1、摘要I摘要对钢组织性能预测与控制技术可以省掉轧后的取样检验工序，而且可以买现对别材组织和性能的精确控制，是一项非常有发展前景的新技术。这项技术有很好的可移植性，有非常好的应用前景，应用组织与性能关系的预测和控制技术，大大减少了检测样品的数量，甚至可实现无检测交货，缩短了生产周期，提高了劳动生产率，使厂家获得了巨大的经济效益。这一事实己经在国外的一些钢铁公司得到了证实。随着人们对钢材性能质量要求的日益提高以及人工智能等相关技术的发展，组织与性能关预测和控制技术的研究和应用必将大有用武之地。利用计算机模拟组织演变己成为近年来研究的热点，用这种方式来进行产品组织预报以寻求更优的加工工艺，提高产品质量
2、，增加企业效益，在这种情况下轧钢生产中的自动化程度越来越高，产品质量也越来越好。特别是对于像 72A 这类高附加值线材产品生产中，准确的组织预报显得十分重要。本文首先分析了 72A 高线热轧过程中钢的组织演变（包括质量缺陷控制内容） ，结合沙钢 72A 钢种生产设备，在参考各国研究者发表的物理冶金学模型基础上，利用计算机和物理冶金模型模拟了微观组织变化，做出了奥氏体晶粒尺寸预报，对影响组织演变的工艺因素进行了探讨，并通过对软件的算法分析选择了合理的模型得到预期的结果。关键词:动态再结晶 亚动态再结晶 静态再结晶 晶粒尺寸重庆科技学院本科生毕业设计IIABSTRACTFor steel orga
3、nization performance prediction and control technology eliminates the sampling inspection process after rolling, and can buy now on the microstructure and properties of dont material the precise control, is a very promising new technologies. This technology has good portability, have very good appli
4、cation prospect microstructure and properties, application, the prediction and control of the relationship between technical, greatly reducing the number of test samples can be realized, even without detection delivery, shorten the production cycle, improved productivity, make the manufacturer has a
5、chieved great economic benefits. This fact f through some of the steel company in foreign countries are confirmed. As people quality requirements for steel performance increasing and artificial intelligence technology development, organization and performance prediction and control technology of clo
6、se study and application will certainly animations.The computer simulation microstructural evolution has become the hotspot research in recent years, with this approach to product organizations in order to seek better prediction processing technology, improve product quality, increase enterprise ben
7、efit, in this case steel-rolling production increasingly high degree of automation, product quality is getting better.Especially for like 72A this kind of high value-added products production, accurate wire the organization forecast is very important.This paper first analyzes the process of hot roll
8、ing steel rod 72A microstructure evolution, combining shagang 72A product equipment, steel grade.these steel published in the reference countriess based on physical metallurgy model, using a computer and physical metallurgy model to simulate the microcosmic change, made the austenite grain forecast,
9、 influence of microstructure evolution process factors were discussed, and through to the software algorithm analysis chose reasonable model get the expected results.Keywords: dynamic recrystallization dynamic recrystallization static recrystallization grain size目录目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .III1. 绪论 .11.
