非对称热轧高品质不锈钢复合板可行性模拟研究

张心金，何冰冷，祝志超，何　毅，李萌蘖

(中国第一重型机械股份公司能源装备材料科学研究所，天津，300457)



非对称热轧高品质不锈钢复合板可行性模拟研究

张心金，何冰冷，祝志超，何毅，李萌蘖

(中国第一重型机械股份公司能源装备材料科学研究所，天津，300457)

利用特厚规格复合板与较薄规格复合板进行非对称组坯，采用ABAQUS有限元软件对其热轧过程中的应变、接触应力及温度分布进行计算，并通过温度补偿及冷却控制的手段，对热轧非对称复合坯的可行性进行模拟分析。结果表明，采用非对称组坯设计，有利于特厚复合板碳钢层与不锈钢层在各道次轧制中的界面结合；通过控制复合坯上、下表面的温差，能有效改善板坯翘曲现象，并可一次性获得一块宽幅特厚复合板与一块宽幅较薄规格复合板，提高生产效率；此外，采用非对称组坯设计还可实现控轧控冷，保证芯部不锈钢与碳钢的协同变形，促进其界面结合。

热轧；组坯；不锈钢复合板；板形；界面结合；有限元分析

高品质宽幅特厚不锈钢复合板广泛应用于压力容器、核电容器、海洋平台及军工等众多重型及特大型产品中，具有良好的结构、耐腐蚀及结合性能[1-3]，国内多采用爆炸复合与堆焊复合的技术进行制备，而利用热轧复合技术生产的不锈钢复合板则以宽度3 m以内、厚度小于40 mm的中薄板产品为主，宽度3.5 m以上、厚度大于180 mm的高品质宽幅特厚不锈钢复合板生产，在国内乃至国际上基本处于技术空白，因此市场前景广阔。

中国第一重型机械股份公司率先采用特厚连铸坯制备高品质宽幅特厚复合板，并采用对称组坯经热轧进行复合，获得了板形良好的复合板试制品，但仍然存在较多问题：①原材料厚度受轧机开口度的限制，导致复合坯经对称组坯后厚度受限；②原材料采用连铸坯，初始厚度会受到一定的限制，同时也造成终轧产品厚度较小；③压下比不足，一方面不能使连铸坯部分缺陷轧合，从而不能保证碳钢力学性能，另一方面，由于不锈钢板位于复合坯芯部，且其变形量较小，不能与碳钢层协同变形，造成复合比增加，更重要是造成结合界面处变形量不足，导致结合性能下降。此外，对于宽幅中薄规格复合板，当采用对称组坯时，由于复合板坯厚度较薄且压下量较大，受产品厚度影响，轧制期间板形极难控制，易形成瓦片状、大波浪状等，不能进行后续轧制或矫直。目前，国内已有大规格扁锭产品[4-5]，即可利用扁锭经热轧开坯获得特厚复合板原材料，经大压下量轧制可保证碳钢基层优越的力学性能，满足复合板力学性能要求，同时减小了复合坯原材料厚度的要求，有利于加大轧制比。

基于此，本文提出了一种非对称组坯设计，其组坯形式为：超厚扁锭碳钢板-较厚不锈钢板-隔离剂-较薄不锈钢板-较薄碳钢板，利用ABAQUS有限元软件对其热轧过程进行模拟，研究其界面结合性能及实现板形控制的可行性。理论上该组坯方式可大大减少对轧机开口度的要求，并可一次性获得一块宽幅特厚不锈钢复合板和一块宽幅较薄规格不锈钢复合板，该研究可为大规格高品质不锈钢复合板的实际生产提供重要指导。

1　复合板热轧有限元模型

1.1研究对象

本文以非对称及对称内包覆特厚复合坯为研究对象，其组坯形式如图1所示，复合坯尺寸如表1所示。其中，复合坯基板均选用Q345R低碳钢钢板，复板选用316L不锈钢钢板，复合坯四周采用封边密封，封边材质为Q345R，并用气体保护焊焊接密封，由于焊材性能与封边性能相似，为便于模拟，可将焊材与封边看为一体。

1.2模型假设与模型建立

复合坯采用全尺寸模型，忽略上、下板传热及受力差别，轧辊为刚性辊，复合坯中各层材料均假定为各向同性弹塑性材料，建立三维多道次往复式热轧热力耦合模型，热轧模型如图2所示。

