1、第 卷 第期 年月钢铁 ，：荒管端部壁厚增厚补偿控制策略及补偿机制汪飞雪，张婧妍，王泽坤，李菲菲，臧新良，（燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 ；河北省轻质结构装备设计与工艺工程技术创新中心，河北 秦皇岛 ）摘要：针对无缝钢管张力减径头尾增厚缺陷，基于管端壁厚补偿方案与头尾削尖技术，预设计削尖荒管的削尖参数，借助 有限元软件建立了张力减径全过程仿真模型并通过现场试验验证其准确性。通过单一控制变量法研究不同削尖量、削尖长度等参量对张减头尾增厚缺陷所造成的管端切损长度的影响及壁厚补偿规律，通过补偿效果不同，建立“全补偿区”、“过补偿区”和“不合理区”等评判依据。考虑无缝钢管生产工艺长流程、多工序的
2、特点及钢管尺寸在不同工序、道次、工具下的遗传特性，提出连轧张减多工序联合控制的削尖荒管补偿控制策略，给出削尖荒管削尖参数的设计准则，并基于模拟壁厚数据推导得出削尖量有效取值范围预测模型。建立削尖荒管在张力减径咬钢稳定轧制抛钢全过程的头尾削尖补偿控制模型，对比分析补偿前后无缝钢管截面形状及尺寸精度，结果表明削尖荒管补偿控制策略具有显著的缺陷抑制效果。将削尖荒管补偿控制策略拓展应用于种不同规格、不同延伸系数的钢管张减过程，验证了头尾削尖补偿控制方法的适用性，以减少 的管端切损长度为衡量标准，各规格张减产品的削尖量均存在某个有效取值范围。对于提高无缝钢管产品质量稳定性及成材率具有一定指导意义和行业实
3、用价值。关键词：张力减径；管端增厚；头尾削尖技术；削尖荒管；补偿控制文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：山西省科技重大专项资助项目（）；中央引导地方科技发展资金资助项目（）作者简介：汪飞雪（），男，博士，副教授；：；收稿日期：通讯作者：王泽坤（），男，硕士生；：，第期汪飞雪，等：荒管端部壁厚增厚补偿控制策略及补偿机制 ，：；连轧和张力减径作为生产无缝钢管的两个关键工序，该过程中出现的钢管缺陷占整个生产线的以上，其中，张减作为钢管生产的终轧工序，对其形状精度、尺寸精度、表面质量等起决定作用，张减机组咬、抛 钢 的 不 稳 定 张 力 导 致 无 缝 钢 管 头 尾 增厚，从而产生大量
4、管端切损，极大地降低机组产能，因此，以头尾增厚为代表的无缝钢管壁厚缺陷控制问题亟待解决。针对管端增厚问题，等模拟计算了张减管端增厚和内多边形成形过程，分析了基本几何故障形成机理。王君国在套管 应用头尾削尖技术，于实际生产中考察此技术的应用情况，验证了头尾削尖技术的可行性和优化效果，将成材率提高了左右。郭延松分析并优化 技术，将管端切损量减少 。目前，技术局限于单一工序控制，且针对不同型号、不同规格产品的控制效果不稳定，少机架强张力的张减工艺结果较差，头尾削尖技术在应用生产中表现出良好的优化效果，但针对此技术的研究不够充分，关于产品缺陷的控制技术发展不够成熟。钢管壁厚精度取决于生产装备与生产工艺
5、水平，此外还与壁厚缺陷的补偿控制策略密切相关，本文考虑到钢管尺寸遗传特征是在不同工序、不同道次、不同工具作用下累积形成的，提出连轧张力减径多工序联合控制的削尖荒管补偿控制策略，开展复杂工艺条件下连轧荒管壁厚对张减头尾端壁厚增厚缺陷的影响机制及补偿控制等关键问题的研究工作。本研究对提升中国无缝钢管生产行业竞争力、缩短头尾切损长度、提高成材率具有指导意义。有限元模型建立及试验验证 模型建立张力减径工艺的典型特点是连续轧制、多道次、无芯棒轧制，据三辊式张力减径机对称性对其进行简 化，张力减径过程如图所示，其模拟区域如图（）所示。荒管依次咬入各道次的过程属于热接触问题，将热对流和热辐射换热等效考虑的换
