宝钢无缝钢管张力减径有限元模拟与验证——文献学习体会

文献概况

本文发表于《塑性工程学报》2018年第25卷第3期，作者为王超峰、胡斌斌、杜凤山，分别来自宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部和燕山大学机械工程学院。研究依托国家自然科学基金资助项目，基于MSC·Marc软件建立了14机架无缝钢管张力减径三维热力耦合有限元模型，对张力减径过程中的壁厚分布、应变场和温度场进行了系统模拟，并通过控制变量法研究了摩擦系数和荒管入口温度对成品管壁厚的影响。

张力减径工艺概述

张力减径（Tension Reduction）是无缝钢管生产中的关键工序，其主要功能是在拉拔力的作用下，通过多机架减径辊对荒管进行连续减径和减壁，使钢管达到成品尺寸精度要求。与传统轧管工艺相比，张力减径具有以下特点：

• 多机架连续变形：钢管依次通过14个减径机架，每个机架的减径量和减壁量较小，变形均匀。
• 拉拔力作用：减径辊施加的拉拔力使钢管处于轴向拉伸状态，有利于减少壁厚不均和椭圆度。
• 热力耦合效应：减径过程中，钢管与减径辊之间的摩擦生热和金属塑性变形热使钢管温度升高，影响材料的流动应力和变形行为。

有限元模型与关键参数

有限元模型的关键在于准确模拟钢管与减径辊之间的接触关系和摩擦行为。在张力减径过程中，减径辊与钢管之间为滑动接触，摩擦系数对壁厚的影响尤为显著。作者通过控制单一变量法，分别研究了摩擦系数和荒管入口温度对成品管壁厚的影响，得到了明确的规律。

核心模拟结果分析

壁厚分布特征

模拟结果显示，张力减径过程中，钢管的壁厚并非单调递减或递增，而是呈现先减后增或波动变化的趋势。这一现象可以从以下角度解释：

1. 减径辊的几何特征：减径辊的辊型设计决定了每个机架的减壁量，不同机架的减壁量可能不同，导致壁厚变化不均匀。
2. 拉拔力的动态平衡：拉拔力的大小影响钢管的轴向应变，进而影响壁厚变化。拉拔力过大可能导致壁厚减薄过度，过小则可能导致壁厚增厚。
3. 材料流动行为：在热力耦合条件下，材料的流动应力随温度和应变的变化而变化，导致不同机架的变形行为不同。

温度场特征

模拟结果显示，成品管外表面温度低、内表面温度高。这一现象的原因是：

• 减径辊与钢管外表面直接接触，摩擦生热主要集中在外表面。
• 钢管壁厚较薄，热量从外表面向内表面扩散需要时间，导致内外表面存在温差。
• 随着减径过程的进行，钢管温度逐渐升高，但内外表面温差始终保持。

摩擦系数的影响

摩擦系数是影响成品管壁厚的关键参数。摩擦系数增大时，减径辊对钢管的摩擦阻力增大，导致钢管轴向拉拔力增大，壁厚减薄量增加。但摩擦系数过大时，可能导致钢管表面划伤或减径辊磨损加剧。因此，摩擦系数的优化是张力减径工艺控制的核心问题之一。

荒管入口温度的影响

荒管入口温度对成品管壁厚也有显著影响。入口温度升高时，材料的流动应力降低，变形抗力减小，壁厚减薄量增加。但入口温度过高时，可能导致钢管晶粒粗化或表面氧化加剧，影响产品质量。

与工程实践的结合

在宝钢的实际生产中，张力减径工艺的优化需要考虑以下方面：

1. 减径辊辊型设计：辊型设计直接影响壁厚分布的均匀性。合理的辊型设计应使每个机架的减壁量均匀分布，避免局部壁厚突变。
2. 拉拔力控制：拉拔力的大小和稳定性直接影响壁厚精度。需要采用高精度的拉拔力控制系统，实时监测和调整拉拔力。
3. 润滑冷却：减径过程中的润滑和冷却对摩擦系数和温度场有重要影响。需要优化润滑剂和冷却剂的配比，控制摩擦系数在合理范围内。
4. 荒管质量：荒管的尺寸精度和温度均匀性直接影响成品管的壁厚精度。需要严格控制荒管的轧制工艺，确保荒管质量。

学习心得与启示

这篇文章的最大价值在于将有限元模拟与实际生产数据进行了对比验证，证明了模型的可靠性。在钢管制造工艺研究中，有限元模拟已经成为不可或缺的工具，但模拟结果的可靠性取决于模型假设的准确性和边界条件的合理性。作者通过对比实测数据验证模型，这种做法值得推广。

从我的工程实践来看，张力减径工艺的优化是一个系统工程，涉及材料、设备、工艺参数等多个方面。有限元模拟可以为工艺优化提供理论指导，但最终效果还需要通过生产试验来验证。建议在实际生产中，建立"模拟-试验-优化"的闭环反馈机制，不断提高产品精度和生产效率。

此外，这篇文章也提醒我们，钢管制造工艺的优化需要跨学科合作。宝钢钢管条钢事业部与燕山大学机械工程学院的合作，将工业界的生产经验与学术界的研究方法相结合，取得了良好的效果。这种产学研合作模式值得在钢管行业推广。