Folyamatosan öntött lemezbugák középvonali dúsulása és következményei

Átírás

1 Folyamatosan öntött lemezbugák középvonal dúsulása és következménye MTA doktor értekezés Írta dr. habl. Réger Mhály Budapest 21

2 Tartalomjegyzék oldal Summary 4 1. Bevezetés, célktűzés 5 2. Az öntött szál termkus modellje és az ebből származtatott jellemzők A termkus modell A hőtan modell ellenőrzése A termkus modellből származtatott tovább jellemzők Összefoglalás 25 Hvatkozások 26 A fejezetben smertetett tevékenységhez kapcsolódó saját publkácók A poroztás szerepe a középvonal dúsulás jelenségében Makrodúsulás és középvonal dúsulás A középvonal dúsulás domnáns folyamata A középvonal dúsulás az par adatok tükrében Az LMI modell és alkalmazása Az eredmények értékelése Összefoglalás 42 Hvatkozások 44 A fejezetben smertetett tevékenységhez kapcsolódó saját publkácók Olvadékáramlás a mushy szakaszon A dendrtek között olvadék jellemzése Az áramlás vszonyok jellemzése az öntött szál mushy szakaszában Összefoglalás: a relatív sebesség alapján történő mnősítés lehetősége 54 Hvatkozások 55 A fejezetben smertetett tevékenységhez kapcsolódó saját publkácók A poroztás és a sebesség-eloszlás függvények alkalmazása A résméret csökkenés ütemének hatása Anomálák a résméretben A támgörgők excentrctásának hatása Khajlás a támgörgők között Összetett, kombnált helyzetek vzsgálata Összefoglalás: a modellezés eredmények alapján megfogalmazható 86 következtetések A fejezetben smertetett tevékenységhez kapcsolódó saját publkácók 9 6. A középvonal dúsulás stabltása Előzmények 92 2

3 6.2 Kísérlet munka A kísérlet módszer alkalmazhatóságának ellenőrzése A mangán koncentrácó különbség hatása: az E jelű mnta vzsgálat 96 eredménye 6.5 Az eredmények értelmezése, az effektív dffúzós tényező bevezetése Karbon, keménység és szövetelem eloszlások nem egyenletes mangáneloszlás 12 esetén 6.7 Összefoglalás 17 Hvatkozások 17 A fejezetben smertetett tevékenységhez kapcsolódó saját publkácók Összefoglalás A kutatás munka eredményeként megfogalmazható új tudományos eredmények, tézsek Az új tudományos eredmények hasznosítása 116 Az új tudományos eredményeket tartalmazó publkácók 117 Jelölések lstája 119 Mellékletek A A Mannesmann cégcsoportnál a középvonal dúsuslás mértékének besorolására 121 szolgáló mntakép sorozat A1 A Lqud Moton Intensty (LMI) modell leírása 122 A2 Az öntött szál és a benne lévő olvadék között relatív sebességkülönbség 13 meghatározásának módszere A3 A karbon aktvtás számításán alapuló dffúzós modell leírása 133 3

4 Summary Formaton and Consequences of Centerlne Segregaton n Contnuously Cast Slabs The contnuous castng of slabs s amed at producng a product wth a proper chemcal composton, geometry and surface qualty, wthout any external or nternal defects. One of the most unpredctable defects of the slabs s centerlne segregaton, whch has a negatve effect on further processng of the slabs and on the possble uses of the fnal products. Snce the full complexty and the most common problem areas of contnuous castng are typcally present n the formaton of centerlne segregaton, n ths paper I am focusng on the formaton of ths defect and on research nvestgatng possble ways of how to elmnate such defects. In the past ten years most research has been related, n a drect or ndrect way, to the formaton of centerlne segregaton. In addton, the fndngs of ndvdual research projects can be nterpreted by themselves too and can provde a great deal of useful, theoretcal or practcal, nformaton. Workng out a relable thermal model of the cast slab s a basc requrement for controllng the processes (e.g. developng a strategy of how to decrease centerlne segregaton or ntroducng a soft reducton technology). In Chapter 2 I am gong to gve a bref summary of the major achevements n ths feld n the past few years. In the lght of prevous experence and of references n the lterature t can be stated wth certanty that soldfcaton shrnkage porosty accompanyng crystallzaton also contrbutes to the formaton of centerlne segregaton. In many cases, mcropores formed durng the crystallzaton process can be observed n the centerlne of the hot rolled products too. From ths aspect, the sze of the cluster of the shrnkage pores formed durng the soldfcaton of the slab and the condtons under whch such a porosty s developed are of prmary mportance. Ths s dscussed, on the bass of a comprehensve analyss of statstcal data, n Chapter 3. From our analyss the followng mportant concluson can be drawn: after reachng a certan sold/lqud rato n the secton of the slab, practcally no more lqud wll be suppled. If we accept the fact that free lqud movement ceases whenever a certan sold/lqud rato has been reached, we can use the model (contanng, of course, a number of smplfcatons and assumptons) descrbed n Chapter 4 to make an estmate of the flow drecton and of the ntensty of the lqud flow n the upper part of the mushy secton. Chapter 5 dscusses eventual applcatons of the descrbed models under contnuous castng condtons. Calculatons show that centerlne segregaton s bascally affected, at a gven composton and coolng technology, by the settng of the supportng rolls, by the accuracy of the strand (e.g. adjustment accuracy of the supportng rolls), by the rgdty of the supportng rolls as well as by the shape dstorton of the supportng rolls (eccentrcty or wear). Bulgng of the strand between the supportng rolls can also play some role but ts effect s secondary as compared to that of the factors lsted above. The consequences of centerlne segregaton formulated n the slab and ts stablty are dscussed n Chapter 6. A calculaton model based on the analyss of the carbon actvty was worked out and used to descrbe the dffuson processes. The results obtaned n ths model are n complance wth the hardness and mcrostructure measurements. 4

