CN104084428B - 减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，本发明首先对各机架进行辊速的在线调节，消除管中减定径存在的堆钢现象，并带张力减定径，改善管中的壁厚均匀性，在增大减定径总减径率的情况下，降低“内六方”质量缺陷出现的机率；其次，再通过增加头尾部的附加张力，将头尾部缺少的张力补齐，使热荒管自由头尾部减定径所受的张力与管中减定径时所受的张力大小一致，从而实现头尾部管壁增厚与管中管壁增厚基本一致，改善减定径后钢管的轴向壁厚均匀性，减少端头切损，提高钢管成材率。

Description

减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法

技术领域

本发明属于热轧无缝钢管的生产技术领域，更具体地讲，涉及一种在张力减定径生产过程中在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法。

背景技术

目前，热轧无缝钢管生产线的最后一道变形工序为减定径工序，如图1所示，其原理为：采用n(机架数n为3～32)架机架串列布置，每架机架的轧辊孔型由三个互成120°的轧辊组成，相邻机架交错布置，任意第i和i+1架的孔型喉径之间相隔一个机架间距L，轧制工序送来的热荒管进入任意第i架，自动完成咬钢(即热荒管头端穿过第i架的孔型，前进一个机架间离L，刚到第i+1架的孔型的过程)、稳定(除开咬钢和抛钢以外的减定径过程)和抛钢(即热荒管尾端离开第i-1架的孔型，前进一个机架间距L，离开第i架的孔型的过程)的三个减定径过程，当热荒管的头尾依次穿过1、2…n架机架的孔型后，就完成n个道次的减定径变形(伴随着管壁的增厚或减厚)，荒管最终变成用户要求尺寸的无缝钢管。

如图1所示，当热荒管在第i-2、i-1、i和i+1四个机架间(前后其它机架中无荒管)都咬钢时，给各机架辊子辊面线速度一个差值，各机架的各辊面对热荒管的正压力与摩擦联合作用给热荒管的轴向一个拉力，其中第i-1架对第i架的轴向拉力叫第i架的后张力Fb_i(b表示向后)，第i+1架对第i架的轴向拉力叫第i架的前张力Fa_i(a表示向前)，第i-1和i架中的热荒管分别受前张力和后张力的同时作用，而第i-2最后一个机架中的热荒管只受前张力Fa_i-2作用而缺后张力Fb_i-2，第i+1最前一个机架中的热荒管只受后张力Fb_i+1作用而缺前张力Fa_i+1，因此造成头尾管子与中间管子减定径时所受的张力不一样。此外，在减定径工艺中控制管壁增厚的要求是：第i架的后张力Fb_i和前张力Fa_i尽可能大，则减定径时热荒管的金属沿管子轴向的拉力越大，金属越易向管子轴向流动，管子周向的管壁不均匀增厚的趋势越小，否则减定径管壁不均匀增厚量大造成钢管断面和轴向壁增不均严重超过钢管标准要求而成为废品。同时，尽可能使钢管断面和轴向管壁增厚一致是减定径工艺控制管壁增厚的基本要求。

目前，减定径机在线生产热轧无缝钢管主要包括以下问题：

1)例如：如图1所示，6机架(n＝6)减定径机的生产中，各机架的电机转速通过离线数学模型计算并设定到控制系统的操作画面上，则减定径生产过程中各机架的电机转速恒定，无法根据生产过程变化在线调整辊子速度，因此机架间存在堆钢生产而造成管中的管壁断面不均匀增厚严重并超过钢管标准要求的问题，尤其当总减径率≥22％、外径D/壁厚S≤10时，极易出现“内六方”的质量缺陷而使钢管成为废品；

2)热荒管头部经过各机架时均只存在后张力Fb_i而缺前张力Fa_i，相反地，热荒管尾部经过各机架时均只存在前张力Fa_i而缺后张力Fb_i，热荒管的中部经过各机架时则同时存在前张力Fa_i和后张力Fb_i，这使得热荒管的头部和尾部在经过各机架减定径时的张力小与管中经过各机架减定径时的张力不一样。因此头部和尾部比管中的管壁增厚多，导致钢管的轴向壁厚不均严重，增加头尾切废损失，影响钢管成材率。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于解决上述技术问题中的一个或多个。

