供稿|于景輝，趙德琦 / YU Jing-hui, ZHAO De-qi

內(nèi)容導讀

帶鋼組織預報主要基于生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，運用相應的冶金模型實現(xiàn)從板坯到帶鋼成品的組織演變預報。帶鋼力學性能預報需要建立在組織預報完成的前提下，根據(jù)具體的最終金屬組織預報結果來計算。文章研究了從熱軋板坯到帶鋼成品的組織演變預報的可行性，結果表明無論是通過組織性能預報離線系統(tǒng)的“虛擬軋制”，還是通過在線系統(tǒng)的實時優(yōu)化控制，都可以起到預防產(chǎn)品性能不合格和性能波動的效果，提高產(chǎn)品性能指標和穩(wěn)定產(chǎn)品性能。

鋼鐵生產(chǎn)領域的組織演變模擬和性能預報技術于1970年前后起步于熱軋，經(jīng)過不斷發(fā)展，在熱連軋生產(chǎn)中逐步得到應用。自1990年以來，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)紛紛致力于以減少力學試樣為目的的組織性能在線預報系統(tǒng)的開發(fā)應用。近年來，隨著熱軋生產(chǎn)中微合金化技術、以超快冷為特色的新一代控制控冷技術、柔性化生產(chǎn)技術的日趨成熟，組織性能預報技術在熱軋生產(chǎn)中已經(jīng)取得了越來越多的應用[1]。隨著金屬材料熱處理領域數(shù)值模擬技術的發(fā)展，目前，組織演變模擬和性能預報技術應用范圍已非常廣泛，遍及整個鋼材加工領域(包括熱軋、鍛造、冷軋、熱處理等)[2]。

帶鋼從加熱爐出來，經(jīng)過精軋機軋制、層流冷卻，到最后的卷取機卷取，每個階段發(fā)生的冶金過程不同。帶鋼在加熱爐階段，主要涉及晶粒長大過程；在精軋機軋制階段，主要涉及再結晶過程；在層流冷卻階段，主要涉及相變過程；在卷取機卷取階段，主要涉及相變過程的進一步發(fā)展和最終的力學性能預報。帶鋼在任何一個階段的組織演變結果都會對其他階段的冶金過程產(chǎn)生影響[3]。帶鋼組織預報主要基于生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，運用相應的冶金模型實現(xiàn)從板坯到帶鋼成品的組織演變預報。預報既可以在軋制前，由模型設定的工藝來計算最終的組織狀態(tài)，也可以在軋制過程中，根據(jù)實際的工藝值來計算。帶鋼力學性能預報需要建立在組織預報完成的前提下，根據(jù)具體的最終金屬組織預報結果來計算[4]。

性能預報模型組成及工藝路徑

不同軋制階段帶鋼組織性能見表1。

表1 不同軋制階段帶鋼組織性能

模型的輸入數(shù)據(jù)

加熱爐：加熱爐的加熱溫度Th、爐內(nèi)保溫時間t；精軋機：各機架入口厚度H0、出口厚度H、入口溫度T0、出口溫度T、軋輥輥徑D、軋制速度s(線速度)；層流冷卻：各冷卻集管入口溫度Tci、出口溫度Tco、冷速、板坯的化學成分。

模型的啟動時序：當精軋和層冷模型的出爐前預計算、入口設定計算、修正計算、后計算等計算時序完成后，根據(jù)計算結果再啟動PMPP預測帶鋼的力學性能。

操作接口

在HMI畫面上用圖形的方式直觀表示板坯內(nèi)部組織變化情況，每個階段的生產(chǎn)工藝都對應有該階段的組織狀態(tài)，成品的性能也顯示在HMI畫面上。

實際生產(chǎn)前：對生產(chǎn)工藝進行調整后，可以通過畫面上的操作接口，再次對帶鋼組織性能計算結果進行輸出顯示。生產(chǎn)工藝和成品性能同時達到最優(yōu)時的生產(chǎn)工藝作為最終工藝進行生產(chǎn)。實際生產(chǎn)中：根據(jù)實際采集到的工藝數(shù)據(jù)，計算組織性能，實時輸出。

數(shù)據(jù)輸入輸出

數(shù)據(jù)輸入：所需的軋件原始數(shù)據(jù)和軋制規(guī)程設定值由模型預計算提供；所需的實際軋制規(guī)程參數(shù)有模型后計算提供。數(shù)據(jù)輸出：力學性能參數(shù)，屈服、抗拉、延伸預報結果。力學與性能預報報表見表2。

