热轧无缝钢管张力减径过程数值模拟及仿真系统开发
微张力减径过程的数值模拟
微张力减径过程的数值模拟
李鹏来;黄秋波
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2011(000)003
【摘要】根据某厂13架微张力减径机的减径工艺,利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元软件对无缝钢管的张力减径过程进行模拟仿真,得到了减径过程中管坯的应变场和应力场的分布规律.基于实测算结果,分析了管坯经过各机架时轧制力的变化规律.所得结果与实际生产中管坯的轧制状况是相吻合的,表明了该模型的有效性.该模型可为张力减径在线工艺规程控制和离线生产管理提供有力帮助.
【总页数】3页(P222-224)
【作者】李鹏来;黄秋波
【作者单位】辽宁科技大学,机械工程及自动化学院,鞍山,114001;辽宁科技大学,机械工程及自动化学院,鞍山,114001
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TG335.7
【相关文献】
1.微界面扩散过程对二元合金凝固过程数值模拟的影响 [J], 冯妍卉;张欣欣
2.厚壁管张力减径过程数值模拟 [J], 李华奎
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4.一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究 [J], 周志敏;崔春光;
胡扬;康兆萍
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无缝钢管轧制变形过程有限元模拟
无缝钢管轧制变形过程有限元模拟摘要：钢管的轧制过程是无缝钢管生产中的一个重要工序，是一个典型的非线性，热力耦合为特点的多机架孔型轧制过程，直接影响后续工厂加工和产品精确度计算，本文将215mmx14mm的毛管轧制过程作为研究，通过对孔径参数进行优化，并提高轧制后钢管尺寸的精确度作为最终目的。
对实际工厂生产数据进行分析，利用非线性有限元模拟软件建立三维热力耦合有限元模型，来实现仿真钢管的轧制过程，这对于完善轧制工艺具有十分重要的意义。
关键词：无缝钢管；轧制；变形；动力学；有限元模拟；无缝钢管是一种经济断面型材，广泛应用于社会生活的各个领域，在国民经济发展中占据主要的地位，近几年，我国在无缝钢管生产上增加速度远超粗钢生产，而且各行各业对于钢管的质量和产量越来越受到重视，从一定程度上说，行业的发展也促进了无缝钢管行业的发展，但随着无缝钢管的应用带给人们的生产和生活的便利，是国民经济建设中的重要原材料，国内的钢管质量和品种都无法满足实际生产需要。
据统计，我国的钢管从年产量，规格，品种等方面都低于发达国家，而且很大程度上是依赖于国外无缝钢管装备技术，自主创新能力不够，无缝钢管的供求矛盾日益突出，因此，尽管国内的生产量大，但对于精密度高的产品仍然无法满足。
此外，无缝钢管轧制技术正处于不断发展过程中，尤其是在轧制中的弹塑性变形过程，传统的解析方法很难精确分析真实的边界条件，几何双重非线性等，目前对于连轧管机的孔径设计主要还是参考人为的生产经验，有限元方法是综合考虑多种因素并对划分出来的小单元进行单独处理的一种塑性加工过程，经过有限元模拟能够对变形区状态进行定性和定量研究，以提高轧制工艺水平，从而提高产品质量。
