MOŽNOSTI SIMULACE PŘÍMÉHO VÁLCOVÁNÍ TENKÝCH OCELOVÝCH BRAM V LABORATOŘÍCH VŠB TECHNICKÉ UNIVERZITY OSTRAVA

Transkript

1 MOŽNOSTI SIMULACE PŘÍMÉHO VÁLCOVÁNÍ TENKÝCH OCELOVÝCH BRAM V LABORATOŘÍCH VŠB TECHNICKÉ UNIVERZITY OSTRAVA Ivo Schindler, Petr Kozelský, Tomáš Kubina, Martin Radina, Janusz Dänemark a Jana Poláchová, Karel Čmiel b a) VŠB Technická univerzita, Ústav modelování a řízení tvářecích procesů, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR, ivo.schindler@vsb.cz b) TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a.s., Technologie a výzkum, Třinec, ČR, karel.cmiel@trz.cz Abstract The laboratory complex allowing the simulation of direct strip rolling from cast steel slabs was developed and turned to work. The steel specimens are melted in vacuum induction furnace and then cast into a demountable mould which allows quickly to put out the solidifying semi-finished product at so high temperatures that the possible phase transformation austenite ferrite does not take place. The temperature of cooling cast is balanced in electric resistance furnace and the specimen is immediately hot rolled at the automated two-stand rolling mill Tandem. The significant decrease of carbon and aluminium content occurred during remelting of a plain-carbon steel. The chemical composition of a free-cutting stainless Cr-Ni steel was almost changeless after remelting. The local analysis of casts showed their high homogeneity of chemical composition both at longitudinal and transverse direction. But the macrostructure analysis revealed structural heterogeneity and even pores in axial part of casts. Evaluating microstructure of directly or conventionally rolled plain-carbon steel it was found that the representative place of cast specimen is located in the middle of its height and transverse section. Hot rolling by 6 draughts of total quantity 68 % led to obtaining the analogous microstructure after conventional and direct rolling. Rolling of a free-cutting stainless steel (10 draughts) discovered that for complete elimination of casting defects the deformation of up to 85 % was necessary. The microstructure (grain size, sulphide inclusions shape) of conventionally and directly rolled specimens corresponded already at total deformation 80 %. 1. ÚVOD Výroba ocelových pásů v uplynulých letech prošla řadou převratných inovací, jejichž podstata spočívá ve zkrácení a integraci původně přetržitého metalurgického cyklu. Dva donedávna ještě zcela samostatné pochody, výroba oceli a válcování pásů, jsou nyní důsledně propojeny plynulým odléváním bram v naprosto spojitý, výhledově až nekonečný proces [1]. Tyto tendence pronikly zpočátku do integrovaných hutních závodů a později se staly základnou nově budovaných minihutí, které vykazují nižší energetickou náročnost výroby pásů, vyšší produktivitu práce a velmi příznivé ceny ocelových pásů [2]. Špičková úroveň jakosti ocelových pásů je podmíněna výrobou mimořádně metalurgicky čisté oceli plynule odlévané do formátu bram. Během odlévání cílevědomě vylepšovaná licí struktura ztrácí postupně některé typické vady stacionárně odlévané oceli a k její přeměně na konečný produkt se proto vystačí s mnohem menším stupněm celkové deformace [3]. Tím současně vznikají dříve netušené možnosti cíleného ovlivňování vývoje struktury (potažmo - 1 -

