SIMULACE ŘÍZENÉHO VÁLCOVÁNÍ VYBRANÝCH KONSTRUKČNÍCH OCELÍ ZA RŮZNÝCH TEPLOTNÍCH PODMÍNEK

SIMULACE ŘÍZENÉHO VÁLCOVÁNÍ VYBRANÝCH KONSTRUKČNÍCH OCELÍ ZA RŮZNÝCH TEPLOTNÍCH PODMÍNEK SIMULATION OF CONTROLLED ROLLING OF SELECTED CONSTRUCTION STEELS AT DIFFERENT TEMPERATURE CONDITIONS Karel Milan Čmiel a Ivo Schindler b Rostislav Turoň a Milan Kotas a Zdeněk Solovský a a TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 73970 Třinec, ČR, karel.cmiel@trz.cz, rostislav.turon@trz.cz, milan.kotas@trz.cz, zdenek.solovsky@trz.cz b VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, ivo.schindler@vsb.cz Abstrakt In that report is described complex simulation of controlled rolling - for selected structural steels produced in Třinecké železárny, a.s. The simulation was realized in laboratory rolling mill TANDEM at Technical University in Ostrava. This experiment simulate technological conditions of rolling (i.e. temperatures, delays, cooling system, number and size of passes) at rebuild continuous fine rolling mill (thereinafter KJT). Results will be use for adjustment of test parameters for standardized rolling directly onto rolling mill. Standardized rolling like one of method controlled rolling gives (as in rolled state) fulfilment of specified mechanical properties of steel with homogenous microstructure. Such method of rolling under thermal mode closely above temperature A 3 will lead to decrease of costs on subsequent normalization. 1. ÚVOD Koncem roku 3 došlo v Třineckých železárnách, a. s. k ukončení dvou zásadních rekonstrukcí výrobních agregátů v technologické cestě při výrobě tyčí a drátu (kruhové oceli ve svitku). V prvém případě došlo k modernizaci závodu plynulého odlévání č. 2 s výstupem kontislitku sq. 150 mm s velmi dobrou povrchovou i vnitřní kvalitou pro následné zpracování na válcovnách. Druhým neméně významným zásahem v technologické cestě byla rekonstrukce kontijemné válcovací tratě s modernizací nebo zcela novou výstavbou daných zařízení jak je patrné z obrázku č. 1. 1

pec Směr válcování 4st.pořad ísms termovaln 8st.předválcov ací pořadí nůžky Pravé hotovní pořadí ASC nůžky WB1 WB2 chladící lože ostřik ok. ostřik ok. T1 T2 T3 T5 Garrety T6 T4 Obr.č.1 Schéma válcovací tratě KJT s pohledem na pravou žílu Fig.1 Flow Chart of the Continuous Light Mill Rolling Track (KJT) with regard to the right strand Pozornost si především zaslouží výstavba pravé válcovací žíly s přidáním zcela nových prvků, a to tzv. ASC stolice systém přesného válcování (automatic system control) a dvou systémů řízeného ochlazování (WB 1, WB 2). Tyto nové prvky v trati umožňují válcovat oceli, patřící do skupiny SBQ (speciál bar duality), tzn. jakosti s přesnou geometrií vývalku, s vysokou povrchovou a vnitřní kvalitou a zaručenými mechanickými vlastnostmi předikovanými mikrostrukturními vlastnostmi ve válcovaném stavu dle požadavku odběratelů. Do této škály patří oceli řetězové, legované, konstrukční, pružinové, mikrolegované, oceli šroubárenské mikrolegované bórem atd. Výstupem z tratě je především tyčová ocel a kruhová ocel a to v průměru 16 až 68 mm. Navržený systém řízeného ochlazování a přesného válcování umožňuje válcovat způsobem odlišným od běžného konvenčního válcování a to v režimech normalizačního válcování a pro menší průměry i termomechanického válcování. 2. POPIS EXPERIMENTU Základním úkolem daného experimentu bylo laboratorně nasimulovat teplotní podmínky řízeného válcování tří vybraných značek konstrukční oceli vyráběné v Třineckých železárnách. Tato simulace, která byla provedena na laboratorní válcovací stolici TANDEM na Vysoké škole Báňské v Ostravě, měla věrně napodobit teplotně deformační podmínky na KJT. Chemické složení zkoumaných ocelí uvádí tabulka 1. 2

