整體型鋼質(zhì)高螺旋翅片管軋制過程的物理模擬

劉靖 陳其全 張琳 韓靜濤

(北京科技大學(xué))

整體型鋼質(zhì)高螺旋翅片管軋制過程的物理模擬

劉靖 陳其全 張琳 韓靜濤

(北京科技大學(xué))

將高嶺土與白軟蠟按1∶2的比例進(jìn)行混合，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，對整體型高螺旋翅片管軋制過程進(jìn)行了物理模擬。模擬結(jié)果證實(shí)了軋制過程中的軋件受到切向應(yīng)力、軸向應(yīng)力及徑向應(yīng)力；物理模擬中蠟?zāi)嗄Ｐ蛢?nèi)壁網(wǎng)格的應(yīng)變計算與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符，說明了軋制過程中，管坯的各個部位不存在集中的大應(yīng)變區(qū)，軋制過程比較穩(wěn)定。

蠟?zāi)?物理模擬 應(yīng)力 金屬流動

0 前言

翅片管是組成各種熱交換器的核心元件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到熱交換器的工作性能。在國內(nèi)有比較成熟的翅片銅管以及鋁管的軋制工藝，而鋼質(zhì)螺旋高翅片管的軋制，由于變形劇烈，成形區(qū)域條件惡劣，軋輥易損壞，生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低，目前在國內(nèi)基本是空白。因此對螺旋高翅片管軋制進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究具有重要的意義。

1 物理模擬的意義

研究金屬塑性成形的方法主要集中在三個方面：解析法、數(shù)值分析法及物理模擬法 (實(shí)驗(yàn)法)。解析法和數(shù)值分析法的計算結(jié)果是建立在一定的假設(shè)和邊界條件基礎(chǔ)上的，故無法考慮到一些客觀因素的影響，同時其結(jié)果也需要接受實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，而物理模擬成本低，制作方便，結(jié)果也比較真實(shí)客觀[1]，尤其是對翅片管軋制這種復(fù)雜的變形過程，對其應(yīng)力應(yīng)變的走向僅通過一些應(yīng)力本構(gòu)模型和數(shù)值模擬還不能夠準(zhǔn)確的把握，因此物理模擬過程就顯得相當(dāng)必要了。圖1為整體型鋼質(zhì)高螺旋翅片管示意圖。螺旋翅片管軋制，是通過三個螺旋軋輥?zhàn)鞫ㄝS轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向相同，通過摩擦力的作用，三個螺旋軋輥帶動軋件既作旋動，又能使其沿軸向移動的過程[2]。

圖1 整體型鋼質(zhì)高螺旋翅片管示意圖

2 物理模型的制作

實(shí)驗(yàn)材料選用白軟蠟、高嶺土、品紅、PVC管及凡士林。將高嶺土和白軟蠟以1∶2的比例進(jìn)行混合，所得出的蠟?zāi)嘣嚇泳哂休^為良好的性能，并且與高溫時的鋼相似[3-5]。將混合配比好的蠟?zāi)嘣谧詣訅好鏅C(jī)上進(jìn)行數(shù)次壓片處理，加工出厚度在2mm左右的片狀塑性泥。將加工好的片層狀蠟?zāi)噘N在表面涂有凡士林的 PVC管上，根據(jù)實(shí)際軋件的直徑，一般需要貼4層，在冰箱中進(jìn)行冷凍后將 PVC管抽出。最后做好的模型有兩種標(biāo)記方式，一種為層狀標(biāo)識，即模型分成四層，紅層與白層相間；另一種標(biāo)識為在蠟?zāi)嗄Ｐ蛢?nèi)壁上畫網(wǎng)格，在模型的表面均勻標(biāo)記四條白色直線，如圖2所示。

圖2 蠟?zāi)嗄Ｐ筒煌瑯?biāo)記方式示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 延伸率與收縮率分析

直徑均為48mm的6個模型經(jīng)過軋制后的數(shù)據(jù)結(jié)果(軋制時壓下量大約在 7.5 mm)見表1。

表1 直徑為48mm的蠟?zāi)嗄Ｐ蛙埡髷?shù)據(jù)

