界面特性对特厚板轧制复合效果的影响机理研究

发布时间：2017-03-01 14:56

第 1 章  绪   论 

1.1  课题研究背景 
随着世界经济和社会的不断发展，各国国家都加快了对基础设施的建设进程，我国也在不断地增加基础建设。对特厚钢板的市场需求量越来越大。厚度大于 150mm的特厚钢板在高压容器、海洋工程、核/水电工程、工程机械、化工装备、军事装备等重大装备领域应用广泛，每年需求量达到几十万吨，需求巨大[1]。特厚板产品对其使用性能要求高且生产难度大，国内只有少数几家大型钢企可以生产，很多高性能的特厚板还依赖从发达国家进口，特别是厚度大于 300mm 的特厚板材，国内还基本是空白。为提高特厚板的使用安全性，对特厚板的强度等力学性能要求越来越高，且特厚板在生产制造过程中必须要达到大压缩比、低屈强比、Z 向性能良好和缺陷率低等一系列的要求[2]，从而确保特厚板的质量和使用性能。为了达到特厚板在实用过程中满足各项性能指标，特厚板的生产新技术开发一直受到各国的关注和重视。 2015 年初国家提出了中国制造 2025 计划，并在《中国制造 2025》重点领域技术路线图中明确指出：要加强特厚复合板的研究与开发，并提出了轧制复合板的要求：开发符合组坯工艺、高效焊接、在线固溶等轧制复合板关键技术、解决生产优质坯料厚度 500-900mm  的产出率低、能耗高技术难点，开发系列复合板产品，满足化工、海水淡化、能源等特种行业对材料的特殊要求。 目前，国内外在特厚板生产制造过程中主要采用的是模铸、电渣重熔、连铸和轧制复合等方法[3,4]。 模铸钢锭是现在特厚板生产的主要原料，模铸法虽然具有可生产大尺寸的铸锭、易于操作且其内部组织洁净度高的优点；但其也具有明显的缺点，钢锭内部偏析无法避免、存在头尾偏析严重的致命缺陷、项目投资大、能耗大、效率低、金属综合成材率低，钢锭的内部质量无法保证。电渣重熔法是目前一种比较先进的特厚板坯生产方法，其工作原理是将钢材做成自耗电极，然后以熔渣的电阻热为热源使自耗电极熔化，渣洗消除内部的气体和杂质，再借助结晶器熔池上下的极大温差使钢水凝固成钢锭。优点是获得的钢坯内部质量好、可控性高、可生产大型钢锭等；但其缺点是生产效率低、能耗大、成本高、灵活性差、氟污染严重。连铸板坯主要供薄板和中厚板生产用料，优点是浇铸速度快、可进行连续生产、成材率高、效率高，缺点是设备投资高，受到板坯尺寸、技术和设备方面的限制，，生产特厚板压缩比不够，轧制后的钢板中经常出现夹杂物，难以满足 100mm 及以上厚度特厚板的生产质量要求。 
.....

1.2  特厚板国内外研究现状 
国际上特厚板的发展时间较长，技术相对较成熟。早在第二次世界大战之前，世界强国如美德日、前苏联等都分别建造了特厚板轧机[5-7]，随着世界市场对特厚板的需求不断增加，很多国家都陆续建立了宽厚板轧机。日本和德国等是特厚板的生产大国，引领着当今世界的厚板轧机装备和技术发展[8-10]。相对于国外的特厚板研究，我国国内的特厚板研究起步较晚[11]。经过几十年的飞速发展我国已经具备一定的特厚板生产能力，但一些性能要求高的特厚板仍然无法满足生产和使用要求，仍需要从日本、德国等厚板强国进口，严重制约了我国经济的发展。 爆炸复合法是现在复合板生产中应用较多的一种方法，其主要过程是借助炸药爆炸时产生的巨大能量而获得高压，使两块集体板材高速相撞，依靠巨大的冲击波和板材材料之间的摩擦使结合表面的氧化膜破裂并清除，并借助爆炸过程中产生的爆炸热和摩擦热，使结合面上的金属实现原子间的冶金结合，从而实现金属间的复合过程[13]。目前，主要应用在石化、宇航、冶金、电力等领域[14,15]。 
....

第 2 章  考虑复合界面的特厚板复合轧制力学模型

2.1  特厚板复合轧制力学模型的建立
特厚板复合轧制时两块连铸坯上下对称轧制，结合特厚复合板轧制特点，认为理论状态下轧制压下量不存在偏差，板坯复合界面处的粗糙度可测等，考虑复合界面的剪切应力，对特厚板复合轧制过程进行力学建模。由于特厚板复合轧制的非线性，为了保证计算速度和精度，对模型进行合理假设，如下： 1）轧辊为刚体，轧件为理想弹塑性体；2）轧件变形属于平面变形，不考虑轧件的宽展；3）轧制过程中上下板材在紧密贴合，不存在滑动状态；4）轧制过程中界面存在剪切应力，且上下板的剪切应力方向相反；5）上下板材大小一致，不存在形状和尺寸偏差；6）上下工作辊的轧制工艺参数相同。
.........

