EP1078700B1 - Verfahren zur Drehzahlsteuerung zwecks Minimierung der Innenpolygonbildung - Google Patents

Verfahren zur Drehzahlsteuerung zwecks Minimierung der Innenpolygonbildung Download PDF

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EP1078700B1
EP1078700B1 EP00250266A EP00250266A EP1078700B1 EP 1078700 B1 EP1078700 B1 EP 1078700B1 EP 00250266 A EP00250266 A EP 00250266A EP 00250266 A EP00250266 A EP 00250266A EP 1078700 B1 EP1078700 B1 EP 1078700B1
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tube wall
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/78—Control of tube rolling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B17/00—Tube-rolling by rollers of which the axes are arranged essentially perpendicular to the axis of the work, e.g. "axial" tube-rolling
    • B21B17/14—Tube-rolling by rollers of which the axes are arranged essentially perpendicular to the axis of the work, e.g. "axial" tube-rolling without mandrel, e.g. stretch-reducing mills

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the pipe wall thickness in one long - stand continuous stretch reduction rolling mill with facilities for Measurement of the pipe wall thickness behind the stretch reducing mill, a Computer unit for measured value processing and a device for speed control the drive motors (see, for example, JP-A-62 192 210).
  • the deformation of the tube takes place during stretch reduction in a variety one behind the other arranged scaffolding, whereby by speed variation in the individual Scaffolds generated an interaction between the scaffolds and thus the Wall thickness of the finished pipe is set specifically.
  • the transformation in the Stretch Reduction Rolling Line (SRW) is today usually in three-roll stands. So that the rolling stock does not enter the gap when reducing the pipe diameter enters between the rollers and as a result surface markings occur, the caliber of the rolls is not circular but - in the three-roll stand three-sided - oval. This three-sided form of the caliber is basically unavoidable. Only the last framework of a scaffold series used becomes generally circular executed. This is possible because the diameter change in this framework is small. It is necessary because the finished rolled pipe should be largely circular.
  • the "ovality" of the caliber must depend on the diameter reduction, the Wall thickness of the pipe, etc. are optimally adjusted. Will the ovality be too small? selected, one receives markings and damages of the outer surface. Will the Ovality chosen too large, it comes to pronounced wall thickness irregularities in the cross-section of the stretch-reduced tube. These wall thickness irregularities have a hexagonal shape (in the three-roll stand) and are called mecanicpolygon designated. Like all wall thickness deviations, so does the Interior polygon formation a loss of quality. Since the inner polygon formation u.a. of the Wall thickness or, better said, the ratio of wall thickness to pipe diameter is dependent, one needs to produce a large wall thickness range in the Usually different calibrations of the rolls, i.
  • Object of the present invention is, using the speed control of Rolling A method of minimizing internal polygon formation during stretch reduction to create seamless pipes.
  • the invention proposes that computer-controlled change in the rotational speeds of the drive motors during the Pipe run kept the total extension constant and thereby the Inner polygon formation is reduced to a minimum.
  • the inventive method solves the problem of the above-described State of the art in that during the production process, a reduction the mecanical perfection by means of a control loop and variation of a Switzerlandparameters is performed.
  • the train parameter defines a change in the Speed series and thus the train distribution in the rolling mill in such a way that the Total stretch in the rolling mill is unaffected. Because between the parameter of Train distribution and internal polygon formation there is a clear correlation Manages to reduce the internal polygon formation automatically, without the wall thickness of the front pipe to influence.
  • a change of the train has different inner polygon formation Effects, depending on whether they are on the upstream or downstream side of the SRW takes place.
  • a dependence of réellepolygonön of Train parameters This is the prerequisite for a control process for Reduced internal polygon formation.
  • a possible control loop looks like this.
  • the polygon measure at the SRW leaking pipe is detected during the pipe run by measurement (e.g. by means of US wall thickness measurement), the dependence of the polygonal dimension on variation of the tension parameter is determined and the parameter adjusted so that the Interior polygon formation is minimal.
