（材料加工工程专业论文）pqf轧管机组轧制工艺的理论研究.pdf

- 1 k a t h e s i si i lm t h ea pf0 - “ - 上 ，i 一 ， 1 i p 、 1 5 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 ，、j r 学位论文作者签名：终】、暮 日期：2 d o 了6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ； 一 东北大学硕士学位论文 摘要 p o f s l 管机组轧制工艺的理论研究 摘要 p q f 轧机是目前最新的连轧管机，是无缝钢管发展的新飞跃【l j ，在提高产品 质量、降低成本、提高经济效益方面有着显著的优势。世界上第一套p q f 连轧管 机组于2 0 0 3 年8 月在天津钢管公司投产【1 4 】。与传统m p m 轧管机组相比，成型均 匀，产品质量高，可生产高钢级产品 1 6 1 。目前，三辊连轧管机，在工艺方法、理 论研究方面上仍处于空白，无资料可借鉴和查询，而三辊连轧理论方面与二辊有 着明显的不同，因此三辊连轧管轧制工艺的研究对于p q f 轧机的生产与品种开发 有重要意义。本文以天津钢管公司的p q f 机组为研究背景，以有限元模拟分析方 法为手段，利用a n s y s 软件，研究分析p q f 轧管机组的轧制工艺与理论，揭示 了其特点。主要工作进展如下： ( 1 ) 通过对比分析p q f 连轧与m p m 连轧过程中轧件的金属流动，得出三 辊辊型与二辊辊型相比，金属流动更加均匀，辊缝处的鼓胀更小，轧后产品壁厚 更加均匀且壁厚尺寸精度更高。 ( 2 ) 通过对比分析p q f 连轧与m p m 连轧过程中的应变，得出三辊孔型轧 制时，金属凸缘小，变形分布较均匀，从而减少了拉裂缺陷的发生。 ( 3 ) 通过对比分析p q f 连轧过程与m p m 连轧过程中的轧辊受力，得出三 辊p q f 连轧与二辊m p m 连轧相比，轧辊应力值减小且分布比较均匀，单辊轧制 力降低，轧辊和芯棒磨损减少。 ( 4 ) 通过对比分析p q f 连轧与m p m 连轧过程中的轧辊线速度及产品壁厚， 得出p q f 连轧时轧辊线速度差较小，轧辊磨损分布均匀，产品壁厚尺寸精度更高。 ( 5 ) 通过p q f 连轧与m p m 连轧过程中芯棒的受力的比较，得出p q f 连轧使 芯棒受力减小，改善了芯棒工作状况，提高了芯棒的使用寿命。通过分析不同限 动速度下芯棒的摩擦力与轧制力，得出通过提高芯棒限动速度来提高芯棒使用寿 命是可行措施。 ( 6 ) 分析p q f 连轧过程中从穿棒至脱棒的芯棒温度场的变化，得出芯棒表面 温度变化很大，且芯棒温度场的主要影响因素是芯棒与管材间的热传导。 关键词：p q f ；工艺；有限元；m p m ；芯棒；温度场 i ， _ - 、 c o n t i n u o u sr o l l i n gm i l la tp r e s e n t , a n dp q fp l a n tr e p r e s e n t s a l li m p o r t a n tl e a p f o r w a r di nt h et e c h n o l o g yo fs e a m l e s st u b em a n u f a c t u r e i tp r o d u c e sl a r g eq u a n t i t i e so f s e a m l e s ss t e e lt u b e sa tah i 曲l e v e lo fq u a l i t ya n dp r o f i t a b i l i t y t h ew o r l d sf i r s tp q f p l a n th a db e e np u ti n t op r o d u c t i o ni nt i a n j i np i p ec o r p o r a t i o n a tt h ee n do f2 0 0 3 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm p mm i l l ，f o r m i n gi sm o r eh o m o g e n e o u sa n d t h e p r o d u c tq u a l i t y i s h i g h e r , a l s o a n de v e nh i g h e r - a l l o ys t e e lg r a d e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yp r o c e s s e d a tp r e s e n t , t h er e s e a r c ha b o u tt e c h n o l o g yf o rp q fi s s t