Моделирование роста зерна аустенита при производстве Толстого листа из высокопрочной стали s780

Филатов Андрей Николаевич; Труфанов Иван Эдуардович; Матюнин Андрей Геннадьевич; Третьяков Владимир Аркадьевич; Шкатов Валерий Викторович

УДК 519.8:669:620.186.82

МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА ЗЕРНА АУСТЕНИТА ПРИ

ПРОИЗВОДСТВЕ ТОЛСТОГО ЛИСТА ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ

СТАЛИ S780 Филатов Андрей Николаевич, аспирант (e-mail: radoss48@gmail.com) Труфанов Иван Эдуардович, аспирант (e-mail: supervanya@list.ru) Матюнин Андрей Геннадьевич, аспирант (e-mail: faitmarik@bk.ru) Третьяков Владимир Аркадьевич, д.т.н., профессор (e-mail: tva@stu.lipetsk.ru) Шкатов Валерий Викторович, д.т.н., профессор (e-mail: shkatov@mail.ru)

Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия

В данной статье представлено моделирование роста зерна в слябе при производстве высокопрочных низкоуглеродистых хромомолибденовых бейнито-мартенситных сталей во время процесса горячей прокатки. Результатом моделирования является прогноз размер зерна аустенита в двух сечениях (центральном/боковом) на каждом этапе прокатки.

Ключевые слова: моделирование, высокопрочные стали, прокатка, рост зерна аустенита, рекристаллизация.

Создание математических моделей фазовых и структурных превращений сталей при термической, термомеханической, химико-термической обработках является необходимым условием для целенаправленного управления формированием их структуры и свойств, оптимизации технологических процессов, разработки систем автоматизированного проектирования технологий [1].

Для моделирования были использованы данные многостадийной прокатки для стали S780 (табл. 1), применяемой на заводе DanSteel A/S (табл. 2).

Таблица 1 - Химический состав стали S780.

C Mn Si P S Cr Cu Ni Sn Mo As Al Nb V N Ti

0,100 1,450 0,25 0,001 0,005 0,000 0,100 0,200 0,000 0,020 0,000 0,025 0,025 0,030 0,006 0,010

Таблица 2 - Параметры

режима многостадийной прокатки.

Ph. Thick

Width Length Thick

Width Length Reduc. Spread Phi Eps RollGap

Temp EritryT

Ttr.-In

TaiiOut Force

Torque

Torque Torque Used

: Force Shift

cold cold hot

hot hot hot hot

equiv.

reduc.

Stand

Aver, Surf,

Surf,

max usage

Model Total

Prof,

(ТИ) [mm]

[mm] [mm] [mm]

[mm]

[mm] [mm]

M [mm]

га И

ra

[mm]

И [mm]

2005.0 2133,0 351,97

0,00

1140,0 0

2040,5 2327.7 24,09

2007.6 2475,3 301,42

2041,9 2517.6 26,39

2529,2 2183.5 19,56

2530,2 2344.5 19,47

2531,1 2517.5 18,13

2490.0 2639,3 227,30

2703,1 2823.9 23,50

2660.4 3129,6 180,70

2705,0 3182.1 23,07

2706,9 3615.0 21,76

2664.5 4083,5 138,27

2708,9 4151.6 20,65

TM-Break

2664.5 4083,5 137,56

2695,1 4130.4 0.01 -0.10

2664.9 4302,1 130,55

2695,5 4351.5 7.01 0,59

2665.2 4476,9 125,44

2695,8 4528.3 5.10 0,42

2665.5 4664,7 120,38

2696,2 4718.3 5.06 0,43

2665.9 4873,1 115,22

2696,6 4929.2 5.16 0,46

2697,0 5167.4 5.32 0,50

2667.1 5682,1 98.77

2697,9 5747.8 5.64 0,60

2667.5 6032,7 93.02

2698,4 6102.6 5.75 0,65

2699,0 6510.8 5.84 0,71

2699,7 6973.5 5.79 0,75

2650.0 6941,7 81.37

Для прогнозирования применялась модель [2] , основанная на уравнении Аврами (1).

d = A exp^- RT

где, d - размер зерна, ^m; A - константа, определяемая экспериментально, Q - энергия активации роста зерна; R - универсальная газовая постоянная; T - температура аустенизации, K; t - время аустенизации, с; n - временная экспонента.

