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1、材料加工新技术,赵红亮(教授),材料科学与工程学院,课程性质与目的:介绍性质,不专注于太具体的 东西目的是开阔思维,抛砖引玉,力争为学生课题的开展提供一个思路,课程内容：近终形成型技术半固态加工技术金属的塑性成型新工艺材料加工中的计算机模拟,考试形式：试卷考试！,材料与人类文明,材料是现代文明的支柱材料是人类生存的基础(Basis)材料是人类发展的标志(Mark)材料是科技创新的先导(Lead),材料制备方法,IM(Ingot Metallurgy)熔铸法 熔(melting)、炼(refining)、铸(casting)铸件(castings)机加工(machining)零件 铸坯(ingo
2、ts)塑性成形(plastic forming)热处理(heat treatment)机加工零件PM(Powder Metallurgy)粉末冶金法 制粉(powder making)压型(pressing)烧结(sintering)SF(Spray Forming)喷射成型法,材料成型方法,铸造(pour-casting,die-casting)例如：汽车轮毂（Al、Zn）、活塞（Al）、手机外壳（Mg）等 塑性成形(plastic forming)挤压(extrusion)、轧制(rolling)、拉拔(drawing)、冲压(punching)、锻造(forging)焊接（welding
3、)切削(cutting)粉末成型(powder forming)复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）,近终形成型技术,材料加工新技术之一,连铸出的直接为坯，不再需要初轧开坯!,连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机械化和自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年，中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至96.95%，达到国际先进
4、水平。,连铸技术,自70年代以来，钢铁工业从追求产量粗放型的规模扩张走上了注重质量、节能降耗、结构优化，使我国由钢铁大国走向钢铁强国的新路子：一方面，用户对钢材质量、性能的要求越来越高。另一方面，由于竞争激励，厂家需要不断尽可能地降低成本。为了应付激烈的市场竞争，发达国家的钢铁企业投入了大量的资金和人力开发新的工艺技术。,其中近终形连铸技术是近20年来最为瞩目的成就之一，它包括薄板坯连铸和薄带坯连铸两种。近终形连铸（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。,模铸、传统连铸、薄板坯连
5、铸和薄带坯连铸工艺过程对比,钢液 铸锭 均热 初轧 加热 热粗轧 热精轧 冷轧模铸 传统连铸 薄板坯连铸 薄带连铸,工 艺 生 产 工 序,目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连铸占40，薄板坯连铸占50，薄带坯连铸占10。,目前发展状况:,近终形连铸的优点,可省去开坯、初轧，甚至可免去整个热轧工序，使设备投资和过程能耗大为降低；因断面尺寸接近成品，总轧制变形量减小，减少了机架数量，进而降低基建投资。应用薄板坯连铸生产热轧带钢，已使生产带卷的成本大大降低，正在研究
6、中的薄带连铸的工业应用，将会带来进一步的革命性变化，这其中之一将是取消热连轧机组。,薄板坯连铸,薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。世界上第一台薄板坯连铸机于1989年在美国Nucor 公司的Crawfordsville工厂投产。进入90年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国西马克和德马克公司开发的CSP和ISP技术进展很快外，奥钢联开发的Controll技术、意大利达涅利公司开发的FTSC技术、美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。,北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年8月
