轧管机的原理！

连续轧管过程的变形理论。

浮动芯棒连轧管的运动特性

咬合阶段

隐藏连续轧制阶段

扔钢阶段

设定轧制速度

限芯棒连轧管的运动特性

浮动芯棒连轧管的变形特性

通行证系统

孔侧壁

延伸系数

墙体缩减

限芯棒连轧管孔型和变形参数的选择

轧制力和轧制扭矩的确定

轧制力

轧制力矩

竹节现象

连轧管机运动学、变形、轧制力和制动力矩的基本理论及“竹节”的形成。

浮动芯棒连轧管的运动特性浮动芯棒连轧管时插入芯棒的穿孔毛管一般经过8机架连轧后加工成空心管。整个轧管过程包括咬入、稳态连轧和甩钢三个轧制阶段，其运动学特征是轧管过程中时间-位移关系的特征(见图1)。

图1连续轧管过程时间-位移关系特征图

虚线abcd-心轴头速度变化；虚线ABCD-心轴末端的速度变化

实线Aa'b'c'd'-毛细管头速度变化；实线A'B'C'D'-毛细管尾部速度变化

咬入阶段从第1轧机开始，到最后一台。咬入过程是一个不稳定的轧制过程。当管头Va'b '在进入每一帧时发生变形，移动速度随着伸长系数的增大而增大(即发生步进加速度变化)。管头速度的步进增量为△V(n-1)→n =(μn-1)V n-1。其中μn是第n帧的扩展系数；V n-1是第一个n-1机架的轧制出口速度。管道末端的Va'b '由1帧的咬入速度决定，可以假设保持不变。

由于自由浮动长芯棒是刚性工具，芯棒的头部Vab和尾部VAB的移动速度是相同的，它也随管道速度的阶跃变化而变化。然而，芯棒速度的步进增量总是小于管头速度的增量。如果第8架管头出口速度为V8(1→8)，则芯棒速度为1 ~ 8架速度的平均值。如果芯棒速度从Vd[1→(n-1)]加速到Vd[1→n]，芯棒速度步进增量为△vdn = { Vd[1-n]-Vd[1→(n-)。0。管头速度的阶跃变化引起芯棒速度的阶跃变化，交替的芯棒速度反过来引起各轧机上实际出管速度的变化，这取决于芯棒速度的阶跃增量和摩擦条件。管道实际出口速度的变化可以用下面的公式表示:

△V ' n(1→n)= F2△Vdn/(f 1+F2)

其中△V'n(1→n)为管材在1 ~ n连轧时，由于芯棒速度的阶跃变化，在第n台轧机上管材实际出口速度的增量变化；F1为滚筒与管道外表面之间的摩擦系数；F2是心轴和管道内壁之间的摩擦系数。

有一次咬入(在管材头部与轧辊接触的瞬间，管材被旋转轧辊与金属之间的摩擦力拖入变形区，开始减径)和二次咬入(在管材内表面与芯棒接触的瞬间，芯棒的轴向阻力被旋转轧辊与金属之间的摩擦力克服，管材被拖入减壁区)。对于连轧管机的1机架来说，由于辊道一般用于给钢，所以可以认为是实现了无外推力的第一咬和第二咬。但是第二帧和后续帧的咬合有前一帧给的反推力，第一和第二咬合情况可以改善。

连轧管机1机架的第一次咬入条件如下:

tanα≤f

连轧管机1机架的二次咬入条件如下:

tanα2≤(2f-tanα)/1+2ftanα

其中α是第一咬合角；α2为第二咬合角；f是摩擦系数。

在稳态连轧阶段，管头进入第N台轧机后，管子同时在第L ~ N台轧机之间，直到毛细管尾部被第1台轧机甩出，管子开始连轧。在稳态连续轧管过程中，管头速度Vb'c '，管尾速度VB'C '，芯棒头速度Vbc和芯棒尾速度VBC都保持恒定运动。每台轧机的出管速度都在不断提高。管头速度远高于管尾速度，即VB' c' >: VB'C '，Vb'c'=μ εVB'C '(其中με为1 ~ n帧的总伸长量)。芯棒为恒定平均速度，芯棒首尾速度一致，低于第n根管的出口速度，即Vbc=VBC=恒定，而VB ' c ' >:Vbc & gt；VB 'C语言.

