陳春丹

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司 湖南衡陽(yáng) 421001）

關(guān)于雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管軋制成型過(guò)程的探究

陳春丹

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司 湖南衡陽(yáng) 421001）

在金屬塑性成型過(guò)程中，冷軋以及熱軋工藝都較為復(fù)雜，特別是對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管的軋制成型來(lái)說(shuō)更為繁瑣。因此對(duì)無(wú)縫鋼管的軋制過(guò)程對(duì)于提高成品管壁厚、直徑精度以及優(yōu)化軋制工藝進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。本文就雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管軋制成型過(guò)程進(jìn)行分析。

雙金屬；復(fù)合無(wú)縫鋼管；軋制成型

1 引言

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其既可以發(fā)揮出基層管材碳鋼、低合金鋼優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能，且成本較低，也具備不銹鋼覆蓋層耐腐蝕的優(yōu)秀性能，可以滿足復(fù)雜環(huán)境下管材的使用要求。當(dāng)前，雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，也獲得了各行各業(yè)的認(rèn)可。冷軋以及熱軋是鋼管生產(chǎn)工藝流程中最為關(guān)鍵的工序，其會(huì)對(duì)管材的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。所以，無(wú)縫鋼管成型過(guò)程的研究在工程實(shí)踐以及理論上都有著重要意義。

2 雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管概述

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管是由基層材以及覆層材在高溫高壓環(huán)境下結(jié)合而來(lái)，依據(jù)其制造方法的不同，可將其分為冷軋以及熱軋復(fù)合管、爆炸復(fù)合管、爆炸軋制復(fù)合管、反相凝固復(fù)合管、鑄造軋制復(fù)合管等。在工藝應(yīng)用中，復(fù)合鋼管的制造方法有三種，即軋制復(fù)合管、爆炸復(fù)合管以及爆炸復(fù)合-軋制復(fù)合管。軋制復(fù)合管是使用軋機(jī)加工復(fù)合鋼管，分為冷軋以及熱軋。在機(jī)器壓力作用下或者是高溫環(huán)境中，復(fù)合金屬表面破碎，金屬截面內(nèi)發(fā)生了塑性變形，在壓力荷載下，兩個(gè)表面逐漸結(jié)合。

3 雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管軋制成型過(guò)程研究

這里以雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管冷軋過(guò)程為例進(jìn)行分析。

3.1 有限元模型與邊界條件

生產(chǎn)復(fù)合無(wú)縫鋼管的坯料由外層碳鋼Q235、內(nèi)層SUS316L不銹鋼組成。管坯的材料模型均采用由實(shí)驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變材料曲線。在計(jì)算中，采用了多個(gè)線性動(dòng)力強(qiáng)化材料模型和米塞斯屈服準(zhǔn)則，采用了直接約束法來(lái)匹配接觸算法。無(wú)縫鋼管的界面處已達(dá)到相互結(jié)合的條件，能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管的界面可靠的結(jié)合。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 界面結(jié)合強(qiáng)度分析

在無(wú)縫鋼管的界面位置，平均等效應(yīng)力為400MPa，最大的等效應(yīng)力可達(dá)420MPa。結(jié)合區(qū)域的界面粘結(jié)強(qiáng)度，使用下面的公式確定：

式中，σ為復(fù)合鋼管的界面處的結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度值；σt1為外層管坯316L不銹鋼的塑性硬化變形抗力應(yīng)力值；σt2為內(nèi)層管坯Q235鋼塑性硬化變形抗力應(yīng)力值；f1為外層管坯不銹鋼覆層厚度的權(quán)值；f2為內(nèi)層管坯Q235鋼基層厚度的權(quán)值。通過(guò)上述公式可評(píng)估復(fù)合鋼管軋制成型后界面處的粘結(jié)強(qiáng)度，由粘結(jié)強(qiáng)度來(lái)判斷鋼管的復(fù)合效果。

