（材料加工工程专业论文）热连轧过程仿真及工艺优化.pdf

摘要 摘要 板带热连轧过程中，应力应变场和温度场的分稚是直接影响轧机负荷合理分 配、最终产品尺寸精度及组织性能的重要因素。有限元理论为研究热连轧过程提 供了分析手段，而大型商业有限元分析软件m s c m a r c m e n t a t 则是其研究的重要 工具之一。在热连轧过程中采用有限元方法进行数值模拟分析可以为实际生产提 供合理的工艺参数，便于延长轧机的寿命，提高产品质量。 本文选用某厂轧制规程，结合热连轧过程的特点，针对材料为q 2 3 5 的轧件 变形时所具有的材料非线性、接触非线性等问题，有效处理了连轧过程加载和边 界问题，并考虑温度场与应力应变场的相互影响，运用热力耦合分析法，建立了 热连轧模拟的三维有限元模型，对轧制过程进行了数值模拟，分析了轧件的塑性 变形规律、应力应变场、温度场及轧制力的变化规律，为进一步研究轧后组织演 变和性能预报分析提供了依据。 轧件成形质量受很多因素影响，特别是轧制速度和压下量对轧件最终质量影 响显著。为了探讨轧制工艺参数对轧制过程的影响，采用上述模型，分别改变轧 制速度与压下量，分析其应力应变场及温度场的变化情况，为改进和优化轧制工 艺提供了理论指导。 关键 司： 热连轧；热力耦合；数值模拟；轧制速度；压下量；工艺参数 l i l t ：业火学工学硕e 学位论文 a b s tr a c t i nt h e h o tr o i l i n g ，t h es t r i ps t r e s s 、s t r a i na n dt e m p e r a t u r ea f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n o ft h e r o l l i n gm i l ll o a d ，t h ef i n i s h i n gp l a t e t h i c k n e s sp r e c i s i o na n ds t r u c t u r e p e r f o r m a n c e u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da st h e o r e t i c a lb a s i s ，t h ep r o c e s so ft h e h o tr o l l i n gi ss i m u l a t e db yt h eg i a n tf e ms o f l - - m s c m a r c m e n t a t f e mn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sau s e f u lt o o lt os i m u l a t et h eh o tr o l l i n gp r o c e s s , i tc o u l dh e l pt oe x t e n d t h em i l ll i f ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ep l a t e a c c o r d i n gt oq 2 3 5 ，t h i sp a p e rd e v e l o pt h e3 df e m m o d e lw h i c hc o n s i d e rt h e f e a t u r eo fr o l l i n g ，m a t e r i a la n dc o n t a c tn o n l i n e a r , i n t e r r e l a t i o n s h i po fs t r e s s 、s t r a i na n d t e m p e r a t u r ea n dt r e a tt h el o a da n db o u n d a r yc o n d i t i o nu s i n gt h et h e n n o m e c b a n i c a t c o u p l i n gm e t h o d t h r o u g ht h en m n e r i c a ls i m u l a t i o no fh o tr o l l i n g ，t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nr u l ea n dt h ec h a n g e so fs t r e s s 、s t r a i n 、t e m p e r a t u r ea n dr o l l i n gf o r c ei s d e s c r i b e d t h e s er e s u l t sc a l lb eu s e df o ri n v e s t i g a t i o no fm i c r os t r u c t u r a le v o l u t i o n a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yp r e d i c t i o n 7 i h cq u a l i t yo fh o tr o l