《材料加工新技术》赵红亮

1、材料加工新技术材料加工新技术赵红亮 (教授)材料科学与工程学院材料科学与工程学院课程性质与目的课程性质与目的: :介绍性质,不专注于太具体的 东西目的是开阔思维,抛砖引玉,力争为学生课题的开展提供一个思路课程内容：课程内容：近终形成型技术半固态加工技术金属的塑性成型新工艺材料加工中的计算机模拟材料与人类文明材料与人类文明 材料是现代文明的支柱材料是现代文明的支柱v材料是人类生存的基础材料是人类生存的基础 ( Basis ) v材料是人类发展的标志材料是人类发展的标志 ( Mark )v材料是科技创新的先导材料是科技创新的先导 ( Lead )材料制备方法材料制备方法IM(Ingot Metal

2、lurgy) 熔铸法熔铸法 熔熔(melting)、炼、炼(refining)、铸、铸(casting) 铸件铸件(castings) 机加工机加工(machining)零件零件 铸坯铸坯(ingots)塑性成形塑性成形(plastic forming) 热处理热处理(heat treatment)机加工机加工零件零件PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)压型压型(pressing)烧结烧结(sintering)SF(Spray Forming) 喷射成型法喷射成型法材料成型方法材料成型方法 铸造铸造(pour-casting,

3、 die-casting) 例如：汽车轮毂（例如：汽车轮毂（Al、Zn）、活塞（）、活塞（Al）、）、 手机外壳（手机外壳（Mg）等）等 塑性成形塑性成形 (plastic forming) 挤压挤压(extrusion)、轧制、轧制(rolling)、拉拔、拉拔(drawing)、 冲压冲压(punching)、锻造、锻造(forging) 焊接（焊接（welding) 切削切削 (cutting) 粉末成型粉末成型 (powder forming) 复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）近终形成型技术材料加工新技术之一材料加工新技术之一连铸出的直接为坯，不

4、再需要初轧开坯! 连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机械化和自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年，中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至96.95%，达到国际先进水平。 1.连铸技术连铸技术 自70年代以来，钢铁工业从追求产量粗放型的规模扩张走上了注重质量、节能降耗、结构优化，使我国由钢铁大国走向钢铁强国的新路子：u一

5、方面，用户对钢材质量、性能的要求越来越高。u另一方面，由于竞争激励，厂家需要不断尽可能地降低成本。为了应付激烈的市场竞争，发达国家的钢铁企业投入了大量的资金和人力开发新的工艺技术。 其中近终形连铸技术是近20年来最为瞩目的成就之一，它包括薄板坯连铸和薄带坯连铸两种。 模铸、传统连铸、薄板坯连铸和薄带坯连铸工艺过程对比 钢液钢液 铸锭铸锭 均热均热 初轧初轧 加热加热 热粗轧热粗轧 热精轧热精轧 冷轧冷轧模铸模铸 传统连铸传统连铸 薄板坯连铸薄板坯连铸 薄带连铸薄带连铸 工工 艺艺 生生 产产 工工 序序 目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而大多数薄

6、带坯连铸技术仍主要处于实验室研究而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连年，在连铸技术领域，传统连铸占铸占40，薄板坯连铸占，薄板坯连铸占50，薄带坯连铸占，薄带坯连铸占10。目前发展状况目前发展状况: : 冶金工业结构调整的主要内容是品种结构、冶金工业结构调整的主要内容是品种结构、工艺及技术装备结构、组织结构、布局和资源结工艺及技术装备结构、组织结构、布局和资源结构的调整，其中工艺及技术装备是构的调整，其中工艺及技术装备是冶金冶金工业结构工业结构调整

7、的核心内容。调整的核心内容。 因此，大力开发节能、降耗、因此，大力开发节能、降耗、短流程的钢铁生产新技术，就称为当前摆在冶金短流程的钢铁生产新技术，就称为当前摆在冶金工作者面前的突出任务。工作者面前的突出任务。 冶金工业结构调整的核心冶金工业结构调整的核心2. 近终形连铸技术 近终形连铸近终形连铸（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。断面的形状、尺寸。 近终形连铸的优点可省去开坯、初轧，甚至可免去整个热轧工序，

8、使设备投资和过程能耗大为降低；因断面尺寸接近成品，总轧制变形量减小，减少了机架数量，进而降低基建投资。应用薄板坯连铸生产热轧带钢，已使生产带卷的成本大大降低，正在研究中的薄带连铸的工业应用，将会带来进一步的革命性变化，这其中之一将是取消热连轧机组。 2.1 薄板坯连铸薄板坯连铸 薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。 世界上第一台薄板坯连铸机于世界上第一台薄板坯连铸机于1989年在美国年在美国Nucor 公司的公司的Crawfordsville工厂投产。工厂投产。 进入进入90年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国年代以来，薄

9、板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国西马克和德马克公司开发的西马克和德马克公司开发的CSP和和ISP技术进展很快外，奥钢技术进展很快外，奥钢联开发的联开发的Controll技术、意大利达涅利公司开发的技术、意大利达涅利公司开发的FTSC技术、技术、美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。 北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年年8月月26日，日，我

10、国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（CSP）在）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h，与需，与需要要28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低传统工艺约低50美元美元/吨。吨。 基本假设基本假设 反向凝固低碳钢母带和凝固层结合很好，已完全熔合成一体。且同属低碳钢类，因此建立模

11、型时认为为同一种材料。 因为b/h100/1010，所以可忽略宽展，采用二维分析模型 轧制过程中认为温度恒定。 轧辊认为是刚性的，带坯认为为弹塑性材料。 假定带坯与轧辊间没有相对滑动，即忽略前、后滑。 假定带坯符合Mises屈服准则以及相关的流动法则，采用各向同性硬化法则，将材料简化为双线性模型。 结束选择坐标系和单元类型，定义材料特性和实常数实体建模，生成带坯实体模型对带坯进行网格划分，生成实体单元在带坯表面实体单元上建立接触单元在轧辊表面建立目标单元加载和设置边界条件设置求解控制对每一载荷子步循环形成单元刚度矩阵Newton-Raphson法迭代集合成整体刚度矩阵代入矩阵方程求解 满足收敛

12、准则否？将该载荷子步的计算结果写入结果文件 载荷子步循环结束否？将最终结果写入数据库对计算结果进行处理：图形显示或数据列表开始否否是是前处理器求解器后处理器定义导航节点对每一载荷步循环 载荷步循环结束否？是否 带坯的网格变形图带坯的网格变形图 带坯的应变场带坯的应变场 带坯的应力场带坯的应力场 带坯x方向的位移场 第四部分、复合材料高温轧制有限元解析 模型的建立 仍通过实体建模的方式来建立分析模型。 由于两层金属的屈服强度不同，且在1250时的数值又均较小，实践证明，这给程序的收敛带来很大困难。为解决此问题，一方面需要采取尽量细分网格的办法，另一方面就是要采用极小的时间步长。但网格的细分会造成网格数量过多，使计算量加大，计算时间延长。为此，在建立有限元分析模型