中厚板差温轧制厚度均匀性研究.doc

第一章 绪论1.1 引言在钢铁产品当中，钢板是钢材的重要品种，在发达国家，钢板产量占钢材生产总量的50%以上。中厚板 (厚度大于4.0mm) 广泛用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁、锅炉制造等，是极其重要的钢材品种之一。作为板材高端产品的重要组成部分，厚板及特厚板广泛应用于军用和民用两个方面，是国民经济发展的重要原材料。但因厚板、特厚板轧制生产过程一方面受连铸坯料尺寸、形变均匀性、压缩比等条件限制，另一方面受国内轧线轧制条件如轧机刚度、轧机功率、开口度、轧制工艺方法以及矫正等后续精整设备条件限制，生产技术难度很大，生产能力受到限制，很多品种及规格仍需依赖进口。“十二五”期间，国家将海洋、交通运输、能源和重大装备等领域作为战略发展重点，为中厚板行业发展提供机遇的同时，也对板材的性能提出了更高的要求1-3。由于中厚板的生产大都是以连铸坯为原料的，而连铸坯生产过程中，钢水凝固从外侧向中心进行，溶质元素容易向中心富集，进而产生板坯的中心偏析和中心夹杂物等，钢板中的绝大多数内部缺陷主要集中该区域。比较典型的心部缺陷有：中心偏析、中心夹杂物和心部裂纹等。中心缺陷是中厚板生产过程中的常见质量问题，经常导致产品质量不稳定、力学性能不达标、断口不合格等问题。如何改善中厚板轧制过程中的中心缺陷，从而提高钢板的力学性能是中厚板生产一个重要课题。在连铸坯质量一定的条件下，轧钢工序改善中心缺陷的一般思路是希望通过增大钢板变形的压缩比，尽可能使变形渗透到心部，来压合钢板中的一些缺中心陷，最终改善中厚板产品的性能。但中厚板轧制过程中，厚度方向上的变形是不均匀的，心部的压缩比很小。那么如何通过改善工艺条件，尽可能地增大中心的有效变形，达到减少中心缺陷的目的，是本文拟研究的重点。厚板轧制过程是典型的非均匀变形过程，受外端的影响很大，通常高向压缩不能深入到板坯内部，板坯心部不发生塑性变形或变形很小，而表层变形较大，沿断面高向呈双鼓形。为了使厚板的组织和综合力学性能满足相关标准要求，在轧制工艺上要确保钢板心部能够具有充分的变形量，使板坯内部缺陷得以压合，心部得到细小晶粒。厚板传统轧制工艺通常采用增加钢板压下率的方法4，但是受制于铸锭生产能力以及轧机开口度的限制，压下率有时达不到生产工艺所需，也就无法获得心部组织性能良好的厚钢板。异步轧制工艺5-7，上下工作辊速度不一致，会在钢板表面和工作辊之间形成一个“搓轧区”。在单道次压下量一定的情况下，异步轧制除了在变形区产生压缩变形之外，还会在变形区产生剪切应力，从而会增加钢板的总变形量，使钢板得到更细小的晶粒。由于剪切力可以使变形向钢板厚度中心区域渗透，因此这种轧制工艺可以提高钢板中心区域的变形，达到细化心部晶粒的目的。异步轧制工艺带来的一个突出问题是轧件翘曲问题8,9，为解决异步轧制过程中的轧件翘曲问题，2001荷兰Corus研究中心对异步轧制在厚铝板中的应用进行研究，提出了蛇形轧制方法10-12，即在原有异步轧制的基础上增加了上工作辊偏移，以改善厚板异步轧制之后出现的翘曲问题。蛇形轧制工艺在提高厚规格板材心部变形量、控制翘曲等方面具有良好的效果，但是由于该工艺需要具有异步轧制功能和工作辊偏移功能的特殊轧机，所以在现有的中厚板生产线上进行推广和应用比较困难。差温轧制工艺是指在轧制过程中边快冷，边轧制，冷却来不及深入到板坯内部，在板坯厚度方向上形成上下表层低温，中心层仍维持高温的温度分布状态。这样在轧制时，上下表面温度低于心部，变形抗力大，不易变形，而心部温度高，容易变形。这就会促使变形深入到板坯心部，有利于消除心部缺陷，提高心部质量，同时减少或消除由于变形无法深入引起的双鼓形缺陷，甚至边部折叠，提高成材率。在机械加工制造领域，日本制钢所的馆野万吉和鹿野昭于1962年创立了一种大锻件锻造方法，即JTS锻造法（中心压实锻造法）13，其实质是：钢锭（坯）加热到始锻温度后不直接加压锻造，而是用鼓风或喷水雾的方法使其表面快速强制冷却，使钢锭（坯）内外产生250350的温差，利用内外层间变形阻力的显著差别，用较窄的砧子施以强力压制，从而达到压实心部孔穴、疏松等缺陷的目的。JTS锻造法被业界公认为是压实中心缺陷的一种行之有效的锻造方法，虽然锻造过程和轧制过程金属变形流动规律有所差别，但仍在一定程度上可以证明厚板差温轧制工艺的可行性。关于差温轧制工艺的研究，目前国内外都刚刚起步，相关报道也很少。