Mô phỏng số và tối ưu hóa tham số của quá trình lăn liên tục bằng thép liền mạch: Một nghiên cứu toàn diện

trừu tượng

Quá trình lăn liên tục là một nền tảng của Ống thép liền mạch sản xuất, Cung cấp hiệu quả nâng cao và chất lượng sản phẩm vượt trội so với các phương pháp thông thường. Nghiên cứu này đi sâu vào mô phỏng số của quá trình này, Tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số quan trọng để cải thiện độ chính xác về chiều, tính toàn vẹn cơ học, và ổn định hoạt động. Một mô hình phần tử hữu hạn ba chiều chi tiết (Nữ) được phát triển để mô phỏng động lực học lăn, kết hợp các biến như tốc độ cuộn, Góc nuôi, Hệ số ma sát, và nhiệt độ ban đầu. Thông qua các phân tích độ nhạy, Tác động của các tham số này đối với các số liệu chất lượng chính., ovality, và căng thẳng dư - được đánh giá kỹ lưỡng. Tối ưu hóa đã đạt được bằng cách sử dụng phương pháp tích hợp kết hợp phương pháp Taguchi và phương pháp phản ứng bề mặt (RSM), với kết quả được xác nhận chống lại các thử nghiệm thử nghiệm. Các tham số được tối ưu hóa đạt được 15% Giảm biến thể độ dày thành, một 20% Giảm độ ba, và a 10% Giảm ứng suất dư, Chất lượng đường ống nâng cao đáng kể. Bài viết này trình bày một khung mạnh mẽ để tối ưu hóa tham số, Cung cấp những hiểu biết có thể hành động để thúc đẩy sản xuất ống thép liền mạch.

1. Giới thiệu

Ống thép liền mạch là không thể thiếu trong các khu vực có nhu cầu cao như vận chuyển dầu khí, Sản xuất ô tô, và kỹ thuật kết cấu, do sức mạnh đặc biệt của họ, thống nhất, và khả năng chịu được áp lực cực đoan. Không giống như ống hàn, ống liền mạch được sản xuất mà không có khớp, Đảm bảo độ tin cậy vượt trội trong các ứng dụng quan trọng. Quá trình lăn liên tục đại diện cho một sự tiến hóa đáng kể trong sản xuất đường ống liền mạch, cho phép sản xuất tốc độ cao trong khi duy trì dung sai chặt chẽ về kích thước và tính chất cơ học. Phương pháp này liên quan đến việc vượt qua một phôi nóng qua một loạt các giá đỡ, nơi nó được định hình dần dần thành một ống rỗng với độ dày và đường kính tường chính xác.

Mặc dù có những ưu điểm, Quá trình lăn liên tục đối mặt với những thách thức, bao gồm các biến thể về độ dày tường, ovality (độ lệch so với vòng tròn), và sự tích lũy của ứng suất dư, Tất cả đều có thể thỏa hiệp hiệu suất của đường ống. Những vấn đề này phát sinh từ sự tương tác phức tạp của các yếu tố cơ nhiệt, chẳng hạn như tốc độ cuộn, Góc nuôi, Ma sát tại giao diện cuộn cuộn, và nhiệt độ vật chất. Theo truyền thống, Các nhà sản xuất đã dựa vào các điều chỉnh thực nghiệm và thử nghiệm vật lý để giải quyết những thách thức này, một cách tiếp cận vừa tốn thời gian và tốn nhiều tài nguyên.

Mô phỏng số, đặc biệt thông qua phân tích phần tử hữu hạn (FEA), Cung cấp một sự thay thế biến đổi bằng cách cho phép mô hình ảo của quá trình lăn. FEA cho phép các kỹ sư dự đoán hành vi biến dạng, Độ dốc nhiệt, và phân phối căng thẳng trong các điều kiện khác nhau, Giảm nhu cầu thử nghiệm thể chất rộng rãi. Nghiên cứu này thúc đẩy một cách tiếp cận FEM tinh vi để mô phỏng việc cuộn liên tục của các ống thép liền mạch, tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số quy trình chính để nâng cao chất lượng sản phẩm. Các mục tiêu là ba lần: Để phát triển một mô hình mô phỏng chính xác, Để xác định cài đặt tham số tối ưu, và để xác thực những phát hiện này thông qua dữ liệu thử nghiệm, cuối cùng đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ sản xuất ống liền mạch.

