材料加工新技术课件

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1、材料加工新技术材料加工新技术(教授)材料加工新技术PPT课件课程性质与目的课程性质与目的: :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材料加工新技术PPT课件课程内容：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材料加工新技术PPT课件考试形式：考试形式： 试卷考试！材料加工新技术PPT课件材料与人类文明材料与人类文明 材料是材料是现现代文明的支柱代文明的支柱v材料是人材料是人类类生存的基生存的基础础 (Basis)v材料是人材料是人类发类发展的展的标标志志 (Mark)v材料是科技材料是科技创创新的先新的先

2、导导 (Lead)材料加工新技术PPT课件材料制备方法材料制备方法IM(IngotMetallurgy)熔熔铸铸法法熔熔(melting)、炼炼(refining)、铸铸(casting)铸铸件件(castings)机加工机加工(machining)零件零件铸铸坯坯(ingots)塑性成形塑性成形(plasticforming)热处热处理理(heattreatment)机加工机加工零件零件PM(PowderMetallurgy)粉末冶金法粉末冶金法制粉制粉(powdermaking)压压型型(pressing)烧结烧结(sintering)SF(SprayForming)喷喷射成型法射成型法材

3、料加工新技术PPT课件材料成型方法材料成型方法铸铸造造(pour-casting,die-casting)例如：汽例如：汽车轮毂车轮毂（Al、Zn）、活塞（）、活塞（Al）、）、手机外手机外壳壳（Mg）等）等塑性成形塑性成形(plasticforming)挤压挤压(extrusion)、轧轧制制(rolling)、拉拔、拉拔(drawing)、冲冲压压(punching)、锻锻造造(forging)焊焊接（接（welding)切削切削(cutting)粉末成型粉末成型(powderforming)复复合成型（合成型（铸轧铸轧、铸挤铸挤、锻轧锻轧、挤轧挤轧等）等）材料加工新技术PPT课件近终形成

4、型技术材料加工新技术之一材料加工新技术之一材料加工新技术PPT课件连铸出的直接为坯，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%，达到国际先进水平。连铸技术连铸技术材料加工新技术PPT课件自70年代以来，钢铁工业从追

5、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：u一方面，用户对钢材质量、性能的要求越来越高。u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。材料加工新技术PPT课件 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-ShapeContinuousCasting）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。材料加工新技术PPT课件模铸、传统连铸、薄板坯连

6、铸和薄带坯连铸工艺过程对比 钢液钢液 铸锭铸锭 均热均热 初轧初轧 加热加热 热粗轧热粗轧 热精轧热精轧 冷轧冷轧模模铸铸 传传统统连连铸铸 薄薄板板坯坯连连铸铸 薄薄带带连连铸铸 工工 艺艺 生生 产产 工工 序序材料加工新技术PPT课件 目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，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。阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连年，在连铸技术领域，传统连铸占铸占40，薄板坯连铸占

7、，薄板坯连铸占50，薄带坯连铸占，薄带坯连铸占10。目前发展状况目前发展状况: :材料加工新技术PPT课件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。材料加工新技术PPT课件 薄板坯连铸薄板坯连铸 薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。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世界上第一台

8、薄板坯连铸机于1989年在美国年在美国Nucor公司的公司的Crawfordsville工厂投产。工厂投产。 进入进入90年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国年代以来，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西马克和德马克公司开发的CSP和和ISP技术进展很快外，奥钢技术进展很快外，奥钢联开发的联开发的Controll技术、意大利达涅利公司开发的技术、意大利达涅利公司开发的FTSC技术、技术、美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。

9、 材料加工新技术PPT课件 北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连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。铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年年8月月26日，日，我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（CSP）在）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用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计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h，与需，与需要要28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板的传统工艺相比，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

10、水到热带）较坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低传统工艺约低50美元美元/吨。吨。 材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件铝合金哈兹列特连铸连轧工艺材料加工新技

