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l i 、 硕士学位论文 半浮芯棒连轧管成型的有限元分析及轧辊孑l 型改进 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 杜磊 机械设计及理论 机电工程学院 唐华平 文答辩日期2 q ! q 生月! q 旦答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 0 年5 月 f-lr 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：在叠：日期：2 q ! q 年上月j 业日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 e t 期：她年月坦e t “ - 、 摘要 无缝钢管在工业生产中被广泛应用于管道输送、热工设备、机械 制造、石油地质钻探、化学高压容器等。在无缝钢管的热轧工艺中， 钢管的产品质量与轧机设备密切相关，其中半浮芯棒连轧管工艺是钢 管成形的重要工序。因此合理确定其轧制参数是设计和生产中都有待 解决的关键问题，也是当前的研究热点。为此，围绕着“连轧管机孔 型改进 ，本文展开了如下几方面工作。 首先，阐述了钢管连轧理论，以半浮芯棒连轧管的工艺流程和轧 制过程为基础，对连轧管机孔型的设计方法进行介绍。 其次，为了更真实的对钢管材料进行模拟，设计了高温力学试验， 研究了钢管用2 0 # 钢在不同温度和形变速率下的仃一s 曲线。在此基础 上，采用m a t l a b 软件建立了2 0 # 钢在高温下的粘弹一塑性模型本构关 系。分析表明，该本构方程在试验的温度和形变速率条件下具有较好 的效果。 然后，在a n s y s l s d y n a 软件环境下建立了6 机架半浮芯棒连轧 管成型过程的三维热固耦合有限元模型，并针对1 0 9 m m x 6 m m 规格 进行了模拟分析。通过对比模拟结果与荒管实物知，两者孔型形状在 一个圆周内的变化规律相似。验证了该模型的可靠性和该分析方法的 可行性。 最后，分析指出了荒管形状不规则的主要原因是：孔型和轧件形 状不相吻合而导致接触的非同时性，使接触边界具有空间曲线( 非平 面性) 的特点间接导致了荒管外径分布不均；孔顶区和侧壁区摩擦力 分布的方向相反间接导致了荒管壁厚分布不均。通过改进调整偏心距 和轧辊辊缝，荒管形状得到了明显改善。数据表明，外径与目标值 1 0 9 m m 的平均相对误差由1 6 8 0 降到了0 8 6 1 ；壁厚与目标值6 m m 的平均相对误差由3 5 6 9 降到了2 7 2 2 关键词钢管生产，工艺分析，有限元，热固耦合，孔型改进 a b s t r a c t s e a m l e s sp i p e sa r ew i d e l ya p p l i e dt od u c t i n g ，t h e r m a le n g i n e e r i n g e q u i p m e n t ，m a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n g ，p e t r o l i c a n d g e o l o g i c a lr i g , c h e m i c a lh i g hp r e s s u r ec o n t a i n e r , a n ds oo n q u a l i t yo fp i p e si si n t i m a t e l y r e l a t i v et or o l l i n gm i l l ，a n dt h et e c h n o l o g yo fs e m i f l o a t i n gm a n d r e lp i p e m i l li sa ni m p o r t a n tp r o c e d u r eo fp i p ed e f o r m a t i o ni nh o tr o l l i n gp r o c e s s d e t e r m i n i n gr o l l i n gp a r a m e t e r sr e a s o n a b l y i sak e yp r o b l e mt ob e r e s o l v e db o t hi nd e s i g na n dp r o d u c t i o n ，a n di ti sa l s oh o ts p o to fr e s e a r c h a tp r e s e n t s u r r o u n d i n gi m p r o v e m e n to fh o l es h a p eo fm a n d r e lp i p em i l l ， s o m ew o r k sw e r