10、1 72A 线材及其生产的特点 .11.1.1 72A 线材制品 .11.1.2 72A 线材制品生产中的质量问题 .11.1.3 控制轧制在质量控制中的作用 .21.2 高线热轧过程及其组织演变内容.31.2.1 高线生产工艺 .31.2.2 线材生产微观组织演变过程 .41.2.3 相变过程 .61.2.4 过冷奥氏体的转变模型 .91.2.5 组织性能模型 .101.3 组织演变模拟及建模的具体内容.101.3.1 建模的意义 .101.3.2 建模方法 .101.3.3 材料加工数学模型的发展趋势 .111.4 组织预报国内外发展现状.112. 组织演变模型的选取 .132.1 组织演
11、变模型建立的内容.132.2 加热炉里奥氏体化过程中晶粒长大模型.142.2.1 等温条件下晶粒长大基本理论 .142.2.2 等温条件下晶粒长大模型选择 .152.2.3 连续加热过程晶粒长大模型选择 .172.2.4 连续加热过程模型建立 .172.2.5 模型中参数计算与选取 .192.3 热轧过程组织演变模型.192.3.1 临界应变模型 .192.3.2 亚动态再结晶动力学模型 .252.3.3 静态再结晶动刀学模型 .282.3.4 最终晶粒尺寸计算模型 .30重庆科技学院本科生毕业设计IV3. 轧制过程工艺模型 .353.1 轧件断面面积的计算.353.2 轧件的宽展模型.363
12、.2.1 粗轧机采用筱仓展宽公式 .363.2.2 中轧、预精轧和精轧采用 Z.乌萨托夫斯基(Z.Wusatowski)展宽模型 .363.3 温降模型.373.3.1 由辐射引起的温降模型 .373.3.2 由传导引起的温度计算 .373.3.3 由对流引起的温降计算 .383.3.4 由变形热产生的温升计算 .383.4 接触面积的计算.394. 软件开发 .414.1 编程工具的相关说明.414.2 软件功能.424.3 热轧过程组织演变模拟流程图.424.4 模拟软件的分析.444.4.1 软件界面 .444.4.2 参数算法 .48结论 .61致谢 .64附录 1 各道次孔型图附录
13、2 程序清单1 绪论11. 绪论1.1 72A 线材及其生产的特点1.1.1 72A 线材制品72A 线材制品的产品规格在 5.520mm 之间，用途：高碳钢丝，钢帘线，轮胎缘线，钢绞线，钢丝绳等。可以说，72A 线材多数用于高附加值的线材制品中。不但用途广，价值也高。特别地，SWRH72A 线材为石油钢丝绳用高强度镀锌钢丝及轮胎钢帘线的专用原料。其附加值高和用途重要，可见一斑。72A 线材在行业中利润可观，用量大，是一些企业的主要产品，也是拳头产品之一。1.1.2 72A 线材制品生产中的质量问题现在，在国内整个行业中的高附加值线材产品的质量问题突出表现在以下三方面：a、表面质量问题。多数厂
14、家生产的线材，直径尺寸公差为 ，氧化铁皮一般为m4.058kg/t;同时表面脱碳严重，一般大于直径的 2%，甚至存在折叠、耳子、裂纹等缺陷、从而严重影响了线材制品的质量。b、内部质量问题。化学成分控制精度低，成分波动范围大，偏析严重，硫及磷含量高，氧化物与硫话物夹杂严重，硬性夹杂物颗粒最大为 50m 以上且多。从而造成拉丝断头率高，且通条性能不好，强度差一般为 80 120MPa，严重影响使用性能。c、金相组织问题。索氏体组织不稳定。实际晶粒度为47 级，晶粒大小不均，从而造成一次减径率小于 80%，需要增加热处理次数；同时影响钢丝塑性与韧性指标 1。对于 SWRH72A，作为专用原料，由于其
15、制品的重要性，所以对线材的表面质量和尺寸要求十分严格，并要求组织均匀，具有良好的力学性能，低的夹杂物级别，不大于 0.05mm 的脱碳深度，少的氧化铁皮及小于 85%的总压缩量。首先，表面要求要光洁和不得有妨碍使用的缺陷，即不得有耳子、裂纹、折叠、结疤、夹杂等缺陷，允许有局部的压痕、凸块、凹坑、划伤和不严重的麻面，对硬线表面缺陷深度限量为：0.25/mm。另外，线材的氧化铁皮越少越好，这不仅可以提高金属的收得率，而且可以缩短酸洗时间，减少酸耗，甚至可以用机械除磷取代酸洗，根除环境污染。从易于去除和抗蚀性好的要求出发希望氧化铁皮的成分以 FeO 为主。要求氧化铁皮的总量小于 10kg/t,国外一
