（材料加工工程专业论文）φ800轧机工艺优化及自动压下控制.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 本论文是结合湘潭钢铁企业集团公司第二棒材厂的现场生产条件，通过在 n 也刚e c m a s l d r - z 热模拟实验机对3 6 m n 2 v 和3 7 m n 5 钢种进行热模拟实验，并对实 验结果进行分析，从而对二棒厂的8 0 0 轧机工艺进行优化，制定合适的轧制工艺，同时由 于原孔型系统不适合生产大规格的棒材产品，所以也对其原有的孔型系统进行了改造，并 且将原来的手动压下改造成计算机控制。 基于对以上情况的研究得到了如下的主要研究结论： 1 通过单道次压缩实验，采集应力应变曲线上典型的数据进行多元非线性回归得到流 动应力数学模型，该数学模型的结构简单，计算精度也较高，可用于实际生产中。 2 对原有的孔型进行改造，在满足现场生产条件的前提下，能够保证生产大规格的棒 材产品。 3 通过单道次压缩实验分析了棒线材轧制过程中的动态再结晶：动态再结晶易发生在 变形温度较高、变形速率较低阶段，同时通过非线性回归出了临界应变的模型；通过多道次 压缩实验分析了棒线材轧制过程中的静态再结晶。 4 应用p l c 控制8 0 0 轧机的压下，相比原来的手动精确很多。 关键词：热模拟试验流动应力动态再结晶静态再结晶临界应变 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h eo n - t h e - s p o tw o r k i n gc o n d i t i o no fs e c o n dr o dm a n u f a c t u r i n g w o r k s h o po fx i a n g t a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y b ym e a n so fc o n d u c t i n gh o ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n to n3 6 m n 2 va n d3 7 m n 5s t e e li nt h e r m e c m a s t o r - z h o ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t m a c h i n e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e ds oa st oo p t i m i z e8 0 0r o l l i n gm i l lc r a f to fr o d m a n u f a c t u r i n gw o r k s h o pa n dd e s i g ns u i t a b l er o l l i n gc r a r b e c a u s et h ef o r m e rp a s ss y s t e mi s u n s u i t a b l et op r o d u c er o dp r o d u c t so ft h eb i gs p e c i f i c a t i o n , i th a sb e e nt r a n s f o r m e dm e a n w h i l e a n dt h eo r i g i n a lm a n u a lp r e s s e sa n dp u t sa l en a n s f 0 n n e di n t oc o m p u t e rc o n t r o l s a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n tm e n t i o n e da b o v e ，s e v e r a lr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ca sf o l l o w ： 1 t h r o u g hs i n g l ed i s h e so fe x p e r i m e n to fc o m p r e s s i n ga n dp l u r a ln o n - l i n e a rr e g r e s s i o nb y g a t h e r i n gt h et y p i c a ld a t ao fs t r e s s - s t r a i nc u r v e s ，f l o ws t r e s sm a t h e m a t i c sm o d e li sg a i n e d t h i s m a t h e m a t i c sm o d e li so fs i m p l es t r u c t u r ea n dh i g l lp r e c i s i o ni nc a l c u l a t i o na n dc a nb eu s e di n p r a c t i c a lp r o d u c t i o n 2 t h et r a n s f o r m a t i o no ft