Simulazione numerica e ottimizzazione dei parametri del tubo di acciaio senza soluzione di continuità: Uno studio completo

Astratto

Il processo di rotolamento continuo è una pietra miliare tubo d'acciaio senza giunte Vendita calda, Offrire un'efficienza maggiore e una qualità del prodotto superiore rispetto ai metodi convenzionali. Questo studio approfondisce la simulazione numerica di questo processo, Concentrarsi sull'ottimizzazione dei parametri critici per migliorare la precisione dimensionale, Integrità meccanica, e stabilità operativa. Un modello dettagliato di elementi finiti tridimensionali (Fem) è stato sviluppato per simulare la dinamica di rotolamento, incorporare variabili come la velocità del rullo, angolo di alimentazione, coefficiente di attrito, e temperatura iniziale. Attraverso analisi di sensibilità, L'impatto di questi parametri sulle metriche di qualità chiave: variazione di spessore della cima, ovalizzazione, e stress residuo: è stato accuratamente valutato. L'ottimizzazione è stata ottenuta utilizzando un approccio integrato che combina il metodo Taguchi e la metodologia della superficie di risposta (RSM), con risultati validati contro studi sperimentali. I parametri ottimizzati raggiunti a 15% Riduzione della variazione dello spessore della parete, un 20% diminuzione dell'ovalità, e a 10% Riduzione dello stress residuo, Migliorare significativamente la qualità dei tubi. Questo documento presenta un quadro robusto per l'ottimizzazione dei parametri, Fornire approfondimenti utili per far avanzare la produzione di tubi in acciaio senza soluzione di continuità.

1. introduzione

I tubi in acciaio senza soluzione di continuità sono indispensabili in settori ad alta richiesta come il trasporto di petrolio e gas, produzione automobilistica, e ingegneria strutturale, a causa della loro forza eccezionale, uniformità, e capacità di resistere a pressioni estreme. A differenza dei tubi saldati, I tubi senza soluzione di continuità vengono prodotti senza articolazioni, Garantire un'affidabilità superiore nelle applicazioni critiche. Il processo di rotolamento continuo rappresenta una significativa evoluzione nella produzione di tubi senza soluzione di continuità, Abilitare la produzione ad alta velocità mantenendo tolleranze strette su dimensioni e proprietà meccaniche. Questo metodo prevede il passaggio di una billetta riscaldata attraverso una serie di tiri rotolanti, dove è progressivamente modellato in un tubo cavo con spessore e diametro della parete precisi.

Nonostante i suoi vantaggi, Il processo di rotolamento continuo deve affrontare le sfide, comprese le variazioni dello spessore del muro, ovalizzazione (Deviazione dalla circolarità), e l'accumulo di stress residui, Tutto ciò può compromettere le prestazioni del tubo. Questi problemi derivano dalla complessa interazione di fattori termomeccanici, come la velocità del rullo, angolo di alimentazione, attrito all'interfaccia roll-billet, e temperatura del materiale. Tradizionalmente, I produttori hanno fatto affidamento su aggiustamenti empirici e prove fisiche per affrontare queste sfide, un approccio che richiede tempo e sia che intensiva.

Simulazione numerica, in particolare attraverso l'analisi degli elementi finiti (FEA), offre un'alternativa trasformativa consentendo la modellazione virtuale del processo di rotolamento. FEA consente agli ingegneri di prevedere il comportamento di deformazione, Gradienti termici, e distribuzioni di stress in condizioni variabili, Ridurre la necessità di una vasta sperimentazione fisica. Questo studio sfrutta un sofisticato approccio FEM per simulare il continuo rotazione di tubi in acciaio senza soluzione di continuità, con particolare attenzione all'ottimizzazione dei parametri di processo chiave per migliorare la qualità del prodotto. Gli obiettivi sono triplici: Per sviluppare un modello di simulazione accurato, Per identificare le impostazioni ottimali dei parametri, e per convalidare questi risultati attraverso dati sperimentali, In definitiva contribuire al progresso della tecnologia di produzione di tubi senza soluzione di continuità.