2 výsledných mechanických vlastností) během spojitého procesu odlévání, tuhnutí, tváření materiálu a jeho řízeného ochlazování z doválcovací teploty. Další možnosti ovlivňování vývoje struktury vyplývají z postupného zmenšování tloušťky plynule odlévaných bram. Z běžně odlévaných tlustých bram o tloušťce 150 až 250 mm se již přechází na tenké bramy tloušťky 30 až 50 mm a ověřuje se odlévání pásů, kde se za nejmenší dosažitelnou tloušťku považuje výhledově až 1 mm [4]. Aplikace tenčí bramy urychluje tuhnutí, potlačuje vznik segregací a zjemňuje licí strukturu. V nově projektovaných a mnohde již budovaných zařízeních se přechází dokonce na tzv. přímé válcování, pro které je příznačné bezprostřední propojení plynulého odlévání a válcování. V Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů VŠB-TUO byl vybudován laboratorní komplex, umožňující zjednodušenou simulaci přímého válcování tenkých ocelových bram. Předložený příspěvek shrnuje první experimentální poznatky zde získané. 2. POPIS LABORATORNÍHO VYBAVENÍ A POSTUPU Ve vakuové indukční peci (obr. 1) je za přispění argonové ochranné atmosféry jednorázově přetaven a odlit ocelový polotovar o hmotnosti do 1 kg. Lije se do dvoudílné litinové kokily, jejíž dno nahrazuje měděná deska. Vnitřní dutina kokily měla původně obdélníkový příčný průřez tloušťka 20 x 40 mm. Protože však byly potíže s vyjmutím tuhnoucího polotovar, přistoupilo se ke zkosení kratších vnitřních stěn kokily a výsledný odlitek po smrštění má tedy po průřezu tvar nepravidelného šestiúhelníku (obr. 2), resp. obdélníku o výšce asi 19,5 mm a šířce 38 až 43 mm se zkosenými stěnami. Takovýto odlitek je považován za zjednodušený model tenké plynule lité bramy, určené přednostně k přímému válcování do podoby pásu. Je pochopitelné, že makrostruktura takovéhoto polotovaru se do jisté míry liší od struktury plynule lité bramy odpovídající tloušťky, ale i od struktury vzorku, připravovaného přetavením na plastometru (např. typu Gleeble). Takovéto zjednodušení je při našich experimentech zatím nezbytné. Obr. 2 : Příčný řez odlitkem z nízkouhlíkové oceli Obr. 1 : Laboratorní přetavovací pec Kvalifikovaná obsluha dokáže vyjmout tuhnoucí polotovar z lehce rozebíratelné kokily řádově v několika málo desítkách sekund po odlití, takže jeho teplota ani v rychle chladnoucích podélných hranách nepodkročí teplotu 1000 C (nebereme v úvahu tenkou patní část odlitku, dotýkající se měděného dna ). Díky tomu se lze vyhnout případným fázovým transformacím a zkoumat deformační chování původní hrubozrnné licí struktury

3 METAL 2001 Obr. 3 : Pohled na obě stolice tratě Tandem a sprchovací zařízení na výběhovém úseku válečkových dopravníků Následuje krátkodobé vyrovnání teploty v celém objemu odlité bramky, a to za použití některé z mobilních laboratorních pecí (maximální teplota takového dohřevu je 1200 nebo 1340 C, podle aplikované elektrické odporové pece). Bezprostředně navazuje válcování za tepla na automatizované dvoustolicové trati Tandem (obr. 3), jejíž aktuální parametry byly popsány dříve (viz např. [5-7]). Zatím nebyla využita možnost válcování takto za tepla tvářených polotovarů na nově vyvinuté bezstojanové předepjaté stolici Q110, určené k válcování tenkých pásků za studena (obr. 4). Struktura přímo válcovaných pásů je pak porovnávána s charakteristikami vývalků, které prošly shodným deformačním režimem, ale jejichž výchozí polotovary měly strukturu již dříve protvářenou nebo litou, ale ovlivněnou fázovými transformacemi při ochlazování a zpětném ohřevu na teplotu tváření. Obr. 4 : Válcovací stolice Q110 (průměr pracovních válců 62 mm) -3-

4 3. PROVEDENÉ EXPERIMENTY 3.1 Chemické analýzy Pro přetavování byly využity dva typy oceli nelegovaná nízkouhlíková, resp. automatová korozivzdorná (austenitická, se sírou). Chemické analýzy výchozích i přetavených vzorků byly provedeny na optickém emisním spektrometru LECO GDS-750A (zaměřované místo má tvar kruhu o průměru asi 4 mm) viz tab. 1. Prokázalo se, že složení korozivzdorné oceli se přetavováním nijak znatelně nezměnilo, snad s výjimkou mírného úbytku křemíku. Naopak v případě nízkouhlíkové oceli vyhořela téměř polovina obsahu uhlíku a prakticky veškerý hliník, obsah manganu se snížil asi o čtvrtinu. Překvapila však homogenita chemického složení odlitků po výšce i po průřezu jednotlivých příčných řezů. Pravděpodobně díky poměrně rychlému tuhnutí se neprojevily žádné rozdíly v lokálním výskytu jednotlivých prvků, které by přesahovaly běžný rozptyl výsledků. Tabulka 1 : Chemické složení použitých ocelí po přetavení (v hm. %) ocel nízkouhlíková ocel korozivzdorná C 0,09 0,06 Mn 0,32 1,34 Si 0,16 0,32 P 0,029 0,036 S 0,032 0,24 Cr 0,08 16,8 Ni - 9,3 Mo - 0,33 Al 0, Makrostruktura odlitků Obr. 4 : Makrostruktura podélných řezů odlitků ze zkoumaných ocelí - 4 -