由表1可以看出，48mm直徑模型其軋制后的延伸率基本上在32％到36％之間，而其截面收縮率在32％到36％之間。同時，實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了直徑為56mm以及64mm蠟?zāi)嗄Ｐ偷能堉?，分別取這兩種條件下的延伸率與收縮率多次結(jié)果的平均值，其結(jié)果見表2。其平均延伸率基本在0.33到0.34之間，而截面收縮率則在0.338到0.35之間，而且隨著模型直徑的增大，其延伸率逐漸的減小，而斷面收縮率逐漸的增大。實(shí)際軋制情況與模擬情況的延伸率/斷面收縮率比較曲線如圖3所示。

表2 不同直徑的軋件模型平均延伸率與收縮率

圖3 實(shí)際軋制情況與模擬情況的延伸率/斷面收縮率比較曲線

由圖3可知，物理模擬的延伸率基本上小于實(shí)際生產(chǎn)中的延伸率 (＞34％)，主要原因一方面是由于實(shí)驗(yàn)測量上的誤差，軋后的蠟?zāi)嘁驕囟壬叨冘洸灰子跍y量，另外一方面由于南方炎熱的天氣以及軋制過程的摩擦熱使得蠟?zāi)嗟挠捕认陆刀承栽黾?。而其截面收縮率在33.5％到35％之間，基本上與實(shí)際生產(chǎn)中的范圍基本符合。

3.2 金屬應(yīng)力狀態(tài)以及流動規(guī)律分析

圖4為一種標(biāo)記方式的蠟?zāi)嘬堉浦蟮哪Ｐ托蚊病?/p>

圖4 一種標(biāo)記方式的蠟?zāi)嗄Ｐ蛙埡笮蚊?/p>

圖4中白色的線條即為軋制前的標(biāo)記，而經(jīng)過軋制之后，白色線條由直線變成螺旋扭轉(zhuǎn)的曲線，說明軋制過程中軋件受到強(qiáng)大的扭轉(zhuǎn)作用。兩條白線條的垂直距離與水平長度都有所增加，這是因?yàn)檐埣谲堉七^程中主要受到軸向的拉應(yīng)力使得白色線條增長，而切向以及徑向的作用力又使得兩白色線條的垂直距離增加。軋件在軋制過程中是受到由軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力以及徑向應(yīng)力的三向應(yīng)力作用。

圖5和圖6分別反映了物理模擬和數(shù)值模擬中金屬流動規(guī)律[6]。

圖5 物理模擬的流變規(guī)律

圖6 數(shù)值模擬的流變規(guī)律

金屬的流動基本可以分為徑向流動，軸向流動以及切向流動。徑向流動使得外中層金屬經(jīng)過軋輥的作用形成翅片，圖5中模型翅片上的紅色部分(箭頭所指)以及圖6中的箭頭1所指。而切向的流動使得金屬沿著周向不斷發(fā)生位移，如圖6中的箭頭2所指。軸向的流動則使得軋件的橫截面從而產(chǎn)生收縮，而在軸向上產(chǎn)生一定的延伸。

3.3 網(wǎng)格化模型的計算

由于翅片管軋制的特殊情況，若在模型的表面網(wǎng)格化或者進(jìn)行稠密的網(wǎng)格劃分，都會由于軋制時表面金屬的劇烈流動，而使得網(wǎng)格破壞，所以網(wǎng)格化處理是在模型內(nèi)徑表面進(jìn)行的，并且不易過于稠密。測量出每個網(wǎng)格變形后的尺寸，將其投影到 XY平面 (如圖7所示)。取網(wǎng)格相鄰的節(jié)點(diǎn)距離作為應(yīng)變研究對象，對比實(shí)驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)，按照對數(shù)應(yīng)變計算公式，分別計算出相鄰節(jié)點(diǎn)

book=16,ebook=127條件下，可將瘦煤的配比由目前的22％降低為15％左右，焦煤由目前的不足40％調(diào)整為41％～42％，以保證焦炭質(zhì)量滿足煉鐵生產(chǎn)需求。

