POUŽITÍ PROGRAMU FORMFEM K SIMULACI TVÁRENÍ PLOCHÝCH VÝVALKU THE SOFTWARE FORMFEM APPLICATION FOR FLAT BARS ROLLING SIMULATION

Transkript

1 POUŽITÍ PROGRAMU FORMFEM K SIMULACI TVÁRENÍ PLOCHÝCH VÝVALKU THE SOFTWARE FORMFEM APPLICATION FOR FLAT BARS ROLLING SIMULATION Jirí Kliber a Ondrej Žácek a, Petr Eliáš a, Zdenek Vašek b a VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, katedra tvárení materiálu, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, CR, jiri.kliber@vsb.cz ondrej.zacek@vsb.cz b ISPAT NOVÁ HUT a.s.,vratimovská 689, Ostrava-Kuncice, CR, zvasek@novahut.cz Abstract Forming is technological process in course of which the simple shape half-finished product is formed into semi-product for following technologies or in product with nail down form, proportions accuracy, appearance and quality. The shape change is caused by plastic deformation induced mostly by outside effects of complicated interaction between strain?, strain rate?? [s -1 ] and temperature T [K] in some time sequence. The software FormFem is used for simulation of flat bars rolling in this work. The steel grade of flat bars is CSN with dimensions 100x40 mm a 80x5 mm, the conditions of simulated rolling is appropriate to the conditions in Medium-Section rolling mill of ISPAT NOVÁ HUT a.s. The results of simulation are found out values of: strain, strain rate, stress, octaedric stress, load implement, loading of tools (rolls), thermal field. The software FormFem is used for simulation of following thermal treatment too. The structural share of ferrite, austenite, pearlite, bainite, martensite and tensile properties (yield strength, strength and hardness) after thermal treatment are determined. Abstrakt Tvárení je technologický proces, pri nemž je polotovar jednoduchého tvaru promenen v polotovar pro další technologie nebo ve výrobek s presne definovaným tvarem, rozmery presností, vzhledem a vlastnostmi. K zmene tvaru tak dochází plastickou deformací vyvolanou prevážne vnejšími úcinky pri komplikovaném vzájemném pusobení velikosti deformace?, veliciny deformacní rychlosti?? [s -1 ] a teploty T [K] v jisté casové posloupnosti t [s]. V práci byla pomocí programu FormFEM provedena simulace válcování plochých tycí o rozmerech 100x40 mm a 80x5 mm z materiálu pro podmínky podniku Ispat Nová Hut a.s., stredojemná válcovna. Výsledky provedené simulace jsou: intenzita deformace, intenzita rychlosti deformace, intenzita napetí, oktaedrické napetí, zatížení nástroju, pole vektoru toku kovu, teplotní pole. Pomocí programu FormFem bylo rovnež simulováno tepelné zpracování po válcování, jehož výsledkem je stanovení strukturních podílu feritu, austenitu, perlitu, bainitu, martenzitu a mechanických vlastností (mez kluzu, pevnost a tvrdost) po tepelném zpracování.

