83 Jarosław MARCISZ, Artur MAZUR, Mariusz ADAMCZYK Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica MODYFIKACJA STRUKTURY W CELU POPRAWY PLASTYCZNOŚCI WARSTWY PRZYPOWIERZCHNIOWEJ STALOWYCH WLEWKÓW CIĄGŁYCH METODĄ KONTROLOWANEGO CHŁODZENIA NATRYSKOWEGO Istotne znaczenie dla jakości wlewków ciągłych ma warstwa przypowierzchniowa, która powinna charakteryzować się drobnoziarnistą i jednorodną mikrostrukturą, bez wad w postaci pęknięć lub mikropęknięć, co zapewnia jej wymaganą plastyczność. W pracy przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych oraz wyniki symulacji numerycznych chłodzenia natryskowego powierzchni wlewków ciągłych podczas odlewania. Opracowano wytyczne do technologii chłodzenia natryskowego z uwzględnieniem doboru parametrów chłodzenia (m.in. rodzaju dysz chłodzących, geometrii chłodzenia). Przeprowadzono badania plastyczności warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych poddanych symulacji fizycznej chłodzenia w warunkach laboratoryjnych. Na podstawie badań laboratoryjnych procesu chłodzenia natryskowego oraz badań mikrostrukturalnych i plastyczności określono wytyczne dla strefy dodatkowego chłodzenia wlewków ciągłych. Słowa kluczowe: ciągłe odlewanie stali, chłodzenie natryskowe, struktura, jakość CONTROLLED SPRAY COOLING USED FOR STRUCTURE MODIFICATION AND IMPROVEMENT OF PLASTICITY OF NEAR-TO-SURFACE LAYER OF CONTINUOUSLY CAST STEEL BILLET The quality of continuously cast billets could be significantly affected by the near-to-surface layer which should consist of fine-grained and homogenous microstructure without cracks and microcracks in order to ensure required plasticity. Laboratory investigations and numerical simulations of spray cooling during continuous casting have been presented. The guidelines for spray cooling technology were developed and cooling parameters (e.g. type of nozzles, geometry of cooling) were determined. Examinations of plasticity of near-to-surface layer of continuously cast billets after spray cooling in laboratory experiments were carried out. Using the results of spray cooling investigation, microstructure and plasticity examination guidelines for additional cooling to continuously cast billets were developed. Keywords: continuous casting of steel, spray cooling, structure, quality 1. WSTĘP Pęknięcia powierzchniowe wlewków ciągłych powstają z różnych przyczyn i zależą zarówno od parametrów technologii wytwarzania jak również od cech niektórych grup gatunkowych stali narażonych na powstawanie pęknięć (np. ze względu na skład chemiczny). Szczególnie podatne do tworzenia pęknięć powierzchniowych i podpowierzchniowych są np. stale perytektyczne i niektóre gatunki stali stopowych ze względu na przebieg krzepnięcia oraz dalszych przemian w stanie stałym. Stale perytektyczne w stanie po odlaniu we wlewki ciągłe charakteryzują się występowaniem kolumnowych, dochodzących do powierzchni wlewka ziarn austenitu z wydzieloną warstwą ferrytu [1]. Warstwy z taką strukturą cechują się obniżoną plastycznością. Skłonność do powstawania pęknięć zwiększa się dodatkowo, jeżeli granice ziarn austenitu zostaną osłabione przez segregujące atomy pierwiastków aktywnych powierzchniowo (P, S, Sn, As itp.), niskotopliwymi metalami i ich roztworami (Cu+Sn), wydzieleniami cząstek azotków, węglikoazotków i innych związków. Wymienione czynniki wpływające na osłabienie granic ziarn austenitu oddziałują wzajemnie na siebie i mogą występować jednocześnie, co potęguje skłonność do powstawania pęknięć. W trakcie ciągłego odlewania stali istnieją