CN112464519A - 一种桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，所述判定方法为采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型；得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律；将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，把能否发生动态再结晶作为判定桥梁缆索用线材表面轧制裂纹产生的判据。对于优化轧钢工艺、提高线材表面质量，具有非常现实的意义，非常适合在高线轧钢领域推广。
Description
技术领域
本发明属于高速线材轧钢技术领域，特别是涉及一种桥梁缆索镀锌钢丝用热轧盘条轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法。
背景技术
随着我国桥梁建筑技术的飞速发展，桥梁的跨度和规模被一次一次刷新，大型的斜拉桥、悬索桥不断出现在大江大河、山谷沟壑，成为我国工业发展水平的标志。而作为桥梁缆索镀锌钢丝以其高强度、高韧性、大加工硬化率、高使用应力、复杂的疲劳性能、扭转指标等，一直是深加工行业开发中高端品种。作为缆索用钢的母材——热轧盘条其必须要解决的就是表面质量这一关。
表面质量对于线材产品质量的影响一直是金属制品行业和钢厂研究的重点，表面质量的好坏严重影响线材的拉拔性能、使用性能等。目前缆索、冷镦、弹簧、轴承等中高端的线材产品都在表面质量上进行了卓有成效的控制，其中两火成材、连铸坯修模、涡流探伤、超声波探伤、全扒皮、在线表面质量检测、热影像技术等等技术装备不断在钢厂生产得到推广和使用，可以有效的控制铸坯缺陷的遗传，同时在精整环节实现对表面划伤、折叠、耳子、凹坑、麻点、鳞皮等在线监测，为轧线调整和整体质量稳定控制提供手段，但这些措施只能实现轧后调整，而且精整环节严重限制了高线的产量，同时增加了精整成本和设备维修费用，所以怎样从轧钢工艺和物理冶金深层次的研究各种缺陷产生的根本原因，从源头上减少缺陷产生的几率，才是高线研究领域关注的重点。
桥梁缆索镀锌钢丝用热轧盘条尤其是要求扭转指标、抗拉强度1960MPa级别以上的钢丝，对母材盘条表面质量的要求非常高，但是这种强度级别的钢种含有高Si、高Mn、高C，材料的可变形性非常复杂，很容易在轧制过程中产生表面缺陷，这也是目前对各大钢厂开发的难点所在。一方面高合金很容易在连铸和加热过程中产生裂纹；另一方面在轧制过程经常会被20-60μm簇状轧制裂纹缺陷所困扰。
对于这种表面褶皱，其实是表面轧制裂纹的一种形式，是不同于线材普通表面问题的一种缺陷形式，在线材表面上平行于轧制方向，呈现多条簇状分布，而且在表面轧制方向上出现的规律性不强，往往在高合金线材中出现的几率较大，深度在0.1mm左右，有时有几条甚至十几条平行排列分布，其严重影响线材的冷镦性能。对于这种裂纹，钢厂大多在轧辊的辊期上做精细的管理，并通过严格的轧辊冷却制度保证轧辊的表面状态，从而保证轧辊的表面良好，减少表面褶皱的发生率。但是这种表面轧制裂纹的产生和轧制过程坯料的金属流动有很大关系，即轧制过程表面金属流变越容易，越不易产生；金属流变越难，金属流变越大，越容易产生。这就为工艺设计人员提出了很大的考验，如何来判定目前的工艺和轧制条件是否发生轧制表面褶皱成为关注的重点。
首钢研发人员在高线生产过程中对表面褶皱产生的原因进行了分析，并通过孔型优化将冷镦钢三分之一冷顶锻合格率从70％提高到95％；邢钢在开发高合金冷镦钢20CrMnTi、10B21等产品时通过优化铸坯的尺寸、圆角半径等打通了高端冷镦钢产品的瓶颈，在汽车用钢的认证和市场占有率上中起到非常好的作用；鞍钢通过合理的设定生产预案，对轧制过程的各个环节进行统筹评估，力争为高表面质量钢种的生产提供最佳的工装保证能力；国外韩国浦项制铁和神户制钢都在表面褶皱的产生原因进行过分析。但是在钢厂的实际生产过程中表面这周褶皱裂纹时有发生，对产品质量的波动造成很大的影响，往往是伴随钢种钢种质量提升的始终，成为困扰特殊钢企业产品开发表面质量提升的主要环节，最核心的问题是，没有一套完善的评估轧制裂纹发生概率的方法，从轧钢物理冶金的角度建立一种轧制和裂纹产生的相关性研究和判据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，对于优化轧钢工艺、提高线材表面质量，具有非常现实的意义，非常适合在高线轧钢领域推广。
本发明提供的一种桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，所述判定方法为采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型；得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律；将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，把能否发生动态再结晶作为判定桥梁缆索用线材表面轧制裂纹产生的判据。
优选的，采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型的方法为：获得桥梁缆索用线材不同变形温度、变形速率下的应力应变曲线，拟合完成后对所得拟合曲线求导，做出加工硬化率-应力曲线，再连续求两次导数，即获得动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型。
优选的，得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律是采用Deform软件对连铸方坯的各道次轧制进行展开三维有限元模拟而得到的。
