（钢铁冶金专业论文）硬线性能计算机模拟.pdf

摘要 通常把优质碳素结构钢中碳的质域卣分数不小丁0 4 5 的中高碳钢轧制的线材称为硬线。 目前国产便线瞥遍存在通条性差、索氏体化率不高、表面存在缺陷等问题。现在迫切需要提高 丰稳定便线性能，替代进口热轧硬线。因此，要优化轧后控冷l ：艺制度。 在对庸钢高速线材厂斯太尔摩冷却系统进行分析的基础上，我们对高线产品的性能做了预 报莆i 控制，捉山了一套模型。在风冷模弛中，通过选取合适的时间步k ，对整条斯太尔摩空冷 线及各段辊道合理分段，对线材截面中径方向上，合理划分反问。通过循环计算，得出两段辊 道相交处的温度，珠光体与铁素体在同一截面上沿卜径方向的转化白j 分数，每段辊道的冷却速 率。在性能结果模犁中给出转变的晶粒尺寸、珠光体的片层间距和性能( 抗拉强度，屈服强 度、五芷伸率、断面收缩率和硬度等) 该模，i l ! 的虑川能消除由丁轧制过张l ：艺不合理而造成的 硬线异议问题。同时，还为发展控冷过羁! 的计算机仿真提供理论基础，也为制定合理的硬线控 冷l ：艺制度提供理论依据。此外，还对模型进行了验证。 通过研究和实验验证，得到如f 结论： 1 给出了轧什轧j l 亓冷却过程中的温度场。 2 给出了控制冷却过羁! 中的组织转变。 3 建立了描述组织与力学性能之间关系的数学模型 4 该课题的创新点在丁揭示埂线控冷过烈中的组织转变规律和硬线产龋的性能预报。 5 该模刑的竹：_ h j 是根据现有l ：艺来预报硬线的性能。该模型还可以通过修改达剑根据性能 要求。确定昂佳i ：艺。 6 该研究成果的问世，能使成果应用厂消除由丁轧制过程i ：艺不合理而造成的硬线异议问 题，人人增加经济效摄。 7 我f f j 用实验测得的6 0 号钢的数据去修正计算机模拟的结果，使模拟结果与实验结果相一 致。然后，对5 5 号钢的性能进行模拟，模拟结果与实测值相比较，得剑如的误差为o 5 ，口，的误 著为1 3 ，6 ，的误筹为2 5 。1 i r 的误筹为0 8 5 ，珠光体片层间距的误筹为1 8 6 。铁素体自分含 彗的设筹为4 8 5 ，布氏硬度的设若为4 6 2 。模刑的谡差范用在o 5 4 8 5 。 关键诃：埂线。性能，控制冷却。计莽机模拟 c o m p u t e rs i m u l a t i o no fh a r dc o i lr o d s p r o p e r t i e s a b s t r a c t c a r b o l i cq u a l i t yc o n t e n to f h i g hq u a l i t yc a r b o n i cs t r u c t u r es t e e l si nm e d i u m h i g hc a r b o ns t e e l si s m o r et h a n0 4 5p e r c e n t ，t h e ya r er o l l e df o rw i r e sw h i c ha r eu s u a l l yc a l l e dh a r dc o i lr o d s a tt h ep r e s e n t t i m e ，p r o p e r t i e si nw i r er o d s8 r e n o tw e l le q u a l i t y ，t h ec o n t e n t o f s o r b i t i ci sl o wa n dd i s f i g u r e m e n t s e x i s to nt h es u r f a c ei nh a r dc o i lr o d sp r o d u c e db yo a rc o u n t r y w en e e di m p r o v ea n ds t a b i l i z et h e i r p r o p e r t i e su r g e n t l y 。s ot h a tw ec m u s et h e s eh a r dc o i lr o d si n s t e a do f e x t e r n a lp r o d u c t s o ，w em o s t o p t i m i z et e c h n o l o g i c a lr u l e sc o n t r o l l e dc o o l i n ga f t e rr o l l i n g b ya n a l y s i n gs t e l m o rc o o l i n gs y s t e mo f t a n g e h a nh i g hs p e e dw i r ec o m p a n y ，w ep u tf o r w a r da m o d e lo f c o n t r o l l i n ga n dp r e d i c t i n gt h ep r o p e r t i e so f h i g hc m b o np r o d u c t s i na i rf l o wc o o l i n gm o d e l ， w ec h o o s ea p p r o p r i a t et i m ed i s t a n c ea n ds e p a r a t et h es l e l m o rc o o l i n gl i n ea n dr o l l e rl i n e ，s e p a r a t e l o g i c a l l yt r a n s e c to f w i r e b yc i r c u l a rc o m p u t e 。