dwa newralgiczne miejsca, w których mogą powstawać pęknięcia powierzchniowe lub podpowierzchniowe: w naskórku wlewka w obszarze krystalizatora i podczas odginania wlewka w klatce prostującej [2, 3]. Podczas walcowania na gorąco wlewków ciągłych istotnymi procesami wpływającymi na powstawanie pęknięć powierzchniowych są nagrzewanie wsadu (szybkość nagrzewania, temperatura nagrzewania, czas nagrzewania i atmosfera w piecu grzewczym) oraz sposób odkształcenia w pierwszych przepustach, podczas których może dojść do ujawnienia i powstania wad powierzchniowych i/lub do ich powiększania się.
84 Jarosław Marcisz, Artur Mazur, Mariusz Adamczyk Prace IMŻ 1 (2010) Jednym ze sposobów podwyższenia plastyczności stali w warstwie przypowierzchniowej wlewka jest rozdrobnienie i zmiana morfologii struktury ziarn austenitu, wpływające na ograniczenie możliwości zarodkowania i rozprzestrzeniania się pęknięć powierzchniowych i podpowierzchniowych w obecności naprężeń. Modyfikację mikrostruktury warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych można zrealizować przez zastosowanie dodatkowego chłodzenia z odpowiednią szybkością w zależności od miejsca usytuowania układu chłodzącego [4 6]. Poniżej przedstawiono dwa warianty (I i II) technologii dodatkowego chłodzenia wlewków ciągłych w trakcie odlewania. Technologie te mogą być stosowane pojedynczo lub jednocześnie, w zależności od wymagań co do jakości powierzchni wlewków ciągłych, gatunku stali, formatu wlewka, wyrobu końcowego, itd. Technologia I Chłodzenie powierzchniowe wlewków ciągłych przed klatką ciągnąco-prostującą Ma ono na celu modyfikację struktury przed operacją prostowania wlewka, a jej istota polega na przeprowadzeniu w warstwie przypowierzchniowej wlewka przemiany γ α przez schłodzenie poniżej temperatury Ar 1 i następnie na umożliwieniu nagrzania się tej warstwy ciepłem wnętrza wlewka powyżej temperatury przemiany odwrotnej α γ (Ac 3 ). Celem tego chłodzenia jest ograniczenie możliwości zarodkowania i rozprzestrzeniania się pęknięć powierzchniowych i podpowierzchniowych w warunkach naprężeń mechanicznych wywołanych odginaniem pasma. Dodatkowe chłodzenie wlewka przed odginaniem należy przeprowadzić w taki sposób, aby możliwe było powtórne nagrzanie jego warstwy powierzchniowej do temperatury wymaganej dla danego gatunku stali podczas odginania. Technologia II Chłodzenie powierzchniowe wlewków ciągłych po wyjściu ze strefy odginania Podobnie jak poprzednio, ma ona na celu modyfikację mikrostruktury w warstwie przypowierzchniowej wlewka w wyniku gwałtownego schłodzenia z temperatury trwałości austenitu i uzyskania przemiany austenitu w struktury martenzytyczne, bainityczne i/lub ferrytyczne. W przypadku stosowania II sposobu chłodzenia ponowna przemiana w austenit następuje podczas nagrzewania lub dogrzewania wlewków w piecu do walcowania lub kucia. Technologia ta została wprowadzona na skalę przemysłową i jest stosowana przez firmę Danieli [7, 8]. W pracy przedstawiono charakterystykę strukturalną warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych ze szczególnym uwzględnieniem wpływu charakterystycznych cech mikrostruktury wytypowanej grupy stali na powstawanie mikropęknięć w trakcie ciągłego odlewania. Do określenia plastyczności stali w warstwie przypowierzchniowej wlewków ciągłych wykorzystano symulator Gleeble. Zaproponowano poprawę jakości badanego obszaru wlewka ciągłego metodą dodatkowego chłodzenia natryskowego podczas odlewania (zmieniając rodzaj i parametry chłodzenia). Badano skuteczność zastosowanego sposobu chłodzenia na modyfikację mikrostruktury warstwy przypowierzchniowej i morfologii tej mikrostruktury. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych wykonanych w warunkach laboratoryjnych określono wytyczne technologii dodatkowego chłodzenia podczas odlewania wlewków ciągłych. 2. CHARAKTERYSTYKA STRUKTURY PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WARSTWY WLEWKÓW CIĄGŁYCH Analizując ewolucję struktury warstwy przypowierzchniowej wlewka ciągłego ze stali perytektycznych podczas krzepnięcia w trakcie ciągłego odlewania należy wziąć pod uwagę m.in. zmiany temperatury tej warstwy w czasie procesu. Intensywne chłodzenie w początkowej fazie krzepnięcia (w krystalizatorze i tuż pod krystalizatorem) wpływa na obniżenie temperatury warstwy podpowierzchniowej (o grubości kilku mm) poniżej 700 C. Podczas tego etapu odlewania następuje w krótkim czasie sekwencja przemian fazowych δ γ α oraz towarzyszące tym przemianom procesy wydzielania (wtrąceń niemetalicznych, węglików, azotków itp.). W kolejnym etapie odlewania w czasie kilku do kilkunastu minut następuje nagrzanie i wygrzewanie tej warstwy w zakresie temperatur trwałości austenitu (γ) i ukierunkowany rozrost kolumnowych ziarn austenitu. Ziarna austenitu w warstwie przypowierzchniowej są mniejsze w porównaniu ze strefą pośrednią, ale ich kształt oraz cechy morfologiczne (np. warstwa ferrytu z wydzieleniami) są w obu strefach wlewka zbliżone. Proces krzepnięcia podczas ciągłego odlewania stali zachodzi w obecności naprężeń cieplnych i mechanicznych, co zwiększa możliwość wystąpienia wad w osłabionych strukturalnie obszarach wlewka. Stal we wlewku ciągłym charakteryzuje się niejednorodną mikrostrukturą zróżnicowaną pod względem plastyczności. Szczególnie niekorzystne są granice ziarn byłego austenitu z wydzielonym ferrytem umocnionym wydzieleniami dyspersyjnych wtrąceń i innych cząstek (np. azotków). Na granicach byłych ziarn austenitu tworzą się mikropęknięcia, których głębokość dochodzi nawet do ok. 0,1 mm. Z obserwacji mikropęknięć (np. silne utlenienie wokół nich) wynika, że są to typowe pęknięcia gorące (tzw. hot tears), które powstają w krystalizatorze lub tuż pod krystalizatorem. Przyczyn ich powstawania jest kilka np. nieprawidłowe smarowanie ścian krystalizatora zasypką smarującą, zbyt wysoki gradient temperatury w trakcie krzepnięcia wywołany m.in. skurczem charakterystycznym dla stali perytektycznych oraz inne typu nieodpowiednio dobrane parametry pracy krystalizatora: częstotliwość oscylacji prędkość odlewania itd. [2]. Mikropęknięcia na powierzchni wlewków mogą być miejscami uprzywilejowanego pękania stanowiąc karby oraz drogi łatwej propagacji pęknięć wzdłuż osłabionych granic ziarn byłego austenitu w obecności naprężeń towarzyszących procesowi ciągłego odlewania stali. Opisane wyżej przykładowe cechy morfologiczne mikrostruktury warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych ze stali perytektycznych oraz mikropęknięcia w tej warstwie pokazano na rys. 1. 3. METODYKA BADAŃ LABORATORYJNYCH I SYMULACJI NUMERYCZNYCH ORAZ MATERIAŁ DO BADAŃ Do badań wytypowano stal perytektyczną w gatunku 25MnV (0,28%C; 1,64%Mn; 0,23%Si; 0,025%S; 0,09%V i 0,026%Al) odlaną we wlewki ciągłe o przekroju
