S. 296 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 6 Dr inż. JAROSŁAW markowski UKD 621.771.23.001.57:669-153:669-12: Dr inż. MARCIN KNAPIŃSKI, 669-413:669.14.018.298.3:669.017 Dr inż. BARTOSZ KOCZURKIEWICZ Dr inż. TADEUSZ FRĄCZEK Politechnika Częstochowska, Instytut Modelowania i Automatyzacji Procesów Przeróbki Plastycznej al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa e-mail: jarekm.wip.pcz.pl Fizyczne modelowanie walcowania normalizującego blach grubych ze stali The physical modelling of the process of normalizing rolling of a steel plates W pracy przedstawione zostały wyniki fizycznych symulacji procesu walcowania blach ze stali w klatce wykańczającej walcowni nawrotnej. Symulacje przeprowadzone zostały dla dwóch grubości końcowych blachy 8 i 40 mm. Celem symulacji był dobór warunków odkształcenia pasma w celu uzyskania bezpośrednio po walcowaniu struktury materiału odpowiadającej strukturze uzyskiwanej w procesie wyżarzania normalizującego. Symulacje odzwierciedlały zatem proces walcowania normalizującego. The article present the results of physical simulations of the process of rolling plates of steel on the finishing stand of a reversing mill. The simulations were performed for two final plate thicknesses, namely 8 and 40 mm. The purpose of the simulations was to select the conditions of band deformation with the aim of obtaining, directly after rolling, a material structure corresponding to the structure obtained from normalizing annealing. Thus, the simulations reflected the normalizing rolling process. Słowa kluczowe: walcowanie blach, obróbka cieplno-plastyczna, fizyczna symulacja, przemiany fazowe Key words: plate rolling, thermo-mechanical treatment, physical simulation, phase transformation 1. Wstęp. W ostatnich latach opracowane zostały technologie wytwarzania wyrobów gorąco walcowanych, które łącząc w sobie cechy obróbki cieplnej i plastycznej pozwalają podwyższyć poziom ich własności. Najczęściej stosowaną z nich jest technologia walcowania normalizującego, zapewniająca otrzymanie struktury drobnoziarnistej, charakteryzującej się bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi. Zastosowanie nowych technologii wymaga jednak nowoczesnych walcowni. W starych typach zakładów wytwórczych nie zawsze możliwe jest ścisłe przestrzeganie opracowanych reżimów technologicznych. Poprawa własności mechanicznych w takich przypadkach możliwa jest tylko na drodze chłodzenia. Sterując warunkami chłodzenia można otrzymać dla tego samego materiału struktury różniące się własnościami mechanicznymi. Dokładne poznanie struktury powstającej przy zastosowaniu różnych warunków chłodzenia pozwala na sterowanie procesem, zapewniające uzyskanie wymaganych struktur i własności mechanicznych. W tym celu, w ramach niniejszej pracy, zostały opracowane wykresy rozpadu austenitu przy ciągłym chłodzeniu stali, niezbędne do modernizacji technologii chłodzenia blach grubych ze stali. W pracy przedstawiono również wyniki fizycznych symulacji wybranych procesów walcowania blach grubych. Badania dylatometryczne i symulacje fizyczne uzupełniono wynikami badań metalograficznych. 2. Cel pracy. Celem pracy było opracowanie wykresów CTPc i OCTPc dla stali. Wykresy rozpadu austenitu podczas ciągłego chłodzenia stali pozwolą na optymalny dobór szybkości chłodzenia badanej stali po procesie walcowania, zapewniający uzyskanie drobnoziarnistej struktury i wysoki poziom własności mechanicznych. W pracy przeprowadzono również fizyczną symulację procesu walcowania blach o grubości końcowej 8 mm i 40 mm ze stali. 3. Badania dylatometryczne przeprowadzone w pracy. Do badań wytypowano stal, o składzie chemicznym przedstawionym w tabl. 1. W celu wstępnego określenia szybkości chłodzenia, zapewniających poprawne opracowanie wykresów rozpadu austenitu, przeprowadzono wstępne badania symulacyjne. Wykorzystano do tego celu komercyjny program TTSteel. Wyniki badań modelowych pozwoliły na dobór odpowiednich szybkości chłodzenia, zastosowanych podczas fizycznych symulacji chłodzenia z wykorzystaniem dylatometru DIL805A/D. Próbki z badanej stali poddano różnym
