第六章 厚壁鋼管的再加熱、定徑與減徑

6.1 厚壁鋼管空心軋制理論6.1.1 張減速度制度原理

內(nèi)容： 張減各工藝參數(shù)理論求取

重點(diǎn)： 明確速度制度建立的數(shù)學(xué)模型

6.1.1.1 概述

厚壁鋼管的張減過程是在一定張力的條件下，將來自脫管機(jī)的荒管軋制成符合成品外徑和壁厚尺寸要求的厚壁鋼管。整個(gè)過程是一個(gè)空心體連軋的過程，機(jī)架間的張力需要在一定壓下率下，在電機(jī)允許的范圍內(nèi)調(diào)速實(shí)現(xiàn)。

在張減機(jī)軋制的過程中，現(xiàn)場工藝參數(shù)調(diào)節(jié)相對(duì)較少，張力的控制也受孔型（減徑率）的制約，所以在軋制過程中，只能在秒流量相等的原則下，通過合理調(diào)節(jié)主疊加電機(jī)的轉(zhuǎn)速來保證一定張力，進(jìn)行壁厚微調(diào)（一般不會(huì)超過1mm）。

6.1.1.2 張力減徑的前提條件

在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們遇到以下幾種情況需要改變張減機(jī)的速度制度。

① 張減機(jī)的前部工序——－軋管機(jī)軋制某種薄壁管很難，易產(chǎn)生軋卡和外表面劃傷。

② 用戶要求較苛刻，如要求光管的壁厚只能有上偏差，或只能有下偏差。

③ 原產(chǎn)品大綱中，單機(jī)架減徑率大而出現(xiàn)內(nèi)折疊。

④ 生產(chǎn)市場上暢銷而原產(chǎn)品中沒有的規(guī)格時(shí)

當(dāng)出現(xiàn)上述四種情況下，若不知其相應(yīng)的速度制度，則肯定不能生產(chǎn)合格的光管。因?yàn)楫?dāng)張減機(jī)出口的外徑一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變會(huì)帶來光管壁厚的改變。

主疊加電機(jī)的調(diào)速，導(dǎo)致每一機(jī)架軋輥的調(diào)速。一般情況下，根據(jù)厚壁鋼管的來料尺寸和成品尺寸，可以合理選擇機(jī)架數(shù)和每機(jī)架的減徑率。這將在孔型設(shè)計(jì)中進(jìn)述。但其張力系數(shù)的建立相對(duì)較難。我們知道壁厚的微調(diào)主要通過調(diào)節(jié)各機(jī)架的張力系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而張力系數(shù)的建立需要相應(yīng)的速度制度。我們并不能做到調(diào)整主迭加電機(jī)來使各機(jī)架達(dá)到一理想的速度，這是由集體差速傳動(dòng)的特點(diǎn)決定的。為保證各機(jī)架壁厚的精度及理論計(jì)算的方便，通常我們設(shè)想減壁率應(yīng)和減徑率匹配，在此假設(shè)下:

1 求平均張力系數(shù)

2再分配各機(jī)架張力系數(shù)

3 求壁厚（通常計(jì)算量較大時(shí)，需要用迭代法通守編程來求解）。

4 求通過各機(jī)架時(shí)厚壁鋼管的橫斷面面積（求出壁厚后很容易求出各機(jī)架留出金屬的斷面積）。

5 求出各機(jī)架的延伸率。

6根據(jù)軋制節(jié)奏選擇入口速度。

7 求各機(jī)架金屬流動(dòng)速度。

8 求出各機(jī)架的工作輥徑。

9計(jì)算出各機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)速。

① 用第一、二架軋輥轉(zhuǎn)速求主疊加電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，并同時(shí)以此校核3到8架軋輥轉(zhuǎn)速。保證最大程度地線性逼近設(shè)定秒流量時(shí)各機(jī)架的轉(zhuǎn)速值。

② 用10和11架軋輥轉(zhuǎn)速求主疊加電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，同時(shí)以此校核9到14架軋輥的轉(zhuǎn)速。保證最大程度地線性逼近設(shè)定秒流量時(shí)各機(jī)架的轉(zhuǎn)速值。

