Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami

Obróbka Plastyczna Metali vol. XXVII nr 2 (2016), s. 119 132 Metal Forming vol. XXVII no. 2 (2016), pp. 119 132 Procesy kształtowania objętościowego Solid forming processes Oryginalny artykuł naukowy Original Scientific Article Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities Konrad Laber* Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów, al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa, Poland Informacje o artykule Data przyjęcia: 7.03.2016 Data recenzji: 1.04.2016 Data akceptacji: 30.06.2016 Article info Received: 7.03.2016 Reviewed: 1.04.2016 Accepted: 30.06.2016 Streszczenie Podczas projektowania nowych technologii z wykorzystaniem metod fizycznego modelowania szczególnie ważne jest zapewnienie parametrów odkształcenia (ε, ε&, T), występujących w rzeczywistych procesach technologicznych. Wymienione parametry wpływają bezpośrednio na naprężenie uplastyczniające, a co za tym idzie na mikrostrukturę i własności gotowego wyrobu. Stosowane obecnie metody symulacji fizycznej, pomimo dynamicznego rozwoju bazy laboratoryjnej posiadają jednak pewne ograniczenia. W przypadku fizycznego modelowania w próbie skręcania z wykorzystaniem plastometru skrętnego ograniczeniem może być prędkość odkształcenia. Z kolei w przypadku fizycznego modelowania w próbie ściskania przy zastosowaniu symulatora GLEEBLE ograniczeniem może okazać się niska wartość sumarycznego odkształcenia. Zasadne staje się więc prowadzenie badań nad rozwiązaniem problemów związanych z fizycznym modelowaniem procesów walcowania walcówki w nowoczesnych walcowniach, cechujących się wysokimi prędkościami liniowymi walcowanego pasma. W pracy opisano możliwości rozwiązania problemów związanych z fizycznym modelowaniem procesów walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm ze stali 30MnB4, z prędkościami do około 120 m/s, przy wykorzystaniu dostępnych urządzeń laboratoryjnych. Fizyczne modelowanie procesu walcowania walcówki przeprowadzono z wykorzystaniem symulatora procesów metalurgicznych GLEEBLE 3800 oraz plastometru skrętnego STD 812. Otrzymane wyniki badań modelowania fizycznego porównano z wynikami badań doświadczalnych przeprowadzonych w warunkach przemysłowych. Stwierdzono, że otrzymane wyniki badań metalograficznych oraz analizowanych własności mechanicznych materiału po fizycznym modelowaniu, z dużą dokładnością odpowiadają wynikom otrzymanym w warunkach przemysłowych. Słowa kluczowe: modelowanie fizyczne, walcowanie walcówki, stal do spęczania na zimno Abstract During design of new technologies with using physical modelling methods particularly important is to ensure deformation parameters (ε, ε&, T), occurring in the actual technological processes. These parameters directly affect on the yield stress, microstructure and properties of the finished product. Current methods of physical simulation, despite the dynamic development of laboratory base have some limitations. During physical modelling in the torsion test by using torsion plastometer limitation may be the strain rate. Alternatively, during physical modelling in a compression test by using GLEEBLE simulator limitation may be the low value of the summary strain. It becomes justifiable to conduct investigations into the solution of the problems associated with the physical modelling of wire rod rolling processes in modern rolling mills that are characterized by * Autor do korespondencji. Tel.: +48 34 325 06 62; e-mail: laber@wip.pcz.pl * Corresponding author. Tel.: +48 34 325 06 62; e-mail: laber@wip.pcz.pl

120 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami high linear speeds of strip being rolled. The paper describes the possibilities of solving the problems related to the physical modelling of the processes of rolling 5.5 mmdiameter 30MnB4 steel wire rod at rolling velocities of about 120 m/s, using available laboratory equipment. The physical modelling of the wire rod rolling process was performed using the GLEEBLE 3800 metallurgical process simulator and an STD 812 torsion plastometer. The results obtained from the physical modelling studies were compared with the results of experimental tests carried out under industrial conditions. It was found that the obtained results of the metallographic examinations and mechanical testing of the material after physical modelling correspond, with high accuracy, to the results obtained under industrial conditions. Keywords: physical modelling, wire rod rolling, cold upsetting steel 1. WPROWADZENIE Stosowane obecnie technologie walcowania walcówki charakteryzują się dużą dynamiką procesów odkształcania. Prędkości liniowe walcowanego pasma osiągają 120 m/s i ciągle są zwiększane [1]. Zastosowanie tak dużych prędkości walcowania pasma i krótkie czasy przerw pomiędzy poszczególnymi odkształceniami powodują, że procesy zachodzące w samym materiale również stają się dynamiczne, a prędkości odkształcenia materiału często przekraczają 2000 s -1. Stwarza to poważne problemy podczas fizycznego modelowania takich procesów za pomocą dostępnych urządzeń laboratoryjnych, gdyż nie pozwalają one na dokładne odwzorowanie współczesnych procesów walcowania. Dotrzymanie technologicznych parametrów odkształcenia (ε, ε&, T) występujących w rzeczywistych procesach jest istotne dla projektowania nowych technologii walcowniczych. Wymienione powyżej parametry wpływają bezpośrednio na kształt i charakter zmian naprężenia uplastyczniającego badanego materiału, a co za tym idzie na kształtowanie mikrostruktury i własności gotowego wyrobu [2, 3]. W przypadku gdy niemożliwe jest zastosowanie odpowiedniej wartości któregoś z wyżej wymienionych parametrów jednym z