  • the constancy of the elongation is e.g. thereby ensuring that the Speed variation already in the process planning for each dimension of the Rolling program is defined so that the average train in the SRW remains the same. Also can during the production operation an adaptive calculation method for this be used.
  • Figure 1 describes the formation of an inner polygon and the calculation of the polygonal dimension P.
  • the wall thickness of the tube in the region of the caliber base of the roller is denoted by s a , the wall thickness in the region of the center of the caliber side with s b .
  • Due to the hexagonal symmetrical design of the inner pipe contour can be found pipe cross-sectional areas s a and s b almost the same deformation in each case at six points.
  • the wall thickness values measured at these points are averaged as shown in Figure 1.
  • the polygonal dimension P has a positive value when the location of the smaller wall thickness is in the caliber bottom, it has a negative value when the location of the smaller wall thickness is in the middle of the caliber flank.
  • Figure 2 illustrates the dependence of the polygon measure on the train.
  • the Polygon measure increases linearly as the tension increases. For small draft values it is negative, positive for large draft values.
  • the draw value at which the polygon measure equals Zero is called optimal train.
  • Figure 3 shows a possible variation of the train distribution, in which the total extension in the stretch reduction mill remains constant.
  • train course ZP 1 in the inlet side region of the stretch-reducing mill train and thus the stretching of the rolling stock is higher than in the outlet side area.
  • train distribution ZP 2 train and extension over the scaffolding places are approximately equally distributed.
  • tension and extension are smaller in the inlet side stands than in the outlet side.
  • Figure 4 shows the dependence of the polygonal dimension on the train parameter ZP.
  • the polygon increases linearly as the tensile parameter increases.
  • ZP 1 , ZP 2 and ZP 3 are concrete states of train variation, which is infinitely adjustable. From the dependence of the polygonal dimension on the tensile parameter determined during the rolling operation, the value of the tensile parameter for which the polygonal dimension is equal to zero is determined.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Rohrwanddicke in einer vielgerüstigen kontinuierlichen Streckreduzierwalzstraße mit Einrichtungen zur Messung der Rohrwanddicke hinter der Streckreduzierwalzstraße, einer Rechnereinheit zur Meßwertverarbeitung und einer Einrichtung zur Drehzahlsteuerung der Antriebsmotoren (siehe z.B. JP-A-62 192 210).
Bei der Herstellung nahtloser und geschweißter Stahlrohre wird häufig das sogenannte Streckreduzieren eingesetzt, um in sehr flexibler Weise aus wenigen Vorproduktabmessungen eine Vielzahl in Durchmesser und Wanddicke unterschiedlicher Fertigrohrabmessungen zu erzeugen. Der Vorteil dieses Verfahrens, das ohne Innenwerkzeug auskommt, liegt in der schnellen und kostengünstigen Variation von Wanddicke und Durchmesser.
Die Umformung des Rohres erfolgt beim Streckreduzieren in einer Vielzahl hintereinander angeordneter Gerüste, wobei durch Drehzahlvariation in den einzelnen Gerüsten eine Wechselwirkung zwischen den Gerüsten erzeugt und damit die Wanddicke des Fertigrohres gezielt eingestellt wird. Die Umformung in der Streckreduzierwalzstraße (SRW) erfolgt heute in der Regel in Dreiwalzengerüsten. Damit das Walzgut bei der Reduktion des Rohrdurchmessers nicht in den Spalt zwischen den Walzen eintritt und infolgedessen Oberflächenmarkierungen auftreten, wird das Kaliber der Walzen nicht kreisrund sondern - im Dreiwalzengerüst dreiseitig - oval ausgeführt. Diese dreiseitige Form des Kalibers ist grundsätzlich unvermeidbar. Nur das letzte Gerüst einer eingesetzten Gerüstreihe wird im allgemeinen kreisrund ausgeführt. Dies ist möglich, da die Durchmesseränderung in diesem Gerüst klein ist. Es ist erforderlich, da das fertig gewalzte Rohr weitestgehend kreisrund sein soll.
