三輥連軋管機孔型設(shè)計軟件的開發(fā)

盧立鋒，王久剛

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

1986年，意大利因西（INNSE）公司提出了三輥連軋管機的設(shè)想，展示了三輥軋制工藝、軋管機結(jié)構(gòu)在軋制變形條件、變形應(yīng)力、機架、軋輥受力、電氣負荷以及軋管機軋輥剛性等方面的優(yōu)勢，使其在軋制產(chǎn)品規(guī)格范圍、徑壁比（D/S）、壁厚精度、成材率、高合金難變形材料軋制等方面具有二輥軋管機無可匹敵的優(yōu)勢［1-3］。理論上具有金屬軋制變形均勻、穩(wěn)定的優(yōu)點，可有效減少質(zhì)量缺陷［4-6］。

1 典型機組

2003年9月，由INNSE公司研制開發(fā)、天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）/西馬克梅爾工程有限公司（SMS Meer）/INNSE公司共同設(shè)計建成的PQF高效優(yōu)質(zhì)精軋管機組投產(chǎn)，不僅對熱軋無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)生重大影響，也對三輥式連軋輥技術(shù)的發(fā)展起到了積極的、至關(guān)重要的推動作用［4］。三輥連軋管機適用于鋼管壁厚精度更高、表面質(zhì)量更好、金屬收得率更高、軋制工具消耗更低、可軋壁厚更薄、變形難度更大的金屬，具有更高的生產(chǎn)效率和更強的適應(yīng)能力等多方面優(yōu)點。而后意大利達涅利（DANIELI）公司、太原重工股份有限公司（簡稱太原重工）和中冶賽迪集團有限公司（簡稱中冶賽迪）開發(fā)的三輥連軋管機組陸續(xù)投產(chǎn)。國內(nèi)外建成投產(chǎn)、在建和擬建的三輥連軋管機組達20余套，可見其技術(shù)非常成熟，應(yīng)用非常普遍。三輥限動芯棒連軋管機已成為無縫鋼管生產(chǎn)的最佳工藝。典型三輥連軋管機組及其制造商見表1。

表1 典型三輥連軋管機組及其制造商

2 孔型結(jié)構(gòu)

PQF連軋管機每一架均由3個軋輥構(gòu)成孔型，三輥連軋管機孔型結(jié)構(gòu)如圖1所示，軋輥孔型輪廓由槽底弧、脫離弧、連接弧和輥縫構(gòu)成［7］，各段弧相切以保證平滑過渡。各弧段結(jié)構(gòu)參數(shù)為：各段圓弧的半徑、橫截面角、圓心的橫縱坐標，以及孔型高度、寬度、偏心距和輥縫等。PQF機組與FQM高質(zhì)量軋管機組的核心工藝技術(shù)——連軋管機孔型的構(gòu)成和設(shè)計是完全一致的［8-9］，PQF、FQM、TCM（三輥限動芯棒連軋管機）和CCTM（中冶賽迪連軋管機）4種三輥連軋管機組的孔型結(jié)構(gòu)是完全一致的，可以使用同一種方法對孔型進行設(shè)計［10］。

圖1 三輥連軋管機孔型結(jié)構(gòu)示意

3 孔型設(shè)計步驟

連軋管機的工藝目的是將穿孔后的毛管經(jīng)減徑、減壁變形軋制成外徑、壁厚符合要求的荒管。軋輥的輪廓尺寸根據(jù)該孔型系列使用最大直徑芯棒時的名義壁厚進行計算。三輥連軋管機的孔型設(shè)計使用數(shù)學模型進行計算，通過賦予軋槽高度一個初值和合適的步長以及計算誤差，不斷迭代計算尋找到孔型中鋼管橫斷面積為期望值時所對應(yīng)的孔型尺寸，該模型為一幾何學程序。三輥連軋管機孔型設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 三輥連軋管機孔型設(shè)計流程