7、26日，我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（CSP）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h，与需要28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低50美元/吨。,铝合金哈兹列特连铸连轧工艺,一:工艺背景二:国内外研究现状及发展趋势哈兹列特工艺特点哈兹列特工艺研究现状及发展趋势车身板研究现状及发展趋势,一:工艺背景,铝加工工业的发展,铝材市场需求增大.产能产量迅猛增加.产业结构性矛盾突出.节能降耗形式严峻.哈兹列特工艺.节能、减排，有利于可持续发展.加快我国铝加工业的技术进步和产业结构
8、升级。车身铝合金化,减轻汽车自重.提高燃油效率,减少污染.有利于缓解能源,环保,安全三大问题.降低成本.提高性能.,返 回,从1978年的29.6万吨,2007年增加到1255.9万吨,年均递增13.8%,连续七年位居第一,1978年铝材产量仅10.56万吨,1990年39.38万吨,2000年217.15万吨,2007年1175.9万吨.自2006年起世界第一,我国铝加工业存在中低端铝板带材产品过多，生产能力相对过剩，产品竞争激烈，企业效益空间相对变小的局面。而高附加值、高技术含量的高端铝板带材如电子工业用电子铝箔、罐用深冲铝板、汽车、飞机用铝板等，由于技术上的原因仍主要依赖进口，严重制约了
9、我国相关产业的发展。,2007年4月，国家发展改革委发布能源发展“十一五”规划。单位国内生产总值能耗降低20左右、主要污染物排放总量减少10。2007年6月3日新华社受权发布国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知。2008年月日起施行 中华人民共和国节约能源法,使节约资源成为我国基本国策。,利用高效节能新技术哈兹列特连铸连轧工艺,通过优化成分,热处理退火轧制工艺,研究开发低成本高性能的铝合金车身板生产工艺.达到节能降耗、降低成本、提高板材质量、缩短交货期、提高产品竞争力的目的。,二.国内外研究现状及发展趋势,2.1.哈兹列特工艺特点2.2.哈兹列特研究现状及发展趋势2.3.车身板研究现状及
10、发展趋势,返 回,2.1.哈兹列特工艺特点,1.铝板带坯主要生产工艺直冷铸锭热轧工艺双辊连续铸轧工艺哈兹列特连铸连轧工艺,返回,优点:热轧产品深加工性能好,可轧制各系铝合金,其最先进的方式是热连轧.缺点:投资大.高能耗,高排放.,流程短,能耗低.我国国内的铝板带双辊连续铸轧机基本上只能用于纯铝和3000系铸轧板的生产，已经满足不了国内日益增长的对多种铝合金板带箔产品的需求 常规铸轧板带组织不均匀,深加工性能差,主要用于铝箔毛料,和散热片毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板.,哈兹列特铸造机后接3机架的热连轧机.省去了铸锭锯切,铣面,加热或均热等工序.生产率高.明显节能降耗.生产线布局简单.投资
11、少,能耗低,产品成本低.,2.哈兹列特工艺优势高产率节能降耗减排环保生产合金产品范围宽国外已得到广泛应用,工艺参数的比较,哈兹列特工艺与双辊铸轧工艺参数的对比:产能大(10-20倍),合金及产品范围广.,哈氏:保温铸造热轧1-2mm铸轧:保温铸轧冷轧(耗能多)直冷:保温铸造锯头铣面均匀化热粗轧(量大)热精轧冷轧,1.冶炼厂旁建哈氏生产线 2.用重熔铝锭为原料建哈氏生产线3.冶炼厂旁建直冷生产线 4.用重熔铝锭为原料建直冷生产线,1.冶炼厂旁建哈氏生产线 2.用重熔铝锭为原料建哈氏生产线3.冶炼厂旁建直冷生产线 4.用重熔铝锭为原料建直冷生产线,惰性气体保护:控制氧化.控制热传输速度.它可以根据
12、Agema扫描系统显示的结果,在钢带宽度方向上改变气体的配方和用量有选择地对冷却速度进行区域性调节.,磁力支撑辊:在钢带的各支撑轴上套上磁力环,采用Nd-Fe-B为主的强磁性材料做磁体以磁化与钢带相接触的翅片,这种磁体不必与钢带紧密贴合便可将钢带紧紧吸靠在支撑辊上,从而可控制钢带与铝水大面积接触时的热变形.,钢带的感应预加热1.防止钢带进入模腔时发生的冷箍及弯曲和热变形2.干燥钢带表面的水汽.感应预加热到150C可很方便地赶掉夹带在钢带表面和永久性涂层中的水汽.,ESPTM涂层:采用永久性Matric涂层,基本采用陶瓷物质,用火焰或等粒子喷涂在钢带表面.根据不同合金固化条件的需要,通过改变涂层