③ 用15和16架軋輥的轉(zhuǎn)速求主疊加電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，并以此校核17到24架軋輥的轉(zhuǎn)速，保證最大程度地線性逼近設(shè)定秒流量時(shí)各機(jī)架的轉(zhuǎn)速值。

如果各機(jī)架單獨(dú)傳動(dòng)，很好確定。但對(duì)于集體傳動(dòng)，我們只能線性逼近。以上求法是一種理想求法，雖然主迭加電機(jī)相對(duì)一套的增加4臺(tái)，相對(duì)減少了這一困難。但一般仍不可能求出合乎每一機(jī)架理論轉(zhuǎn)速的電機(jī)轉(zhuǎn)速。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)實(shí)際情況，必須進(jìn)行迭加電機(jī)的上下調(diào)速，范圍不宜過大。當(dāng)所有的工藝參數(shù)求出后，我們還有必要對(duì)軋制力進(jìn)行校核。

求出厚壁鋼管壁厚后，我們就可以計(jì)算軋制壓力，并能校核孔型設(shè)計(jì)及減徑率的設(shè)定。這一切都必須能從理論上掌握一套精確壁厚的算法，目前對(duì)于單獨(dú)的電機(jī)傳動(dòng)，有很多文獻(xiàn)介紹。但對(duì)于集體差速傳動(dòng)相對(duì)介紹很少。現(xiàn)參考有關(guān)資料介紹如下。

6.1.1.3 差速傳動(dòng)張力減徑道次壁厚變化的計(jì)算

在孔型尺寸確定后，成品厚壁鋼管的外徑尺寸也就被確定。在主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速給定的情況下，各道次的轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)數(shù)便隨之確定，各道次的張力大小也就相應(yīng)地確定。但是，各道次張力系數(shù)究竟是多少，則需計(jì)算才能得出。

計(jì)算方法是：首先根據(jù)給定的主輔電機(jī)轉(zhuǎn)速折算出各道次軋輥轉(zhuǎn)速（公式1），然后設(shè)定各道次張力系數(shù)。由于孔型尺寸是一定的，所以設(shè)定好各道次的張力系數(shù)后，根據(jù)公式（2，3）可以計(jì)算出各道次軋輥的工作直徑和各道次軋后的厚壁鋼管壁厚。據(jù)此，可以計(jì)算出各道次厚壁鋼管的延伸系數(shù)和出口速度（公式4），然后再根據(jù)出口速度和軋制直徑計(jì)算各道次軋輥轉(zhuǎn)數(shù)（公式5）。如果設(shè)定的張力系數(shù)不合適，那么，計(jì)算出的軋輥轉(zhuǎn)數(shù)與根據(jù)主、輔電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)折算出的軋輥轉(zhuǎn)數(shù)就會(huì)出現(xiàn)差值。此時(shí)， 可采用各道次轉(zhuǎn)數(shù)差的絕對(duì)值之和作為是否終止計(jì)算的依據(jù)。如果此數(shù)值達(dá)到足夠小，便可以終止計(jì)算。圖1為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行道次壁厚計(jì)算的框圖。

1 軋輥設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)的折算公式

軋輥轉(zhuǎn)數(shù)的折算公式為：

nk=n主/I主k+ n迭/I迭k（公式1）

Dk=Di －cosθk(ai+bi)（公式2）

式中：Dk 工作直徑

Di名義直徑

Θk中性角 θk=（π/6）·（1-li/f·D0i）

壁厚計(jì)算：（迭代計(jì)算）

δk=δ0×(D0/Dk)^A（公式3）

式中：δ0=δk×(Dk/D0)^A

A=2｛1-3δ/D－2Z〖1-2δ/D〗｝

/｛(1－Z)+3(1－Z)〖1-2δ/D〗^2+2Z〖1-δ/D〗｝

δ/D=｛δk/2 Dk｝+｛δk/2 Dk｝/｛1+2(1－Z)〖1－2δ0/D0〗

×〖D0/Dk－1〗｝

延伸系數(shù)及出口速度的計(jì)算：

λk=｛δ0 ×(Dc0－δ0) ｝/δk ×(Dck－δk)（公式4）

式中：Dc0為入口處管子名義直徑

Dck為出口管子名義直徑

入口速度可以根據(jù)軋制節(jié)秦及要求選取。然后根據(jù)延伸系數(shù)可以算出出口速度

vk=v0×λk

圖6-1 道次壁厚計(jì)算過程框圖

2 壁厚計(jì)算的注意事項(xiàng)：

第一架入口和最末架出口的張力系數(shù)設(shè)為0

設(shè)定中間架道次的張力應(yīng)考慮兩個(gè)因素：

1） 設(shè)定張力后軋輥的轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)與實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)相符