w ek n o wt h et e m p e r a t u r ea tt h ei n t e r s e c t i o no f t w o r o l l e rl i n e s ，t h ep e r c e n to f p e a r l i t ea n df e r r i t ea l o n gr a d i u sa tt h es a m es e c t i o n ，c o o l i n gs p e e do f e v e r y r o l l e rl i n e i np r o p e r t i e s r e s u l t sm o d e l ，g r a i ns i z e s ，l a y e rs p a c eo f p e a r l i t ea n dp r o p e r t i e sw h i c h i n c l u d e0 b ，0 ，如，扩a r eg i v e n t h em o d e l su s i n gc a ni m p r o v eh a r dc o i lr o d s q u a l i t y ，o f f e r a c a d e m i ce l e m e n t sf o rd e v e l o p i n gc o m p u t e rc o p yi nc o n t r o l l e dc o o l i n g ，a f f o r da c a d e m i cb a s e sf o r c o n s t i t u t i n gr a t i o n a lt e c h n o l o g i c a lr u l e si nc o n t r o l l e dc o o l i n g i na d d i t i o n ，w em a k ee x a m i n a t i o nt ot e s t t h e m o d e l ， t h r o u g hs t u d ya n de x a m i n a t i o n ，w eg e ts u c hc o n c l u s i o n s ： 1 t e m p e r a t u r ef i e l di nc o o l i n ga f t e rr o l l i n gi sg i v e n 2 m i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o ni nc o n t r o l l e dc o o l i n gi sg i v e n 3 m a t h e m a t i c sm o d e lt h a tt e l lr e l a t i o n so f m i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sg i v e n 4 i n n o v a t i o np o i n t so f t h ep r o j e c ta r em i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o nl a w sa n dp r o p e r t i e s p r e d i c t i o no f h a r dc o i lr o d s 5 t h e m o d e l s e f f e c t s a r e a c c o r d i n g t o e x i s t i n g t e c h n o l o g y t o p r e d i c t p r o d u c t s p r o p e r t i e s 。w e a l s oc a n m o d i f yp a t a m e l e 6s ot h a tw ec a ne s t a b l i s ho p t i o n a lt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt od e m a n d e dp r o p e r t i e s 6 t h es t u d yr 鹤u l t sa p p e a r m a k ef a c t o r yu s i n gi ta v o i dh a r dc o i lr o d s d i s s i d e n c ep r o b l e mb e c a u s e o f t e c h n o l o g yi r m t i o n a l l i t yo f r o l l i n gp r o c e s sa n di n c r e a s ee c o n o m yb e n e f i t sg r e a t l y 7 w e e e x p e r i m e n t i y m e a s u r e d d a t a o f 6 0 s t e e l t o c o r r e c t t h e m o d e l a n d m a k es i m u l a t i o nr e s u l t s a g r e ew i t hm e a s u r e do 嬲t h e nw es i m u l a t et o5 5 。