5 1. Bevezetés, célktűzés A PhD fokozat megszerzése (1998) óta eltelt dőszakban tudományos tevékenységem elsősorban az acélok folyamatos öntés technológájára, lletve az ezzel kapcsolatos részjelenségekre összpontosult. A folyamatos öntés alapfolyamatával, a krstályosodással már a korább években s gaz más nézőpontokból foglalkoztam. Egyetem doktor értekezésemben (1994) a folyamatos acélöntő gép krstályosítójában képződött szlárd kéreg vastagság és mkroszerkezet jellemzőt elemeztem abból a célból, hogy a krstályosítóban zajló és egyébként nagyon nehezen ellenőrzhető folyamatokról tsztább képet lehessen kapn. Az értekezés alapgondolata az a felsmerés volt, hogy a krstályosítóban szlárduló kéreg vastagság mérete és szerkezete magában hordozza a keletkezés körülményere vonatkozó nformácókat. Ha adott kéma összetétel esetén smerjük a krstályosodás jellemzők (hűlés sebesség, hőmérséklet gradens) és a krstályosodás jellemzők eredményeként kalakuló dendrtes szerkezet paramétere (prmer és szekunder dendrtág távolság) között kapcsolatrendszert, akkor adott dendrtes szerkezet esetén következtetn lehet a mkroszerkezetet létrehozó krstályosodás paraméterere, vagys a krstályosítóban kalakuló dermedés vszonyokra és azok dőben történő változásara. Ez utóbb megfgyelés, nevezetesen az, hogy a gyakorlat öntés folyamatokban a krstályosodás jellemzők értéke változk az dő függvényében, vezetett el a PhD munkám témájához, a tranzens krstályosodás folyamatok részletesebb elemzéséhez. A haza és külföld kutatók a krstályosodás jellemzők és a dendrtes szerkezet morfológája között kapcsolat vzsgálata során kevés kvételtől eltekntve az állandósult krstályosodás vszonyok bztosítását tűzték k célul, vagys kísérletek során a krstályosodás jellemzők értéke nem, vagy csak ksmértékben függött az dőtől. A folyamatos öntés gyakorlatában azonban a krstályosodás jellemzők értéke változk, még akkor s, ha az öntés jellemzők dőben nem változnak. Az állandósult állapotú (dőben nem változó, staconer) öntés vszonyok nem állandósult állapotú (nstaconer) krstályosodás vszonyokat eredményeznek, hszen a krstályosodás front folyamatosan változtatja a helyzetét az egyébként (normál körülmények között) állandósult állapotú hőmérséklet mezőben. A folyamatos öntés gyakorlatában ráadásul a hőmérséklet mező s megváltozhat, ha például valamlyen okból be kell avatkozn az öntés folyamatba (lassítás, gyorsítás, öntés hőmérséklet változása, stb.), ennek következtében nem állandósult állapotú öntés vszonyok kalakulásával lehet számoln. (Az elmondottak szernt tehát ezt meg kell különböztetn a nem állandósult állapotú krstályosodás fogalmától.) Természetesen, nem állandósult öntés körülmények között a dermedés fronton uralkodó krstályosodás vszonyok még jobban eltávolodnak az állandósult állapotú krstályosodás feltételrendszerétől. A folyamatos öntés során tehát a dendrtes szerkezet mndenképpen nem állandósult állapotú krstályosodás vszonyok eredményeként jön létre. A PhD munkám célja a nem állandósult állapotú körülmények között krstályosodás törvényszerűségenek legalább részleges feltárása volt. A kísérlet munkát és az eredmények elemzését a nem állandósult állapotú krstályosodás vszonyok egy specáls csoportjára, az un. tranzens esetekre vonatkozóan végeztem el. A tranzens vszonyokat két állandósult krstályosodás állapot között ugrás reprezentálta. Lényegében tehát egy jól defnált állandósult állapotból egy másk, szntén jól defnált állandósult állapotba való átmenet során a dendrtes szerkezet változását (reakcóját) vzsgáltam és értékeltem. Mvel ezekben az esetekben a dendrtes szerkezet dőben változásának megfgyelése volt a feladat, így a kísérlet munkát átlátszó modellanyagon (succnntrle aceton keverék) végeztem saját építésű, a tranzens krstályosítás vszonyokat reprodukálható módon megvalósítan képes krstályosító berendezéssel. 5

6 Az elmúlt években a lemezbugák folyamatos öntésének komplex matematka modellezés lehetőségevel foglalkoztam és az értekezésemben már ezen újonnan választott szakterületen elért eredményeket smertetem. A kutatás munkában a kollégámmal együtt arra törekedtünk, hogy a folyamatos öntéssel kapcsolatos valós problémákra megfelelő elmélet alapokon nyugvó matematka modellek segítségével a gyakorlatban s haszálható válaszokat tudjunk adn. A kutatás munka par hátterét az ISD Dunaferr Duna Vasmű Zrt. jelentette, ahol két egyenként két-két szálas vertkáls lemezbuga öntőgép üzemel. Az par kollégákkal való szoros együttműködés és a velük folytatott folyamatos konzultácó tette lehetővé, hogy az öntés rendszerét és az azzal kapcsolatos problémákat megfelelő mélységben tudtuk megsmern. Ez volt az alapja annak, hogy a célnak megfelelő matematka modellek kdolgozására sor kerülhetett. Az elmondottakból s következk, hogy a bemutatásra kerülő eredmények részben egy szakma csapat hosszabb dejű közös munkájának a gyümölcse. Ezek közül gyekeztem csak azokat taglaln, melyek megalkotásában domnáns szerepet játszottam, de a kutatás folyamat megvalósításában természetesen a kollektíva egésze vett részt (pl. a modellek működésének ellenőrzésében, krtkák és tanácsok megfogalmazásában, az üzem kísérletek kvtelezésében, metallográfa és egyéb vzsgálatok elvégzésében, par adatszolgáltatás megszervezésében, stb.). Ennek megfelelően és stlsztka okokból s az eredmények taglalásakor a többes szám első személy használatát érzem ndokoltnak. Ugyanakkor megkülönböztetett módon fogok utaln azokra a mások által elért eredményekre, lletve tevékenységekre, melyeket az érthetőség kedvéért nem volt célszerű khagyn ebből az értekezésből. A lemezbugák folyamatos öntésének célja megfelelő összetételű, geometrájú és felületű, külső és belső hbáktól mentes termék előállítása. Az acél lemezbugák egyk sajátos, nehezen befolyásolható és ellenőrzhető hbajelensége az un. középvonal dúsulás (középvonal szegregácó, centerlne segregaton), mely a lemezbuga tovább feldolgozását és a belőle készülő termék felhasználhatóságát rontja. A középvonal dúsulást tartalmazó lemezbugából hengerelt lemez az erőteljes képlékeny alakítás ellenére s módosult formában magában hordozza ezt a hbajelenséget. Az öröklődés eredményeként a lemez középső síkjában a megelőző alakváltozás függvényében néhány tzed, lletve néhány mm vastagságban az alapanyagtól eltérő összetételű, szerkezetű és tulajdonságú anyagrész található, mely a forgácsolás, hegesztés és alakváltozás műveleteknél technológa problémákat és hbajelenségeket (pl. felnyílás, repedés, a megmunkáló szerszám károsodása) okozhat. A tapasztalatok szernt a középvonal dúsulásból adódó kedvezőtlen anyagtulajdonságok utólagosan, pl. hőkezeléssel érdemben nem javíthatók. Az elmondottakból következk, hogy a középvonal dúsulás mértékének befolyásolására csak az acélolvadék krstályosodása közben van lehetőség, vagys a folyamatos öntés technológájának kell bztosítana a hengerelt termékben a felhasználók számára elfogadható középvonal dúsulás szntet. A doktor értekezésemben a középvonal dúsulás kalakulásának elmélet megközelítésével, lletve annak csökkentés lehetőségevel kapcsolatos kutatás tevékenységet smertetem. Az elmúlt több, mnt tíz év kutatás munkája közvetve, vagy közvetlenül kapcsolatban áll a középvonal dúsulás kalakulásával, de az egyes részterületeken elért eredmények önmagukban s értelmezhetők. A kutatómunkám alapvető célja a folyamatos acélöntés reáls, gyakorlat vszonya között a lemezbugában kalakuló középvonal dúsulás csökkentés lehetőségenek feltárása, valamnt ennek smeretében a várható dúsulás mérték számszerűsíthető előrejelzése. A problémakör 6

