钢材热轧过程中组织性能预测技术的发展现状和趋势
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(1) 组织性能预测技术的实际应用 在“863”项目和国家自然科学基金重点项目的 支持下 ,组织性能预测技术应用于宝钢的 2050热连 轧机 ,首先在传统的热连轧机上取得突破 [ 9, 10 ] 。同 时又综合考虑薄板坯连铸和热连轧过程 ,以广州珠 钢 CSP生产线为依托 ,将这项技术推广到薄板坯连 铸连轧过程 ,建立了针对“短流程 ”的从均热炉开始 到带钢卷取全过程的组织性能预报模拟系统 ,包括 温度场 、应力 2应变场和组织演变过程以及性能预
(4) 基础理论的新进展 在基础理论研究方面 ,提出了采用变温相变数 据确定 Avram i方程中 K值的优化方法 。利用这种 方法得到的连续冷却过程中铁素体相变分数的预测
结果与实测值吻合甚好 ,如图 5 所示 。这项研究进 一步明确了加速冷却过程中应用相变可加性法则的
放松条件 ,即式 (1) ,为计算变温过程中的相变动力 学提供了明确依据 [ 23 ] 。
图 3 利用预测的强度对冲击吸收功的预测值与实测 值的对比
F ig. 3 Com par ison of pred icted and m ea sured Charpy energ ies
(3) 以商用 FEM 分析软件为基础 ,开发组织 2 性能预测系统
为了精细预测材料断面组织 、性能的分布 ,将温 度场 、变形场的分析与组织性能预测结合起来十分
在国际钢铁界这种技术发展总体趋势的推动 下 ,我国自 1989 年开始 [ 4 ] ,以跟踪这项技术的国际 发展为主要形式开始了探索研究 。
1989—1994年 ,为起步跟踪阶段 。在这期间 , 主要针对 C2M n钢 ,以国外开发的模型为基础 ,使用
作者简介 : 王国栋 (19422) , 男 , 硕士 , 中国工程院院士 ; E2ma il: wanggd@mail. neu. edu. cn; 修订日期 : 2007208217
1 国际上钢材组织 2性能预测技术的 2 国内钢材组织 2性能预测技术的发
发展
展历史和现状
在钢材热轧过程组织 2性能预测领域中 ,英国 Sheffield大学的 Sellars[ 2 ] 和 加 拿 大 M cGill大 学 的 Jonas等人 [ 3 ]作出了开创性的贡献 。在他们的理论 研究基础上 ,日本的新日铁 、韩国的 POSCO 和法国 的 IRSID 等钢铁公司和研究部门开发了适合于各自
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第Fra Baidu bibliotek10期
王国栋等 :钢材热轧过程中组织 2性能预测技术的发展现状和趋势
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精度 [ 15 ] 。采用这种方法 ,为济钢开发了厚板冲击韧 性的预测模型 ,对提高厚板韧性提出了明确的解决 方案 [ 18 ] 。图 3示出了 Charpy冲击功的预测值与实 测值的对比 。对人工神经网络模型进行了改进 。采 用改进模型 ,针对宝钢梅钢公司 1425热带轧机 ,进 行了系统的组织 2性能预测 ,不仅在预测精度上有较 大幅度的提高 ,而且可以进行原始数据的质量分析 , 为开展基于生产数据的材料组织性能在线优化打下 基础 。典型预测结果如图 4所示 。针对 Q235B 钢 , 文献 [ 19 ]提出一种回归分析和神经网络相结合的 方法来预测其力学性能 。分别利用多重回归分析和 神经元网络模型进行材料组织和性能的预测 ,结果 表明 ,应用神经网络和回归分析结合的方法 ,具有较 高的预测精度 。
摘 要 : 叙述了热轧钢材组织和性能预测技术的国内外的发展情况 。总结了我国近年在该领域取得的重要进展和 存在的问题 ,指出这项技术的发展重点是 :与自动化学科结合 ,实现组织性能的在线优化和控制 ;以组织性能预测 成果为手段 ,开发新型的引领未来的钢铁材料 ;以组织性能预测与控制技术为基础 ,在炼钢 —连铸 —热轧生产流程 中实现柔性轧制 。 关键词 : 热轧 ; 钢材 ; 组织性能预测与控制 中图分类号 : TG3 文献标识码 : A 文章编号 : 04492749X (2007) 1020001205
( The state key lab of rolling and automation, Northeastern University, Shenyang 110004, L iaoning, China)
