（材料学专业论文）tp2铜管退火过程组织演变的数值模拟.pdf

犬连理1 人学硕十学位论文 摘要 随着空调、冰箱及制冷行业的迅猛发展，铜管需求量逐年递增，对铜管质量的要求 也越来越高，不仅要求铜管细径化、薄壁化、高效传热、高清洁度，而且对铜管的微观 组织与力学性能也提出严格的技术标准。在铜管生产中，退火处理控制着铜管产品的微 观组织及其力学性能，对其进行研究具有重要的生产指导意义。 本文以t p 2 铜管退火过程为研究对象，结合传热学理论，建立了t p 2 铜盘管j u n k e r 炉退火过程的传热模型，利用有限元软件m s c m a r e 对t p 2 铜盘管的温度场进行计算机 模拟，确定了影响铜盘管温度场分布的主要因素。基于物理冶金学理论，通过铜管退火 实验建立了退火组织演变的数学模型，利用有限元软件m s c m a r c 强大的二次开发功能 编制了退火组织演变的子程序，对内螺纹管及铜盘管退火过程中的组织演变进行数值模 拟，分析了退火工艺参数对铜管及铜盘管组织演变的影响。 在模拟分析中，得出了铜盘管温度场、再结晶体积分数、晶粒尺寸、及残余应变的 分布规律。退火过程中，铜盘管温度场分布是不均匀的，出现表面“热点”和中心“冷 点”，在退火时间上，“冷点”比“热点”有一段时间的滞后。对流换热系数和铜盘管 的等效热导率是影响铜盘管温度场分布不均的主要因素。温度场分布不均导致铜盘管各 部分组织演变不同步，芯部铜管温度较低，再结晶进行不彻底，退火后残余应力未被完 全消除，最终晶粒尺寸较小。残余应力的存在和晶粒尺寸的差异导致铜盘管各部分力学 性能不一致，生产中可以利用“热点”与“冷点”的温差来选择合适的冷却时机，使铜 盘管各部分的组织和力学性能趋于均匀。 关键词：t p 2 铜管；退火组织；数值模拟；有限元法 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea i r - c o n d i t i o n e r s ，r e f r i g e r a t o r sa n dt h er e f r i g e r a t i n g i n d u s t r y t h eo u t p u to fc o p p e rt u b er e q u i r e m e mi si n e a s i n gy e a ra f t e ry e a r t h eq u a l i t y r e q u i r e m e n ti sa l s om o r ea n dm o r eh i g h n o to n l yt h em i n i m i z e dd i a m e t e r ，t h i nw a l la n dh i g h c l e a n l i n e s sa r er e q u i r e d ，b u ta l s oas t r i c tt e c h n i c a lc r i t e r i o no ft h em i c r o s t m c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yi sp r o p o s e d a st h em i e r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc o p p e r t u b ep r o d u c t sa r ec o n t r o l l e db yt h ea n n e a l i n gp r o c e s si np r o d u c t i o n ，i th a sa ni m p o r t a n t g u i d i n gm e a n i n g t os t u d yt h ea n n e a l i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h ea n n e a l i n gp r o c e s so ft p 2c o p p e rt u b ei si n v e s t i g a t e d c o m b i n e dw i t h t h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r , t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo fc o p p e rt u b ec o i ld u r i n ga n n e a l i n gi n j u n k e rf u r n a c ei se s t a b l i s h e d n l et e m p e r a t u r ef i e l do fc o p p e rt u b ec o i li ss i m u l a t e db yu s i n g t h ef e as o f t w a r em s c m a r c m a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f c o p p e rt u b