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
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
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胡扬;康兆萍
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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。

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。

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。

热轧带钢温度建模和数值模拟的开题报告一、研究背景和意义带钢温度是决定带钢质量和性能的重要因素之一。

目前，热轧带钢生产过程中钢坯的温度控制主要通过控制进炉温度和控制轧机的轧制负荷来实现。

然而，由于热轧带钢生产过程中涉及到多个工艺环节和多个参数的变化，使得带钢温度的控制变得非常困难。

因此，对带钢温度进行建模和数值模拟可以有效地解决带钢温度控制难题，优化生产过程，并提高生产效率，缩短生产周期，提高产品质量。

二、研究内容和方案本研究主要研究热轧带钢温度的建模和数值模拟方法，具体方案如下：1. 热轧带钢温度建模根据热轧带钢生产过程中的物理特性和工艺参数，建立带钢温度的数学模型，包括带钢进炉温度、轧制负荷、带钢速度、卷取温度等因素，同时考虑到带钢的热传导和热辐射等传热过程。

2. 热轧带钢温度数值模拟基于建立好的带钢温度数学模型，采用数值计算方法进行带钢温度数值模拟，探究各种因素对带钢温度的影响，优化生产过程。

3. 热轧带钢温度实验验证通过实验验证研究成果，检验数学模型和数值模拟的准确性和有效性，完善带钢温度控制的手段。

三、研究预期成果1. 热轧带钢温度建模和数值模拟方法的研究成果。

2. 热轧带钢温度控制手段的优化和完善。

3. 高品质热轧带钢的生产工艺研究和实践经验积累。

四、研究进度和计划1. 前期调研和文献综述（1个月）。

2. 热轧带钢温度建模方法的研究和实现（3个月）。

3. 热轧带钢温度数值模拟的研究和实现（4个月）。

4. 热轧带钢温度实验验证（3个月）。

5. 总结和撰写论文（1个月）。

五、研究团队和条件研究团队由硕士研究生和导师组成，拥有较强的理论基础和实践经验，同时配备有计算机和实验设备等。

六、研究成果的应用和推广本研究成果既可为热轧带钢生产厂家提供重要技术指导，又可为相关行业提供技术支持，促进带钢生产技术的发展与进步。

同时，研究成果还可作为扩大国内市场和开拓国际市场的重要技术手段。

无缝钢管张力减径张力系数的理论计算与分析李金锁;吕庆功【摘要】通过推导钢管张力减径塑性方程,提出了表征钢管张力减径时纵向、径向和切向变形的指标,计算和分析了张力系数对张力减径变形的影响特点,并定量分析了临晃张力系数的特点.分析结果表明:增大张力系数有利于促进钢管的纵向延伸变形和减壁变形,不利于减径变形;在3个方向的变形中,张力系数对壁厚变化的影响最为明显;钢管张力减径时,临界张力系数的大小只受钢管径壁比的影响,径壁比越大,临界张力系数越大;理论计算的临界张力系数的范围为0.35～0.50,任何情况下临界张力系数小于0.50.通过生产应用实例证实,根据钢管径壁比选择张力系数具有实用性和有效性.【期刊名称】《钢管》【年(卷),期】2015(044)003【总页数】4页(P40-43)【关键词】无缝钢管;张力减径;张力系数;塑性变形;径壁比【作者】李金锁;吕庆功【作者单位】天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司,天津301616;北京科技大学高等工程师学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TG333.8张力减径机是现代化的生产机组，可以实现钢管的增壁厚、等壁厚和减壁厚变形，在热轧无缝钢管生产过程中得到广泛使用［1-2］。

一般的减径机上单机架减径量只有3%～5%，而张力减径机的单机架减径量可达7%（甚至更高），总减径量可达85%，总减壁量可达38%［3-4］。

因此，张力减径机前面的轧管机可以只生产少数几种规格的荒管，通过张力减径机来得到各种规格的成品管，从而大大提高热轧无缝钢管机组的生产效率、扩大产品规格范围［5-6］。

张力系数是控制钢管壁厚变化的关键参数，其设定和控制水平对于成品钢管的壁厚精度具有重要的影响［7］。

通常情况下，张力减径机应尽可能采用大的张力系数，以强化张力减径工序的减壁变形能力，但必须结合具体工艺条件进行合理设定。

一般张力减径的张力系数为0.34～0.50时为等壁减径，张力系数为0～0.33时为增壁减径，张力系数大于0.50时为减壁减径，实际生产中的最大张力系数可取到0.65～0.85［8-10］。