s t e e la n dc o m p a r eb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n d m e a s u r e d o n e s f i n a l l y w e g e t t h e e r r o r o fos i s o 5 ，5 ，i s l 3 ，5 ，i s 2 5 ，vi s 0 8 5 a n d l a y e rs p a c eo f p e a r l i t ei si 8 6 ，p e r c e n to f f e r t i l ei s4 8 5 。r i g i d i t yi s4 8 2 i 畸w o r d s , h a r d c o i lr o d s p r o p e r t i e s tc o n t r o l l 目l c o o l i n g ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n 河北理工学院硕士学位论文 引言 本课题是唐山市科委立项的科研项目。为了提高国内硬线产品的性能和质量， 市科委组织专家论证，确定了此研究项目。本课题将提出如何获得符合现场实际工 况的物理冶会模型的方法。它是利用计算机模拟获得会属控冷工艺参数，组织性能 关系的基础性材料，并可直接用束分析在现有控冷制度下钢材性能的影响条件，模 拟组织、形念的变化规律，根据模拟结果制定合理的冷却制度。 准确预报最终产品性能，并对其进行有效控制是国内外钢材质量控制的一个难 题，尽管已有定量板带钢性能预报研究成果的报道，但是对于棒线材，尤其是高 速线材的研究报道，尚未达到使用的程度。 目前我国共引进高速线材轧机2 4 套，大多具有或预留了精轧i j i 控温、精轧机架 日j 水冷、轧机后水冷和斯太尔摩冷却线，从装备上基本具备生产优质硬线的条件。 但仍存在成品索氏体化率低、允许拉拔总变形量偏低等问题。因此，大幅度提高硬 线的质量水平非常重要。 在性能控制系统中，一个十分重要的环节是控制用数学模型的建立，它决定了 最终控制目标的稳定与否。对于控制用的数学模型，既要求尽可能地反映过程的物 理特性，以便充分发挥控制系统的作用，又要求结构简便，运算时日j 短，以达到实 时控制的要求。 计算机模拟技术研究的目的在于预测钢在连续冷却过程中奥氏体的分解行为， 然后以所预测的显微组织为依据，预测产品的组织性能。本文对硬线的组织性能进 行了模拟，这也是硬线性能计算机模拟的重点。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 硬线生产现状 1 0 0 多年来，钢铁一直是最重要的工程材料。目前，西欧国家用钢和有色金属 制成的产品的国民生产总值占全国国民生产总值的比例高达7 2 7 4 1 1 1 。目自d 我 国线材生产能力已超过1 6 5 0 力1 - 2 1 。通条性能均匀对拉丝用户尤为重要。目前r 本 盘条抗拉强度波动值可保证小于3 0 m p a 。而国产盘条通条性能有时相差1 0 0 m p a 以 上，面缩率相差2 2 个百分点p 】。 目| j i 线材质量普遍得到改善，国内与进1 3 线材成分与性能比较见表1 1 【4 】。 表1 1国内线材和进口线材成分与性能比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o n o f c o m p o n e n t s a n d p r o p e r t i e s a b o u t i n t e r n a l a n de x t e r n a l w i r e s 1 1 1 国内硬线生产状况 硬线盘条主要用于制作预应力钢丝、钢绞线、高碳钢丝、轮胚钢丝、钢帘线和 专用优质钢丝绳等【5 1 优质高强或超高强线材是一种重要的结构一功能材料，广泛 用于制造钢丝绳、预应力钢丝、大跨度重载斜拉桥的钢索、轮胎增强钢丝、各种弹 2 河北理工学院硕士学位论文 簧和结构元件等，国内外需求量很大，很有市场和竞争力。随着制品工业的发展， 对硬线的质量提出了更高的要求。我国硬线生产质量与国外尚有较大差距，主要表 现在：产品表面质量差、晶粒大小不均且级别偏低、一次冷拔率低( 小于8 5 ) 、 疲劳性能几乎比国外同等产品低一个数量级。有些高技术含量、高性能的产品，如 优质钢帘线、p c 线和p c 钢筋、高性能汽车悬挂弹簧、优质电梯用钢丝绳等还依赖 于进1 2 1 6 1 。 