h ef o r m e rp a s s , o nt h ep r e m i s eo fs a t i s f y i n gt h eo n - t h e s p o t w o r k i n gc o n d i t i o n , c 趾g u a r a n t e et h ep r o d u c t i o no f r o d so f b i gs p e c i f i c a t i o n 3 d y n a n l i cr e e r y s t a l l i z a t i o n s w e r es t u d i e d t h r o u g hs i n g l ec o m p r e s s i o n d y n a m i c r c e r y s t a l l i z a t i o ni sp r o n et 0h a p p e ni nt h ec o a r s er o l l i n go fh i g h e rd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d l o w e rd e f o r m a t i o nv e l o c i t y , m e a n w h i l eb yn o n - l i n e a rr e g r e s s i o nt h ec r i t i c a ls t r a i nm o d e li s g a i n e d ；s m i l er e c r y s t a l l i z a t i o n sw e r ea n a l y z e dt h r o u g hm a n yc o m p r e s s i o n s 4 c o m p a r e dw i t ht h em a n u a ld e v i c e ，t h ec a l c u l a t i o ni sm o r ep r e c i s ew h e np l ci su s e dt o c o n t r o lt h es c r e wg e a ro f8 0 0r o l l i n gm i l l k e y w o r d ：h o ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf l o ws t r e s sd y n a m i cc r y s t a l l i z a t i o n s t a t i c c r y s t a l l i z a t i o n c r i t i c a ls t r a i n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章引言 1 1 课题来源 本文针对湘潭钢铁公司第二棒材厂生产线，主要对轧制线进行改造，将方坯轧制线改 造为大规格圆钢轧制线，使其能够生产大规格圆钢以及生产非调质合金钢；并对8 0 0 可逆 式粗轧机进行自动压下改造，提高产品精度，从而满足日益增长的市场要求。 1 2 研究意义 湘潭钢铁公司第二棒材厂最初为湘钢的轧钢厂的初轧开坯部分，建于6 0 年代初，为 湘钢线材生产6 0 方坯，主要原料为钢锭。9 4 年轧钢厂又分为初轧厂和线材厂，初轧厂就 是现在的二棒的前身。分家后，初轧厂仍为开6 0 方坯，并在9 4 年开始至9 7 年给高线和 中型轧钢厂开过1 5 0 方坯。在9 6 年又顺利消化了轧制原料由钢锭改为连铸坯的过程，保 证了公司淘汰平炉的工艺连接。随着9 9 年公司决定对线材厂进行“一火成材”改造，初轧厂 也自己找出路，转产生产圆管坯，实现了自己的“一火成材”改造，进行了二次创业，并于 2 0 0 1 年更名为二棒厂，当时的基本设备为三座连续式加热炉，一架8 0 0 开坯轧机、4 0 0 t 剪、二架横列式5 0 0 轧机，两台热锯是利用6 5 0 的旧设备，及一架冷床，及利用老炼钢的 脱模改造成修磨后的发货车间，由于二棒生产管坯养活了自己，并于2 0 0 1 年开始又着力 开发了碳结园，为公司创造了可观的效益，2 0 0 1 年产量为3 4 5 万吨，2 0 0 2 年为4 4 5 万吨， 2 0 0 3 年1 1 月完成了4 8 6 万吨，并开始自己的第三次创业是半连轧改造，改造于2 0 0 3 年 1 2 月底开始到2 0 0 4 年2 月初结束，形成了新的现代化程度较高的工艺。 近几年，我国钢铁生产始终保持连续、平稳增长的势头，钢材生产取得了长足发展， 钢材品种结构进一步优化，产品质量得到了很大改善，这些成绩的取得也得益于我国现有 轧机的技术装备水平的提高。但是，我们也应看到，目前钢铁企业所面临的严峻形势：一、 在经济体制由传统的计划经济体制转变为市场经济体制以后，钢铁企业必须适应市场规 律，在市场中求生存；二、随着供求关系的变化，钢铁企业必须适应由用户来选择钢材生 产商的买方市场；三、随着我国加入w t o 的临近，国外大批钢材将进入国内，国内钢铁 企业将面临更加激烈的竞争，尤其是近年来高端产品大规格高精度低合金非调质无缝管坯 生产难度大，国内短缺。因此，我们必须从现有设备出发，努力解决生产现场中所存在的 实际问题，用新技术来改造和装备现有系统和设备，提高自动化控制水平，提高产品的质 量，从而提高企业在市场中的竞争力。 