济钢厚板组织性能项目结报告

1、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学东北大学)中厚板热轧过程组织性能中厚板热轧过程组织性能预测的研究预测的研究结题报告结题报告一、项目完成的主要内容及过程1 1、建立了描述济钢厚板轧制及层流冷却过程中的温度和建立了描述济钢厚板轧制及层流冷却过程中的温度和 组织演变的物理冶金学模型。组织演变的物理冶金学模型。2 2、建立了济钢厚板的轧制工艺数据库；通过热轧实验及热建立了济钢厚板的轧制工艺数据库；通过热轧实验及热模拟实验确定了温度场和组织演变模型的关键参数，获得模拟实验确定了温度场和组织演变模型的关键参数，获得了适用于济钢厚板生产的工艺参数。了适用于济钢厚

2、板生产的工艺参数。 3 3、通过回归方法和神经元网络建立了描述济钢厚板的组织通过回归方法和神经元网络建立了描述济钢厚板的组织性能对应关系模型，包括预报厚板冲击功的神经元网络模性能对应关系模型，包括预报厚板冲击功的神经元网络模型。型。1.1 项目完成的主要内容项目完成的主要内容 1）2004年年6月月2004年年12月，现场调查和采集数据，月，现场调查和采集数据，编写各模块基础程序，建立轧制工艺数据库。编写各模块基础程序，建立轧制工艺数据库。 2）2004年年122005年年6月，第一次实验室轧制实验及月，第一次实验室轧制实验及热模拟实验，确立各模块的关键参数，建立了针对热模拟实验，确立各模块的

3、关键参数，建立了针对612mm厚板的屈服强度、抗拉强度的预测模型。厚板的屈服强度、抗拉强度的预测模型。 3）2005年年62005年年12月，第二次实验室轧制实验，月，第二次实验室轧制实验，建立了建立了1240mm厚钢板的组织性能模型，包括屈服强厚钢板的组织性能模型，包括屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击功的预测模型；完善软度、抗拉强度、延伸率、冲击功的预测模型；完善软件各部分功能和完成软件界面设计。件各部分功能和完成软件界面设计。一、项目完成的主要内容及过程1.2 项目完成的主要过程项目完成的主要过程 二、项目的主要创新点2.1 厚板轧制过程温度变化的智能化预报模型厚板轧制过程温度变化的智能化

4、预报模型 2.2 厚板常温冲击功的预报模型厚板常温冲击功的预报模型 cs ihm npsl y su t svj ic v n ( j )二、项目的主要创新点2.3 针对济钢厚板生产工艺，建立组织性能预测模型针对济钢厚板生产工艺，建立组织性能预测模型 厚板的轧制及冷却工艺厚板的轧制及冷却工艺 实验室模拟厚板热轧实验实验室模拟厚板热轧实验 钢种钢种q235、q345、q460的热模拟热轧实验的热模拟热轧实验二、项目主要创新点三、组织性能预报的建模思路3.1 3.1 组织性能预报基本思路组织性能预报基本思路 化学成分 轧制 加热 冷却 晶粒长大 产品 力学性能 强度指标 韧性指标 轧制参数 冷却参

5、数 碳氮化物 的溶解 再结晶 碳氮化物 的析出 碳氮化物 的析出 相变 1 2 3 1 1 1 1 2 2 2 2 3.2 组织性能预报的基本思路（针对济钢厚板）组织性能预报的基本思路（针对济钢厚板）三、组织性能预报的建模思路三、组织性能预报的建模思路3.3 3.3 模型的建立模型的建立温度场模块：各阶段换热系数的确定温度场模块：各阶段换热系数的确定组织演变：组织演变：a)a)加热奥氏体晶粒尺寸变化模型加热奥氏体晶粒尺寸变化模型b)b)轧制过程静态、动态及亚动态再结晶动力学方程，沉淀轧制过程静态、动态及亚动态再结晶动力学方程，沉淀析出动力学模型析出动力学模型c)c)奥氏体向铁素体（奥氏体向铁素