1 1 2 国外产品质量和生产技术发展状况 目前，国外优质硬线的索氏体化率高达9 3 ，且能有效地控制索氏体中渗碳体 片层间距，从而一次冷拔面缩率可达9 5 以上，提高了优质高线钢丝的综合力学性 能f 7 j 。 优质高强或超高强钢丝生产的发展，一直以提高热轧盘条的可加工性、减少中 日j 热处理( 铅浴淬火) 次数和提高使用性能( 强度、疲劳寿命、韧性) 为主要目 标。 在强度方面，目| j i 超大斜拉桥用钢绞线，0 6 已超过1 6 0 0 m p a ，其中s i 系合会 钢丝已达到很高水平：咖= 5 0 栅，口6 1 8 0 0 m p a ；中= 4 5 m m ，0 b 一 2 0 0 0 m p a 0 = 0 2 m ，a b 一 3 4 0 0 m p a 。 汽车轮胎用钢帘线( s t e e lc o r d ) ，实际使用水平为ia b = 3 3 0 0 m p a ，试用水平 为a t , = 3 6 0 0 m p a ，己在丌发o b 一 4 0 0 0 m p a 或5 0 0 0 m p a 的产品。汽车用油淬火 驴3 5 m m s i c r 阀门弹簧钢丝，目前应用水平为0 6 1 8 7 0 m p a ，即将达到口 6 ，2 0 6 0 m p a ；而疲劳寿命国外实物水平已达1 0 8 1 0 9 次，保证值为5 1 0 7 次。 在加工性能方面，由于偏析的减轻。央杂物数量和表面质量的严格控制，以及 索氏体化率的提高，热轧盘条的总冷拔形变量可达9 5 以上，1 0 0 0 k m 的断丝次数小 于1 次。 此外，热轧线材的盘重已由原来的8 0 k g ，逐渐发展到1 2 t ，甚至3 t ；热轧盘 条的尺寸精度已达0 2 m m ，特殊情况下可达0 0 5 m m 。高精度、大盘重的热轧盘条 为进一步深加工( 冷拔) 实现高效、低成本和最终产品性能的一致性提供了良好条 件1 5 】。 3 河北理工学院硕士学位论文 1 2 控制冷却 在热轧生产中，生产出来的产品都必须从热轧后的高温红热状态冷却到常温状 态。这阶段的冷却过程将对产品的质量有着极其重要的影响。因此，如何进行线 材的轧后冷却，是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节之一。关于冷却热 轧钢，大量的强制水冷方法已经提出来了。其中，最合适的方法应该选择考虑合适 的冷却效果和冷却温度变化范围【9 1 。 对线材冷却的要求： ( 1 ) 二次铁皮要少，以减少会属消耗和二次加工静的酸耗和酸沈时日j ； ( 2 ) 冷却速度要适当，防止出现铁素体和贝氏体，以免降低钢材的二次加工性 能； ( 3 ) 要求得到索氏体组织，防止出现粗大铁素体和片状珠光体，以便取消二次 加工前的铅浴淬火； ( 4 ) 要求整根轧件性能均匀一致。 1 2 1 控制冷却的概念 控制冷却在轧钢领域内属于控制轧制的范畴，它是指人们对热轧产品的冷却过 程有目的地进行人为控制的一种方法。确切地说，所谓控制冷却，就是利用轧件热 轧后的轧制余热，以一定的控制手段控制其冷却速度，从而获得所需要的组织和性 能的冷土日方法。几十年来，许多工程技术人员和理论工作者为此做了大量的工作， 使得各种热轧产品的质量大大提高。直到目前为止，对控制冷却问题更深入的研究 仍在继续进行。 对线材控制冷却的研究工作丌始于五十年代末六十年代初。当时，由于连续式 线材轧机的不断完善和发展，轧制速度越来越高，盘重越束越大，由此带来的产品 质量的一系列问题，促使人们对原来的自然冷却方法做出改进。到了六十年代中 期，随着无扭线材轧机的问世，美国、加拿大、西德、只本等国都相继对线材轧后 冷却问题丌展了大量的试验研究，于是各种线材控制冷却方法也就应运而生。 1 2 2 控制轧制和控制冷却 采用控制轧制和控制冷却工艺对钢材进行强化，较之于其他钢材强化工艺，具 有节约合会、简化工序、减少能耗的特点。通过控制轧制温度、轧制速度、变形 4 河北理工学院硕士学位论文 量、轧后冷却温度和冷却速度，对钢材进行形变强化和相变强化，既能提高钢材强 度，又能改善钢材的塑性和韧性，对于低碳钢，还能保持良好的焊接性。是国内外 广泛推广采用的一项先进轧钢工艺 9 1 。控制轧制和控制冷却法通过控制微合余化钢 的变形温度、变形量和轧后钢材的冷却速度，可显著提高钢材的强度、韧性和焊接 性l j 】。 控轧和控冷工艺的特点( 与普通热轧相比较) 1 1 0 】： ( 1 ) 控制钢坯加热温度 根掘钢材性能要求来确定钢坯加热温度。对于要求强度高而韧性稍低的低合会 钢，加热温度可略高于1 2 0 0 c ；对于以韧性为主要指标的钢，其加热温度必须控制 在1 1 5 0 以下。 ( 2 ) 轧制后几个道次的# l n 温度 一般要求终轧道次温度嘻接近彳以温度，有时也将t 终控制在( r + 口) 两相区 内。 ( 3 ) 要求在奥氏体未再结晶区给予足够的变形量 对于低合金钢要求在9 0 0 9 5 0 c 以下的总变形量大于5 0 ；对于普碳钢通过多 道次累积变形达到奥氏体发生再结晶的温度。 ( 4 ) 要控制轧后钢材的冷却速度 提高快冷丌始、终了及卷取时冷却速度，以便保证获得必要的显微组织。通常 要求轧后第一冷却阶段冷速要大，第二阶段冷遽根据钢材性能要求不同而不同。 