优选的，将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型为将通过Deform软件获得的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入桥梁缆索用线材的动态再结晶模型。
优选的，将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，如果坯料表面部分发生剪切变形，但不能动态再结晶，则判定为能够产生表面褶皱；如果坯料表面没有发生剪切变形，无论能否发生动态再结晶都不会产生表面褶皱。
本发明的有益效果：
本发明对高线厂采用连铸方坯开发桥梁缆索镀锌钢丝用热轧盘条过程中出现的表面褶皱缺陷问题进行系统、深入的研究，通过表面裂纹状态分析，结合deform软件对表面褶皱缺陷产生和演变过程进行了回归，对其产生原因进行了阐释，并提出了表面褶皱产生的判据，即采用热模拟等轴压缩的方法，获得动态再结晶的临界应变和缆索用钢的动态再结晶模型；得到各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律；将坯料表面形变的参数，带入钢种的动态再结晶模型，把能否发生动态再结晶作为判定为表面轧制裂纹产生的判据；如果不能发生动态再结晶，则判定为能够产生表面褶皱。同时指导高线粗轧孔型设计和轧钢工艺优化，控制高碳高合金钢表面裂纹，供钢铁企业高线厂品种开发和质量提升参考。
附图说明
图1为不同温度下桥梁缆索镀锌钢丝用钢92Si的应力应变曲线，
图2为不同应变速率下桥梁缆索镀锌钢丝用钢92Si的应力应变曲线，
图3为加工硬化率-应力曲线，
图4软件模拟的轧制过程粗轧第一道次的坯料不同位置的应变分布，
图5软件模拟的轧制过程粗轧第一道次的坯料不同位置的应变速率变化，
图6软件模拟的轧制过程粗轧第一道次的坯料不同位置的温度分布，
图7软件模拟的轧制过程粗轧第一道次的坯料孔型充满情况，
图8为92Si盘条表面出现的轧制褶皱裂纹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例
本实施例的桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法为采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型；得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律；将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，把能否发生动态再结晶作为判定桥梁缆索用线材表面轧制裂纹产生的判据。
具体的，本实施例方法在高线生产桥梁缆索镀锌钢丝用盘条92Si中得到应用，92Si是满足沪通大桥7mm、2000MPa镀锌钢丝用的母材，盘条规格分为14mm，抗拉强度在1500MPa以上，表面十几毫米的裂纹缺陷都会导致用户拉拔前和拉拔过程中引发脆断。
本实施例热模拟等轴压缩试样为加工尺寸是
的圆柱，表面粗糙度Ra控制在0.4，粗糙度大小都会影响热电偶的焊接质量，进而导致热变形数据的导出以及实验的成功率，并在Gleeble3800的热模拟机上进行热变形压缩试验。
热变形1试样以10℃/s的加热速率加热到1250℃保温5min，然后以15℃/s冷却速率冷却到900、950、1000、1050、1100℃各个温度，然后以5s-1的应变速率进行等轴压缩变形，真应变1.2；热变形2试样以10℃/s的加热速率加热到1250℃保温5min，然后以15℃/s冷却速率冷却到1000℃，然后以0.1,1,5,10s-1的应变速率进行压缩变形，真应变1.2，获得两组桥梁缆索镀锌钢丝用盘条的热加工应力应变曲线数据，如图1和图2所示。并对上述两组应力应变曲线通过最小二乘法进行线性拟合，拟合完成后对所得拟合曲线求导，做出加工硬化率-应力曲线，如图所示3，再连续求两次导数，得到该钢种发生动态再结晶的临界条件，即公式(1)，以及判定公式(2)：
Zlin＝5*1015exp(-0.0155do).............................(2)
上式中，ε为真应变，d0为原始奥氏体晶粒尺寸，T为温度，εc为发生动态再结晶的临界应变，Zlin为临界Zener-hollomon参数，即温度补偿变形速率因子，是变形速率和变形温度的函数。
从上式可以看出，当Z一定时，随ε的增加，动态再结晶越容易发生；反之，当ε一定时，随Z值的变大(变形温度较低、变形速率较高时)，动态再结晶越难发生。也就是说，当ε一定时，在某一Z值以上得不到动态再结晶组织，这个值就为上临界值Zc。只有当Z≤Zc,并且当ε≥εc时才能发生动态再结晶，这两个条件缺一不可。
采用DeForm软件对本实施例盘条轧制过程进行模拟计算，对每道次的轧件采用1/4对称建模，轧辊同样采用1/4建模，并根据轴对称再取1/4。以无张力轧制为前提条件，将全部道次分别建模。轧辊与轧件的摩擦系数、换热系数均采用DeForm软件中热变形的预设参数，水冷换热系数根据轧件通过冷却器的速度，取1500-5000W/m2·℃，以获得与现场接近的目标温度为准。
轧制过程中，其应变和应变速率的分布规律不同；针对相同的孔型，其应变与应变速率分布规律基本一致，受压下量和轧制速度的影响，应变和应变速率大小不一。主要以粗轧孔型为例，分别研究应变、应变速率、温度的分布规律，如图4、5、6所示。将其带入动态再结晶模型，可以发现盘条表面位置发生动态再结晶的可能与否。
随着应变量增加，金属内部的畸变能不断升高，当畸变能达到一定程度后，才发生奥氏体动态再结晶，即动态再结晶的发生需要超过一临界应变，常用εc表示。