6、热系数为 （），荒管材料选取 号钢，需考虑其物理性能受温度的影响，荒管与轧辊表面的接触导热系数为 （），摩擦因数为，摩擦生热分配系数为，塑性功转化系数为 。轧辊采用离散刚体单元 ，荒管采用八结点热耦合六面体单元 ，接触方式选择面与面接触，将荒管周向划分 份，径向分层，轴向划分 份，利用 有限元软件，建立产品规格为 的三维热力耦合模型如图（）所示，其中 表示外径尺寸为 、壁厚为 的荒管，张减为外径尺寸为、壁厚为 的成品管，下同，产品 的具体轧制工艺参数见表。（）模拟区域；（）几何模型。图张力减径过程 试验验证为验证张力减径三维热力耦合模型的准确性，对比了 模拟结果与实际产品的出口截面形状、表面质
7、量和周向壁厚尺寸如图和图所示。可见，模拟与试验结果的截面形状均呈不规则内六方形状 ，模拟结果的平均壁厚为 ，最大壁厚误差为 ，测得实际产品的平均壁厚为 ，其最大壁厚误差为 ，模拟与试验结果吻合度很高。钢铁第 卷表产品 基本工艺参数 项目类型参数项目类型参数项目类型参数荒管长度 机架间距 机架数目 荒管入口温度 轧辊温度 入口速度（）出口速度（）最大张力系数 平均张力系数 （）、（）模拟；（）、（）试验。图出口截面形状及质量对比 图周向壁厚分布对比 削尖工艺对管端增厚的补偿规律分析 预设计削尖参数头尾削尖技术主要靠轧机的电气控制系统和液压辊缝控制系统实现，天津钢管集团、太原重工等通过控制系统设置
8、各机架电机转速和压下液压缸的压下量来完成削尖工艺，实现了削尖工艺的可控性，并且获得了可观成效 ，但生产调试过程缺乏工艺参数的参考，头尾削尖工艺的优化效果依赖削尖参数的选定，其中削尖量和削尖长度是头尾削尖技术的关键参数。为研究削尖量和削尖长度对管端增厚缺陷的影响机制，本文通过单一控制变量法，预设计各规格削尖荒管的削尖参数，其设计原则为，削尖量通常不超过原荒管壁厚的，削尖长度不超过 ，壁厚的误差允许范围为工艺壁厚的，管端切损量是指壁厚值超出壁厚上下限的管段长度。以管端设置削尖段的削尖荒管为初始条件，分 别 模 拟 计 算 了 与 两个规格的“相同削尖长度，不同削尖量”和“不同削尖长度，相同削尖量”
9、的头尾削尖预补偿模型，深入研究削尖荒管削尖段的削尖参数对管端增厚段壁厚尺寸的预补偿规律。产品 及 的基本轧制工艺参数见表、表，预设计的削尖参数见表。表产品 基本工艺参数 荒管长度机架数目入口速度（）出口速度（）最大张力系数平均张力系数 表产品 基本工艺参数 荒管长度机架数目入口速度（）出口速度（）最大张力系数平均张力系数 第期汪飞雪，等：荒管端部壁厚增厚补偿控制策略及补偿机制表不同规格预设计的削尖参数 规格变量参数 削尖量 削尖长度 削尖量 削尖长度 削尖量 削尖长度 削尖量 削尖长度 削尖参数对管端壁厚的补偿效果及规律分析 削尖量对管端增厚的影响规律“相同削尖长度，不同削尖量”模型的纵向壁厚
10、与管端切损分布如图所示。如图（）和（）所示，将图中削尖荒管削尖段削尖参数能有效补偿管端增厚段壁厚的区域称为“管端壁厚补偿区域”，简称为“补偿区”；将削尖段的削尖参数能完全补偿管端增厚段壁厚的区域称为“管端壁厚完全补偿区域”，简称为“全补偿区”；将图中削尖段的削尖参数过度补偿管端增厚段壁厚的区域称为“管端壁厚过度补偿区域”，简称为“过补偿区”。将管端切损量超出普通张减模型的区域为“削尖参数设置不合理区域”，简称为“不合理区”。当 规格预补偿模型削尖长度为定量，削尖量为变量时，削尖量越大，靠近管端的壁厚值越小。当荒管削尖长度为 ，管头（尾）削尖量小于（）时，管头（尾）壁厚处于“补偿区”，当削尖量处
11、于 （）范围时，管头（尾）壁厚处于“全补偿区”，超出该范围 后 管 头（尾）壁 厚 处 于“过 补 偿 区”。当 规格预补偿模型管头（尾）削尖量小于（）时，管头（尾）壁厚处于“补偿区”，当削尖量大于（）时，随削尖量增大，管端纵向壁厚分布不均度提高。（）纵向壁厚分布曲线；（）削尖量与管端切损量关系曲线；（）纵向壁厚分布曲线；（）削尖量与管端切损量关系曲线。图不同规格壁厚补偿效果 钢铁第 卷可见当削尖长度一定时，削尖量决定管端壁厚值。以延伸系数较大的产品 削尖量为 的壁厚分布曲线为例，曲线从钢管中部到端部由递减转为递增，削尖量引起管端壁厚曲线出现“凹型”，导致壁厚最小值低于壁厚下限值，从而出现“不
