Návod pro cvičení z předmětu Válcování

Transkript

1 Návod pro cvičení z předmětu Válcování Metodika stanovení vlivu deformačního tepla na teplotní změny v intenzivně tvářeném Vypracováno v roce 2017 za podpory projektu RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření na Katedře tváření na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství na VŠB-TU Ostrava. Řešitelé projektu: Ing. Petr Kawulok, Ph.D., Ing. Rostislav Kawulok, Ph.D., Ing. Stanislav Rusz, Ph.D.

2 1. TEORETICKÝ ÚVOD DO ZKOUMANÉ PROBLEMATIKY Jednotlivé typy válcovaných produktů se válcují na různých typech válcovacích stolic, resp. s použitím různých typů válců. Ploché vývalky (pásy, plechy, pásnice, atd.) jsou válcovány na hladkých válcích, zatímco tvarové vývalky jsou válcovány na válcích, které jsou opatřeny zářezy. Dva zářezy dvou nad sebou uložených válců pak tvoří kalibr viz obr. 1, jehož účelem je redukovat příčný průřez provalku na požadovaný finální tvar (tyče, dráty, nosníky, kolejnice, štětovnice, atd.). V případě válcování na hladkých válcích se změna tloušťky válcovaného kovu docílí změnou vzdálenosti mezi válci. V tomto případě se jedná o rovnoměrný úběr po celé šířce provalku, který je doprovázen volným šířením. Válcování tvarové oceli se provádí na kalibrovaných válcích, tj. válcích se speciálně provedenými zářezy, které svým tvarem odpovídají požadované změně válcovaného kovu. Válcování v kalibrech je charakterizováno výrazným nerovnoměrným úběrem, resp. výraznou nerovnoměrnou deformací, která je v příčném řezu po šířce kalibru značně rozdílná. 1.1 Válcování tyčové oceli Vstupním materiálem pro válcování tyčové oceli jsou především válcované, nebo plynule lité bloky a sochory. Rozměry příčného průřezu se volí podle výrobního programu, doválcovací rychlosti a použitého druhu vsázky. Podle všeobecných zásad musí být minimální stupeň protváření pro běžné oceli 5-8, pro ušlechtilé oceli 8-10 a pro vysokolegované oceli Kruhová ocel se podle velikosti válcovaného průřezu válcuje na hrubých, středních nebo jemných tratích, přičemž rozsah válcovaného průřezu je limitovaný typem, konstrukcí a uspořádáním stolic a podle toho je pak zvolen optimální typ kalibrace. Pro válcování kruhové oceli se nejčastěji používá kalibrační řada ovál - kruh nebo ovál - pěchovací ovál - kruh. Čtvercová ocel se vyznačuje přesným tvarem průřezu a ostrými hranami s čistým a hladkým povrchem. Pro kalibraci čtvercové oceli se nejčastěji používá soustava kosočtverec - čtverec nebo čtverec - čtverec. Plochou ocelí se rozumí ploché tyče s obdélníkovým příčným průřezem s ostrými hranami Válcovací tratě pro válcování tyčové oceli Vývalky se rozdělují podle metrové hmotnosti a velikosti příčného průřezu na těžké, hrubé, střední a jemné. Válcovací tratě pro válcování tyčové oceli lze rozdělit podle: konstrukce válcovacích stolic a počtu válců, způsobu otáčení válců, uspořádání válcovacích stolic, druhu vývalků a průměru pracovních válců. Obr. 1: Příklad válců používaných při válcování sochorů