2 1. Úvod Pomocí programu FormFEM budou provedeny simulace válcování plochých tycí o rozmerech 100x40 mm a 80x5 mm z materiálu pro podmínky podniku Ispat Nová Hut a.s., stredojemná válcovna. Získané výsledky, mezi než zejména patrí: intenzita deformace, intenzita rychlosti deformace, intenzita napetí, oktaedrické napetí, zatížení nástroju, pole vektoru toku kovu a teplotní pole mohou mít vysokou vypovídací schopnost. Následne bude v rámci téhož softwarového programu s doplnením o TTSteel rovnež simulováno tepelné zpracování po válcování, jehož výsledkem je stanovení strukturních podílu feritu, austenitu, perlitu, bainitu, martenzitu a mechanických vlastností (mez kluzu, pevnost a tvrdost) po tepelném zpracování [1]. Prvé výsledky, zamerené na prubehy hodnot napetí, deformace, deformacní rychlosti a teploty byly již publikovány [2] a v rámci tohoto príspevku byla teoreticky rozebrána kapitola o uzdravování vcetne matematických rovnic. V tomto príspevku se více zameríme na teplotní pole a proto teoretická kapitola bude pojednávat o podmínkách prestupu tepla,(nezakrýváme, že se jedná o prehledové hodnoty, získané z literatury)o metodách zjištování koeficientu prestupu tepla a konecne o konkrétních hodnotách 2. Prestup tepla Prestup tepla hraje duležitou roli pri tvárecích procesech, kde se navzájem silne ovlivnují teplotní pole tváreného materiálu a nástroju. Tepelný tok mezi tváreným materiálem a nástrojem v míste dotyku se bežne vypocítává ze soucinitele prestupu tepla a teploty dotýkajících se povrchu.?2 q??? T hot? T cold?? W?m? (1) pak koeficient prestupu tepla? q???? /?? T hot? T cold? 2? W m?k 1 (2) Okrajové podmínky na povrchu jsou obvykle vyjádreny koeficientem prestupu tepla, což dovoluje matematické rešení velkého množství praktických prumyslových problému. Mezi ne patrí stanovení teplotního pole v pracovních válcích a válcovaného materiálu. Výpocet je založeny na integraci rovnic prestupu tepla. Verohodnost výsledku je závislá na presných vstupních datech, matematickém modelu a okrajových podmínkách. Pro úspešný výpocet je duležité stanovit koeficient prestupu tepla. K získání tohoto koeficientu se vetšinou používají dve metody. První se pokouší nalézt hodnotu? jako vypoctenou a porovnat ji s rozložením teploty, obe hodnoty by se mely sobe blížit, pokud ne, upravuje se výpoctový model. Druhá používá experimentálního stanovení závislosti cas teplota a stanovení teploty obou kontaktních povrchu. Koeficient prestupu tepla je vyjádren jako pomer teplotního toku a rozdílu teplot povrchu. Prirozene, obe tyto metody jsou limitovány. Jejich presnost je závislá na presnosti výpoctového modelu a na merení povrchových teplot, které je obtížné a závislé na mnoha technologických parametrech. Stanovit koeficient prestupu tepla za pomocí techto metod se pokoušelo mnoho odborníku Chen (1993), Semiatin (1987), Karagiosis (1986) a Pietrzyk a Lenard ( ). [3]. Z výsledu techto merení vyplývá že,? není konstantní podél stykových oblouku kovu s válci, je funkcí rozložení válcovacího tlaku, vnejší vrstvy okují, povrchové drsnosti a tvrdosti, jestliže se používá mazivo, tak i na jeho chemickém složení. Hodnoty koeficientu prestupu tepla byla zjišteny v širokém rozmezí od nízkých hodnot okolo 5000 W/m 2 K až do W/m 2 K pro ruzné úbery, rychlosti válcování a dané podmínky.

