（材料加工工程专业论文）薄板坯csp连轧热力耦合有限元模拟.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代成功开发的一种全新的生产热轧板卷的工 艺，是钢铁工业最重大的革命性技术之一。与传统热轧板带钢相比，薄板坯连铸 连轧具有非常大的优越性。因此世界各国都给予极大关注，在冶金界产生极大反 响。 典型的薄板坯连铸连轧技术包括c s p 技术、i s p 技术和f r s r 技术。其中 c s p 技术应用最多。据统计，1 9 9 7 年世界有c s p 生产线2 0 条，占薄板坯连铸连 轧线的7 0 ，c s p 生产的热轧板占世界钢产总量的5 。预计到2 0 1 3 年，c s p 生产的热轧板占世界钢产总量的5 0 。可见c s p 技术有很大的发展前景。 1 9 9 7 年，我国的广东珠江钢铁公司、河北的邯郸钢铁公司以及内蒙古的包 头钢铁公司分别从德国的s m s 引进3 条c s p 生产线，并相继建成投产，年生产 能力在2 0 0 万t a 。最近，我国的唐山钢铁公司、通化钢铁公司、马鞍山钢铁公 司以及涟源钢铁公司等企业也计划建立薄板坯连铸连轧生产线。 薄板坯连铸连轧技术具有广阔的发展前景，因此研究与此相关的课题具有一 定的必要性。 目前，由于计算方法与数值模拟理论的结合，极大的推动了轧制技术的发展。 同时，也使得对钢材生产过程中变形、温度的计算机模拟成为可能。 本文是针对包头钢铁公司的c s p 连轧生产工艺，借助m a r c 商用软件，采用 热力耦合分析技术，建立大变形弹塑性有限元数学模型，分析薄板坯的连续轧制 变形过程。包括以下内容。 1 综合考虑了板坯与轧辊的接触换热、板坯与周围环境的对流辐射换热、机 架间冷却水的冷却作用、塑性变形和摩擦而产生的热量等条件对温度变化的影 响，计算了板坯内部的温度场，分析了板坯内的温度变化情况，得出其温度变化 规律。 2 计算变形区内等效应力场、等效应变场、等效应变速率场，分析了板坯内 三者各自的变化情况。 3 计算轧制过程中的轧制力，分析了轧制力的变化情况。 本文结合薄板的生产过程，对变形过程中的温度场以及力能参数进行研究， 所得到的分布规律，可以为工业生产提供参考。 关键词：c s pm a r c 热力耦合有限元模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h i ns l a bc s pt h e r m a i ，m e c h a n i c a lc o u p l e d f e ms i m u l a r i o nd u r i n gc o n t i n u o u sr o l l i n g a b s t r a c t t h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gr o l l i n gi san e w t e c h n i q u eo fh o tr o l l i n gs t r i pc u r l p r o d u c t i ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g i e s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lh o ts l a bp r o d u c t ，t h i st e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n t a g e s s oal a r g en u m b e r o fc o u n t r i e ss h o w g r e a tc o n c e r na b o u t i t t y p i c a lt h i n s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gr o i l i n gt e c h n o l o g yi n c l u d e sc s p , i s pa n d f t s r y e tc s p t e c h n o l o g y i su s e dw i d e l y n o w a d a y s i ti sr e p o r t e dt h a tt h e r e a r em o r e t h a nt w e n t yc s p p r o d u c t i o n l i n e sa l lo v e rt h ew o r l d ，a c c o u n t i n gf o r7 0 p e r c e n to f t h i n s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gr o l l i n gl i n e s h o tr o l l i n gs t r i pp r o d u c e d b yc s p a c c o u n t sf o r5 p e r c e n to f t o t a ls t e e lo u