CN110814052A - 一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，对镁合金板材进行大应变热轧，利用板温检测设备在线检测轧制入口表面温度及出口温度，获得轧制变形区内表面平均温度；并根据轧制力模型，反算出轧制变形区内板材整体的平均温度；最后基于，利用平均板温计算模型，反算出变形区内厚度中心平均温度，并进一步通过计算模型，确定轧制变形区内厚向不同位置的平均温度情况。本发明利用镁合金板材大应变热轧轧制力高温度敏感的特点，通过在线监测轧制力来在线感知轧制变形区厚向平均板温的分布状态，解决了现有镁合金轧制变形区温度难跟踪检测的问题，具有快速、简便易行等优点。
Description
技术领域
本发明属于镁合金板材轧制技术领域，具体涉及一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法。
背景技术
镁合金大应变热轧因易于实现、生产率高、产品规格不受限等在高效低成本制备宽幅板带材方面极具潜力，但其轧制工序将在极短时间内产生大量的摩擦热和塑性变形热。摩擦热方面：轧制应变的增大会导致轧制界面真实接触面积增加，黏滑强度提高，致使摩擦热效应增强。塑性变形热方面：由于比强度较高，镁合金的塑性变形热效应较为显著，轧制应变的增大会导致轧制变形区板温因显著塑性变形热急剧温升。当工艺条件设定不当时，轧制变形区温升可达到使板材局部严重软化乃至失效的程度，产生废品。而因变形区接触热传导所引起的轧辊大幅温升还会进一步劣化成形板材整板的组织和性能，加剧板材表面氧化程度，导致粘辊、缠辊、褶皱和其它板形问题易出现，造成板带材成形质量下降。因此，镁合金大应变热轧成形对轧制变形区的温度要求较为严格。
然而，由于缺乏可行、快速、灵敏的镁合金变形区温度在线测温技术，大应变热轧变形区温度测量的滞后性和偏差较显著，实际被控温度存在较大超调，轧制过程中镁板极易发生控温偏离和温度失控，严重制约对镁合金微观组织结构和塑性变形行为的优化调控，降低板材成材率。因此，提出切实可行的镁合金板材轧制变形区板温在线感知方法对提高镁合金宽幅板带材成形质量具有重要的意义。
镁合金热变形具有高度的温度敏感性，表现为随变形温度的升高，变形抗力显著软化，导致变形区温度变化时镁合金会产生较大的变形抗力波动，致使轧制力发生明显变化，即轧制力同样高温度敏感。因此，通过监测轧制力的变化来感知轧制变形区平均板温及其波动情况是一种可行的方法，目前关于此类方法的研究尚未报道。
发明内容
针对上述情况，所提出的镁合金板材大应变热轧变形区板温在线测控困难的问题，本发明的目的在于：提供一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，解决现有镁合金轧制变形区温度难跟踪检测的问题。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，但考虑到镁合金轧制具有较大的界面摩擦系数，且摩擦系数具有较高的变形条件敏感性，镁合金轧制力的准确构建离不开对接触界面摩擦作用的量化，因此，本方法的应用前提是：假设轧件侧表面与环境无热交换发生，并且长度和宽度方向无明显温度变化，此时板坯自身的热传导具有沿厚向传递的单向性。
在上述前提下，一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，具体操作步骤为：
(1)对镁合金板材进行大应变热轧，其道次压下率>40％，初始板温250～420℃；利用板温检测设备在线检测轧制入口表面温度T0及出口温度T1，根据获得轧制变形区内表面平均温度
(2)利用在线监测得到的轧制力P数据，并根据轧制力模型，反算出轧制变形区内板材整体的平均温度
最后基于
利用平均板温
计算模型，反算出变形区内厚度中心平均温度
并进一步通过
计算模型，确定轧制变形区内厚向不同位置的平均温度情况。
上述方法中所涉及的轧制力模型构建步骤为：
(1)考虑道次压下、辊径及初始板厚对宽展的影响，构建镁合金板材轧制宽展ΔB计算模型，
据此，计算轧制变形区平均板宽 
其中，η为与材料相关的系数，Δh为轧制压下量，R为轧辊半径，H为轧制入口板厚；
(2)变形区金属实际变形抗力的平均值σr，可由以下本构方程确定：
其中，ε为轧制平均应变，为轧制平均应变速率，
为变形区域板材的平均温度；
(3)构建镁合金板材轧制界面摩擦影响系数nσ′模型，
