MODELOVÁNÍ VÁLCOVÁNÍ TEPLÉHO OCELOVÉHO PÁSU KONSTRUKČNÍCH JAKOSTÍ NA LABORATORNÍ VÁLCOVACÍ TRATI TANDEM Libor Černý a Ivo Schindler b a) Výzkumný a zkušební ústav, NOVÁ HUŤ, a. s. Ostrava, ČR b) Ústav modelování a řízení tvářecích procesů, VŠB TU Ostrava, ČR Abstract Hot rolled sheets of three different grades (for a deep drawing, with a high strenght, a conventional structural) have been rolled at the laboratory rolling mill TANDEM in VŠB TU Ostrava. Three different thicknesses of a hot rolled sheet have been rolled and a rolling of each of them have been realized at three different thermal conditions. Mechanical properties have been determined as well metalographical analyses have been performed at a finished hot rolled sheet. These results have been compared with the same properties that have been found out at a hot rolled sheet of the same grade, of the same thickness, rolled at the same conditions that has been rolled at the rolling mill P 1500 in NOVÁ HUŤ, a. s. 1. ÚVOD Ústavem modelování a řízení tvářecích procesů na VŠB TU Ostravě byla v roce 1999 vyvinuta a plně zprovozněna laboratorní válcovací trať Tandem (obr. 1). Představuje unikátní experimentální zařízení sloužící především k fyzikálnímu modelování a optimalizaci reálných procesů tváření a termomechanického zpracování plochých vývalků (plechů a pásů) [1]. Díky své originální a moderní koncepci založené na součinnosti dvou vratných stolic, řídicího počítače a dalších zařízení je schopna plnit mimořádně širokou škálu úkolů, spojených se zaváděním nejnovějších technologií objemového tváření, s výzkumem fyzikálněmetalurgických dějů a deformačního chování ocelí i progresivních méně tradičních materiálů při jejich objemovém tváření. Dané zařízení nemá ve Střední Evropě obdobu a i z pohledu špičkových světových výzkumných center je vysoce konkurenceschopné, Obr. 1: Celkový pohled na laboratorní válcovací trať Tandem
protože oproti běžnější aplikaci plastometrů nebo počítačového modelování (na základě metody konečných prvků) je schopno poskytovat mnohem širší paletu věrohodných výsledků a podkladů pro další studia. Zásadní roli při tom hraje maximální příbuznost procesu laboratorního modelování a simulovaných tvářecích procesů, rovnoměrnost deformace a také velikost výsledných vzorků usnadňující následná metalografická studia, mechanické zkoušení apod. Při vhodném využití dovoluje trať Tandem optimalizaci stávajících technologií válcování za tepla z hlediska získání produktů s přesně definovanými špičkovými vlastnostmi [2-5]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Pro modelové válcování byly vytipovány tři běžně vyráběné značky oceli. Byly to jakosti 11305, 11378 a 11523 dle ČSN (tabulka 1). Z plynule litých bram uvedených jakostí byly řezáním připraveny vzorky o rozměrech 100x40x15 mm a tyto byly použity jako vsázka laboratorní válcovací tratě. Úkolem experimentu bylo vyválcovat tyto tři typy vzorků do pásů tloušťky pod 2 mm, cca 3 mm a cca 5 mm při doválcovacích teplotách 800, 850 a C. Tím mělo být simulováno tváření na dvoustolicové trati typu Steckel (trať P 1500 v NOVÉ HUTI, a. s.). Hotové