第 1 章  緒   論 

1.1  課題研究背景 
隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，各國國家都加快了對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)程，我國也在不斷地增加基礎(chǔ)建設(shè)。對特厚鋼板的市場需求量越來越大。厚度大于 150mm的特厚鋼板在高壓容器、海洋工程、核/水電工程、工程機(jī)械、化工裝備、軍事裝備等重大裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，每年需求量達(dá)到幾十萬噸，需求巨大[1]。特厚板產(chǎn)品對其使用性能要求高且生產(chǎn)難度大，國內(nèi)只有少數(shù)幾家大型鋼企可以生產(chǎn)，很多高性能的特厚板還依賴從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，特別是厚度大于 300mm 的特厚板材，國內(nèi)還基本是空白。為提高特厚板的使用安全性，對特厚板的強(qiáng)度等力學(xué)性能要求越來越高，且特厚板在生產(chǎn)制造過程中必須要達(dá)到大壓縮比、低屈強(qiáng)比、Z 向性能良好和缺陷率低等一系列的要求[2]，從而確保特厚板的質(zhì)量和使用性能。為了達(dá)到特厚板在實(shí)用過程中滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)，特厚板的生產(chǎn)新技術(shù)開發(fā)一直受到各國的關(guān)注和重視。 2015 年初國家提出了中國制造 2025 計(jì)劃，并在《中國制造 2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖中明確指出：要加強(qiáng)特厚復(fù)合板的研究與開發(fā)，并提出了軋制復(fù)合板的要求：開發(fā)符合組坯工藝、高效焊接、在線固溶等軋制復(fù)合板關(guān)鍵技術(shù)、解決生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)坯料厚度 500-900mm  的產(chǎn)出率低、能耗高技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)系列復(fù)合板產(chǎn)品，滿足化工、海水淡化、能源等特種行業(yè)對材料的特殊要求。 目前，國內(nèi)外在特厚板生產(chǎn)制造過程中主要采用的是模鑄、電渣重熔、連鑄和軋制復(fù)合等方法[3,4]。 模鑄鋼錠是現(xiàn)在特厚板生產(chǎn)的主要原料，模鑄法雖然具有可生產(chǎn)大尺寸的鑄錠、易于操作且其內(nèi)部組織潔凈度高的優(yōu)點(diǎn)；但其也具有明顯的缺點(diǎn)，鋼錠內(nèi)部偏析無法避免、存在頭尾偏析嚴(yán)重的致命缺陷、項(xiàng)目投資大、能耗大、效率低、金屬綜合成材率低，鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量無法保證。電渣重熔法是目前一種比較先進(jìn)的特厚板坯生產(chǎn)方法，其工作原理是將鋼材做成自耗電極，然后以熔渣的電阻熱為熱源使自耗電極熔化，渣洗消除內(nèi)部的氣體和雜質(zhì)，再借助結(jié)晶器熔池上下的極大溫差使鋼水凝固成鋼錠。優(yōu)點(diǎn)是獲得的鋼坯內(nèi)部質(zhì)量好、可控性高、可生產(chǎn)大型鋼錠等；但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、能耗大、成本高、靈活性差、氟污染嚴(yán)重。連鑄板坯主要供薄板和中厚板生產(chǎn)用料，優(yōu)點(diǎn)是澆鑄速度快、可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)、成材率高、效率高，缺點(diǎn)是設(shè)備投資高，受到板坯尺寸、技術(shù)和設(shè)備方面的限制，，生產(chǎn)特厚板壓縮比不夠，軋制后的鋼板中經(jīng)常出現(xiàn)夾雜物，難以滿足 100mm 及以上厚度特厚板的生產(chǎn)質(zhì)量要求。 
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1.2  特厚板國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
國際上特厚板的發(fā)展時(shí)間較長，技術(shù)相對較成熟。早在第二次世界大戰(zhàn)之前，世界強(qiáng)國如美德日、前蘇聯(lián)等都分別建造了特厚板軋機(jī)[5-7]，隨著世界市場對特厚板的需求不斷增加，很多國家都陸續(xù)建立了寬厚板軋機(jī)。日本和德國等是特厚板的生產(chǎn)大國，引領(lǐng)著當(dāng)今世界的厚板軋機(jī)裝備和技術(shù)發(fā)展[8-10]。相對于國外的特厚板研究，我國國內(nèi)的特厚板研究起步較晚[11]。經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展我國已經(jīng)具備一定的特厚板生產(chǎn)能力，但一些性能要求高的特厚板仍然無法滿足生產(chǎn)和使用要求，仍需要從日本、德國等厚板強(qiáng)國進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 爆炸復(fù)合法是現(xiàn)在復(fù)合板生產(chǎn)中應(yīng)用較多的一種方法，其主要過程是借助炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的巨大能量而獲得高壓，使兩塊集體板材高速相撞，依靠巨大的沖擊波和板材材料之間的摩擦使結(jié)合表面的氧化膜破裂并清除，并借助爆炸過程中產(chǎn)生的爆炸熱和摩擦熱，使結(jié)合面上的金屬實(shí)現(xiàn)原子間的冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)金屬間的復(fù)合過程[13]。目前，主要應(yīng)用在石化、宇航、冶金、電力等領(lǐng)域[14,15]。 
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第 2 章  考慮復(fù)合界面的特厚板復(fù)合軋制力學(xué)模型