ep e r f o r m e d f i r s t l y , s o m et h e o r i e so fp i p em i l l i n gw e r ei l l u s t r a t e d ，b a s e do nt h e t e c h n o l o g yp r o c e s sa n dr o l l i n gm i l lp r o c e d u r eo fs e m i f l o a t i n gm a n d r e l p i p em i l l ，h o l es h a p eo fr o l l i n gm i l lw e r ed e s i g n e d s e c o n d l y , i no r d e rt os i m u l a t ep i p em a t e r i a lm o r et r u l y , m e c h a n i c a l e x p e r i m e n ta th i g ht e m p e r a t u r ew a sd e s i g n e da n di n t r o d u c e d c u r v e s 仃一占o fs t e e l2 0 # w e r es t u d i e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e s b a s e do ni t c o n s t i t u t i v er e l a t i o no fe l a s t i cv i s c o p l a s t i ct h e r m a lm a t e r i a l w a sf o u n d e da th i g ht e m p e r a t u r eb ys o f t w a r em a t l a b t h ec o n s t i t u t i v e f u n c t i o nw a se f f e c t i v ea n dn o t i c e a b l ea tc o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e sa n d s t r a i nr a t e si ne x p e r i m e n t t h i r d l y , f i n i t e e l e m e n t d y n a m i c m o d e lw a se s t a b l i s h e do n d e f o r m a t i o no f6 - s t a n d s e m i f l o a t i n g m a n d r e l p i p e m i l l b y a n s y s l s d y n aa t3 dt h e r m o s e t t i n gc o u p l i n g ，a n dt h es t a n d a r d o10 9 m m x 6 m mw a ss i m u l a t e d b a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e n s i m u l a t e dr e s u l t sa n ds h e l lo b je c t ，c o n c l u s i o n sw e r er e a c h e dt h a t v a r i a t i o n a l r e g u l a r i t i e s o ft h e i rh o l e s h a p e s w e r es i m i l a r i n c i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n i tw a sv a l i d a t e dt h a tr e l i a b i l i t yo ft h em o d e la n d f e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d f i n a l l y , f o r m a t i v ec a u s a t i o no fi r r e g u l a rs h a p eo fs h e l ls e c t i o nw e r e a n a l y s e d ：s h a p e si n c o n g r u i t yb e t w e e nr o l l i n g m i l la n dp i p ec a u s e d c o n t a c td i dn o to c c u ra to n et i m e ，c h a r a c t e rt h a tc o n t a c tb o u n d