釉化用钢热处理实验和显微组织模拟

论文总字数：39942字

摘 要

釉化用钢用于制造热水器内胆，其在釉化烧结过程中，由于温度较高(800~900°C)，会发生屈服强度降低的现象。本文采用实验和模拟相结合的方法，通过实验研究了添加Cu元素和热处理对釉化用钢组织和性能的影响，采用有限元方法模拟分析了热轧过程中的温度、轧制力和应力等参数的变化，采用元胞自动机(cellular automaton, CA)方法模拟了热轧过程中奥氏体-铁素体相变的显微组织演化。

采用热处理实验模拟釉化烧结过程，研究不同含Cu成分、热处理前后釉化用钢显微组织和力学性能的变化, 时效处理对含0.65wt%Cu钢板的显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：含0.65wt%Cu的釉化用钢热处理后较轧制态的屈服强度有明显提高，原因在于热处理后晶界上的块状相消失了，转变为层片状的珠光体。而未添加Cu的釉化用钢热处理后的屈服强度比轧制态有明显下降。含0.65wt%Cu的釉化用钢轧制态经过550C时效处理3小时后，屈服强度显著提高，原因是细晶强化和fcc-Cu的析出强化共同作用。

通过实验和有限元模拟结果发现，当轧件与轧辊间的热传导系数为5~10kw/m²·k，轧件与环境之间的热交换系数为0.02~0.05kw/m²·k时，轧制的板形、最大轧制力和开轧温度的模拟结果和实验结果吻合良好。采用动态形变诱导相变（DSIT）热轧工艺，控制后三道次的开轧温度在轧件的Ar₃温度附近。钢板在第四道次开轧前，心部温度比表面温度高23^oC左右；第四道次轧制后,轧件心部温度和表面温度逐渐趋于一致。后三道次每道次轧制结束后钢板均出现50^oC左右的温度回升，导致后三道次轧制时的温度高于实际设定温度。因此，将后三道次的开轧温度设为略低于Ar₃温度的钢板可比开轧温度略高于Ar₃温度的钢板获得更细小均匀的晶粒和更高的屈服强度。采用CA模型模拟DSIT轧制过程中的奥氏体-铁素体相变，模拟得到的表面组织比心部组织更细小，与实验结果吻合较好。

关键词： 釉化用钢；热处理；显微组织；力学性能；数值模拟

The heat treatment experiments and microstructure simulation of enameling steels

Abstract

Enameling steels manufactured for water heater tank have a decrease on yield strength during enameling firing process due to the high firing temperatures (800~900°C). In this thesis, experiments and simulations are carried out to study the effects of Cu element and heat treatment on the microstructures and mechanical properties of enameling steels. The finite element method has been applied to study the variations of temperature, roll force and stress in the steel slab during the hot rolling process. The cellular automaton (CA) model is used to simulate the microstructure evolution of austenite-ferrite transformation during hot rolling.

Enameling steels are heat treated to simulate the enameling firing to investigate the microstructures and mechanical properties of as-rolled and after heat treatment samples with different chemical compositions. The samples with 0.65wt% Cu before and after heat treatment and aging treatment are investigated. The results show that enameling steels with 0.65wt% Cu content have a significant improve on yield strength after heat treatment compared to the as-rolled ones, while the yield strength of enameling steels without adding Cu content has apparently decreased after heat treatment. The reason for the yield strength increase of samples with 0.65wt% Cu after heat treatment is that the lump phase at the grain boundaries disappears and transforms to lamellar pearlite. The yield strength of enameling steels with 0.65wt% Cu content improves significantly after aging treatment at 550^oC for 3 hours, due to the fine grain strengthening and precipitation strengthening of fcc-Cu.

It can be found from the experiment and simulation results that when the heat transfer coefficient between the slab and rollers is taken as 5~10kw/m²·k and convective heat transfer coefficient between the slab and air is taken as 0.02~0.05kw/m²·k, the simulated strip shape, maximum roll force and start temperature of each pass agree reasonably well with those measured experimentally. Dynamic strain induced transformation (DSIT) process is adopted and start temperature of the last three passes are controlled to be near Ar₃ temperature. Before pass 4 of the DSIT process, the temperature of slab center is about 23^oC higher than that of slab surface. During pass 4 to pass 6, the temperatures of slab center and surface converge, but rise about 50^oC compared to the setting temperature. Thus, setting start temperatures of the last three passes lower than Ar₃ can obtain finer and more uniform grains and higher strength. Simulation of austenitic-ferrite phase transformation during DSIT process using the CA model gets the result that the grain size of slab surface is smaller than that of slab center, which agrees well with those observed experimentally.

KEY WORDS: enameling steels; heat treatment; microstructure; mechanical property; numerical modeling