2.2  特厚板复合轧制界面复合的判定准则
虽然不少国内外的科学家针对金属复合理论模型进了研究，并取得了一定的成果[56,57]，但均没有提出较为定量的准确模型。主要公式模型如下。实际轧制过程中的表达复合界面结合强度的理论模型到目前还没有一个统一的定论，仁者见仁，智者见智。因此，提出较为准确的理论模型对特厚复合板的生产具有重要意义，本文考虑了特厚板坯复合界面处的剪切应力作用，提出了特厚板复合轧制界面复合的判定准则，旨在揭示特厚板坯界面的复合机理。 表面的粗糙度状况影响复合板坯轧制过程的摩擦状态，直接影响复合界面的机械作用机制和摩擦作用机制，影响复合表面金属界面的破裂程度和露出新鲜活泼金属的程度，进而也影响扩散和再结晶作用机制的进行。其中如果复合表面粗糙，机械变形起作用，使摩擦系数增大；如表面光滑，分子吸引起作用，使摩擦系数增大。故用粘着的实际接触面积来表达在金属复核过程中所起的机械啮合作用和摩擦作用。
..........

第 3 章  基于特厚复合板轧制过程有限元模拟 ..... 19 
3.1  有限元理论及 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍 ...... 19 
3.2  特厚板复合轧制有限元模型的建立 .... 19 
3.3  仿真结果分析与讨论 .... 23
3.4  本章小结 ........ 33 
第 4 章  特厚板复合轧制界面特性实验方案 ......... 34
4.1  实验准备 ........ 34 
4.2  实验方案 ........ 34 
4.3 Gleeble 实验与轧制实验方法对比 ........ 39 
4.4  本章小结 ........ 39 
第 5 章  特厚复合板模拟实验结果分析 ......... 41 
5.1  金相实验结果分析与讨论 .... 41
5.2 力学性能分析 ........ 57
5.3  相应的生产工艺措施 .... 62
5.4  本章小结 ........ 62 

第 5 章  特厚复合板模拟实验结果分析

结合有限元仿真模拟分析结果进行模拟实验，具体模拟实验结果及分析如下。其中图 5-1 到图 5-16 中的图片，左侧为轧件边部取样，右侧为轧件中心部取样，100μm为放大 200 金相图片，40μm 为放大 500 倍进行图片。 

5.1  金相实验结果分析与讨论

界面复合强度主要采用观察特厚板复合界面的组织形态及孔洞大小和数量，并综合拉伸实验中复合轧件的断裂性质确定。如果轧件的微观组织观察发现特厚板复合后的界面不明显，与基体组织差异不大，且在拉伸实验中轧件的抗拉强度和屈服强度已经达到了基体的要求，就认为复合板已经达到了理想的复合效果.结合有限元仿真模拟中的轧件变形规律，制定了不同的特厚板心部压下率对复合效果的影响。由于实际厚板生产过程中压缩比都会达到 2:1 以上，且通过相关文献查阅到当特厚板只有 10%压下率时，复合界面清晰可见且连续，心部大范围的的内部未产生复合，故模拟压下率的影响采用的是从 20%-40%不等的压下率进行分析验证。具体不同压下率的轧制参数如表 5-1 所示，模拟实验中的轧制速度都是在 1m/s的轧制速度下进行的。 

............ 

结   论 

本文针对特厚复合板坯在轧制过程中复合界面处开裂、板坯复合性能不好等问题出发，建立了判定特厚复合板坯界面复合效果好坏的理论模型，并基于有限元仿真模拟和实验得到了不同界面特性对特厚复合板坯复合效果的影响规律。主要结论如下： 
1.考虑了复合板坯在轧制过程中复合界面处存在剪切应力，推导了考虑特厚复合板坯的轧制力学模型，提出了相应的判定特厚复合板坯复合效果的判定准则。 
2.针对界面特性对特厚板坯轧制复合效果的影响，采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件建立了仿真模型，确定了界面特性对复合效果的影响规律。随着压下率的提高，复合界面处的等效应变和应力增大，复合界面处的等效压下率应该达到30%-40%；摩擦系数在 0.3 附近对复合界面复合最为有利；为了保证轧制效率和质量，应采用 1m/s 的轧制速度；随着温度的不断升高复合界面的等效应变和应力都呈现增大趋势，在 1050℃条件下进行复合轧制效果最经济。 
3.进行了特厚板复合轧制实验和 Gleeble-3800 热模拟实验，分析了界面特性对特厚复合板复合效果的影响规律。当复合板坯心部变形率增加到 35%时结合面区域只有很少的小孔洞存在，当增加压下率达到 40%之后，复合板坯已经达到了理想的复合效果。随着复合界面粗糙度的提高复合效果明显提高，当表面粗糙度为 Ra12.5 和Ra6.3 时，已经可以达到要求的复合效果。轧制复合温度的提高对界面复合效果的提高具有明显的改善的作用。轧制复合界面真空度越高越有利于特厚板的实现良好的复合。 
.........
参考文献(略)

本文编号：246729