式中，Z为Zener-hollomon参数，即温度补偿变形速率因子，是变形速率和变形温度的函数，ε为真应变，Qd为热变形激活能(J/mol)，R为气体常数，T为温度。
动态再结晶本身热激活的过程的出发，临界应变与临界Z参数存在某种内在的联系，等效应变大于临界应变，Z参数小于临界Z参数为动态再结晶的发生提供了可能。
根据各个道次轧制孔型的特征，可以分析出轧制过程发生接触和剪切变形的位置，通过孔型设计软件可以精确的算出该料型在孔型内的充满度，以此来判定轧制过程该位置是否发生了变形，如图7所示，如果坯料表面部分发生剪切变形，但不能动态再结晶，则判定为能够产生表面褶皱；如果坯料表面没有发生剪切变形，无论能否发生动态再结晶都不会产生表面褶皱。
对比在盘条表面局部位置上发现的褶皱裂纹，如图8所示，在轧制过程是发生了轧制褶皱裂纹发生的临界条件的。之所以在角部位置出现这种簇状缺陷，和粗轧过程的坯料表面的变形有直接关系，当铸坯咬入孔型过程中，坯料与粗轧辊接触，表面温度急剧下降到700℃以下，但此时角部位置却由于高线轧制和孔型设计的特点承受较大的变形，所以造成角部成为典型的低温刚塑性变形区，铸坯角部金属塑性流变性下降，造成表面金属出现褶皱。
通过本实施例合理的设定了粗轧的孔型，保证轧制过程表面各位置尤其是角部的物理冶金形变条件，最终将消除了盘条表面轧制裂纹，满足了大桥对桥梁镀锌钢丝用热轧盘条的需求。
Claims (5)
1.一种桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，其特征在于：所述判定方法为采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型；得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律；将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，把能否发生动态再结晶作为判定桥梁缆索用线材表面轧制裂纹产生的判据。
2.根据权利要求1所述的桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，其特征在于：采用热模拟等轴压缩的方法，获得桥梁缆索用线材的动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型的方法为：获得桥梁缆索用线材不同变形温度、变形速率下的应力应变曲线，拟合完成后对所得拟合曲线求导，做出加工硬化率-应力曲线，再连续求两次导数，即获得动态再结晶的临界应变和动态再结晶模型。
3.根据权利要求1所述的桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，其特征在于：得到桥梁缆索用线材各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律是采用Deform软件对连铸方坯的各道次轧制进行展开三维有限元模拟而得到的。
4.根据权利要求3所述的桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，其特征在于：将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型为将通过Deform软件获得的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入桥梁缆索用线材的动态再结晶模型。
5.根据权利要求1所述的桥梁缆索用线材轧制表面褶皱裂纹产生的判定方法，其特征在于：将所述得到的各道次坯料表面各位置轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律带入所述的动态再结晶模型，如果坯料表面部分发生剪切变形，但不能动态再结晶，则判定为能够产生表面褶皱；如果坯料表面没有发生剪切变形，无论能否发生动态再结晶都不会产生表面褶皱。
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| CN106053754A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-10-26 | 中南大学 | 一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法 |
| CN106929783A (zh) * | 2015-12-31 | 2017-07-07 | 中国科学院金属研究所 | 一种高温合金gh984g18热加工工艺的制定方法 |
| CN107058923A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-08-18 | 青岛理工大学 | 一种镁合金热加工工艺优化新方法 |
| CN111024513A (zh) * | 2019-12-19 | 2020-04-17 | 东北大学 | 一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法 |
-
2020
- 2020-10-27 CN CN202011161291.4A patent/CN112464519A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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| CN115597631A (zh) * | 2022-12-14 | 2023-01-13 | 西安航天精密机电研究所（Cn） | 一种液浮陀螺的轴承组件表面缺陷检测方法 |
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