專利名稱：軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軋鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法。
背景技術(shù)：
實現(xiàn)組織和性能的全長無損在線實時連續(xù)檢測是人類長期的夢想，通過組織性能預(yù)測技術(shù)的開發(fā)，建立實時監(jiān)測系統(tǒng)，人們的夢想可以變成現(xiàn)實。建立對軋制過程進行檢測的軟儀表，將可以大幅減少實驗量，縮短開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品的交貨期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。鋼鐵工業(yè)設(shè)備和工藝不斷進步，特別是計算機、數(shù)據(jù)庫AI、信息技術(shù)、自動化技術(shù)的飛速進步，人們可以獲得大量在線信息和強有力的信息處理手段。這些為鋼鐵材料組織性能在線預(yù)測與控制提供了良好的應(yīng)用環(huán)境。
國內(nèi)外一直在研究探索軋材組織—性能在線預(yù)報，據(jù)奧鋼聯(lián)林茨鋼廠最近報道，一種新型熱軋帶鋼在線性能預(yù)報和控制系統(tǒng)在該廠七機架熱連軋機上已投入運行近二年，應(yīng)用在低碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強鋼生產(chǎn)上，質(zhì)量控制效果和經(jīng)濟效益良好。由英國Columbia大學(xué)開發(fā)的、適用性很廣的傳統(tǒng)熱軋組織—性能預(yù)測模型，也通過在北美洲十四個鋼廠的充分測試，它已能預(yù)報八個鋼種的控軋過程和最終微觀組織以及力學(xué)性能，該模型能應(yīng)用于各種配置軋機并且有用于薄板坯軋制的潛力。
但現(xiàn)有的這幾套組織性能預(yù)測系統(tǒng)僅適用于熱軋薄帶鋼的生產(chǎn)過程，對于中厚板軋制過程，由于檢測手段、數(shù)據(jù)通訊、模型精度、坯料厚度等造成的組織性能不均勻性等諸多因素的影響，使國內(nèi)外在這一領(lǐng)域見諸報道的研究和應(yīng)用成果很少，這在一定程度上限制了TMCP技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法。本發(fā)明提出一種以物理冶金機理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、信息技術(shù)的綜合性在線性能預(yù)測方法，建立顯微組織、成品尺寸、工藝成分與力學(xué)性能之間的對應(yīng)關(guān)系模型，實現(xiàn)熱軋過程鋼板力學(xué)性能的在線實時檢測，為優(yōu)化工藝規(guī)程和化學(xué)成分，減少檢測樣品數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，提高鋼材性能質(zhì)量提供依據(jù)。
本發(fā)明在數(shù)據(jù)調(diào)用、處理等方面的創(chuàng)新之處表現(xiàn)在，模型計算所需工藝參數(shù)最大限度的取之于在線自動化系統(tǒng)實際檢測和過程機經(jīng)過多次反饋、自學(xué)習(xí)后得到的高精度的過程參數(shù)，此類數(shù)據(jù)具有足夠的可靠性，保證了模型最終計算結(jié)果的精度。同時，由于計算模型所需參數(shù)直接來自二級過程控制系統(tǒng)，具有精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，可充分達到和滿足在線實時監(jiān)測的要求，相比較國外其它同類系統(tǒng)在這些方面也具有一定的優(yōu)越性。
