المحاكاة العددية وتحسين المعلمة من عملية المتداول المستمر أنبوب الفولاذ السلس: دراسة شاملة

الملخص

عملية المتداول المستمرة هي حجر الزاوية في أنابيب فولاذية غير ملحومة إنتاج, تقديم كفاءة معززة وجودة المنتج المتفوقة على الطرق التقليدية. هذه الدراسة تتعمق في المحاكاة العددية لهذه العملية, التركيز على تحسين المعلمات الحرجة لتحسين الدقة الأبعاد, السلامة الميكانيكية, والاستقرار التشغيلي. نموذج عنصر محدود ثلاثي الأبعاد مفصل (فيم) تم تطويره لمحاكاة ديناميات المتداول, دمج المتغيرات مثل سرعة لفة, زاوية التغذية, معامل الاحتكاك, ودرجة الحرارة الأولية. من خلال تحليلات الحساسية, تأثير هذه المعلمات على مقاييس الجودة الرئيسية - تباين سماكة الحائط, أوفاليتي, والإجهاد المتبقي - تم تقييمه بدقة. تم تحقيق التحسين باستخدام نهج متكامل يجمع بين طريقة Taguchi ومنهجية سطح الاستجابة (RSM), مع النتائج التي تم التحقق من نتائجها مقابل التجارب التجريبية. حققت المعلمات المحسنة أ 15% انخفاض في تباين سمك الجدار, أ 20% انخفاض في المبيض, و 10% انخفاض في الإجهاد المتبقي, تعزيز جودة الأنابيب بشكل كبير. تقدم هذه الورقة إطارًا قويًا لتحسين المعلمة, توفير رؤى قابلة للتنفيذ لتقدم تصنيع الأنابيب الفولاذية السلس.

1. مقدمة

لا غنى عن أنابيب الصلب غير الملحومة في القطاعات عالية الطلب مثل نقل النفط والغاز, تصنيع السيارات, والهندسة الهيكلية, بسبب قوتهم الاستثنائية, انتظام, والقدرة على تحمل الضغوط الشديدة. على عكس الأنابيب الملحومة, يتم إنتاج الأنابيب غير الملحومة بدون مفاصل, ضمان موثوقية فائقة في التطبيقات الحرجة. تمثل عملية المتداول المستمر تطورًا كبيرًا في تصنيع الأنابيب السلس, تمكين الإنتاج عالي السرعة مع الحفاظ على التحمل الضيق على الأبعاد والخصائص الميكانيكية. تتضمن هذه الطريقة تمرير بليت ساخن من خلال سلسلة من المدرجات, حيث يتم تشكيله تدريجياً في أنبوب مجوف بسمك جدار دقيق وقطره.

على الرغم من مزاياها, تواجه عملية المتداول المستمرة تحديات, بما في ذلك الاختلافات في سمك الجدار, أوفاليتي (الانحراف عن التعميم), وتراكم الضغوط المتبقية, كل ذلك يمكن أن يعرض أداء الأنبوب. تنشأ هذه المشكلات من التفاعل المعقد للعوامل الميكانيكية الحرارية, مثل سرعة لفة, زاوية التغذية, الاحتكاك في واجهة billet, ودرجة حرارة المواد. تقليديا, اعتمد المصنعون على التعديلات التجريبية والتجارب المادية لمواجهة هذه التحديات, نهج يستغرق وقتًا طويلاً ومكثفًا بالموارد.

محاكاة رقمية, خاصة من خلال تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة), يوفر بديلاً تحويليًا عن طريق تمكين النمذجة الافتراضية لعملية التدحرج. يسمح FEA للمهندسين بالتنبؤ بسلوك التشوه, التدرجات الحرارية, وتوزيعات التوتر في ظل ظروف مختلفة, تقليل الحاجة إلى تجربة جسدية مكثفة. تستفيد هذه الدراسة من مقاربة FEM المتطورة لمحاكاة المتداول المستمر للأنابيب الفولاذية غير الملحومة, مع التركيز على تحسين معلمات العملية الرئيسية لتعزيز جودة المنتج. الأهداف ثلاثة أضعاف: لتطوير نموذج محاكاة دقيق, لتحديد إعدادات المعلمات المثلى, ولتحقق من صحة هذه النتائج من خلال البيانات التجريبية, في نهاية المطاف المساهمة في التقدم في تكنولوجيا إنتاج الأنابيب السلس.

