速度，各个机架轧辊速度的增加量为：

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}=\frac{(D_{i,j}-\mathrm{\ΔWTtop})\·(S_{i,j}-\mathrm{WTtop})}{(D_{i,j}-S_{i,j})\·S_{i,j}}\·v_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3}\·\·\·,n)---\left(8\right)$

上述公式中：j为机架号，

ΔWTtop为无缝钢管的头部和中间部分的壁厚差；

ΔWTbop无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差；

D_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管直径；

S_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的无缝钢管壁厚；

v_i为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机出口处的轧制速度；

D_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管直径；

S_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架出口处的无缝钢管壁厚；

v_i,j为轧制第i根无缝钢管时设定的定减径轧机第j机架的轧制速度；

（2）测量连轧机出口处沿无缝钢管长度方向的壁厚值；

（3）根据测量的连轧机出口处无缝钢管长度方向的壁厚值，①首先判断无缝钢管头部和中间部分的壁厚差ΔWTtop、无缝钢管尾部和中间部分的壁厚差ΔWTbop是否在允许的范围内，②进而比较上述测量的壁厚分布和目标壁厚分布得出壁厚分布是否均匀，③再判断无缝钢管的壁厚是否在允许的范围内；如果步骤①和步骤③的判断在允许范围内、以及步骤②判断的壁厚分布是均匀的，则轧制速度不变；如果壁厚差ΔWTtop和ΔWTbop至少一个在允许范围外、壁厚分布不均匀、壁厚在允许的范围外有一种情况存在，都要根据壁厚的分布种类按步骤（1）的模型选择调整定减径轧机各轧辊速度，将计算获得的定减径轧机各轧辊速度的变化量分别按轧辊进行叠加，计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δv}}_{i,j}(j=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·,n)$

判断各轧辊叠加后总的轧制速度变化量，要求各轧辊叠加后总的轧制速度变化量都不得大于现轧制速度的20%；如果叠加后的轧制速度变化量大于现轧制速度的20%，则取轧制速度变化量最大的第jm机架的总轧制速度变化量为现轧制速度的20%，即

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,\mathrm{jm}}={0.2v}_{i,\mathrm{jm}}(1\≤\mathrm{jm}\≤n)$

其他轧辊的轧制速度变化也都按此比例进行等比减小，具体计算如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{v}}_{i,j}=\frac{1.2v_{i,\mathrm{jm}}}{v_{i,\mathrm{jm}}+{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,\mathrm{jm}}}\·{\mathrm{\Σ\Δv}}_{i,j}(j=1,\mathrm{2,3},\·\·\·\·\·\·,n;j\≠\mathrm{jm})$

上述公式中：jm为轧制速度变化量超过现轧制速度20%时的轧制速度变化量最大的机架号；

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量；

为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架轧辊的轧制速度变化量；

v_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机的轧制速度变化量最大的第jm机架的现轧制速度；

ΣΔv_i,j为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机第j机架轧辊的轧制速度变化量计算结果的叠加；

ΣΔv_i,jm为轧制第i根无缝钢管时的定减径轧机轧制速度变化量最大的第jm机架的轧制速度变化量计算结果的叠加。

2.根据权利要求1所述的无缝钢管壁厚的控制方法，其特征在于，测量定减径轧机出口处的壁厚值，在步骤（3）调节定减径轧机的各机架轧辊速度后，将定减径轧机出口处的实际壁厚值与目标壁厚值的偏差作为壁厚差值，采用基于数字PID控制器的算法调整定减径轧机各机架的轧制速度，计算公式如下：

$e_{i,j}\left(k\right)=[r_{i,j}\left(k\right)-y_{\mathrm{act},i,j}\left(k\right)]---\left(9\right)$

式（9）中，e_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的壁厚差；

r_i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的目标壁厚；

y_act,i,j(k)为第i根无缝钢管的第j机架的第k控制周期的实际壁厚；

${\mathrm{\Δv}}_{i,j}\left(k\right)=c_j\·[c_{\mathrm{PF},j}\left(k\right)+c_{\mathrm{IF},j}\·\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{i,j}\left(k\right)]---\left(10\right)$

式中，Δv_i,j(k)为定减径轧机轧制第i根无缝钢管时的第j机架的第k控制周期壁厚误差反馈调整的轧制速度变化量；

c_j为第j机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数，取值范围为0.157-0.162；

c_PF,j(k)为第j机架的第k控制周期的壁厚误差反馈比例系数,取值范围为0.11-0.13；

c_IF,j为第j机架的壁厚误差反馈积分系数，当m＝j时为0.8，其余为0.2。

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