材料加工新技術

趙紅亮(教授)材料科學與工程學院課程性質與目的:介紹性質,不專注于太具體的東西目的是開闊思維,拋磚引玉,力爭為學生課題的開展提供一個思路課程內容：近終形成型技術半固態加工技術快速凝固技術金屬的塑性成型新工藝材料加工中的計算機模擬材料與人類文明材料是現代文明的支柱材料是人類生存的基礎(Basis)材料是人類發展的標志(Mark)材料是科技創新的先導(Lead)材料制備方法IM(IngotMetallurgy)熔鑄法

熔(melting)、煉(refining)、鑄(casting)

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

制粉(powdermaking)壓型(pressing)燒結(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)復合成型（鑄軋、鑄擠、鍛軋、擠軋等）近終形成型技術材料加工新技術之一連鑄出的直接為坯，不再需要初軋開坯!

連續鑄鋼技術的開發與應用是鋼鐵生產中繼氧氣轉爐后又一次重大的技術革命。它取消了傳統模鑄中的初軋開坯工序，具有節約能源、降低消耗、節省投資、機械化和自動化程度高等優點，已成為現代鋼鐵企業廣泛應用的生產技術。目前不少發達國家已實現全連鑄。一個國家的連鑄水平已成為衡量這個國家鋼鐵生產水平的重要標志。90年代初，中國連鑄比僅為30%，到2000年，中國連鑄比已達85.3%，到2007年，中國連鑄比躍至96.95%，達到國際先進水平。

連鑄技術

自70年代以來，鋼鐵工業從追求產量粗放型的規模擴張走上了注重質量、節能降耗、結構優化，使我國由鋼鐵大國走向鋼鐵強國的新路子：一方面，用戶對鋼材質量、性能的要求越來越高。另一方面，由于競爭激勵，廠家需要不斷盡可能地降低成本。為了應付激烈的市場競爭，發達國家的鋼鐵企業投入了大量的資金和人力開發新的工藝技術。

其中近終形連鑄技術是近20年來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、質量的前提下，盡量接近最終鋼材斷面的形狀、尺寸。

模鑄、傳統連鑄、薄板坯連鑄和薄帶坯連鑄工藝過程對比

鋼液

鑄錠

均熱

初軋

加熱

熱粗軋

熱精軋

冷軋模鑄

·

·

·

·

·

·

·

·傳統連鑄

·

·

·

·

·薄板坯連鑄

·

·

·薄帶連鑄

·

·工藝生產工序

目前，薄板坯連鑄技術已經進入工業化生產，而大多數薄帶坯連鑄技術仍主要處于實驗室研究階段，一些技術難點和缺陷還有待進一步解決。日本預測，到2020年，在連鑄技術領域，傳統連鑄占40％，薄板坯連鑄占50％，薄帶坯連鑄占10％。目前發展狀況:近終形連鑄的優點可省去開坯、初軋，甚至可免去整個熱軋工序，使設備投資和過程能耗大為降低；因斷面尺寸接近成品，總軋制變形量減小，減少了機架數量，進而降低基建投資。應用薄板坯連鑄生產熱軋帶鋼，已使生產帶卷的成本大大降低，正在研究中的薄帶連鑄的工業應用，將會帶來進一步的革命性變化，這其中之一將是取消熱連軋機組。

1、鋼的薄板坯連鑄

薄板坯連鑄是介于傳統連鑄和薄帶連鑄之間的一種工藝。世界上第一臺薄板坯連鑄機于1989年在美國Nucor公司的Crawfordsville工廠投產。此后，薄板坯連鑄連軋工藝迅猛發展。除德國西馬克和德馬克公司開發的CSP和ISP技術進展很快外，奧鋼聯開發的Controll技術、意大利達涅利公司開發的FTSC技術、美國蒂平斯公司和韓國三星重工公司共同開發的TSP技術都陸續被采用，各種技術在競爭中發展迅速。

北京鋼鐵研究總院也研制了我國第一臺薄板坯連鑄機，安裝在蘭州鋼鐵集團公司。1999年8月26日，我國引進的第一條薄板坯連鑄連軋生產線（CSP）在廣州珠江鋼鐵有限責任公司投產。整個生產過程采用計算機控制，從廢鋼入爐到熱軋成板只需2.5h，與需要28h的傳統工藝相比，具有明顯的競爭優勢。薄板坯連鑄連軋工藝生產帶鋼的成本（從鋼水到熱帶）較傳統工藝約低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:國內外研究現狀及發展趨勢哈茲列特工藝特點哈茲列特工藝研究現狀及發展趨勢車身板研究現狀及發展趨勢一:工藝背景鋁加工工業的發展,鋁材市場需求增大.產能產量迅猛增加.產業結構性矛盾突出.節能降耗形式嚴峻.哈茲列特工藝節能、減排，有利于可持續發展.加快我國鋁加工業的技術進步和產業結構升級。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,環保,安全三大問題.降低成本.提高性能.從1978年的29.6萬噸,2007年增加到1255.9萬噸,年均遞增13.8%,連續七年位居第一1978年鋁材產量僅10.56萬噸,1990年39.38萬噸,2000年217.15萬噸,2007年1175.9萬噸.自2006年起世界第一我國鋁加工業存在中低端鋁板帶材產品過多，生產能力相對過剩，產品競爭激烈，企業效益空間相對變小的局面。而高附加值、高技術含量的高端鋁板帶材如電子工業用電子鋁箔、罐用深沖鋁板、汽車、飛機用鋁板等，由于技術上的原因仍主要依賴進口，嚴重制約了我國相關產業的發展。2007年4月，國家發展改革委發布《能源發展“十一五”規劃》。單位國內生產總值能耗降低20％左右、主要污染物排放總量減少10％。