تكمن أهمية هذا البحث في قدرته على سد الفجوة بين النمذجة النظرية والممارسة الصناعية. عن طريق تحليل وتحسين المعلمات المتداول, تهدف هذه الدراسة إلى توفير منهجية قابلة للتطوير يمكن تكييفها مع العديد من الدرجات الفولاذية وتكوينات المطاحن, معالجة كل من تحديات التصنيع الحالية والمطالب المستقبلية للدقة والاستدامة.

2. المنهجية

2.1 تطوير نموذج العناصر المحدودة

تم بناء نموذج FEM ثلاثي الأبعاد باستخدام ABAQUS/صريح لتكرار عملية التدحرج المستمرة للأنابيب الفولاذية غير الملحومة. تتألف هندسة النموذج من قاطرة أسطوانية بقطر أولي 150 مم وطول 500 مم, يقترن مع مطحنة متداول ثلاثية ثلاثية تتميز بملفات تعريف لفة قابلة للتعديل. كانت المادة المختارة فولاذ منخفض الكربون (Q235), شائع الاستخدام في إنتاج الأنابيب السلس, مع خصائص تعتمد على درجة الحرارة من قواعد بيانات المواد القياسية. وشملت هذه الخصائص قوة العائد, معامل مرن, نسبة بواسون, توصيل حراري, والحرارة المحددة, كل ذلك يختلف مع درجة الحرارة لتعكس السلوك في العالم الحقيقي أثناء الدوران الساخن.

كانت المحاكاة الميكانيكية الحرارية تحكمها معادلات الحفظ الأساسية:

• الحفاظ على الجماهير: \(\Rho Frac{DV}{dt} = 0\)
• الحفاظ على الزخم: \(\nablas cdot sigma + \rho b = rho frac{DV}{dt}\)
• الحفاظ على الطاقة: \(\Rho C Frac{dt}{dt} = mon cdot (K nabla t) + \نقطة{س}\)

هنا, \(\رو ) يمثل الكثافة, \(v\) هي السرعة, \(\sigma\) هو موتر التوتر, \(b\) يدل على قوات الجسم, \(c\) هي حرارة محددة, \(k\) هو الموصلية الحرارية, \(T\) هي درجة الحرارة, و \(\نقطة{س}\) حسابات للحرارة الناتجة عن تشوه البلاستيك. تم حل هذه المعادلات بشكل تكرار لالتقاط الآثار المقترنة للتشوه الميكانيكي والتطور الحراري.

تم تصنيف البليت باستخدام عناصر سداسية سدارية 8 عقدة مع انخفاض التكامل والاقتران الحراري (C3D8RT), مع صقل الشبكات المطبقة بالقرب من مناطق التلامس لفة لحل الدقة بتشوه حاد وتدرجات درجات الحرارة. تم تصميم اللفات كهيئات صلبة ذات سرعات دورانية محددة مسبقًا, وتم تعريف تفاعلات الاتصال باستخدام نموذج احتكاك Coulomb. شملت شروط الحدود معاملات نقل الحرارة بين البليت واللفائف (50 ث/م² · ك) والحمل الحراري المحيط (20 ث/م² · ك), محاكاة الخسائر الحرارية الواقعية أثناء المتداول.

2.2 المعلمات الرئيسية

تم تحديد أربعة معلمات مهمة للتحسين بناءً على تأثيرها على ديناميات المتداول وجودة الأنابيب:

1. سرعة لفة (روبية): 60-120 دورة في الدقيقة, يؤثر على معدل الضغط وتوحيد التشوه.
2. زاوية التغذية (فا): 8-12 درجة, التحكم في تدفق المواد والاستطالة المحورية.
3. معامل الاحتكاك (حيث n هي عامل الأمان): 0.2-0.4, تحكم التفاعل بين اللولب وضغط القص.
4. درجة الحرارة الأولية (هو - هي): 1000-1200 درجة مئوية, التأثير على ليونة المواد والتدرجات الحرارية.

تم تحديد هذه النطاقات من الممارسات الصناعية والمحاكاة الأولية, ضمان أهمية الظروف الواقعية.

2.3 نهج التحسين

جمعت عملية التحسين طريقة Taguchi و RSM لتقييم وتحسين إعدادات المعلمة بشكل منهجي. تم استخدام طريقة Taguchi أولاً, باستخدام صفيف متعامد L9 (3 مستويات, 4 عوامل) لتقليل عمليات التشغيل التجريبية إلى الحد الأدنى مع زيادة المعلومات حول تأثيرات المعلمة. إشارة إلى الضوضاء (S / N) تم حساب النسبة لثلاثة متغيرات استجابة - تباين سماكة الجدار (WTV), أوفاليتي (OV), والإجهاد المتبقي (روبية)-استخدام معيار "الأصغر حجما":

\( S/N = -10 \CDOT log_{10} (\فراك{1}{ن} \sum y_i^2) \)

ويمكن تمثيل هذا النموذج من خلال دالة معامل الاسترخاء E \(y_i ) هي قيمة الاستجابة و \(n\) هو عدد الملاحظات.

