以3500mm炉卷轧机生产X80管线钢的控轧控冷工艺与轧辊应用工艺优化的研究

摘要

本文以南京钢铁集团公司（以下简称南钢）3500mm炉卷轧机生产X80管线钢过程中的控轧控冷工艺与轧辊应用工艺优化为背景，通过测定X80管线钢相变特性，制定出控轧控冷工艺参数;通过分析不同控轧控冷工艺生产的X80管线钢的组织与性能，对控轧控冷工艺制度进行优化。利用有限元法对X80管线钢钢板轧制过程中温度场进行模拟，分析炉卷轧机轧辊温度场，并建立新的轧辊冷却制度，同时用三维有限元方法模拟研究炉卷轧机辊系弹性变形，建立适合实际应用的工作辊磨损预测模型及新的换辊制度。
　　利用Gleeble-3500热模拟试验设备以及差热分析方法分别测试了X80管线钢的动态CCT曲线、奥氏体再结晶终止温度以及试验钢的相变温度范围等，根据测定的X80管线钢相变特性制定了生产用控轧控冷工艺参数，进行了实验室控轧控冷试验;研究了试验钢中位错组态及微细第二相析出粒子的强韧化作用。在3500mm炉卷轧机轧辊应用工艺优化研究中，通过有限元分析与试验相结合，对轧辊温度场、弹性变形等进行研究，开发出适合的炉卷轧机轧辊应用工艺制度，解决了原轧辊应用工艺制度存在的不足，提高了南钢炉卷轧机板形控制能力，减低了轧辊辊耗。通过现场工业试验，证明本文研发的轧辊应用工艺可以满足炉卷轧机生产的要求，并带来了显著的经济效益。
　　本研究获得了以下主要研究结果:
　　(1)确定了高铌X80管线钢控轧控冷工艺技术参数:连铸板坯加热温度为1200℃，保温时间为180分钟;第一阶段开轧温度约为1100℃，终轧温度高于1050℃;第二阶段开轧温度约为950℃，终轧温度高于850℃;冷却速率控制在20～30℃/s，终冷温度约500℃;
　　(2)在炉卷轧机上应用所研发的控轧控冷技术成功生产出平均屈服强度与抗拉强度分别达575MPa与665MPa以上、-20℃冲击功高于330J、FATT50CVN＜-60℃的高强高韧X80管线钢板/卷;
　　(3)炉卷轧机生产的X80管线钢为典型的细小针状铁素体组织，其内部包含大量板条铁素体亚晶组织。亚晶内部和边界附近存在高密度位错，有些位错线相互缠绕，形成胞状亚晶结构，使铁素体板条碎化，产生细晶强化效果;同时，铁素体基体上弥散分布着纳米级Nb、Ti的碳氮化物析出相。析出粒子主要有两种:一种为细小、分布弥散、平均尺寸在20nm左右的Nb(Ti)C;另一种为粒子尺寸大多在50nm～200nm、以TiN为主的Ti、Nb(NC)复合析出相;这种组织结构为炉卷轧机生产的X80管线钢的力学性能提供了保证。实际应用表明，以炉卷轧机生产的X80钢板与钢卷制成的直缝焊管(也称电阻焊管线，Electric Resistance Welded pipeline，ERW pipeline)与螺旋焊管（也称螺旋埋弧焊管线，Spiral Submerged Arc Welding pipeline，SSAW pipelin）具有较高的强度、冲击韧性以及抗撕裂能力;
　　(4)利用有限元分析方法，动态分析了3500mm炉卷轧机热轧时工作辊的升温过程，获得了工作辊的瞬态温度分布，在此基础上进行了离线试验，并据此改进了工作辊冷却制度;
　　(5)通过对轧辊辊系的弹性变形分析计算，建立了轧辊三维有限元模型，讨论了轧制力、弯辊力、轧件宽度、工作辊凸度等对辊系的影响规律，对辊间接触应力进行了分析，据此设计了一种新型支撑辊倒角;
　　(6)建立了3500mm炉卷轧机新的工作辊冷却制度与辊系曲线，新的轧辊应用工艺制度一方面使板凸度下降，板型改善;另一方面可使轧辊磨损均匀，速度变缓，生产应用表明辊耗在原有的基础上下降了20.67％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 管线钢研究现状