ec o i la r ea n a l y z e d b a s e d o nt h et h e o r yo fp h y s i c a lm e t a l l u r g y ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo f t h ea n n e a l i n gm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ni se s t a b l i s h e db yt h ea n n e a l i n ge x p e r i m e n to f c o p p e rt u b e t h es u b r o u t i n eo fa n n e a l i n gm i c r o e v o l u t i o n i sc o m p i l e db yu s i n gt h e s t r o n gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf u n c t i o no ft h ef e as o f t w a r em s c m a r e n l ea n n e a l i n g m i e r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ft h ei n n e rg r o o v ec o p p e rt u b ei ss i m u l a t e d 1 1 圮i n f l u e n c eo f a n n e a l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nm i e r o s t r u e t u r ee v o l u t i o no f t h ec o p p e rt u b e i sa n a l y z e d u s i n gs i m u l a t i o na n a l y z i n g ，d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e ，r e c r y s t a l l i z a f i o nv o l u m ef r a c t i o n , g r a i ns i z ea n dr e s i d u a ls t r a i na l eo b t a i n e dd i s t i n c t l y n et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o p p e r t u b ec o i li sn o tu n i f o r m ，s u r f a c eh o tp o i n ta n di n n e rc o l dp o i n ta p p e a rd u r i n ga n n e a l i n g m c o l dp o i n tl a g ss o m el i m et h a nt h eh o t i i l ti na n n e a l i n gt i m e m a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o p p e rt u b e c o i la r ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n ta n d e q u i v a l e n tc o n d u c t i v i t y t h en o n - u n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr e s u l t si nm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o na s y n c h r o n o u s d u et ol o w e rt e m p e r a t u r eo ft h ei l i n e rt u b e s , m c r y s t a l l i z a t i o no ft h e i n n e rt u b e si si n c o m p l e t e ，t h er e s i d u a ls t r e s si sr e m o v e di n c o m p l e t e l ya n dt h ef i n a lg r a i ns i z e i ss m a l l e ra f t e ra n n e a l i n g ，e x i s t e n c eo fr e s i d u a ls t r e s sa n dd i f f e r e n c eo fg r a i ns i z er e s u l ti n n o n u n i f o r mm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc o p p e rt u b ec o i l t h ea p p r o p r i a t ec o o l i n gt i m ei s s e l e c t e db yu s i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fh o tp o i n ta n dc o l dp o i n ti np r o d u c t i o n ，w h i c h c a nm a k et h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c o p p e rt u b ec o i lt e n dt ob eu n i f o r m k e y w o r d s ：t p 2c o p p e rt u b e ；a n n e a l i n gm i e r o s t r u e t u r e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l i b i t e e l e m e n tm e t h o d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位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，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盘垂垒日期：兰：翌：! ：! ： 大连理_ 1 j 大学硕h - ：t i j l 究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 压止妥 垃 巫年一c 月一2 7 e t 人连理t 大学硕t 学位论文 1 绪论 1 1 前言 1 1 1 材料加工工艺计算机模拟发展概况 模拟( s i m u l a t i o n ) 就是利用物理的、数学的模型来类比模仿现实的过程，以寻求 过程规律的一种方法【l 】。按照“国际标准化组织( i s o ) 标准”的名词解释：模拟就是 选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。模拟 分为物理模拟、数学模拟和混合模拟( 数学物理模拟) 。为何要进行模拟? 其主要原 因是：实际系统太大，需要缩小；实际系统太复杂，需要简化；实际系统太贵重，需要 省钱；实际系统太难、太费时间，为了方便和节省时间；实际系统无法观察、感受和操 作；实际系统危害大，危险性大；实际系统的不可重复性；在实际系统上作业会干扰正 常工作等。 计算机模拟( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) ，亦称为计算机仿真，就是利用计算机对研究 系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者人的思维过程和行为进行动态 性的比较逼真的模仿。计算机模拟通常是利用计算机求解数学模型，并将系统过程演示 出来。计算机模拟用于研究系统有如下特色：优化设计、经济性、安全性、可预见性。 它是在特定的模型上进行试验，因而具有经济、安全、可靠、试验周期短等特点。当前， 计算机模拟技术已经成为工程系统和非工程系统不可缺少的设计工具。在工程领域的应 用包括航空、航天、航海、石油、化工、机械制造、钢铁、冶金、能源、交通等；在非 工程领域的应用有社会、经济、生物、医药、工艺管理和教育训练等。 计算机模拟概括地说包括“建模实验分析”这三个基本部分，即模拟不是 单纯的对模型的实验，而且包括从建模到实验再到分析的全过程。因此一个完整的计算 机模拟应包括以下几个步骤： 明确所要模拟的系统； 建立合适的数学模型； 对模型进行一定的变换； 设计好模拟程序； 模型装载； 模型实验； 模型检验； 实验结果的评价与分析。 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 从计算机模拟技术观点来看，以上八个步骤可以分成三个阶段：系统建模阶段：系 统模型变换阶段；模型运行与分析阶段。计算机模拟包括三个要素：系统、模型和计算 机，三者之间的关系如图1 1 所示。系统是指相互联系又相互作用的元素之间的有机结 合，如工程系统和非工程系统。模型是对实际系统有关结构信息和行为的某种形式的描 述。它是对应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特征的抽象化和简 化，如本文中所要论述的铜盘管温度场模型和铜管组织演变模型。 系 运行与分析 回丽匾至习 图1 1 模拟过程三要素间的关系 f i g 1 1r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h r e ee l e m e n t sd u r i n gm o d e l i n g 模拟这门学科形成于4 0 年代，第二次世界大战末期，对火炮及飞行控制动力学系 统的研究，促进了模拟技术的发展。