1 2 3 控制冷却的方法和目的 控制冷却的基本方法就是按照控制冷却的基本原理和工艺要求，首先将轧后的 线材在导管内用水快冷到所要求的温度，再由吐丝机把红热线材绕成环形线圈散布 在运输辊道( 链) 上，使其按要求的冷却速度均匀冷却，最后以较快的速度冷却到 可集卷的温度进行集卷、运输和打捆。 到目前为止，世界上已经出现多种线材控制冷却工艺装置，其中比较完备的有 斯太尔摩法、施洛曼法、间歇水冷法、e d 法以及流态床法等。下面简要介绍一下斯 太尔摩法。 - 5 河北理工学院硕士学位论文 线材轧制后经斯太尔摩线冷却，不但氧化铁皮少，且线材的机械性能和质量提 高了，并简化或省略了线材二次加工中的酸洗、热处理等工序，使线材生产水平大 大提高。 斯太尔摩控制冷却法是出加拿大斯太尔柯钢铁公司和美国摩根设计公司于1 9 6 4 年联合提出的。目前已成为应用最普遍、发展最成熟、使用最为稳妥可靠的一种控 制冷却法。这种方法的工艺却置特点是使热轧后的线材经两种不同的冷却介质进行 两次冷却( 即一次水冷、二次风冷) 。重点是在风冷段实现对冷却速度的控制。其 工艺钿置示意图见图1 1 。 1 2 图1 1 斯太尔摩冷却线工艺布置图 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a la m a n g i n gf i g u r eo f s t e l m o rc o o l i n gl i n e 1 ) 成品轧机；2 ) 水冷段； 3 ) 风冷段；4 ) 集卷筒 斯太尔摩冷却法的冷速可以调节。在水冷段可通过调节水量和水压的大小束控 制冷却速度；在风冷段靠改变运输机速度( 即改变线圈的重叠密度) 和改变风机风 量柬控制冷却速度。 斯太尔摩控制冷却法有三种形式：标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。 唐钢高线厂为延迟型斯太尔摩冷却。 延迟型斯太尔摩冷却法是在标准型的基础上，结合缓慢型冷却的工艺特点加以 改进而成的。它是在运输机的两侧装上隔热的保温层( 侧墙) ，并在两侧保温墙的 上方装有可灵活丌闭的保温罩盖。当保温罩打丌时，可进行标准型冷却，若关闭保 温罩盖，降低运输机速度，又能达到缓慢冷却的效果。它比缓慢冷却法简单但又经 济。由于它在设备构造上不同于缓慢型，但又能减慢冷却速度，故称其为延迟型冷 却。延迟型斯太尔摩冷却法的运输机速度为o o 1 3 m s ，冷却速度为l 1 0 s 1 。 延迟型斯太尔摩控冷线具有可变的控冷工艺，操作灵活，能够根据钢种的使用 目的和性能要求选用最佳的工艺配合，在新产品丌发领域罩有着广阔的| j i 景。它通 6 河北理工学院硕士学位论文 过先进的冷却工艺和轧制、加热工艺相配合，使产品质量和品种处于国内领先地 位，实物质量达到国际先进水平【1 2 i 。 硬线控冷的主要目的是为了获得最佳的综合性能，即具有良好的拉拔性能、高 强度和高韧性的索氏体组织。由于索氏体中铁素体与渗碳体的片层日l 距小，相界 面增多，因而使强度及硬度增高，但对塑性影响较小【1 4 j 。珠光体和索氏体两者实质 是同一种组织，只是渗碳体片层的厚度不同而已。索氏体的片层b j 距为o 2 0 4 弘 m ，珠光体的大于0 4 m 。索氏体( 细珠光体) 是由很薄的渗碳体和片状铁素体交 鹜组成的。尽管这种组织比粗大的或粒状珠光体硬，但具有较大的冷塑性变形能 力，对以后的冷变形有利。此外，高碳钢线材的冷却组织中的自由铁素体含量应该 尽可能少f 5 1 。 1 2 4 控制冷却各阶段的作用 控制冷却过程中各阶段的作用和控制原理是完全不同的。 线材轧后控制冷却般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、二次冷却及空 冷三个阶段。由于三个阶段的冷却目的和要求不同，采取的控制冷却工艺也完全不 同。如果只注意一次冷却而忽视二次冷却的控制，则其效果不一定达到要求。 l 、一次冷却一轧后控制冷却的第一阶段 一次冷却是指从终轧丌始到变形奥氏体向铁素体或渗碳体丌始转变的温度范围 内控制其丌始快冷温度，冷却速度和控冷( 快冷) 终止温度。采用快冷的目的是控 制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出，形成网状碳化物。固 定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁索体或渗碳体和珠 光体的转变做组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物的形 态，粗细大小和钢材的性能。经验表明，一次冷却的丌始快冷温度越接近终轧温 度，细化变形奥氏体的效果越好。 高碳钢线材轧后的一次冷却一般采用穿水冷却，将钢温出1 1 5 0 9 5 0 c 的终轧 温度快速冷却到8 0 0 6 5 0 c ，这样能使线材得到细晶粒组织，并在钢材表面形成均 匀的氧化铁皮层，减少氧化铁皮数量，并且有利子以后氧化铁皮的去除。 2 、二次冷却一轧后控制冷却的第二阶段 一7 河北理工学院硕士学位论文 热轧钢材进行一次快冷之后，立即进入冷却的第二阶段，即所谓的二次冷却。 