一、当前钢管轧制生产技术所面临的现状无缝钢管轧制工艺技术是以长芯棒的连续纵轧为基础的，连轧管机已经有100多年的发展史了，但是在20世纪中连轧管技术才伴随计算机技术，液压技术等发展和广泛应用起来，并扮演着重要的作用，后来发展了三种典型的连轧管工艺，分别是全浮动芯棒，半浮动芯棒和限动芯棒连轧管工艺。
无缝钢管张力减径过程快速仿真方法[发明专利]
![无缝钢管张力减径过程快速仿真方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e89347c5bcd126fff6050b06.png)
专利名称：无缝钢管张力减径过程快速仿真方法专利类型：发明专利
发明人：刘山,吴铁军,江文德
申请号：CN200510049137.7
申请日：20050225
公开号：CN1657191A
公开日：
20050824
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种无缝钢管张力减径过程快速仿真方法。
本发明以参与轧制机架的轧辊转速分布为输入、以轧制过程中钢管纵向壁厚变化为输出，将每一相邻机架对的张力减径过程作为一个子系统，以偏微分方程形式表达每个子系统，以方程的初始条件、边界条件和约束条件表示钢管和张力减径机的特征及子系统间的相互作用，建立张力减径过程中无缝钢管纵向壁厚变化的数学模型，采用差分方法将模型转化为便于计算机求解的递推形式。
本发明可根据荒管和孔型的特征数据，预测在不同轧制转速分布下钢管通过各机架时壁厚的变化情况，给出的仿真方法简洁、快速，其计算速度和精度能够满足无缝钢管壁厚实时控制的需要。
申请人：浙江大学,上海宝信软件股份有限公司
地址：310027 浙江省杭州市浙大路38号
国籍：CN
代理机构：杭州求是专利事务所有限公司
代理人：张法高
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厚壁管张力减径过程数值模拟
厚壁管张力减径过程数值模拟李华奎【摘要】通过对影响厚壁管张力减径工艺参数的研究,用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对厚壁管张力减径过程进行热力耦合数值模拟,分析了张力减径时钢管的应力与应变分布、温度分布、壁厚分布以及轧制力分布情况,为钢管张力减径工艺的优化提供了依据.【期刊名称】《甘肃科技》【年(卷),期】2014(030)024【总页数】4页(P72-75)【关键词】厚壁管;张力减径;热力耦合数值模拟【作者】李华奎【作者单位】酒泉钢铁(集团)有限责任公司,甘肃嘉峪关735100【正文语种】中文【中图分类】TG335.71无缝钢管的主要制造方法是热连轧。
张力减径工艺作为热轧无缝钢管的最后一道工序，直接影响钢管成品质量[1]。
张力减径工艺是指在没有芯棒的情况下，钢管依次通过多架正反椭圆或者圆孔型交替布置的机架(一般为6～28机架)。
相邻机架的轧辊呈60°交错布置，是为了保证钢管的周向变形均匀。
同时，合理配置各机架轧辊转速，使相邻机架间的轧辊转速形成一定的差值，以获得需要的张力值，防止出现堆钢和拉钢现象，以得到预期的壁厚尺寸。
在张力减径轧制过程中，钢管(尤其是厚壁管)常常产生内壁形状呈不规则六边形的缺陷（内六方），这种缺陷增大了钢管的废品率，增加了生产成本，造成了资源的浪费。
因此，研究张力减径时钢管的应力与应变分布、温度分布、壁厚分布以及轧制力分布情况对钢管张力减径工艺的优化设计有指导意义。