2007年6月3日新華社受權發布《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》。

2008年４月１日起施行《中華人民共和國節約能源法》,使節約資源成為我國基本國策。

利用高效節能新技術哈茲列特連鑄連軋工藝,通過優化成分,熱處理退火軋制工藝,研究開發低成本高性能的鋁合金車身板生產工藝.達到節能降耗、降低成本、提高板材質量、縮短交貨期、提高產品競爭力的目的。

二.國內外研究現狀及發展趨勢2.1.哈茲列特工藝特點2.2.哈茲列特研究現狀及發展趨勢2.3.車身板研究現狀及發展趨勢2.1.哈茲列特工藝特點1.鋁板帶坯主要生產工藝直冷鑄錠熱軋工藝雙輥連續鑄軋工藝哈茲列特連鑄連軋工藝優點:熱軋產品深加工性能好,可軋制各系鋁合金,其最先進的方式是熱連軋.缺點:投資大.高能耗,高排放.流程短,能耗低.我國國內的鋁板帶雙輥連續鑄軋機基本上只能用于純鋁和3000系鑄軋板的生產，已經滿足不了國內日益增長的對多種鋁合金板帶箔產品的需求

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

哈茲列特鑄造機后接3機架的熱連軋機.省去了鑄錠鋸切,銑面,加熱或均熱等工序.生產率高.明顯節能降耗.生產線布局簡單.投資少,能耗低,產品成本低.2.哈茲列特工藝優勢高產率節能降耗減排環保生產合金產品范圍寬國外已得到廣泛應用工藝參數的比較帶材厚度產能噸/時/米2米寬生產線產能千噸/年雙輥式鑄造機3-7mm1.2-2.410-25哈茲列特雙帶式鑄造機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的對比:產能大(10-20倍),合金及產品范圍廣.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線2.用重熔鋁錠為原料建哈氏生產線3.冶煉廠旁建直冷生產線4.用重熔鋁錠為原料建直冷生產線1.冶煉廠旁建哈氏生產線2.用重熔鋁錠為原料建哈氏生產線3.冶煉廠旁建直冷生產線4.用重熔鋁錠為原料建直冷生產線惰性氣體保護:

控制氧化.控制熱傳輸速度.它可以根據Agema掃描系統顯示的結果,在鋼帶寬度方向上改變氣體的配方和用量有選擇地對冷卻速度進行區域性調節.磁力支撐輥:

在鋼帶的各支撐軸上套上磁力環,采用Nd-Fe-B為主的強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的熱變形.鋼帶的感應預加熱1.防止鋼帶進入模腔時發生的冷箍及彎曲和熱變形2.干燥鋼帶表面的水汽.感應預加熱到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,用火焰或等粒子噴涂在鋼帶表面.根據不同合金固化條件的需要,通過改變涂層厚度,粗糙度,多孔性及化學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量.正在試產的合金預示哈茲列特工藝未來商業生產方向以及巨大的市場潛力和社會效應.諸多實踐已證明,哈茲列特工藝已能生產含鎂較高(4.5%)的合金和含銅較高的AA2024合金..拓寬合金系新產品的研究與開發車身板研究現狀及發展趨勢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,成本高.6xxx系Al-Mg-Si合金具有強度和塑性的良好組合，綜合性能優，油漆烘烤強化效應好，焊接性能好。但成形性能有待提高.對6000系鋁合金的研究1)優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)高效節能低成本鋁合金板材的開發(哈茲列特工藝)美國能源部及國家實驗室與阿萊銳斯公司一起研發用于汽車的AA5754合金,已被通用汽車公司和福特汽車公司認可,用于制作18種汽車部件.福特汽車公司指出對用哈氏工藝生產的5754車身用結構鋁合金板(內板1-3mm,3-3.5%Mg)成形性能和疲勞性能測試,其機械性能接近于直冷鑄造熱軋工藝.福特公司汽車結構用5754鋁合金板哈茲列特工藝和直冷鑄錠熱軋工藝性能對比3、鋼的薄帶連鑄

作為生產扁平材的近終形連鑄技術，帶鋼連鑄工藝生產的鋼帶較之薄板坯連鑄更接近于最終產品的形狀，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，不經熱軋或稍經熱軋（1～2個機架），即可進行冷軋，而產品的性能和質量仍可與常規生產的產品相媲美。薄帶連鑄能大大降低基建投資和生產成本，是鋼鐵工業令人關注的新工藝，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線于1999年11月在德國克虜伯·蒂森·尼羅斯塔的不銹鋼廠投產。隨熱軋一起省掉的還有退火、酸洗、運輸等一系列輔助工序和設備，稱之為超短流程生產線。整條機組長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:

單面凝固會造成產品內部結構不均勻，且長度方向厚度也可能不均勻。另外，帶鋼的寬度也不易控制。據報道，生產的高粘度材料，如奧氏體不銹鋼和Ni3Al帶的表面質量較好，奧氏體不銹鋼帶的機械性能也與常規產品相當，但普碳鋼