Tab. 1 Chemická analýza zkoumaných ocelí v hm. % Tab.1 Chemical analysis of investigated steels in wt. % číslo tavby, hutní označení a označení vzorků T49056 T48420 T48854 P S H C 0,07 0,17 0,17 Mn 0,58 1,32 1,32 Si 0,18 0,39 0,35 P 0,016 0,012 0,018 S 0,027 0,006 0,023 Al 0,003 0,031 0,028 Nb 0,002 0,003 0,035 V 0,004 0,003 0,038 Ti 0,133 0,003 0,003 N 0,0057 0,0052 0,0065 Tito tři zástupci ze skupiny konstrukčních ocelí nebyli vybíráni náhodně, ale cíleně dle legujících prvků jako je hliník, titan, vanad a niob a dle procentuálního obsahu manganu. Měřenými parametry byla teplota vstupu do dané stolice na TANDEMU (v reálných podmínkách se jedná o finální stolici ASC) a to za teplot 1050 C (simulace podmínek konvenčního válcování), 870 C (simulace podmínek normalizačního válcování) a 820 C (simulace podmínek blízké termomechanickému válcování). Dalším sledovaným parametrem byla rychlost ochlazování hotového vývalku (volné vychlazování na vzduchu, laminární chlazení vodou). Z dodaných polotovarů kruhového průřezu (o průměru 70 až 120 mm) byly řezáním a frézováním vyrobeny tloušťky 10 mm, šířky 40 mm a délky mm. Tyto rozměry byly zvoleny s ohledem na požadovanou celkovou deformaci a nutnost získat z každého vývalku 3 pro zkoušku rázem (tedy tloušťka min. 6 mm při uvažování dobré rovinnosti vývalku), 1 až 2 pro zkoušku tahem a min. 1 vzorek pro metalografická studia. Nastavení laboratorní trati TANDEM u obou stolic A a B bylo následující: - mezera válců stolice duo B byla nastavena v průměru na 6,0 mm (bylo třeba eliminovat skok válce různící se při jednotlivých válcovacích teplotách) - válce se otáčely nominální rychlostí 150 min -1 - průměr válců je asi 159 mm - prodleva mezi oběma úběry činila okolo 1,2 s - tloušťka vývalku se pohybovala v rozmezí 6,6 až 6,8 mm z toho vyplývá celková výšková deformace asi 34 %. V případě, že teplota tváření byla nižší než teplota ohřevu, byl vzorek po vytažení z pece odokujen a během jeho volného chladnutí se optickým pyrometrem měřila povrchová teplota až do okamžiku dosažení teploty tváření. Tři zvolené režimy ochlazování byly přesně vymezeny a to tímto způsobem: - intenzita laminárního chlazení regulována rychlostí pohybu vývalku po válečkovém dopravníku v rozsahu 0,1 až 1 m.s -1 se zrychleným ochlazením o 150 C a následným volným dochlazením na vzduchu - po dvou sekundách volného ochlazování na vzduchu během pohybu vývalku po válečkovém dopravníku byl vzorek zakalen do vody 3

- vývalek po protváření byl zcela ponechán volnému ochlazování na vzduchu - Obrázek č. 2 znázorňuje příklady časových závislostí měřených válcovacích sil F [kn] a teplot T [ C] Obr. 2. Příklady počítačově zaznamenaných výsledků válcování při teplotě 1050 C, vzduch ( prodleva v měření teploty) Fig.2. Examples of computer-recorded rolling results a)rolling at the temperature of 1050 C, air (retardation in temperature measurement) 3. VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Vyhodnocení laboratorní simulace pro dané tři jakosti konstrukční oceli bylo rozděleno do dvou oblastí a to: - vyhodnocení mechanických vlastností - vyhodnocení strukturních vlastností v podélném směru vývalku ve svislém řezu vedeném v polovině šířky vývalku (oblast ová i okrajová) 3.1. VYHODNOCENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ 3.1.1. MECHANICKÉ VLASTNOSTI OCELÍ VYCHLAZOVANÝCH NA VZDUCHU PO PROTVÁŘENÍ Byla provedena tahová zkouška s důrazem kladeným na výsledky meze kluzu a kontrakce a dále pak zkouška vrubové houževnatosti při teplotě 0 C. Výsledky jsou zpracovány v grafech na obrázku č. 3a (mez kluzu), 3b (vrubová houževnatost) 4

