整體型鋼質高螺旋翅片管軋制過程的物理模擬

劉靖 陳其全 張琳 韓靜濤

(北京科技大學)

整體型鋼質高螺旋翅片管軋制過程的物理模擬

劉靖 陳其全 張琳 韓靜濤

(北京科技大學)

將高嶺土與白軟蠟按1∶2的比例進行混合，結合實際生產，對整體型高螺旋翅片管軋制過程進行了物理模擬。模擬結果證實了軋制過程中的軋件受到切向應力、軸向應力及徑向應力；物理模擬中蠟泥模型內壁網格的應變計算與數值模擬結果基本相符，說明了軋制過程中，管坯的各個部位不存在集中的大應變區，軋制過程比較穩定。

蠟泥 物理模擬 應力 金屬流動

0 前言

翅片管是組成各種熱交換器的核心元件，其質量的優劣直接影響到熱交換器的工作性能。在國內有比較成熟的翅片銅管以及鋁管的軋制工藝，而鋼質螺旋高翅片管的軋制，由于變形劇烈，成形區域條件惡劣，軋輥易損壞，生產成本高、生產效率低，目前在國內基本是空白。因此對螺旋高翅片管軋制進行系統的理論研究具有重要的意義。

1 物理模擬的意義

研究金屬塑性成形的方法主要集中在三個方面：解析法、數值分析法及物理模擬法 (實驗法)。解析法和數值分析法的計算結果是建立在一定的假設和邊界條件基礎上的，故無法考慮到一些客觀因素的影響，同時其結果也需要接受實驗的驗證，而物理模擬成本低，制作方便，結果也比較真實客觀[1]，尤其是對翅片管軋制這種復雜的變形過程，對其應力應變的走向僅通過一些應力本構模型和數值模擬還不能夠準確的把握，因此物理模擬過程就顯得相當必要了。圖1為整體型鋼質高螺旋翅片管示意圖。螺旋翅片管軋制，是通過三個螺旋軋輥作定軸轉動，轉動方向相同，通過摩擦力的作用，三個螺旋軋輥帶動軋件既作旋動，又能使其沿軸向移動的過程[2]。

圖1 整體型鋼質高螺旋翅片管示意圖

2 物理模型的制作

實驗材料選用白軟蠟、高嶺土、品紅、PVC管及凡士林。將高嶺土和白軟蠟以1∶2的比例進行混合，所得出的蠟泥試樣具有較為良好的性能，并且與高溫時的鋼相似[3-5]。將混合配比好的蠟泥在自動壓面機上進行數次壓片處理，加工出厚度在2mm左右的片狀塑性泥。將加工好的片層狀蠟泥貼在表面涂有凡士林的 PVC管上，根據實際軋件的直徑，一般需要貼4層，在冰箱中進行冷凍后將 PVC管抽出。最后做好的模型有兩種標記方式，一種為層狀標識，即模型分成四層，紅層與白層相間；另一種標識為在蠟泥模型內壁上畫網格，在模型的表面均勻標記四條白色直線，如圖2所示。

圖2 蠟泥模型不同標記方式示意圖

3 實驗結果分析

3.1 延伸率與收縮率分析

直徑均為48mm的6個模型經過軋制后的數據結果(軋制時壓下量大約在 7.5 mm)見表1。

表1 直徑為48mm的蠟泥模型軋后數據

由表1可以看出，48mm直徑模型其軋制后的延伸率基本上在32％到36％之間，而其截面收縮率在32％到36％之間。同時，實驗還進行了直徑為56mm以及64mm蠟泥模型的軋制，分別取這兩種條件下的延伸率與收縮率多次結果的平均值，其結果見表2。其平均延伸率基本在0.33到0.34之間，而截面收縮率則在0.338到0.35之間，而且隨著模型直徑的增大，其延伸率逐漸的減小，而斷面收縮率逐漸的增大。實際軋制情況與模擬情況的延伸率/斷面收縮率比較曲線如圖3所示。

表2 不同直徑的軋件模型平均延伸率與收縮率

圖3 實際軋制情況與模擬情況的延伸率/斷面收縮率比較曲線

由圖3可知，物理模擬的延伸率基本上小于實際生產中的延伸率 (＞34％)，主要原因一方面是由于實驗測量上的誤差，軋后的蠟泥因溫度升高而變軟不易于測量，另外一方面由于南方炎熱的天氣以及軋制過程的摩擦熱使得蠟泥的硬度下降而粘性增加。而其截面收縮率在33.5％到35％之間，基本上與實際生產中的范圍基本符合。

3.2 金屬應力狀態以及流動規律分析

圖4為一種標記方式的蠟泥軋制之后的模型形貌。

圖4 一種標記方式的蠟泥模型軋后形貌

圖4中白色的線條即為軋制前的標記，而經過軋制之后，白色線條由直線變成螺旋扭轉的曲線，說明軋制過程中軋件受到強大的扭轉作用。兩條白線條的垂直距離與水平長度都有所增加，這是因為軋件在軋制過程中主要受到軸向的拉應力使得白色線條增長，而切向以及徑向的作用力又使得兩白色線條的垂直距離增加。軋件在軋制過程中是受到由軸向應力、切向應力以及徑向應力的三向應力作用。

