Numerical Simulation of Two-roller Rotary Rolling Piercing of a New Heat-resistant Alloy SP2215 Seamless Pipe

Liang Kai; Yao Zhihao; Xie Xishan; Wang Hongying; Cheng Jian; Dai Weixing; Dong Jianxin

doi:10.20057/j.1003-8620.2024-00272

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Numerical Simulation of Two-roller Rotary Rolling Piercing of a New Heat-resistant Alloy SP2215 Seamless Pipe

Forming and Phase Transition | 更新时间：2025-09-02

- Numerical Simulation of Two-roller Rotary Rolling Piercing of a New Heat-resistant Alloy SP2215 Seamless Pipe
- Special Steel Vol. 46, Issue 4, Pages: 107-121(2025)
- 作者机构：
  
  1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
  2.江苏武进不锈股份有限公司，常州 213111
  3.湖州永兴特种不锈钢有限公司，湖州 313099
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2024-00272
  CLC： TG132.3
- Received：03 December 2024，
  
  Revised：2025-01-20，
  
  Accepted：24 January 2025，
  
  Published：30 July 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
梁凯,姚志浩,谢锡善等.新型耐热合金SP2215无缝管二辊斜轧穿孔的数值模拟[J].特殊钢,2025,46(04):107-121.

Liang Kai,Yao Zhihao,Xie Xishan,et al.Numerical Simulation of Two-roller Rotary Rolling Piercing of a New Heat-resistant Alloy SP2215 Seamless Pipe[J].Special Steel,2025,46(04):107-121.
梁凯,姚志浩,谢锡善等.新型耐热合金SP2215无缝管二辊斜轧穿孔的数值模拟[J].特殊钢,2025,46(04):107-121. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00272.

Liang Kai,Yao Zhihao,Xie Xishan,et al.Numerical Simulation of Two-roller Rotary Rolling Piercing of a New Heat-resistant Alloy SP2215 Seamless Pipe[J].Special Steel,2025,46(04):107-121. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00272.

摘要

奥氏体耐热合金在斜轧穿孔过程中工艺参数的选择不当，可能导致毛管出现晶粒粗大、混晶等现象，甚至在加工过程中发生断裂，进而影响到后续的加工变形及产品的最终性能。基于先前的热变形试验，建立SP2215合金的材料模型，并利用有限元软件Simufact Forming 16.0对合金的斜轧穿孔过程进行模拟，分析了穿孔过程中管坯金属流动、应变场、应力场、应变速率场、温度场及穿孔机穿孔作用力的动态变化，模拟结果与实际变形规律相符。进而探讨了顶伸量、轧辊转速、管坯初始温度等工艺参数对合金热穿孔行为与微观组织的影响，最终获得合金的最佳斜轧穿孔工艺为：顶伸量50 mm、轧辊间距95.84 mm、导板间距116.06 mm、轧辊转速50 r/min、管坯初始温度1 100～1 150 ℃。

Abstract

In the process of rotary rolling and piercing for austenitic heat-resistant alloy， the improper selection of process parameters may result in phenomena such as coarse grain and mixed crystal in the pipe billet， or even fracture during processing， thereby impacting subsequent deformation and final product performance. Based on the previous thermaldeformation tests， this study established a material model for SP2215 alloy and utilized finite element software Simufact Forming 16.0 to simulate the rotary rolling and piercing of the alloy. The study analyzed dynamic changes in metal flow， strain field， stress field， strain rate field， temperature field， and rolling force during the skew rolling process. The simulation results are consistent with the actual deformation patterns. Furthermore， this study explored how process parameters such as head forward amount， roll speed， and initial temperature of billet affect both skew rolling performance and microstructure of the alloy. Ultimately an optimal rotary rolling and piercing process for the alloy is determined： head forward amount of 50 mm； roller spacing of 95.84 mm； guide plate spacing of 116.06 mm； roller speed at 50 r/min； and initial temperature range for tube billet at 1 100 ℃-1 150 ℃.

关键词

Keywords

references

Wang H T ， Du H Y ， Wei Y H ， et al . Precipitation and properties at elevated temperature in austenitic heat-resistant steels—a review ［J］. Steel Research International ， 2021 ， 92 （ 2 ）： 2000378 .

Zhou Y H ， Liu Y C ， Zhou X S ， et al . Precipitation and hot deformation behavior of austenitic heat-resistant steels： A review ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2017 ， 33 （ 12 ）： 1448 - 1456 .

胡建华，李靖，拓雷锋，等 . 奥氏体合金钢斜轧穿孔数值模拟及试验验证［J］. 中国冶金， 2022 ， 32 （ 5 ）： 58 - 63 .

Yamane K ， Shimoda K ， Kuroda K ， et al . A new ductile fracture criterion for skew rolling and its application to evaluate the effect of number of rolls ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2021 ， 291 ： 116989 .

Derazkola H A ， Gil E G ， Murillo-Marrodan A . Analysis of super Cr13 stainless-steel internal fracture growth effects during skew mill piercing process ［J］. Results in Engineering ， 2024 ， 21 ： 101682 .

