铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略_季策.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:季 策,黄华贵.铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略 J.塑性工程学报,2023,30(2):79-87.JI Ce,HUANG Huagui.Formation reason and control strategy of lateral ears in three-roll solid-liquid cast-rolling compound technology for Cu/steel cladding bars J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):79-87.基金项目:国家重 点研发 计划(2018YFA0707300);国家自 然科 学基金 资助项 目(51974278;52205406);山 西省重 大科技 专项(20191102009);山西省基础研究计划(自由探索类)青年项目(202203021212289)通信作者:黄华贵,男,1978 年生,博士,教授,主要从事复合材料制备及深加工工艺、冶金装备信息感知与智能控制研究,E-mail:hhg 第一作者:季 策,男,1990 年生,博士,助理研究员,主要从事层状金属复合材料近终成形工艺与装备研究,E-mail:收稿日期:2022-04-01;修订日期:2022-11-18铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略季 策1,2,3,黄华贵3(1.太原理工大学 机械与运载工程学院,山西 太原 030024;2.太原理工大学 先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心,山西 太原 030024;3.燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004)摘 要:融合固-液铸轧复合技术和多辊孔型轧制技术,提出了金属包覆材料的三辊固-液铸轧复合工艺,为了解决封闭孔型内覆层金属变形过程中产生的边部侧耳问题,以铜包钢棒为研究对象,基于 DEFORM 软件建立了三维有限元仿真模型,分析了间隙类型和凝固点对边部侧耳的影响规律。结果表明,边部侧耳的产生根源是铸轧区的配合间隙,并且受凝固点影响显著;间隙类型为组合间隙时,变形区内的连续挤压区是形成大量连续边部侧耳的主要原因,通过提高设备装配精度和调控凝固点位置可以有效抑制边部侧耳的形成。此外,利用铸轧辊系和仿形侧封构建组合孔型可以实现边部侧耳几何结构的精细调控,有望将其作为翅片结构起到强化作用,用于制备热交换纵翅复合管。关键词:金属包覆材料;铜包钢棒;固-液铸轧复合;边部侧耳;成形机理中图分类号:TG335 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0079-09doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.010Formation reason and control strategy of lateral ears in three-roll solid-liquid cast-rolling compound technology for Cu/steel cladding barsJI Ce1,2,3,HUANG Hua-gui3(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment,Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;3.School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:Combining solid-liquid cast-rolling compound technology and multi-roll groove rolling technology,the three-roll solid-liquid cast-rolling compound technology of metal cladding material was proposed.To solve the lateral ears problem generated in the deformation process of cladding metal in the closed groove,taking Cu/steel cladding bars as the research objects,the 3D finite element simulation model was