rozwiązań może być przyjęcie pewnych założeń upraszczających. W kolejnym etapie należy zweryfikować, czy takie założenia mogą być zastosowane i jak one wpływają na wynik końcowy. Zastosowanie pewnych założeń upraszczających zależne jest między innymi od specyfiki analizowanego procesu oraz badanego materiału. Zasadne staje się prowadzenie badań nad rozwiązaniem problemów związanych z fizycz- 1. INTRODUCTION Wire rod rolling technologies used currently are characterized by the high dynamics of deformation processes. The linear velocities of rolled strip reach a level of 120 m/s and are still being increased [1]. The use of so high rolling velocities and the short times of breaks between individual deformation make the processes occurring in the material itself become also dynamic, with material deformation rates often exceeding 2000 s -1. This creates major problems during physical modelling of such processes with available laboratory equipment, since it does not allow the exact representation of contemporary rolling processes. Meeting the technological deformation parameters (ε, ε&,t) existing in real processes is essential for the design of new rolling technologies. The above-mentioned parameters affect directly the pattern and nature of changes in the yield stress of the investigated material and, consequently, the formation of the microstructure and properties of finished product [2, 3]. In the case, where using the appropriate value of any of the aforementioned parameters is impossible, one of the solutions may be to make some simplifying assumptions. In the next stage, it should be verified whether such assumptions may be applied and how they will influence the final result. The application of some simplifying assumptions is dependent, inter alia, on the specificity of the examined process and the material tested. It becomes justifiable to conduct investigations into the solution of the problems associated Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities 121 nym modelowaniem procesów walcowania walcówki w nowoczesnych walcowniach, cechujących się wysokimi prędkościami liniowymi walcowanego pasma. Na podstawie wyników badań przedstawionych w pracy [4] dla stali C35 (EN 10083-2) o składzie chemicznym zbliżonym do stali niskowęglowych do spęczania na zimno stwierdzono, że w przypadku analizowanego materiału istnieje pewna graniczna wartość prędkości odkształcenia (około 250 s -1 ), po przekroczeniu której naprężenie uplastyczniające nie wykazuje istotnych zmian (rys. 1). W niniejszej pracy wykorzystano to jako założenie upraszczające. with the physical modelling of wire rod rolling processes in modern rolling mills that are characterized by high linear speeds of strip being rolled. On the basis of the investigation results reported in reference [4] for steel C35 (EN 10083-2) with chemical composition similar to that of lowcarbon cold upsetting steels it has been concluded that, for the examined material, there is a certain limit strain rate value (approx. 250 s -1 ), after exceeding of which the yield stress does not show any significant changes (Fig. 1). This was used in the present study as a simplifying assumption. Rys. 1. Wpływ prędkości i temperatury odkształcenia na naprężenie uplastyczniające przy odkształceniu 30% (linie ciągłe) i 17% (linie kreskowe) stali C35 [4]: 1 temperatura 700ºC, 2 temperatura 850ºC, 3 temperatura 1000ºC Fig. 1. The effect of strain rate and deformation temperature on the yield stress at a deformation of 30% (the solid lines) and 17% (the dashed line) of steel C35 [4]: 1 temperature 700ºC, 2 temperature 850ºC, 3 temperature 1000ºC Wykorzystując zależność, że mikrostruktura wyrobu gotowego jest kształtowana głównie w ostatnich przepustach, co potwierdziły wyniki badań przedstawione między innymi w pracach [5, 6], modelowanie fizyczne procesu walcowania walcówki przeprowadzono dla kilku ostatnich przepustów, wykorzystując symulator procesów metalurgicznych GLEEBLE 3800. Making use of the finding that the microstructure of finished product is formed chiefly in last passes, as confirmed by investigation results reported, e.g., in studies [5, 6], the physical modelling of the wire rod rolling process was carried out for several last passes using the GLEEBLE 3800 metallurgical process simulator. 2. CEL, ZAKRES PRACY I METODYKA BA- DAŃ Celem pracy było fizyczne odwzorowanie rzeczywistego procesu walcowania walcówki ze stali do spęczania na zimno w gatunku 30MnB4 (tab. 1). Przedstawione w pracy badania przeprowadzono dla walcówki o średnicy 5,5 mm, która 2. INVESTIGATION AIM, SCOPE AND METHO- DOLOGY The aim of the study was to represent the real process of rolling wire rod of 30MnB4 cold upsetting steel (Tab. 1). The tests discussed in the paper were carried out for 5.5 mm-diameter wire Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