5 Obr. 5 : Makrostruktura vybraných příčných řezů odlitku z automatové austenitické oceli Lité bramky byly rozřezány, ofrézovány a běžnými metalografickými postupy se sledovala jejich makrostruktura v podélném i příčném směru. Nízkouhlíková ocel byla leptána Nitalem, austenitická pak Adlerovým leptadlem. Z obr. 4 je zřejmé, že při nedostatečném dolití hlavy se v osové části odlitku objevují velmi výrazné licí vady, zasahující ve formě pórů až za polovinu jeho výšky. Austenitická ocel na rozdíl od oceli nízkouhlíkové neprošla při chladnutí fázovou transformací, což se projevilo mnohem heterogennější makrostrukturou a celkově hrubším zrnem. Písmena A až D a X korespondují s umístěním vybraných příčných řezů, jejichž makrostruktury jsou uvedeny na obr. 2 a 5. Strukturní rozdíly jsou samozřejmě opět patrnější u korozivzdorné oceli. 3.3 Strukturně reprezentativní místo laboratorně lité bramky Odlitky z nízkouhlíkové oceli byly přímo nebo konvenčně (tedy po ochlazení na 300 C a ohřevu na 1200 C) válcovány vratně na stolici B trati Tandem, a to celkem 6 výškovými úběry o velikosti 18 až 16 %. Měřila se teplota před 3. průchodem (1090 C), před 5. průchodem (1030 C) a po 6. úběru (970 C). Tloušťka výsledného provalku je 6,1 mm, což odpovídá sumárnímu výškovému úběru 68 %. Běžnými postupy studovaná mikrostruktura (Nitalem leptané výbrusy u paty, v polovině výšky a u hlavy odlitku) byla prakticky úplně shodná v případě konvenčního válcování, kdy opakovaná transformace austenit ferit austenit vedla k homogenizaci a zjemnění výchozí struktury (obr. 6). Hlavové a patní části přímo válcovaného odlitku měly obdobný charakter, výrazně odlišný (nerovnoměrnější a jemnozrnnější) než partie odpovídající polovině výšky odlitku (obr. 7), která naopak plně koresponduje s mikrostrukturou konvenčně tvářeného vývalku. Z toho bylo odvozeno reprezentativní místo lité bramky z hlediska následných mikrostrukturních analýz příslušného vývalku osová partie příčného řezu, vedeného v polovině výšky odlitku, resp. v polovině délky hotového vývalku. Obr. 6 : Mikrostruktura vývalku z nízkouhlíkové oceli (konvenční válcování odlitku) - 5 -

6 a) patní část původního odlitku b) oblast v polovině délky Obr. 7 : Mikrostruktura vývalku z nízkouhlíkové oceli (přímé válcování) 3.4 Makrostruktura vývalků Bramky odlité z automatové austenitické oceli byly přímo válcovány z teploty 1220 C celkem 10 výškovými úběry o velikosti 19 až 14 %. Zapojily se obě stolice tratě Tandem a válcovalo se vždy dvojicí velmi rychle po sobě jdoucích úběrů s následující pauzou o délce 5 až 8 s, využitou k současnému přestavění válců a reverzaci. Povrchová teplota polotovaru před 5. úběrem byla asi 1075 C, před poslední dvojicí úběrů pak zhruba 930 C. Ve vybraných okamžicích se válcování přerušovalo a polotovary nechaly volně vychladnout na vzduchu. Po 3. úběru bylo dosaženo tloušťky 11,1 mm a sumárního výškového úběru cca 43 %, po 4. úběru tloušťky 8,6 mm (celkem úběr 56 %), po 8. úběru tloušťky 3,9 mm (tj. 80 %) a konečně po posledním 10. úběru tloušťky 3,0 mm (tj. 85 %). Ze studia makrostruktur takto získaných vývalků (v podélném řezu ve směru válcování, viz obr. 8) vyšlo najevo, že opakovanou rekrystalizací lze konkrétní výchozí strukturu dostatečně zhomogenizovat a zjemnit celkovou výškovou deformací okolo 80 %. K dokonalému zaválcování všech pórů však byly nezbytné ještě další dva průchody a tedy celková deformace asi 85 %. 3.5 Mikrostruktura vývalků z korozivzdorné oceli Výše popsané postupy válcování za tepla byly zopakovány ještě pro případ rozměrově shodných výchozích vzorků, vyrobených však z protvářené austenitické automatové oceli. Po elektrolytickém naleptání kyselinou Obr. 8 : Makrostruktura vývalků z automatové austenitické oceli po odstupňované celkové deformaci šťavelovou pak byla porovnávána mikrostruktura analogicky válcovaných vzorků, ovšem při různém výchozím stavu. Jak je zřejmé z obr. 9a,b, výchozí licí struktura je podstatně hrubo

