非對稱熱軋高品質不銹鋼復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研究所，天津，300457)

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非對稱熱軋高品質不銹鋼復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研究所，天津，300457)

利用特厚規格復合板與較薄規格復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變、接觸應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，對熱軋非對稱復合坯的可行性進行模擬分析。結果表明，采用非對稱組坯設計，有利于特厚復合板碳鋼層與不銹鋼層在各道次軋制中的界面結合；通過控制復合坯上、下表面的溫差，能有效改善板坯翹曲現象，并可一次性獲得一塊寬幅特厚復合板與一塊寬幅較薄規格復合板，提高生產效率；此外，采用非對稱組坯設計還可實現控軋控冷，保證芯部不銹鋼與碳鋼的協同變形，促進其界面結合。

熱軋；組坯；不銹鋼復合板；板形；界面結合；有限元分析

高品質寬幅特厚不銹鋼復合板廣泛應用于壓力容器、核電容器、海洋平臺及軍工等眾多重型及特大型產品中，具有良好的結構、耐腐蝕及結合性能[1-3]，國內多采用爆炸復合與堆焊復合的技術進行制備，而利用熱軋復合技術生產的不銹鋼復合板則以寬度3 m以內、厚度小于40 mm的中薄板產品為主，寬度3.5 m以上、厚度大于180 mm的高品質寬幅特厚不銹鋼復合板生產，在國內乃至國際上基本處于技術空白，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寬幅特厚復合板，并采用對稱組坯經熱軋進行復合，獲得了板形良好的復合板試制品，但仍然存在較多問題：①原材料厚度受軋機開口度的限制，導致復合坯經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性能，另一方面，由于不銹鋼板位于復合坯芯部，且其變形量較小，不能與碳鋼層協同變形，造成復合比增加，更重要是造成結合界面處變形量不足，導致結合性能下降。此外，對于寬幅中薄規格復合板，當采用對稱組坯時，由于復合板坯厚度較薄且壓下量較大，受產品厚度影響，軋制期間板形極難控制，易形成瓦片狀、大波浪狀等，不能進行后續軋制或矯直。目前，國內已有大規格扁錠產品[4-5]，即可利用扁錠經熱軋開坯獲得特厚復合板原材料，經大壓下量軋制可保證碳鋼基層優越的力學性能，滿足復合板力學性能要求，同時減小了復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，研究其界面結合性能及實現板形控制的可行性。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合板和一塊寬幅較薄規格不銹鋼復合板，該研究可為大規格高品質不銹鋼復合板的實際生產提供重要指導。

1　復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包覆特厚復合坯為研究對象，其組坯形式如圖1所示，復合坯尺寸如表1所示。其中，復合坯基板均選用Q345R低碳鋼鋼板，復板選用316L不銹鋼鋼板，復合坯四周采用封邊密封，封邊材質為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模型假設與模型建立

復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　復合坯熱軋有限元模型

1.3邊界條件及參數設定

熱軋開軋溫度為1200 ℃，軋制速度為1 m/s，復合坯總壓下率為65%，軋制環境溫度為30 ℃，通過摩擦實現軋制咬入。本模擬中主要涉及到板坯與軋輥的傳熱和摩擦，所使用的模擬參數如表2所示。這些參數主要由實際試驗及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，采用JMatPro軟件計算原材料的導熱系數，參照國標GB/T 6396—2008測定金屬復合板的復合厚度比。

表2　熱軋過程參數

2　結果與分析

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合板而言，不銹鋼層位于復合坯芯部，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調變形。厚度復合比測定結果顯示，熱軋試驗前特厚復合坯的復合比為8.09%，終軋復合板的復合比為12.7%，其復合比明顯增加，這將不利于產品尺寸設計，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碳鋼熱導率隨溫度變化。由圖4可見，316L不銹鋼的熱導率小于Q345R碳鋼相應值，其傳熱能力較差。對于對稱特厚復合坯，由于316L不銹鋼位于復合坯的芯部，這將不利于其加熱保溫，易造成碳鋼過熱而導致晶粒長大。

圖4　原材料熱導率隨溫度的變化

2.2模擬結果與分析

2.2.1應變分布對比

由于首道次壓下對不銹鋼/碳鋼的界面結合有直接影響[8]，因此，將兩種組坯形式在首道次軋制變形時的應變云圖進行對比，其結果如圖5所示。由圖5可見，在初始道次軋制時，對稱組坯特厚復合板的碳鋼表層發生塑性變形，但由于軋制力不足，芯部不銹鋼及結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，較薄碳鋼表層也發生了塑性變形，且其不銹鋼層提前進入了變形階段，結合界面處也發生了塑性變形。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生了塑性變形，且提前進入了界面結合狀態。由此可見，采用非對稱組坯方式更利于特厚復合板碳鋼與不銹鋼之間的界面初始結合。

