張心金，何冰冷，祝志超，何　毅，李萌蘗

(中國第一重型機械股份公司能源裝備材料科學(xué)研究所，天津，300457)

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非對稱熱軋高品質(zhì)不銹鋼復(fù)合板可行性模擬研究

張心金，何冰冷，祝志超，何毅，李萌蘗

(中國第一重型機械股份公司能源裝備材料科學(xué)研究所，天津，300457)

利用特厚規(guī)格復(fù)合板與較薄規(guī)格復(fù)合板進行非對稱組坯，采用ABAQUS有限元軟件對其熱軋過程中的應(yīng)變、接觸應(yīng)力及溫度分布進行計算，并通過溫度補償及冷卻控制的手段，對熱軋非對稱復(fù)合坯的可行性進行模擬分析。結(jié)果表明，采用非對稱組坯設(shè)計，有利于特厚復(fù)合板碳鋼層與不銹鋼層在各道次軋制中的界面結(jié)合；通過控制復(fù)合坯上、下表面的溫差，能有效改善板坯翹曲現(xiàn)象，并可一次性獲得一塊寬幅特厚復(fù)合板與一塊寬幅較薄規(guī)格復(fù)合板，提高生產(chǎn)效率；此外，采用非對稱組坯設(shè)計還可實現(xiàn)控軋控冷，保證芯部不銹鋼與碳鋼的協(xié)同變形，促進其界面結(jié)合。

熱軋；組坯；不銹鋼復(fù)合板；板形；界面結(jié)合；有限元分析

高品質(zhì)寬幅特厚不銹鋼復(fù)合板廣泛應(yīng)用于壓力容器、核電容器、海洋平臺及軍工等眾多重型及特大型產(chǎn)品中，具有良好的結(jié)構(gòu)、耐腐蝕及結(jié)合性能[1-3]，國內(nèi)多采用爆炸復(fù)合與堆焊復(fù)合的技術(shù)進行制備，而利用熱軋復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)的不銹鋼復(fù)合板則以寬度3 m以內(nèi)、厚度小于40 mm的中薄板產(chǎn)品為主，寬度3.5 m以上、厚度大于180 mm的高品質(zhì)寬幅特厚不銹鋼復(fù)合板生產(chǎn)，在國內(nèi)乃至國際上基本處于技術(shù)空白，因此市場前景廣闊。

中國第一重型機械股份公司率先采用特厚連鑄坯制備高品質(zhì)寬幅特厚復(fù)合板，并采用對稱組坯經(jīng)熱軋進行復(fù)合，獲得了板形良好的復(fù)合板試制品，但仍然存在較多問題：①原材料厚度受軋機開口度的限制，導(dǎo)致復(fù)合坯經(jīng)對稱組坯后厚度受限；②原材料采用連鑄坯，初始厚度會受到一定的限制，同時也造成終軋產(chǎn)品厚度較小；③壓下比不足，一方面不能使連鑄坯部分缺陷軋合，從而不能保證碳鋼力學(xué)性能，另一方面，由于不銹鋼板位于復(fù)合坯芯部，且其變形量較小，不能與碳鋼層協(xié)同變形，造成復(fù)合比增加，更重要是造成結(jié)合界面處變形量不足，導(dǎo)致結(jié)合性能下降。此外，對于寬幅中薄規(guī)格復(fù)合板，當(dāng)采用對稱組坯時，由于復(fù)合板坯厚度較薄且壓下量較大，受產(chǎn)品厚度影響，軋制期間板形極難控制，易形成瓦片狀、大波浪狀等，不能進行后續(xù)軋制或矯直。目前，國內(nèi)已有大規(guī)格扁錠產(chǎn)品[4-5]，即可利用扁錠經(jīng)熱軋開坯獲得特厚復(fù)合板原材料，經(jīng)大壓下量軋制可保證碳鋼基層優(yōu)越的力學(xué)性能，滿足復(fù)合板力學(xué)性能要求，同時減小了復(fù)合坯原材料厚度的要求，有利于加大軋制比。