和硅鋼的的質量較差。

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。由兩個鑄輥和端面側封板構成鋼水池，鋼水經浸入式澆鑄系統控制，送入輥口，薄帶坯厚度通過調節輥縫的大小來控制。圖2雙輥帶鋼連鑄示意圖

雙輥連鑄

其中，兩個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。根據鑄輥直徑可以分為等徑雙輥連鑄和異徑雙輥連鑄；根據軸線布置又可分為水平雙輥連鑄和傾斜雙輥連鑄。由于雙輥連鑄實現的是雙面冷卻，其冷卻速率較單輥連鑄的大，澆鑄的薄帶坯厚度可大些。

國外的新日鐵與三菱重工合作，于1985年開始雙輥鑄軋不銹鋼薄帶技術的研究，所建立的鑄軋試驗機可以生產寬800mm、長1330mm的帶卷。生產的帶卷表面無裂紋且組織結構均勻，力學性能和抗腐蝕性能達到或超過用傳統工藝生產的帶鋼。此后，澳大利亞的BHP公司、意大利的AST公司、法國的Usinor公司和韓國的浦項鋼鐵公司也相繼進行了雙輥鑄軋技術的研究，都取得了一定的研究成果。國內東北大學自1958年開始進行薄帶鋼鑄軋方面的研究，在自制的連續鑄軋試驗機上鑄軋出了1～2mm厚、260mm寬的球墨鑄鐵板和變壓器硅鋼帶。

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

國內雙輥連鑄的發展

“八五”期間，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室建立了近終形鑄軋研究室并建成了薄帶鋼鑄軋試驗線，完善了熔煉和測試手段，鑄軋出的W6高速鋼薄帶的表面質量和邊部質量大大提高。

1998年，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室的雙輥鑄軋研究又被列為國家自然科學基金委重大項目。

國內雙輥連鑄的發展

上海鋼鐵研究所從1985年開始對雙輥薄帶連鑄技術進行研究，他們在雙輥薄帶連鑄機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的主要設計參數和關鍵技術

。

國內雙輥連鑄的發展

在薄帶連鑄技術中，雙輥技術占據主流，其中尤以等徑雙輥連鑄技術發展最快，為多數鋼鐵公司所開發。雙輥連鑄存在的技術難題為：

輸送鋼水的動量會引起鋼水池紊流，影響產品質量；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致變形的產生，會對生產的薄帶坯表面帶來影響；鋼液液面的控制和鋼液防止二次氧化技術；雙輥兩側的側封技術和側封板的選用；輥縫和軋制力的控制較為困難。雙輥連鑄存在的問題

在此工藝中，鋼水由中間包澆到活動帶上，活動帶由安裝在下部冷卻箱內的噴嘴噴水冷卻，鑄坯表面由上輥壓平。升起上輥，可進行左右表面連鑄操作，鑄機后部還安裝了一對拉坯輥（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－運輸帶；6－薄帶產品；7－拉出裝置。

瑞典的梅福斯公司和德國的曼內斯曼·德馬克公司合作對這一技術進行了開發試驗。但輥帶技術工藝控制復雜，且寬度不能調節，鋼液的喂入也很困難。

輥帶連鑄

鋁的雙輥鑄軋工藝的特點：結晶器為兩個帶水冷系統的旋轉鑄軋輥，鋁熔體在其輥縫間完成凝固和熱軋變形兩個過程，而且是在很短的區間(鑄軋區)與很短的時間內(2～3s)完成的。它不同于連鑄連軋，后者實質上是將薄錠坯鑄造與熱軋連續進行，即金屬熔體在連鑄機結晶器中凝固成厚約20mm的坯后，再在后續的連軋機上連續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立工序。4、鋁的雙輥薄帶鑄軋

50年代初，美國亨特公司最先研制成功雙輥式連鑄機，熔化的鋁液經過鑄嘴，通過兩個轉動的水冷輥的輥縫，冷卻凝固成為“鑄軋板”。由于水平所限，該連鑄機對鋁合金帶坯的厚度、寬度及合金成分均有所限制。

60年代初，相繼出現3C鑄軋機和亨特鑄軋機，生產的鋁合金帶坯寬度可達2m，合金品種更廣。鋁雙輥薄帶鑄軋發展

我國從1964年就開始研究鑄軋法生產卷材，1977年東北輕合金加工廠研制成功第一臺下鑄式鑄軋機，并試軋出鑄軋板。70年代末，華北鋁業有限公司制造出我國第一臺鑄軋機，用作生產鋁板帶箔的坯料，從此我國的鑄軋機開始投入工業性生產。此后鑄軋技術在國內有了飛速發展，鑄軋機型號不斷改進，式樣也推出多種。在工藝技術上也有長足進步，增加了在線除氣、過濾裝置、細化晶粒裝置等手段，從而提高了金屬的純潔度，使鑄軋板質量得到很大的提高。其中洛陽有色金屬加工設計院、諑神有色金屬加工設備公司等在設計、開發與制造方面做了許多卓有成效的工作。鋁雙輥薄帶鑄軋發展

