無縫鋼管張力減徑三維熱力耦合分析

羅大春，杜 濤，白 磊

（1.安陽鋼鐵股份有限公司，河南 安陽 455004；2.太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024）

張力減徑是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)的重要工序，張力減徑機是由一定數(shù)量機架所組成的，每個機架由三個有特殊孔型的軋輥構(gòu)成，在鋼管壁厚保持基本不變或略微減少的情況下，按照給定的規(guī)律，依次減小鋼管外徑，從而使之達(dá)到所需鋼管的尺寸要求。張力減徑機（SRM）對于產(chǎn)品的成材率有著直接的影響，因為在張力減徑過程中，金屬變形受到孔型形狀、道次減徑率、機架距離、張力系數(shù)等多種因素的影響，所以鋼管的內(nèi)部經(jīng)常會產(chǎn)生壁厚不均的現(xiàn)象［1］。國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者對此做了很多的研究工作，大部分都是對壁厚不均缺陷做簡單的動力學(xué)分析，很少有將應(yīng)力和溫度耦合起來完整的模擬整個張力減徑的過程。本文針對某鋼廠生產(chǎn)φ60 mm×10.5 mm無縫鋼管過程中所用的12機架張力減徑軋制工藝，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對最后六架張力減徑過程進(jìn)行了三維熱力耦合數(shù)值模擬，分析了鋼管減徑過程中的等效應(yīng)力、溫度的變化以及壁厚變化，對合理制定減徑工藝有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

1.1 張減過程描述

在熱軋無縫鋼管時，在進(jìn)入張減機組軋制之前，連軋管要通過再加熱爐加熱到900℃ ～1000℃.張減時鋼管內(nèi)部不帶芯棒，鋼管依次通過各機架孔型，完成鋼管的連續(xù)加工，在減徑的過程中同時實現(xiàn)減壁。張減機組的軋輥使用最多的是橢圓孔型，孔型的3個軋輥呈120°Y字形分布，此外，奇數(shù)機架與偶數(shù)機架互成60°交替排列［2-3］。

1.2 熱邊界條件

張減時管坯存在熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流三類邊界條件?？梢詫醾鲗?dǎo)概括為接觸傳熱；將熱輻射與熱對流近似看做非接觸傳熱處理，即看做等效換熱系數(shù)。在本模擬過程中，管坯初始溫度950℃，環(huán)境溫度取30℃，軋輥溫度取200℃，對流和輻射的等效換熱系數(shù)取150 W/（m2·℃），管坯與軋輥的接觸換熱系數(shù)取15 kW/（m2·℃），管子與軋輥的摩擦系數(shù)取 0.4，變形功轉(zhuǎn)換系數(shù)取 0.9［5］.

1.3 建立模型

張力減徑機組的建模機架數(shù)目是6架，軋輥的名義直徑是365 mm，機架間距為355 mm，荒管為φ120 mm ×10.5 mm，成品鋼管為 φ60 mm ×10.5 mm.為了適應(yīng)計算機計算能力和精度要求，只針對后六架進(jìn)行三維耦合模擬，第七架入口尺寸為φ80 mm×10.5 mm.為了簡化模型的，軋輥設(shè)為剛性體，并將軋輥抽空成曲面狀態(tài)，鋼管設(shè)置為彈塑性體；采用某廠現(xiàn)有的孔型和速度制度。利用Proe進(jìn)行后六機架的三維實體建模，然后保存為IGES格式，然后導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中，得到三維張力減徑的熱力耦合有限元模型如圖1所示。

圖1 三維張力減徑的熱力耦合有限元模型Fig.1 The thermal-mechanical coupled FEM model of 3D stretch reducing

2 模擬結(jié)果分析

圖2為鋼管過每一機架的溫度分布圖，從圖中知鋼管內(nèi)表面溫度下降較慢，外表面溫度下降較快，主要是接觸傳熱引起溫降，外表面輥縫和輥底處的溫度分布是不均勻的，輥縫處溫降比兩側(cè)受力區(qū)溫降稍慢。

圖3為鋼管過每一機架的應(yīng)力分布圖，可以看出這些場量分布都是不均勻的，最高應(yīng)力分布在輥底與軋件的接觸區(qū)域，最大值有388 Mpa，而最低的只有172.7 Mpa，出口端輥底處應(yīng)力大于輥縫處。

圖2 過每一機架的鋼管溫度分布圖Fig.2 The temperature distribution of steel pipe when passing every mill

圖3 過每一機架的鋼管等效應(yīng)力分布圖Fig.3 The stress distribution of steel pipe when passing every mill

圖4 橫向壁厚模擬變化分布與實測值比較Fig.4 The contrast of the distribution of tube wall thickness and the measured value

圖4為鋼管壁厚的分布情況與實測值的比較，由于截面形狀的對稱性，取鋼管的1/6對壁厚進(jìn)行定量分析，每5°確定一個測量點。從輥底至輥縫鋼管壁厚分布為0°對應(yīng)輥底位置，60°為輥縫位置。從圖可以看出來模擬值與實測值基本吻合，模擬值對實際生產(chǎn)有很大指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

（1）通過對鋼管張力減徑的數(shù)值模擬分析，得到了鋼管的應(yīng)力場、溫度場以及壁厚的分布情況，為制定合理的減徑工藝提供了參考。由于張力減徑過程鋼管溫度很高，因其彈性模量與冷態(tài)時相比變化很大，所以采用熱力耦合模擬可以有效地的反映鋼管不同溫度時的彈性模量，得出比較精確的結(jié)果。

（2）通過對六機架鋼管張力減徑進(jìn)行熱力耦合分析，可以看出應(yīng)力場，溫度場在輥縫和輥底處分布都是不均勻的。鋼管內(nèi)表面溫度下降較慢，外表面溫度下降較快，主要是接觸傳熱引起溫降，輥縫處溫降比兩側(cè)受力區(qū)溫降稍慢。最高應(yīng)力分布在輥底與軋件的接觸區(qū)域。

（3）模擬的壁厚分布情況與實際的壁厚分布情況基本一致，驗證了熱力耦合的可靠性，對實際生產(chǎn)有著重大的指導(dǎo)意義。

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