31 : : : : : 39

Transkript

1 VLIV METALURGICKÝCH A TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ VÝROBY A ZPRACOVÁNÍ LOŽISKOVÝCH OCELÍ NA JEJICH MIKROSTRUKTURU APLIKACE SHLUKOVÉ ANALÝZY APPLYING CLUSTER ANALYSIS - METALLURGY AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF BEARING STEEL PRODUCTION AND PROCESSING AS MICROSTRUCTURE AFFECTING FACTORS Bohumír Strnadel a, Zdeněk Bůžek a, Karel Mchalek a, Jana Poláchová b, Bohuslav Chmel b a) VŠB-TU Ostrava, FMMI, 17. lstopadu 15, Ostrava - Poruba, ČR, bohumr.strnadel@vsb.cz b) TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a.s., Průmyslová 1000, Třnec, ČR, jana.polachova@trz.cz Abstrakt Na základě soudobých poznatků o struktuře kovových tavenn se uvádějí základní teplotní požadavky na novou technolog vedení a odlévání taveb. Provozním tavbam se prokázalo, že u sledovaných technologckých parametrů je velm významná teplota po ohřevu v pánv. Zvýšením této teploty lze docílt rozpadu uspořádání tavenny na blízkou vzdálenost a vhodným režmem ochlazování získat optmální homogenní lcí strukturu. Abstract Orented by current knowledge of melted metal structures, the paper provdes for basc temperature demands concernng a new technology of castng operaton practce and control. Practcal castng operatons have evdenced the mportance of temperatures after heatng n ladle as regards the technologcal parameters concerned. Increasng ths temperature can effect a close range dsntegraton of the melted metal structure, and an approprate coolng regme can provde for optmum homogenety structures sutable for castng. ÚVOD Z původního zdánlvě ryze teoretckého problému studa strukturní stavby a vlastností kovových tavenn vznklo nové praktcké zaměření výzkumu a vývoje. Z praktckého hledska je významné, že pro každou tavennu exstuje tzv. krtcká teplota, př které se zvláště ntenzvně mění její struktura, mzí uspořádání na blízkou vzdálenost a tavenna se přblžuje k deálnímu stejnorodému rozmístění stavebních částc. Toho se v současnost využívá ve zvláštním teplotním režmu vedení provozních taveb, kdy se pomocí tzv. tepelně-časových parametrů kov přehřívá na zmíněnou krtckou teplotu (značně převyšující teplotu lkvdu). Př této teplotě následuje určtá časová prodleva, pak se kov rychle ochladí na lcí teplotu a po 1

2 časové prodlevě v blízkost teploty odlévání následuje odltí kovu vyznačujícího se podstatně lepším vlastnostm (a mkrostrukturou) oprot neošetřeným tavbám. VÝROBA LOŽISKOVÝCH OCELÍ V TŽ, A.S. V TŘINECKÝCH ŽELEZÁRNÁCH, a.s. byl v podmínkách elektroocelárny vytypován výrobní sortment pro vývoj této nové technologe. Vycházelo se zejména z reálných požadavků na zlepšení jakost ložskových ocelí legovaných molybdenem a zlepšení tvařtelnost nástrojových ocelí ledebortckého typu. V roce 005 byla pozornost zaměřena na skupnu ložskových ocelí, kde je poměrně velká výroba a je tedy možnost na provozních zakázkách provádět vývoj technologe. Další výhodou je poměrně velký rozsah zkoušek žádaný odběratel, čímž je zajštěno podrobné zmapování jakost materálu v závslost na použté technolog. Tyto ložskové ocel jsou dodávány ve formátu válcovaných bloků a sochorů a jsou určeny k dalšímu kování. Na blocích se provádí ultrazvuková kontrola vntřních vad. V první polovně roku 005 bylo v elektroocelárně realzováno celkem 45 taveb ložskových ocelí s molybdenem, z toho u polovny byla použta modfkovaná technologe, resp. byly zjšťovány možnost dosažení požadovaných teplotně-časových průběhů. Elektroocelárna TŽ v současné době provozuje 3 desettunové EOP a zařízení VOD. Používá se chemcký ohřev ocel s následným vakuováním a dohotovením taveb. SHLUKOVÁ ANALÝZA ÚDAJŮ PROVOZNÍCH TAVEB Hledání vzájemných vztahů mez technologckým parametry výroby a zpracování ocel, její mkrostrukturou a vlastnostm je poměrně velm obtížné. Měření provozních technologckých parametrů jsou na rozdíl od údajů o chemckém složení nebo o mechanckých vlastnostech ocel velm proměnlvá a zatížená vysokou chybou. Hodnocení velkých souborů dat s rozdílným charakterstkam s sebou přnáší, zejména př hledání jejch vzájemných souvslostí, řadu problémů. Je to především nekonzstentnost dat v jednotkách a v absolutních velkostech a nebo problémy spojené s rozptylem dat. Hledání vzájemných souvslostí v rozsáhlých datových souborech je proto podmíněno použtím dostatečně obecné metody a možností statstcké nterpretace výsledků. Jednou z možností využtí nformace obsažené ve vícerozměrných pozorováních je roztřídění množny objektů do několka poměrně stejnorodých shluků. Formulac úlohy lze různým způsobem konkretzovat a v jejích konkrétnějších podobách různým způsobem realzovat. Příslušné postupy vznkaly v posledních několka desítkách let a také poměrně nedávno vznkla shluková analýza jako jejch ucelený systém. Uplatnění metod shlukové analýzy vede k příznvým výsledkům zejména tam, kde se studovaný soubor reálně rozpadá do tříd, tedy kdy objekty mají tendenc se seskupovat do přrozených shluků. Použtím vhodných algortmů se pak podaří odhalt strukturu studované množny objektů a jednotlvé objekty klasfkovat. Zbývá pak jž pouze najít vhodnou nterpretac pro popsaný rozklad a charakterzovat vznklé třídy. Mmo jné se tím dosáhne radkálního snížení dmenze úlohy tak, že řadu uvažovaných proměnných zastoupí jedná proměnná, vyjadřující příslušnost k takto defnované třídě. Shluková analýza tu jen formalzuje a hlavně objektvzuje dobře známý a v prax nepostradatelný myšlenkový postup. Namísto řady kvanttatvních údajů o určtém objektu můžeme uvést pouhou jednu nformac. Základní úlohou je užtím vhodného algortmu stanovt počet shluků, kde by exstovala charakterstcká souvslost mez proměnným. Pokud není nutné omezovat objem výpočtů, můžeme v druhém případě probrat a vyhodnott všechny reálné možnost volby počtu shluků k. Někdy se může stát, že shluk je nutné prozkoumat jž v prvotních stádích shlukovacího procesu, protože jeho objem z hledska počtu objektů se přílš nemění. Dále můžeme použít