13、厚度,粗糙度,多孔性及化学组分可获得所需的公称固化速率.从而获取合金坯的最佳表面质量.,正在试产的合金预示哈兹列特工艺未来商业生产方向以及巨大的市场潜力和社会效应.诸多实践已证明,哈兹列特工艺已能生产含镁较高(4.5%)的合金和含铜较高的AA2024合金.,3.拓宽合金系新产品的研究与开发,4.车身板研究现状及发展趋势,最常用的汽车用铝合金有2xxx,5xxx和6xxx系合金,这些合金板材通常采用铸锭热轧法生产,成本高.6xxx系Al-Mg-Si合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优，油漆烘烤强化效应好，焊接性能好。但成形性能有待提高.,返 回,对6000系铝合金的研究1)优化合金成分和各种
14、加工工艺,提高成形性能(添加少量多种合金元素,退火轧制工艺)2)高效节能低成本铝合金板材的开发(哈兹列特工艺),美国能源部及国家实验室与阿莱锐斯公司一起研发用于汽车的AA5754合金,已被通用汽车公司和福特汽车公司认可,用于制作18种汽车部件.福特汽车公司指出对用哈氏工艺生产的5754车身用结构铝合金板(内板1-3mm,3-3.5%Mg)成形性能和疲劳性能测试,其机械性能接近于直冷铸造热轧工艺,福特公司汽车结构用5754铝合金板哈兹列特工艺和直冷铸锭热轧工艺性能对比,钢的薄带连铸,作为生产扁平材的近终形连铸技术，带钢连铸工艺生产的钢带较之薄板坯连铸更接近于最终产品的形状，也就是连铸带钢更薄一些
15、。它可将钢水直接浇铸出110mm厚的钢带，不经热轧或稍经热轧（12个机架），即可进行冷轧，而产品的性能和质量仍可与常规生产的产品相媲美。薄带连铸能大大降低基建投资和生产成本，是当今钢铁工业令人关注的新工艺，也是最热门的研究课题之一。,省却热轧而只有带坯连铸和冷轧两大步骤的冷轧带钢生产线于1999年11月在德国克虏伯蒂森尼罗斯塔的不锈钢厂投产。随热轧一起省掉的还有退火、酸洗、运输等一系列辅助工序和设备，称之为超短流程生产线。整条机组长75m，带坯宽1050 mm1350mm，厚1.5mm4.5mm，连铸速度每分钟在100m以上。,主要有3种方法：1.单辊连铸 2.双辊连铸 3.辊带连铸,薄带连铸
16、分类,单辊连铸,单辊法又称为熔拖法，图1为其工作原理示意图。钢水从中间包流出，直接浇到旋转辊上，由于铸辊的冷却作用使其凝固，形成薄带。,图1 单辊带钢连铸示意图,单辊连铸缺点:,单面凝固会造成产品内部结构不均匀，且长度方向厚度也可能不均匀。另外，带钢的宽度也不易控制。据报道，生产的高粘度材料，如奥氏体不锈钢和Ni3Al带的表面质量较好，奥氏体不锈钢带的机械性能也与常规产品相当，但普碳钢和硅钢的的质量较差。,双辊连铸:,双辊连铸又称双辊铸轧，图2为其工作原理示意图。由两个铸辊和端面侧封板构成钢水池，钢水经浸入式浇铸系统控制，送入辊口，薄带坯厚度通过调节辊缝的大小来控制。,图2 双辊带钢连铸示意图
17、,双辊连铸,其中，两个铸辊的直径可以相等，也可以不等；其轴线布置可以是水平的或倾斜的。根据铸辊直径可以分为等径双辊连铸和异径双辊连铸；根据轴线布置又可分为水平双辊连铸和倾斜双辊连铸。由于双辊连铸实现的是双面冷却，其冷却速率较单辊连铸的大，浇铸的薄带坯厚度可大些。,国外的新日铁与三菱重工合作，于1985年开始双辊铸轧不锈钢薄带技术的研究，所建立的铸轧试验机可以生产宽800mm、长1330mm的带卷。生产的带卷表面无裂纹且组织结构均匀，力学性能和抗腐蚀性能达到或超过用传统工艺生产的带钢。他们目前已达到工业试验阶段。此后，澳大利亚的BHP公司、意大利的AST公司、法国的Usinor公司和韩国的浦项钢
18、铁公司也相继进行了双辊铸轧技术的研究，都取得了一定的研究成果。,国内东北大学自1958年开始进行薄带钢铸轧方面的研究，在自制的连续铸轧试验机上铸轧出了12mm厚、260mm宽的球墨铸铁板和变压器硅钢带。1983年建立了1号异径双辊式铸轧机。1990年3月又建成了2号异径双辊式薄带铸轧机，采用直流电机驱动，速度可调，配有磨辊装置，等离子切割机和小型热轧机等。成功铸轧出2mm207mm的高速钢薄带。铸轧出的薄带坯经小变形量的热轧，可做切口铣刀和下料机的锯条，使用性能良好。,国内双辊连铸的发展,“八五”期间，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室建立了近终形铸轧研究室并建成了薄带钢铸轧试验线，完
19、善了熔炼和测试手段，铸轧出的W6高速钢薄带的表面质量和边部质量大大提高。1998年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的双辊铸轧研究又被列为国家自然科学基金委重大项目。,国内双辊连铸的发展,上海钢铁研究所从1985年开始对双辊薄带连铸技术进行研究，他们在双辊薄带连铸机上成功地浇出了合格的冷轧不锈钢带坯，获得了双辊薄带连铸机的主要设计参数和关键技术。,国内双辊连铸的发展,在薄带连铸技术中，双辊技术占据主流，其中尤以等径双辊连铸技术发展最快，为多数钢铁公司所开发，目前已接近投入工业化规模的生产。但目前双辊连铸仍存在如下一些问题：,输送钢水的动量会引起钢水池紊流，影响产品质量；带钢的宽度难以
