（材料学专业论文）特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析.pdf

大连理工大学博十学位论文 摘要 作为世晃第一产钢大国，我国的棒线材连轧生产能力亦位居世界首位。但在产品质 量以及生产高附加值产品等方面上还存在较大问题，与发达国家相比仍有相当大的差 距。为了满足社会需求和适应市场竞争，我国的钢铁企业必须不断改进生产工艺、改善 产品组织性能，同时降低产品开发与生产成本，缩短开发周期。现代轧制过程控制具有 多变量、强耦合、高度非线性和快速等特点。这就需要借助于先进的开发工具对产品及 其制造过程进行快速的设计和分析。以往在缺乏精确的系统分析时，传统工艺开发和新 产品试制依赖于昂贵而耗时的经验性试错方法。建立基于连续介质力学、传热学及固态 相变理论的棒线材控制轧制和控制冷却过程的数学模型能够为轧制工艺设计，产品组织 及性能控制提供科学有效的依据。随着计算机软、硬件的发展，有限元模拟技术在棒线 材轧制领域得到了越来越广泛的应用。本文以东北特钢集团特殊钢棒线材连轧生产线为 对象开展了有限元模拟研究。 棒线材热连轧过程分为控制轧制和控制冷却两个阶段。分别针对控制轧制过程建立 三维热一力耦合有限元模型，针对控制冷却过程建立二维温度场一固态相变场耦舍有限 元模型。 控制轧制阶段包括3 0 道次的连续轧制过程，是复杂的大变形过程。本文开发了棒 线材全线连轧过程三维弹塑性热一力耦合有限元模型，采用实际生产工艺参数建立模 型，模拟中8 m mg c r l 5 钢和0 5 5 m m3 0 4 不锈钢线材真实的轧制过程。将全部3 0 道次 的轧制过程按不同阶段拆分为若干有限元模型进行模拟。各有限元模型依次连续，可以 获得反映整体轧制过程的模拟结果。连续的有限元模型间通过基于有限元基本原理、插 值函数和等参变换等概念开发的数值传递方法，将当前有限元模型模拟结果作为下一模 型的初始条件进行求解和带入。数值传递技术为实现全线连轧过程有限元数值模拟提供 了基本保证。 轧制过程是快速成型过程，s l n 速度的变化范围很大，因此分别采用静力分析模型 和动力分析模型进行模拟研究。静力模型通过引入刚性体进行模型优化。一方面静力模 型中通过建立一个位于轧件后部的刚性体保持对变形体力的作用。另一方面采用刚性体 推动技术可以极大限度地缩短轧件模型长度，减少单元数量，获得满意的运算效率。动 力模型通过采用不同的时间步长设定方法进行优化。轧制过程模拟中，变形过程相对整 个轧制过程比例较小，而轧件在道次间隙运行的模拟耗费了较多的计算时间。采用自适 应步长技术对固定步长技术进行优化，合理分配计算过程中时间步长的大小和所需的计 算时间，极大限度地缩短模拟时间，提高运算效率。比较静力模型和动力模型的模拟结 特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析 果，可以看出两种算法都可以获得满意的运算结果，但静力模型的计算精度略高于动力 模型，而动力模型则具有较高的运算效率。模拟结果表明静力模型较适于模拟速度较低 的连续轧制初期，如粗轧和中轧：引入惯性力选项的动力模型适于模拟不能忽略速度影 响的后期高速车l sm j 过程，如精轧。 通过所建立的有限元模型可以获得控制轧制过程轧件不同部位不同时刻的温度情 况，以及轧件的轧制力、变形、应力应变等参数的分布和大小。将所获得的轧件温度场 模拟结果与实际测量结果进行比较，两者吻合较好；速度场模拟结果与工艺设定值吻合 较好，验证了计算结果的准确性和模型的可靠性。温度是热轧中一个极为重要的工艺参 数，影响变形过程和组织演变。对控制冷却过程进行建模分析，可以获得不同冷却工艺 下轧件的温度变化曲线。结合开发的组织演变模型对控制冷却过程轧件内部组织随冷却 工艺的变化情况进行研究，获得在不同冷却工艺条件下轧件的温度场变化曲线以及由此 获得的组织分布。控制冷制过程通过综合设置不同冷却方法对轧件的温度进行控制，模 拟结果表明不同的冷却参数将对轧件最终组织、性能产生显著的影响。 本文所开发的模拟系统能够较准确地模拟棒线材轧制过程中的轧件变形、金属流 动、温度变化及轧制力变化情况，预报轧后产品的几何尺寸、力能参数及固态相交组织， 可用于设计与优化轧制工艺。本文在模拟真实轧制过程的要求下建立模型并开发了不同 的优化方法，在准确模拟棒线材热连轧过程的基础上，最大限度地提高了运算效率，使 得在当前软、硬件条件下，建立真实道次间距模型模拟全线连轧过程成为可能，为进一 步深入研究轧制过程微观组织变化，通过模拟仿真手段开发、优化新产品、新工艺奠定 了坚实基础。 关键词：特殊钢：棒线材连轧；数值模拟；弹塑性力学；控制轧制；控制冷却；g c r l 5 钢：3 0 4 不锈钢 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t a st h eb i g g e s ts t e e lp r o d u c t i o nc o u n t r yi nt h ew o r l d c h i n ai sa l s on o 1o ft h e p r o d u c t i o nc a p a b i l i t yo fr o d a n dw i r ec o n t i n u o u sr o l l i n g b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m si n s o m ea s p e c t s ，s u c ha st h ep r o d u c t sq u a l i t ya n dt h ef a b r i c a t i o no fh i g h t e c h n i q u ep r o d u c t s ， w h i c hh a v eb i gd i f f e r e n c ew i t hd e v e l o p e dc o u n t r i e s t om e e tt h es o c i e t yd e m a