日本JFE在Super-OLAC 14的基础上，于2009 年进一步开发出厚板生产线Super-CR（Super- Controlled Rolling）技术15,16，如图1所示。在轧机粗轧机架附属设置超快速冷却装图1 日本JFE超级控轧工艺(Super-CR)布置方式置，可以在任何需要的轧制道次，在钢材进行超快速冷却的同时，进行差温轧制。据报道，采用该技术可以生产表面超细晶钢板，得到极优良的抗裂纹敏感性。由于进行差温轧制时，表面快冷，温度来不及深入到板坯内部，上下表面低温属于低温控轧，而板坯中心仍维持原来的较高温度轧制，这样就会形成表面细晶化的钢板。在国内，中南大学贺有为等17人针对目前超高强铝合金超厚板变形不能深入板材内部，导致组织和性能不均匀的问题，采用有限元仿真和实验室实验的相结合的方法，对铝合金厚板热轧差温轧制过程中的应变场、温度场、应力场等进行了研究，研究结果表明，差温轧制与等温轧制相比可以缓解铝合金厚板轧制不均匀变形，并且差温轧制轧后表面质量优于等温轧制。北京科技大学余伟18等采用平面压缩试验机模拟轧制过程，并结合有限元数值模拟研究了钢板在给定温度梯度轧制条件下的变形及晶粒大小情况，研究结果表明差温轧制可以增加厚板心部的变形量，同时由于厚板表面在奥氏体未再结晶区进行轧制，心部在奥氏体再结晶区进行轧制，差温轧制可以同时发挥变形带细化和再结晶细化的作用，从而使厚板厚度方向上晶粒更为均匀，从而提高产品性能。本项目的申请者采用ANSYS有限元分析了给定水冷换热系数下热轧带钢粗轧坯厚度方向的温度场，并以此温度场为基础，进行差温轧制过程热、力、变形耦合分析，研究结果同样验证了差温轧制可以提高钢板厚度方向变形的均匀性（详见研究基础与工作条件）。在轧制前对板坯表面进行均匀的超快速冷却，然后在返红前立即轧制，是差温轧制工艺的核心。射流冷却因能在产生极高的换热系数被公认为是实现高热流密度快速的首选技术，也是本项目的主要研究内容之一。近年来，国内外学者对射流冲击换热的研究逐渐深入，取得了一些成果。Zumbrunnen将冷却水流冲击静止平板时的换热区域的划分为单相强制对流换热区、核沸腾区/过渡沸腾、膜沸腾区、小液态聚集区等区域19；Mitsutake在实验研究的基础上建立了核沸腾区与单相对流区边界的径向位移与时间函数的关系20；Robidou等人基于实验室的研究绘出了冲击射流换热过程中的沸腾曲线21；Timm等的研究表明，随着表面温度、过冷度和喷射雷诺数的增加，湍流增加，从而热通量增加22；Nathalie等研究了喷射冷却过程中过渡沸腾现象，认为当介质达到饱和温度时，过热表面周期性的气泡破裂是产生热通量等值现象的主要原因23；Ravikumar等采用实验方法研究了倾斜角度对汽雾喷嘴换热系数的影响，结果表明在倾角为30时可达到最大冷却能力24。由于实验装置和实验手段限制，目前关于射流冲击换热的研究大都止于实验室模拟或单一射流方式局部试验，一般是单孔圆形喷嘴射流冲击高温壁面，而对阵列喷嘴及其之间的相互影响则研究明显不足。如前所述，差温轧制由于表层温度低，通常在未再结晶区进行轧制，表层晶粒细化，从而可以提高表面抗裂纹能力；但是另一方面，板坯表层和中心温差过大（表层温度低，受拉应力），热应力与轧制过程残余应力叠加，会增加板坯表面和边部开裂25的可能性。所以研究差温轧制过程板坯厚度方向组织晶粒的细化规律及不同组织下的抗裂纹能力，在冷却设备的极限冷却能力范围内，探讨是否存在引起板坯表面或边部开裂的临界温度梯度，也是本项目的研究内容之一。此外差温轧制工艺可以和异步轧制工艺结合使用，在提高板坯厚度方向变形均匀性的同时，通过调节板坯上下表面的冷却强度来解决异步轧制过程中头尾翘曲问题，与蛇形轧制工艺相比，无需轧机具备工作辊偏移功能。近年来，我国板材的产品生产、品种开发、工艺装备及技术均取得了长足的进步，但也应看到，与国际一流水平相比，在超高强韧性、超厚、高耐蚀性、高耐磨性、耐高温等钢板的特殊性能、组织性能均匀性与稳定性以及残余应力控制等方面仍存在相当的差距，一些高等级板材仍依赖进口。与厚板的传统轧制工艺相比，差温轧制工艺可以降低坯料尺寸，采用较小规格的连铸坯生产厚规格钢板；与蛇形轧制工艺相比，差温轧制仅需在紧邻机架的位置增设超快速冷却设备，投资省，适宜在现有板材生产线上进行推广。差温轧制工艺可以显著提升我国中厚钢板、厚钢板产品等级，具有广阔的应用前景。此外差温轧制工艺还可以替代板带钢粗轧和精轧之间的中间冷却，实现超级钢、高级别管线钢及铁素体区热轧无间隙原子钢（IF 钢）等品种的两阶段控轧，减少中间待温时间，提高生产效率。