3 Otevřené válcovací tratě bývaly složeny z několika válcovacích stolic a byly rozděleny do několika pořadí. Předválcovací pořadí bylo složeno z vratných dvou až tří trio nebo duo stolic (průměr válců mm). Střední pořadí bylo složeno ze tří až čtyř duo nebo trio stolic a hotovní pořadí bylo sestaveno z pěti až sedmi stolic, které byly opět typu duo nebo trio (průměr válců mm). Přesazené válcovací tratě jsou průběžné tratě a jsou složeny z duo nebo trio stolic pracujících v několika pořadích, přičemž průměry pracovních válců jsou podobné jako u válců používaných na otevřených tratích. Polospojité tratě byly zavedeny kvůli zvyšujícím se nárokům na objem výroby. Tento typ tratí je složen ze dvou až tří pořadí. Bývají uspořádány buď se spojitým předválcovacím a středním pořadím, přičemž doválcovací pořadí je v otevřeném uspořádání, nebo bývají konstruovány s předválcovacím pořadím v otevřeném uspořádání a doválcovacím pořadím se spojitým uspořádáním. K válcování tyčí za tepla se v dnešní době používají především spojité tratě, které se vyznačují vysokou výrobností. Tyto tratě mohou být rozděleny do několika pořadí předválcovací, střední a hotovní. Osová vzdálenost válcovacích stolic v jednom pořadí je kratší než délka, a proto je válcovaný materiál současně ve více stolicích daného pořadí. V důsledku toho se zvyšují nároky na synchronizaci válcovacích rychlostí jednotlivých stolic Polospojitá laboratorní válcovna tyčí na VŠB - TUO Tato laboratorní válcovna je rozdělena do dvou pořadí předválcovací a hotovní. Předválcovací pořadí tvoří jedna vratná duo stolice a hotovní pořadí je tvořeno čtyřmi stolicemi, ve kterých jsou provalky válcovány spojitým způsobem. Tato trať je určena především pro: simulace vybraných procesů válcování na jemných profilových a drátových tratích s ovlivňováním vývoje struktury, optimalizace mechanických vlastností vývalků termomechanickým zpracováním a řízeným ochlazováním, dosažení definovaného stupně protváření při válcování za tepla větších vzorků v litém stavu, zhutňování kovových prášků intenzivní deformací během vysokorychlostního spojitého válcování. Tato unikátní trať byla projektována zejména se záměrem simulovat vybrané uzly válcování jednoduchých profilů na středojemné či drátové trati. V současné době umožňuje válcovat vratně na hladkých válcích, na kalibrovaných válcích s kalibrací kosočtverec - čtverec nebo vratně či spojitě na válcích s kalibrací plochý ovál - kruh. Pro ohřev na teplotu až 1300 C lze použít stabilní plynovou pec nebo několik převážně mobilních elektrických odporových pecí s hloubkou nístěje až 1,2 m. Teplotně regulovatelný příhřev rozvalků zajišťuje průběžný indukční systém. Předválcovací vratná duo stolice je určena především k přípravě polotovarů pro spojité hotovní pořadí (viz obr. 2). První sada válců s průměrem válců až 350 mm umožňuje vyválcovat tyče kruhového průřezu o průměru 15,8 mm z nápichu kulatiny o průměru 55 mm. Druhá sada válců je určena pro válcování tyčí kruhového průřezu o průměru 7,9 mm z nápichu kulatiny o průměru 26 mm. Kalibrační řada je v obou případech plochý ovál - kruh. Třetí sada válců s kalibrační řadou kosočtverec - čtverec umožňuje naválcovat nejmenší tyč kvadrát 14 mm z nápichu kvadrátu 45 mm, resp. kulatiny o průměru 50 mm. Válce čtvrté sady

