.1514 北京科技大学学报 第35卷 KEY WORDS seamless tubes:hot rolling:thickness control:simulation 根据直径(D)与壁厚(S)的比值，无缝钢管可 在给定的温度和应变率条件下的最大变形率.Lⅰ和 分为两种：厚壁管(D/S<20)和薄壁管D/S≥20). Y刂建立有限元模型对无缝钢管的首尾两端增厚 近年来，随着我国高压锅炉、电站及机械等行业的 现象进行了分析，认为调整轧制速度可以有效减短 飞速发展，用户对厚壁管特别是特厚壁管的需求不 增厚端的长度：Yu等1②]根据张力减径过程中工件 断增加.钢管热轧变形工艺路线主要由锥形穿孔、 和轧辊孔型的几何特征，对整个轧制过程进行了仿 连轧和张力减径三个变形工序组成.张力减径作为 真，结果显示钢管的横向壁厚和纵向壁厚具有遗传 热轧无缝钢管的最后一道工序，对钢管成品质量影 性，在经过每一机架时壁厚不均得到积累，导致内 响很大.热轧厚壁无缝钢管在张力减径工艺中会出 六方缺陷和管端增厚现象. 现横向壁厚不均，通常内壁呈六边形，这一缺陷造 总之，学者对无缝钢管的热轧工艺做了大量的 成了市场竞争力下降和严重资源浪费. 研究，提高了对无缝钢管轧制过程中壁厚不均这一 热轧厚壁无缝钢管的横向壁厚不均问题的研 现象的认识，然而目前并没有成熟的方法可以杜绝 究是国际热点.l995年Thieven)利用商用有限 热轧无缝钢管的壁厚不均缺陷.以往的研究主要有 元程序MARC对Mannesmann厂的张减机的生产 以下不足：(1)建立的有限元模型精度有限，一些文 过程进行了三维有限元模拟，介绍了壁厚不均的影 献忽略材料的弹性采用刚塑性材料本构方程，将整 响因素，并分析了张力对轧制过程的影响，限于当 个变形做等温假设，忽略张力减径工艺之前高压水 时计算机水平，作者采用了简化1/6物理模型，未 除鳞对温度的影响，影响了仿真的准确性.(2)以往 考虑温度影响而采用等温模型.2004年，Gulyayev 文献未深入研究轧制过程中的金属横向流动规律以 等冈建立了钢管张力减径的有限元模型，对钢管平 及孔型、摩擦和温度等因素对轧制过程中金属流动 均壁厚沿纵向的分布情况进行了模拟分析，解释了 的影响机理，缺乏可靠的数据为消除横向壁厚奠定 管端增厚的形成原因，但未对横向壁厚不均做深入 理论依据.鉴于此，厚壁无缝钢管的横向壁厚不均 研究.同年，Sawamiphakdi等3闭介绍了Timken公司 问题仍需要进一步研究 无缝钢管的质量问题，重点指出了厚壁管的内六方 1有限元模型 现象，总结了壁厚不均的可能原因.2006年，Pater 等建立了穿孔工艺的有限元模型，将热态钢管 轧制过程的三维物理模型如图1所示.此张力 近似为流体，模拟了穿孔过程，得到了应变场、应 减径工艺包括8道次，道次之间的间距为510mm. 变率、平均应力和温度分布.2007年Kvackaj等同 每道次由三个相互成120°夹角的轧辊组成.荒管 建立了轧制过程中预测组织演变和力学性能的数学 尺寸为外径137mm,壁厚19.5mm.在进入张力减 模型，模型可以描述再结晶、晶粒生长、晶粒演变 径机之前，荒管被加热到950C的高温，然后被轧 和预测力学性能的变化.Carvalho等何对无缝钢 制到成品尺寸为外径114mm,壁厚20mm. 管热轧过程进行了三维热力耦合模拟，并测试了轧 制力矩，与模拟结果符合较好.2010年Li等冈模 拟了八机架连轧过程，对横向壁厚分布的均匀性和 轧辊转速的关系进行了研究，提出优化速度机制可 888 以改善横向壁厚不均.Yi血等阁对高压锅炉管的 六机架半浮芯连轧进行了有限元模拟，模拟结果显 示横向壁厚分布沿1/4孔型呈“”形分布：横向 图1张力减径轧制过程的物理模型 壁厚在顶部、底部和45°位置较薄，在23°和67° Fig.1 Physical model of stretch reducing hot rolling process 位置分布较厚.Kara等9在前人对表面张力研究 影响壁厚的基础上，研究了钢管壁厚分布不均对钢 1.1材料本构模型 管抗挤压强度的影响，研究结果证实钢管壁厚不均 20钢作为钢管的材料，在DYNA中，用关键 会降低钢管表面的抗挤压能力.Pschera等o)采用 字定义黏弹塑性模型.模型考虑了弹性变形、应变 连续介质损伤力学对无缝钢管热轧过程中的金属变 强化行为、应变率效应和温度软化效应.20钢的力 形极限进行了研究，该研究确定了一定尺寸的钢管 学性能由下面的数学关系式)决定：· 1514 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 KEY WORDS seamless tubes; hot rolling; thickness control; simulation 根据直径 (D) 与壁厚 (S) 的比值，无缝钢管可 分为两种：厚壁管 (D/S<20) 和薄壁管 D/S >20). 