硬線產品顯微組織與力學性能預報系統的製作方法

2023-05-30 11:36:16 2

專利名稱：硬線產品顯微組織與力學性能預報系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋼材軋制技術領域。尤其涉及一種用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的溫度、組織與性能預報系統。
背景技術：
鋼材組織性能預報是目前國內外研究的熱點，是我國軋鋼技術發展的重要方向之一(張樹堂，面向21世紀的我國軋鋼技術，鋼鐵，1999.10)。熱連軋過程數學模型研究始於20世紀70年代的英國，80年代的歐洲開發了一套熱連軋組織性能預報系統。90年代在加拿大不列顛哥倫比亞大學冶金過程工程中心和美國國家標準局以及北美14家鋼鐵企業共同開發了一套板材連軋的過程模擬軟體(AISI-HSMM)。該軟體已在北美大鋼鐵企業中使用多年，效果明顯，這是迄今為止開發的最成功的熱連軋組織性能預報軟體之一。最近奧鋼聯工程公司(VAI)與林茨鋼廠合作開發了連軋帶鋼質量控制系統(VAI-QStrip)，該系統已先後用於低碳鋼和高強度低合金鋼的生產過程，可根據板坯的化學成分及測量的生產數據計算出力學性能，並可以修正目標生產數據(如精軋溫度和卷取溫度等)，以達到所要求的力學性能。
關於線材生產的組織性能預報，由於線材生產過程是極其複雜的高溫、動態和瞬時過程，在這個過程中，鋼坯經加熱、變形、再結晶、相變等一系列複雜的物理冶金變化而成為最終的產品。為了獲得優質線材，就必須控制這些複雜的物理冶金過程。但是這些過程難以實時觀察，間接測試也十分困難。為此，國內外在高碳線材的組織性能預報方面進行了有益的研究，取得一定的進展，但這些研究卻有一定的局限性。其原因是像日本新日鐵、神戶制鋼、韓國浦項、臺灣中鋼、奧鋼聯等著名企業目前均採用大斷面鑄坯經二火成材工藝生產高碳鋼線材，國內寶鋼一直採用模鑄，經初軋開坯生產高碳鋼線材。因而在高碳鋼線材的組織性能預報方面，國內外的研究也只能停留在現有的二火成材工藝生產高碳鋼線材的階段上。如用初軋坯開發高碳鋼的組織性能預報程序(吳迪，趙憲明.高碳鋼高速線材軋制組織性能預測模擬型研究.鋼鐵，2003，(3)；馮賀濱，劉名哲.控軋控冷生產中高碳鋼高速線材組織和性能預測模型.鋼鐵以研究學報，2000，(3))，或僅模擬高碳鋼線材在斯太爾摩冷卻線上的溫度分布(浦玉梅，蔡慶伍.考慮相變過程高碳鋼線材溫度場計算.軋鋼，1999，(6))，或採用人工神經網絡的方法預測高碳鋼線材的力學性能(芮曉豔.用人工神經網絡模擬高碳鋼高速線材力學性能.鋼鐵研究，2000，(5))，或只建立了高速線材斯太爾摩控制冷卻過程的數學模型(趙繼武.高速線材斯太爾摩冷卻過程的數學模型.特殊鋼，2001，(5))等。
總之，現有的資料顯示，或模擬研究了高碳鋼線材的溫度、變形，或模擬研究了初軋坯高碳鋼線材的顯微組織演變，或建立了高碳鋼高速線材組織轉變和力學性能的預測模型，或建立了線材控冷過程數學模型。均未見用連鑄坯直接(一火)軋制高碳鋼線材的溫度、變形、顯微組織和力學性能預報系統。

發明內容
本發明的目的是提供一種用連鑄坯直接(一火)軋制高碳鋼線材的溫度、變形、顯微組織、力學性能、並能提出相應的工藝參數控制範圍的預報系統。為離線優化高碳鋼線材生產工藝提供「電腦試生產」平臺。
為實現上述目的，本發明所採用的技術方案是取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析，測定軋件在精軋機入口處和吐絲機出口處的表面溫度、各種工況下沿斯太爾摩線上線材的表面溫度；建立採用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的工藝數學模型組，包括軋件的溫度模型、奧氏體組織演變模型、奧氏體分解模型、線材力學性能與顯微組織關係模型；用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序，進行軋制模擬；然後分別給出軋件在整個軋制線上全部的溫度數據、最終硬線產品顯微組織與力學性能參數和優化控制參數的風冷速度、冷卻水量、變形速度、變形量。
(一)數據採集取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析為從粗軋坯上切取試樣，分析其材料成分，在800～1050℃範圍內保溫2～6分鐘，然後水淬，確定奧氏體晶粒長大規律。
