第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 特厚板温度梯度轧制有限元模拟与实验研究 李高盛，余 伟区，蔡庆伍 北京科技大学高效轧制国家过程研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yuwei@nercar.usth.cdu.cm 摘要针对特厚板再结晶型轧制，板坯中心难以变形导致心部晶粒粗大的问题，使用Q345B钢，采用有限元方法建立了特 厚板轧制的仿真模型，以研究在特厚板轧制过程中引入厚度方向上的温度梯度对钢板心部应变的影响，并与传统均温轧制进 行对比，预测了两种温度场条件下奥氏体再结晶的晶粒尺寸.采用大试样平面应变实验对模拟结果进行验证.研究结果表 明，温度梯度轧制有利于增加坯料心部应变量，最大增加了61.35%.计算和实验结果显示温度梯度轧制可以减小特厚板心部 晶粒尺寸，晶粒度级别提高了一个等级，说明该工艺对提高特厚板中心区域性能有利. 关键词钢板：轧制：温度梯度：有限元分析：再结晶：大试样：平面应变 分类号TG156.1:TG142.2 Finite element simulation and experimental investigation of temperature gradient rolling for ultra-heavy plates LI Gao-sheng,YU Wei,CAI Qing-wu National Engineering Research Center of Advanced Rolling,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yuwei@nercar.ustb.edu.cn ABSTRACT A finite element model of Q345B ultra-heavy plate rolling was established and the effect of temperature gradient on the strain in the plate core was investigated during the rolling process.The grain size after austenite recrystallization was calculated and compared with tradition processes.The result of simulation was proved by large specimen plane stain experiment and indicated that the process with temperature gradient is favor of strain increasing in the plate core,and the maximum of increment is 61.35%.The calcu- lation and experiment proclaim that the grain size in the plate core is refined by temperature gradient rolling,moreover,increasing the mechanical properties of the ultra-heavy plate. KEY WORDS steel plate;rolling:temperature gradient;finite element analysis:recrystallization:large specimens:plane strain 特厚板广泛应用于桥梁、造船、海洋平台、压力 再结晶型控轧难以进一步提高特厚板性能.单纯通 容器等的结构建设和关键部位的承重件，因此对其 过增加压下率使轧制力渗透到心部会在提高再结晶 性能也提出了更高的要求.除要求强度外，还要求 形核率的同时增加再结晶长大驱动力，如果控制不 有较好的韧性、焊接性、疲劳性、耐海水腐蚀性、抗层 当则会产生混晶并增加形成魏氏组织的几率：并且 状撕裂性、冷热加工性等.但是，由于特厚板坯料和 压下过大必然增加轧制力，提高轧机负荷造成资源 成品厚度大，受轧制压缩比的限制，往往需要采用大 浪费回 型铸锭或特厚连铸坯轧制.大型铸锭和特厚连铸坯 因此，如何降低坯料尺寸，采用较小规格连铸坯 的质量难以保证，在轧制时变形难以渗透到心部，微 生产特厚板，并改进工艺改善特厚板心部质量就成 裂纹难以压合四.另外，由于钢板中心再结晶不充 为今后研究的重点。金属变形的难易程度取决于材 分，心部和表面晶粒度差距较大，这些原因使得传统 料尺寸、高温力学性能及变形时的应力状态.轧制 收稿日期：201307-25 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.007:http:/jourals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 特厚板温度梯度轧制有限元模拟与实验研究 李高盛，余 伟，蔡庆伍 北京科技大学高效轧制国家过程研究中心，北京 100083  通信作者，E-mail: yuwei@ nercar． ustb． edu． cn 摘 要 针对特厚板再结晶型轧制，板坯中心难以变形导致心部晶粒粗大的问题，使用 Q345B 钢，采用有限元方法建立了特 厚板轧制的仿真模型，以研究在特厚板轧制过程中引入厚度方向上的温度梯度对钢板心部应变的影响，并与传统均温轧制进 行对比，预测了两种温度场条件下奥氏体再结晶的晶粒尺寸． 采用大试样平面应变实验对模拟结果进行验证． 研究结果表 明，温度梯度轧制有利于增加坯料心部应变量，最大增加了 61. 35% ． 计算和实验结果显示温度梯度轧制可以减小特厚板心部 晶粒尺寸，晶粒度级别提高了一个等级，说明该工艺对提高特厚板中心区域性能有利． 关键词 钢板; 轧制; 温度梯度; 有限元分析; 再结晶; 大试样; 平面应变 分类号 TG 156. 1; TG 142. 2 Finite element simulation and experimental investigation of temperature gradient rolling for ultra-heavy plates LI Gao-sheng，YU Wei ，CAI Qing-wu National Engineering Ｒesearch Center of Advanced Ｒolling，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yuwei@ nercar． ustb． edu． cn ABSTＲACT A finite element model of Q345B ultra-heavy plate rolling was established and the effect of temperature gradient on the strain in the plate core was investigated during the rolling process． The grain size after austenite recrystallization was calculated and compared with tradition processes． The result of simulation was proved by large specimen plane stain experiment and indicated that the process with temperature gradient is favor of strain increasing in the plate core，and the maximum of increment is 61. 35% ． The calcu￾lation and experiment proclaim that the grain size in the plate core is refined by temperature gradient rolling，moreover，increasing the mechanical properties of the ultra-heavy plate． KEY WOＲDS steel plate; rolling; temperature gradient; finite element analysis; recrystallization; large specimens; plane strain 收稿日期: 2013--07--25 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 特厚板广泛应用于桥梁、造船、海洋平台、压力 容器等的结构建设和关键部位的承重件，因此对其 性能也提出了更高的要求． 除要求强度外，还要求 有较好的韧性、焊接性、疲劳性、耐海水腐蚀性、抗层 状撕裂性、冷热加工性等． 但是，由于特厚板坯料和 成品厚度大，受轧制压缩比的限制，往往需要采用大 型铸锭或特厚连铸坯轧制． 大型铸锭和特厚连铸坯 的质量难以保证，在轧制时变形难以渗透到心部，微 裂纹难以压合［1］． 另外，由于钢板中心再结晶不充 分，心部和表面晶粒度差距较大，这些原因使得传统 再结晶型控轧难以进一步提高特厚板性能． 单纯通 过增加压下率使轧制力渗透到心部会在提高再结晶 形核率的同时增加再结晶长大驱动力，如果控制不 当则会产生混晶并增加形成魏氏组织的几率; 并且 压下过大必然增加轧制力，提高轧机负荷造成资源 浪费［2］． 因此，如何降低坯料尺寸，采用较小规格连铸坯 生产特厚板，并改进工艺改善特厚板心部质量就成 为今后研究的重点． 金属变形的难易程度取决于材 料尺寸、高温力学性能及变形时的应力状态． 轧制