在稳定连轧阶段，有三种不同轧制状态的机架:滞后机架、同步机架和领先机架。在N机架连轧管的工作制度中，芯棒与管内表面的整个接触长度上存在一个速度同步面(或芯棒中性面K)，即其中一个机架变形区某K段的金属流速等于芯棒速度。这种中间齿条称为同步齿条(或K齿条)。同步机架前面的机架称为滞后机架，即这些机架中金属的速度滞后于芯棒的速度；同步帧后面的每一帧称为前导帧，即这些帧中金属的速度领先于芯棒的速度。咬钢时，同步帧从1帧逐渐变为K帧；抛钢时，同步帧从第k帧变为第n帧。

甩钢阶段从1轧机的毛管末端开始，到最后一台轧机甩出的废钢管末端结束。

在甩钢过程中，管头速度Vc'd '、管尾速度VC'D '、芯棒头速度VCD和芯棒尾速度Vcd都同时具有阶跃加速度的特征。芯棒速度的阶跃变化大于管材出口速度的阶跃变化，即VCD >；VC'D .当管尾从1轧机甩出时，对芯棒的一个阻力消失，使芯棒加速。芯棒速度的步进增量△Vd=V d(2→8) -V d(1→8)。铸钢时，管尾出口速度的阶跃增量大于咬入时管头出口速度的阶跃增量。

长芯棒浮动连轧管在一个轧制周期中，会有(2n-1)次运动状态的变化，会引起管出口速度的2n次变化和芯棒速度的(2n-1)次变化。这种复杂的运动速度交替关系，必然会通过各种力的传递，直接影响轧制变形区金属的应力应变状态和塑性流动规律。

在稳态连轧管过程中，根据变形区内任意截面上金属通过各机架的秒流量相等的原理，可以计算并预置任意机架的轧制速度Vi和轧制速度ni。

f 1v 1 = F2 v2 =…FiVi = const

并且Vi=πDKini/60。

那么f(I-1)dk(I-1)n(I-1)= FID kini。

当考虑齿条之间的张力(或推力)时，

f(I-1)DK(I-1)n(I-1)= FiDKiniS(I-1)→I

n(I-1)= NID ki/DK(I-1)Fi/F(I-1)S(I-1)→I

因为μ1 = F 0/F 1；μ2 = f 1/F2；……μI = Fi/Fi

因此

其中DK(i-1)为前一辊的工作辊直径，mm；DKi是后一个框架的辊子的工作直径，mm；Fi-1为前一帧变形区出口的横截面积，mm2；Fi是后一框架变形区出口的横截面积，mm2；μi是第I帧的扩展系数；S(i-1)→i为(i-1)框与I框之间的拉力(或推力)系数。

在现代连轧管机中，一般采用微张力(或推力)轧制。为了保证轧制稳定，不出现严重的芯棒卡死现象，1 ~ 2和2 ~ 3机架之间采用1%的张力系数，中间机架之间采用0.5% ~ 0.8%的张力系数，以保证轧制过程的稳定性和废管的尺寸精度。后两台发动机之间采用≤ 1%的推力系数，方便松杆。各框架抗拉系数分布见表1。

表1连轧管机各机架张力系数分布

单位

传输

每帧的张力系数为5(，。)一，

类型

1~2

2~3

3~4

4~5

5~6

6~7

7~8

8~9

自主的

传输

1.01

1.008

1.005

1.面向对象的（=ObjectOriented）

O.99

共同的

传输

1.12~

1.15

1.08~

1.10

1.06

1.05

1.04

1.00~

1.02

1.00

1.面向对象的（=ObjectOriented）

轧制速度的设定当在浮动芯棒连轧管机上预先设定了各机架的轧辊速度和主电机速度时，通常用反向法计算从最后一台轧机到第1台轧机的轧制速度。

现代连轧管机(8机架)设定辊速系列的计算程序如下:

根据上述各机架的轧辊速度和各机架的减速机速比I，可以换算并设定备用机架的主电机速度。

工作辊直径DKi由以下公式确定:DKi=Da+△-λ1b。

其中Da为辊体的直径，mm；△指辊缝(第一帧8 ~ 10 mm，其余帧4 ~ 6mm)；b为传球高度，mm；λ1为孔型系数，由图2确定。

限动芯棒连轧管的运动特点限动芯棒连轧管的运动特点主要是:轧制过程中芯棒速度恒定，基本不存在浮动芯棒轧制时金属流的间歇轧制状态造成的“竹节”缺陷。

确定芯棒速度的原则是芯棒速度必须低于任何一个机架的轧制速度，使所有机架都处于差动轧制的同一方向。通常，芯棒的速度低于轧件在第一机架中的平均移动速度。

芯棒速度对轧制过程的影响是，芯棒速度越低，同一轧件的速度差越大，后张力越大，可以降低轧制压力，减小宽展，促进延伸，提高轧制钢管的尺寸精度。芯棒速度不能太低，因为速度差太大，摩擦热大，会导致芯棒磨损严重，降低其使用寿命。一般情况下，芯棒极限速度为0.7 ~ 1.5 mm/s，芯棒工作段长度约为15m m..

