热轧双层金属复合管坯关键工艺参数壁厚比的研究*

2018-12-21何宗霖

机械工程与自动化 2018年6期

何宗霖

(山西工程职业技术学院机械工程系，山西太原 030009)

0 引言

目前双金属复合管的生产方法主要包括冷成型法、离心铸造法、冷轧法、爆炸焊成型法等。其中，冷成型法基层和覆层钢管仅仅是通过机械挤压结合，结合层没有形成冶金融合，容易在较大外力或较高温度下引起结合面应力的释放而失效分离，结合强度较差；冷轧法仅局限于有缝钢管的复合，且在目前条件下成本投资太大；离心铸造法由于铸造工艺所形成的粗大的铸态组织，使得所得的复合管力学性能大打折扣；爆炸焊成型法复合层复杂，难以形成冶金融合，而且当钢管比较长的时候，炸药的用量不好控制，在操作上易造成一定的危险性。笔者所采用的复合管生产方法是利用三辊钢管轧机热轧复合管坯，以期生产出尺寸精度高、内外管管面质量好、复合层达到冶金融合强度的可满足轻工、机械、石油、化工甚至核电等行业要求的复合管。本文针对三辊热轧复合管在制坯过程中的关键工艺参数壁厚比做了相应的仿真研究，为实际生产双层金属复合管的制坯工艺提供指导依据。

1 复合管坯的制备

使用太原科技大学的三辊斜轧钢管轧机(如图1所示)进行轧制试验，轧制钢管型号为Φ67×6→Φ38×3，故管坯的总尺寸为壁厚6 mm、最大外径Φ67 mm、长度为1 000 mm。

图1 三辊斜轧钢管轧机外形图

对于复合管坯内外管厚度的选取，采用如表1所示的3种制坯方案。坯料准备好以后，再采用热装的方法，即对外管加热到500℃左右，再将内外钢管套装在一起，然后冷却至常温即可完成制坯。

表1 复合管厚度配比方案

2 有限元模型的建立

通过对该轧机进行实际测量，得到关键工作部件的基本尺寸，并利用DEFORM有限元软件进行建模，得到的三辊斜轧复合管有限元模型如图2所示。

图2 三辊斜轧复合管有限元模型

具体轧制过程为：三轧辊同时做等速同方向回转运动，轧辊表面呈倾斜状态，有一定的咬入能力；出口相比入口较小，保证了减壁量；推块的作用是给予复合管坯一定的初始速度，当复合管坯接触到三轧辊的瞬间，在巨大的咬入力作用下完成后续的轧制过程；而芯棒的作用是保证出口处的成品复合管不会发生弯曲变形。

2.1 网格的划分

利用DEFORM自带的网格划分功能对3种复合管坯方案进行网格划分，利用圆环辊轧模块，对复合管的外管和内管分别做六面体网格划分，再将其组合到一起。为了保证计算精度和运算速度，网格数目控制在10万个单元以下，网格最小边缘尺寸为3.3 mm。3种复合管坯网格划分模型如图3所示。

图3 3种复合管坯网格划分模型

2.2 边界条件定义

根据三辊斜轧机电机转速换算可以计算出轧辊的回转角速度，故定义三轧辊角速度都为16.7 rad/s，回转方向一致。推块的初始速度定义为10 mm/s。当复合管坯与轧辊接触即发生咬入，由于咬入后轧制速度远大于推块的速度，因此推块在轧制过程中自动与复合管坯发生分离。轧制温度定义为800 ℃。

2.3 接触关系定义

三轧辊与复合管外管的接触定义为可分离，摩擦类型为剪切摩擦，摩擦因数根据测量定义为1.67。芯棒与复合管内管的接触定义为可分离，摩擦类型为剪切摩擦，摩擦因数根据测量定义为0.3。推块与内外复合管坯接触定义为可分离，摩擦类型为剪切摩擦，摩擦因数根据测量定义为0.3。内外复合管坯定义为不可分离，不需要摩擦因数。