20、控制；带钢的板形控制：由于铸辊受周期性温度的变化而导 致变形的产生，会对生产的薄带坯表面带来影响；钢液液面的控制和钢液防止二次氧化技术；双辊两侧的侧封技术和侧封板的选用；辊缝和轧制力的控制较为困难。,双辊连铸存在的问题,在此工艺中，钢水由中间包浇到活动带上，活动带由安装在下部冷却箱内的喷嘴喷水冷却，铸坯表面由上辊压平。升起上辊，可进行左右表面连铸操作，铸机后部还安装了一对拉坯辊（如图3所示）。,辊带连铸,图3 辊带连铸示意图 1钢液；2钢液供料装置；3上辊；4冷却室；5运输带；6薄带产品；7拉出装置。,瑞典的梅福斯公司和德国的曼内斯曼德马克公司合作对这一技术进行了开发试验。但辊带技术工艺控制复
21、杂，且宽度不能调节，钢液的喂入也很困难。,辊带连铸,铝的双辊铸轧工艺的特点：结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，铝熔体在其辊缝间完成凝固和热轧变形两个过程，而且是在很短的区间(铸轧区)与很短的时间内(23s)完成的。它不同于连铸连轧，后者实质上是将薄锭坯铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约20mm的坯后，再在后续的连轧机上连续热轧成供冷轧用的带坯或成品板带材，铸造和热轧是两道独立工序。,2.3 铝的双辊薄带铸轧,50年代初，美国亨特公司最先研制成功双辊式连铸机，熔化的铝液经过铸嘴，通过两个转动的水冷辊的辊缝，冷却凝固成为“铸轧板”。由于水平所限，该连铸机对铝合金带坯的厚度、
22、宽度及合金成分均有所限制。60年代初，相继出现3C铸轧机和亨特铸轧机，生产的铝合金带坯宽度可达2m，合金品种更广。,铝双辊薄带铸轧发展,我国从1964年就开始研究铸轧法生产卷材，1977年东北轻合金加工厂研制成功第一台下铸式铸轧机，并试轧出铸轧板。70年代末，华北铝业有限公司制造出我国第一台铸轧机，用作生产铝板带箔的坯料，从此我国的铸轧机开始投入工业性生产。此后铸轧技术在国内有了飞速发展，铸轧机型号不断改进，式样也推出多种。在工艺技术上也有长足进步，增加了在线除气、过滤装置、细化晶粒装置等手段，从而提高了金属的纯洁度，使铸轧板质量得到很大的提高。其中洛阳有色金属加工设计院、诼神有色金属加工设备
23、公司等在设计、开发与制造方面做了许多卓有成效的工作。,铝双辊薄带铸轧发展,截止到2008年底，全球已拥有超过793台双辊薄带铸轧机。其中意大利的法塔亨特铸轧机有160台，法国的3C式铸轧机175台。中国拥有双辊式铸轧机约有460台，占全球总数的58%，国内已有超过10家企业能生产此类铸轧机。经过30多年的努力，中国已成为一个名副其实的铝带坯铸轧工业王国，铸轧机制造大国。,铝双辊薄带铸轧发展,虽然薄带铸轧技术在我国和世界上得到了快速应用和发展，但传统的铸轧工艺存在的问题是：铸轧速度慢(1m/min)、铸轧铝带厚度较大(6mm左右)、铸轧板成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差、可铸轧的
24、合金品种少，其产品品种和应用领域受到很大限制，目前主要用于铝箔毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板。在这些缺点当中，较低的铸轧速度是其中最为关键的一个问题，它直接影响生产率的大小。,铝的超薄高速连续铸轧技术,铝的超薄高速连续铸轧技术,针对常规铸轧工艺存在的主要问题，一些发达国家竞相斥巨资开发超薄高速连续铸轧技术。它能在传统双辊铸轧的基础上，将铸轧速度提高10倍以上，金属的凝固速度提高10-100倍，并进行60%-80%的大塑性变形，从而提高生产率2-3倍，使铝合金带坯获得更加优良的组织和性能。目前，在美国、卢森堡、法国等地已相继建成了双辊、四辊等类型各异的快速连续铸轧超薄铝合金带坯生产线。在国
25、内，对铝合金铸轧新技术与设备的研制开发，也已被列为产业化前期关键技术，由高校、院校和企业合作开发工艺技术，研制成套设备并建设生产线。,电解铝液直接铸轧,高温电解铝液熔炼炉(或混合炉)取样分析成分加入废料和中间合金第一次精炼导炉调整温度至7505第二精炼AlTiB丝变质陶瓷过滤铸轧带卷冷轧成箔毛料中间退火箔轧分切箔材成品。,生产工艺,传统的铸轧生产铝箔毛料采用的是铝锭重新熔化再进行铸轧的工艺。而电解铝液直接铸轧是利用电解铝液直接实现铸轧生产，提高了成品率，降低了成本。,电解铝液是直接从电解槽里抽出的,特点是:(1)温度高,最高温度可达1000以上,属于过热金属。(2)含氢量大,吸氢已达饱和状态,
