Численное моделирование и оптимизация параметров бесшовной стальной трубы Процесс непрерывного проката: Комплексное исследование

Абстрактные

Процесс непрерывного проката является краеугольным камнем бесшовная стальная труба производство, Предлагая повышенную эффективность и превосходное качество продукции по сравнению с обычными методами. Это исследование углубляется в численное моделирование этого процесса, Сосредоточение внимания на оптимизации критических параметров для повышения точности размерных, механическая целостность, и операционная стабильность. Подробная трехмерная модель конечных элементов (Женский) был разработан для имитации динамики прокатки, Включение переменных, таких как скорость рулона, угол подачи, коэффициент трения, и начальная температура. Через анализ чувствительности, Влияние этих параметров на ключевые показатели качества - изменение толщины воды, Овальность, и остаточный стресс - был тщательно оценен. Оптимизация была достигнута с использованием интегрированного подхода, объединяющего метод Тагучи и методологию поверхности отклика (RSM), с результатами, подтвержденными против экспериментальных испытаний. Оптимизированные параметры достигли 15% уменьшение изменения толщины стенки, Стандарты — это повторяющиеся вещи с характеристиками, связанными с разнообразием, в экономической и технологической деятельности. 20% Уменьшение овальности, и 10% Снижение остаточного стресса, Значительное повышение качества труб. Эта статья представляет собой надежную структуру для оптимизации параметров, Предоставление полезных представлений о продвижении бесшовного производства труб..

1. Введение

Пространственные стальные трубы необходимы в секторах с высоким спросом, таким как перевозка нефти и газа, Автомобильное производство, и структурная инженерия, из -за их исключительной силы, однородность, и способность выдерживать крайнее давление. В отличие от сварных труб, Бесплатные трубы производятся без суставов, обеспечение превосходной надежности в критических приложениях. Процесс непрерывного проката представляет собой значительную эволюцию в бесшовном производстве труб, обеспечение высокоскоростного производства, сохраняя при этом жесткие допуски на размеры и механические свойства. Этот метод включает в себя проход нагретую заготовку через серию катящихся стендов, где он постепенно формируется в полную трубку с точной толщиной стенки и диаметром.

Несмотря на свои преимущества, Процесс непрерывного проката сталкивается с проблемами, включая вариации толщины стенки, Овальность (Отклонение от круговой), и накопление остаточных напряжений, Все это может поставить под угрозу производительность трубы. Эти проблемы возникают из -за сложного взаимодействия термомеханических факторов, такие как скорость рулона, угол подачи, трению на рулонный интерфейс, и температура материала. Традиционно, Производители полагались на эмпирические коррективы и физические испытания для решения этих проблем, подход, который требует много времени и ресурсов..

Численное моделирование, особенно с помощью анализа конечных элементов (ВЭД), предлагает преобразующую альтернативу, включив виртуальное моделирование процесса проката. FEA позволяет инженерам предсказать поведение деформации, тепловые градиенты, и распределения стресса в различных условиях, Сокращение необходимости обширных физических экспериментов. Это исследование использует сложный подход FEM для имитации непрерывного прокатки бесшовных стальных труб, С акцентом на оптимизацию ключевых параметров процесса для повышения качества продукта. Цели в три раза: для разработки точной модели моделирования, Чтобы определить оптимальные настройки параметров, и подтвердить эти результаты с помощью экспериментальных данных, В конечном итоге способствует развитию технологий бесшовного производства труб..

Значение этого исследования заключается в его потенциале для преодоления разрыва между теоретическим моделированием и промышленной практикой. Систематически анализируя и оптимизируя параметры проката, Это исследование направлено на предоставление масштабируемой методологии, которая может быть адаптирована к различным стальным оценкам и конфигурациям мельницы, Решение как текущих производственных проблем, так и будущих требований к точности и устойчивости.

2. Методология

2.1 Разработка модели конечных элементов

Трехмерная модель FEM была построена с использованием Abaqus/Explicit для воспроизведения непрерывного процесса прокатки бесшовных стальных труб. Геометрия модели составляла цилиндрическую заготовку с начальным диаметром 150 мм и длина 500 мм, в паре с непрерывной прокатной мельницей с тремя рулонами с регулируемыми профилями рулона. Выбранный материал была низкоуглеродной сталью (Q235), обычно используется в бесшовном производстве труб, с температурными свойствами, полученными из стандартных баз данных материалов. Эти свойства включали силу доходности, Эластичный модуль, коэффициент Пуассона, теплопроводность, и удельное тепло, Все меняется с температурой, чтобы отразить реальное поведение во время горячего проката.

