Sakatsız çelik borunun sürekli haddeleme işleminin sayısal simülasyonu ve parametre optimizasyonu: Kapsamlı Bir Çalışma

soyut

Sürekli yuvarlanma işlemi, dikişsiz çelik boru üretim, Geleneksel yöntemler üzerinden gelişmiş verimlilik ve üstün ürün kalitesi sunmak. Bu çalışma, bu sürecin sayısal simülasyonunu araştırıyor, Boyutsal hassasiyeti iyileştirmek için kritik parametrelerin optimizasyonuna odaklanmak, mekanik bütünlük, ve operasyonel istikrar. Ayrıntılı üç boyutlu sonlu eleman modeli (Fem) yuvarlanan dinamikleri simüle etmek için geliştirildi, Rulo hızı gibi değişkenlerin dahil edilmesi, besleme açısı, sürtünme katsayısı, ve başlangıç ​​sıcaklığı. Duyarlılık analizleri yoluyla, Bu parametrelerin anahtar kalite metrikleri üzerindeki etkisi - duvar kalınlığı varyasyonu, ovallik, ve artık stres - iyice değerlendirildi. Taguchi yöntemini ve yanıt yüzey metodolojisini birleştiren entegre bir yaklaşım kullanılarak optimizasyon elde edildi (RSM), Deneysel denemelere karşı doğrulanan sonuçlarla. Optimize edilmiş parametreler elde etti 15% Duvar kalınlığı varyasyonunda azalma, bir 20% Ovalitede azalma, Ve bir 10% artık streste azalma, Boru kalitesini önemli ölçüde artırma. Bu makale parametre optimizasyonu için sağlam bir çerçeve sunmaktadır, Sakinsiz çelik boru üretimini ilerletmek için eyleme geçirilebilir bilgiler sağlamak.

1. giriiş

Petrol ve gaz taşımacılığı gibi yüksek talep gören sektörlerde kesintisiz çelik borular vazgeçilmezdir, otomotiv üretimi, ve yapısal mühendislik, olağanüstü güçleri nedeniyle, tekdüzelik, ve aşırı baskılara dayanabilme yeteneği. Kaynaklı boruların aksine, Sakinsiz borular eklemsiz üretilir, kritik uygulamalarda üstün güvenilirliğin sağlanması. Sürekli yuvarlanma işlemi, kesintisiz boru üretiminde önemli bir evrimi temsil eder, Boyutlar ve mekanik özellikler üzerinde sıkı toleranslar korurken yüksek hızlı üretimin sağlanması. Bu yöntem, bir dizi haddeleme standından ısıtmalı bir kütük geçirmeyi içerir, hassas duvar kalınlığı ve çapı olan içi boş bir tüp halinde aşamalı olarak şekillendirilir.

Avantajlarına rağmen, Sürekli yuvarlanma süreci zorluklarla karşı karşıya, duvar kalınlığındaki varyasyonlar dahil, ovallik (dairesellikten sapma), ve artık gerilmelerin birikimi, hepsi borunun performansından ödün verebilir. Bu sorunlar termomekanik faktörlerin karmaşık etkileşiminden kaynaklanmaktadır, rulo hızı gibi, besleme açısı, Roll-Billet arayüzünde sürtünme, ve malzeme sıcaklığı. Geleneksel olarak, Üreticiler bu zorlukları ele almak için ampirik ayarlamalara ve fiziksel denemelere güveniyorlar, hem zaman alıcı hem de kaynak yoğun bir yaklaşım.

Sayısal simülasyon, özellikle sonlu eleman analizi yoluyla (FEA), yuvarlanma işleminin sanal modellemesini sağlayarak dönüştürücü bir alternatif sunar. FEA, mühendislerin deformasyon davranışını tahmin etmesine izin verir, termal gradyanlar, ve değişen koşullar altında stres dağılımları, kapsamlı fiziksel deney ihtiyacını azaltmak. Bu çalışma, kesintisiz çelik boruların sürekli yuvarlanmasını simüle etmek için sofistike bir FEM yaklaşımından yararlanmaktadır., Ürün kalitesini artırmak için temel işlem parametrelerini optimize etmeye odaklanarak. Hedefler üç yönlü: Doğru bir simülasyon modeli geliştirmek için, Optimal parametre ayarlarını tanımlamak için, ve bu bulguları deneysel verilerle doğrulamak için, sonuçta kesintisiz boru üretim teknolojisinin ilerlemesine katkıda bulunuyor.