Die "Ovalität" des Kalibers muß in Abhängigkeit von der Durchmesserreduktion, der Wanddicke des Rohres etc. optimal eingestellt werden. Wird die Ovalität zu klein gewählt, erhält man Markierungen und Beschädigungen der Außenoberfläche. Wird die Ovalität zu groß gewählt, kommt es zu ausgeprägten Wanddickenungleichmäßigkeiten im Querschnitt des streckreduzierten Rohres. Diese Wanddickenungleichmäßigkeiten haben eine sechseckige Form (beim Dreiwalzengerüst) und werden als Innenpolygon bezeichnet. Wie alle Wanddickenabweichungen so bedeutet auch die Innenpolygonbildung eine Qualitätseinbuße. Da die Innenpolygonbildung u.a. von der Wanddicke oder besser gesagt vom Verhältnis Wanddicke zu Rohrdurchmesser abhängig ist, benötigt man zur Erzeugung eines großen Wanddickenbereiches in der Regel unterschiedliche Kalibrierungen der Walzen, d.h. unterschiedliche Ovalitäten der Walzenkalibrierung. Da das Vorhalten von Walzgerüsten einen erheblichen Aufwand bedeutet, setzt man im allgemeinen nur zwei unterschiedliche Kalibrierungen ein, eine runde mit geringer Ovalität der Kaliberöffnung für dickwandige Rohre sowie eine ovale mit großer Ovalität der Kaliberöffnung für dünnwandige Rohre. Im übrigen wird versucht die Innensechskantbildung klein zu halten, indem die mittlere Zugspannung oder der ,Zug' im Walzgut bei der Umformung optimal eingestellt wird.
Wählt man ein bestimmtes Maß der Innenpolygonbildung, so stellt man durch Versuche fest, daß sich das Polygonmaß in Abhängigkeit vom Zug linear ändert. Zur Änderung des Zuges wird die Wanddicke des Vorrohres geändert. Da die Steigung und die Lage der Kurve von vielen Einflußgrößen (Verhältnis Wanddicke zu Durchmesser des Rohres, Kaliberform, Walzendurchmesser, Temperatur, Werkstoff,...) abhängig ist, bedarf es eines großen Versuchsaufwandes, um für ein komplettes Walzprogramm eine Zugoptimierung durchzuführen. Hat man diese Optimierung mit viel Mühe durchgeführt, erzielt man trotzdem nicht immer innenpolygonarme Rohre, da aktuelle Änderungen der Einflußgrößen unvermeidbar sind. In dieser Situation kann wieder versucht werden, die Innenpolygonbildung zu reduzieren, indem die Luppenwanddicke geändert wird. Dies ist aber je nach Rohrwalzverfahren der vorgeschalteten Umformstufe nicht ohne Zeitverlust und Aufwand möglich. Letztendlich sind viele Rohrhersteller mit diesem Problem der Qualitätseinbuße aufgrund von Innenpolygonbildung konfrontiert, treiben einen erheblichen Aufwand um die Produktqualität zu verbessern oder nehmen geringe Produktqualität in Kauf.