基于此，本文提出了一種非對稱組坯設(shè)計，其組坯形式為：超厚扁錠碳鋼板-較厚不銹鋼板-隔離劑-較薄不銹鋼板-較薄碳鋼板，利用ABAQUS有限元軟件對其熱軋過程進行模擬，研究其界面結(jié)合性能及實現(xiàn)板形控制的可行性。理論上該組坯方式可大大減少對軋機開口度的要求，并可一次性獲得一塊寬幅特厚不銹鋼復(fù)合板和一塊寬幅較薄規(guī)格不銹鋼復(fù)合板，該研究可為大規(guī)格高品質(zhì)不銹鋼復(fù)合板的實際生產(chǎn)提供重要指導(dǎo)。

1　復(fù)合板熱軋有限元模型

1.1研究對象

本文以非對稱及對稱內(nèi)包覆特厚復(fù)合坯為研究對象，其組坯形式如圖1所示，復(fù)合坯尺寸如表1所示。其中，復(fù)合坯基板均選用Q345R低碳鋼鋼板，復(fù)板選用316L不銹鋼鋼板，復(fù)合坯四周采用封邊密封，封邊材質(zhì)為Q345R，并用氣體保護焊焊接密封，由于焊材性能與封邊性能相似，為便于模擬，可將焊材與封邊看為一體。

1.2模型假設(shè)與模型建立

復(fù)合坯采用全尺寸模型，忽略上、下板傳熱及受力差別，軋輥為剛性輥，復(fù)合坯中各層材料均假定為各向同性彈塑性材料，建立三維多道次往復(fù)式熱軋熱力耦合模型，熱軋模型如圖2所示。

(a)非對稱

(b)對稱

表1　初始板坯尺寸

圖2　復(fù)合坯熱軋有限元模型

1.3邊界條件及參數(shù)設(shè)定

熱軋開軋溫度為1200 ℃，軋制速度為1 m/s，復(fù)合坯總壓下率為65%，軋制環(huán)境溫度為30 ℃，通過摩擦實現(xiàn)軋制咬入。本模擬中主要涉及到板坯與軋輥的傳熱和摩擦，所使用的模擬參數(shù)如表2所示。這些參數(shù)主要由實際試驗及JMatPro軟件計算獲得，即利用Gleeble3500熱模擬試驗機與DIL801熱膨脹儀分別測定原材料的高溫流變曲線及熱膨脹系數(shù)，采用JMatPro軟件計算原材料的導(dǎo)熱系數(shù)，參照國標(biāo)GB/T 6396—2008測定金屬復(fù)合板的復(fù)合厚度比。

表2　熱軋過程參數(shù)

2　結(jié)果與分析

2.1原材料性能分析

圖3為試驗測定316L不銹鋼與Q345R碳鋼的高溫流變曲線。由圖3可見，316L鋼在1200 ℃時的強度比Q345R鋼高約30 MPa，隨著溫度的降低，二者差值增大至90 MPa左右。對于對稱組坯的特厚復(fù)合板而言，不銹鋼層位于復(fù)合坯芯部，隨著變形的逐漸深入，變形才能逐步傳播至不銹鋼層，而316L鋼的高溫變形抗力要大于Q345R碳鋼，這不利于不銹鋼隨碳鋼的協(xié)調(diào)變形。厚度復(fù)合比測定結(jié)果顯示，熱軋試驗前特厚復(fù)合坯的復(fù)合比為8.09%，終軋復(fù)合板的復(fù)合比為12.7%，其復(fù)合比明顯增加，這將不利于產(chǎn)品尺寸設(shè)計，造成不銹鋼材料的浪費[6-7]。