16、般可达 8kg/t。高温（1000 度）生成的高价氧化铁皮在后部机械除磷及酸洗过程中难以去除，因此要尽量减少。同时，对于含碳量大于 0.3%的线材，应严格控制其表面脱碳层得深度。脱碳的表面层形成犬牙状铁素体嵌入基体中，将严重影响线材的抗拉极限，尤其是影响线材的疲劳极限。其次，相组织上来讲，包括非金属夹杂物、晶粒度及显微组织等的要求。非金属夹杂物不仅对线材的性能有影响，同时对后部深加工有很大的影响。如对重庆科技学院本科生毕业设计2拉丝的断头率、断面收缩率和拉拔速度都有影响。晶粒度对线材的性能有影响。不仅对晶粒大小有要求，同时对晶粒大小的均匀程度也有要求。对于 72A 实际晶粒度有明确规定，由供求
17、双方确定。显微组织决定了钢材的性能，特别是力学性能及工艺性能。如对于 72A 线材不得有淬火组织（马氏体、屈氏体和马氏体区域） 。对于碳含量较高的（如 72%） ，其游离铁素体不的大于 1.5%，可分辨珠光体不得大于 20%，要求细片层珠光体即索氏体组织，这种组织有利于拉拔，可以省去预处理工序（在控制冷却中涉及，本文考虑控制轧制） 。此外，力学性能和工艺性能是线材使用最直接的质量指标。力学性能主包括屈服强度、强度极限、伸长率及面缩率等。工艺性能主要指拉拔性能、冷镦性能等即一次拉拔可达减面率、顶断裂敏感性等。对性能的要求着重于均匀性，同钢号、同批或同盘的性能差越小越好，有的厂规定每盘同一圈等距离
18、 6 个点的强度极限差不得超过20Mpa，同条强度极限差不得超过 30MPa，同批强度极限差不得超过 90Mpa2。1.1.3 控制轧制在质量控制中的作用控制轧制是获得理想的内部组织和优异性能的热轧技术，实质就是综合考虑轧制工艺制度、钢的组织结构和热轧钢材性能三者的关系，即通过研究如何控制温度、变形和时间等因素，优化热轧工艺规程，通过研究变形再结晶和固态相变等过程，改善轧态钢材的组织结构（主要是细化晶粒） ，使综合性能直接（不经热处理）达到或优化正火状态性能。控制轧制是现代冶金学中轧钢领域内的一项发展较快的技术，也是挖掘钢的性能潜力、开发新品种和节约能源的有效措施。控制轧制分高温再结晶区控制轧
19、制、未再结晶区控制轧制和两相区控制轧制。控制轧制法分三个阶段：变形和再结晶同时进行阶段；低温奥氏体变形阶段；奥氏体+ 铁素体两相区中变形阶段 3。控制轧制的作用：提高钢材的强韧性和性能合格率；节约能源，取消热处理，并减少投资，还可大幅度增加优质专用钢材的生产能力；节约合金，降低碳当量，改善可焊性；开发新品种，有效发挥铌、钒等微合金化元素的作用；简化生产工序，有利于生产连续化和自动化，实现计算机控制。对于三种类型的控制轧制，其作用机制是：高温再结晶区控轧时，控制奥氏体化时的晶粒长大与微合金化元素的碳化物得固溶量，实施高温奥氏体临界变形量，使再结晶晶粒细化；未再结晶区控轧时，利用变形量诱导微合金化
20、元素的碳化物析出与提高再结晶温度，实现奥氏体未再结晶变形叠加，为铁素体富化生核做准备；两相区控轧时，低温变形致使位错增殖与变形抗力提高，并发生动态 Ar3 点迁移。若两相区变形，则亚晶与织构的形成最终使铁素体晶粒细化与珠光体团减小（或产生针状铁素体）1 绪论3以及微合金化元素碳化物细小弥散分布。热轧过程分为高温控制轧制（两个阶段控轧） 、低温控制轧制（三个阶段控轧）和普通轧制的比较。经控制轧制后获得的组织有明显优势，达到了组织优化控制的目的。热轧工艺中所控制的参数有：加热温度与时间；高温再结晶区得道次变形量及变形温度；高温再结晶区得总变形量；待温停轧时的温度与时间；低温未再结晶区的道次变形量及