1.2 超快冷技术超快冷技术，简称UFC，是近年来国际上发展起来的用于控制热轧板带钢冷却的新技术26-28, 配合其它一些先进钢铁材料的轧制新技术，如铁素体区轧制双相钢、相变诱导塑性钢的轧制等，在轧制生产过程中实现快速、准确的温度控制以获得相应的相变组织29。传统的层流冷却是基于常压水，冷却水从集管中依靠重力自然出流冲击到钢板表面，集管连续开启过程中，在钢板表面形成层流水，在水层与热的钢板表面之间会形成一层汽膜，即膜沸腾区30,31，由于层冷集管依靠自重出流的冷却水冲击力有限，冷却水流很难有足够的冲击能力穿透汽膜而直接接触到高温钢板表面，从而造成层流冷却的冷却能力有限。而超快冷技术采用连续、密布、具有一定压力的冷却水，喷射到钢板表面，其目标是扩大对流冲击和核沸腾换热区，降低钢板表面发生膜沸腾和过渡沸腾的可能，以得到极高的冷却速率和极均匀的冷却效果。在国外，Hoogovens-UGB 厂最早应用超快冷技术32，开发的超快速冷却实验设备使1.5mm 厚热轧带钢在实现高冷却速率的同时，还具有良好的横向和纵向板形。该实验装置是在1.4m 的冷却区上安装3组集管，水流量为1000m3/h。但因冷却段太短，温降能力有限，仅150-200 ，难以大幅度改善产品性能。随后又开发了7 组集管的超快速冷却原型装置，冷却区长度扩大至3m，对于厚度2.0mm 的C-Mn钢和钒钢，相对于常规冷却可提高抗拉强度和屈服强度100MPa以上。此后，比利时CRM 厂对超快速冷却技术及其在提高材质性能和高附加值产品开发方面的研究得到广泛关注，其基于水枕冷却的超快速冷却装置结构紧凑，冷却区长度较短（7-12m）。在工业试验中，厚度为4mm带钢的最大冷却速率为300 /s，水流密度为1000m3/h。日本JFE 钢铁公司福山厂开发的Super-OLACH（Super On-Line Accelerated Cooing for Hot Strip Mill）系统33，可以对厚度为3mm的热轧带钢实现近700 /s 的超快速冷却。JFE采用Super-OLAC技术，工艺流程为传统热连轧生产线，安装于精轧后，超快冷技术在热轧线使用原理与HOP工艺结合，控制相变的同时使碳化物细化析出，使组织变得均匀或变成多相组织，代表产品有高强度管线钢(X100)、耐酸性气体的管线钢。该公司开发的NANOHITEN 热轧板带钢是超快速冷却技术应用的典型代表。该产品组织为单相铁素体上分布着大量1-5nm尺寸的TiC 粒子，强度高达1180MPa，同时具有良好的塑性。NKK采用Super-OLAC技术，工艺流程为传统热连轧生产线，安装于精轧后，超快冷技术在热轧线使用原理与HOP工艺结合，通过快速冷却后的加热处理促进碳向着未发生相变的奥氏体聚集，从而获得微细粒状的MA岛，代表产品有高级别管线钢(X100)、700MPa级和800MPa级高强度汽车用钢。此外，韩国浦项钢铁公司在超快速冷却技术方面的开发与应用也取得了显著进展，根据2010年韩国浦项钢铁公司介绍，其已在热连轧生产线上开发应用具有自身特色的超快速冷却技术，并称之为HDC（High Density Cooling）。图1 浦项超快冷装置在热轧带钢生产线上工艺布置方式在国内，虽然有关超快速冷却技术的研究起步较晚，但近年来的研发力度正在逐步加大，目前已经达到甚至超越了国外先进水平。北京科技大学相关研究人员在轧制过程中快速冷却系统的设计及应用方面做了大量工作，采用管层流加密方式来实现快速冷却34，并在武汉钢铁公司和舞阳钢铁公司取得了良好的现场效果。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（以下简称RAL）是国内热轧板带钢轧后超快速冷却技术以及基于超快速冷却为核心的新一代TMCP 工艺技术的提出者、倡导者，同时也是科研实践的先行者。东北大学RAL 作为国内钢铁行业热轧板带钢轧后超快速冷却技术最主要的研究开发单位，目前已历经实验、中试等超快速冷却技术开发过程，开发了相关的原型实验装置、工业化中试设备以及工业化推广应用成套技术装备，形成了涵盖机械装备、自动化控制系统、减量化产品工艺技术在内的系统完整的成套技术、专利和专有技术。目前已成功应用于包钢CSP、攀钢1450mm、涟钢CSP、涟钢2250mm和首钢迁钢2160mm等热轧带钢生产线及河北敬业3000mm、首秦4300mm和鞍钢4300mm等中厚板生产线35-42。