Bu araştırmanın önemi, teorik modelleme ve endüstriyel uygulama arasındaki boşluğu kapatma potansiyelinde yatmaktadır.. Haddeleme parametrelerini sistematik olarak analiz ederek ve optimize ederek, Bu çalışma, çeşitli çelik derecelere ve değirmen konfigürasyonlarına uyarlanabilen ölçeklenebilir bir metodoloji sağlamayı amaçlamaktadır., Hem mevcut üretim zorluklarını hem de gelecekteki hassasiyet ve sürdürülebilirlik taleplerini ele almak.

2. Metodoloji

2.1 Sonlu Eleman Modeli Geliştirme

Kesintisiz çelik boruların sürekli haddeleme işlemini çoğaltmak için Abaqus/Açık kullanılarak üç boyutlu bir FEM modeli oluşturuldu.. Model geometrisi, başlangıç ​​çapında bir silindirik kütük içeriyordu. 150 mm ve uzunluğu 500 mm, Ayarlanabilir rulo profillerine sahip üç roll sürekli haddeleme değirmeni ile eşleştirilmiş. Seçilen malzeme düşük karbonlu çelikti (Q235), Kesintisiz boru üretiminde yaygın olarak kullanılır, Standart malzeme veritabanlarından kaynaklanan sıcaklığa bağlı özelliklerle. Bu özellikler akma mukavemeti içeriyordu, elastik modül, Poisson oranı, Uygulamaları için gerekli mekanik ve fiziksel özelliklere göre farklı çelik türleri üretilmektedir., ve spesifik ısı, Sıcak haddeleme sırasında gerçek dünya davranışını yansıtacak sıcaklık ile değişen hepsi.

Termomekanik simülasyon temel koruma denklemleri tarafından yönetildi:

• Kitlesel koruma: \(\Rho frac{DV}{DT} = 0\)
• Momentum Koruma: \(\Nablas cdot sigma + \rho b = rho frac{DV}{DT}\)
• Enerji tasarrufu: \(\Rho C frac{DT}{DT} = mon cdot (K nabla t) + \nokta{Q}\)

İşte, \(\Rho ) yoğunluğu temsil eder, \(v\) hız mı, \(\sigma\) stres tensörü, \(b\) Vücut kuvvetlerini belirtir, \(c\) özel ısıdır, \(k\) termal iletkenlik mi, \(T\) sıcaklık, ve \(\nokta{Q}\) plastik deformasyon tarafından üretilen ısıyı hesaplar. Bu denklemler, mekanik deformasyonun ve termal evrimin birleştirilmiş etkilerini yakalamak için yinelemeli olarak çözüldü..

Kütük, azaltılmış entegrasyon ve termal kuplaj ile 8 düğümlü heksahedral elemanlar kullanılarak ayrıklaştırıldı (C3d8rt), Dik deformasyonu ve sıcaklık gradyanlarını doğru bir şekilde çözmek için rulo temas bölgelerinin yakınında uygulanan ağ incelemesi ile. Rulolar, önceden tanımlanmış dönme hızlarına sahip sert gövdeler olarak modellenmiştir, ve temas etkileşimleri bir Coulomb sürtünme modeli kullanılarak tanımlandı. Sınır koşulları, kütük ve rulolar arasındaki ısı transfer katsayılarını içermektedir (50 W/m² · k) ve ortam konveksiyonu (20 W/m² · k), Yuvarlanma sırasında gerçekçi termal kayıpları simüle etmek.

2.2 Anahtar parametreler

Haddeleme dinamikleri ve boru kalitesi üzerindeki etkilerine dayanarak optimizasyon için dört kritik parametre tanımlanmıştır.:

1. Rulo hızı (Rs): 60–120 rpm, gerinim hızını ve deformasyon homojenliğini etkilemek.
2. Besleme açısı (FA): 8–12 °, Malzeme akışını ve eksenel uzamayı kontrol etmek.
3. Sürtünme katsayısı (Üç farklı sıcaklıktaki sürünme deney verileri ile simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırma aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.): 0.2–0.4, Yönetim Roll-Billet Etkileşimi ve Kesme Stresi.
4. Başlangıç ​​sıcaklığı (BT): 1000–1200 ° C, malzeme süneklik ve termal gradyanları etkilemek.