n d sa n dt h e c o m p e t i t i v em a r k e t , c h i n e s es t e e lc o m p a n i e sh a v et om a k ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n tt ot h e p r e c i s i o n so fs h a p e ，d i m e n s i o n sa n dp r o p e r t i e so fs t r i pp r o d u c t ，m e a n w h i l es h o r t e nt h el e a d t i m ea n dr e d u c et h e d e v e l o p m e n tt h ep r o d u c t i o n c o s t m o d e mr o i l i n g p r o c e s si s m u l t i - p a r a m e t e r s ，s t r o n gc o u p l e d ，h i g hn o n l i n e a r i t ya n dr a p i df o r m i n gp r o c e s s a d v a n c e d d e v e l o p m e n tt o o l sa r en e e d e dt oe n a b l et h e md e s i g na n da n a l y z et h es t e e lp r o d u c ta n dr o l l i n g p r o c e s si na ne f f i c i e n ta n dp r o d u c t i v em a n n e r i nt h ep a s tw i t h o ma c c u r a t ea n ds y s t e m a t i c s t u d i e s ，t r a d i t i o n a lr o l l i n gp r o f i l ea n dn e wp r o d u c t sf a b r i c a t i o nw e r er e l i e du p o nt h e a c c u m u l a t e de x p e r i e n c eo fe x p e n s i v ea n dt i m e c o n s u m i n gt r i a la n de r r o r a p p r o a c h m a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n go fr o da n dw i r er o l l i n g p r o c e s sb a s e d0 1 1t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fc o n t i n u u mm e c h a n i c s ，h e a tt r a n s f e ra n ds o l i d p h a s et r a n s f o r m a t i o nc a np r o v i d em o r es c i e n t i f i ca n de f f e c t i v et o o l sf o r t h ed e s i g na n dc o n t r o l o fr o i l i n gp r o c e s st oo b t a i ns t e e lp r o d u c t sw i mr o l l i n gp r o f i l e o r g a n i z a t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p n t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。f es i m u l a t i o nh a s g a i n e dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nr o da n dw i r er o l l i n gi n d u s t r y n es p e c i a ls t e e lr o da n dw i r e c o n t i n u o u sr o l l i n gm i l lo f d o n g b e is p e c i a ls t e e lg r o u pi ss t u d i e dw i t hf es i m u l a t i o nm e t h o d n l er o da n dw i r eh o tr o l l i n gp r o c e s si sd i v i d e di n t oc o n t r o l l e d r o l l i n gp r o c e s sa n d c o n t r o l l e d c o o l i n gp r o c e s s t h e c o n t r o l l e d r o l l i n gp r o c e s s i ss t u d i e dw i t h3 d t h e r m a l m e c h a n i c a l c o u p l e df em o d e la n dt h e c o n t r o l l e dc o o l i n g p r o c e s sw i t h2 - d t h e n n o p h a s ec o u p l e df e m o d e l t h ec o n t r o l l e dr o l l i n gp r o c e s si sc o m p l e xd e f o r