7 reáls vszonyok között megközelítéséhez szükséges az öntés folyamatát befolyásoló, par körülmények között működő hatások széleskörű smerete és fgyelembe vétele. Ezek közül kemelendő az öntött szál szlárduló kérgét érő deformácós hatás, melynek eredményeként a szál belsejében térfogatváltozás jön létre és így az ott lévő olvadék áramlásra kényszerül. A kutatás tevékenység egyk alapvető célktűzése ezen deformácós hatások korrekt fgyelembevétele volt, mvel a tapasztalatok szernt a gyakorlat öntés feltételrendszerében ez a tényező befolyásolja legnkább és a legkevésbé kszámítható módon az öntött lemezbugák belső mnőségét. A teljes problémakör komplextása matt a feladat megoldásához többféle matematka modell alkalmazása lletve kfejlesztése volt szükséges. Az acélok folyamatos öntése vlágszerte széles körben alkalmazott tömeggyártás technológa, ennek ellenére a komplex folyamat leírása, matematka modellezése, a termékmnőség előrejelzése a jelenleg smeretenk alapján közelítésekkel s csak nehezen valósítható meg. Ennek döntően az az oka, hogy az öntés folyamatban hőtan, áramlástan, dermedés, átalakulás, rugalmas és képlékeny alakváltozás, kúszás, stb. jelenségek kapcsolódnak össze és hatnak egymásra. A nehézségeket fokozza az a körülmény, hogy a folyamatosan öntött lemezbuga alakja, a vastagság, szélesség és hosszúság vszonyszáma a matematka modellezés szempontjából nem kedvezőek. Az öntött szál öntés rányban vertkáls gépeknél mntegy 1 méter, ívelt öntőgépeknél 25-3 méter hosszúságú, vastagsága 2-24 mm, szélessége pedg általában 8-16 mm között. Tovább nehézséget jelent a modellek által szolgáltatott eredmények ellenőrzése, mvel a krstályosodás egy kívülről nehezen vzsgálható rendszerben, a lemezbuga belsejében történk. Ismeretenk szernt az öntéstechnológa paraméterek és a várható belső mnőség között kapcsolatot megbízható módon előre jelző függvény, vagy matematka módszer kdolgozása ezdág egyetlen kutatóhelyen, lletve gyártóműben sem skerült, még az öntés állandósult állapotára vonatkozóan sem. Részben ez a körülmény motválta a kutatás feladatok megfogalmazását. A kutatás munkában gyekeztünk mnden olyan lényeges hatást fgyelembe venn, mely állandósult és nem állandósult öntés vszonyok között befolyásolhatja az öntött termék mnőségét, ezeket megpróbáltam szétválasztan és az egyed hatástényezőket azonosítan. Több esetben a megfelelő matematka formalzmus, vagy megbízható numerkus számítás eljárások hányában emprkus módszerek alkalmazására kényszerültünk, elsősorban az egymással kölcsönhatásban álló folyamatok elemzésénél. Például az öntött szál dermedése, lehűlése kelégítő megbízhatósággal leírható a jelenleg smert és alkalmazott módszerekkel, de abban az esetben, ha sor kerül az öntött szál deformácójára, alakváltozására, esetleg kúszására, akkor többnyre emprkus összefüggések bevezetése s szükséges. Ismeretenk szernt nem készültek még el azok a kapcsolt modellek, melyek alkalmazásával az öntött szál extrém geometra vszonyara vonatkozóan a problémakörök kölcsönhatása kezelhető lenne. Ugyanakkor tudomásunk van arról, hogy több kutatóhelyen s foglalkoznak az összetett problémák kezelésének lehetőségevel (pl. Archelor Research SA, Laben - Parque Tecnologco de Bzkaa), de az általuk fejlesztett modellek számunkra nem hozzáférhetők. A problémakör vzsgálata esetenként olyan területet érnt, mely elmélet szempontból sem tsztázott teljesen. A lemezbugák belső mnősége szempontjából meghatározó jelentőségű pl. a lkvdusz és szoldusz hőmérsékletközben (szlárd és olvadék fázst s tartalmazó mushy zóna) az acélolvadék vselkedése, tulajdonsága. Az smeretek ezen a területen meglehetősen hányosak, a mérés eredmények pedg sokszor ellentmondásosak, ahogy ezt R.G. Erdmann (Unversty of Arzona, Department of Materals Scence and Engneerng) s összefoglalta a 7

