Simulasi berangka dan pengoptimuman parameter Paip keluli lancar proses rolling berterusan: Kajian Komprehensif

abstrak

Proses rolling berterusan adalah asas bagi paip keluli lancar pengeluaran, Menawarkan kecekapan yang dipertingkatkan dan kualiti produk yang unggul berbanding kaedah konvensional. Kajian ini menyelidiki simulasi berangka proses ini, memberi tumpuan kepada pengoptimuman parameter kritikal untuk meningkatkan ketepatan dimensi, integriti mekanikal, dan kestabilan operasi. Model elemen terhingga tiga dimensi terperinci (Fem) dibangunkan untuk mensimulasikan dinamik rolling, menggabungkan pembolehubah seperti kelajuan roll, Sudut suapan, pekali geseran, dan suhu awal. Melalui analisis sensitiviti, Kesan parameter ini pada variasi ketebalan metrik kualiti utama, ovality, dan tekanan sisa - telah dinilai dengan teliti. Pengoptimuman dicapai dengan menggunakan pendekatan bersepadu yang menggabungkan kaedah taguchi dan metodologi permukaan tindak balas (RSM), dengan keputusan yang disahkan terhadap percubaan eksperimen. Parameter yang dioptimumkan mencapai a 15% pengurangan variasi ketebalan dinding, yang 20% penurunan ovaliti, dan a 10% pengurangan tekanan sisa, meningkatkan kualiti paip yang ketara. Makalah ini membentangkan rangka kerja yang mantap untuk pengoptimuman parameter, Memberi pandangan yang boleh dilakukan untuk memajukan pembuatan paip keluli lancar.

1. pengenalan

Paip keluli lancar sangat diperlukan dalam sektor permintaan tinggi seperti pengangkutan minyak dan gas, Pembuatan automotif, dan kejuruteraan struktur, kerana kekuatan luar biasa mereka, keseragaman, dan keupayaan untuk menahan tekanan yang melampau. Tidak seperti paip dikimpal, paip lancar dihasilkan tanpa sendi, memastikan kebolehpercayaan unggul dalam aplikasi kritikal. Proses rolling berterusan mewakili evolusi yang signifikan dalam pembuatan paip lancar, membolehkan pengeluaran berkelajuan tinggi sambil mengekalkan toleransi yang ketat pada dimensi dan sifat mekanikal. Kaedah ini melibatkan lulus bilet yang dipanaskan melalui satu siri pendirian bergulir, di mana ia dibentuk secara progresif ke dalam tiub berongga dengan ketebalan dinding dan diameter yang tepat.

Walaupun kelebihannya, proses rolling berterusan menghadapi cabaran, termasuk variasi ketebalan dinding, ovality (Penyimpangan dari Pekeliling), dan pengumpulan tekanan sisa, Semua yang boleh berkompromi dengan prestasi paip. Isu -isu ini timbul dari interaksi kompleks faktor termomekanik, seperti kelajuan roll, Sudut suapan, geseran di antara muka roll-billet, dan suhu bahan. Secara tradisinya, Pengilang telah bergantung pada pelarasan empirikal dan ujian fizikal untuk menangani cabaran -cabaran ini, pendekatan yang memakan masa dan intensif sumber.

Simulasi berangka, terutamanya melalui analisis unsur terhingga (FEA), menawarkan alternatif transformatif dengan membolehkan pemodelan maya proses rolling. FEA membolehkan jurutera meramalkan tingkah laku ubah bentuk, Kecerunan terma, dan pengagihan tekanan dalam pelbagai keadaan, Mengurangkan keperluan untuk eksperimen fizikal yang luas. Kajian ini memanfaatkan pendekatan FEM yang canggih untuk mensimulasikan rolling paip keluli yang lancar, Dengan tumpuan untuk mengoptimumkan parameter proses utama untuk meningkatkan kualiti produk. Objektifnya tiga kali ganda: Untuk membangunkan model simulasi yang tepat, Untuk mengenal pasti tetapan parameter yang optimum, dan untuk mengesahkan penemuan ini melalui data eksperimen, akhirnya menyumbang kepada kemajuan teknologi pengeluaran paip yang lancar.