t p u t i ti sc a l c u l a t e dt h a th o tr o l l i n gs t r i pp r o d u c e db yc s p w i l l a m o u n tt o5 0 p e r c e n to f t o t a ls t e e lo n t p u tb y2 0 1 3 i n 1 9 9 7 ，t h r e e c s pl i n e sw e r ei n t r o d u c e df r o ms m sa n dw e r e p u tu p i n d i v i d u a l l yi nz h uj i a n gi r o na n ds t e e lc o m p a n y , h a nd a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y a n db a ot o ui r o na n ds t e e l c o m p a n y t h e yh a v ep u t i n t ou s en o w t h e i rd e s i g n c a p a c i t ya m o u n t s t o2 0 0m i l l i o nt o n sa n n u a l l y n o wt h a tt h i ns l a bc o n t i n u o u s c a s t i n gr o l l i n gi sb o o m e dr a p i d l y , i ti sn e c e s s a r y t o r e s e a r c hs u b j e c ta b o u tt h a t t h er o l l i n gt e c h n i q u eg e tm u c hf r o mt h em u t u a ld e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n m e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a li m i t a t i o nw h i c hm a k ei t p o s s i b l e t os i m u l a t et h e d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ee v o l u t i o ni nt h ep r o c e s s i nt h i sa r t i c l e ，t h es i xp a s s e sh o t r o l l i n gp r o c e s so f t h i ns l a bw a ss t u d i e dw i t ht h e a i do ft w od i m e n s i o n a le l a s t i c p l a s t i ca n dt h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l e df e m u s i n g c o m m e r c i a ls o f t w a r em a r c w h a tw e r er e s e a r c h e di sa sf e l l o w s ： t h ed i s t r i b u t i o na n d c h a n g e o f t e m p e r a t u r ef i e l di nr o l l i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d i nv i e wo fb o u n d a r yc o n d i t i o n a li n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r e ，s o m ef a c t o r ss u c ha s t h e r m a le x c h a n g eb e t w e e n r o l l i n ga n d r o l l e dp i e c e ，p l a s t i cd e f o r m i n g q u a n t i t yo fh e a t ， h 内蒙古科技人学硕士学位论文 c o o l i n gf l u x ，c o n v e c t i o n a n dr a d i a t i o nh e a t e x c h a n g e w e r ec o n s i d e r e d d u r i n g s i m u l a t i o n t h e p a r a m e t e r so fr o l l i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t yd u r i n gd e f o r m a t i o ns u c ha s e