8 Permeablty n the Mushy Zone című átfogó előadásában a legutóbb Soldfcaton and Gravty konferencán [1.1]. Ez a példa egyúttal rávlágít az alkalmazott kutatás és az alapkutatás szoros kapcsolatára s. A szakrodalom és a saját mérésenk, tapasztalatank alapján a lemezbugák középvonal dúsulása részben a makrodúsulással, részben a megszlárduló olvadék zsugorodásával, apró fogyás üregek képződésével kapcsolatos jelenség. A középvonal dúsulás a folyamatos öntés során az öntött szál középvonal tartományában alakul k, a krstályosodás és átalakulás (mkrodúsulás), olvadékáramlás folyamatok, valamnt a krstályosodás zsugorodás kompenzálásához szükséges olvadék utánpótlás korlátozott lehetőségenek függvényében. A középvonal szegregácó szempontjából azok a folyamatok meghatározóak, melyek a krstályosodó szál hosszának kb. utolsó harmadában történnek, ekkor a középvonalban a hőmérséklet a lkvdusz hőmérséklet alatt van, vagys a szál közepe a mushy (mushy szlárd + mushy olvadék) állapottal jellemezhető. A szál ezen részét a következőkben a tárgyalás egyszerűsítése végett mushy szakasznak nevezzük. A dendrtek között már csak dúsult olvadék található, így bármely hatás (hűtés vszonyok, támgörgők beállítása, a szlárd kéreg támgörgők között khasasodása, az un. khajlás, stb.), mely olvadékmozgást eredményez, szükségképpen az öntött szál belsejében a dúsult olvadék áramláshoz és így makrodúsuláshoz vezet. (A szlárd kéreg ferrosztatkus nyomás okozta khasasodásának jelensége a nem túl szerencsés khajlás néven honosult meg a magyar szaknyelvben. A továbbakban khajláson ezt a deformácót értjük.) Lényeges, hogy a mushy zónában az olvadék keveredés és utánpótlás lehetősége drasztkusan csökken a szlárd fázs térfogatarányának növekedése függvényében. A dendrtágak között zeg-zúgos rendszer áteresztő képessége (permeabltása) lecsökken, így ebben a tartományban már csak korlátozott olvadék utánpótlás és keveredés lehetséges. Az olvadék utánpótlás lehetőségének csökkenése törvényszerűen fogyás üregek, un. mkrolunkerek keletkezését eredményez, ez a középvonal dúsulás általánosságban megfgyelhető másk jellegzetessége. (Az olvadékmag redukcós eljárást a fent hatások kompenzálására fejlesztették k, skeres alkalmazásához megfelelő gépészet felépítésű öntőgép, valamnt az összetétel és a technológa paraméterek szgorú összehangolása szükséges.) A középvonal dúsulással kapcsolatos egyk nehézség mndjárt magának a fogalomnak a defnícójából, lletve a konkrét középvonal dúsulás érték meghatározásának bzonytalanságából fakad. A szakrodalom ezt az elnevezést gyakorta használja, és a különböző kéma elemek egymástól eltérő dúsulás mértékével (dúsulás hányados = koncentrácó a középvonalban / átlagos koncentrácó) jellemz. Középvonal dúsulás értéket tehát meg lehet adn a karbonra, mangánra, kénre stb., de ezek számértékben nylvánvalóan különbözőek. A szakckkekben smertetett vzsgálat módszer meglehetősen költséggényes, mvel sok ksméretű próba kmunkálását és részletes elemzését gényl, így az par gyakorlatban nem terjedt el. Az acélgyártók általában olcsóbb, gyorsabb és automatzálható eljárást alkalmaznak, ezek a módszerek vszont kevésbé megbízható nformácót szolgáltatnak a középvonal dúsulásról. Általában a lemezbugákból adott mennységenként kvágnak egy szeletet, megköszörülk, majd specáls módszerrel maratják (pl. mélymaratás, sósavas maratás nagyobb hőmérsékleten). Ezt követően, vagy a megmaródott anyagrész adott felületnagyságra eső aránya (képelemzés módszer alkalmazása), vagy saját etalonképekkel való összehasonlítás alapján a keresztmetszeten megállapítják a középvonal dúsulás mértékét (pl. Mannesmann cégcsoport etalonkép sorozata). A Baumann kénnyomat szernt történő mnősítésre s lehet példát találn. Ezekkel módszerekkel a középvonal dúsulás megléte, lletve hánya általában könnyen eldönthető, a mérték megítélése vszont meglehetősen szubjektív. A középvonal dúsulás meghatározására vonatkozó nemzetközleg elfogadott 8

