WCA January 2020

铜杆热轧工艺具有大形变、高温和高应 变率的特点，这些属于高度耦合的热机 械非线性问题。根据温度场、应力应变 场以及二者之间的互动原则的不同，可 以更准确地描述连轧工艺中铜杆的形变 过程。 Johnson-Cook 模型用于描述铜 杆在大形变、高应变率和高温轧制过程 中的形变行为 [6] 。

中间包

铜坯

惰轮

压轮 铜带加 热器

铸轮

张紧轮

⎤ ⎦ ⎥ 1 − ⎡ ⎣ ⎢ ⎢

⎤ ⎦ ⎥ ⎥

m

⎡ ⎣ ⎢

⎞ ⎠ ⎟⎟

⎛ ⎝ ⎜⎜

T − T r T M - T r

σ = A + B ε n ( ) 1 + CLn ! ε ! ε 0

张力调整 机制

❍ 公式 3

❍ ❍ 图 1 : SCR 五轮浇铸机的结构图

σ 、 ε 表示流动应力和等效应变； 0 为应变率和参照应变率； A 、 B 、 C 为应 变率下的屈服强度、功率指前系数和应 变率敏感系数； m 、 n 为温度敏感系数 和加工硬化系数； T 、 T r 、 T m 为参照温 度和铜杆熔点。 ε 、 ε

粗轧

精轧

⎧ ⎨ ⎪ ⎪

M T ( ) ∂ 2 U ∂ t 2

+ D T ( ) ∂ U

∂ t + K T ( ) U = F

C T ( ) ∂ T

⎩ ⎪ ⎪ ❍ 公式 4

∂ t + H T ( ) T = Q + ʹ Q

50.27mm 2

铜杆

铜坯 3,800mm 2

❍ ❍ 图 2 : 热连轧机的结构图

米赛斯屈服准则用于描述铜杆在热机械耦合条件下的形变特 性（借助拉格朗日形变位移公式）。形变的应力应变场和温 度场被视为独立系统 [7] 。 通过理论建模以及对连铸连轧工艺中热连轧铜杆的坯料成形 和形变机制进行分析，讨论了其技术原理，并为数值模拟奠 定了基础。 3 数值模拟 3.1 参数选择 模拟参数是在结合 SCR3000 现场工艺的条件下单独选择的。 铜的物理和化学特性决定了它在高温形变中的物理参数，并 影响铜的热物性。 光亮低氧铜的物理特性如表 2 所示。 3.2 连铸工艺中温度场的流场模拟 选择工艺参数：浇铸温度 1120°C ，浇铸速度 12.4m/min ，浇 铸角度 40° ，轮槽厚度 43mm 。基于现有数学模型的数值模 拟、结晶区的温度场云和流场云参见图 3 。

密度 (kg/m 3 )

8,960 0.326

1,083°C

液线温度

ν

0.45

摩擦系数

❍ ❍ 表 2 : 低氧铜杆物理性能参数

k 和

ε 表示湍流动能和湍动耗散率；

µ i 和

f i 表示黏度和湍

C i 、 σ k 、 σ ε

c µ 、为

K – ε 模型常数。

流参数；

、

2.2 热连轧铜杆形变分析 热连轧机采用了交替排列的 10 摩根二辊悬臂串列式轧机 (图 2 )，每个机架都单独驱动，轧制速度通过铸工设置的信号 自动控制。 进入轧机后，铜坯会被自动咬制，在椭圆循环轧道系统的控制 下，通过每个机架的辊系统，最终形成 Ø8mm 的铜杆(表 1 )。 在 10 道轧制后，铜杆温度会显著降低，柱状晶体铜坯会形 成等轴晶体铜杆。连续无扭轧制可以显著提高铜杆的生产效 率。

❍ ❍ 表 3 : SCR3000 连轧装置的技术参数

1H

2V

3H

4V

5H

6V

7H

8V

9H 10V

3,800 2,500 1,320

800 480

480 300 6.00 1.00 6.29

300 195 7.65 1.00 4.05

195 125 3.60 1.00 2.83

125

95 65

65

/mm 2 /mm 2

A A

0

2,500 1,320

800

95

50.27

1

5.35 1.00 1.94

2.80 1.00 1.38

3.50 1.00 1.02

H /mm 11.50 18.75 10.30 12.40

5.80

1.00

1.00 9.82

G /mm 8.20

ƒ

71.69 36.27 15.72

v r /m·s -1 0.329 0.650 1.023 1.664 2.658 4.075 6.411 8.468 12.514 16.441

* A

0 – 进入轧制区 , A 1

– 离开轧制区 , H – 轧道深度 , G – 轧辊开度 , f – 总传动比 , v r

– 轧辊圆周速度

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