11、术PPT课件 u一一: :工艺背景工艺背景u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特点哈兹列特工艺研究现状及发展趋势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车身板研究现状及发展趋势材料加工新技术PPT课件一:工艺背景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 材料加工新技术PPT课件 从1978年的29.6

12、万吨,2007年增加到1255.9万吨,年均递增13.8%,连续七年位居第一材料加工新技术PPT课件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年起世界第一材料加工新技术PPT课件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，严重制约了我国相关产业的发展。材料加工新技术PPT课件2007年4月，国家发展改革委发布能源发展“十一五”规划。

13、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。 材料加工新技术PPT课件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。 材料加工新技术PPT课件二.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.车身板研究现状及发展趋势返 回 材料加工新技

14、术PPT课件2.1.哈兹列特工艺特点1.1.铝板带坯主要生产工艺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 材料加工新技术PPT课件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材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件惰性气体保护: 控制氧化.控制热传输速度.它可以根据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.材料加工新技术PPT课件磁力支撑辊: 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

15、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.材料加工新技术PPT课件钢带的感应预加热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.材料加工新技术PPT课件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.材料加工新技术PPT课件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

16、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材料加工新技术PPT课件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 材料加工新技术PPT课件对6000系铝合金的研究1)优化合金成分和各种加工工艺,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)材料加工新技

17、术PPT课件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 材料加工新技术PPT课件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材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件钢的薄带连铸作作为为生生产产扁平材的近扁平材的近终终形形连铸连铸技技术术，带钢连铸带钢连铸工工艺艺生生产产的的钢带较钢带较之薄板坯之薄板坯连铸连铸更接近于最

18、更接近于最终产终产品的形品的形状状，也就是，也就是连铸连铸带钢带钢更薄一些。更薄一些。它它可可将将钢钢水直接水直接浇铸浇铸出出110mm厚的厚的钢带钢带，不，不经热轧经热轧或稍或稍经热轧经热轧（12个个机架），即可机架），即可进进行冷行冷轧轧，而，而产产品的性能和品的性能和质质量仍可量仍可与与常常规规生生产产的的产产品相品相媲媲美。美。薄薄带连铸带连铸能大大降低基建投能大大降低基建投资资和生和生产产成本，是成本，是当当今今钢铁钢铁工工业业令人令人关关注的新工注的新工艺艺，也是最，也是最热门热门的的研研究究课题课题之一。之一。材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课

19、件省却热轧而只有带坯连铸和冷轧两大步骤的冷轧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带钢生产线于1999年年11月在德国克虏伯月在德国克虏伯蒂森蒂森尼罗尼罗斯塔的不锈钢厂投产。随热轧一起省掉的还有退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。整条机组长为超短流程生产线。整条机组长75m，带坯宽，带坯宽1050mm1350mm，厚，厚1.5mm4.5mm，连铸速度每，连铸速度每分钟在分钟在100m以上。以上。材料加工新技术PPT课件主要有3种方法：1.单辊连铸2.双辊连铸3.辊带连铸

20、薄薄带连铸带连铸分分类类材料加工新技术PPT课件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。材料加工新技术PPT课件图1 单辊带钢连铸示意图材料加工新技术PPT课件单辊连铸缺点: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。材料加工新技术PPT课件双辊连铸: 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

21、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。材料加工新技术PPT课件图2 双辊带钢连铸示意图 材料加工新技术PPT课件双辊连铸 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。材料加工新技术PPT课件 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

22、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。材料加工新技术PPT课件 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

23、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 材料加工新技术PPT课件 “八五八五”期间，东北大学轧制技术及连轧自动化国家期间，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，完善了熔炼和测试手段，铸轧出的试验线，完善了熔炼和测试手段，铸轧出的W6W6高速钢薄带高速钢薄带的表面质量和边部质量大大提高。的表面质量和边部质量大大提高。19981998年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实年，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

24、为国家自然科学基金委重大项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。目。国内双辊连铸的发展 材料加工新技术PPT课件 上海钢铁研究所从上海钢铁研究所从1985年开始对双辊薄带连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铸机的主要设计参数和关键技术。 国内双辊连铸的发展 材料加工新技术PPT课件 在薄带连铸技术中，双辊技术占据主流，其在薄带连铸技术中，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