Термомеханическое моделирование было определено фундаментальными уравнениями сохранения:

• Массовое сохранение: \(\Rho frac{Двер}{Дт} = 0\)
• Сохранение импульса: \(\Nablas cdot sigma + \rho b = rho frac{Двер}{Дт}\)
• Энергосбережение: \(\Rho C frac{Дт}{Дт} = mon cdot (k nabla t) + \точка{Q.}\)

Вот, \(\rho ) представляет плотность, \(v\) Скорость, \(\sigma\) Тензор стресса, \(b\) обозначает силы тела, \(c\) это удельное тепло, \(k\) теплопроводность, \(T\) температура, а также \(\точка{Q.}\) Учитывает тепло, генерируемое пластической деформацией. Эти уравнения были решены итеративно для захвата связанных эффектов механической деформации и термической эволюции.

Заготовка была дискретирована с использованием 8-узловых гексаэдрических элементов с уменьшенной интеграцией и термической связью (C3D8RT), с уточнением сетки, применяемой вблизи зон контакта в рулоне, чтобы точно разрешить крутые градиенты деформации и температуры. Рулоны были смоделированы как жесткие тела с предопределенными скоростями вращения, и контактные взаимодействия были определены с использованием кулоновской модели трения. Граничные условия включали коэффициенты теплопередачи между заготовкой и рулонами (50 W/m² · k) и окружающая конвекция (20 W/m² · k), имитация реалистичных тепловых потерь во время прокатки.

2.2 Ключевые параметры

Были идентифицированы четыре критических параметра для оптимизации на основе их влияния на динамику проката и качество труб:

1. Скорость броска (Рупий): 60–120 об / мин, влияет на скорость деформации и однородность деформации.
2. Угол подачи (Фанат): 8–12 °, контроль потока материала и удлинение осевого.
3. Коэффициент трения (FC): 0.2–0.4, управляющее взаимодействие с рулоном и стрессом сдвига.
4. Начальная температура (ЭТО): 1000–1200 ° C., Влияние материала пластичности и тепловых градиентов.

Эти диапазоны были определены из промышленных практик и предварительных симуляций, Обеспечение актуальности для реальных условий.

2.3 Подход оптимизации

Процесс оптимизации объединил метод Тагучи и RSM для систематической оценки и уточнения параметров параметров. Метод Тагучи был использован в первую очередь, Использование ортогонального массива L9 (3 уровни, 4 факторы) Чтобы минимизировать экспериментальные прогоны при максимизации информации о эффектах параметров. Сигнал / шум (S / N) Соотношение было рассчитано для трех переменных ответа - изменение толщины воды (WTV), Овальность (Ов), и остаточный стресс (Рупий)-Использование критерия «меньше»:

\( S/N = -10 \cdot log_{10} (\фрака{1}{N} \sum y_i^2) \)

где \(y_i ) Значение ответа и \(n\) это количество наблюдений.

После анализа Тагучи, RSM был применен для разработки полиномиальных моделей второго порядка, связывающих параметры с ответами. Целевая функция для оптимизации была определена как взвешенная сумма:

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

с весами \(W_1 = 0.4\), \(W_2 = 0.3\), а также \(W_3 = 0.3\), Отражая относительную важность точности размерных и механической стабильности.

2.4 Экспериментальная проверка

Экспериментальные испытания проводились на непрерывной прокатной мельнице с использованием стальных заготовков Q235, соответствующих геометрии моделирования. Процесс проката контролировали с термопалированием для температуры, ультразвуковые датчики для толщины стенки, Точные суппорты для овальности, и рентгеновская дифракция для остаточного напряжения. Эти измерения предоставили эталон для оценки прогнозной точности модели FEM и эффективности оптимизированных параметров.

3. Результаты

3.1 Результаты моделирования

Моделирование FEM сгенерировало подробное понимание влияния изменений параметров на качество трубы. Таблица 1 Представляют результаты ортогональной массивы L9, захват WTV, Ов, и рупий для каждого пробега.

Бегать	Рупий (rpm)	Фанат (°)	FC	ЭТО (° C)	WTV (мм)	Ов (мм)	Рупий (MPa)	С/н соотношение
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

Результаты указывают на четкую тенденцию: более низкие скорости рулона и более высокие углы подачи обычно повышают точность размеров (WTV и OV), в то время как остаточное напряжение зависит от трения и температуры.

