熱軋棒線材力學性能預報方法

專利名稱：熱軋棒線材力學性能預報方法
技術領域：
本發明涉及一種熱軋棒線材力學性能預報方法，屬于冶金行業產品性能預報數學 模型技術領域。
背景技術：
熱軋鋼材作為最廣泛應用的工程結構材料，其屈服強度是計算結構強度和許用應 力最重要的依據之一，也是熱軋材滿足各種專用鋼技術標準的最主要判據之一。過去三十 多年來，世界各國投入大量技術力量和資金，研究開發熱軋板帶的組織性能預報模型，在基 礎物理冶金實驗與模型、熱軋工藝技術、計算機軟件與模型幾方面做了大量工作并取得了 重要進展。目前已經有一些較成功的基礎物理冶金模型、實驗室組織性能預報模型和離線 預報模型，但是至今還沒有成功的在線組織性能預報與控制SPPC (On-Line Structure & Property Prediction & Control)模型投入商業應用。在熱軋棒線材方面，目前還沒有在 線性能預報模型的商業應用先例。不僅如此，熱軋棒線材在奧氏體熱變形與相變AHDT基礎 物理冶金試驗研究、熱軋形變熱處理TMCP工藝技術開發與應用、離線組織性能預報與控制 SPPC模型的開發等方面，均顯著落后于熱軋板帶在這些方面的研究開發進展。歐洲、美國、 日本和中國在過去30多年里在熱軋板帶方面進行了大量研究開發工作，并為在線組織性 能預報模型的建立提供了充分的基礎，但是在熱軋棒線材方面所進行的工作卻十分薄弱。 尤其是國內，雖然建筑用鋼筋和鋼材在生產量方面占了全國鋼材總產量的1/3，但是在奧氏 體熱變形與相變AHDT基礎研究、熱軋形變熱處理工藝TMCP開發和組織性能預報SPPC方面 的研究開發工作與其產量規模不相稱。熱軋鋼材強度模型的技術難點在于(1)建立綜合反映各主要強化機制對強度貢 獻增量的本構方程，需要以系統的強化理論為基礎，以全面的物理冶金試驗結果為依據，并 通過大量實際生產數據的驗證。(2)晶界強化項中的晶粒尺寸是強度本構方程中影響因 素最復雜并最難于準確確定的輸入變量，需要對熱軋過程中奧氏體形變再結晶規律和冷卻 過程中奧氏體相變規律進行系統的實驗研究和現場取樣觀察，并建立起有效的物理冶金模 型。(3)熱軋初始條件-連鑄坯鑄態組織和晶粒尺寸的嚴重不均勻性，導致模型輸入的初始 晶粒尺寸條件復雜化并引入初始和“遺傳”誤差。據了解，至今沒有任何一家鋼廠建立起熱軋鋼筋和線材的強度模型，并預報不同 級別和不同規格熱軋材的強度。因此，解決這一技術難題既具有基礎理論和工程應用方面 的重要性，又具有相當的研究開發難度；既需要大量的國內外基礎研究資料和自身的試驗 研究數據以及實際應用經驗，又必須結合生產線設備條件、工藝參數、產品實物進行大量數 據分析和試驗研究，并在此基礎上建立起熱軋棒線材強度計算的本構方程和計算機模型。

發明內容
本發明目的是提供一種熱軋棒線材力學性能預報方法，建立熱軋棒線材力學性能 預報數學模型，通過煉鋼化學成分的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制，在降低鐵合金加入量的條件下，縮小鋼材性能波動，穩定鋼材質量，提高熱軋棒線材生產的經濟效益， 解決背景技術存在上述問題。本發明的技術方案是
一種熱軋棒線材力學性能預報方法，包括如下步驟①建立綜合反映強化機制對強度 貢獻增量的強度本構方程；②建立熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型；③建立計算機模 型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。根據預報結果，通過對煉鋼化學成分的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制， 在降低鐵合金加入量的條件下，縮小鋼材性能波動，穩定鋼材質量。