25、数钢铁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。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：但目前双辊连铸仍存在如下一些问题：材料加工新技术PPT课件输送钢水的动量会引起钢水池紊流，影响产品质量；输送钢水的动量会引起钢水池紊流，影响产品质量；带钢的宽度难以控制；带钢的宽度难以控制；带钢的板形控制：由于铸辊受周期性温度的变化而导带钢的板形控制：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；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；钢液液面的控制和钢液

26、防止二次氧化技术；双辊两侧的侧封技术和侧封板的选用；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。辊缝和轧制力的控制较为困难。双辊连铸存在的问题 材料加工新技术PPT课件 在此工艺中，钢水由中间包浇到活动带上，活在此工艺中，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（如图操作，铸机后部还安装了一对拉坯辊（如图3所示）。所示）。 辊带连铸 材料加工新技术PPT课件图图3辊带连铸示意图辊带连

27、铸示意图1钢液；钢液；2钢液供料装置；钢液供料装置；3上辊；上辊；4冷却室；冷却室；5运输带；运输带；6薄带产品；薄带产品；7拉出装置。拉出装置。材料加工新技术PPT课件 瑞典的梅福斯公司和德国的曼内斯曼瑞典的梅福斯公司和德国的曼内斯曼德德马克公司合作对这一技术进行了开发试验。但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杂，且宽度不能调节，钢辊带技术工艺控制复杂，且宽度不能调节，钢液的喂入也很困难。液的喂入也很困难。辊带连铸 材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件铝的双辊铸轧铝的双辊铸轧工艺的特点：结晶器为两个带水冷系统工艺的特点：结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，

28、铝熔体在其辊缝间完成凝固和热轧变形的旋转铸轧辊，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两个过程，而且是在很短的区间(铸轧区铸轧区)与很短的时间与很短的时间内内(23s)完成的。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铝铝的的双

29、双辊辊薄薄带铸轧带铸轧 材料加工新技术PPT课件 50年代初，美国亨特公司最先研制成功双辊式连铸机，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，熔化的铝液经过铸嘴，通过两个转动的水冷辊的辊缝，冷却凝固成为冷却凝固成为“铸轧板铸轧板”。由于水平所限，该连铸机对。由于水平所限，该连铸机对铝合金带坯的厚度、宽度及合金成分均有所限制。铝合金带坯的厚度、宽度及合金成分均有所限制。 60年代初，相继出现年代初，相继出现3C铸轧机和亨特铸轧机，生产铸轧机和亨特铸轧机，生产的铝合金带坯宽度可达的铝合金带坯宽度可达2m，合金品种更广。，合金品种更广。 铝铝双双辊

30、辊薄薄带铸轧发带铸轧发展展 材料加工新技术PPT课件我国从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。 铝铝双辊薄薄带铸轧发带铸轧发展

31、展 材料加工新技术PPT课件截止到截止到2008年底，全球已拥有超过年底，全球已拥有超过793台双辊薄带铸轧机。台双辊薄带铸轧机。其中意大利的法塔亨特铸轧机有其中意大利的法塔亨特铸轧机有160台，法国的台，法国的3C式铸轧机式铸轧机175台。中国拥有双辊式铸轧机约有台。中国拥有双辊式铸轧机约有460台，占全球总数的台，占全球总数的58%，国内已有超过，国内已有超过10家企业能生产此类铸轧机。家企业能生产此类铸轧机。经过经过30多年的努力，中国已成为一个名副其实的铝带坯铸多年的努力，中国已成为一个名副其实的铝带坯铸轧工业王国，铸轧机制造大国轧工业王国，铸轧机制造大国。 铝铝双辊薄薄带铸轧发带铸轧