本发明的目的在于解决以下技术问题：1)热轧无缝钢管减定径生产过程中，各机架的电机速度恒定，无法根据生产过程变化在线调整辊子速度，使得机架间存在堆钢生产而造成管中断面管壁不均匀增厚并超过钢管标准要求，严重时产生“内六方”质量缺陷而使钢管成废品；2)对热荒管头、尾部进行减定径时，由于自由头部缺少前张力且自由尾部缺少后张力，使头、尾部的管壁增厚超过管中的管壁增厚，导致钢管的轴向壁厚不均严重，增加头尾端切废损失。

为了实现上述目的，本发明提供了一种减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，当热荒管进入第i架机架后，自动完成咬钢、稳定和抛钢并实现一个道次的减定径，所述方法包括控制管中的管壁不均匀增厚和/或控制管头、尾部的管壁不均匀增厚，

控制管中的管壁不均匀增厚具体包括以下步骤：减定径生产开始时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，之后恒速生产并观察各机架的电机扭矩，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i架机架的扭矩Na_i为正扭矩并且通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i适当降低，其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32，a为1、2、3且1、2、3分别代表咬钢阶段、稳定阶段和抛钢阶段；

控制管头、尾部的管壁不均匀增厚包括进行头部咬钢时等效前张力的补齐控制和尾部抛钢时等效后张力的补齐控制，具体包括以下步骤：a、管头部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的咬钢速度V1_i，当第i架机架从咬钢阶段进入稳定阶段时，控制第i架机架的稳定速度V2_i＜咬钢速度V1_i，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始时，使第i架机架的咬钢扭矩N1_i大于稳定扭矩N2_i以保证热荒管头部咬钢时所受张力与管中所受张力相当；b、管尾部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，当第i架机架从稳定阶段进入抛钢阶段时，控制第i架机架的抛钢速度V3_i＜稳定速度V2_i，从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始时，使第i架机架的抛钢扭矩N3_i小于稳定扭矩N2_i以保证热荒管尾部抛钢时所受张力与管中所受张力相当；c、管尾部减定径抛钢后，第i架机架的电机速度为预定的抛钢速度V3_i，当第i+1架抛钢后，控制第i架机架的咬钢速度V1_i＞抛钢速度V3_i，其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管中的管壁不均匀增厚时，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i比管中的稳定扭矩低0.1～8％。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i架机架的扭矩Na_i为负扭矩时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i并确保第i架机架的扭矩Na_i为正值。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然升高时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然降低时，适当降低第i架机架的稳定速度V2_i。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i架机架的扭矩Na_i在稳定阶段中出现跳跃变化或正负值波动变化时，更换第i架机架。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始，控制第i架机架的咬钢扭矩N1_i比稳定扭矩N2_i大0.1～8％；从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始，控制第i架机架的抛钢扭矩N3_i比稳定扭矩N2_i小0.1～8％。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管头、尾部的管壁不均匀增厚时，在步骤a中，当第i+1架机架以V1_i+1的咬钢速度咬钢并检测到第i+1架机架的咬钢扭矩N1_i+1后，控制第i架机架的电机转速从咬钢速度V1_i降低至稳定速度V2_i运行并检测到第i架机架的稳定扭矩N2_i后，完成从咬钢阶段进入稳定阶段的速度控制；在步骤b中，当第i-1架机架以V3_i-1的抛钢速度抛钢并检测到第i-1架机架的抛钢扭矩N3_i-1消失后，控制第i架机架的电机转速从稳定速度V2_i降低至抛钢速度V3_i运行并检测到第i架机架的抛钢扭矩N3_i后，完成从稳定阶段到抛钢阶段的速度控制；在步骤c中，当第i+1架机架以V3_i+1的抛钢速度抛钢并检测到第i+1架机架的抛钢扭矩N3_i+1消失后，控制第i架机架的电机转速从抛钢速度V3_i升高至咬钢速度V1_i运行并等待下一支热荒管进入第i架机架，完成抛钢阶段的速度控制。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，在控制管头、尾部的管壁不均匀增厚时，咬钢速度V1_i为稳定速度V2_i的1.01～1.09倍，抛钢速度V3_i为稳定速度V2_i的0.91～0.99倍，稳定速度V2_i来源于控制管中的管壁不均匀增厚时的稳定速度实设值。

根据本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法的一个实施例，稳定扭矩N2_i为0.010～10.0Nm，咬钢扭矩N1_i为0.010～10.0Nm，抛钢扭矩N3_i为0.010～10.0Nm；咬钢时间t1_i为0.20～1.6s，稳定时间t2_i为0～60s，抛钢时间t3_i为0.20～1.6s。