3 některý z algortmů herarchckého shlukování, což znamená sestavt herarchckou posloupnost rozkladů S (k), k = 1,,..., n od souboru jako jedného shluku S (1) až po rozklad souboru na jednotlvé objekty S (n) tak, že každý následující rozklad je zjemněním předchozího. Prvním nejdůležtějším krokem skupnové analýzy rozsáhlých souborů dat je defnce vzdálenost mez shluky. Použtí eukldovské vzdálenost shluků A,B, D E p ( A B) =, ( A B ), = 1 (1 kde p je počet proměnných, nebude pro případy, kdy mají proměnné velm rozdílné hodnoty, zřejmě vhodné. Znaky souboru, které mají malé hodnoty, by př použtí této vzdálenost zcela zankly a znaky, které by měly vysoké hodnoty, by vykazovaly nepřměřený vlv na vzdálenost D E (A, B). Z tohoto důvodu byla za jednu z možností zvolena vzdálenost v následující modfkované formě, A B D1 ( A, B) =, B p = 1 A + označená jako [1]. Pro kontrolu vlvu vzdálenost na formování shluků byla zkonstruována ještě vzdálenost ve tvaru, ( p A B D = ( A, B), = 1 A + B (3 označená jako []. V tomto případě je rozdíl hodnot jednotlvých parametrů normován jejch součtem, a tak každý z nch vstupuje do míry vzdálenost se stejnou váhou. Obecně lze však váhy jednotlvých parametrů korgovat. Předmětem analýzy byly tavby zmíněných ložskových ocelí. K analýze bylo dodáno celkem n = 39 souborů o p = 9t znacích. Jednalo se o chemcké složení (1 dentfkačních znaků), technologcké parametry (8 ukazatelů teploty a času) a parametry čstoty a mkročstoty vyrobených ocelí (9 hodnocených znaků), celkem tedy 9 znaků každé vyrobené tavby. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Uplatnění shlukové analýzy se uskutečnlo v několka krocích. Postupným shlukováním bodů se nejprve dospělo ke třem souborům o rozsahu 1, 9 a 6. Celá geneze shlukování pro vzdálenost defnovanou rovn. (), označená jako [1] je uvedena na obr. 1. Kroky shlukování uvedené v levém sloupc jsou doplněny odpovídajícím počtem shluků a počtem bodů v jednotlvých shlucích. Na obr. je pak uvedena geneze shlukování, když u téhož souboru údajů byla vzdálenost defnována podle rovn. (3) a označena jako []. Postupné shlukování mění nejen střední hodnotu sledovaného znaku v daném shluku, ale celou dstrbuční funkc sledovaného znaku. Porovnáním geneze shlukování za použtí vzdálenost podle rovn. () (obr.1) a vzdálenost defnované rovn.(3) (obr. ) lze konstatovat, že v prvním případě [1] 3