其中，l为接触弧长，μ为摩擦系数，
为变形区平均板厚，
(4)影响应力状态的外部条件主要有：考虑轧件宽度影响的变形系数nβ，平面变形时取1.15；界面摩擦影响系数nσ′；考虑外端影响系数nσ″，当
时；考虑张力影响系数nσ″′，当无外张力时nσ″′＝1；应力状态系数nσ可写成下式：nσ＝nβnσ′nσ″nσ″′；根据上述应力状态特性因素的评估准则，可确定实验状态下镁合金开坯轧制时的应力状态影响系数分别为nβ＝1.15、nσ″＝1、nσ″′＝1，则
(5)根据轧制理论，轧制力P可用
计算得出。
轧制咬入前板坯厚向温度分布比较均匀且关于厚度中心呈对称分布，随着板坯上下两表面与轧辊的直接接触，表层温度出现骤降且温降区域逐渐向厚度中心扩展。受轧辊激冷效应影响，厚度各金属层间的温度梯度可近似看作为关于厚度呈线性分布，由中心向表面逐渐降低；如果将热轧制过程看成是稳态导热过程，则轧件各单元层的热量损失程度由中心到表面逐渐增加，为了简化计算，将热量损失近似为关于厚度呈线性递增趋势。
此时，轧制变形区内厚向温度分布可近似采用二次曲线来描述，厚向不同位置板温可由
计算得出。轧制变形区内板材整体的平均温度
为：
其中，为沿厚向距离表面hz处经历轧制变形区的平均温度，
是厚度中心经历变形区的平均温度，是表面经历变形区的平均温度。
本发明的有益效果是：利用镁合金板材大应变热轧轧制力高温度敏感的特点，通过在线监测轧制力来在线感知轧制变形区厚向平均板温的分布状态，该方法解决了现有镁合金轧制变形区温度难跟踪检测的问题，具有快速、简便易行等优点。
附图说明
图1是轧制变形时厚向板温分布示意图；
图2是轧制变形区宽展示意图；
图3是轧制变形区板温分布在线感知方法的实现流程；
图4铸轧态AZ31镁合金的真实应力-应变曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本申请进行说明，所给出的实施例并不局限本申请的保护范围。
以初始规格为150mm×150mm×7mm铸轧态AZ31B镁合金板坯为例，其化学成分组织如表1所示，采用直径为320mm二辊板带轧机进行轧制，轧制时轧辊温度为室温，接触界面无润滑，当轧制压下率为50％，轧制速度为0.5m/s，初轧温度为350℃时，轧制力模型构建步骤及热轧变形区板温分布在线感知步骤分别如下。
表1实施例铸态AZ31B镁合金的化学成分(wt.％)
本发明中镁合金大应变热轧时准确的轧制力模型构建步骤为：
(1)考虑道次压下、辊径及初始板厚对宽展的影响，构建镁合金板材轧制宽展ΔB计算模型，
据此，计算轧制变形区平均板宽 
其中，η为与材料相关的系数，Δh为轧制压下量，R为轧辊半径，H为轧制入口板厚，各个参数的物理意义如图2所示。取η＝0.2，Δh＝3.5mm，R＝160mm，H＝7mm，计算可得轧制宽展ΔB＝2.366mm，因此，计算轧制变形区平均板宽可得
(2)变形区金属实际变形抗力的平均值σr，可由以下本构方程确定：
(3)其中，ε为轧制平均应变，为轧制平均应变速率，为变形区域板材的平均温度。根据Ekelund公式计算轧制过程中应变速率：
其中：v—轧制速度，mm/s；h—本道次轧前轧件的厚度，mm；Δh—本道次压下量，mm；R—轧辊半径，mm；L—接触弧水平投影长度，mm。计算得ε＝50％，采用Gleeble热模拟压缩变形试验获得AZ31B镁合金在应变速率为0.001～1s–1、温度为200～400℃条件下的真实应力-应变曲线，如图4，根据曲线特征，可获取轧制过程中的应力应变数据；
(4)镁合金轧制力的准确构建离不开对接触界面摩擦作用的量化，这可归因于镁合金轧制具有较大的界面摩擦系数，且摩擦系数具有较高的变形条件敏感性。为此，构建镁合金板材轧制界面摩擦影响系数nσ′模型，其中，接触弧长
μ为摩擦系数，μ＝0.1，
为变形区平均板厚，
计算得到界面摩擦影响系数nσ′＝1.477；
(5)影响应力状态的外部条件主要有考虑轧件宽度影响的变形系数(nβ，平面变形时取1.15)、界面摩擦影响系数(nσ′)、考虑外端影响系数(nσ″，当
时nσ″＝1)、考虑张力影响系数(nσ″′，当无外张力时nσ″′＝1)。因此，应力状态系数nσ可写成下式：nσ＝nβnσ′nσ″nσ″′。根据上述应力状态特性因素的评估准则，可确定实验状态下镁合金开坯轧制时的应力状态影响系数分别为nβ＝1.15、nσ″＝1、nσ″′＝1，因此可计算出应力状态系数的值
根据轧制理论，轧制力P可用