孔型侧壁角度αB/(。)

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20

o . 02 0.06 0.10 0.14 o . 18

偏心力矩e/mm

图2确定λ1值的示意图

A-具有直的倒置壁的圆形孔；B-圆弧侧壁圆孔型

C-椭圆孔型

1-μ=2.0;2-μ=1.5;3-μ=1.1

图3芯棒停止速度Vd曲线

A-快速进给心轴并定位；B-限速轧制

C-心轴快速返回

芯棒的极限速度曲线如图3所示。轧制过程中的心轴位置如图4所示。

浮动芯棒连轧管的变形特点浮动芯棒连轧管的变形特点包括孔型系统、孔型侧壁、延伸系数和壁厚减薄量。

图4心轴工作位置图

1，2-芯轴快速进给定位；3，4-管头填充每一帧的变形区；5-芯棒匀速轧制，6-和7-管的尾部逐渐脱离每一帧的变形区。

孔型系统在现代浮动芯棒连轧管机中，一般采用椭圆圆孔型。1轧机(或前两种)采用弧形侧壁坡度的椭圆孔型，在减径量较大时能保证必要的延伸，磨损后易于调整。中框(如2 ~ 6框)主要用于减少壁面变形，可以是弧形侧壁坡度的圆孔，也可以是偏心率递减的椭圆孔。后两种为了保证轧制空心管的尺寸精度和便于断杆，采用小侧壁(或无侧壁)圆孔型。图5显示了八个浮动芯棒连轧管机的孔型系统和金属填充情况。

当孔型宽度为b，孔型高度为dk时，孔的宽高比ξ=b/dk(或孔型椭圆度系统)表示孔型椭圆度。当ξ=1时，孔型为圆形，ξ越大，孔型的椭圆度越大。当ξ = 1.25 ~ 1.35时，金属在孔型中的横向流动比较自由，容易导致横向壁厚不均匀。ξ& lt；当温度为1.24时，金属沿孔型圆周的变形比较均匀，轧管时横向壁厚不均匀性小，但不易断杆。表2列出了连轧管上孔型系统的ξ值。

图5浮动芯棒连轧管机孔型系统及金属充填图。

孔侧壁的作用是保证管子的正常咬入，同时对管子外径进行压缩夹紧，并能获得纵向延伸，避免产生耳状物。在连轧管机的前几个机架中，一般选择孔型侧壁坡度较大，有利于金属的侧向流动，宽展相对自由，可以降低管材对芯棒的摩擦阻力，使金属获得较大的纵向延伸成为可能。但过大的侧壁斜度会增加孔型侧壁处的非接触面积，可能导致壁厚不均、孔型过满，甚至出现纵裂、耳状物等缺陷。但在后两种机器中，应选择较小的侧壁斜度，以保证废管的均匀变形和尺寸精度。孔型侧壁的斜度可以用孔型侧壁角度α b = arccos dk/b来表示。表3列出了连续轧管机每个机架的侧壁角度α b的分布。

表2连轧管机各机架孔型F值分布

机架序列号

三

四

五

六

七

八

九

孔宽高比}值

1.20~1.25

1.Z5~1.30

1.25~1.3C

1.25~1.30

1.24~1.25

1.06~1.20

1.OO~1.02

延伸系数浮动芯棒连轧管机的总延伸系数为4 ~ 6。每个机架中的孔型延伸系数可由半抛物线分布确定。前三道由于温度较高，可以采用大压下量快速减径减壁，壁厚减薄率可达70%。而中间帧(如4 ~ 6帧)上的变形逐渐减小。最后两个单元的变形要很小，这样才能保证废管的尺寸精度，容易断杆。连续轧管机上各机架延伸系统的分布示例见表4。

表3连轧管机各机架孔侧壁角度c|B的分布

机架序列号

三

四

五

六

七

八

九

孔侧壁角叉架

45。~50。

40。~45。

30。~32。

28~~30。

表4连轧管机各机架延伸系数分布示例

轧机类型

每帧的扩展系数anus

三

四

五

六

七

八

九

7机架

1.35~1.45

1.45~1.50

1.27~1.5C

1.16~1.20

1.10

1.05

9机架

1.20~1.45

1.20~1.55

1.20~1.40

1.15~1.35

1.15~1.30

1.10~1.25

1.02~1.10

1.02~1.03

1.003~

1.005

表5连轧管机各机架壁厚减薄量分布示例

机架序列号

三

四

五

六

七

八

九

壁减少量为，/毫米

4.2

6.3

4.4

3.4

2.O

1.3

O.4

壁缩减率等于/%

44.9

44.1

11.7

每个机架的壁厚减少量的分布可由抛物线经验公式确定:

