VÁLCOVÁNÍ PÁSU Z MIKROLEGOVANÉ OCELI NA DVOUSTOLICOVÉ TRATI TYPU STECKEL ZA TEPLA ROLLING OF MICROALLOYED STEEL AT A TWO-STAND HOT STRIP MILL OF STECKEL TYPE Stanislav Rusz a Ivo Schindler a Lubomír Cížek a Miloš Marek a Libor Cerný b Vladimír Švinc b a VŠB-TU Ostrava, FMMI, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, stanislav.rusz.fmmi@vsb.cz b ISPAT NOVÁ HUT a. s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava Kuncice, lcerny@novahut.cz Abstrakt Pri rízeném válcování HSLA ocelí se vetšinou aplikuje nízkoteplotní doválcování, pri nemž je vlivem precipitátu zbrzdena rekrystalizace. Fázová transformace austenit/ferit pak probíhá díky kumulaci zpevnení a rustu hustoty poruch zrychlene, což vede k dosažení jemnozrnnejší finální struktury. Pred tím je treba dosáhnout jisté celkové deformace v oblasti zbrzdené rekrystalizace. V prípade válcování pásu na vratné trati typu Steckel je situace komplikovaná úcinkem vyhrívané navíjecky pred posledním dvojúberem. Ke kumulaci zpevnení tak slouží víceméne jen finální dva úbery, jejichž celková deformace je pomerne malá. V prípade nízkouhlíkové oceli mikrolegované niobem a vanadem byly provedeny experimenty simulující vliv ruzných režimu doválcování a ochlazování pásu na trati typu Steckel. Použila se k tomu laboratorní válcovací trat se dvema reverzními duo stolicemi, s pecí napodobující teplotní pomery ve vyhrívané navíjecce a s úsekem chlazení pásu vodní sprchou. Menily se doválcovací teploty a intenzita ochlazování hotového pásu. V závislosti na techto podmínkách byl urcován charakter finální mikrostruktury (metalograficky) a mechanické vlastnosti (mez kluzu, mez pevnosti a tažnost). Low-temperature finish rolling is usually applied at controlled rolling of HSLA steel, when recrystalization is retarded by the influence of precipitates. Phase transformation austenite/ferrite then proceeds more rapidly due to the cumulation of strain hardening and growing of the defects density which leads to achievement of a fine-grained final structure. Some necessary total deformation in the field of retarded recrystalization must be reached. In the case of the reversible rolling mill of type Steckel, situation is complicated by influence of furnace-coiler before the final double pass. For cumulation of hardening only the final doublepass serves broadly, whose total deformation is relatively low. Experiments simulating the influence of various regimes of finish rolling and cooling at a strip mill of the Steckel type were executed, using a low-carbon steel microalloyed with Nb and V. The laboratory rolling mill with two reversible stands, with furnace simulating temperature relations in the coil, and with section of water cooling of the strip was used for the experiment. Finish rolling temperatures and intensity of cooling of final strip were changed. In dependence on this conditions final microstructure characteristics and mechanical properties (yield point, tensile strength and ductility) were determined. 1
1. CÍL Cílem experimentu bylo urcit na základe ruzných režimu laboratorního válcování za tepla vliv doválcovacích a ochlazovacích podmínek na výslednou mikrostrukturu a mechanické vlastnosti pásu z nízkouhlíkové oceli mikrolegované niobem a vanadem. Byly pritom zjednodušene napodobovány podmínky válcování pásu na dvoustolicové vratné trati P1500 typu Steckel a.s. ISPAT NOVÁ HUT. 2. EXPERIMENT 2.1. Použitý materiál Byla použita mikrolegovaná (HSLA) ocel s chemickým složením uvedeným v tab. 1. Tabulka 1. Chemická analýza zkoumané oceli v hm.% Table 1. Chemical analysis of the investigated steel in wt.