q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n ts t r a i na n de q u i v a l e n ts t r a i nr a t ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t e l a s t i c - p l a s t i c a n dt h e r m a l - m e c h a n i c a l c o u p l e d f e mc o u l d c o r r e c t l y r e f l e c tm e t a ld e f o r m a t i o n u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h i ns l a br o l l i n gi no u rc o u n t r y , t h e p r e s e n t e dt e m p e r a t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o na n dr u l e sm a y c o m e u p w i t hr e f e r e n c et oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c s p m a r ch e a t m e c h a n i c a lc o u p l e df e ms i m u l a t i o n i i l ， 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：李传瑞日期：2 0 0 4 年0 6 月 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：李传瑞导师签名：日期：2 0 0 4 年0 6 月 内蒙宙科技大学坝士学位论文 1 。 霹究营景 第一章文献综述 囊来钢铁豹剩爱标志装魇史茨攫进步的拳乎。今天，人类已避入痿惑睾会， 科技进步日新月舜，高新科技不断涌现，钢铁产、歆在高新科技的装备下毽i 已现代 化。 钢铁产业在谶向现代化的今天，在总体上仍存在流程长，资金运作量大， 黢源消裁高，劳动强度大等缺点。钢铁厂在从铁矿石逖厂开然，一般婴经过 烧结一炼焦一炼铁一炼钢一浇铸开鳜成材六大基本_ 工序流程，奎产工艺 冗长。爨此，不少冶金专家和冶金技术专家进行大量蚋试验尊n 研究，以追求 鬟三产工胯技术的合理髋、先迸德帮蕊代化，荠为缩短王芑流鼹丽不断开发剖 麟。除了已知短流程工装技术蜘电炉炼钢、逡铸、直接还原、烙融逊暇外， 逑出现了将炼一铸一裁程线一钵纯酶：i 蠹终登连铸连载= ： 艺接术，这燕滁金产 业上技术进步的又一重大突破朔变革t “。 s o 年代，鬻麓板矮连铸技术已e l 蘸戏熬，撼攀蕊投坯蓬铸技术藏聪爨薄 板坯连锩上成为研究开发的指导思想。对此，德国的d e m a g 公司和s m s 公 蠲走在研究瑟开发静蘸判。1 9 8 6 年，s m s 公诮程t h y s s e n 公镯兹铸镪车阉袋 功地进行了薄椴坯连铸机试验，使薄撤坯连铸避入新的篇章。而薄檄坯连铸 规抟袋渤使薄板逐连蒋遣茕藏为w 裁珏j 。 1 1 。l 豳外薄檄坯连铸连轧工艺技术的发戚 1 9 8 9 年7 罔，美国瓤 可钢铁公司在克柴福获维尔厂建成了谶静上第一个c s p 厂，标惑藩薄投燧连铸连轧技术投入了王业生产：紧接整谯阿鸯也州希兜曼新建 第二个c s p 厂。两厂帮使用魄炉炼钢，省去了锯蘅静二滓。由于睫镭投资少， 生产周期短，铸坯显微组织好，金属收褥率高，贼本低，价格便崴，产晶能够打 开市场，建效快，引越了瞧界嗣行髂广国关注。强藏，薄板坯连褥连茕技术蠡露 后誊笋般相继工业开发闽世。 从1 9 8 9 年第一条薄援坯逶诲连茕生产线投产激皋，蘩1 9 9 7 年，全整器 已有1 7 条生产线投入嫩产，和难在建设的生产线一越，共达3 0 多祭，年总 生产麓力达4 2 0 0 乃t 。 据不完全统计，嗣黼已有1 4 种工糕在工此性生产机组或半工业性生产机 缀透露生产试验。鬻臻靛生产工艺毒c s p 接零、i s p 菠零与f t s r 蔽术。 内蒙击辩技大学鞭士学位论文 图1 1 c s p 技术工艺布置 f i g , 1 1d i s t r i b u t i o no fc s pt e c h n o l o g y 1 一中间包；2 一结晶器；3 一切断翦；4 一均热炉；5 一事故翦：6 一除鳞机； 7 一精毒l 枫；8 一藩滚冷却；9 一卷取规 c s p 技术采用漏斗型结晶器、立弯式连铸机、辊底式隧道均热炉以及5 6 架轧飒。钢水在上开翻1 7 0 r a m ，下开口5 0m m 的漏斗型结晶器内铸成5 0m m 弹的薄板坯，缀分段剪进入辊底式均热炉均热，然后进入连轧机轧制p j 。 由于c s p 技术设餐筒单，流程畅通，易于掌握。世界各地采用该技术的 厂家最多。至1 9 9 8 年1 月，有1 9 个厂家，2 7 条连铸袋产线采用c s p 技术， 年生产熊力达到2 7 0 0 万t 。