目前日本、韩国以及国内等企业的超快冷装置主要安装在精轧机后和层流冷却之间，或者是安装在层流冷却和卷取机之间。UFC在短流程生产线上的布置方式如图2。超快冷装置布置在精轧机和层流冷却之间，可充分发挥细晶强化、析出强化、相变强化等多种强化机制的联合作用，从而实现热轧板带钢轧制过程的高效化、减量化、集约化和产品的高级化。超快冷装置布置布置在层流冷却和卷取机之间，用于控制铁素体（贝氏体）转变量，通过冷速较低的层流冷却实现部分奥氏体向铁素体的相变，并由后置超快冷通过超快速冷却进一步抑制高温区的铁素体相变，使残余奥氏体向非平衡相（贝氏体、马氏体） 转变，通过卷取温度的控制，实现DP、TRIP钢的生产。在轧后增设超快速冷却设备，使生产线的冷却能力较过去大幅度增强，但对于一些高附加值产品，时常还会出现轧线冷却能力不足的问题，生产一些对冷却速度有特殊要求的产品时，如超级钢、高级别管线钢及铁素体区热轧无间隙原子钢（IF钢）等，不得不在粗轧道次或中间辊道上轧件摆动待温，对提高产量产生不利影响。在粗轧后布置超快冷设备，在粗轧过程中或粗轧后对轧件进行冷却，可有效解决这一问题，也必将成为超快冷技术下一步的发展方向。在粗轧后布置超快冷设备除了可提高生产效率外，在粗轧道次间进行超快速冷却，实现冷却和轧制的同步化，可在钢板厚度方向形成特殊的温度场分布，提高厚度方向变形的均匀性和组织的均匀性。(a)(b)(c)(a)布置在初轧机和保温辊道之间（b）布置在精轧机和层冷之间（前冷方式）（c）布置在层冷和卷取机之间（后冷方式）图2 UFC在短流程生产线上的布置方式本文利用东北大学RAL在超快冷领域的技术优势和前期研究成果，将超快冷技术和热轧中厚板粗轧过程结合起来，探究这种复合工艺模下的带钢温度场和应变场的变化规律，建立热轧带钢粗轧与超快速冷却耦合控制工艺基本理论。随着超快冷技术在热轧带钢生产线的进一步推广应用，本文对于超快冷技术应用热轧中厚板粗轧阶段有积极的参考价值。1.3有限元法及有限元数值模拟在中厚板轧制领域的应用随着计算机技术的发展，数值模拟技术成为解决金属塑性成形问题的有力工具，所以数值模拟技术越来越多的应用到了中厚板轧制领域。对于中厚板的中心压缩变形问题，采用弹塑性有限元法模拟实际轧制条件下的轧制过程，探索中厚板中心层的变形规律，是解决中厚板中心缺陷的有效方法。对中厚板中心压缩比的模拟，可以有效的降低企业生产成本，提高中厚板产品质量，并获取许多常规实验手段无法测得的数据，对提高企业竞争力起到明显的促进作用。1.3.1 金属塑性加工中典型有限元方法简介金属塑性加工问题涉及几何非线性和物理非线性，理论求解难度较大，一般难以求得精确的解析解。随着计算机技术的发展，用有限元分析金属塑性加工问题得到了广泛的重视，解题精度不断提高，用有限元方法模拟轧制过程也取得了许多重要成果。有限元法是在有限差分法与变分法相结合的基础上所形成的，是求解数理方程的一种数值解法，是解决工程实际问题的一种最有效，应用最普遍的一种数值方法。有限元法的基本思想是将连续的结构离散为有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作只是在节点处相联接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的变分原理，建立用来求解节点未知量的有限元方程从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。有限元法的优点是既适合于复杂的几何形状和边界条件，又能够处理各种复杂的材料性质问题，如材料的各向异性、非线性、随时间或温度变化的材料性能问题等，还可以解决非匀质的连续介质问题。因此，其应用范围极其广泛43-45。在轧制问题中应用比较广泛的方法是弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。 弹塑性有限元法是在结构分析中弹性弹性有限元法基础上发展起来的。1965年Marcal引用了刚度的概念，用位移表示平衡方程，提出用数值法解弹塑性问题。1967年，上田嘉昭在Marcal工作基础上，利用Mises屈服条件和Prandtl-Reuss 弹塑性应力应变关系，推导出了弹塑性问题的刚度矩阵。此后，弹塑性有限元法被应用于求解锻压、挤压、拉拔和轧制等各种金属压力加工问题。进入20世界80年代以后，Yaritia，平川智之等人在用弹塑性有限元法求解平面轧制问题方面做了大量的工作。