本文的研究对象为GCr15轴承钢轧前均匀化加热过程。通过对钢坯升温和组织转变过程进行详细的实验和数值模拟研究,建立了钢坯温度预测与组织转变相耦合的数值计算模型,实现了轴承钢轧前加热过程的组织转变预测,为加热制度的优化提供了理论依据。在实验研究方面:本文利用DIL805型膨胀仪分别对轴承钢等温及匀速加热过程中奥氏体化转变动力学进行了研究;利用高温加热炉研究了高温情况下奥氏体晶粒长大的规律,建立了奥氏体晶粒长大动力学模型;利用等温加热实验研究了连铸坯芯部大块状碳化物的溶解动力学。在数值模拟方面:本文建立了炉内钢坯温度预测模型;采用三维元胞自动机模型对轴承钢的奥氏体化转变、奥氏体晶粒长大过程进行了数值模拟研究;采用二维扩散模型对大块状碳化物的溶解过程进行了数值模拟研究;最后,将温度预测模型与组织转变模型相耦合,建立了钢坯轧前加热过程中的组织转变预测模型。综合本文所做工作,本文的主要研究内容包括以下几方面:(1)利用热膨胀仪研究了轴承钢的珠光体组织在等温和连续加热过程中向奥氏体的转变过程。结果表明:珠光体的奥氏体化过程可以分为铁素体和渗碳体协同溶解和残余渗碳体溶解两个阶段。随着等温转变温度或者加热速度的上升,第一阶段转变结束后奥氏体中碳元素的浓度下降,同时残余渗碳体的体积分数上升。通过对实验数据的总结,得到了匀速加热过程中轴承钢奥氏体化转变的温度节点与加热速度之间的关联式。最后,对轴承钢奥氏体化转变进行了动力学和热力学分析,结果表明:当温度低于805℃时,转变过程主要由Cr元素的扩散控制,否则转变过程由C元素的扩散控制。(2)通过金相法研究了奥氏体晶粒长大过程,得到了奥氏体晶粒长大的动力学公式,并且研究了加热过程中成分分布的不均匀性对晶粒尺寸分布规律的影响。结果表明:在加热温度较低并且加热时间较短的情况下,由于成分分布不均匀,奥氏体晶粒尺寸分布满足log-normal函数所描述的关系;当加热温度较高并且加热时间较长的情况下,随着成分分布逐渐均匀化,奥氏体晶粒尺寸的分布逐渐靠近Weibull函数所描述的关系。(3)运用金相法研究了轴承钢连铸坯芯部大块状碳化物溶解的规律。由于轴承钢连铸坯芯部大块状碳化物体积巨大,且不同碳化物之间形状差异较大,因此传统的球形简化很难较为准确的描述碳化物的形状和尺寸。本文通过跟踪单个大块状碳化物加热过程中的尺寸变化,同时在理论分析的基础上提出了新型的描述大块状碳化物截面积与加热时间之间的线性关联式。(4)建立了轴承钢奥氏体化过程的三维元胞自动机模型。在奥氏体化过程中,由于珠光体的层片取向与奥氏体的生长方向之间有一定的夹角,造成了奥氏体在不同方向上的长大速度不同。本文通过三维元胞自动机模型对珠光体的奥氏体化过程进行了预测,并且对奥氏体晶粒在珠光体基体中长大速度的各向异性现象进行了分析,取得了较好的模拟结果。(5)建立了轴承钢奥氏体晶粒长大的三维元胞自动机模型。由于奥氏体晶粒长大过程为曲率驱动的过程,因此对三维晶界曲率的精确描述是该模型的基础。本文在前人研究的基础上提出了新型的三维曲率的表达式,并且在此基础上建立了三维晶粒尺寸预测的元胞自动机模型。通过将该模型的计算结果与前人模型以及实验结果进行对比,证明了本模型的合理性。(6)建立了轴承钢芯部大块状碳化物溶解过程的二维扩散模型。由于轴承钢芯部大块状碳化物的形貌复杂,因此溶解过程也较为复杂,用简单的几何形状对大块状碳化物进行合理简化较为困难。本文将真实的大块状碳化物金相图转变为二维的物理模型,在热力学和动力学参数的基础上建立了复杂形貌大块状碳化物的溶解模型。将该模型的计算结果与分析模型和实验结果进行了对比,表明该模型能较为合理的描述碳化物的溶解过程。(7)建立了轴承钢连铸坯炉内均匀化加热过程的温度和组织的耦合预测模型。利用该模型对某公司实际应用的加热制度进行了评价和优化。在保证钢坯的出炉温度满足轧制要求,同时芯部大块状碳化物完全溶解的前提下,利用该加热制度可将平均在炉时间从原来的350min缩短至146.6min,生产效率提高1.39倍,并实现平均节省吨钢能耗0.03GJ/t的优化目标。本文的研究工作虽然是针对GCr15轴承钢的加热过程进行的,但是研究成果具有一定的普遍意义。实验的研究结果和方法可以有条件的推广到其他低合金高碳钢,元胞自动机模型也可以应用于其它钢种的研究中。