將具有不同奧氏體尺寸的試樣進行單道次和多道次熱壓縮，變形溫度為930～1100℃，應變為0.1～0.8，應變速度為0.1～50/秒，再結晶後立即淬火，測定再結晶奧氏體晶粒尺寸，測定不同晶粒尺寸的奧氏體組織的等溫分解過程，等溫溫度為590～665℃，分析等溫分解後的試樣的珠光體球團直徑和珠光體片層間距，測定試樣的硬度。
精軋前試樣進行急冷，凍結高溫組織，測量奧氏體晶粒尺寸。
採集不同工藝條件下的線材試樣的抗拉強度、斷面收縮率和硬度值，分析試樣的顯微組織。
(二)數學模型
1、軋件的溫度模型分別為1)從加熱爐到預精軋機最後一架出口之間及在精軋機中軋件的溫降模型T=(T0-1000(0.0255t+(1000T0+T+273)3)t/3+273)K1---(1)]]>ΔT＝(0.183*σ*lnλ)K2(2)σ＝(14-0.01T0)(1.4+Mn％+Cr％+C％)ξ (3)式中ΔT-軋件溫降；ΔT-由變形機械能轉化為熱能而引起的溫升；σ-金屬流動應力，Mpa；T0-進入該孔型前的軋件溫度，℃；t-進入該孔型之前經過的時間，t＝li/vi；∏-軋制後線材橫截面周長，mm；ω-軋制後線材橫截面面積，mm2；λ-延伸係數；Mn％、Cr％、C％-鋼的含Mn，Cr，C量；ξ-重力加速度；i為道次數；li為軋件運行距離；vi為軋件運行速度；K1、K2為模型校正係數；2)從預精軋機最後一架出口到精軋機入口之間及從精軋機最後一架出口到吐絲機之間軋件的溫降模型分別為(1)軋件在空氣中冷卻的散熱係數模型h=(Ts+273100)4-(Ta+273100)4(Ts-Ta)---(4)]]>式中Ta-空氣的溫度；σ-斯波常數；ε-輻射率；(2)軋件在噴嘴開啟的水冷管中冷卻的散熱係數模型h＝hr+hc(5)hr=(Ts+273100)4-(Tw+273100)4(Ts-Tw)---(6)]]>hc＝0.1W*K3或hc＝0.1W*K4(7)式中hr-在冷卻水中的輻射傳熱係數；hc-在冷卻水中的對流傳熱係數；
Tw-水溫；K3、K4-校正係數；(3)軋件在充滿水蒸汽的冷卻管中冷卻的散熱係數模型h＝hr+hf(8)hr=(Ts+273100)4-(Tf+273100)4(Ts-Tf)---(9)]]>hc=0.62(HVI(I-V)KV3(Ts-Tsat)UVD)0.25---(10)]]>式中hr-在水蒸汽中的輻射傳熱係數；hc-在水蒸汽中的對流傳熱係數；Tf-水蒸汽薄膜溫度；Tsat-水蒸汽飽和溫度；HVI-有效水蒸汽熱；ρV-水蒸汽密度；ρI-液態水密度；KV-水蒸汽導熱係數；D-軋件直徑；2、奧氏體組織演變模型分別為1)臨界應變模型c=1.8410-3d00.24Z0.15---(11)]]>Z=exp(300000/RT)---(12)]]>式中 是應變速率，R是氣體常數，T是溫度，d0是軋前奧氏體晶粒直徑；2)靜態再結晶模型Xs=1-exp(-0.639(t/t0.5)n)---(13)]]>n=6.110-60.02d0-0.30exp(-18400/T)]]>t0.5=4.510-5-1.0d00.6exp(6900/T)]]>t0.5=t0.5(3.6/)0.28]]>式中Xs是靜態再結晶體積百分數，t是再結晶時間，ε是應變；dSRX=95.5-0.1-0.5d00.39exp(-3500/T)---(14)]]>式中dSRX是靜態再結晶晶粒直徑；3)亞動態再結晶模型XM＝1-exp(-0.639(t/t0.5)n) (15)n＝1.5
t0.5＝1.1·Z-0.8·exp(230000/RT)式中XM是亞動態再結晶體積百分數；dMRX＝2.6×104Z-0.23(16)式中dMRX是亞動態再結晶晶粒直徑；4)晶粒長大模型當晶粒長大時間大於1秒時，對於靜態再結晶模型d7=dSRX7+1.51027texp(-400000/RT)---(17)]]>對於亞動態再結晶模型d7=dMRX7+1.51027texp(-400000/RT)---(18)]]>當晶粒長大時間小於1秒時，對於靜態再結晶模型d2=dSRX2+4.0107texp(-113000/RT)---(19)]]>對於亞動態再結晶模型d2=dMRX2+4.0107texp(-113000/RT)---(20)]]>式中d是長大後的晶粒直徑，t是晶粒長大時間；5)部分再結晶時，進入下一道次的平均晶粒尺寸d0,i+1=Xi4/3dRX+(1-Xi)2d0,i---(21)]]>式中dRX是再結晶晶粒直徑，i是道次數；部分再結晶時，造成下一道次的累計應變為εa，i+1＝εi+1+(1-Xi)εi(22)6)溫度修正的時間t=tiexp(-QRTi)---(23)]]>式中Δti是溫度Ti時的時間步長。