3.2 Чувствительность параметров

ANOVA был выполнен для количественной оценки значения параметров. Таблица 2 суммирует процент вклада:

параметр	WTV (%)	Ов (%)	Рупий (%)
Рупий	18.5	15.2	28.3
Фанат	35.7	38.9	20.1
FC	22.3	19.8	30.4
ЭТО	23.5	26.1	21.2

FA и это стало доминирующими факторами для WTV и OV, в то время как RS и FC значительно повлияли на RS. Оптимальные уровни из анализа Тагучи были RS = 60 rpm, FA = 12 °, Fc = 0.3, и это = 1200 ° C.

3.3 Оптимизированные параметры

RSM усовершенствовал эти выводы, Получение регрессионных моделей:

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

Оптимизация дала rs = 65 rpm, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, Это = 1180 ° C., Снижение WTV до 0.30 мм, Ov to 0.20 мм, и rs до 135 MPA - улучшение 15%, 20%, а также 10%, соответственно, над базовыми значениями.

3.4 Валидация

Экспериментальные результаты с оптимизированными параметрами были WTV = 0.32 мм, OV = 0.22 мм, и rs = 138 MPa, с ошибками 6.7%, 10%, а также 2.2%, соответственно, подтверждение надежности симуляции.

4. Дискуссия

4.1 Эффекты параметров

Угол подачи (Фанат) играет ключевую роль в материальном потоке. При 11,5 °, он уравновешивает осевое удлинение и износ рулона, минимизация WTV и OV. Начальная температура (ЭТО) при 1180 ° C оптимизирует пластичность при одновременном избегании чрезмерного образования масштаба, Общая проблема выше 1200 ° C. Скорость броска (Рупий) на 65 RPM снижает скорость деформации, Улучшение контроля деформации и снижение RS. Коэффициент трения (FC) на 0.28 обеспечивает эффективную захвату без чрезмерного сдвига, Оптимизация контактной динамики.

Эти результаты совпадают с фундаментальной механикой: Более высокий FA увеличивает удлинение, уменьшение изменения толщины, в то время как более низкие RS смягчает динамическую нестабильность. Эффекты температуры и трения отражают термомеханическую связь, где пластичность и интерфейс заставляют взаимодействовать.

4.2 Стабильность процесса

Оптимизированные параметры стабилизируют процесс, уменьшая колебания в WTV и OV, критическое для применения с давлением. Более низкий RS минимизирует вибрации, в то время как сбалансированные FA и FC обеспечивают постоянный поток материала. Снижение остаточного стресса усиливает усталостную жизнь, Обработка режима сбоя ключей в беспроблемных трубах.

Улучшения стабильности приводят к меньшему количеству дефектов, такие как эксцентриситет или поверхностные трещины, Повышение доходности и контроля качества при производстве.

4.3 Сравнение с литературой

Разброс и Ал. (2020) сообщили о сходных температурных и трениях в пирсинге трубки, Хотя их фокус был деформацией однопроходного. Это исследование распространяет эти идеи на непрерывное прокат, Интеграция многопараметрической оптимизации. Исследования Li et al.. (2018) На скорости рулона подтверждают наши выводы, Хотя им не хватало уточнения RSM. Объединенный подход Taguchi-RSM здесь предлагает большую точность и применимость.

4.4 Промышленные последствия

Оптимизированные параметры уменьшают отходы материала на 10–15% (через нижний WTV и OV) и использование энергии путем смягчения температуры и скорости, Согласно целям устойчивости. Адаптируемость модели FEM к разным стаям (например., сплавы) и дизайн мельницы повышает его промышленную ценность. Интеграция в реальном времени с системами управления процессами может повысить эффективность, Перспектива будущих исследований.

5. Заключение

Это исследование разработало комплексную плату за численную моделирование для бесшовного процесса непрерывного проката стальной трубы, Достижение значительной оптимизации параметров с помощью методов тагучи и RSM. Оптимизированные настройки (Rs = 65 rpm, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, Это = 1180 ° C.) Уменьшен WTV By 15%, Ov by 20%, и rs 10%, подтвержден с высокой точностью эксперимента. Эти достижения предлагают масштабируемые, надежная методология повышения качества труб и эффективности процесса, с широким промышленным потенциалом. Будущая работа могла бы изучить многопроход, Усовершенствованные материалы модели, и интеграция контроля в реальном времени для дальнейшего уточнения этого подхода.