2007 r. Hutnik Wiadomości hutniczes s. 297 Ta b l i c a 1. Skład chemiczny stali Ta b l e 1. Chemical composition of steel C 0,15 Al Mn 1,36 N 2 0,0092 Si 0,33 V 0,001 P 0,017 Nb 0,002 S B 0,0003 Cr 0,05 Ti 0,002 Ni 0,089 Sn 0,018 Mo Ca 0,0007 Cu 0,23 Zn 0,003 Rys. 1. Opracowany wykres CTPc dla stali ; v 1 = 80 C/s, v 2 = 30 C/s, v 3 = 10 C/s, v 4 = 5 C/s, v 5 = 1 C/s, v 6 = 0,5 C/s, v 7 = 0,1 C/s Fig. 1. Developed CTPc diagram for steel ; v 1 =80 C/s, v 2 =30 C/s, v 3 =10 C/s, v 4 =5 C/s, v 5 =1 C/s, v 6 =0.5 C/s, v 7 =0.1 C/s Ta b l i c a 2. Parametry odkształceń Ta b l e 2. Deformation parameters Przepust Temperatura C Odkształcenie ε Prędkość odkształcenia 1/s 1 930 0,10 10,0 2 900 0,05 10,0 zabiegom obróbki cieplnej. Podczas nich rejestrowano zmiany długości próbki w funkcji temperatury. W celu opracowania wykresu CTPc dla rozpatrywanej stali przeprowadzono badania dylatometryczne próbek cylindrycznych o długości 10 mm i średnicy 5 mm. W trakcie badań doświadczalnych próbki nagrzewane były do temperatury 900 C, wygrzewane w tej temperaturze przez 180 s i chłodzone z różnymi prędkościami do temperatury otoczenia. Na podstawie badań dylatometrycznych przyjęto następujące szybkości chłodzenia: C r1 = 80 C/s, C r2 = 30 C/s, C r3 = 5 C/s, C r5 = 1 C/s, C r6 = 0,5 C/s i C r7 = 0,1 C/s. W wyniku powyższego postępowania otrzymano dylatogramy, na których określono temperatury przemian fazowych zgodnie z PN-68/H-04500. 3.1. Badania modelowe. Do fizycznych symulacji chłodzenia wykorzystano dylatometr DIL850A/ D. Umożliwia on rejestrację przemian fazowych i zmian strukturalnych podczas fizycznego modelowania zabiegów obróbki termicznej. Urządzenie posiada możliwość dołączania przystawki plastometrycznej, co umożliwia przeprowadzenie fizycznych symulacji procesów kucia i walcowania oraz uzyskania rzeczywistych krzywych umocnienia. W celu wstępnego określenia szybkości chłodzenia wykorzystano komercyjny program TTSteel. Za jego pomocą na podstawie składu chemicznego stali wygenerowano wstępny wykres CTPc. Na jego podstawie określono szybkości chłodzenia próbek z temperatury 900 C; C r1 = 80 C/s, C r2 = 30 C/s, C r3 = 5 C/s, C r5 = 1 C/s, C r6 = 0,5 C/s i C r7 = 0,1 C/s. 3.2. Wykresy CTPc i OCTPc. Na rys. 1 przedstawiono opracowany na podstawie otrzymanych dylatogramów i badań metalograficznych wykres CTPc dla stali. W celu opracowania wykresu OCTPc uwzględniającego odkształcenia, dla rozpatrywanej w pracy stali, przeprowadzono badania plastometryczne próbek cylindrycznych o długości 10 mm i średnicy 5 mm. W trakcie badań doświadczalnych próbki nagrzewane były do temperatury 930 C, wygrzewane w tej temperaturze przez 180 s i chłodzone do temperatury otoczenia po cyklu odkształceń z temperatury 900 C z szybkościami C r1 = 80 C/s, C r2 = 30 C/s, C r3 = 5 C/s, C r5 = 1 C/s, C r6 = 0,5 C/s i C r7 = 0,1 C/s W badaniach uwzględniono dwa ostatnie przepusty. Określono średnie wartości parametrów odkształcenia, które przedstawiono w tabl. 2. W wyniku powyższego po-
S. 298 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 6 Rys. 2. Wykres OCTPc dla stali Fig. 2. An OCTPc diagram for steel Rys. 3. Struktura stali otrzymana podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 8 mm wg schematu z tablicy 3, struktura ferrytyczno-perlityczna, pasmowość perlitu, ziarno ferrytu 9, ziarno perlitu 9 10, miejscami ferryt probainityczny; a powiększenie 100; b powiększenie 500 Fig. 3. Structure of steel obtained from the physical simulation of rolling plate of a final thickness of 8 mm according to the scheme shown in Table 3, a ferritic-pearlitic structure, a structure banding, a ferrite grain size of 9, a pearlite grain size of 9 10, a magnification 100 ; b magnification 500 Ta b l i c a 3. Parametry procesu walcowania, Ta b l e 3. Parameters of the rolling process simulated in the 1 75,94 64,87 0 890 2 64,87 54,95 11,02 889 1 3 54,95 46,19 13,22 886 3 4 46,19 42,43 13,19 882 4 5 42,43 40,98 14,29 877 5 6 40,98 40,43 14,11 870 7 stępowania otrzymano dylatogramy, a na próbkach poddanych zabiegom obróbki cieplno-plastycznej przeprowadzono badania metalograficzne ujawniając powstałą strukturę. 