(a) 316L

(b) Q345R

圖4為試驗測定316L不銹鋼與Q345R碳鋼熱導(dǎo)率隨溫度變化。由圖4可見，316L不銹鋼的熱導(dǎo)率小于Q345R碳鋼相應(yīng)值，其傳熱能力較差。對于對稱特厚復(fù)合坯，由于316L不銹鋼位于復(fù)合坯的芯部，這將不利于其加熱保溫，易造成碳鋼過熱而導(dǎo)致晶粒長大。

圖4　原材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化

2.2模擬結(jié)果與分析

2.2.1應(yīng)變分布對比

由于首道次壓下對不銹鋼/碳鋼的界面結(jié)合有直接影響[8]，因此，將兩種組坯形式在首道次軋制變形時的應(yīng)變云圖進行對比，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，在初始道次軋制時，對稱組坯特厚復(fù)合板的碳鋼表層發(fā)生塑性變形，但由于軋制力不足，芯部不銹鋼及結(jié)合界面塑性變形不明顯；而非對稱組坯方式的特厚碳鋼表層開始變形，較薄碳鋼表層也發(fā)生了塑性變形，且其不銹鋼層提前進入了變形階段，結(jié)合界面處也發(fā)生了塑性變形。顯而易見，采用相同的壓下量，非對稱組坯形式的不銹鋼層及界面處均發(fā)生了塑性變形，且提前進入了界面結(jié)合狀態(tài)。由此可見，采用非對稱組坯方式更利于特厚復(fù)合板碳鋼與不銹鋼之間的界面初始結(jié)合。

(a) 對稱組坯

(b) 非對稱組坯

2.2.2接觸應(yīng)力對比

冶金結(jié)合的一個重要影響因素為碳鋼/不銹鋼接觸界面處接觸正應(yīng)力與切應(yīng)力大小[9]，基于此，本文分別提取兩種組坯形式在第一道次與第三道次軋制時結(jié)合界面變形區(qū)域各節(jié)點位置的接觸正應(yīng)力與切應(yīng)力，其結(jié)果分別如圖6和圖7所示。其中，對于非對稱組坯軋制，采用的是其上板特厚復(fù)合坯結(jié)合界面位置處的接觸應(yīng)力。

(a) 接觸正應(yīng)力

(b) 接觸切應(yīng)力

(a) 接觸正應(yīng)力

(b) 接觸切應(yīng)力

對比圖6與圖7可明顯看出，非對稱組坯在第一道次與第三道次軋制時，其接觸正應(yīng)力與切應(yīng)力明顯較大，在變形區(qū)內(nèi)出現(xiàn)突變，且隨著道次的增加，接觸正應(yīng)力與切應(yīng)力均有所增大，這可能與結(jié)合界面變形區(qū)域的位置距離軋制表面較近有關(guān)；而對稱組坯在各道次軋制時的接觸正應(yīng)力與切應(yīng)力則相對較小，且在變形區(qū)域內(nèi)數(shù)值較為穩(wěn)定。根據(jù)文獻[9]可知，接觸正應(yīng)力大于材料高溫屈服強度時才能發(fā)生界面結(jié)合，而JMatPro軟件模擬計算結(jié)果顯示，溫度為1200 ℃時，Q345R低碳鋼和316L不銹鋼的屈服強度分別為30 MPa和80 MPa左右。單純考慮接觸正應(yīng)力，對稱組坯變形區(qū)內(nèi)僅碳鋼發(fā)生屈服，而非對稱組坯則碳鋼與不銹鋼均發(fā)生屈服。由此可見，非對稱組坯在各道次軋制時均有利于界面結(jié)合。

另一方面，通過對比可知，無論對稱組坯還是非對稱組坯，復(fù)合板界面均伴隨有接觸切應(yīng)力，且切應(yīng)力的存在，在一定程度上阻礙了復(fù)合界面的結(jié)合。經(jīng)試驗測定結(jié)果可知，不銹鋼在高溫時的熱膨脹率要明顯大于碳鋼，同時增加兩種材質(zhì)在結(jié)合界面的剪切應(yīng)力，不利于界面結(jié)合。決定復(fù)合界面結(jié)合的因素較多，接觸正應(yīng)力及切應(yīng)力與材料高溫屈服強度間存在緊密的關(guān)系，后續(xù)還需進一步研究。