本发明首先对各机架进行辊速(即电机转速)的在线调节，消除管中减定径存在的堆钢现象，并带张力减定径，改善管中的壁厚均匀性，在增大减定径总减径率的情况下，降低“内六方”质量缺陷出现的机率；其次，再通过增加头尾部的附加张力，将头尾部缺少的张力补齐，使热荒管头尾部减定径所受的张力与管中减定径时所受的张力大小一致，从而实现头尾部管壁增厚与管中管壁增厚基本一致，改善减定径后钢管的轴向壁厚均匀性，减少端头切损，提高钢管成材率。

附图说明

图1是现有的减定径机轧辊机架的布置和受力示意图。

图2是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机转速-时间图。

图3是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机扭矩-时间图。

图4是本发明示例性实施例的控制头、尾部的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机转速-时间图。

图5是本发明示例性实施例的控制头、尾部的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机扭矩-时间图。

图6是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现第一种异常情况的扭矩-时间图。

图7是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现第二种异常情况的扭矩-时间图。

图8是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现第三种异常情况的扭矩-时间图。

图9是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现第四种异常情况的扭矩-时间图。

图10是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现第五种异常情况的扭矩-时间图。

说明：

1-机架、2-热荒管、L-机架间距，

其中，虚线空心箭头表示热荒管的前进方向，实线箭头表示机架轧辊的旋转方向，实线空心箭头表示热荒管所受前张力和后张力的方向。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法。

由于现有技术中减定径生产时主要存在以下两个技术问题：1)各机架的电机转速恒定，无法根据生产过程变化在线调整各机架的辊子速度，导致机架间存在堆钢而造成管中的断面管壁不均匀增厚而超过钢管标准要求，严重时产生“内六方”质量缺陷而使钢管成为废品；2)对热荒管头、尾部进行减定径时，由于自由头部缺少前张力且自由尾部缺少后张力，使头尾部的管壁增厚超过管中的管壁增厚，导致钢管的轴向壁厚不均严重，增加头尾端切废损失。

针对上述技术问题，本发明主要采用了以下技术手段来控制无缝钢管管壁的不均匀增厚：对于管中的管壁不均匀增厚，采用在线调节辊速的方式，以消除管中减定径时存在的堆钢现象，并带张力减定径，从而改善管中的管壁不均匀增厚；对于管头、尾部的管壁不均匀增厚，通过增加头、尾部的附加张力，将头、尾部缺失的张力补齐，使得热荒管头、尾部所受张力与管中所受张力相当，从而改善头、尾部的管壁不均匀增厚。

上述两方面的控制手段既可以同时进行，也可以针对实际生产情况有针对性地分别进行，本发明并不对此进行具体限制。根据本发明的示例性实施例，采取的是两方面控制手段同时进行的方式，即先对管中的管壁不均匀增厚进行控制，再对管头、尾部的管壁不均匀增厚进行控制，下面对两方面控制手段的控制方式和原理进行具体说明。

首先，对减定径生产过程的阶段划分进行说明。通常，各机架的减定径过程分为咬钢、稳定和抛钢三个阶段，具体地，第i架机架的咬钢阶段是指热荒管的头部穿过第i架机架的孔型喉径，前进一个机架间距L，刚到第i+1架机架的孔型喉径的过程；第i架机架的稳定阶段是指从热荒管的头部到第i+1架机架的孔型喉径开始，到热荒管的尾部刚离开第i-1架机架的孔型喉径为止的过程；第i架机架的抛钢阶段是指热荒管的尾部离开第i-1架机架的孔型吼径，前进一个机架间距L，离开第i架机架的孔型吼径的过程，其余各架依此类推。当热荒管进入第i架机架后，自动完成咬钢、稳定和抛钢并实现一个道次的减定径，经过n个机架的减定径处理后，热荒管成为符合客户要求的无缝钢管产品。其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32，也即机架数n可以取3～32中的任意整数值；当i＝1或i＝n时，第0架和第n+1架为虚拟架，实际不存在。