1 张力减径过程有限元模型的建立1.1 三维模型的建立利用Proe进行张力减径机的三维实体建模，荒管材料为20钢，尺寸为φ80mm×9.5mm，成品钢管尺寸为φ60mm×10mm，建模机架数为6机架，机架间距为340mm，轧辊的名义直径是φ365mm。
为了适应计算机计算能力，将轧辊抽空成曲面状态，减少网格划分数目。
将建好的模型保存为IGES格式，然后导入ANSYS/LS-DYNA中，得到三维张力减径的热力耦合有限元模型如图1所示。
大口径超厚壁无缝钢管热轧多次连续减径工艺生产方法
大口径超厚壁无缝钢管热轧多次连续减径工艺生产方法近年来，随着我国经济不断发展，对高质量钢管的需求日益增加。
大口径超厚壁无缝钢管在石油、天然气、化工、电力、造船、核能等领域有着广泛的应用，而其生产工艺是关键的一环。
本文将针对大口径超厚壁无缝钢管热轧多次连续减径工艺生产方法展开深入探讨。
一、背景介绍大口径超厚壁无缝钢管是用于承受高温、高压、腐蚀等特殊条件的重要管材，因此其质量和性能要求非常高。
在生产过程中，传统的减径工艺存在着一些问题，比如轧制力大、工序多、生产效率低等。
研发一种高效的热轧多次连续减径工艺生产方法成为了重要课题。
二、目前的技术状况目前，针对大口径超厚壁无缝钢管的减径工艺，国内外学者和企业已经进行了大量的探索和研究。
从工艺上看，采用多次连续减径可以有效降低轧制力，改善管材内部组织结构，提高产品质量。
而在设备方面，一些企业引进了先进的轧制机和辊道设备，提高了生产效率和产品质量。
然而，现有技术仍存在一些问题，比如轧辊损耗大、轧制力不稳定、产品尺寸控制难等。
三、热轧多次连续减径工艺改进针对目前存在的问题，一些企业和研究机构对热轧多次连续减径工艺进行了改进。
首先是轧辊材料和设计的改进，采用耐磨耐热合金材料制作轧辊，优化轧辊的结构和布局，降低了轧制力，延长了轧辊的使用寿命。
其次是设备控制系统的升级，引入了先进的自动控制技术，提高了轧制的精度和稳定性。
再者是工艺参数的优化，通过对轧制参数进行精细化调整，改善了产品的内部质量和尺寸控制能力。
四、个人观点和总结在大口径超厚壁无缝钢管热轧多次连续减径工艺生产方法的研究中，我们需要充分发挥创新精神，不断探索新的工艺技术和设备改进方向。
与国外先进技术进行广泛的交流和合作，加快技术进步和产业升级的步伐。
相信在不久的将来，我国大口径超厚壁无缝钢管的生产技术将迎来新的突破，为国家经济建设和科技发展做出更大的贡献。
通过详细的介绍和分析，我们对大口径超厚壁无缝钢管热轧多次连续减径工艺生产方法有了更深入的了解。
微张力减径过程的数值模拟
， 已 在
知其 中任意两参数的情况下 ， 可计算第三参数的大小 。分析 了动 弧角 曲面 ， 究当量摩擦 系数对动弧角 曲面 的影响 ， 研 曲面中三参 数之 间的重要关系。 这些研究将对皮带传动的设计理论起一定的
动弧 角 ｄ 度 ） （Ⅸ
指导作用。
图 ５动弧角 曲面俯视特性 图
关键 词 ： 张 力减径 ； 限元 法 ； 力应变 ； 微 有 应 轧制 力