表2 產(chǎn)品力學與性能預報報表

性能預報模型機理研究

晶粒長大模型

晶粒長大的驅動力是總界面能的減少。因為組織中含有晶界，為了減少總的界面能，晶粒力求長大。鋼在加熱過程中發(fā)生奧氏體轉變后，在奧氏體晶界凈驅動力的作用下發(fā)生晶界遷移，晶界處原子跨越界面遷移的擴散過程導致晶粒長大。晶粒長大的特點是長大速率比較均勻，在長大過程中，晶粒的尺寸分布和形狀分布幾乎不變。

再結晶模型

再結晶是通過形核和核心長大的方式消除形變合金畸變的過程。再結晶的核心基本上是無畸變的，往往在局部形變程度高的地方形成，核心的邊界是大角度界面。再結晶核心靠消耗周圍不穩(wěn)定的形變組織而長大。當全部形變組織都被新的再結晶晶粒所占據(jù)時，再結晶過程結束。

板坯經(jīng)過精軋機軋制時，板坯內(nèi)部的變形組織會出現(xiàn)再結晶。在變形過程中發(fā)生的再結晶為動態(tài)再結晶，一般發(fā)生在較高的溫度、較大的變形量和相對較低的應變速率的軋制條件下；在非變形過程發(fā)生的再結晶為靜態(tài)再結晶，一般發(fā)生在低溫、高變形速率下。板坯內(nèi)部一旦發(fā)生再結晶，其晶粒會重新形核、長大。再結晶百分數(shù)和再結晶后新的晶粒尺寸會影響后續(xù)軋制過程的進行，也會對軋制力的設定產(chǎn)生影響。靜態(tài)再結晶示意圖如圖1所示。

當軋制溫度高、變形速率低時，軋件變形過程中會常伴隨有動態(tài)再結晶的發(fā)生。

板坯在精軋機下的變形時間很短，很難發(fā)生完全動態(tài)再結晶，所以從一個機架軋制結束到下一個機架軋制前，那些沒來得及發(fā)生動態(tài)再結晶的晶粒會發(fā)生亞動態(tài)再結晶。

當軋制溫度低、變形速率高時，不滿足動態(tài)再結晶發(fā)生的條件。此時，在軋制過程中沒有再結晶發(fā)生，但在機架間會發(fā)生靜態(tài)再結晶。

再結晶后的晶粒，同樣會經(jīng)歷晶粒長大的過程，一般發(fā)生在機架間。亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶后的晶粒長大過程遵循不同的規(guī)律，并且開始長大的第一秒時間內(nèi)的長大速率又區(qū)別于其后的長大速率。

當機架間時間間隔不足以發(fā)生完全再結晶時，板坯中的組織由再結晶晶粒和未再結晶晶粒兩部分組成。

綜上所述，在精軋階段，再結晶過程的計算流程如圖2所示。

相變模型

隨著軋件溫度降低，鋼中的奧氏體將會向自由能更低的其他相(即鐵素體、珠光體、貝氏體等)轉變。相變模型可以計算奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體的轉變開始溫度、各組成相的體積分數(shù)以及晶粒尺寸等。

在帶鋼熱軋過程中，相變可能發(fā)生在軋制階段，也可能發(fā)生在層流冷卻階段，后者居多。相變發(fā)生在軋制階段，主要以鐵素體軋制為主；相變發(fā)生在層流冷卻階段，可能會涉及到鐵素體轉變、珠光體轉變、貝氏體轉變、馬氏體轉變等。從目前生產(chǎn)的鋼種以及層冷設備冷卻能力來看，以發(fā)生鐵素體相變和珠光體相變?yōu)橹鳌?/p>

◆ 相變平衡溫度計算

根據(jù)熱力學一般原理，一切自發(fā)過程的進行方向，總是從自由能高的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)過渡。相變驅動力為兩相的自由能之差。隨著溫度的變化，當兩相的自由能之差接近0時，處于平衡狀態(tài)，此時的溫度為相變平衡溫度，即在熱力學上達到相變開始的溫度。當奧氏體中析出先共析鐵素體時，整個體系的自由能改變量即相變驅動力，當奧氏體轉變?yōu)橄裙参鲨F素體反應之后，以奧氏體中剩余碳含量的計算可得到珠光體相變溫度。

◆ 相變孕育期計算

當帶鋼溫度在熱力學的相變平衡溫度以下時，能否發(fā)生相變，還取決于孕育期能否滿足要求。孕育期是指帶鋼溫度在相變平衡溫度以下時，還需要經(jīng)過一段等溫時間之后過冷奧氏體才開始轉變的這段時間。不同的過冷度(帶鋼溫度與相變平衡溫度之差)對應不同的孕育期，一般用TTT曲線表示。

實際相變過程中往往是在連續(xù)冷卻的條件下發(fā)生相變。由于相變孕育期是一個不斷累積的過程，可以采用Scheil疊加法則處理連續(xù)冷卻相變，將連續(xù)冷卻相變處理成微小等溫相變之和，則達到了連續(xù)冷卻條件下鐵素體相變開始發(fā)生的臨界溫度。