i l l v a c a n c y a l s ot h et e c h n o l o g yf o rp q f i sd i f f e r e n tf r o mt h a to fm p m s o ，t h ea c a d e m i c s t u d yo fr o l l i n gf o rp q fi si m p o r t a n t f o rp r o d u c t i o na n dv a r i e t ye x p l o i t u r e t h i sp a p e r w h i c hi sb a s e do nt h ep q fm i l lo ft i a n j i np i p ec o r p o r a t i o ni n t r o d u c e st h ea c a d e m i c s t u d yo fr o l l i n gf o rp q fa p p l y i n gf m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，o p e n o u tt h et r a i t o fp q fa tt h es a m et i m e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dp r o g r e s s e sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h ec h a n g e o v e rf r o m2 - r o l lt o3 - r o l lt e c h n o l o g y , t h em a t e r i a lf l o wi sm o r e u n i f o r m ，a n dt h eb a l l o o n i n gb e t w e e nt h er o l lg a pi s s m a l l e r , a n da l s od i m e n s i o n a l d e v i a t i o n si nw a l lt h i c k n e s sa r es m a l l e r ( 2 ) m a t e r i a ld e f o r m a t i o no fp q ft e c h n o l o g yi sh o m o g e n e o u sc o m p a r e dw i t h m p mt e c h n o l o g yc o n c l u d e db yt h es t u d yo fs t r a i n s ot h ep r o b a b i l i t yo ft e n s i o n f r a c t u r eo fp q ft e c h n o l o g yi so nt h es m a l ls i d e ( 3 ) f o rt h ec h a n g e o v e rf r o m2 - r o l lt o3 - r o l lt e c h n o l o g y , t h er o l ls t r e s si s l o w e r a 1 1 dm o r eu n i f o r m ，a l s ot h ef o r c eo fe a c hr o l li sl o w e r s o ，t h ew e a r i n go fr o ua n d m a n d r e li sl o w e r ( 4 ) f o rt h ec h a n g e o v e rf r o m2 - r o l lt o3 - r o l lt e c h n o l o g y , t h em a x i m u m d i s p e r s i o n o fl i n es p e e do fr o l li ss m a l l e r , a n dt h ew e a r i n go fr o l li sm o r eh o m o g e n e o u s ，a l s oa n d t h ed i m e n s i o n a lp r e c i s i o no fw a l lt h i c k n e s so fp r o d u c ti sh i g h e r ( 5 ) c o m p a r e dw i t hm p mt e c h n o l o g y , t h es t r e s so fm a n d r e lo fp q ft e c h n o l o g yi s m 东北大学硕士学位论文 l o w e r s ot h ec o n d i t i o no fm a n d r e li si m p r o v e m e n t ，a n dt