4 jsou hladké a mají průměr 350 mm. Hladké válce nebo oblinu válců kalibrovaných lze využít pro válcování výchozího polotovaru o čtvercovém průřezu s délkou strany až 84 mm. a) celkový pohled i s umístěním teplotních skenerů b) detail válcovací stolice s uložením armatur pro válcování tyčí kruhového průřezu Obr. 2: Předválcovací vratná stolice Spojité hotovní pořadí se sestává ze čtyř samostatně poháněných válcovacích stolic (viz obr. 3), se střídajícím se horizontálním a vertikálním uspořádáním. Vzdálenost mezi jednotlivými stolicemi je volitelná, přičemž minimum je 1 metr. Z nápichu kulatiny o průměru 20,0 6,4 mm lze válcovat kruhové tyče o finálním průměru 12,3 4,2 mm. Nejvyšší válcovací rychlost je cca 2,5 m s -1. Spojitě vyválcovaný materiál lze ochlazovat volně na vzduchu, zrychleně tlakovou vodou (s regulovatelnou intenzitou tlaku vody ve třech prstencích), zpomaleně v žíhacích pecích (odstřižky o délce do 0,8 m), nebo nasměrovat vývalek přímo do kalicí vany s délkou 3,1 m. a) celkový pohled b) ochlazovací sekce za 4. stolicí Obr. 3: Spojité hotovní pořadí Povrchové teploty vývalků jsou měřeny čtyřmi vysokorychlostními teplotními skenery (s měřícím rozsahem C), které lze variabilně umístit s pomocí konzol na různá místa válcovací trati. V průběhu válcování lze v závislosti na čase registrovat polohu

5 válcovací mezery, válcovací síly, krouticí momenty a otáčky válců všech válcovacích stolic. Všechna naměřená data jsou pak ukládána v řídícím počítači. 1.2 Vliv teploty válcování Teplota hraje klíčovou roli (zejména interval tvářecích teplot) při tváření za tepla především z hlediska průběhu uzdravovacích procesů a s tím spojeným vývojem mikrostruktury, ale také z hlediska velikosti deformačních odporů a tedy i válcovacích sil. Obecně lze říci, že se zvyšující se teplotou deformace klesají deformační odpory a zlepšuje se tvařitelnost proto se značný podíl tvářecích procesů odehrává za tepla. Se stoupající teplotou roste pohyblivost atomů i dislokací, zrychluje se difúze a tím i uzdravování. Materiál ovšem nelze nahřívat libovolně. Po překročení optimálních teplot dochází k velmi prudkému poklesu tvařitelnosti vlivem dvou možných jevů: přehřátí a spálení oceli. Část energie vynaložené na tváření se mění na teplo. Toto množství tepla závisí na rychlosti deformace a odporu proti deformaci. Podle toho, kam se odvede vzniklé teplo, se tvářecí procesy dělí na: izotermické tváření, při němž je veškeré vyvinuté teplo odvedeno do okolí a teplota tvářeného kovu se nemění (deformace je dostatečně pomalá), adiabatické tváření, při kterém veškeré teplo zůstane v a dojde ke zvýšení teploty kovu (deformace je extrémně vysoká), polytropické tváření, u kterého se část tepla odvede do okolí a část tepla zůstane v tvářeném (nejčastější případ). Při nízkých válcovacích rychlostech převládá vliv odvodu tepla do válců, zatímco při vysokých rychlostech dominuje efekt ohřevu vlivem deformačního tepla, což má výrazný vliv na výsledné strukturní i mechanické vlastnosti vývalků. 1.3 Doporučená literatura pro získání více informací [1] KOLLEROVÁ, M. Valcovanie. 1. vyd. Bratislava: Alfa, [2] FABÍK, Richard. Tváření kovů: studijní opora. Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, 2012, 333 s. [3] LEE, Y. Rod and bar rolling: theory and applications. New York: Marcel Dekker, c2004. [4] Polospojitá válcovna tyčí. Dostupné z: [5] SCHINDLER, I., et al. Vliv spojitého laboratorního válcování na vlastnosti kruhových tyčí z konstrukční oceli S355J2. Hutnické listy, 2013, roč. 66, č. 4, s [6] NIKEL, Zdeněk. Základy kalibrace válců. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská Ostrava, s.

