周向预应力自修复吐丝管、加工设备及吐丝管自修复方法

摘要

本申请公开了一种周向预应力自修复吐丝管、加工设备及吐丝管自修复方法，周向预应力自修复吐丝管包括外管和内管，所述内管内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动；所述内管包括预扭曲部，所述预扭曲部赋予弹性扭曲；吐丝管经历加热与冷却循环时，通过摩擦接触约束相对运动的内管能相对于外管旋转滑动，提高内管内表面的更新面积及更新速度，避免内管内壁任意区域持久的摩擦接触。在同样的过钢量下，能有效减少深沟乱丝等非正常换管现象。

说明书

技术领域

本申请涉及吐丝管技术领域，特别涉及一种周向预应力自修复吐丝管、加工设备及吐丝管自修复方法。

背景技术

线材是钢铁产品的重要品种之一，广泛应用于建筑和制品工业。目前主要产钢国家普遍采用全连续高速无扭线材精轧机组和控制冷却技术，作为线材生产的主要工艺装备手段。

高速线材生产是一个从钢坯到成品的连续生产过程，吐丝机吐丝管是控制线材由直线向盘条转变的关键设备。精轧后的轧件温度大约保持在850℃，速度可高达120m/s，进入吐丝管后，线材在由夹送辊和吐丝机引起的推动力、相对惯性力、摩擦力、正压力等综合作用下，按吐丝管向前运行，改直线运动为螺旋运动，形成直径大约为1080mm的稳定线圈从吐丝管吐出，均匀地铺落在辊道上。

《中国工程科学》期刊2006年第8卷第11期中刊登的名称为《高速线材吐丝机吐丝管空间曲线研究和改进》的论文中记载了吐丝管工作时，线材在吐丝管内向前运动，由于受到吐丝管壁向后的摩擦阻力，某微段线材总是受其前后相邻部分的推拉作用，故线材有一定的“轴向力”，并且总是沿线材中心线方向；同时还记载了吐丝管中线材相对速度变化趋势图、吐丝管内壁所受压力分布图(如图6所示)和吐丝管内壁所受摩擦力分布图(如图7所示)。

经过研究分析，线材在进入吐丝管入口后所受的急剧增大，摩擦力最大的位置在距离吐丝管入口500mm左右，吐丝管该处内壁磨损剧烈，长时间工作后甚至会磨穿，发生堆钢事故。

吐丝管的非正常磨损导致使用寿命过短和吐丝异常已经是线材生产中的一大难题。

发明内容

针对上述问题，本申请提供一种周向预应力自修复吐丝管、加工设备及吐丝管自修复方法。

第一方面，本申请提供一种周向预应力自修复吐丝管,采用如下的技术方案：

一种周向预应力自修复吐丝管，包括外管和内管，所述内管内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动；所述内管包括预扭曲部，所述预扭曲部赋予弹性扭曲；所述预扭曲部复位过程中，内管内衬于外管的部分相对于所述外管旋转滑动。

通过采用上述技术方案，吐丝管工作中会经历加热与冷却循环，通过摩擦接触约束相对运动的内管，将沿着外管渐进地移位，同时，内管的扭曲形变部分及其下游部分一起旋转滑动，实现内管内表面的大面积快速更新，避免内管内壁任意区域持久的摩擦接触。在同样的过钢量下，能有效减少深沟乱丝等非正常换管现象。

可选的，所述预扭曲部一次性扭曲形变，且预扭曲部扭曲形变的起始端或起始端上游与外管相固接。

通过采用上述技术方案，当吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，内管扭曲形变的部分释放扭曲应力，逐渐恢复形变，并带动预扭曲部的下游部分一起旋转滑动，实现内管内表面的更新。

