Projekty badawcze sfi nansowane z dotacji na działalność statutową

Transkrypt

1 34 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfi nansowane z dotacji na działalność statutową Research projects financed by the State Budget Funds assigned for statutory activity Władysław Zalecki, Roman Kuziak, Maciej Pietrzyk 1, Łukasz Rauch 1 Matematyczne modelowanie i analiza przemian fazowych zachodzących w strukturze stali bainitycznych podczas chłodzenia, po walcowaniu na gorąco Część II Celem pracy było opracowanie programu pozwalającego na przeprowadzenie symulacji numerycznej przebiegu chłodzenia z uwzględnieniem przemian fazowych w prętach stalowych. Główny cel pracy był wynikiem zapotrzebowania ze strony partnerów przemysłowych jak i konieczności pozyskiwania narzędzi pomocnych przy analizie takich procesów jak np. chłodzenia w linii STELMOR. Podjęto również próbę zwiększenia możliwości analitycznych opracowanego własnego programu do analizy wyników badań dylatometrycznych, a w szczególności opracowania modułu pozwalającego na dopasowanie modeli przemian dla analizowanej krzywej dylatometrycznej. Mathematical modeling and analysis of phase transformations in the structure of bainitic steels during cooling, after hot rolling Part II The aim of the work was to develop a computer program for numerical simulation of cooling processes, taking into account heat generating during phase transformations in steel bars. The main aim of the work was a result of both the demand of our industrial partners and our own needs for analytical tools helpful in analysis of processes such as e.g. cooling in STELMOR line. An attempt was also made to increase the analytical capabilities of our software for analysis of experimental data, gained by means of dilatometer, particularly to develop a module for fitting phase transformation models to the experimental data. Wstęp Od 2006 r. w Instytucie Metalurgii Żelaza realizowany jest program badań statutowych, których praktycznym celem jest wykorzystanie opracowywanych modeli, pozwalających przewidywać rozwój mikrostruktury austenitu w procesach obróbki cieplno-plastycznej, do symulacji komputerowej procesów technologicznych. Celem pracy w 2008 r. było opracowanie programu pozwalającego na przeprowadzenie symulacji numerycznej chłodzenia prętów stalowych z uwzględnieniem 1 Prof. dr hab. inż. Maciej Pietrzyk i dr inż. Łukasz Rauch są pracownikami Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a pozostali autorzy pracują w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. przemian fazowych. Podjęto również próbę zwiększenia możliwości analitycznych opracowanego własnego programu do analizy wyników badań dylatometrycznych, a w szczególności opracowanie modułu pozwalającego na dopasowanie modeli przemian dla analizowanej krzywej dylatometrycznej. Zakres pracy obejmował zatem: opracowanie modułów obliczeniowych do ilościowej analizy wyników badania przemian fazowych metodą dylatometryczną, opracowanie programu do symulacji chłodzenia prętów (metodą MES) z uwzględnieniem przemian fazowych, badania weryfikacyjne opracowanych algorytmów w oparciu o badania laboratoryjne. Opracowanie programu do symulacji chłodzenia prętów z uwzględnieniem przemian fazowych wykorzystującego metodę MES wymaga dobrej znajomości zarówno algorytmów numerycznych oraz sposobów ich poprawnego implementowania w programach komputerowych. Dlatego tę część pracy wykonał Zakład Komputerowego Modelowania Procesów Metalurgicznych AGH. Materiał, zakres i metodyka badań Wyniki badań przedstawiono na przykładzie stali: bainitycznej i ferrytycznej przeznaczonej do głębokiego tłoczenia, których skład chemiczny podano w tablicy 1. Badania dylatometryczne przeprowadzono za pomocą dylatometru DIL805A/D. Zebrane dane analizowano za pomocą programu DIL805_analysis_software. Do opracowania modułów wykorzystano zakupiony przez Instytut program Delphi Wyniki i ich dyskusja Opracowanie modułów obliczeniowych do ilościowej analizy wyników badania przemian fazowych metodą dylatometryczną. Pierwsze próby opracowania modułu do uproszczonej analizy przemian fazowych z wykorzystaniem wyników doświadczeń dylatometrycznych podjęto w 2003 [1]. Wówczas zaimplementowano model 1 opisany równaniem (1) [1]. Tt n k Q xt ( ) 1 0 = -exp*-> exp dt C # c- m RT H 4 (1) T0 W wyniku realizacji niniejszej pracy wprowadzono jeszcze dwa dodatkowe modele. Tablica 1. Skład chemiczny badanych stali Table 1. Chemical composition of tested steels Symbol Nr wytopu IMŻ C [%] Mn [%] Si [%] P [%] S [%] Cr [%] 1210* 0,074 2,00 0,28 0,012 0, ,10 0,034-0,038 0,13 0, DC04EK ,005 0,22 0,02 0,011 0,018 0,03 0,04 0,04 0,024 0,005 0,004 0, * doświadczalny Mo [%] Cu [%] Al całk [%] V [%] Nb [%] Ti [%] B [%] N [ppm]

2 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji Model 2 opisany za pomocą równania (2) zawiera człon (T T 0 ) m, gdzie T 0 jest temperaturą początku przemiany a wykładnik m jest stałą. Tt n k0 m Q xt ( ) = 1 -exp*-> ( T T0 ) exp dt C # - c- m RT H 4 (2) T0 W modelu 3, który jest modyfikacją modelu 2, szybkość chłodzenia C (stała w modelach 1 i 2) uzmienniono względem temperatury równanie (3). Tt m n ( T- T0 ) Q xt ( ) = 1-exp* -> k0 # expc- m dt CT ( ) RT H 4 (3). T0 Wprowadzono również możliwość analizy przemiany martenzytycznej. W tym celu wykorzystano dobrze znane równanie (4). xt ( ) = 1 -exp[-a( T - T) a ] (4). Kolejną zmianą było wprowadzenie możliwości prezentacji graficznej wyników doświadczalnych i obliczonych w postaci wykresu: ułamek fazy przemienionej w funkcji temperatury. Wyniki badań stali do głębokiego tłoczenia DC04EK Do analizy wybrano stal DC04EK, w której występuje wyłącznie przemiana ferrytyczna. Analizę kinetyki przemiany przeprowadzono dla krzywej chłodzenia 5 C/s. Po przygotowaniu dylatogramu, tj. wycięciu fragmentu zawierającego zapis przemiany, wyznaczeniu temperatur początku i końca przemiany i wybraniu w programie opcji analizy kinetyki metodą analityczną kolejnymi krokami były: wybór modelu oraz precyzji kinetyki, a także wpisanie początkowych wartości optymalizowanych parametrów. Na rys. 1 pokazano przykładowe wyniki analizy dla modelu 1 i precyzji kinetyki 5%. Czerwone punkty na wykresie zostały M s t wyznaczone z reguły dźwigni, zaś na zielono obliczone. Program pozwala na szybką zmianę precyzji kinetyki, wybór tzw. warunków startowych (parametrów modelu) i ponowne przeliczenie danych. Możliwe jest śledzenie skutków zmian warunków zarówno w sposób graficzny jak i liczbowy na podstawie obserwacji zmian wartości odchylenia standardowego. Opracowanie programu do symulacji chłodzenia prętów (metodą MES) z uwzględnieniem przemian fazowych Opracowany w ramach pracy program składa się generalnie z dwóch