m a t i o np r o c e s sw i m3 0p a s s e s t h e r o i l i n gp r o c e s s e so f0 8 m m w i r eo f g c r l 5s t e e la n d0 5 5 m mw i r eo f 3 0 4s t a i n l e s ss t e e la r e s i m u l a t e dw i t h3 dt h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l e de l a s t i c p l a s t i cf em o d e l sd e v e l o p e dw i t ha s e r i e so f p r a c t i c a lr o l l i n gp a r a m e t e r s a l lt h e3 0p a s s e sr o l l i n gp r o c e s si ss e p a r a t e dt os i m u l a t e w i 血s e v e r a lf em o d e l sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o ns t a g e s w i t ht h ec o n t i n u o u sf e m o d e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew h o l er o l l i n gp r o c e s sw o u l db eo b t a i n e d b a s e do nt h e c o n c e p t i o n so f f e m ，i n t e r p o l a t i o nf u n c t i o na n di s o p e r i m e t r i ce x c h a n g e ，d a t am a p p i n gm e t h o d i sd e v e l o p e dt os o l v ea n dt r a n s f e rt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fp r e s e n tm o d e lt ot h en e x to n ea s i n i t i a lc o n d i t i o n d a t am a p p i n gm e t h o dm a k e si tp o s s i b l et os t u d yt h ew h o l em i l lr o l l i n g p r o c e s sw i t hf en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析 s t a t i ca n dd y n a m i cm o d e l sa r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l ya sr o l l i n gp r o c e s si sa r a p i df o r m i n g p r o c e s sw i t ht h er o i l i n gs p e e dc h a n g e sw i d e l y s t a t i cm o d e li so p t i m i z e dw i t har i g i db o d y t h er i g i db o d yi sp r o p o s e dt ok e e daf o r c eo nt h ed e f o r m a b l ei ns t a t i cm o d e la n di su s e dt o s h o r t e nt h eb i l l e tl e n g t h , r e d u c et h ee l e m e n ta c c o u n ta n da c h i e v eas a t i f i e dr u n n i n ge f f i c i e n c y d i f f e r e n tt i m es t e pm e t h o d sa r ep r o p o s e dt oo p t i m i z ed y n a m i cm o d e l i nt h er o l l i n gp r o c e s s s i m u l a t i o n , t h ed e f o r m a t i o np r o c e s si sv e r ys h o r tc o m p a r e dt ot h ew h o l ep r o c e s s ，a n dt h ep a r t o fb i l l e tm o v i n gi nt h ei n t e r p a s sc a u s e sal o to fc o m p u t a t i v et i m e a u t os t e pt e c h n o l o g yt a k e s t h ep l a c eo fc o n s t a n ts t e pt e c h n o l o g yt oc h a n g et h ec o n t r o lo ft i m es t e pa n dd i s t r i b u t et h e c o m p u t a t i v et i m ei ns i m u l a t i o n ，w i t ht h ep u r p o s e so fs h o r t e n n i n gt h en m n i n gt i m ea n d i n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y