计算机模拟技术的创始人是j v o nn e u m a n n 和s u l a m ，他们在4 0 年代中期开创了一种人为地利用计算机逼近概率过程以求解数学问题 的统计采样方法，即m o n t ec a r l o 法l ”。 在材料研究领域，材料科学与计算机技术相结合，诞生了一门新兴的学私卜计算 材料学，在钢铁行业这门学科被称作计算机冶金学【2 j 。随着计算机技术的飞速发展和材 料科学研究上取得的重大突破，促使科学工作者在成分、工艺、组织和性能方面对钢铁、 铝、铜等金属材料的加工过程和组织性能进行计算机模拟。研究人员结合材料变形和热 处理的作用，建立了许多物理冶金模型和工艺模型，基于这些模型开发了许多离线和在 线的模拟系统，可对材料加工工艺过程进行监控。对常用的金属材料钢、铝和铜而言， 对其力学性能的考核有三个指标：抗拉强度、屈服强度和延伸率。而材料的性能主要取 决于化学成分、晶粒尺寸、相含量及加工工艺参数，如轧制速度、退火温度等。近年来 随着材料研究领域的不断深入和实际经验的大量积累，人们在物理冶金学方面取得了巨 大进展，已经能够相当精确地把材料内部发生的冶金现象进行定量地描述，这样就可以 得到各种冶金现象的数学模型，从而建立起组织性能间的定量关系式，进而可利用计算 机模拟技术来预测材料的组织性能，为实际工业生产提供技术支持。 人连理j ：大学硕十学位论文 通过一定的生产流程，得到可以作为工业或工程中使用的金属材料，这个过程被称 作金属材料加工。一般来讲，材料加工工艺模拟就是根据研究对象的要求，按照一定的 理论和判据来设计加工工艺过程，建立起物理、数学模型，然后在计算机上进行计算， 得到大量的数据，并将这些数据综合在一起，逼近所研究对象的形貌，表达出工艺 成分组织性能间的规律，最后用形象的图画或动画的形式展示出这些过程的直 观画面。加工工艺模拟一般包括三个过程，即前处理、中间计算和计算结果的后处理。 它具有实时性，模拟的准确性取决于模型的精度。 材料加工是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，生产中难以直接观察，间接测试也 非常困难，因此需要进行材料加工工艺的计算机模拟。将计算机技术引入材料加工研究 领域具有很多方面的优势：可以大大简化实验研究工作、缩短研究时间、节约研究经费、 加速新产品的开发；可以模拟极端条件下无法进行的实验；可以确定最佳的加工工艺流 程；可以动态显示各个物理量的演变过程和空间分布：可以将个人的经验定量化以便推 广；生产厂家可以籍此实现全过程自动化精确控制，提高生产率，降低制造成本，减少 人为误差，稳定产品质量等。对铜管退火组织演变的模拟来说，其意义主要有以下三点： 指导和分析铜管退火过程中的温度场、再结晶和晶粒长大过程，引导生产技术 人员深入到微观领域理解影响铜管性能的工艺因素： 减少现场取样的数量和周期，对部分铜管实现免检或少检，节省费用； 通过退火工艺参数的控制来提高产品的性能，降低产品的生产成本。 正因为如此，近些年来，世界各地的研究人员在这方面开展了大量的研究工作，建 立了许多相关的物理冶金模型0 1 。在此基础上，运用一些有限元软件的二次开发功能， 如m a r c 、a b a q u s 、d e f o r m 等，就可以实现金属材料加工及热处理过程中组织演 变的计算机模拟。 1 1 2 我国铜管加工业发展现状及退火工艺模拟的必要性 我国是世界上铜管生产大国。自改革开放以来，我国铜加工业迅速发展。2 0 0 2 年， 我国铜加工材产量达2 5 1 2 万吨，跃居世界第二位，仅次于美国，特别是铜管生产技术 已经进入世界先进行列，成为世界上重要的铜管生产、进出口大国。2 0 0 2 年我国铜管产 量己达5 1 3 万吨，进口3 5 万吨，出口2 6 万吨，其中铜水管已向世界各地出口。2 0 0 4 年我国铜材加工量达4 1 6 5 万吨，超过美国的3 5 7 4 万吨，跃居世界第一位，其中铜管 产量连续两年居世界第一位，并且出现了出口大于进口。2 0 0 5 年，我国铜管产量达1 0 5 万吨，继续保持世界第一位。铜管出口达1 3 1 万吨，其中8 0 为空调管，我国已成为 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 世界上最大的空调管出口国。管材“十五”期间出口年均增长高达5 5 3 ，这充分证 明了中国铜加工材在国际市场上的竞争力明显加强，参见表l ，1 1 1 - 1 3 1 。 我国也是世界上铜管消费大国。从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，我国的铜管消费量分别为： 1 7 8 万吨，3 9 7 万吨，5 2 2 万吨，6 4 2 万吨，9 3 2 万吨和9 5 1 万吨，年均增长3 9 8 。 目前，国内铜管的消费占居整个铜消费的l 5 ，占世界铜管产量的1 5 ，这也使得我国铜 管加工大国的地位日益巩固，参见表1 1 【l l 】。 