6 2. ZADÁNÍ A CÍLE PRÁCE Vašim úkolem bude s využitím laboratorní polospojité válcovny tyčí prozkoumat vliv deformačního tepla na teplotní změny v intenzivně tvářeném. Účinek deformačního tepla bude posuzován při válcování tyčí kruhového průřezu na spojitém a předválcovacím pořadí. Pro tento účel budou zvoleny dva režimy válcování. První z nich bude válcování tyčí o počátečním průměru 20 mm na spojitém hotovním pořadí, kde čtyřmi průchody budou naválcovány tyče s finálním průměrem 12,3 mm. V druhém případě bude využita vratná předválcovací stolice, na níž budou tyče válcovány dvěma úběry z výchozího průměru 20 mm na finální průměr 15,8 mm. Těmito režimy bude simulován nejen různý stupeň protváření, ale i odlišný průběh uzdravovacích procesů během vratného či spojitého válcování, a také různé rychlosti ochlazování z válcovacích teplot. Abyste byli schopni splnit tento komplexní cíl práce, rozdělíme si jej do několika dílčích cílů: stanovte stupeň protváření při válcování tyčí na spojitém a vratném předválcovacím pořadí laboratorní válcovny, vytvořte graf průběhu válcovacích sil při válcování na spojitém pořadí pro vybranou teplotu ohřevu, resp. válcování, vytvořte graf časového průběhu válcovacích sil a teplot při válcování na předválcovací stolici pro vybranou teplotu ohřevu, resp. válcování, porovnejte účinek deformačního tepla při válcování na spojitém a předválcovacím pořadí, vypracujte protokol a dosažené výsledky nezapomeňte shrnout v závěru.

7 3. POPIS EXPERIMENTU Pro uvedené experimentální práce bude využita nelegovaná jakostní konstrukční ocel S235JR, jejíž chemické složení dokumentuje tab. 1. Tab. 1: Chemické složení zkoumané oceli v hm. % C Mn Si P S Al 0,085 0,68 0,22 0,028 0,012 0, Válcování na spojitém pořadí laboratorní válcovny tyčí První etapa tohoto experimentu zahrnuje válcování tyčí o počátečním průměru 20 mm na spojitém hotovním pořadí laboratorní válcovny tyčí. Čtyřmi po sobě jdoucími průchody budou naválcovány tyče s finálním průměrem 12,3 mm. Stupeň protváření K p [-] se v tomto případě určí jako poměr výchozího příčného průřezu tyče (tj. před deformací) S 0 [mm 2 ] k finálnímu příčnému průřezu tyče (tj. po vyválcování) S n [mm 2 ]: Celkem bude v této etapě odválcováno 5 tyčí o výchozím průměru 20 mm a výchozí délce 900 mm. Všechny tyče budou ohřívány v elektrické odporové peci na zvolené teploty válcování 800, 900, 1000, 1100 a 1200 C. Následně budou tyče proválcovány 4 úběry na spojitém pořadí polospojité laboratorní válcovny. Obvodová rychlost válců bude pro první stolici nastavena na 1 m s -1, čemuž odpovídá obvodová rychlost válců ve čtvrté stolici cca 2 m s -1. Vyválcované tyče budou ochlazovány volně na vzduchu a při tom bude měřena teplotním skenerem LandScan jejich povrchová teplota. Tímto způsobem budou získány ochlazovací křivky při ochlazování jednotlivých vývalků až do teploty 400 C. Kromě toho bude pomocí dalšího teplotního skeneru, umístěného hned za čtvrtou stolicí hotovního pořadí, registrována i povrchová teplota vývalku bezprostředně po jeho doválcování. Umístění teplotních skenerů na spojitém pořadí laboratorní válcovny představuje obr. 4. (1) Obr. 4: Umístění teplotních skenerů na spojitém pořadí ST - stanoviště teplotních skenerů, V válečkový dopravník, HS horizontální stolice, VS vertikální stolice, CB ochlazovací boxy, KV kalicí vana, VO volné ochlazování 3.2 Válcování na předválcovací stolici Druhá etapa tohoto experimentu představuje válcování dvěma úběry na vratné předválcovací stolici tyčí o výchozím průměru 20 mm a délce 500 mm, na tyče o finálním průměru 15,8 mm. Válcováním tyčí na předválcovací stolici bude dosaženo, ve srovnání s válcováním na spojitém pořadí, menšího protváření a menší deformace v příčném průřezu tyče. Tuto skutečnost ověřte výpočtem celkového stupně protváření K p.