4 je shlukování rychlejší, avšak 33. krok je ve srovnání s 36. krokem ve druhém případě, kdy se používá míra vzdálenost podle rovn. (3) označená jako [1], naprosto stejný. Ze sledovaných technologckých parametrů je velm významná teplota po ohřevu v pánv označená jako T po. Se zvyšováním této teploty dochází k rozpadu uspořádání atomů na blízkou vzdálenost, což umožňuje dosažení optmální homogenní lcí struktury. Aby bylo možné zcela jednoznačně prokázat poztvní vlv teploty po ohřevu T po na strukturu ocel, je nutné v genez shlukování vysledovat takový krok, ve kterém se generovaly shluky s dametrálně odlšným statstckým dstrbucem této teploty. U geneze shlukování kontrolované vzdáleností mez shluky defnované rovn. (3) a označené jako [] je to podle obr. krok 31 ve sloupcích D-E a F-G, kde se tento rozdíl projevuje velm významně. T1Z3 A B C D E F G 7 : 4 10 : : : : : : : : : : : : : : : 36 Obr. 1 Geneze shlukování 39 souborů vybraných 9 parametrů ložskových ocelí podle vzdálenost D 1. TZ3 A B C D E F G H 7 : 4 10 : : : : : : : : : : :

5 31 : : : : : 39 Obr. Geneze shlukování 39 souborů vybraných 9 parametrů ložskových ocelí podle vzdálenost D. Obr. 3Emprcké dstrbuční funkce teploty po ohřevu T po dvou rozdílných souborů shlukování ve 31. kroku. Na obr. 3 jsou uvedeny statstcké dstrbuce obou souborů. I když je jejch rozsah malý a jedná se o 7 a 8 taveb, z emprckých dstrbučních funkcí je jednoznačné, že soubor o rozsahu 8 taveb má teplotu po ohřevu jednoznačně vyšší. Porovnáním mkrostrukturních metalografckých analýz př zvětšení 100x 1000x bylo jednoznačně prokázáno, že soubor taveb s vyšší teplotou T po vykazuje jemnozrnnou homogenní strukturu s rovnoměrně rozdělenou sekundární karbdckou fází. Příklad takové mkrostruktury je uveden na obr. 4. Obr. 4 Velké množství jemných nadeutektodních karbdů v homogenním martenstckém základu mkrolegované ložskové ocel, leptáno dle Vlella-Ban. 5

6 Podobně byla vybrána typcká mkrostruktura ze druhého shluku o rozsahu 7 taveb, ve kterém je teplota T po jednoznačně nžší. Jak je to zřejmé z obr. 5 typcká struktura ložskové ocel z tohoto souboru je vysoce nehomogenní s projevy karbdckého síťoví po hrancích zrn. Obr. 5 Struktura jemného lamelárrního perltu, na hrancích zrn je patrná nesouvslá karbdcká síť u mkrolegované nadeutektodní ložskové ocel, leptáno dle Vlella-Ban. Tato zásadní souvslost mez mkrostrukturou a teplotou po ohřevu T po je jen prvním krokem vyšetřování často komplkovaných souvslostí mez mkrostrukturou, vlastnostm ocel a technologckým parametry jejch výroby, případně dalšího zpracování. Analýzu takových souvslostí je nutné provádět systematcky, dlouhodobě, nejlépe ve velkorozměrových souborech. Tím se odstraní často nízká rozlštelnost sledovaných parametrů v dstrbuc a mnohem lépe se projeví jejch případná nehomogenta. Další analýzy jsou proto v tomto směru nevyhnutelné. ZÁVĚR Shlukovou analýzou údajů provozních taveb ložskových ocelí v TŽ, a.s. se prokázalo, že ze sledovaných technologckých parametrů je velm významná teplota po ohřevu ocel v pánv. Zvýšením této teploty lze docílt rozpadu uspořádání tavenny na blízkou vzdálenost a vhodným režmem ochlazování pak získat optmální homogenní lcí strukturu. Příspěvek byl zpracován v rámc řešení grantů GA ČR 106/04/0066 a GA ČR 106/03/106. Autoř děkují za poskytnutí fnanční podpory př zpracování příspěvku Grantové agentuře České republky. LITERATURA [1] BŮŽEK, Z., MICHALEK, K. Soudobé poznatky o struktuře kovových tavenn teoretcké praktcké metalurgcké aplkace. In Teore a praxe výroby a zpracování ocel. Rožnov p. Radhoštěm, dubna 005, s. 1-40, ISBN [] MICHALEK, K., BŮŽEK, Z., CHMIEL, B. Možnost aplkací soudobých poznatků o struktuře roztavených kovů v ocelářských technologích. In Iron and Steelmakng. VŠB- TU Ostrava, , Malenovce, s , ISBN [3] STRNADEL, B., BŮŽEK, Z., MATUŠEK, P. Vlv metalurgckých parametrů na mechancké vlastnost ocel R7T aplkace shlukové analýzy. In Teore a praxe výroby a zpracování ocel. Rožnov p. Radhoštěm, 006, v tsku. 6