21、变形温度；低温未再结晶区的总变形量；两相区的变形量；终轧温度。在后面的计算机模型建立时具体阐述。另外，控制轧制的发展方向是：使控轧和控冷技术紧密结合，提高各种钢的综合性能和某些特殊性能，如高强度的非调质钢、奥氏体不锈钢、中高碳钢等；开发高温再结晶控制轧制新技术；深入研究复合微合金化机理，应用于控轧控冷技术中，以解决高屈服强度钢和某些专用钢生产上的难点；研究建立化学成分、工艺参数与钢的组织性能之间关系的实用数学模型和用计算机预测性能的方法；开发控轧控冷生产线全过程计算机自动化控制的技术等。1.2 高线热轧过程及其组织演变内容1.2.1 高线生产工艺高线生产通常使用的两种坯料：初轧坯和连铸坯。初轧
22、坯以钢锭为原料，经均热，开坯轧制而成。因此初轧坯具有规格范围广，钢种多的特点。钢锭进过压缩比为 2030 轧成的初轧坯的压缩比打，从而改善了组织。单初轧坯不能消除钢锭表面缺陷。也不能消除偏析、缩孔等内部缺陷。初轧坯的表面质量和内在质量主要取决于钢锭的原始状况。另外，初轧坯在生产中发生烧损并要切头、切尾，因此初轧坯金属收得率比连铸坯少 10%左右。连铸坯是用钢水直接浇注拉矫而成。连铸工艺较模铸开坯减少了钢锭再加热与开坯后的切头、切尾，金属收得率高，能源消耗少。就此而言，它具有初轧坯不可比拟的优点。但连铸坯小方坯的质量不易保证，小规格的连铸方坯不易生产，有些钢种还重庆科技学院本科生毕业设计4不能生
23、产。钢坯运入成批称重入库存放炉前上料钢坯质量检测单根称重加热粗轧切头尾中轧预精轧（轧间水冷）切头尾精轧（轧间水冷） 穿水穿水冷却 穿水冷却 冷却吐丝成圈散巷控冷集卷切头尾压紧打捆称重挂牌卸卷入库 4。 1.2.2 线材生产微观组织演变过程各个轧制设备所发生的冶金物理过程可以表述如下:在加热炉加热过程中，钢坯将发生奥氏体化的过程，也就是高碳共析钢室温下的珠光体转变成奥氏体，即奥氏体形核，奥氏体长大，残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化过程，在加热炉的均热阶段，随着时间的继续，形成的奥氏体将会长大。该物理冶金过程可以用奥氏体化模型表征。钢坯出炉后马上进行粗轧，然后中轧，接着预精轧和精轧。在轧制过程中方坯被
24、轧制成各种规格的线棒材或盘条。在轧制变形区内若轧制变形量超过了动态再结晶的临界变形量，则立刻发生奥氏体动态再结晶过程。在轧制道次间隙时间内或轧后冷却过程中，变形奥氏体晶粒将发生静态再结晶过程，根据轧制变形量的不同，可以把静态再结晶机制分为静态回复，静态再结晶和亚动态再结晶三种不同软化机制，如果在道次间隙时间内能够发生充分的再结晶过程，则变形奥氏体重新形成新的等轴奥氏体晶粒，晶粒得到了细化。如果发生部分的再结晶，则变形奥氏体晶粒会部分存在，从而产生残余应变。这个物理冶金过程可以用奥氏体变形再结晶模型表征，它又可分为动态再结晶子模型，静态再结晶子模型，亚动态再结晶子模型以及晶粒长大子模型等。为了使
25、相变时奥氏体晶粒尺寸细小，就需要控制轧后冷却，包括预精轧机与精轧机之间的水冷箱，和精轧机与吐丝机之间的水冷箱，也就是控制精轧入口温度，终轧温度以及吐丝机温度，其目的使得再结晶晶粒不能长大形成粗大的奥氏体。线材通过吐丝机后以盘条的形式铺在斯泰尔摩风冷线上，在风冷线下面布设了 n 各风机，对线材进行风冷，其作用为替代以前的铅浴淬火过程，控制相变过程以获得所需要的组织。这个物理冶金过程可以用奥氏体相变模型来表征。最后线材由集卷机集卷后空冷、打捆、卸卷、称重、入库 5。重点部分是热轧过程，坯料进入热轧过程中，由于轧制温度较高，故变形过程都在钢的奥氏体区进行，此时将发生回复和再结晶，将此时的回复与再结晶
26、称为动态回复和动态再结晶。钢在奥氏体区的变形，可以看成是加工硬化过称与动态回复和动态再结晶软化过程的叠加。典型的奥氏体区热轧应力应变曲线如图。1 绪论5图 1.1 奥氏体区热轧应力应变曲线图上标出了几个特殊点，其中（c,c）标志动态再结晶的开始；（p,p）是峰值点， （s，s）标志动态再结晶的全面进行。上图所示，第一阶段变形时，即在应力还未达到峰值 p 时，随变形量增大，位错密度不断增高，造成材料加工硬化。另一方面，由于变形在高温下进行，变形中所产生的位错能够通过交滑移和攀移运动而消失一部分，或进行重新排列，形成动态回复软化过程，即动态再结晶。当变形量逐渐增大时，位错的密度不断增大，从而使位错
