热轧带钢冷却过程中的相变模拟
Q235B热轧带钢的冷却相变行为及热轧工艺研究
Q235B热轧带钢的冷却相变行为及热轧工艺研究摘要：通过对Q235B带钢的高温相变平衡温度及相变开始温度的研究，并根据静态再结晶细化晶粒的原理，制定了适合Q235B带钢的热轧轧制工艺，并有效解决了Q235B厚规格屈服强度、抗拉强度及延伸率偏低等问题。
关键词：相变平衡温度、相变开始温度、贝氏体转变、静态再结晶1前言Q235B作为热轧板材中最普通、使用最广泛的钢种，在我国的每年产量至少在4亿吨以上，因其生产工艺相对较简单，大多数钢厂，尤其是技术力量相对较薄弱的民营企业普遍用该钢种作为主要的热轧板材产品，且大多以粗放式生产为主。
国内外鲜有报道对其热轧阶段的冷却相变行为进行充分的研究，导致指导生产的理论知识缺失，钢材（尤其是厚规格产品）经常出现批量的强度偏低、冷弯脆断、延伸率不符等问题，从而导致生产成本上升，无法及时兑现订单，严重影响公司产品形象。
本文以国内某钢厂（下称：S厂）Q235B板材为例，研究了其在热轧过程中的冷却相变行为，为Q235B产品，尤其是厚规格产品的生产提供了充分的实际保障和理论依据，提高了产品的一等品率，创造了良好的经济效益和社会效益。
S厂的1780mm生产线工艺流程如图 1 所示，该生产线的主要设备有三座常规式步进梁加热炉、一台定宽机、两架带立辊的粗轧机 R1 和 R2、七机架精轧机组 F1-F7、前置式超快冷及层流冷却装置、三台卷取机。
在定宽压力机之前、粗轧机架、精轧机前设有高压水除鳞系统，F1-F6 每个机架后设有带钢冷却水，F1-F7机架间设有水雾除尘水、逆喷等水冷却系统。
图1 S厂1780mm生产线工艺流程图2Q235B冷却过程相变初步分析Q235B 板坯在加热过程中主要发生奥氏体（用符号γ表示）晶粒长大和均匀成分。
随后经过粗、精轧机的轧制，该过程主要发生高温奥氏体区的再结晶及由再结晶引起奥氏体晶粒细化、碳氮化合物的析出以及低温奥氏体区的应变累积效应等。
当带钢出精轧机后，轧后冷却过程中首先发生的是奥氏体晶粒的长大，经由层冷达到奥氏体相变平衡温度以下发生相变，相变结束后铁素体晶粒长大。
热轧带钢层流冷却过程模型概述
出发， 建立机理模型， 主要有以下几个方面的成果： （ 一） 基于经验的代数公式和简化微分形式的温度模型 。 结合总热量平衡， 通过实验建立热平衡状态下的带钢冷却结 其本质是带钢 束后的卷取温度与冷却水量之间的经验公式， 温降和喷水集管控制阀门开启总数之间的简单代数公式； 宝 钢建立的模型在冷却区边界条件均匀条件下给出的， 假设从 带钢到环境的热传导都是相同的， 建立在无限大平板的热传 导方程基础上； 考虑了带钢的速度和温度对冷却速率的影 给出了描述带钢在冷却区温度变化的微分方程； 在考虑 响， 利用统计方法建立 带钢与冷却水之间形成蒸汽层的基础上， 了冷却过程的换热模型； 用代数解析形式来表示带钢厚度方 向的平均温度。 （ 二） 简化微分形式的温度模型与误差补偿模型相结合 的温度模型。为了提高冷却过程模型的精度， 并可以描述更 多规格带钢产品， 文在宝钢模型基础上增加了一个层流冷却 过程模型偏差的补偿模型， 提高卷取温度的计算精度 。 （ 三） 基于多模型技术的温度模型。上述引入补偿模型的 混合模型适合用于带钢产品规格变化较小的情况， 当产品规 格变化范围较大时， 会导致神经网络的层数和节点数的增加， 使网络难以真正实现， 因此， 文提出采用多模型技术简化网络 结构， 使网络实现成为可能， 扩大了带钢规格的描述范围。 （ 四） 基于热传导机理的忽略厚度方向上的温度梯度的 动态温度模型。上述模型究其本质都是静态模型， 为了研究
·92·
Industrial & Science Tribune
2012.（11）.2
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 2 期
“橡皮土 ” 施工过程中 的识别和防治
□顾明华 李 勇
【摘
“橡皮土” 要】 本文主要介绍了 的工程特性及其产生的机理 ， 并对黏土在压实过程中的最佳含水量和最大干密度的合理 控制提出建议， 最后探讨了防治措施 ， 可供工程技术人员设计 、 施工时参考。
热轧钢带层冷温度建模
– 钢板划分为若干小单元，单元本身具有不同形状 – 利用线性插值和单元间的关系，可按照不同的方式
进行组合
温控模型——东北大学
层流冷却过程的 有限差分模型
认为温度在长度方向上无热传导，也即agent之间动态是独立
