錐形輥斜軋穿孔過程溫度場的研究

白麗楊，李勝祗，周志揚(yáng)

（1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.上海寶鋼股份公司鋼管廠，上海201900）

錐形輥斜軋穿孔過程溫度場的研究

白麗楊1，李勝祗1，周志揚(yáng)2

（1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.上海寶鋼股份公司鋼管廠，上海201900）

借助有限元軟件MSC.SuperForm對錐形輥斜軋穿孔過程進(jìn)行熱力耦合仿真實(shí)驗(yàn)，研究穿孔過程中軋件和頂頭的溫度場，分析管坯合金含量、軋輥送進(jìn)角對軋件和頂頭溫度場的影響，特別是對軋件溫升的影響。結(jié)果表明：穿制不同合金含量的鋼種時(shí)，在軋件縱剖面上溫度分布形態(tài)不同，隨合金含量的升高，變形區(qū)金屬的最高溫度由中間層向外表層靠近；隨著管坯合金含量與送進(jìn)角的增大，變形區(qū)金屬溫升增大，穿制高合金鋼管坯時(shí)溫升可達(dá)350℃以上，因此，在穿制高合金鋼管坯時(shí)溫升是應(yīng)考慮的重要因素。

錐形輥穿孔；溫度場；鋼種；送進(jìn)角；熱力耦合分析

無縫管斜軋穿孔工藝中，合理的開穿溫度是穿制優(yōu)質(zhì)毛管的重要條件，而穿孔過程中金屬的溫升是制定管坯開穿溫度的重要依據(jù)之一。變形溫度影響金屬的塑性和流動行為，從而影響其變形分布形態(tài)[1]，因此，斜軋穿孔過程中金屬和頂頭的溫升也是毛管缺陷成因分析、頂頭失效分析的依據(jù)，研究斜軋穿孔溫度場具有重要意義。

然而，在斜軋穿孔過程中，軋件的溫度變化及分布很復(fù)雜，金屬溫升的計(jì)算十分困難，并且很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確測量。近年來，許多學(xué)者利用有限元方法模擬了錐形輥斜軋穿孔過程[2-5]，對錐形輥穿孔過程中力能參數(shù)的影響因素進(jìn)行了研究。且部分學(xué)者對斜軋穿孔過程的溫度場進(jìn)行了研究，如，Nobuhiko等[6]認(rèn)為，軋件的溫度會隨著變形速度的變化而變化；李勝祗等[7]認(rèn)為塑性變形的熱效應(yīng)以及與環(huán)境之間的熱傳遞會影響軋件的溫度分布；謝玲玲等[8]應(yīng)用有限元方法分析得出軋件和頂頭的最高溫度，但是忽略了軋件與變形工具及周圍環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)；陸璐等[9]用有限元的方法分析了斜軋穿孔過程中軋件的內(nèi)外表面溫度的變化，但是忽略了頂頭溫度場與軋件溫度場的相互影響，且未涉及到穿孔溫升的大小。鑒于此，筆者利用有限元模擬的方法，考慮穿孔過程中的熱力學(xué)現(xiàn)象，將頂頭作為傳熱的變形工具處理，研究斜軋穿孔過程中不同因素對溫度場的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 孔型構(gòu)成

錐形輥穿孔孔型由內(nèi)外變形工具即軋輥、導(dǎo)盤、頂頭等構(gòu)成，各變形工具的位置如圖1。

穿孔工藝參數(shù)取自國內(nèi)某廠穿孔機(jī)，變形工具的主要尺寸、轉(zhuǎn)速分別見表1，2，頂頭直徑為136 mm，對應(yīng)于軋輥送進(jìn)角α=8°～12°，頂頭錐角βp=2.6°～2.8°。穿孔調(diào)整參數(shù)見表3。

表1 穿孔軋輥參數(shù)Tab.1 Technological parameters of piercer

表2 穿孔頂頭和導(dǎo)盤參數(shù)Tab.2 Parameters of plug and guide disc

表3 穿孔調(diào)整參數(shù)Tab.3 Adjusting parameters of piercing

1.2 坯料尺寸、材質(zhì)及單元劃分

圓坯直徑Φ178 mm，穿制毛管規(guī)格Φ184 mm× 14 mm。模型中管坯長度選取600 mm，兼顧兩方面的要求，一是軋件能充滿變形區(qū)并建立穩(wěn)定軋制狀態(tài)，二是縮短計(jì)算時(shí)間。將管坯離散分為9 450個單元，橫截面上189個單元，長度方向50個單元，如圖2。在模擬中，使用網(wǎng)格再造技術(shù)。