熱軋棒線材主要是熱軋鋼筋和線材。所說的建立綜合反映強化機制對強度貢獻增量的強度本構方程，是建立抗拉強 度、屈服強度、延伸率的本構方程，方程中晶界強化項內晶粒尺寸的準確計算和測定是影響 預報精確度和命中率的核心變量，受熱軋過程中奧氏體化、奧氏體熱變形、奧氏體冷卻相變 等各階段工藝條件的綜合影響。建立抗拉強度、屈服強度本構方程具體步驟是通過對強化理論的基本公式和回 歸經驗方程的分析，在原有大量實驗研究、強度方程推導和強度模型應用的基礎上，結合熱 軋鋼筋和線材實際工藝和產品性能特征，一方面在實驗室對典型的低合金鋼和微合金鋼進 行比較全面的系統的物理冶金試驗，另一方面在熱軋機組對實際生產的典型產品進行大量 的成分、工藝、組織、性能數據統計處理和回歸分析，建立起新的熱軋材強度的復合應用型 屈服強度本構方程；在屈服強度本構方程的基礎上，進一步建立了抗拉強度的本構方程。建立延伸率本構方程具體步驟是目前世界上沒有任何成熟的理論方程和經驗公 式可以比較準確地定量描述鋼鐵材料的最基本塑性指標延伸率與化學成分和組織結構等 因素之間的函數關系，因此，熱軋鋼材延伸率的本構方程是根據以下強塑化的基本原理和 試驗規律導出的1、在以鐵素體為基體的鋼中，純凈的均勻粗化的鐵素體鋼具有最大的塑 性和最高的延伸率；2、任何強化因素均導致基體塑性的降低，包括固溶強化元素、析出強化 元素、晶粒細化和各種其他相結構(珠光體、貝茵體、馬氏體、滲碳體等)；3、鋼中的任何雜質 元素和夾雜物均會降低純凈鐵素體鋼的延伸率；最后，得出低碳低合金鋼和微合金鋼的延 伸率本構方程。所說的建立熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型，通過系統實驗室試驗獲得以典 型熱軋空延時間為邊界條件的奧氏體靜態再結晶動力學)(a-曲線，并據此導出奧氏體靜態 再結晶動力學方程)(a ( 0.5)，直接描述了 Xi隨再結晶驅動力一應變量和0.5變化的動 力學規律；包括熱軋機組熱變形參數與奧氏體再結晶評估，熱軋鋼筋和線材的顯微組織變 化以及奧氏體組織演變模型的建立。具體步驟通過物理冶金實驗、奧氏體熱變形試驗，建立起奧氏體熱變形過程中顯 微組織演變的物理冶金模型，可以根據初始條件和熱軋工藝參數計算各機架道次變形后的 奧氏體再結晶百分比Xi，奧氏體再結晶后的晶粒尺寸drex等奧氏體組織變化參數，從而計 算熱軋和冷卻相變后的鐵素體晶粒尺寸；由于連鑄坯初始組織和晶粒的不均勻性，以及熱 軋過程中實際操作工藝和溫度場的不均勻性，導致顯微組織的不均勻性和平均晶粒尺寸計 算存在一定誤差，因此，在建立奧氏體再結晶模型的同時，對各規格熱軋鋼筋和線材取樣進 行實際晶粒尺寸觀察測定，并以實測晶粒尺寸為主要依據，用于隨后的屈服強度本構方程輸入變量。所說的建立計算機模型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報，具體步驟是對國內外 計算機模型發展現狀和現有的組織與性能預報數學模型，包括物理冶金模型、統計模型、半 經驗模型和人工智能模型進行分析對比，選擇適用的計算機程序，根據實驗室物理冶金試 驗結果和新建的熱軋強度本構方程，對生產數據進行應用計算和驗證分析，建立起熱軋鋼 筋和線材強度性能預報系統軟件，完成對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。采用本發明對全年160萬噸鋼筋和線材批量生產數據進行計算的結果表明
1、熱軋鋼筋在半連軋機組的預報精度為7.0%以內時，HRB335級SiMn鋼五個不同規格 (Π2 - 25mm)產品的命中率達到85. 0%以上，HRB400級SiMnNb鋼五個不同規格產品(f 12 — 25mm)的命中率均為84. 0%以上；