9 egységes eljárás tehát nem alakult k, az üzemek a saját gyakorlatuk és tapasztalatak szernt mnősítk a termékeket, lletve döntenek annak felhasználhatóságról. A folyamatok kézbentartásának (így pl. a középvonal dúsulás csökkentését célzó stratéga kalakításának, vagy az olvadékmag redukcós technológa bevezetésének) alapvető feltétele az öntött szál megbízható hőtan modelljének kdolgozása. Az értekezés másodk fejezetében rövden összegzem az ezen a területen végzett több éves tevékenység főbb lépéset. Ennek eredményeként elkészült az ISD Dunaferr Duna Vasmű Zrt. folyamatos öntőgépének hőtan működését leíró, üzem kísérletekkel s ellenőrzött modellje. A tsztán hőtan alapokon nyugvó modellel az öntés számos alapvető jellemzője becsülhető (pl. tócsamélységek, gradensek, hűlés sebességek) és ezek alapján tovább következtetések s levonhatók, pl. a mkroszerkezetre vonatkozóan (prmer dendrtág távolság, szekunder dendrtág távolság, oszlopos-egyenlőtengelyű krstályosodás átmenete). A középvonal dúsulás kalakulásában a krstályosodást kísérő zsugorodás mkroüregek szerepét már hangsúlyoztam. A belső mnőség szempontjából döntő fontosságú, hogy mlyen feltételek között és mekkora zsugorodás üreg halmaz keletkezk a lemezbuga dermedése során. Az értekezés harmadk fejezetében részletesen tárgyalom ezt a kérdéskört egy kterjedt statsztka elemzéssorozat eredményere támaszkodva. Kfejlesztettem az un. olvadékmozgás ntenztás modellt (LMI, Lqud Moton Intensty Model), mely a lemezbuga dermedését kísérő természetes és kényszer alakváltozások, valamnt a térfogatváltozások hatását s fgyelembe vesz. A modell alkalmazásával skerült relatíve erős korrelácós kapcsolatot megállapítan a zsugorodás üregek összmennységét jellemző számérték és az üzem mérések során meghatározott középvonal dúsulás ndex között. A matematka modell segítségével belátható, hogy a folyamatos öntés körülménye között a szabad olvadékáramlás (vagys a krstályosodás zsugorodás kompenzálásához szükséges olvadék utánpótlásának lehetősége) a mushy zóna mntegy 3 %-os olvadéktartalmág bztosított, e határérték alatt poroztás kalakulása valószínűsíthető. Ezen érték és a tovább zsugorodás és deformácós hatások alapján már becsüln lehet a kompenzálatlan zsugorodás üregek mennységét. Ha feltételezzük, hogy a szabad olvadék utánpótlás a fent említett határérték elérésekor megszűnk, akkor a negyedk fejezetben bemutatott természetesen számos egyszerűsítést és feltételezést s tartalmazó modell segítségével a mushy zóna első szakaszában kalakuló olvadékáramlás rányának és nagyságának a becslésére s lehetőség kínálkozk. Ha a mushy tartomány ebben a szakaszban olvadékot szív be a felette lévő zónából, akkor a beáramló olvadék ötvözőkben és szennyezőkben bzonyosan dúsabb lesz, mnt amlyen összetételű olvadék a krstályosodás (közel egyensúly koncentrácó vszonyok között) folytatásához szükséges lenne. Ennek természetesen az ellenkezője s előfordulhat, a szálat vezető támgörgők k s préselhetk a magrészben lévő olvadékot. A modell az olvadék szabad áramlásával jellemezhető mushy zóna hosszára vonatkozóan becslést ad az olvadék áramlás rányára és nagyságára vonatkozóan. Az értekezés ötödk fejezete a bemutatott modellek gyakorlat alkalmazásának lehetőséget elemz állandósult (az öntés paraméterek az dő függvényében nem változnak) és nem állandósult (az öntés paraméterek az dő függvényében változnak) öntés vszonyokra vonatkozóan. A számítás tapasztalatok szernt a középvonal dúsulás kalakulását (adott összetétel és hűtés technológa esetén) alapvetően a támgörgők beállítása, a szálvezetés precztása (pl. támgörgő beállítás pontossága, támgörgő merevsége) és a támgörgők alakhbája (pl. excentrctás, kopás) okozzák. Az öntött szálnak a támgörgők között 9

10 khasasodása (bulgng) szntén szerepet játszhat, de ennek hatása az előző tényezőkhöz képest másodlagosnak teknthető. Az értekezés befejező része a lemezbugában már kalakult középvonal dúsulás következményevel foglalkozk. A középvonal dúsulás termékmnőséget befolyásoló hatása és egyben a hengerelt termék belsejében való azonosíthatósága a hengerelt lemez vastagságának s függvénye. Általánosságban kjelenthető, hogy mnél vékonyabb a durvalemez (szalag), annál kevésbé rontja a mnőséget a középvonal hbajelenség. A tapasztalatok szernt az utólagos hőkezelés, homogenzálás nem csökkent érdemben a hengerelt termék középvonal dúsulását, és ez látszólag ellenmondásban van az egyszerű dffúzós modellek által szolgáltatott eredményekkel. Az értekezés erre a jelenségre, vagys a középvonal dúsulás stabltására vonatkozóan újfajta megközelítésből ad magyarázatot. A kísérlet munka során mesterséges középvonal dúsulást tartalmazó szendvcs mntákat állítottunk elő, ezek hőkezelése és vzsgálata lehetőséget nyújtott a dffúzós folyamatokban az egyes elemek (pl. karbon és mangán) kölcsönhatásának különböző modellek alkalmazásával történő fgyelembe vételére s. Ennek alapján újfajta, a karbon aktvtásának elemzésén alapuló számítás modellt dolgoztam k. A keménység és szövetszerkezet eredmények jó összhangban vannak a modell által szolgáltatott értékekkel. Hvatkozások [1.1] Erdmann R. G., Porer D.R., Hendrck A.G.: Permeablty n the Mushy Zone, Materals Scence Forum Vol. 649, pp