3、奧氏體分解模型為F＝1-exp(-bt2) (24)
式中F——珠光體相變的體積百分數，t是相變時間，b是和相變前奧氏體晶粒尺寸、相變溫度和鋼的化學成份有關的係數。
4、線材力學性能與顯微組織關係模型分別為1)相變產生的熱引起的溫升模型 式中H是相變熱焓，Cp是材料的比熱，ΔF是相變體積百分數增量；2)斯太爾摩上由於風冷而引起的溫降模型T降＝t·v(26)式中t是風冷時間，v是冷卻速度；3)珠光體片間距模型Sp-1=-0.21-0.0703T---(27)]]>式中Sp是珠光體片層間距，ΔT是過冷度；(三)系統構建用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序為輸入軋制工藝參數，根據軋件的溫度模型計算出軋件的溫度場分布，根據溫度場的分布和奧氏體組織演變模型計算出奧氏體再結晶和奧氏體晶粒尺寸大小，根據奧氏體晶粒尺寸大小，在斯太爾摩線上利用奧氏體分解模型計算出珠光體片間距、珠光體球團尺寸、珠光體百分數，由線材力學性能與顯微組織關係模型計算出線材強度和斷面收縮率。
用軋件溫度模型編程，輸入軋制工藝參數，包括材質、線材直徑、軋制速度、出爐溫度、室溫、冷卻水溫度、冷卻水箱的水壓及噴嘴開/關狀態、斯太爾摩線上風機開/關狀態和斯太爾摩線輸送速度，計算中間物理參數，計算線材在各機架運行時間t1、t2、t3、t4，計算精軋前溫度、精軋前水冷過程中的溫度、精軋過程軋件溫度、精軋後水冷過程軋件溫度，用有限差分計算軋件溫度。
用奧氏體組織演變模型編程輸入軋制工藝參數和軋件溫度，計算混合組織和奧氏體再結晶組織、計算出再結晶百分數、奧氏體晶粒尺寸。
用奧氏體分解模型編程輸入軋制工藝參數、奧氏體晶粒尺寸，在單位時間步長j內，根據疊加原理和奧氏體分解模型，計算相變潛熱，通過迭代法計算下一時刻j+1的等溫溫度，
迭代完成後得到相變體積，根據在斯太爾摩線的輸送速度，確定最終的相變時間、位置、體積分數。
用線材力學性能與顯微組織關係模型編程輸入軋制工藝參數，在單位時間步長j內，根據疊加原理和奧氏體分解模型，計算出等溫溫度下的片間距，相變完成後，得到硬線產品顯微組織與力學性能結果及優化控制參數的風冷速度、冷卻水量、變形速度、變形量。
由於採用上述技術方案，本發明具有能預報用連鑄坯直接(一火)軋制高碳鋼線材的溫度、變形、顯微組織和力學性能，並能提出相應的工藝參數控制範圍的特點，為離線優化高碳鋼線材生產工藝提供「電腦試生產」平臺。本發明可方便的進行擴充或修改、擴大其應用範圍。
四

圖1是本發明的一種系統結構示意框圖；圖2是本發明的系統構建流程框圖；圖3是圖2的溫度計算流程框圖；圖4是圖2的奧氏體組織演變計算流程框圖；圖5是圖2的奧氏體分解計算流程框圖；圖6是圖2的最終顯微組織和力學性能計算流程框圖；圖7是用本發明生產82B，φ12.5mm線材的溫度曲線計算值與實測值比較；圖8是用本發明生產72A，φ5.5mm線材的溫度曲線計算值與實測值比較。
五具體實施例方式
本實施例如圖1所示，取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析[1]，測定軋件在精軋機入口處和吐絲機出口處的表面溫度、各種工況下沿斯太爾摩線上線材的表面溫度[15]；建立採用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的工藝數學模型組[2]，包括軋件的溫度模型[3]、奧氏體組織演變模型[4]、奧氏體分解模型[14]、線材力學性能與顯微組織關係模型[13]；用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]，進行軋制模擬[11]；然後分別給出軋件在整個軋制線上全部的溫度數據[10]、最終硬線產品顯微組織與力學性能參數[5]和優化控制參數的風冷速度[6]、冷卻水量[7]、變形速度[8]、變形量[9]。
