钢管张减变形和机架间张力分析
14机架微张力定(减)径过程壁厚分布的有限元研究
备 ，微张力定 （ 径时没有 内部工具 ，３ 减） 个轧辊构 成的孑 型对金属流动进行约束 ．在减径的同时实现 Ｌ 减 壁 …。钢 管 在 微 张 力 定 （ ） 时 受 到 孑 型 形状 、 减 径 Ｌ 张力分布、机架间距等多种复杂因素的影响 ，容易 产生横向壁厚不均、头尾端增厚等产品质量缺陷［ ２ ］ 。 由于微 张力定 （ ） 减 径过 程金属 变形发 生在三维 空 间 ， 金属流动规律难以掌握 ．使得减径技术带有较强的
维普资讯
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１ ７
１ ４机架微 张力定 （ ） 减 径过 程壁 厚分布 的有 限元研究
于 辉 ，杜 凤 山 ，臧 新 良 ，汪 飞 雪
（ 山大学机械工 程学 院 ，河北 秦皇 岛 ０ ６ ０ 燕 ６ ０ ４）
Ｂ一～ ～＿山 一～一 ¨． 一～一 ～一＿ 一． ｈ ～川 ．一 ｎ甜 戛～ ￡ ｎ堇 Ⅲ
（Ｍａ ｈｎ ｒ ｎ ｉｅ ｒ ｇＣ ｌ ｇ ，Ｙａ ｓ ａ ｎｖｒｉ ，Ｑｉｈ ａ ｇ ａ ６ ０ ４ ｈｎ ｃ ｉｅｙＥ ｇｎ ｅｉ ｏｌ ｅ ｎ ｅ ｎ ｈ ｎＵ ｉｅｓ ｙ ｔ ｎ ｕ ｎ ｄ ｏ０ ６ ０ ，Ｃ ｉａ）
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析，或对相关的经验公式进行修正 ，建立适 当的数 学解 析模 型 ．定性 分 析各 参数 对头 尾 端壁 厚 增厚 的
影响 ．对 热 轧壁厚 生 产线 进行 控制 ，以减 小 管端 切
损。对于横向壁厚不均问题 ，文献［ ］ 由 １ 个机 ６对 １ 架组 成 的微 张力定 （ ） 机组 前 面 ６架进 行 连 轧模 减 径 拟研究 ．分析孑 型对横向壁厚分布的影响。 Ｌ 利 用 ＭＳ ． ｒ 件 对 １ ＣＭａｃ软 ４机 架 三 辊 微 张力 定
张减机工艺
轧制力
140kN（最大）
入口速度
0.5~1.4m/s
出口速度
0.51~7m/s（最大）
2.1 定径前的除鳞设备
高压水压力： 25Mpa
喷水环类型：
a
5
3 传动设备
电机数 6
主电机I （1~8架） 名义输出功率90/900——900KW
最大输入功率162/1620——1620KW
输出速度80/800——2000 n/m
叠加电机（1~8架） 名义输出功率25/250——250KW
最大输入功率45/450——450KW
输出速度80/800——1600 n/m
主电机II （9~14架） 名义输出功率90/900——900KW
最大输入功率162/1620——1620KW
输出速度80/800——2000 n/m
叠加电机II（9~14架） 名义输出功率25/250——250KW
最大输入功率45/450——450KW
输出速度80/800——1600n/m
主电机Ⅲ（15~24架） 名义输出功率90/900——900KW
最大输入功率162/1620——1620KW
输出速度80/800——2000 n/m
叠加电机Ⅲ（15~24架） 名义输出功率63/630——630KW
最大输入功率113.4/1134——1134KW
入口辊道
除鳞箱
入口导嘴
24机架张减
出口导嘴
预留热飞锯
测量装 置
a
4
1 产品特性
入口荒管外径（热态） 175mm(132mm)
入口荒管壁厚（热态） 4.2~22.1mm(3.3~18.2mm)
入口荒管长度
10.2m~27.5m
张力减径机的动力学和运动学的分析