a r yw a sa s p a t i a lc u r v ec a u s e da s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no fs h e l le x t e r i o rd i a m e t e r s i n d i r e c t l y ；i ti n d i r e c t l yc a s e da s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no fs h e l lt h i c k n e s s l l t 1 1 a ti n v e r s ed i r e c t i o n so ff r i c t i o na th o l et o pa r e aa n dl a t e r a lw a l la r e a s h e l ls h a p ew a si m p r o v e do b v i o u s l ya f t e ra d j u s t i n ge c c e n t r i c i t ya n d r o l l i n g m i l l g a p d a t ad i s p l a y e d ：a v e r a g e r e l a t i v et o l e r a n c eb e t e e e n e x t e r i o rd i a m e t e ra n di t st a r g e t10 9 m mw a sd e c r e a s e df r o m1 6 8 0 t o o 8 61 ；a v e r a g er e l a t i v et o l e r a n c eb e t e e e nt h i c k n e s sa n di t st a r g e t6 m m w a sd e c r e a s e df r o m3 5 6 9 t o2 7 2 2 k e yw o r d sp i p ep r o d u c t i o n ，t e c h n o l o g ya n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t ， t h e r m o s e t t i n gc o u p l i n g ，h o l es h a p ei m p r o v e m e n t i u 目录 符号说明v i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 连轧管工艺概述2 1 2 1 连轧技术的发展3 1 2 2 连轧技术特征3 1 3 半浮芯棒连轧管工艺的现状与发展6 1 4 本文的主要内容及课题的来源l o 第二章钢管连轧理论分析1 2 2 1 圆孔型轧管的几何学特征1 2 2 1 1 圆孔型轧管几何变形区的构成因素1 2 2 1 2 圆孔型中管材的几何变形特征1 4 2 1 3 圆孔型轧管的咬入条件1 6 2 2 钢管连轧的运动学现象1 6 2 3 钢管连轧的金属流动1 9 2 3 1 轧制过程变形区力学图示1 9 2 3 2 圆孔型芯棒轧管的金属流动2 0 2 4 本章小结2 l 第三章连轧管工艺流程分析及孔型设计2 2 3 1 半浮芯棒连轧管的工艺流程2 2 3 2 半浮芯棒连轧管的轧制过程2 4 3 3 连轧管机的孔型设计2 8 3 3 1 孔型设计的任务2 8 3 3 2 轧辊孔型设计2 8 3 4 本章小结3 4 第四章材料力学性能的测定及本构方程的确立3 5 4 1 高温力学试验3 5 4 1 1 试验目的3 6 4 1 2 试验原理3 6 4 1 3 仪器与试件3 7 4 1 4 试验步骤4 0 4 1 5 试验数据处理4 3 4 2 材料本构方程的确立4 5 4 2 1 材料热变形本构关系的分类4 5 4 2 2 材料本构方程的选择与确立4 7 4 3 本章小结5 1 第五章连轧管成型的有限元模拟及孔型改进5 2 5 1 有限元理论在连轧管成型过程中的应用5 3 5 1 1 固体热传导问题5 3 5 1 2 热力耦合问题计算方法5 5 5 1 3 单元计算的单点高斯积分与沙漏控制5 6 5 2 有限元分析模型的建立5 6 5 2 1 基本假设条件5 7 5 2 2 几何模型的建立5 7 5 2 3 材料属性5 8 5 2 4 网格划分5 8 5 2 5 质量缩放5 9 5 2 6 摩擦与接触设置6 0 5 2 7 传热问题处理6 l 5 3 求解结果后处理与讨论6 2 5 3 1 模拟结果与实物对比试验6 2 5 3 2 连轧管成型过程钢管应力及形变变化6 5 5 3 3 连轧管成型过程轧制力和芯棒轴力变化6 9 5 3 4 钢管横截面温度分布情况7 0 5 4 孔型改进分析及设计7 1 5 4 1 荒管外径壁厚不均分析7 1 5 4 2 孔型改进策略7 