三輥連軋管機(jī)軋制力曲線調(diào)整方法和事故曲線分析

考 然，高和平，林 震，溫 博，段國(guó)清

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

軋制力是進(jìn)行軋管機(jī)工具設(shè)計(jì)、設(shè)備和電氣選型的主要依據(jù)之一，同時(shí)也是制定工藝制度、調(diào)整軋管機(jī)以及充分合理利用設(shè)備的重要參數(shù)［1-3］。軋制力隨著軋件的咬入，從0迅速增大，穩(wěn)定軋制時(shí)基本恒定，到軋件離開(kāi)軋輥時(shí)，軋制力迅速降低。

三輥連軋管機(jī)較二輥連軋管機(jī)單輥軋制力小，平均軋制壓力低，這就使得軋輥、芯棒磨損減少，工具消耗降低；同時(shí)，較低的平均單位軋制壓力使得軋管機(jī)能在較低的溫度下軋制，進(jìn)一步使得控制軋制等工藝成為可能。軋制力曲線可通過(guò)安裝在每個(gè)軋輥伺服缸內(nèi)的壓力變送器測(cè)得，再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換形成軋制力曲線［4］。這里以6機(jī)架三輥連軋管機(jī)為例，介紹在更換1套新的連軋輥后，通過(guò)分析軋制力曲線對(duì)軋管機(jī)孔型和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，最終軋制出幾何尺寸合格的鋼管；另外介紹兩種典型的工藝事故下的軋制力曲線，通過(guò)這些曲線的特征判斷出事故原因。

1 換輥后軋制力曲線的調(diào)整方法

1.1 軋制第1支鋼管

更換1套新的連軋輥后，軋制第1支鋼管時(shí)可能發(fā)生的情況是第1架軋管機(jī)咬入毛管困難；各架軋管機(jī)的堆鋼或拉鋼情況不確定，易發(fā)生堆鋼或軋斷事故。軋制薄壁鋼管，連軋出口壁厚小于5 mm（或是鋼管外徑和壁厚的比值大于30），這種情況下毛管容易咬入，但是各機(jī)架軋管機(jī)軋制力較高，易發(fā)生軋斷、堆鋼等事故；軋制中厚壁鋼管，連軋出口壁厚大于10 mm（或是鋼管外徑和壁厚的比值小于20），這種情況下毛管咬入困難，各架軋管機(jī)軋制力較小。為了保證換輥后順利地軋制第1支鋼管，裝輥前可以用角磨機(jī)將第1機(jī)架軋輥表面打磨粗糙；并且空軋1支毛管，燒掉軋輥表面的多余的甘油，提高軋輥表面溫度，增加軋輥表面的摩擦因數(shù)，另外可以適當(dāng)將軋輥孔型擴(kuò)大一些。如果換輥后軋制的是薄壁鋼管，第1架軋管機(jī)孔型直徑增大0.3～0.5 mm，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低5～10 r/min；第2架到第4架軋管機(jī)孔型直徑增大0.2～0.3 mm；第5架和第6架軋管機(jī)孔型直徑增大0.5～1.0 mm。最后兩機(jī)架孔型直徑增大得較多是因?yàn)檫@兩架軋管機(jī)伺服缸設(shè)計(jì)得小，軋制力報(bào)警值設(shè)置得低，容易發(fā)生軋制力報(bào)警導(dǎo)致的停車(chē)，依照這個(gè)范圍調(diào)整后開(kāi)軋的第1支鋼管軋制力曲線一般情形如圖1所示。

圖1 換輥后第1支鋼管軋制力曲線

換輥后的第1支鋼管軋制力曲線特征類(lèi)似于圖1，各架軋管機(jī)軋制力曲線低于給定值，各機(jī)架軋制力曲線呈現(xiàn)較明顯的拉鋼狀態(tài)，這就是三輥軋管機(jī)優(yōu)于二輥軋管機(jī)的方面，當(dāng)孔型沒(méi)有完全充滿，即便拉鋼很?chē)?yán)重也不會(huì)輕易地將鋼管拉斷，因?yàn)槿佭B軋管機(jī)軋輥槽底與側(cè)壁的速度差值小于二輥軋管機(jī)。如果換輥后開(kāi)軋時(shí)對(duì)應(yīng)的是中厚壁鋼管，為了軋管機(jī)順利地將毛管咬入，調(diào)整的主要區(qū)別是將第1架軋管機(jī)的孔型直徑增大1～2 mm，對(duì)應(yīng)地將第1架軋管機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低20～30 r/min，其他軋管機(jī)孔型調(diào)整值不變，這樣軋制的第1支鋼管軋制力曲線形態(tài)也和薄壁鋼管的相似。