8 Tímto způsobem budou proválcovány celkem 4 tyče. Všechny tyče budou ohřívány v elektrických pecích přímo na teploty 900, 1000, 1100 a 1200 C. Po dosažení požadované teploty budou tyče válcovány 2 úběry na vratné předválcovací stolici. Vyválcované tyče budou, stejně jako v první etapě, ochlazovány volně na vzduchu, přičemž bude opět s využitím teplotního skeneru měřena jejich povrchová teplota. Tímto způsobem budou získány ochlazovací křivky do teploty cca 500 C. Kromě toho budou pomocí dalších teplotních skenerů registrovány povrchové teploty provalků, resp. vývalků před i po jednotlivých úběrech. Rozmístění teplotních skenerů je zobrazeno na obr. 5. Obr. 5: Umístění teplotních skenerů na předválcovací vratné stolici ST - stanoviště teplotních skenerů, MST - mobilní stanoviště teplotních skenerů, VDS vratná duo stolice

9 4. VYHODNOCENÍ NAMĚŘENÝCH DAT 4.1 Zpracování naměřených dat v průběhu válcování tyčí na spojitém pořadí laboratorní válcovny Při laboratorním válcování budou počítačově registrovány válcovací síly, otáčky, momenty, velikosti válcovacích mezer na jednotlivých válcovacích stolicích apod. Kromě toho budou pomocí vysokorychlostních teplotních skenerů měřeny povrchové teploty vývalků. Všechna tato data budou uložena v excelovském souboru. V grafu na obr. 6 můžeme vidět příklad měřených válcovacích sil v závislosti na čase, při válcování tyčí na spojitém pořadí při výchozí teplotě 800 C. Tento graf dokonale znázorňuje spojitost tratě a ukazuje, že válcovaný materiál byl v každém okamžiku tvářen najednou dvěma stolicemi. Můžeme vidět, že k intenzivnímu protváření určité části tyče celkem čtyřmi úběry došlo během cca 2,2 s. Obr. 6: Časový průběh válcovacích sil při válcování na spojitém pořadí Vaším úkolem bude z naměřených dat vytvořit obdobný graf pro vybranou teplotu. Příklad naměřených dat uložených v excelovském souboru v listu HSP Data vidíte na obr. 7. Použijete hodnoty celkové válcovací síly F1 [kn] pro válcovací stolici č. 1 (jedná se o součet hodnot F1-L a F2-P [kn] naměřených na levém a pravém stavěcím šroubu dané stolice) a analogicky také hodnoty celkových válcovacích sil F2, F3 a F4 [kn] pro válcovací stolici č. 2, č. 3 a č. 4. Průběh uvedených celkových válcovacích sil vykreslíte v závislosti na čase t [s]. Obr. 7: Příklad získaných dat z válcování na spojité válcovací trati

10 Průměrné teploty válcování tyčí na spojitém pořadí T prům. [ C] se určí jako aritmetický průměr teploty tyče před prvním úběrem a z povrchové teploty vyválcované tyče naměřené teplotním skenerem bezprostředně po čtvrtém úběru. Zde budete muset zjistit, který teplotní skener byl použit bezprostředně po čtvrté válcovací stolici (v jednotlivých listech daného excelovského souboru budete mít na výběr ze čtyř skenerů - viz obr. 8). Registrované teploty budou obsahovat pouze dva skenery a nás bude zajímat maximum teploty skeneru, který registroval teplotu nejdříve, tzn. ihned za čtvrtou válcovací stolici a ne na ochlazovacím dopravníku. Následně stanovíte pro všechny vyválcované tyče hodnotu T [ C], která bude představovat rozdíl povrchových teplot tyčí před 1. úběrem a po 4. úběru. Uvedené hodnoty zaznamenáte do tabulky viz např. tab. 2. Obr. 8: Listy se záznamem teplot v excelovském souboru Tab. 2: Povrchové teploty tyčí při válcování na spojitém pořadí označení vývalku teplota před 1. úběrem [ C] teplota po 4. úběru [ C] T [ C] T prům. [ C] 4.2 Zpracování naměřených dat v průběhu válcování tyčí na předválcovací stolici laboratorní válcovny Na obr. 9 je uveden příklad grafu znázorňujícího závislost síly na čase a část průběhu povrchové teploty vývalku taktéž v závislosti na čase, pro vývalek ohřátý na teplotu 900 C a následně válcovaný vratným způsobem dvěma úběry. I v tomto případě budete mít za úkol vytvořit obdobný graf pro vybranou teplotu válcování. Obr. 9: Časový průběh válcovacích sil při válcování na předválcovací stolici