3 5 4 3 改进模拟结果7 4 5 5 本章小结7 8 第六章结论及意义7 9 参考文献8 l 致谢8 6 攻读硕士学位期间主要的研究成果8 7 v 卜横截面积 争- 孑l 型宽度 加卅型高度 c 一形变速率参数，材料声速 g t ，岛一材料常数 r 比热容 璐相当于平均速度的轧辊辊径 珊一轧辊理想直径 及，队t 轧辊工作直径 d l 一距离 e - 弹性模量 旷叫心距 p 一轧槽孔型周边上的速度面积 f ( ) 嗾泛函 陪一摩擦力 厣集中力 五第i 架接触面的摩擦系数 卜切变模量 厶对流传热系数 齄q 射传热系数 萨- 接触传热常数 肛q 流分配系数 k 锔度刚度矩阵 卜啪触区内的接触间隙 卜吨形区长度 n 卜一非稳态变温矩阵 【r 单元形函数向量 f 一轧辊转速 p - 形变速率参数 争q 流量 符号说明 v i 卜芯棒阻力 骗，q 各项同性硬化参数 0 卜一一脱棒力 矿q 流向量 和q 流密度 见r 半径 卜单位交界面接触热阻 卜辊环圆角半径 甜孔顶圆弧半径 兀卜一温度 口】。单元节点温度向量 如，珥，r 位移分量 圪形变能 r _ 速度 矿相对速度 】【，y ，z 直角坐标 饼接触角，线膨胀系数，热扩散率 口o 咬入角 口占1 隧角 摩擦角 ，切形变，中性角 轧辊辊缝 沁减壁量 万b o l t z 啦n 常数 s 线形变，黑度系数 s 。弹性形变 s ，塑性形交 舌形变速率 名材料导热系数 延伸系数 l ，泊松比 p 材料密度，侧壁圆弧半径 盯正应力 吒屈服点 f 切应力 孝孔型椭圆度 v 2 拉普拉斯算子 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 无缝钢管在工业生产中广泛应用于管道输送、热工设备、机械制造、石油地 质钻探、化学高压容器等，其成品如图卜l 所示。按其制造工艺可以分为热轧( 挤 压) 钢管、冷轧( 拔) 钢管、热扩钢管这基本的三类。 图i - i 无缝钢管成品 f i g u r e1 - 1p r o d u c t i o no fs e a m l e s sp i p e s 扩大，品种和产量不断增加， 前，全世界生产钢管的共计 无缝钢管的产品质量与轧机设备密切相关，在连轧管机组生产过程中，半浮 芯棒工艺是钢管成形的关键工序。在连轧管过程中，轧件的变形规律较为复杂， 温度、变形、速度、张力等制度将直接影响钢管的尺寸精度和表面质量。然而在 以上参数的制定过程中需要考虑应力及形变、轧制力、芯棒轴力、外径及壁厚的 变化趋势，而现有的钢管连轧理论计算公式较缺乏，且误差较大，导致工艺制度 不尽合理，连轧孔型不够完善1 。目前，国内外在板带轧制方面的的模型研究已 有完善的理论，并已广泛应用于生产实际中h 8 1 ，但关于钢管模型的轧制理论还 不够完整。在连轧管轧制毛管时，钢管孔形可能不规则地偏离所希望的圆形，引 起外径和壁厚沿周向分布不均。这会给后续张力减径工艺带来压力，增加钢管成 品的废品率，生产成本大大增加，市场竞争力下降，并造成严重的资源浪费。因 此对半浮芯棒连轧管成型过程中荒管的形状不规则进行研究，消除荒管截面形状 缺陷，提高荒管成品率，可以为连轧管生产工艺的设计工作提供很好的依据，为 实际生产的顺利进行提供保障，确定其连轧生产的安全可靠性，保证生产出预期 的合格产品。这不仅具有较高的经济效益，而且对于提高我国钢管自主生产能力， 保障我国的钢管供应也有非常重要的意义。 1 2 连轧管工艺概述 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 连轧技术的发展 连轧管属于长芯棒连续纵轧方式，早在1 8 4 3 年就发明了在两机架组成的连 轧机上轧制空心管坯，最早的连轧管机组发明于1 8 8 2 年法国洛林的艾斯考公司 ( l o r r a i n e e s o a u t ) 的诺尔厂( n o r d ) ，至今已有1 0 0 多年的历史。由于受电气传 动技术及张力减径技术的限制，直到2 0 世纪初长芯棒连轧管机都没有多大的发 展。1 9 4 9 1 9 5 0 年，两套设有张力减径机的单独传动连轧管机组在美国l o r a i n 厂和g a r y 厂投产后，连轧技术才获得进一步的发展。此后的4 0 年里，约有2 5 台连轧管机组投入运行，在8 0 年代投入运行的连轧管机组就有1 2 套之多。如意 大利因西公司设计制造的第一套限动芯棒连轧管机于1 9 7 8 年在b e r g a m o 投产， 此后又有十余套m p m 机组投入运行；德国m d h 公司在总结米尔海姆l 号、2 号连 轧管机组( r k 。、r k ：) 的设计、生产经验基础上，向中国宝山钢铁集团提供了成套 的属于全浮芯棒连轧工艺的连轧管机组，该集团于1 9 8 5 年建成投产阶1 。意大 利m p i a n t i 公司向天津无缝钢管公司提供成套的m p m 机组；德国m d h 公司向衡阳 钢管有限公司提供半浮芯棒连轧管机的主要设备，该机组于1 9 9 5 年底投产n 2 1 3 】。 