n l es i m u l a t i o nr e s u l t so fs t a t i ca n dd y n a m i cm o d e l sa r ec o m p a r e d i tc a nb es e e nt h a tb o t ho ft h et w oa l g r i t h m sc a na c h i e v es a t i f i e ds i m u l a t i o nr e s u l t s b u tt h e s t a t i cm o d e li sm o r ea c c u r a t e a n dt h ed y n a m i cm o d e li sm o r ee f f i c i e n t 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h es t a t i cm o d e li sf i tf o rs i m u l a t i n gt h el o ws p e e dr o l l i n gp r o c e s s ，s u c ha sa t r o u g h i n gm i l la n di n t e r m e d i a t em i l l ，a n dt h ed y n a m i cm o d e li sf i tf o rt h eh i g hs p e e dr o l l i n g p r o c e s st h a tt h ee f f e c to f r o l l i n gs p e e dc a n n o tb ei g a o r e ds u c ha sa tf i n i s h i n gb l o c k 1 1 1 er e s u l t so fs i m l a t i o nf o rc o n t r o l l e dr o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e r o l l i n gf o r c e ，d e f o m a t i o n , s t r e s sa n ds t r a i na r eo b t a i n e dt i m e l yw i t ht h ed e v e l o p e df em o d e l s t h e r ea r eg o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e sp r e d i c i t e db yt h es i m u l a t i o na n dt h o s e o b t a i n e db ye x p e r i m e n t a t i o n 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t so fr o l l i n gs p e e da r ef o u n dt ob ei n e x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t ht h es e t t i n g s i t sp r o v e dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e v e l o p e d m o d e l s t e m p e r a t u r ei s 锄i m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a t s h o w sg r e a ti n f l u e n c eo nb i l l e t d e f o r m a t i o na n dm i r c o r s t r u c t u r et r a n s f o 咖a t i o n n ec o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s si ss i m u l a t e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h et e m p e r a t u r ec u r v e s 谢t hd i f f e r e n tc o n t r o l l e dc o o l i n gs c h e d u l e s w i t h t h ep r o p o s e dt h e r m a l p h a s ec o u p l e df em o d e l ，t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o no fb i l l e ti nc o n t r o l l e d c o o l i n gp r o c e s si ss t u d i e d d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n sa t d i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d i nc o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s st h et e m p e r a t u r ea r e c o n t r o l l e dw i t hd i f f e r e n ts e t t i n g so fc o o l i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e e n d i n gm i c r o s t r u c t u r ea n dq u a l