热轧带钢冷却过程中的相变模拟

1、热轧带钢冷却过程中的相变模拟热轧带钢冷却过程中的相变模拟 内内 容容 研究内容研究内容 温度场模型温度场模型 冷却相变计算冷却相变计算 结果与分析结果与分析模型构成模型构成 加热模加热模块块 轧制模轧制模块块 相变模相变模块块 卷取模卷取模块块 性能模性能模块块冷却相变模块的建模冷却相变模块的建模 热轧带钢连续冷却过程中热轧带钢连续冷却过程中 和和 的相变模型的相变模型 铁素体晶粒尺寸模型铁素体晶粒尺寸模型 相变过程的热力学和动力学计算相变过程的热力学和动力学计算 研究冷却模式对相变的影响研究冷却模式对相变的影响P目的：实现热轧带钢冷却过程中的组织预报目的：实现热轧带钢冷却过程中的组织预报创新

2、点创新点 相变模型的适用范围宽相变模型的适用范围宽)(Tfk )(exp1nktX 冷却模式对相变影响的模拟和验证冷却模式对相变影响的模拟和验证v 综合考虑轧制工艺参数如形变量、轧综合考虑轧制工艺参数如形变量、轧 制温度、冷却速率和化学成分的影响制温度、冷却速率和化学成分的影响 带钢在长度方向上任意点的组织预测带钢在长度方向上任意点的组织预测建模思路建模思路 计算计算输出辊道上带钢的温度和冷却速率输出辊道上带钢的温度和冷却速率 温度模型温度模型 速度加速度速度加速度 带钢规格带钢规格 带钢运行时间带钢运行时间 输出辊道上输出辊道上 带钢温度带钢温度 带钢冷却速率带钢冷却速率 相变模型的建立相变

3、模型的建立 建立铁素体晶粒尺寸模型和卷取后铁素建立铁素体晶粒尺寸模型和卷取后铁素 体晶粒的长大模型。体晶粒的长大模型。 根据生产线的现场数据，计算组成相的根据生产线的现场数据，计算组成相的 体积分数和铁素体晶粒尺寸，修正模体积分数和铁素体晶粒尺寸，修正模型。型。鞍钢鞍钢1780生产线工艺流程生产线工艺流程带钢轧制工艺流程带钢轧制工艺流程带钢轧制过程中温度场带钢轧制过程中温度场初轧机组初轧机组精轧机组精轧机组空冷模型空冷模型aT: : 由空冷引起的温降，由空冷引起的温降，K； T: : 初始温度，初始温度，K； k: : 辐射率，当表面氧化皮较多时为辐射率，当表面氧化皮较多时为0.8，刚轧出的平

4、滑，刚轧出的平滑 表面为表面为0.550.65； : : 波尔兹曼常数波尔兹曼常数, , J/m2sK4 ； t: : 空冷时间，空冷时间，s； pc: : 比热容，比热容，J/(kgK)；: : 密度，密度，kg/m3； ctL: : 温度自学习系数；温度自学习系数； h: : 轧件厚度，轧件厚度，m。 ThcktTLTpcta3136水冷模型水冷模型wT: : 由水冷引起的温降，由水冷引起的温降，K T: : 初始温度，初始温度，K； wT: : 水温，水温，K； a: : 换热系数，换热系数，J/m2sK ； t: : 水冷时间，水冷时间，s； : : 比热容，比热容，J/(kgK)；

5、ctL: : 温度自学习系数；温度自学习系数； h: : 轧件厚度，轧件厚度，m。 : : 密度，密度，kg/m3； 12exphcatTTLTpwctwpc接触传热模型接触传热模型cT: : 与轧辊接触引起的温降，与轧辊接触引起的温降，K； rT: : 轧辊温度，轧辊温度，K； T: : 板坯入口温度，板坯入口温度，K； t: : 轧辊接触时间，轧辊接触时间，s； 1ih: : 前一道次轧件厚度，前一道次轧件厚度，m。 : : 温度传导率温度传导率, ,m2/s； sktkhhTTTsiirc2121ih: : 当前道次轧件厚度，当前道次轧件厚度，m。 形变热模型形变热模型dT: : 由形变

6、热引起的温升由形变热引起的温升，K； cfL: : 轧制力自学习系数；轧制力自学习系数； mk: : 形变抗力形变抗力 ，MPa； : : 比热容，比热容，J/(kgK)； h: : 轧件厚度，轧件厚度，m； : : 密度，密度，kg/m3。 piimcfdchhkLT1lnpc摩擦热模型摩擦热模型 fT: : 由摩擦引起的温升，由摩擦引起的温升，K； dT: : 由形变引起的温升，由形变引起的温升，K； wP: : 功率，功率，kw； h: : 轧件厚度，轧件厚度，m。 : : 密度，密度，kg/m3； v: : 轧制速度，轧制速度，m/s； pc: : 比热容，比热容，J/(kgK)。 d