其次，对减定径生产过程的控制参数进行说明。本发明所涉及的控制参数主要包括电机转速(后文统称为速度)、扭矩和时间，其中，第i架的稳定速度表示为V2_i,第i架的咬钢速度表示为V1_i,第i架的抛钢速度表示为V3_i；第i架的稳定时间表示为t2_i,第i架的咬钢时间表示为t1_i,第i架的抛钢时间表示为t3_i；第i架的稳定扭矩表示为N2_i,第i架的咬钢扭矩表示为N1_i,第i架的抛钢扭矩表示为N3_i,第i架的扭矩可以统一表示为Na_i，其中，a为1、2、3且1、2、3分别代表咬钢阶段、稳定阶段和抛钢阶段。上述速度、扭矩和时间数据的采集周期均在20ms以下。

根据本发明的控制管中的管壁不均匀增厚包括以下步骤：减定径生产开始时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，之后恒速生产并观察各机架的电机扭矩，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i架机架的扭矩Na_i为正扭矩并且通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i适当降低。

具体地，根据本发明，在减定径生产过程中，上述预定的稳定速度V2_i为工艺技术人员给定，由操作人员在控制系统的人机画面中设定，之后各机架的电机以上述预定的稳定速度V2_i运行。由于管中减定径时前后机架的孔型中均有荒管，管壁增厚受前后机架间张力影响，因此在生产过程中需根据管中管壁增厚不均的异常状况，调整各机架的稳定速度V2_i，间接控制各机架的管中管壁不均匀增厚，从而达到改善管中壁厚均匀性的目的，减少“内六方”质量缺陷出现几率。上述管中管壁增厚不均的异常状况主要通过该机架的电机扭矩Na_i来判断，主要需使扭矩Na_i满足以下两个要求：1)第i架机架的扭矩Na_i为正扭矩；2)当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i适当降低。其中，所述的适当降低是指在合适幅度内的平缓下降，骤降或突降等降低方式不属于适当降低的范围内。根据本发明，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i比管中的稳定扭矩低0.1～8％。

图2是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机转速-时间图，各机架的电机转速由操作人员设定后在减定径过程中是恒定的且不随时间变化。图3是本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时各机架的实际电机扭矩-时间图，从图2和图3中可以看出，第i-1架机架抛钢后，第i架机架的扭矩与之前的咬钢扭矩和稳定扭矩相比有明显的降低。

图6至图10示出了本发明示例性实施例的控制管中的管壁不均匀增厚时出现的不满足上述要求的五种异常情况的扭矩-时间图，根据上述扭矩-时间图则可获知导致异常情况的原因并可采取相应的措施消除异常情况并使扭矩满足上述要求。

如图6所示，当相邻两架机架的张力为负，表现为本机架出现负扭矩，则认为上一机架中的热荒管在推本机架中的热荒管生产，因而造成本机架中的热荒管出现严重堆钢，此时通过适当提高本机架的稳定速度V2_i来解决，即当第i架机架的扭矩Na_i为负扭矩时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i并确保第i架机架的扭矩Na_i为正值。其中，第i架机架的稳定速度V2_i的提高幅度需在生产现场根据具体生产情况确定，例如，根据经验调整幅度≤+10％V2_i。

如图7所示，当相邻两架机架的张力过小，表现为上一机架抛钢后，本机架扭矩突然升高，这会造成本机架中的热荒管出现轻微堆钢，此时通过适当提高本机架的稳定速度V2_i来解决，即当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然升高时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i。同样地，此时第i架机架的稳定速度V2_i的提高幅度需在生产现场根据具体生产情况确定，例如，根据经验调整幅度≤+10％V2_i。

如图8所示，当相邻两架机架的张力过大，表现为上一机架抛钢后，本机架扭矩突然降低，这会造成本机架中的热荒管出现严重拉钢，此时通过适当降低本机架的稳定速度V2_i来解决，即当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然降低时，适当降低第i架机架的稳定速度V2_i。同样地，此时第i架机架的稳定速度V2_i的降低幅度需在生产现场根据具体生产情况确定，例如，根据经验调整幅度≤10％V2_i。

如图9和图10所示，当某机架的扭矩在稳定阶段中出现跳跃变化或正负值波动变化，则该机架中的张力过大出现拉钢或张力过小出现堆钢，此时判断是由于该机架的辊面老化或磨损过大导致摩擦力降低所致，通过及时更换该机架来解决，即当第i架机架的Na_i在稳定阶段中出现跳跃变化或正负值波动变化时，更换第i架机架。