综上所述，由于棒材生产的诸多优点以及国内外存在一定的差距，在尽量减少资金 投入而最大限度的获得利益的前提下，对湘钢0 8 0 0 m m 初轧机进行技术改造是十分必要 的，并且对大规格圆钢的生产都有十分重要的意义。 1 3 研究内容 针对现场情况计划研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 原来所用的意大利轧机孔型系统由于孔型系统多，每种孔型系统轧制的规格比较 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 少，因此所需的备辊也比较多，大大的浪费了资源，降低轧机作业率，新开发的孔型系统可以 最大效率的使用其孔型，并且满足公司提出的做大规格产品的要求。 ( 2 ) 原来的坯料尺寸小，为2 4 0 m m 的方坯，但是为了生产大规格的产品必须使用大规 格的坯料，所以现在改造以后的孔型系统要满足轧制大规格的坯料，同时要满足市场要求 生产多重品种的圆钢。 ( 3 ) 随着市场对棒线材要求越来越高，原来生产的碳钢已经不能满足市场的要求，现 在对非调制低合金钢的使用比较多，故在现场采集了3 7 m n 5 和3 6 m i l 2 v 两种钢种，模拟 现场生产环境，进行热模拟试验，研究出变性抗力和动态再结晶模型，从而对现场制订合 理轧制工艺制度，起到优化轧制工艺的作用。 ( 4 ) 二棒厂轧制生产线改造采用了具有世界先进水平的精轧机组，但c 9 0 0 初轧机仍采 用人工手动压下，轧件尺寸波动大，造成精轧机组轧制不稳定，给精轧机组的调整造成很 大的困难，影响产品质量和产量。公司要求2 0 0 5 年生产出口圆钢1 0 万吨，根据外商的合 同要求，产品尺寸精度高于国家标准g b 7 0 28 6 一组精度，在 8 0 0 初轧机采用人工手动 压下，轧件尺寸波动大的条件下，很难满足出口圆钢高精度的要求。m 8 0 0 初轧机采用自 动压下控制可以精确控制轧件的尺寸，为精轧机组稳定的轧制提供了必须的条件，可有效 的提高产品的质量和产量。在利用现有机械设备和电气设备的前提下，保留原系统的手动 控制功能，增加自动控制功能，将该轧机及压下部分改为自动控制，控制内容包括：根据 选定的轧制程序自动压下、0 8 0 0 初轧机轧辊的正反转和速度自动控制。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 第二章文献综述 2 1 轧制工艺研究现状和机理 目前对轧制工艺的研究主要集中在对变形抗力，动态再结晶的研究，国外做过大量 的轧钢过程中的热模拟试验，并且关于流动应力和临界应变的模型研究方面的论文很多。大 量的研究集中在9 0 年代，比较著名的研究小组有加拿大m c c j i l l 大学的j j j o n a s 教授的 课题组【卜埘，德国杜塞尔多夫m a x - p l a n c k 钢铁研究院的r a d k ok a s p a r 教授的研究小组 | 1 1 。1 6 1 ，比利时冶金研究中心的v l e r o y 教授 1 7 1 9 1 ，对奥氏体高温热轧静态和动态再结 晶作过深入研究的英国s h e t i i e l d 大学的c m s e l l a r s 教授的研究小组也进行了一些研究 例。此外。德国、美国、日本、法国、韩国等国家的一些研究人员也先后进行了大量热变 形的研究。从国外研究人员已经发表的论文来看，加拿大、德国、日本等国家对这方面研 究的技术非常的成熟，其研究的内容包括：热加工工艺参数( 变形温度、变形程度、变形速度) 对流动应力、临界应变的影响等。其他国家科研人员的研究也基本上涉及到以上研究范围。 总之，国外对合金钢的热变形行为的研究历史比较长、研究的内容也比较宽广，尤其是德国、 加拿大、日本等国家。 2 1 1 流动应力 2 111 流动应力的研究现状及机理 流动应力是金属各种性能指标中最重要的性能之一，从金属的使用角度来看，由金属 制成的结构件或零部件在使用时都不允许产生塑性变形，所以金属的流动应力是决定金属 构件或零部件工作载荷( 工作应力) 的依据。从金属塑性加工的角度来看，要使金属产生塑 性变形，对金属施加的应力必须达到或超过流动应力，所以流动应力又是计算塑性加工力 能参数的重要基础。在给定加工条件下，流动应力模型的预报精度是生产高精度尺寸钢材 的重要保证。 正是由于金属流动应力的重要性，使其成为研究最为广泛、研究内容最为丰富、研究 资料最为齐全的方向之。对于金属奥氏体区高温变形，目前已经建立了各种不同钢种的 流动应力资料，工程技术人员可以直接查阅、利用这些基础资料。对于冷轧来说，也已经 建立了比较齐全的各种不同钢种的流动应力资料。 但是，对于热变形条件下3 6 m n 2 v 的流动应力研究的还不充分，可供工程技术人员使 用的资料很少，尤其是国内目前仍然没有完整的对3 6 m n 2 v 钢的流动应力模型可供使用。 2 1 1 2 影响流动应力的因素 金属的流动应力受各种因素的影响，主要影响因素有金属的化学成分、变形程度、变 形温度和变形速度等。 碳是金属中的主要元素之一，随钢中含碳量的增加，一般是金属的强度指标随之增加， 即高碳钢的流动应力大于低碳钢。锰是主要的强韧化合金化元素之一，锰的加入会使金属 的流动应力增大。锰的影响还与其它元素( 如硫、铝等) 的含量有关。