可选的，所述预扭曲部可持续性地扭曲形变，使得内管内衬于外管的部分相对于所述外管可连续滑动。

通过采用上述技术方案，可持续性的外力驱使内管一直相对于外管滑动，使得内管内表面连续更新，提高内管内表面的利用率，有效延长吐丝管的使用寿命。

可选的，所述预扭曲部扭曲形变的起始端相对于预扭曲部扭曲形变的终止端旋转偏移大于或等于10°。

可选的，所述内管材料选为弹簧钢、双相不锈钢、高速钢、沉淀硬化不锈钢、高锰钢、球墨铸铁其中一种。

可选的，所述内管规格长度为1000-4000mm，厚度为2-8mm。

可选的，所述吐丝管还包括具有进口和出口的管头，所述管头出口处同轴固接有连接管；所述管头固接于外管输入端，所述连接管内衬于内管中。

第二方面，本申请提供一种对周向预应力自修复吐丝管进行扭曲加工的设备，对吐丝管内管施加旋转力，使内管相对于所述外管具有转动趋势。

可选的，所述吐丝管扭曲加工设备为摆动液压缸，于内管相对入口处加工键槽，固定外管，使用摆动液压缸于内管相对入口中心处施加旋转力，并在入口处将内外管焊接。

通过采用上述技术方案，摆动液压缸精度高、易控制，能平稳的输出较大的扭矩；摆动液压缸输出扭矩作用在内管上，内管受力部分扭曲形变，形成预扭曲部，使得内管的预扭曲部及其下游部分能相对于外管旋转滑动。

可选的，所述吐丝管扭曲加工设备包括啮合连接的传动齿轮和施力齿环，所述传动齿轮转动安装于吐丝管上，所述施力齿环固设于预扭曲部扭曲形变的起始端或起始端上游；所述传动齿轮与用于驱使预扭曲部扭曲形变的动力源啮合传动连接。

通过采用上述技术方案，旋转动力源通过夹具临时固定在吐丝机上，驱使内管由输入端向输出端发生扭曲形变，待吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，内管朝向外管的输出端渐进地移位的同时，扭曲应力驱使内管的扭曲形变部分及其下游部分一起旋转滑动，实现内管内表面的大面积快速更新。

可选的，所述吐丝管扭曲加工设备包括啮合连接的传动齿轮和施力齿环，及安装在施力齿环上的弹性件，所述传动齿轮转动安装于吐丝管上，所述弹性件远离施力齿环的一端与预扭曲部扭曲形变的起始端或起始端上游相固接；所述传动齿轮与用于驱使预扭曲部扭曲形变的动力源啮合传动连接。

通过采用上述技术方案，旋转动力源通过夹具临时固定在吐丝机上，启动旋转动力源，弹簧率先形变蓄力，待吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，内管朝向外管的输出端渐进地移位的同时，弹簧的弹力驱使内管整体渐变地旋转滑动，实现内管内表面的大面积快速更新。

可选的，所述施力齿环为独立的配件，或由内管管壁压制出的环形齿槽构成。

第三方面，本申请提供一种吐丝管自修复方法,采用如下的技术方案：

一种吐丝管自修复方法，采用吐丝管扭曲加工设备，实现以下过程：

提供双层吐丝管，所述双层吐丝管的内管内衬于外管中，所述内管通过与外管的摩擦接触约束相对于外管的运动；

对内管施加旋转力，使内管相对于所述外管具有转动趋势；

双层吐丝管经历加热或冷却时，内管内衬于外管的部分相对于所述外管旋转滑动。

通过采用上述技术方案，吐丝管经历加热与冷却循环，通过摩擦接触约束相对运动的内管，将沿着外管渐进地移位，同时，施加在内管上的旋转力会使得内管的预扭曲部及其下游部分能相对于外管旋转滑动，提高内管内表面的更新面积及更新速度，从而更好地解决吐丝管过渡区域L的磨损问题。

可选的，对内管施加旋转力的方式为：固定外管，使用摆动液压缸于内管相对入口中心处施加旋转力，并在入口处将内外管焊接。

可选的，对内管施加旋转力的方式为：于内管入口处固设齿环结构，于外管或管头上转动设置传动齿轮；固定外管，使用旋转动力源与传动齿轮传动连接，经过齿牙啮合传动，驱使内管由输入端向输出端发生扭曲形变，对传动齿轮进行固定。

可选的，对内管施加旋转力的方式为：于内管入口处固接弹性件，弹性件上固接施力齿环，于外管或管头上转动设置传动齿轮；固定外管，使用旋转动力源与传动齿轮传动连接，经过齿牙啮合传动，使弹性件形变蓄力，对传动齿轮进行固定；由形变的弹性件驱使内管相对于外管渐变地旋转滑动。

可选的，所述弹性件处于压缩状态。

可选的，旋转动力源可持续性地提供动力。

附图说明

图1是实施例1中周向预应力自修复吐丝管的结构示意图；

图2是实施例1中内外管的配合状态示意图；

图3A至图3C为图解性的描述，示出了在加热与冷却循环期间作用在内管上的力；

图4是实施例3中周向预应力自修复吐丝管的结构示意图；

图5是实施例4中齿牙传动结构示意图；

图6是吐丝管内壁所受压力分布图；

图7是吐丝管内壁所受摩擦力分布图。

附图标记说明：1、外管；2、内管；3、管头；31、连接环；32、连接管；4、传动齿轮；5、施力齿环；6、弹簧。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种周向预应力自修复吐丝管。

