500MPa级细晶粒热轧盘圆钢的开发

摘要

本文结合国家高技术研究发展计划(十五863)课题“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”和国家自然科学基金项目“成形功率泛函积分线性化及在金属加工中应用研究”，对普通C-Mn成分开发HRBF500盘圆钢在控轧控冷工艺过程中组织演变规律和力学性能的变化进行了研究，并据此进行了工业试验。论文的主要内容包括：
　　 (1)盘圆钢轧后各冷却区温度演变及返红现象的研究
　　 以盘圆钢的实际轧后冷却过程为计算条件，考虑了辐射、强制对流、自然对流等热损失过程，利用ANYSYS软件建立了盘圆钢断面的瞬态温度场模型，研究了从精轧机组出口到斯太尔摩强制风冷区的整个控冷区盘圆钢横断面温度、返红现象随时间的变化规律，为定性分析轧后控制冷却过程的显微组织演变及力学性能的变化奠定基础。
　　 (2)精轧机组轧件的变形及温升研究
　　 为了计算高速线材精轧过程的非均匀变形，分析了等效矩形法的基本原理，据此提出了一种不需要进行等效矩形转换而直接求解椭圆-圆孔型系统等效应变的新方法，称其为相交面积法(Overlapping Area method)，简称OA法。
　　 根据相交面积和孔型入口面积的比值，确定了高速线材精轧机组椭圆-圆孔型系统的宽展类型、等效应变的范围；为检验OA的有效性，利用OA法求解了精轧机组的温升。计算温升与实测结果符合较好，相对误差小于10％。利用温升计算结果分析了精轧入口温度、出口速度对整个机组累积总温升的影响，结果表明：总温升随出口速度降低而降低，但当降速10％轧制时，这种降低效果并不显著；总温升随入口温度降低而近似线性地升高。
　　 (3)试验钢室温拉伸性能及变形特性
　　 对于几种试验钢单轴拉伸下的变形特性进行了对比和分析。结果表明，在均匀变形阶段，不同屈服形式试验钢具有相似的加工硬化特性；而在低应变区，不同屈服形式试验钢的加工硬化性质差异很显著。从屈服现象的物理本质出发，对于试验钢出现无明显屈服同时变形特性与双相钢相类似的现象，综合运用多晶增殖模型、位错增殖理论、残余应力理论等给出了较全面地解释。根据理论分析结果，提出了消除试验钢无明显屈服点现象的措施。
　　 (4)HRBF500试验钢的工艺模拟与设备校核
　　 以普通C-Mn为研究对象，采用单道次压缩实验辅以显微组织观察，模拟分析了轧后冷却工艺过程，研究了Mn含量和冷却速度对相变过程、组织形貌等的影响。利用成形功率泛函线性化方法对控温轧制时粗轧机组的设备能力进行了校核。结果表明，3＃粗轧机轧辊强度及电机负荷均处于安全范围内。
　　 (5)开发HRBF500盘圆钢的工业试验
　　 基于热模拟实验和温度场的模拟结果，通过对化学成分、轧制温度、冷却参数等的调整，确定了TMCP工艺中各参数的范围。对20MnSi成分采取提C降Mn调整后，生产出满足国标要求的HRBF500盘圆钢。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究的现状

1.2.1 钢筋成分与生产工艺

1.2.2 超细晶粒钢的发展概况

1.2.3 晶粒细化方法

1.2.4 目前晶粒细化存在的问题

1.3 盘圆钢的控制轧制与控制冷却技术

1.3.1 控制轧制和控制冷却技术

1.3.2 盘圆钢的控温轧制

1.3.3 控温轧制与组织细化

1.3.4 盘圆钢的控制冷却

1.4 细晶粒钢筋的性能及特点

1.4.1 细晶粒钢筋的概念

1.4.2 细晶粒钢筋的性能指标

1.4.3 HRBF500钢筋开发存在的问题

1.5 研究的目的及内容

第2章 盘圆钢轧后温度场的模拟

2.1 传热机理分析及传热系数的确定

2.1.1 空冷

2.1.2 快速水冷

2.1.3 恢复区

2.1.4 喷雾冷却

2.1.5 强制风冷

2.1.6 热物性参数的确定

2.2 温度场数学模型的建立

2.2.1 水冷区初始条件和边界条件

2.2.2 风冷线初始条件和边界条件

2.3 盘圆钢轧后温度场的计算

2.3.1 工艺条件

2.3.2 温度场模拟结果

2.4 返红现象规律的研究与分析

2.4.1 返红现象产生的原因

2.4.2 返红现象的影响因素

2.4.3 各冷却段的返红现象

2.5 小结

第3章 精轧机组轧件的变形及温升

3.1 相交面积法的提出

3.1.1 线材精轧的变形特点

3.1.2 等效矩形法的实质

3.1.3 OA法的原理

3.1.4 OA法与宽展的类型

3.2 OA法数学模型的建立

3.2.1 轧件表面形状及断面面积

3.2.2 确定相交面积S′

3.2.3 OA法与其它解析法的比较

3.3 OA法在精轧温升的应用

3.3.1 等效应变的计算

3.3.2 等效应变速率的计算

3.3.3 温升计算

3.3.4 精轧温升的影响因素

3.4 小结

第4章 试验钢单轴拉伸下的变形特性

4.1 加工硬化

4.1.1 加工硬化指数

4.1.2 加工硬化系数

4.1.3 加工硬化率

4.2 试验钢的连续过渡屈服

4.2.1 产生原因

4.2.2 连续过渡屈服钢筋的使用性能

4.2.3 连续过渡屈服现象的消除

4.3 小结

第5章 试验钢的工艺模拟与设备校核

5.1 试验钢的成分设计

5.1.1 强韧化机制

5.1.2 成分设计

5.2 工艺模拟

5.2.1 实验材料

5.2.2 相变温度

5.2.3 实验方案

5.2.4 实验结果与讨论

5.3 粗轧设备能力校核

5.3.1 塑性功率泛函的线性化与轧制力矩

5.3.2 设备校核

5.4 小结

第6章 HRBF500盘圆钢的工业试验

6.1 工业试验条件

6.2 设备能力及工艺参数的初步检验

6.2.1 试验钢的化学成分与工艺

6.2.2 力学性能检验结果

6.2.3 试验钢的显微组织

6.2.4 试验分析与总结

6.3 工艺参数的调整与优化

6.3.1 化学成分调整

6.3.2 工艺参数调整

6.3.3 力学性能检验结果

6.3.4 显微组织分析

6.3.5 试验分析与总结

6.4 HRBF500盘圆钢的工业轧制

6.4.1 工艺措施及试验结果

6.4.2 试验分析与总结

6.5 小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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