32、发展展 材料加工新技术PPT课件 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，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：但传统的铸轧工艺存在的问题是： 铸轧速度慢铸轧速度慢(1m/min)、铸轧铝带厚度较大、铸轧铝带厚度较大(6mm左右左右) 、铸、铸轧板成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差、轧板成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差、可铸轧的合金品种少，其产品品种和应用领域受到很大限制，可铸轧的合金品种少，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。目前主要用于铝箔毛料和对深加工

33、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。题，它直接影响生产率的大小。铝铝的超薄高速的超薄高速连续铸轧连续铸轧技技术术 材料加工新技术PPT课件铝铝的超薄高速的超薄高速连续铸轧连续铸轧技技术术 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

34、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。 材料加工新技术PPT课件电解铝液直接铸轧材料加工新技术PPT课件高高温温电电解解铝铝液液熔熔炼炼炉炉(或或混混合合炉炉)取取样样分分析析成成分分加加入入废废料料和和中中间间合合金金第第一一次次精精炼炼导导炉炉调调整整温温度度至至7505第第二二精精炼炼AlTiB丝丝变变质质陶陶瓷瓷过过滤滤铸铸轧轧带带卷卷冷冷轧轧成成箔箔毛毛料料中中间间退火退火箔箔轧轧分切分切箔材成品。箔材成品。 生产工

35、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。材料加工新技术PPT课件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,氢含量可达0.56mL/100gAl。(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材料加工新技术PPT课件 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

36、； 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材料加工新技术PPT课件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。技术关键材料加工新技术PPT课件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

37、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 1、电电解解铝铝液的加入及熔液的加入及熔炼炼材料加工新技术PPT课件 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。 熔炼的质量控制熔炼的质量控制2、铝铝液的液的静静置及精置及精炼炼 材料加工新技术PPT课件铝液的精炼：(1)精炼剂选用CCl4(5%)

38、+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 材料加工新技术PPT课件 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

39、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 材料加工新技术PPT课件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200r/min,气体压力为0.4N/mm2,而且铝液从除气箱到前箱的时间不小于10min。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%,压力不小于0.15N/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

40、和温度控制 材料加工新技术PPT课件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。材料加工新技术PPT课件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。材料加工新技术PPT课件3、反向凝固法生产薄带 反向凝固思路的提出 单辊、双辊及辊带连铸要进入工业化生产，

41、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。 材料加工新技术PPT课件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。 材料加工新技术PPT课件 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

42、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材料加工新技术PPT课件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，钢水在母带表面凝固，形成新生相的新工艺，如图4所示。材料加工新技术PPT课件 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。 材料加工新技术PPT课件 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

43、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。材料加工新技术PPT课件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

44、。 材料加工新技术PPT课件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。 材料加工新技术PPT课件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（

45、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。 材料加工新技术PPT课件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。

46、材料加工新技术PPT课件德马克公司设计的反向凝固工艺流程图 材料加工新技术PPT课件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。 材料加工新技术PPT课件3.4 3.4 有色金有色金属属的的热热浸浸镀镀 反向

47、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。 材料加工新技术PPT课件3.4 3.4 有色金有色金属属的的热热浸浸镀镀 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

48、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。 材料加工新技术PPT课件图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）材料加工新技术PPT课件3.5 反向凝固与热浸镀的区别 不难看出，反向凝固的工艺原理与已应用于工业化生产的

49、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PPT课件材料加工新技术之二:半固态加工技术材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术

50、PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件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PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件

51、材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术PPT课件材料加工新技术之四:材料加工中的计算机模拟材料加工新技术PPT课件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材料加工新技术PPT课件第一部分、有限元法的基本理论材料加工新技术PPT课件有限元法是近似求解一般连续域的数值方法。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

52、体假想划分成有限个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，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。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有限元法的基本思想材料加工新技术PPT课件推广到其它连续域问题，节点未知量也可以是压力、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

53、界问题，而温度等。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。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的基本思想材料加工新技术PPT课件 有限元法最初在有限元法最初在40年代被提出，年代被提出，60年代被年代被广泛应用于结构分析领域，从广泛应用于结构分析领域，从70年代开始用年代开始用于解决金属塑性加工成形问题。于解决金属塑性加工成形问题。有限元法的有限元法的发发展展材料加工新技术PPT课件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

