带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟_詹志东

1、第39卷笫4期2004年4月Vol. 39. No. 4April 2(X)4IRON AND ST EE I.带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟水詹志东黄成江张玉妥李殿中（中国科学院金属研究所特殊环境材料研究部.沈阳110016）摘 要 建立了 Q235热轧带钢卷取后冷却过程中的传热模型，右虑了钢卷导热系数的正交以向界性与导热系数 在冷却过程中随温度的变化，用ABAQUS软件对钢卷冷却过程中的温度场进行了模拟.确定钢卷不同位置的冷 却曲线。以钢卷不同位置的温度演变为甚础，用门行开发的热轧过程组织性能预报软件KOLLAN对带钢沿长度方 向的铁索体品粒尺寸进行模拟，通过现场开卷取样和大弟的定最金相

2、实验，测试分析了沿带钢长度和宽度方向铁 素体品粒尺寸的变化。模拟与实验结果吻合良好。关键词热轧钢卷品粒长大铁索体品粒尺寸模拟中图法分类号TG335.il 文献标识码AMODELING TEMPERATURE AND FERRITE GRAIN GROWIHAFTER COILING PROCESSZHAN Zhidong9 HUANG Chengjiang, ZHANG Yutuo, LI Dianzhong(Department of Special Environment Materials. Institate of Metal ResearchShenyang 110016)ABSTR

3、ACT A heat transfer model for hot-rolled Q235 coil during cooling was developed, and the temperature field was modeled by ABAQUS software, the teniperature change in different positions of coils were obtained- Based on the calculated temperature the ferrite grain size along the rolling direct ion of

4、 the strip was modeled by KOLLAN software- By quantitative metallographic examination the change of f err it e graui size along the rolling and transverse direct ions of st rips was analyzwl. T he calculatecl final f err it e grain size was in good agreem ent w it h the in ea- sured ones.KEY WORDS h

5、ot-rolied steel coil，grain growth, ferrite grain size, modeling第39卷笫4期2004年4月Vol. 39. No. 4April 2(X)4第39卷笫4期2004年4月Vol. 39. No. 4April 2(X)41前言卷取是带钢热轧生产线的咖 道工序，带钢卷 取后在钢卷存储间冷至室温，这 在空气中的门然冷却 过程需要花费45尺时卩，其间，铁索体晶栩务繼卖 生长 直至冷却到50（） °C以卜；甜血停止长犬“。国 外对卷取前热轧带钢温度场W模拟和卷取后热轧聊惓温 丿文场研究已做了很务I作z"但国内对热轧钢卷温

6、/叟 场模拟却鲜有研究。关于铁索体品粒长大模型，国内夕辿 有许多研究忙本文通过有限元软件ABAQUS模拟了热轧带 钢卷取后钢卷在空气强制冷却过程中的温度场，确 定了不同位置的冷却曲线.即获得了钢卷不同部位 （转化为所对应的带钢不同部位）从卷取温度冷却到 500 °C所需的时间，通过分段插值的力法代入铁素 体晶粒长大模型，得出热轧带钢不同部位的最终铁 素体晶粒尺寸。用门行开发的ROLLAN软件模拟 出了带钢沿长度方向的铁索体晶粒尺寸分布。为了 比较模拟值与测试值，先后对3种不同规格的Q235 热轧带钢现场开卷.在不同部位取样，测量了带钢 不同部位的铁索体品粒尺寸，分析了带钢沿长度和 宽

7、度方向晶粒尺寸的变化规律及成因。2钢卷温度场的模拟2.1热轧钢卷示意图如图1所示，热轧钢卷是中空的层贰圆柱状卷 曲的钢带。钢卷冷却时自由表而与周围介质有热交 换，钢卷内部层与层之间有热传导。从传热理论來 看这属于无内热源非稳态温度场，应满足热传导二 维方程：第39卷笫4期2004年4月Vol. 39. No. 4April 2(X)4第39卷笫4期2004年4月Vol. 39. No. 4April 2(X)4*国家863研究项目资助(2001A A 339030)收到修改稿UW1： 2003-()5-18ar昔T J_ dT_d2T険谀彳钿疵CfeM您Electronic Publishin

