帶鋼組織預(yù)報(bào)主要基于生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，運(yùn)用相應(yīng)的冶金模型實(shí)現(xiàn)從板坯到帶鋼成品的組織演變預(yù)報(bào)。帶鋼力學(xué)性能預(yù)報(bào)需要建立在組織預(yù)報(bào)完成的前提下，根據(jù)具體的最終金屬組織預(yù)報(bào)結(jié)果來計(jì)算。文章研究了從熱軋板坯到帶鋼成品的組織演變預(yù)報(bào)的可行性，結(jié)果表明無論是通過組織性能預(yù)報(bào)離線系統(tǒng)的“虛擬軋制”，還是通過在線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，都可以起到預(yù)防產(chǎn)品性能不合格和性能波動的效果，提高產(chǎn)品性能指標(biāo)和穩(wěn)定產(chǎn)品性能。

鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域的組織演變模擬和性能預(yù)報(bào)技術(shù)于1970年前后起步于熱軋，經(jīng)過不斷發(fā)展，在熱連軋生產(chǎn)中逐步得到應(yīng)用。自1990年以來，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)紛紛致力于以減少力學(xué)試樣為目的的組織性能在線預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。近年來，隨著熱軋生產(chǎn)中微合金化技術(shù)、以超快冷為特色的新一代控制控冷技術(shù)、柔性化生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，組織性能預(yù)報(bào)技術(shù)在熱軋生產(chǎn)中已經(jīng)取得了越來越多的應(yīng)用[1]。隨著金屬材料熱處理領(lǐng)域數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，目前，組織演變模擬和性能預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用范圍已非常廣泛，遍及整個(gè)鋼材加工領(lǐng)域(包括熱軋、鍛造、冷軋、熱處理等)[2]。帶鋼從加熱爐出來，經(jīng)過精軋機(jī)軋制、層流冷卻，到最后的卷取機(jī)卷取，每個(gè)階段發(fā)生的冶金過程不同。帶鋼在加熱爐階段，主要涉及晶粒長大過程；在精軋機(jī)軋制階段，主要涉及再結(jié)晶過程；在層流冷卻階段，主要涉及相變過程；在卷取機(jī)卷取階段，主要涉及相變過程的進(jìn)一步發(fā)展和最終的力學(xué)性能預(yù)報(bào)。帶鋼在任何一個(gè)階段的組織演變結(jié)果都會對其他階段的冶金過程產(chǎn)生影響[3]。帶鋼組織預(yù)報(bào)主要基于生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，運(yùn)用相應(yīng)的冶金模型實(shí)現(xiàn)從板坯到帶鋼成品的組織演變預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)既可以在軋制前，由模型設(shè)定的工藝來計(jì)算最終的組織狀態(tài)，也可以在軋制過程中，根據(jù)實(shí)際的工藝值來計(jì)算。帶鋼力學(xué)性能預(yù)報(bào)需要建立在組織預(yù)報(bào)完成的前提下，根據(jù)具體的最終金屬組織預(yù)報(bào)結(jié)果來計(jì)算[4]。

性能預(yù)報(bào)模型組成及工藝路徑

不同軋制階段帶鋼組織性能見表1。

模型的輸入數(shù)據(jù)

加熱爐：加熱爐的加熱溫度Th、爐內(nèi)保溫時(shí)間t；精軋機(jī)：各機(jī)架入口厚度H0、出口厚度H、入口溫度T0、出口溫度T、軋輥輥徑D、軋制速度s(線速度)；層流冷卻：各冷卻集管入口溫度Tci、出口溫度Tco、冷速、板坯的化學(xué)成分。

模型的啟動時(shí)序：當(dāng)精軋和層冷模型的出爐前預(yù)計(jì)算、入口設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、后計(jì)算等計(jì)算時(shí)序完成后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再啟動PMPP預(yù)測帶鋼的力學(xué)性能。

