提高穿孔毛管轧制质量的控制方法

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。

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，对于基速速度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I0443＝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，即：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，轧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、轧辊转速、轧辊压下量、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：l——变形区长度；L——毛管长度；

T——纯轧时间；ηx——出口断面的轴向滑动系数；

D1——出口断面上的轧辊直径；nr——轧辊的转速；α——送进角

ⅱ)毛管尾端轧制起始时间点Tn的确立

Tn＝T-Ta     (2)

式中：Tn——毛管尾端轧制起始时间点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——毛管尾端轧制控制的时间点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：

△V＝∫(Vmax-Vmin)dt     (4)

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，速度最大值是轧钢速度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△V＝(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△V，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。

说明书

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—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—毛管反向旋转,由于前进角的存在,管坯—毛管在旋转的同时向轴向移动,在变形区中管坯—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＝VRCOSβ＝πD Nb/60×COSβ------切向旋转速度       (1)

[0027] VtR＝VR sinβ＝πD Nb/60×Sinβ-----轴向速度      (2)

[0028] 式中D----所讨论截面的轧辊直径，mm；

[0029] Nb----轧辊转速，rpm；v β----咬入角。

[0030] 在轧制过程中由于坯料靠轧辊带动，轧辊将相应的速度传递给管坯，则管坯速度为：VB＝πD Nb/60×COSβ        (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＝πD Nb/60×COSβ×ητ          (4)

[0033] VtR＝πD Nb/60×sinβ×η0           (5)

[0034] 式中：ητ---切向滑移系数,

[0035] η0---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＝0.7～0.8，高合金钢：η0＝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η0＝T理/T实.这样确定η0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＝π/2×η0/ητ×d×tgβ           (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] 1.3.1一次咬入条件

[0046] 一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)≥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)+P′≥0            (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。

[0061]

[0062]

[0063] 式中：αe——轧辊入口锥角

[0064] γ——咬入角Δd——辊喉处的直径减径值

[0065] 若想管坯咬入顺利些，可以将咬入角变大些、轧辊的入口锥角小些，或者通过施加管坯的推入力和加大轧辊表面的辊花深度。

[0066] 1.3.2二次咬入条件

[0067] 二次咬入的力能条件

[0068] 二次咬入中旋转条件比一次咬入增加了一项顶头/顶杆系统的惯性阻力矩,其值很小。因此二次咬入旋转条件,基本和一次咬入相同。二次咬入的关键是前进条件。

[0069] 二次咬入时轴向力的平衡条件：

[0070] n(Tx-Px)-Q′≥0             (11)

[0071] 式中：Q′—顶头鼻部的轴向阻力

[0072] 二次咬入所需旋转条件

[0073] 二次咬入的条件在轴向管坯的推入力要大于顶头和管坯与轧辊之间的摩擦力，能实现二次咬入的前提是在管坯接触顶头前(x＝自由长度)管坯至少要旋转一周。

[0074] x＝π*dB*tanγ

[0075]                               (12)

[0076] 式中：d B——管坯直径

[0077] 2、斜轧穿孔时的金属变形

[0078] 2.1管坯受力情况

[0079] 图2-1显示管坯的受力情况，图中显示F为轧辊方向(平面)的力，为压应力，在接触点的位置显示为最大。中心部位(导盘方向)显示为拉应力，理论上在导盘的中心部位受力为最大。因为管坯的不断旋转，同一部位的受力情况不断变化，导致中心部位的金属受到交变应力的作用，中心产生疏松，形成孔腔。

[0080] 2.2金属变形

[0081] 基本变形完全是几何尺寸的变化，与材料的性质无关，而且基本变形取决于变形区的几何形状(由工具设计和轧机调整所决定)。

[0082] 附加变形指的是材料内部的变形，是直观不到的变形，附加变形是由于材料中内应力所引起的，是增大材料的变形应力，引起材料中产生的缺陷，所以在实际生产中如何来减小附加变形是很重要的。

[0083] 2.2.1基本变形

[0084] 基本变形即延伸变形，切向变形和径向变形(壁厚压缩)。这三种变形都是宏观变形，表示外观形状和尺寸变化。基本变形可用下式表示：

[0085] 径向应变增量:

[0086]

[0087] 纵向(延伸)应变增量：

[0088]

[0089] 切向(圆周)应变增量：

[0090]