具體的疊加過程和方法用圖3加以說明。CCT(過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變)曲線上每個非常小的溫度變化都可以近似為等溫轉變(TTT)，將每一溫度下等溫所消耗的時間除以該溫度下的孕育期，并將此值作為孕育率；當不同溫度下的孕育率疊加為1時，孕育期結束，轉變開始，此時的溫度即為該冷卻條件下的相變開始溫度。

◆ 鐵素體相變計算

通過鐵素體相變平衡溫度和孕育期的計算，得到鐵素體相變實際開始溫度后，可以計算板坯在各個冷卻集管下的相關變量。具體計算流程如圖4所示。

◆ 珠光體相變計算

珠光體是鐵素體和滲碳體的共析混合物。對于亞共析鋼，隨著溫度的降低，先共析鐵素體體積不斷增加，奧氏體中的碳濃度不斷升高，當奧氏體中的碳濃度和碳在奧氏體與滲碳體界面處奧氏體側的濃度相等時，珠光體轉變開始。最終成品的珠光體體積分數(shù)為1-w(F)(w(F)為鐵素體體積百分數(shù))。

力學性能模型

力學性能模型主要描述熱軋過程及軋后冷卻得到的顯微組織狀態(tài)與力學性能(屈服強度、抗拉強度、延伸率等)間的對應關系。在組織-性能關系中，考慮的主要因素為有細晶強化、固溶強化、形變強化和析出強化。

細晶強化：一方面晶界對位錯滑移有阻滯效應；另一方面，晶界上形變要滿足協(xié)調性，需要多個滑移系統(tǒng)同時動作，導致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強度的增大。

固溶強化：利用點缺陷對位錯運動的阻力使金屬基體獲得強化。

形變強化：金屬在塑性變形過程中位錯密度不斷增加，使彈性應力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，位錯的運動越來越困難，金屬的強度提高。

沉淀強化：通過相變得到的合金元素與基體元素的化合物引起的合金強化。

在描述具有多相組織的材料時，常采用復合法則。力學性能模型基于的顯微組織參數(shù)主要有化學成分、鐵素體體積分數(shù)、鐵素體晶粒尺寸、珠光體體積分數(shù)等。此外，還涉及鐵素體相變開始溫度、珠光體相變開始溫度、層冷冷速等參數(shù)。

結束語

與成分優(yōu)化一樣，通過組織演變模擬性能預報，對加工過程的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，也是組織性能預報技術主要的應用之一。無論是通過組織性能預報離線系統(tǒng)的“虛擬軋制”，還是通過在線系統(tǒng)的實時優(yōu)化控制，都可以起到預防產(chǎn)品性能不合格和性能波動，提高產(chǎn)品性能指標和性能穩(wěn)定的效果。

在熱連軋生產(chǎn)中，通常通過精確控制加熱、軋制和軋后冷卻等工序的各種工藝參數(shù)來保證軋后產(chǎn)品的性能和質量。通過熱連軋性能模擬預報系統(tǒng)模擬和實際生產(chǎn)實踐都發(fā)現(xiàn)，對于某些特定的品種鋼，粗軋壓下分配、中間坯厚度及待溫時間、帶卷堆放環(huán)節(jié)等都對力學性能(強度、塑性、韌性)有不可忽視的影響，而多數(shù)熱連軋線的控制模擬中更多關注加熱爐、精軋機、軋后冷卻等工序。因此，借助組織性能預報技術的模擬預測結果，應該及早加強包括粗軋和帶卷堆放嚴格控制的“熱軋全工序精細化控制”理念。

市場經(jīng)濟環(huán)境下，鋼鐵企業(yè)面臨著市場個性化需求和現(xiàn)場共性化生產(chǎn)要求間的矛盾。同時，熱軋工序按訂單組織生產(chǎn)和煉鋼工序按澆次(或爐次)組織冶煉生產(chǎn)之間也有沖突。柔性化軋制是指使用同一種成分的鋼制，通過調整軋制和軋后冷卻工藝，生產(chǎn)出多種不同性能等級的鋼材品種，即實現(xiàn)“一鋼多能、一線多能”的目標。這樣可以簡化煉鋼、連鑄的操作和管理，使煉鋼、連鑄、板坯庫、加熱爐之間銜接順利，實現(xiàn)“定制化生產(chǎn)”，也有利于滿足用戶不同的使用要求，最大程度地發(fā)揮鋼材的性能潛力。同時，這也是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)降低成本、提高效益的一個重要方面。通過采用性能預報技術實現(xiàn)“余材充當”，降低庫存和加快資金周轉獲得實際效益，其實也是柔性化軋制和定制化生產(chǎn)理念的一種體現(xiàn)。