從過程控制計算機數(shù)據(jù)庫實時提取與爐號對應(yīng)的溫度、成分、軋制、冷卻等重要參數(shù)作為輸入值提供給模型。利用相變模塊，計算得到最終產(chǎn)品中各相分數(shù)、鐵素體晶粒尺寸。利用力學(xué)性能與組織的對應(yīng)關(guān)系模型，通過對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行模擬，預(yù)測產(chǎn)品最終力學(xué)性能，實現(xiàn)本發(fā)明方法的在線預(yù)測和控制。
本方法的在線應(yīng)用要求板材生產(chǎn)線具有較高的自動化程度。過程控制系統(tǒng)的硬件包括軋機過程和控冷過程計算機服務(wù)器2臺，鏡像磁盤陣列3*40GB，人機界面服務(wù)器一臺；過程計算機和人機界面服務(wù)器與基礎(chǔ)自動化級PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)相連；同時連接有若干終端，用于坯料入爐、出爐、軋制、控冷、組織性能預(yù)測及生產(chǎn)報表查詢等過程的監(jiān)視和控制。網(wǎng)絡(luò)配置是實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)目標的根本保證。系統(tǒng)配置兩臺SIEMENS ESM交換機作為通訊主干網(wǎng)，為了保證通訊速度，設(shè)置所有服務(wù)器及PLC在主干網(wǎng)上，HMI的所有Client通過HUB連接。網(wǎng)絡(luò)布置如圖2所示。由于本發(fā)明方法涉及到大量的數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù)、臨時計算數(shù)據(jù)及永久保留數(shù)據(jù)，因此被嵌入生產(chǎn)報表查詢終端服務(wù)器(Report Serve)上，Report服務(wù)器通過OPC與控軋及控冷過程機實現(xiàn)通訊，Report服務(wù)器及過程機通過SIMATICNET同控制軋機的PLC SIMADYN D及控冷PLC S7-400實現(xiàn)通訊。
本發(fā)明方法的實現(xiàn)采用Win2K/XP操作系統(tǒng)環(huán)境，硬件環(huán)境需求CPU主頻≥500MHz，內(nèi)存容量≥128M，硬盤空間≥500M，軟件采用VB和C++語言將程序分成不同的模塊，模塊之間設(shè)立數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)范，便于程序維護和二次開發(fā)。
本發(fā)明方法包括以下步驟(1)選擇、確定模型參數(shù)；采用熱模擬和熱軋實驗，研究不同變形及冷卻條件下的相變動力學(xué)及組織性能演變規(guī)律，選擇適合的對比組，將數(shù)據(jù)帶入各公式中，回歸或擬合出待定系數(shù)的數(shù)值。
(2)建立與過程機的實時通訊，從過程機數(shù)據(jù)庫中在線調(diào)用工藝參數(shù)及合金成分動態(tài)數(shù)據(jù)；聯(lián)機調(diào)用過程機數(shù)據(jù)庫提供軋件的在線信息，包括合金成分、工藝及設(shè)備參數(shù)，作為組織性能預(yù)測系統(tǒng)的輸入變量。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理包括以下部分原始數(shù)據(jù)(PDI)錄入、原始數(shù)據(jù)確認、入爐確認、出爐確認、軋機工藝模型計算、控冷工藝模型計算、數(shù)據(jù)庫存儲、報表生成和組織性能預(yù)測模型計算。其中前四項工作在人機界面的服務(wù)器上實現(xiàn)，人機界面(HMI)服務(wù)器通過OPC與控軋及控冷過程機實現(xiàn)通訊，HMI服務(wù)器及過程機通過SIMATICNET同控制軋機的PLC SIMADYND及控冷PLC S7-400實現(xiàn)通訊。過程機及組織性能預(yù)測計算機通過ADO操作數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。