微量元素钒、铌、钛 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 等可细化晶粒提高金属的强度，同时，这些元素与碳、氮、氧有较强的亲和力，能够形成 稳定的碳化物，当析出碳化物很微细时，析出物会阻碍位错的运动而使金属的强度提高。 热加工工艺条件，即变形温度、变形速度和变形程度对金属的流动应力有很大的影响。 在热变形过程中，存在着两种类型的热变形应力，应变曲线1 2 ”，如图2 1 所示，即动态 回复型和动态再结晶型。两种应力曲线在极限应力前基本相似，但在超过极限应力后，它 们存在着重要的差别，对认识和分析热变形变形抗力曲线有着重要的意义。它们之间的区 别主要表现在： ： 暑 暑 i ms t r a i ne 圈2 1 两种类型的应力- 应变曲线比较 ( 1 ) 在变形开始阶段，应力急剧增加到某个峰值，这时主要是加工硬化占主导地位。 这个阶段两种曲线呈现一致行为。 ( 2 1 在不同的变形条件如变形温度不变增加变形速率或者降低温度而变形速率不变的 条件下。极限应力应变值相对提高，这时表现的是热加工硬化状态在相对加深，达到一个 极限值，这个阶段两种曲线呈现相似行为。对动态再结晶型的钢，这个极限应力前已有局 部动态再结晶出现，只是整个状态表现为硬化状态而已。而对动态回复型的钢，也有少量 的动态回复存在变形体中，但由于动态再结晶比动态回复型对铜的变形抗力影响效果要 强，因此两者趋势一样，但是表现的结果值却有所不同。 ( 3 ) 峰值应力阶段，这时两种曲线有着明显的不同。动态再结晶型曲线很快越过峰值 区，变形抗力随变形的增加而下降，其原因是根据动态回复机理和动态再结晶机理，这时 由于动态再结晶和动态回复对钢的软化效果大于热加工硬化峰值区的强化效果，所以总体 呈现为软化结果。而动态回复型曲线的峰值应力随应变的增加将继续增大，说明基于动态 回复机理的软化效果并未超过热加工硬化的强化效果，因此一直呈现为硬化行为。 f 稳定阶段，低于峰值应力的稳定阶段的出现是动态再结晶型应力一应变曲线的重 要标志。这时的应力越过峰值区后，呈现一种稳态流变应力，随应变的增加，应力不变或 变化很小，直至达到较大变形量。这时主要是动态再结晶机理起作用，晶粒细小均匀，从 而使整个变形容易进行。而对动态回复型曲线，表现为最大峰值应力没有降低而是近似于 水平发展行为，随应变的增加，应力稍微有所增加，也进入一种相对的稳定阶段，这时主 要是动态回复的软化与热加工硬化处于一种动态平衡状态，是两种机制互相制约结果。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1 2 临界应变 2 1 2 1 临界应变的研究现状及机理 钢材的性能取决于其内部的组织结构，目前控轧控冷技术在理论上的进展，使得有可 能在热轧过程中通过控制钢的组织进而得到所需的性能。轧制过程中奥氏体的再结晶规律 研究及对轧后铁素体晶粒尺寸的影响直接关系到产品的性能。 二十世纪八十年代，s e l l a r s 等首先完成了对c - m n 钢和含n b 高强度低合金钢及铁素 体不锈钢热轧板带生产过程中显微组织演变的定量描述。他们在大量热模拟实验的基础 上，开创性地提出了一套比较全面的静态、动态再结晶的预测模型，这些模型至今仍是再 结晶行为建模预测的代表 2 2 “刎。江阪一彬等在s e l l a r s 模型框架的基础上，对热轧过程不 同软化条件下奥氏体晶粒尺寸演变础上，对热轧过程不同软化条件下奥氏体晶粒尺寸演变 进行了比较准确的预测【2 5 】。c m n 钢和高强度低合金钢再结晶行为的研究和模型开发又不 断取得新的进展，相继出现了很多适合不同合金成分和工艺条件的数学模型 2 6 2 9 1 。 l a a s r a o u i 等采用双道次压缩实验，对含c u 、n b 和b 等合金元素钢以及低碳钢的高温变 形行为进行研究，分析了预变形条件和合金元素对再结晶的影响，建立了比较精确的再结 晶动力学模型【3 0 】。d i a h a z i 。h o d g s o n 等也分别从不同角度研究了含n b 钢的再结晶动力学。 s u n 等在单道次和双道次压缩实验的基础上，深入研究了静态再结晶和亚动态再结晶的发 生条件和动力学方程，从物理模拟和数学模拟两方面分析了低碳锰钢热带轧制过程各道次 和道次间隔时间的软化行为，为深刻理解奥氏体组织演变提供了帮助l 。 热变形间隙时间或缓冷过程中发生的再结晶统称为静态再结晶( 有时称亚动态再结 晶1 ，静态再结晶的驭动力是储存能。它是以结构缺陷所伴生的能量方式存在。影响储存能 的因素可以分为两大类：一类是工艺条件，其中主要是变形量、变形温度、变形速率；另一 类是材料的内在因素，主要是材料的化学成分和冶金状态等。静态再结晶和亚动态再结晶 的驱动力均为变形蓄积的应变能。因此能够影响应变能的因素均对静态再结晶和亚动态再 结晶有影响，关于这方面的研究工作己有大量的文献报道p 2 侧。w p s u n 和e b h a w b o l t 采用双道次法研究了变形工艺参数、奥氏体晶粒度等因素对a 3 6 和d q s k 钢静态再结晶和 亚动态再结晶动力学的影响，其结果是：变形温度的提高使静态再结晶和亚动态再结晶过程 均显着加快；变形速率对静态再结晶和亚动态再结晶过程有很大的影响，随着变形速率的增 加，静态再结晶和亚动态再结晶过程加快，这是由于变形速率增加，变形过程的动态回复 程度减少，位错密度增大，因而再结晶驱动力增大的缘故，在同样的变形速率下，亚动态 再结晶过程要快于静态再结晶过程；变形量对静态再结晶过程的影响与变形速率的影响类 似，即随着变形量的增大，再结晶过程加速，其原因也是因为位错密度增大的缘故例；初始 奥氏体晶粒增大对静态再结晶过程有延迟作用。 