本发明的控制管头、尾部的管壁不均匀增厚主要是进行头部咬钢时等效前张力的补齐控制和尾部抛钢时等效后张力的补齐控制，具体包括以下步骤：

a、管头部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的咬钢速度V1_i，当第i架机架从咬钢阶段进入稳定阶段时，控制第i架机架的稳定速度V2_i＜咬钢速度V1_i，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始时，使第i架机架的咬钢扭矩N1_i大于稳定扭矩N2_i以保证热荒管头部咬钢时所受张力与管中所受张力相当；

b、管尾部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，当第i架机架从稳定阶段进入抛钢阶段时，控制第i架机架的抛钢速度V3_i＜稳定速度V2_i，从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始时，使第i架机架的抛钢扭矩N3_i小于稳定扭矩N2_i以保证热荒管尾部抛钢时所受张力与管中所受张力相当；

c、管尾部减定径抛钢后，第i架机架的电机速度为预定的抛钢速度V3_i，当第i+1架抛钢后，控制第i架机架的咬钢速度V1_i＞抛钢速度V3_i，其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32。

本发明为了解决管头、尾部管壁不均匀增厚造成的质量问题，提出了热荒管头部咬钢时等效前张力的补齐控制和热荒管尾部抛钢时等效后张力的补齐控制，即在热荒管头、尾部减定径处理时施加一个轴向附加拉力，迫使金属纵向流动，限制头、尾部的管壁增厚。而上述轴向附加拉力是通过相邻机架之间的一定的线速差来实现的，具体为控制咬钢速度V1_i和抛钢速度V3_i来实现的，即通过在控制系统的人机画面上分别设定各机架的V1_i和V3_i值来完成，之后使扭矩曲线符合要求，扭矩曲线是否符合要求是速度控制是否合理的最终检验和判断。

当热荒管经过各机架时，分为上述步骤a至c的三个阶段控制电机转速变化，间接使热荒管上的金属流动按照工艺要求流动，达到控制头、尾部管壁增厚的目的，上述三个阶段的电机转速控制如下：

1)咬钢阶段进入稳定阶段的速度控制：在步骤a中，当第i+1架机架以V1_i+1的咬钢速度咬钢并检测到第i+1架机架的咬钢扭矩N1_i+1后，控制第i架机架的电机转速从咬钢速度V1_i降低至稳定速度V2_i运行并检测到第i架机架的稳定扭矩N2_i后，完成从咬钢阶段进入稳定阶段的速度控制。其余各机架依此类推，即满足各机架的咬钢速度V1_i＞稳定速度V2_i。

2)稳定阶段进入抛钢阶段的速度控制：在步骤b中，当第i-1架机架以V3_i-1的抛钢速度抛钢并检测到第i-1架机架的抛钢扭矩N3_i-1消失后，控制第i架机架的电机转速从稳定速度V2_i降低至抛钢速度V3_i运行并检测到第i架机架的抛钢扭矩N3_i后，完成从稳定阶段到抛钢阶段的速度控制。其余各机架依此类推，即满足各机架的稳定速度V2_i＞抛钢速度V3_i。

3)抛钢阶段进入咬钢阶段的速度控制：在步骤c中，当第i+1架机架以V3_i+1的抛钢速度抛钢并检测到第i+1架机架的抛钢扭矩N3_i+1消失后，控制第i架机架的电机转速从抛钢速度V3_i升高至咬钢速度V1_i运行并等待下一支热荒管进入第i架机架，完成从抛钢阶段到咬钢阶段的速度控制。其余各机架依此类推，即满足各机架的咬钢速度V1_i＞抛钢速度V3_i。

上述三个速度控制阶段依次循环，从而完成各支热荒管减定径的速度控制，其中根据本发明示例性实施例的该步骤中各机架的实际电机转速-时间图如图4所示，从图4中可见，第i架机架的电机转速在一次减定径过程中，经过了V1_i高→V2_i降→V3_i降两次降速，最后再升速到V1_i速度，重复下一根荒管生产。其中，稳定速度V2_i来源于控制管中的管壁不均匀增厚时的稳定速度实设值(修正后)，咬钢速度V1_i设定为稳定速度V2_i的1.01～1.09倍，抛钢速度V3_i设定为稳定速度V2_i的0.91～0.99倍。