Modyfikacja struktury i poprawa plastyczności warstwy... 85 a) b) c) 100 100 mm. Modelowanie fizyczne procesu chłodzenia przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym umożliwiającym chłodzenie natryskowe próbek o wymiarach maksymalnych: długość ok. 400 mm; szerokość ok. 300 i wysokość ok. 150 mm. Chłodzenie próbek o wymiarach 100 100 150 mm pobranych z wlewka ciągłego zrealizowano za pomocą dysz wodno-powietrznych (standardowo stosowanych w instalacjach do ciągłego odlewania stali) przemieszczając element chłodzący nad powierzchnią próbek. Krzywe chłodzenia uzyskane podczas prób laboratoryjnych oraz zastosowane parametry chłodzenia stanowiły dane do symulacji numerycznych, których celem było wyznaczenie zmian wartości współczynnika przejmowania ciepła (WPC) dla różnych warunków chłodzenia oraz do wykonania symulacji ciągłego odlewania z zastosowaniem dodatkowego chłodzenia. Badania plastyczności stali przeprowadzono za pomocą symulatora procesów metalurgicznych Gleeble 3800, stosując próbę SICO (Strain Induced Crack Opening), pozwalającą na określenie odkształcalności granicznej materiału podczas odkształcenia na gorąco oraz próbę rozciągania na gorąco. Parametry prób laboratoryjnych miały na celu odzwierciedlenie rzeczywistych warunków procesu walcowania na gorąco wlewków ciągłych w zakresie temperatury nagrzewania przed odkształceniem i pierwszych przepustów w trakcie walcowania oraz określenie wpływu zastosowanych parametrów na jakość powierzchni i mikrostrukturę badanej stali. Badania plastyczności materiału wykonano dla stali po odlaniu oraz po zastosowaniu chłodzenia natryskowego w warunkach laboratoryjnych oraz dla materiału po długotrwałym wygrzewaniu. 4. WYNIKI BADAŃ 4.1. EKSPERYMENTY CHŁODZENIA NATRYSKOWEGO W WARUNKACH LABORATORYJNYCH d) Rys. 1. Mikrostruktura warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych (a, b) oraz mikropęknięcia w tej strefie (c, d) Fig. 1. Microstructure of near-to-surface layer of continuously cast billets (a, b) and microcracks in this layer (c, d) Podczas eksperymentów przerywanego chłodzenia próbek z wlewka ciągłego ze stali perytektycznej w gatunku 25MnV5 rejestrowano temperaturę za pomocą termopar umiejscowionych w różnej odległości od chłodzonych powierzchni. Wlewek przed chłodzeniem nagrzewano w piecu do temperatury 1020 C. Uzyskane krzywe chłodzenia (przykładowe zamieszczono na rys. 2) stanowiły dane do symulacji numerycznych ciągłego odlewania z zastosowaniem dodatkowego kontrolowanego chłodzenia pasma po odginaniu wlewka ciągłego. Mikrostrukturę stali w warstwie przechłodzonej stanowił bainit oraz ferryt (m.in. Widmanstädtena) wydzielony po granicach ziarn byłego austenitu. Na skutek sekwencji przemian α γ α w trakcie eksperymentów, powstałe powtórnie ziarna austenitu miały kształt równoosiowy. Nastąpił zanik kolumnowych ziarn austenitu. Badania jakości warstwy przypowierzchniowej odcinków wlewków poddanych chłodzeniu natryskowemu wykazały obecność mikropęknięć o podobnej wielkości i intensywności występowania jak we wlewku ciągłym po odlaniu (rys. 3). To świadczy, że w trakcie zastosowanej obróbki cieplnej nagrzewania oraz podczas chłodzenia pierwotne pęknięcia nie rozprzestrzeniały się i nie powstawały nowe pęknięcia. Należy zaznaczyć, że w trakcie przeprowadzonych eks-
86 Jarosław Marcisz, Artur Mazur, Mariusz Adamczyk Prace IMŻ 1 (2010) Rys. 2. Zmiany temperatury na przekroju próbki z wlewka 100 100 mm w trakcie chłodzenia natryskowego za pomocą dysz wodno-powietrznych. Czas chłodzenia 112 s Fig. 2. Temperature changes on cross section of specimen from 100 100 mm c.c. billet during laboratory spray cooling experiment using twin fluid (water/air) nozzles. Cooling time 112 sec. a) b) Rys. 3. Mikrostruktura w przypowierzchniowej warstwie próbki z wlewka ciągłego po chłodzeniu natryskowym w warunkach laboratoryjnych. a) powierzchnia