1)考慮鋼種的影響因素

為探究坯料合金含量對溫度場的影響，選取合金含量不同的坯料鋼種C22(w(Cr)≤0.4%，w(Ni)≤0.4%)，S-13Cr(w(Cr)=13%～14%，w(Ni)=4%～5%)和X12CrNi18-8(w(Cr)=17%～19%，w(Ni)=8%～10%)。溫度為1 100℃，變形速率8 s-1時(shí)3種鋼坯的流變應(yīng)力如圖3。由圖3可知，合金含量逐漸升高，流變應(yīng)力(變形抗力)逐漸增大。穿孔軋輥參數(shù)如表1，軋輥送進(jìn)角α=12°，根據(jù)表2，3選取頂頭參數(shù)及穿孔工藝參數(shù)建立3個錐形輥斜軋穿孔模型。

2)考慮送進(jìn)角的影響因素

為方便計(jì)算，考慮送進(jìn)角因素時(shí)，選取較易計(jì)算的C22鋼種作為坯料，送進(jìn)角分別設(shè)為8°，10°和12°。穿孔軋輥參數(shù)如表1，根據(jù)表2，3分別選取不同送進(jìn)角對應(yīng)的頂頭參數(shù)及穿孔工藝參數(shù)建立3個錐形輥斜軋穿孔模型。

1.3 頂頭材質(zhì)及單元劃分

為使實(shí)驗(yàn)?zāi)M更接近真實(shí)穿孔過程，將頂頭作為可變形工具處理，考慮頂頭與軋件溫度場的相互影響。頂頭的工作環(huán)境惡劣，材質(zhì)一般應(yīng)為耐高溫且具有高強(qiáng)度的鋼種，選擇的頂頭材質(zhì)為X54NiCrMoW4，將頂頭離散為3 924個單元，如圖4。

1.4 初始條件和邊界條件

將軋輥、導(dǎo)盤和頂桿視為恒溫剛形體，軋輥和導(dǎo)盤的溫度設(shè)為150℃，頂桿的溫度設(shè)為90℃；開穿時(shí)管坯溫度均勻，C22的開穿溫度為1 200℃，S-13Cr和X12CrNi18-8的開穿溫度為1 150℃；頂頭的初始溫度設(shè)為25℃。

1)位移邊界條件

斜軋穿孔過程中，頂頭在軸向(軋件前進(jìn)方向)由頂桿支撐而固定，但可隨軋件自由旋轉(zhuǎn)，所以頂頭前端中心節(jié)點(diǎn)的徑向位移為零，即Ux=Uy=0，頂頭軋制方向位移Uz=0。

2)界面摩擦

本模型摩擦類型選用剪切摩擦，軋輥入口錐與軋件的摩擦因子為0.95，出口錐與軋件的摩擦因子為0.6；導(dǎo)盤與軋件的摩擦因子為0.5；頂頭與軋件的摩擦因子設(shè)為0.4。

3)溫度邊界條件

頂頭在穿孔時(shí)要承受高溫高壓，工作環(huán)境惡劣，本模型中頂頭內(nèi)部設(shè)循環(huán)冷卻水以降低頂頭的溫度，因此頂頭內(nèi)壁的溫度設(shè)為90℃。

4)傳熱邊界條件

穿孔過程中的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象是一個復(fù)雜的熱力學(xué)問題，軋件的自由表面存在熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三類邊界條件，對于大多數(shù)金屬，變形功的90%轉(zhuǎn)化為熱量[10]。設(shè)定在軋輥和軋件之間的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)為35 kW/(m2·K)，頂頭和軋件之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為25 kW/(m2·K)，軋件和環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為200 W/(m2·K)，頂頭和環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為150 W/(m2·K)，工件、頂頭的熱對流系數(shù)為200 W/(m2·K)。