l i n gp r o d u c t si ss u b j e c tt om a n yf a c t o r s ，e s p e c i a l l yt h e r o i l i n gs p e e da n dr o l l i n gs c h e d u l e t oe x p l o r er o l l i n gp r o c e s s e sp a r a m e t e r so ft h e i m p a c to fr o l l i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e ru s i n gt h e3 df e m m o d e lw h i c hi n d i v i d u a l l y c h a n g et h es p e e da n dr o l l i n gs c h e d u l ea n a l y s i st h es t r e s s 、s t r a i na n dt e m p e r a t u r ef o r t h ec h a n g e st oi m p r o v ea n do p t i m i z et h er o l l i n gp r o c e s s e sp r o v i d e dt h e o r e t i c a l g u i d a n c e k e yw o r d s ：h o tr o l lin g ，t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p lin g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r o l l i n gs p e e d 。r o l lin gs c h e d u l e p r o c e s s e sp a r a m e t e r s 第章绪沧 第一章绪论 1 1 引言 金属塑性成形是金属加：j ：的方法之，它是利用金属材料在外力的作用下 所产生的塑性而变形，并获得所需零件形状。塑性加工历史悠久，在现代工业中 占有非常重要的地位，已成为当今制造业的重要技术基础。 近终形连铸( n e a rn e tc a s t i n g ) ，特别是薄板坯连铸连轧( t h i ns l a bc a s t in g a n dr o l l i n g ，t s c r ) 和薄带连铸( s t r i pc a s t i n g ) 是钢铁工业近期发展的最前沿 方向之一，目前世界上各大连铸设备公司竞相开发薄板坯连铸连轧技术，先后涌 现出c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 即紧凑式带钢生产工艺，i s p ( i n l i n es t r i p p r o d u c t i o n ) 即在线热带生产工艺，f t s r ( f l e x i b l et h i ns l a br o l l i n g ) 即灵活 性薄板坯轧制工艺，c o n r o l l ，t s p ，c p r ，u t h s ，s m i ，i n n s e 等。其中c s p 技术、 i s p 技术、m r 技术经过实践检验，显示出较明显的技术优势，成为主流生产线。 薄板坯连铸连轧在我国发展很快，白1 9 9 9 年8 月第一套薄板坯连铸连轧在广州 珠江钢厂投产以来，目前已有邯钢、包钢、唐钢4 套相继投产；马钢、涟钢、本 钢3 套正在建设。七套共1 3 流的生产能力为1 4 2 6 万吨，占我国已有和在建的热 轧宽带钢生产能力的3 2 1 。 轧制生产中，材料的塑性变形规律、轧辊和轧件之问的摩擦现象、材料中的 温度和微观组织的变化、轧制过程中的压下率、宽厚比等及其对轧件质量的影响， 都是非常复杂的问题。影响生产效率和生产质量的原因很多，从现场和实验巾得 到的规律和理论很难覆盖所有方面，而且耗费巨大，采用数值模拟的方法进行数 值实验是近年来理论研究的趋势。在用数值方法对金属塑性变形过程进行分析的 基础上，借助于计算机辅助工程( c a e ) 技术，可以对生产中金属塑性变形过程 进行计算机模拟，系统优化，自动控制和监视，此外，生产前用计算机对生产过 程，工艺参数及预期的生产结果进行模拟和对整个系统进行控制可以实现生产的 超前规划和设计。 将有限元方法引用于轧制过程的理论研究，因为其高速性和可靠性，可以对 北丁业火学j 学硕十学位论文 轧制过程中不易进行实验研究的课题进行深入地探讨。m a r c 是当今诸多有限元 分析软件中应用较多的软件之一，通过m a r c 对轧制过程模拟，既哪实现对轧制 过程应力一应变场，温度场的描述，为分析和控制金属微观组钐 和力学性能提供 参考，又可对轧制力和力矩等力能参数预报，为合理制定工艺流程，优化：亡艺参 数提供依据，对生产高质量的板材也有重要意义。 1 2 薄板坯连铸连轧工艺的主流类型 目前世界上各大连铸设备公司竞相开发薄板坯连铸连轧技术，先后涌现出 c s p ，i s p ，f t s r ，c o n r o l l ，t s p ，c t ：r ，u t h s ，s m i ，i n n s e 等。