h el i f e s p a no fm a n d r e lh a s i n c r e a s e a n di ti saf e a s i b l em e a s u l et oi n c r e a s et h es p e e do fm a n d r e lf o ri m p r o v i n g t h el i f e s p a no fm a n d r e lc o n c l u d e db yt h es t u d yo ff r i c t i o nf o r c ea n dd r a u g h tp r e s s u r e u n d e rd i f f e r e n ts p e e do fm a n d r e l ( 6 ) i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ep r i m a r yi n f l u e n c i n gf a c t o rf o rt h et e m p e r a t u r ef i e l do f m a n d r e li st h ec o n d u c t i o nb e t w e e nt h em a n d r e la n dt h ep i p e ，a n dt h a ts u r f a c e t e m p e r a t u r e o fm a n d r e lc h a n g e sr a p i d l yb a s e do nt h es t u d yo ft h em a n d r e l s t e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gr o l l i n g k e yw o r d s ：p q f ；t e c h n o l o g y ；f i n i t ee l e m e n t ；m p m ；m a n d r e l ；t e m p e r a t u r ef i e l d i v 1 3 有限元分析方法：5 1 4 本文研究内容及研究方法6 1 4 1 研究内容7 1 4 2 研究方法7 第2 章有限元数值模拟模型8 2 1 连轧管机轧制工艺概述8 2 1 1m p m 连轧工艺8 2 1 2p q f 连轧工艺一8 2 2 数值模拟基本参数9 2 2 1 几何参数：9 2 2 2 速度参数：1 2 2 2 3 温度参数1 2 2 3 动力学分析模型。1 2 2 3 1 单元类型的选取1 4 2 3 2 材料模型1 4 2 3 3 网格的划分1 4 2 3 4 定义接触信息15 2 3 5 施加载荷16 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 6 求解过程的控制1 6 2 4 动力学分析基本原理16 2 4 1 三维s o l i d 单元的基本显式算法：1 7 2 4 2 动态接触算法1 9 2 5 芯棒温度场分析模型2 0 2 5 1 几何模型2 0 2 5 2 初始条件：2l 2 5 3 边界条件2 1 2 5 4 内热源2 3 2 5 5 材料热物性参数2 7 2 5 6 数值传递的处理一2 8 2 6 芯棒温度场分析基本原理2 8 2 6 1 有限元热分析2 8 2 6 2 各种边界条件的热流量计算j 。3 3 2 7 本章小结：3 4 第3 章p q f 与m 的轧制理论与工艺有限元数值模拟3 5 3 1p q f 连轧管机轧制工艺分析- 。3 5 3 1 1 辊型的改变对金属流动的影响：3 5 3 1 2 辊缝处金属凸缘对不均匀变形的影响3 9 3 1 3 轧辊受力状态的分布及量化的研究_ 4 1 3 1 4 轧辊磨损以及产品壁厚精度的分析：。4 4 3 2 生产验证：_ 。4 6 3 3 本章小结一。4 8 第4 章p q f 连轧过程中芯棒应用分析4 9 4 1 芯棒失效分析4 9 4 1 1 芯棒失效形式4 9 4 1 2 芯棒失效机理5 0 4 2 影响芯棒寿命的各因素分析。5 0 4 2 1 芯棒受力分析5 0 v 1 v h 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 t1 。1 无缝钢管发展现状 2 0 0 0 年以来，我国钢管行业高速发展，钢管产量增长与全国成品钢材增长几 乎同步，产量居世界第一位，成为名副其实的钢管大me 2 。无缝钢管在钢管中的 比例近几年稳定在4 2 - - 4 5 左右，2 0 0 4 年中国钢管产量达至u 2 1 2 3 万吨，占全球 钢管产量的2 5 以上，无缝钢管产量达至i j 9 0 8 万吨。近年来，我国无缝钢管生产 企业加大了技术改造的力度，引进了多套先进的轧管生产机组，全面实际产能已 超过了1 2 0 0 j - t ，2 0 0 5 年产量达至1 j 1 0 4 7 万t ，成为全球无缝钢管生产第一大国，接 近全球无缝钢管产量的4 0 。