本發(fā)明根據(jù)軋件PDI信息，從控軋過程機數(shù)據(jù)庫中提取由基礎(chǔ)自動化得到的壓下規(guī)程、軋制速度及軋制力等實際檢測參數(shù)和過程自動化計算的道次溫度(距表面3/4厚度)、軋制及間歇時間及加熱參數(shù)、化學(xué)成分等，同樣從控冷過程機中提取開冷、終冷溫度、實際冷卻速度、冷卻時間等相關(guān)數(shù)據(jù)，將以上數(shù)據(jù)作為模型初始輸入?yún)?shù)進行計算。
(3)預(yù)測鐵素體晶粒尺寸和室溫相組成；①計算單位體積奧氏體等效晶界表面積SγSγ=A(-ln(1-p))2+12/dγ]]>·π∫01/(1-p)∫0(1-p)/1-(1-p)2x2[1+(1-p)4×2+y2/(1-p)41-(1-p)2×2-y2/(1-p)2].---(1)]]>dγ為奧氏體晶粒尺寸，A為由實驗確定的常數(shù)，描述變形帶和壓下率的關(guān)系。
②計算α相轉(zhuǎn)變體積分數(shù)XF對于先共析相變，在溫度T1時形成的α晶核，在溫度Tn時的長徑為R2(Tn,Tl)=Σi=ln9αF2(Tl)tj---(2)]]>式中，αF2(T1)和ti分別為在Ti溫度時的長大速率和停留時間。橢球形鐵素體的長大速率常數(shù)αF為αF=K3DC1/2(XCγ/α-XCγ)(XCγ/α.·-XCα/γ)1/2(XCγ-XCα/γ)1/2---(3)]]>式中，K3為常數(shù)。XCα/γ，xCγ/α分別為C在γ/α相界處α和γ側(cè)的平衡摩爾分數(shù)，采用超組元方法對相平衡過程進行熱力學(xué)分析而得到。xCγ為C在原奧氏體中的平均摩爾分數(shù)。
在速率為Q(T1)的冷卻過程中，在溫度TK時形成的α晶核總數(shù)為N(TK)=-IF(TK)Q(TK)dT---(4)]]>根據(jù)經(jīng)典形核理論，鐵素體的形核速率可表示為IF=K1DC(kT)1/2×exp[-K2kTΔGF2]---(5)]]>式中，K1和K2為常數(shù)，ΔGF為鐵素體相變驅(qū)動力，采用超組元方法和KRC模型通過熱力學(xué)計算得到；DC為C在奧氏體中的擴散系數(shù)，可采用Kaufman擴散公式計算。
根據(jù)Cahn的“被延伸面積”計算等溫相變的方法，在T1到Tk溫度期間內(nèi)形核的α晶粒在溫度Tn時的擴展面積分數(shù)為YFe(Tn)=Σt=1kN(Ti)π[R(Tn,Ti)2-y2]---(6)]]>在溫度Tn時實際的鐵素體體積分數(shù)為XF(Tn)=XCγ/α-XCγXCγ/α-XCα/γ[1-exp(-2Sγ·XCγ/α-XCα/γXCγ/α-XCγ∫0R(Tn,T1)[1-exp(-YFe)]dy)]---(7)]]>③計算γ→α相變連續(xù)冷卻過程中相變機制轉(zhuǎn)變溫度TNG按照Cahn的相變動力學(xué)理論，在γ→α相變前期，相變以“成核長大”機制進行，在相變后期，符合“位置飽和”機制。連續(xù)冷卻過程中相變機制轉(zhuǎn)變溫度TNG的確定是精確計算鐵素體轉(zhuǎn)變分數(shù)和晶粒大小的關(guān)鍵。
α晶粒在冷卻過程中連續(xù)長大，因此在Tj時形核的晶粒在Tk時被α晶粒所占據(jù)的等效晶界面積為Sα(Tj,Tk)=9πΔTNα(Tj)(Σjkα2(T1)Q(Tj))---(8)]]>由于奧氏體的分解，等效晶界面積隨著溫度的下降而減少，因此在溫度Tj單位體積形核總數(shù)可表示為Nα(Tj)=(Sγ-Σ2j-1Sα(T1,Tj-1))·(IF(Tj)Q(Tj)·ΔT)---(9)]]>當滿足方程(10)時，即可求得位置飽和溫度TNGΣ1mSα(Tj,Tm)=Sγ;TNG=Tm---(10)]]>④計算γ→α相變后α晶粒平均直徑dFdF=(6XF(Tn)/π∫0TNG{IF(Tk)Sγ[1-XF(Tk)]}dT)1/3---(11)]]>⑤計算珠光體體積分數(shù)Xp考慮在γ晶界上α晶粒的相互碰撞效應(yīng)，同樣利用Cahn被延伸面積的方法，可得到半球形珠光體晶粒的體積分數(shù)XP分別為