其中c s p 技术、 i s p 技术，m r 技术经过实践检验，鼹示出了较明显的技术优势，成为主流生产线： 而被广泛应用。 1 c s p 技术 c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 即紧凑式带钢生产工艺是由施罗曼西 马克( s m s ) 公司开发的。其第_ 套工业化生产线在美国纽科投产后，取得满意的 生产效果和良好的经济效益，因而得到广泛应用，在世界上居主流地位。第一代 c s p 工厂设计年产量为2 流1 8 0 万吨；用于生产普通商业板。经过改进的第二代 c s p 厂的产品大纲和产品质量都有了进一步提高。生产的钢种不断增加。c s p 技 术在世界范围非常成功，包括3 8 台c s p 连铸机在内的2 4 条c s p 生产线分布在北 美、拉美、欧洲、亚洲、非洲等世界各地，年生产能力达3 9 0 0 万吨。其内在技 术优势被系统的用来对第二代c s p 技术和其它产品革新地开发i “3 1 c s p 生产工艺流程为1 4 】：电炉( a d 或d c ) 一钢包精炼炉一薄板坯连铸机一均热 保温一热连轧机一层流冷却一地下卷取。c s p 工艺设备结构简单，操作稳定。产 量较高，可生产低碳钢、结构钢、h s l a 、管线管、可热处理钢、弹簧钢、工具钢、 耐磨钢、硅钢( 取向、无取向钢) 、不锈钢等普通连铸机所能浇铸的所有钢种【5 1 。 随着多条生产线的投产，基于实践经验，c s p 在工艺技术、装备及控制系统等方 面均有改进。新建的生产线中普遍采用了( 1 ) 高压水除磷，( 2 ) 电磁阀，( 3 ) 液芯压 下，( 4 ) 结晶器液压振动，( 6 ) 第一架精轧机前加立辊轧机，( 7 ) 板型和平整控制， ( 8 ) 平移式二辊轧机等多项新技术。使薄板连铸连轧生产线不断完善。 2 i s p 工艺技术 第一章绪论 i s p ( i n in es t r i pp r o d u c t i o n ) 在线热带生产工艺是由德国曼勒斯德马克 公司( m d h ) 丌发的，其工艺流程为：钢包车一中问灌薄片状浸人式水 _ | 一一结晶器 铸轧区段一大压下量初轧机剪切一感应加热炉一克日莫那炉一精轧机架一 层流冷却地下卷取。i s p 工艺生产线布置紧凑，不使用长的均热炉，总长近 1 8 0 m ，是目前最短的薄板坯连铸连轧生产线，从钢水变成热轧带卷仅需2 0 3 0 m i l 3 ，可以生产低碳钢、高碳钢、深冲钢、结构钢、管线钢、不锈钢。i s p 工艺 技术含量高，液芯压下、大压下轧机、感应加热等都有特色，但设备复杂，对管 理及技术水平要求较高。荷兰h o o g o v e n s 钢厂的i s p 生产线，铸坯厚9 0n m 经液 芯压卜- 后7 0f i l m ，成品厚1 0 2 5i i l l l l 。出铸机的铸坯经剪切后进入辊底式隧道炉， 再经2 架粗轧机及温度控制段进入5 架精轧机组。其特点是按半无头轧制生产超 薄带铜设计，成品厚度最薄约0 8i l l l l l 。避免了超薄带钢在离丌轧机的自由状态 经层流冷却辊道通向卷取机的过程中产生漂浮和不稳定状态：同时也减少了单卷 轧时头尾的超著，提高成品的收得率。在粗轧与精轧之间设有强冷却温度控制段 在生产低碳和超低碳的超薄带钢时在精轧机组中进行全铁素体轧制，在中间坯进 入精轧机组前就使其在强冷段内将温度从a r 3 线以上降到a t 3 以下再进人精轧机 组。该机组为单流铸机生产线，生产能力为1 5 0t a ，它代表了i s p 的最新技术 成果i “。 3 f t s r 技术 f t s r ( f l e x i b l et h i ns l a br o l l in g ) 即灵活性薄板坯轧制工艺，是由意大利 达涅利( d a n i e l i ) 公司开发的又一种薄板坯连铸连轧工艺。其流程为：炼钢炉 炉外精炼炉一- 5 1 薄板坯连铸机旋转式除磷机一隧道式加热炉一二次除磷机 立辊轧机粗轧机一保温辊道一三次除磷装置一精轧机输出辊道和带钢冷却 段一地下卷取机。 f t s r 采用透镜形结晶器，在铜板结晶器的下口宽面仍具有凸出的形状，一 直延伸到二冷0 段末铸坯才逐步成矩形，铜板结晶器连带o 段一起被称为长漏斗 形结晶器，或称h 2 结晶器( 取同时满足高质量、高拉速之意) 。它具有c s p 漏斗 形结晶器的优点，但又减少了铸坯的变形率，有利于生产包晶钢在内的一些裂纹 敏感性钢种并有利于提高拉速。采用直结晶器弧形铸机及液芯压下，但它不同于 i s p 只在o 段完成液芯压下，而是应用一套液穴长度控制软件系统，通过所浇钢 曲北i 业大学1 ：学硕士学何论文 种、铸坯断而、中包温度、拉速、结晶器冷却及二冷等参数来测算和控制铸坯液 穴长度，并合理分配各扇形段的压下，使最终的压下点接近液穴的末端，以获得 最佳的减少偏析及中心疏松而提高铸坯质量的效果。f 1 s k 的h 2 ，结晶器使铸机 的软压下功能与动态液池长度控制系统相结合，并在必要时配电磁闸，扩大可浇 钢种范围。f r s t 工艺按不同的要求，铸坯出结晶器厚为5 0 一9 0 胁，经液芯压下 后为3 5 1 7 0 m ，在采取半无头轧制的情况下最薄的产品可达到o 7 0 8 m m ，单 流铸机生产线生产能力可达1 6 0 万t a 。