Tầm quan trọng của nghiên cứu này nằm ở tiềm năng thu hẹp khoảng cách giữa mô hình lý thuyết và thực hành công nghiệp. Bằng cách phân tích một cách có hệ thống và tối ưu hóa các tham số cuộn, Nghiên cứu này nhằm mục đích cung cấp một phương pháp có thể mở rộng có thể thích nghi với các loại thép và cấu hình máy nghiền khác nhau, Giải quyết cả các thách thức sản xuất hiện tại và nhu cầu về độ chính xác và tính bền vững trong tương lai.

2. Phương pháp

2.1 Phát triển mô hình yếu tố hữu hạn

Một mô hình FEM ba chiều được xây dựng bằng cách sử dụng abaqus/rõ ràng để tái tạo quá trình lăn liên tục của các ống thép liền mạch. Hình học mô hình bao gồm một phôi hình trụ có đường kính ban đầu 150 mm và chiều dài của 500 mm, kết hợp với một nhà máy cuộn liên tục ba vòng có các cấu hình cuộn có thể điều chỉnh. Vật liệu được chọn là thép carbon thấp (Q235), thường được sử dụng trong sản xuất đường ống liền mạch, với các thuộc tính phụ thuộc vào nhiệt độ có nguồn gốc từ cơ sở dữ liệu vật liệu tiêu chuẩn. Những thuộc tính này bao gồm sức mạnh năng suất, Mô đun đàn hồi, Tỷ lệ Poisson, dẫn nhiệt, và nhiệt cụ thể, Tất cả đều khác nhau với nhiệt độ để phản ánh hành vi trong thế giới thực trong quá trình lăn nóng.

Mô phỏng nhiệt cơ được điều chỉnh bởi các phương trình bảo tồn cơ bản:

• Bảo tồn đại chúng: \(\Rho frac{DV}{Dt} = 0\)
• Bảo tồn động lượng: \(\NABLAS CDOT Sigma + \rho b = rho frac{DV}{Dt}\)
• Bảo tồn năng lượng: \(\Rho c frac{Dt}{Dt} = mon cdot (k nabla t) + \chấm{Q.}\)

Đây, \(\rho ) đại diện cho mật độ, \(v\) là vận tốc, \(\sigma\) là căng thẳng căng thẳng, \(b\) biểu thị lực lượng cơ thể, \(c\) là nhiệt cụ thể, \(k\) là độ dẫn nhiệt, \(T\) là nhiệt độ, và \(\chấm{Q.}\) Tài khoản cho nhiệt được tạo ra bởi biến dạng dẻo. Các phương trình này đã được giải quyết lặp đi lặp lại để nắm bắt các tác động kết hợp của biến dạng cơ học và tiến hóa nhiệt.

Phôi được phân tách bằng cách sử dụng các phần tử hexahedral 8 nút với sự tích hợp giảm và khớp nối nhiệt (C3D8RT), với sự tinh chỉnh lưới được áp dụng gần các vùng tiếp xúc cuộn để giải quyết chính xác biến dạng dốc và độ dốc nhiệt độ. Các cuộn được mô hình hóa thành các cơ thể cứng nhắc với vận tốc quay được xác định trước, và các tương tác tiếp xúc được xác định bằng mô hình ma sát Coulomb. Các điều kiện biên bao gồm các hệ số truyền nhiệt giữa phôi và cuộn (50 W/m -m² · k) và đối lưu xung quanh (20 W/m -m² · k), Mô phỏng tổn thất nhiệt thực tế trong quá trình lăn.

2.2 Tham số chính

Bốn thông số quan trọng đã được xác định để tối ưu hóa dựa trên ảnh hưởng của chúng đối với động lực học và chất lượng ống:

1. Tốc độ cuộn (R.): 60Mạnh120 RPM, ảnh hưởng đến tốc độ biến dạng và tính đồng nhất biến dạng.
2. Góc nuôi (Fa): 8Mạnh12 °, Kiểm soát dòng vật liệu và độ giãn dài dọc trục.
3. Hệ số ma sát (FC): 0.2Tiết0.4, Quản lý tương tác cuộn cuộn và ứng suất cắt.
4. Nhiệt độ ban đầu (NÓ): 1000Mạnh1200 ° C., ảnh hưởng đến độ dẻo vật liệu và độ dốc nhiệt.