张力减径机的动力学和运动学分析文章主要对三辊式张力减径机进行分析，主要分析张力减径机的动力学和运动学原理，通过对张力减径机的速度分析、转速分析和速度控制来分析张力减径机运动学特征，通过对张力减径机受力分析、张力减径机轧制压力和轧制扭矩动态特性分析。
张力减径机是现代化的生产机组，它的功能和优越性使其在大型无缝钢管生产中不可或缺。
随着我国钢管工业的发展张力减径机组正被广泛运用。
对三辊式张力减径机进行分析，该机组是90年代研制的，具有许多独特的优点。
以下分析张力减径机的运动学和动力学原理。
1.张力减径机的运动特性1.1.运动学特征在张力减径的过程中，要求各个机架的延伸系数和轧辊圆周协调一致，同时，决定连续轧机运行的基本条件要求通过每个机架的第二股金属流相等。
在所有的机架都充满金属而C不等于0的情况下，对于每对轧辊在任意瞬间都遵守秒流量、相等的原则，这种相等可通过轧辊和金属之间的滑移达到。
因此当C不等于0时，减径机任何一个机架中的变形条件发生变化，都会影响其余机架中的变形条件，但由于连轧过程本身存在着相适应，自相调整的过程，因此，即使在这种相互作用的复杂关系中，还原过程仍然可以在任何时刻保持第二个流相等。
但是当差别较大时，必然会造成严重的拉钢和推钢，轻者不能获得所需的钢管尺寸，重者连轧过程不能建立，甚至出现事故，因此较为准确的计算各机架转速是很重要的。
1.2.张力减径机的速度控制当轧管转速确定后，必须采用适当的方法进行测定以控制轧辊的速度。
无论拉伸减径机是单独驱动还是整体驱动，速度必须控制在一定水平内，以确保正确的张力。
2.张力减径机的动态分析2.1.张力减径过程中的外力分析张力减径实际上是无芯棒连轧。
符合圆孔型中轧管时的外作用力关系。
按力学原理，轧制工具对金属施加的外力主要是正压力（垂直于工具表面）以及相对运动而产生的摩擦力（垂直于正压力）。
考虑每个零件沿孔槽宽度的应力条件要复杂得多，不过还是两个力——正压力和摩擦力。
钢管张力减径工艺特点及设备选型
由不可调机架发展到成品机架用可调机架,增加了产品的生产灵活性,并且对产品的尺寸精度有了更好的控制。定径机+张力减径机的工艺布置对提高延伸机组的生产能力，简化其生产管理具有积极的作用。张力减径研究理论则是由按均匀变形的传统方法发展为利用计算机把张力减径按非均匀变形来计算的现代方法。
张力减径机专利自1９３2年出现后,由于其特有的工艺，在连轧管机组及其他方式生产无缝管的机组后,都广泛安设了张力减径机。张力减径机成为了三步轧管法(穿孔、延伸、精轧）中不可或缺的设备。针对机组不同的工艺要求，对张力减径机机型的选择就显得尤为重要。本文将介绍张力减径工艺的特点、各类张力减径机的特征及设备选型。
张力减径另一个特点是生产灵活，变更成品钢管的规格,其设备、电控方面所需的变动很少，生产调整时间较短。
张力减径的缺点及解决方法
在张力减径过程中，由于荒管的两端不承受张力或承受张力较小，并且减径量很大,所以此部分的增壁很多,内孔的形状更不规则,因此在张力减径后要将钢管的两端切去相当长的一段，增加了切头尾损失,降低了钢管成材率。目前张力减径机组可配有切头控制系统（CEC)、平均壁厚控制(WTCA)、局部壁厚控制（ＷTCL）、管长控制来提高钢管成材率。
按传动系统分类介绍
◇单独传动系统（直流单独传动）
代表机组：宝钢140机组后的2８机架张力减径机（可生产300多种规格)。
张力减径机每个机架有直流主电机，各自配有独立的直流调压供电装置,功率和调速范围大。其优点有：从工艺角度来看,单独传动系统对张力的调节最好,对成品钢管规格最大化是最有利的,对实现诸多过程控制提高钢管成材率及产品质量是最有利的;轧辊调速灵活、快速,调速精度很高,机组生产组织灵活；轧机传动结构被大大简化,使传动的可靠性提高;轧辊转速能迅速可靠改变,对实现切头尾损失控制(CEC)变得容易。
张力减径机理论资料