埃及阿达比皿a l - e z z 重工业公司的带 钢直接生产厂( d s r p ) 的单流铸机生产线。期规模1 6 0 万t a 。它最能代表m r 先 进技术水平。该生产线的特点是按铁素体轧制和半无头轧制设计，成品厚0 7 - - 2 0 m m ，宽8 0 0 - - 1 6 0 0 m m 。铸机配为7 0 m m 及9 0 r 眦两种刁；同厚度的长漏斗形结晶器， 经动态液芯压下后铸坯厚度为7 0 r a m 或5 0 m m 。在铸坯剪切机与辊底式隧道炉之 问设有一台高伍低流量旋转式除鳞机。辊底式隧道炉，当进行单卷轧制时可储存 4 6 块铸坯；若进行半无头轧制，可储存一块长坯。另设有一架带立辊的不可 逆四辊粗轧机，精轧机组为5 架四辊轧机组成，精轧机前设有强力冷却控温段。 为了实现超薄带钢的无头轧制，在精轧机后设有带钢强力冷却系统，冷却速率约 为3 0 0 s 。高速筒式飞剪及近距离轮盘卷取机。为了进行厚规格产品的单卷轧 制，在后面还设有层流冷却及台地卜卷取机，在k l 前增加一台二辊不可逆转 粗轧机，r 0 扩二台卷取机。这将是条装备最完备的无头轧制生产线。达涅利 f t s r 工艺技术的开发虽比c s p 及i s p 晚，但它是在前二者的基础上开发和发展 了有自己特色的专有技术，颇有后来居上之势。i t s r 据不同工艺要求可生产含 包晶钢的碳钢汽车用钢、不锈钢、低合金钢、碳素钢等各种不同钢种的带钢。 1 3 薄板坯连铸连轧生产特点及存在的问题 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代末开发成功的生产热轧板卷的一种全新的 短流程工艺，与传统的热轧板生产工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺在技术和经济 等方而具有明显的优势： ( 1 ) 工艺简化、设备减少、催产线短，从而大幅度降低了基本建设投资，使 德吨锻投资下降1 9 - 一3 4 ； ( 2 ) 生产周期短。从冶炼钢水至钢卷送到运输链，仅需约2 h ，从而减少了大 第一章绪论 量流动资金； ( 3 ) 成材率提高约2 3 ，能耗降低约2 0 ，从而降低了生产成本，使吨材 成本降低； ( 4 ) 产品的性能更加均匀、稳定。由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远远大 于传统的板坯，其原始的铸态组织晶粒比传统板坯更细、更均匀； ( 5 ) 产品的纵、横向精度更高。薄板坯连铸连轧的均热：f j 艺保证板坯在轧制 过程中温度的均匀和稳定，从而获得更高的纵、横向的尺可精度，同时也更便于 生产对轧制温度要求较高的钢种，如硅钢等； ( 6 ) 适于生产薄规格热轧板卷，从而提高产品的附加值，甚至替代部分冷轧 产品，获得更好的经济效益。 和传统工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺还具有如下的特点： ( 1 ) 由于板坯厚度薄，它在结晶器内冷却的强度大，柱状晶短，铸态组织品粒 细化。 ( 2 ) 直接轧制，取消了。一6 相变温度区的中间冷却。热轧变形在粗大奥氏体 组织上赢接进行，避免合金元素在板坯冷却过程中析出而使成品组织得到弥散硬 化。由此获得更精细、更均匀的金相组织。 ( 3 ) 采用均热工艺和辊底炉式均热炉保证了板坯在轧制过程中头尾温度的均 匀和稳定，而使带钢全长的力学性能和厚度公差均匀一致。 ( 4 ) 采取强力高压除磷，保证带钢表面质量。 ( 5 ) 高精度动态液压压下厚度自动控制( i a g c ) 、板形和平直度自动控制( p c f c ) 以及精确的宽度和温度自动控制，使带钢几何尺寸精度达到最高水平。 ( 6 ) 较高的轧制温度。铸坯进入轧机的开轧温度一般控制在1 1 0 0 。c 1 1 5 0 。c ， 比常规轧机进精轧高1 0 0 。c 1 5 0 。c 。因此，即使精轧机架数少，也很容易轧制超 薄热轧带钢。 ( 7 ) 通常，薄板坯连铸连轧生产线的小时产量主要取决于连铸机的拉速和板 坯宽度，轧制薄规格的带钢不会像传统轧机那样产量上受到很大的影响。 由于薄板坯连铸连轧工艺上述的特点，使其在产品质量和薄规格带钢轧制上 具有较大优势。以珠钢c s p 为例，2 0 0 2 年生产热轧板卷8 2 1 8 2 0 t ，厚度小于3 m m 的 占7 1 4 2 ，厚度小于2 r a m 的占5 1 8 。这是在任何套常规热连轧机上均难阱做 曲北l 业大学t 学硕：i ：学位论文 到的。但是总结各厂经验和查阅各种资料，发现以下不足： ( 1 ) 由于精炼炉手段简单，铁水处理方法相l 放，使钢水质量控制精度较低； ( 2 ) 产品品种较少，满足不了市场要求； ( 3 ) 保护渣性能与工艺匹配性差，铸坯表面缺陷有时比较严重： ( 4 ) 炉机匹配有待加强： ( 5 ) 出坯厚度有待优化，进而选择更合适的结晶器形式； ( 6 ) 工艺技术与产品质量的基础性研究薄弱，尚未大面积、系统地开展有 关研究，且关键技术的国产化程度较低。 随着中国经济发展需要更高的板带比，企业产品结构需要进一步调整，中国 的板带材生产将进一步的大发展，已有的7 套薄板坯连铸连轧生产线将为我们提 供更多、更好的经验，薄板坯连铸连轧技术以其独特优势，在我国有着广阔的发 展前景。 