材料加工新技術(shù)(新,簡(jiǎn)化快速凝固)

材料加工新技術(shù)

趙紅亮(教授)材料科學(xué)與工程學(xué)院課程性質(zhì)與目的:介紹性質(zhì),不專注于太具體的東西目的是開(kāi)闊思維,拋磚引玉,力爭(zhēng)為學(xué)生課題的開(kāi)展提供一個(gè)思路課程內(nèi)容：近終形成型技術(shù)半固態(tài)加工技術(shù)快速凝固技術(shù)金屬的塑性成型新工藝材料加工中的計(jì)算機(jī)模擬材料與人類文明材料是現(xiàn)代文明的支柱材料是人類生存的基礎(chǔ)(Basis)材料是人類發(fā)展的標(biāo)志(Mark)材料是科技創(chuàng)新的先導(dǎo)(Lead)材料制備方法IM(IngotMetallurgy)熔鑄法

熔(melting)、煉(refining)、鑄(casting)

鑄件(castings)機(jī)加工(machining)零件鑄坯(ingots)塑性成形(plasticforming)熱處理(heattreatment)機(jī)加工零件PM(PowderMetallurgy)粉末冶金法

制粉(powdermaking)壓型(pressing)燒結(jié)(sintering)SF(SprayForming)噴射成型法材料成型方法

鑄造(pour-casting,die-casting)

例如：汽車輪轂（Al、Zn）、活塞（Al）、手機(jī)外殼（Mg）等

塑性成形(plasticforming)

擠壓(extrusion)、軋制(rolling)、拉拔(drawing)、沖壓(punching)、鍛造(forging)焊接（welding)切削(cutting)粉末成型(powderforming)復(fù)合成型（鑄軋、鑄擠、鍛軋、擠軋等）近終形成型技術(shù)材料加工新技術(shù)之一連鑄出的直接為坯，不再需要初軋開(kāi)坯!

連續(xù)鑄鋼技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是鋼鐵生產(chǎn)中繼氧氣轉(zhuǎn)爐后又一次重大的技術(shù)革命。它取消了傳統(tǒng)模鑄中的初軋開(kāi)坯工序，具有節(jié)約能源、降低消耗、節(jié)省投資、機(jī)械化和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù)。目前不少發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)全連鑄。一個(gè)國(guó)家的連鑄水平已成為衡量這個(gè)國(guó)家鋼鐵生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志。90年代初，中國(guó)連鑄比僅為30%，到2000年，中國(guó)連鑄比已達(dá)85.3%，到2007年，中國(guó)連鑄比躍至96.95%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

連鑄技術(shù)

自70年代以來(lái)，鋼鐵工業(yè)從追求產(chǎn)量粗放型的規(guī)模擴(kuò)張走上了注重質(zhì)量、節(jié)能降耗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使我國(guó)由鋼鐵大國(guó)走向鋼鐵強(qiáng)國(guó)的新路子：一方面，用戶對(duì)鋼材質(zhì)量、性能的要求越來(lái)越高。另一方面，由于競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)，廠家需要不斷盡可能地降低成本。為了應(yīng)付激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼鐵企業(yè)投入了大量的資金和人力開(kāi)發(fā)新的工藝技術(shù)。

其中近終形連鑄技術(shù)是近20年來(lái)最為矚目的成就之一，它包括薄板坯連鑄和薄帶坯連鑄兩種。近終形連鑄（Near-Net-ShapeContinuousCasting）是指使連鑄坯的斷面尺寸在保證鋼材性能、質(zhì)量的前提下，盡量接近最終鋼材斷面的形狀、尺寸。

模鑄、傳統(tǒng)連鑄、薄板坯連鑄和薄帶坯連鑄工藝過(guò)程對(duì)比

鋼液

鑄錠

均熱

初軋

加熱

熱粗軋

熱精軋

冷軋模鑄

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·傳統(tǒng)連鑄

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·薄板坯連鑄

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·薄帶連鑄

·

·工藝生產(chǎn)工序

目前，薄板坯連鑄技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，而大多數(shù)薄帶坯連鑄技術(shù)仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷還有待進(jìn)一步解決。日本預(yù)測(cè)，到2020年，在連鑄技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)連鑄占40％，薄板坯連鑄占50％，薄帶坯連鑄占10％。目前發(fā)展?fàn)顩r:近終形連鑄的優(yōu)點(diǎn)可省去開(kāi)坯、初軋，甚至可免去整個(gè)熱軋工序，使設(shè)備投資和過(guò)程能耗大為降低；因斷面尺寸接近成品，總軋制變形量減小，減少了機(jī)架數(shù)量，進(jìn)而降低基建投資。應(yīng)用薄板坯連鑄生產(chǎn)熱軋帶鋼，已使生產(chǎn)帶卷的成本大大降低，正在研究中的薄帶連鑄的工業(yè)應(yīng)用，將會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的革命性變化，這其中之一將是取消熱連軋機(jī)組。

1、鋼的薄板坯連鑄

薄板坯連鑄是介于傳統(tǒng)連鑄和薄帶連鑄之間的一種工藝。世界上第一臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)于1989年在美國(guó)Nucor公司的Crawfordsville工廠投產(chǎn)。此后，薄板坯連鑄連軋工藝迅猛發(fā)展。除德國(guó)西馬克和德馬克公司開(kāi)發(fā)的CSP和ISP技術(shù)進(jìn)展很快外，奧鋼聯(lián)開(kāi)發(fā)的Controll技術(shù)、意大利達(dá)涅利公司開(kāi)發(fā)的FTSC技術(shù)、美國(guó)蒂平斯公司和韓國(guó)三星重工公司共同開(kāi)發(fā)的TSP技術(shù)都陸續(xù)被采用，各種技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展迅速。

北京鋼鐵研究總院也研制了我國(guó)第一臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)，安裝在蘭州鋼鐵集團(tuán)公司。1999年8月26日，我國(guó)引進(jìn)的第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線（CSP）在廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司投產(chǎn)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程采用計(jì)算機(jī)控制，從廢鋼入爐到熱軋成板只需2.5h，與需要28h的傳統(tǒng)工藝相比，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)帶鋼的成本（從鋼水到熱帶）較傳統(tǒng)工藝約低50美元/噸。

鋁合金哈茲列特連鑄連軋工藝2、鋁的薄板坯連鑄

一:工藝背景二:國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)哈茲列特工藝特點(diǎn)哈茲列特工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)車身板研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)一:工藝背景鋁加工工業(yè)的發(fā)展,鋁材市場(chǎng)需求增大.產(chǎn)能產(chǎn)量迅猛增加.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性矛盾突出.節(jié)能降耗形式嚴(yán)峻.哈茲列特工藝節(jié)能、減排，有利于可持續(xù)發(fā)展.加快我國(guó)鋁加工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)。車身鋁合金化,減輕汽車自重.提高燃油效率,減少污染.有利于緩解能源,環(huán)保,安全三大問(wèn)題.降低成本.提高性能.從1978年的29.6萬(wàn)噸,2007年增加到1255.9萬(wàn)噸,年均遞增13.8%,連續(xù)七年位居第一1978年鋁材產(chǎn)量?jī)H10.56萬(wàn)噸,1990年39.38萬(wàn)噸,2000年217.15萬(wàn)噸,2007年1175.9萬(wàn)噸.自2006年起世界第一我國(guó)鋁加工業(yè)存在中低端鋁板帶材產(chǎn)品過(guò)多，生產(chǎn)能力相對(duì)過(guò)剩，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，企業(yè)效益空間相對(duì)變小的局面。而高附加值、高技術(shù)含量的高端鋁板帶材如電子工業(yè)用電子鋁箔、罐用深沖鋁板、汽車、飛機(jī)用鋁板等，由于技術(shù)上的原因仍主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2007年4月，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》。單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右、主要污染物排放總量減少10％。

2007年6月3日新華社受權(quán)發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》。

2008年４月１日起施行《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》,使節(jié)約資源成為我國(guó)基本國(guó)策。

利用高效節(jié)能新技術(shù)哈茲列特連鑄連軋工藝,通過(guò)優(yōu)化成分,熱處理退火軋制工藝,研究開(kāi)發(fā)低成本高性能的鋁合金車身板生產(chǎn)工藝.達(dá)到節(jié)能降耗、降低成本、提高板材質(zhì)量、縮短交貨期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

二.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.1.哈茲列特工藝特點(diǎn)2.2.哈茲列特研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.3.車身板研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.1.哈茲列特工藝特點(diǎn)1.鋁板帶坯主要生產(chǎn)工藝直冷鑄錠熱軋工藝雙輥連續(xù)鑄軋工藝哈茲列特連鑄連軋工藝優(yōu)點(diǎn):熱軋產(chǎn)品深加工性能好,可軋制各系鋁合金,其最先進(jìn)的方式是熱連軋.缺點(diǎn):投資大.高能耗,高排放.流程短,能耗低.我國(guó)國(guó)內(nèi)的鋁板帶雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)基本上只能用于純鋁和3000系鑄軋板的生產(chǎn)，已經(jīng)滿足不了國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的對(duì)多種鋁合金板帶箔產(chǎn)品的需求

常規(guī)鑄軋板帶組織不均勻,深加工性能差,主要用于鋁箔毛料,和散熱片毛料和對(duì)深加工性能要求不高的部分薄板.