二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度，以 保证获得要求的相变组织和性能。 线材的二次冷却又称为相变冷却。二次冷却的终冷温度一般是控制到相变结 束。高碳钢线材水冷后，经吐丝机成圈散摊在运行中的输送链带上( 或辊式运输机 上) 进行风冷。j ) l 冷后将得到很细的珠光体组织，用以取代铅浴处理。 对高碳钢和高碳合金钢轧后快冷的第一阶段可以冷至珠光体相变温度，从而阻 止奥氏体晶粒长大和碳化物由奥氏体中析出形成粗大的网状碳化物，达到降低网状 碳化物级别和细化珠光体球团尺寸的效果。同时，二次冷却可减小珠光体片层问 距，并改变其形貌。 3 、空冷一轧后控制冷却的第三阶段 经过一次冷却和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。由于快 冷固溶在铁素体中的碳化物来不及析出，在空冷过程中，随着温度的降低，不断地 在铁素体中弥散析出。 1 3 计算机模拟及性能预报 1 3 1 计算机模拟及性能预报的发展史 轧材性能预报是在控制轧制深入研究的基础上，于8 0 年代初逐渐发展起来的一 项以塑加原理、会属物理和计算机应用为主的综合应用技术。在过去，已经有大量 的研究涉及到了钢在冷却过程中的组织转变预报。然而，在冷却过程中，加热后的 奥氏体状态( 不同的成分，晶粒尺寸) 对相变动力学的影响的模型却有很少的报道 【1 6 1 。在2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，组织性能关系就被给予了很大的关注1 1 7 1 。7 9 年 英国的s e l l a r s 等人首先用物理冶会模型预报了带钢热连轧过程中显微组织的发展和 变化，9 0 年，c h o g u e t 等人又分别提出了综合性能预报的模型，以后，这项技术在 国外发展很快。在r 本，n s c ，k s c ，n k k 和k o b e 等人分别于8 8 年和9 0 年发表 了他们的研究成果，但是上述研究成果均是针对热轧板带钢而言。直到9 1 年 m o r a l e s 等人和9 2 年a n e l l i 才发表了高线控冷的组织和性能变化的模拟结果，9 6 年n a e e a g n o 等又发表了组织变化的预报。但是，上述学者在高线范围的研究，仅在 8 一 河北理工学院硕士学位论文 共析钢的范围，并未见到对于亚共析钢的研究报导。目前国内刊物尚未见有关于棒 材控冷工艺基础理论研究的报告。 机械性能预报涉及的是室温条件下微观组织参量与力学性能| 日j 的关系。自6 0 年 代以来发表的众多关系式，大多试图将力学性能直接与生产工艺参数，而不是与微 观组织参量建立起关系。8 0 年代以后的。性能预报”研究，不仅仅以工艺参数来表 示最终产品的力学性能，而且还以生产过程中的组织参量来预测产品的力学性能。 用计算机对材料进行组织模拟和性能预报的特点是可以随时跟踪材料内部的组织变 化【1 8 】。 1 3 2 计算机模拟及性能预报的内容 一个完整的组织转变和力学性能的数学模型包括几个子模型：初始组织模型， 热变形模型，组织转变和力学性能模型【1 9 1 。 热轧产品性能预报，主要包括三个内容： 变形奥氏体的显微组织变化模型。它包括轧制中的动、静念恢复，再结晶和 晶粒长大，以及变形诱导相变和沉淀等等模型。 加热和冷却过程的组织转变模型。其中包括( y la ) ai ，转变模型和奥氏 体或铁素体品粒长大，以及c n 化合物的析出和溶解模型等等。 性能预报模型。即一，0 6 ，以，一等力学性能指标与钢的成分和组织结构的 关系模型。 在定的轧制规程条件下综合求解上述三个方面的模型，就是计算机轧钢的主要内 容。模型的精度决定了预报的精度。 1 3 3 计算机模拟及性能预报的目的 计算机模拟及性能预报的目的是通过在线预报和控制，增加产量，降低生产成 本，提高产品质量【2 0 j 。 借助于现代变形理论和计算机技术对力能参数及组织参量进行模拟，是由于在 会属塑性变形过程中的各个阶段，金属内部组织的变化过程极为复杂，影响参数众 多且相互影响。如果单纯借助于物理模拟实验研究，- n 实验工作量大而复杂，二 来也无法全面、细致、深入地了解这些变化过程。只有将计算机技术与塑性变形的 9 河北理工学院硕士学位论文 物理冶会过程相结合，对塑性变形过程进行有目的、可控制的模拟，才能揭示变形 过程的实质和各影响参数问的关系，从而优化工艺过程，推动生产技术发展【2 1 1 。 模拟的另一个主要目的是由于大工业生产的环境下试生产所需费用极大，模拟不仅 解决了单一影响因素的提高，而且具有试验周期短，费用低等优势。 i o - 河北理工学院硕士学位论文 第二章模型的建立 2 1 轧制过程解析 2 1 1 轧制过程中温降的计算 轧伟4 过程中的温度变化主要包括：变形功引起的温升知，辐射引起的温降0 和 热传导引起的温降t c ，三者的代数和即为轧制过程中的总温降也即为t = t - t c - t p 。 ( 1 ) 变形功引起的温升计算 变形功的9 4 的能量转化为热能。对一个完整的变形区来说，轧制变形功所引 起的温度升高为： f 。