以軋制82B、82A、72A和72B鋼，直徑12.5～5.5毫米線材為例，在THERMOMASTER-Z型熱/力模擬試驗機上進行。具體的作法是(一)在線實測軋件溫度[15]和取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析[1]。
首先，測定軋件在精軋機入口處和吐絲機出口處的表面溫度和各種工況下沿斯太爾摩線上線材的表面溫度。
其次，從粗軋坯上切取試樣，試樣從直徑為106毫米的粗軋坯上切取，材料成分為C 0.83，Si 0.25，Mn 0.76，P 0.011，S 0.002，Cr 0.18，Cu 0.052。在800～1050℃範圍內保溫2～6分鐘，然後進行水淬，確定奧氏體晶粒長大規律；將具有不同奧氏體尺寸(47～124μm)的試樣進行單道次和多道次熱壓縮，變形溫度為930～1100℃，應變為0.1～0.8，應變速度為0.1～50/秒，部分試樣完成再結晶後立即淬火，用金相法測定再結晶奧氏體晶粒尺寸；用膨脹法測定不同晶粒尺寸的奧氏體組織的等溫分解過程，等溫溫度為590～665℃。分析等溫分解後的試樣的珠光體球團直徑和珠光體片層間距，測定試樣的硬度。
再次，取進入精軋前的軋件試樣進行急冷，凍結高溫組織，截取預精軋後軋件試樣，測量奧氏體晶粒尺寸；最後，收集不同工藝條件下的線材試樣的抗拉強度、斷面收縮率和硬度值，分析試樣的顯微組織。
(二)建立高速線材軋機採用連鑄坯直接成材軋制高碳鋼線材的工藝數學模型組[2]，包括軋件的溫度模型[3]、奧氏體組織演變模型[4]、奧氏體分解模型[14]、線材力學性能與顯微組織關係模型[13]軋件的溫度模型[3]分別為1、軋件的溫度模型[3]1)從加熱爐到預精軋機最後一架出口之間及在精軋機中軋件的溫降模型T=(T0-1000(0.0255t+(1000T0+T+273)3)1/3+273)K1]]>ΔT＝(0.183*σ*lnλ)K2σ＝(14-0.01T0)(1.4+Mn％+Cr％+C％)ξ式中ΔT-軋件溫降；ΔT-由變形機械能轉化為熱能而引起的溫升；σ-金屬流動應力，Mpa；T0-進入該孔型前的軋件溫度，℃；t-進入該孔型之前經過的時間，t＝li/vi；П-軋制後線材橫截面周長，mm；ω-軋制後線材橫截面面積，mm2；λ-延伸係數；
Mn％，Cr％，C％-鋼的含Mn，Cr，C量；ξ-重力加速度；i-道次數；li-軋件運行距離；vi-軋件運行速度；K1、K2-模型校正係數。
2)從預精軋機最後一架出口到精軋機入口之間及從精軋機最後一架出口到吐絲機之間軋件的溫降模型分別為(1)軋件在空氣中冷卻的溫降模型h=(Ts+273100)4-(Ta+273100)4(Ts-Ta)]]>式中Ta-空氣的溫度；σ-斯波常數；ε-輻射率。
(2)軋件在噴嘴開啟的水冷管中冷卻的溫降模型h＝hr+hchr=(Ts+273100)4-(Tw+273100)4(Ts-Tw)]]>hc＝0.1W*K3或hc＝0.1W*K4式中hr-在冷卻水中的輻射傳熱係數；hc-在冷卻水中的對流傳熱係數；Tw-水溫；K3、K4-校正係數。
(3)軋件在充滿水蒸汽的冷卻管中冷卻的溫降模型h＝hr+hfhr=(Ts+273100)4-(Tf+273100)4(Ts-Tf)]]>hc=0.62(HVI(I-V)KV3(Ts-Tsat)UVD)0.25]]>式中hr-在水蒸汽中的輻射傳熱係數；hc-在水蒸汽中的對流傳熱係數；Tf-水蒸汽薄膜溫度；Tsat-水蒸汽飽和溫度；HVI-有效水蒸汽熱；ρV-水蒸汽密度；ρI-液態水密度；KV-水蒸汽導熱係數；D-軋件直徑。
2、奧氏體組織演變模型[4]分別為1)臨界應變模型c=1.8410-3d00.24Z0.15]]>Z=exp(30000/RT)]]>式中 是應變速率，R是氣體常數，T是溫度，d0是軋前奧氏體晶粒直徑。
2)靜態再結晶模型Xs=1-exp(-0.639(t/t0.5)n)]]>n=6.110-60.02d0-0.30exp(-18400/T)]]>t0.5=4.510-5-1.0d00.6exp(6900/T)]]>t0.5=t0.5(3.6/)0.28]]>式中Xs是靜態再結晶體積百分數，t是再結晶時間，ε是應變，dSRX=95.5-0.1-0.5d00.39exp(-3500/T)]]>式中dSRX是靜態再結晶晶粒直徑。
3)亞動態再結晶模型XM＝1-exp(-0.639(t/t0.5)n)n＝1.5t0.5＝1.1·Z-08·exp(230000/RT)式中XM是亞動態再結晶體積百分數。