54、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。有限元法的有限元法的发发展展材料加工新技术PPT课件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。有限元法的有限元法的发发展展材料加工新技术PPT课件1)工艺优化，减少试轧次数；工艺优化，减少试轧次数；2)预测和控制

55、模具的失效和使用寿命；预测和控制模具的失效和使用寿命；3)预测和控制成型件的显微结构和性能；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 元法主要可分为弹元法主要可分为弹-塑性有限元法和刚塑性有限元法和刚-塑性有限塑性有限 元法两大类。元法两大类。 金金属属成型成型过过程有限元分析的目的程有限元分析的目的材料加工新技术PPT课件金属加工领域的有限元法主要分为:u弹-塑性有限元法;u刚-塑性有限元法两大类 材料加工新技术PPT课件弹-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

56、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。 材料加工新技术PPT课件弹-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。 材料加工新技术PPT课件 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

57、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材料加工新技术PPT课件 刚-塑性有限元法是1973年由小林史郎和李（Lee.C.H）提出的，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

58、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-塑性有限元法材料加工新技术PPT课件 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-塑性有限元比较材料加工新技术PPT课件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

59、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。材料加工新技术PPT课件第二部分第二部分 ANSYSANSYS有限元分析的基本过程和步骤有限元分析的基本过程和步骤材料加工新技术PPT课件2.1 有限元软件 目前国际上著名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

60、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。 材料加工新技术PPT课件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 材料加工新技术PPT课件前处理阶段 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

61、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。 材料加工新技术PPT课件求解阶段求解阶段 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加的载荷和规定的边界条件。 在选定求解准则后

62、，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。 材料加工新技术PPT课件 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。 材料加工新技术PPT课件ANSYS软件的后处理器 后处理访问数据的方法有

63、两种：一是用通用后处理器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。 材料加工新技术PPT课件2.3 ANSYS 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。

64、材料加工新技术PPT课件2.3 ANSYS ANSYS对接触问题的处理 接触可分为两类：1)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。 材料加工新技术PPT课件2.3 ANSYS 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

65、测位置；（3）接触渗透性及接触刚度；（4）摩擦类型等。 材料加工新技术PPT课件接触副 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面，另一个定为接触面。接触面与变形体相关联，目标面为刚性的工具表面。接触面和目标表面共同组成接触副。 材料加工新技术PPT课件接触副的单元组成接触副由两种类型的单元组成：一种称为目标单元(Target Element)，建立在刚性的工具边界上；另一种称为接触单元(Contact Element)，建立在描述变形体边界的实体单元 (Solid Element) 上（如图所示）。目标单元和接触单元之间通过一个共同的实常数号联系起来。接触单元覆盖在变形

66、体实体单元表面上，与实体单元表面具有相同的几何特性。 材料加工新技术PPT课件 接触副组成示意图 实体表面目标单元接触单元接触副组成示意图 材料加工新技术PPT课件接触检测 目标单元与接触单元是否发生接触要由两者之间的相对位置来决定。接触检测点(Contact Detection Points)是接触单元上用来检测接触单元与目标单元之间的相对位置关系的点，它可以是节点或Gauss积分点。接触单元在检测点处被限制，无法渗透到目标单元，而目标单元通常可以渗透到接触单元（如图5-3）。 材料加工新技术PPT课件接触检测 刚性体目标单元接触单元柔性体（工件）Gauss积分点图5-3接触检测示意图 材料

67、加工新技术PPT课件渗透距离和接触刚度 渗透距离(Penetration Distance)是指从接触单元上的积分点指向目标单元的法向距离，用g表示，如图5-4所示。通过计算渗透距离即可判断两个单元是否接触：如果渗透距离g小于规定的值，认为发生接触，否则认为未发生接触。 材料加工新技术PPT课件渗透距离和接触刚度 目标面接触面积分点渗透距离图5-4渗透距离示意图 材料加工新技术PPT课件渗透距离和接触刚度 如前所述，接触单元不能渗透到目标单元，而一旦接触单元渗透到目标单元而发生接触，实际上就是破坏了接触相容性条件，这时在目标面的法向方向上就会产生一个法向接触力，阻止接触单元的渗透。法向接触力的

