《材料加工新技術(shù)》趙紅亮

1、材料加工新技術(shù)材料加工新技術(shù)趙紅亮 (教授)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院課程性質(zhì)與目的課程性質(zhì)與目的: :介紹性質(zhì),不專注于太具體的 東西目的是開闊思維,拋磚引玉,力爭(zhēng)為學(xué)生課題的開展提供一個(gè)思路課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：近終形成型技術(shù)半固態(tài)加工技術(shù)金屬的塑性成型新工藝材料加工中的計(jì)算機(jī)模擬材料與人類文明材料與人類文明 材料是現(xiàn)現(xiàn)代文明的支柱v材料是人類類生存的基礎(chǔ)礎(chǔ) ( Basis ) v材料是人類發(fā)類發(fā)展的標(biāo)標(biāo)志 ( Mark )v材料是科技創(chuàng)創(chuàng)新的先導(dǎo)導(dǎo) ( Lead )材料制備方法材料制備方法IM(Ingot Metallurgy) 熔鑄鑄法 熔(melting)、煉煉(refini

2、ng)、鑄鑄(casting) 鑄鑄件(castings) 機(jī)加工(machining)零件 鑄鑄坯(ingots)塑性成形(plastic forming) 熱處熱處理(heat treatment)機(jī)加工零件PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法 制粉(powder making)壓壓型(pressing)燒結(jié)燒結(jié)(sintering)SF(Spray Forming) 噴噴射成型法材料成型方法材料成型方法 鑄鑄造(pour-casting, die-casting) 例如：汽車輪轂車輪轂（Al、Zn）、活塞（Al）、 手機(jī)外殼殼（Mg）等 塑性成形 (plastic fo

3、rming) 擠壓擠壓(extrusion)、軋軋制(rolling)、拉拔(drawing)、 沖壓壓(punching)、鍛鍛造(forging) 焊焊接（welding) 切削 (cutting) 粉末成型 (powder forming) 復(fù)復(fù)合成型（鑄軋鑄軋、鑄擠鑄擠、鍛軋鍛軋、擠軋擠軋等）近終形成型技術(shù)材料加工新技術(shù)之一材料加工新技術(shù)之一連鑄出的直接為坯，不再需要初軋開坯! 連續(xù)鑄鋼技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是鋼鐵生產(chǎn)中繼氧氣轉(zhuǎn)爐后又一次重大的技術(shù)革命。它取消了傳統(tǒng)模鑄中的初軋開坯工序，具有節(jié)約能源、降低消耗、節(jié)省投資、機(jī)械化和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù)。目前不

4、少發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)全連鑄。一個(gè)國(guó)家的連鑄水平已成為衡量這個(gè)國(guó)家鋼鐵生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志。90年代初，中國(guó)連鑄比僅為30%，到2000年，中國(guó)連鑄比已達(dá)85.3%，到2007年，中國(guó)連鑄比已躍至96.95%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 1.連鑄技術(shù)連鑄技術(shù) 自70年代以來，鋼鐵工業(yè)從追求產(chǎn)量粗放型的規(guī)模擴(kuò)張走上了注重質(zhì)量、節(jié)能降耗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使我國(guó)由鋼鐵大國(guó)走向鋼鐵強(qiáng)國(guó)的新路子：u一方面，用戶對(duì)鋼材質(zhì)量、性能的要求越來越高。u另一方面，由于競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)，廠家需要不斷盡可能地降低成本。為了應(yīng)付激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼鐵企業(yè)投入了大量的資金和人力開發(fā)新的工藝技術(shù)。 其中近終形連鑄技術(shù)是近20年來最為矚目的成就之

