鋼管張力減徑軋制橫向壁厚分布的有限元分析

鋼管張力減徑軋制橫向壁厚分布的有限元分析

1張力減徑機(jī)機(jī)組采用孔型張力衰減直徑作為連接水管的最終過(guò)程，對(duì)成品管道的成品質(zhì)量有重大影響。而張減機(jī)孔型設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到金屬變形的均勻性,對(duì)改善張減過(guò)程產(chǎn)生的橫向壁厚不均及由孔型輥縫處過(guò)充產(chǎn)生的“輥印”缺陷,具有實(shí)際意義。寶鋼鋼管分公司的3輥張力減徑機(jī)機(jī)組長(zhǎng)期以來(lái)一直使用德國(guó)曼內(nèi)斯曼傳統(tǒng)的橢圓孔型Bo及圓孔型Br。2001年起,采用寶鋼專有技術(shù)設(shè)計(jì)的100D、RDBH多邊化優(yōu)化孔型,全面取代原德國(guó)引進(jìn)的傳統(tǒng)孔型并取得顯著效果。本文借助MARC有限元分析軟件分別對(duì)100D、RDBH、Br孔型進(jìn)行模擬軋制分析。2管道支架的有限模擬2.1張力及金屬流動(dòng)鋼管張力減徑時(shí)的外工具是軋輥,管子在由3個(gè)軋輥所組成的孔型中變形,沒(méi)有內(nèi)工具,在減徑的同時(shí)減壁。鋼管的外徑尺寸主要由孔型限定。為了達(dá)到減壁的目的,需在管子上施加張力,金屬變形發(fā)生在三維空間,金屬流動(dòng)非常復(fù)雜。MARC作為目前世界上功能較強(qiáng)的非線性結(jié)構(gòu)分析有限元軟件,在處理這類幾何非線性、材料非線性及邊界非線性的三維問(wèn)題上,與同類軟件相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.2張減機(jī)的7架結(jié)構(gòu)模擬對(duì)象選擇成品外徑?108mm,壁厚12.5mm的鋼管產(chǎn)品,使用的孔型分別為152.5B100D、152.5BRDBH、152.5Br,張減機(jī)的機(jī)架數(shù)都是11架。由于這3種孔型的5架成品機(jī)架均采用Br孔型,為了縮短計(jì)算時(shí)間及避免有限元網(wǎng)格的畸變,只模擬前6個(gè)主變形機(jī)架的連軋過(guò)程,孔型參數(shù)詳見(jiàn)表1。2.3簡(jiǎn)化模型的建立軋件根據(jù)孔型對(duì)稱性取荒管整個(gè)截面的六分之一,以對(duì)稱面節(jié)點(diǎn)切向位移為零作為邊界條件。網(wǎng)格單元采用8節(jié)點(diǎn)等參元描述,共640個(gè)單元。軋輥孔型是對(duì)軋輥軸線對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)面。奇數(shù)機(jī)架與偶數(shù)機(jī)架互成60°排列。為了減少計(jì)算時(shí)間,在不影響計(jì)算精度的情況下,對(duì)模型作以下簡(jiǎn)化:(1)軋輥看作剛體,只考慮軋件的變形;(2)軋輥間距縮短至變形區(qū)長(zhǎng)度的2.5倍;(3)軋輥與軋件間的接觸摩擦采用軋制剪切模型,摩擦因數(shù)取平均值0.4。不考慮張力減徑過(guò)程中的熱效應(yīng)。各機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速參考實(shí)際的軋輥轉(zhuǎn)速給定,在機(jī)架間建立一定的張力。模擬開(kāi)始時(shí),先將軋件推入第1機(jī)架,然后軋件在軋輥的帶動(dòng)下依次被各個(gè)機(jī)架咬入,當(dāng)軋件到達(dá)第6機(jī)架出口后,模擬計(jì)算結(jié)束。