12项目风险管理

RAL王国栋东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室2012.03.06,北京新一代TMCP技术发展历程回顾RAL重视材料制备使役全过程的节能减排特性第二，大力发展新材料和先进制造科学技术。要重视材料的环境友好性、可再生循环性、制备使役全过程的节能减排特性，┅┅胡锦涛在中国科学院中国工程院院士大会上的讲话炼铁炼钢连铸热轧冷轧涂镀使役报废循环已经充分关注已经充分关注应予充分关注，潜力十分巨大应予充分关注，潜力十分巨大本项目关注领域（红字）本项目关注领域（红字）金矿金矿RAL突出关键共性技术突出对产业竞争力整体提升具有全局性影响、带动性强的突出对产业竞争力整体提升具有全局性影响、带动性强的关键共性技术－－－国家科技规划发展纲要关键共性技术－－－国家科技规划发展纲要品种C－Mn钢HSLA钢超高强钢管线钢水电钢热加工方式热轧带钢中厚板H型钢棒材线材管材尺寸规格轧制－－相变准备奥氏体硬化条件的准备析出条件的控制冷却－相变发生（钢铁材料特点）冷却路径冷却速度冷却起始、终了条件┅┅大于95％以上钢材经历热加工：热加工过程的组织性能控制－－轧制冷却过程的控制－关键共性技术量大面广、升级换代金矿金矿RAL加强复合强韧化原理的研究和应用重点研究┅┅相变和组织控制机制、复合强韧化原理，┅┅材料制备新原理、新工艺┅┅国家科技发展规划纲要相变和组织控制机制，复合强韧化原理复合强韧化原理固溶强化合理的成分设计细晶强化细晶强化是重要的强化方式细晶强化的强化能力是有限的细晶是有限的，超细晶导致高的屈强比和脆性断裂不能企望仅用细晶强化解决强度问题析出强化析出强化的效果与析出相粒子的尺寸相关强化能力：max700MPa(1nm)析出与相变耦合，相间析出－纳米析出晶内析出－纳米析出析出过程的控制－－超快冷可以发挥作用HSLA钢核心手段相变强化对钢铁材料来讲，相变强化是重要的强化方式（RAL的实验）超快冷是控制相变的重要手段有无穷多种强化结果，从中选优先进汽车用钢的首选强化机制金矿金矿RAL研究工作目标和获得的支持973计划项目：新一代钢铁材料的重大基础研究目标：使低碳钢屈服强度由200MPa级提高到400MPa级863计划项目：500MPa碳素钢先进工业化制造技术目标：1）C-Mn钢屈服强度提高到500MPa；2）实现百万吨级产量11.5支撑计划项目：节约型钢材减量化轧制技术目标：钢材使用效能提高5～15%，性能相同钢材的合金元素用量降低20～30％焦点：节省资源和能源，提高材料的效能焦点：节省资源和能源，提高材料的效能RALRAL各类TMCP技术开发的征程TMCP－Thermo-MechanicalControlledProcessing，控制轧制和控制冷却UFC－UltraFastCooling，超快速冷却NG-TMCP－NewGenerationTMCP新一代控制轧制和控制冷却技术9798990001020304050607080910中厚板传统TMCP9798990001020304050607080910年份热带轧机传统TMCP中厚板NG-TMCP热带NG-TMCP棒材NG－TMCP973项目传统TMCP的继承和发展863项目棒材UFC-TMCP创新11.5支撑项目UFC-TMCP传统TMCP应用线材NG－TMCP1112.5支撑项目UFC-TMCP管材NG－TMCP线材NG－TMCPRAL973项目执行阶段传统的TMCP技术在普碳钢中的应用和发展973计划项目：新一代钢铁材料的重大基础研究普碳钢屈服强度200MPa级提高到400MPa级不添加微合金元素强化机理：细晶强化（开始阶段）RALTMCP工艺及其关键点保持应变硬化奥氏体再结晶形核奥氏体晶粒长大常规铁素体晶粒细化铁素体晶粒塑性变形相变相变常规轧制控制轧制TMCP工艺是20世纪钢铁工业最伟大的成果之一，支撑了钢铁材料的发展，对人类文明和社会发展作出了巨大贡献。