2 122 影响临界应变的因素 金属的临界应变受各种因素的影响，主要影响因素为变形程度、变形温度和变形速度 等。 对于动态再结晶型的应力应变曲线，如图2 2 所示，有三个标志点应力应变，丘为动 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 态再结晶开始的临界应变占。和对应的临界应力吒，由于动态再结晶的发生导致应力的降 低，但对于多晶材料，当达到临界应变后，应力并没有立即降低，而是随应变的增加。应 力继续增大，当动态再结晶引起的软化过程与材料内部未再结晶部分硬化过程相平衡的时 候，应力达到最大值一峰值应力吒，对应的应变为峰值应变岛，随后随应变继续增加， 应力逐渐降低，当硬化率和软化率平衡的时候，应力达到稳态应力匝，对应的应变为稳态 应变g 。但是，很难通过临界应力吒和临界应变巳来确定动态再结晶的开始点，因为临界 应变吒和临界应力s 。很难表现在实验获得的应力和应变曲线上，由于这个原因，一般是将 峰值应力吒和峰值应变作为唯一的动态再结晶开始的判据。对于应力和应变曲线没有 表现出明显峰值应力的材料，一般认为动态回复是唯一的软化机理。 l m ne 图2 2 典型的动态再结晶应力应变曲线 2 2 非调制合金钢 非调质钢是指在中碳钢中添加微量的强碳化物形成元素v 、n b 、t i 等，热加下后控制 冷却到室温，利用碳( 氮) 化物的析出强化，使其达到中碳钢调质后的强度水平，从而省去 调质处理工序。它不仅节省能源，缩短生产周期，还可避免淬火变形及开裂，提高产品质 量，具有重要的技术和经济意义。但非调质钢由于其冲击韧度和塑性的不足，尚不能完全 替代调质钢，因此人们不断地探索各种新的方法加以改善提高。温锻产品一般都表现出良 好的冲击韧度，将其应用于非调质钢，一方面不仅保持了非调质钢锻后不需热处理的长处， 另一方面通过对温锻工艺参数的优化。还可使非调质钢温锻件获得优异的强韧性配合引， 取代合金调质钢，进一步拓宽非调质钢的应用范围。此外温锻由于锻造温度的降低，节约 了大量用来提高锻件温度的热能，提高了锻件的尺寸精度，改善了锻件的表面质量，减少 材料用量，降低生产成本，也具有重要的经济意义。 非调质钢因为其高温成形后不需要进行后续的热处理，简化工序、节省成本而受到广 泛的关注，在诸多领域内逐渐得到应用。大量使用的结构钢制品通常都要进行淬火热处理， 这样既耗费能源又给热处理件带来弊病，如变形、淬裂等。非调质钢是在钢中加入微量元 素v 、n 等，通过控锻( 轧) 工艺，使合金元素以c 、n 化合物弥散析出，使钢达到调质 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 强度水平，从而省去调质处理，简化了生产工序，节约能源，并具有一定经济效益。非调 质钢主要用于汽车发动机、拖拉机的发动机、空压机的连杆，机床零件、轴类零件等。而 本文中3 7 m n 5 和3 6 m n 2 v 合金钢作为湘钢的主要产品，但是在国内对其研究的内容相对 比较少，所以对其流动应力和临界应变的研究也十分重要。 2 2 1 流动应力数学模型 为了建立流动应力模型必须计算与流动应力相应的轧件变形温度、变形速率、变形 程度以及钢的化学成分，用一个函数关系式可以表示为： 盯= 八t ，s ，w ，占) ( 2 1 ) 式中：1 _ 一轧制温度； 占变形速率； w 化学成分； s 变形程度。 金属变形温度对变形抗力的影响较大，结合实验资料曲线形式，其关系曲线用指数数 表示。变形程度对变形抗力的影响较复杂，不能简单采用单调递增的幂函数表示，虑到变 形温度、变形速率等因素的影响，采用非线性函数表示。变形速率对变形抗力影响，受变 形速率影响指数和变形温度等因素的约束，采用幕函数表示其间的曲线关。为便于在线控 制使用，金属变形抗力数学模型的建立应在保证一定精度要求的情况，结构应尽量简单。 主要的模型结构有： 仃= a 矿s “e x p ( b t )( 2 2 ) 式中：a b ，m ，l l 都是与材料和变形条件有关的常数； 盯= a 0 + c 矿) s “e x p ( b t )( 2 3 ) 式中：式中a ，b ，c ，m ，n 均为与材料有关的常数，m 则与材料和变形温度有关； 还有中国北京科技大学的周纪华等人的模型： 盯= 州叩+ a 0 ( 静吩x t + a 4x a 6 ( a 虬( - 1 ) ( 者】( 2 4 ) 式中：1 _ 一轧制温度： r ：丝堡，t - - 。c 1 0 0 0 甜变形速率； 占变形程度； 2 2 2 临界应变数学模型 金属热塑性变形过程中动态再结晶研究方法有金相法、应力计算法等。金相法是通过 金相组织检验测量动态再结晶分数，这种方法检验试样多、研究费用高、精度很难保证。 热变形过程是一个加工硬化和动态再结晶软化同时存在并相互作用的复杂过程，动态再结 晶开始和进行时，加工硬化并没有停止，金相组织检验难以清楚地区分动态再结晶软化组 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 织和加工硬化组织，动态再结晶分数难以用定量金相法进行测定。