表1 1 “十五”中国铜加工材产量与消费( 万吨) t a b l e1 1p r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o no f c o p p e rm a t e r i a l sd u r i n gt h et e n t hf i v ey e a r sp l a ni nc h i n a 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 矩2 0 0 3 芷2 0 0 4 年2 0 0 5 年 十五期间年均增长 年产量1 5 9 71 8 5 8 2 5 1 2 3 1 9 54 1 6 54 6 6 82 3 9 铜管产量 1 5 13 6 85 1 36 6 39 9 71 0 5 04 7 4 进口量 7 3 77 4 19 l _ 81 0 5 61 1 9 51 1 8 71 0 0 出口量1 3 71 2 41 1 22 3 33 9 04 6 62 7 6 管材进口 4 24 73 53 2 3 33 25 4 管材出口 1 51 82 65 39 81 3 15 5 3 消费量2 1 9 72 4 7 53 2 5 84 0 1 84 9 7 ，05 3 9 ，11 9 7 铜管消费 1 7 83 9 75 2 26 4 29 3 29 5 1 3 9 8 我国铜管加工业主要集中于市场经济发达的地区，主要产地为长江三角洲、珠江三 角洲、环渤海等地斟1 4 1 。为了满足中国制冷工业和国内外市场对精密铜管的日益增长的 需求，我国已建成了河南金龙、浙江海亮、江苏高新张铜、河南洛铜集团等精密铜管生 产基地，其精密铜管产能均在3 万吨以上，表1 2 为2 0 0 5 年国内部分铜加工企业生产概 况 1 2 1 。 表1 ，2 部分铜加工企业概况( 2 0 0 5 年) t a b l e1 2g e n e r a ls i t u a t i o no f p a ne n t e r p r i s e sp r o c e s s i n gc o p p e r ( 2 0 0 5 ) 企业名称年产量吨利税万元品种 江苏张铜 1 0 4 1 9 4 1 0 8 8 7 3 管材 宁波金田 2 1 3 9 1 43 6 9 6 17 板带管棒线 浙江海亮 1 6 2 1 3 22 9 7 4 4 1 管棒线 河南金龙 1 0 0 9 2 72 3 8 4 2 ，4 精密铜管 河南洛铜 8 0 0 0 69 5 3 2 i 板带管棒线 浙江宏磊 1 9 0 5 35 9 0 74 管材 山东奥博特 4 2 5 7 7 管材 山东宏泰 2 8 5 157 0 5 3 管材 大连理丁入学硕十学位论文 “十五”期间我国的铜管生产和消费都取得了可喜的成绩，铜管生产技术取得了 重大的技术进步，但发展的同时我们也面临着许多新的问题。首先，我国铜加工企业普 遍存在生产规模小、生产分散、技术和装备先进与落后并存、产品质量不稳定、相互间 无序竞争、价格多变等弊端。其次，国外主要大型铜加工企业，如日本三井、德国威兰 德、美国奥林等均已在中国投资或将在中国投资建厂，这种局面对大都处在粗放经营、 低标准竞争阶段的中国铜加工业已构成威胁【”】。再次，我国铜资源比较短缺，铜材加工 受国际铜价影响很大。在这样的形势下，中国铜管业要在世界立于不败之地，首要的任 务是进行科技创新，提高自身的生产技术水平和管理水平。退火作为铜管加工中的一道 关键性的工序，直接控制着铜管产品的质量和性能的优劣，因此如何采用新技术，提高 铜管产品质量，降低生产成本，增强铜管产品的市场竞争力是人们共同关心的课题。为 此，我们必须充分利用现代计算机技术、自动控制技术以及现代化的实验手段对铜管退 火工艺进行大规模的技术改造。由于该领域内先进工业国家开发的新技术对我们是保密 的，他们只卖给我们先进的退火设备和应用软件，而相应的退火工艺参数、退火后铜管 产品的质量标准以及退火对铜管产品组织性能的影响等精确的量化关系并没有完全向 我们开放。因此，对一些关键性的工艺参数的确定需要依赖国内的研究机构和铜管生产 厂家进行自主开发，如组织模拟、温度场分布、性能预测等。为填补铜管加工业这一领 域的空白，河南金龙集团在国内首次提出利用计算机对铜管退火过程中的组织演变进行 计算机模拟，以此来分析铜管退火过程中的微观组织演变规律，为制定合理的退火工艺、 提高产品质量、进行工艺优化、减少检测费用和降低生产成本提供技术支持。本文工作 正是在这样的课题背景下进行的。 1 2 微观组织演变国内外研究进展 1 2 1 国外研究进展 2 0 世纪5 0 年代，i r v i n e 和p i c k e r i n g 首次提出利用数学模型预测钢材的组织变化和 最终力学性能【1 6 1 。他们的研究结果表明钢铁材料的拉伸强度与相变行为之间存在一定的 关系，如果相变行为己知，则可以通过计算得到材料的拉伸强度。2 0 世纪7 0 年代，英 国谢菲尔德大学的s e l l a r s 等人提出在轧制及冷却过程中，金属和合金发生的组织演变可 以用数学模型来描述，并对碳钢、工业纯铝和工业纯铜板轧制过程中的微观组织演变进 行了数值模拟，建立了晶粒尺寸与再结晶体积分数的半经验公式i j j 。进入8 0 年代，瑞典 金属所的s i w e c k i 等较早地开始了对再结晶控制轧制的研究，提出了5 0 再结晶时间、 再结晶奥氏体晶粒尺寸、晶粒长大尺寸与最终铁素体晶粒之间的经验关系式1 1 7 j 。