26、氢含量可达0.56 mL/100 gAl。(3)杂质含量高,除含Fe、Si等杂质元素外,还含有冰晶 石、氟化盐等金属及非金属化合物,使铝液悬浮大量 的金属及非金属化合物。,电解铝液直接铸轧特点,由于电解铝液的自身特点，其注入混合炉给后续的铸轧、冷轧、箔轧、退火等生产工艺的制定和控制增加了一定难度；铝液温度过高，容易吸气，使含氢量增加。铝液温度过高，结晶时有效形核率低，严重影响最终产品的力学性能和表面质量。,电解铝液直接铸轧技术难点,如何在电解铝液直接铸轧生产中采取有效措施使铝箔毛料的含氢量控制在0.12mL(100gA1)以下是需要解决的一个关键问题；如何解决电解铝液直接铸轧生产中有效形核率低
27、的问题，获得细小的晶粒组织是需要解决的另一个关键问题。,技术关键,电解铝液为过热金属,金属杂质较多,熔炼前炉内首先加入30%的固体铝废料,再加入电解铝液。加入的固体铝废料,化学成分必须均匀,无水分、污染、杂物等。电解铝液加入前,首先用石棉漏勺除去表面浮渣,然后通过石棉网过滤后加入熔炼炉内;生产高质量带坯产品时,还必须用固体精炼剂在开口包内精炼铝液,除去表面浮渣后才能加入炉内。,熔炼的质量控制,1、电解铝液的加入及熔炼,铝液的导入：铝液从熔炼炉导入静置炉是非常关键的工序。因为铸轧为连续生产,不允许停机。导炉前,必须观察铸轧机运行情况、静置炉内铝液情况和金属温度。一般要求在铸轧卸卷时进行导炉,并且
28、静置炉内铝液深度在100 mm以上;导炉前后静置炉内铝液温度差不大于3。,熔炼的质量控制,2、铝液的静置及精炼,铝液的精炼：(1)精炼剂选用CCl4(5%)+Ar(95%,纯度99.995%)(2)精炼CCl4分解出Cl2Cl2+AlAlCl3Cl2+H2HCl 通过化学反应,CCl4分解的Cl2与氢、Al反应生成AlCl3和HCl气体,除去铝液中一部分氢,同时产生的气体和Ar气靠负压带走铝中的氢,也带走铝液中悬浮的Al2O3等金属和非金属夹杂物。,熔炼的质量控制,2、铝液的静置及精炼,铝液从静置炉出来后,经流槽、精炼箱、过滤箱进入前箱,通过铸嘴经轧辊冷却铸轧成带坯,这个过程是产品质量控制的关
29、键。1、流槽质量 流槽是用来导流铝液的,其性能要求:有一定的强度,保温性能好,便于清理,对铝液不产生污染。立板前对流槽必须烘烤,采用整体流槽,要窄而深,上面有盖板,防止散热和吸气,流槽清理不干净或裸露太多会引起吸气和造渣,从而引起带坯质量问题。,在线精炼、过滤、晶粒细化和温度控制,2、精炼箱 精炼箱容积的选择对除气、除渣效果很重要。除气箱的大小与除气转子气体的压力、流量以及铸轧产量有关。一般要求转子的转速为200 r/min,气体压力为0.4 N/mm2,而且铝液从除气箱到前箱的时间不小于10 min。精炼剂一般选用高纯氮气,其精炼原理与静置炉内的相同。精炼用氮气的纯度要达到99.999%,压
30、力不小于0.15 N/mm2,经除气箱在线精炼后氢含量要不大于0.12mL/(100gAl）。,在线精炼、过滤、晶粒细化和温度控制,3、过滤采用陶瓷板过滤技术。一般采用分级过滤法:一级过滤采用2530目的过滤板;二级过滤采用3540目的过滤板。过滤板一般23天更换一次,通过过滤彻底过滤掉熔体中的夹渣。,4、在线细化晶粒 采用70%的电解铝液和30%的固体废料为原料；由于电解铝液为过热金属,铸轧时晶粒形核数量相对要少一些。因此,采用Al-Ti-B细化剂细化晶粒；细化剂质量的好坏、加入的方式、加入的量、加入的温度,加入细化剂到铸轧之间的时间间隔,对带坯的质量影响较大。,3、反向凝固法生产薄带,反向
31、凝固思路的提出 单辊、双辊及辊带连铸要进入工业化生产，一些问题还有待进一步解决和完善：选择哪些钢种才能将薄带坯作冷轧料；完善封闭浇铸技术、侧封技术、薄带厚度的均匀性、薄带要达到的宽度等；薄带的表面质量更一直是需要解决的核心问题。,反向凝固思路的提出,此外，薄带连铸工艺还存在一个先天难以克服的问题：成品冷轧带钢的板形偏差按EN10051的标准为2，这在常规生产时只需在粗轧机上或精轧机头两、三个机架即可得以保证。但在薄带连铸工艺中，其生成的带钢厚度通常小于10mm。从轧制理论上讲厚度小于10mm的薄带，轧制时几乎没有横向流动。这是由于轧制厚度较薄的钢板时，起主导作用的摩擦力限制了材料在辊缝中的横向