截止到2012年底，全球已擁有超過793臺雙輥薄帶鑄軋機。其中意大利的法塔亨特鑄軋機有160臺，法國的3C式鑄軋機175臺。中國擁有雙輥式鑄軋機約有460臺，占全球總數的58%，國內已有超過10家企業能生產此類鑄軋機。經過30多年的努力，中國已成為一個名副其實的鋁帶坯鑄軋工業王國，鑄軋機制造大國。鋁雙輥薄帶鑄軋發展

雖然薄帶鑄軋技術在我國和世界上得到了快速應用和發展，但傳統的鑄軋工藝存在的問題是：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、各向異性嚴重、深加工性能差、可鑄軋的合金品種少，其產品品種和應用領域受到很大限制，目前主要用于鋁箔毛料和對深加工性能要求不高的部分薄板。在這些缺點當中，較低的鑄軋速度是其中最為關鍵的一個問題，它直接影響生產率的大小。鋁的超薄高速連續鑄軋技術

鋁的超薄高速連續鑄軋技術

針對常規鑄軋工藝存在的主要問題，一些發達國家競相斥巨資開發超薄高速連續鑄軋技術。它能在傳統雙輥鑄軋的基礎上，將鑄軋速度提高10倍以上，金屬的凝固速度提高10-100倍，并進行60%-80%的大塑性變形，從而提高生產率2-3倍，使鋁合金帶坯獲得更加優良的組織和性能。目前，在美國、盧森堡、法國等地已相繼建成了雙輥、四輥等類型各異的快速連續鑄軋超薄鋁合金帶坯生產線。在國內，對鋁合金鑄軋新技術與設備的研制開發，也已被列為產業化前期關鍵技術，由高校、院所和企業合作開發工藝技術，研制成套設備并建設生產線。

電解鋁液直接鑄軋鋁加工面臨流程長、能耗高的巨大挑戰（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能1500kWh/噸節能600kWh/噸開發高效、低耗短流程化關鍵生產技術,實現節能降耗目前，我國大多采用鋁錠重熔法生產鋁加工材，工藝流程長、能耗高、質量不穩定，產品缺乏市場競爭力。鋁液短流程合金化及塑性成型加工制備高品質鋁加工材屬鋁工業生產結構調整，既符合國家產業政策，也將推動鋁工業技術的重大進步！節能降耗是現階段我國鋁工業所面臨的重大而緊迫的戰略問題！中國政府鄭重承諾：到2020年單位GDP碳排放比2005年減少40%至45%。發改運行（2007）709號文指出：調整產品結構，發展高精鋁板帶箔及高速薄帶鑄軋生產技術，推廣高效率低能耗、環保型鋁加工新工藝技術，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→導爐→調整溫度至750±5℃→第二精煉→Al—Ti—B絲變質→陶瓷過濾→鑄軋帶卷→冷軋成箔毛料→中間退火→箔軋→分切→箔材成品。

生產工藝傳統的鑄軋生產鋁箔毛料采用的是鋁錠重新熔化再進行鑄軋的工藝。而電解鋁液直接鑄軋是利用電解鋁液直接實現鑄軋生產，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,特點是:

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

gAl。(3)雜質含量高,除含Fe、Si等雜質元素外,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。電解鋁液直接鑄軋特點

由于電解鋁液的自身特點，其注入混合爐給后續的鑄軋、冷軋、箔軋、退火等生產工藝的制定和控制增加了一定難度；鋁液溫度過高，容易吸氣，使含氫量增加。鋁液溫度過高，結晶時有效形核率低，嚴重影響最終產品的力學性能和表面質量。電解鋁液直接鑄軋技術難點

如何在電解鋁液直接鑄軋生產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關鍵問題；如何解決電解鋁液直接鑄軋生產中有效形核率低的問題，獲得細小的晶粒組織是需要解決的另一個關鍵問題。技術關鍵電解鋁液為過熱金屬,金屬雜質較多,熔煉前爐內首先加入30%的固體鋁廢料,再加入電解鋁液。加入的固體鋁廢料,化學成分必須均勻,無水分、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,然后通過石棉網過濾后加入熔煉爐內;生產高質量帶坯產品時,還必須用固體精煉劑在開口包內精煉鋁液,除去表面浮渣后才能加入爐內。熔煉的質量控制1、電解鋁液的加入及熔煉鋁液的導入：鋁液從熔煉爐導入靜置爐是非常關鍵的工序。因為鑄軋為連續生產,不允許停機。導爐前,必須觀察鑄軋機運行情況、靜置爐內鋁液情況和金屬溫度。一般要求在鑄軋卸卷時進行導爐,并且靜置爐內鋁液深度在100mm以上;導爐前后靜置爐內鋁液溫度差不大于±3℃。

熔煉的質量控制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↑

通過化學反應,CCl4分解的Cl2與氫、Al反應生成AlCl3和HCl氣體,除去鋁液中一部分氫,同時產生的氣體和Ar氣靠負壓帶走鋁中的氫,也帶走鋁液中懸浮的Al2O3等金屬和非金屬夾雜物。

熔煉的質量控制2、鋁液的靜置及精煉

鋁液從靜置爐出來后,經流槽、精煉箱、過濾箱進入前箱,通過鑄嘴經軋輥冷卻鑄軋成帶坯,這個過程是產品質量控制的關鍵。1、流槽質量流槽是用來導流鋁液的,其性能要求:有一定的強度,保溫性能好,便于清理,對鋁液不產生污染。立板前對流槽必須烘烤,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引起吸氣和造渣,從而引起帶坯質量問題。