1 4 商业有限元分析软件m a r c 介绍 m s c m a r c 是m s c s o f t w a r e 公司于1 9 9 9 年5 月收购m a r c 公司的产品，是功 能齐全的高级非线性有限元软件，体现了近4 0 年来有限元分析的理论方法和软 件实践的完美结合。m a r c 具有与诸多c a d ，c a e 软件交换几何造型和有限元模型 的数据文件接口。能实现数据传输的c a d 软件有：a o t o c a d 、a c i s 、i g e s 、c - m o l d 、 s t l 。，l d e a s 、n a s t r a n 、p a t r a n ，v d a f s 等。另外m a r c 还允许用户选择一些m a r c 分析结果以i d e a s 或h y p e r m e s h 的格式存储，以便在i d e a s 或h y p e r m e s h 界面 上进行后处理1 7 j 。 m a r c 具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性结构问题。具 有丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库。m a r c 的结构分析材料库提 供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线性复杂材料 特性的材料模型。 m a r c 采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技 术，它还提供多种加载步长自适应控制技术，i h 动确定分析加载步长，以提高计 算精度和求解效率。 m a r c 的网格自适应技术以多种误差准则自动调节网格疏密，既保证计算精 第一章绪论 度，同时也使非线性分析的效率大大提高。此外，还支持全自动网格重划分，用 来纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的顺利进行。 m a r c 对非结构的场问题，如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的 非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场提供了相应的分析求解能力， 并具有模拟热一流一固、电一热、热一结构等多种耦合场的分析能力。 m a r c 软件中的命令语言没有a n s y s 中的那样方便简洁，难以通过输入命令 的方式完成建模，而只能交互式操作。为了便于程序的修正，节省建模时间，提 高工作效率，作者将程序调试过程中生成的，记录建模过程所有操作步骤的p r o c 文件进行整理，把模型的数据尽可能的参数化，在改变模型设置的时候，只需调 节变量值即可，最终可使程序达到近乎参数化程度。 1 5 国内外研究现状 由于轧制过程伴随很大的塑性变形，既有材料非线性又有几何非线性，变形 机理十分复杂，再加上复杂的边界条件及其难以用数学关系式加以描述，人们只 能通过采取简化，假设，借助于实验，经验数据，模型等将难以精确求解的实际 工程问题变为数学力学问题，以求解一些重要的变形参数，相应地产生了各种近 似程度和适用范围有所不同的数值解析方法，常见的有有限差分法，有限元法， 边界元法等，其中有限元法被越来越多地引用到塑性加工问题的分析中，这种方 法不需要过多的假设条件，并能给出变形过程中金属流动，应力一应变场，温度 场变化，它适用于以大变形和非线性的材料行为为特征的塑性加工问题，日本早 在2 0 世纪6 0 年代起就开始对轧制过程进行仿真研究1 8 】。在我因，近年来数值模 拟技术在板带轧制方面得到广泛应用，并且出现了大量的研究成果，不仅揭示了 轧制过程中板料内的应力、应变、温度分布规律和板料外部宏观几何形状的变化， 而且能模拟辊系变形，进而达到控制板形的目的。 ( 1 ) 对轧制力的研究 轧制力是轧制过程中最敏感最重要的参数，也是生产现场最关心的参数之 一，如果轧制力估算过低，就不能充分发挥轧机的生产潜力，如果估算过高，则 有可能造成轧机部件的破坏。轧制力的准确计算对尺寸公差和板形的控制也有重 要意义。 心北，j ：业人学j 学硕+ 学位论文 矬式动力学有限元法在板带! f l f l j 模拟中得以应用后，针对轧制力的研究成果 开始大量涌现。最早把显式动力学有限元法应用于轧制过程模拟研究的足b k c h e n l 9 1 等，他们用这方法模拟了平面应变板带轧制过程，分析了轧制压力分布 与轧件金属流动特征。l a r se r i k ，l i n d g r e n 1 0 1 等分别采用显式动力学有限元法 和隐式静态有限元法建立的二维模型分析了板带轧制过程，经对照得出结论：在 计算速度上前者快于后者，但出于显式动力学有限元法精度相对较低，当时没有 引起人们的足够重视。近年来，随着显式动力学有限元法的进一步发展，它在板 料成形及碰撞冲击领域得到更为广泛的应用。 近年来国内也涌现了很多研究成果。 刘立忠l 】等采用大型有限元分析软f t ：a n s y s l s d y n f i 建立轧制模型，分析了 显式动力学弹塑性有限元法的计算过程，并对轧制过程进行了模拟计算，对轧制 抗力分布、应力应变的分布进行了研究。