11 2. Az öntött szál termkus modellje és az ebből származtatott jellemzők Ebben a fejezetben a folyamatosan öntött szálat érő termkus hatások matematka modellezésében elért eredményeket mutatom be. Az adott, egyed öntőgépre vonatkozó, megbízható termkus modell megléte mnden a krstályosodás egyéb részfolyamatat leíró modell kdolgozásának s alapfeltétele. A folyamatos öntés hőtan modellezésének kezdete a hetvenes évekre nyúlnak vssza. A témával foglalkozó újabb szakrodalomak esetében s megállapítható, hogy a hőtan modell kndulópontként szolgál egyéb modellekhez. A következőkben ezek közül emelünk k néhány olyan ckket, mely támpontnak vagy vszonyítás alapnak teknthető az értekezésben smertetett hőtan modell megítélése szempontjából. El-Bealy [2.1] a hőtan modell részletet s elemző átfogó munkájában feltételez, hogy az öntés rányú, hővezetéssel terjedő hőmennység elenyésző a felületre merőleges hőelvonáshoz képest, így a három-dmenzós problémát két-dmenzósra egyszerűsít. A krstályosodás látens hő felszabadulása kapcsán egyszerűsítést használ, a látens hő a szlárd fázson keresztül távozk, vagys nncs konvekcó. A sugárzás, a sűrűség változás hatását a számításokban fgyelmen kívül hagyja. Ezen egyszerűsített modell alkalmazásával a támgörgők között khasasodás (khajlás) becslésére szolgáló modellt smertet egy un. szlárd kéreg ellenállás tényező és az effektív szlárd kéreg vastagság fogalmának bevezetésével. El- Bealy munkája jó példa arra az általunk s követett gyakorlatra, hogy a termkus modell eredményere épülő félg empírkus modellek bzonyos fokg helyettesíthetk a bevezetésben említett apparátusok hányában a fzkalag és matematkalag megalapozott kapcsolt modelleket. J.S. Ha és társa szntén a szekunder hűtés és a khajlás kapcsolatát vzsgálták [2.2], egydmenzós, nem állandósult vszonyokra s érvényes hőátadás egyenlettel. A szekunder zónában mnden támgörgőnél megkülönböztetk a támgörgőkkel való érntkezés, a vízhűtés tartományát, valamnt a kettő közé eső, sugárzással jellemezhető szakaszt. Az ANSYS kereskedelm szoftverrel számított khajlás becsült értéke szolgált a hőtan modell valdálására. Ez a ckk arra mutat példát, hogy sok esetben magának a hőtan modellnek az ellenőrzése sem oldható meg drekt módon, hanem csak a hőtan modell alapján becsült jellemzőkön keresztül jelen esetben ez a khajlás, közvetve. F. Kavcka és társa [2.3] a folyamatos öntés állandósult és nem állandósult állapotára vontkozó matematka modelleket fejlesztettek k. Nagy hangsúlyt fektettek a hűtőfúvókák geometrájától (szórásképétől), a vízmennységtől, a levegő nyomástól (víz-levegő fúvókák esetén), az elrendezés vszonyoktól és az öntés sebességtől függő felület hőátadás együttható (HTC heat transfer coeffcent) eloszlásának meghatározására. A számítás eredmények W alakú olvadéktócsa kalakulását bzonyították, mely egyértelműen a hűtővíz eloszlás sajátosságaval magyarázható. A ckk alapján állítható, hogy a hűtőfúvókák megfelelő, realtást közelítő szórásképének smerete elengedhetetlen a megbízható eredményeket szolgáltató hőtan modell megalkotásához. A hőtan matematka modellnek a folyamatos öntés optmalzálására való felhasználhatóságát demonstrálja C.A. Santos és társa munkája [2.4]. A tanulmány érdekessége, hogy kétdmenzós véges dfferenca módszert alkalmaznak a hőtan modell megalkotásához. Az optmalzácóhoz hat feltételt, lletve feltétel rendszert defnálnak, a megoldás genetkus 11

12 algortmussal történk. Az optmalzácós szempontrendszer meghatározása ebben az esetben csak a hőtan vszonyokra, lletve az abból levezetett technológa alapjellemzőkre (pl. tócsamélység, felület hőmérséklet a kegyenesítés tartományában) terjed k. Megjegyzendő ezzel kapcsolatban, hogy a COST 526 akcó ( Automatc Process Optmzaton n Materals Technology (APOMAT) Workng Group 2 Lqud-Sold Processng ) melynek munkájában volt szerencsém részt venn, többek között szntén a folyamatos öntés optmalzácójának kérdésével foglalkozott. A szakma bzottság közös véleményeként az fogalmazódott meg, hogy a teljes technológa folyamatra kterjedő optmalzálást (pl. a felület repedésérzékenység, a középvonal dúsulás csökkentését célzó optmalzálás) a tulajdonságokat kelégítően előre jelző modellek hánya akadályozza. Végezetül két RFCS (Research Fund for Coal and Steel, korábban ECSC) projektet említünk meg [2.5, 2.6]. Mndkettő a folyamatos öntés matematka modellezésének élvonalába tartozó európa kutatóhelyek és acélművek együttműködésében megvalósult kutatás projekt eredményet mutatja be. A tanulmányokban több példát lehet találn a termkus és az olvadékáramlás modell összekapcsolására, de az elemzés csak az öntött szálnak azon részében valósítható meg, ahol a szál középvonalában még olvadék (nem pedg a kétfázsú mushy zóna) található. Ezen a ponton meg kell említen az Európában elsmert hírű, a folyamatos öntés termkus és áramlás folyamatanak modellezésére ajánlott CALCOM szoftvert, mely szntén a tszta olvadékok tartalmazó tartományban kalakuló vszonyok előrejelzésére hvatott. Ezek a szoftverek, modellek elsősorban a beömlés következtében a krstályosító környezetében kalakuló áramlás feltérképezésére alkalmasak, és nem használhatók a középvonal dúsulás szempontjából kemelkedő jelentőségű mushy szakaszon kalakuló olvadékmozgás becslésére. Ugyancsak lehet példát találn az RFCS tanulmányokban a termkus és mechanka, sőt esetenként áramlás modellek összekapcsolására. A Laben (Parque Tecnologco de Bzkaa) által kfejlesztett hármas kapcsolt modell a krstályosító falában és a szlárd kéregben uralkodó feszültségek, zsugorodások és alakváltozások nyomon követésére alkalmas, melynek alapján a krstályosító és a szlárd kéreg között hőátadás vszonyok becsülhetők. Hasonló célból kapcsolták össze az ABAQUS és a FLUENT szoftvereket. A jelenleg futó DEFFREE Integrated models for defect free castng című (European Comsson, Research Programme of the Research Fund for Coal and Steel) projekt megvalósításában a Helsnk Unversty of Technology (FI), a Centro Svluppo Materal SpA (IT), a Betrebsforschungsnsttut (DE), a Cogne Acca Specal SpA (IT), a duferco La Louvère S.A. (BE) és az ISD DUNAFERR Duna Vasmű Zrt. (HU) mellett a Óbuda Egyetem Bánk Donát Gépész és Bztonságtechnka Kara s részt vesz. A projekt szakma kdolgozásában, ez utóbb ntézményt én képvselem. A tevékenység célja többek között a középvonal dúsulás becslésére szolgáló ntegrált modell kfejlesztése. 2.1 A termkus modell Az előző fejezetből ktűnk, hogy a folyamatos öntés hőtechnka modellezésének megbízható matematka és szoftveres hátterét lényegében teljesen kdolgozták az elmúlt két évtzedben. A dermedés folyamat mely az alkalmazott prmer és szekunder hűtés eredményeként az öntött szál szlárd kérge fokozatosan vastagodk korrekt matematka leírása érdekében termkus szempontból az alább két kérdéskör matematka kezelésének megoldása szükséges: az olvadt és szlárd állapotú fém termkus vselkedés szempontjából lényeges jellemzőnek és ezek hőmérsékletfüggésének smerete, valamnt 12