5、一，它包括薄板坯連鑄和薄帶坯連鑄兩種。 模鑄、傳統(tǒng)連鑄、薄板坯連鑄和薄帶坯連鑄工藝過程對(duì)比 鋼液鋼液 鑄錠鑄錠 均熱均熱 初軋初軋 加熱加熱 熱粗軋熱粗軋 熱精軋熱精軋 冷軋冷軋模鑄模鑄 傳統(tǒng)連鑄傳統(tǒng)連鑄 薄板坯連鑄薄板坯連鑄 薄帶連鑄薄帶連鑄 工工 藝藝 生生 產(chǎn)產(chǎn) 工工 序序 目前，薄板坯連鑄技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，目前，薄板坯連鑄技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，而大多數(shù)薄帶坯連鑄技術(shù)仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究而大多數(shù)薄帶坯連鑄技術(shù)仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷還有待進(jìn)一步解決。階段，一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷還有待進(jìn)一步解決。日本預(yù)測(cè)，到日本預(yù)測(cè)，到2020年，在連鑄技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)連年，在連鑄技

6、術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)連鑄占鑄占40，薄板坯連鑄占，薄板坯連鑄占50，薄帶坯連鑄占，薄帶坯連鑄占10。目前發(fā)展?fàn)顩r目前發(fā)展?fàn)顩r: : 冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要內(nèi)容是品種結(jié)構(gòu)、冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要內(nèi)容是品種結(jié)構(gòu)、工藝及技術(shù)裝備結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、布局和資源結(jié)工藝及技術(shù)裝備結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、布局和資源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，其中工藝及技術(shù)裝備是構(gòu)的調(diào)整，其中工藝及技術(shù)裝備是冶金冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的核心內(nèi)容。調(diào)整的核心內(nèi)容。 因此，大力開發(fā)節(jié)能、降耗、因此，大力開發(fā)節(jié)能、降耗、短流程的鋼鐵生產(chǎn)新技術(shù)，就稱為當(dāng)前擺在冶金短流程的鋼鐵生產(chǎn)新技術(shù)，就稱為當(dāng)前擺在冶金工作者面前的突出任務(wù)。工作者面前的突出任務(wù)。 冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

7、的核心冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的核心2. 近終形連鑄技術(shù) 近終形連鑄近終形連鑄（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使連鑄坯的斷面尺寸在保證鋼材性是指使連鑄坯的斷面尺寸在保證鋼材性能、質(zhì)量的前提下，盡量接近最終鋼材能、質(zhì)量的前提下，盡量接近最終鋼材斷面的形狀、尺寸。斷面的形狀、尺寸。 近終形連鑄的優(yōu)點(diǎn)可省去開坯、初軋，甚至可免去整個(gè)熱軋工序，使設(shè)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(jī)架數(shù)量，進(jìn)而降低基建投資。應(yīng)用薄板坯連鑄生產(chǎn)熱軋帶鋼，已使生產(chǎn)帶卷的成本大大降低，正在研究中的薄帶連鑄的工業(yè)應(yīng)用，將會(huì)帶來進(jìn)一步的革命性變化，這其中之一

8、將是取消熱連軋機(jī)組。 2.1 薄板坯連鑄薄板坯連鑄 薄板坯連鑄是介于傳統(tǒng)連鑄和薄帶連鑄之間的一種工藝。薄板坯連鑄是介于傳統(tǒng)連鑄和薄帶連鑄之間的一種工藝。 世界上第一臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)于世界上第一臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)于1989年在美國(guó)年在美國(guó)Nucor 公司的公司的Crawfordsville工廠投產(chǎn)。工廠投產(chǎn)。 進(jìn)入進(jìn)入90年代以來，薄板坯連鑄連軋工藝迅猛發(fā)展。除德國(guó)年代以來，薄板坯連鑄連軋工藝迅猛發(fā)展。除德國(guó)西馬克和德馬克公司開發(fā)的西馬克和德馬克公司開發(fā)的CSP和和ISP技術(shù)進(jìn)展很快外，奧鋼技術(shù)進(jìn)展很快外，奧鋼聯(lián)開發(fā)的聯(lián)開發(fā)的Controll技術(shù)、意大利達(dá)涅利公司開發(fā)的技術(shù)、意大利達(dá)涅利公司開發(fā)的FT

