金属横向流动和应力松弛作为带钢热连轧中影响轧制稳定性和板形控制精度的两个重要因素,其自身规律同时受到钢种成分、微观组织演变、几何尺寸和温度分布等多个因素的影响,尤其是机架间的应力松弛过程更是一个耦合了回复、析出和再结晶等多个基本物理冶金过程的复杂过程。这种多物理场、多变量、强耦合的复杂工况使得对精轧过程中金属横向流动和残余应力松弛的定量描述变得极其困难。由于缺少相应的理论基础和理论计算模型,目前在板形设定模型中多是选择忽略或以经验系数对二者的影响进行表征,这限制了高精度板形模型的进一步发展。为此,本文以1580mm热连轧生产线为应用背景,以提高板形预设定计算精度为目标,以高强度低合金钢为应用对象,通过实验、数值模拟、理论分析、数学建模、工业试验和工业应用等多种方式,对热轧过程中的金属横向流动和机架间的残余应力松弛效应开展了系统性的研究,并建立了相应的定量表征方法。具体研究内容和成果如下:(1)为了探究金属横向流动在板形演变中的影响和作用,本研究通过在模拟轧制实验中对轧件进行激光刻蚀、颜料墨水喷涂等处理,采用激光共聚焦显微测量,实现了轧制过程中微小横向流动的精准直接观测;并结合数值实验和理论计算模型揭示了金属横向流动对残余应力的自修正效应,给出了金属横向流动在板形演变中调控机制的理论解释,提出了屈曲风险系数和横向流动系数,分别对带钢发生屈曲变形的风险以及横向流动对残余应力的影响进行了量化;分析了带钢几何因素对金属横向流动和残余应力的影响。该研究结果为完善热连轧板形设定模型奠定了理论基础并提供了新思路。(2)为了实现集宏观力学变形、材料组织性能演变和温度变化为一体的多物理场、多尺度下的辊缝出口横向流动和残余应力的稳定、高效求解,研究中首先基于位错动力学理论建立了高强度低合金钢流变应力的物理预测模型,对带钢变形的力学行为进行了描述,采用差分-矩阵迭代的方法建立了带钢轧制变形快速计算模型,对带钢宏观力学变形进行了求解;其次,通过将二者与采用显隐交替差分形式建立的带钢温度场计算模型进行耦合,建立了带钢轧制高效集成计算模型,并分析了不同耦合方式下的模型求解效率。该模型的建立为后续的板形预设定计算提供了高效的求解手段,同时也为实现热连轧过程的在线集成计算奠定了基础。(3)以统计热力学理论为基础,建立了金属高温变形后的应力松弛动力学模型,实现了应力松弛过程中回复、再结晶、析出和固溶拖拽等物理冶金过程耦合效应的描述,通过将应力松弛动力学模型与温度场计算模型进行耦合,基于残余应力自平衡原则首次实现了多物理场、多物理过程条件下机架间残余应力演变模型的建立,提出了应力松弛系数对残余应力的松弛程度进行量化,揭示了带钢横向温差、平均温度及Nb元素含量对机架间残余应力松弛效应的影响。(4)以上述的理论研究为指导依据,以建立的带钢轧制高效集成计算模型和机架间带钢残余应力演变模型为计算手段,针对某厂的1580mm热连轧生产线,开发了基于残余应力影响因子的板形预设定策略,对现场的板形预设定模型进行了优化并实现了工业化应用,取得了良好的效果。