熱軋帶鋼冷卻過程中的相變模擬

1、熱軋帶鋼冷卻過程中的相變模擬熱軋帶鋼冷卻過程中的相變模擬 內(nèi)內(nèi) 容容 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 溫度場模型溫度場模型 冷卻相變計算冷卻相變計算 結(jié)果與分析結(jié)果與分析模型構(gòu)成模型構(gòu)成 加熱模加熱模塊塊 軋制模軋制模塊塊 相變模相變模塊塊 卷取模卷取模塊塊 性能模性能模塊塊冷卻相變模塊的建模冷卻相變模塊的建模 熱軋帶鋼連續(xù)冷卻過程中熱軋帶鋼連續(xù)冷卻過程中 和和 的相變模型的相變模型 鐵素體晶粒尺寸模型鐵素體晶粒尺寸模型 相變過程的熱力學(xué)和動力學(xué)計算相變過程的熱力學(xué)和動力學(xué)計算 研究冷卻模式對相變的影響研究冷卻模式對相變的影響P目的：實現(xiàn)熱軋帶鋼冷卻過程中的組織預(yù)報目的：實現(xiàn)熱軋帶鋼冷卻過程中的組織預(yù)報創(chuàng)新

2、點創(chuàng)新點 相變模型的適用范圍寬相變模型的適用范圍寬)(Tfk )(exp1nktX 冷卻模式對相變影響的模擬和驗證冷卻模式對相變影響的模擬和驗證v 綜合考慮軋制工藝參數(shù)如形變量、軋綜合考慮軋制工藝參數(shù)如形變量、軋 制溫度、冷卻速率和化學(xué)成分的影響制溫度、冷卻速率和化學(xué)成分的影響 帶鋼在長度方向上任意點的組織預(yù)測帶鋼在長度方向上任意點的組織預(yù)測建模思路建模思路 計算計算輸出輥道上帶鋼的溫度和冷卻速率輸出輥道上帶鋼的溫度和冷卻速率 溫度模型溫度模型 速度加速度速度加速度 帶鋼規(guī)格帶鋼規(guī)格 帶鋼運行時間帶鋼運行時間 輸出輥道上輸出輥道上 帶鋼溫度帶鋼溫度 帶鋼冷卻速率帶鋼冷卻速率 相變模型的建立相變

3、模型的建立 建立鐵素體晶粒尺寸模型和卷取后鐵素建立鐵素體晶粒尺寸模型和卷取后鐵素 體晶粒的長大模型。體晶粒的長大模型。 根據(jù)生產(chǎn)線的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，計算組成相的根據(jù)生產(chǎn)線的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，計算組成相的 體積分數(shù)和鐵素體晶粒尺寸，修正模體積分數(shù)和鐵素體晶粒尺寸，修正模型。型。鞍鋼鞍鋼1780生產(chǎn)線工藝流程生產(chǎn)線工藝流程帶鋼軋制工藝流程帶鋼軋制工藝流程帶鋼軋制過程中溫度場帶鋼軋制過程中溫度場初軋機組初軋機組精軋機組精軋機組空冷模型空冷模型aT: : 由空冷引起的溫降，由空冷引起的溫降，K； T: : 初始溫度，初始溫度，K； k: : 輻射率，當表面氧化皮較多時為輻射率，當表面氧化皮較多時為0.8，剛軋出的平

4、滑，剛軋出的平滑 表面為表面為0.550.65； : : 波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù), , J/m2sK4 ； t: : 空冷時間，空冷時間，s； pc: : 比熱容，比熱容，J/(kgK)；: : 密度，密度，kg/m3； ctL: : 溫度自學(xué)習系數(shù)；溫度自學(xué)習系數(shù)； h: : 軋件厚度，軋件厚度，m。 ThcktTLTpcta3136水冷模型水冷模型wT: : 由水冷引起的溫降，由水冷引起的溫降，K T: : 初始溫度，初始溫度，K； wT: : 水溫，水溫，K； a: : 換熱系數(shù)，換熱系數(shù)，J/m2sK ； t: : 水冷時間，水冷時間，s； : : 比熱容，比熱容，J/(kgK)；

5、ctL: : 溫度自學(xué)習系數(shù)；溫度自學(xué)習系數(shù)； h: : 軋件厚度，軋件厚度，m。 : : 密度，密度，kg/m3； 12exphcatTTLTpwctwpc接觸傳熱模型接觸傳熱模型cT: : 與軋輥接觸引起的溫降，與軋輥接觸引起的溫降，K； rT: : 軋輥溫度，軋輥溫度，K； T: : 板坯入口溫度，板坯入口溫度，K； t: : 軋輥接觸時間，軋輥接觸時間，s； 1ih: : 前一道次軋件厚度，前一道次軋件厚度，m。 : : 溫度傳導(dǎo)率溫度傳導(dǎo)率, ,m2/s； sktkhhTTTsiirc2121ih: : 當前道次軋件厚度，當前道次軋件厚度，m。 形變熱模型形變熱模型dT: : 由形變