i t i e so f b i l l e t i ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o ns y s t e mi sc a p a b l eo fo b t a i m n gt h eb i l l e td e f o r m a t i o n ，m e t a l f l o w , t e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dr o i l i n gf o r c eo fr o l l e db i l l e td u r i n gr o da n dw i r er o l l i n g p r o c e s s ，a n dp r e d i c t i n gt h er o l l i n gl o a d s ，b i l l e td i m e n s i o n sa n ds o l i dt r a n s f o r m a t i o n s ，i tc a n b e u s e dt od e s i g na n do p t i m i z eb i l l e tr o l l i n gp r o c e s s s e v e r a lo p t i m i z i n gm e t h o d sa r ed e v e l o p e d w i t ht h ep u r p o s eo fs i m u l a t i o nt h ep r a c t i c a lr o l l i n gp r o c e s s o nt h eb a s i cd e m a n do fs t u d y i n g t h er o l l i n gp r o c e s sa c c u r a t e l y ，a l lm e t h o d sa r eu s e dt oi n c r e a s et h en m n i n ge f f i c i e n c ys oa st o m a k ei tp o s s i b l et os i m u l a t et h ew h o l er o i l i n gp r o c e s sw i t hp r a c t i c a lp a r a m e t e r su n d e rc u r r e n t h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n d i t i o n s n 埠s t u d yi nt h i sp a p e rm a k e saf o u n d a t i o no ff u r t h e r i v 大连理工大学博士学位论文 s t u d y i n gt h em 2 c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n si nr o l l i n gp r o c e s s ，d e s i g n i n gn e wp r o d u c t sa n d o p t i m i z i n gr o l l i n gm i l lw i t hs i m u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：s p e c i a ls t e e l ；r o da n dw i r ec o n t i n u o u sr o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e l a s t i c - p l a s t i cm e c h a n i c s ；c o n t r o l l e dr o l l i n g ；c o n t r o l l e dc o o l i n g ；g c r l 5 s t e e l ；3 0 4s t a i n l e s ss t e e l v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓十的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 ：望g 导师签名： 土年月笪日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 钢铁工业作为国民经济的基础原材料产业，在经济发展中具有重要地位，人类社会 的每一点进步都与钢铁工业的发展紧密相连【l 】。2 0 世纪8 0 年代初，中国钢铁工业开始 进入快速发展阶段，1 9 9 6 年钢产量已突破1 亿吨，2 0 0 3 年成为世界第一个钢铁产量突 破2 亿吨大关的国家。自1 9 9 6 年以来，中国连续9 年保持世界钢产量第一，2 0 0 4 年年 产量约占世界总产量的四分之一。改革开放的2 0 多年来，我国钢铁工业取得了举世瞩 目的成就，已成为世界第一产钢大国【2 】。在钢铁工业生产中，轧钢工业的出现是现代工 业革命的产物，而且迅速发展成为了钢铁工业中的主要生产方式。轧钢生产是钢铁材料 生产的后续工序，其装备水平、生产技术和管理水平，是钢铁工业总体水平的一个重要 反映。现代轧钢工业大体经历了两个发展阶段：2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，轧钢生产的 发展趋势是大型化、高速化、连续化；2 0 世纪7 0 年代之后，轧钢生产主要是向着提高 产品质量、降低消耗、优化轧制过程、开发新钢材和新品种的方向发展。 轧钢生产按其产品成型形状可分为棒线材轧制，板材、带材轧制，h 型钢轧制，钢 管轧制等。其中棒线材产品在工业、农业、建筑业以及其他行业中的应用极其普遍，由 于其所占比重大、应用范围广、需求量大等因素在轧钢生产中占有举足轻重的地位。