3.1 計算總延伸系數(shù)并分配各機架的延伸系數(shù)

進行孔型設(shè)計時，首先要根據(jù)毛管尺寸（或空減后毛管尺寸）和連軋后荒管壁厚確定連軋的總延伸系數(shù)，再將總延伸系數(shù)合理分配到各架次上，也就是將連軋總變形量分配到各個架次上。

各架次延伸系數(shù)的分配涉及到金屬流動過程中孔型各部分的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變平衡及體積不變等諸多因素，目前尚不具備精確求解的條件，只能按經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定。按頂部延伸系數(shù)（或孔型頂部減壁量）和平均延伸系數(shù)分配總延伸系數(shù)的目的都是確定孔型高，在孔型高確定以后，根據(jù)各項經(jīng)驗系數(shù)就可以推導出孔型的其他參數(shù)，所以兩種分配延伸系數(shù)的方法并沒有本質(zhì)的區(qū)別，但在實際孔型設(shè)計時往往傾向于按后者進行分配。

3.2 設(shè)定工況條件

在孔型計算前要設(shè)定現(xiàn)場的工況條件，包括毛管外徑、空減尺寸、孔型系列、毛管壁厚、出連軋壁厚、機架數(shù)和芯棒尺寸（若利用已有芯棒規(guī)格進行孔型設(shè)計或改造）等。如果需要，還需根據(jù)連軋管機最大延伸率、孔型系列、出連軋荒管壁厚、毛管與芯棒間隙、芯棒冷態(tài)直徑計算出孔型設(shè)計所需的毛管尺寸。

3.3 經(jīng)驗數(shù)據(jù)賦值

孔型設(shè)計時，在孔型高賦值后，軋輥孔型參數(shù)和孔型內(nèi)金屬輪廓都可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)推導計算得出。經(jīng)驗數(shù)據(jù)包含偏心系數(shù)、脫離比例、脫離角、連接角、寬展系數(shù)和額定輥縫。

經(jīng)驗數(shù)據(jù)由于來源于數(shù)學計算、試驗和生產(chǎn)經(jīng)驗，具有一定的規(guī)律性，所以參考其他成熟孔型參數(shù)，結(jié)合對孔型的理解和分析計算，給定所要設(shè)計的孔型合適的經(jīng)驗參數(shù)，再根據(jù)實際生產(chǎn)情況使修正經(jīng)驗參數(shù)具有可行性。

各架的最小輥縫約等于前一架最小壁厚的2倍，一般第一、第二機架的最小輥縫相等。各機架的額定輥縫應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格要求的輥縫調(diào)整量予以確定［10］。

3.4 計算理論截面積

分配好每架次延伸系數(shù)后，就可以計算出每架需要的理論截面積。

3.5 孔型半徑賦初值并計算實際截面積

連軋管孔型尺寸的計算是順軋向進行的，每一架孔型（最后兩架除外）的尺寸計算都需要前一架孔型尺寸參數(shù)的支持，順次計算每架的孔型截面積。通過賦予軋槽高度一個初值和合適的步長（取0.05 mm）以及計算誤差，不斷迭代使計算得到的孔型截面積逼近理論截面積。當計算得到的孔型截面積和理論截面積的絕對值之差小于設(shè)定誤差時結(jié)束迭代，進入下一架的孔型截面積計算，直到所有機架孔型截面積計算完成。

3.6 優(yōu)化孔型參數(shù)

孔型參數(shù)設(shè)計完成投入生產(chǎn)之后，需要不斷優(yōu)化孔型參數(shù)提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，傳統(tǒng)更改孔型參數(shù)以后直接生產(chǎn)有成本高、見效慢、不直觀的弊端，而結(jié)合有限元輔助孔型設(shè)計，是一個很好的選擇。