在線精煉、過濾、晶粒細化和溫度控制

2、精煉箱精煉箱容積的選擇對除氣、除渣效果很重要。除氣箱的大小與除氣轉子氣體的壓力、流量以及鑄軋產量有關。一般要求轉子的轉速為200r/min,氣體壓力為0.4N/mm2,而且鋁液從除氣箱到前箱的時間不小于10min。精煉劑一般選用高純氮氣,其精煉原理與靜置爐內的相同。精煉用氮氣的純度要達到99.999%,壓力不小于0.15N/mm2,經除氣箱在線精煉后氫含量要不大于0.12mL/(100gAl）。

在線精煉、過濾、晶粒細化和溫度控制

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

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

反向凝固思路的提出單輥、雙輥及輥帶連鑄要進入工業化生產，一些問題還有待進一步解決和完善：選擇哪些鋼種才能將薄帶坯作冷軋料；完善封閉澆鑄技術、側封技術、薄帶厚度的均勻性、薄帶要達到的寬度等；薄帶的表面質量更一直是需要解決的核心問題。

反向凝固思路的提出

此外，薄帶連鑄工藝還存在一個先天難以克服的問題：成品冷軋帶鋼的板形偏差按EN10051的標準為<2％，這在常規生產時只需在粗軋機上或精軋機頭兩、三個機架即可得以保證。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，軋制時幾乎沒有橫向流動。這是由于軋制厚度較薄的鋼板時，起主導作用的摩擦力限制了材料在輥縫中的橫向流動。這樣在后步工序中，無法對任何厚度偏差進行修正。反向凝固思路的提出

因此對要熱軋的帶鋼或寬1000mm、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。

這些問題的出現就促使冶金工作者去探索新的薄帶生產工藝，以滿足越來越苛刻的用戶要求。于是，德國阿亨大學的科研人員近年來提出了一種薄帶鋼生產的全新方法：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的鋼水中穿過，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平整輥，用于對處于高溫狀態的新生相進行初軋。所以反向凝固后的鋼帶不需要向外散發凝殼所需要的熱量，相反在此工序的平整軋制中能充分利用這種澆鑄熱。同時，也正是由于此平整軋制過程，才使反向凝固鋼帶的表面質量得到保證，這也是反向凝固優于其它薄帶連鑄技術的一個重要方面。5.2反向凝固工藝的特點

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

充分利用澆鑄熱，并節約軋制能耗：傳統的連鑄工藝，在結晶器中因為要形成一個堅固的坯殼，必須放掉一部分熱量，其余熱量在二冷區中放掉。而反向凝固工藝不需要形成堅固外殼而放熱，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

產品質量好。（a）母帶對新生相有激冷作用，有利于晶粒細化；（b）凝固組織均勻，無宏觀偏析，材質性能好；（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，凝固過程自內向外進行，從根本上避免了傳統凝固過程中可能出現的中心疏松問題；（d）優良的表面質量。在凝固器上方，有一對平整輥，它能對從凝固器出來的鋼帶及時進行高溫平整，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易于生產復合鋼板。母帶和凝固層只要采用的是不同鋼種，生產出的即為復合材料，因此進行復合材料的生產非常方便。與生產復合材料的其它方法相比（如鍛壓法、粉末冶金法、焊接法、軋制復合法及爆炸復合法等），反向凝固具有明顯的優越性。通過調節母帶寬度，其產品的寬度就可以根據市場需要而靈活變化。此方面反向凝固方法具有比其它薄帶連鑄工藝獨特的優越性。

5.2反向凝固工藝的特點

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厚的母帶在通過反向凝固器后，其厚度可達到6mm，經平整軋制后厚度為5mm，最終冷軋成1mm厚的薄帶。將其中的20％用于循環生產，作為下次的母帶，80％作為成品銷售，保證了高的生產率，從而會帶來明顯的經濟效益。改善了經濟和生態平衡。占地的減少和能源消耗的降低可以帶來明顯的環境效益。

德馬克公司設計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和東北大學合作，申請了國家自然科學基金重點資助項目－“反向凝固生產薄帶技術基礎研究”，并在北京科技大學冶金實驗室建造了一臺包括高溫平整軋機在內的試驗設備。北京科技大學主要負責凝固部分，東北大學則負責軋制部分的研究工作。目的是通過理論與實驗研究，獲得最佳的反向凝固工藝參數，弄清與工藝過程有關的基礎理論問題，為反向凝固技術的實現提供完整的工藝理論依據。

5.4有色金屬的熱浸鍍反向凝固最初是針對鋼和鋼之間的復合而提出的，但現在鋁熱浸鍍鋁、鋼熱浸鍍銅等有色金屬的復合有時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金屬中，經較短時間形成合金鍍層。當浸鍍時間極短時，所形成的鍍層只是附著層而不是擴散層，因而與基體金屬結合不牢固，因此一般在熱浸鍍后還要加熱使鍍層進行擴散，以形成合金層。熱浸鍍法的優點是設備簡單，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用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等，其產品主要集中在帶材和線材。國際上也已采用此法進行無氧銅桿（線坯）的工業化連續生產，生產工藝過程如圖6所示。近年來，國內東北大學的于九明教授帶領研究生對鋼線的熱浸鍍銅工藝進行了較為深入的研究，在實驗室建立了一套連續的實驗設備，取得了一定的研究成果。