前馈控制
• 采用普冷区主冷的控制策略时
– 当精轧出口温度：实测高于预测沿轧制方 向逐个增加喷水阀门开启数目,直到带钢的 温将达到工艺要求时为止。
– 当低于沿与轧制方向相反的方向逐个减少 喷水阀门开启数
• 采用精冷区主冷的冷却策略时
– 当实测高于预测沿与轧制方向相反的方向 逐个增加
– 当低于沿轧制方向向后逐个减少喷水阀
• 带钢在轧线辊道上的运行时间大概在 10s 左右
层流冷却生产设备
• 在冷却辊道上下布置两排喷水架 • 每个喷水架上各有几组阀门控制
的喷水管 • 通过控制喷水管的开启和关闭来
控制带钢卷取温度 • 大量冷却水与带钢表面接触，产
生一层类似于薄膜的物理形态， 带钢将温度传递给冷却水以降温 • 在沿轧线方向上每隔一段距离设 置一定数量的侧喷喷嘴，将残留 在带钢表面上的水冲掉
层流冷却过程的 有限差分模型
（时刻）
层流冷却过程的 有限差分模型 --- 边界条件
– 3台红外测温仪,分别安装在精轧机末架出口、 层流冷却中部和1#卷取机之前
– 以便预测模型计算冷却所需水量,集管的开启个 数及顺序
– 因受冷却过程中高温水汽的影响,冷却区中难以 逐点对运行状态的热轧带钢温度进行连续检测
• 热金属检测器
– 在精乳机末架出口和1#卷取机之前 – 用于识别热金属运动的前沿与方向
金属材料热处理过程中相变行为的数值模拟研究
金属材料热处理过程中相变行为的数值模拟研究热处理是金属材料加工的重要工艺之一，通过对金属材料的加热和冷却控制，可以显著改变其微观组织和性能。
在热处理过程中，相变行为是十分关键的，它决定了材料的最终性能。
然而，由于相变行为受到多种因素的影响，并且其过程复杂难以观测，因此需要借助数值模拟方法来研究金属材料热处理过程中的相变行为。
数值模拟是一种能够在计算机上通过数学和物理模型对实际过程进行模拟和计算的方法，它能够提供热处理过程中相变行为的细节，揭示其中的规律和机理。
下面将介绍金属材料热处理过程中相变行为的数值模拟研究的方法和应用。
一、数值模拟方法1. 宏观尺度的数值模拟方法：宏观尺度的数值模拟方法主要通过有限元法（Finite Element Method，FEM）来模拟金属材料的热处理过程。
FEM将材料划分为有限数量的小单元，针对每个单元的温度场进行计算，并考虑材料的热传导和相变等物理过程，最终得到整个材料的温度分布和相变行为。
2. 微观尺度的数值模拟方法：微观尺度的数值模拟方法主要通过分子动力学模拟（Molecular Dynamics，MD）或相场模拟（Phase Field Method，PFM）来研究金属材料的热处理过程。
MD模拟基于牛顿力学原理对原子级别的运动进行模拟，可以揭示金属材料的微观结构演化和相变行为。
PFM模拟则通过描述相场变量的演化方程来模拟金属材料的相变行为。
二、数值模拟应用1. 相变行为的数值模拟：通过数值模拟方法，可以模拟不同温度下金属材料的相变行为，指导热处理工艺的设计和优化。
例如，可以通过模拟金属材料的冷却速率对其固溶体析出相变行为进行研究，以获得理想的细化效果。
2. 微观组织演化的数值模拟：热处理过程中，金属材料的微观组织演化对其性能有着重要影响。
利用数值模拟方法可以研究热处理过程中材料晶粒的长大、残余应力的分布等问题，为合理设计热处理工艺提供依据。
3. 应变和应力的数值模拟：热处理过程中，金属材料会发生体积变化和应力分布的改变，这对材料的性能和变形行为都有重要影响。
热轧全流程带钢温度场数值模拟
ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2003年第43卷第5期2003,V o l .43,N o .56 366012604热轧全流程带钢温度场数值模拟沈丙振1, 周 进1, 韩志强1, 柳百成1, 赵克文2, 焦景民2(1.清华大学机械工程系,北京100084;2.四川攀枝花钢铁集团公司,攀枝花617062)收稿日期:2002208220作者简介:沈丙振(19732),男(汉),河南,博士研究生。
通讯联系人:柳百成,教授,E 2m ail :liubc @m ail.tsinghua .edu .cn 摘 要:为精确预测轧件的温度场、优化轧制工艺和提高最终产品的质量水平,通过对钢坯的加热和轧件轧制过程传热关系的分析,采用有限差分法建立了热轧全流程各环节轧件三维温度场的数值计算模型。
结合钢厂实际生产条件,利用该模型模拟了各环节轧件的温度场,并与实测结果进行了比较,验证了计算结果的准确性。