Yaritia等利用修正的拉格朗日模式，考虑黏着与滑动并存的摩擦条件，采用平面变形假设，研究了钢体平辊轧板变形过程和开始咬入阶段的不稳定过程。1987年，刘才用弹塑性有限元法求解了平辊轧制矩形件( 厚板 ) 的问题，得到了变形区内各个横断面上的网格变形，金属流动速度和横向宽展等结果。另外，刘才、杜凤山等用该方法分析了轧制铝薄板试件和低碳钢试件，并考虑张力作用，计算了轧制过程的应力和应变。弹塑性有限元法可以求出塑性区的扩张、出辊后工作的弹性恢复、工具内部的应力应变等问题，还可以计算轧制后的残余应力，这些优点是其他方法所不及的。但是由于弹塑性有限元法求解时要把每一增量步中算出的应力增量、应变增量和位移增量叠加前一迭代步中，存在累计误差。研究金属塑加工问题时，弹性变形和塑性变形相比，在总变形量中，弹塑性变形所占比例很小。经验表明，忽略这部分弹性变形的的影响，采用刚塑性模型求解，往往能够得到满意的精度，从而使求解过程大为简化。用有限元法分析金属成形过程中采用刚塑性材料模型，就是刚塑性有限元法。为了求解应力并处理体积不可压缩条件对运动许可速度场的限制，研究者们提出了几种不同的处理方法，典型的有Lagrange乘数法、罚函数法和可压缩法。刚塑性有限元法中的Lagrange乘数法是求总能耗率泛：=d-SppividS 在体积不可压缩条件：v=x+z+z=0下的极小值。这样，在用Lagrange乘数法求解时，总泛函可写成如下形式：L=d-SppividS+ijijd当上述泛函取得极小值时，Lagrange乘子等于静水压力。 由此，利用Lagrange乘数法既解决了不可压缩条件的约束处理问题，又求出了净水压力从而可以进一步利用本构方程求出应力分布。Zienkiewicz 提出了有限元分析中的罚函数法，其基本思想是：利用一个充分大的数 乘上体积变化率或体积变形速度的平方加到初始泛函 上得到心泛函：=d-SppividS+2V2d如果每个单元的体积变形速度 V 较大，将引起 值增大；而要求的是 的最小值，所以这个单元的 V 将受到惩罚。当新泛函取驻值时，V 将趋近于0，从而近似满足体积不变条件。当速度场取真确解时，用Lagrange乘数法与罚函数法的泛函驻值点应相同，即L=P从而= V=m这样，可由反函数因子和体积变形速度求出静水压力。进而用本构关系由变形速度场求出应力场。塑性力学中常采用体积不可压缩这个假设条件，但事实上，塑性变形的中的体积并非不可压缩。大矢根在研究粉末冶金烧结材料的塑性理论时，提出了屈服条件不仅与偏差应力的二次不变量有关，也与应力的一次不变量有关。由此发展起来的刚塑性有限元可压缩法，使得体积不可压缩不在成为运动许可速度场的约束条件，同时由变形的速度场直接求出应力场。森谦一郎、小板田等利用了可压缩法求解了圆柱体压缩、薄板压缩、平面变形轧制、平辊轧制的非稳态变形、板坯立轧、孔型轧制等各种轧制过程。刘相华、吴迪等利用这一方法在国内首先解决了三维平面轧制问题和三维高件的轧制问题，其后进一步求解了万能孔型轧制H钢等问题。之后，可压缩法在轧制问题求解中广泛应用起来。有限元数值模拟方法的优越性有限元法是伴随着计算机技术发展而出现的一种基于变分原理来求解偏微分方程边值问题的有效数值计算方法。有限元法较真实地包容了塑性成形过程中的物理特性，可用不同形状、不同大小和不同类型的单元来描述任意形状的变形体，能够更全面地考虑和处理各种初值、边值条件对成形过程的影响，且有限元法的基本理论已趋成熟和完善，它可以在假设条件最少的情况下，模拟整个塑性成形过程中的金属流动规律，给出成形过程中最详尽的变形力学信息和流动信息，如应力场、应变场、位移场、速度场、温度场以及预测缺陷的生成与扩展等等。依靠有限元等数值计算方法，可以方便地获得丰富的直观的计算结果，为改善钢板缺陷，优化轧制工艺设计提供重要的理论指导。该方法的精度高，能够求解复杂的塑性变形问题，并且结果直观，可以直接观察到变形过程中工件内部各种物理量的变化情况。作为一种可靠分析方法，已经广泛应用于塑性加工的生产研究领域。有限元模拟金属塑性成形过程已成为目前金属塑性成形理论研究的中心问题。作为金属塑性加工领域的一个前沿课题，有限元数值模拟可使人们在进行实际的金属塑性加工过程之前就能够分析金属塑性成形过程中的金属流动规律，并给出成形过程中详细的变形力学信息和流动信息，为建立相应的数学模型提供了理论依据，进而对金属成形过程的结果作出较为准确的预测，这就避免了许多不必要的模拟实验或中间试验所造成的浪费，处处显示出有限元模拟技术在金属塑性加工中的重要作用和重要地位。