HSMM软件在攀钢热轧板厂的应用——高强度低合金钒钢

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余万华周李泉韩静涛

(北京科技大学材料科学与工程学院100083)

张中平佘广夫。张芮刘勇

(攀枝花钢铁公司热轧板厂617062)

摘要中国钢铁工业的急剧发展导致市场竞争的加剧，对产品的组织和性能提出更高的要求，为了适应市场的需求，将北美钢铁企业联合开发的热轧分析软件HSMM引入中国，在攀钢热轧板厂做了初步的测试，结果表明，HSMM功能强大，温度计算非常准确，高强度低合金钒钢P510的温度预测值与实测值的偏差在±20℃，组织性能预测也基本吻合。

1 引言

中国的钢铁工业目前处于急剧发展的时期，短短几年，钢铁产量就达到3亿t，其中相当一部分为热轧板带。这必然导致市场竞争的加剧以及下游用户对热轧板带材的质量和组织性能提出更严格化、多样化的要求，这相应会带动热轧带钢组织性能预测与控制的研究。轧制过程是一个复杂的系统工程，各个因素如化学成分，温度，轧制工艺，设备等的交互影响，最终导致产品性能的差异。现场的生产试验代价高昂，而且很难分析单一因素的影响；试验室的试验的一个困难是很难模拟实际的生产情况。基于物理实验的数值模拟是一个实际的选择，它代价低，快速，可分析各个单一因素如卷取温度，终轧温度对组织性能的影响。各个国家都投入巨资开展这方面的研究[1～3]。

北美十五家钢铁公司在北美钢铁协会组织下，投人巨资，进行综合性能预报的研究，开发出HSMM(Hot Strip Mill Model)软件，该项目已经完成，并在十四家钢厂应用，获得巨大经济效益。该项目开发了一个可以预测温度、轧制力能参数、组织及性能和板形的数学模型。该模型原来可以开发八大钢种，四大钢系，普碳钢，钒微合金钢，铌微合金钢及无间隙原子钢。目前最新的版本6．2耦合了双相钢系[4～6]。

HSMM模型依赖基本的物理定律和轧制理论，在大量物理试验基础上，通过各种数值计算来模拟热轧带钢厂热轧过程的力学和热力学过程，其设计思路如图1所示。

为了能满足生产的需要，该模型为一个综合模型，这模型包括友好的界面，在界面，用户可进行轧机配置，执行及观察结果。HSMM包括内在完全相连的一系列模型，可使用户模拟从加热炉输出到卷取及冷床的一系列过程。模型的跟踪程序可跟踪及模拟轧件的头部、中部及尾部在轧制时变化，可计算这三点的温度演变，轧制力，微观组织及机械性能。HSMM是一个以个人计算机为基础的离线计算机-模型，目前，经过改进，可以做到在线预测。

为了验证该软件的可靠性，将HSMM软件在攀钢做了一些测试。比较了三个钢种，Q235为普碳钢，P510为微合金钒钢，IF5Z为IF钢，三者都为该厂比较有代表性的钢种。本文以P510为例，介绍该软件的功能。

2 P510钢的化学成分及特点

该厂P510钢的化学成分(％)如下：C 0．08，Si 0．61，Mn 1，P 0．018，S 0．012，V 0．08，．Nb

0．005，属于钒微合金钢。从化学成分的对比可以看出，该钢与HSMM八大钢系中的HSLA—V接近。HSLA—V的化学成分(％)如下：C 0．045，Si 0．069，Mn 0．45，P 0．012，S 0．005，Cr 0．022，Ni 0．01，Cu0．012，V 0．08。P510在HSMM模拟过程中，基本方程如再结晶，相变及晶粒长大等在HSLA—V物理方程的基础上根据HSLA—V的实际化学成分作一些修正。

含钒钢广泛用于由薄板坯连铸生产高强度微合金钢，含0．1％V、0．02％N可得到其屈服强度约为550MPa并具有良好的韧性和成形性[7]。这些钢强度和韧性的平衡取决于细晶强化和析出强化。在成分给定的情况下，强化机制由工艺参数控制，对于钒钢，两个重要的工艺参数是均热温度和冷却终止温度。均热温度是为了保证钒粒子完全溶于钢中。研究表明[7,8]，对于1100℃和1200℃的均热温度，轧制前没有观察到V(C，N)或～N析出物。然而，对于1050℃的均热温度，沿奥氏体晶界观察到V(C，N)析出物，还有一些硫化物(Mn和Cu)析出以及很少量的ALN复杂微粒析出物。V(C，N)析出物的形态为从球形至长方形，典型的V(C，N)析出物大小为10～30 nm。所研究的钢种P510，V(C，N)析出物的组成非常接近于VN，基于大量来自文献的不同溶解度，对于含0．08％V，计算的溶解温度范围从1150℃到1054℃，大部分公式计算得出其溶解温度大约为1100℃。轧制过程中，析出物V(C，N)会沿晶界析出，阻碍晶粒的长大。冷却终止温度对析出物的大小及分布有直接的影响。当冷却的终止温度较高，由于析出物V(C，N)的集聚和长大，析出物较粗且不均匀；当冷却温度的终止温度较低，析出物呈细小及均匀的分布，这样有助于发挥沉淀强化的效果。