vývalky, volně ochlazované na vzduchu, byly použity k hodnocení vlivu doválcovací teploty na mikrostrukturní charakteristiky a výsledné mechanické vlastnosti. Tabulka 1: Chemické složení odebraných vzorků (v %) C Mn Si P S Cu Ni Cr Sn Al 11305 0,06 0,17 0,009 0,012 0,007 0,09 0,04 0,03 0,006 0,046 11378 0,08 0,43 0,041 0,007 0,004 0,17 0,03 0,03 0,024 0,080 11523 0,18 1,31 0,495 0,012 0,011 0,12 0,04 0,05 0,012 0,037 Vlastní válcování bylo prováděno vždy dvojicemi rychle za sebou jdoucích úběrů na obou stolicích trati Tandem. Jednotný úběrový plán (tabulka 2) počítal s relativními výškovými úběry 13 22 %. Vzhledem k rozdílným charakteristikám obou stolic došlo k odchylkám v úběrech, a to zejména při nízkoteplotním válcování pásu jakosti 11523. Tabulka 2: Úběrový plán při laboratorním válcování úběr [pořadové číslo] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. velikost úběru [%] 15 13 15 18 18 17 19 22 22 21 tloušťka provalku [mm] 12,8 11,1 9,4 7,7 6,3 5,2 4,2 3,1 2,4 1,9 Teplota ohřevu byla 1230 C (u jakostí 11305 a 11378), resp. 1250 C (jakost 11523). Vzorky pro válcování pásu tloušťky 5 mm byly ohřívány pouze na 1200 C, a to z důvodu jejich příliš pomalého chladnutí vzhledem k požadované doválcovací teplotě Rychlost otáčení válců o průměru 150, resp. 180 mm byla stanovena na 300 min -1. Při doválcování pásů tlouštěk kolem 5 mm a ve všech případech doválcování pásu jakosti 11523 musely být v závěrečných dvou průchodech zvýšeny otáčky válců až na 500 min -1 z důvodu přílišného zpomalování provalku během úběru (z hlediska laboratorní tratě byly vyvozeny příliš vysoké válcovací síly, a to výrazně přes 100 kn na každém stavěcím šroubu). Pásy tloušťky 5 mm byly válcovány třemi dvojicemi úběrů bez meziohřevů (simulace pecních navíječek tratě P 1500), naopak s menšími mezioperačními prodlevami na chladicích roštech tak, aby došlo k požadovanému zchladnutí vývalku a k dosažení příslušné doválcovací teploty. Za doválcovací teplotu byla brána povrchová teplota provalku, jež byla měřena v klidu na vysunutém roštu asi 2 sekundy před poslední dvojicí úběrů.
Pásy tloušťky 3 mm byly válcovány čtyřmi dvojicemi úběrů. Vždy po 1. a 3. dvojici úběrů byl zařazen ohřev v elevátorové odporové peci s výjezdnou nístějí, jež byla vyhřáta na 1030 C (5 až 20 s výdrž). Při válcování pásů tloušťky pod 2 mm byly zařazeny dva meziohřevy (po 2. a 4. dvojici úběrů), které trvaly do 1 minuty. Válcování bylo provedeno deseti úběry. 3. ROZBOR VÝSLEDKŮ Z hotového teplého pásu byly připraveny vzorky pro provedení trhací zkoušky a byly stanoveny mechanické a technologické vlastnosti teplého pásu (tabulka 3). Tabulka 3: Přehled mechanických a technologických vlastností teplého pásu jakost 11305 11378 11523 tloušťka doválcovací teplota R eh R m R eh /R m A 80 A 5 r n [mm] [ C] [MPa] [MPa] [1] [%] [%] [1] [1] 800 287,3 352,1 0,8160 18,68 0,595 0,226 254,2 360,7 0,7047 29,04 0,611 0,232 1,9 850 331,5 371,1 0,8933 25,86 0,668 0,222 314,0 384,2 0,8173 30,75 0,650 0,228 274,4 375,2 0,7313 32,49 0,811 0,229 287,5 378,8 0,7590 30,84 0,784 0,234 800 258,2 350,8 0,7360 20,04 0,554 0,221 