无缝钢管轧制变形过程有限元模拟

无缝钢管轧制变形过程有限元模拟

高鑫磊

天津钢管集团股份有限公司天津300200

摘要：钢管的轧制过程是无缝钢管生产中的一个重要工序，是一个典型的非线性，热力耦合为特点的多机架孔型轧制过程，直接影响后续工厂加工和产品精确度计算，本文将215mmx14mm的毛管轧制过程作为研究，通过对孔径参数进行优化，并提高轧制后钢管尺寸的精确度作为最终目的。对实际工厂生产数据进行分析，利用非线性有限元模拟软件建立三维热力耦合有限元模型，来实现仿真钢管的轧制过程，这对于完善轧制工艺具有十分重要的意义。

关键词：无缝钢管；轧制；变形；动力学；有限元模拟；

无缝钢管是一种经济断面型材，广泛应用于社会生活的各个领域，在国民经济发展中占据主要的地位，近几年，我国在无缝钢管生产上增加速度远超粗钢生产，而且各行各业对于钢管的质量和产量越来越受到重视，从一定程度上说，行业的发展也促进了无缝钢管行业的发展，但随着无缝钢管的应用带给人们的生产和生活的便利，是国民经济建设中的重要原材料，国内的钢管质量和品种都无法满足实际生产需要。据统计，我国的钢管从年产量，规格，品种等方面都低于发达国家，而且很大程度上是依赖于国外无缝钢管装备技术，自主创新能力不够，无缝钢管的供求矛盾日益突出，因此，尽管国内的生产量大，但对于精密度高的产品仍然无法满足。此外，无缝钢管轧制技术正处于不断发展过程中，尤其是在轧制中的弹塑性变形过程，传统的解析方法很难精确分析真实的边界条件，几何双重非线性等，目前对于连轧管机的孔径设计主要还是参考人为的生产经验，有限元方法是综合考虑多种因素并对划分出来的小单元进行单独处理的一种塑性加工过程，经过有限元模拟能够对变形区状态进行定性和定量研究，以提高轧制工艺水平，从而提高产品质量。

一、当前钢管轧制生产技术所面临的现状

无缝钢管轧制工艺技术是以长芯棒的连续纵轧为基础的，连轧管机已经有100多年的发展史了，但是在20世纪中连轧管技术才伴随计算机技术，液压技术等发展和广泛应用起来，并扮演着重要的作用，后来发展了三种典型的连轧管工艺，分别是全浮动芯棒，半浮动芯棒和限动芯棒连轧管工艺。全浮动芯棒为代表的机组热轧管只能用冷拔坯料，而且生产效率低，产品质量差，当前主要用的是三辊连轧管工艺，相比其他连轧管机组，在变形应力，电气负荷，孔型椭圆度等方面表现了很大优势，而且可以实现在线脱棒，采用先进的控制技术，能够将产品规格，厚度，成材率做到高精确。

连轧管工艺技术主要集中在轧管工艺技术和自动化控制技术两个方面，前者是对芯棒运行速度和控制，连轧机架数目以及穿孔机组和张力减径机组的变化，后者是对计算机技术和由工艺发展形成的连轧管工艺自动控制软件包，近几年，使用了三辊封闭式孔型，连轧管机采用了5-6架机架数目，而且采用了液压压下装置，芯棒前行循环方式，可以提高连轧管机的生产效率。

二、无缝钢管生产工艺流程

无缝钢管生产是将实心的管坯穿孔，并轧制成空心状的断面钢管，根据不同的机组类型，所需要的产品技术也不尽相同，但是所有的工艺流程都要经过轧前准备阶段，加热轧制，调整，加工和包装这几个流程，穿孔和轧管是基本的环节，在无缝钢管生产工艺中，可以分为3个主变形工序，穿孔，轧管，减定径。穿孔是将管坯穿制成管状毛管，轧管是根据所需要的壁厚进行热轧制，减定径是根据最终所要求的外径进行调整。

三、有限元分析软件的应用现状

无缝钢管轧制变形过程相对复杂，在非线性和对软件处理接触上要求比较高，比如ABAQUS软件，虽然在国内研究滞后，可以参考的资料也较少，但是操作界面简单，用户在前后处理上比较方便，在处理非线性问题上，由于其运行速度和计算精确度高，使得获得越来越多的认可。

四、无缝钢管轧制有限元模拟相关理论研究

钢管轧制变形过程比较复杂，涉及到传热学和弹塑性变形理论的知识，芯棒和轧辊会影响钢管的运动和变形，同时还受到其反作用，作为主要的变形工具，直接决定了金属的流动状态，而且芯棒的运动方式也会影响金属的变形，通过金属影响轧辊的状态。与传统的简单轧制过程相比，对于圆孔型轧制，钢管的几何条件复杂一些，分析钢管变形过程的参数需要借助几何学研究，限动芯棒三辊连轧是复杂的三维变形过程，需要掌握好对限动芯棒三辊连轧管机的轧制状态，对管材在轧制中各参数的变化规律，主要是力能参数进行分析，这对于实际管材生产指导是十分重要的，连轧管机的力能参数包括轧制力和力矩，单位压力，摩擦力等参数，其中轧制力和力矩在变性工具和电气设计中是作为主要参考依据的，这些数据的准确度直接影响到后续的轧辊设计，进而影响产品质量的好坏。

有限元法是将一个连续体用单个单元离散，通过对单元作分片插值，来解决数学，物理问题的一种数值方法，方便解决一些复杂结构，复杂边界问题和初始条件的各种复杂问题。基本思路是，先将连续体按照一定规律进行离散化，在通过单元节点连接起来，对单元组成的集合进行合理分析，得到单元节点的参数，并获得连续体变形的分析结果；选择位移模式，针对离散后的典型单元进行分析，推测单元位移的分布情况，用速度和位移来表示单元的应变情况；计算等效节点力；建立单元刚度矩阵，根据单元节点上的力与位移之间的关系确定单元刚度方程，并组合成整个工件的刚度矩阵，建立整体方程；用线性化方法计算各个单元的应力和应变情况，对未知的结点位移进行求解。

五、小结

钢管的轧制过程是热轧无缝钢管生产工艺的一个重要工序，本文采用ABAQUS软件根据实际生产数据建立了三维热力耦合有限元模型对实际轧制过程进行仿真模拟，我们将实际工程模型转化成数值模型，并进行仿真计算，与现场数据对比，证明仿真的可靠性，对于钢管轧制变形后很难计算壁厚，提出了新的计算方法，即高精度壁厚计算，能够确保轧制后的钢管壁厚精确度对于孔型参数优化评价的准确性，之后根据仿真软件的分析结果，对钢管轧制过程中出现的等效应力场，温度变化和金属流动规律进行深入研究，更加科学得对孔径参数进行优化指导，优化孔型控制参数，比较了不同孔型参数下钢管轧制之后的壁厚分布，进一步提高了产品的质量。

参考文献：

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