本文主要使用LS-DYNA有限元分析软件，对中厚板轧制过程心部变形进行详细分析，并做实验验证其正确性，为现场轧制工艺的优化工作提供积极的理论指导。1.3.2限元数值模拟在中厚板轧制领域的应用对于热轧中厚板的生产数值模拟分析，有限元技术主要应用于轧制前、轧制过程、轧制后的温度场、应力场、应变场以及轧制力的求解方面。谭文、许云波等46针对“首钢”中厚板轧后冷却设备的布置特点，在分析中厚板轧后冷却传热特点的基础上，利用有限差分法模拟了轧后不同层流冷却方式对中厚板温度场分布的影响。得出结论：有限差分数值模拟能较好地反映层流冷却方式对中厚板温度场的影响，且模拟计算温度与实测温度吻合很好，钢板内外表面的温差随着冷却速度的增加而增加，从而造成板厚方向温度分布和冷却速度的不均匀性。在相同冷却速度下，使喷淋冷却变稀并且间断冷却的方式进行缓慢冷却，可以减少厚度方向上的温度和冷却速度的不均性，从而可以减少由于冷却而带来的性能差异。喻海良、矫志杰等47采用动态显式有限元法对中厚板轧制过程进行了分析。并分析了轧制并对某中厚板厂15道次轧制过程轧制力变化规律进行了分析，稳定阶段轧制力计算结果与实测结果非常接近。该结果对中厚板轧制过程模拟具有一定的参考意义。周晓光、吴迪等等48 针对中厚板轧制过程中温度场不易精确确定，普通温度计算模型计算误差较大或计算较为繁琐的问题，以传热学基本理论为基础，建立了热平衡方程，采用完全隐式差分法对首钢中厚板轧制及冷却过程中的板坯中心温度和表面温度变化进行了模拟。可以得到以下结论：在轧制过程中，中厚板上表面温度急剧下降，道次间歇期间又有回升的趋势；在层冷过程中，板坯上表面温度迅速下降。于明等49针对某中厚板厂的加速冷却系统，采用有限差分方法模拟不同厚度规格钢板的水冷和返红过程，得出不同冷却条件下钢板的返红时间、返红过程温升量以及返红结束时心表温差的变化规律，为中厚板加速冷却过程终冷温度的控制提供了计算依据。李学通、王敏婷等50针对宝钢2050mm热轧带钢粗轧机组的轧制工艺条件,采用有限元法建立了热应力耦合二维温度场有限元仿真模型,并模拟了全过程。给出了带钢沿厚度方向各处温度随时间的变化曲线,得出了高压水除鳞、接触传热对板材温度场的影响模型。同时给出了各道次轧制力计算结果。模拟得到的粗轧段出口温度及轧制力与宝钢现场实测数据值相吻合。朱启建、金永春等51 建立了中厚板轧后管层流控冷瞬态温度场求解的有限元几何模型、网格模型、材料属性与初始条件等，并对1260mm厚度钢板控冷过程进行了数值模拟与分析。计算终冷温度与实测结果比较,相对误差低于5%，温降相对误差大部分低于10%。刘华强、唐荻等52 利用有限差分法计算钢板二维非稳态控冷温度场，并对控冷工艺参数进行设定，预报值和实测值偏差较小,满足现场实际生产的需要。模型计算充分考虑了空冷段、水冷段和返红段的换热系数以及不同钢种在不同温度下的比热容和热传导率的不同，从而保证了模型的计算精度。为保证冷却钢板在厚度方向冷却后板面和心部温差小,组织性能均匀，对厚度不同的钢板选用强对流控冷的气雾冷却方式。为保证钢板横向冷却的均匀性，在模型计算时充分考虑了宽度遮蔽长度的设定，从而表明该控冷模型有较好的应用前景。刘慧、王国栋53采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对MAS轧制过程及随后的展宽和精轧过程进行了模拟计算，分析了各变形阶段钢板的形状变化及不同MAS轧制参数对钢板边部形状的影响。结果表明:MAS轧制可以改善轧后钢板边部形状。钢板边部形状的改变不仅与MAS轧制的补偿面积有关，而且与MAS轧制段长度和压下量的比值有关，若MAS轧制参数选取不当,钢板边部会发生“过补偿”现象。刘国勇等54 以高密度管流冲击钢板表面时的对流换热边界为基础，采用ANSYS三维有限元对中厚板淬火钢板的温度场、应力场及应变场进行模拟，并对模拟得到的温度与时间、应力以及塑性应变的关系进行分析，得出淬火冷却过程中保持钢板平直状态下应力及应变的特点，为采用适当工艺措施使中厚板淬火获得平直板形提供了理论依据。兰勇军、陈祥永等55采用三维弹塑性有限元法，应用ABAQUS软件的二次开发用户子程序模块，建立了热轧过程中的界面换热模型。对热轧IF带钢进行了温度场的数值模拟。开发了热轧过程中的测温技术，在实验轧机上对带钢内部温度变化进行在线测量，以测量结果修正了界面换热系数模型.