热连轧管线钢组织及力学性能预测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种热连轧管线钢组织及力学性能预测的方法，涉及工程轧钢【技术领域】；它根据物理冶金和传热学理论建立热轧管线钢组织及力学性能的初始模型，包括温度模型，轧制过程中奥氏体组织演变模型，轧后冷却过程中奥氏体相变组织分解模型及组织与性能关系模型；再通过实测的温度数据对温度模型参数进行调整，采用热轧及热模拟实验，研究实验钢种在不同变形及冷却条件下的再结晶及相变动力学规律，通过回归方法拟合出所求参数；最终通过集成上述模型，用VB语言编写计算热连轧管线钢组织及力学性能的软件。本发明可以预知产品最终的性能，解决钢轧制后机械性能和显微组织检验时，测试量大、周期长，人为因素影响测试精度的问题。
【专利说明】热连轧管线钢组织及力学性能预测的方法
【技术领域】
[0001] 本发明是涉及轧钢【技术领域】，具体涉及一种热连轧管线钢过程中预测管线钢的组 织及力学性能的方法。
【背景技术】
[0002] 在现有热轧钢技术中，各类钢轧制后大都需要抽样进行诸如抗拉强度、屈服强度 及延伸率等机械性能的测试检验，有的还需要进行显微组织的检验，这种抽样检验不仅测 试量大、检验周期长，而且测试过程中人为因素较多，影响测试的精度。针对这些问题，目前 国内外在这一领域开展了多方面的研究工作，通过对热轧钢轧制过程中物理冶金现象的研 究，构建成分、工艺、组织与性能的数学模型，从而能够计算最终产品的组织和力学性能。这 对减少样品检测，缩短生产周期，提高生产率及新产品的开发具有重要的意义。但是对于热 连轧带钢组织及性能计算存在的主要问题是计算的精度不是十分理想，特别是对于特定钢 种例如管线钢等微合金钢这类钢种，要做到精确计算还有一定的难度。要提高热连轧过程 中钢组织及性能计算结果的精度就必须结合特定的钢种和具体的设备及工艺条件进行开 发。
【发明内容】
[0003] 针对现有热连轧管线钢生产技术存在的问题，本发明提供一种预测热连轧管线钢 组织及力学性能的方法，它是以物理冶金模型为基础，综合应用这些基础理论，采用热模拟 实验与工业大生产实测数据分析相结合的方法，对所研究钢种在生产过程中的一些物理冶 金学现象进行了研究、分析及计算机模拟。在此基础上，根据研究轧制钢种的化学成份、温 度变化、乳制工艺、冷却制度及其组织状态，对该钢种组织与性能计算模型进行了研究，为 离线优化生产工艺提供模拟仿真平台。
[0004] 这种热连轧管线钢组织及力学性能预测的方法是：首先，它由温度模型、乳制过程 中奥氏体组织演变模型、乳后冷却过程中奥氏体相变组织分解模型及组织与性能关系模型 组成，
[0005] 所述温度模型的功能为计算轧件的温度，具体流程为：
[0006] 对于不同区段，分区段建立轧件的温度模型；在辊道上、乳制过程中以及冷却水降 温过程中均采用式（1)温降的计算公式
【权利要求】
1. 一种热连轧管线钢组织及力学性能预测的方法，其特征在于：首先，它由温度模型、 轧制过程中奥氏体组织演变模型、乳后冷却过程中奥氏体相变组织分解模型及组织与性能 关系模型组成， 所述温度模型的功能为计算轧件的温度，具体流程为： 对于不同区段，分区段建立轧件的温度模型；在辊道上、乳制过程中以及冷却水降温过 程中均采用式（1)温降的计算公式
式中：7；"+1为n+1时刻节点1的温度（K)，T1"为η时刻节点1的温度（K)，Γ为η时刻 aAt 节点2的温度⑷，r为热扩散系数（m/s)，F= ，ΛX为空间步长（m)，Λt为时间步 k 长为导温系数（m2/s)，C为钢的比热（J/kg*°C)，K为热传导系数（W/m*K)， Y为钢的密度（g/m3)，q为热流（W/m2 ·s); 1) 辊道上轧件温降计算 辊道上热流的计算公式为