波兰的 p i e t r z y k 把有限元法与组织演变模型结合起来，预测了相变前后含n b 微合金钢不同部 t f 2 铜管退火组织的数值模拟 位的温度、应力与组织演变规律l i “。a n d e r s o n 等提出一种新型的m c 程序，将其应用 于二维的晶粒长大动力学模拟，后来又将m c 法应用于再结晶和晶粒生长的尺寸分布、 拓扑学和局部动力学的研究i l ”“。r a d h a k r i s h n a n 等提出了一种修正的m o n t ec a r l o 算法 来模拟晶粒长大过程，该算法较传统的算法计算速度更快，并且短时间内晶粒长大指数 趋于稳定1 2 ”。2 0 世纪9 0 年代初，组织演变数值模拟方面的研究文章陆续出现。y a d a 和s e n u m a 提出了一种经验公式分析碳钢的微观组织演变规律 2 1 1 ”。k o p p 等建立了低碳 钢二维镦粗过程中晶粒尺寸与再结晶体积百分比的经验公式1 2 “。t i m o t h y 等研究了5 0 8 3 铝合金单道次热轧过程中的微观组织演变，采用有限元软件m a r e 计算出铝合金板热轧 过程中不同部位的再结晶体积分数及晶粒尺寸分布 2 7 1 。h i r s e h 和k a r h a u s e n 等成功地对 铝合金三机架热连轧过程中的组织演变进行了数值模拟1 2 8 1 。s h e n 等通过热模拟实验建 立了高温合金w a s p a l o y 动态再结晶、亚动态再结晶及晶粒长大的数学模型，并与有限 元法相结合预测了高温合金w a s p a l o y 二维镦粗过程中的微观组织演变 2 9 1 。s a t i o 在化学 热力学和经典形核与长大理论的基础上建立了结构钢的组织演变模型1 3 0 。m e d e i r o s 等采 用热模拟实验建立了镍基高温合金i n c o n e l7 1 8 亚动态再结晶晶粒尺寸与热交性工艺参 数间的数学模型1 3 l 】。x u 分析了碳钢环形坯料$ l s j j 过程中的静态再结副3 2 1 。j a n g 等采用 y a d a 的经验公式分析了碳锰钢热锻过程中的微观组织演变，采用有限元法计算了碳锰 钢再结晶过程中的再结晶体积分数及晶粒尺寸分布嘲。i s h i k a w a 利用商业有限元软件 d e f o r m 分析了热锻钢的微观组织演变1 3 ”。k w a k 等开发了一种有限元程序分析钢热锻 过程中的微观组织演变1 3 ”。r a p p a z 等采用c e l l u l a r a u t o m a t i o n 方法成功地模拟了凝固组 织的演变过程【3 5 1 。m a r x 等提出了一种修正的c e l l u l a ra u t o m a t i o n 算法模拟了冷变形金属 再结晶过程中的组织演变1 3 “。 在软件开发方面，奥地利奥钢联开发了名为v a i q 的热轧模拟软件，可以离线在线 预测带钢的性能1 3 ”。1 9 9 7 年7 月，林茨厂开发了一套预测低碳钢和微合金钢质量的v a i q s t r i p 系统，该系统可以预测高强度低合金钢的性能 3 8 1 ，2 0 0 1 年1 月2 0 日该系统实现了 组织性能预报。韩国浦项公司( p o s c o ) 开发了热轧板的力学性能预测系统，这个系统 由两个子系统组成：质量预测系统和控制系统1 3 9 1 。这套系统通过自动检测并且迅速校对 工艺条件使热轧板的性能更加稳定。英国英钢联开发了一套m e t m o d e l ( m e t a l l u r g i c a l m o d e l ) 热轧模拟软件，该软件即可模拟多道次变形情况下奥氏体的再结晶、n b 的析出 对再结晶的延迟作用，又可计算冷却相变过程和带钢的室温力学性能1 4 0 。德国西门子公 司开发了热轧带钢组织性能预报的商业化软件，西门予微观组织监测系统，该系统与 v a i q 和m e t m o d e l 一样，利用物理冶金模型描述热轧带钢的组织演变过程，在计算力 人连理工人学硕十学位论文 学性能时采用神经元网络1 4 l 。此外，北美、日本等国的钢铁公司也开展了相应的研究 工作。 1 2 2 国内研究进展 在国内，微观组织的数值模拟开始于2 0 世纪9 0 年代，王国栋，刘振宇等对钢的热 塑性变形过程中的组织变化规律开展了大量的研究【捌。许思广、王连生等进行了热锻过 程中动态再结晶及晶粒尺寸模拟的研究，建立了再结晶及晶粒尺寸演变的数学模型 【4 3 删。陈慧琴等采用热力耦合有限元微观模拟技术对m n l8 c r l8 n 钢热成形及冷却进行 了计算机模拟，得到了热力参数的分布状况和内部晶粒度变化的规律【4 ”。鹿守理等对 q 2 3 5 低碳钢的静态再结晶进行了研究，结合物理冶金学基本理论，采用热模拟实验建 立了q 2 3 5 低碳钢组织演变的数学模型m 。彭大暑等对铝合金热轧过程中的微观组织演 变进行了深入的研究，并通过有限元软件d e f o r m 进行了组织演变的模拟，获得了铝合 金热轧过程中再结晶体积分数及晶粒尺寸的演变规律1 4 ”。孙雷剑等基于神经网络原理， 对微合金钢热轧控制参数的选取进行研究，采用改进的b p 算法训练网络，建立了微合 金钢热轧奥氏体晶粒尺寸及流变应力神经网络模型。