圖5和圖6分別反映了物理模擬和數值模擬中金屬流動規律[6]。

圖5 物理模擬的流變規律

圖6 數值模擬的流變規律

金屬的流動基本可以分為徑向流動，軸向流動以及切向流動。徑向流動使得外中層金屬經過軋輥的作用形成翅片，圖5中模型翅片上的紅色部分(箭頭所指)以及圖6中的箭頭1所指。而切向的流動使得金屬沿著周向不斷發生位移，如圖6中的箭頭2所指。軸向的流動則使得軋件的橫截面從而產生收縮，而在軸向上產生一定的延伸。

3.3 網格化模型的計算

由于翅片管軋制的特殊情況，若在模型的表面網格化或者進行稠密的網格劃分，都會由于軋制時表面金屬的劇烈流動，而使得網格破壞，所以網格化處理是在模型內徑表面進行的，并且不易過于稠密。測量出每個網格變形后的尺寸，將其投影到 XY平面 (如圖7所示)。取網格相鄰的節點距離作為應變研究對象，對比實驗前后的數據，按照對數應變計算公式，分別計算出相鄰節點

book=16,ebook=127條件下，可將瘦煤的配比由目前的22％降低為15％左右，焦煤由目前的不足40％調整為41％～42％，以保證焦炭質量滿足煉鐵生產需求。

煤階的煤種，所以這種措施的改進適合任何一種煉焦用煤的煤種。

2)通過以上改進措施的實施，使得粘結指數測定攪拌方法更加優化，這不僅降低了煤樣與無煙煤的混勻程度對粘結指數測定準確性的影響，提高了粘結指數測定的可靠性。而且使得粘結指數測定結果的離群值更少，優越性更好，精密度更高。

3)無論攪拌方法是手工攪拌還是機械攪拌，改進措施都相應增加了30 s的時間，在操作上比較簡單，易于統一進行標準化作業，這不僅能提高粘結指數測定結果的準確性，還能降低復現性和再現性指標，減少不必要復驗，節約試驗的總時間。而且對分析與粘結指數值有關的煤的灰份、揮發份、膠質層指數以及奧阿膨脹度等都有借鑒或指導意義。

5 結語

粘結指數測定是一個規范性很強的試驗，對儀器設備、測定方法都做了嚴格的規定，必須嚴格執行。影響粘結指數測定的因素很多，攪拌方法不同導致的混合均勻程度不同對粘結指數測定準確性的影響只是其中影響因素的一種，也是在實際工作中經常遇到的問題，對于粘結指數攪拌措施的改進，投入實際操作一年多來，對上千平行煤樣測定結果的分析情況都很穩定，至今分析狀況良好，效果顯著。因此，這種改進方法是值得推廣和借鑒的。

[1]李英華.煤質分析應用技術指南.北京：中國標準出版社，1999：387～400.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T5447-1997煙煤粘結指數測定方法.北京：中國標準出版社，1997：1-5.

表1 配比方案 ％

4 結論

1)在煤場置換期間，舊煤場生產模式將發生改變。1#堆取料機由于 B101皮帶的大幅縮短將僅存定點取料功能，煤場生產組織模式將由“雙線運行”變為“主線輔線”運行模式，2#堆取料機將主要擔當起保火車來煤下道、汽車來煤下道、煤場取料上灌這三項重任，生產節奏趨于更加緊張。

2)無論火車來煤還是汽車來煤直通上罐現象將很難避免，及時、科學地調整精細配比方案將成為穩定配合煤質量和焦炭質量的重要技術手段。

5 參考文獻

[1]趙業明.備煤工藝與設備.北京：化學工業出版社，2005：48.

[2]高立東.安鋼優化配煤結構的探索與實踐.河南冶金，2010，18 (1)：32-33.

[3]蘇宜春.煉焦工藝學.北京：冶金工業出版社，1994：115.

PHYSICAL SIM ULAT ION O F ROLL ING FOR H IGH-TY PE STEEL SP IRAL F INNED TUBE

L iu Jing Chen Q iquan Zhang L in Han Jingtao
(University of Science and Techno logy Beijing)

The kao lin and softwhite waxwasm ixed in the p ropo rtion of1：2.Physical sim u lation of ro lling fo r hightype steel sp iral finned tube was finished according to actual p roduction.The sim u lation results verified that the workp iece was born tangential stress，axial stress and radial stress during ro lling p rocess；the strain calcu lation based on themeshes of inwall of physicalmodelwas coincident w ith num erical sim ulation and every part of workp iece did not have severe strain zone，the rolling p rocesswas stab le.

w ax and c lay physical sim u lation stressmetallic flow

2010—1—14