8、g丽fll 傩療这c辛需http:/Vv簪.cn曲赫 2« 钢饮第39卷图1热轧钢卷示意图Fig. 1 Schematic of hot rolled coil初始状态为： T(r,z)：=o= 7o(2)作为边界的每个冷却表面(钢卷内径壁、外径 壁和两个端面)存在着对流热交换和辐射散热，边 界条件表示为：入 1-= - 0( Tk - T 拓(3)式中i方向指数(如：r径向，z 轴向)；k表面热交换指数；&*表面换热系数,W/ (m2 -K);Xi向导热系数，W/ (m K);c钢的质量比热容，J/ (kgK);P密度，kg/ in3;t一冷却时间，s；7'k冷却表

9、而温度，°C;7%来自相应表而的介质温度,°C。用数值方法解方程(1)、(2)、(3)求得自然冷 却的界面换热系数oo= 17.5 W/ (m2-K),空气强 制冷却的界面换热系数8= 46.5 W/(m2 K)。关 于钢卷的径向等效导热系数，文献1有更全而的 论述，钢卷的轴向和切向导热系数即是钢的导热系 数，本文中径向导热系数由式(4)求得叫A = (1 - al l(X)Ai«/( 1 - ® +067 5 + «Am/ 100(4)式中a接触率(对卷取密度二0.9().98的 卷，a- 3 %);(X气层辐射换热系数.其平均值(X<

10、P= 96Am 金属导热系数，平均值卅二46.4 W/ (m K)；九一空气在气层中的导热系数.入b二4.8X10"3 W/ (mK);S带钢厚度，mm。已知带钢厚度S即可以求岀这个钢卷的径向 导热系数入。2.2模拟结果选择Q235普碳钢进行模拟实验。钢卷尺寸等 输入ABAQUS软件中，数据如表1所示。并考虑导 热系数随钢卷温度的变化以及钢卷内径壁、外径壁 和两瑞部的界而换热系数的差异，应用第三类边界 条件即可以模拟出钢卷的温度场。由于钢卷的轴对 称与导热系数的用交各向异性，采用轴对称单元 CAX41' (4-node bilinear displacement and te

11、mpera- tlire element)进彳丁网格划分。由计算可知，钢卷在 强制空气冷却条件下，冷却 锻慢点”大约在离内 径壁1/3处。如图2所示，从卷取温度冷到5(X) °C, 内径樂需要约1 h；外径壁更快，只需15 min左右； 而离内径壁1/3处最慢，几乎要5 h,冷却到室温还 需要更长的时间。从ABAQUS模拟的钢卷温度场 的动态显示来看，越冷到最后，冷却'最慢点”越 由中心移向离内径壁1/3处.这是因为钢卷内径孔 壁相互辐射使孔内辐射散热被削弱，孔内空气对流 相对而言也不太通畅。 2« 钢饮第39卷农1热轧钢卷的尺寸及其他ABAQL S模拟输入参考数据

12、T alJe I Dimensions of t lie Im)1 rolkrd coil and other in|)ut data for ABAQUS冷却介质带厚/ mm内径/ m m外径/ mm带宽/ min卷収温度/ r介质温度/ °C钢的导热系数/U (m K) '界面换热系数/W (m2 K)- 1密度/ kg m3空气9. 7538191112536002046.446.57. 8XIO3 2« 钢饮第39卷3铁素体晶粒长大模型卷取通常在60() °C左右进行，此时奥氏体分解 已大体完成。钢卷温度缓慢降低.但儿小时内温度 仍保持在500 &

13、#176;C以上。在这段时间内，由于热激活 能的作用，晶粒将继续缓慢长大。为了定最估计这(I1 = rf('i + k t exp( -( 5)式中do卷取时初始铁索体晶粒尺寸，Mm;d最终铁素体晶粒尺寸，pm;t在温度T下所持续的时间，s; 2« 钢饮第39卷k、q和0糾材料常数，对钢来说,k= 6X10种影响，采用Sellars的晶粒生长经验方程可以求出最线般曲喘便严Wdcmic Journal Electronic Publishing House. All扈中癸s摭以”梢册偽淤進幽醐第4期詹志东等：带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟 29 Fig* 2 Teinpera

