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1、340 连轧机壁厚质量控制与缺陷研究一.概述连轧管机作为生产无缝钢管的高效轧机，具有高产、优质、低耗、多品种、轧制的钢管长、便于机械化和自动化等一系列优点，自上世纪7O年代起得到大力发展。由于连轧过程中轧件的变形较复杂，理论尚有诸多不完善的地方，造成钢管的质量缺陷。缺陷的根本是轧制变形区金属流动规律，所以其研究一直是关注的热点。以钢管壁厚不均为核心对连轧管金属流动、缺陷形成机理及解决方案等的研究也亟待解决1。钢管的壁厚不均主要表现在两端厚，中间薄，长度方向有周期厚度变化和钢管截面内壁厚超差（ 6%） 。另外，头尾切损大，内褶以及控制系统不能达到设计能力等也是连轧管生产的典型问题2。钢管的两端厚
2、，中间薄，长度方向有周期厚度变化主要是由于钢管生产过程中连轧管机咬入和抛钢过程的不稳定，以及在张力减径过程中由于张力作用，而使钢管的头、尾在一定长度上存在壁厚增厚的问题。而且在轧制方向上由于速度不匹配，造成长度方向还有周期厚度变化3。钢管截面内壁厚超差主要是由于孔型设计的不合理以及轧辊压下机制的不完善造成4。头尾切损比较长，通过对连轧管机轧辊辊缝即压下缸位置和电机转速的精确快速控制，实现轧制出的钢管头尾壁厚减薄，从而抵消轧管变形和后续张力减径变形过程中的头尾壁厚增量。内褶主要是指在钢管的内表面呈片状、直线状或螺旋状的折叠。产生的主要原因5-6是坯料心部疏松偏析、夹杂、疏松、开裂，坯料有害元素过
3、高，硫含量超标；穿孔机顶头失效，缩节受损；连轧机芯棒焊疤翻出；加热制度不对，升温过急，高合金钢加热温度过高超出奥氏体温度，过热、过烧；穿孔机参数不正确。以上原因是引起内褶的物理因素，而这些因素共同作用的变现为钢管的塑性变化，塑性失稳是造成内褶的直接力学因素。对于塑性失稳的研究已经从实验到理论分析全面深入的开展，理论分析是最基本的途径。理论分析主要从分叉理论和能量法进行研究。Hutchison细化了Hill分叉理论，将其运用于薄壳的起皱失稳分析和预测，认为开始发生起皱的点是从基本平衡路径发生分叉的点7。针对能量法国内的余同希采用简化的塑性铰线法研究了圆管弯曲试件的局部屈曲的能量解析解。Frode
4、等8-9采用能量法和塑性形变理论分析了方形管弯曲过程中的局部屈曲失稳。文献10采用能量法对盒形件、锥形件在拉深过程中的法兰起皱和侧壁起皱进行预测，推导了两种塑性失稳形式的临界应力值。塑性失稳除了塑性理论分析外，还要靠对控制参数的调整来消除。原有设备控制系统难以发挥它们的设计功能，需要对测控系统统一的进行详细的解析，理清其设计意图及实现的具体方法，从而找出其不能达到设计目标的原因，进行改进。现代控制系统已经朝着智能化发展，在钢管尺寸偏差预测、减径精度预测和钢管内部组织预测方面11-13和轧制工艺参数控制与检测方面得到了应用并收到了良好的效果。主要参考文献1单恩芝.自动化技术在宝钢钢管轧机改造中的
5、应用J. 宝钢技术,2006,3.2 李丽贤. 包钢连轧管厂计算机控制系统的结构分析2. 内蒙古科技与经济，2004，18.3 陈汝英，胡才望，陈伟军.优化微张力定(减)径机轧制工艺提高钢管壁厚精度J. 钢管学会五届三次年会论文4 赵志毅,谢建新,洪慧平. 钢管热连轧过程横断面壁厚变化的三维有限元模拟J.塑性工程学报，2009，16（2）.5 刘玉斌，朱海珍，张臣. 改善无缝钢管的壁厚偏差J.黑龙江冶金，2002，2.6 金如崧.采用工艺自动控制提高无缝钢管壁厚精度J.钢管，2008,37(4).7 Hutchison J W，Neale K WWrinkling of curved thin