控制轧制和控制冷却的关键点：“奥氏体状态的控制”和进一步的“由这种状态受到控制的奥氏体发生的相变的控制”。低温未再结晶区轧制再结晶区轧制RAL传统TMCP的基本要素控制轧制控制冷却再结晶温度动态相变温度未再结晶温度区间低温大压下添加Nb等微合金元素，提高再结晶温度传统TMCP的三大要素•添加微合金元素－扩大未再结晶区•低温大压下－产生硬化的奥氏体•加速冷却－控制硬化奥氏体的相变RAL晶粒细化的相变热力学△G=–V(△Gv–△GE)+△GS……………(1)在形变时，形变能如果可以部分储存并转变成相变驱动力，则△G=–V(△Gv–△GE)+△GS–△GD……(2)这里：△Gv体积自由能变化△GE弹性应变能变化△GS表面自由能变化△GD形变储存能变化→相变过程中的自由能变化形核率生长率相变驱动力还与过冷度有关G∝(T)2晶粒形核、长大与相变温度的关系如何获得较大的形变能和相变过冷度是晶粒细化的关键！低温大压下！快冷！RAL1000oC180sStrainrate:0.025~10s-1Time10C/s5oC/sε760-1000CTemperature0.00.20.40.60.81.01.2050100150200250300hgfedcbaStress,MPaTruestrain0.00.10.20.30.40.50.6800850900950100010501100Ae3Temperature,oCTruestrain10s-11s-10.1s-10.025s-1动态再结晶区动态回复区当应变速率超过10s-1时，即使变形温度很高，动态再结晶过程也很难发生。高温快速变形同样能获得很高的能量状态，关键是如何保持和利用。这项研究对于UFC-TMCP有重要作用动态再结晶规律的研究应力－应变曲线动态再结晶与温度、应变的关系RAL对于低碳钢，变形温度在900℃以下，变形后几秒钟的时间内，奥氏体可以处于未再结晶状态在现代连轧机组精轧后几道次可以实现奥氏体的未再结晶控制轧制（传统应用于微合金钢）Time10C/s1000oC,180s5°C/stε1ε210sTemperatureDeformationtemp.:830-920C1101001000750800850900950Temperature,oCTime,sAe330%50%70%未再结晶区静态再结晶规律的研究静态再结晶与温度和时间的关系RAL研究了变形对低碳钢奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体相变的影响规律。结果表明：1）增大冷却速率、降低终冷温度，有利于材料的铁素体晶粒细化，在25－30℃/s的冷速下，铁素体晶粒可以达到5－7微米；2）增大冷却速率，降低终冷温度，对贝氏体相变具有明显的促进作用，可以得到少量的贝氏体。贝氏体相变强化对提高强度和降低屈强比十分重要。0.010.111010010001000002004006008001000FAWPBM0.5oC/S1oC/S5oC/S10oC/S20oC/S50oC/S80oC/S400oC/STemperature,oCTime,s变形后冷却过程相变的研究变形奥氏体的CCT曲线（SS400）950℃，变形40％RAL明确超级钢组织控制方向•利用现代轧制过程的连续低温大变形，得到细晶、硬化的奥氏体，为后续相变做好组织准备•利用快速冷却对未再结晶的硬化奥氏体的相变进行控制，在较低的温度下卷取，得到细小、均匀的铁素体或者铁素体＋贝氏体组织•实施比传统TMCP更严苛的控制，才可能使低碳钢性能达到微合金钢的水平控制轧制向更低温方向发展强化控制冷却，再结晶温度动态相变温度不添加Nb等微合金元素控制轧制向更低温方向发展强化控制冷却，降低卷取温度再结晶温度动态相变温度不添加Nb等微合金元素RAL实验室轧制规程、材料组织和性能•坯料厚度40mm，为热连轧的中间坯•终轧厚度为10mm和6.5mm两种•加热：1000℃，保温1h•轧制温度900－700℃(a)390℃卷取(b)490℃卷取(c)530℃卷取Rel,MPaRm,MPaRel/RmA50,%卷取温度,℃4506000.75373904155400.77304904105200.7934530•轧制4－5道次•轧后加速冷却到卷取温度，卷取温度700－350℃（最大的冷却速率可达30℃/s）•然后装炉缓冷模拟卷取RAL组织性能预测研究的必要性组织、性能演变的模型化：•建立热轧和冷却过程组织演变的数学模型，确定材料成分－工艺参数－组织－性能之间的定量关系，定量化描述组织演变规律和材料性能。