热轧产品力学及组织性能预报

供稿|于景辉，赵德琦 / YU Jing-hui, ZHAO De-qi

内容导读

带钢组织预报主要基于生产工艺数据，运用相应的冶金模型实现从板坯到带钢成品的组织演变预报。带钢力学性能预报需要建立在组织预报完成的前提下，根据具体的最终金属组织预报结果来计算。文章研究了从热轧板坯到带钢成品的组织演变预报的可行性，结果表明无论是通过组织性能预报离线系统的“虚拟轧制”，还是通过在线系统的实时优化控制，都可以起到预防产品性能不合格和性能波动的效果，提高产品性能指标和稳定产品性能。

钢铁生产领域的组织演变模拟和性能预报技术于1970年前后起步于热轧，经过不断发展，在热连轧生产中逐步得到应用。自1990年以来，国内外钢铁企业纷纷致力于以减少力学试样为目的的组织性能在线预报系统的开发应用。近年来，随着热轧生产中微合金化技术、以超快冷为特色的新一代控制控冷技术、柔性化生产技术的日趋成熟，组织性能预报技术在热轧生产中已经取得了越来越多的应用[1]。随着金属材料热处理领域数值模拟技术的发展，目前，组织演变模拟和性能预报技术应用范围已非常广泛，遍及整个钢材加工领域(包括热轧、锻造、冷轧、热处理等)[2]。

带钢从加热炉出来，经过精轧机轧制、层流冷却，到最后的卷取机卷取，每个阶段发生的冶金过程不同。带钢在加热炉阶段，主要涉及晶粒长大过程；在精轧机轧制阶段，主要涉及再结晶过程；在层流冷却阶段，主要涉及相变过程；在卷取机卷取阶段，主要涉及相变过程的进一步发展和最终的力学性能预报。带钢在任何一个阶段的组织演变结果都会对其他阶段的冶金过程产生影响[3]。带钢组织预报主要基于生产工艺数据，运用相应的冶金模型实现从板坯到带钢成品的组织演变预报。预报既可以在轧制前，由模型设定的工艺来计算最终的组织状态，也可以在轧制过程中，根据实际的工艺值来计算。带钢力学性能预报需要建立在组织预报完成的前提下，根据具体的最终金属组织预报结果来计算[4]。

性能预报模型组成及工艺路径

不同轧制阶段带钢组织性能见表1。

表1 不同轧制阶段带钢组织性能

模型的输入数据

加热炉：加热炉的加热温度Th、炉内保温时间t；精轧机：各机架入口厚度H0、出口厚度H、入口温度T0、出口温度T、轧辊辊径D、轧制速度s(线速度)；层流冷却：各冷却集管入口温度Tci、出口温度Tco、冷速、板坯的化学成分。

模型的启动时序：当精轧和层冷模型的出炉前预计算、入口设定计算、修正计算、后计算等计算时序完成后，根据计算结果再启动PMPP预测带钢的力学性能。

操作接口

在HMI画面上用图形的方式直观表示板坯内部组织变化情况，每个阶段的生产工艺都对应有该阶段的组织状态，成品的性能也显示在HMI画面上。

实际生产前：对生产工艺进行调整后，可以通过画面上的操作接口，再次对带钢组织性能计算结果进行输出显示。生产工艺和成品性能同时达到最优时的生产工艺作为最终工艺进行生产。实际生产中：根据实际采集到的工艺数据，计算组织性能，实时输出。

数据输入输出

数据输入：所需的轧件原始数据和轧制规程设定值由模型预计算提供；所需的实际轧制规程参数有模型后计算提供。数据输出：力学性能参数，屈服、抗拉、延伸预报结果。力学与性能预报报表见表2。