Neben den Wanddickenabweichungen, die im Querschnitt des Rohres auftreten und über der Länge des Rohres nahezu konstant sind, gibt es Wanddickenabweichungen, die über der Länge der Rohre auftreten. Es existieren zwar Drehzahlsteuerungsverfahren und -einrichtungen mit denen diese Wanddickenabweichungen über der Länge des Walzgutes ausgeglichen werden, nicht jedoch Drehzahlsteuerungsverfahren zur Reduzierung der Innenpolygonbildung. Für die oben beschriebene Zugoptimierung ist eine gezielte Variation der Luppenwanddicke erforderlich. Die Luppenwanddicke kann aber nicht Steuerungsglied eines Regelkreises sein, da sie in einem anderen, unabhängig vom SRW arbeitenden Walzaggregat erzeugt wird. Nach dem Stand der Technik muß eine Innenpolygonbildung infolge aktuell sich ändernder Umformbedingungen in Kauf genommen werden und es muß ein erheblicher Aufwand getrieben werden, um im Vorfeld der Produktion eine Optimierung durchzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Einsatz der Drehzahlsteuerung der Walzen ein Verfahren zur Minimierung der Innenpolygonbildung beim Streckreduzieren nahtloser Rohre zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß durch rechnergesteuerte Veränderung der Drehzahlen der Antriebsmotoren während des Rohrdurchlaufes die Gesamtstreckung konstant gehalten und dadurch die Innenpolygonbildung auf ein Minimum reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst das eingangs beschriebene Problem des Standes der Technik dadurch, daß während des Produktionsprozesses eine Reduktion der Innenpolygonbildung mittels eines Regelkreises und Variation eines Zugparameters durchgeführt wird. Der Zugparameter definiert eine Änderung der Drehzahlreihe und damit der Zugverteilung im Walzwerk in der Weise, daß die Gesamtstreckung im Walzwerk unbeeinflußt bleibt. Da zwischen dem Parameter der Zugverteilung und der Innenpolygonbildung ein eindeutiger Zusammenhang existiert, gelingt es, die Innenpolygonbildung automatisch zu reduzieren, ohne die Wanddicke des Vorrohres zu beeinflussen.
Der Zugparameter wird so definiert, daß bei seiner Änderung die Drehzahlverhältnisse in einer Walzgerüstgruppe erhöht werden und zugleich in einer anderen Walzgerüstgruppe vermindert werden, so daß die Streckung des Rohres insgesamt konstant bleibt. Hierbei wird davon Gebrauch gemacht, daß die die Innenpolygonbildung beeinflussenden Größen innerhalb der Gerüstreihe der Streckreduzierwalzstraße im allgemeinen sehr unterschiedlich sind. Vergleicht man den einlaufseitigen Bereich der Streckreduzierwalzstraße mit dem auslaufseitigen, so stellt man hier
  • ein kleineres Verhältnis von Rohrwanddicke zu Rohrdurchmesser
  • ein größeres Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Walzendurchmesser
  • eine höhere Temperatur
  • eine größere Kaliberovalität
fest. Hinzu kommen Einflüsse von der Bauweise des SRW, wie zum Beispiel eine festgelegte Charakteristik der einstellbaren Drehzahlkurven.
Eine Änderung des Zuges hat hinsichtlich der Innenpolygonbildung unterschiedliche Effekte, abhängig davon, ob sie im einlaufseitigen oder im auslaufseitigen Bereich des SRW stattfindet. Mithin ergibt sich eine Abhängigkeit der Innenpolygonbildung vom Zugparameter. Damit ist die Voraussetzung für einen Steuerungsvorgang zur Reduzierung der Innenpolygonbildung gegeben.
Ein möglicher Regelkreis sieht wie folgt aus. Das Polygonmaß an dem aus dem SRW auslaufenden Rohr wird während des Rohrdurchlaufes meßtechnisch erfaßt (z.B. mittels US-Wanddickenmessung), die Abhängigkeit des Polygonmaßes bei Variation des Zugparameters wird ermittelt und der Parameter so eingestellt, daß die Innenpolygonbildung minimal ist.
Die Konstanz der Streckung wird z.B. dadurch sicher gestellt, daß die Drehzahlvariation schon bei der Prozeßplanung für jede Abmessung des Walzprogrammes so definiert wird, daß der mittlere Zug im SRW gleich bleibt. Auch kann während des Produktionsbetriebes ein adaptives Berechnungsverfahren hierfür eingesetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der Abbildungen 1 bis 4 erläutert:
Abbildung 1 beschreibt die Ausbildung eines Innenpolygons und die Berechnung des Polygonmaßes P. Die Wanddicke des Rohres im Bereich des Kalibergrundes der Walze wird hier mit sa gekennzeichnet, die Wanddicke im Bereich der Mitte der Kaliberflanke mit sb. Aufgrund der sechseckig symmetrischen Ausbildung der Rohrinnenkontur findet man Rohrquerschnittsbereiche sa und sb nahezu gleicher Deformation jeweils an sechs Stellen. Die an diesen Stellen gemessenen Wanddickenwerte werden wie in der Abbildung 1 angegeben gemittelt. Das Polygonmaß P hat einen positiven Wert, wenn die Stelle der kleineren Wanddicke im Kalibergrund liegt, es hat einen negativen Wert, wenn die Stelle der kleineren Wanddicke in der Mitte der Kaliberflanke liegt.