[0091] 2.2.2附加变形

[0092] 附加变形包括有扭转变形，纵向剪切变形等，附加变形是由于金属各部分的变形不均匀产生的，附加变形会带来一系列的后果，如造成变形能量增加，以及由于附加变形所引起的附加应力，容易导致毛管内外表面上和内部产生缺陷等。纵向剪切变形主要是由于顶头的轴向阻力所造成的，一方面轧辊带动管材轴向流动，而顶头要阻止金属轴向流动，最终导致各金属轴向流动有差异，可是各层金属又是互相联系的，是一个整体，所以在各层金属间必然产生附加变形和附加应力，特别是和轧辊、顶头直接接触的表面层金属，由图中可看出，附加变形更大些，因此毛管内外表面很容易出现缺陷或者使管坯表面原有的缺陷发展扩大。切向剪变形往往是造成毛管内外表面产生缺陷原因之一(如裂纹、折迭、离层等缺陷)。

[0093] 原有控制过程中，经常产生穿孔毛管内折、结疤、掉肉等主要质量事故的有：

[0094] (1)轧制参数调整对内折缺陷的影响

[0095] 轧辊转速的大小是根据铸坯材质、延伸系数、滑移系数及辊径大小等多因素设计，结果表明：高转速更容易形成内折，降低转速，内折相应减少。究其原因主要是增大轧辊转速将导致滑移增加，也就是轴向效率降低，管坯在咬入段旋转次数增加，形成内折的可能性加大。试验结果确定了穿孔机的调整方向是：使用大的咬入角，随着咬入角加大管坯滑移减小，滑移的减小可以减少管坯咬入所需的旋转次数。综合国外厂家的经验，咬入角在10～12度时前进效率最佳，但仍无法控制尾端毛管稳态轧制，降低轧制稳态高转速也是有效控制内折方法，但此方法要牺牲生产节奏，降低了生产效率。

[0096] (2)升速比的影响

[0097] 采用升速比的作用是轧辊低速旋转，有利于管坯平稳咬入，咬入后高速轧制高速抛钢。一般按30％设定，生产中视轧辊磨损情况常采用的是40％或45％，实验结果显示：采用30％的升速比穿孔产生的内折量低于采用45％升速比穿孔产生的内折量。理论根据是，在低速咬入阶段和高速轧制阶段，二者速度差小，铸坯的变形条件相近。也就是说，在低速向高速转变时，金属流动能够平稳过渡。若二者速度差大，金属变形产生波动就容易产生大片内折。这种内折常在毛管前端400～500MM处发现，此方法也是要以牺牲生产节奏，降低了生产效率前提下才实现。

[0098] 除此之外，还经常产生的其他质量事故和设备事故的有：

[0099] (1)对个别产品规格，容易造成轧制荒管外壁产生“结疤”现象，产生批量质量事故；

[0100] (2)生产调整过程中容易产生“主机后卡”生产事故；

[0101] (3)对荒管尾端部壁厚控制不稳定，造成切尾长度增加，造成浪费。

[0102] (4)生产过程中易产生“铁耳子”，造成较大的浪费，并给正常轧制造成很大的影响，需要及时的清理，给正常的生产工作带来极大的不便。

[0103] (5)尾端轧制时，穿孔主电机抛钢速度瞬间急速升高，使抛钢电流迅速提升，对电机换向器产生“浪涌”冲击，经常使换向器产生破坏；需要定期及时的维护处理。

[0104] (6)穿孔机在尾部抛钢轧制速度的升高，对机后三辊装置产生较大的震动，使其易损坏，如图2-2、2-3所示。

[0105] (7)经过多年的实践表明，通过“尾部火焰切割定心”的方式，可以对上述情况得到一定的缓解；但每月需增加相应的乙炔气、氧气的消耗，及人工用工成本，每月近8万元的费用，且存在一定的生产安全隐患。

发明内容

[0106] 本发明提供一种提高穿孔毛管轧制质量的控制方法，解决传统两辊斜轧穿孔机组的轧制荒管即将穿透的瞬间抛钢升速现象，在毛管轧制接近完成时在轧机内对荒管尾部进行有效的控制，避免了轧制的抖动，减少多种产品质量事故和设备事故。

[0107] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是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；该工艺是通过用于本机组控制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。

[0108] 具体控制方法步骤如下：

[0109] (1)基速端部咬钢

[0110] 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％；

[0111] (2)高速中间稳态轧制

[0112] 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I0443＝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，即：高速中间轧制；

[0113] (3)数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺

[0114] 当安装在穿孔机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

[0115] 间数据采集，轧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、轧辊转速、轧辊压下量、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中新编辑的数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺生产。

[0116] 新建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：

[0117] ⅰ)毛管纯轧时间的计算

[0118] 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：

[0119]