根据本发明，由于咬钢时，热荒管的自由头部无法真正建立前张力Fa_i，只能通过增大咬钢速度V1_i，使第i架机架咬钢时头部实际的后张力比管中的后张力Fb_i大，其增大的差值等效管中的前张力Fa_i，，此时头部减定径时荒管受到的张力为(Fb_i+等效Fa_i)，这和管中减定径时热荒管受到的张力(Fb_i+Fa_i)大小一样，头部和管中壁增厚的大小才一样，减少头部和管中之间轴向的壁厚不均。为达到这一目的，要求热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始，控制第i架机架的咬钢扭矩N1_i大于稳定扭矩N2_i以保证热荒管头部咬钢时所受张力与管中所受张力相当。也即第i架机架的咬钢扭矩N1_i高于稳定扭矩N2_i的扭矩差值等效于稳定阶段第i架机架的前张力Fa_i对管壁增厚的作用。

根据本发明，由于抛钢时，热荒管的自由尾部无法真正建立后张力Fb_i，只能通过减小抛钢速度V3_i，使第i架机架抛钢时尾部实际的前张力比管中的前张力Fa_i大，其增大的差值等效管中的后张力Fb_i，，此时尾部减定径时荒管受到的张力为等效Fb_i+Fa_i和管中减定径时热荒管受到的张力Fb_i+Fa_i大小一样，尾部和管中壁增厚的大小才一样，减少尾部和管中之间轴向的壁厚不均。为达到这一目的，要求热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始，控制第i架机架的抛钢扭矩N3i小于稳定扭矩N2i以保证热荒管尾部抛钢时所受张力与管中所受张力相当。也即第i架机架的抛钢扭矩N3i小于稳定扭矩N2i的扭矩差值等效于稳定阶段第i架机架的后张力Fbi对管壁增厚的作用。

图5示出了本发明示例性实施例的在上述控制步骤中各机架的实际扭矩-时间图，从图5可见，第i架机架咬钢后，在第i-1架机架从V1_i-1降速到V2_i-1作用下，第i架机架通过热荒管拉第i-1架机架，在两机架之间产生Fb_i+等效Fa_i的张力，导致第i架机架的咬钢扭矩N1_i高于其管中的稳定扭矩N2_i，第i-1架机架的管中减定径扭矩比其咬钢扭矩低。同理，第i-1架机架抛钢后，在第i架机架从V2_i降速到V3_i作用下，第i+1架机架通过热荒管拉第i架机架，在两机架之间产生等效Fb_i+Fa_i的张力，导致第i架机架的抛钢扭矩N3_i低于其管中的稳定扭矩N2_i，第i+1架机架的管中稳定扭矩比其抛钢扭矩高。

根据本发明的一个实施例，在步骤d中，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始，控制第i架机架的咬钢扭矩N1_i比稳定扭矩N2_i大0.1～8％；从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始，控制第i架机架的抛钢扭矩N3_i比稳定扭矩N2_i小0.1～8％。根据现场经验，该值对每个规格的钢管有一个最佳值，需要根据减定径后对热荒管取样并测量钢管的头、尾部与管中壁厚不均匀增厚的程度大小，进行现场的实时修正。若无限制的增大张力，可能会将热荒管拉断或超过两机架之间的摩擦力，使热荒管与辊子之间发生打滑。

此外，本发明的减定径生产中，控制稳定扭矩N2_i为0.010～10.0Nm、咬钢扭矩N1_i为0.010～10.0Nm、抛钢扭矩N3_i为0.010～10.0Nm；控制咬钢时间t1_i为0.20～1.6s、稳定时间t2_i为0～60s、抛钢时间t3_i为0.20～1.6s。以上参数还可以根据实际工况调整，本发明不限于此。

下面结合具体示例进一步说明本发明。

本示例是在攀成钢340连轧机组的12架定径机上生产规格为φ168.3×10.97的BNS管，具体包括以下步骤：

定径变形方案：入口热荒管的外径为φ226mm→出口热光管的外径为φ169.81mm→冷后钢管的外径为φ168.3mm，总减径率为24.8％。

设计定径孔型系列：用10个机架可完成变形，单架最大减径率为3.3％，从第1架到第10架的各机架孔型直径(mm)依次为：222.28、214.95、207.86、201.02、194.41、188.02、181.85、176.05、171.81、169.81。

先理论计算各机架的V2_i值，生产时将各机架的V2_i值设定到定径机的人机操作画面上，进行试生产并观察各机架的扭矩值，发现第1架机架有负扭矩，则提高第1架机架的速度，直到为正值，其它机架的调节方法一样，最终从第1架到第10架的各机架稳定速度V2_i(rpm)设定值如下：864、889、897、904、912、919、930、924、915、903。N2_i(Nm)为：0.51、0.57、0.63、0.65、0.66、0.71、0.70、0.68、0.51、0.26。

