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鞍钢股份有限公司无缝钢管厂随着石油、天然气、化工、汽车等工业的发展，无缝钢管的需求量越来越大，质量要求也越来越高，除了对材质和机械性能提出要求，为了满足加工的要求，钢管的纵向弯曲度和断面圆度方面要求也非常高。矫直机做为钢管生产精整线上重要设备，对钢管的最终质量影响很大。国内外对矫直理论研究很多，有的开发出了数学模型，但是在生产中得到应用的并不很多。鞍钢股份有限公司无缝钢管厂使用的矫直机是洛阳中信机械公司制造的JCL十辊矫直机，是当今最先进的钢管矫直机，设计矫直精度很高。但是在生产使用中，矫一些高钢级、薄壁管、大弯曲度的钢管时，矫直质量并不能令人满意。影响矫直精度的因素很多，如辊形、变形参数、调整经验都直接影响矫直质量。为了提高矫直质量，满足用户的需要，我们对钢管矫直机的辊形设计、调整规程、数学模型的开发做了有益的探索。0前言1矫直技术的基本方法和原理金属材料的矫直主要是利用了金属材料的弹塑性变形的特性，金属材料在明显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的，不管轧材各处的原始曲率如何不同，在经过较大的弯曲后，几乎可以得到各处均一的曲率，从而达到平直的效果，考虑到不同形状的材料弯曲特性和矫直目标的差异，在矫直板材、型材时多用反弯矫直法，而在矫直管材时多用旋转矫直法。1.1金属材料的反弯矫直矫直机是源于“矫枉必须过正”的思想设计出来的，直观的，人们把弯曲的金属材料根据弯曲程度的不同而加以不同程度的反向弯曲，从而达到矫直的目的，最常见的是压力矫直机。1矫直技术的基本方法和原理1.1.1压力矫直轧材在辊子所形成的压力点与支点之间形成反弯，同时不断改变压下量，就可以使各种程度的原始弯曲得到矫直。由于轧材原始曲率有随机性和规律性，随机性体现在弯曲部位和弯曲程度在不同轧材上不同，规律性是指弯曲部位一般较集中，且变化连续。这样，压力矫直就需要支点可调、压下量可调，轧材能够自由移动，保证轧材各处弯曲都能够得到矫直。1.1.2递减反弯矫直原理人们从实践中受到启发：金属材料在明显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的，不管轧材各处的原始曲率如何不同，在经过较大的弯曲后，几乎可以得到各处均一的曲率。不过，金属的刚性越大，压弯后的残留曲率的均一性越差，但是随着反弯次数的增加，差值随着减小。矫直的理想状态是各处残留曲率趋近于零，这就要求轧材受到多次反弯变形，并且变形量逐渐递减，一直到等于纯弹性变形为止。1.2旋转矫直原理旋转矫直一般用于圆材矫直，圆形具有抗弯能力全圆周上一致性、弯曲方向随机的特点，圆材矫直反弯的同时进行旋转，就能得到全圆周的矫直。1矫直技术的基本方法和原理2钢管矫直辊辊形曲线的设计矫直机的矫直质量在很大程度上取决于矫直机的辊形，合理的辊形应该是在矫直过程中，沿矫直辊的整个工作段钢管与矫直辊完全接触，形成空间接触带。一种辊型曲线是按照一种钢管尺寸确定，但是一条钢管生产线，生产的钢管外径是有一定范围的，这就要求满足一定尺寸范围的钢管矫直要求，生产中通过调整矫直辊的倾角来满足。2钢管矫直辊辊形曲线的设计2.1矫直辊辊形设计思想矫直辊形的设计思想，大体可以分为三类：第一种思想基于直钢管与矫直辊辊身全长接触来设计辊形；第二种思想认为为了矫直钢管，钢管在矫直过程中必须有反弯，因此，直钢管与矫直辊辊面接触实际并不存在，设计辊形的时候必须考虑钢管的反弯因素，在我国，以崔甫为代表的学者对这种辊形做过深入研究；第三种思想认为在实际生产中，矫直辊的辊形可以做成分段圆弧、辊形两侧对称，每侧由2-3段圆弧连接而成，各段圆弧曲率递减，从生产实践来看，这种辊形更切合实际生产，但是这种辊形的设计，需要积累大量实践经验，理论求证困难，国内对这种辊形研究不多。2.2基准钢管的选择基准钢管的选择是矫直辊辊形的设计的前提条件，从现状看，基准钢管规格的选择方法各不相同。德国和英国学者认为应该选取最大规格作为基准钢管，而前苏联、日本及我国学者认为应该选取最小规格作为基准钢管。2.3辊形曲线的求解方法从五六十年代起，国内外陆续发表了不少关于辊形曲线计算方法的文章，基于不同的设计思想，推导出了不同的计算公式。基于直管条件设计方法可以划分为作图法和解析法，作图法包括包络线法、近似圆法等，解析法包括截辊法、截管法、包络法、共轭曲面法、共轭曲线法等。作图法误差较大，解析法比较复杂，计算量大，随着计算机技术的应用，出现利用2钢管矫直辊辊形曲线的设计计算机辅助设计的方法，采用三维造型CAD软件设计辊形，造型过程是轧辊旋转，钢管作为铣刀，将发生干涉的轧辊部分材料切除，从而得到辊形。基于反弯思想设计者认为，确定具有某一原始曲率且必须达到一定矫直精度的钢管所需要的反弯曲线的曲率，按照反弯曲率设计辊形，使用的都是解析法，有等距曲面法、矢量法，这种设计思想都是把钢管原始曲率看作单向。