將外層管坯不銹鋼與內(nèi)層管坯碳鋼的變形抗力應(yīng)力值代入上述公式，可求出復(fù)合鋼管的界面粘結(jié)強(qiáng)度，得到粘結(jié)強(qiáng)度約為414MPa，說(shuō)明在無(wú)縫鋼管的界面處已達(dá)到相互結(jié)合的條件，能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管的界面可靠的結(jié)合。

3.2.2 應(yīng)力分布分析

鋼管軋制過(guò)程中的應(yīng)力分布具有如下規(guī)律：①軸向應(yīng)力對(duì)比分析。在鋼管的外徑處，輥縫與輥縫臨近區(qū)域分別為拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。在復(fù)合鋼管的界面，最大的軸向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力發(fā)生的位置與外徑一致，但應(yīng)力值略有減小。在鋼管的內(nèi)壁位置，軸向壓應(yīng)力相對(duì)外徑與內(nèi)壁的應(yīng)力值較小，而內(nèi)壁處的拉應(yīng)力則增加，而最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力發(fā)生的位置與外徑、界面處一致。管坯經(jīng)第二道次軋制成型時(shí)，外壁處軸向應(yīng)力分布呈現(xiàn)“W”型分布，且應(yīng)力值有正值也有負(fù)值。②環(huán)向應(yīng)力對(duì)比分析。分析鋼管的環(huán)向應(yīng)力分布曲線可知，在第一道次軋輥處，鋼管的外徑、界面與內(nèi)壁處的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且最大值的位置均發(fā)生在軋輥的輥縫附近處，最小壓應(yīng)力發(fā)生在軋輥的輥縫與軋輥下方位置。在第二道次軋輥處，鋼管的外徑均為壓應(yīng)力，且最大環(huán)向壓應(yīng)力主要集中在第二道次軋輥的下方，在軋輥的輥縫附近的環(huán)向應(yīng)力相對(duì)其它位置較小。③徑向應(yīng)力對(duì)比分析。徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的大小基本相等，分布規(guī)律較為類似。

3.2.3 應(yīng)力分布對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管壁厚精度影響的分析

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管冷軋成型后，壁厚沿圓周方向的分布如圖1所示。可以看出，經(jīng)兩道次軋制后，第一道軋制輥縫處較大的外管壁厚量得到了明顯的改善，而在第二道軋制的輥縫處產(chǎn)生了外管壁厚略微的增加現(xiàn)象，且壁厚在圓周方向上呈對(duì)稱分布，而其它區(qū)域的壁厚基本達(dá)到了成品管的壁厚10mm，內(nèi)層管的壁厚基本穩(wěn)定在1.6mm左右。經(jīng)過(guò)第二道次軋制后，由于第二道次的軋輥與第一道次軋輥的布置方式相反，故，在第一道次軋制后產(chǎn)生的凸耳剛好處于第二道次軋輥的下方，管坯經(jīng)受較大的徑向壓應(yīng)力，使得輥縫處的壁厚減小，經(jīng)軋制成型后后，鋼管的凸耳變小。同時(shí)，管坯在第二道軋輥的輥縫處時(shí)，坯料受到一定的徑向拉應(yīng)力，故而形成外管壁厚的突起現(xiàn)象，而交界面則受到較小的壓應(yīng)力，從而使內(nèi)管的壁厚較為均勻。

圖1 雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管成型后的壁厚分布

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管和單金屬無(wú)縫鋼管的軋制成型研究通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐調(diào)查已經(jīng)獲得了很多成果，對(duì)于軋輥孔型的改善有著積極影響。對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管軋制成型過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力分布以及內(nèi)應(yīng)力對(duì)于成型管的直徑、壁厚的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管軋制成型過(guò)程中，壁厚量得到了明顯的改善，應(yīng)力更加均衡。由此可見(jiàn)，該技術(shù)具有推廣價(jià)值。

[1]張春秋，鮑巖，葉金鐸，等.雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管冷軋成型過(guò)程的數(shù)值研究[J].重型機(jī)械，2014（1）：24～30.

[2]張根成，馬敘，張傳友，等.冶金復(fù)合雙金屬無(wú)縫鋼管斜軋擴(kuò)徑模擬[J].鍛壓技術(shù)，2016，41（3）：48～53.

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