68、大小与渗透距离之间存在一个确定的关系。 另外，沿目标面的切线方向将产生摩擦力。这样，在接触单元和目标单元之间就形成了接触刚度，该刚度最终决定渗透距离的大小。 材料加工新技术PPT课件 摩擦模型 在金属塑性加工过程中，加工工具和变形金属之间的摩擦机制十分复杂，影响摩擦的因素也很多。实际应用中，一般需要将问题适当简化。在弹塑性有限元分析中，通常采用库仑摩擦模型。按照库仑摩擦定律，相互接触的两个粗糙表面在相互滑动以前可以承受作用面上一定大小的剪应力的作用，即出现两金属表面间的粘着。 材料加工新技术PPT课件 摩擦模型 库仑摩擦模型可描述为 式中，极限剪应力；剪应力；摩擦系数；N法向接触应力。 材料加

69、工新技术PPT课件 摩擦模型 当等效剪应力超过 时，目标面和接触面之间将发生相对滑动，这种状称为滑动状态。实际计算中，可定义一个最大剪应力，当剪应力达到该值时，无论法向接触应力多大，都将发生滑动。 通过计算粘着/滑动状态，能判断一个点是粘着还是滑动。 材料加工新技术PPT课件第三部分、塑性加工（平辊轧制）过程的应力、应变场解析-单一材料高温轧制有限元解析材料加工新技术PPT课件 有限元分析模型的建立 在建立有限元分析模型时，将轧辊视为刚体，带坯视为柔性体，即程序通过建立刚性柔性接触机制来模拟轧辊和带坯之间的相互作用。 反向凝固带坯高温轧制中，采用锻钢轧辊，其硬度、强度都很高，而高温轧制中的轧制

70、力又较小，因此忽略轧辊的弹性变形，把轧辊考虑成刚性是合理的。 材料加工新技术PPT课件基本参数和假设 轧辊直径为200mm。设轧制前的反向凝固带坯厚度h10mm，宽度b100mm。设高温轧制的压下量h2mm，轧制温度为1250。母带材料为Q235，凝固层为低碳钢。 通常轧制过程是复杂的三维变形过程，为了便于进行分析计算，根据目前高温轧制的实际情况，在建立数学模型时，作了如下简化和假设处理。材料加工新技术PPT课件 基本假设基本假设反向凝固低碳钢母带和凝固层结合很好，已完全熔合成一体。且同属低碳钢类，因此建立模型时认为为同一种材料。因为b/h100/1010，所以可忽略宽展，采用二维分析模型轧制

71、过程中认为温度恒定。轧辊认为是刚性的，带坯认为为弹塑性材料。假定带坯与轧辊间没有相对滑动，即忽略前、后滑。 假定带坯符合Mises屈服准则以及相关的流动法则，采用各向同性硬化法则，将材料简化为双线性模型。 材料加工新技术PPT课件模型的建立 ANSYS程序有两种模型生成方法：实体建模和直接生成。实体建模允许用户直接用几何特性来建模，并不关心有限元模型的特定属性节点和单元。而直接生成是通过详细说明每个节点的位置及单元的大小、形状和连通性来定义模型。实体建模较为直观，下面即通过实体建模方式建立实体模型。 为减少计算量而又能说明问题，将带坯长度取为80mm。另外，带坯关于轧制中心线对称，故取其1/2

72、（厚度的1/2为5mm）作为研究对象。建模时该对象用ANSYS中的四节点四边形等参单元PLANE42来离散，共划分为208个实体单元。 材料加工新技术PPT课件模型的建立因轧辊认为是刚性的，模型中用一条线来表示，并用ANSYS中的目标单元TARGE169离散，整体作为1个目标单元。在轧制过程中，带坯与轧辊发生接触。为表达这种接触关系，在带坯表面建立相应的接触单元CONTA171，共形成52个接触单元。目标单元和接触单元通过一个共同的实常数号来联系。离散化后的有限元分析模型如图所示（左侧圆弧为轧辊），共261个单元，266个节点。 材料加工新技术PPT课件有限元模型网格划分图有限元模型网格划分图