9、SC技術(shù)、技術(shù)、美國(guó)蒂平斯公司和韓國(guó)三星重工公司共同開發(fā)的美國(guó)蒂平斯公司和韓國(guó)三星重工公司共同開發(fā)的TSP技術(shù)都陸技術(shù)都陸續(xù)被采用，各種技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展迅速。續(xù)被采用，各種技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展迅速。 北京鋼鐵研究總院也研制了我國(guó)第一臺(tái)薄板坯連北京鋼鐵研究總院也研制了我國(guó)第一臺(tái)薄板坯連鑄機(jī)，安裝在蘭州鋼鐵集團(tuán)公司。鑄機(jī)，安裝在蘭州鋼鐵集團(tuán)公司。1999年年8月月26日，日，我國(guó)引進(jìn)的第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線（我國(guó)引進(jìn)的第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線（CSP）在）在廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司投產(chǎn)。整個(gè)生產(chǎn)過程采用廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司投產(chǎn)。整個(gè)生產(chǎn)過程采用計(jì)算機(jī)控制，從廢鋼入爐到熱軋成板只需計(jì)算機(jī)控制，

10、從廢鋼入爐到熱軋成板只需2.5h，與需，與需要要28h的傳統(tǒng)工藝相比，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。薄板的傳統(tǒng)工藝相比，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)帶鋼的成本（從鋼水到熱帶）較坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)帶鋼的成本（從鋼水到熱帶）較傳統(tǒng)工藝約低傳統(tǒng)工藝約低50美元美元/噸。噸。 基本假設(shè)基本假設(shè) 反向凝固低碳鋼母帶和凝固層結(jié)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(shí)認(rèn)為為同一種材料。 因?yàn)閎/h100/1010，所以可忽略寬展，采用二維分析模型 軋制過程中認(rèn)為溫度恒定。 軋輥認(rèn)為是剛性的，帶坯認(rèn)為為彈塑性材料。 假定帶坯與軋輥間沒有相對(duì)滑動(dòng)，即忽略前、后滑。 假定帶坯符合Mises屈服

11、準(zhǔn)則以及相關(guān)的流動(dòng)法則，采用各向同性硬化法則，將材料簡(jiǎn)化為雙線性模型。 結(jié)束選擇坐標(biāo)系和單元類型，定義材料特性和實(shí)常數(shù)實(shí)體建模，生成帶坯實(shí)體模型對(duì)帶坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成實(shí)體單元在帶坯表面實(shí)體單元上建立接觸單元在軋輥表面建立目標(biāo)單元加載和設(shè)置邊界條件設(shè)置求解控制對(duì)每一載荷子步循環(huán)形成單元?jiǎng)偠染仃嘚ewton-Raphson法迭代集合成整體剛度矩陣代入矩陣方程求解 滿足收斂準(zhǔn)則否？將該載荷子步的計(jì)算結(jié)果寫入結(jié)果文件 載荷子步循環(huán)結(jié)束否？將最終結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理：圖形顯示或數(shù)據(jù)列表開始否否是是前處理器求解器后處理器定義導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)對(duì)每一載荷步循環(huán) 載荷步循環(huán)結(jié)束否？是否 帶坯的網(wǎng)格變形圖帶坯的網(wǎng)格變形圖 帶坯的應(yīng)變場(chǎng)帶坯的應(yīng)變場(chǎng) 帶坯的應(yīng)力場(chǎng)帶坯的應(yīng)力場(chǎng) 帶坯x方向的位移場(chǎng) 第四部分、復(fù)合材料高溫軋制有限元解析 模型的建立 仍通過實(shí)體建模的方式來建立分析模型。 由于兩層金屬的屈服強(qiáng)度不同，且在1250時(shí)的數(shù)值又均較小，實(shí)踐證明，這給程序的收斂帶來很大困難。為解決此問題，一方面需要采取盡量細(xì)分網(wǎng)格的辦法，另一方面就是要采用極小的時(shí)間步長(zhǎng)。但網(wǎng)格的細(xì)分會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量過多，使計(jì)算量加大，計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)。為此，在建立有限元分析模型時(shí)，在保證能