Ye C Q ， Shu X D ， Lin F ， et al . Effect of process parameters on forming quality of hollow axle blank with rotary piercing ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2022 ， 1270 （ 1 ）： 012062 .

Derazkola H A ， Garcia E ， Murillo-Marrodán A . Effects of skew rolling piercing process friction coefficient on tube twisting， strain rate and forming velocity ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 25 ： 7254 - 7272 .

Zhang Z ， Liu D ， Yang Y H ， et al . Microstructure evolution of nickel-based superalloy with periodic thermal parameters during rotary tube piercing process ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2019 ， 104 （ 9 ）： 3991 - 4006 .

罗　伟 . 锥形穿孔过程工艺优化及数值分析［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2011 .

梁凯 . 新型奥氏体耐热合金 SP2215 热变形工艺优化及组织性能研究［D］. 北京：北京科技大学， 2024 .

Liu J L ， Zhao L C ， Li Z P ， et al . Deformation and microstructure radial gradient evolution of AZ31 magnesium alloy bar during three-roll skew rolling ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2024 ， 1006 ： 176331 .

孙东方 . AZ31B镁合金无缝钢管斜轧穿孔工艺研究［D］. 太原：太原科技大学， 2019 .

胡建华，靳帅帅，丁小凤，等 . 大规格薄壁镁合金无缝管二辊斜轧穿孔的数值模拟［J］. 热加工工艺， 2024 ， 53 （ 1 ）： 95 - 99+104 .

Hu J H ， Liang X Y ， Ding X F ， et al . Numerical simulation of microstructure evolution of AZ31 magnesium alloy tube during two-high rotary piercing ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2022 ， 51 （ 9 ）： 3244 - 3251 .

Pater Z ， Tomczak J ， Bulzak T ， et al . Prediction of ductile fracture in skew rolling processes ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2021 ， 163 ： 103706 .

Liu H ， Li Q ， Gui H L ， et al . Technology optimization analysis of three-roll rotary piercing process for seamless steel pipe ［J］. JOM ， 2024 ， 76 （ 7 ）： 3465 - 3475 .

邓孙成 . 斜轧穿孔轧制状态分析与最佳参数选择［J］. 钢管， 2003 ， 32 （ 4 ）： 21 - 24 .

潘　峰 . 建立二辊斜轧穿孔机设计调整理论体系［J］. 钢管， 2020 ， 49 （ 3 ）： 12 - 16 .

Mikhalkin D V ， Korsakov A A ， Panasenko O A ， et al . Parameters of the deformation zone and boundary conditions of the piercing process ［J］. Metallurgist ， 2021 ， 65 （ 1 ）： 137 - 146 .

王付杰，双远华，胡建华，等 . 三辊斜轧穿孔工艺的数值模拟与实验分析［J］. 热加工工艺， 2014 ， 43 （ 9 ）： 95 - 98+105 .

李垚 . Inconel600镍基合金厚壁管斜轧穿孔过程分析及工艺参数优化［D］. 太原：太原科技大学， 2023 .

Wang Q Y ， Liu X G ， Feng Y X ， et al . Study on the grain evolution of austenitic steel for nuclear power during hot working based on large area EBSD mapping ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2024 ， 30 ： 2551 - 2562 .

Shen W J ， Cheng G G ， Zhang C J ， et al . Effect of charging temperature of continuous casting slab on the surface cracks of HSLA steel thick plate ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2024 ， 165 ： 108737 .

Wang C P ， Li F G ， Li J H ， et al . Microstructure evolution， hardening and thermal behavior of commercially pure copper subjected to torsion deformation ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2014 ， 598 ： 7 - 14 .

Wang J T ， Shu X D ， Zhang S ， et al . Research on microstructure evolution of the three-roll skew rolling hollow axle ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2022 ， 118 （ 3 ）： 837 - 847 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effect on Fatigue Failure Behavior Induced by Inclusions in GCr15 Bearing Steel Under Different Metallurgical Processes

Finite Element Simulation,Optimization and Stress Analysis on Blooming and Rolling Heavy Rail

Analysis on Action and Reaction Force between Slab and Rollers at Segment of Dynamic Soft Reduction and Application in Casting

Finite Element Analysis of Effect Factors on Folding Defect of Medium and Heavy Plate

Finite Element Simulation on Temperature Field of 0.45C Steel Medium and Heavy Plate during Straightening Process and Residual Stress Analysis

Related Author

Luo Haiwen

Hu Bin

Yin Qing

Shi Tao

Chen feng

Wang Zheng

宗伟

陈林

Related Institution

School of Metallurgy and Ecological Engineering， University of Science and Technology Beijing

Changzhou Baoling Heavy & Industrial Machinery Co.， Ltd.

Daye Special Steel Co.， Ltd.

Jiangying Xingcheng Special Steel Works Co.， Ltd.， Jiangying

内蒙古科技大学材料与冶金学院

⁰