1.2 孔型調(diào)整優(yōu)先原則

當(dāng)?shù)?支鋼管順利通過(guò)后，根據(jù)軋制力曲線的數(shù)值與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的軋制力值進(jìn)行對(duì)比分析，并且結(jié)合鋼管的實(shí)際長(zhǎng)度與要求長(zhǎng)度的差值調(diào)整各架軋管機(jī)孔型直徑和軋管機(jī)轉(zhuǎn)速，但是采取的是優(yōu)先調(diào)整孔型直徑原則，即軋管機(jī)軋制力低于計(jì)算軋制力，鋼管長(zhǎng)度達(dá)不到要求時(shí)；優(yōu)先選擇減小軋管機(jī)孔型直徑，直到軋制力曲線反應(yīng)的數(shù)值接近于計(jì)算值，鋼管長(zhǎng)度滿足要求；再通過(guò)調(diào)整軋管機(jī)轉(zhuǎn)速將軋制力曲線調(diào)平，這種調(diào)整思路稱(chēng)為“孔型調(diào)整優(yōu)先原則”。究其原因，孔型設(shè)計(jì)時(shí)是不需要修正孔型直徑和軋輥轉(zhuǎn)速就能軋制出幾何尺寸符合要求的鋼管，孔型直徑的修正值是為了彌補(bǔ)軋管機(jī)在帶載荷時(shí)軋輥產(chǎn)生的彎曲力矩和軋件變形中的彈性變形部分，而調(diào)整轉(zhuǎn)速是為了彌補(bǔ)由于重新調(diào)整孔型直徑后產(chǎn)生的金屬秒流量不匹配的問(wèn)題。

現(xiàn)在以某廠6機(jī)架三輥連軋管機(jī)軋制的規(guī)格Φ89 mm×4 mm，材質(zhì)20鋼，連軋出口壁厚3.8 mm，芯棒直徑127.2 mm，軋制的第1支鋼管的軋制力和數(shù)學(xué)模型計(jì)算的軋制力為例，分析調(diào)整軋管機(jī)孔型直徑和轉(zhuǎn)速方式，直至軋制力曲線分配合理，鋼管長(zhǎng)度達(dá)到要求的調(diào)整過(guò)程。第1支鋼管實(shí)際軋制力和計(jì)算軋制力見(jiàn)表1。

表1 第1支鋼管實(shí)際軋制力和計(jì)算軋制力

通過(guò)表1分析得出實(shí)際軋制力低于計(jì)算軋制力值，各機(jī)架實(shí)際軋制力與計(jì)算軋制力的差值不一致。軋制該規(guī)格時(shí)出脫管機(jī)的荒管長(zhǎng)度短于要求值1.2 m，反推出脫管機(jī)軋制的鋼管壁厚4.1 mm（對(duì)于同一系列，出脫管機(jī)的荒管外徑是一個(gè)定值，對(duì)于這里提到的外徑是127 mm），所以連軋對(duì)應(yīng)的壁厚為3.95 mm，數(shù)學(xué)模型設(shè)定的連軋管機(jī)出口壁厚是3.8 mm，最后一個(gè)機(jī)架軋輥孔型直徑需要減小0.3 mm，孔型直徑減小值是壁厚減小值的2倍。綜合軋制力差值和連軋出口鋼管長(zhǎng)度對(duì)于6機(jī)架軋管機(jī)孔型做出如下調(diào)整（以下各機(jī)架孔型的調(diào)整值是在修正值為0的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整）。

（1）第1架和第2架軋管機(jī)：第1架軋管機(jī)孔型直徑減小0.8 mm，第2架軋管機(jī)孔型減小0.6 mm，同時(shí)第1機(jī)架轉(zhuǎn)速降低5～10 r/min。因?yàn)榈?架軋管機(jī)孔型直徑需要減小0.3 mm，一般前兩個(gè)機(jī)架軋管機(jī)孔型直徑減小值是最后機(jī)架的2倍，第1架軋管機(jī)實(shí)際軋制力較計(jì)算軋制力低得多，所以第1機(jī)架孔型調(diào)整得多些。