李淼泉等建立了钛合金组织演 变的数学模型，并与f e m 相结合实现了钛合金高温变形过程中组织演变的数值计算1 4 9 。 关小军等利用m o n t ec a r l o 法模拟了冷轧薄钢板退火组织的演变过程，得到了退火过程 中晶粒尺寸和再结晶体积分数的变化规律及冷轧压下率对再结晶的影响，实现了退火组 织的连续动态变化过程1 5 0 l 。李殿中等采用m o n t ec a r l o 法进行了纯铜静态再结晶的二维 模拟，通过监测存储能量的变化历程发现初始存储能量对纯铜的静态再结晶形核的影响 1 5 。柳百成等将c e l l u l a ra u t o m a t i o n 微观模型与宏观的传热计算相结合，对砂型铸造铝 合金的凝固组织进行了模拟，得到了形核分布参数与晶粒尺寸问的对应变化关系【5 ”。 在软件开发方面，中国科学院金属研究所开发了一套模拟软件r o l l a n 【5 引，该软 件结合工艺和物理冶金模型，可预测带钢的组织性能，现已在鞍钢投入使用。本课题组 的曲周德博士开发了一套三维m o n t ec a r l o 模拟软件，成功地模拟出普碳钢精轧过程中 的组织演变规律1 5 4 1 。东北大学【5 5 l 、北京科技大学1 5 6 】等采用物理冶金丰申经元网络等方法 开展模拟工作，这些工作得到国内许多大型钢厂的支持，如宝钢等。 目前，在微观组织的数值模拟方面，碳钢热变形的组织演变模型已经开发得比较完 善，并且开发了许多专用的软件来进行组织性能预测。而在有色金属领域( 如铜) 方面 开展的工作较少，有待进一步深入地研究。 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 1 3t p 2 铜管的应用及退火工艺研究概况 t p 2 铜管由于其良好的导电导热性、抗磁性和抗大气腐蚀，被广泛地应用于空调和 冰箱用制冷管、水管、冷凝器、蒸发器和热交换器用管、蒸气管、蒸馏装置用管。近几 年来，随着空调与制冷行业的快速发展，人们对空调与制冷设备中换热器的关键性材料 胛2 铜管提出了更严格的技术要求。不仅要求铜管细径化、薄壁化、高效传热、高 清洁度，而且对铜管的微观组织与力学性能也制定了严格的技术标准。退火在铜管的整 个生产过程中，起着至关重要的作用，不仅能提高铜管表面清洁度，而且能控制铜管内 部的微观组织和改善铜管的力学性能。针对这些新的技术标准，许多工程技术人员对铜 管退火工艺进行了深入研究。在提高铜管的表面清洁度方面，李巍【57 】从影响铜管退火表 面光亮的两个主要因素入手，通过退火工艺实验提出退火前使用酸性清洗剂去除铜管表 面的油污及退火过程中选择合适的保护性气体有助于提高铜管表面的光亮度。廖南练【5 8 】 等在钟罩炉上对三种不同吹扫方式进行试验研究，发现热吹方式对提高铜管内表面清洁 度的效果最理想。在改善铜管的组织与力学性能方面，朱茂祥【5 9 j 通过改进料架结构和内 吹扫进气口的长度，解决了井式炉退火中经常出现的铜管发硬的现象。刘占海等【6 0 疆过 实验对比分析了在线退火炉的感应频率对内螺纹母管表面质量和生产效率的影响，结果 表明采用中频感应退火即能得到表面光亮、内部组织均匀、力学性能优良的母管，又能 保持较高的生产效率。当前，由于工厂检测设备的局限性和退火环境的密闭性，退火过 程中发生的一系列变化，如温度场变化和组织演变等都无法直接、动态、连续地观察到， 间接观察也很困难。因而，对铜管退火工艺的研究大多是从宏观方面入手，而对微观方 面的变化机理研究不够、认识不足。 随着空调及制冷行业的发展，毋庸置疑，铜管的需求量会大量地增加，对铜管的技 术要求会更加苛刻，再单纯依靠传统的研究方法来提高铜管产品的质量已满足不了用户 的需求，退火工艺研究与计算机技术的结合将是一个快捷、经济、高效的研究方法。 1 4 课题来源、意义和主要研究内容 1 4 1 课题的来源和意义 本课题来源于河南金龙精密铜管集团股份有限公司的生产实际，依托中国科学院金 属研究所专用材料与器件研究部金属塑性加工组和河南金龙精密铜管集团股份有限公 司技术中心。课题组对钢、铜合金、钛合金等加工及热处理过程中不同领域的数值模拟 做了很多研究工作，对其组织演变过程进行了大量的实验和计算机模拟，在国内外专业 技术期刊上发表了多篇论文，获得了多项国家专利。河南金龙精密铜管集团股份有限公 人连理：大学硕十学位论文 司技术中心拥有4 台光学显微镜、1 台光谱分析仪、5 台曙光服务器组成的l i n u x 并行 计算机系统等仪器，并配有相应的大型商业有限元分析软件，如m s c m a r c 、 s u p e r f o r m 。课题经费来源于河南金龙精密铜管集团股份有限公司，公司拥有自己的 测试中心和热处理实验设备，能满足课题实验研究的需求。 从铜管的应用上来讲，其应用价值主要体现在： 铜管在整个铜材的生产和消费中占有很大的比重，对其进行研究具有巨大的经 济价值； 空调及制冷行业的激烈竞争，要求空调和制冷设备的性能进一步提高，进而对 铜管产品的性能提出了更高的要求，迫使铜管生产厂家在退火工艺上做出大的技术改 进： 从工厂的生产实际来讲，铜管退火工艺中还存在大量的技术问题急待解决，如 铜盘管芯层发硬、表面及芯部氧化等。要解决这些问题必须对现有退火工艺做进一步的 研究，优化和改进铜管退火工艺，减少或消除缺陷，提高铜管产品的质量； 我国各铜管企业所用的退火设备大部分是进口的，退火工艺也大多是参考国外 的技术。