Шкатов, Валерий Викторович. Моделирование и оптимизация структурообразования при непрерывной горячей прокатке листовых сталей

Краткое описание

Шкатов, Валерий Викторович. Моделирование и оптимизация структурообразования при непрерывной горячей прокатке листовых сталей : диссертация ... доктора технических наук : 05.16.01.- Липецк, 1998.- 407 с.: ил. РГБ ОД, 71 99-5/199-4

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ
• , '■ ' На правах рукописи
'nh jtf' "" і №ш4ым)
(, V--" ' '
ШКАТОВ Валерий Викторович
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУР00БРА30ВАНИЯ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ ЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ
Специальность 05.16". 01 - "Металловедение и термическая обработка металлов"
я
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Липецк - 1998
- 2 - ОГЛАВЛЕНИЕ
' СтР-
ВВЕДЕНИЕ. 5
ГЛАВА 1. КИНЕТИКА РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ АУСТЕНИТА ПРИ СКО¬
РОСТНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ. МНОГОМЕРНЫЕ ДИАГРАММЫ КИНЕТИКИ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ 13
1.1. Возврат и рекристаллизация при горячей дефор¬мации металлов и сплавов 13
1.2. Исследование кинетики рекристаллизации аусте- нита при моделировании условий прокатки в
клетях чистовой группы НШС 27
. 1.3. Многомерные диаграммы кинетики рекристаллиза¬ции аустенита
1.4. Разработка обобщенного математического описа- 47
■ ния кинетики рекристаллизации аустенита угле-родистых и низколегированных сталей
1.5. Кинетика рекристаллизации аустенита при мно¬гократной деформации 68
1.6. Выводы по главе 1 71
ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРЫ АУСТЕНИТА ПРИ .
МНОГОКРАТНОЙ' ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ 80
2.1. Влияние параметров горячей деформации на раз¬
мер зерна и разнозернистость структуры аусте¬нита 80
2.2. Математическая модель формирования зеренной
структуры аустенита при многократной горячей деформации 91
2.3. Закономерности структурообразования аустенита
в многократных циклах "деформация - первичная рекристаллизация" 98
- З -
2.4. Выводы по главе 2 108
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ РАСПАДЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИ- ТА 111
3.1. Фазовые превращения при охлаждении углеродис¬тых и низколегированных сталей 111
3.2. Преобразование зеренной структуры при превра¬щении переохлажденного аустенита 118
3.3. Формирование феррито-перлитной структуры при ступенчатом охлаждении в интервале температур
превращения . 144
3.4. Выводы по главе 3 156
ГЛАВА 4. КИНЕТИКА СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ОХ- .
ЛАЖДЕНИЯ РУЛОНОВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛОС 157
4.1. Превращения феррито-перлитной структуры ста¬лей при отжиге в подкритическом интервале температур 157
4.2. Кинетика роста зерна феррита и сфероидизации пластинчатого перлита при. изотермическом от¬жиге в интервале температур смотки горячека- . таных полос в рулоны 164
4.3. Обобщенная диаграмма сфероидизации пластинча- .
того перлита в углеродистых и низколегирован¬ных сталях 208
4.4. Формирования структуры и свойств при охлажде¬нии рулонов горячекатаных полос 214
4.5. Выводы по главе 4 239
ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРНО СВО¬БОДНОГО ЦЕМЕНТИТА ПРИ ЭВТЕКТОИДНОМ РАСПАДЕ АУС- . ТЕНИТА 241
5.1. Абнормальное эвтектоидное превращение в доэв- тектоидных сталях 247
5.2. Закономерности сфероидизации перлита при эв~ тектоидном распаде аустенита 266
5.3. Выводы по главе 5
ГЛАВА 6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУР00БРА30-
ВАНИЯ ПРОКАТА, ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА НА НШС 268
6.1. Влияние режимов горячей прокатки на непрерыв¬ных широкополосовых станах на структуру и свойства стали 268
6.2. Разработка комплексной математической модели формирования структуры и механических свойств . проката на НШС 277
6.3. Структурообразование аустенита при деформации в клетях НШС и оптимизация режима обжатий по структурному признаку 291
6.4. Влияние режима охлаждения полосы на отводящем рольганге станаwaструктуру и механические свойства горячекатаных полос 310
6.5. Влияние массы и условий охлаждения рулонов на структуру и механические свойства горячеката- ,
ных полос 322
6.6. Автоматизированное проектирование технологии горячей прокатки на НШС 338
6.7. Выводы по главе 6 370
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 372
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 375
ПРИЛОЖЕНИЯ. ; 400
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современной тенденцией на рынке листо¬вых сталей является расширение их номенклатуры при одновременном ужесточении требований к качеству (прежде всего по структуре и механическим свойствам). Горячекатаная листовая сталь производит¬ся на непрерывных широкополосных станах (НШС) - высокопроизводи¬тельных агрегатах непрерывного действия, для контроля и управле¬ния технологическим процессом которых в настоящее время широко используется вычислительная техника. Масса прокатываемых на оте¬чественных НШС слябов достигает 36 т, производительность - 6,5 млн.т в год. Удовлетворить в полном объеме требования к структуре и свойствам производимой на НШС листовой стали при минимальных дополнительных затратах, а следовательно, повысить ее конкурен¬тоспособность, возможно путем организации контроля и управления формированием структуры и свойств стали в технологической линии стана. Оперативно реагировать на запросы рынка, существенно сок¬ратив при этом сроки и затраты на освоение новых видов металлоп¬родукции, позволит автоматизированное проектирование технологи¬ческих режимов производства проката. Не вызывает сомнений, что кардинальное решение проблемы повышения качества и конкурентос-пособности лежит на пути создания гибкого автоматизированного производства горячекатаных листовых сталей, необходимыми условия¬ми реализации которого являются управление структурой проката и автоматизированное проектирование режимов производства.
