张力减径机CARTA系统

世 界 钢 铁 2001年第 2期 张力减径机 CARTA系统 (中)张朔共 摘要 介绍了一套集成化的张减机管理、控制综合系统。该系统包括张碱机工艺、工艺、工具管理、 在线控制等多个方面，融合丁测量技术、仿真技术、rr技术和控制技术，代了 年代世界先进水平 这种集 成的理念也可使用于相似的轧制系统。 关键词 张减机 CARTA系统 壁厚 孔型 1 前言 当今，钢铁企业都在为降低生产成本、提高产 品质量而不懈努力，并视之为竞争的关键所在。 钢管生产中的壁厚偏差是影响钢管热轧生产收得 率的重要因素之一，控制好壁厚偏差是企业的一 个战略问题。张减机是钢管热轧生产的最后一组 设备，对张减机工艺计划、设计、管理、控制的研究 有着重要的意义。 张减机由美国国家钢管公司的Johm．w．Offut 在 1932年获得专利；在40年代，多机架张减机正 式投入使用。由于张减机具有效率高，减径、减壁 量大，可生产的产品规格多的特点，在此后的几十 年中，许多无缝钢管和电焊钢管制造厂都使用了 这种设备，并作为热轧的未道轧制设备。 2 钢管壁厚偏差影响因素 张减机的成品质量与孔型设计、减径系列选 择、机架加工、机架装配和轧制控制有关，同时也 与生产过程中前道工序的状态有关。造成钢管壁 厚偏差的主要原因大致如下： -内工具尺寸偏差，如芯棒和顶头的尺寸偏 差，产生钢管横向壁厚偏差； ·穿孔机轧辊尺寸、轧辊调整不正确或不精 确，产生钢管横向壁厚偏差； ·连轧机轧辊调整不正确或不精确，产生钢管 纵向壁厚偏差； ·张减机机架轧辊调整不正确或不精确，产生 钢管纵向平均壁厚偏差； ·换规格或停机后再生产，设备没有达到轧制 温度，开始的几根管子会产生纵向平均壁厚不均； -多机架轧制时，各机架间轧制力互相作用会 产生管子纵向壁厚不均。在连轧机会产生竹节现 象，在张减机则会出现头尾增厚现象。 图1是钢管热轧平均壁厚偏差统计，其中理 想生产情况指工具新更换后的生产结果，而不良 生产情况指工具磨损后的生产结果。 图2是张减机头尾端增厚时钢管切损说明。 钢管切损量与管子的规格有关，图中的规格头尾 切损达 5米。 ● 畦 盘f 帅 30 篓蛐 七| 越 10 O 理想 产情况 } f 不良生产情况 ， i | ⋯ ． ＼' r一 ． ，’．’ 壁厚售差 图 1 壁厚偏差与生产情况的关系 昔端长度 - 图2 张减机的管端损失 维普资讯 http://www.cqvip.com 世 界 钢 铁 57 3 CARTA系统 为了克服张减机本身产生的壁厚偏差，并减 轻前道工序壁厚偏差的影响，各钢管厂在工艺设 计、轧制控制方面做了许多工作，并形成了一系列 理论 然而，进入 8O年代后，全球的市场竞争更 加激烈，用户的要求不断提高，钢管生产的小批 量、多规格、新品种、短周期成为了主流。面对这 种状况，企业要满足用户要求，并在竞争中求生 存，就必须要更好地组织生产、提高效率、降低成 本 计 算机化 轧制技 术 (Computer Aid Rolling TechnologyApplication—CARTA)系统就是在这样 的时代背景下产生的，其中较有代表性的是德国 SMSMEER公司开发的成套产品。 3．1 CARTA系统的结构 一 套完整的张减机CARTA系统如图3所示。 系统由测厚仪、数字化传动、基础自动化、过程机、 工艺计算机和孔型加工机床 CNC组成。结构上 分为工艺计划、车间管理和操作控制，功能上具有 工艺设计、过程管理、机架管理和孔型计划4个模 块，并包括各种子模块。CARTA系统是在早期的 张减机工艺设计与生产控制的基础上发展而来 的．新系统加强了测量技术、计算机控制技术、计 算机仿真技术、数据库技术和网络技术的应用，实 现了离线仿真、设计与制造数据共享、轧制闭环控 制及轧制自适应的功能。通过这一系列手段，可 有效减少废品的数量、控制管子增厚端、提高机架 的装配精度，最终使张减机综合能力进一步提高， 增强企业的竞争力。 