圖6浸漬成形法生產工藝流程圖

1－電解銅板；2－真空裝料機；3－輥道；4－預熱爐；5－組合爐；6－石墨坩堝；

7－冷卻室；8－上傳動；9－冷卻管；10－張力調節器；11－直列式軋機；

12－冷卻管；13－吹干器；14－探傷儀；15－張力調節器；16－繞桿機；17－成品桿；

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

5.5反向凝固與熱浸鍍的區別不難看出，反向凝固的工藝原理與已應用于工業化生產的有色金屬的熱浸鍍法非常相似。但由于鋼的熔點高，操作起來遠比有色金屬困難。例如，連續化生產時，有色金屬的熱浸鍍不用擔心鋼帶（線）在有色金屬液中熔化，而對于鋼的反向凝固來說，凝固時間長時，母帶會迅速在凝固器內的鋼液中熔化，這樣整個連續的生產過程就要中止，而且還可能在凝固器底部出現漏鋼事故。

材料加工新技術之二:半固態加工技術材料加工新技術之三:快速凝固技術快速凝固技術（rapidsolidification）概述可以說60年代，快速凝固概念形成，并在多種合金體系當中觀察到了亞穩效應在快速凝固領域中的幾個主要標志1960年Duwez及其同事發明“槍”技術，開創了材料科學領域的一個新時代。（106k/s），這年的工作發現，凝固工藝可以改變材料的組織結構，包括：擴大固溶極限形成新型非平衡晶體或準晶相生成金屬玻璃1.快速凝固及其發展什么是快速凝固？指冷卻速度大于102K/S的凝固過程稱為快速凝固。70年代，非晶態材料領域的研究更為活躍，因為制備連續的等截面長薄帶技術得到了發展。金屬玻璃非同尋常的性能促進了該領域的發展，同時推動了磁性材料的應用和發展。80年代關于快速凝固微晶合金的研究（尤其是航空工業領域具有應用前景的輕金屬材料）活躍，這是因為金屬玻璃在高溫退火后晶化并失去其所有的優異性能。目前，已發展了很多制備快速凝固金屬和合金的技術，主要功能：細化晶粒、產生一種或多種亞穩相，其產品主要為粉、絲、帶、片、線等。快速凝固產品廣泛應用，航空、天工業、機械、電子。2.實現快速凝固的條件實現RS的基本條件金屬液分散成液流或液滴，至少在一個方向上尺寸極小，以便散熱。具有傳熱的冷卻介質。滿足RS條件的途徑：大的冷卻速度對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節。增大散熱強度，使熔體以極快的速度降溫，即可實現快速凝固。設：液膜厚度為h，與冷卻介質的溫差T，一維傳熱，其冷卻速度為α：界面換熱系數(W/m2

℃

)

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

)

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

)Gs-凝固層溫度梯度（℃

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

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

)

見于液相微粒的快凝、特殊處理的大過冷度液體塊料的凝固。

在凝固過程，設法消除熔體中可以作為非均勻形核媒質的雜質或容器壁的影響，盡可能形成接近均勻形核的凝固條件，以獲得大的凝固過冷度。3.快速凝固的特點凝固速度大，無溶質分配（產生平衡分配）。S/L界面穩定性增加，凝固形成平面、無偏析等軸晶。形成組織結構特殊的晶態合金。形成非晶態合金。材料加工新技術之四:金屬塑性成型新工藝材料加工新技術之四:材料加工中的計算機模擬主要內容有限元法的基本理論ANSYS軟件有限元分析的基本過程和步驟塑性加工（平輥軋制）過程的應力、應變場解析：分同種材料和復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域的數值方法。有限元法的基本思想是把連續體假想劃分成有限個用節點連接的單元，以節點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的方程組來確定此未知量，通過節點位移（速度）與單元內的應變及應力間的關系確定各單元的應力和應變分布。有限元法的基本思想推廣到其它連續域問題，節點未知量也可以是壓力、溫度等。此方法特別適于求解復雜的邊界問題，而且還可以考慮材料、幾何非線性、接觸與摩擦等復雜邊界條件，以及多場耦合情況。有限元法的基本思想有限元法最初在40年代被提出，60年代被廣泛應用于結構分析領域，從70年代開始用于解決金屬塑性加工成形問題。有限元法的發展有限元法是隨著有限元理論和計算機技術的發展而得到不斷發展的。早期的有限元分析，一般都是由個人編寫的簡單計算機程序，求解計算出結果即可，沒有前、后處理功能。并且由于計算機容量的限制，難以對復雜的問題作出解析，因此應用范圍很窄。有限元法的發展隨著計算機技術的突飛猛進，特別是內、外存容量的不斷擴大，CPU的不斷升級，使運算速度大幅度提高，這為有限元的進一步開發提供了條件。使有限元軟件在分析計算的基礎上，具備了強大的前、后處理功能及圖形控制技術，并引入了文件管理系統和數據庫技術，進而發展成為大型系統化和集成化的有限元分析軟件。有限元法的發展1)工藝優化，減少試軋次數；2)預測和控制模具的失效和使用壽命；3)預測和控制成型件的顯微結構和性能；4)減少廢品和材料損失。金屬加工成形領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。