Для определения температуры аустенизации была найдена критическая точка A3 :

A3 = 910- 203/С + 44.7Si - 15.2Ni + 31.5Mo+104^ + 13.1W - 30.0Mn+11.0Cr + 20.0Cw - 700P -

400AI -120As - 400Ti

Энергия активации рекристаллизации зависит от содержания элементов в стали и описывается единой для всех сталей (углеродистых, низколегированных, с карбонитридным упрочнением) зависимостью (1):

Q =148634,8 - 71981,3[C] + 56537,6[Si] + 21180[Mn] + 121243,3[Mo] + 64469,6[V] + 109731,9[Nb]0,15 Дж/моль

Кинетика роста зерна dGR зависит от состава стали, временных параметров и экспериментально определенных коэффициентов и рассчитывается по уравнениям (табл. 3).

Таблица 3 - Уравнения для расчёта кинетики рекристаллизации величины _зерна_

Уравнения Описание переменных

Статическая рекристаллизация: Хг = 1 - ехр - 0,693(—)п % 0,5 %0,5 = A -ёр -ёq • Ds • ехр(|Т) , 36000, п = 28,33 • ехр( ) ЯТ 1 (1п ^» = 11 0,05 0,95 = %0,5 , 1 0,5 ) аг = 1,4 • а00,56 -ё 1 Остаточный наклеп: ёоси = Кв-ё-(1 - Хг) Рост зерна аустенита: ,45 ( \ ( 435000^ аок = а4,5 = 4,5 X1023 • ((- %0,95)- ехр^--—) Хг - доля рекристаллизо-ванного аустенита, % - текущее время, %0:5 - время, соответствующее 50% рекристаллизации, А, р, д, s, Q - коэффициенты, определяемые экспериментально, Я - универсальная газовая постоянная, ё - истиная деформация, ё - скорость деформации, %0.95 - время прохождения 95% рекристаллизации, аг - размер зерна после статической рекристаллизации, £ост - остаточный наклеп, аоЯ - размер после роста зерна.

По значениям деформационных и температурных параметров, представленных в таблице 3 с применением, описанной выше модели был спрогнозирован размер зерна аустенита на каждом проходе прокатки (табл.4,5).

Таблица 4 - Исходные и расчетные параметры размера зерна в центральном сечении

Параметры деформации Рекристаллизация Зерно

№ прохода скорость (мм/с) К мм 1т, мм Т,°С Тпг,-С Время,с От. обж. Ист. деф. Ск.ист. деф., с1 Ист. деф. (р) Ск.ист. деф.(р),с1 Q, Дж/моль 10.5, с п Хг, доли Ю.95, с Ост. наклеп Рг, мкм Dr.gr, мкм

1 50 355 327,82 1026 1128,418 28,8 0, 08 0, 09 0,11 0,09 1,11 307897,6 516,5326 1,009527 0 2201,792 0,073365 116,5491 116,5491

2 30 327,82 301,42 1022 1008,448 8,9 0, 08 0, 08 0,05 0,10 0,89 307897,6 214,4731 0,999324 0,02844 927,8554 0,12529 117,0039 117,0039

3 50 301,42 281,83 1011 1002,772 20,3 0, 06 0, 08 0,12 0,08 1,20 307897,6 132,3595 0,9711 0,106253 597,5177 0,155108 115,0591 115,0591

4 50 281,83 262,36 1004 951,4664 7,4 0, 07 0, 07 0,08 0,08 1,10 307897,6 128,6025 0,954718 0,044416 595,7674 0,184786 113,8463 113,8463

5 50 262,36 244,21 1002 938,7649 7,6 0, 07 0, 07 0,10 0,08 1,13 307897,6 105,999 0,948612 0,055367 495,924 0,205758 111,8308 111,8308

6 30 244,21 227,30 999 927,9274 7,8 0, 07 0, 08 0,04 0,08 1,12 307897,6 90,68477 0,942249 0,066448 428,719 0,226063 108,9827 108,9827

7 2 00 227,3 203,77 997 933,1035 20,2 0, 10 0, 13 0,11 0,13 2,31 307897,6 42,52602 0,936255 0,292185 203,0545 0,211509 93,23547 93,23547

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8 2 50 203,77 180,70 994 896,9675 7 0, 11 0, 13 0,12 0,14 2,91 307897,6 38,9269 0,929404 0,131361 188,0235 0,248566 87,91229 87,91229

9 2 60 180,7 158,93 995 879,7687 6,75 0, 12 0, 14 0,20 0,15 3,42 307897,6 25,65728 0,931109 0,181363 123,5723 0,268364 80,04303 80,04303

10 2 20 158,93 138,27 1004 1064,031 1439,35 0, 13 0, 20 0,20 0,16 4,23 307897,6 11,89164 0,953655 0 55,18381 0,3944 80,04303 80,04303