式中：T为轧件绝对温度（K)，〇为斯蒂芬一波尔茨曼常数，ε为辐射率，Ta为环境温 度⑷；在中间辊道上、粗轧机架间的辐射率平均取〇. 82?0. 88 ; 2) 粗轧段轧件温降计算 将粗轧段轧制过程中辐射散热的温降、高压水除鳞中的温降、乳件与辊道间的热传导 及轧制变形热当作一等效换热系统，平均分配给各个轧制环节；其中等效换热系数Ht。由粗 轧后的测温仪实测值反算得到，粗轧段轧制时轧件热流密度由式（3)计算；
式中：Ht。为等效换热系数kWAm2 ·°C)，T为轧件温度（K)，Ta为环境温度（K)，Tkt4为 粗轧后实测温度（K)，Tfh为出炉温度和辐射累积温降的差值（K)，Th为出炉温度（K)，Tf为 粗轧过程机架间辊道上传送时总的辐射散热温降（K)，tK()llingS各机架轧制累计时间（s)， Havg为粗轧各架出口平均厚度（mm)，A为模型自学习项，Ttl为轧件初始温度（K)，τ为辊道上的累计运行时间（S); 3) 精轧阶段轧件温降计算 热流密庶讲行i+笪·箠沩梅拽系救下笪
式中：TFTO、Tft7为精轧前和精轧后的实测温度（°C)，为精轧时间（s)，havg为精轧出 口平均厚度（mm)，B为模型自学习项； 4) 层流冷却段轧件温降计算 将精轧出口到卷取机之间分为几个不同冷却区段；精轧出口到层流冷却开始点为辐射 冷却段，层流冷却喷水段为强冷却段，层流冷却不喷水段为弱冷却段；辐射段按辐射温降计 算，辐射率的取值为〇. 7,冷却段对流温降计算中等效换热系数用下式计算 Htc =C(Vx)Re08Pr0-33 (8) 式中：C为模型自学习项，X为强迫冷却区域等效长（m)，k热传导系数（W/m·K)，Pr为 普朗特常数，Re为雷诺常数； 5) 断面温度计算 断面温度计算采用下式：
式中：为n+1时刻j节点的温度（K)，&为n时刻j-Ι节点的温度（K)，为η时 aAt 亥IJj节点的温度（K)，为η时刻j+l节点的温度⑷，r为热扩散系数（m/s)，『=， k ΛX为空间步长（m)，Λt为时间步长（s)，《 = 7为导温系数（m2/s)，C为钢的比热（J/ Cr kg·°C)，K为热传导系数（W/m·K)，Y为钢的密度（g/m3)，q为热流（W/m2 ·s); 所述轧制过程中奥氏体组织演变模型的功能为用于计算轧制过程中奥氏体组织的演 变，具体流程为： 1) 加热时奥氏体晶粒长大模型 加热过程中钢坯处于奥氏体化状态，奥氏体化后钢坯处在高温区，奥氏体要发生晶粒 长大，奥氏体晶粒大小由下式计算：
式中：t为保温时间（s)，D(t)为保温时间为t时的晶粒尺寸（μπι)，Dtl为初始奥氏体 的晶粒尺寸（μm)，T为保温温度（K); 2) 粗轧过程奥氏体再结晶模型 (1)动态再结晶模型 动态再结晶临界应变模型 =6.446x10 X D^-Z0：2n (11) Z-g〇xp(312U〇°) ( 12) 8.3IT 式中：ε。为动态再结晶临界变形量，Dci为变形前的奥氏体晶粒尺寸（μm),Z为Zener-Holloman参数沁为变形速率（iT1)，T为变形温度（K); 动态再结晶百分比模型 Xil =l-cxp(-6.31( )4^) (13) sS~ε€ ε, =A-Qme-DlHs〇xp(J'2〇QQ))°1027 ( 14) 8,317 式中：xd为动态再结晶体积百分数，ε为真应变，es为动态再结晶达到稳定状态时的 应变大小，ε。为动态再结晶临界变形量，?为变形速率（iT1)，T为变形温度（K)，A为修正系 数； 动态再结晶晶粒大小1?