METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 1 -

MOŽNOSTI SIMULACE PŘÍMÉHO VÁLCOVÁNÍ TENKÝCHOCELOVÝCH BRAM V LABORATOŘÍCH VŠB – TECHNICKÉUNIVERZITY OSTRAVA

Ivo Schindler, Petr Kozelský, Tomáš Kubina, Martin Radina, Janusz Dänemarka

Jana Poláchová, Karel Čmielb

a) VŠB – Technická univerzita, Ústav modelování a řízení tvářecích procesů,17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba, ČR, E-mail: ivo.schindler@vsb.cz

b) TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a.s., Technologie a výzkum, 739 70 Třinec, ČR,E-mail: karel.cmiel@trz.cz

Abstract The laboratory complex allowing the simulation of direct strip rolling from cast steel slabswas developed and turned to work. The steel specimens are melted in vacuum induction fur-nace and then cast into a demountable mould which allows quickly to put out the solidifyingsemi-finished product at so high temperatures that the possible phase transformation austenite→ ferrite does not take place. The temperature of cooling cast is balanced in electric resis-tance furnace and the specimen is immediately hot rolled at the automated two-stand rollingmill Tandem. The significant decrease of carbon and aluminium content occurred during remelting of aplain-carbon steel. The chemical composition of a free-cutting stainless Cr-Ni steel was al-most changeless after remelting. The local analysis of casts showed their high homogeneity ofchemical composition both at longitudinal and transverse direction. But the macrostructureanalysis revealed structural heterogeneity and even pores in axial part of casts. Evaluating mi-crostructure of directly or conventionally rolled plain-carbon steel it was found that the repre-sentative place of cast specimen is located in the middle of its height and transverse section.Hot rolling by 6 draughts of total quantity 68 % led to obtaining the analogous microstructureafter conventional and direct rolling. Rolling of a free-cutting stainless steel (10 draughts) dis-covered that for complete elimination of casting defects the deformation of up to 85 % wasnecessary. The microstructure (grain size, sulphide inclusions shape) of conventionally anddirectly rolled specimens corresponded already at total deformation 80 %.

1. ÚVOD Výroba ocelových pásů v uplynulých letech prošla řadou převratných inovací, jejichž pod-stata spočívá ve zkrácení a integraci původně přetržitého metalurgického cyklu. Dva done-dávna ještě zcela samostatné pochody, výroba oceli a válcování pásů, jsou nyní důsledně pro-pojeny plynulým odléváním bram v naprosto spojitý, výhledově až nekonečný proces [1].Tyto tendence pronikly zpočátku do integrovaných hutních závodů a později se staly základ-nou nově budovaných minihutí, které vykazují nižší energetickou náročnost výroby pásů,vyšší produktivitu práce a velmi příznivé ceny ocelových pásů [2]. Špičková úroveň jakosti ocelových pásů je podmíněna výrobou mimořádně metalurgickyčisté oceli plynule odlévané do formátu bram. Během odlévání cílevědomě vylepšovaná licístruktura ztrácí postupně některé typické vady stacionárně odlévané oceli a k její přeměně nakonečný produkt se proto vystačí s mnohem menším stupněm celkové deformace [3]. Tímsoučasně vznikají dříve netušené možnosti cíleného ovlivňování vývoje struktury (potažmo

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 2 -

výsledných mechanických vlastností) během spojitého procesu odlévání, tuhnutí, tváření ma-teriálu a jeho řízeného ochlazování z doválcovací teploty. Další možnosti ovlivňování vývoje struktury vyplývají z postupného zmenšování tloušťkyplynule odlévaných bram. Z běžně odlévaných tlustých bram o tloušťce 150 až 250 mm se jižpřechází na tenké bramy tloušťky 30 až 50 mm a ověřuje se odlévání pásů, kde se za nejmenšídosažitelnou tloušťku považuje výhledově až 1 mm [4]. Aplikace tenčí bramy urychluje tuh-nutí, potlačuje vznik segregací a zjemňuje licí strukturu. V nově projektovaných a mnohde jižbudovaných zařízeních se přechází dokonce na tzv. přímé válcování, pro které je příznačnébezprostřední propojení plynulého odlévání a válcování. V Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů VŠB-TUO byl vybudován laboratorníkomplex, umožňující zjednodušenou simulaci přímého válcování tenkých ocelových bram.Předložený příspěvek shrnuje první experimentální poznatky zde získané.