122 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami w rzeczywistym procesie walcowana w ostatnich przepustach przemieszcza się z prędkością liniową około 100 m/s. W pierwszym etapie badań wykonano fizyczne modelowanie procesu walcowania prętów w warunkach technologicznych walcowni ciągłej D370, które są materiałem wejściowym do procesu walcowania walcówki. Badania te przeprowadzono, stosując próbę skręcania na gorąco, za pomocą plastometru skrętnego STD 812, dla całego ciągu walcowniczego, uwzględniając rzeczywiste warunki walcowania (tab. 2). Z uwagi na dużą wartość sumarycznego odkształcenia rzeczywistego (ponad 7,5), przeprowadzenie tej części badań w próbie ściskania przy zastosowaniu symulatora GLEEBLE 3800 było niemożliwe. Do badań zastosowano próbki okrągłe o średnicy d=6 mm i długości bazy pomiarowej l=10 mm. Do rejestracji i kontroli zmian temperatury zastosowano termoparę typu S (PtRh10Pt) zgrzaną z powierzchnią boczną próbki. W kolejnym etapie pracy przeprowadzono fizyczne modelowanie procesu walcowania w 3 ostatnich przepustach (sumaryczne odkształcenie rzeczywiste 1,26) walcowni ciągłej prętów, z wykorzystaniem symulatora procesów metalurgicznych GLEEBLE 3800. Do badań zastosowano próbki okrągłe o średnicy d=10 mm i długości l=12 mm. Do rejestracji i kontroli zmian temperatury zastosowano termoparę typu K (NiCr-NiAl). Celem tego etapu pracy było zbadanie wpływu wcześniejszych etapów procesu produkcyjnego na kształtowanie mikrostruktury i własności prętów, będących wsadem do produkcji walcówki. Ogólny widok próbek podczas badań przedstawiono na rys. 2 i 3. rod which, in the actual rolling process, moved in the last passes at a linear speed of approx. 100 m/s. At the first testing stage, physical modelling of the process of rolling bars, which provided feedstock for the wire rod rolling process, was performed for the technological conditions of the D370 continuous rolling mill. The tests were carried out using the hot torsion test with an STD 812 torsion plastometer for the entire rolling line, considering the actual rolling conditions (Tab. 2). In view of the large value of the actual total deformation (over 7.5), it was not possible to carry out this part of the investigations with the compression test using the GLEEBLE 3800 simulator. Round specimens with a diameter of d=6 mm and a measurement base length of l=10 mm were used for testing. For the recording and control of temperature variations, an Stype (PtRh10-Pt) thermocouple welded with the lateral specimen surface was used. At the next stage of the study, physical modelling of the rolling process in the last 3 passes (with a total actual deformation of 1.26) of the continuous bar rolling mill was performed using the GLEEBLE 3800 metallurgical process simulator. Round specimens with a diameter of d=10 mm and a length of l=12 mm were used for testing. For the recording and control of temperature variations, a K-type (NiCr-NiAl) thermocouple was employed. The aim of that stage of the study was to investigate the influence of the previous stages of the production process on the formation of the microstructure and properties of bars being the feedstock for wire rod production. A general view of test specimens is shown in Fig. 2 and 3. Rys. 2. Próbka podczas badań w komorze plastomeru skrętnego STD 812: 1 próbka, 2 uchwyty mocujące, 3 termopary typu S, 4 cewka indukcyjna, 5 dysze systemu chłodzenia, 6 pirometr, 7 czujniki laserowego pomiaru średnicy próbki Fig. 2. A specimen during testing in the STD 812 torsion plastometer chamber: 1 specimen, 2 fixing clamps, 3 S thermocouples, 4 induction coil, 5 cooling system nozzles, 6 pyrometer, 7 aser specimen diameter measuring sensors Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities 123 Rys. 3. Próbka podczas badań w komorze symulatora GLEEBLE 3800: 1 próbka, 2 - kowadła, 3 termopary typu K, 4 warstwy podkładek tantalowych, grafitowych, oddzielone smarem na bazie grafitu Fig. 3. A specimen during testing in the GLEEBLE 3800 simulator chamber: 1 specimen, 2 anvils, 3 K thermocouples, 4 layer of tantalum graphite washers separated by graphite-based grease Na rys. 4 przedstawiono schemat obróbki cieplnej podczas badań fizycznego modelowania procesu walcowania prętów okrągłych, w warunkach walcowni ciągłej D370. Poszczególne prędkości nagrzewania i chłodzenia zostały przyjęte na podstawie danych przemysłowych. Dokładne wartości poszczególnych parametrów procesu odkształcania (temperatury, czasy, wielkości i prędkości odkształceń) zamieszczono w tab. 2. Fig. 4 shows a schematic diagram of heat treatment during the physical modelling of the round bar rolling process under the conditions of the D370 continuous bar rolling mill. Respective heating and cooling rates were taken based on industrial specifications. The exact values of individual deformation process parameters (temperatures, times, strain magnitudes and rates) are given in Tab. 2. a) b) Rys. 4. Schemat obróbki cieplnej podczas fizycznego modelowania procesu walcowania prętów okrągłych gładkich o średnicy 20 mm w warunkach walcowni ciągłej D 370: a) plastometr skrętny STD 812, b) symulator GLEEBLE 380 Fig. 4. A schematic diagram of heat treatment during the physical modelling of the 20 mm-diameter round plain bar rolling process under the conditions of the D370 continuous rolling mill: a) the STD 812 torsion plastometer, b) the GLEEBLE 380 simulator Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że w analizowanym przypadku wcześniejsze etapy procesu odkształcania nie wpływają istotnie na końcową mikrostrukturę oraz własności gotowych prętów. W związku z tym, w kolejnym etapie pracy przeprowadzono modelowanie fizyczne tylko 4 ostatnich przepustów procesu walcowania walcówki (sumaryczne odkształcenie rzeczywiste 1,24). Z uwagi na dużą wartość prędkości odkształcenia, przewyższającą możliwości badawcze plastometru skrętnego badania te przeprowadzo- From the obtained testing results it has been found that, in the case under examination, the previous stages of the deformation process do not significantly influence the final microstructure and properties of finished bars. Therefore, at the next stage of the work, the physical modelling was performed only on the last 4 passes of the wire rod rolling process (with a total deformation of 1.24). Due to the large strain rate magnitude exceeding the testing capability of the torsion plastometer, these tests were carried through the hot compression test us- Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