Происходящие по мере движения металла в линии НШС структур¬ные и фазовые превращения сложным образом зависят от деформаци¬онно-скоростных и температурных параметров прокатки в клетях ста¬на, режимов последующего охлаждения полосы на отводящем рольганге и в рулоне. Учитывая, что механические свойства горячекатаной стали регламентируются обычно 3-5 показателями, а режим деформа¬ции и охлаждения проката задается как минимум 10-15 независимыми переменными, установить достоверную связь между свойствами и ре¬жимом посредством многомерной регрессионной модели в условиях ре¬ального производства не представляется возможным. Поэтому как уп¬равление структурой, так и проектирование оптимальных технологий должно базироваться на математических моделях структурных и фазо¬вых превращений стали в линии стана.' Создание таких моделей пот¬ребовало решения ряда металловедеских проблем, связанных с уста¬новлением закономерностей структурных превращений проката при многократной горячек, деформации с большими скоростями и секундны¬ми интервалами между обжатиями, последующем ступенчатом охлажде¬нии при температурах ^а-превращения, длительном отжиге в подкри- тическом интервале температур, а также разработкой аппарата коли¬чественного описания всех этих превращений. Учитывая возможность разделения процесса структурообразования проката на физически не¬зависимые стадии (рекристаллизации аустенита, распада переохлаж¬денного аустенита, превращений в пощкритическом интервале темпе¬ратур), константы моделей можно получить из независимого лабора-торного эксперимента.
Цель работы. Установление закономерностей формирования структуры углеродистых и низколегированных сталей в условиях, мо¬делирующих деформационно-скоростные и температурные параметры прокатки и охлаждения полос на НШС; изучение влияния химического состава, параметров скоростной горячей деформации, режимов регу¬лируемого охлаждения на кинетику структурных и фазовых превраще¬ний проката. Разработка на этой основе математических моделей формирования структуры при многократной деформации в клетях ста-
на, распаде переохлажденного аустенита на отводящем рольганге, превращений феррито-перлитной структуры в рулоне и создание комп-лексной математической модели формирования структуры и механичес¬ких свойств горячекатаных полос из углеродистых и низколегирован¬ных сталей на НШС. Конечной целью работы является разработка тео-ретических основ, принципов и алгоритмов автоматизированного уп-равления структурой и свойствами листового проката, проектирова¬ния технологических режимов производства новых марок сталей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты экспериментальных исследований кинетики рек-ристаллизации и преобразования зеренной структуры аустенита угле-родистых и низколегированных сталей при скоростной многократной деформации.
2. Закономерности формирования феррито-перлитной структуры при распаде переохлажденного аустенита в зависимости от структуры аустенита, режима охлаждения и химического состава стали, превра-щений феррито-перлитной структуры при последующем отжиге в подк- ритическом интервале температур.
3. Механизм образования структурно-свободного цементита при распаде аустенита, математическая модель прогноза условий его ре-ализации.
4. Математические модели кинетики рекристаллизации и структу-ро образования аустенита при прокатке в клетях НШС, формирования феррито-перлитной структуры при распаде переохлажденного аустени¬та на отводящем рольганге стана, структурных превращений при ох¬лаждении рулонов горячекатаных полос.
5. Принципы и алгоритмы управления структурой и свойствами проката, проектирования технологических режимов производства но¬вых марок сталей. .
Научная новизна. В работе получены новые научные результаты:
1. Построены многомерные диаграммы кинетики рекристаллизации аустенита в виде границ областей структурных состояний аустенита (наклепанное, частично рекристаллизованное, рекристаллизованное) в пространстве определяющих процесс факторов. На основе получен¬ных диаграмм разработано единое для углеродистых и низколегиро¬ванных сталей математическое описание кинетики рекристаллизации аустенита при многократной горячей деформации, позволяющее учиты¬вать наряду с параметрами деформации и размером зерна влияние со¬держания химических элементов в стали.