27、消失的速度也不断增大，加工硬化速度逐渐减弱。但从总体来看，加工硬化超过动态软化。第一阶段的动态回复抵消不了加工硬化，随着变形量的增加，金属内部畸变到一定程度后，变形的奥氏体就将发生晶粒重组，产生新的晶粒。拉长的晶粒逐渐被新的等轴晶替代。随着应变量的增加，动态再结晶过程加快，直到变形量达到 s 时，变形的奥氏体组织全部进行了动态再结晶，这一阶段的奥氏体组织由被拉长的变形奥氏体晶粒和位于变形奥氏体晶界处等轴的动态再结晶晶粒组成。在此过程中，发生动态再结晶的条件是轧制过程中的应变必须大于临界变形量，图中 c 为发生动态再结晶的最低变形量，一般只有在大于 c 时，才会在钢的奥氏体区发生回复和再结晶。C
28、Mn 钢的 c 值为 0.80.9p 。变形量超过s 之后，流动应力曲线为水平线，这是由于动态再结晶软化与加工硬化达到了动重庆科技学院本科生毕业设计6平衡。这个阶段的奥氏体组织全部由动态再结晶晶粒组成。在随后的轧制间隙时间里，仍然不能完全消除奥氏体的加工硬化，这样组织将继续发生变化，力图消除加工硬化，使组织达到稳定的状态。研究表明，在变形停止的这段时间里，已经形成的动态再结晶晶核和正在长大途中的动态再结晶晶核还将继续长大，这一过程被称为亚动态再结晶，在随后的时间里，亚动态再结晶晶粒长大。而未发生动态再结晶的部分组织在间隙时间里发生静态再结晶及晶粒长大。亚动态再结晶和静态再结晶是有区别的，前者不
29、受道次变形量的影响，受温度影响较小，受温度影响较小，受变形速率影响较大，后者受变形量影响最大，温度次之，变形速率最弱。在发生动态再结晶时，完全静态组织变化模型模拟间隙时间的组织变化和实际有很大误差。这种将亚动态再结晶和静态再结晶以临界应变为界分开的方法虽然简单，考虑到线材轧制速度快、变形速率大的影响，有误差存在，单经前人验证仍然可以用来计算在间隙里的晶粒尺寸变化。1.2.3 相变过程随着控轧控冷技术在理论上的进展，为控制热轧钢材的宏观性能，对金属在热变形时再结晶规律的研究与应用是至关重要的。特别是计算机的应用及自动化水平的提高使轧制速度愈趋加快，如棒材热连轧尽管受到冷床的限制其轧速也达到了 1
30、8m/s；带钢热连轧的轧制速度高达 20m/s；而高速线材的轧制速度已高达 130m/s 以上。一些新工艺及新技术在轧钢生产中的成功开发与应用使轧制温度愈趋降低，开发超级钢时的控温轧制、以节能为目的的低温轧制等等。所有这些都对金属的再结晶软化程度产生重大影响。众所周知，根据控制轧制理论，奥氏体再结晶的变化除了影响金属的微观组织及宏观性能外，对轧制时设备负荷的影响也越来越多地引起人们广泛关注，这是因为任何新工艺、新技术的应用以及新产品的开发都必须以保证设备安全为前提。由上可见，无论是从控制金属的组织性能考虑还是从准确预报轧制负荷出发，都必须研究金属在整个热轧过程中奥氏体的再结晶规律。研究表明，现
31、代轧钢生产中，在涉及与轧制负荷有关的工艺、设备问题时，须考虑金属在变形过程中其内部组织结构变化的影响，否则将给计算结果带来过大偏差，这点应与传统的轧制观念相区别，可见能否定量模拟出高速线材轧制时钢内的组织变化情况对准确计算轧制负荷十分重要。通过计算机模拟研究了高线热连轧过程中各道次奥氏体的再结晶规律及其奥氏体晶粒大小的变化，初步尝试将理论和实验的研究应用于高线生产现场，为在实际生产中控制与预报高线的组织结构、提高轧制负荷的精确性提供理论上的依据。在高速线材轧制过程中，其可能发生的再结晶转变主要包括：动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶 5。等温转变曲线这种转变图最先是在 20 世纪 30 年代初,由达文波特（Davenport) 和贝茵(E.C.Bain)将共析碳素钢奥氏体化后,迅速冷却到各选定的温度保温,测定其在该温度转