11 Abyste mohli sestavit obdobný graf, bude zapotřebí vybrat vhodný soubor s naměřenými daty během válcování na vratné předválcovací stolici a v něm najít list PS Data, ve kterém jsou tyto data uloženy. Na rozdíl od dat naměřených při válcování na spojitém pořadí bude nutné, u dat naměřených při válcování na vratné předválcovací stolici, stanovit celkovou válcovací sílu F [kn]. Budete tedy muset sečíst válcovací sílu naměřenou na stavěcím šroubu na straně obsluhy s válcovací silou naměřenou na stavěcím šroubu na straně pohonu viz obr. 10. Obr. 10: Příklad získaných dat z válcování na vratné předválcovací stolici (PS Data) Vlivem reverzace válců předválcovací stolice a vlivem manipulačních prostojů dochází k výraznému poklesu teploty provalků před 2. úběrem. Z tohoto důvodu bude průměrná teplota doválcování T prům. [ C] stanovena z povrchové teploty provalku před 2. úběrem a z povrchové teploty vývalku naměřené ihned po doválcování. Tento úkol bude poněkud náročnější, ale ne nemožný. Opět bude zapotřebí načíst data naměřená teplotními skenery, dát je do závislosti na čase a zjistit, které maximální hodnoty teplot odpovídají hodnotám před a po druhém úběru. Stejným způsobem určíte i rozdíl povrchových teplot provalků T [ C], resp. vývalků před a po 2. úběru. Uvedené hodnoty zaznamenáte do tabulky viz např. tab. 3. Tab. 3: Povrchové teploty tyčí při válcování na předválcovací stolici označení vývalku teplota před 1. úběrem [ C] teplota před 2. úběrem [ C] teplota po 2. úběru [ C] T [ C] T prům. [ C] Poslední a nejdůležitější graf, který byste měli v rámci této úlohy vytvořit a vyhodnotit, by měl dokumentovat účinek deformačního tepla při válcování tyčí na spojitém a předválcovacím pořadí, vyjádřeného závislostí T na T prům. Díky tomuto grafu budete moci jednoduše popsat vliv způsobu válcování, resp. stupně protváření a průměrné teploty válcování na účinek deformačního tepla, které následně ovlivní doválcovací teplotu při válcování tyčí kruhového průřezu.

12 Pracujte pečlivě a trpělivě při tvorbě protokolu nezapomeňte v závěru stručně shrnout získané poznatky! Určitě vás napadá otázka, k čemu tyto testy a výsledky slouží? Účelem tohoto praktického cvičení bylo ověřit si vliv způsobu válcování a deformačních podmínek na účinek deformačního tepla, které ovlivňuje doválcovací teploty při válcování tyčí kruhového průřezu. Kumulace deformace při spojitém válcování, správné nastavení a dodržení teplot při doválcování ovlivňuje průběh uzdravovacích procesů, jejichž účinkem je možné dosažení jemného austenitického zrna, které poskytuje více nukleačních míst při transformaci austenitu na nízkoteplotní fáze (např. ferit, perlit atd.). Ve spojitosti s vhodně zvoleným způsobem ochlazování tak tedy lze ovlivnit nejen mikrostrukturu tvářeného, ale i jeho mechanické vlastnosti. Kromě toho může docházet vlivem působení deformačního tepla k ohřevu pracovních válců, což negativně ovlivní finální tvar vývalku.