【 ｓ ａｔ Ｂ ｓｄｏ ｄｃｎ ｃｎｌ ｙｏ ｅｍｉｉｓ ｅ ｈｒｄｃｎ ｉ， ｅｒｃｕｉｇｐｏｅｓＷ Ａｂｔ ｃ】 ａｅ ｎｒ ｕｉｇｔ ｈｏｏ ｔ ｎ—ｔ ｔ ｕｉｇｍｌ ｔ ｄｃｎ ｒｃｓ ａ ｒ ｅ ｅ ｇ ｆｈ ｒｃ ｅ ｌｈ ｅ ｓ ｓ ｌｅ ｉ Ｎ Ｙｓ Ｓ Ｄ Ｎ ．ｔ ｓｆｅｄａｄｓ ａｎ ｌｄｗ ｒ ｏｔｉｅ ｙｎｍｅｉａ ｓ ｌｉｎＴｅ ｉ ａ ｄｗｔ Ａ Ｓ ／ — Ｙ ＡＳｒ ｓ ｌ ｎ ｔ ｉｆ ｅ ｅｅ ｂａｎｄ ｂ ｕ ｒ ｌ ｉ ａｏ．ｈ ｍｕ ｔ ｈ Ｌ ｅ ｉ ｒ ｉ ｃ ｍｕｔ ｒｌｎ ｆｒｅＷ ｎｌ ｅ ｎｔｅｂｓ ｅｍｅｓｒｄｒｓｌ．ｉ ｌｅ ｅｕｔ ａｅａｇｏ ｇｅｍｅｔ ｉ ｏｉｇ ｏｃ ａ ａａ ｚｄｏ ａｉｏ ｔ ａｕｅ ｅｕｔＳｍｕａ ｄｒｓｌ ｒ ｏｄａｒｅ ｎ ｗｔ ｌ ｓ ｙ ｈ ｓｆ ｈ ｓ ｔ ｓ ｈ ｔｅａｔａ ｒｓｌ．ｈ ｆｅｔ ｉ ｅｍ ｄｌ ａ ｖｒ ｅ． ｈｓｍ ｄｌ ｒｖ ｅ ｏ ｅ ｕ ｔｏ ｆｒｏ－ ｈ ｃｕ ｕｔＴ ｅｅ ｃｉ ｔ ｏ ｔ ｏｅ Ｗ ｅｉ ｄ Ｔ ｉ ｏｅｐｏｉ ｓａｐｗ ｒ ｌ ｈｄ ｏ ｎ ｌ ｅ ｓ ｆ ｖｙｆ ｈ ｓ ｆ ｄ ｆ ｍ ｅ ｌ ｇａｄ萨 ｌ ｅｓｅｃ ｄｃｎ． ｉ ｎｎ ｉ ｔ ｔｈｒ ｕｉｇ ｎ ｒ ｅ
集中差速传动钢管张减机工艺参数计算及软件开发
集中差速传动钢管张减机工艺参数计算及软件开发杜友良【摘要】在轧管理论的基础上,建立了集中差速传动钢管张减机的工艺参数计算方法,开发出一种张减工艺参数计算软件.生产实践表明,该软件计算出的微张力减径机孔型和工艺参数准确性高,提高了工作效率,取得了较好的经济效益.【期刊名称】《天津冶金》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P51-53)【关键词】张力减径机;工艺参数;计算;软件;开发【作者】杜友良【作者单位】天津腾飞钢管有限公司,天津300301【正文语种】中文天津精通无缝钢管有限公司新建180 mm连轧管机组采用了国产的集体传动24架张力减径机，产品规格为直径椎60耀180 mm、壁厚3.5耀20.0 mm，生产品种主要有套管、油管等。
目前先进的工艺参数计算技术是德国SMS-MEER公司开发的CAR原TA软件系统，系统会根据生产品种选择合理的孔型并自动计算工艺参数交给过程控制程序使用。
但是购买外国软件价格昂贵，所以根据实际情况，本文从轧管理论上建立了集体传动张减机的工艺计算方法和工艺软件，计算结果与用德国软件计算数据进行比对差别很小，可以提供给生产车间使用。
2.1各架张力计算公式在张减机组中，为了控制壁厚，需要在各机架之间形成轴向张力，而荒管在通过每一机架时会产生轴向、径向和周向变形。
根据文献[1]介绍的圣维南塑性应力-应变理论，经过逐步推导可得到计算平均张力系数Zm公式：任一机架的平均张力系数Zmi为：式中，椎ei为轴向对数变形；椎ti为切向对数变形；淄mi为钢管平均壁厚系数；Si-1、Si为钢管轧前、后壁厚；Di-1、Di为钢管轧前、后外径；滋i为第i架延伸系数。
2.2钢管壁厚计算在确定了各加减径率以后，可计算出各架的平均孔型直径Di。
根据成品壁厚Si和选定了Zmi后，用迭代法就能求出经过各个机架入口管子的壁厚值Si-1，计算公式如下：先以Si代替式（7）中Si-1求出vmi，再代入式（8）中求出茁i，再以此茁i和Si代替（9）中括号内的Si-1，经计算得到另一个Si-1值。
无缝钢管张力减径过程内六方产生的模拟分析
无缝钢管张力减径过程内六方产生的模拟分析作者：于辉减新良杜凤山汪飞雪张力减径是热轧无缝钢管或焊管生产的一种加工方法，张力减径机(SRM)作为关键设备直接影响产品的成材率。
张力减径(简称张减)过程的金属变形发生在三维空间，受到孔型形状、道次减径量、机架间距等多种因素的影响，容易在钢管内部形成内六方缺陷。