próbki, b) w odległości 2 mm od powierzchni chłodzonej Fig. 3. Microstructure of near-to-surface layer of specimen from c.c. billet after laboratory experiments of spray cooling. a) surface of specimen, b) 2 mm away from cooling surface perymentów badane próbki poddane zostały jedynie naprężeniom cieplnym związanym z nagrzewaniem i chłodzeniem natryskowym bez obecności odkształcenia. Zmodyfikowana mikrostruktura warstwy przypowierzchniowej bez obecności kolumnowych byłych granic ziarn austenitu jest korzystna ze względu na brak możliwości łatwej propagacji istniejących mikropęknięć. Stwierdzono, że zastosowany proces chłodzenia wpłynął istotnie na modyfikację mikrostruktury na głębokości ok. 10 15 mm. 4.2. WYNIKI SYMULACJI NUMERYCZNYCH CIĄGŁEGO ODLEWANIA Z ZASTOSOWANIEM DODATKOWEGO CHŁODZENIA WLEWKÓW Na podstawie wyników badań laboratoryjnych chłodzenia natryskowego i badań mikrostruktury przeprowadzono symulacje numeryczne ciągłego odlewania stali z zastosowaniem dodatkowego układu chłodzenia po wyjściu wlewka z klatki ciągnąco-prostującej. Uwzględniając wielkość mikropęknięć oraz charakterystyczne cechy morfologii mikrostruktury wlewków ciągłych stwierdzono, że warstwa o zmodyfikowanej mikrostrukturze powinna mieć grubość minimalną 5 mm. Symulacje przeprowadzono dla wlewka o przekroju poprzecznym 320 270 mm. Wyniki symulacji zamieszczono na rys. 4. Z analizy wyników symulacji wynika, że zastosowanie układu chłodzenia składającego się z 10 dysz dla każdej ściany wlewka zapewnia spadek temperatury wlewka poniżej 500 C na głębokości 5 mm pod jego powierzchnią. W trakcie dalszych prac planuje się przeprowadzenie badań mających na celu zwiększenie intensywności chłodzenia przez zwiększe-
Modyfikacja struktury i poprawa plastyczności warstwy... 87 Rys. 4. Zmiany temperatury w strefie przypowierzchniowej wlewka na podstawie symulacji numerycznej. Ciągłe odlewanie z zastosowaniem dodatkowego układu chłodzenia usytuowanego pomiędzy II i III klatką ciągnąco-prostującą. Prędkość odlewania 0,65 m/min Fig. 4. Changes of temperature of near-to-surface layer of c.c. billets on the basis of numerical simulation. Continuous casting with additional cooling between II and III unbending stand. Casting speed was 0.65 m/min nie ciśnień mediów chłodzących i/lub wydłużenie strefy dodatkowego chłodzenia. 4.3. BADANIA PLASTYCZNOŚCI WARSTWY PRZYPOWIERZCHNIOWEJ WLEWKÓW CIĄGŁYCH Badania plastyczności metodą SICO przeprowadzono w celu określenia podatności warstwy powierzchniowej wlewków z wytypowanego gatunku stali do pękania powierzchniowego oraz określenia miejsc szczególnie wrażliwych na powstawanie pęknięć. Próbki do badań pobrano z wlewka po odlaniu i poddano je próbom ściskania odwzorowując sposób nagrzewania, temperaturę przy odkształcaniu i szybkość odkształcenia podczas procesu przeróbki plastycznej wlewków metodą walcowania i/lub kucia na gorąco. Badania metalograficzne przeprowadzono w płaszczyźnie największych odkształceń obwodowych na powierzchni próbek. Próbki do badań pobrane z wlewka ciągłego z warstwy tuż pod powierzchnią oraz oddalonej o ok. 25 mm od powierzchni nie zawierały pierwotnych mikropęknięć występujących na powierzchni badanych wlewków ciągłych w stanie po odlaniu. Widok obszaru przypowierzchniowego próbki poddanej testowi SICO oraz fotografię mikrostruktury w tym obszarze zamieszczono na rys. 5. Podczas odkształcenia przy temperaturach 1050 C, 900 C i 800 C na powierzchni próbek wystąpiły mikropęknięcia o głębokości do ok. 0,05 mm. W większości przypadków odległości pomiędzy pęknięciami