哈茲列特鑄造機(jī)后接3機(jī)架的熱連軋機(jī).省去了鑄錠鋸切,銑面,加熱或均熱等工序.生產(chǎn)率高.明顯節(jié)能降耗.生產(chǎn)線布局簡(jiǎn)單.投資少,能耗低,產(chǎn)品成本低.2.哈茲列特工藝優(yōu)勢(shì)高產(chǎn)率節(jié)能降耗減排環(huán)保生產(chǎn)合金產(chǎn)品范圍寬國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用工藝參數(shù)的比較帶材厚度產(chǎn)能噸/時(shí)/米2米寬生產(chǎn)線產(chǎn)能千噸/年雙輥式鑄造機(jī)3-7mm1.2-2.410-25哈茲列特雙帶式鑄造機(jī)13-21mm(鑄造);1-2mm(在線熱軋帶)25-27250-300哈茲列特工藝與雙輥鑄軋工藝參數(shù)的對(duì)比:產(chǎn)能大(10-20倍),合金及產(chǎn)品范圍廣.哈氏:保溫→鑄造→熱軋→1-2mm鑄軋:保溫→鑄軋→冷軋(耗能多)直冷:保溫→鑄造→鋸頭銑面→均勻化→熱粗軋(量大)→熱精軋→冷軋1.冶煉廠旁建哈氏生產(chǎn)線2.用重熔鋁錠為原料建哈氏生產(chǎn)線3.冶煉廠旁建直冷生產(chǎn)線4.用重熔鋁錠為原料建直冷生產(chǎn)線1.冶煉廠旁建哈氏生產(chǎn)線2.用重熔鋁錠為原料建哈氏生產(chǎn)線3.冶煉廠旁建直冷生產(chǎn)線4.用重熔鋁錠為原料建直冷生產(chǎn)線惰性氣體保護(hù):

控制氧化.控制熱傳輸速度.它可以根據(jù)Agema掃描系統(tǒng)顯示的結(jié)果,在鋼帶寬度方向上改變氣體的配方和用量有選擇地對(duì)冷卻速度進(jìn)行區(qū)域性調(diào)節(jié).磁力支撐輥:

在鋼帶的各支撐軸上套上磁力環(huán),采用Nd-Fe-B為主的強(qiáng)磁性材料做磁體以磁化與鋼帶相接觸的翅片,這種磁體不必與鋼帶緊密貼合便可將鋼帶緊緊吸靠在支撐輥上,從而可控制鋼帶與鋁水大面積接觸時(shí)的熱變形.鋼帶的感應(yīng)預(yù)加熱1.防止鋼帶進(jìn)入模腔時(shí)發(fā)生的冷箍及彎曲和熱變形2.干燥鋼帶表面的水汽.感應(yīng)預(yù)加熱到150°C可很方便地趕掉夾帶在鋼帶表面和永久性涂層中的水汽.ESPTM涂層:采用永久性Matric涂層,基本采用陶瓷物質(zhì),用火焰或等粒子噴涂在鋼帶表面.根據(jù)不同合金固化條件的需要,通過(guò)改變涂層厚度,粗糙度,多孔性及化學(xué)組分可獲得所需的公稱固化速率.從而獲取合金坯的最佳表面質(zhì)量.正在試產(chǎn)的合金預(yù)示哈茲列特工藝未來(lái)商業(yè)生產(chǎn)方向以及巨大的市場(chǎng)潛力和社會(huì)效應(yīng).諸多實(shí)踐已證明,哈茲列特工藝已能生產(chǎn)含鎂較高(4.5%)的合金和含銅較高的AA2024合金..拓寬合金系新產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)車身板研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)最常用的汽車用鋁合金有2xxx,5xxx和6xxx系合金,這些合金板材通常采用鑄錠熱軋法生產(chǎn),成本高.6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si合金具有強(qiáng)度和塑性的良好組合，綜合性能優(yōu)，油漆烘烤強(qiáng)化效應(yīng)好，焊接性能好。但成形性能有待提高.對(duì)6000系鋁合金的研究1)優(yōu)化合金成分和各種加工工藝,提高成形性能(添加少量多種合金元素,退火軋制工藝)2)高效節(jié)能低成本鋁合金板材的開(kāi)發(fā)(哈茲列特工藝)美國(guó)能源部及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與阿萊銳斯公司一起研發(fā)用于汽車的AA5754合金,已被通用汽車公司和福特汽車公司認(rèn)可,用于制作18種汽車部件.福特汽車公司指出對(duì)用哈氏工藝生產(chǎn)的5754車身用結(jié)構(gòu)鋁合金板(內(nèi)板1-3mm,3-3.5%Mg)成形性能和疲勞性能測(cè)試,其機(jī)械性能接近于直冷鑄造熱軋工藝.福特公司汽車結(jié)構(gòu)用5754鋁合金板哈茲列特工藝和直冷鑄錠熱軋工藝性能對(duì)比3、鋼的薄帶連鑄

作為生產(chǎn)扁平材的近終形連鑄技術(shù)，帶鋼連鑄工藝生產(chǎn)的鋼帶較之薄板坯連鑄更接近于最終產(chǎn)品的形狀，也就是連鑄帶鋼更薄一些。它可將鋼水直接澆鑄出1～10mm厚的鋼帶，不經(jīng)熱軋或稍經(jīng)熱軋（1～2個(gè)機(jī)架），即可進(jìn)行冷軋，而產(chǎn)品的性能和質(zhì)量仍可與常規(guī)生產(chǎn)的產(chǎn)品相媲美。薄帶連鑄能大大降低基建投資和生產(chǎn)成本，是鋼鐵工業(yè)令人關(guān)注的新工藝，也是最熱門的研究課題之一。

省卻熱軋而只有帶坯連鑄和冷軋兩大步驟的冷軋帶鋼生產(chǎn)線于1999年11月在德國(guó)克虜伯·蒂森·尼羅斯塔的不銹鋼廠投產(chǎn)。隨熱軋一起省掉的還有退火、酸洗、運(yùn)輸?shù)纫幌盗休o助工序和設(shè)備，稱之為超短流程生產(chǎn)線。整條機(jī)組長(zhǎng)75m，帶坯寬1050mm～1350mm，厚1.5mm～4.5mm，連鑄速度每分鐘在100m以上。主要有3種方法：

1.單輥連鑄

2.雙輥連鑄

3.輥帶連鑄

薄帶連鑄分類單輥連鑄單輥法又稱為熔－拖法，圖1為其工作原理示意圖。鋼水從中間包流出，直接澆到旋轉(zhuǎn)輥上，由于鑄輥的冷卻作用使其凝固，形成薄帶。圖1

單輥帶鋼連鑄示意圖

單輥連鑄缺點(diǎn):

單面凝固會(huì)造成產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，且長(zhǎng)度方向厚度也可能不均勻。另外，帶鋼的寬度也不易控制。據(jù)報(bào)道，生產(chǎn)的高粘度材料，如奧氏體不銹鋼和Ni3Al帶的表面質(zhì)量較好，奧氏體不銹鋼帶的機(jī)械性能也與常規(guī)產(chǎn)品相當(dāng)，但普碳鋼

和硅鋼的的質(zhì)量較差。

雙輥連鑄:

雙輥連鑄又稱雙輥鑄軋，圖2為其工作原理示意圖。由兩個(gè)鑄輥和端面?zhèn)确獍鍢?gòu)成鋼水池，鋼水經(jīng)浸入式澆鑄系統(tǒng)控制，送入輥口，薄帶坯厚度通過(guò)調(diào)節(jié)輥縫的大小來(lái)控制。圖2雙輥帶鋼連鑄示意圖

雙輥連鑄

其中，兩個(gè)鑄輥的直徑可以相等，也可以不等；其軸線布置可以是水平的或傾斜的。根據(jù)鑄輥直徑可以分為等徑雙輥連鑄和異徑雙輥連鑄；根據(jù)軸線布置又可分為水平雙輥連鑄和傾斜雙輥連鑄。由于雙輥連鑄實(shí)現(xiàn)的是雙面冷卻，其冷卻速率較單輥連鑄的大，澆鑄的薄帶坯厚度可大些。