其中美国用的最多，又以纽柯公司为代表1 2 1 。 图1 2i s p 技术工艺布置 f i g 1 2d i s t r i b u t i o n o fi s p t e c h n o l o g y 1 一中间包；2 一结晶器；3 切断剪；5 一事故剪；6 一除鳞机；7 一精轧机； 8 一层流冷却：9 一卷取梳；l o 一液芯压下；1 l 一预辘极；1 2 一感瘦藤热炉： 1 3 一热卷箱 i s p 技术采用平行边结鑫器、滚蕊压下技术、2 3 撬粲预藐裰、黪发热热 和热卷箱式炉均热以及4 机架精轧机。钢水在6 0m m 的平行铜板结晶器内铸 成钢繇，密结菇器磊嗣蠲铸坯鹣液芯状态遥行液芯压下蓟4 5m m ，出连簿瓿 后利用铸坯高濑预轧制到1 5m m ，进行感应加热后崧成空芯港，在保温箱内 鹭热，开卷螽瀵久4 穰繁穗辕褪。i s p 方案瓣技术食鏊较裹，泼芯压下，太压 下预轧机等充分利用了铸坯的高温特性，大大减少轧机负荷，且感应加热热 效率蠢，控懿滋度灵溪。在爱骞戆工艺方案中，该方裘生产线浸短，仪约1 8 0 m m ，真i e 实现了短流程【3 1 。 嚣瓣，有8 令厂豢，1 2 条连铸连轧生产线采臻该技本，年产量达1 1 1 0 万 t 。仅韩国浦项钢铁公司光阳厂就拥有4 流，3 条作业线设备【2 l 。 一 涵 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 3f t s r 技术工艺布置 f i g 1 3d i s t r i b u t i o no f f t s r t e c h n o l o g y 1 一中间包；2 一结晶器；3 一切断剪；4 一均热炉；5 一事故剪；6 一除鳞机； 7 一精轧机；8 一层流冷却；9 一卷取机；1 0 一液芯压下；1 4 一热辊道： 1 5 一粗轧机 f t s r 技术采用凸透镜型结晶器、带辊形的液芯压下、辊底式隧道炉、1 2 台粗轧机、热辊道和6 7 架精轧机。钢水在凸透镜型结晶器内铸成中心带凸度 的8 0 9 0m m 铸坯，液芯钢坯出结晶器后，由带辊形的辊子压成厚度7 0 8 0 m m 的矩形断面板坯，切断后进入辊底式隧道炉均热，然后进入粗轧机轧至2 5 3 5 m m ，经过保温隧道进入精轧机。该技术生产的钢种范围较广，而且在提高质 量方面考虑也比较全面，增加了粗轧后的二次加热。为了得到更好的表面质量， 生产线有3 次除鳞，分别设在连铸机出口、粗轧机入口和精轧机入口。 目前，德国的森蒂公司、意大利的达涅利公司及加拿大的阿尔戈马钢铁 公司采用f t s r 技术【z 】。 1 1 2 国内薄板坯连铸连轧的发展 早在6 0 年代中期，北科大徐宝升教授率先在重钢三厂主持连铸一连轧衔 接工艺技术的开发。这项工作开启了我国薄板坯连铸连轧的先河。 1 9 9 0 年1 0 月，兰州钢铁厂新建了一条c s p 型薄板坯连铸试验机，热负荷试 拉成功，铸出5 0 m m 9 0 0 m m x 6 0 0 0 m m 薄板坯。经过进一步改进，建起了半工业 试验机。1 9 9 3 年，成功铸出了q 2 3 5 钢1 0 0 多炉，合格率达9 7 。 自从薄板坯连铸连轧出现后，我困非常重视这项新工艺。1 9 9 6 年，我国 从德国s m s 引进3 条c s p 生产线。分别建在珠江钢厂一，邯郸钢铁公司和包头 钢铁公司。 珠钢钢厂所建的c s p 生产线是我国首条薄板坯连铸连轧生产线。设计年生 产能力为8 0 万t 。铸坯尺寸为5 0 m m x 9 0 0 m m 1 3 5 0m m 。1 9 9 9 年8 月试生产， 月产2 5 0 0 0 t 热轧卷。目前能够稳定生产厚度为1 2m m - - 1 5m m 板卷。 邯钢钢铁公司的c s p 生产线于2 0 0 0 年初投产。铸坯尺寸：7 0 m m x 9 0 0 m m 1 6 8 0m m 。第一期设计年生产能力为1 2 3 万t ；第二期为2 4 0 万t 。自1 9 9 9 年1 2 月试生产，日产2 4 0 0 t 热轧卷，达到c s p 生产线的最高水平。预计邯钢单流产量 将可达1 3 0 1 4 0 t a ，这也将是世界水平的纪录。 内蒙古科技大学硕士学位论文 包头钢铁公司的c s p 生产线于2 0 0 1 年6 月投产。铸坯尺寸为5 0 m r n x 9 0 0 m m 1 5 6 0m m 。设计年生产能力为1 9 8 万t 。设计生产的规格为1 2m m 2 0m m 。日前该生产线己轧出1 0 5 m m 的板卷，年生产能力达2 7 0 万t 。 最近，国家己批准唐钢、通化、马钢、涟源等企业建设薄板坯连铸连轧 生产线。另外，珠江钢厂，邯郸钢铁公司第二条连铸机正在建设。与此同时， 北京钢铁设计研究总院与兰州钢铁公司合作，试验成功了第一台国产薄板坯 连铸机，其它配套工序也正在加紧进行，可望建成第一条国产连铸连轧生产 线 4 1 。 “十五”期间，全国薄板坯连铸连轧机的数量发展到近十台套。拟建的 几套基本上都采用或预留新开发的技术，如中厚板坯技术，半无头轧制技术， 铁素体轧制技术，液芯压下技术等；产品以薄及超薄规格为主，部分实现“以 热代冷”；设计年产量都在2 0 0 万t 以上。 