型Dd = 250000Ζ-0·34 (15) 式中：i为变形速率（s_1)，Z为Zener-Holloman参数，其模型同式（12); (2)静态再结晶动力学模型 静态再结晶百分比模型 Xs=l-cxp( -1.4x(-)0·626) ( 16) 式中：xs为在道次变形间隙中停留时间为t时静态再结晶的体积百分数，ts为静态再 结晶达到50%时所需要的时间（S); ts=0.2413 f 112 exp( (17) 式中：T为停留时轧件温度（K)，ε为真应变； 静态再结晶晶粒大小模型 D= 334X〇Η 丨％xp(-(18) *' 8.31Γ 式中：DS为静态再结晶刚完成时的奥氏体晶粒直径（ym)，ε为真应变，Dtl为变形前的 奥氏体晶粒直径（μm)，T为变形温度（K); 未再结晶晶粒大小1?型 Dn =D〇exp(-ε/12) (19) 式中：Dn为变形后扁平状晶粒的等效直径（μm)，Dtl为变形前的奥氏体晶粒直径（μm)，ε为真应变； 3)精轧过程中组织演变模型 (1)动态再结晶动力学模型 动态再结晶临界应变模型 ε(,= 5.6χ10 4D,"''cxp(3()()()()()) (20) c 0 8.31Γ 式中：ε。为动态再结晶临界变形量，Dtl为变形前的奥氏体晶粒直径（μπι)，Τ为变形温 度⑷； 动态再结晶百分比模型 Xilvil =l-exp(-0.693(^^)2) (21) ^0.5 =1.3x10; cxP(^^) (22) 0.5 0 8.3 1Γ 式中=Xdyn为动态再结晶体积百分数，ε。为动态再结晶临界变形量，其模型同式（20)，ε为真应变，εα5为动态再结晶达到50 %所需要的应变量，Dci为变形前晶粒尺寸（μηι),? 为变形速率（s_〇，T为变形温度（K); 动态再结晶晶粒尺寸模型 Ddyn = 22600Z-0·27 ( 23) 式中：Z为Zener-Holloman参数，其模型同式（12); 动态再结晶晶粒的长大1?型 + 3900Q, 14 V); exp(-5380/ Γ) (24) 式中：dd为道次间停留时间t以后的动态再结晶晶粒尺寸（μm)，、为C当量，t为道 次间停留时间（s); (2)静态再结晶动力学模型 静态再结晶开始时间模型
式中：ta5为静态再结晶达到50%时所需要的时间（s)，ε为真应变，Dtl为变形前奥氏 体晶粒尺寸（μm)，T为变形温度⑷，[Nb% ]为Nb元素的百分含量； 静态再结晶百分比模型
式中Astat为停留时间t时的静态再结晶百分数，t为停留时间（s)，ta5为静态再结晶 达到50%时所需要的时间（s)，ε为真应变，T为变形温度（K) ,Dtl为变形前奥氏体晶粒尺 寸（μπι); 静态再结晶晶粒大小模型 D=3.000xD；；2￡j)' (29) 式中：Dd为刚完成再结晶的奥氏体晶粒直径（μπι),ε为真应变，Dtl为变形前奥氏体晶 粒尺寸（μm); 静态再结晶晶粒的长大模型 Df' =D^+S^SxlO7C;/143 ·οχρ(-70000/Γ)·7 (30) 式中：DS为静态再结晶完成后经过t时的奥氏体晶粒尺寸（μm)，(；,为C当量，T为温 度（K)，t为从再结晶刚完成开始耗费的时间（s); 压扁晶粒的等效半径模型Dn =D0 ·exp(-ε/4) (31) 式中：Dn为压扁后的奥氏体晶粒等效尺寸（μm),ε为真应变，Dtl为变形前奥氏体晶粒 尺寸（μπι); 所述轧后冷却过程中奥氏体相变组织分解模型的功能为用于计算轧后冷却过程中奥 氏体组织的分解，具体流程为： 1) 相变孕育期模型