國(guó)外的新日鐵與三菱重工合作，于1985年開(kāi)始雙輥鑄軋不銹鋼薄帶技術(shù)的研究，所建立的鑄軋?jiān)囼?yàn)機(jī)可以生產(chǎn)寬800mm、長(zhǎng)1330mm的帶卷。生產(chǎn)的帶卷表面無(wú)裂紋且組織結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能和抗腐蝕性能達(dá)到或超過(guò)用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的帶鋼。此后，澳大利亞的BHP公司、意大利的AST公司、法國(guó)的Usinor公司和韓國(guó)的浦項(xiàng)鋼鐵公司也相繼進(jìn)行了雙輥鑄軋技術(shù)的研究，都取得了一定的研究成果。國(guó)內(nèi)東北大學(xué)自1958年開(kāi)始進(jìn)行薄帶鋼鑄軋方面的研究，在自制的連續(xù)鑄軋?jiān)囼?yàn)機(jī)上鑄軋出了1～2mm厚、260mm寬的球墨鑄鐵板和變壓器硅鋼帶。

1983年建立了1號(hào)異徑雙輥式鑄軋機(jī)。1990年3月又建成了2號(hào)異徑雙輥式薄帶鑄軋機(jī)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度可調(diào)，配有磨輥裝置，等離子切割機(jī)和小型熱軋機(jī)等。成功鑄軋出2mm×207mm的高速鋼薄帶。鑄軋出的薄帶坯經(jīng)小變形量的熱軋，可做切口銑刀和下料機(jī)的鋸條，使用性能良好。

國(guó)內(nèi)雙輥連鑄的發(fā)展

“八五”期間，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了近終形鑄軋研究室并建成了薄帶鋼鑄軋?jiān)囼?yàn)線，完善了熔煉和測(cè)試手段，鑄軋出的W6高速鋼薄帶的表面質(zhì)量和邊部質(zhì)量大大提高。

1998年，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的雙輥鑄軋研究又被列為國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目。

國(guó)內(nèi)雙輥連鑄的發(fā)展

上海鋼鐵研究所從1985年開(kāi)始對(duì)雙輥薄帶連鑄技術(shù)進(jìn)行研究，他們?cè)陔p輥薄帶連鑄機(jī)上成功地澆出了合格的冷軋不銹鋼帶坯，獲得了雙輥薄帶連鑄機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)

。

國(guó)內(nèi)雙輥連鑄的發(fā)展

在薄帶連鑄技術(shù)中，雙輥技術(shù)占據(jù)主流，其中尤以等徑雙輥連鑄技術(shù)發(fā)展最快，為多數(shù)鋼鐵公司所開(kāi)發(fā)。雙輥連鑄存在的技術(shù)難題為：

輸送鋼水的動(dòng)量會(huì)引起鋼水池紊流，影響產(chǎn)品質(zhì)量；帶鋼的寬度難以控制；帶鋼的板形控制：由于鑄輥受周期性溫度的變化而導(dǎo)致變形的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)生產(chǎn)的薄帶坯表面帶來(lái)影響；鋼液液面的控制和鋼液防止二次氧化技術(shù)；雙輥兩側(cè)的側(cè)封技術(shù)和側(cè)封板的選用；輥縫和軋制力的控制較為困難。雙輥連鑄存在的問(wèn)題

在此工藝中，鋼水由中間包澆到活動(dòng)帶上，活動(dòng)帶由安裝在下部冷卻箱內(nèi)的噴嘴噴水冷卻，鑄坯表面由上輥壓平。升起上輥，可進(jìn)行左右表面連鑄操作，鑄機(jī)后部還安裝了一對(duì)拉坯輥（如圖3所示）。

輥帶連鑄

圖3輥帶連鑄示意圖1－鋼液；2－鋼液供料裝置；3－上輥；4－冷卻室；5－運(yùn)輸帶；6－薄帶產(chǎn)品；7－拉出裝置。

瑞典的梅福斯公司和德國(guó)的曼內(nèi)斯曼·德馬克公司合作對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。但輥帶技術(shù)工藝控制復(fù)雜，且寬度不能調(diào)節(jié)，鋼液的喂入也很困難。

輥帶連鑄

鋁的雙輥鑄軋工藝的特點(diǎn)：結(jié)晶器為兩個(gè)帶水冷系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鑄軋輥，鋁熔體在其輥縫間完成凝固和熱軋變形兩個(gè)過(guò)程，而且是在很短的區(qū)間(鑄軋區(qū))與很短的時(shí)間內(nèi)(2～3s)完成的。它不同于連鑄連軋，后者實(shí)質(zhì)上是將薄錠坯鑄造與熱軋連續(xù)進(jìn)行，即金屬熔體在連鑄機(jī)結(jié)晶器中凝固成厚約20mm的坯后，再在后續(xù)的連軋機(jī)上連續(xù)熱軋成供冷軋用的帶坯或成品板帶材，鑄造和熱軋是兩道獨(dú)立工序。4、鋁的雙輥薄帶鑄軋

50年代初，美國(guó)亨特公司最先研制成功雙輥式連鑄機(jī)，熔化的鋁液經(jīng)過(guò)鑄嘴，通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的水冷輥的輥縫，冷卻凝固成為“鑄軋板”。由于水平所限，該連鑄機(jī)對(duì)鋁合金帶坯的厚度、寬度及合金成分均有所限制。

60年代初，相繼出現(xiàn)3C鑄軋機(jī)和亨特鑄軋機(jī)，生產(chǎn)的鋁合金帶坯寬度可達(dá)2m，合金品種更廣。鋁雙輥薄帶鑄軋發(fā)展

我國(guó)從1964年就開(kāi)始研究鑄軋法生產(chǎn)卷材，1977年?yáng)|北輕合金加工廠研制成功第一臺(tái)下鑄式鑄軋機(jī)，并試軋出鑄軋板。70年代末，華北鋁業(yè)有限公司制造出我國(guó)第一臺(tái)鑄軋機(jī)，用作生產(chǎn)鋁板帶箔的坯料，從此我國(guó)的鑄軋機(jī)開(kāi)始投入工業(yè)性生產(chǎn)。此后鑄軋技術(shù)在國(guó)內(nèi)有了飛速發(fā)展，鑄軋機(jī)型號(hào)不斷改進(jìn)，式樣也推出多種。在工藝技術(shù)上也有長(zhǎng)足進(jìn)步，增加了在線除氣、過(guò)濾裝置、細(xì)化晶粒裝置等手段，從而提高了金屬的純潔度，使鑄軋板質(zhì)量得到很大的提高。其中洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)院、諑神有色金屬加工設(shè)備公司等在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與制造方面做了許多卓有成效的工作。鋁雙輥薄帶鑄軋發(fā)展

截止到2012年底，全球已擁有超過(guò)793臺(tái)雙輥薄帶鑄軋機(jī)。其中意大利的法塔亨特鑄軋機(jī)有160臺(tái)，法國(guó)的3C式鑄軋機(jī)175臺(tái)。中國(guó)擁有雙輥式鑄軋機(jī)約有460臺(tái)，占全球總數(shù)的58%，國(guó)內(nèi)已有超過(guò)10家企業(yè)能生產(chǎn)此類鑄軋機(jī)。經(jīng)過(guò)30多年的努力，中國(guó)已成為一個(gè)名副其實(shí)的鋁帶坯鑄軋工業(yè)王國(guó)，鑄軋機(jī)制造大國(guó)。鋁雙輥薄帶鑄軋發(fā)展

雖然薄帶鑄軋技術(shù)在我國(guó)和世界上得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，但傳統(tǒng)的鑄軋工藝存在的問(wèn)題是：鑄軋速度慢(1m/min)、鑄軋鋁帶厚度較大(6mm左右)、鑄軋板成分偏析、組織不均勻、各向異性嚴(yán)重、深加工性能差、可鑄軋的合金品種少，其產(chǎn)品品種和應(yīng)用領(lǐng)域受到很大限制，目前主要用于鋁箔毛料和對(duì)深加工性能要求不高的部分薄板。在這些缺點(diǎn)當(dāng)中，較低的鑄軋速度是其中最為關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，它直接影響生產(chǎn)率的大小。鋁的超薄高速連續(xù)鑄軋技術(shù)

鋁的超薄高速連續(xù)鑄軋技術(shù)