表2 产品力学与性能预报报表

性能预报模型机理研究

晶粒长大模型

晶粒长大的驱动力是总界面能的减少。因为组织中含有晶界，为了减少总的界面能，晶粒力求长大。钢在加热过程中发生奥氏体转变后，在奥氏体晶界净驱动力的作用下发生晶界迁移，晶界处原子跨越界面迁移的扩散过程导致晶粒长大。晶粒长大的特点是长大速率比较均匀，在长大过程中，晶粒的尺寸分布和形状分布几乎不变。

再结晶模型

再结晶是通过形核和核心长大的方式消除形变合金畸变的过程。再结晶的核心基本上是无畸变的，往往在局部形变程度高的地方形成，核心的边界是大角度界面。再结晶核心靠消耗周围不稳定的形变组织而长大。当全部形变组织都被新的再结晶晶粒所占据时，再结晶过程结束。

板坯经过精轧机轧制时，板坯内部的变形组织会出现再结晶。在变形过程中发生的再结晶为动态再结晶，一般发生在较高的温度、较大的变形量和相对较低的应变速率的轧制条件下；在非变形过程发生的再结晶为静态再结晶，一般发生在低温、高变形速率下。板坯内部一旦发生再结晶，其晶粒会重新形核、长大。再结晶百分数和再结晶后新的晶粒尺寸会影响后续轧制过程的进行，也会对轧制力的设定产生影响。静态再结晶示意图如图1所示。

当轧制温度高、变形速率低时，轧件变形过程中会常伴随有动态再结晶的发生。

板坯在精轧机下的变形时间很短，很难发生完全动态再结晶，所以从一个机架轧制结束到下一个机架轧制前，那些没来得及发生动态再结晶的晶粒会发生亚动态再结晶。

当轧制温度低、变形速率高时，不满足动态再结晶发生的条件。此时，在轧制过程中没有再结晶发生，但在机架间会发生静态再结晶。

再结晶后的晶粒，同样会经历晶粒长大的过程，一般发生在机架间。亚动态再结晶和静态再结晶后的晶粒长大过程遵循不同的规律，并且开始长大的第一秒时间内的长大速率又区别于其后的长大速率。

当机架间时间间隔不足以发生完全再结晶时，板坯中的组织由再结晶晶粒和未再结晶晶粒两部分组成。

综上所述，在精轧阶段，再结晶过程的计算流程如图2所示。

相变模型

随着轧件温度降低，钢中的奥氏体将会向自由能更低的其他相(即铁素体、珠光体、贝氏体等)转变。相变模型可以计算奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体的转变开始温度、各组成相的体积分数以及晶粒尺寸等。

在带钢热轧过程中，相变可能发生在轧制阶段，也可能发生在层流冷却阶段，后者居多。相变发生在轧制阶段，主要以铁素体轧制为主；相变发生在层流冷却阶段，可能会涉及到铁素体转变、珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变等。从目前生产的钢种以及层冷设备冷却能力来看，以发生铁素体相变和珠光体相变为主。

◆ 相变平衡温度计算

根据热力学一般原理，一切自发过程的进行方向，总是从自由能高的状态向自由能低的状态过渡。相变驱动力为两相的自由能之差。随着温度的变化，当两相的自由能之差接近0时，处于平衡状态，此时的温度为相变平衡温度，即在热力学上达到相变开始的温度。当奥氏体中析出先共析铁素体时，整个体系的自由能改变量即相变驱动力，当奥氏体转变为先共析铁素体反应之后，以奥氏体中剩余碳含量的计算可得到珠光体相变温度。

◆ 相变孕育期计算

当带钢温度在热力学的相变平衡温度以下时，能否发生相变，还取决于孕育期能否满足要求。孕育期是指带钢温度在相变平衡温度以下时，还需要经过一段等温时间之后过冷奥氏体才开始转变的这段时间。不同的过冷度(带钢温度与相变平衡温度之差)对应不同的孕育期，一般用TTT曲线表示。