动态再结晶的体积分数 x 。与变形条件的关系一般采用a v r a m i 方程来表示，即： x 咖= 1 一e x p - k ( ( g 一占。) ，g ，) ”】 ( 2 5 ) 式中：k ，l i 卜取决于变形材料的常数； 丘一动态再结晶临界应变； 占。一峰值应变。 流动应力曲线上的峰值应变占，可由应力应变曲线上对应的峰值应力得到，而动态再结晶 临界应变占。则可由厶= ( 0 6 0 8 5 ) 8 p 计算得到。 意大利学者e t t o r ea n e l l i 成功的研究了从焊丝( e s l 7 ) 到钢丝绳( f f 8 2 k ) 线材的组 织演变，对线棒材在控轧控冷轧制中的组织演变进行了分析，得出的临界应变与轧制温度、 应变速率及奥氏体晶粒尺寸有关，其数学模型可用公式表示如下： 乞= 0 8 5 乞 ( 2 6 ) 占口= 口碟z 。( 2 7 ) 式中：表示临界应变。 s 。表示峰值应变。 磊表示原始晶粒尺寸( u r n ) 。 a 、b 、c 为常数，取决于不同的钢种，通过实验确定。 z 为z e n c r - h o l l o m o n 参数，它反映了温度和变形速率对变形的影响，可用下式表示； z = ；唰鲁) z = 占嘞【p ( 二竺一)( 2 8 ) 式中：舌表示应变速率( j 。) 。 t 表示绝对温度( k ) 。 r 为气体常数，取8 3 1 9 ( j m o lk ) 。 q o 表示激活能( r j m 0 1 ) ，通过实验确定。 2 3 轧制变形规程及孔型的优化 在轧钢生产中，坯料经过数道次的轧制，产生塑性变形，最终轧制出符合产品标准的 成品钢材，这一系列的轧制过程，是按着设计者根据生产条件所设计的轧制变形规程进行 的。因此，为使轧钢生产能够达到优质、高产、低消耗，则需要合理的设计轧制变形规程。 轧制变形规程的制订是轧钢工艺设计中基本的问题之一。在制订轧制变形规程时，总是希 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 望所制订的轧制变形规程是最好的。一般说来，最好的轧制变形规程，在单位时间内轧制 产品的产量最高，产品的质量最好，各种消耗( 包括电耗、燃料消耗、金属消耗、轧辊消耗 等等) 最少，因此该产品的经济效益最好。 要确定最优的轧制变形规程，按通常的经验法来制订要达到该目的是比较困难的。这 是由于用经验法确定某参数时，是在该参数的可行域内凭经验而确定的，很难做到确定的 该参数是最佳参数。在制订轧制变形规程时，有时可能制订出几个方案加以比较，择优选 取。这个比较、选择的过程，也可以说是最原始的优化过程。择优选取，首先必须有多个 方案，然后在这些方案中选择较好的方案。在一定的生产条件下，生产某个产品，在确定 轧制变形规程时，所涉及到的方案很多，单凭设计者的计算和经验是难以完成的。确定最 优的轧制变形规程，称为轧制变形规程的优化设计。 孔型优化的原则是在尽可能的减少轧辊磨损，并且最大效率的运用轧机的基础上进行 优化的。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章流动应力数学模型的建立 流动应力是反应金属加工性能的一个最基本量。金属在塑性加工时的流动应力大小， 不仅是衡量材料可锻性优劣的重要标志，也是设备选择和设计的依据。流动应力的变化也 在一定程度上反映了材料微观组织的变化。热加工过程中，由于变形的作用，金属组织在 两个方面发生变化：一是由于变形，金属中有加工硬化；二是由于变形及高温的作用，金属 中发生动态软化。由于金属层错能的不同，动态软化的方式各不相同。层错能高的，则仅 发生动态回复；层错能低的，则发生动态再结晶。影响流动应力的因素，除材料本身的特性 外，还取决于变形温度、变形程度及变形速率等。为此利用n m i m 正c m a s t c l r z 热模拟 实验机对其进行热模拟试验，从而得到变形温度、变形速率、变形程度对流动应力的影响， 并且用物理模拟和数值模拟的方法建立流动应力与各影响因素之间关系的物理模型和数 学模型。 3 1 流动应力试验研究 3 1 1 试验方案 3 6 m n 2 v 钢的热模拟实验在t h e r m e c m a s t o r - z 热模拟试验机上进行，实验材料取 自湘钢二棒厂0 8 0 m m 成品管坯。 热膨胀试样加工成8 x 1 2 m m 的圆柱形，试验具体形状如图所示。 图3 1 压缩变形实验试样尺寸 为研究变形温度、应变率、应变速率、晶粒度等参数对3 6 m n 2 v 钢流动应力的影响， 参照轧钢现场的j j n t - 条件，制定热模拟实验方案如图所示： 实验试样一共有3 组试验钢种为3 6 m n 2 v ，分别记为a 1 ，a 2 ，a 3 ；变形温度8 5 0 1 0 5 0 ；变形速率l 、2 5 、6 0 ( 1 s ) ；变形程度o 5 ； 表3 13 6 m n 2 v 的化学成分 l 成分cs im nvs 、pc r l w b o 3 3 o 3 8 o 1 5 o 3 51 4 5 1 8 00 1 0 o 2 0o 0 3o 2 5 3 1 1 1 晶粒尺寸测定试验 保温时间的不同会影响到晶粒的尺寸，试验过程中由于变形温度的不同所得到的晶粒 尺寸也将不同，将试样以l o 。