1 1 3 薄板坯连铸连轧的优越性 薄板坯连铸连轧技术为什么在不到1 0 年的时间会有如此迅速的发展，就 在于它比传统热轧带钢生产具有更多的优点，因而经出现即成为现代热轧带 钢的发展趋势【2 】。 1 1 3 1 在生产工艺上 传统热轧带钢生产一般是由炼钢车间冶炼钢水，铸成一定厚度的厚板坯； 冷却后送往轧钢车间，经过处理编组后，需由加热炉进行二次加热至轧制温度， 才能轧制成材。炼钢车间与轧钢车间是两个相互独立的车间，生产线不连续。 而薄板坯连铸连轧是将连铸机和连轧机连成一条生产线，钢水由薄板坯连铸机 铸成一定规格长度的薄板坯，随即进入在线的再加热炉进行少量加热，即送入 连轧机轧制成材。这使得： 1 大大缩短了生产线长度，减少了总图面积。 薄板坯连铸连轧缩短了从结晶器至带钢卷取机间的距离，同时省去了传统 热轧带钢生产中的板坯存放和处理车间。 2 生产周期短 薄板坯连铸连轧省去了大量的中问倒运及停滞时间。从钢水冶炼至热轧成 品输出，仅需1 5 h ；而传统热轧带钢生产需要5 h 左右，从而减少了流动资金 的占用。 3 简化工艺流程，减少了设备 薄板坯厚度较薄，可以省去传统热轧带材粗轧，节省了设备约3 0 ，从而 降低了单位基建造价，吨钢投资下降1 9 - - 3 4 。 内蒙古科技人学硕士学位论文 4 节约能源，提高成材率。 薄板坯连铸连轧能耗降低约2 0 ，成材率提高约2 一3 ，降低了生产 成本。 5 生产更薄的产品 薄板坯连铸连轧适合生产薄及超薄规格的热轧板卷，产品的附加值高，从 而实现较高的经济效益。 1 1 3 2 在产品质量上 1 连铸坯冷却强度大，晶粒细 由于薄板坯连铸是在高拉速下的快速冷却凝固过程。当薄板坯连铸快速冷 却时，冷却强度远远大于传统的板坯，其二次、三次枝晶更小，改善了内部组 织，使奥氏体组织明显细化，并且减少了枝晶间易熔元素的富集程度。同时， 由于采用液心轻压下技术，能够破碎初生的树枝晶，并成为结晶核心，从而加 速凝固，扩大等轴晶区的比例，缩小柱状晶区的比例，并形成较细的晶粒。由 于薄板坯厚度薄，具有快速冷却的特点和细化的结晶组织，其中心偏析的程度大 大减少。 2 合金元素的作用效果大 微量合金元素的完全溶解是合金元素在钢中起多重作用的前提。常规的冷 装工艺，在再加热前的冷却过程中，合金元素以碳，氮化物的形式析出；在再 加热的过程中，以固溶状态存在。而薄板坯高温直接装炉，许多合金元素不会 析出，始终处于熔融状态，这种状态可以最大限度地发挥合金元素的潜力，对 初始组织和再结晶组织均起到细化晶粒的作用。 3 轧制过程中的温度均匀，稳定 以c s p 技术为例，辊底式隧道炉与轧机同在生产线上，板坯头部进入轧机 时，其它部分仍在炉内保温。出炉后的板坯与空气接触的时间极短，保证了板 坯横断面和纵向温度的均匀分布。生产数据测试表明，板坯横断面与纵向温差 均在+ - 1 0 内。实测各架轧机轧制力的变化曲线表明，在变形过程中无温度变 化引起的轧制力波动。而在传统的热轧带钢生产中，带钢纵向的温度波动是不 可避免的，并影响带钢的厚度精度。对于薄板坯连铸连轧，原始组织的均匀和 轧制过程温度的均匀保证了产品性能质量的稳定和均匀。 4 产品组织性能好 由于铸态组织细小、均匀，加工温度均匀，产品的组织及晶粒也均匀，从 而性能均匀一致。而传统方法生产的产品，边部与中部的性能有较大差别，这 显然是因为边部温降快，晶粒细所致。此外，薄板坯产品的性能参数分布非常 集中，而传统方法生产的产品性能参数比较分散。 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 _ 3 薄板坯连铸连轧技术的发展趋势 1 成品规格尺寸越来越薄。2 0 世纪9 0 年代初建成的薄板坯连铸连轧生产 线，热轧带卷的厚度碳钢为1 7 1 2 m m ，不锈钢为2 0 1 2 m m ，实际生产以5m m 以上的居多。随着市场需求的变化和技术的不断进步，热轧带钢的厚度越来越薄。 1 9 9 5 年投产的希尔沙( h y l s a ) 厂的c s p 生产线，轧制产品的厚度为1 0 1 2 5 m m ，其厚度和形状可控制在标准公差的1 4 内。未来薄板坯连铸连轧生产 线的产品规格将以l m m 为主。 2 产品规模大。第一条薄板坯连铸连轧生产线年生产能力为5 0 万t ；第二 条生产线年生产能力为7 0 万t 。其生产能力低的原因是冶炼设备均是一座电 炉。世界上第一套转炉配c s p 技术的年产量可达9 7 万t 。要充分发挥热连轧 机的能力，新建的生产线年产量定位2 0 0 3 0 0 万t a 。 3 利用现有老厂的高炉，转炉设备建设薄板坯连铸连轧生产线，专门生 产薄规格( 2 3 m m ) ，超薄规格( 1 6 m m ) 的热轧卷，既可用热轧超薄板 代替相当一部分商品冷轧板，节约冷轧厂的投资，又可解放传统热轧带钢轧 机的能力，促进生产。 4 通过适当增加铸坯厚度和宽度，提高拉速，增加铸机单流产量，有可 能实现一台铸机( 单流) 与一部热连轧机配合生产，达到2 0 0 万t a 的生产能 力。 5 薄板坯连铸机各个工艺参数面临进一步优化选择。铸坯厚度、凝固时 间与冶金长度之间的关系直接影响轧机架数、布置方式、铸机本身结构及产 品质量。 6 为使薄板坯连铸机高效、安全运行，它的水冷系统正向结晶器冷却、 。