第13讲 热轧过程的组织性能预报和控制Word文件下载.docx

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当前，在钢材生产中，板带钢的产量占据首位。

我国通常规定钢板厚度在4-20mm范围内的为中板，4mm以下的称为薄板，20mm以上的为厚板。

从近二十多年来带钢的发展看，在钢铁生产中，板带钢具有经济上和技术上的重要性。

在世界范围内，各工业化国家板带钢不仅在产量上不断增加，而且在钢材生产中所占比例也不断提高。

这表明板带钢的生产无论对钢铁工业，还是对钢材加工业都有越来越重要的意义。

而我国的板带钢产量及其在钢材生产中所占比例远远低于世界上发达的工业化国家的平均水平。

板带钢广泛地应用在运输机械制造业、汽车工业、能源工业、钢铁结构、容器和仪器制造业。

对于板带钢生产，产品品种多，有锅炉板、高压容器板、桥梁板、海洋采油平台板，等等。

由于其应用领域的重要性及特殊性，对其产品组织性能和质量也具有较高的要求，不仅需要有较高的强度，良好的韧性，同时也要有良好的焊接性能、脆断可靠性等等。

这些产品性能都是通过钢材的化学成分和组织结构及合理的加工工艺决定的。

因此，研究钢板在生产中微观组织结构的变化对获得满足一定性能的产品是至关重要的。

就钢材生产而言，在低的生产条件下优化成品性能被看作是普遍追求的技术一经济目标。

轧制技术的发展以及用户对产品质量越来越高的要求使得人们需要更好地了解和控制轧钢生产整个过程的行为，因而掌握热轧生产中轧件的变形过程及组织变化过程，在此基础上进行产品组织性能的控制和预报就成为实现这一目标的重要课题之一。

然而，热轧生产过程是一个多种因素相互影响、相互作用的复杂过程，对这一过程进行实验室研究和生产实验，无论从经济方面考虑，还是从技术角度出发都会受到很大限制，甚至是不可能的。

因此，借助计算机、利用数值计算方法和物理冶金原理及塑性加工工程原理对热轧过程及组织变化进行模拟是最经济可行的方法。

众所周知，控制轧材最终金属性能的因素是：

累积应变、应变速率、温度、轧制过程中和轧后的冷却途径。

其中，轧后冷却是控制组织性能的直接因素。

因此，研究冷却过程中组织的变化是热轧钢材组织和性能预报这一研究领域的关键课题。

同时，在钢板生产中，所用坯料重，耗能多、消费大、生产成本高，用计算机模拟进行组织性能预报将大大减低生产成本和新产品开发费用，可以在更大范围内满足用户对产品组织和性能的要求。

随着市场竞争加剧及对后续生产的严格要求，钢材产品的质量问题越来越受到重视，尤其需要在加工过程中提高性能以减少品种、降低成本，从质量设计直到性能预测及在线控制。

钢材综合性能预报继厚控、板形控制以后，已成为第三个研究热点。

它的目的在于提高产品的质量，以求企业在激烈的竞争中生存和发展，故意义十分重大。

正因为此，北美十五家钢铁公司在北美钢铁学会组织下，五年投入750万美元巨资，进行综合性能预报及控制的研究。

该项目己完成，并在十四家钢厂得到应用，获得了巨大的经济效益。

它不仅在性能预报及控制中发挥作用，而且在合金设计、新产品试制、生产改进中也是一个不可缺少的工具。

正由于其显著效益，北美最近又扩大了其研究范围，近年欧洲也参加他们的合作研究。

此外英国等许多国家都投入了大量人力、物力开展这方面的工作。

显然，我国加强这方面的研究是十分必要和迫切的。

1.3轧材组织性能预报及控制的特点

对于热轧生产而言，综合组织性能预报的成功应用，取决于对高温下材料变形行为的正确认识及描述，即用恰当的数学模型来描述轧制过程中的金属力学及变形行为、金属组织变化及相变规律、温度变化规律等，从而准确地预测产品的最佳性能，在性能超出质量要求时实施控制，减少废品的产生，并提高产品的质量。

