钢管热连轧过程壁厚变化三维有限元模拟仿真分析

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1、钢管热连轧过程壁厚变化三维有限元模拟仿真分析赵志毅洪慧平余勇周晓岚潘峰（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）（宝山钢铁股份有限公司钢管分公司，上海201900）摘要应用三维有限元模拟仿真技术，针对φ189×8mm规格无缝钢管8机架连轧过程进行了有限元建模与仿真分析，获得了热连轧管各机架横断面等效应力分布和各道次壁厚变化以及轧制力和芯棒力参数变化特点，并且得出连轧管过程完整的芯棒速度变化规律。研究结果对于了解连轧管工艺实质以及优化连轧工艺和有效提高钢管质量具有重要意义。关键词无缝钢管热

2、连轧管过程有限元模拟中图分类号TG335.6；TG335.4FiniteElementAnalysisofWallThicknessofHotContinuousMandrelRollingSeamlessTubeZHAOZhiyiHONGHuiping（SchoolofMaterialsScienceandEngineering,USTB,Beijing100083,China）YUYongZHOUXiaolanPANFeng（SteelTubeSubcompany,BaoshanIronand

3、SteelCo.,Ltd.,Shanghai201900,China）ABSTRACTTheeight-standhotmandrelmillrollingofФ189×8mmseamlesstubewassimulatedbyusing3-Dthermo-mechanicalcoupledFEM.Equivalentstressofacrosssectionatexitofdifferentpassaswellaswallthickness,rollingforceandmandrelforce

4、wereobtainedfromthesimulatedresults.Themandrelvelocityvs.rollingtimeduringeight-standcontinuousrollingwasstudieddeeply.Theanalysisresultscanbeusedtooptimizethemechanicalparametersofthehotcontinuousmandrelrollingforincreasingthequalityoftube.KEYWORDSSe

5、amlesssteeltube,continuousmandrelrolling,FEMsimulation1前言钢管连轧过程是无缝钢管生产的重要工序之一，由于涉及自由芯棒速度变化，各道次金属三维流动及不均匀塑性变形更具复杂性，连轧工艺方案制定的合理与否，直接影响到轧后钢管的尺寸精度和表面质量。因此对连轧管工艺过程涉及的复杂三维金属流动进行理论解析，分析其三维塑性变形规律、优化连轧工艺方案、提高钢管质量，具有重要理论意义和应用价值。由于有限元法（FEM）能够对轧制成形过程中复杂的塑性大变形及几何和

6、材料非线性进行详细分析并考虑多种物理参数间相互影响关系，因此有限元模拟仿真技术被认为是分析[1]和处理金属三维变形问题的有效研究工具。目前针对8机架连轧无缝管过程变形参数分布特点以及壁厚变化的模拟分析极少有文献报道。本文应用MSC.Marc有限元模拟仿真技术，以φ189×8mm为典型轧制规格，针对宝钢8机架浮动芯棒连轧管过程进行三维热力耦合有272限元建模与仿真分析，为优化连轧管工艺、提高产品质量提供了可靠理论依据。2连轧管过程有限元模型及相关边界条件2.1连轧管初始轧制条件选择20钢，连轧管套在

7、长芯棒上，经过相邻机架辊缝互错90°的8机架浮动芯棒连轧管机组轧制。采用椭圆-圆孔型系统，轧制规格为Ф189×8mm。毛管初始尺寸为Ф213.0×16.50mm，初始温度为1050℃，芯棒直径为169.5mm，芯棒温度为80℃。各机架轧辊直径均为550mm；第1机架辊缝值为11mm第2至4机架辊缝值为10mm，第5至7机架辊缝值为8mm，第8机架辊缝值为5mm；各机架轧辊转速分别为n1=129.29r/min，n2=175.36r/min，n3=194.80r/min，n4=215.78r/min

8、，n5=226.94r/min，n6=254.62r/min，n7=256.84r/min，n8=245.64r/min。20钢高温流变应力为：0.2098T−0.1332•()−2.609T+3.3210.3898（1）σ=152.7expε/10[]1.454()ε0.4−0.454()ε0.4其中：T=(t+273)/1000。2.2T91钢连轧管有限元模型及边界条件建立根据连轧管工艺特点，建立1/4对称性有限元模型，将荒管定义为弹塑性变形体，第1机架至第8机架轧