利用所建立的传热模型对带钢热轧过程进行了模拟计算，考虑了轧制过程压下量、初始变形温度对温度场变化的影响，结果表明模拟与实测的温度场基本吻合。朱国明等56采用LS-DYNA，通过三维热力耦合弹塑性有限元方法，在轧辊为弹性体的条件下，对钢材的单道次平辊热轧过程进行了数值模拟，得出结论：在轧制过程中，轧辊表面在接触弧内受到三向压应力作用，同时在垂直轧辊线的平面内剪切应力呈交变现象，轧辊表面温度呈现周期性变化，与轧件接触区域内温度升高，与轧件脱离后温度降低。刘立忠、刘相华等57分析了显式动力学弹塑性有限元方法的计算过程,并用其对平板轧制问题进行了模拟计算。通过模拟计算，得出咬入、稳定轧制和抛钢阶段整个轧制过程的应力-应变场。将板宽对称中心线轧制压力分布的计算结果与实验值进行对比，表明计算结果准确。另外通过对计算结果进行分析还可以得出，在稳定轧制阶段存在弹性预变形区、塑性变形区和弹性恢复区，轧制压力沿接触面的分布在入口和出口的变化梯度较大，中间区域的变化梯度较小。罗金华等58基于大型有限元分析软件ANSYS，对中厚板焊接的温度场和应力应变场进行三维数值动态模拟，并将计算量控制在可接受的范围内。建模时采用两种单元结合以获得焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网格，热载荷施加过程中采用余量控制法，应力应变场的分析采取了一系列非线性措施。计算结果表明在焊接和冷却过程中角变形沿纵向并不总是线性分布的。张金玲、崔振山等59 采用微分方程的解析解法和数值解法相结合的思路建立了中厚板热轧过程温度场、变形场和轧制力的综合求解模型。解决了多道次轧制过程的温度场与变形场连续计算问题，利用该模型模拟了中厚板12道次热轧的成形过程，给出了轧件温度随时间的连续变化曲线以及各道次的轧制力、应变和应变速率的分布和大小。模拟结果与工业现场实测数据吻合较好。 魏世同等60 通过对厚板控冷过程中温度变化模拟及冷后组织与性能分析，得出结论：在水冷过程中钢板表面温度经历了较大变化，导致钢板表面与心部温差很大,该温差受冷却水对钢板表面的冲击速度、喷嘴的尺寸、冷却水温度、板厚及钢板本身导热能力等因素的影响。钢板厚度方向不同位置的组织和性能的差别主要是由于冷却过程中各位置冷却速度不同造成的。孟令启等61基于LS-DYNA软件,采用显式积分和隐式积分相结合的方法,通过给定现场测试的原始数据作为初始条件，成功完成了中厚板轧制过程的热力耦合有限元数值模拟，完善了显式动力学有限元法在轧制模拟中的应用。对轧件温度场的分析表明，轧制过程中伴随着轧件表面温度的升高，沿轧件厚度方向存在着明显的温度梯度,并且分析了轧件应力应变场的分布规律。在轧制过程中,最大应力集中发生在后滑区，而最大应变发生在前滑区,由于热应力和轧制变形区的影响，在轧制后外端区域存在明显的预应力区。武文斐等62 通过轧板热轧过程传热性能的数值模拟，研究了轧板在粗轧、精轧过程中的温度变化，得到了每道次轧件表面、中心和平均温度分布曲线。分析数值结果可以看出，轧板的温度分布与氧化皮发射率和轧板的初始温度有关，由于润滑膜热阻较小，对轧板温度分布的影响可忽略不计。熊尚武等人63-64将有限元和边界元方法结合使用，边界元法用于计算轧辊的弹性变形和应力分布，有限元法用于建立轧件的数学模型。先用有限元法计算的到沿轧辊表面压力分布，然后以此结果施加于轧辊之上作为轧辊的初始条件，最后将理论预测的结果与实测结果进行对比，得出结论认为计算结果与实测结果一致。Duan X等人65针对压下率为6%-20%的铝合金，采用逆向分析方法对比了Tresca摩擦、库伦摩擦和粘弹性摩擦三种摩擦模型对模拟结果得影响，认为使用粘弹性摩擦模型可以得到更精确的计算结果。Lin Zonc Ching等人66没有采用传统的间接耦合求解方式，而是直接运用大变形热力耦合弹塑性有限元理论对厚板轧制过程进行了求解，得到了轧件的温度场和变形速率场计算结果，并且将计算结果与采用试验得到的数据进行了比较。Angelov T等人67主要研究热轧过程中，摩擦系数、轧件减薄和轧制速度对接触、轧制压力有效应变速率的影响。计算过程采用稳态传热模型，轧件使用应变速率相关的刚塑性材料模型，接触使用Siebel摩擦模型。Cosmo M.De等人68建立了两个有限元模型，第一个模型采用热-力耦合模型，主要研究轧件通过各个机架的过程中物理量的变化情况；第二个模型分析两个机架间轧件的热传递。最终得到的结果对双相钢的实际生产具有非常重要的指导意义。