在生产过程中，各机架没有出现负扭矩，在第i-1架机架抛钢后，第i架机架的扭矩有0.1～3％的降低，说明管中定径时各机架之间带微张力，管中稳定径满足本发明的理论要求。

之后，实测管中定径壁增厚量为0.65～0.7mm，管的头部比管中多增厚0.50～0.55mm，管的尾部比管中多增厚0.4～0.45mm，因此造成钢管的头部、中部和尾部的轴向壁厚不均，仅因定径工序影响的壁厚极差达到0.5mm以上，切头尾损失总长达1.4m以上。

因此，在热荒管的头部和尾部采用梯形速度将缺失的张力补齐。在人机画面分别设定各机架的咬钢速度V1_i和抛钢速度V3_i，先观察第i架机架咬钢后，第i架机架的扭矩N1_i是否升高至高于N2_i的5％左右(先按5％粗调，不超过最大的经验值8％)，若没升到位，再依次提高第i架机架的V1_i速度，直到N1i满足要求为止。再观察第i-1架机架抛钢后，第i架机架的扭矩N3_i是否降低至低于N2_i的5％左右(先按5％粗调，不超过最大的经验值8％)，若没降到位，依次降低第i架机架的V3_i速度，直到满足N3_i满足要求。其中，从第1架到第10架的各机架的咬钢速度V1_i和抛钢速度V3_i分别设定如下：

头部的咬钢速度V1_i：1.012×V2_i、1.013×V2_i、1.014×V2_i、1.021×V2_i、1.031×V2_i、1.036×V2_i、1.040×V2_i、1.042×V2_i、1.044×V2_i、1.044×V2_i。

尾部的抛钢速度V3_i：0.988×V2_i、0.987×V2_i、0.986×V2_i、0.979×V2_i、0.969×V2_i、0.964×V2_i、0.960×V2_i、0.958×V2_i、0.956×V2_i、0.956×V2_i。

并且，各机架的咬钢扭矩和抛钢扭矩分别设定为比管中的稳定扭矩提高1.5～7.1％和降低1.1～6.5％，从第1架到第10架的各机架的咬钢扭矩和抛钢扭矩如下：

N1_i(Nm)为：0.52、0.58、0.64、0.67、0.68、0.76、0.74、0.71、0.52、0.27。

N3_i(Nm)为：0.50、0.55、0.61、0.63、0.64、0.64、0.66、0.66、0.50、0.25。

最终实测管中定径的壁增厚量为0.65～0.7mm，头部和尾部的壁厚增量比不采取上述控制步骤时少增厚0.25～0.30mm，因此钢管的头部、中部和尾部的轴向壁厚不均极差因采取了上述控制步骤减少了0.25～0.30mm，切头尾损失总长从1.4m缩短到1.1m(因之前轧制变形工序产生的头尾壁厚不均无法通过定径工序改善，因此此时的切头尾长度无法分别达到本发明的理论值300mm以内，但若能够减小轧制变形工序产生的头尾壁厚不均还是可以达到理论值的)，成材率提高1.2％，效果明显。

采用本发明的方法对减定径生产过程的负荷进行实时监控并及时调整异常机架的电机转速，从而防止堆钢、拉钢等异常情况的出现，改善了管中的管壁不均匀增厚情况，减小了当总减径率≥10％时厚壁管出现的“内六方”缺陷出现的几率，充分发挥了各机架的设备能力；此外，本发明根据各机架的电机扭矩变化，进行电气系统检测、速度曲线下达、实现速度调节和结果反馈等4个环节，以上步骤在150～160毫秒内可以完成，此时荒管的头尾部穿过机架减定径的长度即控制增厚盲区在300mm以下，而目前不采用本发明时，头尾部穿过机架减定径的长度即控制增厚盲区在420mm以上。由此可见，本发明可改善总减径率≥10％的外径规格的管中、头尾部减定径时的断面、轴向壁厚不均，钢管端头超标切损长度在目前的基础上减小30％以上，对应的品种成材率在目前的基础上提高0.8～1.5％。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，当热荒管进入第i架机架后，自动完成咬钢、稳定和抛钢并实现一个道次的减定径，其特征在于，所述方法包括控制管中的管壁不均匀增厚和/或控制管头、尾部的管壁不均匀增厚，