Inτb = -〇. 68352 ·Inτb+20 · 1ηΤ+1. 6491XIO4 ·Γ-155. 8 (37) 式中：kf，分别为铁素体相变孕育期模型的常数和孕育期，kp，τρ分别为珠光体相变 孕育期模型常数和孕育期，kb，τb分别为贝氏体相变孕育期模型常数和孕育期； 2) 铁素体和珠光体的最大相变量 等温转变温度为T(K)时达到Ae3的碳含量Cci C0 = 14. 09-0. 02973 · (Τ-273)+1· 5656XKT5 · (T-273)2 (38) 当993Κ<T<Ae3时铁素体最大相变量为Fmax =f(T) (39) 当T< 993K时铁素体最大相变量为Ffflax =f(993) (40) 珠光体最大相变量为 Pmax=I-Fmax (41)
式中为铁素体最大相变量，Pmax为珠光体最大相变量，[c% ]为碳含量，Q1为等温 转变温度为T(K)时达到Ae3的碳含量Cci ; 3) 相体积分数 奥氏体转变后各相的体积分数由下式计算：
式中：x为奥氏体转变后各相的体积分数，Xmax为各相的最大转变量，D为相变前奥氏体 的晶粒尺寸，q为为形状系数，B为待定参数，对于铁素体η值取为2. 4,对于珠光体η值取 为2. 0,对于贝氏体η值取为2. 5,对于铁素体k值可采用式（32)计算，对于珠光体k值可 采用式（34)计算，对于贝氏体k值可采用式（36)计算； 4)铁素体的晶粒尺寸 (1) 相变后铁素体的晶粒尺寸 Indf0 = -0. 4688XIn[2. 24/DXq+O. 144X(Δε)2]+〇. 005724XAr3-O. 53259XIn(1+4.OXΔε)+〇. 13113XlnVf-3. 95 (45) 式中：df(l为相变后铁素体的晶粒尺寸（μm)，D为相变如奥氏体的晶粒尺寸（μm)，Δε为残余应变，Ar3为铁素体开始转变温度（K)，Vf为铁素体开始转变后的体积分数，q为形状 系数； (2) 最终铁素体的晶粒尺寸： df2 =df02+24. 811Xdf0°-5888exp[-181. 56/(Tc-723)] (46) 式中：df为最终铁素体的晶粒尺寸（μm)，df(l为相变后铁素体的晶粒尺寸（μm)，T。为 卷取温度（K); 所述组织与性能关系模型的功能是计算成品的力学性能，具体流程为： 屈服强度模型 σs = 11582. 01[C% 1+591.73[Nb% ]+1559. 80d/0-5+3877. 34Vp-〇. 193TC-10. 20h-392.02 (46) 抗拉强度模型 σb = 7824. 90 [C% ]+1519. 10 [Nb%]+1900. 16dfi5+4098· 58Vp-0. 34Tc-9. 10h-362· 29 (47) 延伸率模型 δ= 0. 39[Mn% ]-106. 0[Si% ]+561. 74[Nb% ]-〇. 15Vp+9. 32df^5-〇. 0021Tc+26. 51 (48) 式中：[C% ]、[Nb% ]、[Mn% ]为碳、铌、锰的百分含量，df为铁素体的晶粒尺寸（μπι)，Vp为珠光体的体积分数，Τ。为卷取温度，h为带钢厚度（mm); 其次，集成上述模型，编写计算热连轧管线钢组织及力学性能的软件输入控制整个热 轧生产线的计算机与控制台； 最后，输入所需轧制管线钢的合金成分、坯料尺寸、加热温度、控轧控冷工艺参数、所述 热轧生产线控制台上的计算机在生产过程中显示轧件的温度变化、乳制过程中奥氏体组织 的演变和轧后冷却过程中奥氏体的分解以及最终组织及力学性能。
【文档编号】G05B19/418GK104238498SQ201410396266
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】樊雷, 赵刚, 刘川俊, 叶传龙, 张金旺, 袁勤攀, 龙训均, 张广川 申请人:柳州钢铁股份有限公司