2、熱軋鋼筋在全連軋機組的預報精度為6.0%以內時，HRB335級SiMn鋼四個不同規格 (Π4 - 32mm)產品的命中率為擬％ 86%，HRB 400級SiMnNb鋼四個不同規格產品(fl4 一 32mm)的命中率為87% 89% ；
3、熱軋線材在高線機組的控制精度為士12. 5Mpa (士5%)時，Φ 5. 5mm和Φ 6. 5mm規格 產品的屈服強度預報命中率分別為88. 6%和94. 7% ；
4、本發明強度模型在較高的精度范圍內(士5%— 7%)，對三條工藝線上生產的三個 不同成分鋼種、三個強度級別、十二個不同規格160萬噸熱軋帶肋鋼筋和線材產品屈服強 度的預報命中率均達到82%—94%。同時，抗張強度和延伸率的本構方程與計算機模型，在預報精度為士7%時，熱軋 帶肋鋼筋抗拉強度的預報命中率達到82-97% ；在預報精度為士4%測量值時，延伸率的預 報命中率達到78—95%。本發明的有益效果建立熱軋棒線材力學性能預報數學模型，通過煉鋼化學成分 的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制，在降低鐵合金加入量的條件下，縮小鋼材性能 波動，穩定鋼材質量，提高熱軋棒線材生產的經濟效益。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步說明。本發明的技術關鍵是強度本構方程的建立。它要求以健全的強化理論為基礎，全 面分析晶格基體、固溶、晶界、析出等因素對強化增量的貢獻。大量試驗研究結果表明，強度 本構方程中晶界強化項內晶粒尺寸的準確計算和測定是影響強度模型預報精確度和命中 率的核心變量。由于實際熱軋工藝過程復雜，必須系統考慮熱軋過程中奧氏體化、奧氏體熱 變形、奧氏體冷卻相變等各階段工藝條件對顯微組織和晶粒尺寸演變的影響。因此，晶粒尺 寸項作為強度本構方程中的一項子函數，成為實驗室物理冶金試驗研究的主要對象。一種熱軋棒線材力學性能預報方法，包括如下步驟①建立綜合反映強化機制對 強度貢獻增量的強度本構方程；②建立熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型；③建立計算 機模型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。根據預報結果，通過對煉鋼化學成分的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制， 在降低鐵合金加入量的條件下，縮小鋼材性能波動，穩定鋼材質量。更具體的實施方式如下①建立起綜合反映各主要強化機制對強度貢獻增量的強度本構方程。通過對強化理論的基本公式和回歸經驗方程的分析，在原有大量實驗研究、強度 方程推導和強度模型應用的基礎上，結合宣鋼熱軋鋼筋和線材實際工藝和產品性能特征， 一方面在實驗室對典型的低合金鋼和微合金鋼進行比較全面的系統的物理冶金試驗，另一 方面在熱軋機組對實際生產的典型產品進行大量的成分一工藝一組織一性能數據統計處 理和回歸分析。⑴建立起新的熱軋材強度的復合應用型屈服強度本構方程。ES' = σ0 + 2· C^ + 尤· crU2 + B ·! (%)(ι)
其中，％為晶鉻基體強化項；
碳當量C^表示固溶強化項，碳當量的計算公式為-.Cai =C + Sif24+Mni6