1．2．1 管线钢的研发背景和概况

1．2．2 高等级管线钢的性能要求

1．2．3 高等级管线钢中合金元素的作用

1．2．4 高等级管线钢TMCP工艺现状

1．2．5 控制轧制工艺对管线钢组织和性能的影响

1．3 炉卷轧机的特点

1．3．1 工艺特点

1．3．2 轧辊使用特点

1．4 轧辊温度场研究方法

1．4．1 差分解法

1．4．2 有限元解法

1．4．3 ANSYS有限元计算分析软件

1．5 轧辊辊系弹性变形研究现状

1．5．1 弹性基础梁的解析法

1．5．2 影响函数法

1．5．3 变刚度弹基梁—三维有限元法

1．6 研究背景、意义及研究内容

1．6．1 研究背景及意义

1．6．2 研究内容

第2章 X80管线钢相变特性研究

2．1 引言

2．2 实验材料与试验方法

2．2．1 实验材料成分特点

2．2．2 X80管线钢生产工艺流程

2．2．3 奥氏体再结晶终止温度的测定

2．2．4 X80管线钢连续冷却转变规律的实验研究

2．2．5 试验钢差热分析

2．3 实验结果与分析

2．3．1 奥氏体再结晶终止温度的确定

2．3．2 X80管线钢连续冷却转变规律

2．3．3 X80管线钢的差热曲线(DTA)分析

2．4 本章结论

第3章 X80管线钢的炉卷轧机TMCP工艺参数选定及以其生产产品的组织与性能

3．1 引言

3．2 生产产品的组织与性能测试方法

3．2．1 组织结构的观察与分析

3．2．2 力学性能测试

3．3 炉卷轧机生产X80管线钢的TMCP工艺技术

3．3．1 X80管线钢加热工艺技术

3．3．2 TMCP工艺技术

3．4 以选定工艺参数生产的X80管线钢的组织结构

3．4．1 X80管线钢的显微组织

3．4．2 X80管线钢的亚结构

3．4．3 X80管线钢中的析出相

3．5 以选定工艺参数生产的X80管线钢的性能

3．6 本章结论

第4章 X80管线钢TMCP工艺优化研究

4．1 引言

4．2 试验方法

4．2．1 TMCP工艺试验方案

4．2．2 组织结构的观察与分析及力学性能测试

4．3 力学性能实验结果

4．3．1 拉伸性能及分析

4．3．2 冲击韧性

4．4 显微组织

4．5 X80管线钢TMCP工艺与组织性能间的关系

4．6 本章结论

第5章 控轧控冷-回火工艺强韧化机制

5．1 控轧控冷-回火工艺X80管线钢的显微组织

5．2 控轧控冷-回火工艺X80管线钢组织中的析出

5．3 控轧控冷-回火工艺X80管线钢中第二相粒子的鉴定

5．4 控轧控冷-回火工艺X80管线钢显微组织中的位错

5．5 讨论

5．5．1 X80管线钢显微组织中的析出

5．5．2 X80管线钢的强韧化机制

5．6 本章结论

第6章 炉卷轧机轧辊使用工艺制度改进

6．1 温度场分析及冷却制度研究

6．1．1 轧辊瞬态温度场的有限元计算

6．1．2 轧辊温度场计算结果

6．1．3 冷却制度的改进

6．1．4 冷却制度改进前后温度场比较

6．2 炉卷轧机辊系弹性变形与应用研究

6．2．1 炉卷轧机辊系ANSYS三维建模与网格划分

6．2．2 炉卷轧机辊系中接触问题的处理及轧制力加载

6．2．3 炉卷轧机辊系中典型工况与结果分析

6．3 支撑辊剥落原因分析及防止失效的措施

6．3．1 支撑辊的剥落形式

6．3．2 支撑辊失效形式的研究与分析

6．3．3 防止支撑辊失效的措施

6．4 轧辊应用工艺制度改进与效果

6．4．1 轧辊使用工艺改进

6．4．2 实际应用效果

6．5 本章结论

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的成果

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