操作接口

在HMI畫面上用圖形的方式直觀表示板坯內(nèi)部組織變化情況，每個(gè)階段的生產(chǎn)工藝都對應(yīng)有該階段的組織狀態(tài)，成品的性能也顯示在HMI畫面上。

實(shí)際生產(chǎn)前：對生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整后，可以通過畫面上的操作接口，再次對帶鋼組織性能計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出顯示。生產(chǎn)工藝和成品性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的生產(chǎn)工藝作為最終工藝進(jìn)行生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中：根據(jù)實(shí)際采集到的工藝數(shù)據(jù)，計(jì)算組織性能，實(shí)時(shí)輸出。

數(shù)據(jù)輸入輸出

數(shù)據(jù)輸入：所需的軋件原始數(shù)據(jù)和軋制規(guī)程設(shè)定值由模型預(yù)計(jì)算提供；所需的實(shí)際軋制規(guī)程參數(shù)有模型后計(jì)算提供。數(shù)據(jù)輸出：力學(xué)性能參數(shù)，屈服、抗拉、延伸預(yù)報(bào)結(jié)果。力學(xué)與性能預(yù)報(bào)報(bào)表見表2。

性能預(yù)報(bào)模型機(jī)理研究

晶粒長大模型

晶粒長大的驅(qū)動力是總界面能的減少。因?yàn)榻M織中含有晶界，為了減少總的界面能，晶粒力求長大。鋼在加熱過程中發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變后，在奧氏體晶界凈驅(qū)動力的作用下發(fā)生晶界遷移，晶界處原子跨越界面遷移的擴(kuò)散過程導(dǎo)致晶粒長大。晶粒長大的特點(diǎn)是長大速率比較均勻，在長大過程中，晶粒的尺寸分布和形狀分布幾乎不變。

再結(jié)晶模型

再結(jié)晶是通過形核和核心長大的方式消除形變合金畸變的過程。再結(jié)晶的核心基本上是無畸變的，往往在局部形變程度高的地方形成，核心的邊界是大角度界面。再結(jié)晶核心靠消耗周圍不穩(wěn)定的形變組織而長大。當(dāng)全部形變組織都被新的再結(jié)晶晶粒所占據(jù)時(shí)，再結(jié)晶過程結(jié)束。

板坯經(jīng)過精軋機(jī)軋制時(shí)，板坯內(nèi)部的變形組織會出現(xiàn)再結(jié)晶。在變形過程中發(fā)生的再結(jié)晶為動態(tài)再結(jié)晶，一般發(fā)生在較高的溫度、較大的變形量和相對較低的應(yīng)變速率的軋制條件下；在非變形過程發(fā)生的再結(jié)晶為靜態(tài)再結(jié)晶，一般發(fā)生在低溫、高變形速率下。板坯內(nèi)部一旦發(fā)生再結(jié)晶，其晶粒會重新形核、長大。再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)和再結(jié)晶后新的晶粒尺寸會影響后續(xù)軋制過程的進(jìn)行，也會對軋制力的設(shè)定產(chǎn)生影響。靜態(tài)再結(jié)晶示意圖如圖1所示。

當(dāng)軋制溫度高、變形速率低時(shí)，軋件變形過程中會常伴隨有動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

板坯在精軋機(jī)下的變形時(shí)間很短，很難發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，所以從一個(gè)機(jī)架軋制結(jié)束到下一個(gè)機(jī)架軋制前，那些沒來得及發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的晶粒會發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶。

當(dāng)軋制溫度低、變形速率高時(shí)，不滿足動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的條件。此時(shí)，在軋制過程中沒有再結(jié)晶發(fā)生，但在機(jī)架間會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。

再結(jié)晶后的晶粒，同樣會經(jīng)歷晶粒長大的過程，一般發(fā)生在機(jī)架間。亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶后的晶粒長大過程遵循不同的規(guī)律，并且開始長大的第一秒時(shí)間內(nèi)的長大速率又區(qū)別于其后的長大速率。

