一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法

摘要

本发明公开了一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法，首先获取某一规格某一批次的钢管轧制过程中的生产参数：荒管长度、设定的钢管出口速度以及实际的芯棒限动速度最大值；采用最小二乘线性拟合方法拟合出芯棒限动速度与荒管长度的函数关系式；然后采用最小二乘线性拟合方法拟合出在实际生产过程中任意某一荒管长度下芯棒限动速度与钢管出口速度的函数关系式；最后采用线性加权方法建立最佳芯棒限动速度模型，计算最佳芯棒限动速度。本发明具有计算简单、便捷，实用性强的特点，适合于指导无缝钢管连轧过程轧制规程中芯棒限动速度的设定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法。

背景技术

钢管是一种经济钢材，是钢铁工业中的一项重要产品，通常占全部钢材总量的10％左右， 有着“工业血管”之称。作为国民经济建设的重要原材料之一，无缝钢管被广泛应用于石油、 电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业。

国务院“十二五”规划指出面对钢铁工业存在的品种质量亟待升级、布局调整进展缓慢、 能源、环境、原料约束增强、自主创新能力不强等问题，要把扩大品种、提高质量、推进钢 材减量化以及加快节能减排、淘汰落后、优化布局作为结构调整的重点。

芯棒是连轧变形的主要工具之一。在无缝钢管生产过程轧制规程的制定中，芯棒限动速 度最大值是一个重要的工艺参数，其设定结果会影响钢管连轧的金属变形、力能特性、工具 消耗及生产率等。较低的限动速度可以缩短芯棒工作段长度，但芯棒和轧件间的相对速差大， 其摩擦产生的热量增多，导致芯棒磨损严重，会降低芯棒的使用寿命；较高的限动速度会增 长芯棒工作段的长度，会增加芯棒某些截面的轧制力作用次数，也会降低芯棒使用寿命，而 且还会加大芯棒工作长度，这样不仅增加了产线的长度，而且增大了芯棒的加工难度，也会 使生产成本加大。综上所述，合理的设定芯棒限动速度最大值，有助于减少芯棒磨损，提高 芯棒使用寿命，还能提高产品质量、降低生产成本。

传统的芯棒限动速度最大值计算是从给定的最大限动速度开始，以10mm/s的步长递减， 搜索合适的芯棒限动速度最大值，最后选定的限动速度要同时满足以下条件：1)芯棒寿命的 要求；2)芯棒对摩擦方向的要求；3)芯棒在轧制过程中的位置要求。这种计算较为准确，不 过计算复杂，搜索时间长，难以在线应用。无缝钢管现场生产过程中大量的轧制数据包含了 丰富的反映生产运行规律和工艺参数之间关系的潜在信息。数据驱动建模能够为芯棒限动速 度最大值设定计算提供一个简便的方法。

更为重要的是，传统的芯棒限动速度最大值计算是基于机理分析的，参数众多，计算复 杂，求解时间长，对于钢管轧制行业工程设计人员开发新品种以及制定轧制规程尤为不便。 采用数据驱动建模，简单快捷，能够极大节省时间提高工作效率，快速得到限动速度的数值， 为下一步其他参数建模及优化设定打下坚实的基础。

发明内容

本发明针对现有技术中芯棒限动速度最大值的计算复杂，不利于钢管轧制行业使用的问 题，提出了一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法。

一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法，首先获取某一规格某一批 次的钢管轧制过程中的生产参数：荒管长度、设定的钢管出口速度以及实际的芯棒限动速度 最大值；采用最小二乘线性拟合方法拟合出芯棒限动速度最大值与荒管长度的函数关系式； 然后采用最小二乘线性拟合方法拟合出在实际生产过程中任意某一荒管长度下芯棒限动速度 与钢管出口速度的函数关系式；最后采用线性加权方法建立最佳芯棒限动速度模型，计算最 佳芯棒限动速度。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1：获取同一规格同一批次的不同长度的荒管在钢管轧制过程中的生产参数；

所述生产参数包括荒管长度、设定的钢管出口速度及实际的芯棒限动速度最大值；

步骤2：对相同的钢管出口速度，利用步骤1获得的荒管长度和对应的芯棒限动速度最大 值，采用最小二乘线性拟合方法拟合出钢管出口速度相同的芯棒限动速度最大值与荒管长度 的函数关系式V_max＝a₁·L+b₁；

其中，V_max为钢管出口速度相同时随荒管长度L变化的芯棒限动速度最大值，L为荒管的 长度，a₁、b₁为函数关系式的待定参数；

当设定的钢管出口速度最大时，对应的芯棒限动速度已达到芯棒限动速度最大值；

荒管长度越大，芯棒限动速度最大值越小，两者为近似线性关系；

步骤3：对同一长度的荒管，改变钢管出口速度，观察芯棒限动速度的变化，获得芯棒限 动速度最大值随钢管出口速度的变化规律数据，采用最小二乘线性拟合获得荒管长度为相同 值时芯棒限动速度与钢管出口速度的函数关系式：