有限元輔助孔型設(shè)計可以精確計算軋管機負荷、壓力分布、應(yīng)力-應(yīng)變分布，獲得金屬流動情況，定量描述和模擬整個工藝過程，對軋制過程進行超前規(guī)劃，評估孔型設(shè)計合理性。通過有限元模擬可以預先在計算機上對設(shè)計的孔型進行廣泛試驗，通過對孔型參數(shù)的優(yōu)化提高新孔型的生產(chǎn)穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本和質(zhì)量風險。

4 孔型設(shè)計軟件功能簡介

由于孔型設(shè)計在迭代的過程中計算量非常大，需要借助計算機來完成計算過程。為了更便捷、準確地設(shè)計三輥連軋管機孔型，使用Lazarus開源軟件開發(fā)了三輥連軋管機孔型設(shè)計軟件。

4.1 現(xiàn)場工況條件

不同的三輥連軋管機組有不同的現(xiàn)場客觀條件，一般為5機架或6機架，在進行孔型設(shè)計時可以根據(jù)機組初始條件進行選擇。孔型設(shè)計軟件初始條件頁如圖3所示。

圖3 孔型設(shè)計軟件初始條件頁

連軋管機架前布置空減機架，則連軋來料幾何尺寸為出空減機鋼管幾何尺寸；沒有布置空減機架，則其為毛管幾何尺寸。

（1）有空減機架（空減機架數(shù)選擇為1）。給定毛管外徑、毛管壁厚、空減機輥縫后點擊“連軋來料尺寸”，程序通過迭代求解出空減機出口鋼管壁厚。

（2）沒有空減機架（空減機架數(shù)選擇為0）。利用現(xiàn)有穿孔毛管規(guī)格作為連軋來料尺寸，則直接輸入；如果沒有合適的毛管尺寸則點擊“連軋來料尺寸”按鈕，根據(jù)提示框輸入相應(yīng)參數(shù)計算出毛管外徑和壁厚，孔型設(shè)計軟件毛管尺寸計算提示框如圖4所示。

4.2 芯棒冷直徑

進行孔型設(shè)計時，一般直接輸入出連軋荒管壁厚即可，如果使用已有芯棒進行孔型設(shè)計，可以直接輸入芯棒冷態(tài)直徑。出連軋壁厚和芯棒冷態(tài)直徑都輸入則取前者數(shù)值進行計算。

圖4 孔型設(shè)計軟件毛管尺寸計算提示框

4.3 經(jīng)驗數(shù)據(jù)

孔型設(shè)計軟件經(jīng)驗數(shù)據(jù)頁如圖5所示。鑒于各典型機組孔型系列給定的經(jīng)驗參數(shù)及成熟孔型是建立在大量實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，并且有一定的規(guī)律可循，因而可以在進行孔型設(shè)計時參照這些數(shù)據(jù)采用內(nèi)插或外延的方法確定各參數(shù)。數(shù)據(jù)庫中有成熟的經(jīng)驗參數(shù)，可以直接導出至“機組條件”和“經(jīng)驗數(shù)據(jù)”或進行修改。

圖5 孔型設(shè)計軟件經(jīng)驗數(shù)據(jù)頁

4.4 孔型參數(shù)

孔型的輪廓由槽底弧、脫離弧、連接弧和輥縫構(gòu)成，確定孔型輪廓幾何尺寸形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：各段圓弧的半徑Rc，圓心Oc的橫縱坐標xc和yc、圓心角，以及孔型高度、孔型寬度和輥縫等。這些符號中的下標c代表其歸屬，c=1，2，3，5，分別代表槽底弧、第一脫離弧、輥縫處鋼管外輪廓圓弧和連接弧。theta、gamma2、beta分別為槽底弧、第一脫離弧、輥縫處鋼管外輪廓的橫截面角?？仔蛿?shù)據(jù)還包括各架孔型實際面積、實際延伸系數(shù)等參數(shù)?？仔驮O(shè)計軟件孔型參數(shù)頁如圖6所示。