（2）第3架和第4架軋管機(jī)：第3架軋管機(jī)孔型直徑減小0.45 mm，第4機(jī)架減小0.5 mm。第3機(jī)架和第4機(jī)架孔型直徑減小值是第6機(jī)架的1.5倍。第4架軋管機(jī)實(shí)際軋制力較計(jì)算軋制力低得多，所以孔型調(diào)整得多些。

（3）第5架和第6架軋管機(jī)：第5架軋管機(jī)孔型直徑減小0.4 mm，第6架軋管機(jī)孔型直徑減小0.3 mm。

依照此方法修正各架軋管機(jī)孔型直徑并且配合一定的轉(zhuǎn)速調(diào)整，一般調(diào)整2～3支鋼管，成品管長(zhǎng)度就可達(dá)到設(shè)定要求，壁厚均勻性達(dá)到最佳，軋制力曲線也逐步平直，達(dá)到要求的軋制力曲線形態(tài)（圖2），軋制分配合理后的實(shí)際軋制力和數(shù)學(xué)模型計(jì)算軋制力見(jiàn)表2。

圖2 合理分配后的軋制力曲線

表2 合理分配后的實(shí)際軋制力和計(jì)算軋制力

1.3 小 結(jié)

（1）新?lián)Q1套軋輥后調(diào)整孔型依照“三步調(diào)整法”：第一步，第1支鋼管保證順利過(guò)鋼；第二步，對(duì)比分析第1支鋼管的實(shí)際軋制力和計(jì)算軋制力，并且依據(jù)鋼管軋制長(zhǎng)度，制定調(diào)整方案，逐步調(diào)平軋制力曲線，鋼管長(zhǎng)度接近要求，改善鋼管壁厚均勻性；第三步，根據(jù)曲線堆、拉鋼情況微調(diào)轉(zhuǎn)速，微調(diào)孔型直徑，保證實(shí)際軋制力接近數(shù)學(xué)模型計(jì)算的軋制力（整體略高于計(jì)算值，或略低于計(jì)算值）；保證鋼管長(zhǎng)度達(dá)到要求。實(shí)際軋制力和計(jì)算軋制力的偏差是由于毛管幾何尺寸和溫度參數(shù)與數(shù)學(xué)模型設(shè)定的參數(shù)存在偏差所致。

（2）軋制力曲線調(diào)整時(shí)遵循的原則為孔型調(diào)整優(yōu)先，轉(zhuǎn)速調(diào)整為輔。

（3）三輥連軋管機(jī)區(qū)別于二輥連軋管機(jī)，三輥連軋管機(jī)調(diào)整軋制力曲線微拉鋼不會(huì)造成拉凹或拉斷，二輥連軋管機(jī)由于軋輥槽底與側(cè)壁速度差值大導(dǎo)致二輥連軋管機(jī)拉鋼曲線容易造成鋼管拉斷［5-16］。

2 事故曲線分析

2.1 連軋管機(jī)芯棒與荒管脫不開(kāi)

連軋管機(jī)軋制完成后，脫管機(jī)不能將芯棒和荒管（經(jīng)過(guò)連軋管機(jī)軋過(guò)的鋼管稱(chēng)為荒管）分開(kāi)，導(dǎo)致芯棒回退時(shí)將荒管帶回，這種工藝事故稱(chēng)為“不脫棒”，“不脫棒”事故都發(fā)生在機(jī)組軋制極薄壁鋼管時(shí)，軋制中厚壁鋼管一般不會(huì)發(fā)生該工藝事故。連軋管機(jī)的最后一機(jī)架軋管機(jī)拋鋼后，荒管前進(jìn)的動(dòng)力完全依靠脫管機(jī)提供，同時(shí)芯棒開(kāi)始返回到起始位置，荒管和芯棒的運(yùn)動(dòng)方向恰好相反，這樣就能夠使荒管和芯棒脫離開(kāi)，但是當(dāng)脫管機(jī)給荒管的拉力不足以使芯棒和荒管脫開(kāi)就會(huì)發(fā)生“不脫棒”的情況。

產(chǎn)生“不脫棒”事故的原因概括為以下幾方面：

（1）出連軋管機(jī)的荒管壁厚過(guò)薄，鋼管溫降大，金屬收縮量大，導(dǎo)致荒管內(nèi)表面與芯棒沒(méi)有間隙，造成脫棒困難。

（2）脫管機(jī)減徑率偏小，導(dǎo)致脫管機(jī)的曳入力不夠。

（3）限動(dòng)齒條位置和速度控制與軋管機(jī)配合不合理。最后一個(gè)機(jī)架軋管機(jī)沒(méi)有拋鋼時(shí)，限動(dòng)齒條速度由限動(dòng)速度降低到0，經(jīng)過(guò)一個(gè)0.5 s左右的延時(shí)或是沒(méi)有延時(shí)限動(dòng)齒條開(kāi)始返回，這樣就易發(fā)生芯棒將荒管帶回的事故。