% C Mn Si P S Cr Ni V Cu Al Nb 0,08 1,24 0,25 0,008 0,004 0,03 0,03 0,05 0,08 0,37 0,04 2.2. Postup válcování Materiál byl dodán ve forme odrezku z plynule lité bramy. Rezáním a frézováním z nich byly vyrobeny vzorky tlouštky 20 mm, šírky 35 mm a délky 110 mm. Ty byly po austenitizaci na teplote 1180 C válcovány celkem ctyrmi dvojúbery na dvoustolicové laboratorní trati Tandem (reverzní, rízené pocítacem) [1, 2]. Válce o prumeru 158 až 159 mm se otácely nominálními rychlostmi 180 až 230 min -1, mezi každým dvojúberem došlo ke zmenš válcovacích mezer a reverzaci pohonu obou válcovacích stolic. Vysokoteplotní predválcování probíhalo 3 dvojúbery a jeho výsledkem byl rozvalek o tlouštce 5.0 mm. Pred 2. dvojúberem byla teplota provalku asi 1120 C, pred 3. dvojúberem asi 1050 C. Doválcování posledním, 4. dvojúberem na konecnou tlouštku 2.7 mm probehlo po asi dvouminutové výdrži v peci ohráté na doválcovací teplotu; takto byla simulována vyhrívaná navíjecka na trati P1500. Z grafu na obr. 1 je zrejmý casový prubeh válcovacích sil F. Obr. 1. Namerené válcovací síly (doválcovací teplota 920 C) Fig. 1. Measured rolling forces ( finishing temperature 920 C) 2
Doválcovací teplota byla zvolena ve 3 hladinách: 920 C, 860 C a 800 C. Následovalo volné nebo zrychlené ochlazování pásu, tedy na vzduchu nebo nekolikanásobným ostrikem tlakovou vodou (kdy se provalek pohybuje mezi tryskami za pomoci reverzovaného váleckového dopravníku). Intenzita chlazení byla regulována poctem pruchodu vodní sprchou na výbehovém úseku trati Tandem 3 nebo 5. Pak následovalo volné dochlazení na vzduchu. Pro srovnání bylo provedeno válcování shodnými úbery, ale bez prodlevy pred 4. dvojúberem. V tomto prípade byla doválcovací teplota asi 1005 C. 3. VYHODNOCENÍ TAHOVÝCH ZKOUŠEK Z vybraných vývalku byly dle CSN EN 10002-1 vyrobeny ploché vzorky o šírce 12.5 mm, urcené ke zkoušení tahem za pokojové teploty (rychlost prícníku zkušebního stroje byla 2 mm min -1 5 mm min -1 ). Pro každý vývalek byly provedeny min. 2 zkoušky. Byla namerena horní mez kluzu R eh, pevnost v tahu R m, namerena a vypoctena tažnost A jejich výsledky dokumentuje tab. 2. Tažnost A se vypocetla podle rovnice 1.? Lu? L A?? L0 0?? 100? (1) kde L 0 pocátecní merená délka [mm] L u merená délka zkušební tyce po pretržení [mm] Všechny zatežovací diagramy mely shodný charakter, s výraznou mezí kluzu (viz ukázka zatežovacího grafu na obr. 3) Vzhledem k rozmerum hotových vývalku je pochopitelné, že zkoušky tahem mohly být provedeny jen na vzorcích odebraných rovnobežne se smerem válcování. Obr. 3. Ukázka zatežovacího diagramu vzorku s doválcovací teplotou 920 C, ochlazovaného volne na vzduchu Fig. 3. Example of a stress-strain diagram of the sample after finishing at temperature 920 C, air cooling 3
Tabulka 2. Výsledky tahových zkoušek Table 2. Results of tensile tests doválcovací teplota [ C] ochlazování R eh [MPa] R m [MPa] R eh /R m A [%] 1005 vzduch 472 575 0,82 39,5 800 vzduch 489 548 0,89 31,5 800 3x sprcha 528 579 0,91 28,0 800 5x sprcha 533 587 0,91 30,0 920 vzduch 471 530 0,89 28,5 920 3x sprcha 515 571 0,90 28,5 920 5x sprcha 514 568 0,90 30,0 4. VYHODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY Mikrostruktura laboratorne válcovaných pásu byla zkoumána tradicními metodami optické mikroskopie (vzorky leptány Nitalem). Sledovány byly podélne svislé rezy vedené v polovine šírky vývalku. Fotografie na obr. 4 dokumentují vliv ochlazovacích podmínek na mikrostrukturu výsledného pásu po doválcovací teplote 800 C, na obr. 5 po doválcovací teplote 920 C a na obr. 6 válcování bez prodlevy pred 4. dvojúberem (doválcovaní 1005 C). 3x sprcha water cooling 5x sprcha water cooling Obr. 4. Mikrostruktura po doválcování pri teplote 800 C a ruzném zpusobu ochlazování Fig. 4. Microstrukture after finishing at temperature 800 C and various intensity of cooling 4