當(dāng)機(jī)架間時(shí)間間隔不足以發(fā)生完全再結(jié)晶時(shí)，板坯中的組織由再結(jié)晶晶粒和未再結(jié)晶晶粒兩部分組成。

綜上所述，在精軋階段，再結(jié)晶過程的計(jì)算流程如圖2所示。

相變模型

隨著軋件溫度降低，鋼中的奧氏體將會向自由能更低的其他相(即鐵素體、珠光體、貝氏體等)轉(zhuǎn)變。相變模型可以計(jì)算奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體的轉(zhuǎn)變開始溫度、各組成相的體積分?jǐn)?shù)以及晶粒尺寸等。

在帶鋼熱軋過程中，相變可能發(fā)生在軋制階段，也可能發(fā)生在層流冷卻階段，后者居多。相變發(fā)生在軋制階段，主要以鐵素體軋制為主；相變發(fā)生在層流冷卻階段，可能會涉及到鐵素體轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變等。從目前生產(chǎn)的鋼種以及層冷設(shè)備冷卻能力來看，以發(fā)生鐵素體相變和珠光體相變?yōu)橹鳌?/span>

◆相變平衡溫度計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)一般原理，一切自發(fā)過程的進(jìn)行方向，總是從自由能高的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)過渡。相變驅(qū)動力為兩相的自由能之差。隨著溫度的變化，當(dāng)兩相的自由能之差接近0時(shí)，處于平衡狀態(tài)，此時(shí)的溫度為相變平衡溫度，即在熱力學(xué)上達(dá)到相變開始的溫度。當(dāng)奧氏體中析出先共析鐵素體時(shí)，整個(gè)體系的自由能改變量即相變驅(qū)動力，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體反應(yīng)之后，以奧氏體中剩余碳含量的計(jì)算可得到珠光體相變溫度。

◆相變孕育期計(jì)算

當(dāng)帶鋼溫度在熱力學(xué)的相變平衡溫度以下時(shí)，能否發(fā)生相變，還取決于孕育期能否滿足要求。孕育期是指帶鋼溫度在相變平衡溫度以下時(shí)，還需要經(jīng)過一段等溫時(shí)間之后過冷奧氏體才開始轉(zhuǎn)變的這段時(shí)間。不同的過冷度(帶鋼溫度與相變平衡溫度之差)對應(yīng)不同的孕育期，一般用TTT曲線表示。

實(shí)際相變過程中往往是在連續(xù)冷卻的條件下發(fā)生相變。由于相變孕育期是一個(gè)不斷累積的過程，可以采用Scheil疊加法則處理連續(xù)冷卻相變，將連續(xù)冷卻相變處理成微小等溫相變之和，則達(dá)到了連續(xù)冷卻條件下鐵素體相變開始發(fā)生的臨界溫度。

具體的疊加過程和方法用圖3加以說明。CCT(過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變)曲線上每個(gè)非常小的溫度變化都可以近似為等溫轉(zhuǎn)變(TTT)，將每一溫度下等溫所消耗的時(shí)間除以該溫度下的孕育期，并將此值作為孕育率；當(dāng)不同溫度下的孕育率疊加為1時(shí)，孕育期結(jié)束，轉(zhuǎn)變開始，此時(shí)的溫度即為該冷卻條件下的相變開始溫度。

◆鐵素體相變計(jì)算

通過鐵素體相變平衡溫度和孕育期的計(jì)算，得到鐵素體相變實(shí)際開始溫度后，可以計(jì)算板坯在各個(gè)冷卻集管下的相關(guān)變量。具體計(jì)算流程如圖4所示。

◆珠光體相變計(jì)算

珠光體是鐵素體和滲碳體的共析混合物。對于亞共析鋼，隨著溫度的降低，先共析鐵素體體積不斷增加，奧氏體中的碳濃度不斷升高，當(dāng)奧氏體中的碳濃度和碳在奧氏體與滲碳體界面處奧氏體側(cè)的濃度相等時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變開始。最終成品的珠光體體積分?jǐn)?shù)為1–w(F)(w(F)為鐵素體體積百分?jǐn)?shù))。