研究表明,轧制速度和终轧厚度对轧件温度影响较大,压下率和轧辊温度对轧件温度有一定的影响,其他工艺因素的影响较小。
关键词:热轧;轧件;温度场;数值模拟中图分类号:T G 335.11文献标识码:A文章编号:100020054(2003)0520601204Nu m er ica l si m ula tion of pla te tem pera tured istr ibution dur i ng hot rolli ngSHEN B ingzhe n 1,ZH OU J in 1,HAN Zhiq ia ng 1,L I U B a iche ng 1,ZHAO Kew en 2,J I A O J ingm in 2(1.D epart men t of M echan ical Eng i neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na ;2.Panzh ihua Iron &Steel Co mpany ,Panzhihua 617062,Chi na )Abstract :T he temperature distributi on in the p late during ho t ro lling m ust be accurately p redicted to op ti m ize the ho t ro lling p rocess and i m p rove the quality of ho t ro lling p roducts .Am athem atical model using the finite difference m ethod w as developedtonum ericallysi m ulatetheth ree 2di m ensi onaltemperature distributi on in the p late during every p rocessing stage based on the analysis of the heat transfer during the p rocess .T he modelp redicti on of the temperature field in the p late during p roducti on agreed w ell w ith experi m entally m easured temperatures during every p rocessing stage .T he results show that the ro lling speed andp roduct th ickness have effect on the p late temperatures w hile the ro lling temperature and reducti on rate are less i m po rtant,and the o ther p rocess param eters have little effect .Key words :ho t ro lling;m etal p rocessing;temperature distributi on;num erical si m ulati on 在轧件加热和轧制过程温度场的研究中,多采用二维有限单元法计算轧制过程中轧件纵断面或横断面的温度分布,或计算轧件某一部分在轧制过程中的三维温度场[1～6]。
热轧带钢层流冷却动态设定和卷取温度的离线模拟
；T 为温度，℃； 式中，ρ 为带钢密度，kg/m ；c 为带钢比热，J/(kg·K)；λ 为带钢的热导率，W/（m·K） t 为时间，s；y 为带钢宽度坐标值，m；z 为带钢厚度坐标值，m； q 为带钢内热源导热速率，J/s。 有限差分模型 上述热传导方程是具有边界条件和初始条件的偏微分方程，要对该模型进行求解，首先要将其进行离散 化，如图 所示，内部节点 从 时刻到 Δ 时刻，温度从 T 变化到 T ，时间间隔为Δ 。步长沿 厚度和宽度方向采用不等间距划分，分别为Δx 和Δy 。 q q q 和 q 分别代表上下表面、带钢左右两 个侧面的热流密度，用控制容积法可以推导出交替隐式差分方程。
c
qair = hc (T − T∞ )
(10)
h = hc +