針對(duì)常規(guī)鑄軋工藝存在的主要問(wèn)題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相斥巨資開(kāi)發(fā)超薄高速連續(xù)鑄軋技術(shù)。它能在傳統(tǒng)雙輥鑄軋的基礎(chǔ)上，將鑄軋速度提高10倍以上，金屬的凝固速度提高10-100倍，并進(jìn)行60%-80%的大塑性變形，從而提高生產(chǎn)率2-3倍，使鋁合金帶坯獲得更加優(yōu)良的組織和性能。目前，在美國(guó)、盧森堡、法國(guó)等地已相繼建成了雙輥、四輥等類型各異的快速連續(xù)鑄軋超薄鋁合金帶坯生產(chǎn)線。在國(guó)內(nèi)，對(duì)鋁合金鑄軋新技術(shù)與設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)，也已被列為產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，由高校、院所和企業(yè)合作開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)，研制成套設(shè)備并建設(shè)生產(chǎn)線。

電解鋁液直接鑄軋鋁加工面臨流程長(zhǎng)、能耗高的巨大挑戰(zhàn)（1）熱軋坯法工藝流程（2）鋁錠重熔鑄軋坯法工藝流程電解鋁液重熔鑄錠銑面加熱熱軋冷軋成品鑄錠（3）電解鋁液直接鑄軋坯法工藝流程鑄軋冷軋成品鑄錠重熔電解鋁液鑄軋冷軋成品電解鋁液節(jié)能1500kWh/噸節(jié)能600kWh/噸開(kāi)發(fā)高效、低耗短流程化關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目前，我國(guó)大多采用鋁錠重熔法生產(chǎn)鋁加工材，工藝流程長(zhǎng)、能耗高、質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。鋁液短流程合金化及塑性成型加工制備高品質(zhì)鋁加工材屬鋁工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，既符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，也將推動(dòng)鋁工業(yè)技術(shù)的重大進(jìn)步！節(jié)能降耗是現(xiàn)階段我國(guó)鋁工業(yè)所面臨的重大而緊迫的戰(zhàn)略問(wèn)題！中國(guó)政府鄭重承諾：到2020年單位GDP碳排放比2005年減少40%至45%。發(fā)改運(yùn)行（2007）709號(hào)文指出：調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，發(fā)展高精鋁板帶箔及高速薄帶鑄軋生產(chǎn)技術(shù)，推廣高效率低能耗、環(huán)保型鋁加工新工藝技術(shù)，提高電解鋁液直接鑄軋比例。高溫電解鋁液→熔煉爐(或混合爐)→取樣分析成分→加入廢料和中間合金→第一次精煉→導(dǎo)爐→調(diào)整溫度至750±5℃→第二精煉→Al—Ti—B絲變質(zhì)→陶瓷過(guò)濾→鑄軋帶卷→冷軋成箔毛料→中間退火→箔軋→分切→箔材成品。

生產(chǎn)工藝傳統(tǒng)的鑄軋生產(chǎn)鋁箔毛料采用的是鋁錠重新熔化再進(jìn)行鑄軋的工藝。而電解鋁液直接鑄軋是利用電解鋁液直接實(shí)現(xiàn)鑄軋生產(chǎn)，提高了成品率，降低了成本。電解鋁液是直接從電解槽里抽出的,特點(diǎn)是:

(1)溫度高,最高溫度可達(dá)1000℃以上,屬于過(guò)熱金屬。(2)含氫量大,吸氫已達(dá)飽和狀態(tài),氫含量可達(dá)0.56mL/100

gAl。(3)雜質(zhì)含量高,除含F(xiàn)e、Si等雜質(zhì)元素外,還含有冰晶石、氟化鹽等金屬及非金屬化合物,使鋁液懸浮大量的金屬及非金屬化合物。電解鋁液直接鑄軋?zhí)攸c(diǎn)

由于電解鋁液的自身特點(diǎn)，其注入混合爐給后續(xù)的鑄軋、冷軋、箔軋、退火等生產(chǎn)工藝的制定和控制增加了一定難度；鋁液溫度過(guò)高，容易吸氣，使含氫量增加。鋁液溫度過(guò)高，結(jié)晶時(shí)有效形核率低，嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。電解鋁液直接鑄軋技術(shù)難點(diǎn)

如何在電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)中采取有效措施使鋁箔毛料的含氫量控制在0.12mL／(100gA1)以下是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；如何解決電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)中有效形核率低的問(wèn)題，獲得細(xì)小的晶粒組織是需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。技術(shù)關(guān)鍵電解鋁液為過(guò)熱金屬,金屬雜質(zhì)較多,熔煉前爐內(nèi)首先加入30%的固體鋁廢料,再加入電解鋁液。加入的固體鋁廢料,化學(xué)成分必須均勻,無(wú)水分、污染、雜物等。電解鋁液加入前,首先用石棉漏勺除去表面浮渣,然后通過(guò)石棉網(wǎng)過(guò)濾后加入熔煉爐內(nèi);生產(chǎn)高質(zhì)量帶坯產(chǎn)品時(shí),還必須用固體精煉劑在開(kāi)口包內(nèi)精煉鋁液,除去表面浮渣后才能加入爐內(nèi)。熔煉的質(zhì)量控制1、電解鋁液的加入及熔煉鋁液的導(dǎo)入：鋁液從熔煉爐導(dǎo)入靜置爐是非常關(guān)鍵的工序。因?yàn)殍T軋為連續(xù)生產(chǎn),不允許停機(jī)。導(dǎo)爐前,必須觀察鑄軋機(jī)運(yùn)行情況、靜置爐內(nèi)鋁液情況和金屬溫度。一般要求在鑄軋卸卷時(shí)進(jìn)行導(dǎo)爐,并且靜置爐內(nèi)鋁液深度在100mm以上;導(dǎo)爐前后靜置爐內(nèi)鋁液溫度差不大于±3℃。

熔煉的質(zhì)量控制2、鋁液的靜置及精煉

鋁液的精煉：(1)精煉劑選用CCl4(5%)+Ar(95%,純度99.995%)(2)精煉CCl4分解出Cl2Cl2+Al→AlCl3↑

Cl2+H2→HCl↑

通過(guò)化學(xué)反應(yīng),CCl4分解的Cl2與氫、Al反應(yīng)生成AlCl3和HCl氣體,除去鋁液中一部分氫,同時(shí)產(chǎn)生的氣體和Ar氣靠負(fù)壓帶走鋁中的氫,也帶走鋁液中懸浮的Al2O3等金屬和非金屬夾雜物。

熔煉的質(zhì)量控制2、鋁液的靜置及精煉

鋁液從靜置爐出來(lái)后,經(jīng)流槽、精煉箱、過(guò)濾箱進(jìn)入前箱,通過(guò)鑄嘴經(jīng)軋輥冷卻鑄軋成帶坯,這個(gè)過(guò)程是產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵。1、流槽質(zhì)量流槽是用來(lái)導(dǎo)流鋁液的,其性能要求:有一定的強(qiáng)度,保溫性能好,便于清理,對(duì)鋁液不產(chǎn)生污染。立板前對(duì)流槽必須烘烤,采用整體流槽,要窄而深,上面有蓋板,防止散熱和吸氣,流槽清理不干凈或裸露太多會(huì)引起吸氣和造渣,從而引起帶坯質(zhì)量問(wèn)題。

在線精煉、過(guò)濾、晶粒細(xì)化和溫度控制

2、精煉箱精煉箱容積的選擇對(duì)除氣、除渣效果很重要。除氣箱的大小與除氣轉(zhuǎn)子氣體的壓力、流量以及鑄軋產(chǎn)量有關(guān)。一般要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為200r/min,氣體壓力為0.4N/mm2,而且鋁液從除氣箱到前箱的時(shí)間不小于10min。精煉劑一般選用高純氮?dú)?其精煉原理與靜置爐內(nèi)的相同。精煉用氮?dú)獾募兌纫_(dá)到99.999%,壓力不小于0.15N/mm2,經(jīng)除氣箱在線精煉后氫含量要不大于0.12mL/(100gAl）。

在線精煉、過(guò)濾、晶粒細(xì)化和溫度控制

3、過(guò)濾采用陶瓷板過(guò)濾技術(shù)。一般采用分級(jí)過(guò)濾法:一級(jí)過(guò)濾采用25~30目的過(guò)濾板;二級(jí)過(guò)濾采用35~40目的過(guò)濾板。過(guò)濾板一般2~3天更換一次,通過(guò)過(guò)濾徹底過(guò)濾掉熔體中的夾渣。