7、pwfTchvwPTw: : 带钢宽度带钢宽度，m。 层流冷却设备层流冷却设备:1212组主冷、组主冷、3 3组精冷组精冷和侧喷组成。和侧喷组成。卷取温度控制数学模型卷取温度控制数学模型 空冷模型空冷模型: : 冷却区带钢入口温度，冷却区带钢入口温度，K； : : 冷却区带钢出口温度，冷却区带钢出口温度，K； : : 带钢的辐射率；带钢的辐射率；: : 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； kJ/m2 h K4， pc: : 比热容，比热容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3； h: : 轧件厚度，轧件厚度，m。 t: : 冷却时间，冷却时间，s。 3312161ThcktTp1T2T层

8、流冷却模型层流冷却模型 BANKT: : 由层流冷却水引起的温降，由层流冷却水引起的温降，K； BANKl: : 一组主冷所冷却的长度，一组主冷所冷却的长度，m； : : 终轧出口带钢速度终轧出口带钢速度 ，m/s； : : 层流冷却水的热流密度层流冷却水的热流密度 ，J/m2 s ，与带钢的厚度、宽与带钢的厚度、宽 度、卷取温度、运行速度有关度、卷取温度、运行速度有关；pc: : 比热容，比热容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3； : : 终轧出口厚度，终轧出口厚度，m。 hpBANKvhcl36001000BANKTv侧喷水冷模型侧喷水冷模型 带钢每段的温降为空冷、水冷和侧

9、喷水温降的总和。带钢每段的温降为空冷、水冷和侧喷水温降的总和。ST: : 由侧喷水引起的温降，由侧喷水引起的温降，K； : : 终轧出口带钢速度终轧出口带钢速度 ，m/s；SDl: : 侧喷水所涉及的距离，侧喷水所涉及的距离，m； SQ: : 侧喷水的热流密度侧喷水的热流密度 ， J/m2 s ； : : 终轧出口带钢厚度，终轧出口带钢厚度，m；hpc: : 比热容，比热容，J/(kgK)； : : 密度，密度，kg/m3。 vhcQlTpSSDS36001000v输出辊道上带钢温度时间曲线输出辊道上带钢温度时间曲线 带钢愈厚，带钢愈厚，带钢在输带钢在输出辊道上出辊道上的时间愈的时间愈长；反之

10、，长；反之，时间就短。时间就短。相变模型相变模型 Avrami方程（等温）方程（等温）X为等温相变分数，时间为等温相变分数，时间t表示相变开始后的时间；表示相变开始后的时间；k 和和n由等温转变数据确定。由等温转变数据确定。)(exp1nktX指数指数n，一定的温度范围内为常数，一定的温度范围内为常数。 k 为速率常数，依赖于转变温度和相为速率常数，依赖于转变温度和相变机制变机制, , k 的的Gauss分布函数为：分布函数为：)4() 3()2(exp) 1 (PppTpk相变参数相变参数 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 连续冷却相变计算连续冷却相变计算根据根据Scheil的的叠加性法则，叠加性法则，将连续冷却将连续冷却相变处理成相变处理成微小等温相微小等温相变之和变之和。 dTCeqCeqd015. 0exp10 .220 .592 .244 . 64 . 05 . 0045. 0100 dd相变后铁素体晶粒尺寸模型相变后铁素体晶粒尺寸模型影响因素影响因素: : 再结晶奥氏体晶粒尺寸再结晶奥氏体晶粒尺寸； 残余应变残余应变； 终轧温度与卷取温度之间的冷却速率终轧温度与卷取温度之间的冷却速率； 化学

12、成分。化学成分。:35. 0Ceq:35. 0Ceq05 .00015.0exp10 .2237 .56 .22dTCeqd卷取后铁素体晶粒的长大模型卷取后铁素体晶粒的长大模型影响因素影响因素: : 卷取温度卷取温度； 相变后铁素体晶粒尺寸相变后铁素体晶粒尺寸； 时间时间； 晶粒长大过程的热激活能。晶粒长大过程的热激活能。 RTQktddnnexp0平衡温度平衡温度(Ae3)随着随着C含量含量的增加，的增加，Ae3温度降低。温度降低。平衡温度平衡温度(Ae1)随着随着C含量的含量的增加，增加，Ae1温温度升高。度升高。Si含量对含量对Ae3的影响的影响Si增加增加Ae3升高升高Mn含量对含量对

13、Ae3的影响的影响Mn增加增加 Ae3降低降低转变开始温度转变开始温度冷却速率增大，冷却速率增大，Ar3温度降低。温度降低。冷却速率对冷却速率对A Ar r3 3的影响的影响C含量增加，含量增加，Ar3温度降低。温度降低。C对对Ar3的影响的影响转变开始温度转变开始温度形变奥氏体的自由能高于未发形变奥氏体的自由能高于未发生形变的奥氏体的自由能生形变的奥氏体的自由能转变开始转变开始转变开始温度（判据）转变开始温度（判据）在发生先析出铁素体的相变在发生先析出铁素体的相变过程中，奥氏体中平均碳含过程中，奥氏体中平均碳含量量Cr根据下式计算：根据下式计算： : : 相变前奥氏体的碳含量相变前奥氏体的碳