3x sprcha water cooling 5x sprcha water cooling Obr. 5. Mikrostruktura po doválcování pri teplote 920 C a ruzném zpusobu ochlazování Fig. 5. Microstrukture after finishing at temperature 920 C and various intensity of cooling Obr. 6. Mikrostruktura po doválcování pri teplote 1005 C a ochlazení na vzduchu Fig. 6. Microstrukture after finishing at temperature 1005 C and air-cooling 5
Pásy volne chladnoucí na vzduchu vykazují rovnoosou feriticko-perlitickou strukturu. Jen pri nejvyšší doválcovací teplote 1005 C nejsou patrné známky rádkovitého usporádání perlitu a zrno je viditelne hrubší než v ostatních prípadech. U pásu ochlazovaných zrychlene bylo nutno hodnotit mikrostrukturu stredových partií i pri vetším zvetšení. Ve srovnání s doválcovací teplotou 920 C, doválcování pri 800 C vedlo v techto prípadech k zisku jemnozrnnejší a rovnomernejší mikrostruktury. Po zrychleném ochlazování z doválcovací teploty 920 C je struktura tvorena feritem, malým obsahem perlitu a acikulárním feritem (prípadne bainitem), jehož výskyt (na úkor perlitu) je castejší po intenzivnejším ochlazování. Ve srovnání se strukturou získanou po shodné doválcovací teplote, ale po volném ochlazování na vzduchu, je výsledná mikrostruktura jemnozrnnejší, ale zároven i heterogennejší; díky nízkému obsahu perlitu však nevykazuje rádkovitost. Rovnež pásy zrychlene ochlazované z doválcovací teploty 800 C mají strukturu tvorenou feritem, malým množstvím perlitu (bez rádkovitosti) a zákalnými fázemi. Mikrostruktura je velmi jemnozrnná a dosti rovnomerná, ale vliv intenzity ochlazování z doválcovací teploty (tedy rozdíl mezi vlivem trojnásobného a petinásobného ostriku vodní sprchou) není témer patrný. 5. ZÁVERY Odlišné mechanické vlastnosti vykazoval pás vyválcovaný bez prodlevy, tedy s doválcovací teplotou 1005 C, která mela oproti ostatním pásum vyšší plastické vlastnosti. Tažnost, resp. pomer meze kluzu a meze pevnosti u pásu rízene válcovaných byla podmínkami doválcování a ochlazování témer neovlivnena. Jinak tomu bylo u pevnostních vlastností. Nižší doválcovací teplota i zrychlené ochlazování vedly k rustu meze kluzu i meze pevnosti. Zatímco rozdíl pevnostních vlastností u pásu ochlazovaných na vzduchu, resp. po trojnásobném ostriku vodou byl výrazný, další intenzifikace chlazení by už nemela valný smysl (predevším po doválcování pri teplote 920 C). Aplikací dvoustolicové laboratorní trate Tandem [3], v modelovém merítku velmi príbuzné provozní válcovne P1500, byly urceny základní trendy vlivu doválcovací teploty a rychlosti ochlazování hotového pásu z mikrolegované oceli na charakter jeho mikrostruktury a základní mechanické vlastnosti. Daná technologie vpodstate nedovoluje aplikaci bežného režimu rízeného válcování, pri nemž probíhá intenzivní doválcování v oblasti zbrzdené rekrystalizace a kumulace zpevnení je pak (spolu se zrychleným ochlazováním) využívána pro akceleraci následující fázové premeny austenit / ferit, vedoucí k výraznému zjemnení zrna. Potíž spocívá v tom, že pred posledním dvojúberem na trati P1500 je válcovaný polotovar umísten po jistou dobu ve vyhrívané navíjecce, kde dochází k uzdravování deformované struktury, a finální dvojúber není dostatecný pro žádanou kumulaci zpevnení. Experimenty však potvrdily, že i v techto limitovaných podmínkách lze volbou teplotního režimu pri doválcování a ochlazování regulovat pevnostní vlastnosti pásu ze zkoumané oceli, zatímco vlastnosti plastické jsou k temto vlivum jen zcela nepatrne citlivé. LITERATURA [1] SCHINDLER, I. Modelová válcovací trat Tandem predstavena na veletrhu Metal 98. Hutnické listy, 1998, roc. 53, c. 7-8, s. 76-77. [2] http://www.fmmi.vsb.cz/model/ [3] SCHINDLER, I. et al. Modelování tvárecích procesu na laboratorních válcovacích tratích. Hutnické listy, 1999, c. 7-8, s. 79-85. Výzkum probíhal v rámci výzkumného zámeru MSM 273600001 (MŠMT CR). 6