一个典型的板带钢热连轧过程包括加热、精轧、轧后冷却、卷取等（如图l-l所示），粗轧一般温度范围为1250-1070℃，将板坯轧薄同时，通过再结晶将粗大奥氏体细化，再进入5-7架精轧机，其温度范围约为1050-850℃，进一步细化奥氏体晶粒及轧薄产品。

下一步进入轧后冷却，将带材温度减到510-730℃，在相变区内快速冷却，以得到细化晶粒组织和较高的力学性能。

由此看出，产品性能受温度、变形量、冷却途径等众多因素的影响，而这些彼此相互影响的因素在生产中又是不确定的，甚为复杂，是一个复杂的系统过程，故必须进行综合研究。

图1热轧板带钢生产流程图

组织性能预报和控制同板带钢的厚度控制不同，它没有一个实测的目标值进行控制，再加上影响因素复杂，微观组织的动态演化，实现性能控制具有一定的困难，为此必须确定科学的预报及控制方法，使性能控制成为可能。

由于热轧生产过程是一个非常复杂的冶金组织变化过程，仅仅依靠物理模拟己无法准确地定量描述各工艺参数及性能之间的关系，信息技术及计算机技术的进步，目前物理冶金学及轧制工程学的发展，已有可能通过计算机对微观组织、性能及工艺参数进行综合模拟，建立性能同参数的关系，使性能预报及控制有了可能。

2轧材组织性能预报的发展状况

近年来，计算机技术的飞速发展极大地促进了其在金属塑性加工领域的应用。

计算机技术与塑性加工理论的结合使塑性加工从过去以经验和知识为依据，以“试错”为基本方法的工艺技术阶段向以模型化、最优化和柔性化为特征的过程科学阶段过度。

借助于计算机这个有力的工具，人们可以对生产中的金属塑性成形过程进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制和监测。

此外，生产前用计算机对生产过程、工艺参数及生产结果进行模拟和对整个系统进行优化，可以实现生产的超前规划和设计，这样就为塑性加工技术的进步提供了新的可能。

从六十年代开始，在热轧生产中，人们通过对控制轧制、控制冷却新工艺的开发应用和基本理论的研究，实现了在加工过程中提高产品的使用性能，并降低了成本。

随着控制轧制控制冷却工艺的完善和发展，组织性能预报也开始起步，一般说来75年10月在英国召开的Microalloying75会议在这方面做了较大贡献，对微合金化及控轧对改善钢的性能有了更深刻的了解，同时在组织性能关系的量化方面做了大量工作。

特别要提出的是Sellars教授在这一领域所作的研究工作，他发表了许多有价值的论文，比较全面地建立了数学模型，确定了加工条件下组织变化的关系，迄今性能预报的研究工作大都以他们所建立的数学模型为基础。

在这些工作的基础上，研究工作进入了一个新的实用阶段，即通过与计算机，量化模拟，对产品性能进行预报及控制。

八十年代以来，世界上各工业化国家对此投入了大量的人力、物力进行开发性研究，并将研究成果用于工业生产，取得了明显的经济和社会效益。

我国自八十年代末起也开始加强了这一领域的研究、开发工作，并已取得了可喜的进步。

随着计算机模拟技术的开发研究，人们开始了热轧过程中“物理冶金过程的模拟及性能预报”的研究，主要研究热轧过程中显微组织变化，奥氏体—铁素体相变行为的计算机模拟，以及轧后钢材力学性能的预报。

热轧过程的物理冶金过程模拟及钢材性能的预报系统一般分为三部分：

1根据化学成分和生产条件计算热轧过程中金属组织变化的模型；

2计算轧后冷却过程中金属组织变化的模型；

3由室温金属组织预报材料性能的模型。

各国都在这三部分的研究中投入了大量的人力、物力、财力，也取得了一定的研究成果，得出了不同的公式和模型。

对热轧板带生产过程已进行了大量的研究，并得到了一些应用良好的微观组织演化的模型。

图2为板带钢热轧工艺模型结构图，整个模型由若干个模块组成，对于不同的生产工艺，可采用不同的模块组合进行模拟。

各模型所采用的方法及所考虑的热-冶金现象、工艺参数和计算方法如表1所示。

近年来在北美、英国、日本、韩国等都开展了这方面的工作，可以说进入了一个新的阶段，其中最引人注意和在生产上应用效果显著的是Brimacobe教授领导的北美钢铁学会所做的研究工作。

