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。

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。

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]。

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。