124 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami no w próbie ściskania na gorąco, z wykorzystaniem symulatora procesów metalurgicznych GLEEBLE 3800. Próbki do badań fizycznego modelowania 4 ostatnich przepustów procesu walcowania walcówki nagrzewano do temperatury około 1090ºC, odpowiadającej temperaturze pasma w ostatniej (17) klatce walcowniczej walcowni ciągłej prętów, wytrzymywano przy tej temperaturze przez 60 s, następnie chłodzono z prędkością 15ºC/s do temperatury 750ºC, odpowiadającej temperaturze pasma podczas walcowania w ostatniej grupie klatek walcowniczych walcowni walcówki, a następnie odkształcano. Badania te przeprowadzono z największą możliwą prędkością odkształcenia wynoszącą około 250 s -1, uwzględniając to, że dla materiału o zbliżonym składzie chemicznym, dla prędkości odkształcenia większej od 250 s -1 wartość i charakter przebiegu naprężenia uplastyczniającego nie wykazuje istotnych zmian. Po odkształceniu próbki chłodzono zgodnie z warunkami występującymi w rzeczywistym procesie technologicznym. W ostatnim etapie pracy otrzymane wyniki modelowania fizycznego porównano z wynikami doświadczalnymi, otrzymanymi podczas walcowania w warunkach przemysłowych. ing the GLEEBLE 3800 metallurgical process simulator. Specimens for the physical modelling of the last 4 passes of the wire rod rolling process were heated up to a temperature of approx. 1090ºC, corresponding to the strip temperature in the last (17th) stand of the continuous bar rolling mill, held at that temperature for 60 s, then cooled down, at a cooling rate of 15ºC/s, to a temperature of 750ºC corresponding to the strip temperature during rolling in the last group of the rolling stands of the wire rod rolling mill, and then deformed. These tests were conducted at the greatest possible strain rate amounting to approx. 250 s -1, considering the fact that for a materials with similar chemical composition, for a strain rate greater than 250 s -1, the magnitude and behaviour of yield stress variation do not exhibit any significant changes. After deformation, the specimens were cooled according to the conditions prevailing in the real technological process. At the last stage of the work, the obtained physical modelling results were compared with the experimental results obtained during rolling under industrial conditions. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W tab. 1 przedstawiono skład chemiczny stali wykorzystanej do badań. 3. ANALYSIS OF THE INVESTIGATION RE- SULTS Tab. 1 gives the chemical composition of the steel used for testing. Tab. 1. Skład chemiczny stali do spęczania na zimno w gatunku 30MnB4 Tab. 1. Chemical composition of cold upsetting 30MnB4 grade steel Zawartość składników [%] Component contents [%] C Mn Si P S Cr Ni Cu Al Mo 0,31 1,06 0,23 0,013 0,007 0,22 0,07 0,16 0,025 0,012 N Pb Al met As Cb V Ti B Zn Sn 0,0119 0,001 0,025 0,008 0,002 0,005 0,047 0,0030 0,018 0,013 Główne parametry procesu odkształcania, zadawane podczas fizycznego modelowania procesu walcowania prętów o średnicy 20 mm dla warunków jednej z walcowni ciągłych D370, będących wsadem do walcowania walcówki za- The main parameters of the deformation process, preset during the physical modelling of the process of rolling 20 mm-diameter bars being the feedstock for wire rod rolling, for the conditions of a D370 continuous rolling mill, are gi- Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities 125 mieszczono w tab. 2. Po fizycznym modelowaniu materiał był chłodzony z prędkością 5 C/s do temperatury 500 C, a następnie z prędkością 1 C/s do temperatury 200 C. ven in Tab. 2. After the physical modelling, the material was cooled down to a temperature of 500 C at a cooling rate of 5 C/s, and then to a temperature of 200 C at a cooling rate of 1 C/s. Tab. 2. Główne parametry procesu odkształcania, podczas fizycznego modelowania procesu walcownia prętów ze stali 30MnB4 Tab. 2. The main deformation process parameters in the physical modelling of the 30MnB4 steel bar rolling process Nr przepustu Pass no. Temperatura T, [ºC] Temperature T, [ºC] Odkształcenie ε, [-] Strain ε, [-] Prędkość odkształcenia ε&, [1/s] Strain rate ε&, [1/s] Czas przerwy po odkształceniu t, [s] Post-deformation break duration t, [s] 1 1086 0,12 0,16 26,47 2 1057 0,39 0,35 19,89 3 1037 0,28 0,39 29,98 4 1023 0,59 0,96 11,33 5 1010 0,46 1,15 8,91 6 999 0,50 2,02 6,13 7 998 0,45 2,45 11,65 8 1005 0,48 4,71 3,35 9 1009 0,44 5,57 2,62 10 1022 0,54 10,39 1,85 11 1030 0,48 12,07 3,09 12 1049 0,50 20,53 2,28 13 1052 0,51 24,74 3,18 14 1069 0,50 46,34 1,35 15 1072 0,41 47,13 1,11 16 1087 0,51 79,93 0,90 17 1091 0,34 70,63 Rzeczywisty przebieg zmian naprężenia uplastyczniającego stali 30MnB4 podczas fizycznego modelowania procesu walcowania prętów okrągłych gładkich z wykorzystaniem plastometru skrętnego STD 812 oraz symulatora GLEEBLE 3800 przedstawiono na rys. 5. The actual behaviour of variations in the yield stress of steel 30MnB4 during the physical modelling of the plain round bar rolling process using the STD 812 torsion plastometer and the GLEEBLE 3800 simulator is shown in Fig. 5. a) b) Rys. 5. Zmiany naprężenia uplastyczniającego stali 30MnB4 podczas fizycznego modelowania procesu walcowania prętów okrągłych gładkich: a) z wykorzystaniem plastometru skrętnego STD 812, b) z wykorzystaniem symulatora GLEEBLE 3800 Fig. 5. Variations in the yield stress of steel 30MnB4 during the physical modelling of the plain round bar rolling process: a) using the STD 812 torsion plastometer, and b) using the GLEEBLE 3800 simulator Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

