馬江澤,周存龍,張校誠

(太原科技大學(xué) 山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

·實(shí)驗(yàn)研究·

壓下率和異速比對異步軋制復(fù)合板平直度影響

馬江澤,周存龍,張校誠

(太原科技大學(xué) 山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

傳統(tǒng)4層對稱軋制限于設(shè)備能力無法軋制大厚度復(fù)合板，直接進(jìn)行雙層軋制實(shí)驗(yàn)成本太高。文中用大型商業(yè)動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA模擬不銹鋼/碳鋼復(fù)合板異步軋制過程，確定壓下率為15%時(shí)，異速比為1.08時(shí),平直度可以達(dá)到30I以下。最終，根據(jù)這個(gè)模擬結(jié)果，指導(dǎo)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的軋制試驗(yàn)，可以得到不平度較好地軋制結(jié)果。用有限元模擬不銹鋼/碳鋼復(fù)合板非對稱異步軋制結(jié)果，對類似的復(fù)合板軋制具有參考作用。

異步軋制；壓下率；異速比；平直度

0 前言

根據(jù)某化工廠的具體要求，需要厚度70 mm以上的不銹鋼復(fù)合板，由于厚度過大，限于現(xiàn)有軋機(jī)的條件，加熱爐能力和軋機(jī)能力不足，只能選擇兩層非對稱異步軋制進(jìn)行制備。

復(fù)合板的異步軋制是指通過上下軋輥的不同速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)性能差異較大的金屬間的復(fù)合和總厚度比較大的金屬板的復(fù)合[1]。異步軋制復(fù)合充分利用了基層與覆層表面上強(qiáng)烈的相對滑動(dòng):既為原子擴(kuò)散界面形成提供了溫度 ，又加速了表面氧化層和硬化層的破裂，促使新鮮金屬暴露。因此，這種相對滑動(dòng)增大了軋制變形量，但是卻使軋制力降低，這不僅可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，而且減小了設(shè)備的損耗[2]。利用異步軋制可以生產(chǎn)高強(qiáng)度和高表面質(zhì)量的復(fù)合板，并且節(jié)約能源，延長設(shè)備使用壽命[3]。異步軋制出的復(fù)合板并不平直，而是有規(guī)律的向一側(cè)金屬彎曲。這是由于不同特性的金屬在軋制過程中發(fā)生的延伸變形不同，變形抗力較大的一側(cè)金屬被壓縮，使板出現(xiàn)明顯的翹曲[4]。

杜金龍[2]等人在《異步軋制板帶變形規(guī)律的有限元模擬》中模擬熱軋板帶鋼的三維軋制模型研究異速比對板帶的影響，但軋件厚度比較?。积嬘袢A等[5]人在《軋制304/Q235復(fù)合板工藝研究》中通過熱軋工藝實(shí)驗(yàn)研究組織性能分析，得到軋制工藝。但是他們研究的復(fù)合板基材是Q235，而且復(fù)合板厚度較小。

為了解決304/Q345大厚度復(fù)合板翹曲的問題需要大量的實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)際中通過如此大的不銹鋼/碳鋼復(fù)合軋制試驗(yàn)，板坯制作費(fèi)用很高。有限元ansys軟件有很強(qiáng)的模擬分析功能，使用有限元模擬的方法，可以探知通過試驗(yàn)難以觀察到的變形和應(yīng)力分布情況，以及進(jìn)行多個(gè)不同條件下的大規(guī)模仿真試驗(yàn)，可以最大限度的優(yōu)化出雙層非對稱軋制不銹鋼/碳鋼的最佳工藝參數(shù)。模擬分為兩部分：①異速比確定，優(yōu)化出最佳道次壓下率；②道次壓下率相同，選擇出最佳異速比，最后用模擬結(jié)果指導(dǎo)了軋制試驗(yàn)。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模擬方案與幾何模型的確定

實(shí)驗(yàn)方案及幾何模型參數(shù)見表1。

表1 軋制模型幾何參數(shù)和軋制工藝參數(shù)

直接在ansys里按點(diǎn)線面的方式建模，幾何模型建立之后，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示，即離散幾何模型。本模擬計(jì)算中，將幾何模型劃分成四面體單元，單元數(shù)量第一組為47100個(gè)，第二組49680個(gè)。

圖1 軋制模型的網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing of rolling model

1.2 初始條件

不銹鋼304熱加工塑性溫度區(qū)間為930～1 280 ℃,Q345R熱加工塑性溫度區(qū)間為930～1 300 ℃。為了更好地是兩種金屬通過熱軋達(dá)到原子的相互擴(kuò)散，冶金結(jié)合，本模擬加熱溫度為1 200 ℃.