通过模拟计算，得出了包括咬入、稳定 轧制和抛钢三个阶段的整 、轧制过程的应力应变场，验证了采用显式动力学有限 元法对轧制过程进行模拟分析是可行的。 谢红飙【1 2 】等用显式动力学有限元法分析了板料宽度、压下率对板带轧制力分 布的影响；张国民 1 3 等模拟了三维弹塑性板带f l i j 过程，分折了板带轧制力的分 布：胡水平【1 4 】等对热轧变形区的轧件进行了受力分析，得到了轧制压力的理论解； 孙登月【1 5 1 等采用微分单元法并考虑了轧辊和轧件的弹性变形，导出了冷轧生产中 的轧制压力模型。 ( 2 ) 对温度场的研究 数值模拟的方法可用于研究轧制过程( 包括轧前、轧中、轧后) 的瞬态温度场， 此项技术在国内发展已较为成熟，并在控冷方面得以成功应用。t s a i t o h u 6 1 考虑 了钢液对流及固相形变的因素，建立了一个二维耦合流动凝固传热模型，计沦了 凝固温度场与相关工艺参数的关系。该模型的主要不足是其速度场的要求解利用 了质量守恒方程和经验公式，结果的可靠性、精确性受到了影响；j d h w a n g l 7 1 建立了二维非稳态凝固传热模型，研究了初始铸轧阶段开轧时间的确定，模拟了 在这个阶段凝固场合层流流场的形成过程；朱启建【18 l 利用有限元分析软件a n s y s 对中厚板轧后的控制冷却进行了研究，模拟出了冷却过程中的瞬态温度场的变化 情况，并，f 发出多种优化控冷模型；苏岚【” 利用a n s y s 建立了热卷箱式炉内钢卷 弗一覃绪论 轴向和径向的二维温度场计算模型，计算得到了钢卷头部、中部和尾部随h i j 间的 变化曲线，并显示了不同时刻的温度场；张中平的模型具有卷取温度设定功能、 卷取温度在线控制功能和卷取温度自学习功能：管克智2 1 】用分离变量法求解，在 层流冷却过程对对流换热系数按刁i 同厚度分类，取得了较高的模拟精度；孙卫华 等用二维有限元法模拟带钢轧制过程横断面上温度场；张鹏吲等利用商品化 软件包m a r c 并采用热力耦合弹塑性大变形有限元法，计算了轧制过程轧件厚度 方向的温度分布。通过数值模拟的方法，不仅可以得到各种冷却条件下钢板的温 度状况，而且还可以根据各种预期目标( 钢板终冷温度、钢板冷却速度或过程温 度、板形平直度等) ，对冷却供水集管组数的开关、上下集管出水量比和流量的 调节，使冷却过程达到最优化。研究成功应用于中厚板生产，在控制冷却方面为 新品种、新工艺开发提供了重要技术支持；周维海2 4 等采用塑性大变形祸合有限 元法研究了板带热轧过程，应用有限元软件m a r c 的二次丌发技术建立了板带轧 制模型，重点分析了轧制过程和变形区中轧件的温度分布和温度变化过程。 ( 3 ) 对板形的研究 力能参数是影响板形变化的因素之一。 a c w l a u 等2 5 1 采用显式动力学有限元法模拟板带轧制过程，计算结果显 示了轧制过程和加工硬化对轧件变形的影响；孙林等运用变厚度平面有限元法 建立了专门针对2 8 0 0m m 中厚板轧机的辊系变形( 即凸度预测) 仿真模型，并计算 出辊形、钢板宽度及轧制力等对钢板凸度的影响关系；k o m o r i 2 7 1 等利用刚塑性有 限元模拟研究了由非稳态到稳态轧制时板坯的三维变形；杨韶丽 2 8 l 等对中厚板头 部变形进行了模拟研究；马家骥1 2 9 1 等采用头尾补偿法控制板形，并给出了相应的 数学模型。 ( 4 ) 在板带轧制新技术中的应用 孙铁恺【3 0 1 等应用有限元软件a n s y s l s d y n a 对双金属复合板的轧制过程进 行了数值模拟，获得了单位轧制力的分布情况，并由此计算出了双金属复合板的 轧制力。模拟结果证实了应用显式动力学弹塑性有限元法模拟双金属轧制的可行 性，并且计算所得轧制力与实验结果吻合较好。李宝绵、李世芸【3 2 i 也进行了 类似工作。 ( 5 ) 对组织性能的研究 岍北i ：业人学i ：学硕士。、浮位论文 近年来，薄板坯连铸连轧热轧过程组织性能预报技术成为研究的一个方向， 国内外很多学者都做了相应的研究。m u o j e k w uc a i 3 3 1 等提出了用来描述再结晶 的动力学方程，建立了物理冶金模型与温度场、应力应变场三场耦合的热连轧塑 性变形模型；y a n a g i m o t o r 【3 4 】给出了种计算微观组织变化的增量模型；二f 勇 3 5 j 简介了t s c r 热轧生产各工序( 包括均热炉、精轧机组、层流冷却和热卷带) 建 立组织性能模型的研究方法、基本内容和步骤；董洪波等 3 6 1 研究了用c s p ( 紧凑 式带材生产) 技术生产0 0 5c 超薄热带钢时塑性剪切应变和温度、析出物对组纵 的影响。 这些研究一般只涉及问题的一个方面，进行热力耦合分析不多，而且大多简 化为平面问题，没有完全反映轧制f = f | 节，薄板热轧过程是一个三维大变形热弹塑 性问题，变形过程塑性功转化为热，轧件与轧辊和周围介质间存在热交换，在变 形体中产生较大的温度梯度，温度梯度又与应变率和流动应力相互影响，进而对 晶粒结晶尺寸产生影响，因而热轧过程是高度非线性的热力耦合问题。 1 6 本文研究目的和主要研究内容 轧制生产中，材料的塑性变形规律、轧辊和轧件之间的摩擦现象、材料中的 温度和微观组织的变化、轧制过程中的压下率、宽厚比等及其对轧件质量的影响， 都是非常复杂的问题。