圖6 孔型設(shè)計軟件孔型參數(shù)頁

4.5 參數(shù)化繪圖

利用參數(shù)化繪圖，可以將圖形尺寸與設(shè)計參數(shù)相聯(lián)系，即將圖形尺寸看作是“設(shè)計參數(shù)”的函數(shù)。當設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，圖形尺寸也隨之發(fā)生變化。采用參數(shù)化繪圖進行孔型設(shè)計方便、快捷、準確，具有實用價值。

孔型設(shè)計軟件孔型輪廓及金屬輪廓頁如圖7所示。選擇架次，點擊繪圖完成該架孔型輪廓參數(shù)化繪圖，點擊“金屬輪廓”可以繪制孔型內(nèi)鋼管內(nèi)外輪廓，顯示金屬與芯棒、軋輥脫離點和脫離角，幫助分析生產(chǎn)事故，指導生產(chǎn)。點擊“打印”可以完成孔型圖的打印。

圖7 孔型設(shè)計軟件孔型輪廓及金屬輪廓頁

4.6 數(shù)據(jù)庫操作

孔型設(shè)計是一個不斷修改、優(yōu)化和完善的過程。采用數(shù)據(jù)庫存儲和管理產(chǎn)生的孔型參數(shù)、生產(chǎn)狀況和質(zhì)量反饋等各種數(shù)據(jù)，可以使數(shù)據(jù)更加安全、有條理、直觀，并節(jié)省資料的存儲空間。

Lazarus控制讀寫小型本地數(shù)據(jù)庫ACCESS，有利于開發(fā)小型系統(tǒng)?？仔驮O(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫操作頁如圖8所示，該軟件可以完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的瀏覽、查詢、插入、添加、刪除、編輯、投寄、刷新等操作，也可以通過數(shù)據(jù)庫導航器對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進行瀏覽和編輯。備注欄顯示當前指針所在的孔型記錄相關(guān)的孔型設(shè)計、軋機負荷、工具磨損和成品質(zhì)量等備注信息。數(shù)據(jù)庫記錄還可以導出至“初始條件”和“經(jīng)驗數(shù)據(jù)”頁，以便參考和修改。

圖8 孔型設(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫操作頁

5 軟件計算結(jié)果驗證

為驗證該軟件孔型設(shè)計的可靠性，采用與INNSE公司設(shè)計的某廠369 mm孔型數(shù)據(jù)同樣的初始條件和經(jīng)驗參數(shù)［11-12］，利用孔型設(shè)計軟件計算孔型參數(shù)，并與外方數(shù)據(jù)［13-14］進行比較。軟件運行結(jié)果及INNSE公司給定結(jié)果比較見表2。

表2 軟件運行結(jié)果及INNSE公司給定結(jié)果比較mm

由表2可以看出，該軟件計算的孔型關(guān)鍵參數(shù)和INNSE公司給定的參數(shù)非常相近，槽底弧半徑最大差值百分比不超過0.06%，由于外方孔型已在生產(chǎn)中長期使用并證明可行，因此說明軟件的孔型設(shè)計算法是可靠合理的，可以作為新孔型快速開發(fā)及生產(chǎn)指導的依據(jù)。

6 結(jié) 語

不同的典型三輥連軋管機組具有相同的孔型機構(gòu)，可以使用同一種方法進行孔型設(shè)計。

利用開發(fā)的孔型設(shè)計軟件進行新孔型設(shè)計時，其使用方便快捷、通用性強、精度高，可針對不同的三輥連軋管機組選擇現(xiàn)場工況條件進行計算，還可以將孔型設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)和質(zhì)量情況存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，作為新孔型設(shè)計的參考和依據(jù)。此外，利用該軟件還可以快速校核孔型參數(shù)并進行孔型輪廓和金屬輪廓參數(shù)化繪圖；根據(jù)金屬與芯棒和軋輥脫離點的坐標，幫助分析生產(chǎn)事故，指導生產(chǎn)。