6、体（f f）、珠光体（）、珠光体（p p）和贝氏体（）和贝氏体（b b）转）转变的动力学方程变的动力学方程d d）组织性能对应关系模型：强度、延伸率、冲击功各）组织性能对应关系模型：强度、延伸率、冲击功各影响参数的确定影响参数的确定三、组织性能预报的建模思路3.4 3.4 需要调整的参数表需要调整的参数表 温度场温度场组织演变组织演变性能性能空冷换热系数，除鳞空冷换热系数，除鳞阶段换热系数，层流阶段换热系数，层流冷却阶段换热系冷却阶段换热系数数.静态再结晶，动态静态再结晶，动态再结晶，析出，相再结晶，析出，相变变组织性能间的关系，组织性能间的关系，神经元网络参数的选神经元网络参数的选择择表表1

7、 1 各模块需要调整的参数各模块需要调整的参数四、实验室模拟热轧实验结果实验室轧机基本参实验室轧机基本参数：轧辊直径数：轧辊直径450mm,最大轧制最大轧制力力4000kn，轧制速，轧制速度度01.5m/s;辊缝最辊缝最大开口度大开口度170mm;电电机功率机功率400kw;冷冷却速度却速度0400/s 实验室轧制实验使用设备实验室轧制实验使用设备 四、实验室模拟热轧实验结果钢种csimnpsnbvq235b0.130.250.420.250.034-q345b0.150.401.570.020.015-q460c0.120.351.620.0280.0200.0340.015钢种粗轧温度二阶

8、段开轧温度开冷温度终冷温度冷却速度(/s)q235b10501150950/920/870800870620700010q345b10501150950/920/870 800870600700010q460c10001200950 800870600700015 表表1 钢种的化学成分钢种的化学成分 表表2 轧制的工艺参数轧制的工艺参数 表表3 轧制的工艺规程轧制的工艺规程 成品厚度(mm)粗轧压下规程精轧压下规程6241812 12868282014 1411810302420 24181310 1230262424181412 161008871574540 4030221816 201

9、00857060 60534535292624 30100857060 605347403430 36100857060 6052463936 四、实验室模拟热轧实验结果四、实验室模拟热轧实验结果4.1 4.1 终轧温度对组织的影响终轧温度对组织的影响(a) (b) (c)(a) (b) (c)不同终轧温度对晶粒大小的影响不同终轧温度对晶粒大小的影响a,790a,790；b b，810810；c c，900900780800820840860880900340350360370380390400410420 终轧温度()屈服 强度(mpa)10mm,空冷8101214晶 粒大小(um) 终轧温

10、度对组织和性能的影响终轧温度对组织和性能的影响(q345b)(q345b) a a屈服强度屈服强度 b b常温冲击功常温冲击功四、轧制实验结果8608809009209406080100120140160180 常 温 冲 击功屈 服强 度终 轧 温 度()常温冲击 功 (j)38539039540040516mm屈服 强度 (mpa)4.1 4.1 终轧温度对组织和性能的影响终轧温度对组织和性能的影响（a a） (b) (c)(b) (c) 终轧产品厚度对微观组织的影响终轧产品厚度对微观组织的影响 (a)6.5mm(a)6.5mm； (b)12mm(b)12mm； (c)16mm (c)16

11、mm 四、实验室模拟热轧实验结果4.2 4.2 产品厚度对显微组织的影响（产品厚度对显微组织的影响（q345bq345b）6.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5350400450500550600屈服 、抗拉强度（ mpa）终轧厚度（ mm） lys utsq345b,终轧800，空冷a a 冷却速度随板厚变化情况冷却速度随板厚变化情况 b b 性能随终轧厚度的变化性能随终轧厚度的变化四、实验室模拟热轧实验结果4.3 4.3 产品厚度对强度的影响（产品厚度对强度的影响（q345bq345b）01020304050600.00.51.01.52.02.53.03.54.

