中厚板差温轧制厚度均匀性研究.docx
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中厚板差温轧制厚度均匀性研究
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)外产生250℃~350℃的温差,利用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-ControlledRolling)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,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。
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容之一。
近年来,国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围,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(SuperOn-LineAcceleratedCooingforHotStripMill)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,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(HighDensityCooling)。
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,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。
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敬业3000mm、首4300mm和鞍钢4300mm等中厚板生产线[35-42]。
目前日本、国以及国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。
图2UFC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,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,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、出辊后工作的弹性恢复、工具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:
在体积不可压缩条件:
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:
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:
如果每个单元的体积变形速度
较大,将引起值增大;而要求的是的最小值,所以这个单元的
将受到惩罚。
当新泛函取驻值时,
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
从而
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。
相华、吴迪等利用这一方法在国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
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