基于碳钢／不锈钢复合无缝钢管穿孔及多道次轧制成型过程的现代研究

基于碳钢／不锈钢复合无缝钢管穿孔及多道次轧制成型过程的现代

研究

摘要碳钢和不锈钢复合无缝钢管，在进行穿孔和多道次轧制成型过程中会选择斜轧穿孔和热连轧作为主要工艺路线。本文拟通过有限元法对碳钢和不锈钢复合无缝钢管进行轧制工艺模拟，并对无缝钢管的斜轧穿孔、钢管热连轧成型的具體过程进行叙述。同时结合模拟结果，对成型之后极易出现的应力残余现象进行总结。

关键词斜轧穿孔；钢管连轧成型；应力残余；有限元模拟

前言

冶金复合无缝钢管的主要生产原料为离心浇铸实心圆坯料，通过穿孔、轧管等变形工序，使之成为中空钢管。对金属坯料进行加工的第一道工序即为穿孔，通过穿孔机的操作，使得具有流动变形特征的金属坯料成为空心毛管。由于毛管管壁过于粗糙，厚度也不均匀，因此需要经过轧制，使其成为复合无缝钢管成品。

1 碳钢/不锈钢复合无缝钢管穿孔过程分析

1.1 有限元模型建立

碳钢和不锈钢的双金属复合钢管本文选用了碳钢外层基体和不锈钢内层的金属材料为研究对象，并利用了非线性有限元软件进行了工艺成型过程的模拟，从而建立起耦合模型。其中斜轧穿孔机在进行金属坯料变形时涉及的轧制工具有三个，分别为轧辊、导板和顶头。其中轧辊按照铰钢过程分为入口、碾压带、出口三个部分。导板为外变形工具，需要选用固定的，在生产过程中主要负责导向作用，并防止金属坯料出现横向变形，与轧辊共同形成封闭外环。顶头为金属坯料主要变形手段，通过旋转将实心管穿透成为空心管。根据穿孔机这三个主要工具模块建立边界条件，可以进行有限元模型的建立。在有限元软件中，通过网格划分、材料属性、接触体定义等内容进行模拟，外层金属为26CrMo4碳钢，内层金属为22Cr高合计钢。

1.2 应力变化分析

在有限元模拟中，穿孔机对金属坯料进行加工，首先会利用推板使金属坯料能够与轧辊相互接触，从而在轧辊的带动之下，向前运动。在不断运动的过程中，金属坯料会开始与导板产生接触，并使顶头快速旋转，顶入到金属坯料当中，完成穿孔。因此在穿孔过程中，金属坯料的最大应力应该集中在金属坯料与导板、轧辊的接触区。经过模拟计算，该区域应力最大应力超过500MPa，并伴随内层不锈钢的剧烈振动[1]。其中，轧件中央位置会受到十分巨大的左右应力，但在中间过渡区应力会有所下降，整个过程应力呈现出“W”形分布。

1.3 运动轨迹和轧制力分析

在受到穿孔机的咬入力和辗轧角的作用，使得坯料上的节点会出现在沿着轧制方向前进之外，还会出现以轴线为中心进行旋转运动。随着轧制不断深入，旋转速度会不断变小，沿轴向运动速度逐渐增加，并在轧制出口趋于稳定。轧制力在轧制的过程中会呈现出相对稳定的变化趋势，只在管坯铰入之前有较大规模的增大，随着进行则趋于稳定。一般来说，在模拟计算当中，轧制力一般会波动在600KN-750KN之间，并随着局部累计出现钢管与导板、轧辊的接触而发生一定的变化。

1.4 斜轧穿孔机咬入

就目前来说，穿孔机是进行复合无缝钢管穿孔的主要工艺选择。作为最早应用的穿孔机，二辊穿孔机是目前大多数穿孔机的鼻祖，随着发展，穿孔机技术不断提高，咬入能力得到了充分增强，因此出现了如狄舍尔穿孔机、曼式穿孔机、三辊穿孔机等一系列新型穿孔机，为穿孔工程提供了更多的便利。其中，曼式穿孔机是通过轧辊的左右设置形成咬入角度，再将两块导板进行上下位置的固定，从而在机器上部形成环形封闭变形区域；狄舍尔穿孔机则去除了固定导板，应用具有主动旋转特点的旋转导盘，轧辊呈上下分布，导盘呈左右分布，从而利用立式的方式，提升导盘的线速度，降低成本提高效率。

2 碳钢/不锈钢复合无缝钢管轧制过程分析

2.1 坯料断面变形和受力特征分析

在完成穿孔之后，就需要对已经加工过的毛管热连轧操作，从而使其成为成品。在有限元的模拟分析过程中，两辊双金属多机架连轧时，毛管会经历圆形-椭圆形-圆形的变形过程，这是由于在加工过程中出现了咬入、减径、辗轧抛出的阶段。因此在毛管进入轧辊入口时，会由于受到压缩使径向缩减，初步形成椭圆形断面，随后由于轧辊集中变形区轧制咬入力的增大，使得减径减壁出现大规模变形，椭圆形被压扁至消失，直到被归圆抛出[2]。双金属毛管在稳定轧制时期会出现轴向应力、径向应力和环向应力三种应力，根据模拟可以对这三种应力进行清晰地分辨和判断，其中环向应力和轴向应力的分布不存在对称性，因此属于螺旋前进。

2.2 多道次连轧分析

在第一架的辊缝方向中，辊缝金属不会与轧辊发生接触，因此稳定阶段三向应力无限趋近于0，而在第二道轧辊时，第一道轧辊的自由状态消失，应力会在第一家辊缝出现分布密集，从而形成凸耳集中变形，经计算，最大轴向应力突破300MPa，并逐渐使管内壁厚成型。根据这一规律可以总结出，外管和内管在经历第一架轧辊的辊缝时，外管会产生较大的直径和壁厚，而内管则会出现不明显凸起，而在经过轧制后凸起会逐渐消失，成为成型的直径和壁厚。这表明在辊缝

位置的直径和壁厚变化十分巨大，同时环向应力会在第一架辊缝位置处出现最大轴向拉应力，而轴向拉应力的控制是最终成型的关键。

3 结束语

综上所述，在现代双金属复合无缝钢管的加工中，需要针对金属坯料的特性选择穿孔机和连轧施工方案。在加工过程中，穿孔机的工艺方法以及应力变化，是双金属复合无缝钢管成型的关键，需要施工人员认真分析，并利用有限元进行模拟。

参考文献

[1] 鲍岩.双金属复合无缝钢管轧制成型过程的研究[D].天津：天津理工大学，2014.

[2] 张春秋，鲍岩，叶金铎.双金属复合无缝钢管冷轧成型过程的数值研究[J].重型机械，2014，（01）：24-30.

杨永昌（1984-），男，天津人，汉族，现职称：工程师，学历：硕士，研究方向：石油专用管开发及评价。