VLIVY TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ ODLÉVÁNÍ NA TŘENÍ V KRYSTALIZÁTORU ZPO

VLIVY TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ ODLÉVÁNÍ NA TŘENÍ V KRYSTALIZÁTORU ZPO René Pyszko a Leopold Cudzik b a) VŠB-TU Ostrava, 17.listopadu 3, 78 33 Ostrava - Poruba, ČR b) DASFOS v.o.s., Ladislava Ševčíka 6, 73 Ostrava - Vítkovice, ČR Abstract Friction in the CC mould has a significant effect on shell cracking and breakout occurrence. For this reason, it is desirable to know the friction force level during casting and include friction force level to input parameters of control system for intelligent continuous casting control and breakout prediction. Two approaches of friction recognition are known, the first is based on friction prediction by mathematical (statistical) models according to actual casting parameters, the second is based on real time continual friction monitoring by special measuring system. Friction force dependencies on selected technological parameters and quantities measured by monitoring system on real block casters have been investigated. Research is focused on data analysis of quasi-steady periods of casting and deals with influence of casting speed on friction force and mould oscillation amplitude, friction force dependence on steel carbon content and relationship between friction and wall temperature fluctuations and mould wear. 1 ÚVOD V krystalizátoru, který je hlavním technologickým uzlem v zařízení plynulého odlévání, probíhá intenzívní odvod tepla z tekuté oceli a dochází k počáteční tvorbě licí kůry. Technologie procesu odlévání musí splňovat tři základní požadavky, a to dostatečnou výkonnost zařízení při zachování předepsané kvality produkce a při současném zajištění bezpečnosti proti vzniku průvalů. Rychlost růstu licí kůry, a tedy i její tloušťka a mechanická únosnost na výstupu z krystalizátoru, je ovlivňována vnitřním přestupem tepla v oceli, zejména však vnějším transportem tepla na hranici předlitek-krystalizátor. Pro řízení procesu lití s cílem splnění uvedených požadavků je důležitá znalost nejen intenzity a rovnoměrnosti odvodu tepla v krystalizátoru (s tím související tloušťky licí kůry), ale rovněž znalost třecích sil působících na předlitek [1]. Třecí síla namáhá licí kůru tahovými, tlakovými a smykovými napětími. Velikost tření se liší v různých místech krystalizátoru z důvodu různé velikosti přítlačné síly kůry na stěnu krystalizátoru, různých reologických vlastností licího prášku při dané lokální teplotě a z důvodu různé tloušťky mazací vrstvy. Kombinace namáhání licí kůry třením v kombinaci s tepelným pnutím a ferostatickým tlakem je příčinou vzniku podélných i příčných trhlin vedoucích v některých případech k průvalu []. Snaha o predikování průvalů způsobila v poslední době rychlý rozvoj systémů pro nepřetržité monitorování tepelných i mechanických veličin v krystalizátoru. Vedle toho byla provedena řada teoreticko-experimentálních výzkumů zaměřených na získání znalostí o chování procesu kontinuálního lití a nalezení závislostí mezi tepelně-mechanickými veličinami v krystalizátoru a technologickými parametry. Tyto experimentální výzkumy přinesly podklady v podobě okrajových podmínek pro matematické modelování procesu. Jedinečnost každého licího stroje i jednotlivých odlévaných taveb a složitost chování procesu lití však ztěžuje zobecnění a přenositelnost získaných výsledků na jiné typy ZPO