32、流动。这样在后步工序中，无法对任何厚度偏差进行修正。,反向凝固思路的提出,因此对要热轧的带钢或宽100mm、厚小于10mm（即宽/厚100）的直接浇铸带钢要求其在宽度方向上厚度偏差必须小于2，凸度也必须小于所要求的2的极限值。而单辊、双辊及辊带连铸的厚度偏差为510，很明显它们难以满足要求。,这些问题的出现就促使冶金工作者去探索新的薄带生产工艺，以满足越来越苛刻的用户要求。于是，德国阿亨大学的科研人员近年来提出了一种薄带钢生产的全新方法：反向凝固法。,反向凝固思路的提出,3.1 反向凝固的工艺过程,反向凝固工艺是利用一冷轧或热轧带作为母带，母带以一定速度从凝固器内的钢水中穿过，钢水在母带表面凝
33、固，形成新生相的新工艺，如图4所示。,图 4 反向凝固工艺示意图1平整辊；2未经平整的带坯；3钢液；4反向凝固器；5母带。,因凝固方向与传统凝固方向相反，凝固面从里向外推移，故称为反向凝固。在凝固器上方安放有一对平整辊，用于对处于高温状态的新生相进行初轧。所以反向凝固后的钢带不需要向外散发凝壳所需要的热量，相反在此工序的平整轧制中能充分利用这种浇铸热。同时，也正是由于此平整轧制过程，才使反向凝固钢带的表面质量得到保证，这也是反向凝固优于其它薄带连铸技术的一个重要方面。,3.2 反向凝固工艺的特点,工艺简单，省去了许多连铸装置：反向凝固工艺不但省去结晶器，而且由于反向凝固后的薄带不需要形成坚固外
34、壳，因此就不需要水冷，省去了水冷设备。另外，还省去了一半以上的轧制工序，大大缩短了生产线。充分利用浇铸热，并节约轧制能耗：传统的连铸工艺，在结晶器中因为要形成一个坚固的坯壳，必须放掉一部分热量，其余热量在二冷区中放掉。而反向凝固工艺不需要形成坚固外壳而放热，相反，热量被用于下步的高温轧制工序。,3.2 反向凝固工艺的特点,产品质量好。（a）母带对新生相有激冷作用，有利于晶粒细化；（b）凝固组织均匀，无宏观偏析，材质性能好；（c）反向凝固工艺中钢水的热量自母带表面向母带中心传递，凝固过程自内向外进行，从根本上避免了传统凝固过程中可能出现的中心疏松问题；（d）优良的表面质量。在凝固器上方，有一对平
35、整辊，它能对从凝固器出来的钢带及时进行高温平整，易于获得厚度均匀，表面平整的带坯。,3.2 反向凝固工艺的特点,易于生产复合钢板。母带和凝固层只要采用的是不同钢种，生产出的即为复合材料，因此进行复合材料的生产非常方便。与生产复合材料的其它方法相比（如锻压法、粉末冶金法、焊接法、轧制复合法及爆炸复合法等），反向凝固具有明显的优越性。通过调节母带宽度，其产品的宽度就可以根据市场需要而灵活变化。此方面反向凝固方法具有比其它薄带连铸工艺独特的优越性。,3.2 反向凝固工艺的特点,能源消耗低：反向凝固后的薄带厚度一般是母带厚度的6倍。这样，一条1mm厚的母带在通过反向凝固器后，其厚度可达到6mm，经平整
36、轧制后厚度为5mm，最终冷轧成1mm厚的薄带。将其中的20用于循环生产，作为下次的母带，80作为成品销售，保证了高的生产率，从而会带来明显的经济效益。改善了经济和生态平衡。占地的减少和能源消耗的降低可以带来明显的环境效益。,德马克公司设计的反向凝固工艺流程图,3.3 反向凝固工艺的研究情况,1996年北京科技大学和东北大学合作，申请了国家自然科学基金重点资助项目“反向凝固生产薄带技术基础研究”，并在北京科技大学冶金实验室建造了一台包括高温平整轧机在内的试验设备。北京科技大学主要负责凝固部分，东北大学则负责轧制部分的研究工作。目的是通过理论与实验研究，获得最佳的反向凝固工艺参数，弄清与工艺过程有
37、关的基础理论问题，为反向凝固技术的实现提供完整的工艺理论依据，为下一步的半工业实验提供设计依据。,3.4 有色金属的热浸镀,反向凝固最初是针对钢和钢之间的复合而提出的，但现在铝热浸镀铝、钢热浸镀铜等有色金属的复合有时也被称之为反向凝固，并且正处于积极的研究之中。热浸镀法是将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间形成合金镀层。当浸镀时间极短时，所形成的镀层只是附着层而不是扩散层，因而与基体金属结合不牢固，因此一般在热浸镀后还要加热使镀层进行扩散，以形成合金层。热浸镀法的优点是设备简单，容易操作。,3.4 有色金属的热浸镀,目前，有色金属的热浸镀法已广泛应用于钢铁制品的镀锌、镀铝、镀锡等，其产品主
38、要集中在带材和线材。国际上也已采用此法进行无氧铜杆（线坯）的工业化连续生产，生产工艺过程如图6所示。近年来，国内东北大学的于九明教授带领研究生对钢线的热浸镀铜工艺进行了较为深入的研究，在实验室建立了一套连续的实验设备，取得了一定的研究成果。,图6 浸渍成形法生产工艺流程图 1电解铜板；2真空装料机；3辊道；4预热炉；5组合炉；6石墨坩埚；7冷却室；8上传动；9冷却管；10张力调节器；11直列式轧机；12冷却管；13吹干器；14探伤仪；15张力调节器；16绕杆机；17成品杆；18主传动；19扒皮装置；20导向装置；21拉丝机；22种子杆（芯杆）,3.5 反向凝固与热浸镀的区别,不难看出，反向凝固