6、熱引起的溫升由形變熱引起的溫升，K； cfL: : 軋制力自學(xué)習系數(shù)；軋制力自學(xué)習系數(shù)； mk: : 形變抗力形變抗力 ，MPa； : : 比熱容，比熱容，J/(kgK)； h: : 軋件厚度，軋件厚度，m； : : 密度，密度，kg/m3。 piimcfdchhkLT1lnpc摩擦熱模型摩擦熱模型 fT: : 由摩擦引起的溫升，由摩擦引起的溫升，K； dT: : 由形變引起的溫升，由形變引起的溫升，K； wP: : 功率，功率，kw； h: : 軋件厚度，軋件厚度，m。 : : 密度，密度，kg/m3； v: : 軋制速度，軋制速度，m/s； pc: : 比熱容，比熱容，J/(kgK)。 d

7、pwfTchvwPTw: : 帶鋼寬度帶鋼寬度，m。 層流冷卻設(shè)備層流冷卻設(shè)備:1212組主冷、組主冷、3 3組精冷組精冷和側(cè)噴組成。和側(cè)噴組成。卷取溫度控制數(shù)學(xué)模型卷取溫度控制數(shù)學(xué)模型 空冷模型空冷模型: : 冷卻區(qū)帶鋼入口溫度，冷卻區(qū)帶鋼入口溫度，K； : : 冷卻區(qū)帶鋼出口溫度，冷卻區(qū)帶鋼出口溫度，K； : : 帶鋼的輻射率；帶鋼的輻射率；: : 波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； kJ/m2 h K4， pc: : 比熱容，比熱容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3； h: : 軋件厚度，軋件厚度，m。 t: : 冷卻時間，冷卻時間，s。 3312161ThcktTp1T2T層

8、流冷卻模型層流冷卻模型 BANKT: : 由層流冷卻水引起的溫降，由層流冷卻水引起的溫降，K； BANKl: : 一組主冷所冷卻的長度，一組主冷所冷卻的長度，m； : : 終軋出口帶鋼速度終軋出口帶鋼速度 ，m/s； : : 層流冷卻水的熱流密度層流冷卻水的熱流密度 ，J/m2 s ，與帶鋼的厚度、寬與帶鋼的厚度、寬 度、卷取溫度、運行速度有關(guān)度、卷取溫度、運行速度有關(guān)；pc: : 比熱容，比熱容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3； : : 終軋出口厚度，終軋出口厚度，m。 hpBANKvhcl36001000BANKTv側(cè)噴水冷模型側(cè)噴水冷模型 帶鋼每段的溫降為空冷、水冷和側(cè)

9、噴水溫降的總和。帶鋼每段的溫降為空冷、水冷和側(cè)噴水溫降的總和。ST: : 由側(cè)噴水引起的溫降，由側(cè)噴水引起的溫降，K； : : 終軋出口帶鋼速度終軋出口帶鋼速度 ，m/s；SDl: : 側(cè)噴水所涉及的距離，側(cè)噴水所涉及的距離，m； SQ: : 側(cè)噴水的熱流密度側(cè)噴水的熱流密度 ， J/m2 s ； : : 終軋出口帶鋼厚度，終軋出口帶鋼厚度，m；hpc: : 比熱容，比熱容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3。 vhcQlTpSSDS36001000v輸出輥道上帶鋼溫度時間曲線輸出輥道上帶鋼溫度時間曲線 帶鋼愈厚，帶鋼愈厚，帶鋼在輸帶鋼在輸出輥道上出輥道上的時間愈的時間愈長；反之

10、，長；反之，時間就短。時間就短。相變模型相變模型 Avrami方程（等溫）方程（等溫）X為等溫相變分數(shù)，時間為等溫相變分數(shù)，時間t表示相變開始后的時間；表示相變開始后的時間；k 和和n由等溫轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)確定。由等溫轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)確定。)(exp1nktX指數(shù)指數(shù)n，一定的溫度范圍內(nèi)為常數(shù)，一定的溫度范圍內(nèi)為常數(shù)。 k 為速率常數(shù)，依賴于轉(zhuǎn)變溫度和相為速率常數(shù)，依賴于轉(zhuǎn)變溫度和相變機制變機制, , k 的的Gauss分布函數(shù)為：分布函數(shù)為：)4() 3()2(exp) 1 (PppTpk相變參數(shù)相變參數(shù) P p(1) 2/ d(C+Mn/6) 13 / d p(2) Ae3-215+28.15/ 02.