73、 材料加工新技术PPT课件材料性能参数及求解方法 带坯在1250时的机械性能参数分别为：弹性模量E80000106Pa；泊松比0.3；密度=7490kg/m3；轧辊与带坯之间的摩擦系数0.45。根据前面的高温力学模拟实验结果，可知低碳钢在1250时的屈服强度约为75106 Pa。 材料加工新技术PPT课件求解方法ANSYS中的每一种载荷设置称为载荷步（step），一个分析可包含一个或多个载荷步，而每一载荷步又分为很多子步（substep）。本计算中采取了分三个载荷步加载的方法。并且，由于带坯高温下的屈服强度较低，实际计算表明，这给程序的收敛带来了困难。为此在每一载荷步都采取了极小时间步长的方法

74、，使带坯在每一子步中移动的位移很小。另外，采取了给轧辊一角位移的加载方式，当轧辊旋转时，靠轧辊与带坯间的摩擦作用，带坯被带入轧辊内轧制。 材料加工新技术PPT课件整个轧制过程加载的具体步骤 第一载荷步：带坯不动，轧辊压下带坯2mm。其目的是使轧辊和带坯之间建立良好接触，以便使第二步在摩擦作用下，轧辊能将带坯带入辊内。第二载荷步：让轧辊旋转0.6弧度。实践证明，此步旋转不能太大，否则会不收敛。第三载荷步：让轧辊在第二步旋转0.6弧度的基础上，进一步旋转到0.9弧度，以使带坯完全轧出。这样在摩擦作用下，带坯从轧辊外逐步被带入轧辊，直至轧制结束。从而就可得出带坯在整个轧制过程中变形物理场的解析结果。

75、 材料加工新技术PPT课件结束选择坐标系和单元类型，定义材料特性和实常数实体建模，生成带坯实体模型对带坯进行网格划分，生成实体单元在带坯表面实体单元上建立接触单元在轧辊表面建立目标单元加载和设置边界条件设置求解控制对每一载荷子步循环形成单元刚度矩阵Newton-Raphson法迭代集合成整体刚度矩阵代入矩阵方程求解满足收敛准则否？将该载荷子步的计算结果写入结果文件载荷子步循环结束否？将最终结果写入数据库对计算结果进行处理：图形显示或数据列表开始否否是是前处理器求解器后处理器定义导航节点对每一载荷步循环载荷步循环结束否？是否材料加工新技术PPT课件 带坯的网格变形图带坯的网格变形图材料加工新技术

76、PPT课件带坯的应变场带坯的应变场 材料加工新技术PPT课件带坯的应力场带坯的应力场 材料加工新技术PPT课件带坯x方向的位移场 材料加工新技术PPT课件第四部分、复合材料高温轧制有限元解析 材料加工新技术PPT课件有限元分析模型的建立 在建立有限元分析模型时，将轧辊视为刚体，带坯视为柔性体，即程序通过建立刚性柔性接触机制来模拟轧辊和带坯之间的相互作用。 反向凝固带坯高温轧制中，采用锻钢轧辊，其硬度、强度都很高，而高温轧制中的轧制力又较小，因此忽略轧辊的弹性变形，把轧辊考虑成刚性是合理的。 材料加工新技术PPT课件基本参数 轧辊直径为200mm，母带厚2mm。设轧制前的复合薄带坯厚度h9mm，

