第11期 姜永正等：厚壁无缝钢管张减过程横向壁厚不均研究 1515· E., E≤E0; 1/3.5447 001+ 137 (1) Qr{1-exp[-123(e-eo]}+ 吸热器 Qr2{1-exp[-9(E-E0)]],s>50. 式中：E(T)=0.3393T2-771T+4.68×105, 轧制方向 MPa;eo(T)=oo(T)/E(T):oo(T)=0.000299T2- 0.6476T+374,MPa:Q1=184.2238-0.174T, MPa;Q2=439.1449-0.415T,MPa:T为温度， 图2高压水除鳞模拟 C:σ为真应力：e为真应变：E为应变率，s1. Fig.2 High pressure water descaling process 1.2单元划分 仿真中，钢管截面径向划分为3个单元，周向 0.38 划分为84个单元.由于轧辊被假设成刚体，只建立 0.36 轧辊的表面模型并分网.钢管共计单元252000个， 0.34 静 单个轧辊包含4000个单元. 0.32 1.3边界条件 0.28 1.3.1热传导边界条件 0.26 根据张力减径过程的特点，高压水除鳞、接触 30040050060070080090010001100 传热、空冷、辐射、摩擦热和塑性功换热在变形区 温度C 内同时存在，假定摩擦热平均分配到钢管和轧辊表 面，并设定塑性功换热系数入=0.9.荒管进入张力 图320钢摩擦因数随着温度的变化 减径机前经过高压水除鳞，采用吸热器来模拟钢管 Fig.3 Change in friction coefficient of 20 steel with temper- ature 和高压水之间的温度交换，如图2. 1.3.2摩擦 1.3.3速度边界条件 张力减径过程中，摩擦因数随着温度变化.为 荒管进入第1道次的初始速度为0.6ms1,然 提高仿真精度，摩擦因数定义成变量如图3所 后在摩擦力的作用下通过每一道次.每一道次的转 示14. 速见表1. 表1各道次转速 Table 1 Rotational speed for each pass 道次 1 2 3 5 6 7 8 速度/(rad.s-) 2.68 2.88 2.95 3.03 3.10 3.17 3.21 3.30 2结果验证及分析 2.1仿真与试验结果对比 仿真结果见图4，钢管通过所有轧机轧制后截 面形态呈明显的内六方形态.为验证仿真结果，对 张力减径过程进行对应的工业试验.试验完成之后， 从成品管中取一段30mm长的试样.对比结果如图 5所示：仿真和试验得到的两个最终钢管横截面形 状十分相似，均呈现明显的壁厚不均，而且内壁形 状都呈六方形. 进行定量分析，截面沿周向每隔5°划分，然后 图4仿真轧机出口处钢管形态 从0°到355°每隔5°沿顺时针方向测量钢管壁厚. Fig.4 Tube shape at outlets from simulation results第 11 期 姜永正等：厚壁无缝钢管张减过程横向壁厚不均研究 1515 ·· σ =    E · ε, ε 6 ε0; σ0 " 1 + µ ε˙ 137¶1/3.544# + Qr1{1 − exp[−123(ε − ε0)]}+ Qr2{1 − exp[−9(ε − ε0)]}, ε > ε0. (1) 式中： E(T) = 0.3393T 2 − 771T + 4.68 × 105 , MPa；ε0(T) = σ0(T)/E(T)；σ0(T) = 0.000299T 2 − 0.6476T + 374, MPa；Qr1 = 184.2238 − 0.174T, MPa；Qr2 = 439.1449 − 0.415T, MPa；T 为温度, ◦C；σ 为真应力；ε 为真应变；ε˙ 为应变率，s −1 . 1.2 单元划分 仿真中，钢管截面径向划分为 3 个单元，周向 划分为 84 个单元. 由于轧辊被假设成刚体，只建立 轧辊的表面模型并分网. 钢管共计单元 252000 个， 单个轧辊包含 4000 个单元. 1.3 边界条件 1.3.1 热传导边界条件 根据张力减径过程的特点，高压水除鳞、接触 传热、空冷、辐射、摩擦热和塑性功换热在变形区 内同时存在，假定摩擦热平均分配到钢管和轧辊表 面，并设定塑性功换热系数 λ=0.9. 荒管进入张力 减径机前经过高压水除鳞，采用吸热器来模拟钢管 和高压水之间的温度交换，如图 2. 1.3.2 摩擦 张力减径过程中，摩擦因数随着温度变化. 为 提高仿真精度， 摩擦因数定义成变量如图 3 所 示 [14] . 图 2 高压水除鳞模拟 Fig.2 High pressure water descaling process 图 3 20 钢摩擦因数随着温度的变化 Fig.3 Change in friction coefficient of 20 steel with temper￾ature 1.3.3 速度边界条件 荒管进入第 1 道次的初始速度为 0.6 m·s –1，然 后在摩擦力的作用下通过每一道次. 每一道次的转 速见表 1. 表 1 各道次转速 Table 1 Rotational speed for each pass 道次 1 2 3 4 5 6 7 8 速度/(rad·s –1 ) 2.68 2.88 2.95 3.03 3.10 3.17 3.21 3.30 2 结果验证及分析 2.1 仿真与试验结果对比 仿真结果见图 4，钢管通过所有轧机轧制后截 面形态呈明显的内六方形态. 为验证仿真结果，对 张力减径过程进行对应的工业试验.试验完成之后， 从成品管中取一段 30 mm 长的试样. 对比结果如图 5 所示：仿真和试验得到的两个最终钢管横截面形 状十分相似，均呈现明显的壁厚不均，而且内壁形 状都呈六方形. 进行定量分析，截面沿周向每隔 5 ◦ 划分，然后 从 0 ◦ 到 355◦ 每隔 5 ◦ 沿顺时针方向测量钢管壁厚. 图 4 仿真轧机出口处钢管形态 Fig.4 Tube shape at outlets from simulation results