[0120] 式中：l——变形区长度；L——毛管长度；

[0121] T——纯轧时间；ηx——出口断面的轴向滑动系数；

[0122] D1——出口断面上的轧辊直径；nr——轧辊的转速；α——送进角[0123] ⅱ)毛管尾端轧制起始时间点Tn的确立

[0124] Tn＝T-Ta             (17)

[0125] 式中：Tn——毛管尾端轧制控制的时间点Tn；T——纯轧时间；

[0126] 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；

[0127] 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，

[0128] Tn＝Tm-Ta           (18)

[0129] 式中：Tn——毛管尾端轧制控制的时间点Tn；

[0130] Tm——实际有效平均轧制时间Tm；

[0131] ⅲ)毛管尾端轧制速度控制

[0132] 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；

[0133] 数学模型的理论表达式是：

[0134] △V＝∫(Vmax-Vmin)dt                 (19)

[0135] 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，速度最大值是轧钢速度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△V＝(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△V，实际监控速度输出效果为斜坡曲线形式；

[0136] 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。

[0137] 本发明的效果是采用该控制方法通过电气技术人员建立数学控制模型控制轧钢过程，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余万元，[0138] 直接经济效益：

[0139] (1)产品质量的提高

[0140] 穿孔抛钢稳态工艺控制程序主要就是针对毛管尾部壁厚和毛管尾部铁耳子进入毛管内部造成内表面掉肉而设计的。

[0141] 通过该项目的实施每年提高产品成材率至少在1％点以上，以2013年我厂年产优质无缝钢管85万吨为例，每吨优质无缝钢管利润1000元计算

[0142] 全年多创效益为：850000吨*0.01*0.1万元＝850万元

[0143] (2)减少原有“尾部火焰切割定心”工艺过程

[0144] 通过该项目的实施取消了原有“尾部火焰切割定心”工艺，全年减少相应的乙炔气、氧气等材料的消耗，及人工用工成本，降低成本至少90万元。

[0145] (3)故障停机的影响

[0146] 通过该项目的实施每年减少“主机后卡”、清理易产生“铁耳子”等生产事故停机至少6小时；设备故障停机至少8小时，以生产节奏最低45秒出料机算，全年少生产(6+8)*60*60/45＝1120支钢管，每支1.5吨，每吨1000元计算，全年损失1.5*1120*0.1＝168万元[0147] (4)设备故障设备维修费、用工成本每年至少120万元

[0148] 因此，通过该项目的实施，全年多创效益在850万元以上，减少各种成本支出或损失在90+168+120＝378万元以上

[0149] 社会经济效益：通过该项目的实施，在总结取得经验基础上，目前该工艺控制已试推到本公司内部的“460大型无缝钢管厂”、“258无缝钢管厂”等其他机组，均取得了良好的经济效益和社会效益。

附图说明

[0150] 图1-1斜轧穿孔变形区孔型图；

[0151] 图1-2穿孔变形区中四个区段；

[0152] 图1-3轧件横截面变化图；

[0153] 图1-4速度分解图；

[0154] 图2-1金属受力分析图；

[0155] 图2-2原有轧制工艺过程曲线；

[0156] 图2-3原有轧制工艺过程速度/时间实时采集曲线；

[0157] 图2-4为本发明的轧制工艺过程曲线；

[0158] 图2-5为本发明的轧制工艺过程速度/时间实时采集曲线；

[0159] 图3-1为本发明的功能控制模块；

[0160] 图3-2为本发明的轧制工艺数学模型结构图。

具体实施方式

[0161] 结合附图对本发明的提高穿孔毛管轧制质量的控制方法加以说明。

[0162] 综合分析原有工艺控制过程，在斜轧穿孔整个过程的三个阶段中，[0163] 第一个不稳定过程-----管坯前端金属逐渐充满变形区阶段，即一次咬入和二次咬入，可以通过适当调整轧制参数的来尽量消除第一个不稳定过程。

[0164] 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。

[0165] 第二个不稳定过程-----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，该过程一般不能通过调整参数来消除来完成。

[0166] 本发明的提高穿孔毛管轧制质量的控制方法主要是针对传统两辊斜轧无缝钢管穿孔机轧制工艺给与了新的改进补充与完善。即：在原有的轧制工艺-----“基速端部咬钢-高速中间稳态轧制”，其后半程中加入了数学模型控制管坯尾端稳态轧制工艺，有效地克服了轧钢抛钢过程中，设备的扰动对毛管尾端轧制过程不稳定的影响。该工艺是通过用于本机组控制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。

[0167] 具体控制方法包括以下步骤：

[0168] (1)基速端部咬钢

[0169] 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％；

[0170] (2)高速中间稳态轧制

[0171] 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I0443＝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，即：高速中间轧制；

