2003年 MSC.Software 中国用户论文集 不锈钢复合板轧制过程中的变形分析 崔立新 姚艳红
北京科技大学 - 1 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 不锈钢复合板轧制过程中的变形分析 Deformation Analysis of Stainless Steel Compound Slab during Rolling
崔立新 姚艳红 (北京科技大学)
摘 要:利用金属学理论和轧制理论，通过对爆炸焊接不锈钢－碳钢进行热连轧过程的计算
机模拟计算，对其在不同工艺参数下的中间结合区的变形机理的进行了研究，为不锈钢复合板进行微观组织和性能的研究做准备。 关键词:不锈钢 复合板 轧制 MSC.Marc
Abstract：Using metal theoretical and rolling theory, this paper carried out the computer simulated calculation of explosive welding stainless steel-carbon steel during rolling, studied the deformed mechanism of its intermediate combination district under different technology parameter. Its aim was to make preparation for carrying out the research of microscopic organization and performance of the stainless steel Compound slab. Key words: stainless steel，compound slab，rolling，MSC. Marc
1前言 现代工业的发展要求有更多的不锈钢复合板代替不锈钢板，使其在等效的情况下降低成本，还要具有良好的使用性能。不锈钢复合板是一种以碳钢为基体，单层或双层包覆有厚度一般为0.1—3.0mm不锈钢的用量最大的复合材料。在轻工、化工、石油、海水淡化、制盐制碱、食品工业、核工业、建筑装璜等各个领域里用于制造压力容器和装璜材料等，可以取代纯不锈钢甚至取代B30和蒙乃尔合金。它不仅可以在等效的情况下降低成本40%－50%，节约昂贵的铬、镍合金70-80%，而且还较纯不锈钢具有较好的导热性和再加工性能。爆炸焊接生产复合板是近20多年发展起来的一种新技术，这种方法以其独有的特点：界面结合强度高，再加工性好；复板和基板的厚度在爆炸前后基本上不发生变化；适用性广；灵活性
- 2 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 而且对变形量无要求。这种方法的出现使其它方法黯然失色。但是爆炸焊接工艺在当前的研究仍然有很多不足，比如虽然研究了爆炸焊接后的热轧中基板和复板各自的内部结构和性能变化，对结合区的变形机理、微观结构及其性能却仍有很多不足。 本模拟作为唐钢热连轧不锈钢复合带钢项目的实验研究的基础，将力图通过研究，为实验室研究与企业现场实践提出一些可行的方案，来解决唐钢热轧带钢厂的热连轧复合窄带的生产工艺问题与产品质量问题，尤其是中间结合区的质量问题。
2设备参数和坯料尺寸 设备参数：试验在北京科技大学φ300mm二辊可逆式轧机上进行轧制。主要轧机参数如下：轧机能力：250t；平辊辊径：300mm；最大轧制速度：2m/s；辊道宽度：350mm；碳硅电阻棒的箱式加热炉。炉膛尺寸：长×宽×高＝810×550×375mm；最高加热温度：1350℃。
实验材料:实验材料是由太原钢铁公司提供的不锈钢－碳钢复合板，坯料尺寸如表1所示，坯料的化学成分如表2所示。
表1 坯料的尺寸 试样编号 1 2 3 4 5 6 长度（mm） 175 185 158180171 161 宽度（mm） 68 68 71.56966 66 厚度（mm） 14 14 15 1522.522.5 不锈钢厚度(mm） 3 3 3 3 5 5 不锈钢/碳钢 0.2140.2140.20.20.2220.222
表2 坯料的化学成分（％） 成分 C Si Mn P S Cr Ni Ac 0Cr18Ni90.052 0.50.920.0250.00417.238.17 0.03 Q235 0.19 0.210.540.040.0180.010.01 0.02
本文利用MSC.Marc软件对不锈钢复合带的平整轧制过程进行了有限元解析，得出了轧件内部各点的应变和应力分布，尤其是中间结合区的变形规律。