aplikacji. Pierwsza CCT_Builder służy do wyznaczenia parametrów modeli opisujących przemiany fazowe. Zaimplementowano w niej trzy modele numeryczne opisujące przemiany fazowe. W programie każdemu z współczynników modelu nadano wartość początkową. Wartości te mogą być zmieniane z poziomu interfejsu programu poprzez naciśnięcie odpowiedniego przycisku. Ich optymalne wartości wyznaczane są za pomocą jednej z trzech procedur optymalizacyjnych: Simpleks, Rosenbrocka, Hooke a-jeevesa. Proces identyfikacji parametrów w modelu przemian fazowych przeprowadzany jest za pomocą metody obliczeń odwrotnych [2, 3]. Na rysunku 2 pokazano widok głównego okna programu. Przykładowe wyniki obliczeń dla stali bainitycznej Skład chemiczny analizowanej w projekcie stali bainitycznej (wytop 1210) podano w tablicy 1. Wyniki obliczeń odwrotnych dla tej stali odkształconej w 1000 o C podano w tablicy 2. Wielkość ziarna austenitu w momencie rozpoczęcia przemiany ferrytycznej wynosiła 30 μm. Do analizy odwrotnej wykorzystano wyniki badań dylatometrycznych wykonanych w Instytucie. Oprócz wymienionych w tablicy 2 współczynników w modelu występują jeszcze dwa, w zależnościach okre- Rys. 1 Wyniki analizy kinetyki przemiany dla modelu 1 Fig. 1. Results of transformation kinetics analysis for model 1

3 36 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IMŻ 3 (2010) Rys. 2. Ekran główny systemu Fig. 2. The main screen of the system Tablica 2. Współczynniki w modelu przemian fazowych wyznaczone metodą analizy odwrotnej Table 2. Coefficients in phase transformations model determined by the inverse analysis method a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 12 a 13 a 14 a 15 a 16 a 21 a 22 a 23 a 24 a 25 2, ,9 0,74 0,426 1, ,22 0,9 1,04 0, ,7 Znaczenie współczynników można znaleźć w pracach [5, 6] Dla weryfikacji modelu przeprowadzono symulacje przemian fazowych dla różnych prędkości chłodzenia. Na rysunku 3 porównano zmierzone (symbole puste) i obliczone (symbole pełne) temperatury początku i końca poszczególnych przemian. W obliczeniach zastosowano model z optymalnymi współczynnikami podanymi w tablicy 2. Jak widać na tym rysunku zgodność między obliczeniami i pomiarami jest bardzo dobra. Rys. 3. Wyniki porównania zmierzonych i obliczonych temperatur początku i końca poszczególnych przemian Fig. 3. Results of comparison of the measured and calculated temperatures at the beginning and end of individual transformations ślających temperatury początku przemian bainitycznej i martenzytycznej: t bainit = a [%C] 42,5[%Mn] 31,5[%Ni] t martenz = a26 300[%C] Otrzymane z analizy odwrotnej wartości tych współczynników dla badanej stali to a 20 = 714,6 oraz a 26 = Symulacja chłodzenia prętów po walcowaniu Druga aplikacja zawiera program MES symulujący chłodzenie prętów po walcowaniu. Elementem łączącym oba moduły jest model przemian fazowych. Idea takiego połączenia opisana jest w publikacji [4]. Symulowano chłodzenie pręta o średnicy 12 mm. Temperatura końca walcowania wynosiła 830 o C. Pręt chłodzony był przez 3 s swobodnie w powietrzu, następnie przez 4 s założono wymuszone intensywne chłodzenie. Dalsze chłodzenie odbywało się swobodnie w powietrzu. Wymuszone chłodzenie realizowane było na cztery sposoby, w tym między innymi, chłodzenie natryskiem wodnym (tu przyjęto współczynnik wymiany ciepła 4500 W/m 2 K) i przyspieszone chłodzenie sprężonym powietrzem (współczynnik wymiany ciepła przyjęto 1200 W/m 2 K). Na rysunku 4 pokazano przykłady obliczonych zmian temperatury w czterech punktach wzdłuż promienia pręta, umieszczonych w odległości 0 (A), 3 (B) 5(C) oraz 6 (D) mm od jego środka. Oprócz temperatury

4 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji przemiany. Model został włączony do programu MES symulującego chłodzenie prętów po przeróbce plastycznej. Wykonane zostały testy numeryczne dla czterech różnych warunków chłodzenia. Przeprowadzone testy wykazały dobrą skuteczność modelu w zakresie przewidywania rozwoju mikrostruktury stali dla różnych, zmiennych prędkości chłodzenia. LITERATURA 1. Zalecki W.: Opracowanie algorytmu i oprogramowania do ilościowej analizy kinetyki przemian fazowych metodą dylatometryczną. Sprawozdanie IMŻ nr NR-00090/BT/ Szeliga D., Pietrzyk M., Metal Forming Science and Practice, A State-of-the-art Volume in Honour of Professor J.A. Schey s 80 th Birthday, ed., Lenard J.G., Elsevier, Amsterdam, 2002, Szeliga D., Gawąd J., Pietrzyk M., Comp. Meth. Appl. Mech. Engrg., 195, 2006, Pietrzyk M., Kuziak R., Mat. 2. Konf. ESAFORM, ed., Covas J., Guimaraes, 1999, Kuziak R.: Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali. Monografia. Gliwice Pietrzyk M., Kusiak J., Kuziak R., Zalecki W.: Optimization of laminar cooling of hot rolled DP steels. XXVIII. Verformungskundliches Kolloquium: : Planneralm, Steiermark: Tagungsband; Hrsg. Bruno Buchmayr; Montanuniversität, Lehrstuhl für Umformtechnik. Department Product Engineering. Leoben: Umformtechnik, cop ISBN s Rys. 4. Obliczone zmiany temperatury w czterech punktach wzdłuż promienia pręta przy różnych prędkościach chłodzenia Fig. 4. Calculated temperature changes in four points along the bar radius at different cooling rates można wyliczyć i przedstawić graficznie zmiany ułamka objętości poszczególnych faz w czasie chłodzenia. Podsumowanie W wyniku realizacji pracy opracowano moduły obliczeniowe do ilościowej analizy wyników badań przemian fazowych metodą dylatometryczną. Moduły zostały zaimplementowane do własnego programu analitycznego DIL805_Analysis_Software. Opracowano program CCT Builder służący do identyfikacji i optymalizacji parametrów modelu opisującego przemiany fazowe w stalach. Otrzymany w ten sposób model może być następnie wykorzystany do symulacji chłodzenia prętów (metodą MES) z uwzględnieniem przemian fazowych zachodzących w trakcie tego procesu. Działanie opracowanych modułów i programów sprawdzono w oparciu o dane uzyskane z przeprowadzonych doświadczeń dylatometrycznych. Po identyfikacji współczynników modelu metodą analizy odwrotnej uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników obliczeń z wynikami badań dylatometrycznych, co pokazano na rysunku 3. Przeprowadzone doświadczenia i analiza wyników wskazują na zasadniczy wpływ warunków początkowych na końcowy wynik identyfikacji i optymalizacji szukanych parametrów modelu opisujących Bogdan Garbarz, Wojciech Burian, Jerzy Pogorzałek Opracowanie założeń przemysłowej technologii wytwarzania elementów konstrukcyjnych z supertwardej stali bainitycznej z zastosowaniem metody regulowanego krzepnięcia Celem projektu było opracowanie i eksperymentalne sprawdzenie założeń technologii odlewania i bezpośredniej obróbki cieplnej odlewów z supertwardej stali bainitycznej nowej generacji o strukturze nanolistwowej. Zastosowanie technologii otrzymywania elementów konstrukcyjnych z wysokowęglowej stali bainitycznej metodą odlewania do form i bezpośredniej obróbki cieplnej z pominięciem procesu przeróbki plastycznej na gorąco i pośrednich operacji obróbki cieplnej spowoduje uproszczenie technologii i obniżenie kosztów wytwarzania. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów opracowano podstawy technologii wytwarzania półwyrobów lub wyrobów ze stali nanobainitycznej metodą odlewania do formy z następującą po zakrzepnięciu bezpośrednią obróbką izotermiczną. Podano założenia, na jakich zostanie oparta technologia przemysłowa. Do opracowania przemysłowej technologii wytwarzania wyrobów z wysokowęglowej stali bainitycznej nowej generacji wymagane są dodatkowe dane o charakterze podstawowym z zakresu przemian fazowych i zależności właściwości mechanicznych od mikrostruktury. Wymagane dane zostaną opracowane na podstawie wyników realizowanych obecnie i planowanych projektów badawczych dotyczących rozwoju supertwardych stali nanobainitycznych. Development of assumptions for the industrial technology for making super-hard bainitic steel structural components by the controlled solidification method The purpose of the project was to develop and check experimentally the assumptions for the technology for casting

5 38 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IMŻ 3 (2010) and direct heat treatment of the castings from the new-generation super-hard bainitic steel with nano-lath structure. The use of the technology for obtaining high-carbon bainitic steel structural components by casting into moulds and direct heat treatment, without hot plastic working and intermediate heat treatments, will simplify the technology and reduce the manufacturing costs. As a result of the experiments, the bases for the technology for making nano-bainitic steel semi- or finished products by casting into mould with direct isothermal treatment directly after solidification were developed. The assumptions the industrial technology should be based on were given. The development of the industrial technology for making products from the new-generation high-carbon bainitic steel requires additional basic data with regard to phase transformations and relationship between mechanical properties and microstructure. These data will be developed based on the results of the current and planned research projects concerning the development of super-hard nano-bainitic steels. Wstęp Wysokowęglowe średniostopowe stale bainityczne o dwufazowej strukturze składającej się z nanolistew bezwęglikowego bainitu oraz austenitu resztkowego, stanowią obecnie przedmiot intensywnych badań laboratoryjnych. Eksperymentalnie stwierdzono, że nanobainit charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami jako materiał konstrukcyjny: twardość do ok. 700 HV, granica plastyczności do ok. 3 GPa, duża ciągliwość dla optymalnego rodzaju struktury [1 3]. Celem pracy było opracowanie i eksperymentalne sprawdzenie założeń technologii odlewania i bezpośredniej obróbki cieplnej wlewków (odlewów) z supertwardej stali bainitycznej nowej generacji o strukturze nanolistwowej. Zastosowanie technologii otrzymywania gotowych elementów konstrukcyjnych z wysokowęglowej stali bainitycznej metodą odlewania do form i bezpośredniej obróbki cieplnej z pominięciem procesu przeróbki plastycznej na gorąco i pośrednich operacji obróbki cieplnej ma na celu zmniejszenie zużycia energii w procesie produkcyjnym oraz uproszczenie i obniżenie kosztów operacji technologicznych. Zakres badań obejmował opracowanie parametrów wytapiania i odlewania wysokowęglowej stali bainitycznej do wlewnic metalowych oraz dalszej bezpośredniej obróbki cieplnej, prowadzącej do uzyskania oczekiwanych właściwości: jak najmniejszej niejednorodności chemicznej i strukturalnej, wysokich parametrów wytrzymałościowych, twardości z zakresu HV lub powyżej i wystarczającej plastyczności do potencjalnych zastosowań. Materiał, zakres i metodyka badań Na podstawie przeglądu literatury oraz bazując na wynikach badań wykonanych w pracy [3] opracowano składy chemiczne dwóch eksperymentalnych stali nanobainitycznych na bazie układu 0,8%C-2,0%Mn- 1,6%Si z dodatkami stopowymi Co, Mo i V, przeznaczonych do odlewania i następującej po odlewaniu bezpośredniej obróbki cieplnej. Eksperymentalne stale bainityczne wytapiano w otwartym piecu indukcyjnym o pojemności tygla 5 kg. Do przeprowadzenia eksperymentów odlewania zaprojektowano wlewnice stalowe umożliwiające odlanie wlewka płaskiego o grubości 12,5 mm, szerokości 120 mm i wysokości 230 mm oraz o grubości 6,25 mm przy niezmienionych pozostałych wymiarach. W celu wytworzenia struktury bainitycznej w odlewach (płaskich wlewkach) bezpośrednio po odlaniu, po osiągnięciu założonej temperatury w trakcie chłodzenia odlewy poddano wygrzewaniu izotermicznemu w zakresie niskotemperaturowej przemiany bainitycznej. Po bezpośredniej obróbce obejmującej chłodzenie po zakrzepnięciu i wygrzewanie izotermiczne odlewy zostały poddane badaniom metalograficznym i wytrzymałościowym. Zakres badań obejmował: ujawnienie metodą trawienia i obserwacje makrostruktury i mikrostruktury za pomocą mikroskopu świetlnego i elektronowego mikroskopu skaningowego, analizę rentgenograficzną ilości resztkowego austenitu pozostałego po izotermicznej przemianie bainitycznej, pomiary twardości, próby rozciągania. Wyniki i ich dyskusja Makrostruktura i mikrostruktura odlewów Na obrazach makrostruktury odlewów obserwowano nieciągłości w postaci typowych pustek skurczowych o różnej wielkości oraz wady wynikające z zaburzeń w lokalnym doprowadzeniu ciekłej stali w trakcie odlewania. Przy obserwacji makrostruktury bez powiększania, nie są widoczne obrazy dendrytów lub innych form segregacji powstających w wyniku krzepnięcia. Wytrawieniu uległy ziarna byłego austenitu, których wielkość zależy głównie od wysokości temperatury Rys. 1. Mikrostruktura odlewu chłodzonego z małą szybkością (pow. 100 i 400, mikroskop świetlny) Fig. 1. The microstructure of the slow-cooled casting (mag. 100 and 400, light microscope)

