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基于有限元(FEM)模拟的P91大口径厚壁无缝钢管的热挤压工艺研究

张凌峰  
【摘要】:P91厚壁无缝管性能优异,有良好的热强性、强耐腐蚀性和低热膨胀性,被广泛用于各类耐高温锅炉管中,但P91材料合金含量较高,加工成型困难,经过多年的引进发展目前国内只有少数几家可以生产成品P91无缝钢管,由于成品率不高,工艺改进进展缓慢,造成国产P91无缝钢管成本过高,在与国外同类产品的竞争中处于劣势,国内消耗长期依赖进口。 2009年后,伴随着一系列重型挤压装备的研制成功,采用热挤压法生产高质量P91厚壁管走入人们视野。本文以计算机模拟技术为依托,利用有限元软件DEFORM来模拟分析P91厚壁管的穿孔制坯过程和热挤压成型过程,采用热力耦合方法分析了穿孔过程中金属的流动规律,速度场、温度场、等效应力场等。 在对热挤压过程的分析中,通过与相关文献的实测数据做对比,验证了模型的可靠性,随后重点分析了P91厚壁无缝钢管在热挤压过程中的各种场量,包括模具的温度场、表面磨损情况等,揭示了P91厚壁管在热挤压成型过程中的变形规律。 分别对不同的温度﹑挤压速率及型腔曲线下的挤压力情况做对比分析,在坯料1250℃﹑100mm/s的参数条件下最大挤压力达到了199MN,当温度下降50℃,挤压力增幅可达20%左右;针对不同挤压比作对比研究,在挤压比为5的时候最大挤压力为102MN,对应同参数下挤压比为9时最大挤压力262MN,增幅达156.9%;不同的型腔曲线对挤压力影响较小(文中两例相对差值在1%以内),但对坯料的应力状态有影响较大;在坯料存在偏心20mm状况下,即坯料内外圆心相互偏离20mm,挤压机机架水平方向上需要提供28.2MN的力,才能使挤压过程中挤压轴线与坯料轴线保持重合。


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