126 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami Na podstawie analizy danych przedstawionych na rys. 5a można stwierdzić, że podczas procesu walcowania prętów z analizowanego gatunku stali wartość naprężenia uplastyczniającego wzrasta do około 113 MPa (w przepuście 6). Może to być spowodowane spadkiem temperatury odkształcanego materiału na skutek długich czasów przerw pomiędzy kolejnymi przepustami w początkowym etapie procesu walcowania. Od przepustu 7 wartość naprężenia uplastyczniającego stali 30MnB4 nieznacznie obniża się i w ostatnim przepuście wynosi około 87 MPa. Przyczyną takiego przebiegu zmian naprężenia uplastyczniającego może być wzrost temperatury odkształcanej stali spowodowany między innymi wzrostem prędkości odkształcenia i krótszymi czasami przerw pomiędzy kolejnymi odkształceniami. Analizując zmiany naprężenia uplastyczniającego stali 30MnB4 podczas fizycznego modelowania trzech ostatnich przepustów z wykorzystaniem symulatora GLEEBLE 3800 (rys. 5b), można zaobserwować niewielkie, stopniowe obniżanie się jego wartości, podobnie jak podczas fizycznego modelowania z wykorzystaniem plastometru skrętnego. Porównując zmiany naprężenia uplastyczniającego badanego gatunku stali dla trzech ostatnich odkształceń (plastometr skrętny STD 812 oraz symulator GLEEBLE 3800), można zaobserwować dużą zgodność ich wartości. Różnice pomiędzy wartościami naprężenia uplastyczniającego badanej stali, otrzymane w próbie skręcania i ściskania na gorąco wynosiły odpowiednio: dla 15 klatki walcowniczej około 6%, dla klatki 16 około 4% oraz dla 17 klatki walcowniczej około 6%. Różnice te mogły być spowodowane między innymi różnym schematem (stanem) naprężenia. W procesie skręcania występuje płaski stan naprężenia, natomiast w próbie ściskania występuje jednoosiowy stan naprężeń, ale tylko wtedy, gdy nie ma naprężeń stycznych na powierzchni kontaktu (brak tarcia) materiału z kowadłami. Pomimo zastosowania podczas próby ściskania specjalnych podkładek oraz smaru w próbie tej występuje tarcie, które również wpływa na wartość naprężenia uplastyczniającego. Z materiału próbek po fizycznym modelowaniu całego ciągu walcowniczego walcowni ciągłej prętów plastometr skrętny STD 812), jak Based on the analysis of the data shown in Fig. 5a it can be stated that, during the process of rolling bars from the examined steel grade, the magnitude of yield stress increases to about 113 MPa (in pass no. 6). This might be caused by a decrease in the temperature of the deformed material due to long durations of breaks between successive passes at the initial rolling process stage. From pass no. 7 on, the value of the yield stress of steel 30MnB4 slightly decreases to reach a level of approx. 87 MPa in the last pass. The cause of this behaviour of yield stress variations may be the increase in deformed steel temperature, caused by the increase in strain rate and the shorter durations of breaks between successive deformations, among other factors. When analyzing the variations in the yield stress of steel 30MnB4 during the physical modelling of the last three passes using the GLEEBLE 3800 simulator (Fig. 5b), a slight, gradual decrease in its value can be observed, similarly as during the physical modelling using the torsional plastometer. By comparing the variations in the yield stress of the examined steel grade for the last three deformations (the STD 812 torsional plastometer and the GLEEBLE 3800 simulator), a good agreement between their values can be observed. The differences between the values of the yield stress of the steel under investigation, obtained in the torsion test and the hot compression test, amounted to, respectively: for rolling stand no. 15, by approx. 6%; for rolling stand no. 16, by approx. 4%; and for rolling stand no. 17, by approx. 6%. These differences might be caused by a different stress pattern (state), among other factors. In the torsion process, there occurs a plane strain state, while in the compression test, a uniaxial stress state occurs, but only when there are no tangential stresses on the surface of contact between the material and the anvils (the absence of friction). In spite of using special washers and lubricant during the compression test, friction does occur in this test, and also influences the yield stress magnitude. From the material of the specimens after the physical modelling of both the entire continuous bar rolling mill rolling line (the STD 812 Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities i po fizycznym modelowaniu tylko 3 ostatnich przepustów (symulator GLEEBLE 3800) wykonano próbki do badań metalograficznych oraz twardości. Przykładowe zdjęcia ujawnionych struktur przedstawiono na rys. 6. a) 127 torsion plastometer), as well as only the last 3 rolling passes (the GLEEBLE 3800 simulator), samples for metallographic examination and hardness testing were prepared. Sample photographs of the disclosed structures are presented in Fig. 6. b) Rys. 6. Mikrostruktura stali 30MnB4 po fizycznym modelowaniu odwzorowującym proces walcowania prętów o średnicy 20 mm dla warunków walcowni ciągłej D370: a) po fizycznym modelowaniu wszystkich przepustów walcowni ciągłej prętów (plastometr skrętny STD 812), b) po fizycznym modelowaniu 3 ostatnich przepustów (symulator GLEEBLE 3800) Fig. 6. The microstructure of the 30MnB4 steel after physical modelling to represent the process of rolling 20 mm-diameter bars for the conditions of the D370 continuous rolling mill: a) after the physical modelling of all the passes of the continuous bar rolling mill (using the STD 812 torsion plastometer), and b) after the physical modelling of all the last 3 rolling passes (using the GLEEBLE 3800 simulator) Na podstawie analizy danych przedstawionych na rys. 