现代连轧管机采用精确的设备布置，变革了孔型计算方程，严格了金属变形区的 变形规范，并采用液压压下装置结合精密控制，将多方面系统技术集成，成为较 先进的一种钢管生产手段，具有产量高，产品质量好，自动化水平和劳动生产率 高的优点，较适应现代化的生产要求，但不太适宜生产大口径钢管。 至此，连轧管机组经历了第一代( f a s s e l 轧机) ，第二代( f o r a n 轧机) ，第三 代( 以r k ：为代表的连轧管机) ，发展到现在以限动、半浮连轧工艺并存的第四代， 从而将连轧管技术推进到了一个崭新的阶段。连轧管技术发展的四个阶段见表 1 - 1 所示。 1 2 2 连轧技术特征 向穿孔后的毛管内插入涂有润滑剂的长芯棒，再将它连同芯棒一起送入轧机 中轧制。毛管连同芯棒依次通过各机架的孔型，经压缩而获得减径、减壁和延伸 变形。按s l s u 时芯棒的运动( 操作) 方式，可将连轧方式分为以下三种。 第一种为全浮芯棒连轧管。s l n 时，芯棒自由的随钢管一起通过轧机，轧后 芯棒和钢管在线外用脱棒机脱出，脱出的芯棒经冷却、润滑后循环使用，通常一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 1 连轧管技术发展的四个阶段 t a b l e1 - 1f o u rd e v e l o p o m e n t a lp e r i o d so ft e c h n o l o g yo fm a n d r e lp i p em i l l 发展阶段年代 主要特征代表轧机 1 交流马达组传动 第一代连轧管机组2 全浮动长芯棒轧制 ( f a s s e l ) 第二代连轧管机组 第三代连轧管机组 1 9 0 4 1 9 3 4 焦 1 9 3 4 1 9 4 8 年 3 热轧管仅用作冷拔坯料 4 品种规格少、质量差、生产率低 1 1 9 11 年俄国l l l o n 置l - l p 厂 的巾4 6 1 0 8 连轧管机 2 1 9 1 3 年美国p i t t s b u r g h 4 0 6 5 连轧管机 1 采用直流电机单独传动美国地球钢管公司的2 6 架 2 、3 、4 同上单独传动连轧管机 1 全浮长芯棒连轧 2 直流电机单独传动 1 l o r a i n 厂的连轧管机 1 9 4 9 1 9 5 0 年3 配有张力减径机，扩大了品种规格 2 g a r y 厂的连轧管机 的范围 4 设计月产量达8 0 0 0 - - 一2 0 0 0 0 吨 1 全浮动长芯棒连轧 2 直流电机单独传动 以德国米尔海姆的l l l ( 。机组 1 9 6 l 1 9 7 0 年3 配有多机架，单独传动的张减机， 为代表 品种规格增至4 0 0 5 0 0 种 1 9 7 0 1 9 7 8 年 4 月产量达4 5 万吨 l 4 同上 5 连轧及张减理论研究卓有成效以德国米尔海姆的r l ( 2 机组 6 采用“竹节控制”和c e c 控制为代表 7 采用电子计算机 1 限动半浮芯棒连轧工艺趋于成熟 2 采用连铸坯 第四代连轧管机组 1 9 7 8 年以后3 采用锥形穿孔机 ( m 刚，粼s 工艺) 4 毛管长度增加，外径范围扩大 5 年产量可达6 0 1 0 0 万吨 1 日本住友八幡厂 2 中国天津钢管公司 3 衡阳钢管厂巾8 9 连轧机 组 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 组芯棒为1 2 一- - 2 4 跟。此方式轧制周期短，芯棒载荷小，但使用的芯棒长，轧制 大规格受限制，且产品有“竹节”等缺陷n4 旧。 第二种为限动芯棒连轧管( m p m ) 。轧管时，芯棒运行速度由限动机构控制， 以略低于第一机架出口速度的恒速前进，从而在整个轧制过程中芯棒的前进速度 均低于所有机架的出口速度，促使金属变形均匀，降低了轧制力。轧制完成后由 安装于连轧机后的脱管机将荒管从最后机架中拉出并脱棒，荒管送至下一道工 序，芯棒由限动机构驱动，快速返回原位，更换已润滑的芯棒进行下一轮轧制。 用过的芯棒再经冷却、润滑，循环使用，通常一组芯棒为6 , - - 1 2 根n 钉。此方式 有如下特点： 1 降低了工具消耗。由于限动轧制可对芯棒速度控制，所需芯棒较全浮轧制的要 短，钢管与芯棒的接触时间短，从而提高了芯棒的寿命，一般可使芯棒消耗降 至每吨钢管l k g 左右。 2 改善了钢管质量。由于限动芯棒连轧具有搓轧性质( 异步轧制) ，有利于金属的 延伸，从而减小了横向变形，不存在全浮芯棒轧制所产生的“竹节现象，提 高了钢管的外表质量和尺寸精度。 3 取消了脱棒机，缩短了工艺流程，提高了连轧管的终轧温度。如果不考虑在线 热处理新工艺应用的条件，可以省掉再加热，从而节约能源。试验资料表明， 1 轧制压力和电能消耗比全浮轧制低当 3 4 扩大了产品规格。由于限动轧制芯棒长度缩短，允许增加芯棒直径，为多规格 产品的生产创造了条件，使生产钢管的直径扩大至3 6 5 m ，甚至更大。