：次冷却、二冷段支撑辊的内冷却三部分发展。 7 在轧制超薄规格热轧卷时，由于受到终轧机架处带钢强度的限制，带 铡在轧制过程中的再加热问题将会成为一个新的关注点。 8 薄板坯连铸连轧技术的先进性决定了它的投资额是可观的。多数薄板 坯连铸连轧生产线投资均在3 5 亿美元以上。而建设一家以热轧卷为主要产品 的高炉一转炉联合企业总投资不低于3 0 亿美元1 5 】。 可以预计，随着薄板坯连铸连轧技术的不断成熟和完善，流程会更加合 理，相关设备会进一步优化和标准化，可望一次性投资额有所下降。而生产 技术的进步有将会使产品的成本进一步降低，薄板坯连铸连轧的产品在市场 上将具有更强的竞争力。 内蒙古科技人学硕士学位论文 1 2 薄板坯c s p 连轧工艺特点 1 大压下和高强度轧制 大压下和高强度轧制是薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。薄板坯连铸连轧与 传统板坯生产的一个重要的不同之处就是压下量不同。传统板坯生产的热带一般 是将2 0 0 3 0 0 m m 厚板坯轧制到成品厚度，而薄板坯连铸连轧的板坯是从5 0 7 0 m a n 轧制到成品厚度，后者的总压下率相当于前者的3 5 倍。薄板坯连铸连 轧最大道次压下率可达6 0 0 5 ，最终道次压下率近2 3 6 7 ，而传统板坯生产最 大道次压下率不超过5 0 ，最终道次压下率不超过2 0 6 】o 传统热板带钢连轧机组压下规程，通常是按逐渐减少压下率的规律安排，以 利于开轧时的高温和避免终轧时温度低轧制压力大，造成板形和板的尺寸精度下 降。 表i i 传统连轧机精轧机组各架压下率( ) t a b l e1 1r e d u c t i o n so f t r a d i t i o n a lf i n i s h e d r o l l i n g l 机架号 1234567 6 机架4 0 5 03 5 4 53 0 4 02 5 3 51 5 2 51 0 1 5 i7 机架4 0 5 03 5 4 53 0 4 02 5 4 02 5 3 52 0 2 81 0 - 1 5 由表1 1 可以看出，首先压下率从第一架轧机开始向后逐渐减少；其次终轧 道次及终轧前道次的压下率很小，终轧道次不大于1 0 1 5 ，终轧前道次不 大于2 0 2 8 ，最大的道次压下率不大于5 0 。 表1 2 - - 表1 3 是传统热连轧带钢轧机的典型轧制规程和薄板坯连铸连轧的 典型轧制规程的比较，二者区别是明显的。表1 2 为国内某热轧厂的现代化热连 轧机精轧机组的典型压下规程f 精轧入口处坯料厚度为4 3 m m ) 。从表1 2 可见， 该厂的压下规程与传统热带钢连轧的轧制规程的规律是完全相同的。表1 3 是典 型的某采用c s p 技术的薄板坯连铸连轧厂的各种产品压下规程( 精轧入f i 处坯料 厚度为5 0 m m ) 。 表1 2 传统热连轧精轧机组的典型压下规律 n 出l e1 2t y p i c a lr e d u c t i o n r e g u l a t i o no f t r a d i t i o n a lf m i s h e dr o l l i n g 机架号 l23 d 567 辊缝1 3 1 1 1 1 2 1 o】0 96 _ 34 12 72 32 0 压f 率4 64 23 63 12 51 81 3 表1 3 薄板坯连铸连轧的典型压下规律 t a b l e1 3t y p i c a lr e d u c t i o n r e g u l a t i o no f t h i n s l a bc o n t i n u o u s c a s t i n ga n dr o i l i n g 内蒙古科技大学硕士学位论文 r 机架号 123456 l 辊缝n l m 3 0 o1 3 2 75 5 12 8 31 8 81 5 0 i 压下率4 0 05 5 7 65 8 4 84 8 5 63 3 6 62 0 2 2 由上可以得到c s p 薄板坯连铸连轧的压下规程的特点： 第一架轧机由于来料厚度过大( 与传统热连轧相比) ，为了有利于稳定的咬 入，通常压下率较小。其它道次压下率可以很大，最大可达到6 0 。终轧和终 轧前道次的压下率逐渐减少。 2 高效除鳞技术 薄板坯连铸连轧工艺，氧化铁皮在板坯表面厚度薄且粘牢，很难除去。为 了确保表面质量，采用达涅力专利技术，旋转式除鳞机，可以除去板坯表面的原 始氧化铁皮，并控带j j - - 次氧化铁皮的生成。其主要特点是减少了耗水量，降低了 泵站的成本，水冲压压力大于传统工艺的除鳞机的冲压压力，减少了水流量，热 量损失小。除鳞机是安装在连轧机组前。 3 恒速轧制 对于常规热连轧机组，为了减少轧制过程中带钢头尾温差，提高轧机生产率， 采用升速轧制制度。对于薄板坯连铸连轧，轧制能力比较富余，而且采用均热炉， 不存在坯料头尾温差问题；轧机的大压下带来高负荷，不采用升速轧制，在一定 程度上可以降低对轧机负荷的要求。 4 冷却工艺 板坯在轧制过程中，受轧件与轧辊的接触热传导以及塑性变形热的综合影 响，温度发生相应的变化。不同部位的板坯都具有不同的温度。