powierzchniowymi wynosiły od 50 do 100 μm, co odpowiada wielkości pierwotnego ziarna austenitu we wlewku ciągłym. Największą liczbą pęknięć charakteryzowały się próbki odkształcane przy temperaturze 1050 C. Przy tej temperaturze na powierzchni próbek powstawała siatka pęknięć, a odległość pomiędzy nimi była mniejsza od 25 μm. Częstość występowania pęknięć powierzchniowych oraz ich morfologia w próbkach odkształcanych przy temperaturach 800 C i 900 C były zbliżone do pęknięć występujących we wlewku ciągłym po odlaniu. W próbkach SICO w pobliżu pęknięć nie zaobserwowano powierzchni utlenionych, co miało miejsce we wlewkach ciągłych. W mikrostrukturze próbek z wlewka ciągłego ponownie nagrzanych do temperatu- a) b) Rys. 5. Pęknięcia powierzchniowe próbki po odkształceniu metodą SICO przy temperaturze 800 C Fig. 5. Surface cracks of specimen after compression in the temperature 800 C using SICO test
88 Jarosław Marcisz, Artur Mazur, Mariusz Adamczyk Prace IMŻ 1 (2010) ry trwałości austenitu i ochłodzonych po odkształceniu do temperatury otoczenia z szybkością ok. 12 C/s nie występowały ślady pierwotnej makrostruktury w postaci kolumnowych ziarn austenitu. Mikrostrukturę próbek stanowiła mieszanina bainitu i perlitu oraz ferrytu wydzielonego po granicach byłych ziarn austenitu o kształcie równoosiowym i wymiarach w zakresie 25 50 μm. W wyniku badań stwierdzono skłonność stali perytektycznych do powstawania pęknięć w miejscach byłych granic ziarn austenitu po ponownym nagrzaniu przed przeróbką plastyczną. Poprzez modyfikację mikrostruktury podczas powtórnego nagrzewania można usunąć cechy mikrostrukturalne ułatwiające propagację mikropęknięć, np. kolumnowe ziarna austenitu z warstwą ferrytu. Do badań rozciągania w zakresie temperatur przeróbki plastycznej na gorąco (800 1050 C) zastosowano próbki z materiału pobranego z różnych stref wlewka ciągłego i zróżnicowane pod względem stanu strukturalnego. Pierwsze pochodziły z przypowierzchniowej warstwy wlewków ciągłych w stanie po odlaniu (P odl) oraz po chłodzeniu natryskowym w warunkach laboratoryjnych (P ch). Kolejne próbki pobrano ze strefy dendrytów słupkowych (ok. 25 mm pod powierzchnią) z wlewka w stanie po odlaniu (S odl) oraz po wygrzewaniu przy temperaturze 1200 C przez 5 godzin z następnym stygnięciem z piecem (S wygrz). Wyniki badań Rys. 6. Zmiany przewężenia próbek podczas rozciągania w zakresie temperatur 800 1050 C Fig. 6. Changes of reduction in area of specimens during tensile tests in the temperature range 800 1050 C w postaci krzywych przedstawiających zmiany przewężenia w funkcji temperatury rozciągania zamieszczono na rys. 6. Plastyczność próbek pobranych z przypowierzchniowej warstwy wlewka w stanie po odlaniu jest nieznacznie niższa od próbek z wlewka poddanego laboratoryjnym próbom chłodzenia natryskowego. Stwierdzono, że powstała na skutek chłodzenia warstwy przypowierzchniowej mikrostruktura pozbawiona jest elementów ułatwiających propagację istniejących mikropęknięć. Wyniki pomiarów przewężenia dla próbek ze strefy dendrytów słupkowych z wlewka po odlaniu oraz po ujednorodnieniu wskazują na silny wpływ pierwotnej segregacji na plastyczność stali. Próbki ujedno- rodnione wykazują najwyższą plastyczność spośród badanych stanów strukturalnych w zakresie temperatur 800 975 C. 5. DYSKUSJA WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że w powierzchniowej warstwie wlewka ciągłego 100 100 mm ze stali 25MnV5 występują mikropęknięcia na granicach kolumnowych byłych ziarn austenitu o głębokości maksymalnie do 0,10 