基于有限元(FEM)模拟的P91大口径厚壁无缝钢管的热挤压工艺研究

摘要

P91厚壁无缝管性能优异，有良好的热强性、强耐腐蚀性和低热膨胀性，被广泛用于各类耐高温锅炉管中，但P91材料合金含量较高，加工成型困难，经过多年的引进发展目前国内只有少数几家可以生产成品P91无缝钢管，由于成品率不高，工艺改进进展缓慢，造成国产P91无缝钢管成本过高，在与国外同类产品的竞争中处于劣势，国内消耗长期依赖进口。
　　2009年后，伴随着一系列重型挤压装备的研制成功，采用热挤压法生产高质量P91厚壁管走入人们视野。本文以计算机模拟技术为依托，利用有限元软件DEFORM来模拟分析P91厚壁管的穿孔制坯过程和热挤压成型过程，采用热力耦合方法分析了穿孔过程中金属的流动规律，速度场、温度场、等效应力场等。
　　在对热挤压过程的分析中，通过与相关文献的实测数据做对比，验证了模型的可靠性，随后重点分析了P91厚壁无缝钢管在热挤压过程中的各种场量，包括模具的温度场、表面磨损情况等，揭示了P91厚壁管在热挤压成型过程中的变形规律。
　　分别对不同的温度﹑挤压速率及型腔曲线下的挤压力情况做对比分析，在坯料1250℃﹑100mm/s的参数条件下最大挤压力达到了199MN，当温度下降50℃，挤压力增幅可达20％左右；针对不同挤压比作对比研究，在挤压比为5的时候最大挤压力为102MN，对应同参数下挤压比为9时最大挤压力262MN，增幅达156.9%；不同的型腔曲线对挤压力影响较小（文中两例相对差值在1%以内），但对坯料的应力状态有影响较大；在坯料存在偏心20mm状况下，即坯料内外圆心相互偏离20mm，挤压机机架水平方向上需要提供28.2MN的力，才能使挤压过程中挤压轴线与坯料轴线保持重合。

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引 言

1 绪论

1.1 P91无缝钢管概述

1.2 P91厚壁无缝钢管生产技术及现状

1.3 本课题的研究意义和内容

2 热力耦合有限元基本理论

2.1 有限元理论概述

2.2 变形和传热的耦合分析

2.3 有限元理论在材料加工上的应用简介

3 无缝钢管穿孔与热挤压成型的基本理论

3.1 垂直穿孔基本理论

3.2 挤压基本理论

3.3 DEFORM软件简介

4 P91厚壁无缝管坯垂直穿孔过程的有限元模拟

4.1 P91流变应力数据分析

4.2 垂直穿孔模型建立

4.3 模拟结果分析

4.4 不同条件下的模拟结果分析

5 P91厚壁无缝管立式挤压过程的有限元模拟

5.1 模型简化和假设

5.2 模型建立和模型验证以及参数选取

5.3 模拟结果分析

6 热挤压工艺对比分析及相关算例

6.1 工艺对比分析

6.2 坯料吊装过程中的温降情况

6.3 坯料尺寸偏差对热挤压成型的影响

结 论

参考文献

在学研究成果

致谢