4、在線細(xì)化晶粒采用70%的電解鋁液和30%的固體廢料為原料；由于電解鋁液為過(guò)熱金屬,鑄軋時(shí)晶粒形核數(shù)量相對(duì)要少一些。因此,采用Al-Ti-B細(xì)化劑細(xì)化晶粒；細(xì)化劑質(zhì)量的好壞、加入的方式、加入的量、加入的溫度,加入細(xì)化劑到鑄軋之間的時(shí)間間隔,對(duì)帶坯的質(zhì)量影響較大。5、反向凝固法生產(chǎn)薄帶

反向凝固思路的提出單輥、雙輥及輥帶連鑄要進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，一些問(wèn)題還有待進(jìn)一步解決和完善：選擇哪些鋼種才能將薄帶坯作冷軋料；完善封閉澆鑄技術(shù)、側(cè)封技術(shù)、薄帶厚度的均勻性、薄帶要達(dá)到的寬度等；薄帶的表面質(zhì)量更一直是需要解決的核心問(wèn)題。

反向凝固思路的提出

此外，薄帶連鑄工藝還存在一個(gè)先天難以克服的問(wèn)題：成品冷軋帶鋼的板形偏差按EN10051的標(biāo)準(zhǔn)為<2％，這在常規(guī)生產(chǎn)時(shí)只需在粗軋機(jī)上或精軋機(jī)頭兩、三個(gè)機(jī)架即可得以保證。但在薄帶連鑄工藝中，其生成的帶鋼厚度通常小于10mm。從軋制理論上講厚度小于10mm的薄帶，軋制時(shí)幾乎沒(méi)有橫向流動(dòng)。這是由于軋制厚度較薄的鋼板時(shí)，起主導(dǎo)作用的摩擦力限制了材料在輥縫中的橫向流動(dòng)。這樣在后步工序中，無(wú)法對(duì)任何厚度偏差進(jìn)行修正。反向凝固思路的提出

因此對(duì)要熱軋的帶鋼或?qū)?000mm、厚小于10mm（即寬/厚>100）的直接澆鑄帶鋼要求其在寬度方向上厚度偏差必須小于2％，凸度也必須小于所要求的2％的極限值。而單輥、雙輥及輥帶連鑄的厚度偏差為5～10％，很明顯它們難以滿足要求。

這些問(wèn)題的出現(xiàn)就促使冶金工作者去探索新的薄帶生產(chǎn)工藝，以滿足越來(lái)越苛刻的用戶要求。于是，德國(guó)阿亨大學(xué)的科研人員近年來(lái)提出了一種薄帶鋼生產(chǎn)的全新方法：反向凝固法。

反向凝固思路的提出5.1反向凝固的工藝過(guò)程

反向凝固工藝是利用一冷軋或熱軋帶作為母帶，母帶以一定速度從凝固器內(nèi)的鋼水中穿過(guò)，鋼水在母帶表面凝固，形成新生相的新工藝，如圖4所示。

圖

4反向凝固工藝示意圖1－平整輥；2－未經(jīng)平整的帶坯；

3－鋼液；4－反向凝固器；5－母帶。

因凝固方向與傳統(tǒng)凝固方向相反，凝固面從里向外推移，故稱為反向凝固。在凝固器上方安放有一對(duì)平整輥，用于對(duì)處于高溫狀態(tài)的新生相進(jìn)行初軋。所以反向凝固后的鋼帶不需要向外散發(fā)凝殼所需要的熱量，相反在此工序的平整軋制中能充分利用這種澆鑄熱。同時(shí)，也正是由于此平整軋制過(guò)程，才使反向凝固鋼帶的表面質(zhì)量得到保證，這也是反向凝固優(yōu)于其它薄帶連鑄技術(shù)的一個(gè)重要方面。5.2反向凝固工藝的特點(diǎn)

工藝簡(jiǎn)單，省去了許多連鑄裝置：反向凝固工藝不但省去結(jié)晶器，而且由于反向凝固后的薄帶不需要形成堅(jiān)固外殼，因此就不需要水冷，省去了水冷設(shè)備。另外，還省去了一半以上的軋制工序，大大縮短了生產(chǎn)線。

充分利用澆鑄熱，并節(jié)約軋制能耗：傳統(tǒng)的連鑄工藝，在結(jié)晶器中因?yàn)橐纬梢粋€(gè)堅(jiān)固的坯殼，必須放掉一部分熱量，其余熱量在二冷區(qū)中放掉。而反向凝固工藝不需要形成堅(jiān)固外殼而放熱，相反，熱量被用于下步的高溫軋制工序。

5.2反向凝固工藝的特點(diǎn)

產(chǎn)品質(zhì)量好。（a）母帶對(duì)新生相有激冷作用，有利于晶粒細(xì)化；（b）凝固組織均勻，無(wú)宏觀偏析，材質(zhì)性能好；（c）反向凝固工藝中鋼水的熱量自母帶表面向母帶中心傳遞，凝固過(guò)程自內(nèi)向外進(jìn)行，從根本上避免了傳統(tǒng)凝固過(guò)程中可能出現(xiàn)的中心疏松問(wèn)題；（d）優(yōu)良的表面質(zhì)量。在凝固器上方，有一對(duì)平整輥，它能對(duì)從凝固器出來(lái)的鋼帶及時(shí)進(jìn)行高溫平整，易于獲得厚度均勻，表面平整的帶坯。

5.2反向凝固工藝的特點(diǎn)易于生產(chǎn)復(fù)合鋼板。母帶和凝固層只要采用的是不同鋼種，生產(chǎn)出的即為復(fù)合材料，因此進(jìn)行復(fù)合材料的生產(chǎn)非常方便。與生產(chǎn)復(fù)合材料的其它方法相比（如鍛壓法、粉末冶金法、焊接法、軋制復(fù)合法及爆炸復(fù)合法等），反向凝固具有明顯的優(yōu)越性。通過(guò)調(diào)節(jié)母帶寬度，其產(chǎn)品的寬度就可以根據(jù)市場(chǎng)需要而靈活變化。此方面反向凝固方法具有比其它薄帶連鑄工藝獨(dú)特的優(yōu)越性。

5.2反向凝固工藝的特點(diǎn)

能源消耗低：反向凝固后的薄帶厚度一般是母帶厚度的6倍。這樣，一條1mm厚的母帶在通過(guò)反向凝固器后，其厚度可達(dá)到6mm，經(jīng)平整軋制后厚度為5mm，最終冷軋成1mm厚的薄帶。將其中的20％用于循環(huán)生產(chǎn)，作為下次的母帶，80％作為成品銷售，保證了高的生產(chǎn)率，從而會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。改善了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)平衡。占地的減少和能源消耗的降低可以帶來(lái)明顯的環(huán)境效益。

德馬克公司設(shè)計(jì)的反向凝固工藝流程圖

5.3反向凝固工藝的研究情況北京科技大學(xué)和東北大學(xué)合作，申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目－“反向凝固生產(chǎn)薄帶技術(shù)基礎(chǔ)研究”，并在北京科技大學(xué)冶金實(shí)驗(yàn)室建造了一臺(tái)包括高溫平整軋機(jī)在內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備。北京科技大學(xué)主要負(fù)責(zé)凝固部分，東北大學(xué)則負(fù)責(zé)軋制部分的研究工作。目的是通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究，獲得最佳的反向凝固工藝參數(shù)，弄清與工藝過(guò)程有關(guān)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，為反向凝固技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供完整的工藝?yán)碚撘罁?jù)。

5.4有色金屬的熱浸鍍反向凝固最初是針對(duì)鋼和鋼之間的復(fù)合而提出的，但現(xiàn)在鋁熱浸鍍鋁、鋼熱浸鍍銅等有色金屬的復(fù)合有時(shí)也被稱之為反向凝固，并且正處于積極的研究之中。熱浸鍍法是將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，經(jīng)較短時(shí)間形成合金鍍層。當(dāng)浸鍍時(shí)間極短時(shí)，所形成的鍍層只是附著層而不是擴(kuò)散層，因而與基體金屬結(jié)合不牢固，因此一般在熱浸鍍后還要加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散，以形成合金層。熱浸鍍法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作。

5.4有色金屬的熱浸鍍

目前，有色金屬的熱浸鍍法已廣泛應(yīng)用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等，其產(chǎn)品主要集中在帶材和線材。國(guó)際上也已采用此法進(jìn)行無(wú)氧銅桿（線坯）的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝過(guò)程如圖6所示。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)東北大學(xué)的于九明教授帶領(lǐng)研究生對(duì)鋼線的熱浸鍍銅工藝進(jìn)行了較為深入的研究，在實(shí)驗(yàn)室建立了一套連續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，取得了一定的研究成果。