242,1 357,8 0,6766 27,23 0,650 0,227 3,1 850 285,1 376,7 0,7568 31,72 0,725 0,233 289,7 379,1 0,7642 32,47 0,750 0,232 276,0 372,9 0,7401 26,93 0,761 0,236 287,3 370,2 0,7761 31,22 0,997 0,235 800 330,8 395,6 0,8362 21,92 0,572 0,201 320,8 393,4 0,8155 29,61 0,712 0,216 850 1,9 315,1 388,9 0,8102 33,46 0,613 0,218 296,5 376,7 0,7871 32,52 0,660 0,220 282,8 367,3 0,7699 29,25 0,765 0,218 800 284,6 385,0 0,7392 28,37 0,790 0,201 5,2 850 292,2 381,6 0,7657 35,91 0,818 0,219 252,7 365,5 0,6914 34,98 0,911 0,208 800 312,6 388,8 0,8040 25,58 0,640 0,206 331,8 398,5 0,8326 33,17 0,659 0,212 3,1 850 296,5 381,8 0,7766 25,48 0,655 0,212 318,9 390,7 0,8162 29,46 0,755 0,216 287,9 379,0 0,7596 34,48 0,844 0,212 308,1 382,0 0,8065 37,11 1,007 0,224 800 348,0 572,3 0,6081 27,78 0,878 0,165 5,2 850 396,3 578,7 0,6848 30,81 0,849 0,175 385,2 586,3 0,6570 23,48 0,870 0,163 910 342,0 568,4 0,6017 28,86 1,341 0,166 810 418,2 571,9 0,7312 16,07 0,853 0,160 397,5 567,2 0,7008 20,67 0,843 0,169 850 3,1 404,6 579,3 0,6984 26,12 0,800 0,172 387,9 582,4 0,6660 23,99 0,919 0,163 388,8 575,2 0,6759 23,38 0,882 0,163
Rozborem konečných vlastností teplého pásu bylo zjištěno, že jsou ovlivňovány doválcovací teplotou velmi podobným způsobem jako je tomu v provozních podmínkách [6]. Nejvýznamněji ovlivňovala doválcovací teplota součinitel normálové anizotropie u teplého pásu jakosti 11305 (obr. 2). Dále byl zjištěn významný vliv rostoucí doválcovací teploty na součinitel normálové anizotropie r [1] 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 r = 0,0441e 0,0033t R 2 = 0,7464 0,50 780 800 820 840 860 880 920 doválcovací teplota [ C] Obr. 2: Vliv doválcovací teploty na hodnotu součinitele normálové anizotropie růst tažnosti (u jakostí 11305 a 11378), pokles meze pevnosti a meze kluzu (u jakostí 11378 a 11523). Konečné vlastnosti teplého pásu jakosti 11378, tloušťky 5 mm, s doválcovací teplotou 850 C, válcovaného na laboratorní trati Tandem byly srovnávány s vlastnostmi teplého pásu stejné jakosti, tloušťky a se stejnou doválcovací teplotou, který byl válcován na trati P 1500 v NOVÉ HUTI, a. s. Ze srovnání výsledků laboratorního a provozního válcování (tabulka 4) vyplývá, že v konečných vlastnostech existuje poměrně dobrá shoda, především pak u poměru R eh /R m a součinitele normálové anizotropie. Tabulka 4: Srovnání vlastností teplého pásu vyrobeného na trati Tandem a na trati P 1500 R eh R m R eh /R m A 5 A gt r n [MPa] [MPa] [1] [%] [%] [1] [1] Tandem 292,2 381,6 0,7657 35,91 20,62 0,818 0,219 P 1500 314,7 409,8 0,7679 31,41 17,67 0,840 0,188 22,5 28,2 0,0022 4,50 2,95 0,022 0,031 [%] 7,15 6,88 0,29 14,33 16,70 2,62 16,49 Odebrané vzorky teplého pásu byly podrobeny metalografickému rozboru. Byla stanovována velikost feritického zrna v příčném i podélném řezu, v povrchové i okrajové části vzorku. Dále byl hodnocen způsob vyloučení strukturně volného cementitu, řádkovitost a čistota materiálu. Z výsledku provedeného rozboru vyplynulo, že: u jakosti 11305 nejsou výrazné rozdíly ve velikosti feritického zrna v příčném a podélném řezu. Mírně hrubší zrno bylo zjištěno v povrchových