由于工业技术的保密需要，国外对这方面的报道很少，基本上只限于应用结果。 在我国，对退火工艺的改进大多凭经验，很大一部分的工艺参数是通过工业实验得到的， 即浪费大量的人力和物力，同时技术含量也不高。因此，对铜管退火工艺进行深入研究 有很重要的实际意义。 1 4 2 主要研究内容 本文以t p 2 铜管为研究对象，通过实验和计算机模拟相结合的方法，探讨退火过程 中铜管微观组织的演变规律，预测铜盘管退火过程中不同位置的组织分布，分析铜盘管 各部分组织性能不一致的形成原因。主要研究内容如下： 建立铜盘管退火过程的传热数学模型，利用大型有限元软件m s c m a r c 模拟铜 盘管内部的温度场分布，分析铜盘管温度场分布不均及芯层发硬的形成原因，并通过现 场测温实验验证传热模型的准确性； 通过t p 2 铜管退火实验建立铜管退火组织演变的数学模型，为退火组织演变的 数值模拟提供精确的数学模型； 基于建立的组织演变数学模型，通过热力耦合方法，利用大型有限元软件 m s c m a r c 的二次开发功能，模拟铜管退火过程中的组织演变，计算铜管的再结晶体积 分数、晶粒尺寸及残余应变，并利用计算结果分析铜盘管各部分性能不均的形成原因。 9 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 2 传热学理论与组织演变原理 2 1 t p 2 铜盘管生产工艺流程 2 0 世纪3 0 年代之前，铜管生产全部采用直拉方式进行。由于直拉方式生产出的铜管 长度较短( 有效长度一般为3 1 0 m ) ，并且直拉速度较慢( 不大于6 0 m m i n ) ，严重降 低了铜管的成材率和生产效率，不能满足用户的需求，因此人们迫切需要寻求一种快速、 高效、成材率较高的铜管生产工艺。直到1 9 2 9 年，法马赛巴科公司在这一方面取得了 重大的突破，率先采用自调式游动芯头拉伸法，能快速、高效地生产出铜盘管产品【6 1 】。 随后国内外的许多研究机构和公司在这一方面做了很多研究，开发了许多先进的铜盘管 生产工艺，如铸轧法、焊接法等。目前，铜管厂家生产t p 2 铜盘管采用的生产工艺有如 下四种： 挤压法 半连铸圆坯一挤压一冷轧一拉拔一盘拉一缠绕一退火。 上引连铸法 上引连铸管坯一冷轧一拉拔一盘拉一缠绕一退火。 铸轧法 水平连铸管坯一三辊行星轧制一二联拉三联拉一盘拉一缠绕一退火。 焊接法 铜带一对焊连接一滚压成形一卷曲成卷一结合焊接一精整一缠绕一退火。 在上述四种方法中，除了焊接法外，其它三种方法均采用了有游动芯头的盘拉技术。 本文将以河南金龙集团采用的铸轧法为例来简要介绍t p 2 铜盘管生产工艺流程，图 2 1 为铸轧法生产工艺流程图。首先将电解铜板在熔化炉内熔化，经除渣、净化后铜液流 入保温炉中进行保温，保温温度一般在11 5 0 - - - 1 2 0 0 c 。然后铜液从保温炉中流进结晶器 凝固，在凝固的过程中不断用牵引装置水平向外牵引，将凝固后的铜铸坯连续地牵引出 来。随后对铜铸坯进行铣面，以去除其外表面的一层氧化皮，避免轧制中出现氧化物夹 杂。再将铣过面的铸坯送入三辊行星轧机中进行轧制，经轧制后，铜铸坯发生大变形， 铸坯外径由8 0 m m 减少至1 4 8 m m ，壁厚由2 0 m m 减少到2 3 m m 。接着将轧制好的铜管进行 二联拉和圆盘拉伸，使铜管进行多道次减径减壁，以加工到规定的铜管尺寸。随后将铜 管在精整机上进行水平缠绕，做成一定尺寸规格的铜盘管。最后将铜盘管放入退火炉中 退火，使铜盘管的性能指标达到用户的技术要求。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1t p 2 铜盘管生产工艺流程图 f i g 2 1t h ep r o d u c t i o nf l o wc h a no f t p 2c o p p 盯t u b e c o i l 图2 2j u n k e r 退火炉 f i g 2 2j t m k e r e a l i n gf u r n a c e 2 2t p 2 铜盘管j u n k e r 炉退火工艺流程 2 2 1j u n k e r 炉简介 t p 2 铜管在冷加工过程中要产生加工硬化，其强度指标( 如o b ) 不断增加，塑性指 标( 如6 ) 不断降低直至被拉断。为了使其能继续进行冷加工，必须采用中间退火来消 除内应力，使铜管的组织结构发生变化，从而降低强度，提高塑性。目前，铜盘管退火 的形式主要有三种：周期式退火，连续式退火，通过式在线感应退火。从金龙集团实际 生产来看，铜盘管退火中生产效率最高、装炉量最大、适应管型最多的退火炉应为j u n k e r 退火炉，图2 2 为j u n k e r 退火炉的实物图和横截面示意图。j u n k e r 退火炉由德国 o t t o j u n k e r 公司制造【6 2 l ，技术比较成熟，可用于内螺纹坯管和外翅片坯管的中间退 t p 2 铜管退火组织的数值模拟 火，也可用于直管、蚊香盘管、内螺纹管和光管的成品退火。退火过程中可对铜盘管进 行内吹扫，采用计算机控制，自动化程度高，该炉属连续式退火炉。j u n k e r 退火炉主要 由八部分组成：进