39、的工艺原理与已应用于工业化生产的有色金属的热浸镀法非常相似。但由于钢的熔点高，操作起来远比有色金属困难。例如，连续化生产时，有色金属的热浸镀不用担心钢带（线）在有色金属液中熔化，而对于钢的反向凝固来说，凝固时间长时，母带会迅速在凝固器内的钢液中熔化，这样整个连续的生产过程就要中止，而且还可能在凝固器底部出现漏钢事故。,材料加工新技术之二:半固态加工技术,材料加工新技术之三:金属塑性成型新工艺,材料加工新技术之四:材料加工中的计算机模拟,主要内容有限元法的基本理论ANSYS软件有限元分析的基本过程和步骤 塑性加工（平辊轧制）过程的应力、应变场解析：分同种材料和复合材料两种,第一部分、有限元法的基
40、本理论,有限元法是近似求解一般连续域的数值方法。有限元法的基本思想是把连续体假想划分成有限个用节点连接的单元，以节点上的位移或速度作为基本未知量，利用最小能原理并解相应的方程组来确定此未知量，通过节点位移（速度）与单元内的应变及应力间的关系确定各单元的应力和应变分布。,有限元法的基本思想,推广到其它连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度等。此方法特别适于求解复杂的边界问题，而且还可以考虑材料、几何非线性、接触与摩擦等复杂边界条件，以及多场耦合情况。,有限元法的基本思想,有限元法最初在40年代被提出，60年代被广泛应用于结构分析领域，从70年代开始用于解决金属塑性加工成形问题。,有限元法的发展
41、,有限元法是随着有限元理论和计算机技术的发展而得到不断发展的。早期的有限元分析，一般都是由个人编写的简单计算机程序，求解计算出结果即可，没有前、后处理功能。并且由于计算机容量的限制，难以对复杂的问题作出解析，因此应用范围很窄。,有限元法的发展,随着计算机技术的突飞猛进，特别是内、外存容量的不断扩大，CPU的不断升级，使运算速度大幅度提高，这为有限元的进一步开发提供了条件。使有限元软件在分析计算的基础上，具备了强大的前、后处理功能及图形控制技术，并引入了文件管理系统和数据库技术，进而发展成为大型系统化和集成化的有限元分析软件。,有限元法的发展,1)工艺优化，减少试轧次数；2)预测和控制模具的失效
42、和使用寿命；3)预测和控制成型件的显微结构和性能；4)减少废品和材料损失。金属加工成形领域的有限 元法主要可分为弹-塑性有限元法和刚-塑性有限 元法两大类。,金属成型过程有限元分析的目的,金属加工领域的有限元法,主要分为:弹-塑性有限元法;刚-塑性有限元法两大类,弹-塑性有限元法,弹-塑性有限元法是60年代末由P.V.Marcal和Yamada等导出的弹塑性矩阵发展起来的。随后不少研究者对挤压、拉拔、板冲压、平辊轧制等问题进行了解析，得出了工件内的应力、应变分布及塑性变形区的扩展情况。,弹-塑性有限元法优缺点,优点是可以计算工件出轧辊后的残余应力。缺点是：1）为保证求解精度和解的收敛性，每一步
43、的变形量不能太大。因此对于大塑性变形问题，所需的计算时间较长。2）由于加载和卸载时，塑性区内的应力、应变关系并不相同，因此，每次计算时都应检查塑性区内各单元是处于加载状态还是卸载状态。若是卸载状态，还必须重新计算，这势必增加计算时间。,这些缺点在一定程度上限制了它的发展。但近年来，由于计算机速度和容量的飞速发展，大变形的弹-塑性有限元由于特别适于求解变形较大的塑性加工问题，因此近年来也得到了越来越广泛的应用。后面利用ANSYS软件中的弹-塑性有限元法对高温轧制过程进行了有限元解析，得出了轧件内各点的位移、应力及应变分布。,弹-塑性有限元法优缺点,刚-塑性有限元法是1973年由小林史郎和李（）提
44、出的，是目前在塑性加工领域广泛应用的又一种数值解析方法。东北大学的刘相华教授在国内首次用此种方法对轧制过程进行了解析。该方法一般依据刚-塑性材料的变分原理或上下界定理，按有限元模式把能耗泛函表示为节点速度的非线性函数，利用最优化理论得出满足极值条件的最优解，即使总能耗泛函最小的运动许可速度场，再进一步利用塑性力学的基本关系式得出变形速度场、应变场和应力场。,刚-塑性有限元法,与弹-塑性有限元法相比，刚-塑性有限元法在求解过程中没有应力的累积误差，不存在要求单元逐步屈服问题，因而可用数目相对较少的单元来处理塑性加工的大变形问题。其缺点是：由于忽略弹性变形，所以在计算小变形时精度不如弹-塑性有限元