圖6浸漬成形法生產(chǎn)工藝流程圖

1－電解銅板；2－真空裝料機(jī)；3－輥道；4－預(yù)熱爐；5－組合爐；6－石墨坩堝；

7－冷卻室；8－上傳動(dòng)；9－冷卻管；10－張力調(diào)節(jié)器；11－直列式軋機(jī)；

12－冷卻管；13－吹干器；14－探傷儀；15－張力調(diào)節(jié)器；16－繞桿機(jī)；17－成品桿；

18－主傳動(dòng)；19－扒皮裝置；20－導(dǎo)向裝置；21－拉絲機(jī)；22－種子桿（芯桿）

5.5反向凝固與熱浸鍍的區(qū)別不難看出，反向凝固的工藝原理與已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的有色金屬的熱浸鍍法非常相似。但由于鋼的熔點(diǎn)高，操作起來(lái)遠(yuǎn)比有色金屬困難。例如，連續(xù)化生產(chǎn)時(shí)，有色金屬的熱浸鍍不用擔(dān)心鋼帶（線）在有色金屬液中熔化，而對(duì)于鋼的反向凝固來(lái)說(shuō)，凝固時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，母帶會(huì)迅速在凝固器內(nèi)的鋼液中熔化，這樣整個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程就要中止，而且還可能在凝固器底部出現(xiàn)漏鋼事故。

材料加工新技術(shù)之二:半固態(tài)加工技術(shù)材料加工新技術(shù)之三:快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)（rapidsolidification）概述可以說(shuō)60年代，快速凝固概念形成，并在多種合金體系當(dāng)中觀察到了亞穩(wěn)效應(yīng)在快速凝固領(lǐng)域中的幾個(gè)主要標(biāo)志1960年Duwez及其同事發(fā)明“槍”技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新時(shí)代。（106k/s），這年的工作發(fā)現(xiàn)，凝固工藝可以改變材料的組織結(jié)構(gòu)，包括：擴(kuò)大固溶極限形成新型非平衡晶體或準(zhǔn)晶相生成金屬玻璃1.快速凝固及其發(fā)展什么是快速凝固？指冷卻速度大于102K/S的凝固過(guò)程稱為快速凝固。70年代，非晶態(tài)材料領(lǐng)域的研究更為活躍，因?yàn)橹苽溥B續(xù)的等截面長(zhǎng)薄帶技術(shù)得到了發(fā)展。金屬玻璃非同尋常的性能促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了磁性材料的應(yīng)用和發(fā)展。80年代關(guān)于快速凝固微晶合金的研究（尤其是航空工業(yè)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景的輕金屬材料）活躍，這是因?yàn)榻饘俨Ａг诟邷赝嘶鸷缶Щ⑹テ渌械膬?yōu)異性能。目前，已發(fā)展了很多制備快速凝固金屬和合金的技術(shù)，主要功能：細(xì)化晶粒、產(chǎn)生一種或多種亞穩(wěn)相，其產(chǎn)品主要為粉、絲、帶、片、線等?？焖倌坍a(chǎn)品廣泛應(yīng)用，航空、天工業(yè)、機(jī)械、電子。2.實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件實(shí)現(xiàn)RS的基本條件金屬液分散成液流或液滴，至少在一個(gè)方向上尺寸極小，以便散熱。具有傳熱的冷卻介質(zhì)。滿足RS條件的途徑：大的冷卻速度對(duì)于尺寸足夠小的凝固試件，界面散熱成為控制冷卻的主要環(huán)節(jié)。增大散熱強(qiáng)度，使熔體以極快的速度降溫，即可實(shí)現(xiàn)快速凝固。設(shè)：液膜厚度為h，與冷卻介質(zhì)的溫差T，一維傳熱，其冷卻速度為α：界面換熱系數(shù)(W/m2

℃

)

ΔT：液膜與冷卻介質(zhì)的溫度差(℃)ρ：合金的密度（Kg/m3）C：比熱(J/Kg℃

)

h：液膜厚度(m)單輥、雙輥、旋轉(zhuǎn)圓盤制備工藝。大的生長(zhǎng)速度R提高鑄型的導(dǎo)熱能力，增加熱流導(dǎo)出速度，凝固界面快速推進(jìn)，熔體與基體為一體，傳熱主要靠導(dǎo)熱。忽略液相過(guò)熱條件下，單向凝固速度：s-導(dǎo)熱系數(shù)(W/m℃

)Gs-凝固層溫度梯度（℃

/m）L–熔化潛熱（J/Kg）-合金密度（Kg/m3）大生長(zhǎng)速度見(jiàn)于快速定向凝固、焊接過(guò)程和激光處理等大過(guò)冷度T

利用抑制凝固過(guò)程的形核，使合金液獲得很大過(guò)冷度，實(shí)現(xiàn)凝固過(guò)程釋放的凝固潛熱與過(guò)冷散失的物理熱抵消。使凝固過(guò)程處在幾乎絕熱狀態(tài)，需導(dǎo)出的熱流幾乎很小，獲得很大的冷卻速度。T-過(guò)冷度（℃）；L-熔化潛熱（J/Kg）；C-比熱(J/Kg℃

)

見(jiàn)于液相微粒的快凝、特殊處理的大過(guò)冷度液體塊料的凝固。

在凝固過(guò)程，設(shè)法消除熔體中可以作為非均勻形核媒質(zhì)的雜質(zhì)或容器壁的影響，盡可能形成接近均勻形核的凝固條件，以獲得大的凝固過(guò)冷度。3.快速凝固的特點(diǎn)凝固速度大，無(wú)溶質(zhì)分配（產(chǎn)生平衡分配）。S/L界面穩(wěn)定性增加，凝固形成平面、無(wú)偏析等軸晶。形成組織結(jié)構(gòu)特殊的晶態(tài)合金。形成非晶態(tài)合金。材料加工新技術(shù)之四:金屬塑性成型新工藝材料加工新技術(shù)之四:材料加工中的計(jì)算機(jī)模擬主要內(nèi)容有限元法的基本理論ANSYS軟件有限元分析的基本過(guò)程和步驟塑性加工（平輥軋制）過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)解析：分同種材料和復(fù)合材料兩種第一部分、有限元法的基本理論有限元法是近似求解一般連續(xù)域的數(shù)值方法。有限元法的基本思想是把連續(xù)體假想劃分成有限個(gè)用節(jié)點(diǎn)連接的單元，以節(jié)點(diǎn)上的位移或速度作為基本未知量，利用最小能原理并解相應(yīng)的方程組來(lái)確定此未知量，通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移（速度）與單元內(nèi)的應(yīng)變及應(yīng)力間的關(guān)系確定各單元的應(yīng)力和應(yīng)變分布。有限元法的基本思想推廣到其它連續(xù)域問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)未知量也可以是壓力、溫度等。此方法特別適于求解復(fù)雜的邊界問(wèn)題，而且還可以考慮材料、幾何非線性、接觸與摩擦等復(fù)雜邊界條件，以及多場(chǎng)耦合情況。有限元法的基本思想有限元法最初在40年代被提出，60年代被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，從70年代開(kāi)始用于解決金屬塑性加工成形問(wèn)題。有限元法的發(fā)展有限元法是隨著有限元理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而得到不斷發(fā)展的。早期的有限元分析，一般都是由個(gè)人編寫的簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)程序，求解計(jì)算出結(jié)果即可，沒(méi)有前、后處理功能。并且由于計(jì)算機(jī)容量的限制，難以對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題作出解析，因此應(yīng)用范圍很窄。有限元法的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是內(nèi)、外存容量的不斷擴(kuò)大，CPU的不斷升級(jí)，使運(yùn)算速度大幅度提高，這為有限元的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了條件。使有限元軟件在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，具備了強(qiáng)大的前、后處理功能及圖形控制技術(shù)，并引入了文件管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，進(jìn)而發(fā)展成為大型系統(tǒng)化和集成化的有限元分析軟件。有限元法的發(fā)展1)工藝優(yōu)化，減少試軋次數(shù)；2)預(yù)測(cè)和控制模具的失效和使用壽命；3)預(yù)測(cè)和控制成型件的顯微結(jié)構(gòu)和性能；4)減少?gòu)U品和材料損失。金屬加工成形領(lǐng)域的有限元法主要可分為彈-塑性有限元法和剛-塑性有限元法兩大類。

金屬成型過(guò)程有限元分析的目的金屬加工領(lǐng)域的有限元法主要分為:彈-塑性有限元法;剛-塑性有限元法兩大類

彈-塑性有限元法

彈-塑性有限元法是60年代末由P.V.Marcal和Yamada等導(dǎo)出的彈塑性矩陣發(fā)展起來(lái)的。隨后不少研究者對(duì)擠壓、拉拔、板沖壓、平輥軋制等問(wèn)題進(jìn)行了解析，得出了工件內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布及塑性變形區(qū)的擴(kuò)展情況。