2.1  特厚板復(fù)合軋制力學(xué)模型的建立
特厚板復(fù)合軋制時(shí)兩塊連鑄坯上下對稱軋制，結(jié)合特厚復(fù)合板軋制特點(diǎn)，認(rèn)為理論狀態(tài)下軋制壓下量不存在偏差，板坯復(fù)合界面處的粗糙度可測等，考慮復(fù)合界面的剪切應(yīng)力，對特厚板復(fù)合軋制過程進(jìn)行力學(xué)建模。由于特厚板復(fù)合軋制的非線性，為了保證計(jì)算速度和精度，對模型進(jìn)行合理假設(shè)，如下： 1）軋輥為剛體，軋件為理想彈塑性體；2）軋件變形屬于平面變形，不考慮軋件的寬展；3）軋制過程中上下板材在緊密貼合，不存在滑動(dòng)狀態(tài)；4）軋制過程中界面存在剪切應(yīng)力，且上下板的剪切應(yīng)力方向相反；5）上下板材大小一致，不存在形狀和尺寸偏差；6）上下工作輥的軋制工藝參數(shù)相同。
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2.2  特厚板復(fù)合軋制界面復(fù)合的判定準(zhǔn)則
雖然不少國內(nèi)外的科學(xué)家針對金屬復(fù)合理論模型進(jìn)了研究，并取得了一定的成果[56,57]，但均沒有提出較為定量的準(zhǔn)確模型。主要公式模型如下。實(shí)際軋制過程中的表達(dá)復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度的理論模型到目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定論，仁者見仁，智者見智。因此，提出較為準(zhǔn)確的理論模型對特厚復(fù)合板的生產(chǎn)具有重要意義，本文考慮了特厚板坯復(fù)合界面處的剪切應(yīng)力作用，提出了特厚板復(fù)合軋制界面復(fù)合的判定準(zhǔn)則，旨在揭示特厚板坯界面的復(fù)合機(jī)理。 表面的粗糙度狀況影響復(fù)合板坯軋制過程的摩擦狀態(tài)，直接影響復(fù)合界面的機(jī)械作用機(jī)制和摩擦作用機(jī)制，影響復(fù)合表面金屬界面的破裂程度和露出新鮮活潑金屬的程度，進(jìn)而也影響擴(kuò)散和再結(jié)晶作用機(jī)制的進(jìn)行。其中如果復(fù)合表面粗糙，機(jī)械變形起作用，使摩擦系數(shù)增大；如表面光滑，分子吸引起作用，使摩擦系數(shù)增大。故用粘著的實(shí)際接觸面積來表達(dá)在金屬復(fù)核過程中所起的機(jī)械嚙合作用和摩擦作用。
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第 3 章  基于特厚復(fù)合板軋制過程有限元模擬 ..... 19 
3.1  有限元理論及 ANSYS/LS-DYNA 軟件介紹 ...... 19 
3.2  特厚板復(fù)合軋制有限元模型的建立 .... 19 
3.3  仿真結(jié)果分析與討論 .... 23
3.4  本章小結(jié) ........ 33 
第 4 章  特厚板復(fù)合軋制界面特性實(shí)驗(yàn)方案 ......... 34
4.1  實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 ........ 34 
4.2  實(shí)驗(yàn)方案 ........ 34 
4.3 Gleeble 實(shí)驗(yàn)與軋制實(shí)驗(yàn)方法對比 ........ 39 
4.4  本章小結(jié) ........ 39 
第 5 章  特厚復(fù)合板模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ......... 41 
5.1  金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 .... 41
5.2 力學(xué)性能分析 ........ 57
5.3  相應(yīng)的生產(chǎn)工藝措施 .... 62
5.4  本章小結(jié) ........ 62 