XP(Tn)=(1-XF)[1-exp(-Sα/γ∫0r(Tn,T1)YPdy)]---(12)]]>Sα/γ=4πSγIFαFt3/2(1-XF)2/3·∫01[(1-x2)3/2---(12a)]]>·exp{-9/2·πIFαF2t2(1-2x2+x4)/2}]dx]]>YP=1-exp(-YPe);---(12b)]]>YPe(Tn)=Σi=1kN(Ti)π[r(Tn,T1)2-y2]---(12c)]]>r2(Tn,T1)=Σt=1nGP2(Ti)t1---(12d)]]>N(Tk)=-IP(Tk)Q(Tk)dT---(12e)]]>式中，珠光體在α/γ界面形核，Sα/γ為單位體積試樣的α/γ界面面積。IP和GP分別為P相的形核及長大速率。
IP=K4DC(kT)1/2×exp[-K5kTΔGP2]---(13)]]>式中，K4和K5為實驗確定的常數(shù)。珠光體的長大速率GP采用Hillert的公式計算。
⑥計算貝氏體體積分數(shù)XB對于晶界形核，貝氏體相變動力學(xué)可給出為XB(Tn)=(1-XF-XP)[1-exp(-SP/γ∫0L(Tn,Ti)[1-exp(-YBe)dz)]---(14)]]>YBe=Σi=1k{22N(Ti)h(TN,Ti)ρc1/2[L(Tn,Ti)-z]1/2}---(14a)]]>N(Tk)=-IB(Tk)Q(Tk)dT---(14b)]]>h(Tn,T1)=Σi=1n-GBh(T1)Q(Ti)dT---(14c)]]>L(Tn,T1)=Σi=1n-GBw(T1)Q(T1)dT---(14d)]]>GBw=RTDC(XCγ/α-XCγ)8σα/γVα(XCγ-XCα/γ)(1-XCγ/α)ln[(XCγ/XCγ/α)(XCγ/α-XCα/γ)]---(14e)]]>GBh=0.5×10-6DCXCγ/α-XCγXCγ/α-XCα/γ---(14f)]]>其中，GBw為板條狀析出相的伸長動力學(xué)速率，GBh為板條狀析出相的加厚動力學(xué)速率，ρc為貝氏體板條端部的曲率，根據(jù)臨界晶核模型推導(dǎo)計算。Sγ/P為貝氏體的有效晶界面積，利用Cahn被延伸面積的方法計算。
IB=K1DC(kT)1/2×exp[-K6kTΔGF2]---(15)]]>式中，K6為常數(shù)。
(4)預(yù)測成品板材的力學(xué)性能；描述鋼材力學(xué)性能的指標主要有強度，包括屈服強度σs和抗拉強度σb，以及韌性，即延伸率δ。熱軋及軋后加速冷卻過程，是通過各種冶金學(xué)因素而影響熱軋板帶性能狀況的。
鋼材的強韌化機制主要有固溶強化、析出強化、相變強化、位錯強化和細晶強化等，因此影響室溫力學(xué)性能的組織參數(shù)主要包括溶質(zhì)元素在鋼中固溶的質(zhì)量百分數(shù)、碳氮化物析出相體積分數(shù)和質(zhì)點尺寸、室溫下各組成相體積分數(shù)、平均位錯密度和鐵素體晶粒尺寸等。
①計算鋼材屈服強度屈服強度可由以下公式表示σs=σ0+s·dF-1/2+t---(16)]]>式中，(s·dF-1/2+t)表示細化晶粒對屈服強度的貢獻，dF為鐵素體晶粒尺寸，s、t為常數(shù)。第一項σ0主要表示包括位錯強化、固溶強化、析出強化和相變強化等方式的復(fù)合強化效果?？捎晒?16a)來表示；σ0＝σconst+σdisl+σint+σsub+σppt+ΔσY(16a)式中，σconst為常數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)回歸分析可得到。ΔσY為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由下式計算ΔσY＝Y(jié)1·exp[-(hFR-Y2)/Y3](16b)其中，Y1(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