晶粒度d的-1/2次方^Tm表示晶界強化項； A、K、B為系數。新建的強度本構方程綜合反映了各主要強化機制對強度的貢獻增量。方程中各 項變量分別反映了晶格基體、固溶、晶界、析出等各強化因素本身對屈服強度增量的貢獻強 弱，而各項變量的系數A、K、B分別反映了在復合強化條件下，各強化因素對屈服強度貢獻 的比重。該方程中晶界強化項內的晶粒尺寸是影響強度預報精確度和命中率的核心變量， 需要通過試驗測定和模型計算。為準確計算和測定晶粒尺寸，對奧氏體化、奧氏體熱變形、 奧氏體冷卻相變過程中顯微組織和晶粒尺寸的演變，進行了系統的奧氏體熱變形與相變的 物理冶金試驗研究。采用新導出的奧氏體靜態再結晶動力學方程，建立起自主開發的熱軋 顯微組織演變模型。⑵在屈服強度本構方程的基礎上，進一步建立了抗拉強度的本構方程 TS = στο + At-Ceq + K'-d~l 12 + β'·Μ4(%) (2)
式中 ST. 0 一鋼基體的晶格強化項；
A’ X Ceq 一碳當量強化項，其中常數A’ X顯著大于屈服強度本構 方程中的碳當量強化系數A ；
K’ X d-0.5 -晶粒尺寸強化項，其中常數K’顯著低于屈服強度本構 方程中的晶粒尺寸強化系數K ；
B’ XMA(%)-析出強化項，其中常數B’略高于屈服強度本構方程中
的析出強化系數B。⑶建立延伸率計算的本構方程
目前世界上沒有任何成熟的理論方程和經驗公式可以比較準確地定量描述鋼鐵材料 的最基本塑性指標延伸率與化學成分和組織結構等因素之間的函數關系。因此，熱軋鋼材 延伸率的本構方程是根據以下強塑化的基本原理和試驗規律導出的
在以鐵素體為基體的鋼中，純凈的均勻粗化的鐵素體鋼具有最大的塑性和最高的延伸
率；任何強化因素均導致基體塑性的降低，包括固溶強化元素、析出強化元素、晶粒細化和 各種其他相結構(珠光體、貝茵體、馬氏體、滲碳體等)；
鋼中的任何雜質元素和夾雜物均會降低純凈鐵素體鋼的延伸率。

因此，低碳低合金鋼和微合金鋼的延伸率可以用以下的本構方程計算
權利要求
1.一種熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于包括如下步驟①建立綜合反映強 化機制對強度貢獻增量的強度本構方程；②建立熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型；③ 建立計算機模型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。
2.根據權利要求1所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于所說的建立綜合 反映強化機制對強度貢獻增量的強度本構方程，是建立抗拉強度、屈服強度、延伸率的本構 方程，方程中晶界強化項內晶粒尺寸的準確計算和測定是影響預報精確度和命中率的核心 變量，受熱軋過程中奧氏體化、奧氏體熱變形、奧氏體冷卻相變等各階段工藝條件的綜合影 響。
3.根據權利要求2所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于建立抗拉強度、 屈服強度本構方程具體步驟是通過對強化理論的基本公式和回歸經驗方程的分析，在原 有大量實驗研究、強度方程推導和強度模型應用的基礎上，結合熱軋鋼筋和線材實際工藝 和產品性能特征，一方面在實驗室對典型的低合金鋼和微合金鋼進行比較全面的系統的物 理冶金試驗，另一方面在熱軋機組對實際生產的典型產品進行大量的成分、工藝、組織、性 能數據統計處理和回歸分析，建立起新的熱軋材強度的復合應用型屈服強度本構方程；在 屈服強度本構方程的基礎上，進一步建立了抗拉強度的本構方程。
4.根據權利要求2所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于建立延伸率本構 方程具體步驟是熱軋鋼材延伸率的本構方程是根據以下強塑化的基本原理和試驗規律導 出的1、在以鐵素體為基體的鋼中，純凈的均勻粗化的鐵素體鋼具有最大的塑性和最高的 延伸率；2、任何強化因素均導致基體塑性的降低，包括固溶強化元素、析出強化元素、晶粒 細化和各種其他珠光體、貝茵體、馬氏體、滲碳體相結構；3、鋼中的任何雜質元素和夾雜物 均會降低純凈鐵素體鋼的延伸率；最后，得出低碳低合金鋼和微合金鋼的延伸率本構方程。