nebo pro jiný sortiment produkce a vyžaduje soustavnou badatelskou činnost. Vývoj dnes vede ke konstrukci tzv. inteligentních kokil, představující krystalizátory vybavené počítačovými systémy pro predikci kvality a průvalů, založenými buď na přímém monitorování provozních veličin, nebo na metodách matematického vyhodnocení souboru technologických parametrů. Jako nejúčinnější se jeví kombinace obou způsobů, doplněná o další měřicí systémy, například pro diagnostiku technického stavu strojního zařízení ZPO, měření opotřebení krystalizátorů, přístroje pro zaměřování technologické osy, řízení automatických dávkovačů licího prášku atd. Třecí síla v krystalizátoru by při vývoji a zavádění těchto systémů neměla být opomíjena a měla by být jednou ze základních vstupních veličin pro řídicí a predikční systém na ZPO. EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM Třecí síla je hodnocena ze dvou hledisek, a to podle velikosti a charakteru. Velikost tření je obvykle vyjádřena amplitudou nebo rozkmitem, a to buď ve fyzikálních jednotkách (N), nebo v relativních bezrozměrových hodnotách. Charakterem třecí síly je míněna závislost třecí síly na relativní rychlosti mezi licí kůrou a stěnou krystalizátoru. Tato závislost je analogická reogramu maziva a je determinována mazacími vlastnostmi licího prášku v mezeře mezi stěnou a kůrou za dané teploty. Při ideálním mazání je třecí síla lineárně závislá na relativní rychlosti třecích ploch, to znamená, že při sinusové oscilaci krystalizátoru má třecí síla ideálně sinusový průběh. Naopak nejnepříznivějším případem je suché (smykové) tření charakteristické skokovými změnami třecí síly []. Pro experimentální výzkum tření v krystalizátoru byl využit monitorovací a diagnostický systém typu DGS firmy DASFOS v.o.s. Ostrava, provozně nasazený na dvou blokových ZPO [], [3]. Systém využívá pro měření tření nepřímou metodu založenou na vyhodnocení tvaru oscilační křivky krystalizátoru snímané akcelerometrem. Velikost třecí síly vyhodnocená systémem je charakterizována tzv. faktorem tření, který je relativní bezrozměrovou veličinou přímo úměrnou amplitudě třecí síly. Pro hodnocení charakteru tření je zaveden tzv. faktor mazání vyjádřený v procentech, který v případě ideálního lineárního mazání nabývá hodnoty 1% a jeho hodnota se snižuje při poklesu kvality mazání. Databáze kontinuálně generovaná diagnostickým systémem DGS během odlévání má periodu záznamů sekund. Data byla za účelem vyhodnocení zpracována speciálním programem, který vyčíslil základní statistické charakteristiky (průměrné hodnoty, rozptyly) výstupních veličin systému (faktoru tření, mazání, fluktuací teplot stěn, amplitudy oscilací krystalizátoru atd.) pro časové úseky lití s ustálenou tažnou rychlostí..1 Závislost tření na licí rychlosti Závislost třecí síly na licí rychlosti byla vyhodnocována s ohledem na chemické složení oceli. V příspěvku jsou porovnány výsledky vyhodnocení pro dvě skupiny oceli, a to pro oceli s obsahem uhlíku.5 až. %C a oceli s až %C. Záměrně byla vybrána skupina nízkouhlíkových peritektických ocelí a skupina tvrdých ocelí s vyšším obsahem uhlíku. Výběr představoval cca 13 taveb ocelí s nízkým obsahem uhlíku a 6 taveb s vyšším obsahem uhlíku. Na obrázcích 1 a jsou průměrné hodnoty faktoru tření vyhodnocené pro vybrané skupiny ocelí z ustálených úseků taveb, během kterých byla licí rychlost v intervalech, zřejmých z obou obrázků. Z grafů je patrné, že peritektické oceli vykazují nižší hodnoty tření než oceli s vyšším obsahem uhlíku. Příčinou je patrně vyšší smrštění, a tedy menší plocha kontaktu kůry s krystalizátorem. Peritektické oceli se naproti tomu vyznačují horším mazáním (tj. nižšími hodnotami faktoru mazání), jak je patrné z obrázků 3 a.