Bu aralıklar endüstriyel uygulamalardan ve ön simülasyonlardan belirlendi, Gerçek dünyadaki koşullarla alaka düzeyini sağlamak.

2.3 Optimizasyon yaklaşımı

Optimizasyon işlemi, parametre ayarlarını sistematik olarak değerlendirmek ve rafine etmek için Taguchi yöntemini ve RSM'yi birleştirdi. Taguchi yöntemi önce kullanıldı, L9 dik bir dizi kullanma (3 düzeyleri, 4 faktörler) Parametre efektleri hakkında bilgi en üst düzeye çıkarırken deneysel çalışmaları en aza indirmek. Sinyal-gürültü (S / N) Oran üç yanıt değişkeni için hesaplandı - duvar kalınlığı varyasyonu (WTV), ovallik (Ov), ve artık stres (Rs)-“daha ​​küçük” kriterini kullanma:

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

sürünme deney koşullarını gösterir \(y_i ) yanıt değeri ve \(n\) gözlem sayısı.

Taguchi analizini takiben, RSM, parametreleri yanıtlara ilişkin ikinci dereceden polinom modelleri geliştirmek için uygulandı. Optimizasyon için objektif işlev, ağırlıklı bir toplam olarak tanımlandı:

\(\metin{En aza indirmek} \, f = w_1 \cdot WTV + w_2 \cdot OV + w_3 \cdot RS\)

ağırlıklarla \(W_1 = 0.4\), \(W_2 = 0.3\), ve \(W_3 = 0.3\), Boyutsal doğruluk ve mekanik stabilitenin göreceli önemini yansıtan.

2.4 Deneysel doğrulama

Simülasyon geometrisiyle eşleşen Q235 çelik kütükler kullanılarak pilot ölçekli bir sürekli haddeleme değirmeni üzerinde deneysel denemeler yapılmıştır.. Yuvarlanma işlemi, sıcaklık için termokupllar ile izlendi, Duvar kalınlığı için ultrasonik sensörler, Ovalite için hassas kaliperler, ve artık stres için X-ışını kırınımı. Bu ölçümler, FEM modelinin öngörücü doğruluğunu ve optimize edilmiş parametrelerin etkinliğini değerlendirmek için bir ölçüt sağlamıştır..

3. Sonuçlar

3.1 Simülasyon sonuçları

FEM simülasyonları, parametre varyasyonlarının boru kalitesi üzerindeki etkileri hakkında ayrıntılı bilgiler yarattı. Tablo 1 L9 dikey dizisinden elde edilen sonuçları sunar, WTV yakalamak, Ov, ve her koşu için R'ler.

Koşmak	Rs (rpm)	FA (°)	Üç farklı sıcaklıktaki sürünme deney verileri ile simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırma aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.	BT (° C)	WTV (mm)	Ov (mm)	Rs (MPa)	S/N oranı
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

Sonuçlar net bir eğilimi göstermektedir: Daha düşük rulo hızları ve daha yüksek besleme açıları genellikle boyutsal doğruluğu artırır (WTV ve OV), artık stres sürtünme ve sıcaklığa göre değişir.

3.2 Parametre hassasiyeti

ANOVA parametre önemini ölçmek için gerçekleştirildi. Tablo 2 Katkı yüzdelerini özetler:

Parametre	WTV (%)	Ov (%)	Rs (%)
Rs	18.5	15.2	28.3
FA	35.7	38.9	20.1
Üç farklı sıcaklıktaki sürünme deney verileri ile simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırma aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.	22.3	19.8	30.4
BT	23.5	26.1	21.2

FA ve WTV ve OV için baskın faktörler olarak ortaya çıktı, RS ve FC RS'yi önemli ölçüde etkiledi. Taguchi analizinden optimal seviyeler Rs = 60 rpm, FA = 12 °, FC = 0.3, ve = 1200 ° C.

3.3 Optimize edilmiş parametreler

RSM bu bulguları rafine etti, Verim Regresyon Modelleri:

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

Optimizasyon Rs = 65 rpm, FA = 11.5 °, FC = 0.28, IT = 1180 ° C, WTV'yi azaltmak 0.30 mm, Ov 0.20 mm, ve Rs 135 MPA - bir gelişme 15%, 20%, ve 10%, sırasıyla, temel değerler üzerinde.