11 2, 10 138,27 130,55 741 893,9333 14,35 0 06 0 06 0,07 0,07 2,01 307897,6 33979,02 0,396027 0 1368824 0,385713 80,04303 80,04303

12 2, 00 130,55 125,44 738 874,4311 6,65 0, 04 0, 04 0,03 0,05 1 68 307897,6 46218,56 0,391622 0 1940913 0,364015 80,04303 80,04303

13 1, 90 125,44 120,38 735 875,1034 6,85 0, 04 0, 06 0,08 0,05 2,15 307897,6 47223,31 0,386299 0 2087926 0,357863 80,04303 80,04303

14 1, 90 120,38 115,22 738 879,6326 6,85 0, 04 0, 05 0,10 0,05 1,87 307897,6 49286,23 0,390624 0 2089605 0,346777 80,04303 80,04303

15 1, 90 115,22 109,89 740 875,2198 6,95 0, 05 0, 07 0,03 0,05 2,56 307897,6 37029,14 0,394178 0 1517780 0,353997 80,04303 80,04303

16 2, 00 109,89 104,41 743 875,8447 6,9 0, 05 0, 06 0,04 0,06 2,36 307897,6 34672,43 0,399391 0 1353941 0,353461 80,04303 80,04303

17 2, 10 104,41 98,77 746 866,7316 6,9 0, 05 0, 09 0,18 0,06 3,42 307897,6 23105,76 0,403822 0 866706,7 0,37395 80,04303 80,04303

18 2, 40 98,77 93,02 748 860,9235 6,9 0, 06 0, 09 0,03 0,07 3,87 307897,6 17898,93 0,408367 0 644849,3 0,391417 80,04303 80,04303

19 2, 80 93,02 87,17 751 846,3988 6,9 0, 06 0, 12 0,17 0,08 6,16 307897,6 10317,1 0,412849 0 357511,4 0,433914 80,04303 80,04303

20 3,2 87,17 81,38 757 830,8858 6,8 0, 07 0, 14 0,18 0,08 8,51 307897,6 5519,483 0,422801 0 175950,1 0,490428 80,04303 80,04303

21 2,5 81,38 81,37 761 808,8309 6,5 0, 00 0, 09 0,12 0,00 99,49 307897,6 1296,129 0,429625 0 39107,33 0,492505 80,04303 80,04303

Таблица 5 - Исходные и расчетные параметры размера зерна в боковом се-

чении

Параметры деформации Рекристаллизация Зерно

№ прохода скорость (мм/с) Н, мм 11, мм Т,°С Тпг, -С Время,с От. обж. Ист. деф. Ск.ист. деф., с-1 Ист. деф. (р) Ск.ист. деф.(р),с-1 0, Дж/моль 10.5, с п X, доли 10.95, с Ост. наклеп Сг, мкм Ог_дг, мкм

1 1,50 355 327,82 1087 1133,244 28,8 0,08 0,09 0,72 0,09 1,11 307897,6 184,3451 1,174941 0 640,709 0,073365 133,5656 133,5656

2 1,30 327,82 301,42 1059 1011,566 8,9 0,08 0,08 0,65 0,10 0,89 307897,6 121,5036 1,097026 0,038668 461,3649 0,123971 133,9323 133,9323

3 1,50 301,42 281,83 1047 1025,266 20,3 0,06 0,08 0,14 0,08 1,20 307897,6 203,2715 1,065823 0,0578 802,594 0,162461 132,3844 132,3844

4 1,50 281,83 262,36 1040 948,8676 7,4 0,07 0,07 0,99 0,08 1,10 307897,6 63,76823 1,046483 0,070252 258,2535 0,185601 129,5439 129,5439

5 1,50 262,36 244,21 1037 939,1465 7,6 0,07 0,07 1,04 0,08 1,13 307897,6 55,04153 1,038593 0,084926 225,2926 0,199953 125,5903 125,5903

6 1,30 244,21 227,30 1034 937,7684 7,8 0,07 0,08 0,50 0,08 1,12 307897,6 72,61551 1,030865 0,067201 300,3823 0,221278 122,1993 122,1993

7 2,00 227,3 203,77 1031 946,9489 20,2 0,10 0,13 0,63 0,13 2,31 307897,6 44,69816 1,022734 0,265034 186,998 0,216633 105,5938 105,5938

8 2,50 203,77 180,70 1027 902,0965 7 0,11 0,13 1,37 0,14 2,91 307897,6 29,53177 1,012846 0,149083 125,2866 0,247201 98,15107 98,15107