6 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji i czasu przebywania wlewka w zakresie trwałości austenitu podczas chłodzenia po zakrzepnięciu, co z kolei zależy od parametrów odlewania stali i chłodzenia wlewka. Ze względu na zastosowaną technologię wytapiania eksperymentalnych stali w otwartym piecu indukcyjnym i możliwy do zastosowania na tym etapie badań sposób odlewania, powodujący długi czas stykania się odlewanej stali w postaci otwartego strumienia z materiałami ceramicznymi, stopień zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi jest stosunkowo duży. Stwierdzono wyraźną zależność pomiędzy rodzajem struktury i morfologią składników strukturalnych, a sposobem chłodzenia i parametrami obróbki cieplnej odlewów. Chłodzenie odlewów we wlewnicach ze stosunkowo małą szybkością, doprowadziło do wytworzenia struktury ferrytyczno-bainityczno-perlitycznej (rys. 1). W wyniku bezpośredniej przemiany izotermicznej wytworzony został głównie bainit (rys. 2). Drugą główną fazą, co zostało potwierdzone badaniami rentgenograficznymi, jest austenit resztkowy. W odlewie, który był chłodzony szybko (w powietrzu) po wyjęciu z wlewnicy, stwierdzono powstanie dużej ilości wysokowęglowego martenzytu. W płytkach wysokowęglowego martenzytu w wyniku naprężeń strukturalnych wystąpiły mikropęknięcia. Pęknięcia występowały także na granicach dużych ziarn austenitu. Segregacje pierwiastków powstałe w procesie krzepnięcia wlewków utworzyły obraz komórkowy o średnim wymiarze komórki od ok. 20 μm do ok. 100 μm, w zależności od grubości wlewka i parametrów odlewania. Jedynie w wąskich obszarach przypowierzchniowych obserwowano strukturę dendrytyczną. W celu ustalenia wielkości segregacji pierwiastków stopowych, a w szczególności ustalenia różnicy pomiędzy zawartościami pierwiastków wewnątrz i na granicy komórek segregacyjnych, wykonano badania za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Stwierdzono duże różnice w zawartości pierwiastków pomiędzy obszarami wnętrza i granic komórek krzepnięcia. Z zastosowanych pierwiastków stopowych największą tendencję do segregacji wykazuje Mo, a najmniejszą Co. Rys. 2. Mikrostruktura odlewu po izotermicznej przemianie w zakresie niskotemperaturowego bainitu (pow. 100 i 800, mikroskop świetlny) Fig. 2. The microstructure of the casting after isothermal transformation in low-temperature bainite (mag. 100 and 800, light microscope) Próby pomiaru właściwości mechanicznych odlewów Twardość odlewów o strukturze niskotemperaturowego bainitu wynosi HV. W celu wyznaczenia granicy plastyczności (R e ), wytrzymałości (R m ) i wydłużenia względnego (A 5 ) z odlewów przygotowano płaskie próbki do wykonania badań w statycznej próbie rozciągania, metodą cięcia strumieniem wody zawierającej ścierniwo. Po wycięciu i przeszlifowaniu próbek uwidoczniły się na części powierzchni nieciągłości i pory powstałe w procesie odlewania. W próbie rozciągania próbki pękały przy naprężeniach poniżej granicy sprężystości, co uniemożliwiło wyznaczenie granicy plastyczności i wytrzymałości materiału. Pękanie próbek przy małych wartościach naprężenia związane jest z nieciągłościami i niejednorodnościami powstałymi w procesie odlewania. Niemniej jednak, po opracowaniu metody odlewania, za pomocą której otrzymywany materiał będzie wolny od wad odlewniczych, wycinanie próbek do prób wytrzymałościowych z zastosowaniem cięcia strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem może okazać się odpowiednią metodą, gdyż wykonanie próbek z materiału o wysokiej twardości powyżej 550 HV innymi metodami jest bardzo trudne technicznie. Założenia technologii bezpośredniego odlewania i obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych z supertwardej stali nanobainitycznej Uwzględniając zastosowane uproszczenia technologiczne, z przeprowadzonych w niniejszym projekcie eksperymentów wynika, że jest możliwe opracowanie przemysłowej technologii wytwarzania półwyrobów lub wyrobów ze stali nanobainitycznej (tj. ze stali wysokowęglowej średniostopowej o strukturze zawierającej bezwęglikowy bainit listwowy i austenit resztkowy) metodą odlewania do formy z następującą po zakrzepnięciu bezpośrednią obróbką izotermiczną. W celu uzyskania produktów o wymaganych właściwościach technologia ta powinna zostać oparta na następujących założeniach: w celu otrzymania wysokiej czystości metalurgicznej stali, wytapianie powinno być wykonywane w próżni, odlewanie i regulowane krzepnięcie odlewu jest kluczowym elementem tej technologii; wielkość przegrzania odlewanej stali ponad temperaturę likwidus powinna być jak najmniejsza, a odlewanie powinno się odbywać bez dostępu powietrza najlepszym rozwiązaniem byłoby ciśnieniowe odlewanie do form

7 40 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IMŻ 3 (2010) z możliwością regulowanego chłodzenia w trakcie krzepnięcia i po zakrzepnięciu, konstrukcja formy powinna zapewnić przeprowadzenie niskotemperaturowej przemiany bainitycznej bez demontażu formy i wyjmowania wlewka, skład chemiczny stali powinien zostać tak zmodyfikowany, aby w trakcie schładzania do temperatury przemiany izotermicznej w odlewach nie następowała częściowa przemiana austenitu w produkty powstające w wyższej temperaturze od założonej temperatury przemiany izotermicznej. Podsumowanie W wyniku przeprowadzonych w niniejszym projekcie laboratoryjnych eksperymentów opracowano podstawy technologii wytwarzania półwyrobów lub wyrobów ze stali nanobainitycznej (tj. ze stali wysokowęglowej średniostopowej o strukturze zawierającej bezwęglikowy bainit listwowy i austenit resztkowy) metodą odlewania do formy z następującą po zakrzepnięciu bezpośrednią obróbką izotermiczną. Podano założenia, na jakich zostanie oparta technologia przemysłowa. Do opracowania przemysłowej technologii wytwarzania wyrobów z wysokowęglowej stali bainitycznej nowej generacji o strukturze nanolistwowego bezwęglikowego bainitu i austenitu resztkowego wymagane są dodatkowe dane o charakterze podstawowym. W szczególności należy opracować dokładne wykresy przemian fazowych w warunkach chłodzenia ciągłego i w warunkach izotermicznych oraz wykonać dogłębne badania metodami prześwietleniowej mikroskopii elektronowej w celu ustalenia morfologii i rozmieszczenia austenitu resztkowego oraz identyfikacji substruktury nanobainitu. Wymagane dodatkowe dane zostaną opracowane na podstawie wyników realizowanych obecnie i planowanych projektów badawczych dotyczących rozwoju supertwardych stali nanobainitycznych. LITERATURA 1. Caballero F.G., Bhadeshia H.K.D.H., Mawella J.A., Jones D.G., Brown P.: Materials Science and Technology, t. 18, 2002, s Garcia-Mateo C., Caballero F.G.: Materials Transactions, t. 4, 2005, Nr 8, s Garbarz B., Burian W.: Sprawozdanie z pracy badawczej IMŻ nr S pt. Opracowanie podstaw półprzemysłowej technologii wytwarzania blach z supertwardej stali bainitycznej nowej generacji, sierpień Józef Gawor, Jarosław Marcisz, Wojciech Burian, Władysław Zalecki, Mariusz Adamczyk Określenie możliwości zastąpienia ulepszania cieplnego alternatywnymi metodami obróbki wysokowytrzymałych blach grubych konstrukcyjnych i trudnościeralnych Celem pracy było określenie możliwości zastąpienia ulepszania cieplnego blach grubych ze stali konstrukcyjnych i odpornych na ścieranie, alternatywnymi metodami