实施例1

参照图1和图2，周向预应力自修复吐丝管包括外管1和内管2，外管1沿其输入端至输出端依次设置为直线导入段1A、弯曲变形段1B和稳定段1C，直线导入段1A、弯曲变形段1B和稳定段1C一体成型。外管1的材料为现有单层吐丝管常用的热稳定材料，如10CrMo918。

内管2为耐磨材料制成的直管，内管2的轴向尺寸为1000-4000mm，壁厚为2-8mm。内管2从直线导入段内衬于外管1，两者过渡配合，最大间隙为0.2mm，最大过盈为0.05mm，使得内管2仅通过与外管1的摩擦接触约束相对于外管1的运动；内管2与外管1构成了吐丝管主体。

内管2的耐磨材料可选为弹簧钢、双相不锈钢、高速钢、沉淀硬化不锈钢、高锰钢、球墨铸铁等。

已有研究表明，吐丝管的内壁倾向于直线导入段与弯曲变形段的过渡区域L中产生加速局部磨损，如果任其发展，该局部磨损会导致吐丝管内壁过早形成沟槽，接着导致产品穿透吐丝管管壁。

而该磨损问题可以通过以下方式得以解决：用内管2内衬于外管1，并且仅允许内管2通过它们相应的内外表面之间的摩擦接触而被限制在外管1内运动。

当吐丝管在使用中时，能够绕吐丝机轴线旋转，热轧产品通过吐丝管，在吐丝管中改直线运动为螺旋运动，形成的稳定线圈从吐丝管吐出。上述过程中，内管2由于与热轧产品接触而被加热。通常，热轧产品会在约900℃至1100℃的温度，这会使得将内管2加热至约400℃的温度。外管1由于其暴露于周围环境通常具有较低的温度。

此外，热轧产品穿过内管2时，与内管2摩擦，热轧产品的轴向力会对内管2施加一个驱动力FD。

如图3A中所示，由于内管2通过与热轧产品接触而被加热，因此内管2将进行膨胀，从而沿着朝向入口端(箭头FEE)和输出端(箭头FDE)的方向相反的两个方向施加力。膨胀力FEE和FDE足够克服摩擦阻力FF。膨胀力FEE被膨胀力FDE与驱动力FD的合力克服，从而引起内管2在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位。

如图3B中所示，当内管2的温度稳定时，没有膨胀力或收缩力。摩擦力FF克服驱动力FD，因此内管2保持固定在外管1之内。

如图3C中所示，当内管2冷却时，内管2将经历收缩，再次朝向入口端(箭头CEE)和输出端(箭头CDE)施加相反的两个力。力CEE和CDE足够克服摩擦力FF。收缩力CEE被收缩力CDE与驱动力FD的合力克服，从而引起内管2的入口端在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位。

因而，可以理解，当吐丝管经历加热与冷却循环时，内管2将沿着朝向外管1的输出端的一个方向渐进地移位，该渐进式移位将改变内管2与热轧产品摩擦接触的内表面，并因此更新内管2与热轧产品摩擦接触的内表面，避免内管2内壁任意区域持久的摩擦接触。如此，在同样的过钢量下，内管2内表面磨损深度降低至以前的15％左右，从而防止深沟乱丝等非正常换管现象。

本申请中，内管2轴向尺寸远小于外管1的轴向尺寸，当然也可以选为整体镶管，即内管2与外管1等长，两者均能够解决吐丝管内壁局部磨损过度的问题。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例的周向预应力自修复吐丝管对内管2施加有旋转预应力，内管2受力部分弹性扭曲形变，形成有预扭曲部；预扭曲部复位过程中，内管2的预扭曲部及其下游部分能相对于外管1旋转滑动，提高内管2内表面的更新面积及更新速度，从而更好地解决吐丝管过渡区域L的磨损问题。

本实施例中，由摆动液压缸对内管2施加旋转预应力；具体的，在内管2输入端处加工键槽，固定外管1，使用摆动液压缸于内管2相对入口中心处施加旋转力，旋转角度大于或等于10度，并在入口处将内外管1焊接。

如此，当吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，内管2扭曲形变的部分释放扭曲应力，逐渐恢复形变，并带动预扭曲部的下游部分一起旋转滑动，实现内管2内表面的更新。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于，本实施例由齿牙传动结构配合上旋转动力源对内管2施加旋转预应力。

