CN110842036A - 一种自行修复的吐丝管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自行修复的吐丝管，包括外管，所述外管具有直线导入段、弯曲变形段和稳定段，还包括内管，所述内管的轴向长度小于外管的轴向长度，所述内管从直线导入段内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动。本发明的吐丝管在不改变吐丝机原有动平衡的前提下，用滑动内管的原理解决了吐丝管与热轧产品摩擦接触所引起的局部摩擦磨损问题。

Description

一种自行修复的吐丝管

技术领域

本发明涉及吐丝管技术领域，特别涉及一种自行修复的吐丝管。

背景技术

吐丝机是高速线材精轧机生产线上的关键设备，位于精轧机后控冷却线的水冷段与散卷运输机之间。而吐丝管作为吐丝机最重要的部件之一，线材在由夹送棍和吐丝机引起的推动力、相对惯性力、摩擦力、正压力等综合作用下，改直线运动为螺旋运动，形成直径大约为Ф1080mm的稳定线圈从吐丝管吐出。

多年来，业内已经普遍认可：通过径向上将热轧制产品限制在较小的空间内，能够以较高的速度轧制。如公告号为CN100333848C的专利文献公开了一种卷盘管，该卷盘管包括外管，该外管包括第一直线形部分、第二螺旋形部分和第三圆形部分，外管内插入有内管，内管的外直径大致等于该外管的内直径，内管的长度稍长于第一直线形部分的长度，并且内管和外管通过在轧制产品的入口端焊接而彼此固定。

内管减小了吐丝管的孔径尺寸，将热轧产品径向地限制在更小的空间之内，提高了导引性并且输出至冷却输送机的环型更一致，从而使得能够以更高的速度轧制；然而这些优点在很大程度上已经被大大加速的管磨损所抵消。

《中国工程科学》期刊2006年第8卷第11期中刊登的名称为《高速线材吐丝机吐丝管空间曲线研究和改进》的论文中记载了吐丝管工作时，线材在吐丝管内向前运动，由于受到吐丝管壁向后的摩擦阻力，某微段线材总是受其前后相邻部分的推拉作用，故线材有一定的“轴向力”，并且总是沿线材中心线方向；同时还记载了吐丝管中线材相对速度变化趋势图、吐丝管内壁所受压力分布图(如图4所示)和吐丝管内壁所受摩擦力分布图(如图5所示)。

经过研究分析，线材在进入吐丝管入口后所受的急剧增大，摩擦力最大的位置在距离吐丝管入口500mm左右，该位置为吐丝管的变形起始段，线材在此位置与吐丝管壁接触面积有限，由于长时间磨损，该处必然首先磨穿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自行修复的吐丝管，它在不改变吐丝机原有动平衡的前提下，用滑动内管的原理解决吐丝管与热轧产品摩擦接触所引起的局部摩擦磨损。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种自行修复的吐丝管，包括外管，所述外管具有直线导入段、弯曲变形段和稳定段，还包括内管，所述内管的轴向长度小于外管的轴向长度，所述内管从直线导入段内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动。

通过采用上述技术方案，当吐丝管经历加热与冷却循环时，内管将沿着朝向外管的输出端的一个方向渐进地移位，该渐进式移位将改变内管与热轧产品摩擦接触的内表面，并因此更新内管与热轧产品摩擦接触的内表面，从而避免线材在任何给定区域处持久的摩擦接触，如此，在同样的过钢量下，内管内表面磨损深度降低至以前的15％左右，从而防止深沟乱丝等非正常换管现象。

本发明进一步设置为：所述内管与外管过渡配合，最大间隙为0.2mm，最大过盈为0.05mm。

通过采用上述技术方案，轴向尺寸为较小的内管内衬于外管，两者之间的摩擦力大幅度减少，而且内管与外管过渡配合的设计能够有效提高内管的前进量，提高吐丝管的过钢量。

本发明进一步设置为：所述内管的轴向尺寸为500-1500mm。

本发明进一步设置为：所述内管的壁厚为1-7或9mm。

本发明进一步设置为：所述内管和所述外管为金属管，金属选自包括黑色金属、镍基合金、钴基合金和钛基合金的群组。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、采用内管内衬于外管的方式，且内管仅通过与外管的摩擦接触约束相对于外管运动，当吐丝管绕其轴线旋转期间内管能够响应于加热和冷却循环在外管内渐进地移动，该渐进式移动用来周期性地变换与热轧产品摩擦接触的内部管表面并因而更新与热轧产品摩擦接触的内部管表面，避免内管内壁任意区域持久的摩擦接触；

2、将双层吐丝管的不平衡量限制在吐丝机的允许不平衡量以内，使双层吐丝管能够直接替换单层吐丝管在原吐丝机上使用，不需要重新做动平衡，避免了非计划性的停产检修对工厂正常生产秩序的影响，对工厂生产效率及经济效益的提升都是显著的。

