特殊钢属于高附加值、高技术含量的钢种,它是衡量一个国家是否为钢铁强国的重要标志。直接切削用非调质钢作为一种典型的特殊钢,具有节能环保、生产周期短、性价比高等优点,拥有广阔的市场前景。然而,我国对该钢种的研究还严重匮乏,其生产过程中的微观组织演变规律还不明确,该钢种大棒材产品还存在生产效率低、控冷工艺差、产品质量不足等问题。为此,本论文以直接切削用非调质钢大棒材为研究对象,设计了适用于大棒材生产的控冷工艺,并通过以数值模拟为主和适量实验验证的方法,对该钢种大棒材控轧控冷全过程进行了研究,为提高直接切削用非调质钢大棒材生产效率和产品质量提供了理论和应用依据。具体内容和结论包括以下几个方面:1.为了研究直接切削用非调质钢SG4201在热加工过程中的微观组织演变规律,本文利用Gleeble1500热力模拟试验机对该钢种进行了物理模拟实验。系统地研究了该钢种的晶粒长大行为、动态再结晶行为、亚动态再结晶行为和静态再结晶行为,并相应的建立了能够描述该钢种晶粒长大和再结晶行为的数学模型。利用Formastor-FII相变测定试验机测量了直接切削用非调质钢SG4201的等温转变曲线,得到了该钢种不同等温条件下的相变规律及相变后的组织相貌,为控冷过程中奥氏体等温转变数值模拟提供了实验基础。2.为了研究直接切削用非调质钢SG4201大棒材控轧过程的微观组织演变机理,本文利用有限元软件MSC.Marc及其二次开发功能,并结合SG4201钢奥氏体晶粒演变数学模型,建立了该钢种大棒材控轧过程热-力-组织多场耦合有限元模型。模拟得到了不同规格大棒材在控轧过程中的宏观物理场量的分布和演变,以及奥氏体组织的分布和演变,这包括不同类型的再结晶体积分数和平均晶粒尺寸。以上研究结果揭示了直接切削用非调质大棒材控轧过程奥氏体晶粒演变规律。通过现场测量数据验证了有限元模拟结果的准确性。3.本文设计了直接切削用非调质钢SG4201大棒材控冷过程生产工艺,并在实际应用中取得良好效果。为了进一步研究SG4201大棒材控冷过程的相变规律和温度变化,又利用有限元软件MSC.Marc及其二次开发功能,并结合SG4201钢奥氏体等温转变曲线,建立了该钢种大棒材控冷过程的热-组织耦合有限元模型。通过模拟得到了不同规格大棒材控冷过程的温度和组织演变结果,揭示了直接切削用非调质钢大棒材控冷过程奥氏体等温转变规律。控冷过程的模拟结果得到了实验验证。4.研究发现,控轧过程待温时间过长是导致大棒材生产效率低的主要原因,而大棒材产品表面硬度高则是由于控冷过程产生了高硬度马氏体。为此,本文提出了多种工艺优化方案,并通过数值模拟的方法对不同工艺的优化效果进行了对比分析,最后确定间断式穿水冷却工艺为控轧过程最佳待温工艺,而控冷过程最佳工艺为增加穿水水箱数量并适当减小单个水箱水量。采用最佳控轧控冷工艺生产的直接切削用非调质钢大棒材,其生产效率可提高16-23%,且棒材表面硬化层可基本消除,产品的切削加工性能得到提高。