σdisl、σppt分別為位錯強化和析出強化對屈服強度的貢獻；σint、σsub分別為間隙原子和置換原子所引起的固溶強化效果。位錯強化對屈服強度的貢獻σdisl可由下式計算σdisl＝μbρ1/2(16c)式中，μ為鐵素體的切變彈性模量； b為柏氏矢量；ρ為平均位錯密度，可通過與變形抗力的關(guān)系模型確定。固溶強化是由于固溶體中的溶質(zhì)與運動位錯之間相互作用而引起的流變應(yīng)力的增加，可以直接采用線性迭加法計算總的固溶強化效果σint+σsub=ΣkMi[Mi]=4570[C]+3750[N]+37[Mn]]]>+83[Si]+470[S]+470[P]+38[Cu]+11[Mo]---(16d)]]>+2.9[V]+80.5[Ti]-30[Cr]]]>式中，[Mi]為處于固溶態(tài)的各元素的質(zhì)量百分數(shù)，它們與鋼材的化學(xué)成分并不相同。對于一般的微合金鋼和碳素鋼來說，可以認為，全部的Si、Ni、P和Cu均處于固溶態(tài)；而碳含量較低，特別是扣除了強碳氮化物形成元素所固定的碳后，大部分的Mn和Cr也處于固溶態(tài)；對于C、N和V等元素的含量，則需要通過計算來確定。
析出強化是由于析出相與運動位錯之間將產(chǎn)生相互作用，從而導(dǎo)致屈服強度和流變應(yīng)力的提高。在溶質(zhì)濃度較低時，固溶強化與沉淀強化作用完全具有簡單的線性相加性。采用Orowan機制計算的析出強化效果σppt可表示為σppt=6μbfp1/21.18π3/2kpdp×ln(πkddp4b)---(16e)]]>式中，fp和dp分別為析出相的體積分數(shù)和平均直徑；kp和kd分別為比例常數(shù)和析出相尺寸的修正參數(shù)。
②計算鋼材抗拉強度抗拉強度σb可按照Tomota和Tamura的分配應(yīng)變方法來計算σb=p{XF(HF+qdF-1/2)+XPHP+XBHB}+ΔσT+r---(17)]]>式中，p、q和r為常數(shù)；XF，XP和XB分別為鐵素體、珠光體和貝氏體的體積分數(shù)；HF、HP和HB分別為鐵素體、珠光體和貝氏體的顯微硬度，其中HP對Nb鋼取為222，對普碳鋼取為188，而HF和HB與相變溫度有關(guān)HF＝458-0.357Tmf+50[Si](17a)HB＝669-0.588Tmb+50[Si](17b)式中，Tmf和Tmb分別為鐵素體和貝氏體相變溫度，采用相變動力學(xué)計算結(jié)果。ΔσT為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由下式計算ΔσT＝T1·exp[-(hFR-T2)/T3(17c)其中，Ti(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
③計算鋼材延伸率晶粒細化是不僅是鋼種最主要的強化方式之一，而且能夠提高鋼材的韌性。對于低碳鋼和高強度低合金鋼，延伸率δ可表示為δ=u+vHFXF+wHPXP+zHBXB+mdF-1/2+ΔδE---(18)]]>式中，u、v、w、z、m均為常數(shù)；ΔδE為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由下式計算ΔδE＝E1+E2·hFR+E3·(hFR)2(18a)其中，Ei(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
本發(fā)明的三個明顯效果是能夠以很高的精度，穩(wěn)定、快速地預(yù)測成品板材的力學(xué)性能，實現(xiàn)軋制過程力學(xué)性能的在線監(jiān)測，具體的技術(shù)指標為碳素鋼強度相對誤差基本在±30MPa以內(nèi)，Nb-V鋼相對誤差基本在8％以內(nèi)；有助于軋制、冷卻工藝的在線優(yōu)化和控制，改善鋼材性能質(zhì)量，生產(chǎn)出性能均一、穩(wěn)定的熱軋產(chǎn)品；產(chǎn)品室溫力學(xué)性能的高精度預(yù)報，對減少檢測樣品，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率具有重要意義。本發(fā)明適用鋼種為低碳鋼或微合金鋼，適用過程為中厚板軋機或熱連軋過程的粗軋機和精軋機。