控制管中的管壁不均匀增厚具体包括以下步骤：

减定径生产开始时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，之后恒速生产并观察各机架的电机扭矩，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i架机架的扭矩Na_i为正扭矩并且通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i适当降低，其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32，a为1、2、3且1、2、3分别代表咬钢阶段、稳定阶段和抛钢阶段；

控制管头、尾部的管壁不均匀增厚包括进行头部咬钢时等效前张力的补齐控制和尾部抛钢时等效后张力的补齐控制，具体包括以下步骤：

a、管头部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的咬钢速度V1_i，当第i架机架从咬钢阶段进入稳定阶段时，控制第i架机架的稳定速度V2_i＜咬钢速度V1_i，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始时，使第i架机架的咬钢扭矩N1_i大于稳定扭矩N2_i以保证热荒管头部咬钢时所受张力与管中所受张力相当；

b、管尾部减定径生产时，第i架机架的电机转速为预定的稳定速度V2_i，当第i架机架从稳定阶段进入抛钢阶段时，控制第i架机架的抛钢速度V3_i＜稳定速度V2_i，从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始时，使第i架机架的抛钢扭矩N3_i小于稳定扭矩N2_i以保证热荒管尾部抛钢时所受张力与管中所受张力相当；

c、管尾部减定径抛钢后，第i架机架的电机速度为预定的抛钢速度V3_i，当第i+1架抛钢后，控制第i架机架的咬钢速度V1_i＞抛钢速度V3_i，

其中，i为正整数且1≤i≤n，n为机架数且3≤n≤32。

2.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管中的管壁不均匀增厚时，通过调节第i架机架的稳定速度V2_i保证第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i比管中的稳定扭矩低0.1～8％。

3.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i架机架的扭矩Na_i为负扭矩时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i并确保第i架机架的扭矩Na_i为正值。

4.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然升高时，适当提高第i架机架的稳定速度V2_i。

5.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管中的管壁不均匀增厚时，当第i-1架机架抛钢后第i架机架的扭矩Na_i突然降低时，适当降低第i架机架的稳定速度V2_i。

6.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管中的管壁不均匀增厚，当第i架机架的扭矩Na_i在稳定阶段中出现跳跃变化或正负值波动变化时，更换第i架机架。

7.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，从热荒管的头部穿过第i架机架的出口侧开始，控制第i架机架的咬钢扭矩N1_i比稳定扭矩N2_i大0.1～8％；从热荒管的尾部脱离第i-1架机架的出口侧开始，控制第i架机架的抛钢扭矩N3_i比稳定扭矩N2_i小0.1～8％。

8.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管头、尾部的管壁不均匀增厚时，在步骤a中，当第i+1架机架以V1_i+1的咬钢速度咬钢并检测到第i+1架机架的咬钢扭矩N1_i+1后，控制第i架机架的电机转速从咬钢速度V1_i降低至稳定速度V2_i运行并检测到第i架机架的稳定扭矩N2_i后，完成从咬钢阶段进入稳定阶段的速度控制；

在步骤b中，当第i-1架机架以V3_i-1的抛钢速度抛钢并检测到第i-1架机架的抛钢扭矩N3_i-1消失后，控制第i架机架的电机转速从稳定速度V2_i降低至抛钢速度V3_i运行并检测到第i架机架的抛钢扭矩N3_i后，完成从稳定阶段到抛钢阶段的速度控制；

在步骤c中，当第i+1架机架以V3_i+1的抛钢速度抛钢并检测到第i+1架机架的抛钢扭矩N3_i+1消失后，控制第i架机架的电机转速从抛钢速度V3_i升高至咬钢速度V1_i运行并等待下一支热荒管进入第i架机架，完成抛钢阶段的速度控制。

9.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，在控制管头、尾部的管壁不均匀增厚时，咬钢速度V1_i为稳定速度V2_i的1.01～1.09倍，抛钢速度V3_i为稳定速度V2_i的0.91～0.99倍，稳定速度V2_i来源于控制管中的管壁不均匀增厚时的稳定速度实设值。

10.根据权利要求1所述的减定径生产在线控制无缝钢管管壁不均匀增厚的方法，其特征在于，稳定扭矩N2_i为0.010～10.0Nm，咬钢扭矩N1_i为0.010～10.0Nm，抛钢扭矩N3_i为0.010～10.0Nm；咬钢时间t1_i为0.20～1.6s，稳定时间t2_i为0～60s，抛钢时间t3_i为0.20～1.6s。