軋件和軋輥的幾何模型見(jiàn)圖1。3模擬結(jié)果分析在模擬結(jié)果文件中,取穩(wěn)定軋制階段軋件在最后1個(gè)機(jī)架出口截面的數(shù)值作分析。按圖2所示方位進(jìn)行取值。3.1孔型對(duì)壁厚的影響圖3為BRDBH、B100D、Br孔型軋后軋件橫向壁厚分布圖。由圖可見(jiàn),BRDBH和B100D孔型軋制鋼管的橫向壁厚分布具有相似性,兩者之間只有程度上的差異,沒(méi)有規(guī)律上的分別。而B(niǎo)r孔型軋制鋼管的橫向壁厚分布規(guī)律與之有明顯的不同,這是由孔型結(jié)構(gòu)決定的。B100D和BRDBH孔型同屬多邊化孔型,兩者具有相同的孔型結(jié)構(gòu)。分析BRDBH、B100D、Br孔型軋后軋件橫向壁厚極差值可見(jiàn),3種孔型中,經(jīng)BRDBH孔型軋制的軋件壁厚極差值最小,B100D孔型與BRDBH孔型相當(dāng),而B(niǎo)r孔型最差,見(jiàn)圖4。張力減徑時(shí)鋼管在軋輥輥縫處的壁厚會(huì)出現(xiàn)不同程度的增厚。BRDBH、B100D、Br這3種孔型的輥縫處軋件壁厚的比較(圖5)可知,Br孔型所軋鋼管輥縫處壁厚的增厚現(xiàn)象最為明顯,B100D和BRDBH孔型的情況相當(dāng),B100D孔型略好于BRDBH孔型,即:Br孔型與B100D和BRDBH孔型相比更易產(chǎn)生外表“輥印”缺陷。3.2孔型的等效塑性應(yīng)變圖6~8分別為BRDBH、B100D、Br孔型軋后軋件等效塑性應(yīng)變分布圖。如圖所示,3種孔型的等效塑性應(yīng)變呈層狀分布,其數(shù)值沿軋件徑向由外至內(nèi)逐漸增大,孔型輥縫處的等效塑性應(yīng)變小于槽底處的等效塑性應(yīng)變。由于模擬同一規(guī)格的產(chǎn)品,等效塑性應(yīng)變的最大值相當(dāng)接近,但分布規(guī)律卻有明顯的不同。多邊化孔型的等效塑性應(yīng)變呈不對(duì)稱分布,最大值出現(xiàn)在槽底,輥縫處的等效塑性應(yīng)變明顯比槽底處小,而B(niǎo)r孔型的等效塑性應(yīng)變呈對(duì)稱分布,雖然最大值同樣出現(xiàn)在槽底,但輥縫和槽底處的數(shù)值很接近。也就是說(shuō),多邊化孔型結(jié)構(gòu)大大改善了孔型輥縫處的變形狀態(tài),可避免出現(xiàn)嚴(yán)重的軋折現(xiàn)象,對(duì)鋼管外表“輥印”缺陷有抑制作用。另外,Br孔型等效塑性應(yīng)變呈對(duì)稱分布的特性,致使Br孔型在軋制中小口徑厚壁管時(shí),與多邊化孔型相比,更易形成較規(guī)則的內(nèi)六方缺陷,嚴(yán)重影響鋼管的管形甚至導(dǎo)致壁厚超差而判廢。4多邊化孔型與傳統(tǒng)孔型的比較多邊化孔型已于2001年全面替代傳統(tǒng)孔型投入生產(chǎn)應(yīng)用。實(shí)際生產(chǎn)表明,多邊化孔型在壁厚均勻性和外表質(zhì)量方面都優(yōu)于傳統(tǒng)孔型,與模擬結(jié)果較為一致。圖9為BRDBH、B100D、Br孔型軋制鋼管的壁厚相對(duì)極差正態(tài)分布。5擬合成的模型檢驗(yàn)通過(guò)BRDBH、B100D、Br孔型對(duì)軋制?108mm×12.5mm規(guī)格鋼管產(chǎn)品的張力減徑過(guò)程的有限元模擬,以及模擬管子橫向壁厚分布的分析,可得到以下結(jié)論:從孔型角度而言,德國(guó)Br孔型所軋鋼管的橫向壁厚極差較大,也更易在鋼管外表面產(chǎn)生“輥印”缺餡;BRD