2 模擬結(jié)果的分析與討論

2.1 鋼種對穿孔溫度場的影響

2.1.1 不同鋼種軋件溫度場分析

軋件與工具界面上的摩擦生熱、與環(huán)境之間的熱交換和塑性變形熱效應(yīng)均影響軋件溫度的大小及分布，不同鋼種的軋件縱截面上溫度分布如圖5。

由圖5(a)可看出：C22坯料的開軋溫度1 200℃，最高溫度分布在變形區(qū)金屬的中間層，為1 247℃，這部分溫升主要是金屬塑性變形熱效應(yīng)引起的；最低溫度分布在內(nèi)表層，內(nèi)表層金屬與冷的頂頭之間的熱交換使得金屬產(chǎn)生溫降；外表層溫度約1 230℃，外表層金屬受到軋件與軋輥的摩擦生熱以及金屬的塑性變形熱效應(yīng)影響引起溫升，而軋件與環(huán)境[11]、工具之間存在熱交換影響引起溫降，兩方面的同時(shí)作用使得外表層金屬溫度低于中間層金屬溫度。

由圖5(b)，(c)可看出：S-13Cr，X12CrNi18-8坯料的開軋溫度均為1 150℃，溫度由內(nèi)表面到外表面均逐漸升高，最高溫度均分布在外表層，分別達(dá)到1 253，1 505℃，這是因?yàn)閮烧呔鶠楹辖痄?，其?qiáng)度高，變形抗力大，軋輥的軋制力增大，因此表面摩擦增大，產(chǎn)生的摩擦熱增多，加上金屬的塑性變形熱效應(yīng)使得兩者的外表層金屬溫升很大；兩者外表層金屬的溫度均大于中間層，因?yàn)橹虚g層金屬的溫升是由塑性變形熱效應(yīng)引起，而外表層由摩擦熱和塑性變形熱引起，所以外表層溫升大。內(nèi)表層溫度最低，變形區(qū)金屬和頂頭之間的熱傳遞使得溫度降低。

根據(jù)以上分析可知：C22，S13Cr，X12CrNi18-8管坯變形區(qū)金屬的最大溫升分別為ΔtC22=47℃，ΔtS-13Cr= 103℃，ΔtX12CrNi18-8=355℃。即隨著合金含量的升高，變形區(qū)金屬的溫升逐漸增大，因?yàn)楹辖鸷吭礁撸冃慰沽υ酱?，軋制時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱和塑性變形熱越多，累積的熱量使得金屬溫度升高；X12CrNi18-8合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～39%，表明高合金鋼斜軋穿孔時(shí)，金屬溫升超過350℃。

2.1.2 穿制不同鋼種頂頭溫度場分析

穿制不同鋼種時(shí)，頂頭的溫度分布形態(tài)基本相同，圖6，表4為穿制C22鋼種時(shí)頂頭的溫度分布。由圖6和表4可看出，頂尖位置的溫度最高，沿軋制方向從頂尖往后逐漸降低。因?yàn)樵诖┛走^程中，頂頭在圓坯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的帶動下轉(zhuǎn)動，頂尖部位與變形金屬劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得頂尖部位溫度急劇升高；穿孔錐與金屬的摩擦較小，產(chǎn)生的摩擦熱較少，因此穿孔錐部位溫度較低；同時(shí)頂頭與金屬接觸存在熱傳導(dǎo)，變形區(qū)金屬將一部分熱量傳遞給頂頭，也使得頂頭溫度升高。

圖7表示在同一變形量，穿制不同坯料時(shí)頂頭的最高溫度。由圖7可知，穿制C22，S-13Cr，X12CrNi18-8坯料，頂頭的最高溫度分別為1 080，1 237，1 253℃，S-13Cr與X12CrNi18-8頂頭溫升大于1 200℃。可以看出在同一變形量時(shí)，合金含量越高，頂頭最高溫度越大。因?yàn)榻饘僦泻辖鸷吭礁?，金屬變形抗力越大，頂頭與金屬之間的摩擦越大，產(chǎn)生的摩擦熱越多，頂頭的溫升也越大；同時(shí)，頂頭與金屬之間存在接觸傳導(dǎo)，合金含量越高，變形區(qū)金屬的溫升越大，傳遞給頂頭的熱量越多，致使頂頭溫升逐漸增大。

表4 圖6中各曲線的溫度Tab.4 Temperature of the curves in fig.6

2.2 送進(jìn)角對穿孔溫度場的影響

2.2.1 不同送進(jìn)角時(shí)軋件的溫度場分析

不同送進(jìn)角下變形區(qū)金屬的最大溫升如圖8。圖8表明，同一變形量時(shí)，隨著送進(jìn)角的增大，變形區(qū)金屬的最大溫升也增大。因?yàn)樗瓦M(jìn)角越大，軋制速度越快，金屬流變應(yīng)力高，塑性功越大，溫升越高；送進(jìn)角越大，在軋制到同一變形量時(shí)，所用的時(shí)間越少，變形區(qū)金屬與頂頭、軋輥和環(huán)境之間的熱量傳遞時(shí)間短，熱量散失少，故變形區(qū)金屬在同一變形量時(shí)，送進(jìn)角越大，溫升越大。