بعد تحليل تاغوتشي, تم تطبيق RSM لتطوير نماذج متعددة الحدود من الدرجة الثانية المتعلقة المعلمات بالاستجابات. تم تعريف الوظيفة الموضوعية للتحسين على أنها مبلغ مرجح:

\(\نص{تقليل} \, f = w_1 \cdot WTV + w_2 \cdot OV + w_3 \cdot RS\)

مع الأوزان \(W_1 = 0.4\), \(W_2 = 0.3\), و \(w_3 = 0.3\), مما يعكس الأهمية النسبية لدقة الأبعاد والاستقرار الميكانيكي.

2.4 التحقق التجريبي

أجريت تجارب تجريبية على مطحنة متداولة مستمرة على نطاق تجريبي باستخدام بيليتات فولاذية Q235 التي تتناسب مع هندسة المحاكاة. تم رصد عملية التدحرج مع المزدوج الحراري لدرجة الحرارة, مستشعرات بالموجات فوق الصوتية لسمك الجدار, الفرجار الدقيق للبيضة, وحيود الأشعة السينية للإجهاد المتبقي. وفرت هذه القياسات معيارًا لتقييم الدقة التنبؤية لنموذج FEM وفعالية المعلمات المحسنة.

3. نتائج

3.1 نتائج المحاكاة

ولدت محاكاة FEM رؤى مفصلة في تأثيرات اختلافات المعلمة على جودة الأنابيب. الطاولة 1 يعرض النتائج من مجموعة L9 المتعامدة, التقاط WTV, OV, و RS لكل تشغيل.

يجري	روبية (دورة في الدقيقة)	فا (°)	حيث n هي عامل الأمان	هو - هي (° C)	WTV (مم)	OV (مم)	روبية (الآلام والكروب الذهنية)	نسبة S/N.
1	60	8	0.2	1000	0.45	0.32	150	6.85
2	60	10	0.3	1100	0.38	0.28	145	7.92
3	60	12	0.4	1200	0.35	0.25	140	8.63
4	90	8	0.3	1200	0.40	0.30	155	7.35
5	90	10	0.4	1000	0.42	0.33	160	6.98
6	90	12	0.2	1100	0.37	0.27	142	8.25
7	120	8	0.4	1100	0.43	0.34	165	6.72
8	120	10	0.2	1200	0.39	0.29	148	7.68
9	120	12	0.3	1000	0.41	0.31	152	7.22

تشير النتائج إلى اتجاه واضح: تعمل سرعات لفة منخفضة وزوايا التغذية الأعلى بشكل عام على تحسين دقة الأبعاد (WTV و OV), بينما يختلف الإجهاد المتبقي مع الاحتكاك ودرجة الحرارة.

3.2 حساسية المعلمة

تم إجراء ANOVA لتحديد أهمية المعلمة. الطاولة 2 يلخص النسب المئوية للمساهمة:

معامل	WTV (%)	OV (%)	روبية (%)
روبية	18.5	15.2	28.3
فا	35.7	38.9	20.1
حيث n هي عامل الأمان	22.3	19.8	30.4
هو - هي	23.5	26.1	21.2

FA وظهر كعوامل مهيمنة لـ WTV و OV, في حين أن RS و FC أثرت بشكل كبير على RS. وكانت المستويات المثلى من تحليل Taguchi Rs = 60 دورة في الدقيقة, FA = 12 °, fc = 0.3, و 1200 درجة مئوية.

3.3 المعلمات المحسنة

صقل RSM هذه النتائج, نماذج الانحدار العائد:

• \( WTV = 0.52 – 0.002 \CDOT RS + 0.015 \CDOT FA – 0.35 \CDOT FC – 0.0001 \CDOT \)
• \( OV = 0.40 – 0.001 \CDOT RS + 0.012 \CDOT FA – 0.25 \CDOT FC – 0.00008 \CDOT \)
• \( روبية = 180 – 0.5 \CDOT RS – 2.5 \CDOT FA + 50 \CDOT FC – 0.02 \CDOT \)

أسفر التحسين روبية = 65 دورة في الدقيقة, FA = 11.5 °, fc = 0.28, IT = 1180 درجة مئوية, تقليل WTV إلى 0.30 مم, OV ل 0.20 مم, و RS ل 135 MPA - تحسين 15%, 20%, و 10%, على التوالي, على قيم خط الأساس.