Mez kluzu Re (ochlazování na vzduchu) Mez kluzu Re (MPa) 290 Re (MPa) 270 tavby T49056-ocel "P" 1 P4 (1050 C) 2 3 P8 (870 C) 4 5 P14 (820 C) 6 Mez kluzu Re (ochlazování na vzduchu) Mez kluzu Re (MPa) 380 360 340 Re (MPa) 320 tavby T48420-ocel "S" 1 S3 (1050 C) 2 3 S8 (870 C) 4 5 S16 (820 C) 6 Mez kluzu Re (ochlazování na vzduchu) Mez kluzu Re (MPa) 500 450 400 tavby T48854-ocel "H" Re (MPa) 350 1 H1 (1050 C) 2 3 H5 (870 C) 4 5 H12 (820 C) 6 Obr. 3a Mez kluzu Re volně ochlazovány na vzduchu Fig.3a Yield value Re cooling on air 5

290 270 Vrubová houževnatost KC (ochlazování na vzduchu) Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) KC (J/cm^2) tavby T49056-ocel "P" 1 P4 (1050 C) 2 3 4 P8 (870 C) 5 6 7 P14 (820 C) 8 9 Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) Vrubová houževnatost KC (ochlazování na vzduchu) KC (J/cm^2) 190 180 tavby T48420-ocel "S" 1 S3 (1050 C) 2 3 4 S8 (870 C) 5 6 7 S16 (820 C) 8 9 KC (J/cm^2) 270 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 Vrubová houževnatost KC (ochlazování na vzduchu) tavby T48854-ocel "H" Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) 1 H1(1050 C) 2 3 4 H5(870 C) 5 6 7 H12(820 C) 8 9 Obr. 3b Vrubová houževnatost KC volně ochlazovány na vzduchu Fig. 3b.Notch toughnes - cooling on air 3.1.2. MECHANICKÉ VLASTNOSTI OCELÍ VYCHLAZOVANÝCH SPRCHOU Byla provedena tahová zkouška s důrazem kladeným na výsledky meze kluzu a kontrakce a dále pak zkouška vrubové houževnatosti při teplotě 0 C. Výsledky jsou zpracovány v grafech na obrázku č. 4a (mez kluzu), 4b (vrubová houževnatost) 6

Mez kluzu Re (ochlazování sprchou) Mez kluzu Re (MPa) 340 320 Re (MPa) tavby T49056-ocel "P" P2 1 (1050 C) 2 3P6 (870 C) 4 5 P15, 6 P18 (820 C) 7 8 Mez kluzu Re (ochlazování sprchou) Mez kluzu Re (MPa) 700 650 600 550 Re (MPa) 500 450 400 350 tavby T48420-ocel "S" 1 S1, S2 2 (1050 C) 3 4 5S6, S19 6 (870 C) 7 8 9S10, 10 S17 (820 C) 11 12 Mez kluzu Re (ochlazování sprchou) Mez kluzu Re (MPa) 550 500 450 Re (MPa) 400 350 tavby T48854-ocel "H" H4 1 (1050 C) 2 3H9(870 C) 4 5 H14,H15 6 (820 C) 7 8 Obr. 4a Mez kluzu Re ochlazovány sprchou Fig. 4a Yield value Re nozzle 7

KC (J/cm^2) 310 290 270 Vrubová houževnatost KC (ochlazování sprchou) Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) tavby T49056-ocel "P" 1 P2 (1050 C) 2 3 4 P6 5(870 C) 6 7 8 P15, 9 P18 10(820 C) 11 12 KC (J/cm^2) 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 Vrubová houževnatost KC (ochlazování sprchou) tavby T48420-ocel "S" Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) 1 S1, 2 S2 3(1050 C) 4 5 6 7 8S6, S19 9 (870 C) 10 11 12 13 S10, 14 S17 15 (820 C) 16 17 18 KC (J/cm^2) 290 270 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 Vrubová houževnatost KC (ochlazování sprchou) tavby T48854-ocel "H" Vrubová houževnatost KC (J/cm^2) 1 H1(1050 C) 2 3 4 5 H5(870 C) 6 7 8 9 H12(820 C) 10 11 12 Obr. 4b Vrubová houževnatost KC ochlazovány sprchou Fig. 4b Notch toughnes - nozzle 8