mm. Utlenienie wokół pęknięć oraz ich morfologia wskazują, że powstały one w krystalizatorze i/lub bezpośrednio pod nim w strefie chłodzenia wtórnego w naskórku wlewka (rys. 1). Przyczyną obecności mikropęknięć mogą być nieprawidłowe parametry smarowania ścian krystalizatora (rodzaj zasypki) i zaburzenia w odprowadzaniu ciepła (spowodowane m.in. występowaniem silnego skurczu podczas krzepnięcia szczególnie stali perytektycznych), które powodują wzrost naprężeń cieplnych i mechanicznych w naskórku wlewka. Charakter mikrostruktury wlewka ciągłego zawierającej tego typu wady stwarza możliwość łatwej propagacji pęknięć wzdłuż granic ziarn, np. w trakcie dalszych operacji nagrzewania i przeróbki plastycznej. W wyniku oceny jakości warstwy przypowierzchniowej próbek z wlewków poddanych laboratoryjnym eksperymentom chłodzenia natryskowego stwierdzono, że zastosowanie cykli cieplnych nagrzewania i intensywnego chłodzenia natryskowego nie wpływa na powstanie nowych pęknięć, a istniejące po odlewaniu nie zwiększają się (rys. 3). W trakcie chłodzenia natryskowego następuje modyfikacja mikrostruktury w warstwie przypowierzchniowej wlewka na głębokości ok. 25 mm. Zastosowany system chłodzenia: rodzaj dysz, wartości ciśnienia mediów chłodzących, odległości pomiędzy dyszami i odległość od powierzchni chłodzonej może być wykorzystany do modyfikacji stanowiska do chłodzenia natryskowego powierzchni wlewków ciągłych w warunkach przemysłowych, poprzez wprowadzenie dodatkowego układu chłodzenia wlewka po odginaniu w klatce ciągnąco-prostującej. Z przeprowadzonych symulacji numerycznych wynika, że zastosowanie układu chłodzenia składającego się z 10 dysz wodno-powietrznych dla każdej ściany wlewka może zapewnić spadek temperatury jego warstwy przypowierzchniowej (do 5 mm) poniżej 500 C (rys. 4). Morfologia i częstość mikropęknięć powstałych w próbkach pobranych z wlewka ciągłego ze stali 25MnV5 w stanie po odlaniu podczas testów SICO realizowanych przy temperaturach 800 C, 900 C i 1050 C są podobne do tego typu wad występujących we wlewku ciągłym po odlaniu (rys. 5). Największą skłonnością do powstawania mikropęknięć charakteryzowały się próbki odkształcane przy temperaturze 1050 C. Wyniki badań mikropęknięć po testach SICO wykazały wrażliwość tego gatunku stali na powstawanie wad powierzchniowych w obecności naprężeń. Z tego powodu dla stali z tej grupy gatunkowej należy odpowiednio dobierać warunki technologiczne procesu odlewania, a w szczególności rodzaj i jakość zasypki krystalizatorowej i inne dotyczące krystalizatora oraz strefy chłodzenia tuż pod krystalizatorem. Skłonność stali perytektycznych do powstawania pęknięć stwier-
Modyfikacja struktury i poprawa plastyczności warstwy... 89 dzono w miejscach byłych granic ziarn austenitu nawet po ponownym nagrzaniu przed przeróbką plastyczną. Modyfikując mikrostrukturę wlewka podczas powtórnego nagrzewania można doprowadzić do usunięcia cech mikrostrukturalnych ułatwiających propagację mikropęknięć, np. strefy kolumnowych ziarn austenitu i wydzieleń warstwy ferrytu. Stwierdzono, że modyfikowanie mikrostruktury w warstwie przypowierzchniowej wlewka w wyniku dodatkowej przemiany γ α w trakcie odlewania nie zapobiega bezpośrednio procesowi tworzenia się mikropęknięć powierzchniowych, ale utrudnia ich propagację w trakcie kolejnych operacji nagrzewania i odkształcenia. Wrażliwość badanych stali na powstawanie mikropęknięć powierzchniowych jest związana ze specyfiką procesu ich krzepnięcia (m.in. z powstawaniem austenitu w wysokiej temperaturze, co sprzyja rozrostowi