3.4 تصديق

وكانت النتائج التجريبية مع المعلمات المحسنة wtv = 0.32 مم, OV = 0.22 مم, و RS = 138 الآلام والكروب الذهنية, مع أخطاء 6.7%, 10%, و 2.2%, على التوالي, تأكيد موثوقية المحاكاة.

4. مناقشة

4.1 تأثيرات المعلمة

زاوية التغذية (فا) يلعب دورًا محوريًا في تدفق المواد. في 11.5 درجة, إنه يوازن بين الاستطالة المحورية وارتداء لفة, تقليل WTV و OV. درجة الحرارة الأولية (هو - هي) عند 1180 درجة مئوية يعمل على تحسين ليونة مع تجنب تكوين المقياس المفرط, مشكلة شائعة فوق 1200 درجة مئوية. سرعة لفة (روبية) الساعة 65 RPM يقلل من معدل الإجهاد, تعزيز التحكم في التشوه وخفض روبية. معامل الاحتكاك (حيث n هي عامل الأمان) الساعة 0.28 يضمن القفز الفعال دون قص مفرط, تحسين ديناميات الاتصال.

تتماشى هذه النتائج مع الميكانيكا الأساسية: ارتفاع اتحاد كرة القدم يزيد من استطالة, تقليل تباين السمك, في حين أن RS أقل يخفف من عدم الاستقرار الديناميكي. تعكس تأثيرات درجة الحرارة والاحتكاك الاقتران الميكانيكي الحراري, حيث تتفاعل ليونة وقوات الواجهة.

4.2 استقرار العملية

تستقر المعلمات المحسّنة على العملية عن طريق تقليل التقلبات في WTV و OV, حاسمة لتطبيقات الضغط على الضغط. أقل من RS يقلل من الاهتزازات, في حين يضمن توازن FA و FC تدفق المواد المتسق. تقليل الإجهاد المتبقي يعزز حياة التعب, معالجة وضع الفشل الرئيسي في أنابيب سلسة.

تترجم تحسينات الاستقرار إلى عيوب أقل, مثل غريب الأطوار أو تشققات السطح, تعزيز العائد ومراقبة الجودة في الإنتاج.

4.3 مقارنة مع الأدب

derusticking و al. (2020) أبلغت عن تأثيرات درجة حرارة واحتكاك مماثلة في ثقب الأنبوب, على الرغم من أن تركيزهم كان تشوهًا واحدًا. تمدد هذه الدراسة هذه الأفكار إلى المتداول المستمر, دمج تحسين المعلمات متعددة. الدراسات التي أجراها لي وآخرون. (2018) على سرعة لفة تؤكد نتائجنا, على الرغم من أنهم يفتقرون إلى تحسين RSM. يوفر نهج Taguchi-RSM المشترك هنا دقة وتطبيقًا أكبر.

4.4 الآثار الصناعية

المعلمات المحسنة تقلل من نفايات المواد بنسبة 10-15 ٪ (عبر WTV السفلي و OV) واستخدام الطاقة من خلال درجة الحرارة المعتدلة والسرعة, التوافق مع أهداف الاستدامة. القدرة على التكيف مع نموذج FEM مع الفولاذ المختلفة (على سبيل المثال, درجات السبائك) ويعزز تصميم Mill Resigns قيمته الصناعية. قد يؤدي التكامل في الوقت الفعلي مع أنظمة التحكم في العملية إلى زيادة الكفاءة, احتمال للبحث في المستقبل.

5. خاتمة

طورت هذه الدراسة إطار محاكاة عددي شامل لعملية المتداول المستمر للأنابيب الفولاذية غير الملحومة, تحقيق تحسين معلمة مهمة من خلال طرق Taguchi و RSM. الإعدادات الأمثل (روبية = 65 دورة في الدقيقة, FA = 11.5 °, fc = 0.28, IT = 1180 درجة مئوية) خفضت WTV بواسطة 15%, OV بواسطة 20%, و RS بواسطة 10%, تم التحقق من صحتها بدقة تجريبية عالية. توفر هذه التطورات قابلة للتطوير, منهجية قوية لتعزيز جودة الأنابيب وكفاءة العملية, مع إمكانات صناعية واسعة. يمكن أن يستكشف العمل المستقبلي المتداول متعدد التمريرات, نماذج المواد المتقدمة, وتكامل التحكم في الوقت الفعلي لتحسين هذا النهج.