Ognjanovic Rade 等人69使用ADINA和ABAQUS/Standard两个有限元软件，采用二维有限元研究了铝件轧制过程中的咬入失败的现象，并将两个分析结果进行比较，解决了实际生产中遇到的问题。D.Benasciutii等人70提出了一种二维简化的有限元模型，计算热轧机工作辊上产生的热应力。轧制过程中，工作辊与热轧带钢及冷却水相接触，产生接触传热，从而在其表面形成接触传热，这种简化的有限元模型，能够降低具体问题分析的复杂性和节省计算时间。L.M.Galantucci等71利用大型商业有限元软件ANSYS，对轧制过程进行了模拟计算，得到了轧制过程中应力场、应变场以及温度场的分布情况。G.Fang等人72采用刚塑性有限元的隐式算法，通过DEFORM-3D有限元软件模拟两个辊的楔形轧制过程。文章中还采用了动态的网格重划分技术，得出楔形轧过程中的轧件上的应力分布，从而准备的判断分析轧件上的解理断裂和减薄的主要位置，及时预报轧制过程中的缺陷。综上所述，有限元数值模拟技术已经广泛应用于中厚板轧制领域的研究，计算结果对轧制工艺的优化具有非常重要的指导意义。但是，多数学者和技术研究人员针对中厚板轧制过程的板形及温度变化研究较多，对心部压缩变形的模拟还未提及。而对心部压缩变形的模拟分析是本文研究的重点。1.4选题意义及研究类容2.1 研究内容1）轧件厚度方向变形均匀性的研究在粗轧过程中，尤其是粗轧的前几道次，轧件比较厚，变形很难深入的轧件的心部，通常靠近表面的位置变形比较大，而中心变形比较小，从而造成轧件心部的晶粒比较粗大，进而影响成品组织和性能的均与性。通过粗轧道次间的超快速冷却，在轧件表面形成低温“硬化层”，在随后的轧制过程中有利于变形的深入，从而改善厚度方向变形的均与性，并可避免产生双鼓形，提高边部质量。具体研究内容包括： 在厚度方向温度均匀分布条件下，进行粗轧过程应力应变场有限元分析，研究压下率、来料厚度等工艺参数对带钢厚度方向变形均匀性的影响规律。 对超快速冷却条件下，轧件断面温度场进行有限元分析，研究超快速冷却工艺参数对厚度方向温度场分布的影响规律，主要包括心部与表面的温降，以及内外表面的温差，还有由温差引起的热应力应变场等。 对超快速冷却后的轧制过程进行有限元分析，研究超快冷冷却工艺参数对带钢厚度方向变形均匀性的影响规律，并与中的研究结果进行对比分析，确定最优耦合控制工艺。 在实验室条件下，进行超快速冷却及轧制耦合工艺试验，对有限元分析结果进行对比验证。2）轧件扣翘头控制工艺基础研究在带钢粗轧生产阶段，轧件头部经常在轧制过程出现弯曲造成扣翘头现象，翘头使得钢坯头部容易与设备或检测仪表发生撞击，严重者导致带钢无法进入轧机，造成堆钢事故；而扣头使得钢坯与机架辊或辊道撞击，导致轧件钻入辊道下部，给生产带来诸多不利。因此，控制轧件头部翘曲一直是热轧工艺的重要研究内容之一。影响轧件轧制过程中弯曲的因素主要包括：轧件上下表面温差、上下表面摩擦系数不一致、上下工作辊辊速差或辊径差异及轧线标高等。如在轧钢生产中，由于加热不足或轧件运行过程中上下表面换热条件不一致，导致轧件上表面的温度高、下表面温度低的现象，在轧制变形过程中，由于上部金属比下部金属延伸大从而导致扣头现象，如图2所示： 超快速冷却上下表面冷却水流量可单独调节，因此可以通过调节超快冷上下表面水比来控制轧件轧制过程中的头部的板形，解决扣翘头问题。具体研究内容包括： 在超快冷条件下，采用有限元方法，研究轧件上下表面水量比对厚度方向温度场分布的影响规律。 对上下表面非对称冷却轧制条件下轧件，进行轧制过程的应力应变分析，研究轧件上下表面水量比与轧件扣翘头之间的定量关系。 在实验室条件下，进行超快速冷却及轧制耦合工艺试验，进行轧件扣翘头冷却控制工艺的可行性验证。主要参考文献：1 沈继刚, 李宏图, 王勇. 浅论我国大单重特厚钢板的轧制生产技术J. 宽厚板, 2011,17(2):23-26.2 唐荻, 武会宾. 我国高附加值中厚板产品现状与发展趋势J. 轧钢, 2012, 29(2): 1-4.3 康永林. 中国中厚板产品生产现状及发展趋势J.中国冶金, 2012, 22(9): 1-5.4 解国柱,刘利刚,王青峰. 100mm特厚板轧制变形均匀性模拟研究J.上海金属, 2012,34(2):47-52.5 Jin H., Loyd D.J. 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