无缝钢管张力减径过程内六方产生的模拟分析

    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。
   
    模型简化后，对称边界条件由对称面上的节点速度来确定，其在对称面法线方向上的速度为零。采用八节点等参元来建立描述管坯的有限元网格，有限元网格划分时沿钢管半径方向分为两层，圆周方向分为12份，共26个节点，如图1所示。钢管材质为20号钢，轧辊与管坯之间的接触摩擦采用修正的剪切摩擦模型:
   

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