CARTA系統(tǒng)在張力減徑機(jī)上的應(yīng)用與實(shí)踐

萬(wàn)碧波 劉濤 李進(jìn)喜 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

CARTA系統(tǒng)在張力減徑機(jī)上的應(yīng)用與實(shí)踐

萬(wàn)碧波 劉濤 李進(jìn)喜 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

介紹了張力減徑機(jī)生產(chǎn)中切頭尾控制功能的實(shí)現(xiàn)。將CARTA系統(tǒng)應(yīng)用于張力減徑機(jī)上，使用其中的切頭尾控制功能，在特定時(shí)間內(nèi)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了管端的增厚區(qū)，達(dá)到減少切頭尾長(zhǎng)度的效果，提高了金屬收得率，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有較大的應(yīng)用空間。

張力減徑機(jī) 計(jì)算機(jī)輔助軋制工藝應(yīng)用程序 切頭 切尾 壁厚 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速 控制

1 引言

在鋼管軋制生產(chǎn)中，由于軋制原因，管端頭部和尾部存在部分增厚區(qū)，使其壁厚和外徑超出公差范圍，必須切除，因而切頭尾的長(zhǎng)度至關(guān)重要，其大小決定了金屬收得率的高低。張力減徑機(jī)通常作為熱軋生產(chǎn)線的最后一道變形工序，對(duì)切頭尾長(zhǎng)度的控制起著重要作用。張力減徑機(jī)通過(guò)CARTA控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)軋制過(guò)程進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程模擬，可以利用該系統(tǒng)中的切頭尾控制功能（crop end control，CEC)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頭尾切割長(zhǎng)度的控制和優(yōu)化。本文將對(duì)如何在張力減徑的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)切頭尾控制進(jìn)行探討。

2 CARTA系統(tǒng)在張力減徑機(jī)生產(chǎn)中的作用

2.1 CARTA系統(tǒng)的定義和作用

CARTA系統(tǒng)全稱(chēng)為Computer Aided Rolling Technology Application，可譯為計(jì)算機(jī)輔助軋制工藝應(yīng)用程序，它是一種數(shù)學(xué)模型計(jì)算工具、質(zhì)量控制系統(tǒng)的綜合。目前，CARTA系統(tǒng)主要運(yùn)用在張減機(jī)（SRM)和穿孔機(jī)（CTP)上，在國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的運(yùn)用比較多，有些機(jī)組實(shí)現(xiàn)了全面的運(yùn)用。CARTA系統(tǒng)的作用為：一是能夠進(jìn)行軋制參數(shù)的計(jì)算，即進(jìn)行孔型設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)為當(dāng)前生產(chǎn)的規(guī)格自動(dòng)計(jì)算出產(chǎn)品的加工參數(shù)和設(shè)備的參數(shù)，從而保證軋制的正常進(jìn)行和生產(chǎn)產(chǎn)品的精度;二是能夠?qū)崟r(shí)地控制過(guò)程處理系統(tǒng)，保證鋼管質(zhì)量的完好，具體包括CEC（切頭尾控制)等功能，對(duì)于提高鋼管的質(zhì)量及整體的生產(chǎn)成材率具有很大意義。

2.2 CARTA系統(tǒng)中切頭尾控制（CEC)功能的應(yīng)用

張力減徑機(jī)在生產(chǎn)中存在較大的縱向壁厚偏差，一般管端壁厚大于管體壁厚，導(dǎo)致切頭尾增加。管端壁厚較大的原因是在軋制鋼管未穩(wěn)定過(guò)程（管子頭部逐漸充滿(mǎn)整個(gè)機(jī)架階段和管子尾部逐漸離開(kāi)各機(jī)架階段)中，鋼管上所承受的張力與穩(wěn)定軋制狀態(tài)下有很大不同[1]。當(dāng)鋼管前端脫離第一機(jī)架但還沒(méi)有進(jìn)入第二機(jī)架時(shí)，這一段鋼管不受到張力的作用，與此部分鋼管以后受到的張力相比，壁厚自然就要增厚，這就產(chǎn)生了鋼管的前端增厚。鋼管尾端脫離第一機(jī)架后，會(huì)由于同樣原因產(chǎn)生尾端增厚。對(duì)張力減徑機(jī)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇性的調(diào)整，以使鋼管端部的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)盡可能接近穩(wěn)態(tài)變形條件，這就是切頭尾損失控制的含義[2]。對(duì)于目前流行的張力減徑機(jī)配置而言，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為2組或3組，每組由主電動(dòng)機(jī)和疊加電動(dòng)機(jī)組合而成，在鋼管進(jìn)入和離開(kāi)張減機(jī)時(shí)改變主電動(dòng)機(jī)和疊加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以改變張力的大小，這樣就能達(dá)到減少管端增厚區(qū)的效果，從而降低切頭尾的長(zhǎng)度。

一般來(lái)說(shuō)，如果從荒管到成品管的減徑率大于30%，而且平均軸向張力系數(shù)大于30%，這種情況下可以使用CARTA系統(tǒng)的CEC功能。這種估算是建立在一種假設(shè)上的，即荒管的端部相比荒管管身沒(méi)有變厚。但如果這種額外的大量荒管端部增厚存在，CEC功能的使用也將會(huì)對(duì)大口徑鋼管產(chǎn)生較好的作用。

