板带热轧过程多参数耦合数值模拟

论文摘要

热轧板带材是重要的钢铁产品,广泛应用于众多领域。近半个世纪以来,热轧板带生产得到了迅猛发展。板凸度和板形精度是板带产品的重要质量指标,一直是板带生产和研究中关注的重点。近些年来,人们越来越重视板带产品的组织与性能,尤其是随着各种用途钢种的开发,如HSLA（High Strength Low Alloy）钢、双相（Dual-phase）钢、IF（Interstitial-free）钢等,要求有更准确和均匀的机械性能,产品组织和机械性能的控制与改善变得日益重要。为了满足社会需求和适应市场竞争,钢铁企业必须不断地改善产品的形状尺寸和组织性能。同时降低产品开发与生产成本,缩短开发周期。这就需要改变以往依赖于昂贵而耗时的经验性试错方法,而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。随着计算机技术的发展,数值模拟在板带轧制领域得到了越来越广泛的应用。建立基于连续力学、传热学及物理冶金原理的板带热轧过程数学模型能够为轧制工艺设计、产品形状尺寸及组织性能控制提供更为科学有效的方法。热轧过程中同时发生着金属变形、传热及物理冶金变化等多种现象,各种现象间相互作用、相互影响。对板带热轧过程进行准确的数值模拟需要将变形、传热和物理冶金变化严格耦合起来,这在以前的大多数研究中考虑是不够的。本文在系统调研板带热轧理论,包括变形、传热及物理冶金变化各方面研究进展的基础上,考虑钢材热轧问题的多物理过程间的相互作用及三维特征,将变形,传热与物理冶金变化计算完全耦合,开发了一个多参数耦合的板带热轧过程三维计算机模拟系统。模拟系统主要包括三个模型,即变形模型、传热模型和组织演变模型。刚塑性有限元法已成为金属塑性变形分析的有力工具,为了建立精确的三维变形分析模型,研究采用基于Lagrange乘数法的刚塑性有限元法模拟轧件变形,同时采用影响函数法计算辊系弯曲,弹性有限元法计算辊缝中工作辊的接触压扁,并采用迭代方案将轧件塑性变形计算与辊系弹性变形计算耦合在一起。所建立的变形分析模型得到了计算验证;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。研究采用二维有限元法,建立了分析板带热轧过程轧件横断面温度变化的拟三维数学模型;为了便于和变形及传热分析的有限元模型相耦合,热轧中的物理冶金变化分

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 热轧板带生产发展历史与现状
• 1.2 板带轧制变形理论研究进展
• 1.2.1 金属塑性变形分析方法
• 1.2.2 轧机辊系弹性变形分析方法
• 1.2.3 板带轧制变形数学模型
• 1.3 板带热轧过程传热研究进展
• 1.3.1 轧制过程传热分析方法
• 1.3.2 关于传热系数的研究
• 1.4 钢材热轧过程组织模拟研究进展
• 1.4.1 初期的钢材组织研究工作
• 1.4.2 组织演变数值模拟
• 1.4.3 有限元法在组织模拟中的应用
• 1.5 课题研究意义
• 1.6 本文研究的目标和内容
• 第2章 板带轧制过程变形分析
• 2.1 刚塑性有限元法理论
• 2.1.1 刚塑性有限元法概述
• 2.1.2 刚塑性有限元法基本公式
• 2.1.3 有限元离散
• 2.1.4 有限元方程的求解
• 2.1.5 刚性区的处理
• 2.2 辊系弹性变形分析
• 2.3 接触分析
• 2.3.1 接触算法
• 2.3.2 接触摩擦处理
• 2.4 轧制变形分析耦合模型
• 2.5 耦合模型应用实例
• 2.5.1 轧制条件
• 2.5.2 模拟结果
• 2.5.3 弯辊力和轧辊凸度对轧机受力和变形的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 板带热轧过程传热分析
• 3.1 传热分析的有限元法
• 3.1.1 传热基本方程
• 3.1.2 传热有限元方程
• 3.1.3 时间差分方法
• 3.2 传热系数的确定
• 3.2.1 传送过程
• 3.2.2 除鳞过程
• 3.2.3 轧制过程
• 3.2.4 冷却过程
• 3.3 本章小结
• 第4章 钢材热轧过程组织演变数值模拟
• 4.1 钢材热轧中的冶金变化
• 4.2 钢材热轧过程组织演变模型
• 4.2.1 加热过程晶粒长大动力学
• 4.2.2 再结晶热力学
• 4.2.3 再结晶动力学
• 4.2.4 动态再结晶模型
• 4.2.5 静态再结晶与亚动态再结晶模型
• 4.2.6 再结晶晶粒长大模型
• 4.2.7 多道次热加工中部分再结晶的处理
• 4.2.8 变形奥氏体连续冷却相变动力学
• 4.3 材料流动应力与微观组织间的关系
• 4.4 多道次热变形奥氏体组织演变模拟增量公式
• 4.4.1 再结晶组织的定义
• 4.4.2 变形过程中的动态组织变化
• 4.4.3 道次间的静态组织变化
• 4.5 连续冷却过程相变模拟增量公式
• 4.5.1 奥氏体相变模型
• 4.5.2 塑性变形对相变的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 多参数耦合模拟系统的建立与验证
• 5.1 耦合模拟系统的建立
• 5.1.1 耦合方案
• 5.1.2 分析步骤
• 5.2 平板热轧实验
• 5.2.1 实验设备、仪器和物料
• 5.2.2 实验过程
• 5.2.3 平板热轧过程数值模拟
• 5.3 FTSR 生产连轧过程模拟
• 5.3.1 轧制条件
• 5.3.2 模拟结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录子组织分数计算公式
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介