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热轧无缝钢管张力减径过程数值模拟及仿真系统开发

胡斌斌  
【摘要】:无缝钢管是一种重要的管材,应用十分广泛。从1932年美国的J.W.Offut提出张力减径概念以来,国内外学者对张力减径技术进行了大量研究,目前张力减径技术已普遍用于无缝钢管的生产中。张力减径是无缝钢管生产中最后一道热变形工序,直接决定成品管的尺寸精度和质量,其工艺复杂,如果张力系数设定不准确、减径量分配不合理或孔型不合理等原因,容易造成壁厚超差、壁厚不均、椭圆度超标等缺陷。随着计算机的发展,有限元模拟技术被广泛应用,但在张力减径有限元仿真上,存在计算时间长的难题。本文针对上述问题开展研究。本文首先分析了张力减径技术及其有限元仿真的国内外发展现状。接着,从理论上研究张力减径工艺,针对三辊式张力减径机,给出了荒管外径、张力系数、各机架壁厚和轧辊转速的理论计算方法。然后,本文结合某厂张力减径的实际生产工艺数据,借助大型有限元MSC·Marc软件,建立了张力减径的热力耦合有限元分析模型。通过对比仿真结果和实测数据验证了模型的可靠性,并分析了张力减径过程中管材的形状演变过程、应力场、应变场、温度场、轧制力和轧制力矩等,得到了孔型椭圆度和减径量分配对壁厚不均的影响规律,研究了工艺参数对壁厚的影响,并得到合理的轧制工艺参数。建立了缩微和单机架两种简化仿真模型,其中缩微模型减少2/3的仿真时间,单机架模型实现快速仿真。最后,借助VB、Marc、Python、Excel等软件开发了一套张力减径机组的有限元仿真系统,该系统可实现张力减径数字化的建模与产品参数的预报功能,为新孔型、新产品的开发提供良好的离线试验仿真平台,降低了新产品的开发周期和试轧成本。


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