12、0冷却速度(/s)板 坯 厚度(mm) （a a） (b) (c)(b) (c) 轧后冷却速度对轧后冷却速度对q345bq345b微观组织的影响微观组织的影响 (a)1.5(a)1.52.3 k/s (b)4.0 k/s (c)6.0 k/s2.3 k/s (b)4.0 k/s (c)6.0 k/s四、实验室模拟热轧实验结果4.4 4.4 层流冷却速度对产品微观组织的影响（层流冷却速度对产品微观组织的影响（q345bq345b）四、实验室模拟热轧实验结果4.5 4.5 层流方式实验层流方式实验 轧后层流冷轧后层流冷却段的冷却方式却段的冷却方式可分为三种：可分为三种：a)a)前段冷却前段冷却 b

13、)b)后后段冷却段冷却 c)c)两段两段冷却冷却 轧后层流冷却方式示意图轧后层流冷却方式示意图 (a) (b) (c) (a) (b) (c) 轧后层流冷却方式对组织的影响轧后层流冷却方式对组织的影响(a)(a)后段冷却后段冷却 (b)(b)两段冷却两段冷却 (c)(c)前段冷却前段冷却四、轧制实验结果4.6 4.6 层流方式对微观组织的影响（钢种层流方式对微观组织的影响（钢种q345bq345b） (a) (b) (c) (a) (b) (c) 轧后层流冷却方式对组织的影响轧后层流冷却方式对组织的影响(a)(a)强度强度 (b)(b)延伸率延伸率 (c)(c)常温冲击功常温冲击功四、实验室模

14、拟热轧实验结果4.7 4.7 层流冷却方式对性能的影响（层流冷却方式对性能的影响（q345bq345b）0123456789101112380400420440460480500520540q345b,16mmalys,模 式 uts,模 式 lys,模 式 uts,模 式 强度(mpa)试 样 号02468101220222426283032q345b,16mm延伸率(%) 试样号 控冷模式 控冷模式 0123456789101112708090100110120130140150q345b,16mmcharpy冲击 功 (j)试 样 号冷 却 模 式 冷 却 模 式 五、c-mn钢组织演变

15、模拟计算结果5.1 5.1 轧制全程温度模拟轧制全程温度模拟(fdm)(fdm) 利用前述的组织演变模型及热模拟和轧制实验结果对各利用前述的组织演变模型及热模拟和轧制实验结果对各参数的调整，模拟济钢厚板热轧过程材料在变形过程中温度、参数的调整，模拟济钢厚板热轧过程材料在变形过程中温度、再结晶分数、晶粒尺寸、轧制力、位错密度等的变化。再结晶分数、晶粒尺寸、轧制力、位错密度等的变化。 轧轧 制制 过过 程程 温温 度度 变变 化化 曲曲 线线 050100150200250300350700800900100011001200表 面角部1/2h处心部温度()时 间(s)表 面中心14mmq235b

16、1#五、c-mn钢组织演变模拟计算结果-200204060801001201408509009501000105011001150fem计算值 温度()时 间(s) 神经元网络预 报值 -200204060801001201408509009501000105011001150fem计算值温度， 时 间,s 线性回归模型计算值600700800900100011001200600700800900100011001200fem计算 值 , bp网络预 报值 , bpbp网络模型对厚板温度的预报网络模型对厚板温度的预报a a 断面平均温度（线性回归和断面平均温度（线性回归和femfem） b b

17、 断面平均温度（断面平均温度（bpbp和和femfem） c c 表面温度表面温度(bp(bp和和fem fem ）5.2 5.2 轧制全程温度模拟轧制全程温度模拟( (神经元网络神经元网络) )五、c-mn钢组织演变模拟计算结果370375380385390395600650700750800850q345b,18mm温度()时 间(s)边 角表 面h/4处h/2处a370375380385390395400450500550600650700750800850q345b,18mmb温度()时 间(s) 边 角表 面h/4处h/2处370375380385390395600650700750

18、800q345b,18mmc时 间(s) 温度()表 面边 角h/4处h/2处冷却方式对冷却方式对18mm18mm厚板温度分布的影响厚板温度分布的影响a a 缓冷缓冷 b b 前段急冷前段急冷 c c 后段急冷后段急冷5.3 5.3 层流冷却方式对厚板温度场的影响层流冷却方式对厚板温度场的影响(fdm)(fdm)五、厚板组织演变模拟计算结果 钢坯在加热炉中钢坯在加热炉中加热时，加热时，初始晶粒初始晶粒尺寸取决于加热温度、尺寸取决于加热温度、升温速率、保温时间升温速率、保温时间以及钢的等效碳当量以及钢的等效碳当量等因素。右图示出了等因素。右图示出了奥氏体晶粒尺寸随加奥氏体晶粒尺寸随加热温度的变化