(a) 對稱組坯

(b) 非對稱組坯

2.2.2接觸應力對比

冶金結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力與切應力大小[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合界面變形區域各節點位置的接觸正應力與切應力，其結果分別如圖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合坯結合界面位置處的接觸應力。

(a) 接觸正應力

(b) 接觸切應力

(a) 接觸正應力

(b) 接觸切應力

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，其接觸正應力與切應力明顯較大，在變形區內出現突變，且隨著道次的增加，接觸正應力與切應力均有所增大，這可能與結合界面變形區域的位置距離軋制表面較近有關；而對稱組坯在各道次軋制時的接觸正應力與切應力則相對較小，且在變形區域內數值較為穩定。根據文獻[9]可知，接觸正應力大于材料高溫屈服強度時才能發生界面結合，而JMatPro軟件模擬計算結果顯示，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。單純考慮接觸正應力，對稱組坯變形區內僅碳鋼發生屈服，而非對稱組坯則碳鋼與不銹鋼均發生屈服。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，復合板界面均伴隨有接觸切應力，且切應力的存在，在一定程度上阻礙了復合界面的結合。經試驗測定結果可知，不銹鋼在高溫時的熱膨脹率要明顯大于碳鋼，同時增加兩種材質在結合界面的剪切應力，不利于界面結合。決定復合界面結合的因素較多，接觸正應力及切應力與材料高溫屈服強度間存在緊密的關系，后續還需進一步研究。

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焊接位置開裂或者因為溫度場分布不均造成嚴重的軋制變形。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，經軋制后，除復合坯上、下表層因接觸和對流等因素導致的快速溫降以外，其余位置溫降很小，甚至出現升溫，因此可達到偏芯部不銹鋼層的保溫作用，促進不銹鋼變形與界面結合。

圖8　非對稱復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，其可能會出現板形“翹頭”或“扣頭”現象，影響軋制過程的順利進行，嚴重時甚至會造成軋制事故，因此須采取相應的措施避免該現象發生。中厚板熱軋板形的控制一般從工藝控制與設備控制兩方面著手，根據現場軋制經驗，本文僅對溫度控制板形方面進行模擬，即通過改變復合坯上、下表面溫差，以分析復合板下表面軋制后高向位移的變化，數據提取點位置如圖9所示。

圖9　數據提取點位置

圖10為未添加溫差補償時非對稱熱軋復合坯的板形。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，使得軋制過程中板坯上部變形大于下部，繼而出現明顯的中部翹曲現象。

圖10　未添加溫差補償時非對稱熱軋復合坯的板形

針對圖10出現的情況，筆者考慮通過對復合坯上、下表面進行溫度控制的方式來消除板坯翹曲。由于復合坯上部較厚碳鋼層的伸長量大，故將板坯上部溫度設置較低，使其在高度方向上呈線性降溫趨勢。通過多次模擬，當設定上表面溫度低于下表面50 ℃時，翹曲程度會大幅降低，其結果如圖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，整體翹曲程度得到明顯改善。由此可見，采用溫度補償實現非對稱組坯軋制具有一定的可操作性。

2.2.5冷卻控制

經熱軋后，非對稱組坯復合板成品為一塊較薄規格不銹鋼復合板與一塊特厚規格不銹鋼復合板，因此可利用不對稱快冷，將復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合坯的板形

圖12為非對稱熱軋復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，即在復合坯下表面處，經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復合板在線熱處理，即在較薄規格不銹鋼復合板的碳鋼面進行快冷至一定溫度，同時在特厚不銹鋼復合板的碳鋼面進行緩冷，減少不對稱冷卻造成的復合板變形，并利用特厚復合板的余溫對較薄規格復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、力學與結合性能較佳的高品質寬幅不銹鋼復合板。

3　結語

本文利用ABAQUS有限元軟件，對比分析

了對稱及非對稱熱軋特厚寬幅不銹鋼復合板的應變、接觸應力及溫度分布情況，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，以實現對特厚復合坯板形、力學性能及結合性能的控制。模擬結果表明，非對稱組坯在各道次軋制時均有利于特厚復合板碳鋼與不銹鋼間的界面結合，且采用溫度補償，能有效改善板坯翹曲現象，并可一次性獲得一塊寬幅特厚復合板與一塊寬幅較薄規格復合板，提高生產效率；此外，非對稱組坯設計還可實現控軋控冷及后續在線熱處理，使不銹鋼快速避開敏化區間，確保其與碳鋼協同變形，大大提高結合界面變形程度，促進界面結合。

目前，本研究尚處于模擬階段，數據還不完整，還需進行后續試驗對比，但該思路可為大規格高品質寬幅特厚不銹鋼復合板的實際生產提供理論參考。

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[責任編輯董貞]

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

國家高技術研究發展計劃(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研究所工程師．E-mail：88xjbb@163.com

TG335.8

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1674-3644(2016)04-0259-06