板坯表面附近， 受接触热传导的影响较大，开始温度先剧烈下降，随后由于塑性变形热的影响， 温度又逐渐回升。离表面越近的部分，这种变化趋势越明显。对于离表面一定厚 度的部分，受接触热传导的影响很弱，温度没有明显的降低；但由于塑性变形热 的主导作用，温度会略微升高。这一点对于轧件心部的部分尤其明显。轧件温度 过高，容易造成晶粒粗大，对组织和性能不利。因此，在各道次轧机机架问，采 用冷却水对钢板进行冷却。 板坯轧制成材后，温度较高，强度和塑性韧性不高，通过控制轧后板材的冷 却速度，使变形奥氏体经过快速冷却，相变组织相应细化，起到细化晶粒的作用， 从而使板材的强韧性提高。常用的冷却方式是层流冷却。这种方法是冷却水从喷 嘴的出口速度比较低，形成平滑、连贯的无压力的水流直接落到板材表面，冷却 水不反溅，并在钢板表面形成层流。层流冷却冷却比较均匀，易于控制。 5 生产薄规格热轧产品。 薄板坯连铸连轧工艺的特点之一就是可生产薄规格热轧产品。特别是直通式 内蒙古科技大学硕上学位论文 辊底炉使坯料具有良好的温度均匀性，使c s p 工艺在此方面更具优势。为适应 薄规格热轧产品生产，在设置上采用相应措施：为了便于薄带的输送，减少输出 辊道的间距。约7 3 m 长的输出辊道上间距设置分三种情况：r 机架到层流入口 为2 8 0 m m ；层流段为3 0 0m m ；层流出口到卷取机为3 2 0m m 。 为防止薄带在输送时飘离辊道，在f 6 机架后设置最大流量为3 0 m s s ，风压 为8 1 0 p a 高速风机，用空气压住带钢。在f 5 f 6 机架上采用小直径工作辊，以 降低轧制力和减少轧辊造成低热损失。在层流冷却前设置喷淋段，采用较高的压 力，使带钢头部冷却后具有一定的强度1 7 】。 1 3 有限元法简介 金属成形过程伴随着很大的塑性成形，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于用数学关系加以描述，使得 人们长期以来只能通过采用简化、假设，并借助于试验、经验数据、图解和模型 等将难以精确求解的数学力学问题变为实际工程问题，以求解一些重要的变形参 数，如力、应力、应变和温度等。但这种方法在求解过程中会带来较大误差。近 年来，由于有限变形理论和电子计算机技术的发展，用有限元法求解塑性加工问 题得到越来越广泛的重视。由于基于有限变形理论的弹塑性有限元法能同时考虑 材料非线性和几何非线性，因此采用有限应变弹塑性有限元法，可以有效的模拟 和分析存在大位移和非线性的塑性加工成形过程。 金属成形是一种复杂的力学过程，一般涉及大变形和大应变，它包括j l 何非线性，材料非线性，接触非线性的强非线性问题。因此，金属成形问题 的有限元模拟非常复杂，必须处理一些难以处理的边界条件，接触与摩擦及 材料非线性和几何非线性问题，所以金属成形有限元的发展相对比较缓慢。 然而自从6 0 年代p v m a r c a l 和山罔嘉蜗导出弹塑性矩阵，c l o u g h 首次使 用“有限元”这一概念，使弹塑性有限元首先得以发展。1 9 7 2 年o c z i e n k i e w i c z 提出粘塑性有限元法，s k a b a y a s h i 与c h l e e l 9 7 3 年提出刚塑性有限元法眇j ， 至此，有限元法开始应用于金属成形的数值模拟，使得准确地模拟实际的金 属成形问题成为可能。有限元法通用性强，可以预测复杂会属成形过程中的 应力、应变分布及成形过程所需的载荷；可以模拟成形过程中发生的起皱、 破裂等；叮以比较准确地分析各种工艺参数对成形过程的影响。 有限元法是基于变分原理来求解偏微分方程的有效数值计算方法。基本原 理是将求解未知场变量的连续介质体划分为有限个单元，单元用节点连接，每个 单元用插值函数表示场变量，插值函数由节点值确定。单元之间的作用由节点传 递，建立物理方程。将全部节点的插值函数集合成整体场变量的方程组，然后进 内蒙古科技大学颁士学位论文 行数值计算。 它通过将连续体分成有限个单元来解决边界值问题，然后独立分析每一 单元体。该方法适于处理大量的物理和技术问题，如弹性变形、塑性应变、 温度场问题、流动问题等。对于塑性加工问题很重要的体积不变条件，一般 通过拉格朗日乘数法或罚函数法引入。 用于金属成形过程数值模拟的塑性有限元法可以分为两类，一类称为弹 塑性有限元法；另一类称为刚塑性有限元法。其中也包含粘塑性有限元法。 目前在金属成形数值模拟中应用最广的是弹塑性有限元法。这种方法同 时考虑了弹性变形和塑性变形。弹塑性有限元理论中有小变形和大变形之分。 早期的研究者主要应用小变形弹塑性有限元法。该方法比较简单，通常分为 增量变刚度法、增量初应力法和增量初应变法，可以解决一些变形较小的板 材成形问题。但是，当变形较大时，小变形理论引起的积累误差较大，计算 时间过长。近几年来，国外大多数研究者在模拟金属变形问题时趋向用大变 形弹塑性有限元法。这种方法考虑了金属变形过程中的几何形状变化，应变、 位移关系中出现的二次项，因此提高了运算精度。不仅能计算工件的变形， 应力、应变分布，而且还能计算工件的残余应力，残余应变等。但增加了理 论关系的复杂性和计算困难。 以小变形理论为基础的弹塑性有限元法只适用于分析金属成形的初期， 随着变形量的增大就会带来明显的误差。