3.2.VYHODNOCENÍ STRUKTURNÍCH VLASTNOSTÍ Vyhodnocení strukturních vlastností bylo provedenou pouze u vzorků s označením S a P. 3.2.1. VZOREK OCELI S U tohoto vzorku převažuje struktura feriticko-perlitická s různým podílem zákalných fází a to především u těch vzorků, které byly zakaleny do vody nebo byly podrobeny laminárnímu ochlazení. Tato zákalná struktura se objevovala u všech teplotních režimů 1050, 870 i 820 C (obr. 5 a 6). Po doválcování při 870 C a ochlazování na vzduchu je struktura téměř výhradně feriticko perlitická, s jemnějším zrnem (oproti 1050 C) a s poměrně výraznou řádkovitostí perlitu ve směru válcování (obr.7). Sprchování tuto řádkovitost potlačilo, ale výsledná struktura je velmi nerovnoměrná, s velkými ostrůvky zákalné fáze. Za pozornost stojí rozdíl v mikrostruktuře vzorků S6 a S19, ochlazovaných sprchou s různou intenzitou (obr. 8 a 9). Vzorek doválcovaný při 820 C a ochlazovaný na vzduchu vykazuje nerovnoměrnější a hrubší feritické zrno než v případě doválcování při 870 C / vzduch, objevují se oblasti zákalné fáze. Sprchování potlačilo v tomto případě řádkovitost, je patrný vliv intenzity ochlazování. Po ochlazení do 570 C je struktura tvořena téměř výhradně zákalnou fází, po ochlazení do 660 C vznikla velmi jemná feritická zrna, ale doprovázená výraznými oblastmi zákalné fáze. kraj Obr. 5. Vzorek S3 (válcování při 1050 C) vzduch Fig.5. Mikrostrukture of S3 (rolling 1050 C, air) Obr. 6 Vzorek S2 (válcování při 1050 C) sprcha do 870 C Fig. 6. Mikrostrukture of S2 (rolling 1050 C, nozzle 870 C) 9

Obr.7 Vzorek S8 (válcování při 870 C) vzduch Fig.7. Mikrostrukture of S8 (rolling 870 C, air) Obr. 8 Vzorek S6 (válcování při 870 C) sprcha do 630 C Fig. 8. Mikrostrukture of S6 (rolling 870 C, nozzle 630 C) Obr. 9 Vzorek S19 (válcování při 870 C) sprcha do 740 C Fig. 9. Mikrostrukture of S19 (rolling 870 C, nozzle 740 C 10

3.2.2. VZOREK OCELI P Je zřejmý nižší uhlíkový ekvivalent oproti vzorkům S struktura obsahuje méně zákalné fáze, samozřejmě méně perlitu a prakticky se nevyskytuje řádkovitost (obr.10 a 11). Vzorky zakalené do vody obsahují zákalnou fázi a ferit (ten v případě nízkoteplotního doválcování dokonce dominuje, často ve formě masivních útvarů např. obr. 12). Obr. 10 Vzorek P4 (válcování při 1050 C) vzduch Fig. 10. Mikrostrukture of P4(rolling 1050 C, air) Obr. 11 Vzorek P8 (válcování při 870 C) vzduch Fig. 11. Mikrostrukture of P8(rolling 870 C, air) kraj Obr. 12 Vzorek P7 (válcování při 870 C) voda Fig. 12. Mikrostrukture of P7(rolling 870 C, water ) Jinak po doválcovací teplotě 1050 C pozorujeme velmi rovnoměrnou feriticko perlitickou strukturu, přičemž účinek sprchování se opět nijak neprojevil. V případě vývalků 870 C / vzduch a 820 C / vzduch je struktura podobná, rovnoosá feritická zrna jsou ve srovnání se vzorkem 1050 C / vzduch jemnější, vliv snížení doválcovací teploty na 820 C se nijak neprojevuje. Vzorek P6 (870 C / sprcha) se svou výslednou strukturou do jisté míry vymyká vykazuje hodně zákalné fáze a velmi nerovnoměrné feritické zrno. V okrajových oblastech vidíme řetízky jemných feritických zrna lemující původní zrna austenitická (obr. 13). 11

kraj Obr. 13 Vzorek P6 (válcování při 870 C) sprcha do 700 C Fig. 13. Mikrostrukture of P6(rolling 870 C, nozzle) Vzorky sprchované z doválcovací teploty 820 C mají v některých oblastech feritické zrno jemnější než po ochlazování na vzduchu, ale rovněž výrazně nerovnoměrnější a ne vždy rovnoosé. Po ochlazení na 740 C je struktura čistě feriticko perlitická, po intenzivnějším ochlazení na 670 C je už struktura podobnější vzorku zakalenému do vody (objevují se ostrůvky zákalné fáze). 4. DISKUSE 4.1. MECHANICKÉ VLASTNOSTI Sledovanými parametry mechanických vlastností byly u těchto tří typů konstrukčních ocelí lišícívh se obsahem C, Mn, AL a dalších mikrolegujících prvků : mez kluzu Re a vrubová houževnatost KV. Všechny tři oceli byly válcovány z teplot 1050 C, 870 C a 820 C při dvou režimech dochlazování : volně na vzduchu a sprchou na různou teplotu a dochlazovány na vzduchu. 4.1.1. VOLNÉ VYCHLAZOVÁNÍ NA VZDUCHU Z grafů (obr. 3a)vyplývá, že mez kluzu Re roste s poklesem teploty před přetvářením do oblasti A3 (870 C) u všech typů konstrukčních ocelí, válcovací teploty v oblasti stabilního austenitu (konvenční válcování) a teploty blížící se oblasti termomechanického válcování (820 C) jsou u oceli S a H nepřinesly výrazný nárůst meze kluzu. Z grafů (obr. 3b) plyne, že vrubová houževnatost u typů oceli S a H dosahuje nejvyšších hodnot u tvářecí teploty 870 C. 4.1.2. DOCHLAZOVÁNÍ SPRCHOU A VOLNÉ VYCHLAZOVÁNÍ NA VZDUCHU Z grafů (obr. 4a)vyplývá, že mez kluzu Re roste s poklesem teploty před přitvářením do oblasti A3 (870 C) a následného dochlazování sprchou na teploty kolem 700-600 C u všech typů konstrukčních. Z grafů (obr. 4b) vyplývá, vrubová houževnatost KV dosahují vyšších hodnot jako mez kluzu Re u stejného ochlazovací režimu. 12