σε (T 4 − T∞4 )
T − T∞
(11)
辐射传热发射率可由下式表示：
ε
= 1.1 +
T
1000
(0.125
T
1000
− 0.38)
(12)
hw
带钢经过水冷的时候，冷却水在带钢表面形成射流冲击区和稳态膜沸腾区，对于此过程热交换系数 （W/（m •K） ）的研究很多 ，主要认为受设备条件、冷却水量和带钢表面温度的影响。
+
1 2
=kkkk Nhomakorabeak
2
i, j
1
2
i, j
+ qk −
k
k
k
1
2
k
k
1 2
2
i, j
2
i
1, j
q ∆y q +q − ∆y
t t k
(4)
热轧板带钢冷却过程中热力耦合计算及变形分析
第40卷 第4期 2005年4月钢铁Iron and SteelVol.40，No.4 April 2005热轧板带钢冷却过程中热力耦合计算及变形分析韩 斌1， 佘广夫2， 焦景民2， 张中平2， 刘相华1， 王国栋1（1.轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学），辽宁沈阳110004；2.攀枝花钢铁（集团）公司热轧厂，四川攀枝花617062）摘 要：采用有限元分析工具ANSYS ，利用不同的表面传热系数，进行了热轧板带钢在常规强制对流层流冷却（冷却速度在30℃/s 左右）以及超快速冷却（UFC ，短时冷却速度可达300℃/s 以上）情况下的热力耦合分析，计算出带钢在不同冷却强度下温度与应力的二维分布，在此基础上进行了残余应力及由此引起变形的理论分析。
通过比较分析的结果，初步得出UFC 的适用范围。
关键词：层流冷却；UFC ；温度场；应力场；有限元；残余应力；变形中图分类号：TG335.11 文献标识码：A 文章编号：0449-749X （2005）04-0039-04Thermo-mechanical Coupling Simulation and DeformationAnalysis for Hot Strip in Cooling ProcessHAN Bin 1， SHE Guang-fu 2， JIAO Jing-min 2， ZHANG Zhong-ping 2，LIU Xiang-hua 1，WANG Guo-dong 1（1.The State Key Laboratory of Rolling and Automation ，Northeastern University ，Shenyang 110004，China ；2.Hot Strip Mill of Panzhihua Iron and Steel Co.，Panzhihua 617062，China ）Abstract ：For two typical cooling process of hot strip ，usual forced convection laminar cooling （cooling rate is about 30℃/s ）and UFC （ultra fast cooling ，cooling rate could be greater than 300℃/s ），the thermo-mechanical coupling field was simulated by ANSYS FEM software with different surface convection coefficient.2-D temperature field and stress field under different cooling rate were calculated ，then the residual stress and deformation caused by residual stress were analyzed theo-retically.By comparing the analytical results of two cooling patterns ，a preliminary applicable condition for UFC was ob-tained.Key words ：laminar cooling ；UFC ；temperature field ；stress field ；FEM ；residual stress ；deformation基金项目：国家自然科学基金资助项目（50104004）作者简介：韩 斌（1970-），男，博士生； E-mail ：hanbinxh@ ； 修订日期：2004-07-22随着生产技术的发展，新产品开发力度不断提高，很多新的高强度级别钢板需要同时具有高强度和良好冷成型性，因此双相或多相的塑性铁素体和贝氏体、马氏体与残余奥氏体的混合显微组织成为追求的目标。