另外， 限动芯棒连轧机还能轧制更薄或更厚的钢管。 5 较大的延伸系数。最大延伸可达6 , - , - , 1 0 ，可采用较厚的毛管，为使用连铸坯为 原料创造了条件。 6 限动轧制的不足是昂贵的芯棒设备和脱管设备：较长的轧制周期；由于脱管机 带来的产品内部缺陷。 第三种为半浮芯棒连轧管( m r k ) 。这种方式前段按限动芯棒方式操作，轧 制快结束时按全浮芯棒方式操作，轧后荒管送脱棒机上脱棒后再送往下道工 序。用过的芯棒也像全浮芯棒轧管样，一组芯棒轮流冷却、润滑，循环使用。 此方式综合了上述两种方法的优点，克服了其缺点，具有较短的轧制周期，较小 开始，先后引进了天津钢管公司由2 5 0 r a m 限动芯棒连轧管机组，大冶钢厂m1 7 7 m 三辊( 阿赛尔) 轧管机组，成都无缝钢管厂由1 8 0 m m 精密轧管机组和衡阳钢管厂由 8 9 m m 半浮芯棒连轧管机组。运转了近3 0 年的包钢无缝钢管厂巾4 0 0 m m 自动轧管 机组也进行了国际水平的技术改造，包钢同时还引进了巾1 8 0 r a m 少机架( 5 架) 限 动芯棒连轧管机组。其基本情况如表卜2 所示，这几套连轧管机组的投产使我国 无缝钢管热轧装备提高到了当时的国际水平。 1 9 8 5 年以前我国的m p m 在第一变形阶段采用推轧穿孔机( p p m ) 和延伸机，连 轧管机本身的延伸系数偏大( 一般为5 6 ) ，机架达到7 8 架，芯棒的限动速度 偏低( 一般在1 3 5 m s 以下) ，机组的电机容量偏大。随着我国高压锅炉、电站及 机加工等行业的飞速发展，用户对厚壁钢管，特别是中、大口径( 由2 1 9 咖由4 5 7 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 我国主要引进的连轧管机组 t a b l e1 - 2i m p o r t e du n i t so fm a n d r e lp i p em i l li no u rc o u n t r y n u n x 2 5 m m - - 一6 0 m m ) 的厚壁、特厚壁无缝钢管的需求不断增加。我国就上述规格的 某些品种而言缺口较大，国内仅电站、锅炉行业年需a s m e 标准各类大口径、特 厚壁无缝钢管1 0 万吨左右，但有8 万吨的缺口需要进口补充汹1 。到2 0 世纪8 0 年代后期，由于连铸圆管坯技术的成熟，不再采用p p m ，而改用斜轧穿孔，增大 了毛管的径壁比和延伸系数，从而允许连轧管机组的延伸系数降至4 5 左右，机 架可减少到6 架，芯棒的限动速度提高到1 5 m s 左右，电机容量由过去的 2 1 8 0 0 k w 降到1 2 5 0 0 k w 这些进展为我国在2 0 世纪9 0 年代更大的发展奠定了基 础。到此时，我国机组的规格从小型( 钢管直径2 1 3 m m 1 2 7 m m ) 到大型( 钢管直 径1 6 8 n 噩n - - - 4 2 6 m m ) 已形成系列，几乎所有规格的热轧无缝钢管都可以用半浮芯棒 连轧管机组生产嘲，。 1 9 8 3 年在北京钢管会议上，减少机架数的问题被提上了议程，半浮芯棒连 轧管机的发明者法国瓦卢勒克( v a l l o u r e c ) 公司提出少机架连轧管机组的设想， 提倡以4 5 个机架组成连轧管机组。1 9 9 0 年意大利因西公司推出m i n i m p m ( 少 机架限动芯棒连轧管) 方案，1 9 9 3 年采用四机架轧管工艺设备，成功的对南非托 莎厂进行了技术改造，证明可以将连轧管机组设计成经济型及中、小产量的轧管 机组嘲。与m p m 相比，m i n i - m p m 的最大特点是实现了用更短的芯棒轧制较长的 钢管，芯棒的工作段长度比m p m 短了2 - 3 m ，芯棒总长度可缩短5 m 左右。由于 m i n i m p m 减少了机架，布置紧凑，因此大大降低了设备费用、制造费用和工程 费用，它集中了当代连轧管新工艺、新技术之大成。目前，m i n i m p m 已为大家 公认为是无缝钢管生产领域的最新工艺，我国引进的包钢巾1 8 0 m m ( 意、奥 、鞍 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 钢巾1 5 9 m m ( 德) 、衡阳钢管由2 7 3 m m ( 意) 、攀钢巾3 4 0 r a m ( 意) ，以及我国自行设计 制造的南通特钢巾1 5 9 m m 和无锡西姆莱斯巾2 5 0 m m 共六套连轧管机都采用的是 m i n i - m p m 五机架限动芯棒连轧管这种机型汹1 。其工艺流程如图卜2 所示。 