他们联合北美十五家钢厂共同开发研究，他们的研究有如下特点：

1实践性强、预报精度高；

2效益显著；

3工作细致，紧密结合实际。

他们的工作已在生产中应用。

图2热轧工艺模型结构

表1热轧板带钢模型结构

粗轧机模型

卷取机模型

控冷模型

变形模型

有限差分法

热履历

轧制压力方程

氧化铁皮生长

奥氏体晶粒尺寸

再结晶

奥氏体晶粒长大

析出模型

层流冷却和水幕冷却

相变

析出强化

铁素体晶粒尺寸及其生长

精轧机模型

输出辊道模型

再结晶析出模型

残余应变

机械性能

有限元法

粘塑性

应变和应变速率

应力和轧制力

从当前世界范围内对轧后冷却过程中的相变研究以及组织性能关系的研究来看，由于各国钢种的成分控制及生产条件各不相同，各国研究者得到的模型，无论是相变动力学模型和相变后铁索体晶粒尺寸模型还是晶粒长大模型，也都不尽相同。

同时，对轧后输出台架上的冷却模型研究得也不多。

北美的经验值得我们借鉴，国内进行的研究工作主要是单一工厂、单一品种、单一参数的研究，从而影响了实用性，也就难在生产中见到效益。

当前组织性能预报应该根据各国已经研究出的子模型进行综合开发利用，结合本国的生产实际，走综合开发和工程实用的道路。

3控制轧制和控制冷却

钢材的控制轧制和控制冷却工艺是材料加工方面的一个重大突破，它是用工艺来控制和改变性能的手段和技术，更是实现热轧材组织性能预报和控制的不可缺少的重要措施。

3.1控制轧制和控制冷却的概念

控制轧制是通过对热轧过程中轧材的加热制度、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，以获得细小的晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制工艺。

它与普通热轧不同，其主要区别在于它打破了普通热轧只求钢材成型的传统观念，不仅通过热加工要得到所规定的形状和尺寸，而且要通过钢的高温变形控制晶粒的大小、形态及分布等以便获得通常需要轧后热处理才能达到的性能。

控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度，以达到改善钢材组织和性能的目的，由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体向铁素体或珠光体转变温度升高，相变后铁素体或珠光体转变温度升高，相变后铁素体或珠光体片容易长大，造成力学性能降低。

为了细化铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而采用控制冷却工艺。

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，从而使得通过改变变形工艺，强化钢材性能有了广阔的前景。

3.2控制轧制和控制冷却技术的发展

控制轧制和控制冷却工艺，作为一种有效的形变热处理手段，近年来已经成功地应用于钢材生产中。

1975年的“微合金钢国际会议”、1981年的“微合金钢形变热处理国际会议”、1988年的“钢和其它金属的形变热处理国际会议”、1995年的“高强度低合金钢国际会议”和1997年的“钢和其它材料的形变热处理工艺国际会议”等众多的国际性学术活动中，提出了大量有关控制轧制和控制冷却的学术论文，它们基本上代表了控轧控冷技术的发展。

控轧控冷技术的发展可以追溯到本世纪的四、五十年代。

二次世界大战期间，大量采用焊接结构的运输船只发生的焊接接口脆性断裂的事故，促使人们认识到提高钢材韧性的重要性。

由于当时的钢铁厂不具备热处理设备，为了生产强度级别在400MPa的高韧性船板，采用了“低温大压下”的方法，即在900℃以下经过总变形量为20-30%的3-6道次的轧制，来细化晶粒，改善钢材的韧性，以代替正火处理，从而形成了控制轧制的原始概念。

五十年代到六十年代，欧美及前苏联等国家在进行含Nb钢生产中发现，采用普通热轧工艺时，钢的韧性下降，从而促使了对合金元素、轧制工艺参数和钢的显微组织与力学性能之间的关系进行研究。