19、热温度的变化 加热过程奥氏体晶粒尺寸变化曲线加热过程奥氏体晶粒尺寸变化曲线 1250130013501400145050100150200250300 晶 粒 尺 寸(m)温 度(k)5.4 加热过程中奥氏体晶粒尺寸变化加热过程中奥氏体晶粒尺寸变化五、厚板组织演变模拟计算结果 粗轧阶段细化晶粒的效粗轧阶段细化晶粒的效果非常明显，可以将奥氏体果非常明显，可以将奥氏体晶粒尺寸从出加热炉的几百晶粒尺寸从出加热炉的几百m细化到粗轧结束后的细化到粗轧结束后的4050m(q345b)；而精轧的；而精轧的细化效果没粗轧明显，由粗细化效果没粗轧明显，由粗轧的轧的40m下降到下降到20m左右左右(q345b)。

20、图中还示出了。图中还示出了q460的奥氏体晶粒变化图。的奥氏体晶粒变化图。轧制过程奥氏体晶粒尺寸变化曲线轧制过程奥氏体晶粒尺寸变化曲线 0100200300400020406080100奥 氏体晶 粒大小(um)轧制时 间(s) nb-v c-mn5.5 5.5 轧制过程中奥氏体晶粒尺寸变化轧制过程中奥氏体晶粒尺寸变化 对于对于c-mnc-mn钢，厚钢，厚板在粗轧过程中由于板在粗轧过程中由于温度较高，道次间隙温度较高，道次间隙时间较长，所以发生时间较长，所以发生静态再结晶较为完全，静态再结晶较为完全，而而nbnbv v钢（钢（q460q460）由）由于固溶于钢中微合金于固溶于钢中微合金元素的牵

21、制作用，发元素的牵制作用，发生静态再结晶较为困生静态再结晶较为困难，所以再结晶不完难，所以再结晶不完全。全。变形过程中再结晶分数的变化曲线变形过程中再结晶分数的变化曲线 五、厚板组织演变模拟计算结果5.6 5.6 轧制过程中再结晶分数变化轧制过程中再结晶分数变化 5.7 5.7 厚板厚向上的组织演变结果厚板厚向上的组织演变结果 五、厚板组织演变模拟计算结果05010015020025030035020406080100120140q345b,24mmaustenite grain size(um)time(s) surface 1/4h 1/2h01234567890.600.650.700.

22、750.800.850.900.951.001.05q345b,24mmstatic recrystallization fractionpass number surface 1/4h 1/2h轧制过程中轧制过程中奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小及及静态再结晶分数静态再结晶分数变化变化(q345b)(q345b) a a奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小 b b 静态再结晶分数静态再结晶分数0123456789-0.020.000.020.040.060.080.100.120.14q345b,24mmdynamic recrystallization fractionpass number surf

23、ace 1/4h 1/2h1/81/41/2121518212427q345b,24mmferrite grain size(um)distance 1# 1# 2# 2#五、厚板组织演变模拟计算结果轧制过程中动态再结晶分数及铁素体晶粒大小变化轧制过程中动态再结晶分数及铁素体晶粒大小变化 a a 动态再结晶分数动态再结晶分数 b b 铁素体晶粒大小铁素体晶粒大小 5.7 5.7 厚板厚向上的组织演变结果（厚板厚向上的组织演变结果（q345bq345b） 在热变形过程中，在热变形过程中，金属未变形前位错密度金属未变形前位错密度一般为一般为 左右左右 ，热变，热变形后位错密度会急剧上形后位错密度会

24、急剧上升，可以达到升，可以达到 左左右。随着道次间再结晶右。随着道次间再结晶的发生，位错密度会逐的发生，位错密度会逐渐降低。渐降低。 变形过程中位错密度的变化曲线变形过程中位错密度的变化曲线 0204060801001201401e121e131e141e15位 错 密 度(m-2)轧 制 时 间(s)五、厚板组织演变模拟计算结果121015141010 5.8 5.8 位错密度演变结果（位错密度演变结果（q345bq345b） 轧制力轧制力(kn)(kn)随温度的变化随温度的变化(c-mn(c-mn) )五、厚板组织演变模拟计算结果114011201100108010601040102015