77、宽度b100mm，高温轧制的压下量h1.6mm，轧制温度为1250（更高温度下的材料特性值无法查到）。材料加工新技术PPT课件基本参数 输入物性参数时，母带仍为Q235，凝固层以1Cr13马氏体不锈钢为例。由于母带和凝固层为不同种材料，所以建立模型时应选两种材质，并分别输入材料特性值。其中母带的材料特性值同上面低碳钢部分的计算，不锈钢凝固层在1250时的材料性能如下： 弹性模量E80000106Pa；泊松比0.3；密度=7397kg/m3；轧辊与带坯之间的摩擦系数0.45；屈服强度约为85106 Pa。 材料加工新技术PPT课件基本假设 因为b/h100/1010，所以可忽略带坯宽展，采用二维

78、分析模型。 轧制过程中认为温度恒定。 轧辊认为是刚性的，带坯认为为弹塑性材料。 假定带坯与轧辊间没有相对滑动。 材料加工新技术PPT课件模型的建立 仍通过实体建模的方式来建立分析模型。 由于两层金属的屈服强度不同，且在1250时的数值又均较小，实践证明，这给程序的收敛带来很大困难。为解决此问题，一方面需要采取尽量细分网格的办法，另一方面就是要采用极小的时间步长。但网格的细分会造成网格数量过多，使计算量加大，计算时间延长。为此，在建立有限元分析模型时，在保证能使问题说明的基础上，采取了缩短带坯长度的办法。这样因带坯长度减小，不仅能达到细分网格的目的，又不会因网格细分而使网格数量超出。最终将带坯长

79、度取为20mm。 材料加工新技术PPT课件模型的建立模型的建立带坯关于轧制中心线对称，故取其1/2作为研究对象。用四节点四边形等参单元PLANE42来离散。其中母带划分123个单元（左起第911列单元），凝固层328个单元（左起第18列单元），共451个实体单元。轧辊用目标单元TARGE169离散，整体作为1个目标单元。在轧制过程中，带坯与轧辊接触，因此为建立带坯与轧辊的接触关系，在带坯的外表面和轧辊表面之间建立相应的接触单元CONTA171。共形成41个接触单元。目标单元和接触单元通过一个共同的实常数来联系。离散化后的有限元分析模型如下图所示（左侧圆弧为轧辊），共493个单元，505个节点。

80、可看出，其网格划分较低碳钢带坯轧制的细得多。 材料加工新技术PPT课件有限元模型网格划分图有限元模型网格划分图 材料加工新技术PPT课件求解方法求解方法 造成程序难以收敛的原因有两个：一是母带和凝固层金属的屈服强度不同，这样在结合面附近会存在不均匀变形，其收敛性要比单一材料轧制的困难；二是其在高温下的屈服强度数值较小。为此需要采取比低碳钢带坯轧制更小的时间步长和分步加载的方法，结果致使其达到收敛所用的时间也比低碳钢带坯轧制长得多。 材料加工新技术PPT课件求解方法整个轧制过程仍采取分三个载荷步加载的办法：第一步：带坯不动，轧辊先给带坯一微小压下（约0.3mm），以使轧辊和带坯间建立良好接触。注

81、意在此步并不能达到所要求的压下量（1.6mm），否则网格畸变严重，导致不收敛，这点上与前面低碳钢部分的计算不同。第二步：让轧辊旋转一定弧度的同时，压下带坯1.6mm。此步轧辊旋转不能太大，否则不收敛。第三步：让轧辊旋转至带坯完全轧出。这样在摩擦作用下，带坯从轧辊外逐步被带入轧辊，直至轧制结束。材料加工新技术PPT课件带坯的网格变形图带坯的网格变形图 材料加工新技术PPT课件带坯内的应变场带坯内的应变场 材料加工新技术PPT课件带坯内的应力场带坯内的应力场材料加工新技术PPT课件轧制过程中不同时刻的变形网格轧制过程中不同时刻的变形网格材料加工新技术PPT课件 作作业业：任选一个：1、结合你的课题，设想一种可能缩短生产工艺流程的方法。2、查阅文献，阐述金属材料短流程、近终形的生产工艺。3、结合你的课题，对可能涉及到的温度场或应力、应变场等进行有限元解析，并阐述主要解析过程。材料加工新技术PPT课件