MODELOVÁNÍ PROCESU TUHNUTÍ A CHEMICKÁ HETEROGENITA INGOTU OCELI JAKOSTI 26NiCrMoV115. ŽĎAS, a.s., Strojírenská 6, Žďár nad Sázavou, ČR

Transkript

1 MODELOVÁNÍ PROCESU TUHNUTÍ A CHEMICKÁ HETEROGENITA INGOTU OCELI JAKOSTI 26NiCrMoV115 Martin Balcar a, Rudolf Železný a, Ludvík Martínek a, Pavel Fila a, Jiří Bažan b, a ŽĎAS, a.s., Strojírenská 6, Žďár nad Sázavou, ČR b VŠB TU Ostrava, Česká republika Abstrakt Výroba oceli ve ŽĎAS, a.s. s využitím prvků sekundární metalurgie umožňuje produkci tekutého kovu s vysokými parametry metalurgické čistoty. Při odlévání a následném tuhnutí kovářských ingotů dochází ke krystalizaci oceli. Vliv usměrněného tuhnutí materiálu, velikost zrn, chemická heterogenita a existence necelistvostí, může negativně ovlivnit vlastnosti finálního produktu. Porovnání výsledného chemického složení podle numerického výpočtu s heterogenitou reálného ingotu prokázalo možnosti uplatnění softwaru MAGMA při modelování podmínek odlévání a tuhnutí ingotů pro volně kované výkovky z konstrukční oceli 26NiCrMoV115. MODELLING OF SOLIDIFICATION PROCESS AND CHEMICAL HETEROGENEITY OF 26NiCrMoV115 STEEL INGOT Abstract Steel making at ŽĎAS, a.s. using the secondary metallurgy elements enables to produce liquid metal with high parameters of metallurgical cleanness. During the casting and subsequent solidification of forging ingots, steel crystallization takes place. Directional material solidification, grain size, chemical heterogeneity and discontinuities existence can affect the final product properties negatively. Comparison of the resulting chemical composition acc. to the numerical calculation with heterogeneity of the real ingot has proven the possibility of application of MAGMA software in modelling the ingot casting and solidification conditions for 26NiCrMoV115 structural steel open-die forgings. 1. ÚVOD Produkce ocelových výkovků pro rotační součásti plynové turbiny vyžaduje respektování přesně definovaných podmínek tváření a tepelného zpracování. Základním předpokladem úspěšné výroby vysoce namáhaných strojních součástí je především kvalitní vstupní polotovar ingot. Využití software MAGMA pro modelování odlévání a tuhnutí ingotu se zaměřením na vnitřní jakost a segregace základních legujících prvků při následném porovnání teoretických předpokladů s praktickými výsledky umožňuje specifikovat možnosti využití softwaru i v dalších oblastech numerické simulace procesů probíhajících při výrobě ingotu. Hodnocení chemické heterogenity kovářského ingotu typu 8K8,4 odlitého ve ŽĎAS, a.s. z materiálu 26NiCrMoV115 pak koresponduje s požadavky na izotropii struktury a mechanických vlastností ocelového výkovku.

2 2. MODELOVÁNÍ PROCESU LITÍ A TUHNUTÍ INGOTU S využitím softwaru MAGMA byla provedena simulace lití tuhnutí kovářského ingotu 8K8.4 z oceli 30NiCrMoV s chemickým složením dle tab. 1. Tab. 1: Chemické složení oceli dle softwaru MAGMA Výsledky numerického modelování procesu tuhnutí ingotu z pohledu průběhu pásma teploty solidu v závislosti na čase uvádí obr. 1. Grafické vyjádření časových intervalů, kdy dochází k tuhnutí a tavenina setrvává ve fázovém rozhranní mezi teplotou likvidu a solidu je zřejmé z obr. 2. Konečná fáze procesu tuhnutí je uvažována pro okamžik podílu 100% tuhé fáze. [1] Obr. 1: Průběhu pásma teploty solidu v závislosti na čase Obr. 2: Setrvání taveniny ve fázovém rozhranní mezi teplotou likvidu a solidu Současně s numerickou simulací lití a tuhnutí ingotu probíhaly výpočty segregace a odmíšení základních legujících a doprovodných prvků. Významné koncentrační změny po průřezu ocelového ingotu byly zaznamenány pouze u prvků se zvýšenou koncentrací. Výsledné koncentrační rozložení některých prvků uvádí obr. 3 až obr. 6.