5.根據權利要求1或2所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于所說的建立 熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型，通過系統實驗室試驗獲得以典型熱軋空延時間為邊 界條件的奧氏體靜態再結晶動力學)(a-曲線，并據此導出奧氏體靜態再結晶動力學方程)(a (0.5)，直接描述了 Xi隨再結晶驅動力一應變量和0.5變化的動力學規律；包括熱軋機 組熱變形參數與奧氏體再結晶評估，熱軋鋼筋和線材的顯微組織變化以及奧氏體組織演變 模型的建立。
6.根據權利要求5所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于具體步驟通過 物理冶金實驗、奧氏體熱變形試驗，建立起奧氏體熱變形過程中顯微組織演變的物理冶金 模型，可以根據初始條件和熱軋工藝參數計算各機架道次變形后的奧氏體再結晶百分比 Xi，奧氏體再結晶后的晶粒尺寸drex等奧氏體組織變化參數，從而計算熱軋和冷卻相變后 的鐵素體晶粒尺寸；由于連鑄坯初始組織和晶粒的不均勻性，以及熱軋過程中實際操作工 藝和溫度場的不均勻性，導致顯微組織的不均勻性和平均晶粒尺寸計算存在一定誤差，因 此，在建立奧氏體再結晶模型的同時，對各規格熱軋鋼筋和線材取樣進行實際晶粒尺寸觀 察測定，并以實測晶粒尺寸為主要依據，用于隨后的屈服強度本構方程輸入變量。
7.根據權利要求1或2所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于所說的建立 計算機模型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報，具體步驟是對國內外計算機模型發展現狀 和現有的組織與性能預報數學模型，包括物理冶金模型、統計模型、半經驗模型和人工智能 模型進行分析對比，選擇適用的計算機程序，根據實驗室物理冶金試驗結果和新建的熱軋強度本構方程，對生產數據進行應用計算和驗證分析，建立起熱軋鋼筋和線材強度性能預 報系統軟件，完成對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。
8.根據權利要求1或2所述之熱軋棒線材力學性能預報方法，其特征在于根據預報結 果，通過對煉鋼化學成分的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制，在降低鐵合金加入量 的條件下，縮小鋼材性能波動。
全文摘要
本發明涉及一種熱軋棒線材力學性能預報方法，屬于冶金行業產品性能預報數學模型技術領域。技術方案是①建立綜合反映強化機制對強度貢獻增量的強度本構方程；②建立熱軋鋼筋和線材的顯微組織演變模型；③建立計算機模型，對熱軋鋼筋和線材強度性能預報。本發明的有益效果建立熱軋棒線材力學性能預報數學模型，通過煉鋼化學成分的優化設計及煉、軋鋼生產工藝的優化控制，在降低鐵合金加入量的條件下，縮小鋼材性能波動，穩定鋼材質量，提高熱軋棒線材生產的經濟效益。屈服強度的預報命中率達到82%-94%，抗拉強度的預報命中率達到82-97％，延伸率的預報命中率達到78-95％。
文檔編號G06F19/00GK102122324SQ20111005116
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月3日 優先權日2011年3月3日
發明者馮建航, 底根順, 張彥榮, 張文俊, 張海, 張燕平, 張艷萍, 王勇, 王宏斌, 賈建平, 馬立明 申請人:宣化鋼鐵集團有限責任公司, 河北鋼鐵集團有限公司