《材料加工新技术》PPT课件.ppt

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v材料是人类 生存的基础 ( Basis ) v材料是人类 发 展的标 志 ( Mark )v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(ingots)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) 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 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 ：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 。 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 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 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 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 u一 :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 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 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 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 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 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 较带 材 厚 度 产 能 吨 /时 /米 2米 宽 生 产 线产 能 千 吨 /年双 辊 式 铸 造 机 3-7mm 1.2-2.4 10-25哈 兹 列 特 双 带式 铸 造 机 13-21mm(铸 造 );1-2mm(在 线 热 轧 带 ) 25-27 250-300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 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 150 C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 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 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。 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 mm 1350mm， 厚 1.5mm 4.5mm， 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 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 。 薄 带 产 品 氩 气 金 属 液 面内 衬中 间 包喷 嘴圆 形 铸 机图 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 浸 入 式 水 口 铸 辊钢 液薄 带 产 品侧 封 堰 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 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 1 2mm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 2mm 207mm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 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 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 。 41 2 3 56 7 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 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 (2 3s)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 、 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 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 ,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 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 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Al 2O3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 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 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 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 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 70吨中 间 包 内 部 温 度控 制 装 置结 晶 器 平 整 脱 脂 /清 洗 线入 口 活 塞出 口 活 塞 可 逆 式 冷 轧 机重 新 使 用 输 出热 轧 带 卷 冷 轧 带 卷 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。 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 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 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