芯棒限動速度對金屬縱向延伸的影響

逄 寧，趙志毅

（北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083）

PQF 連軋管機是將穿孔后的毛管套在長芯棒上，通過5 個互成60°的連續布置的三輥式機架對鋼管進行軋制，從而實現高度的機械化和自動化[1-2]。由于連軋管機芯棒的操作及各機架的工藝條件不同，軋制過程中軋件的變形較復雜，所以對鋼管連軋過程變形區的金屬流動規律研究一直是業內關注的熱點[3-5]。

由于限動芯棒連軋工藝的特殊性，芯棒限動速度直接影響到連軋過程中的金屬流動情況。為全面研究連軋管軋制過程，有必要對芯棒限動速度對金屬流動的影響進行深入定量的研究。本文采用三維彈塑性熱力耦合有限元方法研究不同芯棒限動速度對金屬縱向流動的影響。

1 三維有限元模型的建立及實驗方案

1.1 三維有限元模型的建立

（1）幾何模型

五機架PQF 連軋機組相鄰機架成60°交錯排列，具有對稱性，為減小計算量，采用1/6 對稱簡化模型進行計算。為了減短程序運行時間，在不影響模擬準確度的情況下，第一架軋機到第五架軋機的間距從1150mm、1550mm、1150mm、1150mm 依次等比縮短為276mm、372mm、276mm、276mm。芯棒長度設為2000mm，毛管長度設為1000mm，軋輥簡化為殼體，模型如圖1 所示。

圖1 ?460mmPQF 連軋機六分之一有限元模型

（2）材料屬性

軋輥設為剛性體，芯棒和鋼管均為彈性體，芯棒材料為H13 鋼，即4Cr5MoSiV1，鋼管材料為20 鋼。

（3）相互作用及邊界條件設定

采用庫侖摩擦模型，荒管外表面與軋輥之間的摩擦系數較大，設為0.4；荒管內表面與芯棒外表面的摩擦系數較小，設為0.08。荒管與軋輥之間以及荒管與芯棒之間的接觸傳熱系數都取為20kW·m-2·℃-1，功熱轉換系數取為0.9。各個分析步芯棒膜層散熱系數依次設定為：0.1kW·m-2·℃-1、0.1kW·m-2·℃-1、4kW·m-2·℃-1、0.1kW·m-2·℃-1、2.6kW·m-2·℃-1、0.1kW·m-2·℃-1。毛管溫度為1100℃，軋輥溫度為200℃，芯棒初始溫度為100℃。軋輥轉速如表1 所示

表1 軋輥轉速

（4）網格屬性

由于軋輥為解析剛體，不需劃分網格，毛管和芯棒為彈性體，需要劃分網格。由于毛管與芯棒形狀較簡單，網格劃分以六面體結構為主，掃掠生成網格。

1.2 實驗方案

為研究芯棒限動速度對整個連軋過程的影響，本模型選定3 個芯棒限動速度，分別為900mm/s、1200mm/s 和1400mm/s。

鋼管連軋過程的縱向金屬流動非常復雜，為研究限動速度對其影響，以芯棒軸向中部處的一層單元作為研究對象，如圖2 所示。

圖2 單元選取位置示意圖

圖3 所考察單元軋后形態示意圖

圖3 顯示了所考察片層單元在不同限動速度下軋后的形態，外壁單元相對內壁單元整體向前滑動。為定量比較限動速度對金屬縱向延伸的影響，在所考察片層的內外表面分別選取3 個單元，選取位置如圖4 所示。同時，對連軋機組前兩機架的軋制力進行求解，分析限動速度、金屬縱向延伸、軋制力之間的關系。

圖4 單元選取位置示意圖

2 試驗結果及討論

經測量，變形前每個單元沿毛管軸向的長度均為1mm，變形后的長度和各自的延伸率如表2 所示。從表中可以看出，芯棒限動速度為900mm/s、1200mm/s 和1400mm/s 時，所考察6 個單元的平均縱向延伸率分別為77%、74.9%和72.9%。隨著芯棒限動速度的提高，金屬平均縱向延伸率分別降低了2.7%和5.3%，金屬縱向延伸率逐漸減小。

表2 不同限動速度下所考察單元延伸率統計

圖5 和圖6 分別是不同限動速度下第一和第二機架的軋制力曲線，由圖可以看出，3 種工藝條件下前兩道次的軋制力變化趨勢基本一致。為定量分析限動速度對軋制力的影響，將3 種工藝條件下穩軋階段的第一和第二機架的軋制力進行統計處理并分別列于表3 和表4。由表中統計數據可以看出，當芯棒限動速度為900mm/s、1200mm/s 和1400mm/s 時，連軋機組第一機架穩定軋制階段的平均軋制力分別為1598kN、1624kN 和1731kN。隨著芯棒限動速度的提高，第一機架穩軋階段軋制力分別增加了1.6%和8.3%。同理，隨著芯棒限動速度的提高，第二機架穩軋階段軋制力分別增加了1.7%和11.4%。

圖5 不同限動速度下第一道次軋制力曲線

圖6 不同限動速度下第二道次軋制力曲線

表3 不同限動速度下第一道次軋制力統計

表4 不同限動速度下第二道次軋制力統計

從表中可以看出，隨著限動速度的提高，前兩道次的平均軋制力均有所提高。這是由于芯棒的限動速度小于第一機架的軋制速度，對芯棒而言，所有機架都是導前機架。芯棒對毛管的摩擦力方向與軋制方向相反，可以將芯棒看成是半徑無窮大的軋輥。當參與連軋工序時，芯棒相當于一個具有特定速度的主動軋輥參與變形，形成在變形區內的差速軋制。提高芯棒的限動速度，是毛管與芯棒間的速度差較小，差速效果變差，軋制力將增大。軋制力的增加將加深金屬寬展，不利于金屬的縱向延伸。

3 結論

（1）利用有限元軟件ABAQUS，建立了?460mm PQF 機組連軋過程的三維有限元分析模型。通過目標單元延伸率的統計，得到隨著芯棒限動速度的提高，金屬縱向延伸率逐漸減小。

（2）芯棒限動速度將影響軋制過程的差速軋制程度。芯棒速度越低，與軋件的速差越大，差速的效果越明顯，可降低軋制力，減少寬展，促進延伸，并有利于提高軋后鋼管尺寸精度。

[1]李 群，高瑞全，張永蘭，等.連軋管機組限動芯棒使用壽命芻議[J].鋼管，2011，40（6）：65-70.

[2]謝培利.影響限動連軋機組芯棒使用壽命的原因分析[J].礦冶工程，2007，35（5）：30-33.

[3]李熹平，林 軍.厚壁鋼管張力減徑過程的變形規律研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（3）：87-89.

[4]李瑞斌，毛春燕.鋼管壓力矯直過程有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（3）：60-62.

[5]高秀華，李小榮，邱春林.PQF 三輥連軋管機軋制過程的有限元分析[J].塑性工程學報，2009，16（3）：107-110.