2. POPIS LABORATORNÍHO VYBAVENÍ A POSTUPU Ve vakuové indukční peci (obr. 1) je zapřispění argonové ochranné atmosféry jed-norázově přetaven a odlit ocelový poloto-var o hmotnosti do 1 kg. Lije se do dvou-dílné litinové kokily, jejíž dno nahrazujeměděná deska. Vnitřní dutina kokily mělapůvodně obdélníkový příčný průřez –tloušťka 20 x 40 mm. Protože však bylypotíže s vyjmutím tuhnoucího polotovar,přistoupilo se ke zkosení kratších vnitřníchstěn kokily a výsledný odlitek po smrštěnímá tedy po průřezu tvar nepravidelnéhošestiúhelníku (obr. 2), resp. obdélníku ovýšce asi 19,5 mm a šířce 38 až 43 mm sezkosenými stěnami. Takovýto odlitek jepovažován za zjednodušený model tenképlynule lité bramy, určené přednostněk přímému válcování do podoby pásu. Jepochopitelné, že makrostruktura takové-hoto polotovaru se do jisté míry liší odstruktury plynule lité bramy odpovídajícítloušťky, ale i od struktury vzorku, připra-vovaného přetavením na plastometru (např.typu Gleeble). Takovéto zjednodušení jepři našich experimentech zatím nezbytné.

Kvalifikovaná obsluha dokáže vyjmouttuhnoucí polotovar z lehce rozebíratelnékokily řádově v několika málo desítkáchsekund po odlití, takže jeho teplota aniv rychle chladnoucích podélných hranáchnepodkročí teplotu 1000 °C (neberemev úvahu tenkou patní část odlitku, dotýka-jící se měděného „dna“). Díky tomu se lzevyhnout případným fázovým transforma-cím a zkoumat deformační chování pů-vodní hrubozrnné licí struktury.

Obr. 1 : Laboratorní přetavovací pec

Obr. 2 : Příčný řez odlitkemz nízkouhlíkové oceli

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 3 -

Obr. 3 : Pohled na obě stolice tratě Tandem a sprchovací zařízení na výběhovém úseku válečkových dopravníků

Následuje krátkodobé vyrovnání tep-loty v celém objemu odlité bramky, a toza použití některé z mobilních labora-torních pecí (maximální teplota tako-vého dohřevu je 1200 nebo 1340 °C,podle aplikované elektrické odporovépece). Bezprostředně navazuje válco-vání za tepla na automatizované dvou-stolicové trati Tandem (obr. 3), jejížaktuální parametry byly popsány dříve(viz např. [5-7]). Zatím nebyla využitamožnost válcování takto za tepla tváře-ných polotovarů na nově vyvinuté bez-stojanové předepjaté stolici Q110, ur-čené k válcování tenkých pásků za stu-dena (obr. 4). Struktura přímo válcovaných pásůje pak porovnávána s charakteristika-mi vývalků, které prošly shodným de-formačním režimem, ale jejichž vý-chozí polotovary měly strukturu jiždříve protvářenou nebo litou, ale ovliv-něnou fázovými transformacemi přiochlazování a zpětném ohřevu na tep-lotu tváření. Obr. 4 : Válcovací stolice Q110

(průměr pracovních válců 62 mm)

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 4 -

3. PROVEDENÉ EXPERIMENTY3.1 Chemické analýzy Pro přetavování byly využity dva typy oceli – nelegovaná nízkouhlíková, resp. automatovákorozivzdorná (austenitická, se sírou). Chemické analýzy výchozích i přetavených vzorkůbyly provedeny na optickém emisním spektrometru LECO GDS-750A (zaměřované místo mátvar kruhu o průměru asi 4 mm) – viz tab. 1. Prokázalo se, že složení korozivzdorné oceli sepřetavováním nijak znatelně nezměnilo, snad s výjimkou mírného úbytku křemíku. Naopakv případě nízkouhlíkové oceli vyhořela téměř polovina obsahu uhlíku a prakticky veškerýhliník, obsah manganu se snížil asi o čtvrtinu. Překvapila však homogenita chemickéhosložení odlitků po výšce i po průřezu jednotlivých příčných řezů. Pravděpodobně díkypoměrně rychlému tuhnutí se neprojevily žádné rozdíly v lokálním výskytu jednotlivýchprvků, které by přesahovaly běžný rozptyl výsledků.