彈-塑性有限元法優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算工件出軋輥后的殘余應(yīng)力。缺點(diǎn)是：1）為保證求解精度和解的收斂性，每一步的變形量不能太大。因此對(duì)于大塑性變形問(wèn)題，所需的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。2）由于加載和卸載時(shí)，塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系并不相同，因此，每次計(jì)算時(shí)都應(yīng)檢查塑性區(qū)內(nèi)各單元是處于加載狀態(tài)還是卸載狀態(tài)。若是卸載狀態(tài)，還必須重新計(jì)算，這勢(shì)必增加計(jì)算時(shí)間。

這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了它的發(fā)展。但近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)速度和容量的飛速發(fā)展，大變形的彈-塑性有限元由于特別適于求解變形較大的塑性加工問(wèn)題，因此近年來(lái)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。后面利用ANSYS軟件中的彈-塑性有限元法對(duì)高溫軋制過(guò)程進(jìn)行了有限元解析，得出了軋件內(nèi)各點(diǎn)的位移、應(yīng)力及應(yīng)變分布。

彈-塑性有限元法優(yōu)缺點(diǎn)

剛-塑性有限元法是1973年由小林史郎和李（Lee.C.H）提出的，是目前在塑性加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的又一種數(shù)值解析方法。東北大學(xué)的劉相華教授在國(guó)內(nèi)首次用此種方法對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行了解析。該方法一般依據(jù)剛-塑性材料的變分原理或上下界定理，按有限元模式把能耗泛函表示為節(jié)點(diǎn)速度的非線性函數(shù)，利用最優(yōu)化理論得出滿足極值條件的最優(yōu)解，即使總能耗泛函最小的運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)，再進(jìn)一步利用塑性力學(xué)的基本關(guān)系式得出變形速度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

剛-塑性有限元法與彈-塑性有限元法相比，剛-塑性有限元法在求解過(guò)程中沒(méi)有應(yīng)力的累積誤差，不存在要求單元逐步屈服問(wèn)題，因而可用數(shù)目相對(duì)較少的單元來(lái)處理塑性加工的大變形問(wèn)題。其缺點(diǎn)是：由于忽略彈性變形，所以在計(jì)算小變形時(shí)精度不如彈-塑性有限元法；另外，卸載時(shí)應(yīng)按彈-塑性有限元法計(jì)算，剛-塑性有限元法不能計(jì)算殘余應(yīng)力。

剛-塑性與彈-塑性有限元比較彈塑性有限元的求解步驟連續(xù)體的離散化。選擇單元的類型、數(shù)目、大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇位移函數(shù)。設(shè)定滿足要求的聯(lián)系單元節(jié)點(diǎn)及和單元內(nèi)部各點(diǎn)的位移插值函數(shù)，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。建立單元?jiǎng)偠染仃?。用此矩陣把單元?jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來(lái)。建立整體方程。首先把單元?jiǎng)偠染仃嚰铣烧w剛度矩陣，建立表示總節(jié)點(diǎn)位移矢量與總載荷矢量之間的聯(lián)立方程組。由建立的聯(lián)立方程組求未知的節(jié)點(diǎn)位移。由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各單元的應(yīng)力和應(yīng)變。第二部分

ANSYS有限元分析的基本過(guò)程和步驟2.1有限元軟件目前國(guó)際上著名的大型通用程序和商業(yè)化軟件有SAP、ADIAN、ABQUS、MARC、ANSYS等，其中應(yīng)用最廣的是ANSYS軟件。

ANSYS軟件是美國(guó)SASI公司開(kāi)發(fā)的世界最著名的大型通用有限元分析軟件，它集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體，自問(wèn)世以來(lái)，便以其極高的性能價(jià)格比和無(wú)可比擬的分析深度，被廣泛用于航空航天、汽車、造船、鐵道、電子、機(jī)械制造、材料冶金、生物醫(yī)學(xué)、土木工程等各個(gè)領(lǐng)域，其極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有工程問(wèn)題。

2.2ANSYS軟件

ANSYS的分析過(guò)程由三個(gè)階段組成：前處理階段求解階段后處理階段

前處理階段

前處理階段用于定義求解所需的數(shù)據(jù)。用戶能選擇坐標(biāo)系和單元類型，定義實(shí)常數(shù)和材料特性，生成實(shí)體模型并劃分網(wǎng)格，控制節(jié)點(diǎn)和單元，以及定義耦合和約束方程。在前處理階段中用戶輸入的所有數(shù)據(jù)成為ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)由表構(gòu)成－坐標(biāo)系表、單元類型表、材料特性表、關(guān)鍵點(diǎn)表、節(jié)點(diǎn)表、載荷表等。表中的數(shù)據(jù)被規(guī)定好后，這些數(shù)據(jù)通過(guò)表項(xiàng)編號(hào)來(lái)引用。

ANSYS前處理器的實(shí)體建模能力，允許用戶直接同模型的幾何特性打交道，而不用關(guān)心有限元模型的節(jié)點(diǎn)和單元。

求解階段建立模型及網(wǎng)格劃分后即可進(jìn)入求解階段。在求解階段，用戶能指定分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)。一般可用的分析類型包括結(jié)構(gòu)、熱、電磁場(chǎng)、電場(chǎng)、流體、CFD和耦合場(chǎng)分析，本文分別選用的是熱和結(jié)構(gòu)分析。載荷數(shù)據(jù)即對(duì)實(shí)體施加的載荷和規(guī)定的邊界條件。在選定求解準(zhǔn)則后，即能進(jìn)行求解。用戶能命令程序針對(duì)所選擇的分析類型求解控制方程，并計(jì)算出結(jié)果。

后處理過(guò)程

所有ANSYS分析類型都是基于經(jīng)典方程的概念。利用數(shù)值分析技術(shù)，把這些概念用公式表示成矩陣方程，使其適于有限元分析。分析中的未知量是有限元模型中各節(jié)點(diǎn)的自由度。自由度可以包括位移、轉(zhuǎn)角、溫度、壓力、速度、電壓等，它們通過(guò)單元來(lái)定義。緊接在求解過(guò)程之后的是后處理過(guò)程。通過(guò)友好的用戶界面，用戶可很容易獲得求解的計(jì)算結(jié)果。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和位移列表兩種。

ANSYS軟件的后處理器后處理訪問(wèn)數(shù)據(jù)的方法有兩種：一是用通用后處理器POST1查看整個(gè)模型或模型的某一部分任一個(gè)數(shù)據(jù)集的結(jié)果；二是用時(shí)間歷程后處理器POST26跨多個(gè)數(shù)據(jù)集查看所要的部分模型的數(shù)據(jù)，如特定階段的位移或單元應(yīng)力等。當(dāng)數(shù)據(jù)從結(jié)果文件讀出后，被存入ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3ANSYS對(duì)接觸問(wèn)題的處理

接觸問(wèn)題是廣泛存在于工程實(shí)際中的一種復(fù)雜的非線性問(wèn)題，任何塑性成形都存在工具與工件的接觸問(wèn)題，而如何恰當(dāng)?shù)孛枋龊吞幚磉@種接觸關(guān)系，對(duì)有關(guān)問(wèn)題的正確解析關(guān)系重大。對(duì)帶坯的高溫軋制來(lái)說(shuō)，也只有準(zhǔn)確地描述和反映了軋輥與帶坯間的接觸關(guān)系，帶坯才能在軋輥的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下被帶入軋輥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)帶坯的變形解析。2.3ANSYS對(duì)接觸問(wèn)題的處理

接觸可分為兩類：剛性－柔性接觸，把兩個(gè)接觸面中的一個(gè)當(dāng)作剛體處理；2)柔性－柔性接觸，用于兩個(gè)接觸面剛度相差不大的情況。在金屬塑性加工領(lǐng)域一般均采用剛性－柔性接觸，其中工具被視為剛體，工件則視為柔性體。處理接觸問(wèn)題的有限元方法有多種，如罰單元法、增量加載法、間隙元法等。2.3ANSYS對(duì)接觸問(wèn)題的處理

ANSYS是通過(guò)在工具和工件之間建立接觸副(ContactPair)來(lái)處理兩者之間接觸關(guān)系的。

ANSYS對(duì)接觸問(wèn)題的處理主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）接觸副的建立；（2）接觸檢測(cè)位置；（3）接觸滲透性及接觸剛度；（4）摩擦類型等。