Những phạm vi này được xác định từ các hoạt động công nghiệp và mô phỏng sơ bộ, Đảm bảo sự liên quan đến điều kiện trong thế giới thực.

2.3 Phương pháp tối ưu hóa

Quá trình tối ưu hóa kết hợp phương thức Taguchi và RSM để đánh giá một cách có hệ thống và tinh chỉnh cài đặt tham số. Phương pháp Taguchi được sử dụng trước tiên, Sử dụng một mảng trực giao L9 (3 mức, 4 các yếu tố) Để giảm thiểu các lần chạy thử nghiệm trong khi tối đa hóa thông tin về các hiệu ứng tham số. Tín hiệu-nhiễu (S / N) Tỷ lệ được tính toán cho ba biến phản ứng biến đổi độ dày Wall (WTV), ovality (OV), và căng thẳng dư (R.)Tuần sử dụng tiêu chí nhỏ hơn của người Viking:

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

Ở đâu \(y_i ) là giá trị phản hồi và \(n\) là số lượng quan sát.

Theo phân tích Taguchi, RSM đã được áp dụng để phát triển các mô hình đa thức bậc hai liên quan đến các tham số. Hàm mục tiêu để tối ưu hóa được định nghĩa là tổng trọng số:

\(\chữ{Giảm thiểu} \, f = w_1 \cdot WTV + w_2 \cdot OV + w_3 \cdot RS\)

với trọng lượng \(w_1 = 0.4\), \(w_2 = 0.3\), và \(w_3 = 0.3\), phản ánh tầm quan trọng tương đối của độ chính xác và ổn định cơ học.

2.4 Xác nhận thử nghiệm

Các thử nghiệm thử nghiệm đã được thực hiện trên một nhà máy lăn liên tục quy mô thí điểm bằng cách sử dụng các phôi thép Q235 phù hợp với hình học mô phỏng. Quá trình lăn được theo dõi bằng cặp nhiệt điện cho nhiệt độ, Cảm biến siêu âm cho độ dày tường, calipers chính xác cho ovality, và nhiễu xạ tia X cho ứng suất dư. Các phép đo này đã cung cấp một điểm chuẩn để đánh giá độ chính xác dự đoán của FEM và hiệu quả của các tham số được tối ưu hóa.

3. Kết quả

3.1 Kết quả mô phỏng

Các mô phỏng FEM đã tạo ra những hiểu biết chi tiết về tác động của các biến thể tham số đến chất lượng đường ống. Bàn 1 trình bày kết quả từ mảng trực giao L9, nắm bắt WTV, OV, và RS cho mỗi lần chạy.

Chạy	R. (vòng / phút)	Fa (°)	FC	NÓ (° C)	WTV (mm)	OV (mm)	R. (MPa)	Tỷ lệ 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

Kết quả cho thấy một xu hướng rõ ràng: Tốc độ cuộn thấp hơn và góc thức ăn cao hơn thường cải thiện độ chính xác về chiều (WTV và OV), trong khi ứng suất dư thay đổi theo ma sát và nhiệt độ.

3.2 Độ nhạy của tham số

ANOVA được thực hiện để định lượng ý nghĩa tham số. Bàn 2 tóm tắt tỷ lệ phần trăm đóng góp:

Tham số	WTV (%)	OV (%)	R. (%)
R.	18.5	15.2	28.3
Fa	35.7	38.9	20.1
FC	22.3	19.8	30.4
NÓ	23.5	26.1	21.2

FA và nó nổi lên như các yếu tố chiếm ưu thế cho WTV và OV, trong khi RS và FC ảnh hưởng đáng kể đến RS. Mức tối ưu từ phân tích Taguchi là RS = 60 vòng / phút, Fa = 12 °, Fc = 0.3, và nó = 1200 ° C.

3.3 Các tham số được tối ưu hóa

RSM đã tinh chỉnh những phát hiện này, năng suất mô hình hồi quy:

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

Tối ưu hóa mang lại RS = 65 vòng / phút, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, Nó = 1180 ° C., giảm WTV xuống 0.30 mm, Ov to 0.20 mm, và RS đến 135 MPA - một sự cải thiện 15%, 20%, và 10%, tương ứng, qua các giá trị cơ bản.

3.4 Xác nhận

Kết quả thử nghiệm với các tham số được tối ưu hóa là WTV = 0.32 mm, OV = 0.22 mm, và rs = 138 MPa, với lỗi của 6.7%, 10%, và 2.2%, tương ứng, xác nhận độ tin cậy của mô phỏng.