4. Fizyczna symulacja procesu walcowania blach grubych ze stali. Fizyczne modelowanie procesu walcowania stali przeprowadzono na symulatorze GLEEBLE 3800 produkcji amerykańskiej firmy Dynamic Systems Inc. Jest to urządzenie umożliwiające prowadzenie symulacji fizycznych procesów, takich jak: ciągłe odlewanie stali, walcowanie, ciągnienie, kucie, wyciskanie i zgrzewanie. System pozwala również na prowadzenie badań plastyczności materiałów dla procesów przeróbki plastycznej, badań strukturalnych mechanizmów odkształcenia plastycznego oraz na wyznaczanie charakterystyk materiałowych. W części badawczej pracy przeprowadzono fizyczną symulację odkształcania stali. Przeprowadzono szereg symulacji procesu walcowania zgodnie z warunkami przedstawionymi poniżej. W tabl. 3 przedstawiono schemat walcowania pasma o grubości końcowej 40 mm. Próbkę nagrze-
2007 r. Hutnik Wiadomości hutniczes s. 299 wano do temperatury 1050 C, wygrzewano w tej (z prędkością 2 C/s) do temperatury 890 C, w której następowało pierwsze odkształcenie. Po ostatnim odkształceniu, przeprowadzonym w temperaturze 870 C, materiał był chłodzony z prędkością 1,5 C/s. Na rys. 3 przedstawiono strukturę stali otrzymaną podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 40 mm. W tabl. 4 przedstawiono schemat walcowania pasma o grubości końcowej 8 mm. Próbkę nagrzewano do temperatury 1050 C, wygrzewano w tej (z prędkością 2 C/s) do temperatury 1040 C, w której następowało pierwsze odkształcenie. Po ostatnim odkształceniu, przeprowadzonym w temperaturze 877 C, materiał był chłodzony z prędkością 1,5 C/s. Na rys. 4 przedstawiono strukturę stali otrzymaną podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 40 mm. Symulację przeprowadzono zgodnie z danymi przedstawionymi w tabl. 4. Z symulacji fizycznej walcowania blachy o grubości końcowej 8 mm ze stali wynika, że przy założonych warunkach chłodzenia i przy zało- Ta b l i c a 4. Parametry procesu walcowania, Ta b l e 4. Parameters of the rolling process simulated in the 1 27,75 18,88 0 1040 2 18,88 13,11 8,81 1037 3 3 13,11 10,02 10,01 1009 28 4 10,02 8,81 11,06 969 40 5 8,81 8,3 11,05 925 44 6 8,3 8,09 17,3 877 48 Rys. 4. Struktura stali otrzymana podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 8 mm wg schematu z tablicy 4, struktura bainityczna a powiększenie 100; b powiększenie 500 Fig. 4. Structure of steel obtained from the physical simulation of rolling plate of a final thickness of 8 mm according to the scheme shown in Table 4, a bainitic structure a magnification 100 ; b magnification 500 Rys. 5. Struktura stali otrzymana podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 8 mm wg schematu z tablicy 5, struktura ferrytyczno perlityczna, wielkość ziarna ferrytu 8 9, perlitu 9 10, nieznaczna pasmowość struktury a powiększenie 100; b powiększenie 500 Fig. 5. Structure of steel obtained from the physical simulation of rolling plate of a final thickness of 8 mm according to the scheme shown in Table 5, a ferritic-pearlitic structure a ferrite grain size of 8 9, a pearlite grain size of 9 10, a slightly banding of structure; a magnification 100 ; b magnification 500