δSi =[0.0417+(7-I)2/40]δS∈

式中，δSi为工字架中孔型顶部的壁厚缩减量，mm；I是机架的序列号；δS∑为连轧管中的总壁厚减薄量，mm。连轧管机各机架的壁厚减薄量分布示例见表5。

限动芯棒连轧管孔型及变形参数的选择由于取消了脱模器，脱管时芯棒从芯棒前端拉出钢管，由于差速轧制有利于金属的纵向延伸，宽度较小，轧制限动芯棒时可采用小椭圆度的孔型，孔的宽高比为1.0 ~ 1.03，壁厚减薄量和总延伸系数可较大，最大总延伸系数可该道次变形比较均匀，轧制出的管材尺寸精度高，壁厚公差可达5% ~ 6%。

轧制力和轧制扭矩的确定

当管在心轴上轧制时，沿着变形区的长度有两个直径减小区和壁减小区，轧制力如下:

P=pc1F1+pc2F2

式中，pc1为减径区的平均轧制单位压力，MPa；Pc2为减壁区的平均轧制单位压力，MPa；F1为缩小面积接触面的水平投影，mm2；F2是壁缩减面积的接触表面的水平投影，mm2。

减压区的平均单位压力为:

pc1 =ηKf2S0/Dcp

其中S0为毛细管壁厚，mm；Dcp是变径区管道的平均直径，mm；Kf为变形抗力，MPa；η是外区对平均单位压力的影响系数；

其中l1为缩减区域的长度。

减壁区的平均单位压力为:

Pc2=K(1+m)

其中k = 1.15kf；m为外摩擦对平均单位压力的影响系数，m = 2f 1 L2/s0+sk；F1为金属与滚筒之间的摩擦系数；L2是墙体折减区的长度，mm；S0为轧制前的管壁厚度，mm；SK是轧制管的壁厚，mm。

用带侧壁的孔型轧制管子时，变形区总接触面积的水平投影为:

其中f是总接触面积的水平投影，mm2；Dmin为孔型顶部的辊径，Dmin=D1 -dk，mm；D1为辊环直径，mm；Dk为传球高度，mm；b为孔型宽度，mm。

减壁区接触面积的水平投影为:

F2=(δ0+2So)l2

式中，δ0为心轴直径，mm；S0为前一架轧出的管子壁厚，mm；L2是墙体折减区的长度，mm..

减小区域的接触区域的水平投影为:

F1=F-F2

通过分别计算声音pc1、pc2、F1和F2可以得到轧制力。

轧制力矩连轧管机上的轧制力矩应包括减径区和减壁区的轧制力矩、前后张力(或推力)的力矩和作用在钢管与芯棒接触面上的轴向力矩，即

式中，Mr是作用在连轧管机任意机架轧辊上的总轧制力矩；P1，P2是直径减小区域和壁减小区域的长度；QH和qh为相邻框架之间的前后拉力(或推力)(当它们产生的扭矩与P1和P2产生的扭矩同方向时，公式中用+号，反方向用“一”号)；R1为轧辊中心线与芯轴中心线之间的距离；Q为钢管与芯棒接触面上的轴向力，Q=pc2πδ0L2f2(其中δ0为芯棒直径；F2是金属与芯棒之间的摩擦系数，F2 = 0.08 ~ 0.1)。

由于后张力的作用，轧制压力比浮动芯棒连轧管低30%左右，能耗低20% ~ 30%。

浮动芯棒连轧管机上的竹节现象，由于芯棒速度的阶跃变化，反映在空心管质量上的一个突出问题是空心管的外径和壁厚在纵向上变化不规则。人们把这种空心管外径与壁厚的纵向差异(周期性鼓出)称为竹节现象。根据空心管外径和壁厚的纵向尺寸差异，沿轧制方向的前后段分为前竹节和后竹节。如图6所示，B段是前竹关节，D段是后竹关节。

竹节形成机理是现代连轧管理理论的重要研究课题。总的来说，产生竹节的原因是浮动芯棒连轧管过程中有2n次交替间歇轧制，特别是芯棒速度的阶跃变化，造成了不稳定轧制时金属的塑性变形及其在变形区流动的不连续性。

控制竹节的工艺措施如下:

(1)工艺操作方面，合理布局和延伸；改善芯棒的摩擦条件(如选择芯棒润滑剂和喷涂方法，提高芯棒耐磨性，降低表面粗糙度等。);改进孔型设计，后机架的孔型采用了较大的侧开孔，减少了管材对芯棒的夹持力，有利于金属纵向流动，削弱了前竹节现象；

(2)在设备改进方面，采用变刚度轧机结构，消除了废管纵向尺寸的不均匀性；

(3)在电气控制中，采用后竹节速度迫降控制环节、管头和管尾突然张力控制环节、咬钢动态快速下降补偿环节来抵消芯棒加速度或突然张力减薄的步进增量，从而提高空心管的纵向尺寸精度。