增刊1 李永超等：连轧钢管限动芯棒温度场及热疲劳有限元分析 ·67· 测量局限于各空冷阶段的表面温度，而对于轧制阶 358.1mm,限动速度为1m·s1.分析现场工况，可 段和水冷阶段的表面温度、整个服役过程中的内部 以将芯棒的一个使用循环划分为八个阶段，如图1 温度分布和热应力进行在线实测的可行性不高.因 所示. 此，采用实测和模拟仿真相结合的方法对芯棒服役 图2为使用ABAQUS显式动力仿真软件建立 过程中的温度场及热应力进行研究是一个很好的 的钢管连轧三维实体模型.五机架连轧机组相邻机 选择 架成90°交错排列，由于具有对称性，为提高计算效 1芯棒服役过程有限元模型的建立 率，采用14对称简化模型进行计算.应用生产数 据，荒管的开轧温度、轧辊温度、环境温度和芯棒初 以340限动芯棒连轧管机组为建模对象，该机 始温度分别设定为1060℃、250℃、25℃和100℃. 组为少机架MPM工艺轧管机组.本研究采用 轧辊与荒管之间摩擦因数取为0.3，荒管与芯棒之 339.72mm孔型系，毛管尺寸为428mm× 间摩擦因数取为0.08，均设定为库伦摩擦，摩擦生 26.2mm×9898mm,芯棒材质为H13钢，直径为 热转换效率为0.91) 预热全100℃ 轧制.13s -次空冷.23 一次水冷8￥ 次空冷，13 四次空冷，43s+ 三次水冷，14s 三次空冷，13 二次水冷，14s 图1芯棒使用循环的八个阶段 Fig.1 Eight stages in the mandrel service process 图2钢管连轧三维实体模型 Fig.2 Three-dimensional solid model of continuous tube rolling 图3所示为芯棒在一个使用循环内模拟和实测 700r 的主轧段（芯棒表面最高温度区域）表面温度变化 600 摸拟的表面温度曲线 米第ㄧ次空冷实测数值 情况.对比表明：在第一次、第二次和第三次空冷阶 500 ■第2次空冷实测数值 400 ▲第4次空冷实测数值 段，实测的芯棒表面温度变化与模拟结果相同.说 300 米米 明模型能够反映芯棒温度的变化趋势.在第一次空 200 冷阶段的实测值略低于模拟值，原因是芯棒在脱管 100 后尚处于轧机内，轧辊冷却水会有一部分落在灼热 062040608010120140160180 服役时间/s 的芯棒表面，虽然水量较小，但是对芯棒还是有暂时 图3芯棒表面最高温度模拟值和实测值对比 性的降温作用 Fig.3 Comparison between the highest tempretures of the mandrel 2芯棒服役过程温度场分析 surface in the service process obtained by simulation and measurement 图4所示为通过模拟分析得到的芯棒在各服役 阶段，此时表层的热量向外界空气和内部两个方向 阶段的主轧段截面温度场，图中曲线表示芯棒径向 传递，表面最高温度由630℃降至300℃.热量影响 温度分布. 的深度由30mm增加到60mm,温度梯度由 由图4可以看出，轧制过程结束后，芯棒表面温 35℃mm1下降为5℃·mm-1.在第一次水冷阶段， 度升高较多，最高温度为630℃.限于轧制时间较 表面温度迅速下降至80℃，表层的温度梯度为 短，热量影响深度仅为30mm,表层温度梯度为 9.3℃·mm.由于时间较短，降温仅限于表层 35℃·mm-1.芯棒从荒管中脱出即进入第一次空冷 25mm的深度范围，内部温度没有明显变化.表层之增刊 1 李永超等: 连轧钢管限动芯棒温度场及热疲劳有限元分析 测量局限于各空冷阶段的表面温度，而对于轧制阶 段和水冷阶段的表面温度、整个服役过程中的内部 温度分布和热应力进行在线实测的可行性不高． 因 此，采用实测和模拟仿真相结合的方法对芯棒服役 过程中的温度场及热应力进行研究是一个很好的 选择． 1 芯棒服役过程有限元模型的建立 以 340 限动芯棒连轧管机组为建模对象，该机 组为 少 机 架 MPM 工 艺 轧 管 机 组． 本 研 究 采 用 339. 72 mm 孔 型 系，毛 管 尺 寸 为 428 mm × 26. 2 mm × 9 898 mm，芯棒材质为 H13 钢，直 径 为 358. 1 mm，限动速度为 1 m·s － 1 ． 分析现场工况，可 以将芯棒的一个使用循环划分为八个阶段，如图 1 所示． 图 2 为使用 ABAQUS 显式动力仿真软件建立 的钢管连轧三维实体模型． 五机架连轧机组相邻机 架成 90°交错排列，由于具有对称性，为提高计算效 率，采用 1 /4 对称简化模型进行计算． 应用生产数 据，荒管的开轧温度、轧辊温度、环境温度和芯棒初 始温度分别设定为 1 060 ℃、250 ℃、25 ℃ 和 100 ℃ ． 轧辊与荒管之间摩擦因数取为 0. 3，荒管与芯棒之 间摩擦因数取为 0. 08，均设定为库伦摩擦，摩擦生 热转换效率为 0. 9 ［1--3］． 图 1 芯棒使用循环的八个阶段 Fig． 1 Eight stages in the mandrel service process 图 2 钢管连轧三维实体模型 Fig． 2 Three-dimensional solid model of continuous tube rolling 图 3 所示为芯棒在一个使用循环内模拟和实测 的主轧段( 芯棒表面最高温度区域) 表面温度变化 情况． 对比表明: 在第一次、第二次和第三次空冷阶 段，实测的芯棒表面温度变化与模拟结果相同． 说 明模型能够反映芯棒温度的变化趋势． 在第一次空 冷阶段的实测值略低于模拟值，原因是芯棒在脱管 后尚处于轧机内，轧辊冷却水会有一部分落在灼热 的芯棒表面，虽然水量较小，但是对芯棒还是有暂时 性的降温作用． 2 芯棒服役过程温度场分析 图 4 所示为通过模拟分析得到的芯棒在各服役 阶段的主轧段截面温度场，图中曲线表示芯棒径向 温度分布． 由图 4 可以看出，轧制过程结束后，芯棒表面温 度升高较多，最高温度为 630 ℃ ． 限于轧制时间较 短，热 量 影 响 深 度 仅 为 30 mm，表层温度梯度为 35 ℃·mm － 1 ． 芯棒从荒管中脱出即进入第一次空冷 图 3 芯棒表面最高温度模拟值和实测值对比 Fig． 3 Comparison between the highest tempretures of the mandrel surface in the service process obtained by simulation and measurement 阶段，此时表层的热量向外界空气和内部两个方向 传递，表面最高温度由 630 ℃降至 300 ℃ ． 热量影响 的深 度 由 30 mm 增 加 到 60 mm，温 度 梯 度 由 35 ℃·mm － 1 下降为5 ℃·mm － 1 ． 在第一次水冷阶段， 表面温 度 迅 速 下 降 至 80 ℃，表层的温度梯度为 9. 3 ℃·mm － 1 ． 由 于 时 间 较 短，降温仅限于表层 25 mm的深度范围，内部温度没有明显变化． 表层之 ·67·