3 Prímá experimentální metoda, kterou použili Chen, Pietrzyk a Lenard ke stanovení koeficientu prestupu tepla bude níže popsaná. Metoda vychází z válcování uhlíkové ocelové bramy, ve které je umísteno nekolik termoclánku, sloužících k zaznamenávání teploty behem pruchodu. Povrchová teplota bramy v kontaktní zóne se urcí extrapolací. Hodnota? se urcí z teplotního toku a rozdílu povrchových teplot. Tato hodnota je použita jako okrajová podmínka pri pocítacové simulaci tvárecích procesu za tepla. Technologické parametry ovlivnující koeficient prestupu tepla jsou: - válcovací rychlost - prumer válcu - rozložení teploty (tvorba okují - snižují hodnotu koeficientu prestupu tepla) - velikost úberu - velikost napetí Množství pronikajícího tepla a rozptýlení teploty ve válcích je závislý na tepelných vlastnostech materiálu válcu a provalku. Predevším na: - tepelné vodivosti - hustote materiálu - tepelné kapacite Stanovení koeficientu prestupu tepla pri válcování za tepla v laboratorních podmínkách Murata (1984) meril koeficient prestupu tepla pri tlakové zkoušce. Byla použita ocel s 0,12% C. Zatížení se pohybovalo okolo 49 MPa. Kontaktní povrch byl pokryt osmi druhy okují a mazivy pro jednotlivé experimenty nebo byl cistý. Výsledky ukázaly široké rozmezí od 5,8 kw/m 2 K do 465 kw/m 2 K. Stanovení koeficientu pro použití modelování je obtížné a vyskytují se rozdílné hodnoty dle podmínek procesu. Stevans (1971) použil 38,7 kw/m 2 K pro válcování za tepla s vodou chlazenými válci. Silvonen (1987) použil hodnotu 70 kw/m 2 K, Briand a Chiu (1982) publikovali hodnotu 7 kw/m 2 K. Tyto hodnoty byly stanoveny pro zokujené oceli. Použitím laboratorní válcovací stolice Harding (1986) obdržel hodnoty 2,055 kw/m 2 K pri 700 C a 5,1 kw/m 2 K pri 1000 C. Typická krivka prubeh koeficientu prestupu tepla behem válcovacího pruchodu je vynesena v osách závislosti cas teplota na obr. 1. Výpocet výsledku provedl program Elroll s použitím ruzných koeficientu prestupu tepla, jako okrajové podmínky. Nejlepší shoda mezi hodnotami namerenými a vypoctenými (pomocí programu Elroll) pro laboratorní podmínky byla dosažena pri hodnote? 16 kw/m 2 K (Pietrzyk a Lenard 1989). Jak vyplývá z obr. 1. dochází z pocátku k prudkému poklesu??zpusobeným rychlým poklesem teploty povrchu provalku a po dosažení minima hodnota pozvolna stoupá, dochází k vyrovnaní teplot mezi teplejším stredem a chladnejším povrchem. Možnost výpoctu? z experimentálního merení teplot provedena Pietrzykem (1994) je uvedena níže, též obr. 2. Zmenu množství tepla v ocelovém pásu pri pruchodu mužeme vyjádrit: Q?? cp ( Tvstup? Tvýstup)?? p? i (3) kde:? - hustota materiálu c p - merné teplo? - strední prirozený deformacní odpor v pruchodu p? i - intenzita deformace

4 Obr. 1. Cas-teplota pro 20% úber a rychlost válcování 4 ot/min, prumer válcu 254 mm. Fig. 1. Time-temperature for 20% draft at 4 rpm, roll diameter 254 mm Jestliže ochlazování okolním vzduchem je zanedbatelné, ztráta tepla je rovna teplotnímu toku pres kontaktní povrchy. Soucinitel prestupu tepla vyjádríme:? c p ( Tvstup? Tvýstup)?? p? i?? (4) 2( T? T ) t vstup výstup kde: ( T vstup? Tvýstup) - prumerný rozdíl povrchových teplot válce a tváreného materiálu t- doba dotyku [s] Potrebné teploty získáme integrací pres objem pásu. Koeficient je vypocten pro jednotlivé prípady a jeho približná hodnota je uvedena v posledním sloupci tab. 1. Obr. 2. Koeficient prestupu tepla pro teploty 700 a 900 C. Nerezová ocel Fig. 2. Heat transfer coefficient for 700 C a 900 C. Stainless steel