2.2.3溫度場分布

非對稱組坯中的較薄碳鋼應(yīng)具有一定的厚度，這可以有效保證芯部兩層不銹鋼的溫度，進而防止軋制過程中出現(xiàn)焊接位置開裂或者因為溫度場分布不均造成嚴(yán)重的軋制變形。圖8為非對稱組坯在第二道次軋制時溫度場的分布情況。從圖8中可以看出，經(jīng)軋制后，除復(fù)合坯上、下表層因接觸和對流等因素導(dǎo)致的快速溫降以外，其余位置溫降很小，甚至出現(xiàn)升溫，因此可達(dá)到偏芯部不銹鋼層的保溫作用，促進不銹鋼變形與界面結(jié)合。

圖8　非對稱復(fù)合板二道次軋制時溫度場分布

2.2.4板形控制

對于非對稱組坯的復(fù)合板，由于在高溫階段不銹鋼屈服強度高于碳鋼，其可能會出現(xiàn)板形“翹頭”或“扣頭”現(xiàn)象，影響軋制過程的順利進行，嚴(yán)重時甚至?xí)斐绍堉剖鹿?，因此須采取相?yīng)的措施避免該現(xiàn)象發(fā)生。中厚板熱軋板形的控制一般從工藝控制與設(shè)備控制兩方面著手，根據(jù)現(xiàn)場軋制經(jīng)驗，本文僅對溫度控制板形方面進行模擬，即通過改變復(fù)合坯上、下表面溫差，以分析復(fù)合板下表面軋制后高向位移的變化，數(shù)據(jù)提取點位置如圖9所示。

圖9　數(shù)據(jù)提取點位置

圖10為未添加溫差補償時非對稱熱軋復(fù)合坯的板形。由圖10可見，板坯中部位移明顯大于前后端部，且高度方向最大差值為8.5 mm，這與碳鋼、不銹鋼的屈服強度不同有關(guān)，使得軋制過程中板坯上部變形大于下部，繼而出現(xiàn)明顯的中部翹曲現(xiàn)象。

圖10　未添加溫差補償時非對稱熱軋復(fù)合坯的板形

針對圖10出現(xiàn)的情況，筆者考慮通過對復(fù)合坯上、下表面進行溫度控制的方式來消除板坯翹曲。由于復(fù)合坯上部較厚碳鋼層的伸長量大，故將板坯上部溫度設(shè)置較低，使其在高度方向上呈線性降溫趨勢。通過多次模擬，當(dāng)設(shè)定上表面溫度低于下表面50 ℃時，翹曲程度會大幅降低，其結(jié)果如圖11所示。由圖11中可見，板坯頭尾部略有上翹，但差值在4.3 mm以內(nèi)，整體翹曲程度得到明顯改善。由此可見，采用溫度補償實現(xiàn)非對稱組坯軋制具有一定的可操作性。

2.2.5冷卻控制

經(jīng)熱軋后，非對稱組坯復(fù)合板成品為一塊較薄規(guī)格不銹鋼復(fù)合板與一塊特厚規(guī)格不銹鋼復(fù)合板，因此可利用不對稱快冷，將復(fù)合坯偏芯部不銹鋼層快速冷卻，避開不銹鋼敏化鼻尖溫度，減少不銹鋼敏化[10]。

圖11　添加溫差補償后非對稱熱軋復(fù)合坯的板形

圖12為非對稱熱軋復(fù)合坯水冷時沿板厚方向各層的冷卻曲線。為便于說明問題，特選取從復(fù)合坯下表面至其上50 mm厚度處各層的溫度變化曲線。從圖12中可以看出，復(fù)合板表面冷卻最快，且隨著厚度的加深，冷卻速度逐漸變緩，其中50 mm位置處的冷卻速度最慢，即在復(fù)合坯下表面處，經(jīng)35 s冷卻至約275 ℃時，冷卻速度約為20 ℃/s，而50 mm厚度位置的溫度仍然約為1120 ℃，冷卻速度約為2 ℃/s。