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热轧带钢是一种经过高温轧制的金属带材，其冷却过程中会发生相变。
相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，它在材料的性质和微观结构上产生显著的变化。
热轧带钢冷却过程中的相变模拟可以帮助我们了解相变过程中的温度分布、组织演变以及力学性能的变化，从而优化制备工艺，提高产品质量。
热轧带钢冷却过程中的相变主要包括固溶相变、铁素体相变和贝氏体相变等。
固溶相变是指在固体内部发生的原子或分子的位置重新排列，使得固溶体的晶格结构发生改变。
固溶相变温度与合金成分、冷却速度等因素密切相关。
铁素体相变是指钢中的铁素体晶格结构在一定条件下发生转变，形成不同的铁素体类型。
贝氏体相变是钢中的铁素体通过高温下的变形和固溶处理引起的一种非等温相变。
为了模拟热轧带钢冷却过程中的相变，可以采用热力学模型和相变动力学模型结合的方法。
热力学模型可以用来预测固相和液相的存在区域，通过计算各相的浓度分布，可以确定相变过程中的温度和成分变化。
相变动力学模型可以用来描述相变的速率和机制，通过求解相变动力学方程组，可以得到相变过程中的组织演变和界面移动速度。
热力学模型常用的方法有相图预测法和计算热力学平衡法。
相图预测法通过构建合金相图，根据温度、成分和压力等参数，预测淬火过程中的固溶相变和铁素体相变。
计算热力学平衡法基于热力学平衡条件，利用计算热力学软件（如Thermo-Calc）进行计算，得到相变温度和相变前后的成分分布。
相变动力学模型常用的方法有相场模型和相变动力学模型。
相场模型是一种连续的描述相变界面演变的方法，通过求解相场方程，可以得到相变过程中的界面形貌和移动速度。
相变动力学模型基于相变的体积应变、扩散和表面扩散等物理机制，利用动力学方程描述相变过程，通过求解相变动力学方程组，可以得到相变过程中的组织演变和界面移动速度。
为了进行热轧带钢冷却过程中的相变模拟，需进行以下步骤：1.构建材料模型，确定材料的物理性质和热力学参数，如材料的热导率、比热容等。
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创新点
相变模型的适用范围宽
X 1 exp(ktn ) k f (T )
❖ 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
带钢在长度方向上任意点的组织预测
冷却模式对相变影响的模拟和验证
建模思路
计算输出辊道上带钢的温度和冷却速率
温度模型
速度加速度
带钢规格
输出辊道上
带钢温度
Td
Lcf km ln hi1 hi cp
Td
Lcf
km
cp
h
: 由形变热引起的温升，K； : 轧制力自学习系数； : 形变抗力 ，MPa； : 比热容，J/(kg·K)； : 轧件厚度，m； : 密度，kg/m3。
摩擦热模型
T f
Pw hv
cp
w
Td
Tf : 由摩擦引起的温升，K；
Td : 由形变引起的温升，K；
随着C含量的 增加，Ae1温 度升高。
Si含量对Ae3的影响
Si增加 Ae3升高
Mn含量对Ae3的影响
Mn增加 Ae3降低
转变开始温度
冷却速率对Ar3的影响
冷却速率增大， Ar3温度降低。
热轧带钢冷却过程中的相变模拟
内容
• 研究内容 • 温度场模型 • 冷却相变计算 • 结果与分析
模型构成
• 加热模块 • 轧制模块 • 相变模块 • 卷取模块 • 性能模块
冷却相变模块的建模
• 热轧带钢连续冷却过程中
和 P 的相变模型
• 铁素体晶粒尺寸模型 • 相变过程的热力学和动力学计算 • 研究冷却模式对相变的影响 目的：实现热轧带钢冷却过程中的组织预报
vPw
: 功率，kw； : 轧制速度，m/s；
h : 轧件厚度，m。
w : 带钢宽度，m。
: 密度，kg/m3； c p : 比热容，J/(kg·K)。
卷取温度控制数学模型
层流冷却设备: 12组主冷、3组精冷 和侧喷组成。
空冷模型
T2
3
1
6kt 1 c p h T13