由于钢管在矫直过程中一边旋转一边前进，其原始曲率应该考虑为双向，且具有双向原始曲率的轧件经过一次反弯是不能矫直的，被矫钢管必须经过多次弹塑性弯曲才能达到目的，基于这种思想，国外已经开发出了具有特殊辊型矫直辊的矫直机。2钢管矫直辊辊形曲线的设计3钢管矫直的变形过程钢管在矫直前，不仅存在纵向弯曲，而且存在横断面椭圆变形。钢管在矫直过程中，通过矫直辊的压下量（偏移）使钢管产生弹塑性弯曲，可以消除钢管的纵向弯曲，通过调整对置矫直辊的距离（辊缝），使钢管产生横断面的压扁变形，可以消除钢管横断面椭圆变形，钢管在矫直过程中，一边旋转一边沿轴线方向前进，做螺旋运动，矫直辊和轴线成一定角度，钢管最大面积和轧辊接触，接受充分压扁变形。影响钢管的矫直质量的因素很多，不仅与管材的规格、材质有关，而且还与矫直机的辊型、调整规程有关，而后者影响最大。4矫直调整规程的编制矫直过程主要是弹塑性弯曲和压扁变形，因此调整参数主要包括倾角、压下量、偏移量和矫直速度。确定这些参数主要有两种方法，一种是试验研究通过大量试验得到经验参数，另一种是理论计算，根据矫直辊型及矫直变形过程计算，可以推导出变形参数计算公式。4.1计算轧辊倾角调整矫直辊的倾角是为了改善辊管的接触情况，国内外各种文献给出了很多计算公式。SINαn＝SINα×SQRT((RD+ρ+rx)/(Rd+ρ+r))式中：αn——轧辊倾角α——最大倾角ρ——辊子喉口半径Rd——所矫钢管与辊子接触点半径rx——钢管半径r——钢管最大半径4.2计算压下量从入口侧开始施加压下，通常是管材直径的1-2.5%，一般第二对辊的压下量最大，第一、第三、第四、第五对辊依次减小，以便对管材的圆度误差进行矫直。在国内，关于压下量的分配理论研究很少，在各种文献上都未见理论计算公式，生产中，根据钢管的弯曲度、温度、钢级等条件的不同，一般都是按照经验调整，在这里，给出一个经验计算公式：△hi=Ki*DZ式中：△hi——对应机架应调整的辊缝值Ki——系数，根据钢管的不同，取不同的系数DZ——所矫钢管的直径4.3计算偏移量△Xi＝Ki*575/DZ式中：△Xi——所矫机架应调整的偏移量Ki——系数，根据钢管的不同，取不同的系数DZ——所矫钢管的直径4矫直调整规程的编制5矫直机辊位设定数学模型的开发利用编程语言，编写出矫直机辊位设定数学模型，但是，这种数学模型和实际生产还有很大出入，生产中可以使用计算得到参数进行预调整，然后结合钢管来料弯曲情况、矫后钢管质量、矫直辊磨损情况进行微调。矫直机辊位设定数学模型有两种，一种是离线的纯理论模型，一种是嵌入式数学模型，可以结合生产实际调整情况进行经验积累，不断修正矫直规程计算公式中的经验数值，更加完善。6JCL十辊矫直机辊位设定数学模型的应用6.1JCL十辊矫直机辊型设计JCL十辊矫直机就是基于反弯和旋转矫直理论的综合运用设计的多机架、斜辊式钢管矫直机，十个辊都是主动辊，具有矫直精度高、表面质量好、残余应力小的特点。矫直辊辊型曲线设计思想是基于反弯思想设计的，辊型为双曲线，辊型曲线采取等距曲面法求解，基准钢管选取为∮150。6.2主要工艺参数如下：6.2.1矫直范围钢管外径：∮70～∮168mm壁厚：3.5～16mm长度：6000～14360mmδs（max）＜1180Mpa6.2.2矫前状态钢管弯曲度：≤10mm/m，全长不大于80mm最高温度：＜150℃最高速度：＜2.6m/s6.2.3矫直后钢管管体直度：≤0.5mm/m,管端直度：≤0.6mm/m6JCL十辊矫直机辊位设定数学模型的应用以矫直139.7*7.72N80钢管为例单位：mm规格材质倾角（°）1＃辊缝值2＃辊缝值3＃辊缝值4＃辊缝值5＃辊缝值2＃偏移量4＃偏移量139.7*7.72N8039.19137.9137.7137.31137.5137.77.36.576.4生产实际使用情况我们开发了两种辊位设定设定模型，即离线式和嵌入式，离线式数学模型主要供理论研究使用，嵌入式数学模型用于指导生产。设定钢管外径、壁厚、钢级、温度，就可以计算出轧辊倾角、压下量、偏移量，通过计算机把调整信号传送到一级PLC控制程序，精确调整轧辊位置。先试矫一支钢管，然后人工进行微调，实现高精度自动矫直，提高钢管质量。测量矫直后钢管精度：管体直度：0.8mm/m，管端直度：1.0mm/m，满足API标准及用户要求。从矫直结果看，矫直精度大大提高，能够满足生产需要。同时矫直精度没有达到最初设计要求，这和矫直辊磨损有关，同时需要积累调整经验参数。利用矫直机辊位设定数学模型，可以编制出矫直调整规程，并得到了实际运用，有效的加快了调整速度，提高了矫直质量。矫直机的变形是非常复杂的，需要涉及的知识很多，而变形参数计算公式中很多参数是经验参数，需要根据实际生产情况修正，矫直机数学模型的开发，是一项复杂而长期的工作，需要在以后的工作中不断优化、提高。7结论