obróbki, polegającymi na walcowaniu z obróbką cieplnoplastyczną i regulowanym chłodzeniu bezpośrednio po walcowaniu. Wykonano laboratoryjne próby natryskowego chłodzenia blach za pomocą dysz wodno-powietrznych, obliczenia numeryczne symulujące chłodzenie natryskowe, badania przemian fazowych stali na próbkach odkształcanych w dylatometrze oraz badania mikrostruktury i właściwości mechanicznych blach. Chłodzenie natryskowe spowodowało silne rozdrobnienie i zmianę morfologiczną mikrostruktury, wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości badanych blach ze stali niskowęglowej: dla blach o grubości 20 mm uzyskano właściwości odpowiadające wymaganiom kategorii S620Q. Determination of possibilities for replacement of toughening with alternative methods for treatment of high-strength constructional and hard-abrasive metal plates The purpose of the work was to determine the possibilities for replacement of toughening of constructional and abrasion-resisting plates with alternative treatment methods, which are rolling with thermomechanical treatment and controlled cooling immediately after rolling. Laboratory tests of spray cooling of steel plates using water and air jets, numerical calculations simulating spray cooling, investigations of phase transformations on samples deformed in dilatometer and investigations of microstructure and mechanical properties of steel plates were carried out. Spray cooling resulted in strong refinement and morphological change in microstructure, increase in yield point and enhancement in strength of tested low-carbon steel plates: for plates of 20 mm in thickness the properties corresponding to the requirements of category S620Q were obtained. Wstęp Celem pracy było określenie możliwości zastąpienia ulepszania cieplnego wysokowytrzymałych blach grubych ze stali konstrukcyjnych alternatywnymi metodami obróbki, polegającymi na walcowaniu z obróbką cieplno-plastyczną i regulowanym chłodzeniu natryskowym bezpośrednio po walcowaniu. Alternatywne w stosunku do ulepszania cieplnego metody obróbki cieplno-plastycznej i regulowanego chłodzenia bezpośrednio po walcowaniu znane są w świecie od dawna [1], jednak nie mogły one być w Polsce w pełnym zakresie stosowane ze względu na brak w walcowniach blach grubych odpowiedniego oprzyrządowania (samotok odstawczy do międzyoperacyjnego podchładzania blach podczas walcowania, chłodnia z możliwością kontrolowanej szybkości chłodzenia). Dopiero niedawno zrealizowane w tym zakresie inwestycje [2], pozwolą na pełne uruchomienie produkcji blach grubych walcowanych z obróbką cieplno-plastyczną (tzw. walcowanie termomechanicznie) i chłodzonych w sposób regulowany. Dla uruchomienia technologii produkcji, oprócz wyposażenia walcowni w odpowiednia urządzenia, konieczne jest opracowanie składów chemicznych i wytypowanie gatunków stali do walcowania z obróbką cieplno-plastyczną, wykonanie badań przemian fazowych przy chłodzeniu ciągłym i przemian fazowych na próbkach odkształcanych, opracowanie parametrów walcowania i parametrów chłodzenia po walcowaniu. Stosując walcowanie z obróbką cieplno-plastyczną blach grubych ze stali konstrukcyjnych można osiągnąć wartość granicy plastyczności dochodzącą do około 700 MPa. Natomiast regulowane przyspieszone chłodzenie po walcowaniu na gorąco dotyczy blach ze stali trudnościeralnych o wysokiej twardości i może zastępować ulepszanie cieplne tego rodzaju blach, w wyniku zachodzącego równocześnie procesu samoodpuszczania. Korzyści wynikające ze stosowania walcowania blach z obróbką cieplno-plastyczną i bezpośredniego regulo-

8 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji wanego chłodzenia po walcowaniu, to skrócenie cyklu produkcyjnego i wyeliminowanie zabiegów stosowanych przy ulepszaniu cieplnym: powtórne nagrzewanie blach do hartowania połączone zwykle ze zgorzelinowaniem i odwęgleniem powierzchni, hartowanie w prasie, odpuszczanie w piecu. Materiał, zakres i metodyka badań Materiał badań Do badań wytypowano niskowęglową stal konstrukcyjną w stanie normalizowanym w gatunkach S355N i S420N. Materiałem do badań były blachy wytworzone w warunkach przemysłowych. Do badań pobrano odcinki blach o wymiarach mm i mm. Do prób chłodzenia natryskowego na stanowisku laboratoryjnym IMŻ z blach przygotowano odcinki o wymiarach mm i mm, dostosowanych do wymiarów urządzenia laboratoryjnego z zainstalowanymi dyszami wodno-powietrznymi. Przed wykonaniem prób chłodzenia natryskowego wykonano analizę kontrolną składu chemicznego stali i badania właściwości mechanicznych i mikrostruktury blach w stanie wyjściowym (normalizowanym). Zakres i metodyka badań Zakres badań obejmuje: analizę kontrolną składu chemicznego materiału badań badania mikrostruktury i właściwości mechanicznych blach w stanie normalizowanym laboratoryjne próby chłodzeni natryskowego odcinków blach za pomocą dysz wodno-powietrznych z wykonaniem pomiarów szybkości chłodzenia pomiar twardości, próby rozciągania i udarności oraz badania mikrostruktury próbek chłodzonych natryskowo w urządzeniu laboratoryjnym symulacje obróbki cieplno-plastycznej i regulowanego chłodzenia w dylatometrze odkształceniowym DIL 805 A/D wykonanie obliczeń numerycznych symulujących chłodzenie natryskowe blach za pomocą programu CalcoMos. Analizę kontrolną składu chemicznego blach wykonano w Laboratorium Analiz Chemicznych IMŻ metodą emisyjnej spektrometrii optycznej (OES) ze wzbudzeniem iskrowym. Badania dylatometryczne wyznaczanie temperatur krytycznych oraz zakresów przemian fazowych wykonano w Laboratorium Symulacji Procesów Technologicznych IMŻ zgodnie z zaleceniami Standard Practice [3] z zastosowaniem techniki przykładania stycznej do krzywej dylatacyjnej w pobliżu początku i końca przemiany fazowej. Badania przemian fazowych na próbkach odkształcanych symulujących obróbkę cieplnoplastyczną przeprowadzono w dylatometrze odkształceniowym DIL 805 A/D, stosując próbki pełne z4 mm 7 mm. Nagrzewanie próbek prowadzono w próżni <10-4 mbar z szybkością 5 C/s do temperatury 1180 C. Próbki wytrzymywano w ciągu 600 sek., a następnie chłodzono z szybkością 10 C/s do temperatury pierwszego odkształcenia, tj C. Przy tej temperaturze zadawano odkształcenie ϕ 1 = 0,40 z prędkością 1,0 s -1 po czym próbki chłodzono z szybkością 10 C/s do temperatury drugiego odkształcenia (ϕ 2 = 0,15 z prędkością 2,0 s -1 ). Zastosowano różne temperatury drugiego (końcowego) odkształcenia: 850, 800, 750, 700, 675, 650 i 600 C. Po odkształceniu próbki chłodzono do temperatury otoczenia z szybkością 20 C/s, a ponadto dla temperatur końcowego odkształcenia 850, 800 i 750 C zastosowano chłodzenie do temperatury otoczenia z szybkością 40, 30 i 10 C/s. Laboratoryjne próby chłodzenia natryskowego