近年来，随着我国高压锅炉、电站及机械等行业的 飞速发展，用户对厚壁管特别是特厚壁管的需求不 断增加. 钢管热轧变形工艺路线主要由锥形穿孔、 连轧和张力减径三个变形工序组成. 张力减径作为 热轧无缝钢管的最后一道工序，对钢管成品质量影 响很大. 热轧厚壁无缝钢管在张力减径工艺中会出 现横向壁厚不均，通常内壁呈六边形，这一缺陷造 成了市场竞争力下降和严重资源浪费. 热轧厚壁无缝钢管的横向壁厚不均问题的研 究是国际热点. 1995 年 Thieven[1] 利用商用有限 元程序 MARC 对 Mannesmann 厂的张减机的生产 过程进行了三维有限元模拟，介绍了壁厚不均的影 响因素，并分析了张力对轧制过程的影响，限于当 时计算机水平，作者采用了简化 1/6 物理模型，未 考虑温度影响而采用等温模型. 2004 年，Gulyayev 等 [2] 建立了钢管张力减径的有限元模型，对钢管平 均壁厚沿纵向的分布情况进行了模拟分析，解释了 管端增厚的形成原因，但未对横向壁厚不均做深入 研究. 同年，Sawamiphakdi 等 [3] 介绍了 Timken 公司 无缝钢管的质量问题，重点指出了厚壁管的内六方 现象，总结了壁厚不均的可能原因. 2006 年，Pater 等 [4] 建立了穿孔工艺的有限元模型，将热态钢管 近似为流体，模拟了穿孔过程，得到了应变场、应 变率、平均应力和温度分布. 2007 年 Kvaˇckaj 等 [5] 建立了轧制过程中预测组织演变和力学性能的数学 模型，模型可以描述再结晶、晶粒生长、晶粒演变 和预测力学性能的变化. Carvalho 等 [6] 对无缝钢 管热轧过程进行了三维热力耦合模拟，并测试了轧 制力矩，与模拟结果符合较好. 2010 年 Li 等 [7] 模 拟了八机架连轧过程，对横向壁厚分布的均匀性和 轧辊转速的关系进行了研究，提出优化速度机制可 以改善横向壁厚不均. Yin 等 [8] 对高压锅炉管的 六机架半浮芯连轧进行了有限元模拟，模拟结果显 示横向壁厚分布沿 1/4 孔型呈 “M” 形分布：横向 壁厚在顶部、底部和 45◦ 位置较薄，在 23◦ 和 67◦ 位置分布较厚. Kara 等 [9] 在前人对表面张力研究 影响壁厚的基础上，研究了钢管壁厚分布不均对钢 管抗挤压强度的影响，研究结果证实钢管壁厚不均 会降低钢管表面的抗挤压能力. Pschera 等 [10] 采用 连续介质损伤力学对无缝钢管热轧过程中的金属变 形极限进行了研究，该研究确定了一定尺寸的钢管 在给定的温度和应变率条件下的最大变形率. Li 和 Yu[11] 建立有限元模型对无缝钢管的首尾两端增厚 现象进行了分析，认为调整轧制速度可以有效减短 增厚端的长度；Yu 等 [12] 根据张力减径过程中工件 和轧辊孔型的几何特征，对整个轧制过程进行了仿 真，结果显示钢管的横向壁厚和纵向壁厚具有遗传 性，在经过每一机架时壁厚不均得到积累，导致内 六方缺陷和管端增厚现象. 总之，学者对无缝钢管的热轧工艺做了大量的 研究，提高了对无缝钢管轧制过程中壁厚不均这一 现象的认识，然而目前并没有成熟的方法可以杜绝 热轧无缝钢管的壁厚不均缺陷. 以往的研究主要有 以下不足：(1) 建立的有限元模型精度有限，一些文 献忽略材料的弹性采用刚塑性材料本构方程，将整 个变形做等温假设，忽略张力减径工艺之前高压水 除鳞对温度的影响，影响了仿真的准确性. (2) 以往 文献未深入研究轧制过程中的金属横向流动规律以 及孔型、摩擦和温度等因素对轧制过程中金属流动 的影响机理，缺乏可靠的数据为消除横向壁厚奠定 理论依据. 鉴于此，厚壁无缝钢管的横向壁厚不均 问题仍需要进一步研究. 1 有限元模型 轧制过程的三维物理模型如图 1 所示. 此张力 减径工艺包括 8 道次，道次之间的间距为 510 mm. 每道次由三个相互成 120◦ 夹角的轧辊组成. 荒管 尺寸为外径 137 mm，壁厚 19.5 mm. 在进入张力减 径机之前，荒管被加热到 950 ◦C 的高温，然后被轧 制到成品尺寸为外径 114 mm，壁厚 20 mm. 图 1 张力减径轧制过程的物理模型 Fig.1 Physical model of stretch reducing hot rolling process 1.1 材料本构模型 20 钢作为钢管的材料，在 DYNA 中，用关键 字定义黏弹塑性模型. 模型考虑了弹性变形、应变 强化行为、应变率效应和温度软化效应. 20 钢的力 学性能由下面的数学关系式 [13] 决定：