Tabulka 1 : Chemické složení použitých ocelí po přetavení (v hm. %)

ocel nízkouhlíková ocel korozivzdornáC 0,09 0,06

Mn 0,32 1,34Si 0,16 0,32P 0,029 0,036S 0,032 0,24Cr 0,08 16,8Ni - 9,3Mo - 0,33Al 0,002 -

3.2 Makrostruktura odlitků

Obr. 4 : Makrostruktura podélných řezů odlitků ze zkoumaných ocelí

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 5 -

Lité bramky byly rozřezány, ofrézoványa běžnými metalografickými postupy sesledovala jejich makrostruktura v podél-ném i příčném směru. Nízkouhlíková ocelbyla leptána Nitalem, austenitická pakAdlerovým leptadlem. Z obr. 4 je zřejmé,že při nedostatečném dolití hlavy sev osové části odlitku objevují velmi vý-razné licí vady, zasahující ve formě pórůaž za polovinu jeho výšky. Austenitickáocel na rozdíl od oceli nízkouhlíkové ne-prošla při chladnutí fázovou transformací,což se projevilo mnohem heterogennějšímakrostrukturou a celkově hrubším zr-nem. Písmena A až D a X korespondujís umístěním vybraných příčných řezů, je-jichž makrostruktury jsou uvedeny naobr. 2 a 5. Strukturní rozdíly jsou samo-zřejmě opět patrnější u korozivzdornéoceli.

3.3 Strukturně reprezentativní místo laboratorně lité bramky Odlitky z nízkouhlíkové oceli bylypřímo nebo konvenčně (tedy po ochlazenína 300 °C a ohřevu na 1200 °C) válco-vány vratně na stolici B trati Tandem, a tocelkem 6 výškovými úběry o velikosti 18až 16 %. Měřila se teplota před 3. prů-chodem (1090 °C), před 5. průchodem(1030 °C) a po 6. úběru (970 °C).Tloušťka výsledného provalku je 6,1 mm,

což odpovídá sumárnímu výškovému úběru 68 %. Běžnými postupy studovaná mikrostruk-tura (Nitalem leptané výbrusy u paty, v polovině výšky a u hlavy odlitku) byla praktickyúplně shodná v případě konvenčního válco-vání, kdy opakovaná transformace austenit →ferit → austenit vedla k homogenizaci a zjem-nění výchozí struktury (obr. 6). Hlavové apatní části přímo válcovaného odlitku mělyobdobný charakter, výrazně odlišný (nerovno-měrnější a jemnozrnnější) než partie odpoví-dající polovině výšky odlitku (obr. 7), kteránaopak plně koresponduje s mikrostrukturoukonvenčně tvářeného vývalku. Z toho bylo od-vozeno reprezentativní místo lité bramkyz hlediska následných mikrostrukturních ana-lýz příslušného vývalku – osová partie příč-ného řezu, vedeného v polovině výšky odlitku,resp. v polovině délky hotového vývalku.

Obr. 5 : Makrostruktura vybraných příčnýchřezů odlitku z automatové austenitické oceli

Obr. 6 : Mikrostruktura vývalku z nízkouhlíkovéoceli (konvenční válcování odlitku)

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 6 -

a) patní část původního odlitku b) oblast v polovině délkyObr. 7 : Mikrostruktura vývalku z nízkouhlíkové oceli (přímé válcování)

3.4 Makrostruktura vývalků Bramky odlité z automatové austenitické oceli byly přímo válcovány z teploty 1220 °C cel-kem 10 výškovými úběry o velikosti 19 až 14 %. Zapojily se obě stolice tratě Tandem a vál-covalo se vždy dvojicí velmi rychle po sobě jdoucích úběrů s následující pauzou o délce 5 až8 s, využitou k současnému přestavění válců a reverzaci. Povrchová teplota polotovaru před 5.úběrem byla asi 1075 °C, před poslední dvojicí úběrů pak zhruba 930 °C. Ve vybraných okamžicích se válcování přerušovalo a polotovary nechaly volně vychladnoutna vzduchu. Po 3. úběru bylo dosaženo tloušťky 11,1 mm a sumárního výškového úběru cca43 %, po 4. úběru tloušťky 8,6 mm(celkem úběr 56 %), po 8. úběrutloušťky 3,9 mm (tj. 80 %) a konečněpo posledním 10. úběru tloušťky 3,0mm (tj. 85 %). Ze studia makrostruktur takto zís-kaných vývalků (v podélném řezu –ve směru válcování, viz obr. 8) vyšlonajevo, že opakovanou rekrystalizacílze konkrétní výchozí strukturu do-statečně zhomogenizovat a zjemnitcelkovou výškovou deformací okolo80 %. K dokonalému zaválcovánívšech pórů však byly nezbytné ještědalší dva průchody a tedy celková de-formace asi 85 %.

