钢管斜辊矫直设定参数偏差检测与调整策略*

2015-03-09马立东

钢管 2015年3期

马立东，王飞，王勤

（1.太原科技大学山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西太原 030024；2.重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司，重庆 401122；3.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013）

钢管通过单对、多对或者多个交错布置的具有一定辊形的矫直辊边旋转、边进给，实施多次反弯，实现钢管矫直，使矫后钢管达到一定的直线度精度要求；同时通过对辊对钢管实施压扁变形，实现钢管的“搓圆”，使钢管达到一定的圆度精度要求。在矫直过程中，矫直辊与钢管倾斜布置，通过调整倾斜角使矫直辊与钢管达到最好接触状态［1-5］。

反弯量、压扁量、倾斜角是钢管矫直过程中需要调整的3类工艺参数。文献［6-7］对钢管矫直过程进行了系统的研究，通过弹塑性力学、空间解析几何手段推导了钢管矫直过程的反弯挠度、压扁量和倾斜角，并给出了矫直辊辊型的计算方案。文献［8］应用球形包络线算法得到了多斜辊矫直辊的辊型计算方法，该方法与文献［9］介绍的采用仿形法得到的辊型基本一致。这些辊型设计方法均基于钢管与矫直辊理想接触计算获得，随着矫直辊与钢管的旋转接触，在矫直辊辊面上不可避免地形成了滑动摩擦，导致矫直辊辊面产生了不同程度磨损，且不同矫直辊上的磨损情况又不尽一致。由于矫直辊的磨损，矫直辊整体名义直径减小，此时自动设定系统设置的辊缝值和反弯量会产生偏差，如果不补偿该偏差，则不可能获得预期的反弯量和压扁量。许多企业对于矫直机设备的维护/检修不到位，导致机上检测装置（传感器、编码器）的返回值产生偏差，也会导致设定模型中的结果不可靠。

1 斜辊矫直机的偏差检测

对国内某公司投产近1年的Bronx矫直机进行检测，该矫直机为六斜辊（2-2-2型）矫直机，可矫直钢管的规格为Ф60.3～244.5 mm×3.5～30.0 mm，矫直管体直线度精度为1 mm/1 500 mm，矫直管端（1 400mm范围）直线度精度为1mm/1 000mm。设备最大允许矫直力为1 000 kN，8立柱结构，上辊移动横梁为4立柱接触，每个上辊为双压下、单平衡结构，机架采用螺栓式预应力结构，整机设备配置了完备的控制模型，能够实现钢管矫直过程的自动设定、自动控制，是国内钢管热处理线上配置水平较高的矫直机。Bronx矫直机结构如图1所示。

图1 Bronx矫直机结构示意

矫直过程的工艺参数包括各对辊辊缝、各辊倾斜角、中间下辊的反弯量等，通过现场测试，测量各工艺参数的设定值与设备实际值之间的偏差，并重新调整零位，便于更有效地实现自动设定。

1.1 矫直辊磨损检测

矫直工艺设定参数偏差主要由矫直辊的磨损导致；因此，分别测量矫直机中间位置6个矫直辊的磨损情况。首先测量（确定）矫直辊的中间位置（只测量了辊腰位置的磨损量）；然后用钢卷尺绕辊腰一周，测量周长，测量结果见表1。对测量结果进行分析可以得出，入口对辊和中间对辊磨损情况较为严重，由磨损导致的总的辊缝偏差达到7.6 mm，出口对辊辊缝偏差达到5.2mm。

表1 矫直辊磨损情况

通过矫直辊辊型的样板测量了轴向辊型磨损情况，发现中间上辊与下辊轴向磨损比较均匀，入口上辊内侧磨损严重，入口下辊外侧磨损严重，出口上辊内侧磨损严重，出口下辊外侧磨损严重，与文献［5］描述的各矫直辊受力情况一致。

1.2 偏差检测

采用样棒进行矫直机的偏差检测。将Ф90mm样棒放入矫直辊系中，首先不施加快开，使样棒尽量水平放置到3个下辊上，并将所有矫直辊倾斜角调整到尽量大的位置，同时将自动设定模型的中间下辊反弯量设置成0，用塞尺测量此时中间辊与样棒之间的间隙，测量结果为0.35mm，意味着反弯量的偏差为-0.35 mm。可以看到，反弯量的偏差与中间下辊的磨损量相差较大，主要是由于3个下辊磨损不均匀所导致。

施加快开，通过调整倾斜角度，使得矫直辊和样棒接触状态良好，此时观察自动设定模型的手动设定值，由于样棒直径为90 mm，通过设定值（表2中的3个辊缝值）即可得到设定值辊缝偏差。

表2 样棒良好接触时的设定值

可以得出结论：入口对辊辊缝偏差为+10.7 mm，中间对辊辊缝偏差为+3.0mm，出口对辊辊缝偏差为-1.0mm，此时的辊缝偏差已经较大。与矫直辊磨损测量得到的结果进行比较，两组数据差距较大，可以认为是由于检测元件本身产生了偏差。具体调整时以后者为准。

倾斜角的测量比较困难，虽然矫直机在安装时给定了测量偏角标记，但已经模糊不清，现场未对倾斜角偏差进行测量；矫直辊磨损之后，各矫直辊的辊型凹下程度更加严重。因此，随着矫直辊的磨损，矫直辊的倾斜角应比原辊偏大，即角度向大调整。

2 调整策略分析

2.1 根据偏差的工艺参数调整

将矫直机调整到最优状态的时刻标定为标准状态，以此时设备实际辊缝值、反弯量值调整编码器的零位，达到设定值与实际值一致。

对于未配置自动控制模型的机组而言，测得工艺参数偏差同样具有重要意义，在手动调整工艺参数时，需要将偏差补偿掉，具体的计算方式如下：

式中 δt——实际反弯量，mm；

δd——设定反弯量，mm；

δf—— 反弯偏差，mm；

Gt——实际辊缝，mm；

Gd——设定辊缝，mm；

Gf——辊缝偏差，mm。

以此实际反弯量和辊缝调整工艺参数，才能保证矫直精度达到要求。

通过现场实践的结果来看，测量出反弯量和辊缝的实际偏差以后，可以更到位地设置压弯量和压扁量值，使得原来需要经过多次才能矫直的钢管一次就能矫直，提高了生产效率。

2.2 对于矫直效果不理想的调整策略

矫直机矫直效果不理想主要包括管材直线度不佳、表面凹痕、矫方及划伤等情况。斜辊矫直直线度主要取决于反弯曲率和接触曲线长度。对于给定设备而言，辊距和矫直辊尺寸确定，则直线度主要取决于反弯量和中间对辊的倾斜角。首先调整中间对辊倾斜角，使矫直辊与钢管至少有80%的面积接触，尽量使钢管与矫直辊辊腰之间无间隙。

矫直后钢管圆度达不到要求的主要原因是压扁量设定较小，或者设定的辊缝值根本没有产生压扁效果，此时应适当减小辊缝值以达到增加压扁量的目的。如果出现矫直后的钢管圆度比矫直前钢管圆度质量更差的情况，甚至出现钢管矫方现象，则需要适当增大辊缝以减小压扁量。