[0172] (3)数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺

[0173] 当安装在穿孔机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，轧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、轧辊转速、轧辊压下量、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中新编辑的数学模型控制毛管尾端稳态轧制工艺生产。

[0174] 3、数学模型的建立

[0175] 新建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：

[0176] 3.1穿孔机轧制时间的确定

[0177] 在电机校核中，需要用到纯轧时间和间隙时间。

[0178] 3.1.1毛管纯轧时间的理论计算

[0179] 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：

[0180]

[0181] 式中：l——变形区长度；L——毛管长度；

[0182] T——纯轧时间；ηx——出口断面的轴向滑动系数；

[0183] D1——出口断面上的轧辊直径；nr——轧辊的转速；α——送进角[0184] 3.1.2毛管尾端轧制起始时间点Tn的确立

[0185] Tn＝T-Ta             (21)

[0186] 式中：Tn——毛管尾端轧制控制的时间点Tn；T——纯轧时间；

[0187] 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；

[0188] 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，

[0189] Tn＝Tm-Ta                  (22)

[0190] 式中：Tn——毛管尾端轧制控制的时间点Tn；

[0191] Tm——实际有效平均轧制时间Tm；

[0192] 3.1.3毛管尾端轧制速度控制

[0193] 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；

[0194] 数学模型的理论表达式是：

[0195] △V＝∫(Vmax-Vmin)dt                     (23)

[0196] 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，速度最大值是轧钢速度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△V＝(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△V，实际监控速度输出效果为斜坡曲线形式；

[0197] 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。

[0198] 3.1.4设备联锁及应用设置

[0199] 为了有效的实施尾端稳态轧制，并利于观察统计，前期分段实施。

[0200] 即：一旦当设备处于：

[0201] (1)手动轧制(2)急停(3)锁操作台(4)更换产品规格(5)更改轧制毛管的所需管坯长度(6)调整设备参数，如轧辊辊缝的压下量、轧辊转速等。

[0202] 上述六种状态的任何一种或一种以上方式时，设备将及时恢复到原有的轧制工艺，以避免在自动轧制状态的情况下，产生不确定设备和生产质量事故。

[0203] 本发明的提高穿孔毛管轧制质量的控制方法在实践生产中，取得了良好的效果，理想状态下的毛管轧制过程是通过合理的温度控制和稳定的轧制，穿孔机使管坯均匀变形，达到毛管椭圆度较小，壁厚均匀的几何尺寸。从外形看应该是直度好，尾部横截面是有较小椭圆度的圆形形状，且不应该有多余的铁耳子；通过生产实践检验来看，采用提高穿孔毛管轧制质量的控制方法前生产的毛管由于尾部轧制不稳定，造成尾部横截面椭圆度较大，出现很大的斜茬儿，这对下道工序也会产生很大的影响，不利于后续的连轧轧制生产，且最终产品管尾切废量较大。而采用提高穿孔毛管轧制质量的控制方法后生产的毛管经检验尾部横截面的椭圆度很小，尾部没有斜茬儿；说明毛管壁厚是非常均匀的，新工艺采用后，对提高穿孔毛管质量非常明显，达到了预期设计的理想效果。

[0204] 图2-4显示了建立数学模型控制主传动给定运行轧钢过程曲线和图2-5显示了轧钢过程主传动实际运行速度反馈检测曲线，通过上图能看出，轧制毛管尾端抛钢速度控制是非常平稳的，达到了预期设计的理想效果；

[0205] 3.1.5提高穿孔毛管轧制质量的控制方法的数学模型的建立结构图

[0206] 按照生产工艺要求，绘制出传统工艺生产与新工艺生产控制结构图，在实践生产过程中可以实现两种工艺在不同生产环境下的自动切换。如图3-2所示，显示了轧钢过程中的新旧两种生产工艺选择及其控制过程。

[0207] 3.2间隙时间的确定

[0208] 由实际情况确定。

[0209] 由于该提高穿孔毛管轧制质量的控制方法实施后效果明显，带来了诸多生产优势，提高了产品生产质量，更加适合新产品的开发生产；减少了大量的设备故障维护费用；并调整了传统工艺，取消了“管坯尾部火焰切割”，该控制方法主要是为了提高毛管尾部轧制质量而增加的工艺过程，因此，在公司内部广受欢迎，现已逐渐推广到公司内部其他机组，“460大型无缝钢管厂”“258无缝钢管厂”等机组实施后效果更为明显，其他三个机组也正在组织技改实施。