ziarna) oraz z charakterystycznym wydzielaniem się ferrytu na granicach ziarn austenitu. Operacja dodatkowego schładzania warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych jest szczególnie istotna, gdy wlewki bezpośrednio po odlaniu są transportowane do pieca grzewczego przed walcowaniem i/lub kuciem. Na skutek dodatkowego chłodzenia plastyczność stali nie obniża się, a powstająca w wyniku chłodzenia mikrostruktura warstwy przypowierzchniowej mikrostruktura pozbawiona jest elementów ułatwiających propagację już istniejących mikropęknięć. Wyniki badań przewężenia próbek pobranych ze strefy dendrytów słupkowych z wlewka ciągłego oraz po ujednorodnieniu wskazują na silny wpływ pierwotnej segregacji we wlewku na plastyczność stali. Próbki ujednorodnione charakteryzują się najwyższą plastycznością spośród badanych próbek po różnych operacjach technologicznych w zakresie temperatur 800 975 C (rys. 6). 6. PODSUMOWANIE Opracowano fizyczne podstawy modyfikacji technologii ciągłego odlewania prowadzącej do poprawy jakości powierzchni wlewków ciągłych i wyrobów walcowanych na gorąco z gatunków stali wrażliwych na pękanie drogą modyfikacji struktury w obszarze powierzchniowym. Na podstawie wykonanych symulacji fizycznych i numerycznych chłodzenia natryskowego oraz symulacji fizycznej odkształcenia w zakresie temperatury 800 1050 C, stwierdzono, że modyfikacja mikrostruktury warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych ma korzystny wpływ na poprawę plastyczności tej warstwy w aspekcie przeciwdziałania rozprzestrzenianiu się istniejących we wlewku mikropęknięć powierzchniowych. Wykonane w ramach pracy badania jakości wlewków, eksperymenty chłodzenia natryskowego oraz symulacje numeryczne mogą być podstawą do opracowania założeń do wprowadzenia technologii dodatkowego chłodzenia natryskowego wlewków ciągłych w trakcie odlewania po klatce ciągnąco-prostującej. LITERATURA 1. R. Dippenaar, S.-C. Moon, E.S. Szekeres. Stand surface cracks the role of abnormally large priori-austenite grains. Iron & Steel Technology, July 2007, s. 105-115 2. Brian G. Thomas. Continuous Casting of Steel, str. 24, Chapter 15 in Modeling for Casting and Solidification Processing, O. Yu, editor, Marcel, Dekker, New York, NY, 2001, pp. 499-540 3. J. Sengupta, B. G. Thomas, H.-J. Shin, S. H. Kim. Mechanism of hook formation in ultralow-carbon steel. Based on microscopy analysis and thermal-stress modeling. Iron & Steel Technology, July 2007, s. 83-95 4. B. Garbarz, A. Żak, J. Marcisz, K. Ochab, M. Rachwalski. Struktura warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych ze stali niskowęglowej i możliwości jej modyfikacji. Materiały II Międzynarodowej Konferencji Ciągłe Odlewanie Stali, AGH/ PHS S.A./SITPH, Krynica 2004, s. 81-89 5. B. Garbarz, A. Żak, J. Marcisz, K. Ochab, M. Rachwalski. Modyfikacja struktury warstwy przypowierzchniowej wlewków ciągłych ze stali perytektycznych w celu zmniejszenia skłonności do powstawania pęknięć powierzchniowych. Materiały III Międzynarodowej Konferencji Ciągłe Odlewanie Stali, AGH/ Mittal Steel Poland/SITPH, Krynica 2006, s. 45-52 6. B. Garbarz, A. Żak, J. Marcisz, H. Kania, B. Zdonek i in. Technologia produkcji wlewków ciągłych ze stali z mikrododatkiem glinu o wysokiej zdolności do kształtowania plastycznego. Prace IMŻ, Nr 1, 2007, s. 7-22 7. Terecelli: An effective tool for hot charge special steels. A.C.S.P.A., Wydawnictwo Danieli, str. 119-122 8. Advanced Casting Technologies Danieli Centro Met. katalog urządzeń Recenzent: Prof. dr hab. inż. Henryk Dyja