随着产量的增加和质量的提高，我国生产的无缝钢 管己成为在国际无缝钢管市场上具有一定竞争力而为数不多的钢铁品种之一。自 ：一2 0 6 3 年开始，我国无缝钢管已由净进口国变为净出口国。2 0 0 5 年实现出口量达 1 3 9 2 4 万t ，占生产量的1 3 2 9 ，净出口量达到了7 1 4 l 万t 。 无缝钢管主要由热轧钢管生产，。占无缝管产量的8 0 ，其中，热连轧管机组 的生产能力约占无缝管总能力的4 5 一5 0 ，除热轧外，尚有采用热轧穿孔后冷 轧或冷拔工艺生产小规格的无缝钢管【3 】。无缝钢管是一种经济断面钢材，在原油 开采和加工、管道输送、机械制造、锅炉制造以及大型场馆建设等方面应用广泛。 受国际原油价格暴涨和我国国民经济高速发展的影响，其需求量迅速增加，质量 要求也越来越高。近年来，无缝钢管生产技术装备发生了质的变化，具有先进技 术水平的“短流程”生产工艺：炼钢( 精炼) 一连铸管坯连轧管在无缝管企业大量 涌现，其产品质量普遍接近或达到国际先进水平，产品覆盖了石油、化工、锅炉、 煤炭、汽车、船舶、电站以及军工、航空、航天、核能、钢结构等行业和领域， 同时还部分出口。在品种结构调整上也取得了可喜的成绩，除锅炉管需大量进口 外，国产的其他产品基本上能满足国内需求，部分技术难度大、附加值高、质量要 求高的产品还有相当数量的出口。随着轧管机组水平的提高，我国无缝钢管产品 标准中绝大多数质量技术指标已与国际接轨，产品整体质量水平与国际水平相 当，几何尺寸精度与国际水平相同，众多产品已取得国际相关组织的认证( 可) ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 出口产品一般按国际标准组织生产。 1 1 2 连轧管机发展历程 连轧无缝钢管机组是热轧管机组中有代表性的典型现代化装备。连轧无缝钢 管机组由于具有高产、优质、低消耗以及便于实现机械化、自动化和计算机控制 等特点，在世界各主要产钢国家得到了广泛的应用。连轧无缝钢管技术的迅速发 展，早己引起了我国钢管行业的高度重视，上世纪七十年代初就立项开发连轧无 缝钢管机组。宝钢、天津连轧机组的引进，标志着我国连轧无缝钢管技术水平上 了一个新的台阶。大量的实践表明：连轧管技术的迅速采用为高速度发展无缝钢管 生产打开了一个新局面，是一个国家钢铁工业和科学技术现代化的重要标志之 一。 连轧无缝钢管技术的发展具有悠久的历史【4 】。早在1 8 4 3 年就发明了在两个机 架组成的连轧机上轧制空心管坯，最早的连轧无缝钢管机组发明于1 8 8 2 年，在法 国洛林一艾斯考公司的诺尔厂建立了第一台试验轧机，实现了在一根长芯棒上连轧 钢管i 至今己有百年历史。至0 1 9 4 9 - - 1 9 5 0 年，两套设有张力减径机的单独传动的 连轧无缝钢管机组在美i 雪l o r a i n 厂和g a r y 厂投产后，连轧无缝钢管技术获得了进 一步的发展。德国m d h 公司在总结米尔海姆1 以2 撑连轧无缝钢管机组( r k l ，r k 2 ) 嫠2 计、生产经验的基础上，向中国宝山钢铁总厂提供了成套的属于全浮芯棒连轧工 艺的连轧无缝钢管机组，该厂于1 9 8 5 年建成投产。 1 9 6 4 年意大利d a l m m 公司开始试验限动芯棒连轧管 ， e ( m p m m u l t is t a n dp i p e m i l l ) 工艺史【5 j 。意大利因西公司设计制造的第一套限动芯棒连轧无缝钢管于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。这种连续轧管工艺的基 本特征是芯棒速度受控，因此金属流动比较均匀，所生产管材的壁厚偏差较小， 内外表面质量好，且可用较短的芯棒，以较大的延伸系数轧制长度达3 0 - - 4 0r n 的 管子。上世纪9 0 年代意大利i t a l i 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 机组网；使用德国m d h 公司提供的半浮芯棒连轧无缝钢管机主要设备的机组于 1 9 9 5 年投产。至此连轧无缝钢管机组经历了第一代( f a s s e l 车 , 机) 、第二代( f o r a n s l 机) 及第三代( 以r k 2 为代表的连轧无缝钢管机) 而发展到现在以限动、半浮连轧工 艺并存的第四代，从而将连轧无缝钢管技术推进到了一个崭新的阶段。 为了进一步提高钢管质量即尺寸精度和表面质量，意大利i n n s e 公司和 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 j p 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，发展了三辊纵轧轧管 机p q f ( p r e m i u mq u a l i t yf i n i s h i n g ) ，其孔型如图1 1 所示，以全面改进传统的 m p m 工艺，这是连轧管工艺的一大突破 7 1 。