圖1為本發(fā)明方法流程圖；圖2為計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布置圖；圖3為數(shù)據(jù)流動過程示意圖；圖4為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)信息圖；圖5為當冷卻速率為4℃/s時精軋開軋溫度對力學(xué)性能的影響示意圖，其中圖5a中成品厚度為14mm，圖5b為中成品厚度為22mm；圖6為當精軋開軋溫度為850℃時冷卻速率對力學(xué)性能的影響示意圖，其中圖6a中成品厚度為18mm，圖5b為中成品厚度為22mm；圖7為碳素鋼力學(xué)性能的計算值與實測值的比較示意圖，其中圖7a為屈服強度，圖7b為抗拉強度；圖8為Nb-V鋼性能預(yù)測值和實測值的比較示意圖，其中圖8a為屈服強度，圖8b為抗拉強度。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述(1)選擇、確定模型參數(shù)；以C-Mn鋼(Q345B)為例，采用熱模擬和熱軋實驗，研究不同變形及冷卻條件下的相變動力學(xué)及組織性能演變規(guī)律，選擇適合的對比組，將數(shù)據(jù)帶入各公式中，通過回歸或擬合方法確定出待定系數(shù)的數(shù)值。表1所示出了本實例中模型參數(shù)的確定結(jié)果。

表1(2)建立與過程機的實時通訊，從過程機數(shù)據(jù)庫中在線調(diào)用工藝參數(shù)及合金成分動態(tài)數(shù)據(jù)；選擇PDI號為28-1p33A_2的軋件進行計算。首先從過程機數(shù)據(jù)可調(diào)用鋼種合金成分、坯料尺寸、控軋及控冷工藝等數(shù)據(jù)作為輸入信息，如圖4所示。該鋼種化學(xué)成分(ms-％)為0.18C-0.39Si-1.39Mn-0.013P-0.009S；壓下規(guī)程為220.00→202.14→187.97→175.08→162.43→139.82→120.41→100.04→83.33→67.3→45.3→37.9→33.0→28.1→23.8→20.9→18.0(mm)。由過程自動化計算的道次溫度(距表面3/4厚度)分別為(單位℃)1120；1089；1063；1040；1020；1010；995；970；946；938；920；913；889；862；848；836。各道次軋制間歇時間為5s。
(3)預(yù)測鐵素體晶粒尺寸和室溫相組成；根據(jù)發(fā)明內(nèi)容部分步驟(3)中給出的①～⑥步中公式進行計算，得到以下數(shù)值奧氏體晶粒尺寸dγ和未再結(jié)晶區(qū)累積壓下量p通過再結(jié)晶模型可求得，本實例中分別為25μm和0.2。計算得到相變前單位體積奧氏體等效晶界表面積Sγ為7.34×104m-1。
采用熱平衡分析和孕育期疊加法則可計算本實例中鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度為752℃，珠光體為693℃，生成相組成為F+P。鐵素體相變機制轉(zhuǎn)變溫度為744℃。鐵素體體積分數(shù)為70.9％，珠光體分數(shù)為29.1％，鐵素體晶粒尺寸為11.52μm。
(4)預(yù)測成品板材的力學(xué)性能；根據(jù)組織和性能的對應(yīng)關(guān)系模型，按照發(fā)明內(nèi)容部分步驟(4)中①～③的公式可得到本方法實例中板材的屈服強度為383MPa，抗拉強度為531MPa，延伸率為23％。其實際力學(xué)性能測試結(jié)果分別390MPa、545MPa和22％。
將所有組織和性能計算結(jié)果自動存入以PDI號為文件名的文本文件中，以被查詢分析。
對本發(fā)明方法的精確性驗證如下(1)根據(jù)中厚板TMCP工業(yè)軋制條件，計算不同工藝參數(shù)和合金成分對Q235中板室溫力學(xué)性能影響。探索控軋控冷工藝對中板組織和性能的影響，為確定新的軋制規(guī)程和冷卻制度提供指導(dǎo)。采用如表2所示中厚板控軋控冷工藝參數(shù)進行計算。

表2
中厚板TMCP技術(shù)的主要控制參數(shù)有精軋(II階段)軋制溫度、壓下制度和冷卻速率等。精軋溫度的控制主要通過粗軋和精軋兩階段的待溫及中間冷卻來實現(xiàn)，壓下制度的制定主要考慮軋機能力范圍內(nèi)加大變形程度和負荷分配后移。精軋階段的溫度和變形對奧氏體再結(jié)晶過程及應(yīng)變積累有重要作用。冷卻速率的控制主要是通過控制輥道速度、冷卻水流量來實現(xiàn)的。加速冷卻可以細化晶粒，大幅度提高鋼材的性能水平。