Faktor tření (1) 16 15 13 11 1 9 8 - - - -.9.9-1. 1. - Obr. 1 Průměr faktoru tření,.5. % C Obr. Průměr faktoru tření, % C Horší mazání u peritektických ocelí, a to zejména při vyšších licích rychlostech, je způsobeno obvykle vyšší celkovou neustáleností chování a nehomogenitou peritektických ocelí ve srovnání s ocelemi s vyšším obsahem uhlíku. Neustálenost procesu tvorby kůry pravděpodobně souvisí s nerovnoměrným transportem maziva do mezery, a tím zhoršením kvality mazání. Tenká a málo pevná kůra s nerovnoměrnou tloušťkou při vyšších licích rychlostech za podmínek nedokonalého mazání představuje vysoké nebezpečí průvalů. Neustálenost chování peritektických ocelí se projevila při vyhodnocení rozptylu faktoru mazání, viz obrázky 5 a 6. 1 9 8 7 6 5 - - - -.9.9-1. 1. - Obr. 3 Průměrný faktor mazání,.5 -. % C Faktor tření (1) 16 15 13 11 1 9 8 1 9 8 7 6 5 - - - - -.9 - - - - -.9 Obr. Průměrný faktor mazání, - % C Rozptyl faktoru mazání (1) 3.5 3.5 1.5 1 - - - -.9.9-1. 1. - Obr. 5 Rozptyl faktoru mazání,.5. % C Rozptyl faktoru mazání (1) 3.5 3.5 1.5 1 - - - - -.9 Obr. 5 Rozptyl faktoru mazání, % C

Peritektické oceli vykazují větší rozptyl faktoru mazání než oceli s vyšším obsahem uhlíku. S růstem licí rychlosti klesá u peritektických ocelí střední hodnota faktoru mazání a podle očekávání roste rozptyl tohoto parametru, typický u neustálených taveb. U tvrdých ocelí faktor mazání s růstem licí rychlosti nejprve mírně klesá a od rychlosti m.min -1 opět mírně roste, jeho hodnota je relativně vysoká a rozptyl je nízký, což signalizuje dobré mazání a ustálený proces pro široký interval licích rychlostí.. Závislost amplitudy oscilace na licí rychlosti Třecí síla v krystalizátoru významně ovlivňuje amplitudu oscilace, která se mění vlivem deformací pružných součástí v mechanismu pohonu oscilace. Amplituda oscilací závisí kromě tření rovněž na setrvačné síle krystalizátoru, která je úměrná kvadrátu frekvence oscilací, přičemž frekvence oscilací je řízena dle licí rychlosti. Tento vliv na amplitudu oscilace je dominující. Přesto je zřejmé z obrázků 7 a 8, že nižší amplituda tření u peritektických ocelí má za následek větší amplitudu oscilací ve srovnání s tvrdými ocelemi. V některých případech známých z provozní praxe při velkých hodnotách třecí síly se oscilace krátkodobě zcela ztrácí. Snižování amplitudy oscilací má obecně nepříznivý vliv na transport licího prášku do mezery, a tím i na mazání. Nerovnoměrnost amplitudy oscilací nepříznivě ovlivňuje kvalitu povrchu předlitku, zejména nestejnoměrnost oscilačních vrásek. A (mm) 5.8 5.7 5.6 5.5 5. 5.3 5. 5.1 5 - - - -.9.9-1. 1. - Obr. 7 Amplituda oscilací, ocel.5. % C A (mm) 5.8 5.7 5.6 5.5 5. 5.3 5. 5.1 5. - - - - -.9 Obr. 8 Amplituda oscilací, ocel % C.3 Vliv obsahu uhlíku v oceli na tření v krystalizátoru Vliv obsahu uhlíku v oceli na velikost faktoru tření a faktoru mazání byl vyhodnocován z výběru dat pro interval licích rychlostí 1 m.min -1. Faktor tření (1) 15.5 13.5 13.5.3.1..3. %C Obr. 9 Faktor tření dle %C, 1 m.min -1 1 9 8 7 6 5.3.1..3. %C Obr. 1 Faktor mazání dle %C, 1 m.min -1

Závislost faktoru tření na obsahu uhlíku je graficky vyjádřena na obrázku 9, závislost faktoru mazání na obsahu uhlíku v oceli pro stejný interval licích rychlostí je na obrázku 1. Nejnižší tření bylo opět zjištěno u peritektických ocelí. Výjimečnost peritektických ocelí z důvodu jejich neustáleného chování se opět projevuje nejnižší úrovní mazání v krystalizátoru. Zajímavá je ocel s obsahem uhlíku kolem.%, u které byla zjištěna velmi nízká hodnota faktoru tření (jen nepatrně vyšší než u peritektických ocelí). Při lití ocelí s. %C však na rozdíl od peritektických ocelí byly v krystalizátoru nejlepší podmínky mazání.. Souvislost tření s tepelnými veličinami v krystalizátoru Kontakt licí kůry se stěnou krystalizátoru ovlivňuje jak třecí sílu, tak intenzitu odvodu tepla z krystalizátoru, resp. teploty v měděných stěnách. Oproti očekávání nebyla prozatím z naměřených dat prokázána významná závislost velikosti třecí síly s teplotami měřenými ve stěnách krystalizátoru ani s tepelným tokem odváděným do chladicí vody, vyjma jednoho případu extrémního tření při použití nevhodného licího prášku, kdy se však nejednalo o běžný ustálený provoz [1]. Jistá souvislost se však objevuje mezi časovými fluktuacemi teplot ve stěnách a faktorem mazání. Teploty byly měřeny přibližně v dolní třetině výšky krystalizátoru pod pracovním povrchem. V případě ocelí s obsahem uhlíku.5. %C (viz obrázek 11) a u ocelí s. %C (obrázek ) se ukázalo, že nižší hodnoty faktoru mazání souvisí s vyššími teplotními fluktuacemi. Teplotní fluktuace (K ) 1 8 6 6 8 1 Obr. 11 Fluktuace teplot ve stěnách na faktoru mazání,.5. %C,.9 1 m.min -1 Teplotní fluktuace (K ) 3.5 1.5 1 6 7 8 9 1 Obr. Fluktuace teplot ve stěnách na faktoru mazání,. %C,.9 1 m.min -1 Vyšší teplotní fluktuace znamenají větší namáhání licí kůry tepelným pnutím a také nerovnoměrný odvod tepla vedoucí k nerovnoměrné tloušťce licí kůry. V kombinaci se skokovými změnami třecí síly při horší kvalitě mazání se jedná o nepříznivý stav. Všechna vyhodnocení byla provedena na výběru dat pro licí rychlost.9 až 1 m.min -1. U skupiny tvrdých ocelí s - %C pro stejný interval licí rychlosti nebyla nalezena žádná závislost, naopak datový výběr pro nižší licí rychlosti pod m.min -1 ukázal opačný trend uvedené závislosti. Důvodem je pravděpodobně pevnější kůra, která se chová odlišným způsobem, než u ocelí s nízkým a středním obsahem uhlíku. Je problematické posuzovat teplotní fluktuace měřené v jediné výšce krystalizátoru v souvislosti s faktorem mazání vztahujícím se k celé pracovní ploše dutiny krystalizátoru, neboť za jinak ustálených podmínek dochází u různých značek ocelí k odtržení licí kůry od stěny v různé výšce krystalizátoru, což ovlivní teplotní fluktuace ve stěně.

.5 Vliv opotřebení krystalizátoru na tření Délka kontaktu licí kůry se stěnou je kromě jiného ovlivněna tvarem dutiny krystalizátoru, zejména konicitou. Postupné opotřebování stěn krystalizátoru zásadním způsobem mění podmínky tvorby licí kůry, odvod tepla i tření v krystalizátoru. Krystalizátor s velkou konicitou umožní kontakt kůry na větší ploše, mazivo v mezeře je ve větší míře v tekutém stavu, což se projeví velkou amplitudou převážně kapalinného tření. U opotřebovaného krystalizátoru se délka kontaktu kůry se stěnou zmenšuje, může však docházet k reohřevu kůry ve spodní části a opětovnému přitlačení na stěnu. Klesá celková amplituda tření a zvyšuje se podíl smykové složky tření. K nejrychlejšímu opotřebení stěn dochází během několika prvních taveb po renovaci vložky krystalizátoru, jak je patrné z obrázku 13, na kterém je znázorněn svislý profil dutiny krystalizátoru měřený ihned po renovaci desek a poté po, 17, 9 a 78 odlitých tavbách. Zatímco v dolní části krystalizátoru se rozměr dutiny postupně zvětšuje vlivem opotřebení stěn, v horní části dochází ke zmenšení rozměru v důsledku termo-plastické deformace desek. Důsledkem je postupné zmenšení konicity krystalizátoru. Rozměr (mm).8.6.. 