2） 設(shè)定張力系數(shù)后還應(yīng)計(jì)算后一架的中性角，若后一架的中性角小于0，則說明設(shè)定的張力系數(shù)太大。此時(shí)張力系數(shù)應(yīng)適當(dāng)減小。

3) 由于張力減徑所有軋機(jī)較多，所需計(jì)算的末知數(shù)較多，如果想優(yōu)化計(jì)算的話，需編程解決。

4) 計(jì)算精度要視要求而定，一般計(jì)算精度高，程序所要運(yùn)行的時(shí)間會(huì)稍長。

在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要通過軋卡實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下你的理論算法。因?yàn)楹芏嘀虚g參數(shù)是需要你預(yù)先處理的。

6.1.2 CARTAT系統(tǒng)介紹

內(nèi)容：CARTAT系統(tǒng)管理

要求：了解CARTAT系統(tǒng)的意義

張力減徑機(jī)選用的是外齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)型式為3組串列式6電機(jī)傳動(dòng)。配備有SMS-MEER公司開發(fā)的先進(jìn)CARTA/自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)英文名為The CARTA Planning System，這意味著操作者能執(zhí)行他自已的計(jì)劃過程控制，其具體過程交給計(jì)算機(jī)自已完成。過程計(jì)劃控制允許輸入一個(gè)新的尺寸給系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自已決定所選擇的孔型，并負(fù)責(zé)交給過程控制程序設(shè)置所需的數(shù)據(jù)。在出現(xiàn)質(zhì)量問題或孔型尺寸需要作修改時(shí)，操作者就能通過這個(gè)軟件功能來實(shí)行。而且系統(tǒng)提供有詳細(xì)的計(jì)算和軋制數(shù)據(jù)的生動(dòng)畫面顯示，可使技術(shù)人員更好地理解全過程的軋制情況，并能更快，更有效地解決現(xiàn)場的實(shí)際問題。

只要正確地使用該系統(tǒng)，它就能提高軋制成品質(zhì)量，并能保證安全高效地軋制。這時(shí)，該系統(tǒng)可以說是一種工具，

該系統(tǒng)的主要功能是爭對(duì)管端壁厚情況實(shí)行速度自調(diào)，有效減少管端壁厚增厚的情況。其過程控制主要包括三個(gè)部分，介紹如下：

CEC（Crop End Control system）控制：通過1～8架三級(jí)動(dòng)態(tài)速降動(dòng)態(tài)調(diào)整軋輥線速度來減少頭尾端增厚的長度。采用該技術(shù)能有效減少管頭尾增厚端50%的情況。（據(jù)有關(guān)介紹，該系統(tǒng)目前并不很成熟，存在著管尾嚴(yán)重拉簿的情況，按超出名義壁厚6%來算，其實(shí)際切尾長度增長原來二倍多，具體得根據(jù)現(xiàn)場軋制情況來看。）

WTCA（Average Wall Thickness Control system）控制：根據(jù)來料荒管的壁厚偏差測量結(jié)果，通過靜態(tài)軋輥線速度設(shè)定來增加或減少張減機(jī)的延伸系數(shù)，以保證得到要求的目標(biāo)平均壁厚精度。

WTCL（Local Wall Thickness Control system）控制：

根據(jù)來料荒管的沿長度方向上的局部壁厚與平均壁厚的偏差值，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整軋輥線速度來保證該處的壁厚精度。

另外，該系統(tǒng)所提供的數(shù)學(xué)模型能對(duì)不同生產(chǎn)規(guī)格的管進(jìn)行機(jī)架數(shù)的運(yùn)算，機(jī)架位置設(shè)置，以及金屬流動(dòng)狀態(tài)和各機(jī)架的載荷的計(jì)算。除此以外還能計(jì)算并設(shè)定各機(jī)架轉(zhuǎn)速，并記錄各過程控制參數(shù)以及提供機(jī)架及軋輥加工所需的一切工藝參數(shù)。

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