9 2,60 180,7 158,93 1027 889,0444 6,75 0,12 0,14 1,25 0,15 3,42 307897,6 23,32044 1,012941 0,179319 98,92209 0,268082 89 0727 89 0727

10 2,20 158,93 138,27 1054 1078,632 1439,35 0,13 0,20 1,09 0,16 4,23 307897,6 8,941529 1,083675 0 34,51484 0,39416 89 0727 '89 0727

11 2,10 138,27 130,55 750 920,5419 14,35 0,06 0,06 0,11 0,07 2,01 307897,6 124844,7 0,412013 0 4357420 0,385509 89, 0727 89 0727

12 2,00 130,55 125,44 748 900,555 6,65 0,04 0,04 0,09 0,05 1,68 307897,6 171570,6 0,407118 0 6249575 0,363842 89, 0727 89 0727

13 1,90 125,44 120,38 744 887,7697 6,85 0,04 0,06 0,51 0,05 2,15 307897,6 79979,45 0,400919 0 3079857 0,357716 89, 0727 89 0727

14 1,90 120,38 115,22 746 891,6726 6,85 0,04 0,05 0,48 0,05 1,87 307897,6 83003,36 0,403686 0 3117301 0,346652 89, 0727 89 0727

15 1,90 115,22 109,89 747 894,154 6,95 0,05 0,07 0,30 0,05 2,56 307897,6 97073,92 0,406043 0 3569800 0,35389 89, 0727 89 0727

16 2,00 109,89 104,41 750 896,4387 6,9 0,05 0,06 0,23 0,06 2,36 307897,6 100264,7 0,411387 0 3518459 0,353371 89, 0727 89 0727

17 2,10 104,41 98,77 753 883,5759 6,9 0,05 0,09 0,50 0,06 3,42 307897,6 54625,63 0,415567 0 1849528 0,373873 89, 0727 89 0727

18 2,40 98,77 93,02 756 879,7835 6,9 0,06 0,09 0,44 0,07 3,87 307897,6 47741,68 0,420715 0 1548254 0,391351 89, 0727 89 0727

19 2,80 93,02 87,17 758 879,4424 6,9 0,06 0,12 0,13 0,08 6,16 307897,6 66818,8 0,425237 0 2088217 0,433858 89, 0727 89 0727

20 3,2 87,17 81,38 766 850,7691 6,8 0,07 0,14 0,80 0,08 8,51 307897,6 15444,57 0,438935 0 433514,3 0,49038 89, 0727 89 0727

21 2,5 81,38 81,37 770 857,7871 6,5 0,00 0,09 0,28 0,00 99,49 307897,6 23287,35 0,446119 0 619479,4 0,492465 89, 0727 89 0727

На заключительном этапе исследования был проведен металлографический анализ образцов стали 8780 после соответствующего режима прокатки. На рисунке 1а, представлена характерная микроструктура для центрального сечения сляба, а на рисунке 1б - бокового.

Размер зерна был посчитан методом секущих (гост) при 10 полях зрения. В итоге установлено, что средний размер зерна, на конец прокатки, в центральном сечении соответствует 85 мкм, а в боковом - 93 мкм. Данные значения хорошо согласуются со значениями, полученными при модели-

ровании

Рисунок 1 - Бывшее аустенитное зерно после прокатки а - центральное, б -боковое. Увеличение х400. Травление в водном растворе пикриновой ки-

слоты

Выводы

Проведено моделирование роста зерна в слябе при производстве высокопрочных сталей во время процесса горячей прокатки в двух сечениях. Определен размер зерна на каждом этапе прокатки.

С помощью металлографических исследований получено хорошее соотношение экспериментальных и расчетных данных.

Список литературы

1. Шкатов В.В., Богомолов И.В., Шкатов В.В. Математическое моделирование превращения переохлажденного аустенита в доэвтектоидных сталях // Сборник научных трудов 5-ой Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях». Курск, 2015. С.353-357.

2. Филатов А.Н., Матюнин А.Г., Третьяков В.А., Шкатов В.В. Моделирование методом конечных элементов деформации слитка на прессе с прогнозом размера зерна ау-стенита // Сборник научных статей Международной научной Конференции студентов и молодых ученых: «Молодежь и системная модернизация страны» в 2-х томах. Курск, 2016. С. 257-262.

3. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. М.: ИПК Издательство стандартов, 1994. 22 с.

Filatov Andrey Nikolaevich, PhD student

(e-mail: radoss48@gmail.comj