金屬成型過程有限元分析的目的金屬加工領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等導出的彈塑性矩陣發展起來的。隨后不少研究者對擠壓、拉拔、板沖壓、平輥軋制等問題進行了解析，得出了工件內的應力、應變分布及塑性變形區的擴展情況。

彈-塑性有限元法優缺點優點是可以計算工件出軋輥后的殘余應力。缺點是：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。因此對于大塑性變形問題，所需的計算時間較長。2）由于加載和卸載時，塑性區內的應力、應變關系并不相同，因此，每次計算時都應檢查塑性區內各單元是處于加載狀態還是卸載狀態。若是卸載狀態，還必須重新計算，這勢必增加計算時間。

這些缺點在一定程度上限制了它的發展。但近年來，由于計算機速度和容量的飛速發展，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題，因此近年來也得到了越來越廣泛的應用。后面利用ANSYS軟件中的彈-塑性有限元法對高溫軋制過程進行了有限元解析，得出了軋件內各點的位移、應力及應變分布。

彈-塑性有限元法優缺點

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域廣泛應用的又一種數值解析方法。東北大學的劉相華教授在國內首次用此種方法對軋制過程進行了解析。該方法一般依據剛-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點速度的非線性函數，利用最優化理論得出滿足極值條件的最優解，即使總能耗泛函最小的運動許可速度場，再進一步利用塑性力學的基本關系式得出變形速度場、應變場和應力場。

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程中沒有應力的累積誤差，不存在要求單元逐步屈服問題，因而可用數目相對較少的單元來處理塑性加工的大變形問題。其缺點是：由于忽略彈性變形，所以在計算小變形時精度不如彈-塑性有限元法；另外，卸載時應按彈-塑性有限元法計算，剛-塑性有限元法不能計算殘余應力。

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體的離散化。選擇單元的類型、數目、大小進行網格劃分。選擇位移函數。設定滿足要求的聯系單元節點及和單元內部各點的位移插值函數，以保證計算結果的準確性。建立單元剛度矩陣。用此矩陣把單元節點位移和節點力聯系起來。建立整體方程。首先把單元剛度矩陣集合成整體剛度矩陣，建立表示總節點位移矢量與總載荷矢量之間的聯立方程組。由建立的聯立方程組求未知的節點位移。由節點位移計算各單元的應力和應變。第二部分

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

ANSYS軟件是美國SASI公司開發的世界最著名的大型通用有限元分析軟件，它集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體，自問世以來，便以其極高的性能價格比和無可比擬的分析深度，被廣泛用于航空航天、汽車、造船、鐵道、電子、機械制造、材料冶金、生物醫學、土木工程等各個領域，其極強的分析功能覆蓋了幾乎所有工程問題。

2.2ANSYS軟件

ANSYS的分析過程由三個階段組成：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據。用戶能選擇坐標系和單元類型，定義實常數和材料特性，生成實體模型并劃分網格，控制節點和單元，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據成為ANSYS數據庫的一部分。這個數據庫由表構成－坐標系表、單元類型表、材料特性表、關鍵點表、節點表、載荷表等。表中的數據被規定好后，這些數據通過表項編號來引用。

ANSYS前處理器的實體建模能力，允許用戶直接同模型的幾何特性打交道，而不用關心有限元模型的節點和單元。

求解階段建立模型及網格劃分后即可進入求解階段。在求解階段，用戶能指定分析類型、分析選項、載荷數據和載荷步選項。一般可用的分析類型包括結構、熱、電磁場、電場、流體、CFD和耦合場分析，本文分別選用的是熱和結構分析。載荷數據即對實體施加的載荷和規定的邊界條件。在選定求解準則后，即能進行求解。用戶能命令程序針對所選擇的分析類型求解控制方程，并計算出結果。

后處理過程

所有ANSYS分析類型都是基于經典方程的概念。利用數值分析技術，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點的自由度。自由度可以包括位移、轉角、溫度、壓力、速度、電壓等，它們通過單元來定義。緊接在求解過程之后的是后處理過程。通過友好的用戶界面，用戶可很容易獲得求解的計算結果。這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、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數據的方法有兩種：一是用通用后處理器POST1查看整個模型或模型的某一部分任一個數據集的結果；二是用時間歷程后處理器POST26跨多個數據集查看所要的部分模型的數據，如特定階段的位移或單元應力等。當數據從結果文件讀出后，被存入ANSYS數據庫。

2.3ANSYS對接觸問題的處理

接觸問題是廣泛存在于工程實際中的一種復雜的非線性問題，任何塑性成形都存在工具與工件的接觸問題，而如何恰當地描述和處理這種接觸關系，對有關問題的正確解析關系重大。對帶坯的高溫軋制來說，也只有準確地描述和反映了軋輥與帶坯間的接觸關系，帶坯才能在軋輥的旋轉帶動下被帶入軋輥，進而實現帶坯的變形解析。2.3ANSYS對接觸問題的處理

接觸可分為兩類：剛性－柔性接觸，把兩個接觸面中的一個當作剛體處理；2)柔性－柔性接觸，用于兩個接觸面剛度相差不大的情況。在金屬塑性加工領域一般均采用剛性－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對接觸問題的處理