计算管端增厚的方法很多，我认为德国 Meer 厂和考克斯公司的的方法是较为
实用的计算方法。
德国 Meer 厂计算方法介绍如下。
1》 已 知
机 架 间 距 (m)： A
毛管 外 径(mm)：D0、毛管壁厚(mm)：S0；
钢管 外 径(mm)：D 、钢管壁厚(mm)：S
2》 计 算
1） 延 伸 系 数
µ＝ S0*(D0－ S0)/［ S*(D－ S)］
3
△ D＝ (D0－ D)/D0 Zm— — 所 有 机 架 中 钢 管 总 的 平 均 张 力 系 数
3、 减 径 的 几 个 工 艺 问 题
3、1 管端增厚
1） 产生管端增厚的机理和特征
在 钢 管 头 部 出 了 第 一 机 架 但 还 没 有 进 入 第 二 机 架 时 ，这 一 段 钢 管 就 没 有 张 力 的
2） 毛 管 壁 厚 系 数
ν 0＝ S0/D0
3） 钢 管 壁 厚 系 数
ν ＝ S/D
4） 平 均 壁 厚 系 数
ν m＝[(ν0＋ν)/2＋(S0＋S)/(D0＋D)]/2
4
5） 减 径 率
ρ ＝ 1－ D/D0
6） 轴 向 对 数 变 形
Φ e＝ LN(µ)
7） 切 向 对 数 变 形
Φ t＝ LN((D－ S)/(D0－ S0))
δ i＝ 1－ (1－ ρ i)ε ε ＝ [2Zi(ν i-1－ 1)＋ (1－ ν i-1)]/[Zi(1－ ν i-1)－ (2－ ν i-1)] δ i— — 第 机 架 中 钢 管 的 相 对 减 壁 量
δ i＝ (Si-1－ Si)/Si-1 ρ i— — 第 机 架 中 钢 管 的 相 对 减 径 量
张力对减定径轧制中轧件变形影响的有限元分析@王会廷安徽工业大学
３１ 张力轧制时轧件尺寸的变化 ．
采用图 １ 中孔型（）（）来料圆坯半径 Ｒ＝ （ ，ｂ ， ａ
式中 只、 －— 第 １ －１ 只１ ， 机架轧机出口轧件断 １
１．９ ｍ ４４４ ｍ时， 建立两架次有限元连轧模型， 先
按表 １中轧辊速度设置 Ｒ Ｍ１Ｒ Ｍ２轧辊转速， Ｓ ， Ｓ
面积
２．５ ４４１
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２．９ ４ １７ ２．７ ４ １４ ２．８ ４ １４
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段和尾部宽度尺寸对应表， 根据表中数据并结合 高速线材轧制精度（ 轧制精度可达士０１ ）为 ． ｍ ， ｍ 了既能保证在微张力下轧制， 又能够控制轧制精 度， 堆拉率宜控制在 。０２ － ００ ．０＾０ １ 之间。 ．
万方数据
钒铁研究
２４
．６
第３卷 ６
图３ 在其它轧制条件（ Ｓ 来料尺 可看出， Ｒ Ｍ２ ２４ …４ 寸、 温度、 摩擦系数等） 相同的情况下， 随着前张力 日 ２４ 或后张力的增加， 轧件宽展都大致呈线性减少。 日 、侧 ２４ 但后张力的影响要比前张力显著， 这是因为宽展 耘 橄 变形主要发生在后滑区， 随着后张力的增大， 使后 解 ２３ …８ 滑区内的金属质点纵向流动阻力减少， 必然使延 ２３ 伸加大， 宽展减小。因此， 根据前、 后张力对轧件 ２３ 宽展影响程度不同的分析， 在高速线材连轧设计 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ．１ ． － ． － ．１ ． ００ ００ ００ ００ ２ ０ ２ ． ３ ．４ 应对圆孔型后张力的设定给予充分的注意， 圆 时， 堆拉率 孔型的轧件尺寸对产品质量的影响更为敏感。 图 ２ 不同张力条件下轧制轧件头、 尾部尺寸 中、
张力减径过程管形预报的有限元模型
钢管 在张减 时产生弹 塑性变 形 不 仅存在材料
，