为此，国内外有关学者做了许多研究工作，大多对内六方进行定性讨论，认为内六方是横向壁厚累加的结果，并从工艺上制定了一些相应的控制措施，但未从金属流动的角度对横向壁厚变化进行定量的分析研究。
本文针对某钢管公司18机架张减机组试轧产品出现内六方的状况，利用MSC.Marc软件进行三维热力藕合有限元建模分析，并与实测数据进行对比，验证模型的准确性。
通过研究钢管张减过程的金属变形，定量分析了各机架的横向壁厚分布，探讨内六方产生的原因，为提高无缝钢管产品质量具有重要指导作用。
1 有限元模型建立1.1 张减过程描述在热轧无缝钢管时，连轧荒管经过再加热炉加热到900一1000℃，高压水除鳞后，进人张减机组轧制。
张减时钢管内部不带芯棒，依次通过各机架孔型，对钢管进行连续加工，在减径的同时实现减壁。
张减机组的轧辊大多是椭圆孔型，构成孔型的3个轧辊曲面呈210阵列布置，奇数机架与偶数机架互成60°交替排列。
因此，张减机组孔型配置是否合理，是影响产品质量的主要因素之一。
1.2 热边界条件确定张减时管坯表面存在热传导、热对流和热辐射三类边界条件川，由于对流所产生的热损失所占比例较小，可将其与辐射统一作为一个边界条件处理，写为:管坯初始温度950 ℃，环境温度取20 ℃，轧辊温度取100℃。
在确定热边界条件时，对流和辐射的等效换热系数取150w/(m2·℃)，管坯与轧辊的接触换热系数取20kW/(m2·℃)，变形功转换系数取0.9，摩擦功转换系数取0.9。
1.3 几何模型的建立每个机架轧辊孔型的几何特点是孔型曲面为相对于轧辊轴线对称的旋转面，因此可以取与钢管对应的半个轧辊曲面作为研究对象，把管坯的计算模型减少到整个截面的六分之一，在此基础上建立全系统有限元连轧模型。
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热轧无缝钢管张力减径过程数值模拟及仿真系统开发
无缝钢管是一种重要的管材,应用十分广泛。
从1932年美国的J.W.Offut
提出张力减径概念以来,国内外学者对张力减径技术进行了大量研究,目前张力
减径技术已普遍用于无缝钢管的生产中。
张力减径是无缝钢管生产中最后一道热变形工序,直接决定成品管的尺寸精度和质量,其工艺复杂,如果张力系数设定不准确、减径量分配不合理或孔型不合理等原因,容易造成壁厚超差、壁厚不均、椭圆度超标等缺陷。
随着计算机的发展,有限元模拟技术被广泛应用,但在张力减径有限元仿真上,存在计算时间长的难题。
本文针对上述问题开展研究。
本文首先分析了张力减径技术及其有限元仿真的国内外发展现状。
接着,从理论上研究张力减径工艺,针对三辊式张力减径机,给出了荒管外径、张力系数、各机架壁厚和轧辊转速的理论计算方法。
然后,本文结合某厂张力减径的实际生产工艺数据,借助大型有限元MSC·Marc软件,建立了张力减径的热力耦合有限元分析模型。
通过对比仿真结果和实测数据验证了模型的可靠性,并分析了张力减径过程中管材的形状演变过程、应力场、应变场、温度场、轧制力和轧制力矩等,得到了孔型椭圆度和减径量分配对壁厚不均的影响规律,研究了工艺参数对壁厚的影响,并得到合理的轧制工艺参数。
建立了缩微和单机架两种简化仿真模型,其中缩微模型减少2/3的仿真时间,单机架模型实现快速仿真。
最后,借助VB、Marc、Python、Excel等软件开发了一套张力减径机组的有限元仿真系统,该系统可实现张力减径数字化的建模与产品参数的预报功能,为
新孔型、新产品的开发提供良好的离线试验仿真平台,降低了新产品的开发周期和试轧成本。