准备) 亡爿管坯加热仁爿锥形滚穿孔仁爿m 蹦连轧仁爿脱管机 切头再加热 图1 吃少机架连轧管工艺流程图 f i g u r e1 - 2t e c h n o l o g yf l o wc h a r to ff e ws t a n d sm a n d r e lp i p em i l l 为了进一步提高钢管质量( 包括尺寸精度和表面质量) ，因西公司和jp c a l m e s 一起在1 9 9 1 年初对m p m 工艺进行了深入研究，推出了三辊m p m ，称之为 三辊纵轧连轧管机( p q f ，p r e m i u mq u a l i t yf i n i s h i n gm i l l ) ，以全面改进传统 的m p m 工艺，这是连轧管设备与工艺上的又一突破胁1 ，机组示意图如图1 - 3 所示。 p q f 也是采用半浮芯棒操作方式，机架内有三个主传动轧辊，围绕机架相互成1 2 0 。布置，能实现单独调整与集体调整，其机架结构如图1 - 4 所示。p q f 连轧管机 组反映并代表了当今轧管机组工艺设计和设备制造的最新发展，轧制的钢管壁厚 精度和生产效率均优于其他类型的轧管机组。通过轧制期间的试验和三维空间的 有限元仿真，对三辊* l n 工艺进行了详细的分析，论证了三辊有下列一系列优点： 孔型中的圆周速度差较小，毛管与工具之间的接触面较大，芯棒的稳定性提高， 应力与温度的分布更加均匀，从而多余的附加切形变减小，圆周上壁厚分布也更 加均匀，轧辊的磨损减小且更加均匀一致。三辊对金属产生的三向压应力状态提 高了静水压力，改善了金属的塑性性能，更有利于加工难变形高合金钢管。另外， 三辊形成飞边的机会、切头损耗、轧辊调整后的几何偏差、各机座之间的约束力 影响等都比二辊要小。因此，p q f 连轧管机使壁厚偏差明显改善，钢管表面质量 更佳，进一步提高了产品质量，降低了产品成本，扩大了产品尺寸范围和材料的 等级，使经济效益进一步提高。p q f 一经问世，就引起了我国同行的瞩目，用新 结构的三辊连轧机取代二辊技术很有可能像用三辊张力减径机代替二辊张力减 径机，以及用半浮芯棒代替全浮芯棒那样，成为我国连轧管机的发展方向啪1 。 受三辊孔型比二辊孔型半径差小的启发，有人曾提出四辊孔型的设想。有报 道称嘲，日本住友金属工业公司综合材料技术研究所使用工业纯铝退火管材在实 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 三辊连轧管机组 f i g u r e1 - 3m a c h i n e so ft h r e er o l l e r sm a n d r e lp i p em i l l 图1 - 4 三辊连轧管机工作机架 f i g u r e1 - 4w o r k i n gs t a n do ft h r e er o l l e r sm a n d r e lp i p em i l l 9 生产强国，其主要设备与控制技术由引进走向设计制造国产化。 1 4 本文的主要内容及课题的来源 本文是以衡阳钢管厂的巾1 0 9 m m 连轧管机组为研究对象，研究半浮芯棒连轧 管工艺。从连轧时金属塑性变形理论，钢管连轧几何学、运动学，金属流动和变 形模型等方面入手，根据连轧管工艺流程及孔型设计，采用合适的模型建立方法， 建立半浮芯棒连轧管有限元模型，利用实测数据对模拟结果进行检验和分析，为 今后连轧管模型的研究工作起到铺垫和推动作用。 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 针对半浮芯棒连轧管过程的复杂性和研究的难度，本课题主要从连轧管模型 的各个方面对模型建立的过程和结果进行研究。主要研究内容如下： 1 ) 深入了解1 0 9 孔型系列的半浮芯棒连轧管工艺的工艺流程及详细轧制 过程，在此基础之上，寻求连轧管机孔型设计方法，以及具体步骤。确定变形分 配制度、孔型参数、速度制度等方面内容，并汇制轧制表。 2 ) 为了更好的模拟钢管材料，必须进一步掌握材料的真实属性，设计2 0 # 钢 的高温力学试验，并对其进行数据处理，以此为依据确立2 0 # 钢在高温下的本构 关系。 3 ) 利用确立的本构关系，采用a n s y s l s d y n a 软件对设计结果进行有限元模 拟分析，并将模拟结果与现场实物进行对比，证实了该方法及该模型的可行性及 有效性。主要从孔型外径壁厚变化，钢管横截面应力形变分布，各机架轧制力及 芯棒轴力，钢管横截面温度分布等几个方面进行进一步分析探讨。 4 ) 通过分析荒管形状不规则的原因，进行孔型改进，对偏心距和轧辊辊缝做 了调整，数据显示，改进结果在外径和壁厚上均得到了明显的改善。外径与目标 值1 0 9 m m 的平均相对误差由1 6 8 0 降到了0 8 6 1 ，壁厚与目标值6 m m 的平均相 对误差由3 5 6 9 降到了2 7 2 2 本课题为自选，来源于指导教师的一项科研型项目。 中南大学硕士学位论文第二章钢管连轧理论分析 第二章钢管连轧理论分析 传统的热轧无缝钢管生产的基本变形工序可以概括为三个阶段：穿孔、连轧 和减径。其中，连轧机的主要目的是进一步减小截面( 主要是压缩管壁) ，获得较 大的轴向延伸，使毛管在尺寸精度、表面质量和组织性能上获得改善。