参照图4，本实施例中，周向预应力自修复吐丝管还包括管头3，管头3主体呈中空管状结构，管头3输入端具有锥孔状的导入部，管头3输出端同轴固接有连接环31和连接管32，连接环31与管头3同外径，连接管32与管头3同内径，限位环的内径大于连接管32的外径，使两者之间留有间隔，此间隔不小于内管2的壁厚。

吐丝管主体与管头3配合时，内管2套设在连接管32上，内管2的输入端伸入到连接管32与连接环31之间的间隔中，外管1的输入端抵接在连接环31上，最后在外管1与连接环31的接缝处焊接。

齿牙传动结构包括传动齿轮4和施力齿环5，传动齿轮4可转动安装在管头3的连接环31上，或转动安装在外管1上；相应的，在连接环31上或外管1管壁上径向贯穿开设有安装口，传动齿轮4通过转轴安装于安装口中，传动齿轮4与管头3同轴线，且传动齿轮4的齿面穿出安装口。管头3或外管1上设置有将齿轮保持在固定状态的限位结构，如顶丝或棘爪结构。

施力齿环5可以设置为独立的配件，固接在内管2端部；或者，通过在内管2管壁上压制齿槽形成施力齿环5。施力齿环5的外径不大于外管1内径，能够随内管2一起套设在连接管32上；传动齿轮4与施力齿环5啮合连接。

旋转动力源通过夹具临时固定在吐丝机上，与传动齿轮4啮合传动连接。对内管2施加扭曲预应力时，启动旋转动力源，经过齿牙啮合传动，驱使内管2由输入端向输出端发生扭曲形变，旋转角度大于或等于10度，用限位结构对传动齿轮4进行固定，停止旋转动力源，将其从吐丝机上拆下。

待吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，驱动力FD驱使内管2的入口端在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位；同时，扭曲应力驱使内管2的扭曲形变部分及其下游部分一起旋转滑动，实现内管2内表面的大面积快速更新。

吐丝机正常停机修整时，再临时固定旋转动力源，解除传动齿轮4的固定状态，再次对内管2施加扭曲预应力，保障内管2内表面的高新速率。

如旋转动力源自身具有自锁功能，可将旋转动力源一直固定在吐丝机上，并取消传动齿轮4的限位结构；由旋转动力源持续地为内管2施加扭曲预应力。

旋转动力源可选为电机、气缸等。

实施例4

本实施例与实施例3的区别在于，参照图5，本实施例的齿牙传动结构包括传动齿轮4、施力齿环5及弹性件，传动齿轮4与实施例3中的传动齿轮4结构、布置方式相同；施力齿环5为独立的配件，位于内管2输入端上游；弹性件位于施力齿环5与内管2之间，将两者固接在一起。施力齿环5的外径不大于外管1内径。

弹性件可选为弹簧6、扭簧或卷簧等，本实施例中以弹簧6为例进行说明。弹簧6的一端与内管2端部相固接，另一端与施力齿环5相固接。

吐丝管主体与管头3配合时，施力齿环5和弹簧6随内管2套设在连接管32上，外管1的输入端抵接在连接环31上，传动齿轮4与施力齿环5啮合连接，弹簧6压缩在施力齿环5与内管2端部之间，最后在外管1与连接环31的接缝处焊接。

旋转动力源通过夹具临时固定在吐丝机上，与传动齿轮4啮合传动连接。对内管2施加扭曲预应力时，启动旋转动力源，旋转动力源的施力方向与弹簧6螺向相同；经过齿牙啮合传动，弹簧6率先压缩蓄力和形变蓄力，用限位结构对传动齿轮4进行固定，停止旋转动力源，将其从吐丝机上拆下。弹簧6的弹力作用在内管2上，使得内管2具有旋转的趋势。

待吐丝管经历加热与冷却循环时，膨胀力或收缩力克服摩擦力，驱动力FD和弹簧6的弹力共同驱使内管2的入口端在外管1内朝向外管1的输出端渐进地移位；同时，弹簧6的弹力驱使内管2整体渐变地旋转滑动，实现内管2内表面的大面积快速更新。

吐丝机正常停机修整时，再临时固定旋转动力源，解除传动齿轮4的固定状态，再次对弹簧6施加预应力，保障内管2内表面的高新速率。

如旋转动力源自身具有自锁功能，可将旋转动力源一直固定在吐丝机上，并取消传动齿轮4的限位结构；由旋转动力源持续地为弹簧6施加预应力。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。