大尺寸棒材轧制作为一种型钢轧制工艺技术,可生产非调质钢、轴承钢、管坯用钢、弹簧钢等,具有生产效率高、经济效益显著等特点,在国民经济发展中起着重要作用。但与中小规格棒材相比较,大尺寸棒材轧制有其特殊性,其生产过程还存在诸多问题。为了精确控制轧制过程,生产高性能、高技术含量和高附加值的大尺寸棒材产品,需要对其轧制过程中轧件内部温度、应变、应变速率等各宏观场量和奥氏体晶粒尺寸、过冷奥氏体相变产物等各微观场量的分布和演变进行较为全面、细致地研究。但考虑到轧制过程的复杂性和成本问题,传统的在线实验方法已经不能满足研究的需要。近几年来,以物理冶金和有限元理论为基础的多场耦合数值模拟方法已经成为研究轧制过程的重要工具。借助该工具,研究人员可以实现虚拟轧钢,不仅可以研究现有轧制工艺,而且能够对轧钢过程进行工艺优化,预测产品性能。在前期工作的基础上,本论文基于实际轧钢过程,采用有限元数值模拟与实验相结合的研究方法,围绕特殊钢大尺寸棒材往复热轧过程热-力-组织多场耦合数值模拟与工艺优化这一主题展开研究,主要研究内容和结论如下：1.为了对38MnVS6非调质钢(38MnVS6钢)大尺寸棒材往复热轧过程进行热-力-组织多场耦合数值模拟,首先开展了38MnVS6钢奥氏体动态再结晶实验、亚动态再结晶实验、静态再结晶实验、晶粒长大实验和等温转变实验,系统的研究了38MnVS6钢奥氏体晶粒演变行为和等温转变行为,得到了一整套适用于研究38MnVS6钢大尺寸棒材往复热轧过程奥氏体晶粒演变的数学模型和过冷奥氏体相变的等温转变曲线。2.基于实际轧钢生产线和轧制规程,利用有限元软件MSC.Marc及其二次开发功能,建立了38MnVS6钢和GCr15轴承钢(GCr15钢)大尺寸棒材往复热轧过程的多场耦合有限元模型,实现了这两个钢种大尺寸棒材往复轧制过程的三维热-力-组织多场耦合数值模拟和轧后冷却过程的二维热-相变耦合数值模拟,详细分析了轧制过程中轧件内部温度、应变、应变速率、奥氏体晶粒尺寸和过冷奥氏体相变产物的分布和演变情况。其中温度、晶粒尺寸和相变产物的模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的准确性。3.详细分析并比较了不同规格的38MnVS6和GCr15钢大尺寸棒材往复热轧过程中轧件内部各场量的分布与演变规律。模拟结果表明,轧制过程中轧件内部奥氏体晶粒在温度、应变、应变速率等的作用下,发生动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大,晶粒尺寸总体上不断减小；不同规格棒材轧制过程中轧件内部各场量的变化趋势基本相似,但棒材尺寸越大,轧制过程中轧件内部温度越高,各场量的分布越不均匀,导致奥氏体晶粒尺寸及其分布的不均匀性越大：特别是GCrl5钢Φ150mmm棒材,其轧制结束后中心奥氏体晶粒尺寸达到了88pm,表面与中心相差72μm。与38MnVS6钢相比较,GCr15钢棒材轧制过程中轧件内部再结晶及晶粒长大行为对轧制参数的变化更为敏感。4.为改善轧后棒材内部微观组织,设计了4类特殊钢大尺寸棒材轧制控温方案,从各类方案中选取多种工艺对GCr15钢Φ150mm棒材往复热轧过程进行了优化。然后根据典型工艺的优化结果,比较了各类方案的优缺点,得到了其中一类最优方案。最后基于该类方案,对其他规格的38MnVS6和GCr15钢大尺寸棒材往复热轧过程进行了工艺优化。结果表明,该类方案既能有效地降低热轧过程中轧件中心温度,又能减小内部温差,从而改善了轧后棒材内部奥氏体晶粒尺寸及其分布。基于该优化过程,某特钢公司对其特殊钢大尺寸棒材生产线进行了改造,进一步提高了产品的质量。