Il significato di questa ricerca risiede nel suo potenziale per colmare il divario tra la modellazione teorica e la pratica industriale. Analizzando sistematicamente e ottimizzando i parametri di rolling, Questo studio mira a fornire una metodologia scalabile che può essere adattata a vari gradi in acciaio e configurazioni di mulini, Affrontare sia le attuali sfide manifatturiere che le esigenze future di precisione e sostenibilità.

2. Metodologia

2.1 Sviluppo del modello a elementi finiti

È stato costruito un modello FEM tridimensionale utilizzando ABAQUS/Explicit per replicare il processo di rotolamento continuo di tubi in acciaio senza soluzione di continuità. La geometria del modello comprendeva una billetta cilindrica con un diametro iniziale di 150 mm e una lunghezza di 500 mm, Abbinato a un rolling continuo a tre roll con profili di rollio regolabili. Il materiale selezionato era in acciaio a basso contenuto di carbonio (Q235), comunemente usato nella produzione di tubi senza soluzione di continuità, con proprietà dipendenti dalla temperatura provenienti da database di materiali standard. Queste proprietà includevano la resistenza alla snervamento, modulo elastico, Rapporto di Poisson, Vengono prodotti diversi tipi di acciaio in base alle proprietà meccaniche e fisiche richieste per la loro applicazione, e calore specifico, tutti variano con la temperatura per riflettere il comportamento del mondo reale durante il rotolamento caldo.

La simulazione termomeccanica era governata da equazioni di conservazione fondamentali:

• Conservazione di massa: \(\Rho frac{Dv}{Dt} = 0\)
• Conservazione del momento: \(\Nablas CDOT Sigma + \rho b = rho frac{Dv}{Dt}\)
• Conservazione energetica: \(\rho c frac{Dt}{Dt} = mon CDOT (k nabla t) + \punto{Q}\)

Qui, \(\rho ) rappresenta la densità, \(v\) è la velocità, \(\sigma\) è il tensore di stress, \(b\) indica le forze del corpo, \(c\) è un calore specifico, \(k\) è conducibilità termica, \(T\) è la temperatura, e \(\punto{Q}\) Conti per il calore generato dalla deformazione plastica. Queste equazioni sono state risolte iterativamente per catturare gli effetti accoppiati della deformazione meccanica e dell'evoluzione termica.

La billetta è stata discretizzata utilizzando elementi esadedrali a 8 nodi con una ridotta integrazione e accoppiamento termico (C3d8rt), Con il raffinamento a rete applicato vicino alle zone di contatto del rotolo per risolvere accuratamente la ripida deformazione e i gradienti di temperatura. I rotoli sono stati modellati come corpi rigidi con velocità di rotazione predefinite, e le interazioni di contatto sono state definite utilizzando un modello di attrito Coulomb. Le condizioni al contorno includevano coefficienti di trasferimento di calore tra la billetta e i rotoli (50 W/m² · k) e convezione ambientale (20 W/m² · k), simulare perdite termiche realistiche durante il rotolamento.

2.2 Parametri chiave

Sono stati identificati quattro parametri critici per l'ottimizzazione in base alla loro influenza sulla dinamica di rotolamento e sulla qualità dei tubi:

1. Velocità del rotolo (Rs): 60–120 giri / min, influenzare la velocità di deformazione e l'uniformità della deformazione.
2. Angolo di alimentazione (FA): 8–12 °, Flusso di materiale di controllo e allungamento assiale.
3. Coefficiente di attrito (FC): 0.2–0.4, Interazione al rullo che governa e stress da taglio.
4. Temperatura iniziale (ESSO): 1000–1200 ° C., Influenzare la duttilità del materiale e i gradienti termici.

Questi intervalli sono stati determinati da pratiche industriali e simulazioni preliminari, Garantire rilevanza per le condizioni del mondo reale.