c s 的速度加热到1 1 0 0 。c 进行保温，分别保温1 0 m i n 和保 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 温3 m i n ，图中1 表示保温3 m i n , 2 表示保温l o m i l l ，然后再将试样以5 。c s 的速度将试样 冷却到变形温度然后按图示中3 1 所示迅速淬火。 图3 2 晶粒尺寸测定试验 3 1 1 2 单道次变形试验 将试样以1 0 。c s 的速度加热到1 1 0 0o c 进行保温，保温1 0 m i n , 然后再将试样以5 。c s 的速度将试样冷却到变形温度然后按图示中3 2 所示进行变形试验，变形温度范围为 8 5 0 1 0 5 0，变形速率范围为l 6 0 s - 1 。最后经过变形以后再淬火。 图3 j 热变形试验 3 1 2 试验设备 热模拟实验在武钢技术中心t h e r 砸c m a s t o r z 热模拟实验机上进行， 也刚e c m a s t d r - z 是由日本f l l j i 电子工业有限公司与n i p p o nk o k a nc o l t d ( n k k ) 技术研究中心合作开发的通用型热加工模拟实验机。t h e r m e c m a s t o r - z 由高频感应加 热系统、电液伺服电动机控制系统、计算编程数据处理系统等组成。具有精确模拟金属热 加工条件的功能，以及精确测量和记录变形过程及变形后所发生的物理冶金学现象的功 能，例如，热变形过程的变形抗力、微观组织变化、塑性等，也能自动测量热加工过程中 和热加工后金属的相变行为。通过激光膨胀计测定变形后试样在直径方向上的膨胀量实现 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 相变过程的检测。 t h e r m e c m a s t o r z 热模拟实验机可用于下述研究领域： ( 1 ) 金属热压缩变形行为 1 熟加工过程中金属微观组织变化； 2 热变形过程中的静态回复和动态回复过程； 3 热加工过程中的析出行为。 ( 2 ) 金属热变形阻力测量 1 真应力应变曲线； 2 多道次变形过程中流动应力变化； ( 3 ) 热加工性和热塑性研究：金属热加工性能的评价 ( 4 ) c c t 和t r r 图的测定 t h e r 【e c m a s t o r - z 的主要测试功能： ( 1 ) 测量单道次和多道次变形条件下的变形抗力( 真应力一应变曲线) ； ( 2 ) 测量热变形后的相变行为( c c t 、t t t 图) ； ( 3 ) 测量热加工过程中金属的塑性； ( 4 ) 与上述测量有关的所有数据处理。 热模拟实验机的主要性能参数。 ( 1 ) 加热部分 l 加热系统：高频感应加热； 2 加热温度：从室温到1 4 0 0 ； 3 加热速度：压缩试样5 0 s ；拉伸试样1 0 0 c s ； 4 温度控制精度：士3 ； 5 气体环境；真空或者惰性气体。 ( 2 ) 冷却部分 1 冷却方式：气体冷却或喷水冷却； 2 冷却气体：n 2 、a r 、h e ； 3 冷却速度：最大3 0 * c s ( 用n 2 气体) ；最大6 0 。c s ( 用h e 气体) 4 冷却响应时间：气冷最大1 0 m s ；水冷o 5 一l s 。 ( 3 ) 加载部分 1 加载系统：液压伺服控制； 2 加载能力：压缩和拉伸最大都是5 0 0 0 k g ； 3 加载速度：最大5 0 0 m m s ( 在1 0 m m 处没载荷) ；最小o 0 0 1 m r 州s ( 最小可控速度) ； 4 道次间最小间隔时间：1 5 m s ； 5 试样的最大压缩量：z o m m ( 总压缩量) ； 6 负荷测定精度：士1 。 ( 4 ) 膨胀测量部分 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 1 膨胀测量系统：非接触式激光膨胀计测量试样径向膨胀量； 2 测量范围：0 2 m m 2 0 m m 。 3 测量精度：士1 m 。 3 2 流动应力模型的建立 金属材料的流动抗力是指金属在一定的变形条件下进行塑性变形时于单位横截积上 抵抗此变形的能力。变形抗力越小，则变形所消耗的能量也就愈少，从而降低生产成本或 提高工作效率。流动应力的大小与变形时的工艺条件有密切的关系。建立正确反映金属材 料力能参数与热变形工艺参数的数学模型，可实现轧制过程的计算机模拟，从而达到优化 热轧工艺过程，进一步提高钢材的力学性能和组织性能水平之目的。 3 2 1 影响流动应力的因素 在相同变形程度下，随变形温度的升高，变形抗力降低；在相同变形温度下，随变形 程度的增加变形金属内部强化作用增加，变形抗力随变形程度的增加而增大，但是变形抗 力随变形程度增加而增大的速度随变形程度的增加而降低；在相同变形程度下，变形抗力随 变形速率的增加而增大，金属变形强化作用较大。当变形程度达到一定值时，变形抗力出 现极大值，以后随变形程度增加，变形抗力不仅不继续增加，反而有减小的趋势。在较低 的变形程度、较高变形温度条件下，变形强化对金属变形抗力作用小；在较高的变形程度下， 强化作用对较低温度金属变形抗力的作用大。