p q f 连轧管机组代表了当今轧管机 组工艺设计和制造的最新发展水平，该机型轧制的钢管壁厚精度及生产效率优于 其他类型的连轧管机组。世界上第套p q f 连轧管机组于2 0 0 3 年8 月在天津钢 管公司投产，该机组所生产的成品管外径范围为3 1 8 1 6 8 3m m ，年产量4 0 万t 。 1 1 3p o f 连轧管机 图1 1 p q r 孔型图 f i g 1 1p a s so f p q f p q f 轧机是目前最新的连轧管机，在提高产品质量、降低成本、提高经济效 益方面有着显著的优势，引起了世界范围的广泛关注。天津钢管公司从国外引进 的p q f 轧管机组是世界上第一套用于工业生产的三辊连轧管机组，于2 0 0 3 年8 月在天津钢管公司投产【i 】。与m p m 轧管机组相比，成型均匀，产品质量高，可 生产高钢级产品。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 ) 三辊连轧管机以三辊孔 型设计工艺为核心，结合了典型二辊m p m 限动芯棒技术，使热轧无缝钢管在轧 制工艺上取得了重大技术突破。f q f 轧管机是无缝钢管发展的新飞跃。 1 9 8 6 年，意大利i n n s e 公司提出了三辊连轧管机的设想，理论上具有金属轧 制变形均匀、稳定的优点，可有效减少变形不均匀引起的质量缺附引。二十世纪 九十年代初在试验室里用改造的定径机进行了轧制试验，成功地试轧成 4 8 m m 1 m m 的热轧管，引起了世界各国广泛的关注。在从二辊轧制工艺转换到 三辊轧制工艺的过程中，已进行了多次试验轧制并且采用有限元分析法( f e m ) 对三辊轧制工艺进行了实验研究【1 5 1 ，当然也将二辊轧制工艺中的优点保留在新工 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 艺中。三辊轧制成型均匀，使s l n 过程臻于完善。 与= 辊m p m 限动芯棒连轧管机相比，三辊p q f 连轧工艺主要具有以下优点 【8 】：孔型中圆周速度的差动较小；轧制工具和毛管之间具有较大接触面；芯棒稳 定性较高；轧制温度分配均匀；轧辊磨损小；具有较高的流体静压力；减少了钢 管“飞边”缺陷的形成；机架之间的影响较小；轧辊侧面产生的拉力较小；轧辊具 有良好的几何形状，偏差较小；变形差别小；沿钢管圆周方向的壁厚分配均匀； 管端切头损耗减少。 p q f 连轧管机是现阶段降低成本、提高产量、提升总体经济效益的首选轧管 机组。截至目前为止，规划设计、施工、在建和运行的p q f 连轧管机组总共有1 4 套，并且企业新上的无缝钢管连轧机组全部采用p q f 机组。 1 2 国内外p o f 连轧管机理论研究概况 意大利因西公司通过有限元模拟开发了三辊可调式连轧管机_ p q f 轧管 机，克服了二辊连轧管机固有的局限性，使产品质量得到很大提高，降低了生产 成本，能生产径壁比大、级高的钢管 9 1 。由于变形是在三辊孔型中进行的，金属 流动更加均匀，对提高钢管质量有新的突破，工艺技术的改进取得了一系列令人 满意的效果。我国天津钢管公司新近引进了一台1 6 8 m m 的p q f 连轧管机，弥补 0 1 3 9 7 m m 以下套管和以0 7 3 m m 为代表的油管的生产能力不足的问题。 德国的p e t e rt h i e v e n 使用刚塑性有限元计算方法，分别在精轧轧机( p q f ) 和 装有4 个机架的多机架连轧管机( m p m ) 上进行了试件比较 9 1 。对高延伸率的轧 件进行了测试，找到传统的连轧机产生裂纹和缩径轧制缺陷的原因。分析显示， 传统轧机的辊缝处存在较大的纵向拉应力，因而产生$ l n 缺陷。在辊缝处变形的 钢管材料中存在很高的轴向拉应力，这种应力是因为孔型周围的金属流动而产生 延伸并作用在辊缝上所引起的。如果钢管材料是充分变形，在辊缝中的应力达到 临界值，就可能发生壁厚变薄甚至断裂。张力测试的结果也是一样，在张力测试 的样品中，由于受到单向的纵向拉应力，从一定的延伸程度开始，首先会出现轧 凹，然后会破裂。 一 国内，燕山大学的杜凤山等人针对影响连轧管产品质量的几大关键因素( 孔 型形状、芯棒尺寸、坯料尺寸、材料性质) 进行了三维弹塑性大变形有限元分析， 建立了相应的各种分析模型，模拟了变形过程与壁厚变化规律 7 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 德国k o c k s 公司应用有限元方法开发了四辊轧机，该轧机轧出的钢管材料应 力显著降低，材料沿径向的流动几乎被完全抑制，高合金、不锈钢、径壁比大的 钢管容易轧制。 总之，用于工业生产的p q f 连轧管机问世至今仅有4 年时间，其技术正处在不 断发展和完善之中，还需要进一步探索和解决一系列问题。