煤階的煤種，所以這種措施的改進(jìn)適合任何一種煉焦用煤的煤種。

2)通過以上改進(jìn)措施的實(shí)施，使得粘結(jié)指數(shù)測定攪拌方法更加優(yōu)化，這不僅降低了煤樣與無煙煤的混勻程度對粘結(jié)指數(shù)測定準(zhǔn)確性的影響，提高了粘結(jié)指數(shù)測定的可靠性。而且使得粘結(jié)指數(shù)測定結(jié)果的離群值更少，優(yōu)越性更好，精密度更高。

3)無論攪拌方法是手工攪拌還是機(jī)械攪拌，改進(jìn)措施都相應(yīng)增加了30 s的時間，在操作上比較簡單，易于統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，這不僅能提高粘結(jié)指數(shù)測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，還能降低復(fù)現(xiàn)性和再現(xiàn)性指標(biāo)，減少不必要復(fù)驗(yàn)，節(jié)約試驗(yàn)的總時間。而且對分析與粘結(jié)指數(shù)值有關(guān)的煤的灰份、揮發(fā)份、膠質(zhì)層指數(shù)以及奧阿膨脹度等都有借鑒或指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

粘結(jié)指數(shù)測定是一個規(guī)范性很強(qiáng)的試驗(yàn)，對儀器設(shè)備、測定方法都做了嚴(yán)格的規(guī)定，必須嚴(yán)格執(zhí)行。影響粘結(jié)指數(shù)測定的因素很多，攪拌方法不同導(dǎo)致的混合均勻程度不同對粘結(jié)指數(shù)測定準(zhǔn)確性的影響只是其中影響因素的一種，也是在實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的問題，對于粘結(jié)指數(shù)攪拌措施的改進(jìn)，投入實(shí)際操作一年多來，對上千平行煤樣測定結(jié)果的分析情況都很穩(wěn)定，至今分析狀況良好，效果顯著。因此，這種改進(jìn)方法是值得推廣和借鑒的。

[1]李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：387～400.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T5447-1997煙煤粘結(jié)指數(shù)測定方法.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997：1-5.

表1 配比方案 ％

4 結(jié)論

1)在煤場置換期間，舊煤場生產(chǎn)模式將發(fā)生改變。1#堆取料機(jī)由于 B101皮帶的大幅縮短將僅存定點(diǎn)取料功能，煤場生產(chǎn)組織模式將由“雙線運(yùn)行”變?yōu)椤爸骶€輔線”運(yùn)行模式，2#堆取料機(jī)將主要擔(dān)當(dāng)起?；疖噥砻合碌?、汽車來煤下道、煤場取料上灌這三項(xiàng)重任，生產(chǎn)節(jié)奏趨于更加緊張。

2)無論火車來煤還是汽車來煤直通上罐現(xiàn)象將很難避免，及時、科學(xué)地調(diào)整精細(xì)配比方案將成為穩(wěn)定配合煤質(zhì)量和焦炭質(zhì)量的重要技術(shù)手段。

5 參考文獻(xiàn)

[1]趙業(yè)明.備煤工藝與設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：48.

[2]高立東.安鋼優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)的探索與實(shí)踐.河南冶金，2010，18 (1)：32-33.

[3]蘇宜春.煉焦工藝學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1994：115.

PHYSICAL SIM ULAT ION O F ROLL ING FOR H IGH-TY PE STEEL SP IRAL F INNED TUBE

L iu Jing Chen Q iquan Zhang L in Han Jingtao
(University of Science and Techno logy Beijing)

The kao lin and softwhite waxwasm ixed in the p ropo rtion of1：2.Physical sim u lation of ro lling fo r hightype steel sp iral finned tube was finished according to actual p roduction.The sim u lation results verified that the workp iece was born tangential stress，axial stress and radial stress during ro lling p rocess；the strain calcu lation based on themeshes of inwall of physicalmodelwas coincident w ith num erical sim ulation and every part of workp iece did not have severe strain zone，the rolling p rocesswas stab le.

w ax and c lay physical sim u lation stressmetallic flow

2010—1—14