dMRX＝2.6×104Z-0.23式中dMRX是亞動態再結晶晶粒直徑。
4)晶粒長大模型當晶粒長大時間大於1秒時，對於靜態再結晶d7=dSRX7+1.51027texp(-400000/RT)]]>對於亞動態再結晶
d7=dMRX7+1.51027texp(-400000/RT)]]>當晶粒長大時間小於1秒時，對於靜態再結晶d2=dSRX2+4.0107texp(-113000/RT)]]>對於亞動態再結晶d2=dMRX2+4.0107texp(-113000/RT)]]>式中d是長大後的晶粒直徑，t是晶粒長大時間。
5)部分再結晶時，進入下一道次的平均晶粒尺寸d0,i+1=Xi4/3dRX+(1-Xi)2d0,i]]>式中dRX是由式(17)或式(19)計算的再結晶晶粒直徑，i是道次數。部分再結晶時，造成下一道次的累計應變為εa，i+1＝εi+1+(1-Xi)εi式中Xi由式(16)或式(17)計算。
6)溫度修正的時間tiexp(-QRTi)]]>式中Δti是溫度Ti時的時間步長。
3、奧氏體分解模型[14]為F＝1-exp(-bt2)式中F是珠光體相變的體積百分數，t是相變時間，b是和相變前奧氏體晶粒尺寸、相變溫度和鋼的化學成份有關的係數，可用下式計算82B鋼lnb＝95.814-0.074d-0.152T82A鋼lnb＝95.814-0.075d-0.148T72A鋼lnb＝95.814-0.074d-0.145T72B鋼lnb＝95.814-0.082d-0.145T式中d是相變前奧氏體晶粒直徑。
4、線材力學性能與顯微組織關係模型[13]為1)相變產生的熱引起的溫升模型
式中H是相變熱焓，Cp是材料的比熱，ΔF是相變體積百分數增量。
2)斯太爾摩上由於風冷而引起的溫降模型T降＝t·v式中t是風冷時間，v是冷卻速度。
3)珠光體片間距模型[23]Sp-1=-0.21-0.0703T]]>式中Sp是珠光體片層間距，ΔT是過冷度。
4)相變產物的力學性能模型82B和82A鋼b=997.066+6.419Sp-2+53.832Mn]]>72A和72B鋼b=887.136+7.546Sp-2+33.023Mn]]>ψ＝5.02+2.482d-1/2+13.77Mn+6.36·v1/2式中σb是線材的強度，ψ是斷面收縮率，Sp是珠光體的片間距，Mn是鋼中含錳量，v是平均冷卻速度(℃/s)。
(三)用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]為用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]如圖2所示輸入軋制工藝參數[16]，根據軋件的溫度模型[3]計算出軋件的溫度場分布[17]，根據溫度場的分布[17]和奧氏體組織演變模型[4]計算出奧氏體再結晶[24]和奧氏體晶粒尺寸[18]，根據奧氏體晶粒尺寸[18]，在斯太爾摩線上利用奧氏體分解模型[14]計算出珠光體片間距[23]、珠光體球團尺寸[19]、珠光體百分數[20]，由線材力學性能與顯微組織關係模型[13]計算出線材強度[22]和斷面收縮率[21]。
用軋件溫度模型[3]編程如圖3所示輸入軋制工藝參數[16]，包括材質、線材直徑、軋制速度、出爐溫度、室溫、冷卻水溫度、冷卻水箱的水壓及噴嘴開/關狀態、斯太爾摩線上風機開/關狀態和斯太爾摩線輸送速度，計算中間物理參數[25]，計算線材在各機架運行時間[26]t1、t2、t3、t4，計算精軋前溫度[27]、精軋前水冷過程中的溫度[28]、精軋過程軋件溫度[30]、精軋後水冷過程軋件溫度[31]，用有限差分[29]計算軋件溫度[32]。
用奧氏體組織演變模型[4]編程如圖4所示輸入軋制工藝參數[16]和軋件溫度[32]，計算混合組織[35]和奧氏體再結晶組織[24]、計算出再結晶百分數[33]、奧氏體晶粒尺寸[34]。
用奧氏體分解模型[14]編程如圖5所示，輸入軋制工藝參數[16]、奧氏體晶粒尺寸[34]，在單位時間步長j內，根據疊加原理[36]和奧氏體分解模型[14]，計算相變潛熱[37]，通過迭代法[38]計算下一時刻j+1的等溫溫度，迭代完成後得到相變體積[39]，根據在斯太爾摩線的輸送速度，確定最終的相變時間、位置、體積分數[40]；用線材力學性能與顯微組織關係模型[13]編程如圖1、圖6所示輸入軋制工藝參數[16]，在單位時間步長j內，根據疊加原理[36]和奧氏體分解模型[14]，計算出等溫溫度下的片間距[23]，相變完成後，得到硬線產品顯微組織與力學性能結果[5]及優化控制參數的風冷速度[6]、冷卻水量[7]、變形速度[8]、變形量[9]。