3.8 3.6 3. 3. 6 8 Hloubka (mm) Obr. 13 Opotřebení krystalizátoru Počet taveb 17 9 78 Faktor tření (1) 6 18 16 1 Před renovací Po renovaci 1 3 Odlité tuny Obr. Faktor tření před a po renovaci desek Obrázek zachycuje vývoj průměrných hodnot faktoru tření před a po renovaci desek krystalizátoru. Na obrázku je evidentní výrazný nárůst faktoru tření po opracování vložky a exponenciální pokles tření v závislosti na množství oceli odlité na krystalizátoru. Nepřizpůsobení parametrů lití aktuální konicitě krystalizátoru má za následek jak nadměrné namáhání licí kůry, tak větší opotřebení stěn krystalizátoru. Rozměry krystalizátoru by měly být periodicky měřeny a technologické parametry odlévání, zejména tažná rychlost a výška hladiny oceli, by měly být nastaveny nejen s ohledem na značku oceli, ale také dle aktuální konicity krystalizátoru. ZÁVĚR V příspěvku byly analyzovány vlivy některých veličin na tření v krystalizátoru ZPO. Analýze byla podrobena reálně naměřená výstupní data monitorovacího systému DGS. Vyhodnocovány byly průměrné hodnoty měřených veličin získané z relativně ustálených úseků lití. Je známo, že i během odlévání s konstantními technologickými parametry vykazuje proces odlévání fluktuace měřených veličin. Proto analyzovaná data vykazují rozptyl, který znemožňuje nalezení některých předpokládaných závislostí. Nejdůležitější závěry z vyhodnocení: 1. Nejnižší tření bylo zjištěno u ocelí s.5-. %C při rychlosti lití - m.min -1, nejvyšší tření bylo naměřeno u tvrdých ocelí s - %C při rychlostech nad m.min -1.

. Nejhorší podmínky mazání byly naměřeny u peritektických ocelí, zejména při rychlostech lití nad 1 m.min -1. 3. Byl zjištěn jednoznačný vliv licí rychlosti a obsahu uhlíku v oceli na amplitudu oscilací.. Mazání v krystalizátoru souvisí s fluktuacemi teplot měřenými ve stěnách krystalizátoru, závislost je silně ovlivněna chemickým složením oceli a licí rychlostí. 5. Analýzou dostupných dat nebyla zatím prokázána souvislost tření s tepelným tokem odváděným do chladicí vody. 6. Tření v krystalizátoru závisí na stupni opotřebení jeho pracovních stěn. Po renovaci vložky krystalizátoru je tření vysoké a exponenciálně klesá s množstvím odlité oceli. Příspěvek se nezabývá analýzou dynamických průběhů veličin, vývojem tření při rychlých změnách technologických parametrů odlévání. Z provedených měření je autorům známo, že náhlé změny parametrů mají dominantní vliv na tření v krystalizátoru. Tato problematika, podobně jako vlivy dalších parametrů na tření v krystalizátoru (licí prášek, výška hladiny oceli apod.), je předmětem dalšího zkoumání. Výzkumné práce byly provedeny za částečné podpory grantu GAČR č. 16/96/K3. LITERATURA [1] Pyszko, R.: Výzkum pracovních podmínek v krystalizátoru při plynulém lití oceli. Doktorandská práce, Ostrava, září 1993. [] Cudzik, L., Pyszko, R., Molínek, J.: Monitorovací systém odlévacích poměrů v krystalizátoru s predikcí nebezpečí vzniku průvalu. In: 3. mezinárodní metalurgické sympozium METAL'9, Ostrava, květen 199. [3] Molínek, J., Pyszko, R., Cudzik, L., Fojtík, Z.: Aplikace monitorovacího a diagnostického systému na blokovém ZPO. In: VII. International Scientific Conference Iron and Steelmaking. Szczyrk (Polsko), -6.9.1997, s. [] Pyszko, R. Příhoda, M. Cudzik, L.: Friction in Mould of Billet Continuous Casting (Tření v krystalizátoru u sochorového ZPO). In: Sborník 3 rd International Metallurgical Conference on Continuous Casting of Billets. Třinec, October 1999, s. 81 9.