Modelling of the Mannesmann Effect in Tube Piercing

La produzione di tubi in acciaio senza saldatura si basa sull’utilizzo di barre cilindriche ottenute per colata continua che, dopo aver subito il processo di perforazione, vengono sottoposte a diverse operazioni di laminazione per l’ottenimento delle caratteristiche specificate in termini di lunghezza e spessore del tubo finale. Industrialmente il forato è ottenuto mediante il processo di perforazione obliqua, la cui caratteristica principale è una frattura lungo l’asse longitudinale della billetta che si crea per il cosiddetto Effetto Mannesmann. Nel processo industriale, in seguito a una fase di riscaldamento, la billetta cilindrica viene introdotta nell’impianto di perforazione, trascinata e deformata dall’azione di due rulli tronco-conici ad assi sghembi che generano lo stato di sollecitazione caratteristico per la comparsa della frattura interna. Solo a questo punto la billetta viene effettivamente perforata da un mandrino che svolge la funzione di allargare la cavità ottenuta longitudinalmente e laminare le pareti interne del forato. La conoscenza delle condizioni industriali di laminazione che determinano la comparsa e della frattura lungo l’asse della billetta e la sua propagazione, è di fondamentale importanza in quanto essa determina la posizione ottimale del mandrino perforatore al fine di garantire un’elevata qualità del prodotto laminato e massimizzare la durata della punta. Nonostante l’elevata esperienza dei produttori industriali, la conoscenza scientifica sull’effetto Mannesmann e sulle condizioni che lo determinano è notevolmente limitata. In generale, la letteratura tecnico-scientifica raccoglie numerosi studi sull’insorgere della frattura nei processi di deformazione in condizioni di lavorazione a freddo, c’è invece una sostanziale assenza di modellazione della rottura nel materiale in deformazione per quanto riguarda le lavorazioni ad elevata temperatura. L’obiettivo di questo lavoro sta nello sviluppare un modello numerico in grado di riprodurre in modo affidabile le condizioni che industrialmente provocano la frattura per effetto Mannesmann nel processo di perforazione, mediante l’implementazione in un codice di calcolo di una legge di danneggiamento opportunamente calibrata sulla base del reale comportamento del materiale. Mediante studi di carattere sperimentale, si dimostrato come la fase di solidificazione del’acciaio dopo l’operazione di colata continua provochi una forte differenziazione del materiale della billetta in termini di porosità e distribuzione delle diverse fasi che si riflette nel suo comportamento durante l’operazione di formatura. La lavorabilità del materiale in condizioni di processo è esaminata mediante prova di trazione ad elevata temperatura su provini estratti da billetta ottenuta per colata continua e osservazioni a microscopio sono svolte al fine di correlare la posizione dei campioni sulla billetta con le sue caratteristiche microstrutturali. La caratterizzazione delle condizioni di frattura è possibile grazie all’utilizzo di un modello di danno secondo la formulazione di Lemeitre e l’identificazione dei parametri di danno dipendenti dal materiale è basata sull’uso di tecniche di analisi inversa in riferimento ai risultati sperimentali dei test di trazione a caldo. In particolare, una modifica alla legge di danno è introdotta al fine di descrivere correttamente le differenze nel comportamento del materiale nella sezione della billetta e considerare quindi l’effetto di porosità e distribuzione di fasi nello stato del materiale iniziale. Al termine, il modello numerico sviluppato è validato mediante il confronto dei risultati da simulazione e fermi-macchina in impianto perforatore industriale in assenza del mandrino, che dimostra la bontà del modello per quanto riguarda la previsione del sito di frattura e della lunghezza del cono Mannesmann.