(a)非对称

(b)对称

表1　初始板坯尺寸

图2　复合坯热轧有限元模型

1.3边界条件及参数设定

热轧开轧温度为1200 ℃，轧制速度为1 m/s，复合坯总压下率为65%，轧制环境温度为30 ℃，通过摩擦实现轧制咬入。本模拟中主要涉及到板坯与轧辊的传热和摩擦，所使用的模拟参数如表2所示。这些参数主要由实际试验及JMatPro软件计算获得，即利用Gleeble3500热模拟试验机与DIL801热膨胀仪分别测定原材料的高温流变曲线及热膨胀系数，采用JMatPro软件计算原材料的导热系数，参照国标GB/T 6396—2008测定金属复合板的复合厚度比。

表2　热轧过程参数

2　结果与分析

2.1原材料性能分析

图3为试验测定316L不锈钢与Q345R碳钢的高温流变曲线。由图3可见，316L钢在1200 ℃时的强度比Q345R钢高约30 MPa，随着温度的降低，二者差值增大至90 MPa左右。对于对称组坯的特厚复合板而言，不锈钢层位于复合坯芯部，随着变形的逐渐深入，变形才能逐步传播至不锈钢层，而316L钢的高温变形抗力要大于Q345R碳钢，这不利于不锈钢随碳钢的协调变形。厚度复合比测定结果显示，热轧试验前特厚复合坯的复合比为8.09%，终轧复合板的复合比为12.7%，其复合比明显增加，这将不利于产品尺寸设计，造成不锈钢材料的浪费[6-7]。

(a) 316L

(b) Q345R

图4为试验测定316L不锈钢与Q345R碳钢热导率随温度变化。由图4可见，316L不锈钢的热导率小于Q345R碳钢相应值，其传热能力较差。对于对称特厚复合坯，由于316L不锈钢位于复合坯的芯部，这将不利于其加热保温，易造成碳钢过热而导致晶粒长大。

图4　原材料热导率随温度的变化

2.2模拟结果与分析

2.2.1应变分布对比

由于首道次压下对不锈钢/碳钢的界面结合有直接影响[8]，因此，将两种组坯形式在首道次轧制变形时的应变云图进行对比，其结果如图5所示。由图5可见，在初始道次轧制时，对称组坯特厚复合板的碳钢表层发生塑性变形，但由于轧制力不足，芯部不锈钢及结合界面塑性变形不明显；而非对称组坯方式的特厚碳钢表层开始变形，较薄碳钢表层也发生了塑性变形，且其不锈钢层提前进入了变形阶段，结合界面处也发生了塑性变形。显而易见，采用相同的压下量，非对称组坯形式的不锈钢层及界面处均发生了塑性变形，且提前进入了界面结合状态。由此可见，采用非对称组坯方式更利于特厚复合板碳钢与不锈钢之间的界面初始结合。

(a) 对称组坯

(b) 非对称组坯

2.2.2接触应力对比

冶金结合的一个重要影响因素为碳钢/不锈钢接触界面处接触正应力与切应力大小[9]，基于此，本文分别提取两种组坯形式在第一道次与第三道次轧制时结合界面变形区域各节点位置的接触正应力与切应力，其结果分别如图6和图7所示。其中，对于非对称组坯轧制，采用的是其上板特厚复合坯结合界面位置处的接触应力。

(a) 接触正应力

(b) 接触切应力

(a) 接触正应力

(b) 接触切应力

对比图6与图7可明显看出，非对称组坯在第一道次与第三道次轧制时，其接触正应力与切应力明显较大，在变形区内出现突变，且随着道次的增加，接触正应力与切应力均有所增大，这可能与结合界面变形区域的位置距离轧制表面较近有关；而对称组坯在各道次轧制时的接触正应力与切应力则相对较小，且在变形区域内数值较为稳定。根据文献[9]可知，接触正应力大于材料高温屈服强度时才能发生界面结合，而JMatPro软件模拟计算结果显示，温度为1200 ℃时，Q345R低碳钢和316L不锈钢的屈服强度分别为30 MPa和80 MPa左右。单纯考虑接触正应力，对称组坯变形区内仅碳钢发生屈服，而非对称组坯则碳钢与不锈钢均发生屈服。由此可见，非对称组坯在各道次轧制时均有利于界面结合。

另一方面，通过对比可知，无论对称组坯还是非对称组坯，复合板界面均伴随有接触切应力，且切应力的存在，在一定程度上阻碍了复合界面的结合。经试验测定结果可知，不锈钢在高温时的热膨胀率要明显大于碳钢，同时增加两种材质在结合界面的剪切应力，不利于界面结合。决定复合界面结合的因素较多，接触正应力及切应力与材料高温屈服强度间存在紧密的关系，后续还需进一步研究。