上 的非线 性 ， 还存在 大位移变 形所引起 的几 何非线
基 金 项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目 （０ ４ ０ ６ ５３４３）
作者简介：于
辉 （９ ４ ） １７ 一 ，男，山东泰安人 。博士研究生 。主要研 究方 向为轧制过程工 艺理论及数值模拟 。
式 中，［ 圈 为单元 刚度矩 阵 ；
］ 为纯变 形矩 阵 ；
［］ 为应力校 正矩 阵；［ ］ 为等体积变 形矩阵 。
张量［． Ｌ ｇ ｎ ｅ Ｑ］ ａｒ ｇ 应力张量［ 的张量积。 与 ａ △
单元 刚度 矩阵 由 ３部分构 成，即
［ ＝ ］ ［ ］ ［ ］ 豳 ［ ＋ ＋ （） ２
图 ３ 钢 管 横 断 面单 元 划 分
Ｆｉ ｇ．３ Ｔｕ ｅ ｔｏ ｌｍ ｅ ｔｍ ｅ ｈ ｂｅｓ ｃ ｉ ｎ ｅｅ ｎ ｓ
型 ［］ ６。 － ７
本文 针 对 无缝 钢管 １ ８机架 三 辊 张 力减 径 过
程 ，进行 系统三维弹 塑性有 限元 建模分析 ， 模拟 钢
管减径 过程 中的金 属变形 ， 量分析横 向壁厚￣ ￣ 定 ＨＩ － 径分 布 ， 管断面 出现 了 内六方 ，并与现 场实测 数 钢 据进 行对 比， 证模型 的准确性 ，为提 高无缝钢 管 验 产 品质 量具有重 要指导作用 。
图 １ 张力 减 径 工 作 原 理
Ｆｉ． １ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｏ －ｏ ｌ ｔ ｔ ｈｒ ｄ ｃｎ ｌ ｎ ｇ ｃ ｅ ｔｃ ｆ ｒ ｌ ｓ ｅ ｃ ｅ ｕ ｉ ｇｒ ｌ ｇ ３ ｒ ｏｉ
１ 有 限元 模 型 建 立
张力减径的工艺原理及主要问题
包头钢铁职业技术学院学生毕业论文论文题目：张力减径的工艺原理及主要问题专业：冶金班级：冶金一班学生：李咏光指导教师：魏宁日期： 2010年3月31日目录摘要 (1)关键词 (1)引言 (1)1 张力减径机技术的发展 (1)2 张力减径机的作用 (1)2.1张力减径机的形式 (2)3 钢管定径、减径的工艺原理 (3)3.1 张力减径的优点、缺点 (3)3.2三辊定径、减径机减径与二辊定径减径机相比 (4)3.3张力径机的孔型 (5)3.4张力减径机与微张力减径机的不同 (8)3.5 管材热扩径方法 (8)4张力减径时管端偏厚的原因 (10)4.1影响张力减径机管端增厚的因素 (10)4.2影响管内多边形的因素 (11)结语 (11)参考文献 (12)张力减径机的工艺原理及主要问题摘要：简介了三辊定径机定径和减径的作用及形式，提出了定减径机工作时常出现的问题，进行了三辊定减径机和两辊定减径机的比较。
关键词：定减径机；壁厚；斜轧；张力引言:在无缝钢管生产的三大机组——穿孔机组、轧管机组、定减径机组中，人们一直十分关注轧管机的研究，先后开发出自动轧管机组、顶管机组、新型顶管机组（CPE）、三辊轧管机组、连轧管机组（包括浮动芯棒MM、限动芯棒MPM和半浮动芯棒连轧管机组等）、AccuRoll轧管机组、改进型三辊轧管机组。
但对于穿孔机组，仅在20世纪80年代初才提出菌式穿孔机。
而定减径机一直使用二辊式和三辊式，直到20世纪90年代初才提出三辊可调式定径机技术。
新型三辊可调式定径机技术是为满足现代钢管生产高效、优质、低耗的要求而开发的，它的开发成功也为无缝钢管的生产注入新的活力。
1张力减径机技术的发展张减工艺主要特点是边连续多机架二辊或三辊无芯棒纵轧，采用适当的孔型系使毛管外径减缩，通过机架系列中轧辊速比的调节获得预定的壁厚变化。
20世纪40年代无缝管机组被美国和西欧所用，这时的张减机都是二辊式，到了20世纪50年代，西德曼乃斯曼公司成功地奕用了三辊式张力减径机，从而代替了二辊式。