2. Экспериментально выявлены закономерности преобразования зеренной структуры аустенита при первичной рекристаллизации. По-казано, что независимо от причины возникновения разнозернистости (незавершенная первичная или вторичная рекристаллизация) деформа¬ция с последующей первичной рекристаллизацией формирует практи¬чески однородную структуру. Разработана математическая модель структурообразования аустенита (прогнозируемые характеристики - размер зерна и разнозернистость) и сформулированы принципы форми-рования мелкого однородного зерна при многократной деформации.
3. Установлены и количественно описаны закономерности обра-зования феррито-перлитной структуры при распаде переохлажденного аустенита в зависимости от параметров зеренной структуры и накле¬па аустенита, режима охлаждения при ^а-превращении, химического состава стали. Разработана математическая модель формирования структуры углеродистых и низколегированных сталей при ступенчатом режиме охлаждения в интервале температур распада аустенита.
4. Построены многомерные диаграммы сфероидизации пластинча-того цементита перлита в углеродистых и низколегированных сталях при отжиге в подкритическом диапазоне температур. Установлено, что кинетика сфероидизации цементита в изотермических условиях
подчиняется уравнению Аврами с показателем степени при времени равным единице.
5. Показано, что влияние химического состава и предшествую¬щих сфероидизации режимов обработки горячекатаной стали на кине¬тику сфероидизации цементитных пластин перлита может быть одноз¬
начно учтено через величину межпластиночного расстояния в перли¬те. Рассчитана обобщенная диаграмма сфероидизации в координатах
"температура" - "время" - "межпластиночное расстояние в перлите" и разработано единое для углеродистых и низколегированных сталей математическое описание кинетики сфероидизации пластинчатого пер¬лита.
6. Установлен механизм образования структурно свободного це-ментита в ходе аустенито-перлитного превращения. Разработана ма-тематическая модель, позволяющая прогнозировать кинетику образо¬вания структурно свободного цементита в зависимости от условий охлаждения в интервале температур эвтектоидного распада аустени¬та.
7. Развиты теоретические и технологические основы методоло¬гии разработки и оптимизации режимов производства горячекатаных листовых сталей, базирующейся на компьютерном моделировании структурообразования проката. Разработаны принципы и программные средства для управления структурой при деформации раската в кле¬тях стана, охлаждении горячекатаных полос на отводящем рольганге и в рулоне, автоматизированного проектирования технологических режимов производства проката на НШС.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Ра¬бота выполнялась в рамках пункта 3.1. Новые металлургические тех¬нологии "Перечня межвузовских научно-технических и инновационных программ"; в соответствии с планами научно-исследовательских ра¬бот отраслевой лаборатории МЧМ СССР при ЛипПИ и Научно-производс¬твенного института АО "Новолипецкий металлургический комбинат".
Полученные в работе модели структурных и фазовых превращений, алгоритмы прогнозирования и управления структурой, проектирования технологических режимов производства проката, а также программные средства для их реализации дают возможность повысить надежность выходного контроля структуры и механических свойств горячекатаных полосовых сталей, оптимизировать действующие технологические ре¬жимы, разрабатывать технологию производства новых видов листового проката при минимальных затратах на эксперименты.
Разработаны способы горячей прокатки и охлаждения полос, на которые получены три авторских свидетельства на изобретения. Ре¬жимы обжатий в чистовой группе клетей при прокатке полос из мало¬углеродистых сталей (а. с. № 902375) внесены в технологическую карту на прокатку металла на НШС 2000 АО HJ1MK.
Опытно-промышленная проверка комплексной математической мо¬дели формирования структуры и свойств горячекатаных сталей на НШС 2000 АО НЛМК показала, что ошибка прогноза размера зерна феррита и характеристик механических свойств не превышает 8%. В границах области применения модели находится не менее 90% от общего объема производства стали на стане 2000.