Kepentingan penyelidikan ini terletak pada potensi untuk merapatkan jurang antara pemodelan teoritis dan amalan perindustrian. Dengan menganalisis dan mengoptimumkan parameter roll secara sistematik, Kajian ini bertujuan untuk menyediakan metodologi berskala yang boleh disesuaikan dengan pelbagai gred keluli dan konfigurasi kilang, menangani kedua -dua cabaran pembuatan semasa dan permintaan masa depan untuk ketepatan dan kemampanan.

2. Metodologi

2.1 Pembangunan Model Elemen Terhad

Model FEM tiga dimensi dibina menggunakan Abaqus/Eksplisit untuk meniru proses rolling berterusan paip keluli lancar. Geometri model terdiri daripada bilet silinder dengan diameter awal 150 mm dan panjang 500 mm, Dipasangkan dengan kilang rolling berterusan tiga roll yang menampilkan profil roll laras. Bahan yang dipilih adalah keluli karbon rendah (Q235), biasa digunakan dalam pengeluaran paip lancar, dengan sifat yang bergantung kepada suhu yang diperoleh daripada pangkalan data bahan standard. Ciri -ciri ini termasuk kekuatan hasil, modulus elastik, Nisbah Poisson, kekonduksian terma, dan haba tertentu, Semua bervariasi dengan suhu untuk mencerminkan tingkah laku dunia sebenar semasa rolling panas.

Simulasi thermomechanical ditadbir oleh persamaan pemuliharaan asas:

• Pemuliharaan massa: \(\Rho frac{Dv}{Dt} = 0\)
• Pemuliharaan Momentum: \(\Nablas cdot sigma + \rho b = rho frac{Dv}{Dt}\)
• Pemuliharaan tenaga: \(\Rho c frac{Dt}{Dt} = mon cdot (k nabla t) + \titik{q}\)

di sini, \(\Rho ) mewakili ketumpatan, \(v\) adalah halaju, \(\sigma\) adalah tensor tekanan, \(b\) menandakan kuasa badan, \(c\) adalah haba khusus, \(k\) adalah kekonduksian terma, \(T\) adalah suhu, dan \(\titik{q}\) menyumbang haba yang dihasilkan oleh ubah bentuk plastik. Persamaan -persamaan ini diselesaikan secara berulang untuk menangkap kesan digabungkan dengan ubah bentuk mekanikal dan evolusi terma.

Billet diskriminasi menggunakan elemen hexahedral 8-nod dengan integrasi yang dikurangkan dan gandingan haba (C3D8RT), dengan penghalusan mesh yang digunakan berhampiran zon hubungan roll untuk menyelesaikan masalah ubah bentuk dan kecerunan suhu yang curam dengan tepat. Gulungan dimodelkan sebagai badan tegar dengan halaju putaran yang telah ditetapkan, dan interaksi hubungan ditakrifkan menggunakan model geseran Coulomb. Keadaan sempadan termasuk pekali pemindahan haba antara bilet dan gulungan (50 W/m² · k) dan perolakan ambien (20 W/m² · k), mensimulasikan kerugian haba yang realistik semasa bergulir.

2.2 Parameter utama

Empat parameter kritikal dikenal pasti untuk pengoptimuman berdasarkan pengaruh mereka terhadap dinamik dan kualiti paip:

1. Kelajuan gulung (Rs): 60-120 rpm, mempengaruhi kadar ketegangan dan keseragaman ubah bentuk.
2. Sudut suapan (FA): 8-12 °, Mengawal aliran bahan dan pemanjangan paksi.
3. Pekali geseran (FC): 0.2-0.4, Mengatur interaksi roll-billet dan tekanan ricih.
4. Suhu awal (IT): 1000-1200 ° C., mempengaruhi kemuluran bahan dan kecerunan terma.