= 0 9 4 w 4 2 7 g c ( 2 1 ) 式中 卜一变形功，k g m ； e 一变形区所包含的轧件重量，k g , c - _ 高温下碳钢的平均比热，c 。o 1 6 6 , 4 2 7 一热功当量。 如果变形区长度和轧件断面尺寸以m m 为单位， _ ( k g ) 可用下式计算： g = 7 8 1 0 4 6 均h 均 式中 一变形区长度，a i m ； b 均变形区内牟l 件平均宽度，m i l l ； “均变形区内轧件平均高度，m m 变形功与轧制力矩有关，其计算公式如下： w = m o = 2 p m 2 r r x 1 0 3 式中，卜变形功，w m ； 沪* l s d 力矩； 口一一个变形区长度的转角； p - 一道次轧制力。k g ； 一变形区长度，1 1 1 i n ； 口一力臂系数； 足厂轧辊工作半径，n l l n ； 则变形区所包含的会属重量 ( 2 3 ) 河北理工学院硕士学位论文 将g 和代入岛表达式，整理后，得： t p = 1 7 p l ( g r ，均) ( 2 4 ) 由以上过程可以看出，计算变形功所引起的温升需要计算轧制力。 我们利用e k l u n d 公式计算热轧时的平均单位压力，其公式为： p = ( 1 + m x k + r 0 其中肝一外摩擦对单位压力影响系数； 盯一粘性系数； ；一平均变形速度； 第一项( 1 + m ) 是考虑外摩擦的影响。朋由以下公式给出： i 6 + 振面一1 2 6 ： j = 一 + h 第二项乘积口；是考虑变形速度对变形抗力的影响。其中平均变形速度；值用下 式计算： 2 r 面而 = + h s e k l u n d 还给出了计算足和刁的公式： k = 0 4 0 ，0 | i x l 4 + c + m n ) r = 0 0 0 4 - 0 0 i t ) 式中卜轧制温度，； c 一以表示的碳含量； 加一以表示的锰含量。 当温度t 8 0 0 c 和m n 1 o 时，这些公式是符合实际情况的。 用下式计算：r = a 0 0 5 一o o 0 0 5 0 对钢轧辊，a = l ；对铸铁轧辊，a = 0 8 。 计算k 时，要考虑铬含量的影响，即 k = ( 1 4 0 0 1 t x t 4 + c + m n + o 3 c r ) 将以上各数据代入平均单位压力公式，得；。则轧制力j p = ；f 式中，一轧件与轧辊的接触面积，；，i ，i i l r l l 2 ； 卜接触弧长度，m i l l ； ；一轧件平均宽度，它等于入轧辊和出轧辊时的宽度的平均值，i ：旦兰， m m o 1 2 河北理工学院硕士学位论文 ( 2 ) 辐射引起的温降计算 轧制过程中辐射所引起的温降可由下式计算： t f2o 9 5 【( 意- ) 4 8 1 r l ( 尽7 凡一i ) c 5 ) 式中n 一轧件绝对温度，t i - - - - t l + 2 7 3 ： 风一单位长度轧件表面积，r a m 2 ； r ，一两道次日j 的间隙时问，s ； ，k ，一轧件断面积，舢2 。 ( 3 ) 热传导引起的温降计算 热传导引起的温降计算由下式计算： 七= a ( t t 一8 0 ) f 2 ， ( 2 6 ) 式中7 厂一个变形区长度的车l s t j 时问，s ； h 。一变形区内轧件平均厚度，咖； 爿一系数。 2 1 2 轧制过程中晶粒大小的计算 在线材初4 l 阶段，道次变形程度通常高到足以引起动态再结晶( d r 舯，而在 终轧阶段，尽管名义上道次变形程度低于d 足x 临界变形程度，并且道次日j 隔时问太 短，不能发生显著的静态再结晶，结果，应变随道次增加逐渐累积直到引起d r x 。 对于一个发生了d r x 的道次，在道次间将发生亚动态再结晶。在高z e n c r - h o l l o m o n 参数值下，也就是在高应变速率和相对较低温度下亚动态再结晶( 诬x ) 可使奥氏 体晶粒细化，在某种意义上，热轧中d r x 的真正重要性是它为m r x 建立了条件。 动念再结晶：是会属在热变形过程中所发生的一种再结晶软化过程。 亚动态再结晶：如果在进行动态再结晶时，变形停止( 如轧制道次间隙) ，则 因变形会属的温度还足够高，这些已经形成的动态再结晶晶核和讵在长大途中的动 态再结晶晶粒还会继续长大。这一过程为亚动态再结晶。 当道次日j 隔时日j 短到不足以引起显著的刷t z 时，利用这种晶粒细化技术的轧制 方法就被称为亚动态再结晶控制轧制。当道次间隔时问短到甚至不足以引起显著的 m r x 时，这种方法称为动态再结晶控制轧制。朋r 兄r 控制轧制工艺只能用于连轧机轧 1 3 河北理工学院硕士学位论文 制过程( 即短的道次f b j 隔时间) ，因为该工艺相对而言没有c 、n 化物沉淀和静态 再结晶的发生。 计算轧制过程中晶粒大小。首先要计算出引起d _ 足z ( 动态再结晶) 的临界变形 量5 c 。因为每道次后的软化机制是由于存在着常规的静态再结晶或动念再结晶，而 再结晶的类型取决于道次应变是否大于r c 。e c 与每道次轧前晶粒尺寸面，应变速 率s 和绝对温度有如下关系： 缸= 5 6 x 1 0 。4 d o ”z o 7( 2 7 ) 其中z = f e x p ( 3 0 0 0 0 0 8 3 1 n 是z e n e r - h o l l o m o n 参数。 