附图说明

图1是实施例中外管的结构示意图；

图2是实施例的结构示意图；

图3A至图3C为图解性的描述，示出了在加热与冷却循环期间作用在内管上的力；

图4是吐丝管内壁所受压力分布图；

图5是吐丝管内壁所受摩擦力分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：一种自行修复的吐丝管，如图1所示，包括外管1，外管1沿其输入端至输出端依次设置为直线导入段1A、弯曲变形段1B和稳定段1C，直线导入段1A、弯曲变形段1B和稳定段1C一体成型。

如图2所示，还包括内管2，内管2的轴向尺寸小于外管1的轴向尺寸，优选为500-1500mm。内管2从直线导入段1A内衬于外管1，两者过渡配合，最大间隙为0.2mm，最大过盈为0.05mm，内管2仅通过与外管1的摩擦接触约束相对于外管1的运动；内管2与外管1构成了吐丝管主体。

外管1和内管2可以由各种金属来制造，优选为黑色金属、镍基合金、钴基合金以及钛基合金。

已有研究表明，吐丝管的内壁倾向于直线导入段与弯曲变形段的过渡区域L中产生加速局部磨损，如果任其发展，该局部磨损会导致吐丝管内壁过早形成沟槽，接着导致产品穿透吐丝管管壁。

而该磨损问题可以通过以下方式得以解决：用内管2内衬于外管1，并且仅允许内管2通过它们相应的内外表面之间的摩擦接触而被限制在外管1内运动。

当吐丝管在使用中时，能够绕吐丝机轴线旋转，热轧产品通过吐丝管，在吐丝管中改直线运动为螺旋运动，形成的稳定线圈从吐丝管吐出。上述过程中，内管2由于与热轧产品接触而被加热。通常，热轧产品会在约900℃至1100℃的温度，这会使得将内管2加热至约400℃的温度。外管1由于其暴露于周围环境通常具有较低的温度。

此外，热轧产品穿过内管2时，与内管摩擦，热轧产品的轴向力会对内管2施加一个驱动力F_D。

如图3A中所示，由于内管2通过与热轧产品接触而被加热，因此内管2将进行膨胀，从而沿着朝向入口端(箭头F_EE)和输出端(箭头F_DE)的方向相反的两个方向施加力。膨胀力F_EE和F_DE足够克服摩擦阻力F_F。膨胀力F_EE被膨胀力F_DE与驱动力F_D的合力克服，从而引起内管2在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位。

如图3B中所示，当内管2的温度稳定时，没有膨胀力或收缩力。摩擦力F_F克服驱动力F_D，因此内管2保持固定在外管1之内。

如图3C中所示，当内管2冷却时，内管2将经历收缩，再次朝向入口端(箭头C_EE)和输出端(箭头C_DE)施加相反的两个力。力C_EE和C_DE足够克服摩擦力F_F。收缩力C_EE被收缩力C_DE与驱动力F_D的合力克服，从而引起内管2的入口端在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位。

因而，可以理解，当吐丝管经历加热与冷却循环时，内管2将沿着朝向外管1的输出端的一个方向渐进地移位，该渐进式移位将改变内管2与热轧产品摩擦接触的内表面，并因此更新内管2与热轧产品摩擦接触的内表面，避免内管2内壁任意区域持久的摩擦接触。

本发明中，内管2轴向尺寸远小于外管1的轴向尺寸，当然也可以选为整体镶管，即内管2与外管1等长，两者均能够解决吐丝管内壁局部磨损过度的问题。

但需要注意的是，整体镶管的吐丝管，内管2与外管1之间的摩擦力远远超过线材带来的驱动力。内管2位于弯曲变形段1B的部分由于其围绕吐丝机轴线的旋转将受到离心力，该离心力能够分解成垂直于吐丝管导引路径的力F_N1和朝向吐丝管输出端施加的力F_N2。

内管2经历加热或冷却时，由力F_N2和驱动力F_D克服反方向的膨胀力或收缩力，使内管2于外管1中渐进滑动。但力F_N2的大小是由离心力决定的，而离心力又取决于吐丝管绕吐丝机轴线转动的转速。

《轧钢》2013年第3期中刊登的名称为《吐丝机震动与减震措施》的论文中记载了吐丝机转子结构是不规则的，当吐丝机高速旋转时，吐丝机不能完全做到理想的平衡，这是导致吐丝机严重震动的因素之一，而震动影响着吐丝机能否正常工作。

由此可知，吐丝机转子的转速是被控制在一个范围内的，内管2所产生的离心力也是有限的，所以内管2只能在吐丝机转子转速到达某一值后才会进行渐进滑动；这将导致整体镶管的吐丝管在实际使用中，内管2在外管1中的移位量较小，即内管2所能更新与热轧产品摩擦接触的内表面较小。