3．2 CARTA系统的主要功能 3．2．1 工艺计划模块 圉3 张减机 CARTA系统结构 该模块安装在工艺计算机上，主要完成孔型 的计划、优化和管理以及轧制数据的计算。工艺 维普资讯 http://www.cqvip.com 2001年第 2期 计划模块包括下列 7个子模块。 (1)减径系列选择子模块 根据成品管的尺寸要求，选择减径系列，决定 孔型系列，产生建张机架、工作机架和成品架的孔 型数据。 (2)材料数据子模块 根据不同的轧制材料对机架之间张力进行计 算 ，分析机架的负荷。 (3)轧制参数子模块 根据轧制理论建立一个数学模型，以张减机 荒管和成品管的尺寸为条件，用数学模型计算出 每架机架的速度给定值、钢管的平均壁厚和长度、 头尾增厚端的长度和重量。考虑到数学模型不可 能包括全部的客观条件 系统采用了延伸率修正 系数，使计算的结果能符合实际的结果。 (4)cEc(头尾控制)仿真子模块 用于模拟轧制过程，分析轧制速度变化对钢 管头发尾增厚端的影响，选择最佳设定值 (5)WTCA(平均壁厚控制)仿真子模块 该模块用于选择轧制过程中最大和最小延伸 率，并模拟壁厚变化与轧制速度之间的关系。 (6)WTCL(局部壁厚控制)仿真子模块 由于使用 WTCL的机架与使用 WTCA的机架 不同，因此需要用这个模块来计算不同规格时使 用 WrCL的机架的速度。 (7)孔型数据库 将所有减径系列数据和孔型数据(包括 L型直径、半轴尺寸、椭圆度、机架加工数据如工 具直径和辊缝设定)都存放在孔型数据库中。今 后可将这些数据与生产实绩进行比较，以分析孔 型数据的合理性与改进方法。 3．2．2 轧制管理模块 过程机与基础自动化系统存放有张减机轧制 所需的静态设定值，用于控制传动的给定值。在 生产过程中，过程机实时收集和分析测厚仪的反 馈数据，并采用手动自适应和自动自适应的方法 修正设定值，以在保证传动系统不跳闸的情况下 最大限度地利用设备能力。轧制管理模块由下列 4个子模块组成。 (1)cEc控制子模块 为了减少和防止钢管头尾增厚端，CEC控制 子模块在生产过程中对轧制头尾端的机架施加附 加张力，增加头尾端的延伸率，克服头尾端增厚现 象。cEc控制是一组参数，来源于工艺设计的 CEC仿真模块。实际生产时，可在此基础上手工 修正设定参数 ，调节 CEC施加的百分比，也可根 据测厚仪的反馈值用过程机进行自适应控制 (2)WTCA控制子模块 为调节钢管的全长壁厚，在张减机控制中采 用了平均壁厚的功能。W1EA是一组静态的数 据，存放在基础 自动化系统中。生产时可选用人 工调节，选定一根 WTCA的曲线，并调整摆动值， 也可利用过程机分析测厚仪的反馈数据，进行自 适应控制，使管子的平均壁厚很快收剑到设定的 壁厚值上。这是一个很有用的模块，它可以消除 许多工艺设计上考虑不到的因素，也可弥补前道 工序生产时平均壁厚上下波动的因素。 (3)WrCL控制子模块 根据测厚仪的实绩分析一根管子全长壁厚分 布情况，发现管子有局部壁厚不均时，该模块可以 根据管子壁厚不均的位置对轧制这段管子的机架 进行附加张力的控制，修正壁厚不均的状态。参 与 wrI℃L的机架的数量取决于壁厚偏差的程度， 偏差越大，参与的机架越多。操作 w1℃L分为手 动调节和自适应控制两种方式 (4)圆盘锯最佳切割子模块 圆盘锯用于热轧管子的分段。管子分段的长 度是根据用户和生产计划决定的，并有一定 的长度公差范围。测厚仪测出管子实际有效长度 后，就可根据计划值与公差范围来计算最佳切割 长度，以最大程度利用有效管子，减少切损。 3 2．3 孔型计埒]模块 使用CNC自动孔型加工机床可进一步满足 张减机机架孔型系列的需求，并改善机架加工质 量。孔型计划模块的功能是将张减机工艺设计与 孔型加工机床相连，把孔型表从工艺计算机上直 接传到孔型加工机床。 