3 Obr. 3: Uhlík Obr. 4: Chrom Obr. 5: Nikl Obr. 6: Molybden Pohled v příčném řezu pod hlavou ingotu Ze snímků je zřejmé, že stupeň segregace prvků roste od povrchu ingotu směrem k osové části. Koncentrace prvků odečtené z koncentračních pásem na obr. 3 až obr. 6 po uspořádání do vzestupné řady, přiřazení každé vyšší koncentraci bodové hodnocení od 0 do X a sečtení bodů pro všechny prvky ustavuje výslednou tab. 2 vyjadřující relativní stupeň segregace. [2] Značení měřených míst je zřejmé z obr. 8.

4 Tab. 2: Relativní stupeň segregace Části ingotu označené indexem H1 odpovídají nejvyšší hodnoty kladné segregace. V porovnání s ostatními místy odběru zde dosahují všechny prvky maximální koncentrace. Nejnižší koncentrace analyzovaných prvků sledujeme v oblasti H3 popř. S3 a P3. 3. ZPŮSOB VÝROBY A METODIKA ODBĚRU VZORKŮ V rámci experimentálních prací byla ve ŽĎAS, a.s. vyrobena tavba oceli 26NiCrMoV115 s chemickým složením podle tab. 3. Tekutý kov byl následně odlit přes vtokovou soustavu spodem do kokil typu 8K8.4 o hmotnosti ingotu cca 8 tun. [3] Tab. 3: Chemické složení oceli konečná tavbová zkouška Tuhnutí oceli a chladnutí ingotů probíhalo v kokile do teploty okolí. Vyrobený ingot byl pro snadnější manipulaci po apretaci rozdělen strojním řezáním na tři části. Schematicky je postup dělení ingotu znázorněn na obr. 7. Na dalším obrázku je definováno značení vzorků odebraných z částí pod hlavou, ze středu a z paty ingotu, určených k následné analýze. Obr. 7: Schéma dělení ocelového ingotu a odběr zkušebního materiálu Obr. 8: Schéma odběru vzorků 4. CHEMICKÉ SLOŽENÍ INGOTU VE SLEDOVANÝCH OBLASTECH Vzorky H1, H2, H3 odebrané z části těla pod hlavou ingotu, vzorky S1, S2, S3 ze střední části a vzorky P1, P2 a P3 z patní části ingotu byly podrobeny chemické analýze v laboratoři ISPAT NOVÁ HUŤ, a.s. za účelem sledování makroskopické heterogenity jednotlivých prvků. [4]