由于技术、工艺和装 备的创新性、先进性和复杂性，目前关于p q f 的研究还很少。 1 3 有限元分析方法 连轧机芯棒的操作及各机架的工艺条件不同，轧制过程中轧件的变形较复 杂，且过去受研究手段所限，对钢管连轧过程诸多问题，如金属流动、缺陷形成 等研究难以取得实质性突破【9 1 。金属变形存在材料、几何双重非线性，处理这类 问题应采用有限变形理论。有限元方法是建立在考虑多因素影响且对划分的小单 元单独处理的塑性加工分析方法基础上的，在处理几何非线性、材料非线性的二 维和三维问题时，该方法具有很强的分析能力。它不仅可以精确计算加工载荷、 压力分布、应力应变分布、还可以定量描述和模拟整个工艺过程，包括卸载后的 回弹、残余应力应变、失稳、裂纹形核、裂纹增长和缺陷的分布。它可以观察整 个塑性成形过程中任意时空的流动信息，找到各种工艺参数和变形工具参数对金 属流动的影响。由于研究手段的限制，前人的模拟大都是单机架的，没有考虑机 架间的相互影响。近年来，随着计算机技术的飞速发展，特别是硬件条件的改善， 为有限元模拟提供了广阔的前景，使整个钢管连轧过程的模拟成为可能，这无疑 对连轧管理论研究和发展起到积极的促进作用，为实际生产中工艺参数的制定和 孔型优化设计提供科学依据。目前，有限元数值模拟已成功地代替了大部分轧制 物理模拟。有限元数值模拟作为一种参数优化的有效工具，在材料加工领域的应 用已越来越广泛。 到上世纪8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有： a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a d 卧a ，s a p 等。a n s y s 从1 9 7 1 年的2 o 版本 与今天的1 0 0 版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在 可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。a n s y s 是一个多用 途的有限元法分析软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型 通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级c a e 工具【1 0 1 。它提供多重物理 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 领域的耦合分析功能( c o u p l e da n a l y s i s ) ，包括了热结构耦合、静电场结构耦合、 电热耦合、流固耦合、压电耦合、压阻耦合等。a n s y s 可广泛用于核工业、铁 道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木 工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究的模拟分析。它包含了 前处理、求解以及后处理三大部分，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力 工具，是目前应用最广的有限元软件之一。 a n s y s l s d y n a 软件，是出色的直接动力工程学问题模拟软件【i 。借助了 l i v e r m o r e 软件公司( l s t c ) 的领先的直接动力学技术，将一流的直接动力学技 术和a n s y s 的图形用户界面结合，能进行大量的前期和后期处理。此外， a n s y s l s d y n a 提供了高级的设计优化。所有的a n s y s l s d y n a 输入都能 以参数表达。a n s y s l s d y n a 显式动力学有限元软件可以合理的反应连轧过程 中复杂的非线性接触特征，以及各种初始条件和边界条件；能快速地执行复杂的 动态非线性计算，如变形、负载和碰撞相关的压力；可以快速和有效地解决复杂 的工程问题，如大的变形、非线形材料的表现行为以及瞬时效果的多物体的相互 一 作用：适合作直接的短持续时间的模拟，如金属成形( 轧制、冲压、挤压拉伸等) 、 碰撞动力学，水滴实验、快速的生产加工。 在过去的2 0 _ _ 3 0 年的时间里，无缝钢管连轧生产工艺技术得到了迅速发展， 由早些的全浮动芯棒连轧管机发展到限动芯棒连轧管机，再到先进的p q f z 辊可 调式连轧管机，有限元数值模拟在连轧工艺研究上起到了非常重要的作用。可以 预见，随着计算机技术的发展，有限元数值模拟对连轧管轧制金属工艺理论的深 入研究将起到越来越重要的作用。 1 4 本文研究内容及研究方法 由于天津钢管公司的p q f 连轧管机组是世界上第一套三辊连轧管机，在工艺 方法、理论研究方面上处于空白，没有资料可借鉴和查询，而三辊连轧理论方面 与二辊有着明显的不同，因此三辊连轧管轧管变形理论的研究对于p q f 轧机的生 产与品种开发有重要意义。