孔型计划模块包括孔型设计的cAD／cAM、孔 型数据库和孔型加工表生成子模块。为了不断提 高产品的质量和生产效率，张减机孔型与孔型系 列的组合变得越来越多样化。目前，孔型已扩展 到传统孔型、函数孔型和多边型孔型，孔型系列也 分为许多种。孔型设计经常需要针对生产中出现 的质量问题进行修改，用 CAD／CAM设计孔型是 维普资讯 http://www.cqvip.com 世 界 钢 铁 ·59 一 种高效、简单的工具，设计的结果用孔型加工表 生成子模块，产生 CNC可使用的数据表，并存放 在孔型数据库中，供设计人员与加工人员数据共 享。当需要进行孔型加工时，可根据工艺计划将 数据从数据库中调出，直接送到 CNC机床上。这 ~／-~g块的使用可加快孔型制作的周期 ，减少人工 传送数据出错的可能性，并使工艺管理简单化 3．2．4机 架管理模块 这个模块的功能是使机架准备和加工变得更 合理、更有效，以满足小批量钢管生产、多种机架 准备的要求。 工艺设计人员将工艺计划模块产生的减径系 列、孔型尺寸、辊子材质数据和状态说明传给机架 管理模块，并根据机架的现状确定机架加工组合。 由于机架管理模块包括了机架的各种数据，并可 根据最佳情况进行机架组合，因而能增加机架加 工的可靠性，优化机架的使用，减少机架的维修， 增加机架的使用时间，提高产品的质量。要完成 机架管理的功能，必须使用下列子模块 (1)孔型与孔型系列数据管理子模块 该模块用于记录孔型的名称和孔型的尺寸、 工具直径和设定参数 这些数据都是与机架加工 有关的。 (2)机架数据管理子模块 这个模块用于记录机架号、轧辊材质、维修条 件、磨损情况、运行时间、现有位置、现用减径系 列。 (3)机架调用计划子模块 该子模块的运行基础是上述两组数据。当输 入一组轧制规格时，机架调用计划模块将车间里 的全部相关机架都显示在屏幕上，机架的现在位 置、历史加工情况、需要加工的切削量也随机架同 时显示。操作人员根据最小切削量的原则确定选 用哪些机架，机架全部选定后则可打出加工清单。 4 结论 使用 CARTA系统需有一定的硬件基础，也需 要制作大量的仿真系统。CARTA系统的建立不 仅为钢管生产带来巨大的效益，提高产品市场竞 争力，而且也反映了钢管制造厂的综合水平。 CARTA系统是将信息技术与轧管技术相结合的 一 个典范，也是将原有的技术与系统进行成功整 合的一个例子 Meer公司的 CARTA主要是针对 张减机设计的，但作为一种理念还可扩大到钢管 热轧全程生产过程中，形成全程 CARTA系统。目 前宝钢股份公司钢管分公司已自行设计建立了全 程 CARTA系统的结构，投入了部分在线、离线系 统 ，并正在研制全程 CARTA系统。经过几年努力 后 ，宝钢的CARTA将会成为世界上最有使用价值 的系统之一。 短讯 川崎开发汽车用点焊性优良的590MPa级合金化热镀锌钢板 川崎制铁公司最近开发成功强度高、点焊性能优良的合金化热镀锌钢板(商品名：RAAPFC 590)，并 已开始销售。这种钢板适用于汽车车体的强度部件、冲击吸收部件，可使汽车车体强度提高。 过去的高强度热镀锌钢板，由于受添加的合金元素的影响，其点焊性能低下，合适的汽车部件的开 发就受到了限制。川崎制铁公司选择了不损失涂镀性能、对强度影响较少的强化元素，并且配以晶粒微 细化等方法，得到了强度与点焊性能俱佳的热镀锌钢板。 这种钢板点焊部位的强度(垂直剥离强度)约提高了80％，从而也扩大了其焊接电流范围。 该钢板的应用具有以下优点： (1)钢板的强度提高、厚度更薄，可望实现汽车车体的轻量化。 (2)钢板点焊部位的强度非常稳定，因此车体结构件强度稳定，车体的安装作业效率也可提高。 (3)钢板适用于宽幅部件，因而车体的防锈性能也可望有所提高。 平 川 译自“Jlj崎制铁固特网主页”．2001．01．23 维普资讯 http://www.cqvip.com