established based on the DEFORM software.The influence of clearance types and kissing point on lateral ears was analyzed.The results show that the cause of the lateral ears is the assembly clearance in the cast-rolling area,and it is significantly affected by the kissing point;when the clearance type is the combined clearance,the continuous extrusion area in the deformation area is the main reason for the formation of a large number of continuous lateral ears.By improving the assembly accuracy and adjusting the position of kissing point,the formation of lateral ears can be effectively suppressed.In addition,the geometric structures of lateral ears can be finely adjusted by constructing grooves using cast-rolling rolls and conformal side dam,which is expected to play a strengthening role as fin structure for fabricating longitudinal fin cladding tubes used in heat exchangers.Key words:metal cladding materials;Cu/steel cladding bar;solid-liquid cast-rolling compound;lateral ear;forming mechanism 引言金属包覆材料是层状金属复合材料的一个重要分支,由于其兼具两种或以上不同金属材料的性能优势,形成了集功能和结构为一体的独特综合性能,是节约贵金属和实现结构轻量化的有效途径,成为近年来新型材料成形领域的国际研究热点1-2。典型产品有铜包钢接地棒、铜/钛复合管以及黄铜包覆纯铜绞线等,横截面通常具有环形包覆几何特征,强电流、高频以及高温等极端服役环境对周向性能均匀性提出了极为苛刻的要求3-4。双辊铸轧技术是集快速凝固和热轧变形为一体的近终态成形技术,被誉为 21 世纪冶金工业最具革命性技术5-6。基于双辊铸轧技术,近年来提出了一种金属包覆材料双辊固-液铸轧复合工艺,经过理论研究与实验探索,已初步成功制备出以铝为覆层金属,铜、钢、钛管材或线棒材为基体金属的金属包覆材料7。然而,铸轧区几何结构周向非均匀性导致传热传质、凝固和塑性变形沿周向分布不均,成为制约产品综合性能提升的关键技术瓶颈8-9。目前,多辊孔型轧制工艺已成功应用于无缝钢管的工业化生产,与二辊孔型轧制相比,其孔槽更浅、孔槽表面速度和冷却均匀性更高、孔型封闭性更好,轧制变形过程更加均匀稳定,具有产量高、能耗低和壁厚精度高等显著优点10-12。因此,融合多辊孔型轧制技术和固-液铸轧复合技术,提出了一种金属包覆材料三辊固-液铸轧复合工艺,通过增加铸轧辊数量来改善铸轧区周向传热传质均匀性,从而最终提高产品周向性能均匀性13。然而,覆层金属在封闭孔型内部变形过程导致的边部侧耳问题突出,成为产品质量提升的关键瓶颈14。本文以金属包覆材料三辊固-液铸轧复合工艺为研究对象,将铜包钢复合棒作为目标样品,自主搭建原理样机并开展实验研究,利用 DEFORM 软件建立三维有限元仿真模型,分析边部侧耳的产生原因与影响因素,给出合理的调控策略。1 三辊固-液铸轧复合工艺1.1 工艺原理简介为解决双辊固-液铸轧复合工艺中样品性能周向不均匀问题,本文提出了改进的三辊固-液铸轧复合工艺,通过增加铸轧辊数量来调控铸轧区几何结构和周向传热传质均匀性,工艺原理如图 1 所示,圆形孔型由 3 段圆弧组成。基体金属由入口导卫装置喂入铸轧辊孔型内部,保证基体轴线与孔型中心重合,利用布流装置将液态覆层金属熔体连续均匀地注入熔池,在保护气氛下经过快速凝固与轧制复合,覆层金属牢固包覆在基体金属表面,实现金属包覆材料的连续成形15,具有显著的高效率、短流程特征。图 1 金属包覆材料三辊固-液铸轧复合工艺原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle of three-roll solid-liquid cast-rolling compound technology for metal cladding materials1.2 典型产品缺陷以 Q345 钢棒为基体金属,纯铜为覆层金属,开展铜包钢复合棒三辊固-液铸轧复合实验研究,铸轧区急停轧卡试样如图 2 所示,可以分为布流区、铸轧区和冷却区,即铸轧区入口截面以上为布流区,铸轧区出口截面以下为冷却区,典型产品缺陷类型如图 3 所示。