本文通过对比分析p q f 连轧与m p m 连轧，得出p q f 连 轧的特点，揭示p q f 连轧的优点。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 1 研究内容 本文研究的主要内容为：( 1 ) 辊型的改变对金属流动的影响；( 2 ) 辊缝处金 属凸缘在轧制过程中产生的不均匀变形影响；( 3 ) 轧辊受力状态的分布及量化研 究；( 4 ) 轧辊磨损分布情况，以及由此对钢管壁厚精度产生的影响；( 5 ) 限动芯 棒的应用技术研究。 1 4 2 研究方法 连轧管机轧制过程中轧件的变形比较复杂，存在材料、几何双重非线性。而 有限元方法是建立在考虑多因素影响且对划分的小单元单独处理的塑性加工分 析方法基础上的，在处理材料非线性、几何非线性的二维和三维问题时，该方法 具有很强的分析能力。因此，本文采用理论分析与有限元模拟计算方法开展研究 工作。 本文具体研究方法如下：利用a n s y s l s d y n a 显式动力学有限元软件，对 m p m 和p q f 连轧管机组轧制过程进行有限元数值模拟，利用模拟结果及相关理 论，分析m p m 和p q f 轧制工艺的金属流动规律、轧辊辊缝凸缘对不均匀变形的 影响、轧辊磨损分布情况以及钢管壁厚精度情况。利用a n s y s m u l t i p h y s i e s 软件， 对p q f 连轧管机组轧制过程中芯棒的温度场进行模拟，通过模拟结果及相关理论 分析芯棒的应用情况。 东北大学硕士学位论文第2 章有限元数值模拟 第2 章有限元数值模拟模型 连轧管机作为生产无缝钢管的高效轧机，是将穿孔后的毛管套在长芯棒上， 通过5 n 9 个连续布置的二辊或三辊式机架对钢管进行轧制，从而实现高度的机械 化和自动化。连轧管技术具有高产、优质、低耗、多品种、轧制的钢管长、便于 机械化和自动化等一系列优点，得到了大力发展。p q f 连轧管机组代表了当今轧 管机组工艺设计和制造的最新发展水平，该机型轧制的钢管壁厚精度及生产效率 优于其他类型的连轧管机组。 随着近年来计算机软件、硬件技术的飞速发展以及数学计算方法的不断进 步，有限元数值模拟技术开创了塑性成型的新领域，计算机数值模拟已成功地代 替了大部分轧制物理模拟。计算机仿真作为_ 种参数优化的有效工具，在材料加 工领域的应用已越来越广泛。本章利用a n s y s 数值模拟软件对p q f 连轧管过程 和m p m 连轧管过程进行模拟建模。 ，2 1 连轧管机轧制工艺概述 2 1 1m p m 连轧工艺 1 9 7 8 年到2 0 0 3 年，限动芯棒连轧管工艺( m p m ) 得到了发展并日趋成熟。 天津钢管公司从意大利引进的具有8 0 年代末世界先进水平的q ) 2 5 0 m m 限动芯棒 连轧机组是我国第套限动芯棒连轧机组。限动芯棒连轧管机组采用圆孔型设 计，芯棒在轧制中心线上以一恒定速度前进。采用芯棒线外预穿、芯棒预插入和 芯棒限动快速转换、快速换辊等工艺。其主要工艺流程【1 2 】如下所示： 图2 1 p q f 三辊连轧管的生产工艺流程 f i g 2 1p r o c e s sf l o wo fp q fc o n t i n u o u sr o l l i n g 2 2 数值模拟基本参数 2 2 1 几何参数 数值模拟的几何参数包括孔型、毛管以及芯棒的几何尺寸。为了使p q f 轧机 和m p m 轧机的变形特点有可比性，采取了尽量相同或接近的轧辊孔型、芯棒、 轧件参数进行模拟计算。下面分别说明模拟p q f 连轧与m p m 连轧的几何参数值。 模拟p q f 连轧工艺时采用的孔型为1 8 5 孔型，其孔型图如图2 2 所示，孔型 尺寸见表2 1 ；毛管尺寸为0 2 1 5 x 1 7 7 m m ；芯棒尺寸为0 1 6 9 m m 。 0 二学斗二二x 、勿 。1 模拟m p m 连轧工艺时采用的孔型为1 8 1 孔型，其孔型图如图2 3 所示，孔 型尺寸见表2 2 ；毛管尺寸为西2 2 0 x 2 0 5 m m ；芯棒尺寸为1 7 1 3 m m 。 1 0 x 1 y 1 = e x 2 ) r 2 x 4 y 4 x 5 y 5 辊缝s a 1 度 0 【3 度 科度 辊环直 径 0 - 2 4 5 1 2 1 7 8 9 1 3 9 1 4 6 5 4 5 4 1 8 3 0 3 5 o o 1 6 o o 0 0 1 1 6 4 4 8 1 5 3 1 1 6 4 4 8 1 5 3 1 3 4 2 3 4 3 0 0 3 0 3 5 0 0 1 4 8 7 1 4 0 0 o o - 9 4 7 8 6 6 3 6 2 2 9 9 - 4 5 6 1 2 2 4 8 2 9 8 0 2 5 3 5 o o 1 8 7 4 1 2 0 0 o o 5 2 4 7 _ 4 4 0 3 9 0 2 6 0 1 1 1 4 8 9 2 2 1 7 1 8 4 0 