6a można stwierdzić, że materiał po fizycznym modelowaniu, odwzorowującym cały ciąg technologiczny walcowni ciągłej średniej posiadał iglastą mikrostrukturę ferrytyczno-perlityczną. Średnia wartość twardości wynosiła 230,89 HV. Granica plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie, obliczone na podstawie twardości, zgodnie z zależnościami przedstawionymi w pracy [7] wynosiły odpowiednio: Re=487,82 MPa, oraz Rm=725,84 MPa. Analizując dane przedstawione na rys. 6b, zaobserwowano, że materiał po fizycznym modelowaniu, odwzorowującym 3 ostatnie przepusty walcowni ciągłej średniej również posiadał mikrostrukturę ferrytyczno-perlityczną, której ziarna posiadały iglasty kształt. Średnia wartość twardości wynosiła 230,53 HV. Granica plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie, obliczone na podstawie twardości [7] wynosiły natomiast: Re=486,88 MPa oraz Rm=724,92 MPa. Stwierdzono, że dla analizowanych warunków procesu odkształcania stali 30MnB4, na kształtowanie się mikrostruktury oraz wybranych własności mechanicznych wyrobu gotowego wpływa głównie odkształcenie w 3 ostatnich przepus- The analysis of the data in Fig. 6a revealed that the material after physical modelling representing the entire technological line of the continuous rolling mill had an acicular ferriticpearlitic microstructure. The average hardness value was 230.89 HV. The yield strength and the ultimate tensile strength, as calculated based on the hardness according to the relationships provided in study [7], were as follows, respectively: Re=487.82 MPa and Rm=725.84 MPa. When analyzing the data represented in Fig. 6b it was observed that the material after the physical modelling representing the last 3 passes of the continuous medium-section mill, also had a ferritic-pearlitic structure, whose grains had an acicular shape. The average hardness value was 230.53 HV. The yield strength and the ultimate tensile strength, on the other hand, as calculated based on the hardness [7], amounted to, respectively: Re=486.88 MPa and Rm=724.92 MPa. It has been found that, for the examined conditions of the 30MnB4 steel deformation process, the formation of the microstructure and selected mechanical properties of finished product is influenced mainly by the deformation in the last 3 rolling passes. The acicular shape of grains was Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

128 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami tach. Iglasty kształt ziaren spowodowany był stosunkowo dużą, jak dla analizowanego gatunku stali, szybkością chłodzenia po odkształceniu wynoszącą 5ºC/s. Z wyników badań, przedstawionych w pracach [8, 9] wynika że, w przypadku stali 30MnB4 prędkość chłodzenia około 5ºC/s jest graniczną prędkością, której przekroczenie powoduje zapoczątkowanie wytwarzania się struktur bainitycznych. Z uwagi na dalsze przeznaczenie walcówki ze stali 30MnB4 do przeróbki plastycznej na zimno, pożądaną mikrostrukturą jest równomierna, drobnoziarnista mikrostruktura ferrytyczno-perlityczna, pozbawiona pasmowości. Ponieważ w materiale o zbliżonym do stali 30MnB4 składzie chemicznym, powyżej prędkości odkształcenia około 250 s -1 nie występują istotne zmiany w naprężeniu uplastyczniającym, w kolejnym etapie pracy przeprowadzono modelowanie fizyczne tylko 4 ostatnich przepustów, odwzorowujące proces walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm. Modelowanie to przeprowadzono przy wykorzystaniu symulatora GLEEBLE 3800. Cykl 4 odkształceń zastąpiono jednym, o wartości odpowiadającej sumie odkształceń w poszczególnych (czterech) przepustach. Takie założenie upraszczające sprawdzono podczas badań przedstawionych w pracy [6]. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastąpienie sekwencji czterech ostatnich odkształceń jednym nie spowoduje dużego błędu w analizowanym przypadku. Główne parametry procesu odkształcania, zadawane podczas fizycznego modelowania procesu walcowania walcówki ze stali 30MnB4 o średnicy 5,5 mm zamieszczono w tab. 3. caused by the rate of cooling after deformation amounting to 5ºC/s, so being relatively high as for the steel grade under examination. The investigation results reported in references [8, 9] suggest that, in the case of steel 30MnB4, a cooling rate of approx. 5ºC/s is the limiting cooling rate, the exceeding of which causes the initiation of formation of bainitic structures. In view of the further designation of the 30MnB4 steel wire rod for cold plastic working, the desired microstructure is a uniform, fine-grained ferriticpearlitic structure free from banding. As no significant changes in yield stress occur in a material with chemical composition similar to that of steel 30MnB4 above a strain rate of approx. 250 s -1, then at the next stage of the study, the physical modelling of only the last 4 passes was performed to represent the 5.5 mmdiameter wire rod rolling process. The modelling was carried out using the GLEEBLE 3800 simulator. The cycle of 4 deformation was substituted with a single deformation of a magnitude corresponding to the sum of deformations in individual (4) passes. This simplifying assumption was verified when carrying out investigations presented in study [6]. It has been found from the tests carried out that substituting the sequence of the last four deformations with one deformation does not cause a gross error in the case analyzed. The main deformation process parameters preset in the physical modelling of the 5.5 mmdiameter 30MnB4 steel wire rod rolling process are given in Tab. 3. Tab. 3. Główne parametry procesu odkształcania, podczas modelowania fizycznego walcownia walcówki o średnicy 5,5 mm ze stali 30MnB4 Tab. 3. The main deformation