图 3a 为覆层粘辊,即表现为铸轧辊与覆层金属局部或整体粘连而无法分离,当熔体温度高、铸轧速度快、冷却强度低、辊面温度不均、表面粗糙度差、辊面润滑条件恶劣时,在较高温度和轧制压力作用下易出现铸轧辊-覆层金属摩擦从而产生粘连现象。实际生产中,除了合理选择工艺参数以外,还可通过在铸轧辊辊面均匀涂覆石墨乳等润滑材料来有效避免粘辊。图 3b 为壁厚不均,即表现为覆层金属壁厚沿圆周方向分布不均,其主要原因有两个,一是覆层金属浇注不均,二是铸轧辊孔型位置偏离。图 3c 为截面偏心,即表现为样品截面08塑性工程学报第 30 卷图 2 铸轧区急停轧卡试样Fig.2 Emergency-stop rolling-block sample in cast-rolling area中基体金属与覆层金属圆心不重合,其本质是基体金属轴线与孔型中心偏离,而主要原因有两个,一是导卫装置中心与孔型中心位置偏离,二是三辊固-液铸轧复合过程中覆层金属浇注不均匀,导致基体金属周向受力不均而产生的位置偏离。图 3d为边部侧耳,即表现为样品截面周向存在多余耳状金属,其主要原因是铸轧区出口截面主要由孔型铸轧辊和仿形侧封构成,铸轧区内发生剧烈塑性变形过程时设备存在配合间隙。图 3e 为轴线偏转,即表现为基体金属轴线存在一定偏转,造成样品沿轴线方向的截面中覆层金属壁厚持续分布不均。图 3 样品缺陷典型类型(a)覆层粘辊(b)壁厚不均(c)截面偏心(d)边部侧耳(e)轴线偏转Fig.3 Typical types of sample defects(a)Roll banding of cladding layer(b)Wall thickness unevenness(c)Section eccentricity(d)Lateral ear(e)Axis deflection 在实际中,各类径向截面缺陷类型通常并不是单独出现的,而是具有一定的关联性和并发性,从而最终导致轴向截面缺陷。1.3 侧耳影响因素分析铸轧区内的配合间隙可能发生于仿形侧封与孔型间(用 LSD表示)和孔型铸轧辊间(用 LR表示),因此实际情况中主要有 4 种间隙配合类型,如图 4 所示。图 4a 表示侧封间隙,例如只有仿形侧封与孔型间存在 2 mm 配合间隙。图 4b 表示辊缝间隙,例如只有孔型铸轧辊辊面间存在 1 mm 配合间隙。图 4c 表示组合间隙,即同时存在侧封间隙和辊缝间隙,图 4d 表示理想状态,即不存在配合间隙。1.4 数值仿真模型三辊固-液铸轧复合过程中基体和覆层间变形抗力差异显著,基体金属无明显塑性变形,液态覆层金属对于变形过程影响较小,只考虑凝固点以下固态覆层金属的变形行为。为了分析侧耳的周向分布,基于 DEFORM 软件建立了有限元仿真模型,如18 第 2 期季 策 等:铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略图 4 铸轧区配合间隙类型(a)侧封间隙(距离铸轧区出口截面高度 10 mm)(b)辊缝间隙(铸轧区出口截面)(c)组合间隙(铸轧区出口截面)(d)理想状态(铸轧区出口截面)Fig.4 Assembly clearance types in cast-rolling area(a)Side dam clearance(with height of 10 mm from cross section of cast-rolling area outlet)(b)Roller clearance(cross section of cast-rolling area outlet)(c)Combined clearance(cross section of cast-rolling area outlet)(d)Ideal state(cross section of cast-rolling area outlet)图 5 有限元模型示意图Fig.5 Schematic diagram of finite element model图 5 所示,包括孔型铸轧辊、仿形侧封、基体金属和覆层金属。基本假设为:(1)凝固点高度沿圆周方向均匀分布,覆层金属的材料等效变形抗力为平均值;28塑性工程学报第 30 卷(2)孔型铸轧辊、仿形侧封和基体金属为刚体,覆层金属为变形体。铸轧辊名义直径 d0为 250 mm,孔型直径 d0为25 mm,基体金属直径 ds为 20 mm,名义铸轧速度为 4.5 mmin-1,变形区高度取决于凝固点位置,因此模拟过程中变形区高度等于凝固点高度 HKP,孔型铸轧辊的转动速度与基体金属的平动速度根据名义铸轧速度计算。2 模拟结果分析2.1 间隙类型对侧耳的影响当凝固点高度为 40 mm 时,配合间隙类型对边部侧耳和样品截面轮廓影响的模拟结果如图 6所示。