（4）軋輥冷卻水噴嘴設(shè)計(jì)不合理，水嘴傘面小，水量集中噴射到荒管的某一條生產(chǎn)線上。

（5）芯棒表面的石墨潤(rùn)滑不理想，石墨潤(rùn)滑層不均勻，芯棒潤(rùn)滑前溫度過(guò)高，石墨在芯棒表面起氣泡；潤(rùn)滑前溫度過(guò)低，石墨不能及時(shí)干燥而刮掉，起不到降低芯棒和鋼管內(nèi)表面摩擦力的作用。

不脫棒事故的解決措施如下：

（1）盡量提高荒管的開(kāi)軋溫度，即提高連軋開(kāi)軋前的毛管溫度；在保證軋輥冷卻效果的前提下控制軋輥冷卻水；提高連軋管機(jī)的軋制速度，縮短軋制時(shí)間，減小溫降。

（2）增加脫管機(jī)的減徑量，提高脫管機(jī)的曳入力。

（3）改造芯棒，根據(jù)最后一機(jī)架軋管機(jī)拋鋼后芯棒與荒管接觸的長(zhǎng)度，將該段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成錐形，這種方法對(duì)于軋制極薄壁鋼管產(chǎn)生的“不脫棒”問(wèn)題特別有效。

（4）限動(dòng)齒條的工藝行程滿足要求，保證最后一機(jī)架軋管機(jī)拋鋼后限動(dòng)齒條再?gòu)南迍?dòng)速度開(kāi)始減速到停止。

（5）保證芯棒表面的潤(rùn)滑效果。

2.2 軋輥斷裂事故曲線

軋鋼過(guò)程中如果某架軋管機(jī)的軋輥出現(xiàn)斷裂或碎輥，則軋鋼不能順利進(jìn)行，發(fā)生的情況也是多樣的，有可能直接堆鋼，也有可能軋制力曲線波動(dòng)比較大勉強(qiáng)能完成軋制。

對(duì)于斷輥的軋制力曲線，軋制過(guò)程中某架軋管機(jī)軋制力曲線突然出現(xiàn)異常波動(dòng)，后方軋管機(jī)曲線也隨之出現(xiàn)類(lèi)似不同程度的波動(dòng)，這種波動(dòng)沒(méi)有規(guī)律，斷輥機(jī)架軋制力在某一位置突然下降，該架后面的機(jī)架軋制力會(huì)出現(xiàn)驟然上升趨勢(shì)。軋制力曲線出現(xiàn)這些特征是由于事故機(jī)架的孔型不完整，通過(guò)該機(jī)架的金屬體積和形狀不受該機(jī)架孔型控制，以不規(guī)則形狀進(jìn)入到后方機(jī)架的孔型內(nèi)，造成后方機(jī)架的軋制力出現(xiàn)波動(dòng)及升高現(xiàn)象。

2.3 “軋輥打滑”導(dǎo)致的鋼管軋斷

連軋管機(jī)軋斷鋼管產(chǎn)生的主要原因有調(diào)整參數(shù)錯(cuò)誤造成金屬秒流量明顯不匹配；機(jī)械設(shè)備故障造成軋制中斷；軋輥斷裂；軋輥表面由于黏氧化鐵皮造成摩擦因數(shù)降低（軋輥打滑），導(dǎo)致金屬的秒流量平衡被破壞，金屬不能正常通過(guò)該架軋管機(jī)造成鋼管拉斷。

某機(jī)架軋輥表面黏氧化鐵皮，輥面摩擦因數(shù)降低，導(dǎo)致金屬不能順利通過(guò)該孔型，金屬秒流量平衡被破壞，打滑的機(jī)架出現(xiàn)嚴(yán)重的堆鋼情況，后方的機(jī)架出現(xiàn)不同程度的拉鋼情況，拉鋼曲線反映出機(jī)架間存在張力，當(dāng)這種張力達(dá)到一定程度鋼管被拉斷。另外某架軋管機(jī)受力過(guò)大，該機(jī)架軋輥輥面磨損的較其他軋管機(jī)嚴(yán)重也會(huì)發(fā)生“軋輥打滑”事故。