接觸副

在研究金屬塑性成形的接觸問(wèn)題時(shí)，通常將其中一個(gè)接觸邊界定為目標(biāo)面，另一個(gè)定為接觸面。接觸面與變形體相關(guān)聯(lián)，目標(biāo)面為剛性的工具表面。接觸面和目標(biāo)表面共同組成接觸副。

接觸副的單元組成接觸副由兩種類型的單元組成：一種稱為目標(biāo)單元(TargetElement)，建立在剛性的工具邊界上；另一種稱為接觸單元(ContactElement)，建立在描述變形體邊界的實(shí)體單元(SolidElement)上（如圖所示）。目標(biāo)單元和接觸單元之間通過(guò)一個(gè)共同的實(shí)常數(shù)號(hào)聯(lián)系起來(lái)。接觸單元覆蓋在變形體實(shí)體單元表面上，與實(shí)體單元表面具有相同的幾何特性。接觸副組成示意圖

實(shí)體表面目標(biāo)單元接觸單元接觸副組成示意圖

接觸檢測(cè)

目標(biāo)單元與接觸單元是否發(fā)生接觸要由兩者之間的相對(duì)位置來(lái)決定。接觸檢測(cè)點(diǎn)(ContactDetectionPoints)是接觸單元上用來(lái)檢測(cè)接觸單元與目標(biāo)單元之間的相對(duì)位置關(guān)系的點(diǎn)，它可以是節(jié)點(diǎn)或Gauss積分點(diǎn)。接觸單元在檢測(cè)點(diǎn)處被限制，無(wú)法滲透到目標(biāo)單元，而目標(biāo)單元通?？梢詽B透到接觸單元（如圖5-3）。

接觸檢測(cè)

剛性體目標(biāo)單元接觸單元柔性體（工件）Gauss積分點(diǎn)圖5-3接觸檢測(cè)示意圖

滲透距離和接觸剛度

滲透距離(PenetrationDistance)是指從接觸單元上的積分點(diǎn)指向目標(biāo)單元的法向距離，用g表示，如圖5-4所示。通過(guò)計(jì)算滲透距離即可判斷兩個(gè)單元是否接觸：如果滲透距離g小于規(guī)定的值，認(rèn)為發(fā)生接觸，否則認(rèn)為未發(fā)生接觸。

滲透距離和接觸剛度

目標(biāo)面接觸面積分點(diǎn)滲透距離圖5-4滲透距離示意圖

滲透距離和接觸剛度

如前所述，接觸單元不能滲透到目標(biāo)單元，而一旦接觸單元滲透到目標(biāo)單元而發(fā)生接觸，實(shí)際上就是破壞了接觸相容性條件，這時(shí)在目標(biāo)面的法向方向上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)法向接觸力，阻止接觸單元的滲透。法向接觸力的大小與滲透距離之間存在一個(gè)確定的關(guān)系。另外，沿目標(biāo)面的切線方向?qū)a(chǎn)生摩擦力。這樣，在接觸單元和目標(biāo)單元之間就形成了接觸剛度，該剛度最終決定滲透距離的大小。

摩擦模型

在金屬塑性加工過(guò)程中，加工工具和變形金屬之間的摩擦機(jī)制十分復(fù)雜，影響摩擦的因素也很多。實(shí)際應(yīng)用中，一般需要將問(wèn)題適當(dāng)簡(jiǎn)化。在彈塑性有限元分析中，通常采用庫(kù)侖摩擦模型。按照庫(kù)侖摩擦定律，相互接觸的兩個(gè)粗糙表面在相互滑動(dòng)以前可以承受作用面上一定大小的剪應(yīng)力的作用，即出現(xiàn)兩金屬表面間的粘著。

摩擦模型

庫(kù)侖摩擦模型可描述為

式中，－極限剪應(yīng)力；－剪應(yīng)力；－摩擦系數(shù)；N－法向接觸應(yīng)力。摩擦模型

當(dāng)?shù)刃Ъ魬?yīng)力超過(guò)時(shí)，目標(biāo)面和接觸面之間將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，這種狀稱為滑動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際計(jì)算中，可定義一個(gè)最大剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到該值時(shí)，無(wú)論法向接觸應(yīng)力多大，都將發(fā)生滑動(dòng)。通過(guò)計(jì)算粘著/滑動(dòng)狀態(tài)，能判斷一個(gè)點(diǎn)是粘著還是滑動(dòng)。

第三部分、塑性加工（平輥軋制）過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)解析-------單一材料高溫軋制有限元解析有限元分析模型的建立在建立有限元分析模型時(shí)，將軋輥視為剛體，帶坯視為柔性體，即程序通過(guò)建立剛性－柔性接觸機(jī)制來(lái)模擬軋輥和帶坯之間的相互作用。帶坯高溫軋制中，采用鍛鋼軋輥，其硬度、強(qiáng)度都很高，而高溫軋制中的軋制力又較小，因此忽略軋輥的彈性變形，把軋輥考慮成剛性是合理的。

基本參數(shù)和假設(shè)

軋輥直徑為200mm。設(shè)軋制前的帶坯厚度h＝10mm，寬度b＝100mm。設(shè)高溫軋制的壓下量Δh＝2mm，軋制溫度為1250℃。母帶材料為Q235，凝固層為低碳鋼。通常軋制過(guò)程是復(fù)雜的三維變形過(guò)程，為了便于進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)目前高溫軋制的實(shí)際情況，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作了如下簡(jiǎn)化和假設(shè)處理?；炯僭O(shè)①

反向凝固低碳鋼母帶和凝固層結(jié)合很好，已完全熔合成一體。且同屬低碳鋼類，因此建立模型時(shí)認(rèn)為為同一種材料。②

因?yàn)閎/h＝100/10≥10，所以可忽略寬展，采用二維分析模型③

軋制過(guò)程中認(rèn)為溫度恒定。④

軋輥認(rèn)為是剛性的，帶坯認(rèn)為為彈塑性材料。⑤

假定帶坯與軋輥間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，即忽略前、后滑。假定帶坯符合Mises屈服準(zhǔn)則以及相關(guān)的流動(dòng)法則，采用各向同性硬化法則，將材料簡(jiǎn)化為雙線性模型。

模型的建立

ANSYS程序有兩種模型生成方法：實(shí)體建模和直接生成。實(shí)體建模允許用戶直接用幾何特性來(lái)建模，并不關(guān)心有限元模型的特定屬性－節(jié)點(diǎn)和單元。而直接生成是通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置及單元的大小、形狀和連通性來(lái)定義模型。實(shí)體建模較為直觀，下面即通過(guò)實(shí)體建模方式建立實(shí)體模型。

為減少計(jì)算量而又能說(shuō)明問(wèn)題，將帶坯長(zhǎng)度取為80mm。另外，帶坯關(guān)于軋制中心線對(duì)稱，故取其1/2（厚度的1/2為5mm）作為研究對(duì)象。建模時(shí)該對(duì)象用ANSYS中的四節(jié)點(diǎn)四邊形等參單元PLANE42來(lái)離散，共劃分為208個(gè)實(shí)體單元。

模型的建立因軋輥認(rèn)為是剛性的，模型中用一條線來(lái)表示，并用ANSYS中的目標(biāo)單元TARGE169離散，整體作為1個(gè)目標(biāo)單元。在軋制過(guò)程中，帶坯與軋輥發(fā)生接觸。為表達(dá)這種接觸關(guān)系，在帶坯表面建立相應(yīng)的接觸單元CONTA171，共形成52個(gè)接觸單元。目標(biāo)單元和接觸單元通過(guò)一個(gè)共同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)聯(lián)系。離散化后的有限元分析模型如圖所示（左側(cè)圓弧為軋輥），共261個(gè)單元，266個(gè)節(jié)點(diǎn)。

有限元模型網(wǎng)格劃分圖

材料性能參數(shù)及求解方法

帶坯在1250℃時(shí)的機(jī)械性能參數(shù)分別為：彈性模量E＝80000×106Pa；泊松比＝0.3；密度=7490kg/m3；軋輥與帶坯之間的摩擦系數(shù)＝0.45。根據(jù)前面的高溫力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知低碳鋼在1250℃時(shí)的屈服強(qiáng)度約為75×106Pa。

求解方法ANSYS中的每一種載荷設(shè)置稱為載荷步（step），一個(gè)分析可包含一個(gè)或多個(gè)載荷步，而每一載荷步又分為很多子步（substep）。本計(jì)算中采取了分三個(gè)載荷步加載的方法。并且，由于帶坯高溫下的屈服強(qiáng)度較低，實(shí)際計(jì)算表明，這給程序的收斂帶來(lái)了困難。為此在每一載荷步都采取了極小時(shí)間步長(zhǎng)的方法，使帶坯在每一子步中移動(dòng)的位移很