CEC功能在程序設(shè)計(jì)上要求和至少一對(duì)電動(dòng)機(jī)（主電動(dòng)機(jī)和疊加電動(dòng)機(jī))一起工作，既然我們推薦最小的外徑減徑率是50%，那么3對(duì)電動(dòng)機(jī)中至少2對(duì)要被使用于CEC操作。

CARTA系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)（荒管的外徑、壁厚和成品管外徑、壁厚)、張減機(jī)人機(jī)界面控制（HMI)、電氣PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)張減機(jī)區(qū)域的自動(dòng)運(yùn)行、調(diào)節(jié)閉環(huán)控制，其關(guān)系如圖1所示。

如圖1所示，工藝參數(shù)被輸入至CARTA系統(tǒng)中，CARTA系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，計(jì)算出相關(guān)工藝參數(shù)（主、疊電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、入口速度)，將相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)定的CEC參數(shù)綜合處理后，傳遞到張減機(jī)的HMI系統(tǒng)中，生產(chǎn)開(kāi)始后，HMI與測(cè)量系統(tǒng)（QAS)互相傳遞信號(hào)，QAS將測(cè)量到的成品管外徑、壁厚傳遞到CARTA系統(tǒng)中，CEC控制包再根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到減少頭尾增厚的目的。

圖1 整個(gè)張減機(jī)區(qū)域的關(guān)系圖

3 切頭尾控制功能（CEC)的實(shí)際使用

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高金屬收得率，在設(shè)備條件滿(mǎn)足的情況下，大多數(shù)機(jī)組都會(huì)選擇較長(zhǎng)的管坯來(lái)進(jìn)行軋制，盡可能得到較長(zhǎng)的成品管。盡管如此，切頭尾長(zhǎng)度仍比較高，一般在3%～7%，尤其在生產(chǎn)小口徑薄壁管時(shí)，切頭尾長(zhǎng)度有時(shí)會(huì)高達(dá)6 m左右。而在使用CARTA系統(tǒng)的CEC功能后，有效地降低了切頭尾長(zhǎng)度，提高了金屬收得率。

以某機(jī)組生產(chǎn)的規(guī)格為?51 mm×6 mm、鋼種為12Cr1MoVG的鋼管為例，圖2為開(kāi)啟CEC時(shí)第一組電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線。

圖2 開(kāi)啟CEC時(shí)第一組主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

從電動(dòng)機(jī)變化圖看來(lái)，第一主電動(dòng)機(jī)在荒管頭部進(jìn)入機(jī)架時(shí)，產(chǎn)生了73 r/min的增幅，在荒管離開(kāi)第一組機(jī)架時(shí)產(chǎn)生了約30 r/min的降幅;第一疊加電動(dòng)機(jī)在荒管進(jìn)入和離開(kāi)第一組機(jī)架時(shí)也產(chǎn)生了一定幅度的減少。主電動(dòng)機(jī)和疊加電動(dòng)機(jī)的短時(shí)間變化（持續(xù)時(shí)間約2 s)使轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而張力瞬間變化，拉薄了原本因張力弱化而產(chǎn)生的增厚區(qū)，起到了減少壁厚的作用。圖3是使用CEC和未使用CEC時(shí)的管端壁厚分布對(duì)比。

圖3 使用CEC和未使用CEC時(shí)的管端壁厚分布對(duì)比圖

該規(guī)格壁厚按照-10%～10%控制，公差為5.4 mm～6.6 mm。從圖3可以看出，未使用CEC時(shí)，距管端3 000 mm才進(jìn)入公差帶，即需要切割3 000 mm管端區(qū)域;使用CEC時(shí)，該切頭尾長(zhǎng)度變?yōu)? 700 mm，兩端一起減少約600 mm，減少切頭尾約0.6%，有效地提高了金屬收得率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)CARTA系統(tǒng)在張力減徑機(jī)上的應(yīng)用可知，使用其中的切頭尾控制功能（CEC)能夠減少管端切割區(qū)域，提高金屬收得率。而且，該功能結(jié)合PQF連軋機(jī)組的頭尾消尖功能，能夠在大口徑鋼管上得到更加廣泛地運(yùn)用。同時(shí)，應(yīng)注意到該功能還需要測(cè)量系統(tǒng)（QAS)的緊密配合，要時(shí)刻保證QAS的準(zhǔn)確性?？傊?，CEC的控制參數(shù)需要實(shí)踐生產(chǎn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，降低切頭尾是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的課題，需要工藝生產(chǎn)人員進(jìn)行長(zhǎng)久深入的研究工作。

[1]李連詩(shī).鋼管塑性變形原理[M].北京：冶金出版社，1989：261-262.

[2]金如崧.張力減徑技術(shù)的早期和近期發(fā)展 [J].鋼管，2003，32（5)：55-56.

Application and Practice of CARTA System for Stretch Reducing Mill

Wan Bibo,Liu Tao,Li Jinxi

The paper explains the realization of crop end control functions at stretch reducing mill in production.After being adopted at stretch reducing mill,CARTA system,with its crop end function changing motor revolution in given time,which shrank the thick area at pipe ends and resulted in crop end length reduction and metal yield increase,was proved to be able to be applied widely in production practice.

stretch reducing mill,computer aided rolling process application,crop end,pipe thickness,motor,rotation speed,control

（收稿 2011-03-22 責(zé)編 潘娜)

萬(wàn)碧波，材料成型與控制工程專(zhuān)業(yè)，工程師，主要從事鋼管軋制生產(chǎn)工藝技術(shù)方面的研究工作。