影响生产效率和生产质量的原因很多，从现场和实验中得 到的规律和理论很难覆盖所有方面，而且耗费巨大，采用数值模拟的方法进行数 值实验是近年来理沦研究的趋势。在用数值方法对会属塑性变形过程进行分析的 基础上，借助于计算机辅助工程( c a g ) 技术，可以对生产中金属塑性变形过程 进行计算机模拟，系统优化，自动控制和监视，此外，生产前用计算机对生产过 程，工艺参数及预期的生产结果进行模拟和对整个系统进行控制可以实现生产的 超前规划和设计。将有限元方法引用于轧制过程的理论研究，因为其高速性和可 靠性，可以对轧制过程中不易进行实验研究的课题进行深入地探讨。m a r c 是当 今诸多有限元分析软件中应用较多的软件之一，通过m a r c 对轧制过程模拟，既 可实现对轧制过程应力一应变场，温度场的描述，为分析和控制金属微观组织和 力学性能提供参考，又可对轧制力和力矩等力能参数预报，为合理制定工艺流程， 第一章绪沧 优化j ：艺参数提供依据，对生产高质量的板材也有重要意义。具体研究内容如下： ( 1 ) 考虑对流和热辐射，对轧件与环境的热交换进行分析，将温度场，应 力应变场进行热力耦合，利用m a r c 建立i 维大变形弹塑性有限元热轧模型。 ( 2 ) 针侧轧制过程中存在的材料非线性、几何非线性、接触问题、网格畸 变问题和模型加载问题，给出了利用m a r c 软件相应的解决办法及确定相关参数 的依据。 ( 3 ) 考虑轧制过程压下量、轧制速度对应力应变场变化的影响，研究轧制 变形过程中轧件的应力应变场的分布与变化，得到沿厚度方向相关参数对应力应 变场的影响及轧件变形特点。 ( 4 ) 考虑4 l sr j 过程压下量、轧制速度对温度场变化的影响，研究轧制变形 过程中轧件厚度方向的温度场的变化，得到轧制过程中轧件温度变化的特点，为 研究轧件微观晶粒尺寸的变化，建立微观组织物理冶金模型打下基础。 p t i 1 l ：l 业大学i 学硕+ 学位论文 第二章轧制过程理论基础 轧制过程的数学模型涉及三个主要：l ：艺参数，即轧制温度、轧制力和前滑因 此，热连轧生产过程的主要内容基本上可归结为尺寸的变化和温度的变化两大类 性质不同但又相互紧密联系的物理过程例。 尺寸的变化过程主要是轧件厚度的不断变薄的过程，此外尚有宽度的变化， 这个过程所涉及到的问题是轧件塑性变形。温度的变化过程由轧件的加热和不断 冷却所组成。从均热炉送出后，轧件随着厚度不断轧薄，板坯的温度通过各种形 式的温降逐渐变低。 2 1 变形区主要参数 变形区是轧件在轧制过程中直接与轧辊相接触而发生塑性变形的那个区域， 其平面图如图1 所示 图2 1变形区基本参数 变形区摹本工艺参数为：d 为轧辊直径，；r 为轧辊半径，m m ；i 为 第二章轧制过鹎! 理论基础 轧制前轧件之高度( 或称为轧件入口厚度) ，m ；h 轧制后轧件的高度( 或称为轧 件出口厚度) ，聊m ；h m 为轧制前后的平均厚度，h m = 皇兰，聊m ； 为压| 、量 ( 或称为绝对压下量) ， a h = h h ； b 。为轧制前轧件的宽度，m m ；b 为轧制 后轧件的宽度，m m ；a b 为宽展量( 或称为绝对宽展量) ，6 = b b 。，m m ； l 为轧制前轧件的宽度，m ：，为轧制后轧件的长度，m ： y 为中性角，r a d ； 为咬入角( 轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点与轧辊中，i l , 线所构成 的圆心角) ，轧制时，轧件高度方向的变形叫绝对压下量，其值为： a h = h h 绝对压下量与轧件原始高度之比值称为相对压下量( 或称为变形程度) ，用符号 表示： a h 弘可 2 2 轧制力模型的理论基础 目前普遍公认，基于o r o w a n 变形区力平衡理论的s i m s 公式是最适合热轧带 钢轧制力模型的理沦公式，s i m s 公式的轧制力模型采用以下基本形式 p = b lc qn k 试中b 一轧件轧制前后平均宽度，m m ； ， ，一考虑轧辊压扁后变形区长度，m m ： q 。外摩擦影响系数； 一平面变形阻力系数，k = 1 1 5 0 ，m p a m m 2 ； 盯高速高温下的材料变形阻力； p f 机架t f l i , j 力，k n 。 2 2 1 考虑轧辊压扁后变形区长度f 。计算模型 ，= 4 r7 西北_ _ = 业大学i 一学硕十学位论文 p r = r n + 2 2 1 0 5 l 1 、 b a h 式中r 一轧辊半径，m m ； r 。一考虑压扁后的轧辊半径，m m d , h 一压下量，m m 。 2 2 2 应力状态影响系数g 的计算模型 现有的大多数轧制力理论模型主要是计算q p 的公式，本课题采用热轧生产 实际中应用最为广泛的s i m s 轧制理论计算公式： q ，呐也每，唼“s 式中1 7 , 一向对压下量 ，一接触弧长，m mi h c 一平均厚度，m l q l ； 此处6 l = o 8 2 0 6 ，b z 2 0 2 3 7 6 ，岛2 0 1 0 0 6 ，钆一0 3 7 6 8 。 2 2 3 系数世的计算模型 盯的确定取决于变形阻力口，即k = 1 1 5 0 故系数k 的计算模型就是变形 阻力盯的计算模型变形阻力盯是轧制力模型中的重要参数之一，它不仅体现了 金属材料的化学成分对轧制力的影响，也体现了热轧带钢发生塑性变形的物理条 件( 变形温度，变形速度和变形程度) 对轧制力的影响。 