45、法；另外，卸载时应按弹-塑性有限元法计算，刚-塑性有限元法不能计算残余应力。,刚-塑性与弹-塑性有限元比较,弹塑性有限元的求解步骤,连续体的离散化。选择单元的类型、数目、大小进行网格划分。选择位移函数。设定满足要求的联系单元节点及和单元内部各点的位移插值函数，以保证计算结果的准确性。建立单元刚度矩阵。用此矩阵把单元节点位移和节点力联系起来。建立整体方程。首先把单元刚度矩阵集合成整体刚度矩阵，建立表示总节点位移矢量与总载荷矢量之间的联立方程组。由建立的联立方程组求未知的节点位移。由节点位移计算各单元的应力和应变。,第二部分 ANSYS有限元分析的基本过程和步骤,2.1 有限元软件,目前国际上著名
46、的大型通用程序和商业化软件有SAP、ADIAN、ABQUS、MARC、ANSYS等，其中应用最广的是ANSYS软件。ANSYS软件是美国SASI公司开发的世界最著名的大型通用有限元分析软件，它集结构、热、流体、电磁、声学于一体，自问世以来，便以其极高的性能价格比和无可比拟的分析深度，被广泛用于航空航天、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、材料冶金、生物医学、土木工程等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有工程问题。,2.2 ANSYS软件,ANSYS的分析过程由三个阶段组成：前处理阶段求解阶段后处理阶段,前处理阶段,前处理阶段用于定义求解所需的数据。用户能选择坐标系和单元类型，定义实常数和材料
47、特性，生成实体模型并划分网格，控制节点和单元，以及定义耦合和约束方程。在前处理阶段中用户输入的所有数据成为ANSYS数据库的一部分。这个数据库由表构成坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表、载荷表等。表中的数据被规定好后，这些数据通过表项编号来引用。ANSYS前处理器的实体建模能力，允许用户直接同模型的几何特性打交道，而不用关心有限元模型的节点和单元。,求解阶段,建立模型及网格划分后即可进入求解阶段。在求解阶段，用户能指定分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。一般可用的分析类型包括结构、热、电磁场、电场、流体、CFD和耦合场分析，本文分别选用的是热和结构分析。载荷数据即对实体施
48、加的载荷和规定的边界条件。在选定求解准则后，即能进行求解。用户能命令程序针对所选择的分析类型求解控制方程，并计算出结果。,后处理过程,所有ANSYS分析类型都是基于经典方程的概念。利用数值分析技术，把这些概念用公式表示成矩阵方程，使其适于有限元分析。分析中的未知量是有限元模型中各节点的自由度。自由度可以包括位移、转角、温度、压力、速度、电压等，它们通过单元来定义。紧接在求解过程之后的是后处理过程。通过友好的用户界面，用户可很容易获得求解的计算结果。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和位移列表两种。,ANSYS软件的后处理器,后处理访问数据的方法有两种：一是
49、用通用后处理器POST1查看整个模型或模型的某一部分任一个数据集的结果；二是用时间历程后处理器POST26跨多个数据集查看所要的部分模型的数据，如特定阶段的位移或单元应力等。当数据从结果文件读出后，被存入ANSYS数据库。,2.3 ANSYS对接触问题的处理,接触问题是广泛存在于工程实际中的一种复杂的非线性问题，任何塑性成形都存在工具与工件的接触问题，而如何恰当地描述和处理这种接触关系，对有关问题的正确解析关系重大。对带坯的高温轧制来说，也只有准确地描述和反映了轧辊与带坯间的接触关系，带坯才能在轧辊的旋转带动下被带入轧辊，进而实现带坯的变形解析。,2.3 ANSYS对接触问题的处理,接触可分为
50、两类：刚性柔性接触，把两个接触面中的一个当作刚体处理；2)柔性柔性接触，用于两个接触面刚度相差不大的情况。在金属塑性加工领域一般均采用刚性柔性接触，其中工具被视为刚体，工件则视为柔性体。处理接触问题的有限元方法有多种，如罚单元法、增量加载法、间隙元法等。,2.3 ANSYS对接触问题的处理,ANSYS是通过在工具和工件之间建立接触副(Contact Pair)来处理两者之间接触关系的。ANSYS对接触问题的处理主要包含以下几个方面的内容：（1）接触副的建立；（2）接触检测位置；（3）接触渗透性及接触刚度；（4）摩擦类型等。,接触副,在研究金属塑性成形的接触问题时，通常将其中一个接触边界定为目标