产生这种变化的原因是由于变形强化的存在 变形强化是金属随着变形程度的增大所呈现的强度指标增大、塑性指标降低、物理及化学 性能发生变化等现象的总称。金属的变形强化通常是由于塑性变形过程中，空间晶格产生 弹性畸变所引起。金属空间晶格畸变，会阻碍滑移的进行，畸变愈严重，塑性变形愈难于 产生，呈现变形抗力越大，塑性越低。随着变形程度的增加，晶格畸变增大，滑移带将产 生严重的弯曲，在滑移带中，晶体将碎化为微晶块，同时产生微观裂纹，这就近一步使金 属的变形抗力增大，塑性降低。 3 2 1 1 温度对流动应力的影响 不同变形温度下得到的应力应变曲线如图3 4 所示。 、 温度( ) ( a ) 不同变形温度的试验曲线( ”温度与应力的关系 图3 4 温度对3 6 m n 2 v 钢流动应力的影响 由图3 4 可知：3 6 m n 2 v 钢的变形抗力随变形温度的升高而降低。在变形程度相同的情 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 况下，随变形速率的增加，变形抗力增加；在变形速率相同的情况下，随变形程度的增加， 变形抗力增大。在较低的变形速率、变形程度时，随变形速率、变形程度的升高，在相应 的变形温度下变形抗力增加迅速；在较大变形速率、变形程度( o 4 ，o 5 ) 时，在相应变形温度 下变形抗力增加缓慢。这主要是由于在上述变形温度范围内，当变形速率小于、变形程度 小于0 4 时属于奥氏体未再结晶区轧制，在此区间再结晶软化作用不明显，由变形引起的 硬化起主要作用，因而导致变形抗力的差异减小。变形温度是对变形抗力影响最为强烈的 一个因素，随着变形温度的升高，金属原子热振动的振幅增大，为使最有效的塑性变形机 理同时作用创造条件，变形抗力减小，新的滑移不断产生，同时增加了非晶扩散机理及晶 间粘性流动，使变形抗力降低：在高温下发生回复和再结晶，可减轻或消除由于塑性变形所 产生的加工硬化，使变形抗力降低。 用计算机软件回归可以得到一个流动应力关于温度t 的指数关系式： 盯= a x e b ( 3 1 ) 其中a ，b 为常数，和材质及温度有关。 3 212 变形速率对流动应力的影响1 3 7 3 卅 不同变形速率下得到的应力应变曲线如图3 5 所示。 名 ， v r 遴 应变 变形逢翠 l s ) ( a ) 不同变形速率的试验曲线( ”变形速率与应力的关系 图3 5 变形速率对3 6 m n 2 v 钢流动应力的影响 试验发现变形速率对流动应力的影响也比较明显如图3 5 ( a ) 所示：在相同温度下随着变 形速率增大流动应力也相应的增大，而且也呈非线性关系，而且变形速率越小峰值越明显， 在相同变形程度条件下，随变形速率增加，变形抗力总体上是增大的。在变形程度较低时， 变形抗力有降低的可能，原因是再结晶软化作用；在变形程度较大时，变形抗力上升的趋势 明显，原因是加工硬化作用。 由图3 5 0 ) 可看出，变形速率对流动应力的影响也是呈非线性关系的，同时由于不同温 度得到的结果也不同，因此可以建立流动应力关于变形速率与温度之间的函数关系式： 盯2 c x u “ f 3 ，、 其中：c ，d 与材料和变形温度有关系； u 为变形速率，l s 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 3 2 1 j 晶粒尺寸对流动应力的影响 通过对试验进行不同的保温时间测定，得到不同保温时间下的应力应变曲线如图 3 6 所示。 00 20 40 60 8 oo 2o - 4o 6o 8 应变 应变 ( 曩) 保温3 m m 时的应力一应变曲线( b ) 保温l o m 虹时的应力一应变曲线 图3 6 保温时间对3 6 1 v l n 2 v 钢流动应力的影响 由图3 6 ( a ) ，( b ) 可以看出：不同的保温时间下，虽然得到的晶粒尺寸不同，但是保温时 间对应力应变曲线的影响不大，得到的图形形状和流动应力大小也差别不大。 晶粒尺寸实验如图3 1 所示，先将试样以l o s 均匀加热到l l o o 使其奥氏体化，保 温温度范围取2 1 5 l i l i n ，然后立即淬火得到不同的晶粒尺寸，试样的金相组织照片如图 3 7 所示。 ( a ) 保温3 r a i n 的试样( ”保温l o m m 的试样 图3 7 试样金相组织照片 由图3 7 可以看出随着保温时间的增加，在相同的放大倍数的光学显微镜下可以看出， 随着保温时间的增加晶粒逐渐变得粗大，而且非常明显。 3 214 变形程度对流动应力的影响例 在相同变形程度下，随变形温度的升高，变形抗力降低；在相同变形温度下，随变形程 度的增加变形金属内部强化作用增加，变形抗力随变形程度的增加而增大，但是变形抗力 随变形程度增加而增大的速度随变形程度的增加而降低；在相同变形程度下，变形抗力随变 形速率的增加而增大，金属变形强化作用较大。当变形程度达到一定值时，变形抗力出现 极大值，以后随变形程度增加，变形抗力不仅不继续增加，反而有减小的趋势。在较低的 蓦 渤 抛 脚 啪 o 毒6 r 龃 湖啪 啪啪m o o 皇一r 氇 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 变形程度、较高变形温度条件下，变形强化对金属变形抗力作用小；在较高的变形程度下， 强化作用对较低温度金属变形抗力的作用大。产生这种变化的原因是由于变形强化的存在 变形强化是金属随着变形程度的增