图 6a 为侧封间隙时的模拟结果,变形区内侧封间隙处产生覆层金属堆积,但因出口截面处铸轧辊辊面完全贴合,堆积覆层金属无法连续挤出,因此形成流动静止区,样品截面无明显侧耳产生。图 6b 为辊缝间隙时的模拟结果,变形区内无金属堆积,但出口截面附近存在覆层金属向辊缝间隙流动趋势,样品形成少量不连续侧耳。图6c 为组合间隙时的模拟结果,侧封间隙与辊缝间隙形成连通通道,变形区内出现连续挤压区,离开出口截面后样品形成大量连续的侧耳。图 6d 为理想状态,变形区内无配合间隙,因此样品不产生侧耳。图 6 配合间隙类型对边部侧耳的影响(a)侧封间隙(b)辊缝间隙(c)组合间隙(d)理想状态Fig.6 Influence of assembly clearance type on lateral ears(a)Side dam clearance(b)Roller clearance(c)Combined clearance(d)Ideal state2.2 凝固点高度对侧耳的影响当间隙类型为组合间隙时,凝固点高度对边部侧耳和样品截面轮廓影响的模拟结果如图 7 所示。当凝固点高度为 20 mm 时,样品表面沿轴向上分布少量不连续侧耳,径向截面表明侧耳高度较低(图7a)。然而,随着凝固点高度逐渐增加到 30 和40 mm 时,覆层金属变形程度愈加剧烈,因此侧耳高度和分布连续性均逐渐提高(图 7b 和图 7c)。2.3 仿真结果实验验证仿真分析结果表明,边部侧耳产生的根源是铸轧区的配合间隙,并且受凝固点位置影响显著。基于凝固点位置预测模型,通过合理改变名义铸轧速38 第 2 期季 策 等:铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略图 7 凝固点高度对边部侧耳的影响(a)HKP=20 mm(b)HKP=30 mm(c)HKP=40 mmFig.7 Influence of kissing point height on lateral ears度和浇注温度等工艺参数可以获得近似预设凝固点图 8 边部侧耳实验结果(a)不连续侧耳(b)连续侧耳Fig.8 Experimental results of lateral ears(a)Discontinuous lateral ear(b)Continuous lateral ear高度,图 8 为铸轧区存在组合间隙时制备的样品轮廓及径向截面,由图可知,凝固点位置较低时,侧耳不连续且高度较低,如图 8a 所示;当凝固点位置较高时,侧耳高度和连续性均显著增大,如图 8b 所示。虽然实验过程中尚无法准确测定凝固点位置,但定性分析表明实验结果的规律性与模拟结果吻合,可在一定程度上间接验证仿真结果准确性。2.4 侧耳成形调控方法配合间隙是普遍存在的,无法实现理想的无间隙状态,但可以通过数控加工和一体化配加工来提高设备的整体装配精度,实现近似理想状态。此外,通过合理优化工艺参数调控凝固点位置,可以有效抑制侧耳形成,或控制侧耳尺寸在允许范围内,便于后期去除。通过修磨设备装配精度,基于合理工艺窗口预测,在熔池高度 L 为 30 mm、名义铸轧速度 vNcast为4.5 mmin-1、浇注温度 TCast为 1120、孔型直径d0为 25 mm 时,成功制备了 3 种不同包覆比的铜包钢复合棒材,样品截面如图 9 所示,覆层金属壁厚较为均匀,无孔洞和裂纹等凝固缺陷,复合界面宏48塑性工程学报第 30 卷观结合效果良好,初步实现了预期目标。图 9 铜包钢复合棒材样品截面Fig.9 Sample section of Cu/steel cladding bars由于侧耳一般是想要避免的样品缺陷,因此通常情况下采取抑制方案。然而,若能够对侧耳形状进行精细调控,则有望将其作为翅片结构对样品起到强化作用,例如热交换纵翅复合管作为热交换器的理想材料,可被广泛用于核电和舰船等领域,纵向翅片结构可进一步提升功能和结构特性。热交换纵翅复合管固-液一体化成形工艺原理如图 10a 所示,利用铸轧辊系和仿形侧封构建组合孔型实现纵翅几何结构调控。铸轧辊的孔型由两部分组成,即管型槽和翅型槽,并且配合仿形侧封形成封闭孔型。管型槽决定着覆层管材的形状和壁厚等,翅型槽决定着翅片的形状和高度等。变形区对称面截面如图 10b 所示,熔池结构共包含两部分,即环形熔池和楔形熔池,变形区截面演变如图 10c所示,入口截面至出口截面为渐进成形过程,并且处于多辊孔型轧制、铸轧复合和挤压变形三者共同作用下,其复杂应力应变状态有望进一步提升样品品质。图 10 纵翅复合管固-液一体化成形工艺原理示意图(a)制备原理(b)变形区对称截面(c)截面演变Fig.10 Schematic diagrams of solid-liquid integrated forming technology of longitudinally finned cladding pipe(a)Preparation principle(b)Symmetrical section of deformation area(c)Cross section evolution 热交换纵翅复合管固-液一体化成形工艺模拟结果如图 11 所示,在变形区内多重变形共同作用下能够实现覆层包覆基体和纵翅渐进成形两个过程(图 11a),通过调整铸轧辊孔型和仿形侧封结构,可以实现翅片几何形状控制,例如制备梯形翅片复合管和矩形翅片复合管(图 11b 和图 11c)。