3.4 Doğrulama

Optimize edilmiş parametrelerle deneysel sonuçlar wtv = 0.32 mm, Ov = 0.22 mm, ve Rs = 138 MPa, hatalarıyla 6.7%, 10%, ve 2.2%, sırasıyla, simülasyonun güvenilirliğini onaylamak.

4. Tartışma

4.1 Parametre efektleri

Besleme açısı (FA) Malzeme akışında önemli bir rol oynar. 11.5 ° 'de, Eksenel uzamayı ve rulo aşınmasını dengeler, WTV ve OV'yi en aza indirmek. Başlangıç ​​sıcaklığı (BT) 1180 ° C'de aşırı ölçek oluşumundan kaçınırken sünekliği optimize eder, 1200 ° C'nin üzerinde yaygın bir sorun. Rulo hızı (Rs) at 65 RPM gerinim hızını azaltır, Deformasyon kontrolünü geliştirmek ve R'lerin düşürülmesi. Sürtünme katsayısı (Üç farklı sıcaklıktaki sürünme deney verileri ile simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırma aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.) at 0.28 aşırı kesme olmadan etkili kavrama sağlar, İletişim dinamiklerini optimize etmek.

Bu bulgular temel mekaniklerle uyumlu: Yüksek FA uzamayı arttırır, Kalınlık varyasyonunu azaltmak, Alt RS dinamik istikrarsızlığı azaltırken. Sıcaklık ve sürtünme etkileri termomekanik bağlantıyı yansıtıp, Süneklik ve arayüz güçlerinin etkileşimi.

4.2 Süreç istikrarı

Optimize edilmiş parametreler, WTV ve OV'deki dalgalanmaları azaltarak işlemi stabilize eder, Basınç taşıyan uygulamalar için kritik. Alt RS titreşimleri en aza indirir, Dengeli FA ve FC tutarlı malzeme akışı sağlarken. Artık stres azaltma yorgunluk ömrünü arttırır, Kesintisiz borularda önemli bir arıza modunun ele alınması.

Kararlılık iyileştirmeleri daha az kusura dönüşür, eksantriklik veya yüzey çatlakları gibi, Üretimde verimi ve kalite kontrolünü artırma.

4.3 Edebiyatla karşılaştırma

Derustaking ve Al. (2020) Tüp delmesinde benzer sıcaklık ve sürtünme etkileri bildirildi, Odak noktaları tek geçişli deformasyon olmasına rağmen. Bu çalışma, bu içgörüleri sürekli yuvarlamaya genişletiyor, Çok parametreli optimizasyonu entegre etmek. Li ve ark.. (2018) Rulo hızında bulgularımızı destekleyin, RSM arıtımından yoksun olmalarına rağmen. Buradaki kombine Taguchi-RSM yaklaşımı daha fazla hassasiyet ve uygulanabilirlik sunar.

4.4 Endüstriyel sonuçlar

Optimize edilmiş parametreler malzeme atıklarını% 10-15 azaltır (Daha düşük WTV ve OV aracılığıyla) ve sıcaklık ve hızı denetleyerek enerji kullanımı, Sürdürülebilirlik hedefleriyle uyum sağlamak. FEM modelinin farklı çeliklere uyarlanabilirliği (Örneğin., alaşım notları) Ve değirmen tasarımları endüstriyel değerini artırıyor. Proses kontrol sistemleriyle gerçek zamanlı entegrasyon, verimliliği daha da artırabilir, Gelecekteki araştırmalar için bir olasılık.

5. Sonuç

Bu çalışma, kesintisiz çelik boru sürekli haddeleme işlemi için kapsamlı bir sayısal simülasyon çerçevesi geliştirdi, Taguchi ve RSM yöntemleri aracılığıyla önemli parametre optimizasyonu elde etmek. Optimize edilmiş ayarlar (RS = 65 rpm, FA = 11.5 °, FC = 0.28, IT = 1180 ° C) WTV azaltılmış 15%, Ov tarafından 20%, ve Rs tarafından 10%, yüksek deneysel doğrulukla onaylanmıştır. Bu gelişmeler ölçeklenebilir bir, Boru kalitesini ve proses verimliliğini arttırmak için sağlam metodoloji, geniş endüstriyel potansiyel ile. Gelecekteki çalışmalar çok geçişli haddelemeyi keşfedebilir, gelişmiş malzeme modelleri, ve bu yaklaşımı daha da geliştirmek için gerçek zamanlı kontrol entegrasyonu.