13 az öntött szál felületét érő hűtőhatások megfelelő fgyelembevétele és ezek alapján a hőmérséklet mező és a krstályosodás előrehaladásának meghatározása. A matematka modellezéshez két a kívánalmaknak megfelelő alapszoftvert szereztünk be, mndkettő fejlesztését a Helsnk Unversty of Technology Department of Metallurgy munkatársa koordnálták. Az IDS (Interdendrtc Soldfcaton) szoftver az acélok hőmérsékletfüggő fzka jellemzőnek meghatározására szolgál a kéma összetétel függvényében, és ez utóbb tekntetében nagyjából lefed az ISD DUNAFERR Duna Vasmű Zrt.-ben gyártott acélok választékát. A számítások elmélet alapja és a gyakorlat alkalmazás részlete megtalálhatók [2.7,2.8] tanulmányokban. A szoftver az Fe-C-X több komponensű rendszerre vonatkozóan, egyensúly, közel egyensúly, vagy nem egyensúly vszonyokra érvényes feltételek között a krstályosodás folyamat részletes elemzését, valamnt a fzka, hőtan jellemzők értékét, lletve azok hőmérsékletfüggését szolgáltatja eredményül. A folyamatos öntés során a prmer és szekunder hűtés vszonyok okozta változások meghatározására a TEMPSIMU szoftvert alkalmaztuk [2.9, 2.1]. Ez a szoftver a folyamatos öntés állandósult állapotára vonatkozóan (amkor az öntés paraméterek az dő függvényében nem változnak) lehetőséget ad az öntött szálban kalakuló hőmérséklet-eloszlás és ennek alapján a krstályosodás előre haladásának meghatározására az öntött acél éppen aktuáls termkus jellemzőnek fgyelembe vétele mellett. A TEMPSIMU alapszoftver az öntött szálat az öntés rányra merőlegesen két-dmenzós szeletekre osztja és az egyes szeletekre végeselemes módszert alkalmaz a hőmérsékletmező meghatározására. Az [2.1] hvatkozásban foglaltakhoz hasonlóan a TEMPSIMU s elhanyagolja az öntés rányba eső hőtranszportot, de támgörgők és hűtőfúvókák környezetében megkülönböztet az érntkezés, vízhűtés és sugárzás szakaszt. Időközben elkészült a TEMPS3D szoftver s, mely a két-dmenzós szeletekre adódott megoldáshalmazból megfelelő korrekcókkal három-dmenzós megoldást állít elő. A jelen összefoglalóban smertetett összes számítás a három-dmenzós korrgált eredményekre épül. Megjegyzendő, hogy a két-dmenzós és a három-dmenzós megoldás sznte mnden eredményében nagyon közel áll egymáshoz, vagys az axáls hőtranszport első közelítésben ténylegesen elhanyagolható. Lényegében egyetlen jellemző értéke változk meg érzékelhetően a korrekcó eredményeként: az öntött szálon belül a lkvdusz hőmérséklet pozícója, vagys a lkvduszra értelmezett krstályosodás front helyzete. A TEMPS3D adatara épül a CASIM3D szoftver, ez a nem állandósult vszonyok elemzésére és előre jelzésére szolgál. Az elmúlt évek során kterjedten foglalkoztam a nem állandósult vszonyok vzsgálatával s, de ennek bemutatására terjedelm okok matt az értekezésben nem térek k. A termkus modellel kapcsolatos saját kutató-fejlesztő tevékenység a fent kereskedelm szoftvereknek egy adott öntőgépre, lletve technológára való adaptálását, lletve a modell által szolgáltatott eredmények ellenőrzését jelentette. A kutatás tevékenység menetét és főbb eredményet az [S.2.1-S.2.5] publkácókban smertettük. A matematka modellezésből adódó eredmények megbízhatóságának egyk sarokpontja a szoftver megfelelő, az adott öntőgép működését reprezentáló bemenet adatokkal való feltöltése (a szükséges adattípusok defnálása, az üzem adatok összegyűjtése, feldolgozása, a szoftverhez lleszkedő nput adatstruktúra létrehozása, stb.). A modell alkalmazásának bevezetése, a bemenő adatok előkészítése, rendszerezése, felülvzsgálata alapvetően az én feladatom volt. A következő felsorolás defnálja a modellezéshez szükséges bemenet adathalmaz műszak tartalmát. 13

14 Az öntőgép felépítése, a krstályosítók mérete, támgörgők elhelyezkedése, azok típusa, mérete, hűtőfúvókák elhelyezkedése, azok típusa (az üzem adatok bekérése, ellenőrzése, értelmezése, feldolgozása), az egyed hűtőfúvókák vízeloszlás képe (fellelhető katalógus adatok és vízeloszlás mérések kértékelése alapján a relatív hűtés vízeloszlás függvények meghatározása mnden hűtőfúvóka típusra), hűtőfúvóka sorok vízeloszlás képe (az egyed fúvókák relatív vízeloszlásának megfelelő varácókban történő összegzése), zónánként és soronként vízmennység eloszlás, prmer kör hűtővíz mennység (a szekunder hűtés stratégák és technológa megoldások matematka megfogalmazása), egyéb technológa adatok pl. túlhevítés, öntés sebesség, hűtés ntenztás eloszlás a krstályosítón belül (a öntés gyakorlatban előforduló esetekre vonatkozó alapadatok rendszerezése, elemzése, tpzálása), modellezés adatok: lemezbuga méret adatok, hálófelosztás a széles és a keskeny oldal mentén (a gyakorlatban előforduló bugatípusokra az előzetes számítás tapasztalatok alapján az optmáls hálóosztás meghatározása), tesztfuttatások eredményenek értelmezése (a számítások elvégzése, szükséges korrekcók elvégzése, stb.). A valós vszonyokat közelítő bemenő adatsorok pontosítása több lépésben, a tesztfuttatások és a korrekcók egymást követő cklusaban alakult k. E folyamat eredményeképpen végezetül előállt a hétféle lemezbuga méretre vonatkozó bemenet adatsor halmaz. A termkus folyamatok matematka modellezés eredményet néhány jellegzetes példán keresztül mutatom be. Tekntsük először a 2.1 ábrát, mely defnálja az eredmények értelmezéséhez szükséges megfelelő koordnáta tengelyeket. A lemezbuga dermedésének nyomon követéséhez a szmmetrák matt elegendő a térfogat egynegyed részében történő folyamatok modellezése (sötétszürke tartomány az ábrán). Y1 Y2 X2 X1 Öntés Irány Z2 Z1 Z3 2.1 ábra Vázlat a lemezbuga modellezéséhez 14