实际相变过程中往往是在连续冷却的条件下发生相变。由于相变孕育期是一个不断累积的过程，可以采用Scheil叠加法则处理连续冷却相变，将连续冷却相变处理成微小等温相变之和，则达到了连续冷却条件下铁素体相变开始发生的临界温度。

具体的叠加过程和方法用图3加以说明。CCT(过冷奥氏体连续冷却转变)曲线上每个非常小的温度变化都可以近似为等温转变(TTT)，将每一温度下等温所消耗的时间除以该温度下的孕育期，并将此值作为孕育率；当不同温度下的孕育率叠加为1时，孕育期结束，转变开始，此时的温度即为该冷却条件下的相变开始温度。

◆ 铁素体相变计算

通过铁素体相变平衡温度和孕育期的计算，得到铁素体相变实际开始温度后，可以计算板坯在各个冷却集管下的相关变量。具体计算流程如图4所示。

◆ 珠光体相变计算

珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物。对于亚共析钢，随着温度的降低，先共析铁素体体积不断增加，奥氏体中的碳浓度不断升高，当奥氏体中的碳浓度和碳在奥氏体与渗碳体界面处奥氏体侧的浓度相等时，珠光体转变开始。最终成品的珠光体体积分数为1-w(F)(w(F)为铁素体体积百分数)。

力学性能模型

力学性能模型主要描述热轧过程及轧后冷却得到的显微组织状态与力学性能(屈服强度、抗拉强度、延伸率等)间的对应关系。在组织-性能关系中，考虑的主要因素为有细晶强化、固溶强化、形变强化和析出强化。

细晶强化：一方面晶界对位错滑移有阻滞效应；另一方面，晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增大。

固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化。

形变强化：金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，位错的运动越来越困难，金属的强度提高。

沉淀强化：通过相变得到的合金元素与基体元素的化合物引起的合金强化。

在描述具有多相组织的材料时，常采用复合法则。力学性能模型基于的显微组织参数主要有化学成分、铁素体体积分数、铁素体晶粒尺寸、珠光体体积分数等。此外，还涉及铁素体相变开始温度、珠光体相变开始温度、层冷冷速等参数。

结束语

与成分优化一样，通过组织演变模拟性能预报，对加工过程的工艺参数进行优化，也是组织性能预报技术主要的应用之一。无论是通过组织性能预报离线系统的“虚拟轧制”，还是通过在线系统的实时优化控制，都可以起到预防产品性能不合格和性能波动，提高产品性能指标和性能稳定的效果。

在热连轧生产中，通常通过精确控制加热、轧制和轧后冷却等工序的各种工艺参数来保证轧后产品的性能和质量。通过热连轧性能模拟预报系统模拟和实际生产实践都发现，对于某些特定的品种钢，粗轧压下分配、中间坯厚度及待温时间、带卷堆放环节等都对力学性能(强度、塑性、韧性)有不可忽视的影响，而多数热连轧线的控制模拟中更多关注加热炉、精轧机、轧后冷却等工序。因此，借助组织性能预报技术的模拟预测结果，应该及早加强包括粗轧和带卷堆放严格控制的“热轧全工序精细化控制”理念。

市场经济环境下，钢铁企业面临着市场个性化需求和现场共性化生产要求间的矛盾。同时，热轧工序按订单组织生产和炼钢工序按浇次(或炉次)组织冶炼生产之间也有冲突。柔性化轧制是指使用同一种成分的钢制，通过调整轧制和轧后冷却工艺，生产出多种不同性能等级的钢材品种，即实现“一钢多能、一线多能”的目标。这样可以简化炼钢、连铸的操作和管理，使炼钢、连铸、板坯库、加热炉之间衔接顺利，实现“定制化生产”，也有利于满足用户不同的使用要求，最大程度地发挥钢材的性能潜力。同时，这也是钢铁生产企业降低成本、提高效益的一个重要方面。通过采用性能预报技术实现“余材充当”，降低库存和加快资金周转获得实际效益，其实也是柔性化轧制和定制化生产理念的一种体现。