盯= c r o e x p ( 妒坞) ( 素) 她“1 ( 云) 虬( 吼_ 1 ) 志】 式中p 一变形程度，p = j n 掣 “一变形程度，“= e ，s v 一由秽流量公式计算的轧制速度 t - - 丁：型塑，f 为轧制温度， 1 0 0 0 1 4 第二章轧制过程理论基础 以，= 1 0 0 0 。c ，“= 1 0 s ，e - - 0 4 时的变形阻力，m p a e l 。一为叫归系数，决定于钢利，。 2 2 4s l 串1 力矩及轧制功率 轧制力矩呵以用两种方法确定。 根据轧制力决定轧制力矩。当轧件不受其他外力作用时，轧件对两个轧辊作 用的法向力和摩擦力的合力必定大小相等方向相反，目作用在一条直线上。所以， 转动轧辊所需的轧制力矩为 m p = 2 p a = 2 p l 。r p 总轧制力矩为 坳= 2 p a = 2 p l c l 妒 式中p 一轧制力，k j v ； 甜一力臂，m m ； 妒一力臂系数； m 。一轧制力矩，k n m 或n m 。 在热轧时，力臂系数妒= 0 3 9 一o 4 8 ，其中粗轧机组：p = 0 4 0 8 ；精轧 机组：= o 。3 9 0 。4 4 。 力臂系数与变形区几何形状苦以及摩擦系数u 有关，瓦l c 及愈大，妒值 越小，但在简单计算时，常取p = 0 5 。因此 坳= 2 p a = 2 p i 。( 0 2 p 2 3 连轧理论 1 流量方程 流量方程也称为秒流量相等法则或连续方程。它表达了连轧过程中几个主要 ：艺参数之间在稳定状态时的关系，其基本形式为 西北工业人学一f ：学硕士学位论文 h b 。形= b 。hv ：b h v = v ( 常数) 式中 b 。，b 一一入口和出l l 轧件的宽度，m m 或聊； 入l 二1 年l 件氏度，搬： h ，h 一一入u 和出口轧件厚度，m m ； v ，v 一一入口速度和出口速度，m s 。 对热连轧束说： 个机架变形区入口和出口的流量方程 图2 2变形区流量方程 6 0 hv ，= b hv 对于热连轧精轧机组来说宽展极小，因此川写为 v = hv 一个机架的变形区流量方程( 变形区入口和出口流量衡等) 是完全正确的。 2 。张力方程 张力是连轧过程的一个重要现象，各机架通过轧件张力传递影响、传递能量 而互相发生联系姗。 张力是由于速度差而产生的，对连转而言，张力是由于两机架问的速度不 协调而造成的，从两个机架来看，如果由于某种原因而使i 号轧机轧件出口速度减 小( 可以是轧辊速度减小，也可能由于压下率等其他工艺参数变动，造成前滑量 减小) 或使i + l 号轧机轧件八口速度加大( 原因也可以是轧辊速度变大或后滑量 减小) ，结果使i 号和i + 1 号机架问的轧件拉直而产生张力。轧件拉直后速度不协 调将产生张力变化，这只是问题的一个方面，张力的变化反过来又将影响前后机 1 6 第：章轧制过程理论基础 架的 = he l 和入口速度，而且其影响的方向是使速度趋向于新的协调。 对于张力可以从两种彳i 同的角度来考虑： ( 1 ) 研究连轧过程从一个稳态转到另一个新的稳态后张力的变化量，这是 稳态张力分析。 ( 2 ) 研究连轧从一稳态转向另一稳态过程中张力的变化过程，即张力随时 间的变化过程，这种具有时间概念的分析是动态张力分析。 对于实际连轧过程来说，动态过程是绝对的，稳态过程是相对的”。为了简 化计算，设在某一时刻f 时，此两个机架处在一个稳定状态，此时机架张力为 f ，f 架轧机出口速度在此张力作用下为v ，+ 1 架轧机入口速度在此张力作用 下为v i ”，此时 v 。2v ；+ i ， 如设轧件断面为 a = b h 则轧件的拉应力为 铲 考虑到应力和应变的关系为 e 式中e 一轧件的弹性模量，m p a ； 由于轧件张力引起的弹性变形比较小，因此可以忽略为 出f = a z q 考虑到由是由速度差v 。一v ，引起的，因此 一。：立：f 堕：三堕 k “叫3 二d t 刮言。一e i 即 鲁= 了e 也厂叼 硼j i s ：l ：q k 人。学i ：学硕： = 学位论文 或 铲铷。1 ) 加 此式即为张力公式的微分方程和积分方程式。此公式应用时需将v 。和u 的具体 公式代入。 2 4 温降模型 板带热轧过程中，温度是影响产品j 芑寸精度、轧机负荷合理分配的重要因素， 而且轧件温度对金属微观组织的变化以及轧后产品的性能有极其重要的影响，因 此必须对轧件在轧制过程中的温度进行控制和优化。温度模型的讨论主要从精轧 机组各机架轧制温度及精轧终轧温度的预报为主要内容，这是由于： ( 1 ) 精轧机组各机架温度直接影响到厚度、板形。 ( 2 ) 精轧机组出口处渝度一方面是影响卷取温度控制的主要参数，另方面精 轧出口温度的预报与实际测量值的比较是精轧温度模型自学习的主要依据。 连轧生产过程每个阶段的温降需要利用传热学的基本公式辐射、对流、热 传导一从热平衡出发来推导计算公式。生产过程中表面温度的变化可以用一些 “基本热交换环节”的组合来描述。对于厚坯或厚度较大的轧件还需计算其内部 的温度场，主要是沿厚度方向的温度变化并由此算出轧件的平均温度。 热连轧温降过程可p 1 结为以下四个基本环节： ( 1 ) 板坯在辊道上或机架间传送时在空气中的辐射温降