2.3 Approccio di ottimizzazione

Il processo di ottimizzazione ha combinato il metodo Taguchi e RSM per valutare e perfezionare sistematicamente le impostazioni dei parametri. Il metodo Taguchi è stato impiegato per primo, Usando un array ortogonale L9 (3 Tabella C.61—Riepilogo dei metodi NDE per tubi senza saldatura e corpo di tubi saldati, 4 fattori) Per ridurre al minimo le corse sperimentali massimizzando le informazioni sugli effetti dei parametri. Il segnale-rumore (S / N) Il rapporto è stato calcolato per tre variabili di risposta: variazione di spessore della cima (WTV), ovalizzazione (Ov), e stress residuo (Rs)—Usando il criterio "più piccolo:

\( S/n = -10 \CDOT log_{10} (\frac{1}{n} \Sum Y_i^2) \)

dove \(y_i ) è il valore di risposta e \(n\) è il numero di osservazioni.

Seguendo l'analisi Taguchi, RSM è stato applicato per sviluppare modelli polinomiali di secondo ordine che correggono i parametri alle risposte. La funzione obiettivo per l'ottimizzazione è stata definita come una somma ponderata:

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

con pesi \(W_1 = 0.4\), \(W_2 = 0.3\), e \(W_3 = 0.3\), riflettendo l'importanza relativa dell'accuratezza dimensionale e della stabilità meccanica.

2.4 Convalida sperimentale

Sono stati condotti prove sperimentali su un arricciacapino continuo su scala pilota utilizzando billette in acciaio Q235 corrispondenti alla geometria di simulazione. Il processo di rotolamento è stato monitorato con termocoppie per la temperatura, Sensori ad ultrasuoni per lo spessore della parete, Calperi di precisione per ovalità, e diffrazione dei raggi X per lo stress residuo. Queste misurazioni hanno fornito un punto di riferimento per valutare l'accuratezza predittiva del modello FEM e l'efficacia dei parametri ottimizzati.

3. Risultati

3.1 Risultati di simulazione

Le simulazioni FEM hanno generato approfondimenti dettagliati sugli effetti delle variazioni dei parametri sulla qualità del tubo. tavolo 1 presenta i risultati dall'array ortogonale L9, catturare WTV, Ov, e Rs per ogni corsa.

Correre	Rs (RPM)	FA (°)	FC	ESSO (° C)	WTV (mm)	Ov (mm)	Rs (MPa)	Rapporto 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

I risultati indicano una tendenza chiara: velocità di rotolo più basse e angoli di alimentazione più elevati generalmente migliorano l'accuratezza dimensionale (WTV e Ov), mentre lo stress residuo varia con attrito e temperatura.

3.2 Sensibilità dei parametri

ANOVA è stato eseguito per quantificare la significatività dei parametri. tavolo 2 riassume le percentuali di contributo:

Parametro	WTV (%)	Ov (%)	Rs (%)
Rs	18.5	15.2	28.3
FA	35.7	38.9	20.1
FC	22.3	19.8	30.4
ESSO	23.5	26.1	21.2

FA ed è emerso come fattori dominanti per WTV e OV, mentre RS e FC hanno influenzato significativamente Rs. I livelli ottimali dall'analisi Taguchi erano RS = 60 RPM, FA = 12 °, Fc = 0.3, ed è = 1200 ° C.

3.3 Parametri ottimizzati

RSM ha perfezionato questi risultati, producendo modelli di regressione:

• \( Wtv = 0.52 – 0.002 \CDOT Rs + 0.015 \CDOT FA – 0.35 \CDOT FC – 0.0001 \CDOT IT \)
• \( Ov = 0.40 – 0.001 \CDOT Rs + 0.012 \CDOT FA – 0.25 \CDOT FC – 0.00008 \CDOT IT \)
• \( Rs = 180 – 0.5 \CDOT Rs – 2.5 \CDOT FA + 50 \CDOT FC – 0.02 \CDOT IT \)

L'ottimizzazione ha prodotto Rs = 65 RPM, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, IT = 1180 ° C., Ridurre WTV a 0.30 mm, Ov a 0.20 mm, e rs to 135 MPA: un miglioramento di 15%, 20%, e 10%, rispettivamente, Valori basali.