Совокупность разработанных моделей и алгоритмов составила основу математического обеспечения автоматизированных систем прогнозирования структуры и механических свойств проката, проек¬тирования технологических режимов горячей прокатки. Система прог¬нозирования интегрирована в АСУ ТП стана 2000 и в настоящее время находится в стадии внедрения в опытно-промышленную эксплуатацию. Автоматизированная система проектирования технологии горячей про¬катки внедрена на АО НЛМК и использована в системе сертифи¬кации комбината на соответствие ISO 9002 для описания и идентификации схем и точек контроля затрат и потребительских свойств металлопродукции.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных науч.-техн. конференциях: "Современные проблемы по¬вышения качества металла" (Донецк, 1978); "Новое в металловедении и термической обработке металлов" (Тольятти, 1979); "Экономия ме¬таллов и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки" (Пенза, .1984); "Прогрессивные тех¬нологические процессы в производстве холоднокатаного листа" (Ли¬пецк, 1985); "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки" (Днепропетровск, 1988); "Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработки" (Хмель¬ницкий, 1988); "Новые технологические процессы прокатки как средство интенсификации производства и повышения качества продук¬ции" (Челябинск, 1989); "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей ма¬шин и инструментов" (Махачкала, 1989), а также на Всесоюзном на¬уч. -техн. симпозиуме "Термическая и химико-термическая обработка в машиностроении" (Саратов, 1978)=; Международной науч.-техн. конф. "Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1996); Науч.-техн. конф. "Теория и технология процес¬сов пластической деформации -96" (Москва, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных ра¬бот, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
6 глав, общих выводов, списка литературы из 230 наименований и приложений. Работа изложена на 399 страницах машинописного текста, включая 182 рисунка и 35 таблиц.
Работа выполнена в Липецком государственном техническом уни-
- 12 -
верситете и на Новолипецком металлургическом комбинате.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Получены многомерные диаграммы кинетики рекристаллизации аустенита углеродистых и низколегированных сталей после горячей деформации, аналитическим описанием которых являются уравнения границ структурных состояний аустенита в пространстве определяю¬щих процесс параметров.
2. Количественно оценено влияние скорости деформации, крат-ности деформации, химического состава сталей на положение границ структурных состояний аустенита диаграмм рекристаллизации. Разра-ботано единое для углеродистых и низколегированных сталей матема-тическое описание кинетики рекристаллизации аустенита при многок-ратной деформации в клетях НШС.
3. Разработана математическая модель прогноза размера зерна и разнозернистости аустенита в многократных циклах "деформация - рекристаллизация". Предложены принципы управления величиной зерна и разнозернистостью структуры аустенита при деформации в клетях НШС.
4. Экспериментально выявлены и количественно описаны законо-мерности формирования феррито-перлитной структуры при распаде пе-реохлажденного аустенита в зависимости от размера зерна и наклепа аустенита, скорости охлаждения при у-чх-превращении и химического состава стали.
5. Установлены закономерности влияния температурного интер-вала ускоренного охлаждения при 'у-чх-превращении на зерно феррита и разработана математическая модель формирования феррито-перлит- ной структуры при ступенчатом режиме охлаждении полосовой стали на отводящем рольганге НШС.
6. Количественно описана кинетика роста зерна феррита и построены диаграммы сфероидизации пластинчатого перлита при изо- - 373 -
термическом отжиге горячекатаных сталей в диапазоне температур смотки полос в рулоны (450-700°С). Рассчитана обобщенная диаграм¬ма сфероидизации цементитных пластин перлита в виде контуров рав¬ной степени сфероидизации в координатах "температура" - "время" - "межпластиночное расстояние в перлите", на основе которой разра¬ботано единое для углеродистых и низколегированных сталей матема¬тическое описание кинетики сфероидизации перлита при охлаждении рулонов горячекатаных полос.
7. Установлен механизм образования структурно свободного це-ментита в ходе аустенито-перлитного превращения. Разработана ма-тематическая модель, позволяющая прогнозировать кинетику образо¬вания структурно свободного цементита в зависимости от условий охлаждения в интервале температур эвтектоидного распада аустени¬та.
8. Разработана комплексная математическая модель формирова¬ния структуры и механических свойств проката на НШС. В границах области применения модели находится не менее 90% от общего объема производства горячекатаных сталей на стане 2000 АО НЛМК. На базе модели разработана и интегрирована в АСУ ТП стана 2000 автомати¬зированная система прогноза структуры и свойств горячекатаных по¬лосовых сталей по фактическим параметрам их прокатки и охлажде¬ния. '
9. Расчетами на модели выполнен анализ структурообразования сталей в линии НШС, проведена количественная оценка влияния пара¬метров деформации и охлаждения на конечную структуру и свойства проката, их равномерность по длине полос. Предложены принципы и алгоритмы управления структурой при деформации раската в клетях стана, охлаждения горячекатаных полос на отводящем рольганге и в рулоне.
10. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение системы
- 374 -
автоматизированного проектирования технологии горячей прокатки на НШС 2000. САПР ТГП решает задачу параметрической оптимизации, ис¬пользуя для описания функциональных связей математические модели формирования структуры и механических свойств горячекатаной ста¬ли, деформационно-скоростные и температурные модели прокатки в линии НШС 2000. Алгоритмы поиска проектного решения учитывают технические возможности стана, колебания химического состава ста¬ли в пределах марки, погрешности моделей и обеспечивают высокую надежность расчетных технологических режимов. САПР ТГП внедрена на АО НЛМК в системе сертификации продукции комбината.