(四)模擬軟體計算值與實測值的比較實例1、82B，φ12.5mm線材生產82B，φ12.5mm線材時計算的結果與實測值的對比見表1，計算的線材在斯太爾摩線上的溫度曲線與實測溫度見圖7，計算值與實測值十分吻合。
2、72A，φ5.5mm線材生產72A，φ5.5mm線材時計算的結果與實測值的對比見表2，計算的線材在斯太爾摩線上的溫度曲線與實測溫度見圖8，計算值與實測值十分吻合。
3、結果1)根據現場測試數據和物理模擬實驗數據，建立了高速線材軋機採用連鑄坯直接(一火)軋制高碳鋼(82B、82A、72A、72B)線材的工藝數學模型，包括軋件的溫度模型、奧氏體組織演變模型、奧氏體分解模型和線材力學性能與顯微組織關係模型等。
集成上述模型，用VB語言編寫了模擬高碳鋼線材工藝過程的計算機軟體。本實施例可以顯示線材生產過程中軋件的溫度變化、奧氏體組織演變、奧氏體的分解過程、線材最終組織和力學性能。
2)本實施例的82Bφ12.5mm、φ11mm、φ10mm以及72Aφ5.5mm線材的吐絲溫度和線材力學性能與實測值吻合，計算的強度與實測強度誤差在2.5％以內。
3)本實施例在PC機上運行，人機界面友好。用戶可方便的利用軟體研究工藝參數，例如加熱溫度、軋制速度、水冷噴嘴開/關、斯太爾摩風機開/關、斯太爾摩線上輥道速度變化等對線材的溫度演變、奧氏體晶粒尺寸、奧氏體分解過程、珠光體組織片間距和力學性能等的影響。實現「電腦試生產」。該軟體是優化高碳鋼線材生產工藝和開發新工藝的有力工具，可減少工業試驗次數，提高研究效率，降低研究成本。
本實施例可方便的進行擴充或修改、擴大其應用範圍。
表1 82B，φ12.5mm線材結果比較表

表2 72A，φ5.5mm線材結果比較表

權利要求
1.一種硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析[1]，測定軋件在精軋機入口處和吐絲機出口處的表面溫度、各種工況下沿斯太爾摩線上線材的表面溫度[15]；建立採用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的工藝數學模型組[2]，包括軋件的溫度模型[3]、奧氏體組織演變模型[4]、奧氏體分解模型[14]、線材力學性能與顯微組織關係模型[13]；用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]，進行軋制模擬[11]；然後分別給出軋件在整個軋制線上全部的溫度數據[10]、最終硬線產品顯微組織與力學性能參數[5]和優化控制參數的風冷速度[6]、冷卻水量[7]、變形速度[8]、變形量[9]。
2.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於所述的取軋件試樣並通過實驗進行微觀組織和力學性能分析[1]為從粗軋坯上切取試樣，分析其材料成分，在800～1050℃範圍內保溫2～6分鐘，然後水淬，確定奧氏體晶粒長大規律；將具有不同奧氏體尺寸的試樣進行單道次和多道次熱壓縮，變形溫度為930～1100℃，應變為0.1～0.8，應變速度為0.1～50/秒，再結晶後立即淬火，測定再結晶奧氏體晶粒尺寸，測定不同晶粒尺寸的奧氏體組織的等溫分解過程，等溫溫度為590～665℃，分析等溫分解後的試樣的珠光體球團直徑和珠光體片層間距，測定試樣的硬度；精軋前試樣進行急冷，凍結高溫組織，測量奧氏體晶粒尺寸；採集不同工藝條件下線材試樣的抗拉強度、斷面收縮率和硬度值，分析試樣的顯微組織。
3.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於所述的軋件溫度模型[3]分別為1)從加熱爐到預精軋機最後一架出口之間及在精軋機中軋件的溫降模型T=(T0-1000(0.0255t+(1000T0+T+273)3)1/3+273)K1---(1)]]>ΔT＝(0.183*σ*lnλ)K2(2)σ＝(14-0.01T0)(1.4+Mn％+Cr％+C％)ξ (3)式中ΔT-軋件溫降；ΔT-由變形機械能轉化為熱能而引起的溫升；σ-金屬流動應力，Mpa；T0-進入該孔型前的軋件溫度，℃；t-進入該孔型之前經過的時間，t＝li/vi；П-軋制後線材橫截面周長，mm；ω-軋制後線材橫截面面積，mm2；λ-延伸係數；Mn％、Cr％、C％-鋼的含Mn，Cr，C量；ξ-重力加速度；i為道次數；li為軋件運行距離；vi為軋件運行速度；K1、K2為模型校正係數；2)從預精軋機最後一架出口到精軋機入口之間及從精軋機最後一架出口到吐絲機之間軋件的溫降模型分別為(1)軋件在空氣中冷卻的散熱係數模型h=(Ts+273100)4-(Ta+273100)4(Ts-Ta)---(4)]]>式中Tα-空氣的溫度；σ-斯波常數；ε-輻射率；(2)軋件在噴嘴開啟的水冷管中冷卻的散熱係數模型h＝hr+hc(5)hr=(Ts+273100)4-(Tw+273100)4(Ts-Tw)---(6)]]>hc＝0.1W*K3或hc＝0.1W*K4(7)式中hr-在冷卻水中的輻射傳熱係數；hc-在冷卻水中的對流傳熱係數；Tw-水溫；K3、K4-校正係數；(3)軋件在充滿水蒸汽的冷卻管中冷卻的散熱係數模型h＝hr+hf(8)hr=(Ts+273100)4-(Tf+273100)4(Ts-Tf)---(9)]]>hc=0.62(HVI(I-V)KV3(Ts-Tsat)UVD)0.25---(10)]]>式中hr-在水蒸汽中的輻射傳熱係數；hc-在水蒸汽中的對流傳熱係數；Tf-水蒸汽薄膜溫度；Tsat-水蒸汽飽和溫度；HVI——有效水蒸汽熱；ρv-水蒸汽密度；ρI-液態水密度 KV-水蒸汽導熱係數；D-軋件直徑；
4.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於所述的奧氏體組織演變模型[4]分別為1)臨界應變模型c=1.8410-3d00.24Z0.15---(11)]]>Z=exp(300000/RT)---(12)]]>式中 是應變速率，R是氣體常數，T是溫度，d0是軋前奧氏體晶粒直徑；2)靜態再結晶模型Xs=1-exp(-0.639(t/t0.5)n)---(13)]]>n=6.110-60.02d0-0.30exp(-18400/T)]]>t0.5=4.510-5-1.0d00.6exp(6900/T)]]>t0.5=t0.5(3.6/)0.28]]>式中Xs是靜態再結晶體積百分數，t是再結晶時間，ε是應變；dSRX=95.5-0.1-0.5d00.39exp(-3500/T)---(14)]]>式中dSRX是靜態再結晶晶粒直徑；3)亞動態再結晶模型XM＝1-exp(-0.639(t/t05)n)(15)n＝1.5t0.5＝1.1·Z-0.8·exp(230000/RT)式中XM是亞動態再結晶體積百分數；dMRX＝2.6×104Z-0.23(16)式中dMRX是亞動態再結晶晶粒直徑；4)晶粒長大模型當晶粒長大時間大於1秒時，對於靜態再結晶模型d7=dSRX7+1.51027texp(-400000/RT)---(17)]]>對於亞動態再結晶模型d7=dMRX7+1.51027texp(-400000/RT)---(18)]]>當晶粒長大時間小於1秒時，對於靜態再結晶模型d2=dSRX2+4.0107texp(-113000/RT)---(19)]]>對於亞動態再結晶模型d2=dMRX2+4.0107texp(-113000/RT)---(20)]]>式中d是長大後的晶粒直徑，t是晶粒長大時間；5)部分再結晶時，進入下一道次的平均晶粒尺寸d0,j+1=Xi4/3dRX+(1-Xi)2d0,i---(21)]]>式中dRX是再結晶晶粒直徑，i是道次數；部分再結晶時，造成下一道次的累計應變為εa，i+1＝εi+1+(1-Xi)εi(22)6)溫度修正的時間t=tiexp(-QRTi)---(23)]]>式中Δti是溫度Ti時的時間步長。
5.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於所述的奧氏體分解模型[14]為F＝1-exp(-bt2)(24)式中F-珠光體相變的體積百分數，t是相變時間，b是和相變前奧氏體晶粒尺寸、相變溫度和鋼的化學成份有關的係數。
6.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於所述的線材力學性能與顯微組織關係模型[13]分別為1)相變產生的熱引起的溫升模型 式中H是相變熱焓，Cp是材料的比熱，ΔF是相變體積百分數增量；2)斯太爾摩上由於風冷而引起的溫降模型T降＝t·v (26)式中t是風冷時間，v是冷卻速度；3)珠光體片間距模型Sp-1=-0.21-0.0703T---(27)]]>式中Sp是珠光體片層間距，ΔT是過冷度；