5 úber % h 0 mm ot/min? kw/m 2 K , , ,4 3 15, ,5 4 10, , , , , ,9 4 13, , , , , , ,3 12 9,60 Tab. 1. Koeficient prestupu tepla získaný pomocí laboratorní válcovací stolice [3] Tab. 1. Heat transfer coefficient from laboratory rolling mill [3] Tabulka 1. zachycuje vliv vstupní výšky provalku, velikosti úberu a rychlosti válcování na koeficient prestupu tepla. Jak vyplývá z obr. 3. a tabulky 1, koeficient? vzrustá s vzrustajícím úberem (zvetšení tlakových napetí), rychlostí válcováním a rostoucí vstupní výškou. Hodnoty koeficientu prestupu z tepla za prumyslových podmínek jsou velmi ojedinele publikovány a zkoumány. K stanovení koeficientu byla použita data z válcovny pásu za tepla. V predválcovacím poradí z hodnot teplot zjištených pred vstupem provalku do první stolice a po výstupu z poslední stolice byla hodnota koeficientu prestupu tepla kw/m 2. V druhém poradí byla získaná hodnota kw/m 2. Tyto hodnoty platí pro zokujený povrch materiálu a stanoveny pro celé poradí a ne pro jednotlivé pruchody. 3. Simulace V této cásti práce je provedena simulace podélného válcování plochých tycí na podmínky podniku ISPAT NOVA HUT a.s., stredojemná válcovna. Pro simulaci byly vybrány dva rozdílné typy plochých tycí P 100x40 (tlouštky 40 mm) a P 80x5 (tlouštky 5 mm). Použitý program byl FormFEM a následne TT-steel firmy ITA [4]. Uvedené tyce se válcují spojitým zpusobem duo stolicemi, které jsou vetšinou usporádány H-V. Tyce jsou válcovány z bežných konstrukcních ocelí, v našem prípade z oceli CSN Rozmery vstupního PLP jsou 180x180x12000mm. Jednotlivé pruchody byly sestaveny do tabulek a podle nich byla provedena simulace [5-7]. Bohužel zpusob válcování horizontální-vertikální usporádání stolic neumožnuje použít výsledky z predcházejícího úberu. Proto pro každý následující úber byl vytvoren nový vstupní polotovar, kterému bylo manuálne zadáno rozložení teploty po jeho výšce, vycházející z výsledku predešlého úberu. Pro zjednodušení jsme uvažovali s úplným uzdravením struktury mezi jednotlivými úbery, takže hodnota pocátecní deformace (nebo-li zbytkové deformace je nulová). Výše uvedený predpoklad lze považovat za správný pri válcování v I. a II. poradí, kdy válcovací rychlosti nejsou vysoké (výstupní rychlost tyce P 100x40 je 5 m/s) a tím je v prodlevách dostatek casu pro úplné uzdravení. Ke kumulaci deformace (zpevnování) muže docházet v hotovních poradích

6 pri válcování vyššími rychlostmi (výstupní rychlost tyce P 80x5 je 12 m/s). Pri výpoctu je bráno v úvahu i ochlazování provalku na volném vzduchu v prodlevách mezi pruchody. Pro zjednodušení nebylo uvažováno s dalšími faktory ochlazování. 4. Vyhodnocení výsledku 4.1. Prubeh zmeny teploty provalku K vyrovnávání teplot povrchu a stredu polotovaru dochází mezi jednotlivými pruchody a hlavne mezi poradími. Rozdíl teplot povrchu a stredu je vetší pri válcování vetší tlouštky tycí P 100x40, kde rozdíl teplot po posledním pruchodu je 163 C a u tencí tyce P 80x5 je to jen 30 C. U tyce tlouštky 40 mm povrchová teplota klesá z 1200 C na 942 C po posledním úberu a u tyce tlouštky 5 mm z 1200 C na 858 C. Pro porovnání nám mužou sloužit hodnoty, které byly namerené prímo na trati stredojemné válcovny podniku NOVA HUT, a.s. za posledním pruchodem jednotlivých poradí [6,7]. Hodnota doválcovací teploty ploché tyce P 100x40 byla namerena v rozsahu C a pro tyc P 80x C. Tyto hodnoty jsou vyšší, než hodnoty získané pocítacovou simulací. Pro simulaci byl použit koeficient prestupu tepla?? W m -2 K -1 uvádený v literature pro vodou chlazené válce. Pro prumyslové procesy podélného válcování se uvádí? až W m -2 K -1. Po zkušenosti s programem a porovnání s reálným provozem bychom použili velikost? nižší i pro prumyslové podmínky v rozmezí W m -2 K -1. Následne byla pomocí TTSteel simulována možnost získání ruzných výsledných mechanických vlastností, výsledky jsou v Príloze 1. Vzduch je mírné ochlazovací prostredí, a nedochází k pronikavým rozdílum teplot povrchu a stredu materiálu. Dokonce ochlazovací rychlost stredu materiálu je vetší v rozmezí teplot C, což je nejspíš zpusobeno velkým rozdílem teplot povrchu astredu provalku po válcování, kdy dochází k vyrovnání teplot. Ackoli barevné výsledky mechanických vlastností jsou markantní, pri pohledu na stupnici hodnot zjistíme, že výsledné hodnoty dávají homogenní strukturu. Je pochopitelné, že u simulace plochého výrobku 80x5 je situace méne príznivá, zatímco prumerná hodnota R e u tyce 100x40 byla 357 MPa,; u tyce 80x5 byla 368 MPa. 5. Záver V soucasné dobe se neustále zvyšují nároky na užitné vlastnosti tvárených výrobku. Tyto požadavky vyžadují další prohlubování znalostí plastické deformace, zavádení nových technologií a používání progresivních typu ocelí. Tomu by melo predcházet podrobné zkoumání techto ocelí. Efektivním smerem je kombinace experimentálního a matematického modelování. Pomocí programu FormFEM byla provedena simulace válcování dvou plochých tycí o rozmerech 100x40 mm a 80x5 mm na podmínky podniku ISPAT NOVÁ HUT, a.s. stredojemná válcovna. Vstupní polotovar byl blok 180x180 mm z oceli CSN Simulace probehla podle kalibracních tabulek úberu pro tyce P 100x40 a pro tyc P 80x5. Po simulaci válcování bylo provedeno modelování ochlazování tycí jakosti S 355 podle normy EN (ekvivalent CSN ocel ) na klidném vzduchu. Simulace ukázala detailne prubehy deformací, teploty, napetí i deformacní rychlosti po prurezu - tyto závery mohou sloužit technologum pro hlubší pochopení následných plastických a pevnostních výsledku. Tento príspevek vznikl jako diplomová práce, ale jeho kompletace byla umožnena rešením grantu 106/04/0601 a 106/04/1452 z Grantové agentury Ceské republiky.