process parameters in the physical modelling of rolling 5.5 mm-diameter 30MnB4 steel wire rod Temperatura T, [ºC] Temperature T, [ºC] Odkształcenie ε, [-] Strain ε, [-] Prędkość odkształcenia ε&, [1/s] Strain rate ε&, [1/s] 750 1,24 250 1 etap Stage no. 1 do 500ºC 3ºC/s to 500ºC 3ºC/s Chłodzenie po odkształceniu Cooling after deformation 2 etap Stage no. 2 od 500ºC do 200ºC 1ºC/s from 500ºC to 200ºC 1ºC/s Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities 129 Rzeczywisty przebieg zmian naprężenia uplastyczniającego podczas fizycznego modelowania procesu walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm z wykorzystaniem symulatora GLEEBLE 3800 przedstawiono na rys. 7. The actual pattern of yield stress variations during the physical modelling of 5.5 mm-diameter wire rod rolling process using the GLEEBLE 3800 simulator is illustrated in Fig. 7. Rys. 7. Naprężenie uplastyczniające stali 30MnB4 podczas fizycznego modelowania procesu walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm z wykorzystaniem symulatora GLEEBLE 3800 Fig. 7. The yield stress of steel 30MnB4 in the physical modelling of 5.5 mm-diameter wire rod rolling process using the GLEEBLE 3800 simulator Z analizy danych przedstawionych na rys. 7 wynika, że wystąpił wzrost naprężenia uplastyczniającego do wartości około 550 MPa, spowodowany głownie zwiększeniem prędkości odkształcenia oraz obniżeniem temperatury stali 30MnB4, która w rzeczywistym procesie walcowania walcówki, w ostatniej grupie (bloku) klatek walcowniczych wynosiła około 750ºC. Przykładową mikrostrukturę materiału po fizycznym modelowaniu 4 ostatnich przepustów procesu walcowania walcówki przedstawiono na rys. 8, a mikrostrukturę walcówki o średnicy 5,5 mm ujawnioną na rzeczywistym wyrobie gotowym na rys. 9. The analysis of the data in Fig. 7 shows that an increase in yield stress up to a level of approx. 550 MPa occurred, caused primarily by the increase of the strain rate and the reduction of the 30MnB4 steel temperature which, in the actual of wire rod rolling in the last group (block) of rolling stands, amounted to about 750 ºC. A sample material microstructure after the physical modelling of the last 4 passes of the wire rod rolling process is shown in Fig. 8, while the 5.5 mm-diameter wire rod microstructure revealed in the real finished product, is illustrated in Fig. 9. Rys. 8. Mikrostruktura stali 30MnB4 po fizycznym modelowaniu 4 ostatnich przepustów procesu walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm (symulator GLEEBLE 3800) Fig. 8. The 30MnB4 steel microstructure after the physical modelling of the last 4 passes of the 5.5 mm-diameter wire rod rolling process (the GLEEBLE 3800 simulator) Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

130 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami Rys. 9. Mikrostruktura walcówki o średnicy 5,5 mm ze stali 30MnB4 (wyrób rzeczywisty) Fig. 9. The microstructure of 5.5 mm-diameter 30MnB4 steel wire rod (the actual product) Stwierdzono, że zarówno materiał po fizycznym modelowaniu jak i gotowa walcówka posiadały mikrostrukturę ferrytyczno-perlityczną. Średnia wartość ziarna ferrytu w materiale po fizycznym modelowaniu 4 ostatnich przepustów procesu walcowania walcówki wynosiła 8,6 µm a twardość 198 HV. Granica plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie [7] wynosiły odpowiednio: R e=400,90 MPa oraz R m=632,60 MPa. Średnia wartość ziarna ferrytu w gotowej walcówce wynosiła około 10 µm. Granica plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie były odpowiednio równe: R e=414,40 MPa oraz R m=583,15 MPa. Różnica pomiędzy wartościami analizowanych własności mechanicznych dla materiału po fizycznym modelowaniu oraz wyrobu gotowego wyniosły odpowiednio: w przypadku granicy plastyczności 3,26%, natomiast w przypadku wytrzymałości na rozciąganie 8,34 %. Można zauważyć, że zaproponowany sposób (metodyka) fizycznego modelowania procesu walcowania walcówki o średnicy 5,5 mm ze stali 30MnB4, z dużą dokładnością odwzorowuje rzeczywisty proces technologiczny. It was found that bot the material after physical modelling and the finished wire rod had a ferritic-pearlitic structure. The average ferrite grain size in the material after physical modelling of the 4 last passes of the wire rod rolling process was 8.6 µm, while the hardness, 198 HV. The yield point and the ultimate tensile strength [7] amounted to, respectively: R e=400.90 MPa and R m=632.60 MPa. The average ferrite grain size in the finished wire rod was approx. 10 µm. The yield point and the ultimate tensile strength were equal to, respectively: R e=414.40 MPa and R m=583.15 MPa. The difference in the analyzed mechanical properties between the material after physical modelling and the finished product were, respectively: 3.26% for the yield point, and 8.34% for the ultimate tensile strength. It can be noticed that the proposed method (methodology) of physical modelling of the 5.5 mm-diameter 30MnB4 steel wire rod rolling process represents the actual technological process with high accuracy. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że: dla analizowanego procesu walcowania oraz badanego materiału nie stwierdzono istotnego wpływu wcześniejszych etapów procesu odkształcania na kształtowanie się mikrostruktury i własności mechanicznych wyrobu gotowego, 4. SUMMARY AND CONCLUSIONS From the investigations carried out it can be found that: for the examined rolling process and the material tested, no significant effect of the previous deformation process stages on the formation of finished product microstructure and mechanical properties has been found; Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.