2.2.3温度场分布

非对称组坯中的较薄碳钢应具有一定的厚度，这可以有效保证芯部两层不锈钢的温度，进而防止轧制过程中出现焊接位置开裂或者因为温度场分布不均造成严重的轧制变形。图8为非对称组坯在第二道次轧制时温度场的分布情况。从图8中可以看出，经轧制后，除复合坯上、下表层因接触和对流等因素导致的快速温降以外，其余位置温降很小，甚至出现升温，因此可达到偏芯部不锈钢层的保温作用，促进不锈钢变形与界面结合。

图8　非对称复合板二道次轧制时温度场分布

2.2.4板形控制

对于非对称组坯的复合板，由于在高温阶段不锈钢屈服强度高于碳钢，其可能会出现板形“翘头”或“扣头”现象，影响轧制过程的顺利进行，严重时甚至会造成轧制事故，因此须采取相应的措施避免该现象发生。中厚板热轧板形的控制一般从工艺控制与设备控制两方面着手，根据现场轧制经验，本文仅对温度控制板形方面进行模拟，即通过改变复合坯上、下表面温差，以分析复合板下表面轧制后高向位移的变化，数据提取点位置如图9所示。

图9　数据提取点位置

图10为未添加温差补偿时非对称热轧复合坯的板形。由图10可见，板坯中部位移明显大于前后端部，且高度方向最大差值为8.5 mm，这与碳钢、不锈钢的屈服强度不同有关，使得轧制过程中板坯上部变形大于下部，继而出现明显的中部翘曲现象。

图10　未添加温差补偿时非对称热轧复合坯的板形

针对图10出现的情况，笔者考虑通过对复合坯上、下表面进行温度控制的方式来消除板坯翘曲。由于复合坯上部较厚碳钢层的伸长量大，故将板坯上部温度设置较低，使其在高度方向上呈线性降温趋势。通过多次模拟，当设定上表面温度低于下表面50 ℃时，翘曲程度会大幅降低，其结果如图11所示。由图11中可见，板坯头尾部略有上翘，但差值在4.3 mm以内，整体翘曲程度得到明显改善。由此可见，采用温度补偿实现非对称组坯轧制具有一定的可操作性。

2.2.5冷却控制

经热轧后，非对称组坯复合板成品为一块较薄规格不锈钢复合板与一块特厚规格不锈钢复合板，因此可利用不对称快冷，将复合坯偏芯部不锈钢层快速冷却，避开不锈钢敏化鼻尖温度，减少不锈钢敏化[10]。

图11　添加温差补偿后非对称热轧复合坯的板形

图12为非对称热轧复合坯水冷时沿板厚方向各层的冷却曲线。为便于说明问题，特选取从复合坯下表面至其上50 mm厚度处各层的温度变化曲线。从图12中可以看出，复合板表面冷却最快，且随着厚度的加深，冷却速度逐渐变缓，其中50 mm位置处的冷却速度最慢，即在复合坯下表面处，经35 s冷却至约275 ℃时，冷却速度约为20 ℃/s，而50 mm厚度位置的温度仍然约为1120 ℃，冷却速度约为2 ℃/s。

图12　非对称热轧复合板沿板厚方向各层的降温曲线

由此可见，完全可采用控轧控冷实现复合板在线热处理，即在较薄规格不锈钢复合板的碳钢面进行快冷至一定温度，同时在特厚不锈钢复合板的碳钢面进行缓冷，减少不对称冷却造成的复合板变形，并利用特厚复合板的余温对较薄规格复合板进行自回火处理，改善其碳钢性能，从而获得两块板形良好、力学与结合性能较佳的高品质宽幅不锈钢复合板。

3　结语

本文利用ABAQUS有限元软件，对比分析

了对称及非对称热轧特厚宽幅不锈钢复合板的应变、接触应力及温度分布情况，并针对非对称组坯形式，提出了温度补偿及不对称快冷的方法，以实现对特厚复合坯板形、力学性能及结合性能的控制。模拟结果表明，非对称组坯在各道次轧制时均有利于特厚复合板碳钢与不锈钢间的界面结合，且采用温度补偿，能有效改善板坯翘曲现象，并可一次性获得一块宽幅特厚复合板与一块宽幅较薄规格复合板，提高生产效率；此外，非对称组坯设计还可实现控轧控冷及后续在线热处理，使不锈钢快速避开敏化区间，确保其与碳钢协同变形，大大提高结合界面变形程度，促进界面结合。

目前，本研究尚处于模拟阶段，数据还不完整，还需进行后续试验对比，但该思路可为大规格高品质宽幅特厚不锈钢复合板的实际生产提供理论参考。

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[责任编辑董贞]

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

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA031302)．

张心金(1984-)，男，中国第一重型机械股份公司能源装备材料科学研究所工程师．E-mail：88xjbb@163.com

TG335.8

A

1674-3644(2016)04-0259-06