7 LITERATURA [1] ELIÁŠ, P. Pocítacová simulace válcování plochých tycí prohramem FormFem na podmínky podniku NOVÁ HUT a.s. stredojemná válcovna, katedra tvárení materiálu FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2003 [2] KLIBER, J., ELIÁŠ, P. PC simulace plochých vývalku. In FORMING 2003, Podlesice k/kroczyce: Politechnika Slaska Katowice, 2003, s [3] LENARD, J.G., PIETRZYK, M., CSER,L. Mathematical and Physical Simulation of the Properties of Hot Rolled Products. Elsevier, ISBN [4] ITA, s.r.o Ostrava. FormFEM 1,5 uživatelská prírucka, [5] KLIBER J., FABÍK R., KUBINA T. Pocítacová simulace válcování plochých vývalku, Forming 2002, str [6] VAŠEK Z., MORÁFKOVÁ A. Hodnocení vlivu mikrolegur na mechanické vlastnosti za tepla válcovaných tycí, Hutnické listy, 11-12, 2001, str [7] VAŠEK Z., MORÁFKOVÁ A., ŠVINC V., KUDLA J., SCHINDLER I. Simulace válcování plochých tycí a rovnoramenných úhelníku na laboratorní trati TANDEM, Forming 2002, str

8 Modelování ochlazování ploché tyce P 100x40 na chladníku Simulation of cooling, flat bar 100x40 mmm on cooling bed Pro ocel CSN konstrukcní uhlíková Podmínky ochlazování: vzduch 10 C podobu 30min air 10 C/30 min %C %Mn %Si %P max %S max 0,38 0,35-0,5 0,2-0,3 0,045 0,045 Chemické složení: Chemical composition Teplota [ C] Tepelné zpracování - kalení stred C=0.380 Mn=0.500 Si=0.300 Ferit Perlit Martenzit Ochl. krivka Cas [s] Výsledné vlastnosti stred tyce Final results middle Teploty ( C) Strukturní podíly (%) Mechanické vlastnosti Ac3 = 810 Ferit = 64,9 HV = 185 Ac1 = 730 Perlit = 35,1 HB = 172 Ar3 = 808 Bainit = 0,0 Re = 357 MPa Ar1 = 685 Martenzit = 0,0 RM = 558 MPa Austenit = 0,0

9 Teplota [ C] Tepelné zpracování - kalení povrch C=0.380 Mn=0.500 Si=0.300 Ferit Perlit Martenzit Ochl. krivka Cas [s] Výsledné vlastnosti povrch tyce Final results surface Teploty ( C) Strukturní podíly (%) Mechanické vlastnosti Ac3 = 810 Ferit = 64,8 HV = 185 Ac1 = 730 Perlit = 35,2 HB = 172 Ar3 = 805 Bainit = 0,0 Re = 368 MPa Ar1 = 683 Martenzit = 0,0 RM = 588 MPa Austenit = 0,0 Temperature Ferrit Perlit

10 Yield Strength Toughness Brinell Hardness