The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities 131 w analizowanym procesie walcowania na kształtowanie się mikrostruktury oraz własności mechanicznych wyrobu gotowego istotny wpływ wywierają warunki odkształcania zadawane w trzech ostatnich przepustach oraz warunki procesu chłodzenia pasma w trakcie oraz po walcowaniu, dla analizowanego materiału występuje graniczna prędkość odkształcenia, po przekroczeniu której naprężenie uplastyczniające nie wykazuje istotnych zmian, podczas modelowania fizycznego dopuszczalne jest stosowanie granicznej wartości prędkości odkształcenia, powyżej której naprężenie uplastyczniające nie zmienia się, otrzymane wyniki badań metalograficznych oraz analizowanych własności mechanicznych materiału po fizycznym modelowaniu, z dużą dokładnością odpowiadają wynikom otrzymanym w warunkach przemysłowych. in the process under examination, the formation of finished product microstructure and mechanical properties is significantly influenced by the deformation conditions preset in the last three passes and the conditions of the strip cooling process during and after rolling; for the examined material, there occurs a limiting strain rate, after the exceeding of which the yield stress does not exhibit any significant changes; during physical modelling, it is allowable to use the limiting strain rate, above which the yield stress does not change; the obtained results of the metallographic examinations and mechanical testing of the material after physical modelling correspond, with high accuracy, to the results obtained under industrial conditions. PODZIĘKOWANIA Praca naukowa finansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w latach 2013 2016 jako Projekt Badań Stosowanych nr PBS2/A5/0/2013. ACKNOWLEDGEMENTS This research work was financed from the resources of the National Research and Development Centre in the years 2013 2016 as Applied Research Project No. PBS2/A5/0/2013. LITERATURA [1] Grosman F., D. Woźniak. 2001. Nowoczesne walcownie walcówki. Hutnik Wiadomości hutnicze 3: 97 104. [2] Kuziak R. 2005. Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali. Monografia. Gliwice: Instytut Metalurgii Żelaza. [3] Kajzer S., R. Kozik, R. Wusatowski. 1997. Wybrane zagadnienia z procesów obróbki plastycznej metali. Projektowanie technologii. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. [4] Gorbanev A.A., S.M. Zhuchkov, V.V. Filippov, V.I. Timoshpolskij, A.B. Steblov, A.M. Junakov, V.A. Tishhenko. 2003. Teoreticheskie i tekhnologicheskie osnovy vysokoskorostnoj prokatki katanki, 84-87. Minsk: Izdatelstvo Vyshehjshaja shkola. [5] Laber K., A. Milenin, J. Markowski. 2006. Metodyka fizycznego modelowania zjawisk zachodzących w materiale podczas procesu regulowanego walcowania prętów okrągłych, 519 526. W mat. konf. REFERENCES [1] Grosman F., D. Woźniak. 2001. Nowoczesne walcownie walcówki. Hutnik Wiadomości hutnicze 3: 97 104. [2] Kuziak R. 2005. Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali. Monografia. Gliwice: Instytut Metalurgii Żelaza. [3] Kajzer S., R. Kozik, R. Wusatowski. 1997. Wybrane zagadnienia z procesów obróbki plastycznej metali. Projektowanie technologii. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. [4] Gorbanev A.A., S.M. Zhuchkov, V.V. Filippov, V.I. Timoshpolskij, A.B. Steblov, A.M. Junakov, V.A. Tishhenko. 2003. Teoreticheskie i tekhnologicheskie osnovy vysokoskorostnoj prokatki katanki, 84-87. Minsk: Izdatelstvo Vyshehjshaja shkola. [5] Laber K., A. Milenin, J. Markowski. 2006. Metodyka fizycznego modelowania zjawisk zachodzących w materiale podczas procesu regulowanego walcowania prętów okrągłych, 519 526. In conf. proc. Laber Konrad. 2016. The problems of physical modelling of the processes of wire rod rolling at high rolling velocities.

132 Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami Konferencji Sprawozdawczej członków wszystkich Sekcji Komitetu Metalurgii PAN METALURGIA 2006 pt.: Polska metalurgia w latach 2002 2006, Krynica-Czarny Potok 11-14 października 2006 r. Kraków: Wydawnictwo Naukowe Akapit. [6] Laber K., H. Dyja, B. Koczurkiewicz, S. Sawicki. 2014. Fizyczne modelowanie procesu walcowania walcówki ze stali 20MnB4, 37 42VI. W mat. konf. Konferencji Naukowej WALCOWNICTWO 2014. Procesy Narzędzia Materiały, 20 22.10.2014, Ustroń. [7] Sawada Y., R.P. Foley, S.W. Thompson, G. Krauss. 1994. Proc. 35th MWSP Conf. Proc. Pitsburgh: ISS-AIME: 263. [8] Dyja H., B. Koczurkiewicz, K. Laber, M. Knapiński. 2015. Physical simulation of microstructure evolution of the specimens made of 30MnB4 steel. Sbornik Nauchnykh Trudov Obrabotka Materialov Davleniem 41 (2): 65 70. [9] Dyja H., B. Koczurkiewicz, K. Laber, M. Knapiński. 2015. The use of dilatometer DIL 805A/D for prediction of microstructure of the steel wire rod for cold upsetting. Sbornik Nauchnykh Trudov Obrabotka Materialov Davleniem 41 (2): 239 245. of Konferencja Sprawozdawcza członków wszystkich Sekcji Komitetu Metalurgii PAN METALURGIA 2006 pt.: Polska metalurgia w latach 2002 2006, Krynica-Czarny Potok 11-14 października 2006 r. Kraków: Wydawnictwo Naukowe Akapit. [6] Laber K., H. Dyja, B. Koczurkiewicz, S. Sawicki. 2014. Fizyczne modelowanie procesu walcowania walcówki ze stali 20MnB4, 37 42VI. In conf. proc. of Konferencja Naukowa WALCOWNICTWO 2014. Procesy Narzędzia Materiały, 20 22.10.2014, Ustroń. [7] Sawada Y., R.P. Foley, S.W. Thompson, G. Krauss. 1994. Proc. 35th MWSP Conf. Proc. Pitsburgh: ISS-AIME: 263. [8] Dyja H., B. Koczurkiewicz, K. Laber, M. Knapiński. 2015. Physical simulation of microstructure evolution of the specimens made of 30MnB4 steel. Sbornik Nauchnykh Trudov Obrabotka Materialov Davleniem 41 (2): 65 70. [9] Dyja H., B. Koczurkiewicz, K. Laber, M. Knapiński. 2015. The use of dilatometer DIL 805A/D for prediction of microstructure of the steel wire rod for cold upsetting. Sbornik Nauchnykh Trudov Obrabotka Materialov Davleniem 41 (2): 239 245. Laber Konrad. 2016. Problemy fizycznego modelowania procesów walcowania walcówki z dużymi prędkościami.