3计算模型及求解 - 3 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 3.1基本参数和假设 轧辊直径为300 mm，母带厚度为14 mm，不锈钢带坯厚度为3mm，宽度为68mm，轧制的压下量为2mm，轧制温度为 1200℃。母带材料为Q235，奥氏体不锈钢层为0Cr18Ni9。
为建立合适的数学模型，需做下列基本假设： （1） 忽略轧件宽展，采用二维分析模型； （2） 轧制过程中认为温度恒定； （3） 认为轧辊是刚性的，轧件是弹塑性材料。 3.2模型的建立
轧件是以轧制中心线对称，故取其1／2作为研究对象，该对象用四边形等参单元进行离散。其中母带划分476个单元（图1中下起第 1～10行单元），不锈钢层划分204个单元（图l中上起第l～3行单元）。轧辊用刚体进行描述，整体作为1个目标单元．在轧制过程中，轧件与轧辊接触，因此，为建立轧件与轧辊的接触关系，在轧件的外表面和轧辊表面之间建立相应的接触单元。离散化后的有限元分析模型如图1所示（左侧圆弧为轧辊），共680个单元，759个节点。
图1有限元模型网格划分图 Fig.1 Finte element mesh 3.3所采用的求解方法 Q235碳钢和0Cr18Ni9奥氏体不锈钢在1200℃的屈服强度分别约为 75和 85 Mpa[1]。由于两层金属的屈服强度不同，并且在 1200℃时数值均较小，实践证明，这给程序的收敛带来很大困难。为此采取了极小时间步长和分步加载的方法，使轧件每一子步移动的位移很小。
- 4 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 整个轧制过程采取分三步加载的方法：第一步轧件不动，轧辊先给轧件一微小压下，目的是使轧辊和轧件建立良好接触，以便使第二步在摩擦作用下，轧辊能将轧件带入辊内；第二步让轧辊旋转一定弧度的同时，压下轧件2mm，此步轧辊旋转不能太大，否则不收敛；第三步让轧辊旋转至轧件完全轧出．这样在摩擦作用下，轧件从轧辊外逐步被带入轧辊，直至轧制结束。利用MSC.Marc的强大后处理功能，可方便得出任一时刻轧件内任一节点的应变和应力，进而可求出轧制力。
4计算结果及分析 以下任取轧辊旋转0.1rad来说明轧件内的物理场分布。 4.1应变分布 轧件的网格变形如图3示，由于压下量较小，网格变形不太剧烈。并且由于母带的屈服强度较不锈钢层的小，可看出母带的伸长量比不锈钢层的略大。图4为应变场。母带的应变大于不锈钢层（各点的应变值如图中等值线示），不锈钢层中的应变从表面向内部逐渐增大，轧件内存在不均匀变形，这是因为母带的屈服强度小，所以轧制时母带的变形量大；而由于凝固后母带与不锈钢层结合相当完好，己完全成为一体[2]，轧制时钢带具有变形协调作用，结合面处的不锈钢层会受母带的牵拉作用，所以不锈钢层从表面向内部应变逐渐增大。另外，图中轧件上端由于刚进入变形区，应变较小。
图3轧件的网格变形图 Fig．3 Deformation of mesh in calculating process
- 5 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 图4轧件的等效应变场 Fig．4 Effective strain distribution of rolling plate 4．2应力分布 图5为等效应力场。轧制变形区的应力最大。轧件出轧辊后的应力为残余应力，其大小约为84MPa（端部的残余应力较小，约为7MPa）。在出轧辊后的外端和轧制变形区之间的变形过渡区，其应力值介于变形区应力和残余应力值之间。在轧制变形区内，由于不锈钢层屈服强度较大，不锈钢层的应力大于母带。不锈钢层应力为附加拉应力，此附加拉应力随变形量的加大而增大。当附加拉应力超过界面结合强度时，轧件会出现裂纹。所以复合材料轧制时，变形量的大小是有限制的。
图5轧件的等效应场 Fig．5 Effective strain distribution of rolling plate
- 6 - 2003年 MSC.Software 中国用户论文集 5结论 （1） 母带的伸长量较不锈钢层的略大。 （2） 母带的应变大于不锈钢层且在结合面附近存在不均匀变形。不锈钢层中的应变从表面向内部逐渐增大。
（3） 在轧制变形区内，不锈钢层的应力比母带的大。轧件内的残余应力约为84Mpa；而端部的残余应力较小，约为7 Mpa。
6参考文献 [1] 波卢欣НИ， 凤贡ГЯ，加尔金AM著．金属与合金的塑性变形抗力．林治平译．北京：机械工业出版杜，1984，175 [2] 赵红亮．反向凝固复合不锈钢带及其轧制的试验研究．东北大学学报，1999，31（5）；520
- 7 -