4. Cuộc thảo luận

4.1 Hiệu ứng tham số

Góc thức ăn (Fa) đóng vai trò then chốt trong dòng chảy vật chất. Ở 11,5 °, nó cân bằng độ giãn dài trục và cuộn cuộn, giảm thiểu WTV và OV. Nhiệt độ ban đầu (NÓ) Ở 1180 ° C tối ưu hóa độ dẻo trong khi tránh sự hình thành quy mô quá mức, một vấn đề phổ biến trên 1200 ° C. Tốc độ cuộn (R.) tại 65 RPM làm giảm tốc độ căng thẳng, Tăng cường kiểm soát biến dạng và giảm RS. Hệ số ma sát (FC) tại 0.28 đảm bảo nắm bắt hiệu quả mà không cắt quá nhiều, Tối ưu hóa động lực liên hệ.

Những phát hiện này phù hợp với cơ học cơ bản: FA cao hơn làm tăng sự kéo dài, Giảm biến thể độ dày, Trong khi RS thấp hơn giảm thiểu sự mất ổn định động. Hiệu ứng nhiệt độ và ma sát phản ánh khớp nối nhiệt cơ, nơi có độ dẻo và lực giao diện tương tác.

4.2 Quá trình ổn định

Các tham số được tối ưu hóa ổn định quá trình bằng cách giảm biến động trong WTV và OV, quan trọng đối với các ứng dụng chịu áp lực. RS thấp hơn giảm thiểu rung động, Trong khi FA và FC cân bằng đảm bảo lưu lượng vật liệu nhất quán. Giảm căng thẳng dư giúp tăng cường cuộc sống mệt mỏi, giải quyết một chế độ lỗi chính trong các đường ống liền mạch.

Cải thiện độ ổn định chuyển thành ít khuyết điểm hơn, chẳng hạn như độ lệch tâm hoặc vết nứt bề mặt, Tăng cường năng suất và kiểm soát chất lượng trong sản xuất.

4.3 So sánh với văn học

Derustaking và al. (2020) báo cáo các hiệu ứng nhiệt độ và ma sát tương tự trong việc xỏ khuyên ống, Mặc dù trọng tâm của họ là biến dạng đơn. Nghiên cứu này mở rộng những hiểu biết này để lăn liên tục, Tích hợp tối ưu hóa đa tham số. Các nghiên cứu của Li et al. (2018) về tốc độ cuộn chứng thực phát hiện của chúng tôi, mặc dù họ thiếu sự tinh chỉnh RSM. Phương pháp Taguchi-RSM kết hợp ở đây cung cấp độ chính xác và khả năng ứng dụng lớn hơn.

4.4 Ý nghĩa công nghiệp

Các thông số được tối ưu hóa làm giảm chất thải vật liệu xuống 1015% (thông qua WTV và OV thấp hơn) và sử dụng năng lượng bằng cách kiểm duyệt nhiệt độ và tốc độ, Sắp xếp với các mục tiêu bền vững. Mô hình FEM có khả năng thích ứng với các thép khác nhau (ví dụ., lớp hợp kim) và các thiết kế nhà máy nâng cao giá trị công nghiệp của nó. Tích hợp thời gian thực với các hệ thống kiểm soát quá trình có thể tăng thêm hiệu quả, Một khách hàng tiềm năng cho nghiên cứu trong tương lai.

5. Phần kết luận

Nghiên cứu này đã phát triển một khung mô phỏng số toàn diện cho quá trình lăn liên tục bằng thép liền mạch, đạt được tối ưu hóa tham số quan trọng thông qua các phương thức Taguchi và RSM. Các cài đặt được tối ưu hóa (Rs = 65 vòng / phút, FA = 11,5 °, Fc = 0.28, Nó = 1180 ° C.) giảm WTV bởi 15%, Ov bởi 20%, và rs bởi 10%, được xác nhận với độ chính xác thử nghiệm cao. Những tiến bộ này có thể mở rộng, Phương pháp mạnh mẽ để tăng cường chất lượng đường ống và hiệu quả quy trình, với tiềm năng công nghiệp rộng. Công việc trong tương lai có thể khám phá sự lăn lộn đa đường, Mô hình vật liệu nâng cao, và tích hợp kiểm soát thời gian thực để tinh chỉnh thêm phương pháp này.