S. 300 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 6 Ta b l i c a 5. Parametry procesu walcowania, Ta b l e 5. Parameters of the rolling process simulated in the 1 27,75 18,88 0 1000 2 18,88 13,11 8,81 997 3 3 13,11 10,02 10,01 969 28 4 10,02 8,81 11,06 929 40 5 8,81 8,3 11,05 855 44 6 8,3 8,09 17,3 837 48 żonym planie gniotów nie uzyskano struktur ferrytyczno-perlitycznych, czyli takich, jak po procesie wyżarzania normalizującego z wykorzystaniem ciepła walcowania. W celu uzyskania struktur ferrytyczno-perlitycznych postanowiono obniżyć temperatury, w których następowało odkształcenie. W tabl. 5 przedstawiono schemat walcowania pasma o grubości końcowej 8 mm. Próbkę nagrzewano do temperatury 1050 C, wygrzewano w tej (z prędkością 2 C/s) do temperatury 1000 C, w której następowało pierwsze odkształcenie. Po ostatnim odkształceniu przeprowadzonym w temperaturze 837 C materiał był chłodzony z prędkością 1,5 C/s. Na rys. 5 przedstawiono strukturę stali otrzymaną podczas fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 40 mm. Symulację przeprowadzono zgodnie z danymi przedstawionymi w tabl. 5. 5. Podsumowanie. Z porównania wykresów CTPc i OTCPc opracowanych dla stali wynika, że odkształcenie spowodowało bardziej płaski przebieg zatoki ferrytycznej. Temperatura początku przemiany ferrytycznej w funkcji szybkości chłodzenia zmienia się nieznacznie i mieści się w zakresie 850 890 C. Odkształcenie spowodowało również zwiększenie zakresu występowania perlitu, zmniejszając jednocześnie zakres występowania bainitu. Zastosowanie szybkości chłodzenia z zakresu 0,1 30 C/s prowadzi do powstawania struktur ferrytyczno-perlitycznych, a zatem korzystnych pod kątem przydatności badanej stali do walcowania normalizującego. Większe szybkości chłodzenia mogą powodować powstawanie mieszanych struktur ferrytyczno-bainityczno-martenzytycznych i bainityczno- -martenzytycznych. Struktura stali otrzymana w wyniku fizycznej symulacji walcowania blachy o grubości końcowej 40 mm jest drobnoziarnistą strukturą ferrytyczno-perlityczną z widoczną pasmowością struktury, sporadycznie występuje ferryt iglasty. Wielkość ziarn ferrytu 9, perlitu 9 i 10. Z symulacji fizycznej walcowania blachy o grubości końcowej 8 mm ze stali wynika, że w wyniku walcowania według schematu przedstawionego w tabl. 4 nie uzyskano struktur ferrytyczno-perlitycznych, czyli takich, jak po procesie wyżarzania normalizującego z wykorzystaniem ciepła walcowania. Jednakże przeprowadzone dla tego gatunku stali symulacje fizyczne walcowania, w których utrzymano dokładnie taki sam schemat gniotów jednostkowych, ale obniżono temperatury, w których następowało odkształcenie, wykazały, że otrzymywana struktura materiału jest drobnoziarnistą strukturą ferrytyczno-perlityczną, charakteryzującą się wymaganymi dobrymi własnościami mechanicznymi. Przeprowadzone badania wykazały konieczność prowadzenia badań symulacyjnych w celu opracowania nowych technologii przeróbki cieplno-plastycznej. Fizyczna symulacja procesu umożliwia zweryfikowanie wstępnie opracowanej technologii bez wysokonakładowych i czasochłonnych weryfikacji przemysłowych. L i t e r a t u r a 1. Baranov A. A., Minajew A. A.: Problemy sovmjeszczenija deformacji i termiczeskoj obrobotki stali, Stal 1986, nr 11 s. 65 68 2. Kajzer S., Kozik R., Wusatowski R.: Wybrane zagadnienia z procesów obróbki plastycznej metali, Gliwice 1997 3. Baranov A. A., Minajew. A. A., Gjeller A. L., Gorbatjenko W. P.: Probleny sovmjeszczenija gorjaczej deformacji i termiczeskoj obrabotki, Metallurgija 1984, s. 128 4. Minajew A. A., Ustimienko S. W.: Walcowanie regulowane w walcowniach bruzdowych, Moskwa 1990 5. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. Wydanie piąte uzupełnione, A.G.H. Kraków 1997 6. Dobrzański L. A.: Fundamentals of material science and physical metallurgy (in Polish). Scientific & Technical Publishing House, Gliwice Warsaw, 2002 7. Dyja H., Knapiński M., Markowski J., Frączek T., Kawałek A.: Modelling of the structure of steel P265GH in the conditions of plate hot rolling (in Polish). The Polish metallurgy in the years 2002 2006, Chief Editor: K. Świątkowski, Chapter Editors: M. Blicharski, K. Mitzner, W. Kapturkiewicz, M. Pietrzyk, J. Kazior, the Metallurgy Committee at the Polish Academy of Sciences, AKAPIT Scientific Publishers, Cracow, 2006, pp. 507 512, ISBN 8f3-910159-4-7