5 Tab. 4: Chemický složení vzorků, odebraných po průřezu ingotu Chemické složení vzorků oceli jak je uvádí tab. 4 zahrnuje pouze prvky ve významné koncentraci vzhledem k detekčním limitům analytického zařízení. Pokud uspořádáme koncentrace prvku z tab. 4 do vzestupné řady a přiřadíme každé vyšší koncentraci bod v hodnocení od 0 do X a body následně pro všechny prvky sečteme, výsledkem je tab. 5 vyjadřující relativní stupeň segregace. Tab. 5: Relativní stupeň segregace V oblasti odpovídající části ingotu označené indexem H1 zaznamenáme nejvyšší kladné segregace. Výrazné odmíšení zde vykazuje většina prvků. V porovnání s ostatními místy odběru dosahují uhlík, chrom, nikl, molybden a vanad maximální koncentrace. Naopak nejnižší koncentrace analyzovaných prvků sledujeme v oblasti S1 popř. S3 a P3. 5. MĚŘENÍ HETREGONITY PRVKŮ Stanovení chemické heterogenity vzorků ocelí byla provedena ve VTÚO Brno v souladu s dříve prováděnými pracemi [5]. K získání požadovaných koncentračních souborů byla použita metoda energiově disperzní (ED) rentgenové spektrální mikroanalýzy a mikroanalytický komplex JEOL JXA8600/KEVEX Delta V Sesame. Analýze byly podrobeny prvky, jejichž obsah v oceli je vyšší, než je hodnota meze detekčních limitů pro ED mikroanalýzu za použitých podmínek měření. Každý změřený soubor zahrnuje 101 koncentrací vanadu, chrómu, manganu, železa, niklu a molybdenu. Pro změřené koncentrační soubory byly programem vypočteny a stanoveny jejich základní statistické parametry: X S střední hodnota S X směrodatná odchylka Min minimální hodnota I Het index heterogenity I Het = S X / X S Max maximální hodnota I s, index segregace Is = Max/X S Přehled základního statistického zpracování změřených koncentrací prvků v sérii vzorků je uveden v tab. 6. Základní hodnocení výsledků analýzy chemické heterogenity

6 bylo zaměřeno na posouzení maximálního měřeného relativního odmíšení prvků. Koncentrace každého prvku byla měřena v délce úseku 1000 µm u každého vzorku. V tomto úseku bylo pro každý prvek vybráno jeho největší koncentrační odmíšení (Max), a byl stanoven bezrozměrný parametr index segregace (Is), jako poměr maximální koncentrace k průměrné koncentraci v daném úseku (Is = Max/XS). Hodnoty změřeného indexu segregace uvádí tab. 7. Tab. 6: Základní statistiky vzorků a prvků Tab. 7: Indexy I Het a I s Pro přehled jsou indexy segregace pro analyzované prvky uspořádány do tabulky a maximální a minimální hodnota indexu segregace je přitom vyznačena tučně. Podle polohy vzorků v ingotu, to znamená vždy následující uspořádání: Z rozložení hodnot maximálních a minimálních indexů segregace jednotlivých prvků ve vzorcích odebraných z ingotu plyne, že nelze zcela jednoznačně rozhodnout v které části ingotu dochází k nejvyšší, popřípadě nejnižší intenzitě odmíšení.

7 Přisoudíme li nejvyššímu resp. nejnižšímu indexu segregace každého prvku stejnou váhu (máme šest analyzovaných prvků, čili každý z nich má váhu 1/6), potom rozložení maximálních resp. minimálních indexů segregace prvků ve vzorcích, tj. počet prvků s maximální resp. minimální hodnotou indexu segregace ve vzorku udává následující tab. 8. Tab. 8: Váhové rozložení indexů segregace Z této tabulky plyne, že nejvyšší index segregace je změřen v oblasti osy ingotu, kde na vertikální sloupec vzorků H1 S1 P1 připadá váha 4/6 tedy 2/3 případů. Nejmenším indexem segregace jsou charakterizovány vzorky odebrané z polohy ingotu S2 neboť váha tohoto parametru zde zahrnuje polovinu všech případů. Na celý sloupec H2, S2 a P2 připadá váha 4/6 tedy 2/3 případů. Minimální váha nejnižší změřené hodnoty indexu segregace prvku 1/6 připadá na vertikální sloupce odebraných vzorků H1 S1 P1 a H3 S3 P3, přičemž ve sloupci H1 S1 P1 činí váha výskytu prvků s maximálním indexem heterogenity 2/3. Z předchozí tabulky plyne, že nejvyšší tendenci k odmíšení lze očekávat v ose ingotu index 1. Nejnižší tendenci k odměšování lze očekávat v místech označených indexem 2. Tab. 9: Mezní hodnoty indexů segregace vztažené k prvkům Pro některé prvky budou existovat výjimky, například pro Cr a Mn, jak názorně plyne z tab. 9. Nejmenší změřené indexy segregace jsou charakteristické pro oblast ingotu H2, S2 a P2, přičemž také z tohoto pravidla existují dvě výjimky a to opět pro prvky Cr a Mn. Podle nejvyšších naměřených hodnot indexů segregace prvků ve vzorcích dostáváme ze změřených dat následující pořadí posloupnost indexů segregace měřených prvků: Podle nejnižších změřených hodnot indexů segregace téhož souboru prvků dostáváme ze změřených dat následující posloupnost prvků: To znamená, že dostáváme pořadí prvků, které je téměř shodné s předcházejícím, a to Mo, V, Mn, Cr, Ni a Fe. Pouze dva prvky, molybden a vanad si vyměnily pořadí. Z uvedených posloupností maximálních a minimálních změřených indexů segregace plyne, že v obou případech jsou na prvních třech místech prvky: V, Mo a Mn. Posloupnost v obou případech uzavírají prvky: Cr, Ni a Fe. Reciproká hodnota indexu