11、0d-0.7C Ae1-175+27.8/ 02. 0d-22C p(3) 67 47 p(4) 1.9 2.2 連續(xù)冷卻相變計算連續(xù)冷卻相變計算根據(jù)根據(jù)Scheil的的疊加性法則，疊加性法則，將連續(xù)冷卻將連續(xù)冷卻相變處理成相變處理成微小等溫相微小等溫相變之和變之和。 dTCeqCeqd015. 0exp10 .220 .592 .244 . 64 . 05 . 0045. 0100 dd相變后鐵素體晶粒尺寸模型相變后鐵素體晶粒尺寸模型影響因素影響因素: : 再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸； 殘余應(yīng)變殘余應(yīng)變； 終軋溫度與卷取溫度之間的冷卻速率終軋溫度與卷取溫度之間的冷卻速率； 化學(xué)

12、成分?；瘜W(xué)成分。:35. 0Ceq:35. 0Ceq05 .00015.0exp10 .2237 .56 .22dTCeqd卷取后鐵素體晶粒的長大模型卷取后鐵素體晶粒的長大模型影響因素影響因素: : 卷取溫度卷取溫度； 相變后鐵素體晶粒尺寸相變后鐵素體晶粒尺寸； 時間時間； 晶粒長大過程的熱激活能。晶粒長大過程的熱激活能。 RTQktddnnexp0平衡溫度平衡溫度(Ae3)隨著隨著C含量含量的增加，的增加，Ae3溫度降低。溫度降低。平衡溫度平衡溫度(Ae1)隨著隨著C含量的含量的增加，增加，Ae1溫溫度升高。度升高。Si含量對含量對Ae3的影響的影響Si增加增加Ae3升高升高Mn含量對含量對

13、Ae3的影響的影響Mn增加增加 Ae3降低降低轉(zhuǎn)變開始溫度轉(zhuǎn)變開始溫度冷卻速率增大，冷卻速率增大，Ar3溫度降低。溫度降低。冷卻速率對冷卻速率對A Ar r3 3的影響的影響C含量增加，含量增加，Ar3溫度降低。溫度降低。C對對Ar3的影響的影響轉(zhuǎn)變開始溫度轉(zhuǎn)變開始溫度形變奧氏體的自由能高于未發(fā)形變奧氏體的自由能高于未發(fā)生形變的奧氏體的自由能生形變的奧氏體的自由能轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變開始溫度（判據(jù)）轉(zhuǎn)變開始溫度（判據(jù)）在發(fā)生先析出鐵素體的相變在發(fā)生先析出鐵素體的相變過程中，奧氏體中平均碳含過程中，奧氏體中平均碳含量量Cr根據(jù)下式計算：根據(jù)下式計算： : : 相變前奧氏體的碳含量相變前奧氏體的碳

14、含量； : : 鐵素體的碳含量鐵素體的碳含量； : : 已轉(zhuǎn)變的鐵素體百分含量已轉(zhuǎn)變的鐵素體百分含量。FFrXCXCC10C0CFXP轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變開始Q235B組織組成組織組成室溫組織為鐵室溫組織為鐵素體和珠光體。素體和珠光體。Q235B相變動力學(xué)曲線相變動力學(xué)曲線熱軋普碳鋼熱軋普碳鋼Q235B組成組成相體積分數(shù)相體積分數(shù)隨時間的變隨時間的變化。化。冷卻速率沿帶鋼長度的分布冷卻速率沿帶鋼長度的分布帶鋼愈薄帶鋼愈薄，冷卻速率愈冷卻速率愈大，沿長度大，沿長度方向的分布方向的分布不均勻；帶不均勻；帶鋼愈厚，冷鋼愈厚，冷卻速率愈小，卻速率愈小，沿長度方向沿長度方向的分布均勻。的分布均勻。鐵素體體積分數(shù)

15、沿帶鋼長度的分布鐵素體體積分數(shù)沿帶鋼長度的分布帶鋼厚，冷卻帶鋼厚，冷卻速率小，鐵素速率小，鐵素體量多，沿長體量多，沿長度方向的分布度方向的分布均勻；帶鋼薄，均勻；帶鋼薄，冷卻速率大，冷卻速率大，鐵素體少，沿鐵素體少，沿長度方向的分長度方向的分布不均勻。布不均勻。鐵素體體積分數(shù)隨時間的變化鐵素體體積分數(shù)隨時間的變化帶鋼厚，鐵帶鋼厚，鐵素體轉(zhuǎn)變完素體轉(zhuǎn)變完成的時間長。成的時間長。鐵素體體積分數(shù)與冷卻速率、殘余應(yīng)變和奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系鐵素體體積分數(shù)與冷卻速率、殘余應(yīng)變和奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系鐵素體體積鐵素體體積分數(shù)與冷卻分數(shù)與冷卻速率、奧氏速率、奧氏體晶粒尺寸體晶粒尺寸成反比，與成反比，與殘余應(yīng)變成