7.根據權利要求1所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於用所述的VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]為輸入軋制工藝參數[16]，根據軋件的溫度模型[3]計算出軋件的溫度場分布[17]，根據溫度場的分布[17]和奧氏體組織演變模型[4]計算出奧氏體再結晶[24]和奧氏體晶粒尺寸[18]，根據奧氏體晶粒尺寸[18]，在斯太爾摩線上利用奧氏體分解模型[14]計算出珠光體片間距[23]、珠光體球團尺寸[19]、珠光體百分數[20]，由線材力學性能與顯微組織關係模型[13]計算出線材強度[22]和斷面收縮率[21]。
8.根據權利要求7所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於用所述的軋件溫度模型[3]編程，輸入軋制工藝參數[16]，包括材質、線材直徑、軋制速度、出爐溫度、室溫、冷卻水溫度、冷卻水箱的水壓及噴嘴開/關狀態、斯太爾摩線上風機開/關狀態和斯太爾摩線輸送速度，計算中間物理參數[25]，計算線材在各機架運行時間[26]t1、t2、t3、t4，計算精軋前溫度[27]、精軋前水冷過程中的溫度[28]、精軋過程軋件溫度[30]、精軋後水冷過程軋件溫度[31]，用有限差分[29]計算軋件溫度[32]。
9.根據權利要求7所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於用所述的奧氏體組織演變模型[4]編程輸入軋制工藝參數[16]和軋件溫度[32]，計算混合組織[35]和奧氏體再結晶組織[24]、計算出再結晶百分數[33]、奧氏體晶粒尺寸[34]。
10.根據權利要求7所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於用所述的奧氏體分解模型[14]編程輸入軋制工藝參數[16]、奧氏體晶粒尺寸[34]，在單位時間步長j內，根據疊加原理[36]和奧氏體分解模型[14]，計算相變潛熱[37]，通過迭代法[38]計算下一時刻j+1的等溫溫度，迭代完成後得到相變體積[39]，根據在斯太爾摩線的輸送速度，確定最終的相變時間、位置、體積分數[40]。
11.根據權利要求7所述的硬線產品顯微組織與力學性能預報系統，其特徵在於用所述的線材力學性能與顯微組織關係模型[13]編程輸入軋制工藝參數[16]，在單位時間步長j內，根據疊加原理[36]和奧氏體分解模型[14]，計算出等溫溫度下的片間距[41]，相變完成後，得到硬線產品顯微組織與力學性能結果[5]及優化控制參數的風冷速度[6]、冷卻水量[7]、變形速度[8]、變形量[9]。
全文摘要
本發明涉及一種用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的溫度、組織與性能預報系統。其方案是，取軋件試樣經實驗並進行微觀組織和力學性能分析[1]，測定軋件表面溫度[15]；建立連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的溫度模型[3]、奧氏體組織演變模型[4]、奧氏體分解模型[14]、力學性能與顯微組織關係模型[13]；用VB語言編寫硬線顯微組織演變和預報線材力學性能控制程序[12]，進行軋制模擬[11]；然後分別給出軋件在整個軋制線上全部的溫度數據[10]、最終硬線產品顯微組織與力學性能參數[5]和優化控制參數的風冷速度[6]、冷卻水量[7]、變形速度[8]、變形量[9]。本發明具有能預報用連鑄坯直接軋制高碳鋼線材的顯微組織與力學性能及能提出相應的工藝參數控制範圍的特點。
文檔編號G06F19/00GK1641356SQ20041006132
公開日2005年7月20日 申請日期2004年12月13日 優先權日2004年12月13日
發明者譚鋼軍, 杭乃勤, 張翔, 張雲祥, 熊建良, 餘馳斌, 程先舟, 董素梅, 桂美文, 褚雙學, 歐陽標, 夏太平, 羅德信, 趙嘉蓉, 徐光 申請人:武漢科技大學, 武漢鋼鐵有限責任公司大型軋鋼廠