6、 sheelmetalJP1astic stabiIityPresses ponts et chausseesParis.19768 Frode PTorgeir wetal A design method for rectang1e hollow section in bendingJJournaI of Materials Processing Technology2001，113：6997049 LiL YRoger KNonlinear bending response and buckling ofring-stiffened cylindrical shells under pur
7、e bendingJ InternationalJournal of Solids and Structure2002：7657810 Wang X，Jian C 0n the prediction of side-wall wrinkling in sheet metal forming processesJInternatjonaJ Journal of MechanicaI Science，2000，42(12)：2369239411双远华，樊建成，赖明道.人工神经网络对管材张减精度预测J.钢铁，35（2）：28-31.12双远华，赖明道.人工神经网络在预测斜轧穿孔毛管偏差中的应用J.中
8、国有色金属学报，2001：9.13双远华.现代无缝钢管生产技术M.化学工业出版社，2008，北京.二.生产状况及存在的问题1、所配置的控制系统；（1） 轧尖控制系统；（2） 温度补偿系统；（3） 液压轧辊位置控制系统；2、存在的主要问题：（1）该机组轧出来的钢管两端厚，中间薄，长度方向还有周期厚度变化。（2）钢管截面内壁厚偏差 6%，而正常轧制时应控制在 5%内。（3）头尾切损比较长，达到700 800mm ，对管钢成材率有很大影响。（4）轧制后出现内褶现象。（5）原有设备控制系统没有发挥它们的设计功能。以上问题中，核心是钢管轧制时壁厚不均，因此拟解决的关键问题是针对壁厚缺陷建立人工智能控制系
9、统数学模型。三.拟采取的研究方案（1）消化和破译原有设备的控制系统。由于原有设备控制系统（轧尖补偿系统，温度补偿系统，液压位置控制系统）没有发挥它们的作用，质量控制系统基本处于失效状态，因此通过对原有控制系统的消化和破译，恢复甚至改进原有控制系统。（2）建立连轧的变形制度，速度匹配制度，张力控制制度等工艺制度。根据新的孔型以及新的控制系统也要重新建立新的连轧的变形制度，速度匹配制度，张力控制制度等工艺制度。（3）增加单壁厚控制和检测系统。为了进一步控制壁厚偏差，特别是横截面的壁厚偏差，目前使用的多是双壁厚控制和检测系统，通过平均值算下来的壁厚偏差还是很大，由此可增加单壁厚控制和检测系统，它可以
10、在很大程度上减小壁厚偏差。（4）建立人工智能控制系统数学模型。从理论上着手实质性的解决壁厚偏差问题。（5）将原有控制系统和检测系统改造使其实现闭环控制和检测。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环，这样会使控制系统在工作中越来越精确。四 、项目实施的步骤（1）消化原有设备资料，变形制度与配置，孔型资料以及各种控制系统的资料。 结合现代连轧张力理论和有限元方法对现有的连轧工艺过程进行模拟和分析，再现现行工艺过程。以钢管的质量为目标，对工艺过程进行优化，重新确定孔型的配置，以及变形制度、速度制度、控制参数。 对于控制系统，针对生产单位提资，
11、对控制输入输出模型、设备硬件及接口参数匹配、总线结构与通信协议、程序结构等全方面进行细化和分析，计算数据传输的时钟周期和数据流量匹配以及扰动灵敏度，从而进行全局优化，以期最大限度的发挥控制系统的设计能力。（2）恢复原有设备的控制系统，使其发挥作用。从轧尖控制分析入手，对刚端效应进行理论分析，回归其形成的原因，从而根据温度等工艺参数，应用神经网络对其应调整的控制参数进行精确预测，从而再实现轧尖压下和温度补偿加热控制工艺参数。轧辊压下采用液压小舱控制可在轧制管端时快速而准确地调整孔型，在轧制管端时的轧制压力比轧制中部管段约大23倍，通过采用精确的数学模型、增大单机架轧制力和补偿由此引起的辊缝变化等