částech vzorků. Zajímavá je skutečnost, že za vyšších doválcovacích teplot ( C) bylo zjištěno jemnější zrno než za teplot nižších (800 C), přičemž v provozních podmínkách je tomu naopak. u jakosti 11523 rovněž nebyly zjištěny rozdíly ve velikosti feritického zrna po průřezu a toto bylo jemnější než u jakosti 11305 (obr. 3). Stejně jako v provozních podmínkách se za vyšších doválcovacích teplot vylučovalo hrubší zrno než za teplot nižších. u jakosti 11378 bylo feritické zrno, především u vzorků s nižší doválcovací teplotou, v povrchové části vyloučeno velmi nerovnoměrně. Byla zjištěna místa, kde byla velikost feritického zrna hodnocena stupni 7 12 (obr. 4). Nebyl zjištěn vliv doválcovací teploty na velikost feritického zrna. u jakosti 11305 byl způsob vyloučení strukturně volného cementitu hodnocen stupni 1/1A až 2/1A, u jakosti 11378 stupni 0/1A až 1/1A. Nebyl zjištěn vliv doválcovací teploty na
Obr. 3: Vzhled mikrostruktury teplého pásu jakosti 11523 Obr. 4: Vzhled mikrostruktury teplého pásu jakosti 11378 s hrubšími zrny v povrchové části způsob vyloučení cementitu. U jakosti 11523 toto hodnocení s ohledem na obsah uhlíku nebylo prováděno. u jakostí 11305 a 11378 nebyla řádkovitost zjištěna vůbec nebo pouze jako slabě se projevující. U jakosti 11523 byla zjištěna výrazná řádkovitost, hodnocená stupni 2 3/2B (obr. 3). čistota materiálu byla u všech jakostí srovnatelná. Byl zjištěn výskyt komplexních globulárních oxidů (SVČ 0,6 1,6, MVČ 1 2), ojediněle se vyskytující sulfidy (SVČ 0,1 0,3, MVČ 1) a hlinitany (SVČ 0,1, MVČ 1). Stejně jako u mechanických vlastností bylo provedeno detailní srovnání mikrostruktury dvou vzorků teplého pásu stejné jakosti (11378), tloušťky (5 mm), doválcovací teploty (850 C), z nichž jeden byl válcován laboratorně na trati Tandem a druhý v provozních podmínkách na trati P 1500 v NOVÉ HUTI, a. s. Z provedeného srovnání (tabulka 5) je patrná dobrá shoda ve velikosti feritického zrna v příčném i podélném řezu. V teplém pásu válcovaném laboratorně nebyl zjištěn strukturně volný cementit, v pásu válcovaném v provozních podmínkách byl jeho výskyt hodnocen stupněm 1/1A (ojedinělý výskyt globulárních útvarů volného cementitu o průměru maximálně 1,5 µm). Řádkovitost v provozně válcovaném teplém pásu nebyla zjištěna, v pásu válcovaném laboratorně byla hodnocena stupněm 1/2A (slabě se projevující řádková struktura v podobě několika přerušovaných proužků feritu a perlitu). Z vměstků byly v obou případech zjištěny pouze komplexní oxidy, které se vyskytovaly v prakticky stejném rozsahu a velikostech. Tabulka 5: Výsledky metalografického rozboru teplého pásu vyrobeného na trati Tandem a na trati P 1500 velikost feritického zrna příčný řez podélný řez cementit řádkovitost mikročistota (oxidy) povrch střed povrch střed SVČ MVČ Tandem 9/8 9/8 9/8 9/8 0/1A 1/2A 1,4 2 P 1500 9/10 9/10 8/10 8/10 1/1A 0/2A 0,8 1,1 1 2 Lze tedy konstatovat, že zjištěné rozdíly mezi oběma vzorky jsou nevýznamné a že se tedy výsledky metalografického rozboru teplého pásu válcovaného laboratorně od teplého pásu válcovaného v běžných provozních podmínkách příliš neliší.