14、t ure drop in different positions of the coi 1粒长大激活能，通常与晶粒边界自复迭代计算求得最终铁素体晶粒尺寸d。4钢卷实验结果与分析4.1样品制备与测试结果为验证模型及模拟结果的可靠性，先后在某钢 厂生产现场将3卷Q235热轧带钢在横切机组上开 卷，沿长度和宽度方向的不同部位取样，制成标准 的金相试样.用MeF4A金相显微镜做定呈金相测 试，测得了不同规格带钢在不同部位的铁索体晶粒 尺寸。3种Q235热轧带钢的化学成分、尺寸规格及 工艺参数见表2测试结果见图3 (a)、(b)o 4.2分析带钢全长各部位的铁素体晶粒尺寸是不同的， 这方面是由于在卷取

15、前带钢长度方向品粒尺寸木 身就不均匀，另方面是由于钢卷外圈与中间圈的 冷却速度不同。在冷却初期齐圈的冷却速度差别很 大,各层板圈的冷却速度取决于距外表而圈的距离，第4期詹志东等：带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟 29 扩散激活能有关。用ABAQUS软件可以笄出钢卷不同部位(转 化为所对应的帶钢不同部位)从卷取温度冷却到 5 008C的时间，通过分段插值并代入式(5),进行反 农2 3种带材的化学成分钢卷越重，影响程度越大。在冷却过程中钢卷中间 板圈实际上是长时间处于门四火状态，这就促使应 力松弛、铁索体晶粒长大、渗碳体凝聚。由于 钢卷齐个板圈冷却速度的不同造成了组织的不均匀 尺寸规格及生产工艺

16、参数第4期詹志东等：带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟 29 第4期詹志东等：带钢卷取温度与铁素体晶粒长大模拟 29 Table 2Chemiral com posit ioiudim cnsio nsand |H ocess|)urainetersof t hree coils钢卷号尺寸/mm化学成分/ %温度CSi1 nPSTK2ThTc14. 75X 150()0. 160.190. 340. ()150.01012001035. 086062026. 70X15000. 140.190. 300.0140.013i 1741 030. 384361035. 75X 16(X)0. 130

17、.200. 370. 0160. ()1212111()49. 5814620图32号带钢铁素体晶粒尺寸的变化Fig. 3 Ferrite grain size of coil No. 2 rolling(a)长度方向；(b)宽度方向注：九一出炉温度.Tie轧出口温度."7终轧温度.7*c卷取沿度.卷1汨度为I艺设泄值.余为赛测值性从实测结果来看，如图3(a)所示，2号带钢的晶粒在长度方向又呈靠近头或尾处细，头、尾或沿长度方向晶粒尺寸变化情况比较复杂。带钢中心中间粗.中心长度方向上晶粒尺寸最大绝对差为3的帚糕充坤冋呈头展札 中间犧匝常仞边部 g.驭左有？而対都也茂方向糕尽最大绝初差.

18、© Tv94-2UT2 China Academic JournalElecironicPublishingHouse. An ngnis feservea. nttp:/K 30 钢铁第39卷Emm 法±14为2 pm左右。在宽度方向上中心的晶粒普遍要比 边部的粗，在离边部较小的范围内(如图3(b)所 示带宽的1/201/10处)晶粒就发生较明显的长 大o这要!/1结丁带钢及钢卷在冷却过程中难以实现 均匀冷却，如轧馄初时的激冷作用、带钢升速轧制 时冷却水量大小及定宽机的拍打作用影响等。不过 钢卷在冷却过程U«晶粒缓慢长大作用的影响程度不 大(仅1-2 pm),远

