张力减径机(SRM)是热轧无缝钢管生产中的最后一道工序，可由少数几种坯料生产出多种规格的成品，国内外钢管生产厂家已广泛应用张力减径技术。其工艺原理以三辊减径为例，一般不带芯棒，通过控制机架间的速度差所形成的张力，使钢管在系列孔型中减径减壁。
张力减径机(SRM)是热轧无缝钢管生产中的最后一道工序，可由少数几种坯料生产出多种规格的成品，国内外钢管生产厂家已广泛应用张力减径技术。其工艺原理以三辊减径为例，一般不带芯棒，通过控制机架间的速度差所形成的张力，使钢管在系列孔型中减径减壁。由于张力减径(简称“张减”)过程是在高温下进行的，其几何形状、温度、应变等场变量的变化影响到金属的微观组织及其力学性能，因此，对张减过程各参量的准确预报和控制，对于确定变形抗力、力能参数和组织演变等十分重要。采用有限元法对张减过程进行模拟研究在国内外已得到广泛应用，但大都对单机架或少数几个机架进行研究，且不考虑温度变化。
结合某厂10机架张减轧制工艺，采用非线性有限元法对全系统进行三维热力耦合建模，对管坯张减过程进行数值模拟，分析了温度、等效应力、等效应变等现场难以测量的分布量，以及管坯经过各机架时的壁厚变化，为合理制定减径工艺提供参考。
张减机组每个机架的孔型由3个轧辊构成，每个轧辊的辊形曲面120。阵列排布，奇数机架与偶数机架互成6O。排列，因此可以取与钢管对应的1/2轧辊曲面作为研究对象，把管坯的计算模型减少到整个截面的1/6。模型简化后，对称边界条件由对称面上的节点速度来确定，其在对称面法线方向上的速度为零。采用八节点等参元来建立描述管坯的有限元网格，网格划分时沿钢管半径方向分为两层，圆周方向分为12份，共26个节点。
管坯材料为2O号钢，热物性参数直接从Marc材料库中取得，初始温度950℃ ，环境温度取2O℃ ，轧辊温度取100~C，管坯的自由表面存在热传导、热对流和热辐射3类边界条件，由于对流所产生的热损失所占比例较小，可将其与辐射统一作为一个边界条件处理，对流和辐射的等效换热系数取150W/(m2·℃)，管坯与轧辊的接触换热系数取20kW/(m ·℃)，变形功转换系数取0．9，摩擦功转换系数取0．5，管坯和轧辊之间的摩擦系数取0．4。
采用椭圆L型系列轧制，荒管尺寸为152．5ram)<9．75 mrn，成品管尺寸为~114mm×10 mm，人口速度1500 mm/s，机架间距310 mm，为了减少计算时问，并且保证稳定轧制状态，即管坯前端离开最后一个机架时，其后端还未咬入第一个机架，管坯长度取3000mm。
利用所建立的热力耦合有限元模型，对1O机架微张减过程进行三维模拟轧制。分析时，假定连轧荒管横向和纵向壁厚均匀，视轧件为变形体，视轧辊为刚性体，各机架轧辊转速根据实际转速给定。
模拟时先给轧件一个与轧制方向相同的速度，待第一机架轧辊咬入后，施加在轧件上的速度变为零，然后轧件在轧辊摩擦力的带动下依次进入后续机架，直至从最后一个机架轧出，管坯从开始咬入到完全离开最后一个机架，大约需用4s时间。
1 应力应变分析
1O机架微张减过程的等效应变在0．037~0．367左右，变形速率从0．88s 到近10．48s ，等效应力为5O．23MPa～26OMPa左右，最后一个机架出口温度为860℃左右。只给出稳态轧制时第6机架减径变形区内的场变量分布，其中包括等效应变场、等效应变速率场、等效应力场、温度场分布。
2 温度分析
由于轧制速度比较快，各机架间距小，不能对每个机架的入口和出口温度进行测量，利用手持式激光测温仪只对管坯进入和离开张减机组时进行外表面温度测量，测温位置在图4中节点7附近，由于模拟采用的钢管的长度要远小于实际生产的钢管长度，为了便于比较，给出几组管坯的头部某点位外表面温度的平均值，入口温度相差12℃，出口相差25℃，实测头部温降72℃，模拟温降59℃。排除管坯表面的氧化皮机测温仪本身误差等因素，可认为给定的温度边界条件基本合理。
在前一秒内，所取管坯横截面尚未咬入，仅存在对流和辐射作用引起热量散失，产生温降。外表面各点温降最快，内表面次之，管壁中部温降最慢。进入轧制区之后，外表面与每个轧辊接触，都会引起温度迅速下降，表面各道次温降不同，这是管坯与轧辊的接触时间、接触压力和接触面积等因素影响的结果。而在中部各点受内部热传导和塑性形变的共同作用，温度曲线呈现阶梯状，由第8机架开始，由于减径量较小，轧辊与管坯的接触面积也较小，塑性变形引起的温度变化变得不明显。
随着轧制过程的进行，外表面的温降很快，由于热传导的作用，中部点的温降速度大于内表面各点，在最后机架出口处，内表面的温度最高。当管坯离开最后一个机架，由于内外温差较大，轧件内部传导作用大于外表面的对流辐射作用，故外表面的温度略有上升，而中部及内表面的温度则缓慢下降。对比3个位置的温降曲线，管坯在轧制过程中，辊底和辊缝部位的温降变化规律大致相同，孔型侧壁处温降曲线相对缓和，外表面终轧温度在870℃左右。
3 壁厚分析
管坯网格圆在周方向分为12份，每隔5。一个节点，对于奇数机架，O。对应辊底部位，6O。对应辊缝部位，偶数架两位置相互交替。计算相应的节点之间的距离，即可得到横向壁厚，轧出成品管横向壁厚。可知该产品横向壁厚变化比较均匀，横向平均壁厚为10．05mm (212艺设定为lOmm)，
横向厚差为0．13mm，壁厚偏差为0．2 ～1．1 ，壁厚精度较高，该张减工艺比较合理。
4 轧制力矩分析
实测时记录的是各机架驱动电机的电流值，取稳定轧制状态下的电流值，经过转换后得到轧制力矩，实测力矩和模拟力矩比较，由图可以看出两者比较吻合，误差在1O 以内，其中第一架和第二架出现了负力矩，表现为该机架驱动电机的电流出现负值。同时也说明所建立的热力耦合有限元模型基本可靠。
1)利用非线性有限元法，建立了张力减径过程热力耦合有限元模型，通过对某厂1O机架张力减径过程进行数值模拟，得到了轧件三维各场变量分布，轧制力能参数与现场实测数据吻合良好。
2)利用该模型得到了各节点温降曲线，横向壁厚分析表明，该张减产品壁厚精度较高，张减工艺合理。该模型的建立为优化轧制工艺、分析产品质量、预测工件冷却后的组织和性能奠定了基础。
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