CN108555033A - 一种张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法，其特征在于：在满足成品管平均壁厚要求的前提下，为减径机选定工艺可行的最少张力升起机架数以及最少张力释放机架数，最少的张力升起机架和最少的张力释放机架数使得参与非稳态轧制的管端长度最短，同时也使得最大拉应力的机架数最大，从而使得管端非稳态与中间段稳态轧制所受拉应力的差值极小化，两点共同保证了管端增厚长度的极小化。本发明可以提高钢管减径轧制的工艺稳定性，使管材减径轧制中的管端增厚长度极小化，显著提高管材减径轧制的成品质量和成材率。

Description

一种张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法

技术领域

本发明涉及一种钢管减径轧制生产的工艺方法，特别是涉及一种使钢管减径轧制过程中头尾增厚段长度极小化的工艺控制方法。

背景技术

在钢管减径轧制过程中，钢管的塑性变形通常是在张力或微张力的应力状态下进行的。由于张力的建立和释放过程中，管材头尾段所受纵向拉伸应力小于稳定轧制时管材中间段的受力，从而造成管材头尾端的壁厚比稳定轧制的中间段更厚，而且越靠近末端，增厚越严重。在管端壁厚超过轧管规格的允许公差范围时，就必须将该部分从成品管上切下，这就造成了能显著降低成材率的材料损失。

分析管材两端增厚段形成过程，可以看出可从两个方面入手减小管端增厚段长度：第一，在非稳态轧制下的管端与稳态轧制的中间段相比，其增厚的程度正相关于稳态与非稳态下所作用的拉应力之间的差值；第二，非稳态轧制下的头端壁厚增大区的长度正相关于建立起稳态轧制所作用的最大拉应力时金属已通过的机架数，非稳态轧制下的尾端壁厚增大区的长度正相关于开始释放掉稳态轧制所作用的最大拉应力时金属仍未通过的机架数。

现有的钢管减径轧制中对切头尾的控制方法主要是从第一个方面着手的，通过动态控制增加辊速差以提高非稳态轧制时管端金属所受的拉应力，以减小管端与中间段所受拉应力之间的差值，从而使管端切头尾长度获得一定程度上的减小。但是，这种方法通常只能应用在拥有较多机架数的张力减径机上，其工艺实施对设备硬件和配套软件的要求都很高，增加了实施难度。同时由于没有基于第二个方面因素考虑的对张力建立机架和释放机架数的最优化选定，对头尾增厚长度的极小化也不够理想。

现有的钢管减径轧制的稳态工艺控制通常是以张力系数的平衡来近似机架间的张力平衡的，这种处理带来的工艺误差会随着参与轧制的机架数的增加而累加增大，其增大了工艺的不稳定性，在增大成品管平均壁厚波动性的同时也增加了成品管切头尾长度，从而造成材料损失。

发明内容

为克服现有钢管减径轧制工艺的不足，减少管材切头尾损失，本发明解决的问题是提供一种能够使管材减径轧制中管端增厚长度极小化的工艺控制方法。

一种张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法，其特征在于：在满足成品管平均壁厚要求的前提下，选定工艺可行的最少张力升起机架数以及最少张力释放机架数，最少的张力升起机架和最少的张力释放机架数使得参与非稳态轧制的管端长度最短，同时也使得最大拉应力的机架数最大，从而使得管端非稳态与中间段稳态轧制所受拉应力的差值极小化，两点共同保证了管端增厚长度的极小化。包含的具体步骤如下：

1.明确产品钢种，获取其轧机孔型参数、轧制工艺相关工况初始参数。

2.获取钢种在轧制变形工况范围内适用的热变形抗力模型。

3.将既定钢种的热变形参数、减径机入口的输送速度、管材温度、孔型数据、来料壁厚S₀和目标壁厚S_d都输入数模软件并模拟轧制过程，选定出最少的张力升起机架数和最少的张力释放机架数。

参与轧制的机架分为张力上升机架、张力恒定机架、张力释放机架，分别遵循以下⑴、⑵、⑶三个条件，把系数xs初值设为1，每个机架根据自身类型对应条件：

⑴张力上升的每个机架处，利用初等塑性理论，以前张力的初值为零开始递增迭代计算，直至辊面对金属的摩擦力水平分力方向全与后张力同方向，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力+F_{辊面与金属摩擦力水平分力}*xs＝Q_前张力

