特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析

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1、大连理工大学博十学位论文摘要作为世晃第一产钢大国，我国的棒线材连轧生产能力亦位居世界首位。但在产品质量以及生产高附加值产品等方面上还存在较大问题，与发达国家相比仍有相当大的差距。为了满足社会需求和适应市场竞争，我国的钢铁企业必须不断改进生产工艺、改善产品组织性能，同时降低产品开发与生产成本，缩短开发周期。现代轧制过程控制具有多变量、强耦合、高度非线性和快速等特点。这就需要借助于先进的开发工具对产品及其制造过程进行快速的设计和分析。以往在缺乏精确的系统分析时，传统工艺开发和新产品试制依赖于昂贵而耗时的经验性试错方法。建立基于连续介质力学、传热学及固态相变理论的

2、棒线材控制轧制和控制冷却过程的数学模型能够为轧制工艺设计，产品组织及性能控制提供科学有效的依据。随着计算机软、硬件的发展，有限元模拟技术在棒线材轧制领域得到了越来越广泛的应用。本文以东北特钢集团特殊钢棒线材连轧生产线为对象开展了有限元模拟研究。‘棒线材热连轧过程分为控制轧制和控制冷却两个阶段。分别针对控制轧制过程建立三维热一力耦合有限元模型，针对控制冷却过程建立二维温度场一固态相变场耦舍有限元模型。控制轧制阶段包括30道次的连续轧制过程，是复杂的大变形过程。本文开发了棒线材全线连轧过程三维弹塑性热一力耦合有限元模型，采用实际生产工艺参数建立模型，模拟中8mm

3、GCrl5钢和05．5mm304不锈钢线材真实的轧制过程。将全部30道次的轧制过程按不同阶段拆分为若干有限元模型进行模拟。各有限元模型依次连续，可以获得反映整体轧制过程的模拟结果。连续的有限元模型间通过基于有限元基本原理、插值函数和等参变换等概念开发的数值传递方法，将当前有限元模型模拟结果作为下一模型的初始条件进行求解和带入。数值传递技术为实现全线连轧过程有限元数值模拟提供了基本保证。轧制过程是快速成型过程，SLN速度的变化范围很大，因此分别采用静力分析模型和动力分析模型进行模拟研究。静力模型通过引入刚性体进行模型优化。一方面静力模型中通过建立一个位于轧件后

4、部的刚性体保持对变形体力的作用。另一方面采用刚性体推动技术可以极大限度地缩短轧件模型长度，减少单元数量，获得满意的运算效率。动力模型通过采用不同的时间步长设定方法进行优化。轧制过程模拟中，变形过程相对整个轧制过程比例较小，而轧件在道次间隙运行的模拟耗费了较多的计算时间。采用自适应步长技术对固定步长技术进行优化，合理分配计算过程中时间步长的大小和所需的计算时间，极大限度地缩短模拟时间，提高运算效率。比较静力模型和动力模型的模拟结特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析果，可以看出两种算法都可以获得满意的运算结果，但静力模型的计算精度略高于动力模型，而动力模型则

5、具有较高的运算效率。模拟结果表明静力模型较适于模拟速度较低的连续轧制初期，如粗轧和中轧：引入惯性力选项的动力模型适于模拟不能忽略速度影响的后期高速．车LSmJ过程，如精轧。通过所建立的有限元模型可以获得控制轧制过程轧件不同部位不同时刻的温度情况，以及轧件的轧制力、变形、应力应变等参数的分布和大小。将所获得的轧件温度场模拟结果与实际测量结果进行比较，两者吻合较好；速度场模拟结果与工艺设定值吻合较好，验证了计算结果的准确性和模型的可靠性。温度是热轧中一个极为重要的工艺参数，影响变形过程和组织演变。对控制冷却过程进行建模分析，可以获得不同冷却工艺下轧件的温度变化曲

6、线。结合开发的组织演变模型对控制冷却过程轧件内部组织随冷却工艺的变化情况进行研究，获得在不同冷却工艺条件下轧件的温度场变化曲线以及由此获得的组织分布。控制冷制过程通过综合设置不同冷却方法对轧件的温度进行控制，模拟结果表明不同的冷却参数将对轧件最终组织、性能产生显著的影响。本文所开发的模拟系统能够较准确地模拟棒线材轧制过程中的轧件变形、金属流动、温度变化及轧制力变化情况，预报轧后产品的几何尺寸、力能参数及固态相交组织，可用于设计与优化轧制工艺。本文在模拟真实轧制过程的要求下建立模型并开发了不同的优化方法，在准确模拟棒线材热连轧过程的基础上，最大限度地提高了运算

7、效率，使得在当前软、硬件条件下，建立真实道次间距模型模拟全线连轧过程成为可能，为进一步深入研究轧制过程微观组织变化，通过模拟仿真手段开发、优化新产品、新工艺奠定了坚实基础。关键词：特殊钢：棒线材连轧；数值模拟；弹塑性力学；控制轧制；控制冷却；GCrl5钢：304不锈钢大连理工大学博士学位论文AbstractAsthebiggeststeelproductioncountryintheworld．ChinaiSalsoNo．1oftheproductioncapabilityofrodandwirecontinuousrolling．Buttherearest

8、illmanyproblemsinsomeaspec