4.2. STRUKTURNÍ VLASTNOSTI U zkoumaných ocelí se potvrdila možnost výrazného ovlivnění strukturních parametrů změnou doválcovací teploty a rychlosti ochlazování hotového vývalku. Snížení doválcovací teploty (oproti výchozím 1050 C) vede ke zjemnění feritického zrna. Zrychlené ochlazování sprchou má za následek další ovlivnění velikosti zrna, ale rovněž znerovnoměrnění struktury a většinou i vznik ostrůvků zákalné fáze. To platí jen pro snížené doválcovací teploty zrychlené ochlazování z teploty 1050 C nemá význam. Při vyhodnocování vlastností takto připravených laboratorních vývalků je třeba vzít na vědomí, za jakých podmínek byly získány (stupeň rozpuštění precipitátů při ohřevu; relativně hrubé austenitické zrno před doválcováním, protože mu nepředcházelo předválcování a postupné zjemňování zrna opakovanou statickou rekrystalizací aj.). Především velikost austenitického zrna odlišná od této veličiny v případě vstupu provalku do reálné ASC stolice může významně ovlivnit následující strukturotvorné procesy (hlavně kinetiku fázové přeměny gama alfa). 5. ZÁVĚRY Různé režimy doválcovacích teplot a dochlazovacích režimů simulace, provedené na laboratorní válcovací stolici TANDEM na Vysoké škole Báňské v Ostravě, přinesly tyto poznatky: - jako nejúčinnější kombinace doválcovacích teplot a oclazovacích režimů byla stanovena varianta 870 C doválcovací teplota s dochlazením sprchou na teploty kolem 700 C a volným dochlazením na vzduchu, kdy mez kluzu Re dosahuje nejvyšších hodnot. - varianty s dochlazováním sprchou se obecně jeví jako účinnější ve všech variantách doválcovacích teplot, neboť meze kluzu Re mají vyšší hodnoty řádově až 100- MPa. - analýzy mikrostruktury potvrdily rovněž kombinaci doválcovacích teplot a ochlazovacích režimů varianty 870 C doválcovací teplota s dochlazením sprchou na teploty kolem 700 Ca volným dochlazením na vzduchu, kdy došlo k výraznému zjemnění struktury vyšším podílem feritu a kdy podíl zákalné fáze nebyl výrazný. Výsledky laboratorního válcování budou použity u pokusných válcování konstrukčních ocelí na KJT v Třineckých železárnách. LITERATURA 1. ČMIEL, K., KLIBER, J. :Termomechanické tváření a jeho možnosti na rekonstruované drátotrati v Třineckých železárnách., a.s. Metal 1998 2. ČMIEL, K a KLIBER, J. : Control Rokliny of High Karbon Wire Rod. Metal Forming 2, Krakov 3. SCHINDLER, I., aj. : Kinetika postdynamických uzdravovacích procesův podmínkách doválcovánímikrolegovaných ocelí, Hutnické listy 41, 1986, č.12, s.843-847 4. TITTEL,V. Možnosti hodnotenia tvárniteľnosti drôtov. In METAL 4, 13. Medzinárodná konferencia metalurgie a materiálu, Hradec nad Moravici, Tanger spol. s r.o., Ostrava 4, ISBN 80-85988-95-X, č. 37. 5. www.fmmi.vsb.cz/model Dílčí experimentální práce byly prováděny na laboratorním zařízení budovaném za podpory MŠMT ČR (projekt MSM 6198910015). 13