12、合理区”。削尖长度对管端增厚的影响规律“相同削尖量，不同削尖长度”模型的纵向壁厚与管端切损分布如图所示，当产品 预补偿模型削尖量取，随削尖长度增大，管端壁厚一直处于“补偿区”，削尖量决定了管端壁厚最大值，削尖长度主要影响其纵向壁厚分布均匀度，如图（）和（）所示；当产品 预补偿模型的管头（尾）削尖长度小于 （）时，管头（尾）壁厚处于“不合理区”，反之，管头（尾）壁厚处于“补偿区”，随削尖长度增大，管端壁厚分布同样出现“凹型”，相应纵向壁厚分布不均度又逐渐变大，如图（）和（）所示。（）纵向壁厚分布曲线；（）削尖长度与管端切损量关系曲线；（）纵向壁厚分布曲线；（）削尖长度与管端切损量关系曲线。图不同
13、规格预补偿模型的壁厚补偿效果 综上所述，削尖长度和削尖量对管端增厚、切损情况及壁厚补偿效果的影响机制相同，但削尖量的影响效果更为显著，故而后文以削尖量为主要变量描述对管端增厚及切损情况的影响。对于延伸系数较大的钢管产品，在假设原则内预设计的削尖参数，并不能保证补偿效果，可能会导致“不合理区”，为将削尖荒管削尖段壁厚尺寸对管端增厚段的壁厚补偿效果发挥到最佳，提出了连轧张减多工序联合控制的削尖荒管补偿控制策略。削尖荒管补偿控制策略 削尖参数的设计准则削尖荒管补偿控制策略即管端壁厚尺寸补偿方案，研究削尖荒管削尖段最优参数的设计准则，借鉴了大量学者的经验，其所需的数学参量主要有产品规格、管端增厚长度、
14、增壁量等。基于金属成形理论的体积不变原理，即连轧削尖荒管的削尖段体积等于张减后钢管增厚段体积，提出管端增厚与削尖技 术 关 系 参 数 的 设 计 准 则，具 体 推 导 过 程如下。（）通过管端增厚长度及增壁量预测模型预测经张减工序后的钢管头尾端增厚长度 及管端增壁量，通过几何关系计算，管端增厚段截面几何尺寸如图所示。其中，代表内空心圆台体积，代表增厚段外圆柱体积，代表成品管工艺壁厚，代表成品管外径，具体推导公式见式（）式（）。（）（）（）第期汪飞雪，等：荒管端部壁厚增厚补偿控制策略及补偿机制（）（）（）（）（）图管端增厚几何示意 （）据所得反推出，通常通过确定一个削尖量唯一对应一个削尖长度
15、参数值，荒管削尖段的截面几何尺寸如图所示。其中，代表内空心圆柱体积，代表外圆台体积，代表荒管壁厚，代表荒管外径，其削尖量及削尖长度的具体推导公式为（）（）（）（）（）（）（）由式（）式（）整理得，削尖量的理论解析模型为 槡（）削尖长度的理论解析模型为（）（）由于，一般先给定一个削尖量的值，通过式（）计算削尖长度的值。图削尖荒管几何示意 削尖量有效取值范围预测模型由于削尖长度的范围较大不易确定，为进一步方便削尖参数的确定，基于大量模拟壁厚数据通过一系列演算推理并修正，推导得出相应规格削尖量有效取值范围的预测模型，主要与荒管尺寸、延伸系数、相对减壁量有关。为完成张力减径工艺后钢管中间无增厚段的壁厚
16、，其最大、最小值分别为 与 ，为削尖量最小值的修正系数，取值范围为，与 分别代表削尖量的最大值和最小值，削尖量有效取值范围的预测模型为 （）（）（）（）（）（）与 取值关系式为 （）（）（）（）此模型以减少 的管端切损为标准建立，其预测准确性后文与仿真进行对比验证。补偿模型验证 补偿模型建立及补偿效果为验证削尖荒管补偿控制策略的补偿效果，由控制策略削尖参数的设计准则确定及，建立 规格“，”的头尾削尖补偿控制模型，普通模型与该补偿模型的各处出口截面对比、纵向壁厚分布对比如图、图所示，管端切损情况见表。（）普通张减模型；（）头尾削尖补偿控制模型。图成品管不同位置的出口截面形状 可见，补偿模型头尾端截面壁厚明显较薄，头尾削尖补偿控制模型的纵向壁厚分布均匀度提高。补偿模型比正常模型管头切损量减少了 ，管钢铁第 卷图不同模型的壁厚分布 表不同模型切损量对比 项目成品管管长管头切损量管尾切损量正常模型 补偿模型 尾切损量减少了 ，普通模型的总切损率为 ，补偿模型的总切损率为 ，可见补偿模型能有效减少管端切损长度，壁厚补偿效果较为显著即管端增厚缺陷得到有效控制。壁厚补偿效果验证为验证削尖荒管补偿控制