19、小于在卷取前轧制与冷却相变 对帯钢的影响o R为钢卷在空冷过程屮外板圈冷却 得快而中间板圈冷却得慢.这反映在带钢长度方向 木应都是头、尾晶粒细.中间晶粒粗.在同一板圈 上晶粒尺寸变化不大，而实验结果并非如此.这就 说明卷取前带钢初始晶粒尺寸偏差更大。5实测值与ROLLAN模拟值的比较同样，用ABAQUS软件先模拟出上述齐钢卷 的温度场，即获得带钢冬部位从卷取温度缓慢冷却 到500 °C所经历的时间，再由式(5)就可以求得带 钢不同部位的最终铁素体晶粒尺寸。为进行热轧带 钢组织性能离线预报和在线监测，本研究组口行开 发了 ROLLAN软件。该软件的卷取模块就采用了 上文的有限元计算结果

20、和铁索体晶粒长人模型。相 应的钢卷温度场和式(5)通过程序嵌入到软件中, 化学成分和轧制工艺制度等参见农2。通过计篦，将 带钢铁素体晶粒尺寸分布的模拟值与实测值进行比 较，如图4(横轴为3号钢卷开卷后从头部到尾部平 均划分的段数)、图5所示。由图4可见，3号帶钢 头部的铁素体晶粒尺寸为13 pm,尾部的为11 “m,|9177+模拟值c十实测值3 579 II 13 15 1719段数图4 3号带钢品粒尺寸模応值与实测值的比较Fig. 4 Comparison of calculated and measurrd ferritegrain size for coil No 3中间部位略冇波动，

21、删值与实测值的纳是致的；再 由图5可见1号、2号、3号钢卷的多次实测结魅本 分布在915 pm之间，I撷拟结果之间的最大误差小 于2阳。说明模拟与实验结果吻合良好。201816866 8101214161820实测值©m图5晶粒度实测值打汁算值的比较Fig. 5 (2aleulat(mI and m casured ferrite grain size6结论(1) 基于所建立的带钢卷取后钢卷冷却过程中 的传热模熨，考虑了钢卷导热系数的正交各向异性 与导热系数在冷却过程中随温度的变化，以及钢卷 内径堂、外径堂和两个端面的界面换热系数的差界, 用ABAQUS软件模拟了钢卷温度场.得出在强

22、制 空气冷却条件下，钢卷冷却 最慢点”不在钢卷层 的正中心，而在离钢卷内径壁1/3处。(2) 在模拟钢卷温度场的基础上，考虑了卷取 后铁索体晶粒的缓慢长大，通过优化参数呦定了铁 索体晶粒长犬模型。帯钢微观组织的变化机理和规 律为：带钢长度方向的晶粒尺寸偏差在卷取前更明 显，经卷取后的冷却反而变小；宽度方向晶粒明显 长大发生在帯宽的1/2()1/1()处:钢卷冷却时晶粒 长大的影响不大(仅12 pm) o用自行开发的ROLLAN软件模拟了沿带 钢长度方向铁素体晶粒尺寸的变化，从软件模拟值 与实测值的対比中可见模拟与实验结果吻合良好, 最大误差小于2 pmo木文的有限元计笄结果和铁素 体晶粒长大模

23、型可以用于带钢卷取后冷却过程的模 拟计笄。 30 钢铁第39卷 30 钢铁第39卷参考文献1 Seo ng-Jun PARK, By ung- Hee HON G. Seung Chui BAI K, el alFinite Element Analysis of Hot Rolled Coile 1呦臧畑1規厕趣潮lie刪tn卵曲曲ol應阳牆ling House. All rights reserved.紀瞬風附第4期刘徳等：高速钢及半高速钢轧耗73工作刚刚开始，所试制的轧辘于1997年用于带钢热 轧机工作辘，取得了较好的效果。整体锻造高速钢 及半高速钢冷轧工作辑的研制必将是下个发展目 标。

24、李艳秋、孟繁胜同志在资料查阅中给予大力协 助，在此表示衷心的感谢。第4期刘徳等：高速钢及半高速钢轧耗73第4期刘徳等：高速钢及半高速钢轧耗73参考文献1符寒光.高速钢轧牡研究的现状及展望.钢饮.2000 . 35 ( 5): 6773.2 Ott (； A. Development of Forged Steel Roll Metallurgy for Hot St rip M ills. Ironmakii培 and Steelmaking 2(X)0. 27 ( 1): 11 143 SUNGHAK LEE. DO HYUN(； KIM, JAE HW A RYU. et al. . Co

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