從圖8還可以看出，送進(jìn)角＞10°，隨送進(jìn)角的增大，溫升增加的幅度減小。因?yàn)樗瓦M(jìn)角越大，變形速率越大，等效變形與附加變形越小，附加變形轉(zhuǎn)換成的熱能也越小[12]，送進(jìn)角從8°增加到12°時(shí)，附加變形熱逐漸減小，而附加變形是塑性變形的一部分，因此隨著送進(jìn)角的增大，塑性變形熱增加的量逐漸減小，溫升增加的幅度減小。

2.2.2 不同送進(jìn)角時(shí)頂頭的溫度場分析

不同軋輥送進(jìn)角穿孔時(shí)，同一軋制進(jìn)程時(shí)頂頭最高溫度見圖9。由圖9可見，隨送進(jìn)角增大，頂頭溫度逐漸升高。頂頭的溫升主要是由與金屬之間摩擦產(chǎn)生的摩擦熱以及金屬傳遞的熱量引起的，結(jié)合圖8，送進(jìn)角越大，變形區(qū)金屬的溫升越大，傳遞給頂頭的熱量越多，因此頂頭的溫升增大。

由圖9還可看出，送進(jìn)角＞10°，隨送進(jìn)角增大，頂頭溫升增加幅度減小。結(jié)合圖8可知，送進(jìn)角＞10°時(shí)，隨著送進(jìn)角的增大，變形區(qū)金屬的溫升增加幅度減小，因此變形區(qū)金屬傳遞給頂頭的熱量也增加，但是增加的幅度減??；同時(shí)，由于送進(jìn)角越大，軋制到同一變形量時(shí)，所用的時(shí)間就越少，金屬與頂頭之間的熱量傳遞時(shí)間少，傳遞的熱量相應(yīng)減少，因此隨著送進(jìn)角增大，頂頭的溫升幅度減小。

3 結(jié) 論

1)穿制不同合金含量的鋼種，軋件變形區(qū)金屬溫升的差別明顯，尤其穿制高合金鋼管坯時(shí)，溫升超過350℃，因此制定高合金管坯開穿溫度時(shí)要重視溫升的影響。

2)不同合金含量的管坯穿孔時(shí)，沿軋件縱切面上的溫度分布形態(tài)不同。隨著合金含量的升高，變形區(qū)金屬的最高溫度由中間層向外表層靠近，頂頭的溫升越大，穿制合金鋼時(shí)，頂頭局部溫升大于1 200℃。

3)斜軋穿孔過程中，送進(jìn)角越大，變形區(qū)金屬和頂頭的溫升增大；由于附加變形熱與送進(jìn)角的減函數(shù)關(guān)系，因此隨著送進(jìn)角的增大，變形區(qū)金屬和頂頭溫升增加的幅度減小。

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責(zé)任編輯：何莉

Research on Temperature Field During Cross Piercing with Cone-roll Piercer

BAI Liyang1,LI Shengzhi1,ZHOU Zhiyang2
(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China;2.Steel Tube &Pipe Company,Bao Steel Co.Ltd.,Shanghai 201900,China)

With the finite element software MSC.SuperForm,a thermo-mechanical coupled simulation of tube piercing process with cone-roll piercer was simulated,the temperature field of the workpiece and plug was investigated during the piercing process.The influence of alloy content of steel and roll feed angle on the temperature field,especially on the temperature rise of metal was analyzed.Results show that the temperature distribution has different pattern along the longitudinal section of the workpiece for tube rounds of different alloy content.With the increase of alloy content,the highest temperature of metal moves from the middle layer to the surface of the workpiece;With the increase of alloy content in tube rounds and feed angle,the temperature rising in the metal increases,especially piercing high grade steel,the temperature rising is more than 350℃,therefore the temperature rising,as an important factor,should be considered when piercing high grade steel.

cone-roll piercing;temperature field;steel grade;feed angle;thermo-mechanical coupled analysis

TG335.71

A

0.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.004

2015-05-08

白麗楊（1988-），女，安徽宿州人，碩士生，主要研究方向?yàn)殇摴苘堉乒に嚒?/p>

李勝祗（1955-），男，安徽宣城人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殇摴艹尚卫碚摗?/p>

1671-7872(2015)-04-0315-05