V_L＝a₂·V_outlet+b₂

其中，V_L为荒管长度相同均为L，随钢管出口速度变化的芯棒限动速度，V_outlet为钢管出 口速度，a₂、b₂为函数关系式的待定参数；

钢管出口速度增大，芯棒限动速度也增大，两者为线性关系；

步骤4：采用线性加权方法计算出在任一荒管长度、任一钢管出口速度下的最佳芯棒限动 速度的取值：

V_mandrel＝a₃·V_outlet+V_max-a₃·V_outletmax

其中，V_mandrel为最佳芯棒限动速度，V_outlet为钢管的出口速度，V_max为钢管出口速度相同时随 荒管长度L变化的芯棒限动速度最大值，V_outletmax为已知芯棒外径的芯棒钢管出口速度的最大 值，为芯棒的固有属性值，a₃为函数关系式的待定参数；其中，

对于公式V_mandrel＝a₃·V_outlet+V_max-a₃·V_outletmax可看作公式 V_L＝a₂·V_outlet+b₂的一般形式。V_L＝a₂·V_outlet+b₂只是针对某一荒管长度下的芯棒限动速度随钢 管出口速度变化。而公式V_mandrel＝a₃·V_outlet+V_max-a₃·V_outletmax是针对任一荒管长度任一钢管出 口速度下的芯棒限动速度。

在某一具体的荒管长度下，a₂是一个定值，但是a₃是一个随荒管长度变化的值。经过对大 量数据进行实验分析，a₃呈线性关系。故用来计算。其中由步 骤3可计算出一组确定的a₂、b₂值，V_outletmax在确定的芯棒规格下已知为定值，V_max可由步骤 2计算，其为一个与荒管长度L有关的值。其中，所述大量数据是指实际的荒管长度、钢管 出口速度及对应的芯棒限动速度，实验分析是指根据a₃计算值观察a₃变化规律。

所述已知的芯棒外径规格包括189.3mm，187mm，184.4mm，181.6mm，178.2mm，174.2mm， 170.0mm，165.6mm以及161.3mm。

有益效果

本发明提出的一种无缝钢管生产过程中确定最佳芯棒限动速度的建模方法，采用该方法， 充分考虑了荒管长度和钢管出口速度对芯棒限动速度最大值的影响，能准确地计算出合适的 芯棒限动速度最大值，可以避免人工不合理的操作参数设置带来的生产风险。不仅能确定在 保证轧制生产稳顺的前提下，有助于减少芯棒磨损，提高芯棒使用寿命以及产品质量、降低 生产成本，还能为工程设计人员进行新品种开发及轧制规程制定时芯棒限动速度最大值计算 提供简便快捷的方法，节省时间提高了工作效率。

本发明具有计算简单、方便的特点，适合于无缝钢管生产工艺，具有较强的实用性，对 指导芯棒限动速度最大值的设定具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为芯棒限动速度最大值随荒管长度变化规律图；

图3为芯棒限动速度最大值随钢管出口速度变化规律图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合说明中附图1，对本发明的实施方法作进 一步描述，总体流程图如图1。

实施例1：以芯棒外径为187mm时芯棒限动速度最大值设定模型为例说明本发明具体实 施步骤。

在实际生产中，影响芯棒限动速度最大值设定值大小的因素包括荒管长度以及钢管的末 机架出口速度。由工艺知识和经验可知，荒管长度越长，设定的芯棒限动速度最大值应越小， 而且钢管出口速度越大，设定的芯棒限动速度最大值应越大。根据工艺设定，以保证生产稳 顺为前提，计算流程如下：

步骤1：针对轧制计划为毛管外径为235mm，壁厚为16mm，荒管外径为199.54mm，壁 厚为5.8mm，芯棒外径为187mm的批次为例进行介绍详细具体的建模过程。荒管长度越大， 芯棒限动速度最大值越小，两者为近似线性关系。结合工业现场大量实际生产数据，依据此 规律进行数据回归拟合。对于芯棒外径为187mm的轧制过程，即保证钢管出口速度为允许的 最大值4500mm/s不变，改变荒管长度(荒管长度从27408.2mm递增300mm至33708.2mm)， 观察芯棒限动速度变化(限动速度从1180mm/s递减至940mm/s)，获得芯棒限动速度最大值 随荒管长度的变化规律，如图2所示，经数据最小二乘线性回归拟合的方法进一步可以确定 出某荒管长度下芯棒限动速度最大值的模型，可表示如下：