圖5示出了14mm和22mm成品厚度的鋼板精軋開軋溫度對軋后力學(xué)性能的影響。由圖可以看出，隨著精軋開軋溫度的降低，屈服強度和抗拉強度增加；隨著厚度的增加，屈服強度和抗拉強度降低。降低精軋溫度，細化了奧氏體晶粒，增大了應(yīng)變積累；成品厚度減小，加快了軋制過程溫降，增大了相對的壓下率。這些工藝參數(shù)的調(diào)整，都不同程度的細化了α晶粒，促進了γ→α相變，使成品板材的屈服強度和抗拉強度得到提高。
采用終軋后水幕冷卻方式，可以促進連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程的晶粒細化，并有效的抑制相變后的鐵素體晶粒的長大，提高鋼的屈服和抗拉強度。但冷卻速率太大則不利于矯直，且使縱橫向性能差加大?，F(xiàn)場的水幕冷卻能力不足，冷卻速率僅在2～3℃/s范圍內(nèi)。圖6示出了冷卻速率對力學(xué)性能的影響。隨著冷卻速率的增大，屈服強度和抗拉強度增加。在相同條件下，成品厚為25mm的比18mm的屈服強度和抗拉強度低一些。在1～10℃/s左右的冷卻速率范圍內(nèi)，屈服強度變化在50MPa左右，抗拉強度在20MPa左右。
(2)在中厚板過程計算機中隨機抽取100組數(shù)據(jù)作為測試樣本，進行測試以檢驗在線模型的預(yù)測精度。其中，成品厚度12～70mm，精軋開軋溫度800～1075℃，終軋溫度708～904℃，C-Mn鋼的預(yù)測值與實測值對比分別如圖7所示。
由圖可以看出，預(yù)報精度較高，預(yù)報結(jié)果的相對誤差很小，預(yù)報結(jié)果中，抗拉強度的相對誤差最小，98％的預(yù)報相對誤差落在±30MPa以內(nèi)，屈服強度預(yù)報誤差稍大一些，93％的預(yù)報相對誤差落在±30MPa以內(nèi)。
(3)從過程機中隨機抽取50組Nb-V鋼(Q460)數(shù)據(jù)作為測試樣本，進行驗證。其中，成品厚度13～60mm，精軋開軋溫度837～990℃，終軋溫度736～903℃，鋼的預(yù)測值與實測值對比分別如圖8所示。由圖可以看出，預(yù)報精度較高，預(yù)報結(jié)果的相對誤差很小，預(yù)報結(jié)果中，抗拉強度的相對誤差最小，100％的預(yù)報相對誤差落在±8％以內(nèi)，98％的屈服強度預(yù)報相對誤差落在±8％以內(nèi)。延伸率的預(yù)報與屈服強度和抗拉強度的預(yù)報相比，誤差相對較大，有60％落在±10％以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于本發(fā)明方法包括以下步驟(1)選擇、確定模型參數(shù)；(2)建立與過程機的實時通訊，從過程機數(shù)據(jù)庫中在線調(diào)用工藝參數(shù)及合金成分動態(tài)數(shù)據(jù)；(3)預(yù)測鐵素體晶粒尺寸和室溫相組成，包括①計算單位體積奧氏體等效晶界表面積Sγ，②計算α相轉(zhuǎn)變體積分數(shù)XF，③計算γ→α相變連續(xù)冷卻過程中相變機制轉(zhuǎn)變溫度TNG，④計算γ→α相變后α晶粒平均直徑dF，⑤計算珠光體體積分數(shù)XP，⑥計算貝氏體體積分數(shù)XB；(4)預(yù)測成品板材的力學(xué)性能，包括①計算鋼材屈服強度，②計算鋼材抗拉強度，③計算鋼材延伸率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于從過程機數(shù)據(jù)庫中調(diào)用動態(tài)數(shù)據(jù)包括鋼種合金成分、坯料尺寸、控軋控冷工藝參數(shù)作為初始參數(shù)輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟(1)中所述選擇、確定模型參數(shù)是采用熱模擬和熱軋實驗，找出不同變形及冷卻條件下的相變動力學(xué)及組織性能演變規(guī)律，選擇合適的對比組，將數(shù)據(jù)帶入各公式中，回歸或擬合出待定系數(shù)的數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟(3)中所述單位體積奧氏體等效晶界表面積Sγ由公式(1)計算得出所述α相轉(zhuǎn)變體積分數(shù)XF由公式(2)～(7)計算得出；所述γ→α相變連續(xù)冷卻過程中相變機制轉(zhuǎn)變溫度TNG由公式(8)～(10)計算得出；所述γ→α相變后α晶粒平均直徑dF由公式(11)計算得出；所述珠光體體積分數(shù)XP由公式(12)、(12a)～(12e)、(13)計算得出；所述貝氏體體積分數(shù)XBc由公式(14)、(14a)～(14f)、(15)計算得出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟(4)中所述鋼材屈服強度由公式(16)計算得出σs=σ0+s·dF-1/2+t----(16)]]>其中 表示細化晶粒對屈服強度的貢獻，dF為鐵素體晶粒尺寸，s、t為常數(shù)，第一項σ0主要表示包括位錯強化、固溶強化、析出強化和相變強化等方式的復(fù)合強化效果，σ0＝σconst+σdisl+σint+σsub+σppt+ΔσY(16a)其中σconst為常數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)回歸分析可得到；ΔσY為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由下式計算ΔσY＝Y(jié)1·exp[-(hFR-Y2)/Y3](16b)其中，Yi(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟(4)中所述鋼材抗拉強度由公式(17)計算得出σb=p{XF(HF+qdF-1/2)+XPHP+XBHB}+ΔσT+r----(17)]]>其中p、q和r為常數(shù)；XF、XP和XB分別為鐵素體、珠光體和貝氏體的體積分數(shù)；HF，HP和HB分別為鐵素體、珠光體和貝氏體的顯微硬度，ΔσT為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由公式(17c)計算ΔσT＝T1·exp[-(hFR-T2)/T3] (17c)其中Ti(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟(4)中所述鋼材延伸率由公式(18)計算得出δ=u+vHFXF+wHPXP+zHBXB+mdF-1/2+ΔδE----(18)]]>其中u、v、w、z、m均為常數(shù)；ΔδE為與成品板厚hFR有關(guān)的修正項，可由下式計算ΔδE＝E1+E2·hFR+E3·(hFR)2(18a)其中，Ei(i＝1～3)為常數(shù)，可由現(xiàn)場熱軋實驗和計算結(jié)果擬合確定。
全文摘要
一種軋制過程在線檢測鋼板力學(xué)性能的方法，本發(fā)明提出一種以物理冶金機理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、信息技術(shù)的綜合性在線性能預(yù)測方法，建立顯微組織、成品尺寸、工藝成分與力學(xué)性能之間的對應(yīng)關(guān)系模型，實現(xiàn)熱軋過程鋼板力學(xué)性能的在線實時檢測，為優(yōu)化工藝規(guī)程和化學(xué)成分，減少檢測樣品數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，提高鋼材性能質(zhì)量提供依據(jù)。該方法包括選擇、確定模型參數(shù)；建立與過程機的實時通訊，從過程機數(shù)據(jù)庫中在線調(diào)用工藝參數(shù)及合金成分動態(tài)數(shù)據(jù)；預(yù)測鐵素體晶粒尺寸和室溫相組成；預(yù)測成品板材的力學(xué)性能幾個步驟。本發(fā)明適用鋼種為低碳鋼或微合金鋼，適用過程為中厚板軋機或熱連軋過程的粗軋機和精軋機。
文檔編號G01N3/28GK1664550SQ20051004613
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者許云波, 吳迪, 劉相華, 王國棟, 于永梅 申請人:東北大學(xué)