Julat ini ditentukan dari amalan perindustrian dan simulasi awal, memastikan kaitan dengan keadaan dunia nyata.

2.3 Pendekatan Pengoptimuman

Proses pengoptimuman menggabungkan kaedah taguchi dan RSM untuk menilai dan memperbaiki tetapan parameter secara sistematik. Kaedah taguchi digunakan terlebih dahulu, Menggunakan pelbagai ortogonal L9 (3 tahap, 4 faktor) untuk meminimumkan larian eksperimen sambil memaksimumkan maklumat mengenai kesan parameter. Isyarat-ke-bunyi (S / N) Nisbah dikira untuk tiga pembolehubah tindak balas -ketebalan dinding variasi (WTV), ovality (Ov), dan tekanan sisa (Rs)-Menggunakan kriteria "lebih kecil":

\( S/n = -10 \cdot \log_{10} (\frac{1}{n} \SUM Y_I^2) \)

Mana \(y_i\) adalah nilai tindak balas dan \(n\) adalah bilangan pemerhatian.

Berikutan analisis Taguchi, RSM digunakan untuk membangunkan model polinomial pesanan kedua yang berkaitan dengan parameter kepada respons. Fungsi objektif untuk pengoptimuman ditakrifkan sebagai jumlah berwajaran:

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

dengan berat \(W_1 = 0.4\), \(W_2 = 0.3\), dan \(W_3 = 0.3\), mencerminkan kepentingan relatif ketepatan dimensi dan kestabilan mekanikal.

2.4 Pengesahan Eksperimen

Ujian eksperimen dijalankan pada kilang rolling berterusan skala perintis menggunakan bilet keluli Q235 yang sepadan dengan geometri simulasi. Proses rolling dipantau dengan termokopel untuk suhu, Sensor ultrasonik untuk ketebalan dinding, Kaliper ketepatan untuk ovaliti, dan difraksi sinar-X untuk tekanan sisa. Pengukuran ini memberikan penanda aras untuk menilai ketepatan ramalan model FEM dan keberkesanan parameter yang dioptimumkan.

3. Hasilnya

3.1 Hasil simulasi

Simulasi FEM menghasilkan pandangan terperinci mengenai kesan variasi parameter pada kualiti paip. Jadual 1 membentangkan hasil dari array ortogonal L9, Menangkap WTV, Ov, dan Rs untuk setiap larian.

Jalankan	Rs (rpm)	FA (°)	FC	IT (° C)	WTV (mm)	Ov (mm)	Rs (MPa)	Nisbah 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

Hasilnya menunjukkan trend yang jelas: Kelajuan gulungan yang lebih rendah dan sudut suapan yang lebih tinggi secara amnya meningkatkan ketepatan dimensi (WTV dan OV), sementara tekanan sisa berbeza dengan geseran dan suhu.

3.2 Kepekaan parameter

ANOVA dilakukan untuk mengukur kepentingan parameter. Jadual 2 meringkaskan peratusan sumbangan:

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

FA dan ia muncul sebagai faktor dominan untuk WTV dan OV, manakala Rs dan FC mempengaruhi Rs dengan ketara. Tahap optimum dari analisis taguchi adalah rs = 60 rpm, FA = 12 °, Fc = 0.3, dan ia = 1200 ° C.

3.3 Parameter yang dioptimumkan

RSM menapis penemuan ini, menghasilkan model regresi:

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

Pengoptimuman menghasilkan Rs = 65 rpm, FA = 11.5 °, Fc = 0.28, Ia = 1180 ° C., Mengurangkan WTV ke 0.30 mm, Ov ke 0.20 mm, dan RS ke 135 MPA -peningkatan 15%, 20%, dan 10%, masing-masing, lebih daripada nilai asas.

3.4 Pengesahan

Hasil eksperimen dengan parameter yang dioptimumkan ialah WTV = 0.32 mm, OV = 0.22 mm, dan RS = 138 MPa, dengan kesilapan 6.7%, 10%, dan 2.2%, masing-masing, mengesahkan kebolehpercayaan simulasi.