目 录

摘 要 I

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 釉化用钢概述 1

1.2.1 釉化用钢的发展 1

1.2.2 釉化用钢的种类 1

1.2.3 釉化用钢的性能要求 2

1.2.4 低合金釉化用钢的显微组织特点 3

1.3 合金元素对釉化用钢组织性能的影响 3

1.4 动态形变诱导相变（DSIT）技术 5

1.5 热轧工艺过程的有限元模拟研究 6

1.6 元胞自动机在组织模拟中的应用 6

1.7 本课题研究目的和内容 7

第二章 实验材料和方法 9

2.1 实验研究路线 9

2.2 实验材料和设备 10

2.2.1 实验材料 10

2.2.2 轧制设备 10

2.2.3 热处理设备 10

2.3 热轧工艺流程及参数 11

2.4 热处理工艺流程及参数 12

2.5 显微组织观察及力学性能测试 12

2.5.1 显微组织观察 12

2.5.2 力学性能测试 13

2.6 热力学计算分析 13

2.7 轧制过程有限元模拟 14

2.7.1 前处理功能操作 14

2.7.2 仿真求解 15

2.7.3 后处理 15

第三章 热轧釉化用钢的显微组织和力学性能 16

3.1 成分(Cu)对釉化用钢显微组织和力学性能的影响 16

3.1.1 热力学计算 16

3.1.2 成分(Cu)对轧制态釉化用钢的影响 17

3.2 热处理对釉化用钢显微组织和力学性能的影响 19

3.2.1 热处理对釉化用钢显微组织和力学性能的影响 19

3.2.2 时效对釉化用钢显微组织和力学性能的影响 23

3.3 本章小结 24

第四章 釉化用钢热轧工艺的有限元模拟和相变的显微组织模拟 26

4.1 热轧过程有限元模型的建立 26

4.1.1 几何模型 26

4.1.2 材料模型与材料特性参数 27

4.1.3 初始条件与边界条件 28

4.1.4 热轧模拟的基本假设 28

4.2 DSIT热轧过程的有限元模拟与分析 29

4.2.1 板形 29

4.2.2 轧制力 30

4.2.3 温度场 31

4.2.4 等效应变场和等效应力场 34

4.3 DSIT热轧过程中奥氏体-铁素体相变的CA模拟 35

4.4 本章小结 37

第五章 结论 38

参考文献 39

致 谢 42

1. 绪论
   1. 引言

釉化用钢又叫搪瓷钢。将无机玻璃质的瓷釉通过不同的搪瓷生产工艺（干搪和湿搪）熔融凝在钢板表面，再经过800^oC到900^oC高温烧制，结合成的复合材料即为釉化用钢。所以，釉化用钢结合了无机玻璃质材料和金属钢板的共同特性^[1]。釉化用钢一般用的是低碳钢，其含碳量一般≤0.08%。作为容积式热水器内胆的主要制造材料，它的化学成分、表面状况、显微组织以及力学性能都对搪瓷质量的好坏起着重要作用。对釉化用钢，除了要求板厚均匀、板质一致、强度高、深冲成型性好、表面缺陷少，还要求烧结变形小、抗鳞爆好、搪瓷粘附性好等^{[2, 3]}。随着钢铁工业的不断发展，搪瓷钢板的生产也在一直扩大^[4]。

本课题研究的对象是生产热水器内胆所用的釉化用钢。由于内胆在工作时需要长时间承受一定的温度和压力，因此, 对生产内胆用的低碳钢的屈服强度有一定要求。釉化用钢在釉化烧结的过程中，由于循环热处理，屈服强度会出现一定的降低，为保证热水器在使用过程中的安全性就要提高钢板的强度，生产厂家需增加钢板厚度，这就造成了成本的提高。为提高强度，降低成本，有必要研究釉化烧结过程中其性能的变化，而成分和热轧工艺在很大程度上决定了釉化用钢轧制和釉化烧结后的性能。因此研究成分和热轧过程中的显微组织演化对釉化用钢轧制态和热处理后组织性能的影响规律很有必要。

• 1. 釉化用钢概述
     1. 釉化用钢的发展

中国搪瓷工业的发展是在新中国成立以后才逐渐开始的，主要体现在搪瓷制造规模上：到1949年解放前夕，全国只有30多家搪瓷厂。五十年代初，在上海诞生了防腐蚀用的工业搪瓷设备。上海不但是中国钢铁搪瓷工业最集中的地区，也是现代搪瓷工业最早兴起的地方。到了八十年代中期，全国搪瓷厂发展到了60余家，而目前全国搪瓷厂达600多家^[5]。改革开放以来，搪瓷产业在规模、技术工艺、制品种类等方面都发生了巨大的变化。

日本研究搪瓷钢的时间相对较早。七十年代日本开发出了加硼搪瓷钢，八十年代又开发出鳞爆抗力及深冲性能优良的搪瓷用钢，在提高鳞爆抗力的同时使得搪烧翘曲降低了。之后，在深入研究的基础上，日本又开发出一种新型连铸镇静冷轧搪瓷钢板。实验表明，该钢具有良好的抗鳞爆能力和抗搪烧下垂性，钢中碳化物细小且均匀分布，晶粒度8~10级，具有优良的深冲加工性和涂搪性^{[6, 7]}。目前欧洲一些技术人员研究了双面搪瓷用高强度热轧钢板，提出了利用TiC可以同时提高热轧钢板的强度和抗鳞爆性能。

• • 1. 釉化用钢的种类

迄今为止，伴随钢铁冶炼工艺的进步，搪瓷用钢板也得到了很大的发展，按照不同的分类标准可将其分为不同的种类：按照生产工艺划分，可以分为覆层板、冷轧板和热轧板(酸洗板)等；按照成形性能可以分为超深冲钢、深冲钢、冲压钢、普碳钢等不同的冲压级别；按搪瓷工艺，可以分为一次搪瓷和二次搪瓷，单面搪瓷和双面搪瓷，静电干粉搪瓷和湿法搪瓷等；从强度上可以分为245MPa、330MPa 等不同强度的级别^[8]。根据冶炼特点，釉化用钢主要有：沸腾钢、外沸內镇钢、含钛钢、脱碳钢等^[9]。

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