Abstract: The development of p rediction of m icrostructure and p roperties of hot rolled steel p roducts is described. The p ro2 gress and the existing p roblem s in this area are summarized. The key points to develop this technology are 1) to combine it w ith automation of rolling p rocess to realize on line op tim ization and control of the parameters; 2) to develop new steels ori2 ented to future requirements by means of this technique; 3) to perform the flexible rolling in the steel making2continuous casting2hot rolling route. Key words: hot rolling; steel p roduct; p rediction and control of m icrostructure and p roperties
第 42卷 第 10期 2 0 0 7 年 10 月
钢
铁
Iron and Steel
Vol. 42, No. 10 O c tobe r 2007
钢材热轧过程中组织 2性能预测技术的发展现状和趋势
王国栋 , 刘相华 , 刘振宇
(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004)
重要 。现有的商用有限元分析软件为这项研究提供
了较好的开发基础 。为此 ,在对商用 FEM 软件进行 消化 、吸收的基础上 ,利用已经留出的接口 ,增加组 织 、性能预测软件 ,已成为组织 2性能预测的有效手 段 。已经利用这种方法 ,开发了温度 、变形和组织性 能耦合模拟的热轧带钢粗轧机组模拟分析软件 [ 20 ] , 建立了 H 型钢温度 、变形 、组 织性 能预测 分析 系 统 。 [ 21, 22 ]
Presen t Sta tus and Perspectives of Pred iction of M icrostructure and Properties of Hot Rolled Steel Products
WANG Guo2dong, L IU Xiang2hua, L IU Zhen2yu
这些模型对典型的热轧带钢生产过程中的组织演变 规律进行模拟计算研究 , 借以进行消化 、吸收和验 证 。通过对本钢 1700 热轧板带宽度方向组织不均 匀性的计算分析 ,提出了边部遮蔽提高组织均匀性 的工艺措施 [ 5 ] 。针对 BHP NZ Steel Co. 热轧板带的 生产工艺 ,国际上首次成功开发了以提高强度指标 和降低 屈 服 强 度 波 动 为 目 标 的 计 算 机 辅 助 新 工 艺 [6]。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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钢 铁
第 42卷
图 1 热轧带钢过程组织性能预测系统的架构 F ig. 1 Structure of m icrostructure and properties pred iction system of steel hot rolling
(2) 智能预测技术进一步发展 在上述研究和应用过程中 ,人工智能应用技术 进一步得到发展 ,提出了将数学模型与人工神经元 网络结合的组织性能预测方法 ,提高了系统的预报
图 2 组织 2性能在线预测的数据流程 F ig. 2 Da ta flow ing of on2line SPPC system
1994—1999年 ,进入了自主创新阶段 。这一阶 段的重要进展 ,是突破传统的以数学模型进行组织 性能预测的框架 ,在国际上首次将人工神经网络的 理论和方法应用于材料组织 2性能预测 ,利用宝钢实 测生产数据预测 SS400等碳锰钢的组织和性能 ,取 得了良好的预测效果 [ 7 ] 。在此期间 ,预测的钢材品 种也由碳锰钢推广到微合金钢 [ 8 ] 。