0 0 2 5 6 2 1 0 0 0 o 0 3 4 7 8 2 9 1 8 2 8 3 - 6 2 5 1 1 1 0 3 1 8 9 7 1 5 4 0 0 0 2 7 1 0 9 o o o 0 3 7 0 7 - 2 5 9 5 3 3 8 - 7 7 3 1 0 7 4 9 1 6 3 0 l l 3 5 0 0 2 5 1 5 8 0 0 0 0 3 7 0 7 2 5 9 5 3 3 8 7 7 3 1 0 7 4 9 1 6 3 0 1 l 3 5 0 0 2 5 1 5 8 0 0 6 8 06 8 06 7 5 5 7 85 7 5 5 7 15 7 1 东北大学硕士学位论文第2 章有限元数值模拟 2 2 2 速度参数 数值模拟的速度参数包括各机架轧辊的转速、管坯的初始速度以及芯棒的限 动速度。p q f 和m p m 连轧过程中，各机架轧辊的旋转速度恒定，芯棒的限动速 度也恒定，毛管以一定的初始速度沿轧制方向前进，最终在摩擦力的作用下进入 辊缝发生变形，在整个变形过程中速度不断增大且遵守秒流量相等的原则。p q f 与m p m 连轧的速度参数值见表2 3 。 表2 3p q f 与m p m 连轧的速度参数值 t a b l e2 3p a r a m e t e ro f v e l o c i t yo f p q fa n dm p mc o n t i n u o u sr o l l i n g 2 2 3 温度参数 依据现场实际，轧辊与管材接触传导换热，又经冷却水冷却，温度基本保持 在4 5 左右；芯棒进入循环前进行预热，循环过程中每次脱棒后进行冷却，预热 或冷却后温度控制在1 0 0 士2 0 ，以确保润滑剂中的水分蒸发，保证润滑剂层的坚 固、致密，更好地发挥润滑的效果；高温管坯经穿孔、吹硼砂、高压水除鳞后， 得到的毛管温度大约在1 0 5 0 ( 2 左右。 2 3 动力学分析模型 无缝钢管连轧的有限元模拟过程按如下步骤进行：各机架的轧辊以恒定的转 东北大学硕士学位论文笫2 章有限元数值模拟 速绕轴线旋转，芯棒在限动机构的作用下连同轧件一起沿着轧制方向运动，轧件 靠旋转的轧辊和轧件之间的摩擦力被曳入辊缝中，受到轧辊和芯棒的压缩而产生 塑性变形，完成轧制过程。采用a n s y s l s d y n a 显式动力软件分析，三辊p q f 五机架连轧、二辊m p m 七机架连轧的轧制数学模型见图2 4 和图2 5 所示。 采用a n s y s l s d y n a 显式动力软件分析，其过程包括前处理、求解以及后 处理三个基本操作环节。前处理包括指定单元类型、实常数；定义材料模型；建 立几何模型；划分网格形成有限单元模型；定义接触表面；施加载荷与边界条件。 后处理为数据的可视化处理。为了了解连轧无缝钢管整个轧制过程的变形、金属 流动、轧制力等规律，对三辊p q f 五机架连轧和二辊m p m 七机架连轧的轧制过 程进行了有限元数值模拟计算。 图2 4p q f 连轧模型图 f i g 2 4i l l u s t r a t i o no f m o d e lo f p q fc o n t i n u o u sr o l l i n g 图2 5m p m 连轧模型图 f i g 2 5i l l u s t r a t i o no f m o d e lo f m p mc o n t i n u o u sr o l l i n g 东北大学硕士学位论文第2 章有限元数值模拟 2 3 1 单元类型的选取 连轧无缝钢管在轧制变形过程中既存在塑性变形也存在弹性变形，因此，通 常情况下，采用三维弹塑性有限元法对轧制过程进行研究。在a n s y s l s d y n a 显式动力学非线性分析软件中，实体单元采用8 节点s o l i d1 6 4 单元，没有实常 数，默认情况下采用单点积分算法，计算较快，但易出现沙漏现象。本分析采用 全积分单元算法，虽然计算时间加长，但可以避免出现沙漏问题。模拟计算模型 中，所有输入数据都采用s i 国际单位制。 2 3 2 材料模型 在有限元数值模拟过程中主要考虑轧件的弹塑性变形，忽略轧辊和芯棒的变 形。将轧辊和芯棒视为刚体，定义为刚性体材料模型。将轧件定义为双线性各向 同性模型，双线性各向同性模型通过使用两种模量( 弹性和塑性) 来表示材料应 力应变行为的双线性各向同性硬化模型( 与应变率无关) 【1 7 】。 计算过程中，轧辊的材料选用球墨铸铁，芯棒的材料选用 x 3 5 c r l o v 0 5 k u u n l 2 9 5 5 ，轧件材质2 8 c r m 0 5 7 钢，2 8 c r m 0 5 7 钢的变形抗力为 通过热模拟实验测得实测值，各材料属性值见表2 4 所示。 表2 4 计算材料属性值 t a b l e2 4p a r a m e t e ro fm a t e r i a la t t r i b u t e 2 3 3 网格的划分 在a n s y s l s d y n a