odcinków blach wykonano na zbudowanej w ramach pracy [4] instalacji do dwustronnego natryskowego chłodzenia próbek płaskich za pomocą dysz wodnych lub wodnopowietrznych. Obliczenia numeryczne symulujące proces natryskowego chłodzenia blach wykonano za pomocą komputerowego programu CalcoSoft 2D. Do obliczeń zastosowano moduł symulacji odwrotnej. Obliczono wartości współczynnika przewodzenia ciepła i rozkłady temperatury na przekroju poprzecznym hartowanego odcinka blachy o wymiarach mm. Badania mikrostruktury przeprowadzono metodą mikroskopii świetlnej na zgładach metalograficznych trawionych nitalem. Zgłady wykonano na przekroju prostopadłym do powierzchni blach. Na tych samych zgładach wykonano pomiar twardości metodą Vickersa pod obciążeniem 98 N (HV 10). Próbę rozciągania wykonano na próbkach płaskich o grubości odpowiadającej grubości blach zgodnie z wymaganiami normy PN-EN Próbę udarności przeprowadzono na standardowych próbkach o wymiarach mm z karbem V w temperaturze otoczenia i w niskich temperaturach zgodnie z wymaganiami norm PN-EN i PN- 79/H Wyniki badań i ich dyskusja Laboratoryjne eksperymenty chłodzenia natryskowego przeprowadzono na wytypowanych, klasycznych gatunkach blach ze stali konstrukcyjnych normalizowanych. We wszystkich próbkach blach chłodzenie natryskowe blach za pomocą dysz wodno-powietrznych od temperatury austenityzacji 920 o C spowodowało silne rozdrobnienie i zmiany morfologiczne mikrostruktury oraz wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości. Kompleksowe właściwości mechaniczne odpowiadające wymaganiom dla stanu ulepszonego cieplnie (Re, Rm, A 5, KV) uzyskano dla blach w gatunku S355N; w przypadku blach o grubości 20 mm uzyskano kategorię S620Q, a dla blach o grubości 30 mm kategorię S500Q według wymagań normy PN-EN (tablica 1 i 2). Chłodzenie natryskowe blach w gatunku S420N spowodowało silny wzrost wytrzymałości w stosunku do stanu normalizowanego, przy znacznym spadku wartości udarności ze względu na większą zawartość węgla w tej stali. Tablica 1. Wyniki próby rozciągania blach w stanie normalizowanym Table 1. Results of tensile test of steel plates in normalised condition Gatunek/ grubość blach w mm/nr próbki Re H MPa Rm MPa S355N/20/1 i 2 333, , ,6; 29,5 S355N/30/3 i 4 400, , ,0; 29,8 S420N/20/5 i 6 485, , ,4; 28,6 S420N/30/7 i 8 460, , ,0; 28,8 A 5 %

9 42 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IMŻ 3 (2010) Tablica 2. Wyniki próby rozciągania próbek blach w stanie po chłodzeniu natryskowym Table 2. Results of tensile test of plate samples after spray cooling Gatunek/ grubość blach w mm/nr próbki Rp 0,2 MPa Rm MPa A 5 % S355N/20 /1, 2 580, , ,8; 14,1 S355N/30/1, 2 530, , ,0; 18,3 S420N/20/1, 2 596, , ,5; 13,1 S420N/30/1, 2 506, , ,4; 17,2 Rys. 2. Bainityczno-ferrytyczna mikrostruktura w środku blachy w gatunku S420N o grubości 20 mm w stanie po chłodzeniu natryskowym w urządzeniu laboratoryjnym. Powiększenie mikroskopowe 400 Fig. 2. Bainitic-ferritic microstructure in the middle of the plate in grade S420N with thickness of 20 mm after spray cooling in laboratory device. Microscopic magnification 400 a) b) Rys. 1. Porównawcze mikrofotografie mikrostruktury w środku blachy w gatunku S420N o grubości 20 mm w stanie normalizowanym (a) i w stanie po chłodzeniu natryskowym w urządzeniu laboratoryjnym(b). Powiększenie mikroskopowe 100 Fig. 1. Comparative microphotographs of microstructure in the middle of the plate in grade S420N with thickness of 20 mm in normalised condition (a) and in condition after spray cooling in laboratory device (b). Microscopic magnification 100 Przykładowe mikrofotografie mikrostruktury w środku blachy w gatunku S420N o grubości 20 mm w stanie normalizowanym i w stanie po chłodzeniu natryskowym przedstawiono odpowiednio na rys. 1 a,b. Mikrostruktura blachy w stanie normalizowanym jest ferrytycznoperlityczna pasmowa, natomiast po nagrzaniu do temperatury 920 o C i następnym chłodzeniu natryskowym za pomocą dysz wodno-powietrznych jest jednorodna (bezpasmowa) ferrytyczno-bainityczna (rys. 2). Dla opracowania technologii walcowania z obróbką cieplno-plastyczną istotna jest znajomość przemian fazowych stali przy chłodzeniu ciągłym i przemian austenitu pod wpływem odkształcania. W związku z tym dla wytypowanego gatunku blach S355N przeprowadzono symulacje obróbki cieplno-plastycznej w dylatometrze odkształceniowym na próbkach odkształcanych w różnych temperaturach i chłodzonych z różnymi szybkościami po odkształceniu. Na podstawie analizy dylatogramów stwierdzono m. in., że mimo stosowanego niewielkiego odkształcenia próbek w dylatometrze (ϕ 2 = ok. 0,15 z prędkością 2,0 s -1 ), pod wpływem odkształcenia następuje wzrost temperatury początku wydzielania ferrytu (F s ) i odkształcenie próbek prowadzone poniżej temperatury 800 o C realizowane jest już nie w jednorodnym austenicie, lecz w zakresie dwufazowym, przy czym ze spadkiem temperatury odkształcenia wzrasta jednostkowy nacisk ( rzeczywiste naprężenie), konieczny do odkształcenia próbek o zadaną wartość. Dla procesu chłodzenia natryskowego blach grubych wykonano symulacje numeryczne za pomocą programu CalcoSoft2D z wykorzystaniem krzywych chłodzenia uzyskanych w eksperymentach laboratoryjnych. W wyniku symulacji określono wartości współczynnika przejmowania ciepła (WPC), który podczas chłodzenia ulega zmianie. Dla zastosowanych parametrów chłodzenia wartość WPC rośnie monotoniczne ze spadkiem temperatury powierzchni blachy uzyskując wartość maksymalną powyżej 3500 W/m 2 K dla chłodzenia w zakresie temperatury o C. Uzyskane dla wytypowanego przypadku chłodzenia wyniki pozwalają na wyznaczenie pola temperatury w dowolnym momencie chłodzenia. W pracy [5] zamieszczono rozkłady temperatur na przekroju poprzecznym blachy w postaci izoterm, z których można odczytać m.in. temperaturę na powierzchni blachy. Podsumowanie i wnioski W ramach pracy wykonano laboratoryjne eksperymenty chłodzenia natryskowego blach grubych, których celem było zbadanie możliwości zastąpienia ulepszania cieplnego, czyli hartowania blach w prasie i późniejszego odpuszczania w piecu, bezpośrednim regulowanym chłodzeniem po walcowaniu, uzyskując właściwości