⑵在张力上升机架和张力释放机架之间是张力值恒定的机架，利用初等塑性理论，以前张力初值为零开始递增迭代计算，直至前张力值等于后张力值，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力＝Q_前张力

⑶在张力释放的每个机架处，利用初等塑性理论，以前张力初值等于后张力值为初值开始递减迭代，直至辊面对金属的摩擦力水平分力全与前张力同方向或前张力已经减小至零值，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力＝F_{辊面与金属摩擦力水平分力}*xs+Q_前张力

机架数优选步骤：

①总机架数为N，第一机架入口壁厚为来料壁厚值S₀，出口壁厚值记为S_i，其后每一个机架的入口壁厚值为前一机架的出口壁厚值，末尾机架工艺目标壁厚值为S_d，设定张力上升和下降机架数初值都为1；

②设定张力上升机架数为N_s；

③设定张力释放机架数值为N_j；

④从第一机架开始计算直至最后一个机架，若末尾机架在计算⑶条件时前张力值没有减小到零，那么返回到③步骤，并将N_j值加1，再从③步骤开始后续各步计算；若末尾机架在计算⑶条件时满足前张力零值条件，那么记取末尾机架的出口壁厚值S_n；

⑤若S_n>S_d，那么返回到②步骤，将N_s值增加1个，再从②步骤开始后续各步计算；若N_s值与(N-N_j-1)相等，则返回到①步骤，调整S₀值或S_d值，再从①步骤开始后续各步计算；若S_n≤S_d，那么此时N_s和N_j值即为选定出最少的张力升起机架数和最少的张力释放机架数。

4.采用已选定的N_s值和N_j值，参照⑴、⑵、⑶中的方法和条件，对xs进行微量递减迭代，从首机架顺序计算至末尾机架，使得S_n值与S_d值差值满足工程要求。

5.轧辊工作直径按照下面公式计算：

D_{轧辊工作直径}＝D_{轧辊名义直径}+d_{孔型名义直径}*α

式中α值为工作直径系数，由孔型参数、金属所处应力状态、温度等工况参数共同确定。

在确定轧辊工作直径后，根据金属变形的体积不变原理可以确定出各个机架处轧辊的转速，从而最终计算出了一套使得管端增厚段长度极小化的工艺参数。

本发明的有益效果是：

本发明通过一种优化策略分配钢管所受的轴向拉力分布，确定工艺实现所需的最少拉力上升机架数和最少拉力下降机架数，从而使得钢管增厚段长度获得极小化。在实际生产中很大程度上提高工艺技术水平，创造巨大的经济效益。

本发明可以提高钢管减径轧制的工艺稳定性，使管材减径轧制中的管端增厚长度极小化，显著提高管材减径轧制的成品质量和成材率。

附图说明

图1为本发明实施例中钢管在张力减径机各机架处所受轴向拉力的分布图。

图2为本发明实施例中实施前后钢管头尾端增厚段长度的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，现结合附图以及实施例对本发明进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为使公众对本发明有更好的了解，下文对本发明的描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说，没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

首先选取典型规格的钢管的张力减径过程进行生产试验，该钢管的参数如下：荒管外径186mm，荒管壁厚6.00mm，成品管外径101.6mm，成品管壁厚6.2mm，参与轧制机架20架，钢管入口传送速度为1m/s。

根据本发明提供的控制方法进行计算得到的简单工艺轧制表如表1所示。

表1本发明简单工艺轧制表

机架位置	孔型直径/mm	钢管壁厚/mm	轧辊转速/rpm
				1	182.9	6.04	83.1
2	178.4	6.08	83.4
				3	172.8	6.12	84.2
4	167.1	6.13	91.6
				5	161.6	6.13	99.8
6	156.3	6.13	100.9
				7	151.2	6.13	102.2
8	146.2	6.13	103.7
				9	141.3	6.13	105.3
10	136.7	6.13	107.1
				11	132.2	6.13	108.8
12	127.8	6.13	110.9
				13	123.5	6.13	112.9
14	119.6	6.13	115.3
				15	115.6	6.13	117.7
16	111.8	6.13	120.7
				17	108.2	6.15	124.1
18	104.6	6.20	125.6
				19	103.3	6.24	126.5
20	102.6	6.26	127.1

