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发布时间：
2023-11-14 11:10
来源：
《基于数值模拟的低碳高硫易切削钢盘条加工工艺改进优化》
1．项目背景需求
易切削钢具有加工效率高、节省刀具、工件表面光洁度高等优点，广泛应用于汽车、摩托车、仪器仪表、电子设备等产品中，市场发展前景良好。其中，以牌号1215MS 为代表的低碳高硫易切削钢，是目前国内生产最为广泛的一种。
国内某钢铁生产公司（以下简称“A 公司”）于 2015 年 11 月开始试制 1215MS牌号易切削钢盘条，很快便掌握了较为稳定的生产工艺，产量快速增加、产品也迅速占领了市场。2016 年，生产销售近 7 万吨钢材，占据广东市场一半以上的份额；近几年来，产销量一直保持在较高水平，目前已成为广东市场易切削钢的主要供应商。然而，随着市场的不断扩大，下游用户对质量要求不断加严，A 公司生产的1215MS 易切削钢盘条也逐渐暴露出一些质量问题，主要表现在：炼钢连铸生产的方坯存在凹陷、渣坑、气泡等缺陷，下游用户在进行钢棒拉拔、精密件加工时会出现开裂等现象。特别是 2018 年 7 月以来，下游用户异议显著增多，如第三阶段用户共计提出 42 起质量投诉，质量异议发生率达到 9.5‰，严重影响了用户地正常使用体验，也极大损害了 A 公司的声誉。
图 1 1215MS 低碳高硫易切削钢盘条及下游产品
问题出现以后，尽管 A 公司一直在开展产品质量改进研究，但由于易切削钢盘条生产流程长、质量控制难度大，采用常规实验分析方法不仅周期长、成本高，还难以获得较为满意的效果。因此，2019 年初，在集团公司上级领导的牵线下，A 公司金沙8888js官方部门与我院数值仿真研究所、材料研究所以及应力研究所等部门研发人员进行了金沙8888js官方交流，通过反复讨论以及现场调研，最终签订了《低碳高硫易切削钢盘条加工开裂分析及工艺改进优化研究》金沙8888js官方服务协议，共同致力于采用“数值仿真与试验相结合”的方法寻找易切削钢盘条加工开裂的真正原因。
2．项目实施内容
1215MS 系列低碳高硫易切削钢生产和质量控制难度大，主要表现在：为保证钢的易切削性能，冶炼过程钢水精炼后需维持较高的溶解氧量，钢水表面张力低、钢渣难分离，易造成钢渣混卷，如此钢坯就容易形成气泡和皮下针孔等表面缺陷，导致生产的盘条表面经常会出现裂纹、结疤、翘皮等缺陷。
基于常规实验分析存在周期长、成本高的困难，A 公司金沙8888js官方部门结合我院金沙8888js官方优势，决定成立联合项目攻关组，首先通过数值模拟的手段，针对易切削钢盘条生产的关键工序（连铸凝固、再加热、轧制及盘条拉拔、机加工、冷弯等）开展全流程建模仿真，进而结合微观组织及性能测试，验证所建模型的准确性，反复优化完善后，再利用模型预测分析材料内部的温度场、应力/应变场分布、以及微小裂纹演化情况，在此基础上明确关键影响因素，提出工艺改进方向建议，最终达到减轻或大部消除方坯凹陷裂纹与盘条加工开裂问题，提高产品质量的目的。
图 2 易切削钢盘条加工开裂失效研究金沙8888js官方路线
为确保上述研究工作高效推进，双方单位共同成立了联合攻关项目组。CEAM-由数值所温树文教授统筹负责，先后投入了涵盖微观检测、数值模拟、失效分析以及性能测试等方向的博士研究人员 6 名、检测人员 3 名，仪器设备包括：金相显微镜 3 台、高分辨率扫描电镜 1 台、各类残余应力表征设备 3 套以及力学性能测试设备 2 套，另外还配备了 Matlab、JMatPro、ABAQUS 以及 OpenFoam 等模拟计算软件。A 公司研究院也高度重视，从金沙8888js官方、工艺、现场和管理等方面安排了约 10 名相关专家和工作人员进行配合，该项目投入经费 70 万元。
3．项目攻关成果
该项目实际通过一年多的联合攻关，借助数值模拟仿真和试验检测分析方法，主要取得了如下研究成果：
1）针对当前连铸模拟成熟软件基本为空白的现状，开创性地给予 ParaView 开源软件以及 Qt 开发平台，初步开发完成了易切削钢专用连铸专家系统 1 套。
2）如表 1 所示，通过方坯缺陷解剖观察，一方面，借助有限元软件，建立了方坯中心裂纹、近表面裂纹和角部裂纹的有限元模型，利用模型系统跟踪对比了各类裂纹的演化行为和影响因素，发现裂纹附近的正压力对裂纹的减小或闭合起到主要作用；另一方面，基于 GTN 模型，建立了三维含孔洞（疏松）的轧件有限元模型，分析了轧制过程中孔洞的演化，发现轧制过程中，方坯中心、上表面和角部位置的孔洞率都有不同程度地减少，但相对而言，角部孔洞更容易发展成裂纹。
表 1 轧制过程近表面裂纹形状演化
3）除盘条前端生产工艺影响外，通过对盘条后续拉拔过程仿真分析也发现，模具设计对盘条六角棒产品的加工开裂倾向也有显著影响，经对比：最佳的模具半角为 12 度，此时拔制力最低。此外，“辊拔+模拔”结合工艺同样可以生产出合格的六角光亮棒产品（如图 3）。
图 3 辊拔+模拔工艺下六角棒的等效应变分布
4）通过对 1215MS 易切削钢方坯凹陷和盘条加工开裂的机理研究和因素分析，项目组最终向 A 公司生产现场提出了若干工艺改进建议，通过多炉产品生产验证，质量部门反馈：因盘条质量缺陷导致的异议发生率已由 2018 年 1-12 月的 5.57‰降低到了目前的 2.0‰以下，产品质量显著提高，企业的客户信任度明显回升。
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