10 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji blach nie gorsze niż po ulepszaniu cieplnym. Wykonano także istotne dla walcowania stali z obróbką cieplno-plastyczną badania przemian fazowych na próbkach odkształcanych w dylatometrze odkształceniowym DIL 805 A/D oraz obliczenia numeryczne symulujące chłodzenia natryskowe. Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: 1. Chłodzenie natryskowe niskowęglowych stali od temperatury austenityzacji 920 o C za pomocą dysz wodno-powietrznych powoduje silne rozdrobnienie i zmianę morfologii mikrostruktury od ferrytycznoperlitycznej pasmowej do jednorodnej bainitycznoferrytycznej oraz wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości przy zbliżonej wartości udarności w stosunku do stanu normalizowanego. Dla blach kategorii S355N o grubości 20 mm uzyskano właściwości odpowiadające kategorii S620Q. Wyniki badań zostaną zweryfikowane za pomocą półprzemysłowej symulacji walcowania blach z kompleksową obróbką cieplno-plastyczną i regulowanym chłodzeniem po walcowaniu w linii LPS zbudowanej w IMŻ. 2. Symulacje numeryczne za pomocą programu Calco- Soft2D pozwoliły na określenie dla zastosowanych parametrów chłodzenia współczynnika przejmowania ciepła oraz wyznaczenie rozkładów temperatury na przekroju poprzecznym blachy. 3. Badania przemian fazowych na próbkach odkształcanych w zakresie temperatur obróbki cieplno-plastycznej wykazały, że odkształcanie powoduje wzrost temperatury początku wydzielania ferrytu; odkształcanie próbek w temperaturach poniżej 800 o C realizowane jest w zakresie dwufazowym. 4. Z obniżeniem temperatury odkształcania wzrasta nacisk jednostkowy (rzeczywiste naprężenie), konieczny do odkształcenia próbek o zadaną wartość. Wyjątek stanowi przedział temperatur o C, w którym zachodzi przemiana fazowa. Wynikami badań zainteresowana jest walcownia blach grubych, która po zainstalowaniu samotoku odstawczego do podchładzania blach w trakcie walcowania i systemu chłodzenia MULPIC przygotowuje się do uruchomienia technologii walcowania z obróbką cieplno-plastyczną i przyspieszonym chłodzeniem po walcowaniu. LITERATURA 1. Streisselberger A., Hanus F. i in.: Erweiterte Nutzungsmöglichkeiten der thermomechanischen Behandlung von Grobblechen, Stahl u.eisen, 1997, t.117, nr 4, s Ujma J., Kawecki R., Cierniak H.: Blachy konstrukcyjne ze stali niskowęglowych wytwarzane według technologii TMRP + MULPIC, materiały konferencyjne: Stal tworzywem XXI wieku, Expo Silesia 22 października Standard Practice for Quantitative Measurement and Reporting of Hypoeutectoid Carbon and Low-Alloy Steel Phase Transformations. ASTM Committee A01 on Steel, Stainless Steel and Related Alloys. Published March Marcisz J., Mazur A., Żak A.: Sprawozdanie IMŻ z pracy badawczej nr PR-0004, kwiecień Gawor j., Marcisz J., Burian W. i in: Sprawozdanie IMŻ z pracy badawczej nr S0-0711, listopad Valeriy Pidvysots kyy, Roman Kuziak, Władysław Zalecki, Ryszard Molenda, Zdzisław Łapczyński Prognozowanie rozwoju mikrostruktury, parametrów siłowych i zmian temperatury w procesie walcowania blach Celem niniejszej pracy było opracowanie procedur w arkuszu kalkulacyjnym programu Microsoft Excel, umożliwiających przeprowadzenie obliczeń zmian temperatury w procesie walcowania blach, naprężenia uplastyczniającego i przewidywanie parametrów siłowych. W ramach badań doświadczalnych wykonano szereg testów plastometrycznych oraz symulacji numerycznych w celu weryfikacji poprawności kodu przewidywania stanu struktury austenitu (wielkość ziarna i udział objętości zrekrystalizowanej) w procesie walcowania taśm. Predictions of the microstructure, force parameters and temperature changes in plate rolling The purpose of this work was to develop the additional procedures using macro-command in Microsoft Excel spreadsheet to allow the calculations of temperature changes in plate rolling, yield stress and prediction of force parameters. As a part of the experimental examinations, a number of plastometric tests and numerical simulations were carried out to verify correctness of the code for predicting the austenite structure state (grain size and share of recrystallised volume) in strip rolling. Wstęp Sterowanie własnościami mechanicznymi w procesie walcowania blach wymaga narzędzia umożliwiającego przewidywanie rozwoju mikrostruktury i przemian fazowych w stali podczas obróbki cieplno-plastycznej. W ostatnich latach te zagadnienia są rozwijane w programach komercyjnych z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Jednak modyfikacja kodu w tym przypadku jest ograniczona technicznym możliwościami programu, które gwarantuje producent. Dlatego w zakładzie BT opracowywane jest narzędzie, które umożliwi przewidywanie końcowych własności wyrobu. W ramach niniejszej pracy uzupełniono arkusz kalkulacyjny o moduł przewidywania rozwoju mikrostruktury z możliwością optymalizowania technologii walcowania (zmiany gniotów w poszczególnych przepustach) oraz przewidywania parametrów siłowych procesu. W celu umożliwienia wprowadzania korekt wartości odkształcenia, niezbędne jest symulowanie zmiany temperatury, w szczególności wydzielenia ciepła spowodowanego odkształceniem. A więc, w procesie obliczeniowym należy uwzględnić model reologiczny, pozwalający w sposób uniwersalny lub dla konkretnego gatunku stali wyznaczyć naprężenie. Materiał, zakres i metodyka badań 1Materiałem badań w niniejszej pracy była stal IF i HC260LA. W pierwszym etapie opracowano moduł pozwalający na określenie zmiany temperatury w trakcie walcowania. W literaturze [1 3] można spotkać wiele podejść analitycznych do modelowania zmian temperatury pasma w procesie walcowania. Te modele pozwalają określić zmianę temperatury spowodowaną następującymi zjawiskami: Wzrost temperatury na wskutek odkształcenia materiału:

11 44 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IMŻ 3 (2010) fvp D T f = 07, (1) C t Spadek temperatury spowodowany kontaktem walców z materiałem a( T - T ) DTw = - t h C t p m w k sr l p Spadek temperatury spowodowany chłodzeniem pasma w powietrzu i wodą w przerwach pomiędzy przepustami: k a( Tm- To) D To =- t hc t p 4 4 ch p fobt ( m- To) DTo = - t hc t Dla scharakteryzowania odpowiedzi mechanicznej materiału odkształcanego plastycznie opracowano szereg różnych modeli [4]. W Laboratorium Symulacji Procesów Technologicznych najczęściej wykorzystuje się do tego celu model D-S [5]. Model ten uwzględnia proces rekrystalizacji dynamicznej stali. Do modułu obliczeniowego wprowadzono zmodyfikowany model D-S zaproponowany w pracy [6]. Te modele wymagają wstępnej identyfikacji parametrów modelu dla wybranej stali, co ogranicza ich stosowalność. Dlatego do kodu wprowadzono dodatkowo uniwersalny model Misaki [7] oraz jego modyfikacje [8, 9] pozwalające wyznaczyć średnią wartość naprężenia uplastyczniającego w oparciu o skład chemiczny stali. Model Misaki zapisywany jest w następującej postaci: v 9,81exp 0,126 1,75C 0,594C 2 Misaka = ^ C 1120C 021, fo m f (4) T Ta postać uwzględnia wpływ zawartości węgla w stali, temperatury, odkształcenia i prędkości odkształcenia na wartość średniego naprężenia uplastyczniającego. Aby odzwierciedlić wpływ dodatków stopowych przeprowadzono modyfikacje korygujące wartość v Misaka. Na przykład dla