不锈钢复合板轧制过程中的变形分析

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

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

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

5 6

4

试样编号 1 2

3

158180171 161

长度（mm） 175 185

71.56966 66

宽度（mm） 68 68

1522.522.5

厚度（mm） 14 14 15

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（％）

Ac 成分 C Si

Mn P S Cr Ni 0Cr18Ni90.052 0.50.920.0250.00417.238.17 0.03

0.02

Q235 0.19 0.210.540.040.0180.010.01

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

3.1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。