8 segregace (Is) charakterizuje v prvém přiblížení efektivní rozdělovací koeficient prvku, tj. platí k 1/Is. [6]

9 6. ZÁVĚR Určitá shoda výsledků provedených měření a simulací v posloupnostech maximálních a minimálních indexů segregace signalizuje jisté tendence, významně se uplatňující během krystalizace, tuhnutí a chladnutí ingotu z oceli daného chemického složení. Na základě provedených měření lze předpokládat, že se tato tendence odvíjí od reálné hodnoty efektivního rozdělovacího koeficientu jednotlivých měřených prvků. Pokud by tomu tak vskutku bylo, potom je možno na základě doposud provedených měření usoudit, že z vnějších parametrů bude zde hrát významnou úlohu parametr označovaný jako místní doba tuhnutí, tj. doba po kterou příslušná měřená oblast vzorku setrvává mezi teplotou solidu a likvidu. Využití software MAGMA pro modelování procesu odlévání a tuhnutí ingotu se zaměřením na segregace základních legujících prvků dokumentuje relativní shodu teoretických předpokladů s praktickými výsledky. Hodnocení chemické heterogenity kovářského ingotu typu 8K8,4 z materiálu 26NiCrMoV115 přispěje k vysvětlení příčin možného vzniku anizotropie struktury oceli ve vazbě na užitné vlastnosti. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu E!3192 ENSTEEL identifikační číslo 1P04EO169. Projekt byl realizován ze státních prostředků za finanční podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR. 7. LITERATURA [1] Martínek, L., Balcar, M., Bažan, J. a kol.: Optimalizace lití a tuhnutí s ohledem na strukturu a homogenitu ingotu. Dílčí zpráva z řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL, identifikační číslo 1P04OE169, 2005, 69 s. [2] Martínek, L., Balcar, M. Železný, R.: Optimalizace lití a tuhnutí s ohledem na strukturu a homogenitu ingotu. Příloha č. 4: Výstupy numerické simulace a vybrané jakostní parametry ingotu. Dílčí zpráva z řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL, identifikační číslo 1P04OE169, 2005, 97 s. [3] Martínek, L., Balcar, M. a kol.: Výroba komponent z vysoce čistých ocelí pro energetická zařízení. Dílčí zpráva o řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL, 2004, 117 s. [4] Hutní a chemické laboratoře ISPAT NOVÁ HUŤ a.s., Protokol o zkouškách, 2004 [5] Bažan, J. a kol.: Porovnání vlivu soudobých, jednotlivých i kombinovaných pochodů mimopecní metalurgie a lití na užitné vlastnosti a nákladovost jakostních ocelí. /Oponovaná závěrečná zpráva grantového projektu GAČR 106/01/0365/. VŠB - TU Ostrava, 2003, 68 s. [6] Rek, A., Stránský, K.: Heterogenita prvku ve vzorcích oceli 26NiCrMoV115 z ingotu 8 tun. VTÚO Brno, 2004, 35 s.