węglowo-manganowych stali wprowadzono następującą korektę: p ch 2, (2) (3) vp p 1 ( d - 1)/ 2 1 u sr l = ud 8` u j ` 2 jb (8) Wartość siły walcowania można wyznaczyć z równania: F = pl S (9) sr Dla określenia momentu walcowania w literaturze można spotkać wiele modeli, lecz w ramach niniejszej pracy żaden z testowanych nie dał zbliżonych wyników do testowanych. Wyniki i ich dyskusja W pierwszym etapie badań przetestowano model zmiany temperatury w trakcie walcowania. Po wprowadzeniu parametrów technologicznych i dobraniu warunków brzegowych (współczynnik wymiany ciepła z otoczeniem), uzyskano zadowalający przebieg zmian temperatury pasma w procesie walcowania (rys. 1). Kolejnym etapem badań był dobór modelu w celu określenia zmiany poszerzenia pasma w trakcie walcowania. Porównując różne modele, model Sandera przewidywał poprawnie zmianę szerokości pasma. Ilustrują to wyniki obliczeń przedstawione na na rysunku 2. W trzecim etapie badań przeprowadzono selekcję modeli pozwalających określić parametry siłowe procesu walcowania. Model Korolova najlepiej przewidywał zmianę nacisku jednostkowego w odniesieniu do wyników badań przemysłowych. Nie uzyskano dobrze funkcjonujących modeli dla obliczeń momentu walcowania. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeń i porównanie ich z danymi doświadczalnymi uzyskanymi dla procesu walcowania blach we Freibergu [11]. d v = v (0, ,137 Mn) (5) p Misaka Z kolei dla stali węglowo-manganowych umacnianych wydzieleniowo za pomocą Nb i Ti zaproponowano korektę: v = v (0, ,137Mn + 0,51Nb + 4,217 Ti) (6) p Misaka Rys. 1. Porównanie obliczonych i zmierzonych temperatur powierzchni pasma w trakcie walcowania blachy Fig. 1. Comparison of the calculated and measured band surface temperatures during plate rolling Natomiast dla wysokostopowych stali wartość naprężenia uplastyczniającego można wyznaczyć za pomocą równania: v = v (0, ,098Mn + 0,51Nb + 0,128Cr + p Misaka 0,3 + 0,144Mo + 175V + 0,01 Ni) (7) 0,8 W celu określenia parametrów siłowych należy określić wymiary kotliny walcowniczej. Głównym problemem jest określenie wielkości poszerzenia pasma w trakcie walcowania. Istnieje wiele różnych modeli, w ramach pracy najlepszym okazał się model Wusatowskiego [10] ze współczynnikami wyznaczonymi przez Sandera. W celu określenia nacisku jednostkowego walca na metal analizowano szereg modeli, najlepszym okazał się model Korolova w następującej postaci: Rys. 2. Porównanie zmiany poszerzenia wyliczonego za pomocą różnych wzorów Fig. 2. Comparison of the change in broadening calculated using various formulas

12 Prace IMŻ 3 (2010) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji Wnioski W ramach niniejszej pracy rozszerzono możliwości obliczeniowe opracowanego wcześniej arkusza kalkulacyjnego. Obecnie, umożliwia on przeprowadzenie obliczeń kinetyki zmian mikrostruktury wraz z uwzględnieniem zmiany temperatury w procesie walcowania. Równolegle prowadzone są obliczenie parametrów siłowych procesu walcowania. Zmiana temperatury pasma jest obliczana na podstawie zdefiniowanych warunków brzegowych oraz reologii materiału. Arkusz umożliwia wprowadzenie modelu reologicznego dla analizowanych stali lub dokonanie wyboru uniwersalnego modelu dla wybranych gatunków stali z uwzględnieniem składu chemicznego. Uzyskiwane wyniki obliczeń zmiany temperatury w trakcie walcowania dobrze korespondują z wynikami doświadczeń. Zastosowany model wyznaczenia siłowych parametrów procesu wykazuje dużą zgodność w przypadku obliczeń siły walcowania i nacisku jednostkowego z danymi doświadczalnymi. W przypadku przewidywania wielkości momentu walcowania, model daje gorsze wyniki w odniesieniu do wartości pomiarowych. LITERATURA Rys. 3. Porównanie rozkładu temperatury, nacisku jednostkowego, siły i momentu walcowania zmierzonego w badaniach przemysłowych z danymi obliczonymi za pomocą opracowanego makro-polecenia w arkuszu Excel Fig. 3. Comparison of the distribution of temperature, unit pressure, force and rolling torque measured in industrial examinations with data calculated using the developed Excel macro-command Wyniki doświadczeń porównano z wynikami symulacji numerycznej za pomocą programu Elroll. Stwierdzono dobrą zgodność wyników z danymi doświadczalnymi. Jednak model numeryczny wymaga znajomości reologii materiału i kinetyki rekrystalizacji, co ogranicza jego stosowalność w przypadku braku tych danych. Czasy obliczeń oraz przygotowania symulacji z wykorzystaniem programów opartych o metodę elementów skończonych są o wiele dłuższe, niż przy wykorzystaniu opracowanego narzędzia. Własny kod umożliwia elastyczne wprowadzenie szeregu zagadnień, których uwzględnienie w programach komercyjnych może być niemożliwe. 1. Malinowski Z., Głowacki M.: Model zmian temperatury pasma w procesie walcowania blach, Proc. Conf. KomPlasTech 99, eds. Piela A., Grosman F., Pietrzyk M., Kusiak J., Szczyrk, 1999, Svietlichnyj D., Głowacki M., Porównanie dokładności i szybkości działania modeli zmian temperatury podczas walcowania blach grubych, Proc. VII Conf. KomPlasTech 2000, eds. Kusiak J., Pietrzyk M., Grosman F., Piela A., Krynica, Akapit, 2000, Chojkowski A.: Walcowanie blach grubych, Katowice, Grosman F.: Application of the Flow Stress Function in Programmers for Computer Simulation of Plastic Working Processes, J. Mater. Proc. Technol., 64, 1997, Kowalski B., Sellars C.M., Pietrzyk M.: Development of a computer code for the interpretation of results of hot plane strain compression tests, ISIJ Int., 40, Lee, C.H., Kobayashi, S., 1973, New solution to rigid plastic deformation problems, ASME, J. Eng. Ind., 2000, 95, Pidvysots kyy V., Kuziak R., Gazdowicz J.: Sprawozdanie z pracy badawczej nr S pt.: Opracowanie metody przewidywania wartości naprężenia uplastyczniającego z uwzględnieniem modelu zmiennej wewnętrznej i modelu rozwoju mikrostruktury ; Gliwice, grudzień 2007; materiał niepublikowany 7. Misaka Y., Yoshimoto T.: Formularization of mean resistance to deformation of plain carbon steels at elevated temperature, Journal of The Japan Soc. Tec. Plasticity, , vol.8, p Siciliano F.: Mathematical modeling of the hot strip rolling of Nb microalloyed steels, Ph.D. Thesis,. McGill University, February Siciliano F., Marini O., Brun R.G.: The Effect of Chemical Composition on the Hot-Deformation Resistance During Hot Strip Rolling of microalloyed Steels Processed at the Sidor Hot Strip Mill, Mat. Conf. Super-High Strength Steels, 2-4 November 2005, Rome, Italy. 10. Sińczak J.: Procesy przeróbki plastycznej ćwiczenia laboratoryjne, Akapit, Kraków, Pidvysots kyy V., Adamczyk M., Kuziak R., Pietrzyk M.: Fizyczne i numeryczne modelowanie procesu walcowania blach ze stali, Mat.Konf. Walcownictwo 2005, Ustroń, 2005,