16、殘余應(yīng)變成正比。正比。鐵素體晶粒尺寸沿帶鋼長度的分布鐵素體晶粒尺寸沿帶鋼長度的分布帶鋼厚，鐵帶鋼厚，鐵素體晶粒尺素體晶粒尺寸大。寸大。鐵素體晶粒尺寸與冷卻速率、殘余應(yīng)變和奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系鐵素體晶粒尺寸與冷卻速率、殘余應(yīng)變和奧氏體晶粒尺寸的關(guān)系鐵素體晶粒鐵素體晶粒尺寸與冷卻尺寸與冷卻速率、殘余速率、殘余應(yīng)變成反比，應(yīng)變成反比，與奧氏體晶與奧氏體晶粒尺寸成正粒尺寸成正比。比。熱軋普碳鋼熱軋普碳鋼Q235B金相組織金相組織鐵素體珠光體鐵素體珠光體鐵素體體積分數(shù)計算值與實測值比較鐵素體體積分數(shù)計算值與實測值比較鐵素體體積分鐵素體體積分數(shù)計算值與實數(shù)計算值與實測值的相對誤測值的相對誤差在差在 8 以

17、內(nèi)。以內(nèi)。鐵素體晶粒尺寸計算值與實測值比較鐵素體晶粒尺寸計算值與實測值比較鐵素體晶粒尺鐵素體晶粒尺寸計算值與實寸計算值與實測值的相對誤測值的相對誤差在差在 2 m 以內(nèi)。以內(nèi)。鐵素體體積分數(shù)和鐵素體晶粒尺寸計算值與實測值的比較鐵素體體積分數(shù)和鐵素體晶粒尺寸計算值與實測值的比較板坯規(guī)格：板坯規(guī)格： 長：長：7.7m 寬：寬：1550mm 高：高：230mm 帶鋼規(guī)格：帶鋼規(guī)格： 長：長：200m 寬：寬：1462mm 厚：厚：9.35mm 段段=15.4m 前段急冷模式前段急冷模式(case 1)冷卻模式對相變的影響冷卻模式對相變的影響后段急冷模式后段急冷模式(case 2)冷卻模式冷卻模式緩慢

18、冷卻模式緩慢冷卻模式 (case 3)冷卻模式冷卻模式冷卻模式對相變的影響冷卻模式對相變的影響SS400 化學(xué)成分和主要工藝參數(shù)化學(xué)成分和主要工藝參數(shù)化化學(xué)學(xué)成成分分 (%) 終終軋軋溫溫度度 （oC） 卷卷取取溫溫度度 （oC） C Mn Si 帶帶鋼鋼 厚厚度度 (mm) 帶帶鋼鋼 寬寬度度 (mm) Case 1 Case 2 Case 3 Case 1 Case 2 Case 3 0.139 0.46 0.068 5.65 1503 821 836 844 630 630 636 不同冷卻模式下溫度時間曲線不同冷卻模式下溫度時間曲線不同冷卻模式下，不同冷卻模式下，帶鋼在輸出輥道帶鋼在輸

19、出輥道上的溫度時間上的溫度時間曲線不同。曲線不同。不同冷卻模式下鐵素體體積分數(shù)不同冷卻模式下鐵素體體積分數(shù)冷卻模式對最終冷卻模式對最終組織中鐵素體體組織中鐵素體體積分數(shù)影響不大。積分數(shù)影響不大。三種冷卻模式下組成相的體積分數(shù)隨時間的演化三種冷卻模式下組成相的體積分數(shù)隨時間的演化不同冷卻模式下，相變的不同冷卻模式下，相變的時間、相變的路徑不同，時間、相變的路徑不同，但對最終組成相的體積分但對最終組成相的體積分數(shù)影響不大。數(shù)影響不大。三種冷卻模式下鐵素體體積分數(shù)計算值與實測值比較三種冷卻模式下鐵素體體積分數(shù)計算值與實測值比較 鐵素體分數(shù)（鐵素體分數(shù)（%） 計算值計算值 冷卻冷卻 模式模式 平均冷卻平均冷卻速率速率 (oC/s) 冷卻模式計算冷卻模式計算 平均冷速計算平均冷速計算 實測實測 平均值平