7 zrnnější a především vykazuje nerovnoměrnější distribuci sulfidických vměstků než struktura již dříve protvářená. Ani po sumární deformaci 56 % nebyly mikrostruktury odpovídajících si vývalků shodné licí struktura vykazuje zrna velmi se různících parametrů (obr. 9c,d). S dalším postupem válcování se strukturní charakteristiky obou typů vývalků stále více sbližují a po celkové deformaci 85 % už se velikostí a protaženým tvarem zrn i vměstků prakticky neliší. U obou hotových provalků jsou vidět náznaky mírně zvlněných pásů probíhajících v celé jejich délce, typických pro vysoce protvářený austenit (obr. 9e,f). 4. ZÁVĚRY Byl vybudován laboratorní komplex, umožňující poměrně levné fyzikální modelování procesu přímého válcování tenkých ocelových bram. Technicky i organizačně byla zvládnuta metodika experimentu tak, že odlité polotovary je možno vložit do pece za účelem vyrovnání teploty před případným průběhem fázové transformace austenit ferit. První praktické zkušenosti vedly k lokalizaci místa odlitku s reprezentativní strukturou, které je posléze zvoleno k mikrostrukturním analýzám. U dvou značně rozdílných typů oceli byly určeny úběrové podmínky přímého válcování, vedoucí k získání shodné struktury jako po konvenčním tváření za tepla. Další experimenty budou mj. zaměřeny na eliminaci potíží se změnami chemického složení materiálu během jeho přetavování, na měření teploty taveniny a na optimalizaci tvaru odlitku, resp. dutiny kokily. Postupně je zvládán problém nadměrné pórovitosti osové části odlitku. Bylo by samozřejmě vhodné ověřit shodu makrostruktury laboratorně odlité bramky a plynule lité bramy o tloušťce kolem 20 mm, čemuž však zatím brání především dostupnost srovnatelného materiálu. Lze předpokládat, že popsaným postupem získaná struktura je odpovídajícím provozním podmínkám bližší než struktura vzorku přetavovaného a řízeně tuhnoucího v podmínkách plastometrického zkoušení. Jednoznačnou výhodou popsaného postupu fyzikálního modelování pak je značná příbuznost s provozními postupy válcování a efektivní možnost dalšího studia hotového vývalku (např. zkouškou tahem). To je dáno dostatečnými rozměry zkušebního vzorku a značnou homogenitou deformace v jeho objemu. LITERATURA [1] NIKAIDO, H., aj. Revue de Métallurgie, 1998, č. 1, s [2] SZEKELY, J., TRAPAGA, G. Met. Plant and Techn. Int., 1994, č. 4, s [3] LEHMAN, A., TALLBÄCK, G., RULLGÅRD, A. Steel Times, 1996, č. 7, s [4] SIMON, R. W., aj. Stahl und Eisen, 1997, č. 5, s [5] SCHINDLER, I. Hutnické listy, 1998, č. 7-8, s [6] SCHINDLER, I., aj. Hutnické listy, 1999, č. 7-8, s [7] SCHINDLER, I., aj. In Advanced Technology of Plasticity 1999, Proceedings of the 6 th International Conference on Technology of Plasticity. Nürnberg: Springer-Verlag Berlin, 1999, Vol. 1, s Práce byly prováděny v rámci projektu GA ČR 106/01/

8 METAL 2001 a) přímé válcování výchozí struktura odlitku b) výchozí stav tvářeného a ohřátého vzorku c) přímé válcování struktura po 4. úběru d) konvenční válcování struktura po 4. úběru e) přímé válcování struktura po 10. úběru d) konvenční válcování struktura po 10. úběru Obr. 9 : Mikrostruktura vývalků z automatové korozivzdorné oceli -8-