V_max＝-0.03668·L+2179.6213

其中，V_max为荒管长度为L时芯棒限动速度最大值的最大值，L为荒管的长度。

步骤2：轧制速度增大，即钢管出口速度增大，芯棒限动速度也增大，两者为线性关系。 结合工业现场大量实际生产数据，依据此规律进行数据回归拟合。对于芯棒外径为187mm的 轧制过程，即保证荒管长度为27408.2mm不变，改变钢管出口速度(钢管出口速度从4500mm/s 递减100mm/s至2900mm/s)，观察限动速度变化(限动速度从1180mm/s递减至770mm/s)， 获得限动速度随钢管出口速度的变化规律，如图3所示，经数据最小二乘线性回归拟合的方 法可以进一步确定在荒管长度为27408.2mm下任一钢管出口速度下芯棒限动速度的模型，可 表示如下：

V_L＝0.26·V_outlet+10

其中，V_L为荒管长度为L时芯棒限动速度最大值，V_outlet为钢管的出口速度。

步骤3：结合步骤1和步骤2中线性拟合的结果，采用线性加权的方法可以确定出在任一 荒管长度任一钢管出口速度下最佳芯棒限动速度，表达式如下：

V_mandrel＝((V_max-1180)/4500+0.26)·V_outlet+V_max-4500·((V_max-1180)/4500+0.26)

其中，V_mandrel为最佳芯棒限动速度，V_outlet为钢管出口速度。

步骤4：依照上述的方法，可以计算出芯棒外径为其他值时的最佳芯棒限动速度模型，结 果如下：

芯棒外径为189.3mm时，

V_max＝-0.034423·L+2224.938

V_mandrel＝((V_max-1180)/5000+0.2362)·V_outlet+V_max-5000·((V_max-1180)/5000+0.2362) 芯棒外径为184.4mm时，

V_max＝-0.03666·L+2259.51998

V_mandrel＝((V_max-1170)/4850+0.2394)·V_outlet+V_max-4850·((V_max-1170)/4850+0.2394) 芯棒外径为181.6mm时，

V_max＝-0.0365898·L+2139.56784042

V_mandrel＝((V_max-1160)/4350+0.2656)·V_outlet+V_max-4350·((V_max-1160)/4350+0.2656) 芯棒外径为178.2mm时，

V_max＝-0.04093·L+2102.5286

V_mandrel＝((V_max-1160)/3750+0.3088)·V_outlet+V_max-3750·((V_max-1160)/3750+0.3088) 芯棒外径为174.2mm时，

V_max＝-0.040058·L+2039.8038

V_mandrel＝((V_max-1160)/3600+0.3187)·V_outlet+V_max-3600·((V_max-1160)/3600+0.3187) 芯棒外径为170.0mm时，

V_max＝-0.04795·L+2069.808

V_mandrel＝((V_max-1160)/3100+0.3736)·V_outlet+V_max-3100·((V_max-1160)/3100+0.3736) 芯棒外径为165.6mm时，

V_max＝-0.05011696·L+2064.399

V_mandrel＝((V_max-1160)/2950+0.3907)·V_outlet+V_max-2950·((V_max-1160)/2950+0.3907) 芯棒外径为161.3mm时，

V_max＝-0.05035·L+2052.2374

V_mandrel＝((V_max-1160)/2900+0.3962)·V_outlet+V_max-2900·((V_max-1160)/2900+0.3962)

原有的芯棒限动速度设定值是操作工在日常实际生产时经过反复试验得来的，十分麻烦， 而通过本专利的芯棒限动速度模型得到的设定值，计算简便，方便快捷，和经验设定的最优 值十分接近，完全满足工业现场的需要。表1是最佳芯棒限动速度模型与现场数据的对比结 果。由表看出，由于充分考虑到荒管长度和钢管出口速度的影响，对于芯棒限动速度最大值， 在不同规格的芯棒外径以及不同荒管长度和钢管出口速度的条件下，模型计算结果与实际现 场设定值相比较，十分接近，而且限动速度最大相对误差绝对值不超过1.313％，能够满足工 业现场对模型精度的要求。通过对芯棒限动速度最大值的设定计算，能有效的指导现场操作， 减少芯棒磨损，提高芯棒的使用寿命，并能够提高产品质量、降低生产成本。

采用数据驱动建模方法建立的芯棒限动速度最大值模型为钢管厂工程设计人员在新品种 开发及制定轧制规程时需要快速计算限动速度的数值时提供了极为简便快捷的方法，极大的 节省了时间，避免了采用机理分析计算冗余复杂难以求解的计算过程，提高了工作效率，为 下一步其他参数模型建立及优化设定打下了坚实的基础。

表1