轴向尺寸为500-1500mm的内管2相较于整体镶管的内管2，首先内外管的摩擦力大幅度减少，而且内管2与外管1过渡配合的设计能够有效提高内管2的前进量。过渡配合对内管前进量的影响，见表1。

表1

此外，还需注意的是，吐丝机是针对原单层吐丝管做好的动平衡，单层吐丝管加入内管后质心会偏离原单层吐丝管的质心，而质心位置的变化同时会影响原单层吐丝管的不平衡量。

单层吐丝管加入内管后的不平衡量如仍在原吐丝机允许不平衡量内，则说明这种双层吐丝管能够直接替换原单层吐丝管在原吐丝机上使用，不需要重新做动平衡，保证吐丝机的正常运作；反之，如超过原吐丝机允许不平衡量，就必须停机针对双层吐丝管重新做动平衡，但这种非计划性的停产检修，会直接影响工厂正常的生产秩序，时间成本和停产成本均会给工厂带来额外的负担。

所以，在解决吐丝管内壁局部过度磨损的前提下，将双层吐丝管的不平衡量保持在原吐丝机允许不平衡量内，是提高工厂生产效率及经济效益最直接的方法之一。

确定内管规格时，主要包括三个步骤：

步骤一、计算吐丝机的总不平衡量。

吐丝机总不平衡量的基础数据取自以下过程：

1、确定吐丝机的运转速度、精度评级以及自重；

2、将吐丝机运转速度带入到ISO 1940-1动平衡试验标准中查出允许的单位质量不平衡量，然后用允许的单位质量不平衡量乘以吐丝机自重即得出吐丝机总不平衡量。

步骤二、计算内管的总不平衡量。

1、用3D扫描仪扫描单管吐丝管曲线，然后将扫描所得的数据导入CAD软件中转化形成单管吐丝管曲线的CAD模型；

2、按该CAD模型建立各规格的内管模型(长度500-1500mm，壁厚1-7mm或9mm)；

3、将内管材料密度导入到CAD软件中，用CAD软件计算相应材料的每种规格内管的质心坐标；

4、每种规格的内管以十厘米为单位进行分段，用CAD软件计算比较每段内管的质心坐标与单管吐丝管CAD模型的质心坐标得到每段内管的偏心距和自身重量；

5、重量乘以偏心距得到每段内管的不平衡量，进而得到相应规格内管的总不平衡量；

6、形成总不平衡量、长度和壁厚的对照表。

步骤三、确定内管规格。

选择处于吐丝机总不平衡量允许范围内的内管规格。

例如一个G6.3评级的吐丝机设备，运转速度为1000rpm，带入到ISO1940-1标准中可知每公斤吐丝机设备允许的不平衡量是60mm·g，如该吐丝机设备的自重为1500公斤，则最大允许90000mm·g的总不平衡量。

根据上述步骤，基于该吐丝机设备使用的吐丝管曲线建立各规格内管，内管材料的密度设为7.8g/cm³，带入各规格内管中，作出的内管规格对照表如下所示。

对照表中，长度单位为mm；壁厚单位为mm；不平衡量单位为mm·g。

内管模型的长度是根据《高速线材吐丝机吐丝管空间曲线研究和改进》确定的，由该论文记载的吐丝管内壁所受压力分布图和吐丝管内壁所受摩擦力分布图可知，吐丝管内壁所受摩擦力主要集中在距吐丝管入口500mm-1000mm的位置处，所以将内管模型的长度优选为500-1000mm；实际应用中，内管长度可延长至1500mm。

内管模型的厚度是根据吐丝管外径确定的，外径为48.3mm的外管，对应1-7mm壁厚的内管；壁厚9mm的内管目前只应用于外径为51mm的外管中。

综上，工厂可针对不同工况条件，根据目标过钢量选用不同规格内管，以保证吐丝机后续的正常运行，减少因更换管道引起的重做动平衡，最终有效提高工厂的生产效率及经济效益。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种自行修复的吐丝管，包括外管，所述外管具有直线导入段、弯曲变形段和稳定段，其特征在于：还包括内管，所述内管的轴向长度小于外管的轴向长度，所述内管从直线导入段内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动。

2.根据权利要求1所述的自行修复的吐丝管，其特征在于：所述内管与外管过渡配合，最大间隙为0.2mm，最大过盈为0.05mm。

3.根据权利要求2所述的自行修复的吐丝管，其特征在于：所述内管的轴向尺寸为500-1500mm。

4.根据权利要求3所述的自行修复的吐丝管，其特征在于：所述内管的壁厚为1-7mm或9mm。

5.根据权利要求1所述的自行修复的吐丝管，其特征在于：所述内管和所述外管为金属管，金属选自包括黑色金属、镍基合金、钴基合金和钛基合金的群组。

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