圖12　非對稱熱軋復(fù)合板沿板厚方向各層的降溫曲線

由此可見，完全可采用控軋控冷實現(xiàn)復(fù)合板在線熱處理，即在較薄規(guī)格不銹鋼復(fù)合板的碳鋼面進行快冷至一定溫度，同時在特厚不銹鋼復(fù)合板的碳鋼面進行緩冷，減少不對稱冷卻造成的復(fù)合板變形，并利用特厚復(fù)合板的余溫對較薄規(guī)格復(fù)合板進行自回火處理，改善其碳鋼性能，從而獲得兩塊板形良好、力學(xué)與結(jié)合性能較佳的高品質(zhì)寬幅不銹鋼復(fù)合板。

3　結(jié)語

本文利用ABAQUS有限元軟件，對比分析

了對稱及非對稱熱軋?zhí)睾駥挿讳P鋼復(fù)合板的應(yīng)變、接觸應(yīng)力及溫度分布情況，并針對非對稱組坯形式，提出了溫度補償及不對稱快冷的方法，以實現(xiàn)對特厚復(fù)合坯板形、力學(xué)性能及結(jié)合性能的控制。模擬結(jié)果表明，非對稱組坯在各道次軋制時均有利于特厚復(fù)合板碳鋼與不銹鋼間的界面結(jié)合，且采用溫度補償，能有效改善板坯翹曲現(xiàn)象，并可一次性獲得一塊寬幅特厚復(fù)合板與一塊寬幅較薄規(guī)格復(fù)合板，提高生產(chǎn)效率；此外，非對稱組坯設(shè)計還可實現(xiàn)控軋控冷及后續(xù)在線熱處理，使不銹鋼快速避開敏化區(qū)間，確保其與碳鋼協(xié)同變形，大大提高結(jié)合界面變形程度，促進界面結(jié)合。

目前，本研究尚處于模擬階段，數(shù)據(jù)還不完整，還需進行后續(xù)試驗對比，但該思路可為大規(guī)格高品質(zhì)寬幅特厚不銹鋼復(fù)合板的實際生產(chǎn)提供理論參考。

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[責(zé)任編輯董貞]

Simulation research on feasibility of hot rolling asymmetrically assembled high quality stainless clad steel plates

ZhangXinjin,HeBingleng,ZhuZhichao,HeYi,LiMengnie

(Materials Research Institute for Energy Equipments, China First Heavy Industries, Tianjin 300457, China)

In this paper, an extra-thick clad steel plate and a thin clad steel plate were asymmetrically assembled, and the strains, contact stresses and temperature distributions of assembly during the hot rolling process were calculated by ABAQUS finite software. Through temperature compensation and cooling control, the feasibility of hot rolling asymmetrically assembled clad steel plates was also investigated by numerical simulation. The results show that asymmetrical assembly design is beneficial to the interfacial bonding between carbon steel layer and stainless steel layer of the extra-thick clad plate during each rolling pass. By controlling the temperature difference between upper and lower surface, the slab warping phenomenon can be effectively improved, and both a thin and an-extra thick stainless clad steel plates can be obtained at the same time, thus improving the production efficiency. Moreover, asymmetrical assembly design also enables the control of rolling and cooling, and therefore ensures the cooperative deformation of stainless steel and carbon steel in the core section and promotes its interfical bonding as a consequence.

hot rolling; assembly; stainless clad steel plate; flateness; interfacial bonding; finite element analysis

2015-12-31

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2013AA031302)．

張心金(1984-)，男，中國第一重型機械股份公司能源裝備材料科學(xué)研究所工程師．E-mail：88xjbb@163.com

TG335.8

A

1674-3644(2016)04-0259-06