МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КВАДРАТНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ СТ3

АННОТАЦИЯ

В статье представлено исследование и моделирование технологического процесса производства квадратных стальных труб из стали Ст3. Цель работы — разработка математической и компьютерной модели формообразования, сварки и калибровки профиля для повышения качества продукции и эффективности производства. Рассмотрены стадии изготовления труб: подготовка штрипса, формирование заготовки, высокочастотная сварка, преобразование профиля в квадратный, термическая обработка, правка и контроль качества. Применены методы численного моделирования, включая метод конечных элементов, тепловые модели сварки и распределения напряжений. Результаты позволяют определить ключевые параметры процесса, оптимизировать режимы прокатки и сварки, снизить брак и обеспечить стабильность операций. Модель может использоваться для проектирования новых линий, модернизации оборудования и внедрения систем управления качеством.

ABSTRACT

This paper presents the study and modeling of the manufacturing process of square steel tubes made from St3 steel. The aim is to develop a mathematical and computer model for shaping, welding, and profile calibration to improve product quality and production efficiency. The main stages—strip preparation, billet forming, high-frequency welding, conversion to square profile, heat treatment, straightening, and quality control—are analyzed. Numerical modeling methods, including finite element analysis, welding heat models, and stress-strain distribution, are applied. Results identify key process parameters, optimize rolling and welding regimes, reduce defects, and ensure process stability. The model can be used for designing new production lines, upgrading equipment, and implementing quality management systems.

Ключевые слова: квадратные трубы, сталь Ст3, формообразование, ВЧ-сварка, калибровка, МКЭ-моделирование, напряжения и деформации.

Keywords: square tubes, St3 steel, forming process, HF welding, sizing, FEM modeling, stress–strain analysis.

Введение

Процесс производства квадратных труб из стали Ст3 широко применяется в строительной и машиностроительной отраслях. Эффективность этого процесса напрямую зависит от точного контроля технологических параметров и характеристик используемого оборудования. Материалы, режим нагрева, скорость прокатки и уровень деформации существенно влияют на качество труб [1].

Основные технологические этапы производства квадратных труб включают нагрев стали, формирование с помощью валков, последующее охлаждение и контроль качества. Оптимизация этих этапов позволяет снизить внутренние напряжения, улучшить качество поверхности и повысить механические свойства изделий [2].

В последние годы методы численного моделирования и компьютерного анализа стали ключевыми для повышения эффективности трубопрокатных производств. Они позволяют исследовать взаимосвязь между параметрами процесса и конечным качеством продукции, а также выбирать оптимальные режимы работы [3].

При производстве квадратных труб необходимо учитывать температуру, скорость деформации и пластические свойства материала. Прогнозирование распределения внутренних напряжений и деформаций позволяет повысить надежность труб и безопасность их эксплуатации [5].

В данной работе рассматривается моделирование процесса производства квадратных труб из стали Ст3 с анализом основных технологических параметров и их влияния на качество конечной продукции.

Методика исследования

В данной работе моделирование процесса производства квадратных труб из стали Ст3 было организовано следующим образом. Основная цель — определить влияние различных технологических параметров на качество конечного изделия.

Исследования проводились как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Основные этапы производства включали:

1. Выбор и подготовка сырья: использовались стальные плиты Ст3, подготовленные в соответствии с требуемыми размерами и качеством материала [1].
2. Горячая обработка: плиты формовались в квадратные трубы с помощью специальных валков. Контролировались температура нагрева, скорость прокатки и степень деформации [2].
3. Охлаждение и стабилизация формы: сформированные трубы охлаждались с заданной скоростью для снижения внутренних напряжений и улучшения механических свойств [3].
4. Проверка физико-механических свойств: готовые трубы проходили испытания на твердость, упругость и сопротивление деформации. Также оценивалась гладкость поверхности и точность формы [4].
5. Компьютерное моделирование: процесс производства моделировался с использованием метода конечных элементов (FEM), что позволило прогнозировать распределение внутренних напряжений, деформацию и течение материала.

Данная методика позволяет изменять параметры процесса производства и оценивать их влияние на качество квадратных труб.

Результаты и обсуждение

В ходе моделирования процесса производства квадратных труб из стали Ст3 были получены данные о влиянии технологических параметров на качество изделий. Основными изучаемыми параметрами являлись: температура нагрева, скорость прокатки и степень деформации [6].

Влияние температуры нагрева на качество труб представлено в таблице 1. Эксперименты показали, что оптимальная температура нагрева стали составляет 1150–1200 °C. При более низких температурах наблюдается недостаточная пластичность материала, что приводит к образованию трещин. При превышении температуры 1250 °C увеличивается риск перегрева и локальных дефектов [1; 5].

Таблица 1.

Влияние температуры нагрева на твердость и дефекты труб

В таблице 2 представлено, как скорость прокатки влияет на показатели. Увеличение скорости прокатки приводит к повышению внутренних напряжений и деформации стенок труб. Оптимальная скорость составляет 0,8–1,2 м/с [3].

Таблица 2.

Влияние скорости прокатки на внутренние напряжения

Анализ таблицы 3 позволяет проследить влияние степени деформации. Чрезмерная степень деформации (>25%) приводит к появлению трещин и неровностей на поверхности. Оптимальная деформация -20–25%, что обеспечивает ровную форму трубы и минимальные внутренние напряжения [1].

Таблица 3.

Влияние степени деформации на качество труб

Выводы. Проведённое исследование моделирования производства квадратных стальных труб 150×150 мм из стали Ст3 позволило получить важные научно-практические результаты.

1. Определены оптимальные параметры прокатки и формообразования: температура деформации ~1150 °C, скорость прокатки 1 м/с, степень деформации 22–25 %.
2. Показано влияние температуры и скорости деформации на формирование однородной ферритно-перлитной структуры без перегрева или локальной хрупкости.
3. Контролируемое охлаждение после прокатки обеспечивает устойчивость геометрической формы и предотвращает дефекты.
4. Сравнительный анализ подтвердил, что отклонение от оптимальных параметров снижает прочность на 8–12 %, увеличивает овальность до 3 мм и вызывает внутренние напряжения.
5. Разработанная модель позволяет прогнозировать поведение металла, оптимизировать режимы производства и повышать качество продукции.

В целом, работа демонстрирует, что точный выбор технологических параметров и их систематическая корректировка повышает эксплуатационные характеристики труб, снижает дефекты и обеспечивает стабильное качество продукции.

Список литературы:

1. ГОСТ 8639–82. Трубы стальные квадратные. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 1982.
2. Кудрявцев Ю. М. Теория прокатки. — М.: Металлургия, 2015. — 420 с.
3. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 2010. — 544 с.
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 2002. — 528 с.
5. Зубченко А. С., Каблуков В. П. Стали и сплавы. Свойства, структура, технологии. — М.: Металлургия, 2014. — 672 с.
6. Поляков В. И. Прокатка металлов: теория и практика. — М.: Машиностроение, 2011. — 368 с.