3.5 Mikrostruktura vývalků z korozivzdorné oceli Výše popsané postupy válcování zatepla byly zopakovány ještě pro pří-pad rozměrově shodných výchozíchvzorků, vyrobených však z protváře-né austenitické automatové oceli. Poelektrolytickém naleptání kyselinoušťavelovou pak byla porovnávána mikrostruktura analogicky válcovaných vzorků, ovšem přirůzném výchozím stavu. Jak je zřejmé z obr. 9a,b, výchozí licí struktura je podstatně hrubo-

Obr. 8 : Makrostruktura vývalků z automatové austenitickéoceli po odstupňované celkové deformaci

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 7 -

zrnnější a především vykazuje nerovnoměrnější distribuci sulfidických vměstků než strukturajiž dříve protvářená. Ani po sumární deformaci 56 % nebyly mikrostruktury odpovídajících sivývalků shodné – licí struktura vykazuje zrna velmi se různících parametrů (obr. 9c,d).S dalším postupem válcování se strukturní charakteristiky obou typů vývalků stále více sbli-žují a po celkové deformaci 85 % už se velikostí a protaženým tvarem zrn i vměstků prak-ticky neliší. U obou hotových provalků jsou vidět náznaky mírně zvlněných pásů probíhají-cích v celé jejich délce, typických pro vysoce protvářený austenit (obr. 9e,f).

4. ZÁVĚRY Byl vybudován laboratorní komplex, umožňující poměrně levné fyzikální modelování pro-cesu přímého válcování tenkých ocelových bram. Technicky i organizačně byla zvládnutametodika experimentu tak, že odlité polotovary je možno vložit do pece za účelem vyrovnáníteploty před případným průběhem fázové transformace austenit → ferit. První praktické zkušenosti vedly k lokalizaci místa odlitku s reprezentativní strukturou,které je posléze zvoleno k mikrostrukturním analýzám. U dvou značně rozdílných typů ocelibyly určeny úběrové podmínky přímého válcování, vedoucí k získání shodné struktury jakopo konvenčním tváření za tepla. Další experimenty budou mj. zaměřeny na eliminaci potíží se změnami chemického složenímateriálu během jeho přetavování, na měření teploty taveniny a na optimalizaci tvaru odlitku,resp. dutiny kokily. Postupně je zvládán problém nadměrné pórovitosti osové části odlitku. Bylo by samozřejmě vhodné ověřit shodu makrostruktury laboratorně odlité bramky a ply-nule lité bramy o tloušťce kolem 20 mm, čemuž však zatím brání především dostupnost srov-natelného materiálu. Lze předpokládat, že popsaným postupem získaná struktura je odpoví-dajícím provozním podmínkám bližší než struktura vzorku přetavovaného a řízeně tuhnoucíhov podmínkách plastometrického zkoušení. Jednoznačnou výhodou popsaného postupu fyzi-kálního modelování pak je značná příbuznost s provozními postupy válcování a efektivnímožnost dalšího studia hotového vývalku (např. zkouškou tahem). To je dáno dostatečnýmirozměry zkušebního vzorku a značnou homogenitou deformace v jeho objemu.

LITERATURA[1] NIKAIDO, H., aj. Revue de Métallurgie, 1998, č. 1, s. 47-56.[2] SZEKELY, J., TRAPAGA, G. Met. Plant and Techn. Int., 1994, č. 4, s. 30-46.[3] LEHMAN, A., TALLBÄCK, G., RULLGÅRD, A. Steel Times, 1996, č. 7, s. 278-280.[4] SIMON, R. W., aj. Stahl und Eisen, 1997, č. 5, s. 75-79.[5] SCHINDLER, I. Hutnické listy, 1998, č. 7-8, s. 76-77.[6] SCHINDLER, I., aj. Hutnické listy, 1999, č. 7-8, s. 79-85.[7] SCHINDLER, I., aj. In Advanced Technology of Plasticity 1999, Proceedings of the 6th

International Conference on Technology of Plasticity. Nürnberg: Springer-VerlagBerlin, 1999, Vol. 1, s. 449-454.

Práce byly prováděny v rámci projektu GA ČR 106/01/0371.

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 8 -

a) přímé válcování – výchozí struktura odlitku b) výchozí stav tvářeného a ohřátého vzorku

c) přímé válcování – struktura po 4. úběru d) konvenční válcování – struktura po 4. úběru

e) přímé válcování – struktura po 10. úběru d) konvenční válcování – struktura po 10. úběruObr. 9 : Mikrostruktura vývalků z automatové korozivzdorné oceli