真实描述钢材热轧过程中发生的各种物理现 象 ,掌握在此过程中钢材组织和性能演变的规律 ,是 钢铁工作者长期以来追求的目标 。由于组织 2性能 预测技术的发展 ,这个目标正在变为现实 。由于这 项研究 ,不但钢材热加工过程中组织演变的热力学 和动力学问题研究不断走向深入和系统 ,发挥越来 越重要的作用 ,而且钢铁加工生产工艺水平和产品 质量也不断得以提高 ,新的工艺技术和产品不断被 开发出来 ,钢材热加工技术在此过程中得到升华 。 这项以物理冶金作为基础 ,以计算机技术作为支撑 的前沿技术将为钢铁材料技术的发展和社会的进步 作出重要的贡献 [ 1 ] 。
1999年之后 ,在国家“973”项目 、“863 ”项目 、 自然科学基金重点项目等大力支持下 ,我国科研人 员通过对已有模型的改造和创新 ,在几个技术关键 点上取得重要突破 ,形成了自己的特色和优势 。目 前已经将这项技术拓展应用到热轧钢材的各个领 域 ,建立的组织 2性能预测软件有的已经融入轧机实 时计算机控制系统 ,实现在线应用 。这一阶段我国 研究者完成的工作主要有下述几点 。
热轧生产线工艺特点的实用模型 。现场应用的软件 则主要由西门子 、奥钢联和英属哥伦比亚大学等从 事钢铁工业自动化的公司 、院校开发 。这项技术在 国外已经实际应用 ,预测精度为 ±5%左右 ,在替代 性能检测 、分析组织分布均匀性和开发新工艺方面 显示出良好的可靠性 。
图 1所示是热轧带钢轧机组织性能预测系统的 基本架构 。其核心部分是描述生产过程各个阶段组 织演变规律的数学模型 。通常是利用物理冶金基本 理论建立数学模型的框架 ,利用热模拟实验和热轧 实验确定模型的系数 ,所以这是一个理论性和实验 性很强的研究领域 。
报 。经现场 500余炉次数据验证 ,该软件系统的力 学性能预报精度基本上在 ±21 M Pa 的误差之内 。 该软件系统已在生产现场获得应用 ,指导现场的生 产和新工艺新品种开发 [ 10～12 ] 。依托于国家“973 ” 项目“新一代钢铁材料的重大基础研究 ”,进行碳锰 钢组织预测技术的研究 ,与鞍钢合作建立了组织性 能预测系统 [ 13 ] ,在测温点粗轧出口 、精轧出口和卷 取位置的温度预测误差分别小于 20、15、10 ℃。对 400 M Pa级细晶钢的控轧控冷过程进行了组织性能 预测 [ 14 ] 。在国家重大装备研制项目的支持下 ,结合 首钢 3500中厚板轧机建设项目 ,建立了中厚板轧机 的组织性能预测系统 ,并成功地嵌入轧机自动控制 系统中 ,实现了组织性能预测系统的在线运行 ,预测 精度在 ±6% [ 15 ] 。图 2示出了中厚板热轧过程中在 线组织 2性能预测系统的数据调用过程 。针对棒线 材连轧过程孔型轧制的特点和轧后冷却特点 ,进行 了硬线 、建筑用钢等的组织性能预测 [ 16, 17 ] 。
(4) 基础理论的新进展 在基础理论研究方面 ,提出了采用变温相变数 据确定 Avram i方程中 K值的优化方法 。利用这种 方法得到的连续冷却过程中铁素体相变分数的预测
结果与实测值吻合甚好 ,如图 5 所示 。这项研究进 一步明确了加速冷却过程中应用相变可加性法则的
放松条件 ,即式 (1) ,为计算变温过程中的相变动力 学提供了明确依据 [ 23 ] 。
图 3 利用预测的强度对冲击吸收功的预测值与实测 值的对比
F ig. 3 Com par ison of pred icted and m ea sured Charpy energ ies
(3) 以商用 FEM 分析软件为基础 ,开发组织 2 性能预测系统
为了精细预测材料断面组织 、性能的分布 ,将温 度场 、变形场的分析与组织性能预测结合起来十分
在国际钢铁界这种技术发展总体趋势的推动 下 ,我国自 1989 年开始 [ 4 ] ,以跟踪这项技术的国际 发展为主要形式开始了探索研究 。
1989—1994年 ,为起步跟踪阶段 。在这期间 , 主要针对 C2M n钢 ,以国外开发的模型为基础 ,使用
作者简介 : 王国栋 (19422) , 男 , 硕士 , 中国工程院院士 ; E2ma il: wanggd@mail. neu. edu. cn; 修订日期 : 2007208217
1 国际上钢材组织 2性能预测技术的 2 国内钢材组织 2性能预测技术的发
发展
展历史和现状
在钢材热轧过程组织 2性能预测领域中 ,英国 Sheffield大学的 Sellars[ 2 ] 和 加 拿 大 M cGill大 学 的 Jonas等人 [ 3 ]作出了开创性的贡献 。在他们的理论 研究基础上 ,日本的新日铁 、韩国的 POSCO 和法国 的 IRSID 等钢铁公司和研究部门开发了适合于各自