T1 : 冷却区带钢入口温度，K；
22.01 exp 0.015d 0
d0 d 0 1 0.45
卷取后铁素体晶粒的长大模型
影响因素: • 卷取温度； • 相变后铁素体晶粒尺寸； • 时间； • 晶粒长大过程的热激活能。
d n
dn0
kt exp
Q RT
平衡温度(Ae3)
随着C含量 的增加，Ae3 温度降低。
平衡温度(Ae1)
带钢愈厚， 带钢在输 出辊道上 的时间愈 长；反之， 时间就短。
相变模型
• Avrami方程（等温）
X 1 exp(ktn )
X为等温相变分数，时间t表示相变开始后的时间；
k 和n由等温转变数据确定。
指数n，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 变机制, k 的Gauss分布函数为：
k
p(1)
exp
T
p(2) p(3)
P(4)
相变参数
P
p(1)
2/ [ d (C+Mn/6)]
13 /d
p(2)
Ae3-215+28.15/
d 0.02
-0.7C
Ae1-175+27.8/
d 0.02
-22C
p(3)
67
47
p(4)
1.9
2.2
连续冷却相变计算
根据Scheil的 叠加性法则， 将连续冷却 相变处理成 微小等温相 变之和。
带
钢
冷
却
带钢运行时间
速 率
相变模型的建立
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。
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，修正模型。
鞍钢1780生产线工艺流程
带钢轧制工艺流程
带钢轧制过程中温度场
初轧机组 精轧机组
空冷模型
Ta
Lct T 3
1 3
6kt
相变后铁素体晶粒尺寸模型
影响因素: • 再结晶奥氏体晶粒尺寸； • 残余应变； • 终轧温度与卷取温度之间的冷却速率； • 化学成分。
Ceq 0.35 : d 0 0.4 6.4Ceq 24.2 59.0CeqT 0.5
22.01 exp 0.015d
Ceq 0.35 : d 0 22.6 5.7Ceq 3T 0.5
l BANK
v
cp
h
: 一组主冷所冷却的长度，m；
: 终轧出口带钢速度 ，m/s；
: 层流冷却水的热流密度 ，J/m2 ·s ，与带钢的厚度、宽 度、卷取温度、运行速度有关；
: 比热容，J/(kg·K)； : 密度，kg/m3； : 终轧出口厚度，m。
侧喷水冷模型
TS
1000 lSDQS 3600 cpvh
h : 轧件厚度，m。
接触传热模型
Tc
12Tr T hi1 2hi
kst
Tc Tr
T
ks
t
hi1
hi
: 与轧辊接触引起的温降，K； : 轧辊温度，K； : 板坯入口温度，K； : 温度传导率,m2/s；
: 轧辊接触时间，s； : 前一道次轧件厚度，m。 : 当前道次轧件厚度，m。
形变热模型
c
p
h
T
Ta
T
k
t
cp
Lct
h
: 由空冷引起的温降，K； : 初始温度，K； : 辐射率，当表面氧化皮较多时为0.8，刚轧出的平滑
表面为0.55～0.65； : 波尔兹曼常数, J/m2·s·K4 ； : 空冷时间，s； : 比热容，J/(kg·K)； : 密度，kg/m3； : 温度自学习系数；
vTS : 由侧喷水引起的温降，K； : 终轧出口带钢速度 ，m/s；
h : 终轧出口带钢厚度，m；
c p : 比热容，J/(kg·K)；
lSD : 侧喷水所涉及的距离，m；
QS : 侧喷水的热流密度 ， J/m2 ·s ；
: 密度，kg/m3。
带钢每段的温降为空冷、水冷和侧喷水温降的总和。
输出辊道上带钢温度－时间曲线
: 轧件厚度，m。
水冷模型
Tw
Lct T
Tw exp
2at cph
1
Tw : 由水冷引起的温降，K
T : 初始温度，K；
aTw : 水温，K； : 换热系数，J/m2·s·K ； t : 水冷时间，s；
c p : 比热容，J/(kg·K)；
: 密度，kg/m3；
Lct : 温度自学习系数；
T2
: 冷却区带钢出口温度，K； : 带钢的辐射率；
: 波尔兹曼常数； kJ/m2·h ·K4，
c p : 比热容，J/(kg·K)；
: 密度，kg/m3；
h : 轧件厚度，m。
t : 冷却时间，s。
层流冷却模型
TBANK 1000 lBANK 3600 vhcp
TBANK : 由层流冷却水引起的温降，K；