作 为轧钢生产中重要的一项内容，伴随着轧钢技术的发展，我国钢铁工业腾飞的2 0 年也 是我国棒线材轧制技术飞速发展的2 0 年。2 0 多年前，我国棒线材轧制装备水平和生产 技术落后国际先进水平约3 0 年，而今其装备水平己大体接近国际先进水平。我国棒线 材轧制技术用2 0 年的时间，走过了约5 0 年的发展路程【3 】。2 0 多年来我国加紧了对棒线 材连轧机的建设，使我国棒线材的生产能力居世界首位。同时注重产品的开发和升级， 使产品基本能满足飞速发展的国民经济建设需求。至2 0 0 2 年底，我国棒线材生产总量 已约达8 9 0 0 万吨，其中连续式、半连续式棒线材轧机和高速线材轧机的产量已在6 0 以上【4 】。到2 0 0 4 年我国棒线材轧制生产拥有3 个世界第一，即轧机套数、年生产能力及 占钢材总量的比值。但是我国还不能称作世界棒线材强国，因为在产品结构、产品质量 上与世界工业发达国家还有一定差距，高精尖优异线材还需要依靠进口。正因如此，长 期以来努力发展我国棒线材轧制技术、提高轧速、增加盘重、提高精度及扩大规格范围， 从而提高产品竞争力，一直是国内科研人员努力探索和追求的事情。为提高竞争力，棒 线材轧制技术发展的直接目标可归纳为全方位地( 包括组织性能、尺寸精度、表面质量 和盘卷形状) 提高产品质量，在上述前提下增加收得率，提高成材率和生产率，降低生 特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析 产成本( 包括轧材深加工的成本) 。为了达到上述目标，在轧钢工序所采取的技术措施 则反映了棒线材轧制技术的发展动向，如强调轧制过程的控轧控冷，尤其是低温轧制技 术，已经成为新一代棒线材生产线所追求的目标，是2 1 世纪钢铁生产重点发展的技术 之一【5 】。 现代轧制过程控制具有多变量、强耦合、深度非线性和快速等特点【6 】，过程中主要 工艺变量关系如图i 1 所示。轧制过程控制的目的有提高产量、改进质量、降低成本、 改善劳动条件、提高劳动生产效率，其中改进产品质量以满足日益严格的用户需求是当 前轧制过程控制的首要任务。产品质量通常包括尺寸形状精度、内部组织性能、表面状 况等三个主要方面，围绕这些方面产生了一系列轧制过程控制的关键技术。早在上个世 纪8 0 年代，在荷兰阿姆斯特丹举行的世界钢铁会议上就曾指出：在轧钢技术方面，今 后主要集中在控制轧制、加强冷却以及棒线材的无头轧制等三项技术上。其中，控制轧 制和控制冷却是将轧制工程学、塑性加工理论、金属材料学、传热学和流体力学等学科 结合为一体的一门新学科，是热轧生产中的新技术和新工艺，是控制轧件组织性能的手 图1 1 轧制过程主要工艺变量之间的关系 f i g 1 1r e l a t i o n sb e t w e e nf o c u sp a r a m e t e r sd u r i n gr o l l i n gp r o c e s s 大连理工大学博士学位论文 段 7 】。并且随着时间的推移，棒线材轧制中控制轧制和控制冷却的生产应用和生产实践 在理论研究的基础上己取得了迅猛发展。控轧控冷在国外被称作t m c p ( t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) ，其中包括对变形量的控制和对轧件温度与冷却 速度的控制。对轧件温度控制的手段有机架间冷却和轧后加速冷却等。在成分一定的条 件下，热轧钢材的性能是由其微观组织决定的，而微观组织是伴随着轧制过程中再结晶、 晶粒形核与长大、相变、微合金元素的析出等一系列物理冶金过程演变的结果。决定上 述物理冶金过程的关键是轧制工艺制度，包括变形制度和温度制度。也就是说，对特定 成分的钢种，其组织性能是由轧制过程参数决定的【8 】。 控制轧制( c o n t r o l l e dr o l l i n g ) 和控制冷却( c o n t r o l l e dc o o l i n g ) 技术的研究始于 1 8 9 0 年至二次世界大战期间的德国，当时科研人员对钢铁制品的热加工条件、材质及显 微金相组织之问的关系进行了非系统的零散研究，只是定性地揭示了热加工条件和材质 问的关系。到了2 0 世纪6 0 年代初期，在美国科研人员定性地解释了热轧后的钢材继续 发生奥氏体再结晶的动力学变化后，这才从理论上某种程度地解释了控制轧制技术。到 了2 0 世纪6 0 年代末期，科研人员通过试验发现添加微量元素铌( n b ) 对提高单纯轧制 钢材的强度有效。随后进一步的研究表明，造成铌系钢材高强度的原因是由于微细铌碳 氮化合物的铁索体析出相强化造成的。同期英国钢铁研究机构( b r i t i s hi r o na n ds t e e l r e s e a r c ha s s o c i a t i o n ) 对轧制钢材的显微结构和机械性能的定量关系，铌、钒( v ) 的强 化机理，控制轧制原理等进行研究，证实了依靠物理冶金基础，进行合理的合金成分的 设计和轧制条件的设定，便能达到所期望的钢材目标性能值和显微组织。到了2 0 世纪 7 0 年代，对钢材强度、低温韧性、焊接性能要求更高了，而此时仅仅依靠传统的控制轧 制技术远远不够。于是在奥氏体控剖轧制的基础上，还需要控制冷却速度来控制相变本 身，于是开始了真正意义的控轧控冷技术的应用 9 】。从真正意义上讲，控制轧制和控制 冷却技术是2 0 世纪8 0 年代以来国内外新发展起来的轧钢生产新技术，能够明显地改善 和提高钢材的强韧性和使用性能，并且为节约能耗、简化生产工艺、开发钢材新品种创 造了有利条件。控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的 合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综 合力学性能的轧制新工艺。控制冷却是利用轧件的余热控制轧后钢材的冷却速度达到改 善钢材组织和性能的目的。