第 5 章  特厚復(fù)合板模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合有限元仿真模擬分析結(jié)果進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，具體模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下。其中圖 5-1 到圖 5-16 中的圖片，左側(cè)為軋件邊部取樣，右側(cè)為軋件中心部取樣，100μm為放大 200 金相圖片，40μm 為放大 500 倍進(jìn)行圖片。 

5.1  金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

界面復(fù)合強(qiáng)度主要采用觀察特厚板復(fù)合界面的組織形態(tài)及孔洞大小和數(shù)量，并綜合拉伸實(shí)驗(yàn)中復(fù)合軋件的斷裂性質(zhì)確定。如果軋件的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)特厚板復(fù)合后的界面不明顯，與基體組織差異不大，且在拉伸實(shí)驗(yàn)中軋件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了基體的要求，就認(rèn)為復(fù)合板已經(jīng)達(dá)到了理想的復(fù)合效果.結(jié)合有限元仿真模擬中的軋件變形規(guī)律，制定了不同的特厚板心部壓下率對復(fù)合效果的影響。由于實(shí)際厚板生產(chǎn)過程中壓縮比都會(huì)達(dá)到 2:1 以上，且通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱到當(dāng)特厚板只有 10%壓下率時(shí)，復(fù)合界面清晰可見且連續(xù)，心部大范圍的的內(nèi)部未產(chǎn)生復(fù)合，故模擬壓下率的影響采用的是從 20%-40%不等的壓下率進(jìn)行分析驗(yàn)證。具體不同壓下率的軋制參數(shù)如表 5-1 所示，模擬實(shí)驗(yàn)中的軋制速度都是在 1m/s的軋制速度下進(jìn)行的。 

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結(jié)   論 

本文針對特厚復(fù)合板坯在軋制過程中復(fù)合界面處開裂、板坯復(fù)合性能不好等問題出發(fā)，建立了判定特厚復(fù)合板坯界面復(fù)合效果好壞的理論模型，并基于有限元仿真模擬和實(shí)驗(yàn)得到了不同界面特性對特厚復(fù)合板坯復(fù)合效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下： 
1.考慮了復(fù)合板坯在軋制過程中復(fù)合界面處存在剪切應(yīng)力，推導(dǎo)了考慮特厚復(fù)合板坯的軋制力學(xué)模型，提出了相應(yīng)的判定特厚復(fù)合板坯復(fù)合效果的判定準(zhǔn)則。 
2.針對界面特性對特厚板坯軋制復(fù)合效果的影響，采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件建立了仿真模型，確定了界面特性對復(fù)合效果的影響規(guī)律。隨著壓下率的提高，復(fù)合界面處的等效應(yīng)變和應(yīng)力增大，復(fù)合界面處的等效壓下率應(yīng)該達(dá)到30%-40%；摩擦系數(shù)在 0.3 附近對復(fù)合界面復(fù)合最為有利；為了保證軋制效率和質(zhì)量，應(yīng)采用 1m/s 的軋制速度；隨著溫度的不斷升高復(fù)合界面的等效應(yīng)變和應(yīng)力都呈現(xiàn)增大趨勢，在 1050℃條件下進(jìn)行復(fù)合軋制效果最經(jīng)濟(jì)。 
3.進(jìn)行了特厚板復(fù)合軋制實(shí)驗(yàn)和 Gleeble-3800 熱模擬實(shí)驗(yàn)，分析了界面特性對特厚復(fù)合板復(fù)合效果的影響規(guī)律。當(dāng)復(fù)合板坯心部變形率增加到 35%時(shí)結(jié)合面區(qū)域只有很少的小孔洞存在，當(dāng)增加壓下率達(dá)到 40%之后，復(fù)合板坯已經(jīng)達(dá)到了理想的復(fù)合效果。隨著復(fù)合界面粗糙度的提高復(fù)合效果明顯提高，當(dāng)表面粗糙度為 Ra12.5 和Ra6.3 時(shí)，已經(jīng)可以達(dá)到要求的復(fù)合效果。軋制復(fù)合溫度的提高對界面復(fù)合效果的提高具有明顯的改善的作用。軋制復(fù)合界面真空度越高越有利于特厚板的實(shí)現(xiàn)良好的復(fù)合。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：246729