3 沉淀强化的数值模拟

为了定性及定量的描述析出物如V和Nb对最终组织性能的影响，有必要建立数学模型。对于高强度低合金钢，研究表明V和Nb对碳，氮化物的粗化对析出动力有重要的影响。HSMM采用Lifshitz—Slyozov—Wagner理论计算平均粒子大小[8]：

4 模型的检验

4．1温度的模拟及与实测值的对比

轧制过程中，温度的准确计算及预测是性能模拟的基础，因为微观组织如奥氏体及析出物是温度的函数，温度计算不准会导致组织预测的偏差。在HSMM中，考虑了钢板的辐射和对流传热，与轧辊的热传导，摩擦热及变形热等。尤其重要的是，模型中可提供系数修正的环境，用户可根据实际情况修正各种参数，使预测值与实测值吻合起来。

图2为攀钢P510钢输出温度与实测温度的对比。P510钢的出加热炉的温度假定为1200℃，且温度均匀。钢坯在出粗轧温度为1050℃，在炉卷的温度为1012℃，钢坯的精轧温度为895℃，卷取温度为664℃。这些温度基本与实测值一致。

钢坯在冷床上的温度如图3所示。图3清晰地显示了喷水使表面急冷的状况，表面由于冷却水的冲击，温度急剧下降，温差达到300℃以上，在离开水冲击区后，表面温度有所回升，这样导致表面温度呈锯齿状。而心部温度则连续下降。冷却系统是先快冷，然后空冷，最后是卷曲之前的慢速冷却。上部喷水比底部喷水的冷却效果要强，因为上部水为自由落体，冲击力要大于下部水。水冷的平均冷却速度大致为100C／s。上表面温度在空冷段快速反弹，在出水冷区后，表面和心部温度逐渐趋于均匀。

该软件很强的控冷段的分析能力非常有用，特别是在开发双相钢和贝氏体钢时[9]，对控制冷却有严格的要求，这软件会成为开发优异性能钢种的宝贵工具。

5 P510钢的组织预测

假定出加热炉时钢的奥氏体晶粒大小为300μm，在轧制过程中，由于发生变形及动态和静态再结晶，会导致奥氏体的晶粒细化(见图4)。HSLA－V钢的预报结果显示了由再结晶引起的晶粒细化。第一架之后，P510钢的预报晶粒尺寸很快的减为110μm，将近1200℃的轧制温度可发生动态再结晶，在2 s完成。机架之间的停留使晶粒发生长大。在第二道之后第三道之前，发生完全再结晶，晶粒细化。第三道之后，对于V微合金钢，已经不能发生完全再结晶。HSMM可以计算残余应变和再结晶百分比的变化，许多研究表明，V明显推迟了再结晶，这是因为再结晶被认为受固溶元素拉力的控制。

然而，精轧过程中奥氏体微观组织的细节并没有铁素体组织重要，因为它决定了产品的最终性能。图5显示了铁素体晶粒大小沿厚度的分布。可以看出上下表面的晶粒细小，这是因为在冷床上，钢板表面的冷却速率极高导致的。在大多数情况下，卷取温度可根据带速，带厚，出口辊道设计和冷却系统来预报，偏差范围为±20℃。

6 组织及性能的预测

图6为P510钢组织性能的预测结果。HSMM对强度的预测主要分为两部分：(1)基体部分，这部分主要取决于化学成分及最终铁素体的晶粒大小，晶粒越小，这部分的强度越高，由于在冷床上采用快速激冷的方式，预测铁素体的晶粒为3μm，目前还无法证实。(2)析出强化部分，这部分的计算采用以上的公式求得，析出强化导致80 MPa的强度增加。

最终P510的屈服强度515MPa，抗拉强度为580MPa，延伸率为26%，基本与实测值吻合。

7 结论

HSMM在攀钢的P510钢初步试验结果表明，HSMM是一个功能强大的热轧过程分析软件，它可以分析从出加热炉至最终卷取，钢的温度，组织，轧制负荷等的演变，对于钒微合金钢，它考虑了析出物的析出对最终性能的影响。该软件很强的控冷段的分析能力非常有用，特别是在开发双相钢和贝氏体钢时，对控制冷却有严格的要求，这软件会成为开发优异性能钢种的有效工具。