WCA January 2020

4.2 热连轧铜杆的形变模拟分析 模拟和分析了十机架热轧铜杆的应力和应变 率。粗轧铜杆的形变主要集中在表面，边和 角的等效应变相对较大，容易导致加工缺 陷。与循环轧道系统的轧辊触点相比，成品 铜杆的椭圆轧道系统的轧辊开度的等效应变 较大。随着轧制过程的进行，等效应变会从 表面转移至铜杆中心。 在热轧工艺中，温度是最重要的工艺参数。 合理控制温度是确保产品机械性能的关键。 在铜杆连轧过程中，通过提取轧制铜杆和轧 制界面的温度变化，可得出温度场的演变情 况。轧制铜杆的表面温度和中心温度差异 较大。由于铜杆和轧辊表面的传热接触面较 大，而铜杆表面降温较快，因此铜杆的中心 温度是在塑性功和摩擦功的作用下增加的，

(b) 2 号机架喷雾装置结构优化

❍ ❍ 图 5 : 2 号框架喷雾装置结构优化方案 (a) 2 号框架喷雾装置和结构图

伤。在轧制过程中，铜杆的表面温度降低，但核心温度 却升高，而且受热传导作用的影响，铜杆的温度在轧制 后会变得一样。同时，轧制损伤主要集中在铜杆表面， 为完善高质量铜杆的轧制工艺奠定了理论基础。 ( 3 ) 通过对 SCR3000 连铸连轧工艺进行建模和模拟分析，优 化了铜杆连铸连轧的生产工艺和设备。针对热连轧过程 中轧辊黏铜和成品铜杆铜粉含量过高的问题，推出了一 种根据伸长系数匹配电机速度的方法，从而优化轧制速 度，通过调整一两个电机的速度来有效减少铜杆中的铜 粉含量。同时优化喷雾冷却系统，以控制铜杆的轧制温 度，从而有效解决轧辊黏铜的问题。 [1] Binmin Y & Weiqi Z. Improvement of Qualification Rate of Copper Rod in SCR Production Line [J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2011, 4. [2] Yang Yunchuan. Study on Microstructure and Properties of SCR Continuous Casting and Rolling Copper Alloy [D]. Kunming University of Technology, 2011. [3] Sahoo S, Kumar A, Dhindaw B K, et al. Modelling and Experimental Validation of Rapid Cooling and Solidification During High-Speed Twin-Roll Strip Casting of Al-33 Wt Pct Cu[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2012, 43(4): 915-924. [4] Komanduri R, Chandrasekaran N, Raff L M. Molecular Dynamics (MD) Simulation of Uniaxial Tension of Some Single-crystal Cubic Metals at Nanolevel [J], International Journal of Mechanical Sciences, 2011, 43: 2237-2260. [5] Liu Heping, Chou Shengtao, Gan Yong. Numerical Simulation on Turbulent Transport and Solidification in Mushy Zone during Continuous Casting[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2003(02): 68-73. [6] Rule W K, Jones S E. A revised form for the Johnson–Cook strength model[J]. International Journal of Impact Engineering, 1998, 21(8): 609-624. [7] Liu Jinsong. Application of MSC.MARC in Material Processing Engineering [M]. Beijing ： China Water & Power Press, 2011. [8] Liu Qingsong. Influence of continuous rolling process on quality of electrician copper rod[D]. Anhui University of Technology, 2016. National Engineering Research Centre for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling Yanshan University, Qinhuangdao 066004 China 电话 : +86 0335 8387651 电子邮件 : pengyan@ysu.edu.cn Jiangsu Hengtong Precision Metal Material Co Ltd Suzhou 215232 China 电话 : +86 0512 63803026 电子邮件 : jihuis@htgd.com.cn 6 参考资料

而铜杆的中心温度增加速度会随着轧制速度和形变的增加而 加快。连轧之后，整个轧件的温度会在热传导的作用下变得 一样 [8] 。 在铜杆塑性成形工艺中，主要问题是大形变、高温和高应变 率轧制导致的铜杆延性损伤。通过模拟连轧工艺中的铜杆损 伤和横截面，得出了铜杆在连轧工艺中出现损伤的情况以及 损伤分布。据此可准确预测铜杆在热轧过程中的损伤位置， 从而提高铜杆的生产质量。铜杆在热轧过程中出现的损伤主 要集中在表面和若干边角区域，铜杆核心的损伤相对较小。 铜杆表面在热轧过程中容易受损。轧机的小幅度工艺波动会 直接影响成品铜杆的表面质量，降低铜杆的机械性能。 4.3 带钢热连轧工艺的优化方法 通过结合 SCR3000 连铸连轧生产线的工艺特征并对其关键工 艺参数进行分析和模拟，针对连轧机的速度和冷却过程，推 出了若干优化方法，以解决生产线中黏性铜和铜粉含量过多 的问题，提升铜杆质量。 由于堆叠速率的计算取决于每个轧道轧制部件的横截面积， 且无法对生产场地每个轧道的横截面积进行测量，因此不太 容易根据堆叠速率对每个轧机电机的转速进行匹配。因此， 我们设计了一个根据伸长系数来匹配电机速度的方法，并进 行了现场调试，如表 4 所示。 在表 4 中，我们将 1 和 2 的电机速度分别调整为 1549rpm 和 1586rpm ，这是与伸长系数匹配的电机速度，之后测量了 成品铜杆的铜粉含量。结果显示铜杆中的铜粉含量从 4.3 和 4.8mg/20mm 下降至 3.9mg/20mm 。优化轧辊速度可以有效 减少铜粉含量。 关于现场第二轧辊黏铜这一严重问题，热轧形变的模拟分析 显示，该轧辊具有大量形变和表面损伤，而且颇受轧制温度 的影响。为此我们推出了喷雾冷却系统的优化和改进方法 (图 6 )。 将两个喷嘴添加至二号机架的入口处，轧辊开度调整为 6.6mm 。优化后，又将 0.5mm 添加至喷雾平台。观察轧制铜 杆和轧辊的表面。优化后，铜杆表面的痕迹完全消失，轧辊 表面不黏铜的问题也得到了有效解决。 5 结论 ( 1 ) 建立了连铸结晶腔内液态铜凝固过程的温度场和流场耦 合模型，以显示 SCR3000 连铸连轧结晶腔内铜坯的成形 原理。根据相应的有限元数值模拟分析，探索了浇铸温 度、浇铸速度和传热系数对温度分布的影响，以及结晶 区的流动特征和冰点位置。 ( 2 ) 建立了铜杆的热轧模型，探讨了铜杆在十轧道热带钢轧 机中的形变原理。通过模拟热带钢轧机的成组轧制，发 现椭圆轧道系统内铜杆的表面形变差异容易导致产品损

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