圆孔型中 半浮芯棒连轧管的轧制过程是一个复杂的金属塑性变形的过程，其复杂性表现为 【劓一： 1 ) 空心体在具有孔型轮廓的轧辊和芯棒作用下，金属产生的塑性变形具有明 显的不均匀三维变形和孔型轧制特征。压下的不均匀性、接触的非同时性、工具 形状的强迫作用和孔型周边各点的速度差等孔型轧制特点，使钢管的变形过程复 杂化。 2 ) 钢管同时在多个机架中轧制时必须满足一般连轧条件，保持连轧特征，服 从稳态连轧基本方程( 秒流量相等条件) 、运动协调方程和张力公式等。由于各机 架轧件形状和尺寸的复杂性，影响到上述稳态连轧基本方程的描述和控制非常复 杂。 3 ) 轧制过程中，芯棒属于刚一弹性变形工具，各机架是由被轧金属和芯棒相 连接共同构成一个动力系统，由于刚性芯棒和塑性金属在各轧制阶段运动速度不 相协调，引起了轧制状态图示、运动状态图示的复杂化、变形模型多样化，轧制 状态和荒管的尺寸因素都出现规律性的反应，断续轧制状态是半浮芯棒连轧管的 基本特征。 4 ) 和带钢与型钢连轧相比，钢管连轧稳态轧制阶段较短，大部分毛管处于非 稳态轧制阶段，整个轧制过程动力系统、电气系统的动态特征复杂。 2 1 圆孔型轧管的几何学特征 2 1 1 圆孔型轧管几何变形区的构成因素 几何变形区是指稳定轧制时工件与工具接触边界内的金属变形区域。半浮芯 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章钢管连轧理论分析 棒连轧管的变形区是由轧辊孔型形状和结构、芯棒形状和结构以及毛管尺寸和形 状所共同决定的溉3 力。 表示孔型形状和尺寸的主要几何参数有：孔型高度b ，孔型宽度反顶部圆 弧半径以，侧壁角口8 ，侧壁圆弧半径p ，椭圆孔型偏心距e ，辊环圆角半径， 轧辊辊缝，孔型椭圆度孝当已知孔型宽度层和孔型高度b 时，有 孝：i b ( 2 一1 ) 吃= 等g 2 + - ) = 兰+ p ( 2 - 2 ) p = 三g 2 一1 ) ( 2 - 3 ) 侧壁的作用是保证金属实现正常的咬入，并在金属断面压缩，轴向延伸时控 制横向展宽，防止出现“耳子。连轧管机所用芯棒一般是圆柱形的，也有的在 限动芯棒轧制时采用0 2 o 5 的锥度。对第一架以后的各架，轧管形状不再 是圆形，而是第一架孔型实际轧出的截面，通常是一种特殊形状，近似椭圆形。 图2 - 1 沿孔型顶部变形区的截面形状 f i g u r e2 - 1s e c t i o ns h a p ea l o n gd e f o r m i n g , l r e ao f h o l et o p 实际的变形区形状极为复杂，图2 - i 为沿孔型顶部变形区截面形状。在生产 中具有重要实际意义的是咬入角口。，变形区长度五( 包括减径区长度- 和减壁区 长度。) ，接触区面积的水平投影。根据变形区几何关系1 ，有 1 3 沿孔型圆形部分逐步向顶部扩展，直至孔型顶部充满( 图2 - 2 ) 。管壁越厚孔型越 窄，则侧壁压力越大，将使压扁过程受阻，而较早开始延伸变形。从轧制轴方向 看，变形区的边界不是一个平面曲线，而是具有接触的非同时性特征“。 当管子完全与孔型顶部接触后，管材产生减径变形。在连轧管机上，仅仅采 用减径量衡量变形是不行的，因为大部分外径压下量没有体现在延伸上，而是先 使管材产生压扁，进而才部分产生延伸，部分产生管壁增厚。由于芯棒的作用， 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章钢管连轧理论分析 图2 - 2 开始接触点 f i g u r e2 - 2t a n g e n tp o i n ta to r i g i n 存在减壁区，很好的限制了压扁变形。对于第2 架以后的变形过程，由于轧件从 前一架轧出为椭圆形，因而接触点是首先接触孔型顶部，同样开始产生压扁，随 接触弧边界发展，进而实现金属延伸。 综合已有理论，对圆孔型轧制的钢管几何学特征有下列结论m 1 ： 1 ) 圆形钢管进入孔型时，不可能在整个孔型周边上实现咬入，只能首先在轧 槽侧边侧壁与圆孔型顶部分界上接触，并压扁管材充满孔型。第二机架后则首先 在孔型项部接触，而后压扁充满孔型。 2 ) 变形区边界线不是平面曲线，由接触的非同时性导致边界的非平面性。边 界的非平面度反映出压扁值大小，决定了连轧管轧制部分孔型的延伸能力。 3 ) 压扁值和孔型延伸能力按以下关系变化：当管材直径一定时，随外径压下 量等增加，压扁值减小；当竽一定时，随孔型高度( 即毛管直径) 增加，压扁 口口 值减小，随譬比值增大，压扁值增大；当e ，b ，掣一定时，随口口增加，压扁值 d d o 中南大学硕士学位论文 第二章钢管连轧理论分析 减小。 2 1 3 圆孔型轧管的咬入条件 首先，讨论第1 机架的一次咬入条件。毛管为圆形，由于边界的非平面性， 原始接触点a 对应的接触中心角为，设接触点a 在侧壁分界点，当无外推力 时，毛管在a 点与孔型侧壁相遇，则产生垂直于侧壁的力只由轧辊旋转而产生 摩擦力7 = 一次咬入条件为z 只