有限元模拟验证了工艺可行性,但在装备、工艺和性能等方面仍存在许多关键问题,例如组合孔型系统下的孔型模块化装备设计理论、组合熔池内热-流-力-组织多场耦合协同控制、铸轧区相互作用力学行为及芯管失稳判据等影响工艺稳定和产品质量的基础科学问题亟待解决。58 第 2 期季 策 等:铜包钢棒三辊固-液铸轧复合工艺侧耳产生原因及调控策略图 11 纵翅复合管有限元模拟结果(a)模拟变形区(b)梯形翅片复合管(c)矩形翅片复合管Fig.11 Finite element simulation results of longitudinally finned cladding pipe(a)Simulated deformation area(b)Trapezoidal finned cladding pipe(c)Rectangular finned cladding pipe3 结论(1)三辊固-液铸轧复合工艺的典型样品缺陷类型有覆层粘辊、壁厚不均、截面偏心、边部侧耳和轴线偏转等,各类径向截面缺陷类型具有一定关联性和并发性,最终导致轴向截面缺陷。(2)侧耳产生根源是铸轧区的配合间隙,其中组合间隙时变形区内出现连续挤压区是形成大量连续侧耳的主要原因。边部侧耳受凝固点位置影响显著,变形愈剧烈时侧耳愈显著。(3)通过数控加工和一体化配加工来提高设备装配精度,通过合理优化工艺参数调控凝固点位置,可以有效抑制侧耳形成。此外,利用铸轧辊系和仿形侧封构建组合孔型实现侧耳几何结构精细调控,有望将其作为翅片结构起到强化作用,用于制备热交换纵翅复合管。参考文献:1 王涛,齐艳阳,刘江林,等.金属层合板轧制复合工艺国内外研究进展 J.哈尔滨工业大学学报,2020,52(6):42-56.WANG Tao,QI Yanyang,LIU Jianglin,et al.Research progress of metal laminates roll bonding process at home and abroad J.Journal of Harbin Institute of Technology,2020,52(6):42-56.2 季策,黄华贵.双金属复合管复合机理及制备工艺研究进展J.特种铸造及有色合金,2018,(12):1300-1306.JI Ce,HUANG Huagui.Research progress of bonding mechanism and preparation process of bimetallic clad pipes J.Special Casting&Nonferrous Alloys,2018,(12):1300-1306.3 JIANG Y,LI Y,LEI Y,et al.Cross-sectional structure,micro-structure and mechanical property evolutions of brass cladding pure copper stranded wire composite during drawing J.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2020,30(7):1857-1872.4 姜雁斌,凌亮,谢建新.制备参数对反向凝固黄铜包覆纯铜绞线复合材料表面质量和界面结合状态的影响 J.中国有色金属学报,2018,28(4):693-704.JIANG Yanbin,LING Liang,XIE Jianxin.Influences of preparing parameters on surface quality and interface bonding state of brass cladding copper stranded wire by inversion solidification J.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2018,28(4):693-704.5 季策,黄华贵,孙静娜,等.层状金属复合板带铸轧复合技术研究进展 J.中国机械工程,2019,30(15):1873-1881.JI Ce,HUANG Huagui,SUN Jingna,et al.Research progress on cast-rolling bonding technology of laminated metal clad strips J.China Mechanical Engineering,2019,30(15):1873-1881.6 郑立康,孙明翰,郑传幸,等.双辊薄带振动铸轧塑性变形区力学行为 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