3.4 Convalida

I risultati sperimentali con parametri ottimizzati erano WTV = 0.32 mm, Ov = 0.22 mm, e rs = 138 MPa, con errori di 6.7%, 10%, e 2.2%, rispettivamente, Confermare l'affidabilità della simulazione.

4. Discussione

4.1 Effetti dei parametri

L'angolo di alimentazione (FA) svolge un ruolo fondamentale nel flusso di materiale. A 11,5 °, Bilancia l'allungamento assiale e l'usura del rotolo, minimizzare WTV e OV. Temperatura iniziale (ESSO) A 1180 ° C ottimizza la duttilità evitando una formazione di scala eccessiva, Un problema comune sopra i 1200 ° C. Velocità del rotolo (Rs) a 65 RPM riduce la velocità di deformazione, Migliorare il controllo della deformazione e abbassare RS. Il coefficiente di attrito (FC) a 0.28 Garantisce un prelievo efficace senza taglio eccessivo, Ottimizzazione delle dinamiche di contatto.

Questi risultati si allineano con la meccanica fondamentale: FA più elevata aumenta l'allungamento, Ridurre la variazione dello spessore, mentre RS inferiore mitiga l'instabilità dinamica. Gli effetti di temperatura e attrito riflettono l'accoppiamento termomeccanico, dove l'interazione della duttilità e dell'interfaccia.

4.2 Stabilità del processo

I parametri ottimizzati stabilizzano il processo riducendo le fluttuazioni in WTV e OV, Critico per applicazioni portanti a pressione. RS inferiore riduce al minimo le vibrazioni, mentre la FA e FC equilibrati garantiscono un flusso di materiale coerente. La riduzione residua dello stress migliora la vita a fatica, Affrontare una modalità di errore della chiave in tubi senza soluzione di continuità.

I miglioramenti della stabilità si traducono in meno difetti, come eccentricità o crepe superficiali, Migliorare la resa e il controllo di qualità nella produzione.

4.3 Confronto con la letteratura

Derususting e al. (2020) riportato effetti di temperatura e attrito simili nel piercing del tubo, Sebbene il loro obiettivo sia stata la deformazione a passaggio singolo. Questo studio estende queste intuizioni al rotolamento continuo, Integrazione dell'ottimizzazione multi-parametro. Studi di Li et al. (2018) sulla velocità del rullo confermano i nostri risultati, Sebbene mancassero il raffinamento di RSM. L'approccio combinato Taguchi-RSM qui offre una maggiore precisione e applicabilità.

4.4 Implicazioni industriali

I parametri ottimizzati riducono i rifiuti del materiale del 10-15% (tramite WTV inferiore e OV) e l'uso di energia moderando la temperatura e la velocità, Allineare con gli obiettivi di sostenibilità. L'adattabilità del modello FEM a diversi acciai (per esempio., Gradi in lega) e i progetti di mulini migliorano il suo valore industriale. L'integrazione in tempo reale con i sistemi di controllo dei processi potrebbe aumentare ulteriormente l'efficienza, Una prospettiva per la ricerca futura.

5. Conclusione

Questo studio ha sviluppato una struttura di simulazione numerica completa per il tubo di acciaio senza soluzione di continuità, Raggiungere una significativa ottimizzazione dei parametri attraverso i metodi Taguchi e RSM. Le impostazioni ottimizzate (Rs = 65 RPM, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, IT = 1180 ° C.) WTV ridotto di 15%, Ov di 20%, e rs by 10%, Convalida con un'elevata precisione sperimentale. Questi progressi offrono un scalabile, Metodologia robusta per migliorare la qualità dei tubi ed efficienza del processo, con ampio potenziale industriale. Il lavoro futuro potrebbe esplorare il rotolamento multi-pass, Modelli di materiale avanzato, e integrazione di controllo in tempo reale per perfezionare ulteriormente questo approccio.