计算得出。在线监测得到的轧制力数据为60.685ton，并将上述各步骤得到的数值代入轧制力模型中，可反算出轧制变形抗力值σr＝99.894MPa。
本发明中镁合金板材轧制变形区板温分布在线感知方法为：
(1)利用板温检测设备在线检测轧制入口镁合金板材表面温度T0＝350℃及出口温度T1＝338℃，计算轧制变形区内表面平均温度
(2)根据轧制力模型，反算轧制变形区内板材整体的平均温度
将上述所求各数值代入轧制力模型构建步骤(2)中，反算出轧制平均温度
(3)根据平均板温
计算模型，反算出变形区内厚度中心平均温度平均板温计算模型为
则可得变形区内厚度中心平均温度
(4)根据变形区内厚向不同位置温度模型，确定轧制变形区内厚向不同位置的平均温度情况，厚向不同位置板温计算模型为
则可计算出沿厚向距离表面hz处经历轧制变形区的平均温度为
本发明利用镁合金板材大应变热轧轧制力高温度敏感的特点，通过在线监测轧制力来在线感知轧制变形区厚向平均板温的分布状态，该方法解决了现有镁合金轧制变形区温度难跟踪检测的问题，具有快速、简便易行等优点。
Claims (4)
1.一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，其特征在于：具体操作步骤为：
(1)对镁合金板材进行大应变热轧，其道次压下率>40％，初始板温250～420℃；利用板温检测设备在线检测轧制入口表面温度T0及出口温度T1，根据
获得轧制变形区内表面平均温度
(2)利用在线监测得到的轧制力P数据，并根据轧制力模型，反算出轧制变形区内板材整体的平均温度
最后基于
利用平均板温
计算模型，反算出变形区内厚度中心平均温度
并进一步通过
计算模型，确定轧制变形区内厚向不同位置的平均温度情况；
所述轧制力模型为：
2.根据权利要求1所述的一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，其特征在于：所述轧制力模型P的建模方法为：
(1)考虑道次压下、辊径及初始板厚对宽展的影响，构建镁合金板材轧制宽展ΔB计算模型，
据此，计算轧制变形区平均板宽
其中，η为与材料相关的系数，Δh为轧制压下量，R为轧辊半径，H为轧制入口板厚；
(2)变形区金属实际变形抗力的平均值σr，可由以下本构方程确定：
其中，ε为轧制平均应变，
为轧制平均应变速率，
为变形区域板材的平均温度；
(3)构建镁合金板材轧制界面摩擦影响系数nσ′模型，
其中，l为接触弧长，μ为摩擦系数，为变形区平均板厚，
(4)影响应力状态的外部条件主要有：考虑轧件宽度影响的变形系数nβ，平面变形时取1.15、界面摩擦影响系数nσ′、考虑外端影响系数nσ″，当
时nσ″＝1、考虑张力影响系数nσ″′，当无外张力时nσ″′＝1，则应力状态系数nσ可写成下式：nσ＝nβnσ′nσ″nσ″′；
根据上述应力状态特性因素的评估准则，可确定实验状态下镁合金开坯轧制时的应力状态影响系数分别为nβ＝1.15、nσ″＝1、nσ″′＝1，则
(5)根据轧制理论，轧制力P可用
计算得出。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，其特征在于：所述在线感知方法应用的前提为：假设轧件侧表面与环境无热交换发生，并且长度和宽度方向无明显温度变化，此时板坯自身的热传导具有沿厚向传递的单向性。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金板材大应变热轧变形区板温的在线感知方法，其特征在于：受轧辊激冷效应影响，如果将热轧制过程看成是稳态导热过程，将热量损失近似为关于厚度呈线性递增趋势；轧制变形区内厚向温度分布可近似采用二次曲线来描述，厚向不同位置板温可由
计算得出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jia Weitao Inventor after: Zhao Rui Inventor after: Ma Lifeng Inventor after: Shang Tian Inventor before: Jia Weitao Inventor before: Ma Lifeng Inventor before: Shang Tian |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |