无缝钢管冷却均匀性分析与参数优化

无缝钢管冷却均匀性分析与参数优化

高鑫磊

天津钢管集团股份有限公司天津300200

摘要：本文通过借用有限元数值的计算方法，针对无缝钢管冷却技术进行了数学建模,以及相关的模拟分析。深入研究了针管表面湿润角对于冷却均匀性的影响，同时通过综合分析，并借助正交实验方法分析了无缝钢管喷嘴的出口速度，内表面湿润角，轴向喷射速度等工艺参数对于无缝钢管均匀性的影响。结果发现，无锋钢管内表面湿润角度越大，轴向各个点的温度会由小变大，且拐点在240度时内表面的湿润角度为240度，轴内各点的温度在内表面上的湿润角度为120度，综合分析四个工艺参数之后，最终我们获得了优化的冷却条件，希望能为相关工作人员提供帮助。

关键字：无缝钢管；冷却；均匀性；参数；优化

近年来，随着社会经济建设的发展以及科学技术的进步，机械生产制造对于无缝钢管的要求越来越高，传统的制造工艺无法满足现代无锋钢管在生产工艺上的要求。为了能够获得高质量的无缝钢管，国内外学者已经针对无缝钢管质量进行深入研究。近年来，研究了针对热变形工艺对于钢材强度影响，以及热处理工艺对钢管强度影响的规律性。而国内学者研究了无缝钢管热处理中产生的应力研究，以及利用有限元技术研究热钢管的冷却过程。钢管的组织可以受到热处理而改变，提高钢管的性能能够为钢材制造行业节省金元素用量，进而提高企业综合收益，通过实践发现适当的热处理能够有效提升钢管的性能，使钢管的使用寿命延长。通过消除热加工工艺，导致的细化晶粒，钢材缺陷性，降低内应力，进而能够使钢管的整体性能和组织性更加均匀。

一，数值模型的建立

我们根据实际所采用的无缝钢管在，冷却过程中的情况借助软件建立了三维模型并进行了数值模拟。我们选取的模型参数。没一下条件，钢管的外壁直径为159mm，钢管壁厚度可达24mm钢管的长度为500mm。具体的模型示意图如下所示。我们浆水作为流体介质。水在流动过程中会与钢管进行对流换热。同时在流动时，雷诺数。大约一万二十此时的流动状态为串流动状态。在分析过程中，我们可以忽略水压缩性的影响。可以将谁的密度作为常数，因此。流体流动可以视为非定常，不可压缩性的流体流动。同时，流体在流动过程中应当满足质量守恒方程，连续性方程。其次，进行模型的边界条件设置。我们可以。近似认为钢管的入口流速是均匀分布的，因此可以选择钢管的入口作为速度入口，出口为压力入口。实际上是标准呐基呀。钢管边旋转边进行冷却。为了能够确保数据进行有效传递，在。模型建立和模拟过程中需要设置一定的边界条件。

二，模型计算以及相关分析

我们的基于钢管冷却控制方法的基础上，针对钢管内表面湿润角度对于钢管冷却效果的影响以及相关影响因素进行深入研究。我们发现钢管内表面湿润角度如下图所示

首先来探究钢管内表面湿润角对于钢管冷却均匀性的影响，我们分别选定了六个内表面湿润角分别为120，150，180，210,240,360度，并利用这六个角度进行模拟计算。假设其他条件不变，冷却温度为300k。当湿润角为180°时，冷却3s的体积分数如下图所示。

出口速度为五米每秒，喷嘴出口的方向呈现竖直向下，钢管的转速为每分钟60转，轴向喷射的速度为15米每秒，我们将轴向取点位置沿着轴线，每间隔一定的距离选取一个点。在本次研究中，我们选取的是十毫米作为一个取点值，考虑到建模过程接近实际所测量的情况，因此喷射出口到入口的中间一段距离也就是-150到150mm的区间范围内进行研究。在轴线上取点探究钢管内表面湿润角对于钢管冷却均匀性的影响。从结果可以发现，无缝钢管的温度随内表面湿润角度增大而降低，喷射入口到出口，钢管会沿着长度方向有一定程度的升高，但是总的来看，温度变化并不明显。当内表面的湿润角度为210°，240°时，或者湿润角度为300°和360°时，这两个范围值内温度差别不大。当湿润角度为240°和270°时，钢管温度会有一定长度的降低。然而，当湿润角度为120°的270°时，无缝钢管的温度会随湿润角度增大而减小。然而当角度继续增大时，超过270°，那么无缝钢管会随温度的升高变化越大。同时，当内表面湿润角度从120°突然增加至360°时，钢管内的平均温度逐渐呈现下降趋势，通过方差判断，当湿润角度为240°时，钢管各点的方差值最小。具体也就是钢管沿轴的温度变化是比较小的，因此我们可以得到这样一个结论：无缝钢管内表面湿润角度为二百四十度时，此时冷却性能最好，其次是当内表面湿润角为270°时，冷却性次之。

在分析钢管的轴向冷却均匀性受到内表面湿润角度影响的实验过程中，我们选取半径为62毫米的圆周，并且每隔15°的角进行选点。结果发现，钢管的温度会随着内表面湿润角增加而降低，同上述结果一致，当内表面的湿润角度为210和240，以及300°和360°时，钢材温度差别较小，而当湿润角度达到120°到270°时，无缝钢管的轴向温度会随湿润角增加而趋于平缓。当继续增加湿润角度时，钢管的轴向温度会出现较大变动。同时，当内表面湿润角度从120°显著增加至360°时，钢材表明温度会呈现下降趋势。从方差角度来看，当内表面湿润角度为120°时，此时各点的方差值最小，也就是说，无缝钢管沿轴向温度变化最小的时候是其内表面湿润角度为120度。因此，处于120度时钢管冷却均匀性比较好，其次是210°。

三，正交实验

通过研究发现，影响无缝钢管冷却均匀性的因素主要有出口速度，喷射速度，内表面湿润角度，钢管的转速等。因此，我们可以利用正交实验来分析各个因素对于钢管冷却均匀性的影响，寻求最佳的冷却方式，能够使得钢管冷却均匀性最好，而且尽量减小无缝钢管的变形度。每个因素选取三个状态，忽略各因素之间的相互作用。通常极差不相等，说明各因素水平改变实验结果影响不同，极差越大，代表各因素在一定范围内的变化会导致数值产生较大波动，极差最大的一列因素水平对于实验结果影响最大，可以将其作为主因素。经过分析，我们获得了最优的方案，当喷嘴的速度为每秒6.5米，喷射速度为每秒13米内，表面湿润角度为210°，转速为70转每分钟时，此时无缝钢管冷却均匀性最好，而且变形程度小。

小结

在本次研究中我们利用正交实验进行方案优化，最终我们获得了无缝钢管冷却均匀性最优的参数设置。

参考文献

[1]刘国勇,朱冬梅,张少军,等.大口径无缝钢管淬火冷却均匀性影响因素[J].北京科技大学学报,2011,33(2):232-236.

[2]胡树山,刘荣娥.旋转速度对无缝钢管冷却均匀性的影响研究[J].热加工工艺,2018(12).