ANSYS是通過在工具和工件之間建立接觸副(ContactPair)來處理兩者之間接觸關系的。

ANSYS對接觸問題的處理主要包含以下幾個方面的內容：（1）接觸副的建立；（2）接觸檢測位置；（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題時，通常將其中一個接觸邊界定為目標面，另一個定為接觸面。接觸面與變形體相關聯，目標面為剛性的工具表面。接觸面和目標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體單元(SolidElement)上（如圖所示）。目標單元和接觸單元之間通過一個共同的實常數號聯系起來。接觸單元覆蓋在變形體實體單元表面上，與實體單元表面具有相同的幾何特性。接觸副組成示意圖

實體表面目標單元接觸單元接觸副組成示意圖

接觸檢測

目標單元與接觸單元是否發生接觸要由兩者之間的相對位置來決定。接觸檢測點(ContactDetectionPoints)是接觸單元上用來檢測接觸單元與目標單元之間的相對位置關系的點，它可以是節點或Gauss積分點。接觸單元在檢測點處被限制，無法滲透到目標單元，而目標單元通常可以滲透到接觸單元（如圖5-3）。

接觸檢測

剛性體目標單元接觸單元柔性體（工件）Gauss積分點圖5-3接觸檢測示意圖

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指向目標單元的法向距離，用g表示，如圖5-4所示。通過計算滲透距離即可判斷兩個單元是否接觸：如果滲透距離g小于規定的值，認為發生接觸，否則認為未發生接觸。

滲透距離和接觸剛度

目標面接觸面積分點滲透距離圖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單元，而一旦接觸單元滲透到目標單元而發生接觸，實際上就是破壞了接觸相容性條件，這時在目標面的法向方向上就會產生一個法向接觸力，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確定的關系。另外，沿目標面的切線方向將產生摩擦力。這樣，在接觸單元和目標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

在金屬塑性加工過程中，加工工具和變形金屬之間的摩擦機制十分復雜，影響摩擦的因素也很多。實際應用中，一般需要將問題適當簡化。在彈塑性有限元分析中，通常采用庫侖摩擦模型。按照庫侖摩擦定律，相互接觸的兩個粗糙表面在相互滑動以前可以承受作用面上一定大小的剪應力的作用，即出現兩金屬表面間的粘著。

摩擦模型

庫侖摩擦模型可描述為

式中，－極限剪應力；－剪應力；－摩擦系數；N－法向接觸應力。摩擦模型

當等效剪應力超過時，目標面和接觸面之間將發生相對滑動，這種狀稱為滑動狀態。實際計算中，可定義一個最大剪應力，當剪應力達到該值時，無論法向接觸應力多大，都將發生滑動。通過計算粘著/滑動狀態，能判斷一個點是粘著還是滑動。

第三部分、塑性加工（平輥軋制）過程的應力、應變場解析-------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，將軋輥視為剛體，帶坯視為柔性體，即程序通過建立剛性－柔性接觸機制來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。

基本參數和假設

軋輥直徑為200mm。設軋制前的帶坯厚度h＝10mm，寬度b＝100mm。設高溫軋制的壓下量Δh＝2mm，軋制溫度為1250℃。母帶材料為Q235，凝固層為低碳鋼。通常軋制過程是復雜的三維變形過程，為了便于進行分析計算，根據目前高溫軋制的實際情況，在建立數學模型時，作了如下簡化和假設處理。基本假設①

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

因為b/h＝100/10≥10，所以可忽略寬展，采用二維分析模型③

軋制過程中認為溫度恒定。④

軋輥認為是剛性的，帶坯認為為彈塑性材料。⑤

假定帶坯與軋輥間沒有相對滑動，即忽略前、后滑。假定帶坯符合Mises屈服準則以及相關的流動法則，采用各向同性硬化法則，將材料簡化為雙線性模型。

模型的建立

ANSYS程序有兩種模型生成方法：實體建模和直接生成。實體建模允許用戶直接用幾何特性來建模，并不關心有限元模型的特定屬性－節點和單元。而直接生成是通過詳細說明每個節點的位置及單元的大小、形狀和連通性來定義模型。實體建模較為直觀，下面即通過實體建模方式建立實體模型。

為減少計算量而又能說明問題，將帶坯長度取為80mm。另外，帶坯關于軋制中心線對稱，故取其1/2（厚度的1/2為5mm）作為研究對象。建模時該對象用ANSYS中的四節點四邊形等參單元PLANE42來離散，共劃分為208個實體單元。

模型的建立因軋輥認為是剛性的，模型中用一條線來表示，并用ANSYS中的目標單元TARGE169離散，整體作為1個目標單元。在軋制過程中，帶坯與軋輥發生接觸。為表達這種接觸關系，在帶坯表面建立相應的接觸單元CONTA171，共形成52個接觸單元。目標單元和接觸單元通過一個共同的實常數號來聯系。離散化后的有限元分析模型如圖所示（左側圓弧為軋輥），共261個單元，266個節點。

有限元模型網格劃分圖

材料性能參數及求解方法

帶坯在1250℃時的機械性能參數分別為：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＝0.45。根據前面的高溫力學模擬實驗結果，可知低碳鋼在1250℃時的屈服強度約為75×106Pa。

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