关于双金属复合无缝钢管轧制成型过程的探究

陈春丹

（衡阳华菱钢管有限公司 湖南衡阳 421001）

关于双金属复合无缝钢管轧制成型过程的探究

陈春丹

（衡阳华菱钢管有限公司 湖南衡阳 421001）

在金属塑性成型过程中，冷轧以及热轧工艺都较为复杂，特别是对于双金属复合无缝钢管的轧制成型来说更为繁琐。因此对无缝钢管的轧制过程对于提高成品管壁厚、直径精度以及优化轧制工艺进行深入研究具有十分重要的意义。本文就双金属复合无缝钢管轧制成型过程进行分析。

双金属；复合无缝钢管；轧制成型

1 引言

双金属复合无缝钢管的优势体现在其既可以发挥出基层管材碳钢、低合金钢优良的机械力学性能，且成本较低，也具备不锈钢覆盖层耐腐蚀的优秀性能，可以满足复杂环境下管材的使用要求。当前，双金属复合无缝钢管的应用范围不断扩大，也获得了各行各业的认可。冷轧以及热轧是钢管生产工艺流程中最为关键的工序，其会对管材的力学性能产生较大影响。所以，无缝钢管成型过程的研究在工程实践以及理论上都有着重要意义。

2 双金属复合无缝钢管概述

双金属复合无缝钢管是由基层材以及覆层材在高温高压环境下结合而来，依据其制造方法的不同，可将其分为冷轧以及热轧复合管、爆炸复合管、爆炸轧制复合管、反相凝固复合管、铸造轧制复合管等。在工艺应用中，复合钢管的制造方法有三种，即轧制复合管、爆炸复合管以及爆炸复合-轧制复合管。轧制复合管是使用轧机加工复合钢管，分为冷轧以及热轧。在机器压力作用下或者是高温环境中，复合金属表面破碎，金属截面内发生了塑性变形，在压力荷载下，两个表面逐渐结合。

3 双金属复合无缝钢管轧制成型过程研究

这里以双金属复合无缝钢管冷轧过程为例进行分析。

3.1 有限元模型与边界条件

生产复合无缝钢管的坯料由外层碳钢Q235、内层SUS316L不锈钢组成。管坯的材料模型均采用由实验获得的真实应力应变材料曲线。在计算中，采用了多个线性动力强化材料模型和米塞斯屈服准则，采用了直接约束法来匹配接触算法。无缝钢管的界面处已达到相互结合的条件，能实现无缝钢管的界面可靠的结合。

3.2 计算结果与分析

3.2.1 界面结合强度分析

在无缝钢管的界面位置，平均等效应力为400MPa，最大的等效应力可达420MPa。结合区域的界面粘结强度，使用下面的公式确定：

式中，σ为复合钢管的界面处的结合应力强度值；σt1为外层管坯316L不锈钢的塑性硬化变形抗力应力值；σt2为内层管坯Q235钢塑性硬化变形抗力应力值；f1为外层管坯不锈钢覆层厚度的权值；f2为内层管坯Q235钢基层厚度的权值。通过上述公式可评估复合钢管轧制成型后界面处的粘结强度，由粘结强度来判断钢管的复合效果。

将外层管坯不锈钢与内层管坯碳钢的变形抗力应力值代入上述公式，可求出复合钢管的界面粘结强度，得到粘结强度约为414MPa，说明在无缝钢管的界面处已达到相互结合的条件，能实现无缝钢管的界面可靠的结合。

3.2.2 应力分布分析

钢管轧制过程中的应力分布具有如下规律：①轴向应力对比分析。在钢管的外径处，辊缝与辊缝临近区域分别为拉应力与压应力。在复合钢管的界面，最大的轴向拉应力和压应力发生的位置与外径一致，但应力值略有减小。在钢管的内壁位置，轴向压应力相对外径与内壁的应力值较小，而内壁处的拉应力则增加，而最大的拉应力和压应力发生的位置与外径、界面处一致。管坯经第二道次轧制成型时，外壁处轴向应力分布呈现“W”型分布，且应力值有正值也有负值。②环向应力对比分析。分析钢管的环向应力分布曲线可知，在第一道次轧辊处，钢管的外径、界面与内壁处的应力均为压应力，且最大值的位置均发生在轧辊的辊缝附近处，最小压应力发生在轧辊的辊缝与轧辊下方位置。在第二道次轧辊处，钢管的外径均为压应力，且最大环向压应力主要集中在第二道次轧辊的下方，在轧辊的辊缝附近的环向应力相对其它位置较小。③径向应力对比分析。径向应力与环向应力的大小基本相等，分布规律较为类似。

3.2.3 应力分布对双金属复合管壁厚精度影响的分析

双金属复合无缝钢管冷轧成型后，壁厚沿圆周方向的分布如图1所示。可以看出，经两道次轧制后，第一道轧制辊缝处较大的外管壁厚量得到了明显的改善，而在第二道轧制的辊缝处产生了外管壁厚略微的增加现象，且壁厚在圆周方向上呈对称分布，而其它区域的壁厚基本达到了成品管的壁厚10mm，内层管的壁厚基本稳定在1.6mm左右。经过第二道次轧制后，由于第二道次的轧辊与第一道次轧辊的布置方式相反，故，在第一道次轧制后产生的凸耳刚好处于第二道次轧辊的下方，管坯经受较大的径向压应力，使得辊缝处的壁厚减小，经轧制成型后后，钢管的凸耳变小。同时，管坯在第二道轧辊的辊缝处时，坯料受到一定的径向拉应力，故而形成外管壁厚的突起现象，而交界面则受到较小的压应力，从而使内管的壁厚较为均匀。

图1 双金属复合无缝钢管成型后的壁厚分布

4 结束语

综上所述，在双金属复合无缝钢管和单金属无缝钢管的轧制成型研究通过长期实践调查已经获得了很多成果，对于轧辊孔型的改善有着积极影响。对双金属复合无缝钢管轧制成型过程的内应力分布以及内应力对于成型管的直径、壁厚的影响进行研究，发现双金属复合无缝钢管轧制成型过程中，壁厚量得到了明显的改善，应力更加均衡。由此可见，该技术具有推广价值。

[1]张春秋，鲍岩，叶金铎，等.双金属复合无缝钢管冷轧成型过程的数值研究[J].重型机械，2014（1）：24～30.

[2]张根成，马叙，张传友，等.冶金复合双金属无缝钢管斜轧扩径模拟[J].锻压技术，2016，41（3）：48～53.

TG335.71

A

1004-7344（2016）36-0246-01

2016-11-3