•确定超现实规程条件下材料组织演变和性能变化的规律，为新工艺提供基础。工业实验可行性：•热轧带钢轧机是联合钢铁企业的咽喉，举足轻重•轧制线的能力是否可以实现工艺制度的改变？•生产线是否可以承受工艺制度改变带来的影响？组织性能预测（模拟实机轧制）RAL组织性能预测技术各类钢材在热加工和随后冷却过程中组织演变的规律，以及最终的组织和性能1化学成分2轧制参数3冷却参数1晶粒长大2碳氮化物的溶解1再结晶2流变应力3碳氮化物的析出1相变2碳氮化物的析出力学性能显微组织加热粗轧冷却卷取精轧4连铸组织物理冶金模型－1再结晶模型（未再结晶与应变积累）流变应力模型物理冶金模型－1再结晶模型（未再结晶与应变积累）流变应力模型物理冶金模型－2碳氮化物析出模型加工硬化奥氏体相变模型组织－性能关系模型物理冶金模型－2碳氮化物析出模型加工硬化奥氏体相变模型组织－性能关系模型1奥氏体晶粒尺寸2溶解元素的量1奥氏体晶界面积2平均位错密度3沉淀析出量1相变温度2各相体积分数3铁素体晶粒尺寸模型输出输入过程4沉淀析出量RAL依据物理冶金理论（热力学、动力学理论），建立描述上述热轧过程的物理冶金模型结构建立一整套的确定数学模型参数的实验方法。利用热力模拟实验机、实验轧机、工业轧机等设备，通过物理模拟，确定不同钢种的数学模型参数利用人工神经元网络技术和数学模型结合，进行了热轧后带钢力学性能预测，开辟了人工智能技术应用于材料研究的新领域组织性能预测模型建模方法AI，数理统计热力模拟实验实验室热轧实验离线工业轧制实验沉淀析出变形抗力模型再结晶与应变积累轧制力、力矩、电机功率（超出规程的限制）相变研究热轧工艺制度制定信息反馈模型参数修正在线工业轧制实验设备条件信息反馈模型参数修正信息反馈模型参数修正确定模型参数确定模型结构热力学理论动力学理论物理冶金数学模型RAL组织性能预测技术应用于超级钢的研究1234567812162024211——Measured2——predictedRollingForce,MNPassnumbers轧制力预测值与实测值的比较204060801001201401601802001E121E131E141E151E16Dislocationdensity,m-2Time,s带钢轧制过程位错密度的变化0.010.1110100100002004006008001000(a)BP50/s℃20/s℃10/s℃5/s℃1/s℃0.5/s℃Temperature,℃Time,s0.010.1110100100002004006008001000(b)BP50/s℃20/s℃10/s℃5/s℃1/s℃0.5/s℃Temperature,℃Time,s计算的CCT曲线未变形变形•预测轧制负荷，解决现有轧机的负荷能力可行性问题；•预测材料内部位错密度变化，确定变形能的累积规律；•计算CCT曲线，预测相变过程，确认相变机制，确定相变组织(晶粒尺寸、相组成和体积分数等）明确实现工业生产的可行性，是由实验室走向生产的关键！RAL模拟分析和实验室研究结论•采用更严苛的轧制制度：增大后部机架得压下量，控制终轧温度（730－750℃）与终冷温度（470－480℃），加大冷却速率。宝钢轧机可以承受超极限的轧制条件。•晶粒尺寸5－7μm，屈服强度约为400MPa，抗拉强度约500MPa•与实验室条件相比，工业轧制条件在轧制速度、轧制应变积累、冷却条件方面，较实验室有利，可望通过工业实验提高性能回答了问题：细化到什么程度可以