控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢材的两种强化效果相 加，进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合力学性能【l 2 】。可见控制轧制和控制冷 却技术在提高产品的组织性能，降低钢材生产成本，提高企业经济效益等方面起着巨大 的作用。 一3 一 特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析 1 2 课题研究的背景及意义 随着钢铁工业技术的进步和发展中国家钢铁生产能力的不断扩大，世界钢铁生产能 力也持续快速增长【l ”。世界范围内钢铁生产能力已远大于需求，国际钢铁市场竞争加剧。 进入2 l 世纪，钢铁材料面临着更加激烈的竞争 1 4 - 1 5 ，而正是激烈的竞争推动着轧钢技 术的进步。世界轧钢工业和技术进步集中表现在生产工艺流程的连续化和紧凑化，过程 控制实现轧材性能高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化，即轧 钢生产转向质量型和低成本型的轨道【i “1 7 1 。因此我国轧钢生产虽然产量上能够满足市场 的需求，但无论从品种还是质量上仍不能满足国内外市场的需求，竞争力与发达国家相 比仍有相当大的差距。为此我国加大了对钢铁产业轧制技术研究的投入，专门设立了“9 5 重点科技攻关项目”、“9 7 3 超级钢项目”以及各省、部委资助项目等。自1 9 9 9 年以来， 不少国家都开展了类似我国“新一代钢铁材料研究”的研发项目。初步结果表明：1 ) 通过对轧制时温度与变形的控制，实现所需的形变与相变的耦合，还能够进一步发挥钢 铁材料的潜力。依据材料科学的新成果，开发新的特钢轧制技术，将是今后的重要任务。 2 ) 高精度轧制，即减定径轧制日益普遍，采用高精度轧制的目的是省略随后的冷拔和 机加工工序。 近年来计算机技术的飞速发展带动了塑性加工理论的发展和革新，同时带动了新技 术、新工艺的不断涌现。计算机辅助工程( c o m p u t e ra s s i s t a n te n g i n e e r i n g ，简称c a e ) 技术以其高效率、低成本的优势在轧钢工业中得到了广泛的应用。有限单元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 简称f e m ) 与塑性加工理论相结合，使得塑性加工工艺研究与优化从 过去以经验为依据、以“试错法”为主要工艺开发方法的传统阶段，向以模型化、最优 化和柔性化为特征和主要方法，“试验法”为辅助方法的现代工程科学阶段过渡。在用 数值模拟方法对金属塑性变形过程进行分析的基础上，借助计算机这个有力的工具，人 们可以对生产中金属塑性成型过程进行计算机模拟，实现系统优化、自动控制和检测， 超前再现许多用物理手段或试验难以进行的成型过程，并且通过改变相关初始条件能够 进行大量的工艺方案的制定、筛选和优化，最终实现生产的超前规划和设计【l ”。计算力 学以及传热学与数值模拟技术相结合，使得对高温塑性变形过程轧制过程进行模拟 成为可能，极大限度地改善了传统的轧制技术、产品和工艺的研究方法。采用数值模拟 方法结合一定的轧制物理模拟和试验，实现对各种轧制过程的二维、三维解析和模拟， 进而用于轧件尺寸形状预报、温度变化过程控制、力能参数优化、工艺参数优化和设备 设计，直至金属组织性能预报和控制。数值模拟技术的发展和应用，使得轧制试验、轧 机设计和工厂设计虚拟化达到更加直观和可行。计算机软、硬件的飞速发展使得采用三 维弹塑性热一力耦合有限元模型模拟轧制过程成为可能。此方面的研究工作已经广泛开 一4 一 大连理工大学博士学位论文 展起来，研究方向几乎涵盖了轧钢业的各个领域。在国外轧钢领域的数值模拟技术已经 十分成熟，称之为“c o r m i l ls y s t e m 1 1 9 l ，其典型模拟流程图如图1 2 所示。 图1 2 轧制过程工艺模拟的典型框图 f i g 1 2t y p i c a lf i g u r eo f r o l l i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n 随着控制轧制和控制冷却技术的不断研究与应用，对其基本原理的研究已经进行了 很多，目前也很全面和完善。但是在实际应用过程中，根据不同的生产状态以及不同的 生产类别存在很大的区别，由单一的生产实际获得的经验与工艺并不能有效地应用于不 同的特殊钢生产过程，因此需要分别对特定的生产线和产品属性进行探索，深入挖掘其 潜在的加工特性( 如轧制力能参数、控冷参数等) 。本课题是本研究室与东北特钢集团 特殊钢棒线材连轧厂的合作项目，是大连市优秀青年科技人才基金资助项目。东北特钢 集团股份有限公司前身大连钢厂投资1 0 亿元人民币于上个世纪末从德国引进了先 进的高速棒线材控轧控冷生产线，但是却没有配备与该套生产线配套的生产工艺。该生 产线自带了一套基于d o s 操作系统的孔径设计和控轧控冷过程温度场的计算软件，虽 然在孔径设计方面功能较好，但在温度场计算方面误差较大，轧制力能参数如轧制力、 轧制力矩等往往都采用经验公式获得，误差也很大。而且不能根据不同的轧制工艺获得 控轧控冷过程轧件微观组织变化情况。因此依托此软件制定的控轧控冷轧制工艺很不完 特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析 善，直接影响产品的性能。另外，此系统并不具备二次开发功能，对于系统数据库中没 有的钢种，无法进行计算和控制。随着我国经济的快速发展，工业化进程的加速，以及 国民对物质生活质量提高的巨大需求，我国特殊钢棒线材生产在钢材生产中所占的比重 越来越大。过去对于新产品轧制工艺参数的制定一般采用“试错法”进行探索，即通过 实际s l n 试验探索出合理的轧制工艺参数。由于特殊钢棒线材轧制生产具有产品批量 小、种类多、产品更新快等特点，这样就需要进行大量的实际生产轧制试验，不仅占用 生产线、影响生产进度、浪费生产原材料、浪费大量的人力和物力、造成研发费用高， 而且这种方法也具有很大