4. ZÁVĚRY Studiem získaných výsledků bylo zjištěno, že mechanické vlastnosti teplého pásu vyrobeného laboratorně na modelové válcovací trati Tandem poměrně dobře odpovídají mechanickým vlastnostem teplého pásu stejné jakosti a tloušťky válcovaného za týchž podmínek provozně na trati P 1500 v NOVÉ HUTI, a. s. Vzájemné vztahy mezi doválcovací teplotou a mechanickými vlastnosti teplého pásu rovněž vykazovaly podobnost. Byly zjištěny jisté odlišnosti mezi teplým pásem válcovaným laboratorně a provozně ve velikosti feritického zrna a ve vlivu doválcovací teploty na jeho růst, a to především u teplého pásu jakosti 11305 a částečně i 11378. U jakosti 11523 byla již velikost feritického zrna i její růst s rostoucí doválcovací teplotou u obou způsobů válcování teplého pásu prakticky totožné. Mikročistota, řádkovitost i způsob vyloučení strukturně volného cementitu byly u teplého pásu válcovaného laboratorně i provozně téměř shodné u všech tří zkoušených jakostí. Zjištěné strukturní rozdíly lze zdůvodnit především odlišným teplotním režimem při válcování a ochlazování pásu. Laboratorně je funkce vyhřívaných navíječek simulována elevátorovou pecí s výjezdnou nístějí, kdy rozhodující jsou manipulační časy a rychlosti poklesu, resp. ohřevu pásu. V tomto případě jde na trati Tandem o náhřev rychle chladnoucího tenkého polotovaru (což je provázeno hrubnutím zrna především v povrchových oblastech), nikoliv o udržování a zrovnoměrnění jeho teploty v celém svitku (trať P 1500). Jednoduché nízkouhlíkové oceli blížící se svými vlastnostmi čistému železu s jeho vysokou difúzní schopností budou na tyto odlišnosti teplotního režimu pravděpodobně citlivější než jakost 11523. Zatímco tento problém je při stávající koncepci laboratorní válcovny bez navíječek jen dílčím způsobem řešitelný, další významný faktor už je snáze ovlivnitelný. Je totiž zřejmé, že rychlost chladnutí a fázových transformací ve volně ochlazovaném rozvinutém pásu (Tandem) a ve svitku (P 1500) musí být výrazně odlišné, což se odrazí v charakteru výsledné struktury. Tato problematika bude při následujících experimentech řešena řízeným ochlazováním laboratorně získaného provalku v další žíhací peci. Při vědomí toho, jak zjednodušené byly podmínky prvních simulací válcování pásu za tepla na dvoustolicové trati a jak se lišily časové, teplotní i úběrové režimy v provozu a v laboratoři, lze konstatovat dobrou reprodukovatelnost experimentálních výsledků a jejich využití v praxi, především při predikci mechanických vlastností pásů válcovaných na nové trati P 1500 v NOVÉ HUTI, a. s. Práce vznikla v rámci grantového projektu MPO FB C2/10. LITERATURA [1] SCHINDLER, I.: Modelová válcovací trať Tandem představena na veletrhu METAL 98. Hutnické listy, 53, 1998, č. 7-8, s. 76-77. [2] SCHINDLER, I. a kol.: Modelování válcování za tepla a ochlazování plochých vývalků na laboratorní trati Tandem. METAL 99. Tanger. Ostrava 1999, 2. díl, s. 258-264. [3] RADINA, M. SCHINDLER, I. BÍLOVSKÝ, P.: Možnosti počítačového řízení laboratorní válcovací tratě Tandem. TRANSFER 99. VUT Brno. Brno 1999, s. K47-K48. [4] SCHINDLER, I. a kol.: Simulace feritického válcování na laboratorní trati Tandem. FORMING 99. PS Katowice. Zlaté Hory 1999, s. 151-156. [5] SCHINDLER, I. a kol.: Optimization of the hot flat rolling by its modelling at the laboratory mill Tandem. In: 6 th ICTP. Springer-Verlag Berlin. Nürnberg 1999, Vol. 1, s. 449-454. [6] ČERNÝ, L.: Vliv změny vsázky na vlastnosti teplého pásu. METAL 99. Tanger. Ostrava 1999, 1. díl, s. 85-86.