本发明工艺算法中钢管轴向拉力分布图如图1所示。

本发明控制方法得到效果以生产现场实际执行的钢管切头尾长度作为增厚段长度的衡量指标，其对比数据如图2所示。

Claims (2)

1.一种张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法，其特征在于：在满足成品管平均壁厚要求的前提下，选定工艺可行的最少张力升起机架数以及最少张力释放机架数，最少的张力升起机架和最少的张力释放机架数使得参与非稳态轧制的管端长度最短，同时也使得最大拉应力的机架数最大，从而使得管端非稳态与中间段稳态轧制所受拉应力的差值极小化，两点共同保证了管端增厚长度的极小化。

2.根据权利要求1所述的张力减径机轧制时钢管增厚段长度极小化的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

2.1.明确产品钢种，获取其轧机孔型参数、轧制工艺相关工况初始参数；

2.2.获取钢种在轧制变形工况范围内适用的热变形抗力模型；

2.3.将既定钢种的热变形参数、减径机入口的输送速度、管材温度、孔型数据、来料壁厚S₀和目标壁厚S_d都输入数模软件并模拟轧制过程，选定出最少的张力升起机架数和最少的张力释放机架数；参与轧制的机架分为张力上升机架、张力恒定机架、张力释放机架，分别遵循以下⑴、⑵、⑶三个条件，把系数xs初值设为1，每个机架根据自身类型对应条件：

⑴张力上升的每个机架处，利用初等塑性理论，以前张力的初值为零开始递增迭代计算，直至辊面对金属的摩擦力水平分力方向全与后张力同方向，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力+F_{辊面与金属摩擦力水平分力}*xs＝Q_前张力

⑵在张力上升机架和张力释放机架之间是张力值恒定的机架，利用初等塑性理论，以前张力初值为零开始递增迭代计算，直至张力值等于后张力值，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力＝Q_前张力

⑶在张力释放的每个机架处，利用初等塑性理论，以前张力初值等于后张力值为初值开始递减迭代，直至辊面对金属的摩擦力水平分力全与前张力同方向或前张力已经减小至零值，机架内金属在水平方向上遵循如下受力平衡：

Q_后张力＝F_{辊面与金属摩擦力水平分力}*xs+Q_前张力

机架数优选步骤：

①总机架数为N，第一机架入口壁厚为来料壁厚值S₀，出口壁厚值记为S_i，其后每一个机架的入口壁厚值为前一机架的出口壁厚值，末尾机架工艺目标壁厚值为S_d，设定张力上升和下降机架数初值都为1；

②设定张力上升机架数为N_s；

③设定张力释放机架数值为N_j；

④从第一机架开始计算直至最后一个机架，若末尾机架在计算⑶条件时前张力值没有减小到零，那么返回到③步骤，并将N_j值加1，再从③步骤开始后续各步计算；若末尾机架在计算⑶条件时满足前张力零值条件，那么记取末尾机架的出口壁厚值S_n；

⑤若S_n>S_d，那么返回到②步骤，将N_s值增加1个，再从②步骤开始后续各步计算；若N_s值与(N-N_j-1)相等，则返回到①步骤，调整S₀值或S_d值，再从①步骤开始后续各步计算；若S_n≤S_d，那么此时N_s和N_j值即为选定出最少的张力升起机架数和最少的张力释放机架数；

2.4.采用已选定的N_s值和N_j值，参照步骤⑴、⑵、⑶中的方法和条件，对xs进行微量递减迭代，从首机架顺序计算至末尾机架，使得S_n值与S_d值差值满足工程要求；

2.5.轧辊工作直径按照下面公式计算：

D_{轧辊工作直径}＝D_{轧辊名义直径}+d_{孔型名义直径}*α

式中α值为工作直径系数，由孔型参数、金属所处应力状态、温度等工况参数共同确定；

在确定轧辊工作直径后，根据金属变形的体积不变原理可以确定出各个机架处轧辊的转速，计算得到一套使得管端增厚段长度极小化的工艺参数。