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第Fra Baidu bibliotek10期
王国栋等 :钢材热轧过程中组织 2性能预测技术的发展现状和趋势
·3·
精度 [ 15 ] 。采用这种方法 ,为济钢开发了厚板冲击韧 性的预测模型 ,对提高厚板韧性提出了明确的解决 方案 [ 18 ] 。图 3示出了 Charpy冲击功的预测值与实 测值的对比 。对人工神经网络模型进行了改进 。采 用改进模型 ,针对宝钢梅钢公司 1425热带轧机 ,进 行了系统的组织 2性能预测 ,不仅在预测精度上有较 大幅度的提高 ,而且可以进行原始数据的质量分析 , 为开展基于生产数据的材料组织性能在线优化打下 基础 。典型预测结果如图 4所示 。针对 Q235B 钢 , 文献 [ 19 ]提出一种回归分析和神经网络相结合的 方法来预测其力学性能 。分别利用多重回归分析和 神经元网络模型进行材料组织和性能的预测 ,结果 表明 ,应用神经网络和回归分析结合的方法 ,具有较 高的预测精度 。
摘 要 : 叙述了热轧钢材组织和性能预测技术的国内外的发展情况 。总结了我国近年在该领域取得的重要进展和 存在的问题 ,指出这项技术的发展重点是 :与自动化学科结合 ,实现组织性能的在线优化和控制 ;以组织性能预测 成果为手段 ,开发新型的引领未来的钢铁材料 ;以组织性能预测与控制技术为基础 ,在炼钢 —连铸 —热轧生产流程 中实现柔性轧制 。 关键词 : 热轧 ; 钢材 ; 组织性能预测与控制 中图分类号 : TG3 文献标识码 : A 文章编号 : 04492749X (2007) 1020001205
( The state key lab of rolling and automation, Northeastern University, Shenyang 110004, L iaoning, China)
Abstract: The development of p rediction of m icrostructure and p roperties of hot rolled steel p roducts is described. The p ro2 gress and the existing p roblem s in this area are summarized. The key points to develop this technology are 1) to combine it w ith automation of rolling p rocess to realize on line op tim ization and control of the parameters; 2) to develop new steels ori2 ented to future requirements by means of this technique; 3) to perform the flexible rolling in the steel making2continuous casting2hot rolling route. Key words: hot rolling; steel p roduct; p rediction and control of m icrostructure and p roperties
第 42卷 第 10期 2 0 0 7 年 10 月
钢
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Iron and Steel
Vol. 42, No. 10 O c tobe r 2007
钢材热轧过程中组织 2性能预测技术的发展现状和趋势
王国栋 , 刘相华 , 刘振宇
(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004)
重要 。现有的商用有限元分析软件为这项研究提供
了较好的开发基础 。为此 ,在对商用 FEM 软件进行 消化 、吸收的基础上 ,利用已经留出的接口 ,增加组 织 、性能预测软件 ,已成为组织 2性能预测的有效手 段 。已经利用这种方法 ,开发了温度 、变形和组织性 能耦合模拟的热轧带钢粗轧机组模拟分析软件 [ 20 ] , 建立了 H 型钢温度 、变形 、组 织性 能预测 分析 系 统 。 [ 21, 22 ]
Presen t Sta tus and Perspectives of Pred iction of M icrostructure and Properties of Hot Rolled Steel Products