14、含量； : : 铁素体的碳含量铁素体的碳含量； : : 已转变的铁素体百分含量已转变的铁素体百分含量。FFrXCXCC10C0CFXP转变开始转变开始Q235B组织组成组织组成室温组织为铁室温组织为铁素体和珠光体。素体和珠光体。Q235B相变动力学曲线相变动力学曲线热轧普碳钢热轧普碳钢Q235B组成组成相体积分数相体积分数随时间的变随时间的变化。化。冷却速率沿带钢长度的分布冷却速率沿带钢长度的分布带钢愈薄带钢愈薄，冷却速率愈冷却速率愈大，沿长度大，沿长度方向的分布方向的分布不均匀；带不均匀；带钢愈厚，冷钢愈厚，冷却速率愈小，却速率愈小，沿长度方向沿长度方向的分布均匀。的分布均匀。铁素体体积分数

15、沿带钢长度的分布铁素体体积分数沿带钢长度的分布带钢厚，冷却带钢厚，冷却速率小，铁素速率小，铁素体量多，沿长体量多，沿长度方向的分布度方向的分布均匀；带钢薄，均匀；带钢薄，冷却速率大，冷却速率大，铁素体少，沿铁素体少，沿长度方向的分长度方向的分布不均匀。布不均匀。铁素体体积分数随时间的变化铁素体体积分数随时间的变化带钢厚，铁带钢厚，铁素体转变完素体转变完成的时间长。成的时间长。铁素体体积分数与冷却速率、残余应变和奥氏体晶粒尺寸的关系铁素体体积分数与冷却速率、残余应变和奥氏体晶粒尺寸的关系铁素体体积铁素体体积分数与冷却分数与冷却速率、奥氏速率、奥氏体晶粒尺寸体晶粒尺寸成反比，与成反比，与残余应变成

16、残余应变成正比。正比。铁素体晶粒尺寸沿带钢长度的分布铁素体晶粒尺寸沿带钢长度的分布带钢厚，铁带钢厚，铁素体晶粒尺素体晶粒尺寸大。寸大。铁素体晶粒尺寸与冷却速率、残余应变和奥氏体晶粒尺寸的关系铁素体晶粒尺寸与冷却速率、残余应变和奥氏体晶粒尺寸的关系铁素体晶粒铁素体晶粒尺寸与冷却尺寸与冷却速率、残余速率、残余应变成反比，应变成反比，与奥氏体晶与奥氏体晶粒尺寸成正粒尺寸成正比。比。热轧普碳钢热轧普碳钢Q235B金相组织金相组织铁素体珠光体铁素体珠光体铁素体体积分数计算值与实测值比较铁素体体积分数计算值与实测值比较铁素体体积分铁素体体积分数计算值与实数计算值与实测值的相对误测值的相对误差在差在 8 以

17、内。以内。铁素体晶粒尺寸计算值与实测值比较铁素体晶粒尺寸计算值与实测值比较铁素体晶粒尺铁素体晶粒尺寸计算值与实寸计算值与实测值的相对误测值的相对误差在差在 2 m 以内。以内。铁素体体积分数和铁素体晶粒尺寸计算值与实测值的比较铁素体体积分数和铁素体晶粒尺寸计算值与实测值的比较板坯规格：板坯规格： 长：长：7.7m 宽：宽：1550mm 高：高：230mm 带钢规格：带钢规格： 长：长：200m 宽：宽：1462mm 厚：厚：9.35mm 段段=15.4m 前段急冷模式前段急冷模式(case 1)冷却模式对相变的影响冷却模式对相变的影响后段急冷模式后段急冷模式(case 2)冷却模式冷却模式缓慢

18、冷却模式缓慢冷却模式 (case 3)冷却模式冷却模式冷却模式对相变的影响冷却模式对相变的影响SS400 化学成分和主要工艺参数化学成分和主要工艺参数化化学学成成分分 (%) 终终轧轧温温度度 （oC） 卷卷取取温温度度 （oC） C Mn Si 带带钢钢 厚厚度度 (mm) 带带钢钢 宽宽度度 (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 不同冷却模式下温度时间曲线不同冷却模式下温度时间曲线不同冷却模式下，不同冷却模式下，带钢在输出辊道带钢在输

19、出辊道上的温度时间上的温度时间曲线不同。曲线不同。不同冷却模式下铁素体体积分数不同冷却模式下铁素体体积分数冷却模式对最终冷却模式对最终组织中铁素体体组织中铁素体体积分数影响不大。积分数影响不大。三种冷却模式下组成相的体积分数随时间的演化三种冷却模式下组成相的体积分数随时间的演化不同冷却模式下，相变的不同冷却模式下，相变的时间、相变的路径不同，时间、相变的路径不同，但对最终组成相的体积分但对最终组成相的体积分数影响不大。数影响不大。三种冷却模式下铁素体体积分数计算值与实测值比较三种冷却模式下铁素体体积分数计算值与实测值比较 铁素体分数（铁素体分数（%） 计算值计算值 冷却冷却 模式模式 平均冷却平均冷却速率速率 (oC/s) 冷却模式计算冷却模式计算 平均冷速计算平均冷速计算 实测实测 平均值平