六十年代后期，日本大力开展了控制轧制理论和实践的研究工作。

这些研究成果为控轧工艺的发展提供了理论基础，并且开始用控轧工艺大批量生产用于铺设石油天然气管道的高韧性管线钢。

六十年代后，层流冷却系统首先应用在热轧带钢的生产中，由于加速冷却对于钢的晶粒细化和组织强化的作用，使人们把注意力集中到钢材轧后的加速冷却工艺上。

轧后加速冷却除了沿袭了控制轧制的特点外，还具有自己独特的优越性，它弥补了控制轧制易形成混晶和各向异性的弊端。

因此从80年代第一套在线加速冷却装置在日本福山厚板厂投入工业化运行后，迅速得到了推广应用。

目前所有的日本厚板轧机都已安装了加速冷却设备，欧美各地也采用了轧后加速冷却技术。

我国在“六五”期间就开始了控制轧制和控制冷却工艺的基础研究，武钢、宝钢、太钢等企业和钢铁研究院、东北大学、北京科技大学等科研院所合作，进行了16Mn钢和含Nb钢的控轧控冷工艺的研究和工业性生产，并且于“七五”期间，在重庆钢铁公司2450中板轧机上建成了我国第一条控轧控冷生产线。

但目前同日本等先进国家相比，我国在生产设备、钢种和生产工艺方面尚存在很大的差距，主要体现在性能波动大，一些强度级别高的钢种还不能生产。

4组织性能预报模型

影响热轧钢材最终性能的组织因素有位错、析出、晶粒度、固溶和基本晶格。

与钢材力学性能有关的强化机制有细晶强韧化、析出强化、固溶强化、相变强化和位错强化等。

各组织参量对钢材强度的影响如图3和4所示，其中晶粒度是影响钢材性能的最重要因素，相应地细晶强化则是钢材最重要的强韧化机制。

因为只有它可以在提高强度的同时也提高韧性。

图3组织因素对屈服强度的影响

图4各因素对HSLA钢强度的影响

D：

位错；

P：

析出；

G：

晶粒度；

S：

固溶；

F：

基体

表2低碳钢热轧过程中的金属学现象

工艺过程

金属学现象

加热

转变/晶粒长大/析出固溶物

轧制

再结晶/奥氏体晶粒长大/析出

冷却

转变/析出

为了预报热轧带钢的性能，需要建立一个精确的组织演化模型。

低碳和低合金高强度钢热轧带钢的微观组织模型可分为三个阶段：

加热、轧制和冷却（包括输出辊道的水冷以及随后的卷取）。

相应的将在这三个阶段所发生的金属学过程划分为三段（如表2）：

1奥氏体再结晶和晶粒长大；

2奥氏体→铁素体相变；

3冷却后碳、氮化合物在铁素体中的析出。

其中，在输出辊道上的奥氏体→铁素体相变以及随后在卷取过程中碳、氮化合物在铁素体中的析出显得尤为重要，两者通过影响相变产物（铁素体、珠光体、贝氏体等）、铁素体晶粒尺寸、析出物分布和固溶而影响力学性能。

表3有关静态再结晶动力学的计算模型

研究者

静态再结晶动力学模型

Dutta等

Nb钢X=1-exp[-0.00513（t/t0.5）2]

t0.5=Ad02-4exp（300000/RT）exp{[（275000/RT）-B][Nb]}

Hodgson等

Nb钢X=1-exp[-0.693（t/t0.5）0.9]

t0.5=（-5.24+550[Nb]10-18d02（-4.0+77[Nb]）exp（300000/RT）

Laasraoui等

Nb钢X=1-exp[-0.693（t/t0.5）n]

t0.5=1.2710-18-3.81

-0.36exp（404000/RT）

Medina等

X=1-exp[-0.693（t/t0.5）n]

Nb钢n=27.35exp（-40000/RT）

t0.5=3.94310-13-1.96

-0.44Dexp（262000/RT）

Ti钢n=4.81exp（-20000/RT）

t0.5=3.70210-12-2.15

-0.44Dexp（227000/RT）

V钢n=4.33exp（-17000/RT）

t0.5=3.10310-11-1.92

-0.44Dexp（198000/RT）

Willams等

Ni-Ti钢

t0.25=1.510-18d02（-0.025）-4exp（300000/RT）exp（30）[Nb]}

Siwecki等

Ti-V钢和Ti-V-Nb钢

t0.5=A10-20d02-4exp（350000/RT）

4.1奥氏体再结晶行为

在加热和轧制过程中的组织变化主要有：

加热过程中的奥氏体晶粒长大和碳氮化物的溶解；

在轧制过程中的加工硬化和动态再结晶：

以及在道次间隔期内的静态回复和静态再结晶。

热轧后奥氏体的组织状况将对随后冷却过程中的相变过程发挥重要的作用。

目前基于Avrami类型的动力学方程，对于动态再结晶的发生条件、静态再结晶动力学和静态再结晶后的晶粒长大等现象与热加工条件的定量关系已经基本建立起来了，模型给出的预测值，与热轧产品的组织状况基本相符。