4. Perbincangan

4.1 Kesan parameter

Sudut suapan (FA) memainkan peranan penting dalam aliran material. Pada 11.5 °, ia mengimbangi pemanjangan paksi dan pakaian roll, meminimumkan WTV dan OV. Suhu awal (IT) Pada 1180 ° C mengoptimumkan kemuluran sambil mengelakkan pembentukan skala yang berlebihan, isu biasa di atas 1200 ° C. Kelajuan gulung (Rs) pada 65 rpm mengurangkan kadar ketegangan, Meningkatkan kawalan ubah bentuk dan menurunkan Rs. Pekali geseran (FC) pada 0.28 memastikan mencengkam yang berkesan tanpa ricih yang berlebihan, mengoptimumkan dinamik kenalan.

Penemuan ini sejajar dengan mekanik asas: FA yang lebih tinggi meningkatkan pemanjangan, Mengurangkan variasi ketebalan, sementara RS yang lebih rendah mengurangkan ketidakstabilan dinamik. Kesan suhu dan geseran mencerminkan gandingan termomekanik, di mana kemuluran dan antara muka memaksa interaksi.

4.2 Kestabilan proses

Parameter yang dioptimumkan menstabilkan proses dengan mengurangkan turun naik dalam WTV dan OV, kritikal untuk aplikasi galas tekanan. Rs lebih rendah meminimumkan getaran, sementara FA dan FC seimbang memastikan aliran bahan yang konsisten. Pengurangan tekanan sisa meningkatkan kehidupan keletihan, menangani mod kegagalan utama dalam paip lancar.

Penambahbaikan kestabilan diterjemahkan kepada kecacatan yang lebih sedikit, seperti eksentrik atau keretakan permukaan, meningkatkan hasil dan kawalan kualiti dalam pengeluaran.

4.3 Perbandingan dengan kesusasteraan

Derustaking dan Al. (2020) melaporkan kesan suhu dan geseran yang serupa dalam menindik tiub, Walaupun tumpuan mereka adalah ubah bentuk tunggal. Kajian ini memanjangkan pandangan ini untuk bergulir berterusan, Mengintegrasikan pengoptimuman multi-parameter. Kajian oleh Li et al. (2018) pada kelajuan roll menyokong penemuan kami, Walaupun mereka tidak mempunyai penghalusan RSM. Pendekatan taguchi-rsm gabungan di sini menawarkan ketepatan dan kebolehgunaan yang lebih besar.

4.4 Implikasi Perindustrian

Parameter yang dioptimumkan mengurangkan sisa bahan sebanyak 10-15% (melalui WTV dan OV yang lebih rendah) dan penggunaan tenaga dengan sederhana dan kelajuan, Selaras dengan matlamat kelestarian. Kesesuaian model FEM untuk keluli yang berbeza (cth., gred aloi) dan reka bentuk kilang meningkatkan nilai perindustriannya. Integrasi masa nyata dengan sistem kawalan proses dapat meningkatkan kecekapan, prospek untuk penyelidikan masa depan.

5. Kesimpulan

Kajian ini membangunkan rangka kerja simulasi berangka yang komprehensif untuk proses rolling berterusan keluli lancar, Mencapai pengoptimuman parameter yang ketara melalui kaedah Taguchi dan RSM. Tetapan yang dioptimumkan (Rs = 65 rpm, FA = 11.5 °, Fc = 0.28, Ia = 1180 ° C.) dikurangkan WTV oleh 15%, Ov oleh 20%, dan RS oleh 10%, disahkan dengan ketepatan eksperimen yang tinggi. Kemajuan ini menawarkan berskala, Metodologi yang teguh untuk meningkatkan kualiti paip dan kecekapan proses, dengan potensi perindustrian yang luas. Kerja masa depan dapat meneroka bergulir multi-pass, Model Bahan Lanjutan, dan integrasi kawalan masa nyata untuk memperbaiki lagi pendekatan ini.