25、000200002500030000350004000045000轧制力(kn)道次温度() 实测值 预 测值 5.9 5.9 轧制力预报结果轧制力预报结果(q345b)(q345b) 耦合耦合流变应力模流变应力模型和再结晶组织演变型和再结晶组织演变模型对厚板轧制过程模型对厚板轧制过程中轧制力的预报。中轧制力的预报。相变过程组织分数随温度的变化情况相变过程组织分数随温度的变化情况 (q235b)五、厚板组织演变模拟计算结果6506606706806907007107207307407500.00.20.40.60.81.0q235b,16mm ferrite volume fraction s

26、econd phase fractiontransformation fractiontemperature() 对于冷却中的相对于冷却中的相变过程，济钢厚板主变过程，济钢厚板主要发生的是要发生的是a af f，a ap p，最终的组织为，最终的组织为f fp p组织，也有少量组织，也有少量的贝氏体存在。的贝氏体存在。 5.10 5.10 相变过程组织演变的模拟相变过程组织演变的模拟 五、厚板组织演变模拟计算结果253035404550253035404550计算值(m)实测值(m)681012141618202224262830681012141618202224262830 predict

27、ed grainsize(um)measured grainsize(um)5.11 组织演变结果验证（组织演变结果验证（q235b,q345b,16mnr,q460）020406080100020406080100 prediction phase fractionmeasured phase fraction ferrite volume fraction second phase volume fraction厚板组织组成预报结果厚板组织组成预报结果a a 奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸 b b 铁素体晶粒尺寸铁素体晶粒尺寸 c c 最终相组成最终相组成 六、性能预报效果及分析6.1 6.

28、1 强度的预报强度的预报 对对4 4个钢种热轧状态下的个钢种热轧状态下的屈服和抗拉强度进行了预屈服和抗拉强度进行了预报，实测值和预报值的相报，实测值和预报值的相对误差在对误差在8%8%以内。以内。 150200250300350400450500550600650700150200250300350400450500550600650700 predicted strength(mpa)measured strength(mpa) q345b,lys q345b,uts q235b,lys q235b,uts 16mnr,lys 16mnr,uts q460c,lys q460c,uts热轧热

29、轧c-mnc-mn及微合金钢强度的预报及微合金钢强度的预报1015202530354010152025303540 predicted elongationmeasured elongationq345bq235b16mnrq460c6.2 6.2 延伸率的预报延伸率的预报 对对4 4个钢种热轧个钢种热轧状态下的延伸率进行状态下的延伸率进行了预报，其绝对误差了预报，其绝对误差5656在在2 2 以内，以内，9595在在5 5以内。以内。 六、性能预报效果及分析热轧热轧c-mnc-mn及微合金钢延伸率的预及微合金钢延伸率的预报报0204060801001201401601802002202402

30、60280020406080100120140160180200220240260280 predicted cvn(j)measured cvn(j)q345bq235b16mnrq460c六、性能预报效果及分析6.3 6.3 冲击功的预报冲击功的预报 利用神经元网络利用神经元网络和物理冶金学模型相和物理冶金学模型相结合的方法对济钢厚结合的方法对济钢厚板的板的4 4个钢种的常温冲个钢种的常温冲击功进行了预报击功进行了预报, ,其绝其绝对误差在对误差在30j30j以内。以内。热轧热轧c-mnc-mn及微合金钢常温冲击功及微合金钢常温冲击功的预报的预报六、性能预报效果及分析6.4 6.4 性能预

31、报完成对照性能预报完成对照钢种合同规定指标完成情况16mnrq345b力学性能预测值与实测值对比在 8以内 强度预测值与实测值在6以内，延伸率实测和预测值在10，冲击功在30j显微组织预测值与（晶粒尺寸、相分数）实测值对比在8以内 铁素体晶粒尺寸及分数实测和预测值都在8以内6.5 charpy6.5 charpy v v型缺口冲击功影响因素分析（型缺口冲击功影响因素分析（q345bq345b）0.140.150.160.170.180.190.201201301401501601701801.351.401.451.50a cv(j)mnc0.0000.0040.0080.0120.0160.0201001101201301401501601701801.351.401.451.50b cv(j)mns六、性能预报效果及分析c c和和mnmn含量对含量对charpycharpy冲击功的冲击功的影响影响s s和和mnmn含量对含量对charpycharp