表3总结了近年来不同作者建立的一些描述低合金高强度钢静态再结晶动力学的数学模型。

表4有关析出的热力学和动力学模型

析出相

热力学和动力学模型

Nb（C、N）

Liu等

TiC、N）

J=D0XTi/a3exp（-Q/RT）exp（-

G*/kT）

Ps=H（XTi）-1exp（-Q/RT）exp（-

Okafuchi等

（NbxTi1-X（CyN1-y）

0x1，0y1

I（t）=A（t）DxCx（t）p0.5Vp（kT）-0.5L-4exp（-

Samoilov等

（NbxTiyVz（CN）

x+y+z=1，1

Gp=（1+）（x

0GNbC+y

0GTiC+z

0GVC）

+（x

0GNbN+y

0GTiN+z

0GVN）-T1p+GEp

G\chem=

Gp-RT（xlnaNb+ylnaTi+zlnaV

+lnaC+lnaN）]/（1++）

Adrian等

（NbxTiyVz（Cv1-v）

x+y+z=1

Gm=xyG0NbC+x（1-y）G0NbN+vyVG0TiC

+v（1-y）G0TiN+zyG0VC+z（1-y）G0VN-TS1m+GEp

4.2碳氮化物的析出

钢中微合金元素如Nb、Ti和V的存在，将导致钢在加热过程中碳化物和氮化物析出相的形成，并且微合金元素的复合添加将导致复杂碳氮化物析出相的形成。

这是因为Nb、Ti和V的二元碳化物和氮化物都具有BI类型的结构从而可以互溶。

碳氮化物的形成改变了奥氏体的再结晶和晶粒长大行为，并且影响随后的奥氏体一铁素体相变。

目前对于析出行为的计算，在热力学方面都是基于Hillert和Staffansson的规则溶液亚点阵模型计算在固溶处理过程中复杂析出相的平衡溶解分数，以及热变形奥氏体中应变诱导析出相形核时的化学驱动力：

在动力学方面，一般采用KJMA方程计算析出相的体积分数和尺寸随时间变化的动力学关系。

表4总结了一些关于低合金高强度钢中碳氮化物析出热力学和动力学的数学模型。

4.3奥氏体-铁素体相变

表5有关奥氏体向铁素体相变动力学的数学模型

相变动力学模型

Lee等

I=ZNexp（-

G*/kT）exp（-/t），X/Xmax=1-exp[-I（t）V（t-）

T]

Saito等

J（t）=N（t）*Zexp（-

-exp（-/t）,

Pandi等

X=1-exp[-b（t-t0）n],lnb=0.03（TAe3-T）-4.13

Yoshie等

在晶界上形核Is=（/0）f2DcT-1/2exp（-f3/RT

G2）

形核与长大XGBF=1-exp[-（3/8）IsGf3（S/3）4t4]

位置饱和XGBF=1-exp[-SGft]

在晶粒内形核Is=（/0）f4DcT-1/2exp（-G*/kT）

形核与长大XGBF=1-exp[-（/3）IvGf3t4]

在轧后的冷却过程中，将发生热变形奥氏体向铁素体、珠光体和贝氏体的相变。

奥氏体的组织状况和冷却条件都会对相变行为产生影响，并且它们决定了相变产物、铁素体的体积分数和晶粒尺寸等组织参数。

目前对于相变行为的计算，在热力学方面一般是采用规则溶液模型和超组元模型计算各相相变的开始温度，例如Ar3，Arx和Bs等；

在动力学方面，一般是基于经典形核和长大理论计算相变产物的体积分数和铁素体晶粒尺