在小变形弹塑性理论中，在塑性阶 段引入了非线性的材料模型，而应变与位移之间的关系仍然是线性的。1 9 7 0 年长松等首先用这种方法分析了圆柱体的镦粗，得出了镦粗压力的计算值。 1 9 7 3 年玉野隆敏分析了平整轧制的小变形问题【1 。取平面变形和粘着摩擦条 件，研究了压下率仅为0 4 8 时平整轧制过程，得到小变形弹塑性解。应用这 种方法也有一些研究者分析了挤压、拉拔的成形问题。由于小变形弹塑性有 限元只适用于微小的变形，而压力加工的成形过程绝大多数是大变形问题， 因此在变形较大时，利用这种理论进行分析必然带来很大的误差。这样就逐 渐发展了大变形弹塑性有限元法。 大变形弹塑性有限元理论是建立在有限应变的基础上的。在大变形的过 程中，由于产生了大位移和大转动，单元的形状发生了明显的变化。这样使 建立在小变形基础上的一系列基本方程不再适用。大变形的显著特点不仅存 于应力与应变间的关系是非线性的，即材料非线性，而且应变与位移问的关 系也为非线性的，即几何非线性。这种情况下，应变的定义、应力的表达、 本构方程的建立都和小变形理论显著不同。大变形的理论和计算虽然比较复 杂，由于它更精确的反映了客观现象，因而有着更大的灵活性，越来越受到 内蒙古科技大学硕士学位论文 重视。大变形弹塑性有限元理论从7 0 年代初期开始发展。1 9 7 0 年h a b b i t 等首 先提出大变形有限元列式【1 ”，采用拉格朗日描述。7 0 年代中期，o s i a s 和 m c m e e k i n g 等采用欧拉描述法建立了大变形有限元列式【1 2 1 。从此大变形弹塑 性有限元法不断完善，到目前己解决了许多工程实际问题。 近几年来，有限元模拟技术在金属成形方面，取得了很大进展。该技术在指 导工具设计和工艺优化方面，取得了很好的利用。随着计算精度的提高和有限元 法的不断完善，有限元模拟将会越来越多的应用于工程实际中。 在大变形过程中忽略材料的弹性变形部分，可建立刚塑性材料模型。刚塑性 材料模型使塑性问题的求解得到了一定的简化。刚塑性有限元列式采用速率方程 的形式，变形后物体的形状通过在离散区上对速度积分而获得，从而避开了有 限变形中的几何非线性问题。刚塑性有限元法一般是从刚塑性材料的变分原理和 上界定理出发，按照有限元模式把能耗率泛函表示成节点速度的非线性函数，利 用数学上的最优化理论，得出满足总能耗率取最小值时的运动许可速度场；从而 进一步利用塑性力学的基本关系式，得出变形速度场、应力场以及各种变形参数 和力能参数1 “1 。 m a r k o v 首先用变分原理获得了对刚塑性问题的解，l e e 和k o b a y a s h i 在7 3 年以矩阵分析法的名义提出了类似的刚塑性有限元法【1 引。此后刚塑性有限元法 得到了极大发展。刚塑性有限元法虽然列式比较简单，但不能处理卸载问题，因 此不能计算残余应力和弹复。另外刚塑性有限元法的计算关键是确定满足能耗泛 函最小的变形速度场，而在求解真实速度场时存在一个初始速度场的确定问题， 初始速度场的确定的优劣对计算时间和收敛速度有很大影响。 有些金属在塑性变形时，当应变速率对材料的屈服应力有明显影响或者金属 在高温下变形时，弹塑性和刚塑性模型不适用了，对此人们提出了粘塑性材料 模型。在高应变速率下的金属材料一般作为弹粘塑性处理，如果弹性变形比较小， 以致， 以忽略，则作为刚粘塑性处理。z i e n k i e w c z 等在有限元法中引入了阔粘塑 性模型，提出了剐粘塑性有限元法【1 5 】。以后也有些研究者利用粘塑性有限元 法求解金属成形问题。粘塑性有限元法和刚塑性有限元法的本构关系存在差别， 其基本求解方法是一致的。 有限元的计算步骤如下i ”j ： n 1 连续介质体的离散化。把求解的连续体划分成很多单元，单元为三边形、 四边形等不同形状。利用这些单元求解场变量 ( 2 ) 选择场变量划分单元后，选择单元的插值函数形式。 ( 3 1 进行单元分析，建立单元的基本方程。根据所选插值函数建立单元模型 和矩阵方程。 内蒙古科技人学硕士学位论文 ( 4 ) 集合成系统方程组。根据单元问的相互关系，将单元的方程有序的集合 成整个系统的方程组，并表示成矩阵形式。 ( 5 ) 求解系统方程组。解集合体的联立方程组，求出场变量的未知节点值， 进行参量计算，根据问题需要计算各种重要的参数。 1 4 研究内容 薄板坯连铸连轧是当今世界钢铁工业具有革命性的前沿技术。从2 0 世纪的 第一条c s p 生产线建立以来，世界各国都给予极大关注，使薄板坯连铸连轧技 术在近几年有了突飞猛进的发展。 过去十年来关于c s p 薄板坯连铸连轧领域的研究主要包括有关设备与工艺 的改进，冶炼与连铸技术的发展与完善，连铸连轧过程的自动检测控制技术以及 c s p 产品和传统产品使用性能的比较等【1 7 , 1 9 】。值得注意的是，对于c s p 技术成 形过程中钢的组织演变规律、力学性能特征及其控制以及第二相析出等方面的工 作很少报道。我国引进的三条c s p 生产线分别于2 0 0 1 年建成投产。近几年还将 有几条薄板坯连铸连轧线进入建设和投产。这些新生产线是否发挥其效益和优 势，产品开发将成为重要课题。 该课题以包钢薄板连铸连轧厂的c s p 生产线为依托，借助m a r c 商