1.3 材料力能參數(shù)確定

復(fù)合板的軋制速度均為0.65 m/s。復(fù)合板的基層材料是Q345R，復(fù)層材料是不銹鋼304，其在1 200 ℃實(shí)驗(yàn)條件下物理性能見表2[5-6]。

表2 1 200 ℃不銹鋼304與碳鋼Q345R的性能

2 結(jié)果分析

2.1 壓下率與異速比對板形的影響

板形隨壓下率變化曲線如圖2a所示，從圖中可以看出，壓下率在15%時(shí)板形基本平直，隨著壓下率的增大，復(fù)合板彎曲程度有變大的趨勢。

隨著壓下率的增大兩種材料的延伸率都增大，但因?yàn)椴讳P鋼304的變形抗力比Q345R大，所以下層碳鋼延伸得比上層不銹鋼程度大，但上下層設(shè)定始終接觸的，這就必然導(dǎo)致復(fù)合板向上彎曲。隨著壓下率的增大，這種上下層的延伸差異會(huì)變大，這就是彎曲程度隨壓下率增大而變大的原因。

圖2 不同壓下率和不同異速比的板形彎曲曲線Fig.2 Curves under different pressure rate and speed rate

隨異速比變化的彎曲情況如圖2b，從圖中可以看出異速比為1.08時(shí)板形基本平直。整體來看，隨著異速比的增大，異步軋制軋件軋后彎曲程度先是減小，等達(dá)到1.08時(shí)軋件平直，其后隨著異速比的增大，軋件發(fā)生反彎。

正如上面所述，由于兩種材料抗拉強(qiáng)度的差異，在同等單獨(dú)受力的情況下Q345R要比不銹鋼304變形容易，延伸更大。但是當(dāng)上下輥異速比大于1時(shí)，上層不銹鋼304受到上輥輥速的影響，延伸則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)增量值。此時(shí)，當(dāng)該增量值小于材料本身的延伸差時(shí)，復(fù)合板向上彎曲；當(dāng)該增量值等于材料本身延伸差時(shí)，復(fù)合板就可以實(shí)現(xiàn)軋后平直不彎曲；當(dāng)該增量值大于材料本身延伸差時(shí)，復(fù)合板向下彎曲。

2.2 壓下率與異速比對剪切應(yīng)力差值的影響

碳鋼與不銹鋼在結(jié)合界面處接觸單元的剪切應(yīng)力差值隨壓下率變化如圖3a所示。隨著壓下率的增大，上下層界面處切應(yīng)力的差值越來越大，這可以理解為界面處上下兩層受力不均勻，而壓下率越大，不均勻程度就越大，導(dǎo)致復(fù)合板彎曲程度越來越大。從剪應(yīng)力差值也可看出15%壓下率時(shí)最平直。

圖3 復(fù)合界面上下金屬的剪切應(yīng)力差值Fig.3 Shear stress difference of upper and lower composite interface

碳鋼與不銹鋼在結(jié)合表面接觸界面單元的切應(yīng)力差值隨異速比變化曲線，如圖3b所示。隨著異速比增大，碳鋼側(cè)與不銹鋼側(cè)切應(yīng)力的差值先變小后變大，這是由于異速比增大，加大了原來比較小的上層金屬的剪切應(yīng)力，所以剛開始切應(yīng)力差值變小。異速比繼續(xù)增大，上層切應(yīng)力繼續(xù)增大，超過了下層的切應(yīng)力，導(dǎo)致切應(yīng)力差值隨異速比增大而增大。從圖中可看出異速比1.08時(shí)，切應(yīng)力差值最小，而此時(shí)復(fù)合板最平直。

2.3 根據(jù)模擬指導(dǎo)現(xiàn)場軋制的結(jié)果

根據(jù)模擬指導(dǎo)現(xiàn)場選用壓下率為15%異速比1.08軋制結(jié)果如圖4所示。

覆版為304不銹鋼，基板為Q345。板坯尺寸：2 000 mm×1 200 mm×(113+20)mm，用臨鋼中板廠粗軋機(jī)進(jìn)行軋制。上輥直徑1 000 mm，下輥直徑930 mm，最大軋制力為5 0 MN，軋機(jī)功率為5 000 kW×2，軋制溫度為 1 200 ℃，軋制速度為1 m/s.從圖中可以看出復(fù)合板平直，平直度為22 I。

圖4 現(xiàn)場軋制復(fù)合板Fig.4 Composite plate rolled on-line

3 結(jié)論

本文利用有限元軟件對不銹鋼復(fù)合板異步熱軋復(fù)合過程進(jìn)行了模擬分析，并經(jīng)軋制實(shí)驗(yàn)。得出：

(1)模擬結(jié)果表明在1 200 ℃的軋制溫度下，其他條件一定，復(fù)合板彎曲度隨著壓下率的增大而增大，隨著異速比的增大先是彎曲度較小，然后反向增大。不銹鋼304與碳鋼Q235非對稱異步軋制的最佳壓下率是15%，最佳異速比是1.08。

(2)軋制試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的結(jié)果。在1 200 ℃壓下率15%異速比1.08的情況下得到了滿足平直度要求的復(fù)合板平直度達(dá)到22I。

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The effect of different reduction and speed rate on the flatness of asymmetrical rolling clad plate

MA Jiang-ze，ZHOU Cun-long，ZHANG Xiao-cheng

(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024,China)

Traditional 4 layer symmetrical rolling can’t rolling big thickness of composite panels limited to its equipment power, while double rolling experiments directly costs too much. In this paper，asymmetrical rolling of stainless steel clad plate was simulated in ANSYS/LS-DYNA. The flatness was detected below 30 when reduction rate was 15% and different speed rate was 1.08. Based on this result，asymmetrical rolling experiment gained better plate flatness. It has reference function for similar rolling.

asymmetrical rolling；reduction rate; different speed rate; flatness

2016-02-21；

2016-03-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1510131)

馬江澤(1989-)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料軋制研究。

TG335.5+1

A

1001-196X(2016)03-0020-04