12、办法可实现理想的管端壁厚减薄。此方法轧制的钢管作为母体管进入张力减径机，可与其在张力减径过程中所产生的管端增厚互相抵消，从而提高CEC控制系统的性能。而实现FTS技术的必要条件是采用具有长行程油缸的液压压下系统。（3）构造新的连轧数学模型。连轧数学模型的参数以批设定方式给定，在轧制每批钢管之前要进行工艺和设备参数的设定计算，与钢管壁厚密切相关的参数是辊缝设定，具体体现为液压压下装置的位置参数。这一参数的给定考虑了各机架的辊缝设定、机械几何参数、机架弹性系数和轧制力等因素，提高控制钢管壁厚的连轧模型的精度。（4）建立新的闭环控制与检测系统。 建立最佳化的调整数据； 根据对传感器信号和测量数据的分
13、析和多传感器信息融合对工艺过程进行诊断； 对生产工艺过程进行自适应调节控制； 对经验数据库加以管理。ECS 作为轧管机控制系统的子系统，对生产工艺过程的数据采用傅立叶法进行分析，可以确认产生壁厚不均的原因，并将找出主要原因及解决的办法。（5）全面对连轧质量实施闭坏控制。通过开发控制软件包实现闭环通信，其基本功能包括：连轧、张减区逐根钢管的前测后调；连轧、张减区电机的在线快速调整；连轧区通过液压小舱执行的在线快速调节。这种钢管壁厚控制软件包具有以下3种调节方式。自适应智能方式实现闭环控制连轧管机（和张力减径机）均增加反馈闭环控制功能，即将钢管的轧后实测壁厚的移动平均值与目标壁厚进行比较，根据比较
14、结果对设定的调整参数进行修正，以用于轧制下一根钢管。电液执行机构的闭环控制采用液压小舱控制方式可以在轧制过程中动态调整辊缝，还可以进行压力补偿控制以减小钢管纵向壁厚偏差值。增加 CEC 控制系统。其功能是缩减张力减径过程所产生的钢管端部增厚段的长度，通过在轧制钢管端部时改变轧辊速度提高速比，增大张力应变值。调整的依据是没有 CEC 时管端增厚段的长度和速度整定值，这种工艺控制是自适应的。采用新型总线结构，运用 Windows 操作系统下的组态软件作为信号处理中枢，生成个单元交换新号，定义下装任务的功能，配置单元的硬件结构。采用 Windows 监控器，显示任务状态、变量状态和参数设置以及 I/
15、o 组态，实现闭环之间的信心传递。（6）增加单壁厚控制和检测系统。 建立无缝钢管壁厚精度解释结构模型，为无缝钢管壁厚精度控制提供全面而有效的依据。 通过理论分析，精确的选择轧制温度和张力系数等关键工艺参数。对管材的厚度、外径进行分析，建立多层神经网络模型对轧机出口壁厚进行预测，实现钢管的单壁厚度精确控制。对钢管壁厚检测方式进行研究，确定单壁检测的检测介质传播规律和标定准则，开发单壁检测系统。五、项目可行性分析太原科大在钢管生产工艺及设备研究方面具有丰富的经验和成果，成都无缝在国内钢管生产居龙头地位，二者优势互补，相得益彰。在具体的技术实施方面，研究单位具有多年的管材连轧工艺的研发经验，并有多项理论成果并推广应用于生产实际。已经形成了稳定的且涵盖所有钢管生产学科的科研梯队，先后有国家教育部和山西省教育厅在该梯队所在的冶金机械教研室设立了工程研究中心。六 、时间安排项目内容 所需时间（月）消化和破译控制系统 5增加单壁厚控制和检测系统 6建立人工智能控制系统数学模型 6原有测控系统闭环实现 4检测系统 3七 、完成工作经费预算科 目经费支出预算（万元）1.连轧制度的建立 40（1）变形制度 10（2）速度匹配 10（3）张力控制 202.单壁厚检测系统 603.闭环控制系统和检测系统 80预算费用合计：180 万