Abbildung 2 veranschaulicht die Abhängigkeit des Polygonmaßes vom Zug. Das Polygonmaß nimmt mit größer werdendem Zug linear zu. Bei kleinen Zugwerten ist es negativ, bei großen Zugwerten positiv. Der Zugwert, bei dem das Polygonmaß gleich Null ist wird als ,optimaler Zug' bezeichnet.
Abbildung 3 stellt eine mögliche Variation der Zugverteilung dar, bei der die Gesamtstreckung in der Streckreduzierwalzstraße konstant bleibt. Beim Zugverlauf ZP1 wird im einlaufseitigen Bereich der Streckreduzierwalzstraße der Zug und damit die Streckung des Walzgutes höher als im auslaufseitigen Bereich. Bei der Zugverteilung ZP2 sind Zug und Streckung über den Gerüstplätzen etwa gleich verteilt. Bei ZP3 sind Zug und Streckung in den einlaufseitigen Gerüsten kleiner als in den auslaufseitigen.
In Abbildung 4 ist die Abhängigkeit des Polygonmaßes vom Zugparameter ZP dargestellt. In diesem Beispiel nimmt das Polygonmaß mit Erhöhung des Zugparameters linear zu. ZP1, ZP2 und ZP3 sind konkrete Zustände der Zugvariation, die stufenlos einstellbar ist. Aus der während des Walzbetriebes ermittelten Abhängigkeit des Polygonmaßes vom Zugparameter wird der Wert des Zugparameters bestimmt, für den das Polygonmaß gleich Null ist.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Steuerung der Rohrwanddicke in einer vielgerüstigen kontinuierlichen Streckreduzierwalzstraße mit Einrichtungen zur Messung der Rohrwanddicke hinter der Streckreduzierwalzstraße, einer Rechnereinheit zur Meßwertverarbeitung und einer Einrichtung zur Drehzahlsteuerung der Antriebsmotoren,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch rechnergesteuerte Veränderung der Drehzahlen der Antriebsmotoren während des Rohrdurchlaufes die Gesamtstreckung konstant gehalten und dadurch die Innenpolygonbildung auf ein Minimum reduziert wird, wobei die Veränderung der Drehzahlen derAntriebsmotoren in der Weise erfolgt, dass die Drehzahlverhältnisse in einer Walzgerüstgruppe erhöht werden und zugleich in einer anderen Walzgerüstgruppe vermindert werden.
  2. Verfahren zur Steuerung der Rohrwanddicke nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Polygonmaß an dem aus dem SRW auslaufenden Rohr, z.B. mittels US-Wanddickenmessung, während des Rohrdurchlaufes messtechnisch erfasst wird, die Abhängigkeit des Polygonmaßes bei Variation des Zugparameters ermittelt wird und der Parameter so eingestellt wird, daß die Innenpolygonbildung minimal ist.
  3. Verfahren zur Steuerung der Rohrwanddicke nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherstellung der Konstanz der Streckung bei der Prozessplanung die Drehzahlvariation für jede Abmessung des Walzprogrammes so definiert wird, dass der mittlere Zug im SRW gleich bleibt.
  4. Verfahren zur Steuerung der Rohrwanddicke nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass während des Produktionsbetriebes ein adaptives Berechnungsverfahren für die Drehzahlvariation eingesetzt wird.
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