WANG Guo2dong, L IU Xiang2hua, L IU Zhen2yu
这些模型对典型的热轧带钢生产过程中的组织演变 规律进行模拟计算研究 , 借以进行消化 、吸收和验 证 。通过对本钢 1700 热轧板带宽度方向组织不均 匀性的计算分析 ,提出了边部遮蔽提高组织均匀性 的工艺措施 [ 5 ] 。针对 BHP NZ Steel Co. 热轧板带的 生产工艺 ,国际上首次成功开发了以提高强度指标 和降低 屈 服 强 度 波 动 为 目 标 的 计 算 机 辅 助 新 工 艺 [6]。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·2·
钢 铁
第 42卷
图 1 热轧带钢过程组织性能预测系统的架构 F ig. 1 Structure of m icrostructure and properties pred iction system of steel hot rolling
(2) 智能预测技术进一步发展 在上述研究和应用过程中 ,人工智能应用技术 进一步得到发展 ,提出了将数学模型与人工神经元 网络结合的组织性能预测方法 ,提高了系统的预报
图 2 组织 2性能在线预测的数据流程 F ig. 2 Da ta flow ing of on2line SPPC system
1994—1999年 ,进入了自主创新阶段 。这一阶 段的重要进展 ,是突破传统的以数学模型进行组织 性能预测的框架 ,在国际上首次将人工神经网络的 理论和方法应用于材料组织 2性能预测 ,利用宝钢实 测生产数据预测 SS400等碳锰钢的组织和性能 ,取 得了良好的预测效果 [ 7 ] 。在此期间 ,预测的钢材品 种也由碳锰钢推广到微合金钢 [ 8 ] 。
真实描述钢材热轧过程中发生的各种物理现 象 ,掌握在此过程中钢材组织和性能演变的规律 ,是 钢铁工作者长期以来追求的目标 。由于组织 2性能 预测技术的发展 ,这个目标正在变为现实 。由于这 项研究 ,不但钢材热加工过程中组织演变的热力学 和动力学问题研究不断走向深入和系统 ,发挥越来 越重要的作用 ,而且钢铁加工生产工艺水平和产品 质量也不断得以提高 ,新的工艺技术和产品不断被 开发出来 ,钢材热加工技术在此过程中得到升华 。 这项以物理冶金作为基础 ,以计算机技术作为支撑 的前沿技术将为钢铁材料技术的发展和社会的进步 作出重要的贡献 [ 1 ] 。
1999年之后 ,在国家“973”项目 、“863 ”项目 、 自然科学基金重点项目等大力支持下 ,我国科研人 员通过对已有模型的改造和创新 ,在几个技术关键 点上取得重要突破 ,形成了自己的特色和优势 。目 前已经将这项技术拓展应用到热轧钢材的各个领 域 ,建立的组织 2性能预测软件有的已经融入轧机实 时计算机控制系统 ,实现在线应用 。这一阶段我国 研究者完成的工作主要有下述几点 。
热轧生产线工艺特点的实用模型 。现场应用的软件 则主要由西门子 、奥钢联和英属哥伦比亚大学等从 事钢铁工业自动化的公司 、院校开发 。这项技术在 国外已经实际应用 ,预测精度为 ±5%左右 ,在替代 性能检测 、分析组织分布均匀性和开发新工艺方面 显示出良好的可靠性 。
图 1所示是热轧带钢轧机组织性能预测系统的 基本架构 。其核心部分是描述生产过程各个阶段组 织演变规律的数学模型 。通常是利用物理冶金基本 理论建立数学模型的框架 ,利用热模拟实验和热轧 实验确定模型的系数 ,所以这是一个理论性和实验 性很强的研究领域 。
报 。经现场 500余炉次数据验证 ,该软件系统的力 学性能预报精度基本上在 ±21 M Pa 的误差之内 。 该软件系统已在生产现场获得应用 ,指导现场的生 产和新工艺新品种开发 [ 10～12 ] 。依托于国家“973 ” 项目“新一代钢铁材料的重大基础研究 ”,进行碳锰 钢组织预测技术的研究 ,与鞍钢合作建立了组织性 能预测系统 [ 13 ] ,在测温点粗轧出口 、精轧出口和卷 取位置的温度预测误差分别小于 20、15、10 ℃。对 400 M Pa级细晶钢的控轧控冷过程进行了组织性能 预测 [ 14 ] 。在国家重大装备研制项目的支持下 ,结合 首钢 3500中厚板轧机建设项目 ,建立了中厚板轧机 的组织性能预测系统 ,并成功地嵌入轧机自动控制 系统中 ,实现了组织性能预测系统的在线运行 ,预测 精度在 ±6% [ 15 ] 。图 2示出了中厚板热轧过程中在 线组织 2性能预测系统的数据调用过程 。针对棒线 材连轧过程孔型轧制的特点和轧后冷却特点 ,进行 了硬线 、建筑用钢等的组织性能预测 [ 16, 17 ] 。