力學(xué)性能模型

力學(xué)性能模型主要描述熱軋過程及軋后冷卻得到的顯微組織狀態(tài)與力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等)間的對應(yīng)關(guān)系。在組織-性能關(guān)系中，考慮的主要因素為有細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。

細(xì)晶強(qiáng)化：一方面晶界對位錯滑移有阻滯效應(yīng)；另一方面，晶界上形變要滿足協(xié)調(diào)性，需要多個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)動作，導(dǎo)致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強(qiáng)度的增大。

固溶強(qiáng)化：利用點(diǎn)缺陷對位錯運(yùn)動的阻力使金屬基體獲得強(qiáng)化。

形變強(qiáng)化：金屬在塑性變形過程中位錯密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強(qiáng)，位錯的運(yùn)動越來越困難，金屬的強(qiáng)度提高。

沉淀強(qiáng)化：通過相變得到的合金元素與基體元素的化合物引起的合金強(qiáng)化。

在描述具有多相組織的材料時(shí)，常采用復(fù)合法則。力學(xué)性能模型基于的顯微組織參數(shù)主要有化學(xué)成分、鐵素體體積分?jǐn)?shù)、鐵素體晶粒尺寸、珠光體體積分?jǐn)?shù)等。此外，還涉及鐵素體相變開始溫度、珠光體相變開始溫度、層冷冷速等參數(shù)。

結(jié)束語

與成分優(yōu)化一樣，通過組織演變模擬性能預(yù)報(bào)，對加工過程的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也是組織性能預(yù)報(bào)技術(shù)主要的應(yīng)用之一。無論是通過組織性能預(yù)報(bào)離線系統(tǒng)的“虛擬軋制”，還是通過在線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，都可以起到預(yù)防產(chǎn)品性能不合格和性能波動，提高產(chǎn)品性能指標(biāo)和性能穩(wěn)定的效果。

在熱連軋生產(chǎn)中，通常通過精確控制加熱、軋制和軋后冷卻等工序的各種工藝參數(shù)來保證軋后產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。通過熱連軋性能模擬預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬和實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐都發(fā)現(xiàn)，對于某些特定的品種鋼，粗軋壓下分配、中間坯厚度及待溫時(shí)間、帶卷堆放環(huán)節(jié)等都對力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性、韌性)有不可忽視的影響，而多數(shù)熱連軋線的控制模擬中更多關(guān)注加熱爐、精軋機(jī)、軋后冷卻等工序。因此，借助組織性能預(yù)報(bào)技術(shù)的模擬預(yù)測結(jié)果，應(yīng)該及早加強(qiáng)包括粗軋和帶卷堆放嚴(yán)格控制的“熱軋全工序精細(xì)化控制”理念。

市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，鋼鐵企業(yè)面臨著市場個(gè)性化需求和現(xiàn)場共性化生產(chǎn)要求間的矛盾。同時(shí)，熱軋工序按訂單組織生產(chǎn)和煉鋼工序按澆次(或爐次)組織冶煉生產(chǎn)之間也有沖突。柔性化軋制是指使用同一種成分的鋼制，通過調(diào)整軋制和軋后冷卻工藝，生產(chǎn)出多種不同性能等級的鋼材品種，即實(shí)現(xiàn)“一鋼多能、一線多能”的目標(biāo)。這樣可以簡化煉鋼、連鑄的操作和管理，使煉鋼、連鑄、板坯庫、加熱爐之間銜接順利，實(shí)現(xiàn)“定制化生產(chǎn)”，也有利于滿足用戶不同的使用要求，最大程度地發(fā)揮鋼材的性能潛力。同時(shí)，這也是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)降低成本、提高效益的一個(gè)重要方面。通過采用性能預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“余材充當(dāng)”，降低庫存和加快資金周轉(zhuǎn)獲得實(shí)際效益，其實(shí)也是柔性化軋制和定制化生產(chǎn)理念的一種體現(xiàn)。

文章來源——金屬世界