经过一道次变形后的再结晶分数可由以下a v r a m i 公式表示： x = i e x p ( - o 6 9 3 ( l _ ) 9 ) ( 2 8 ) t o ， 其中a v r a m i 指数q 和半软化时间匀j 取决于软化机制是s r x ( 静态再结晶) 还是m r x ( 亚动态再结晶) 。 如果f f c ( 即发生m r x ) ，那么 l o ，- i 1 z - o $ “嗳笋) ( 2 1 0 ) 其中发生s _ 脐时，g = 1 ；发生m r x 时，q = 1 5 。 如果软化机制是s r x , 并且有足够时f b j 完成结晶，那么晶粒尺寸可由下式给 出： = 3 4 3 s - 0 5 d o “唧嚣) ( 2 1 1 ) 同样，发生完全 织x 之后的晶粒尺寸为： d = 2 6 x1 0 4 z 书 ( 2 1 2 ) 应该指出的是钆和d 的公式是在等温条件下推出的，而热轧温度是连续变化 的，这可以由s e l l e r s 和其合作者采用的“温度一补偿时f h j ”法或s e h e i l 的“附加规 定”来修j 下，而在现在的工作中，由于道次b j 隔时闽很短，岛，和d 可出自# 后两道次 温度的算术平均值算出。 晶粒粗化：对于普碳钢的线棒材轧制，道次间隔时间如通常比发生完全 i 咒r 所要求的时间长得多( t 0 9 j = 2 6 5 t o s ) ，因此完全再结晶后发生晶粒长大。晶粒 1 4 河北理工学院硕士学位论文 长大也发生在完全s r x ( 缸妒；4 3 2 t o j ) 的情况下。晶粒细化引用了h o d g s o n 等人 描述的经验方法。基本上，当晶粒长大时问大于1 秒时，晶粒粗化可由晶粒尺寸的 七次方公式较好的表达： 对于s r x ： d 7 = 7 “5 1 0 2 7 ( t # , - 4 3 2 脚c x 竽) ( 2 1 3 ) 对于m r x ： d 7 = d m r x 7 + 配1 0 2 5 - 2 6 t o s ) e x p ( 二篓警) ( 2 “) 但是对于较短的时日j ，利用这个公式会得到不现实的晶粒迅速长大的结果，为 避免这点，给出时日j 小于1 秒时，晶粒尺寸的二次方公式： 对于s r x ： 儿细2 “o l 。7 ( t , - 4 3 2 f o 加x p 警) ( 2 1 5 ) 对于m r x ： 排2 “2 1 0 7 ( ，驴_ 2 6 5 t 0 ) e x p ( 号警) ( 2 1 6 ) 其中，适当选择常数以使两曲线在大约1 秒处相交，进入下一道次的晶粒尺寸 设为d o ( 已发生再结晶或已长大) 。 部分再结晶：如果在两道次之间只发生部分再结晶，那么进入下一道次时的平 均晶粒尺寸可由“复合”型公式算出，其中考虑了前一道次软化和未软化的晶粒。 而+ l = j ，”d r x + ( 卜置) 2 而 ( 2 ，1 7 ) 其中妃由i j 述杰斛或巩似表达式给出。 部分再结晶同时也造成部分应变保留到下一道次，累积的应变s 。可由下式计算 出来： e o + i = f ，+ l + ( 1 一x f ) 毛( 2 1 8 ) 这就是代入公式( 2 7 ) 的用于决定在该道次d r ) 发生与否( 随后发生m r x ) 的应变值。 2 2 控制冷却过程解析 对于线材产品，绝大多数是要求得到具有良好拉拔性能的索氏体组织。而获得 这种组织的传统方法是对线材重新进行铅浴淬火处理。这就给后续的会属制品工艺过 程带来困难，使生产成本增加，工人劳动强度增大。采用控制冷却新工艺，不但能 1 5 河北理工学院硕士学位论文 够避免热轧后自然冷却的一系列不良影响，而且还能收到近似铅浴淬火的效果，因 而能够取代铅浴淬火。这是因为控冷新工艺所得到的冷却规范与铅浴淬火的冷却规 范相近的缘故。 线材的控制冷却就是通过控制相变前线材奥氏体晶粒大小和相变过程中的冷却 速度，来获得最终的产品性能。奥氏体晶粒大小由终轧条件和吐丝机自i 水冷箱喷水 冷却控制，而冷却速度由散卷冷却工艺参数来确定位扪。 2 2 1 水冷过程解析 水冷线是成品控冷的一部分，用来调节吐丝温度，与风冷线协调控制成品内部组 织和性能l 。水冷的另一目的是使线材具有较细且较均匀的晶粒，为进一步提高控制相 变过程质量准备条件，同时减少线材高温下氧化铁皮的生成。 在水冷过程的计算中，需要解决两个问题：一是水冷段温度场的计算；二是吐 丝晶粒尺寸的大小。 2 2 1 1 水冷段温度场的计算 终轧温度通过改变奥氏体的晶粒大小和分布以及冷却过程中的温度分布，从而 大大影响组织改变1 。转变前奥氏体晶粒度对转变组织有较大影响，而转变组织又 影响成品线材的机械性能。高速线材轧机的精轧机组，由于轧制速度高，道次间隔时 f h j 短。轧制影响主要表现在形变奥氏体晶粒是否在轧制后充分发生动念再结晶，形 成等轴新晶粒。新生的等轴奥氏体晶粒在出精轧机进入水冷段过程中不断长大，其最 终大小取决于水冷状况，即线材吐丝温度决定着转变日订奥氏体晶粒的大小陀鄞。 由于线材在水冷段中运行速度快，热交换时间短，计算线材冷却过程需要了解 线材向周围冷却介质( 水或空气) 传热的规律。线材在整个水冷段的冷却，可以用 以后介绍的差分方