15 A szekunder vízhűtés, valamnt a geometra adatok brtokában leírhatóvá vált a szál dermedését alapvetően befolyásoló szekunder hűtővíz eloszlás. A 2.2 ábra a lemezbuga széles oldalának felére, az öntött szálnak a menszkusztól számított 2 és 4 méter közé eső szakaszára vonatkozóan mutatja be példaként a lemezbuga felületére jutó fajlagos szekunder hűtővíz mennység eloszlását. Hűtővíz mennysége, l/mm/sec Távolság, m Távolság, mm 2.2 ábra Hűtővíz eloszlás a széles oldalon 2 és 4 méter között ( = sarok pozícó, 65 = széles oldal középvonala) A bemenő adathalmaz brtokában a hétféle bugaméretre és tetszőlegesen de bzonyos korlátok között megadott öntés paraméterek mellett meghatározható a lemezbuga teljes (3D-s) hőmérséklet-eloszlása. A hőmérséklet adatokból közvetlenül az alább gyakorlat jellemzők származtathatók: felület hőmérséklet-eloszlás hosszrányban (öntés rányban) a következő pozícókban: széles oldal középvonala, keskeny oldal középvonala, sarok, hőmérséklet-eloszlás hosszrányban a lemezbuga szmmetratengelyében, szlárd kéreg vastagsága (lkvdusz és szoldusz hőmérsékletek pozícója) hosszrányban a széles oldal középvonalának pozícójában, felület hőmérséklet-eloszlás a menszkusz sznttől adott távolságra a széles és a keskeny oldalon keresztrányban, szlárd kéreg vastagsága (lkvdusz és szoldusz hőmérsékletek pozícója) a lemezbuga keresztmetszetében adott távolságra a menszkusz sznttől. A fentek közül példaként a felület hőmérséklet-eloszlást és a szlárd kéreg növekedését llusztrálja a 2.3 és a 2.4 ábra. 15

16 Folyamatosan öntött szál hőmérséklete mag Hőmérséklet, C x középtávolság y középtávolság sarok Menszkusztól mért távolság, m 2.3 ábra Az öntött szál jellegzetes pontjara számított hőmérsékletek a menszkusztól számított távolság függvényében 12 1 Kéregvastagság, mm szolduszra számított lkvduszra számított Távolság a menszkusztól, m 2.4 ábra A szlárd kéreg növekedése a széles oldal szmmetra síkjában a menszkusztól számított távolság függvényében A termkus folyamat matematka modellezésének egyk első eredménye annak felsmerése volt, hogy a krstályosodás nem a lemezbuga középvonalában, hanem a keskeny oldalak közelében, szmmetrkusan két zónában fejeződk be. W alakú olvadéktócsa előfordulását a szakrodalom s említ [2.3]. A jelenség azzal magyarázható, hogy a buga középvonalát fajlagosan nagyobb vízmennység ér, mnt a széles oldal szélső, a keskeny oldalakhoz közelebb fekvő tartományat. Ennek eredményeképpen a szoldusz hőmérséklet (vagys az 16

17 olvadéktócsa alakja) a keresztmetszetben W formácót mutat, mely egyenes következménye az lyen jellegű széles oldal kereszt- és hosszrányú hűtés ntenztás eloszlásnak. A széles oldal ment és az öntés rányú fajlagos hűtővíz eloszlás tekntetében a fent okok matt részletesebb elemzést s végeztünk. A 2.5 ábra az egyed hűtőfúvóka sorokon a lemezbuga felületére jutó összegzett szekunder hűtővíz eloszlás alakulását ábrázolja. Lényegesen nem változk a hűtővíz eloszlás képe a szélesebb lemezbugák öntése során alkalmazott kegészítő hűtőkeretek (A és B) működésével sem (2.6 ábra), a hűtővíz zöme a középvonal tartományra jut. Egy tpkus, a lemezbuga hosszrányára meghatározott (öntés rány) szekunder hűtővíz eloszlás kép látható a 2.7 ábrán. Az elemzés és a modellezés egyk hosszútávú célja a bemutatott szekunder hűtővíz eloszlás és az olvadéktócsa alakja között kapcsolat feltárása, ezen keresztül az U tócsaalak megközelítéséhez szükséges feltételrendszer defnálása. A termkus modell alapján ez a kérdés elvleg megválaszolható, de mnt az vlágosan kderül a később fejezetekből, emellett egy sor egyéb korlátozó szempont fgyelembe vétele s szükséges. Az egyes hűtősorok halmozódó vízeloszlása a buga széles oldala mentén 1,2 1 Vízmennység, l/perc/1 mm,8,6,4, Távolság a buga középvonalától, mm 2.5 ábra Az egyed fúvókasorokon klépő hűtővíz mennységek összegzett eloszlás függvénye Összefoglalva elmondható, hogy a krstályosodás folyamat termkus modellezésének eredményeként a technológára vonatkozó smeretek bővültek, rendszereződtek. A szál belsejében lezajló krstályosodás hőtan jellegzetessége tsztázódtak és lehetőség nyílt az öntés teljesítményt behatároló jellemző, az olvadéktócsa mélységének az eddgeknél pontosabb becslésére. A termkus folyamatok modellezése azon kívül, hogy az egyéb részfolyamatok modellezésének alapját s jelent erőteljesen támogatta az öntés technológa felülvzsgálatát célzó üzem fejlesztéseket s. Ennek keretében került sor többek közt a részvételemmel a teljes öntés spektrum áttekntésére, melynek eredményeképpen átlagosan mntegy 15 %-al növelhetővé vált az öntés teljesítmény [S1.6]. Ugyanakkor a modellezés eremények kjelölték azokat az rányokat és beavatkozás pontokat, amelyeken keresztül tovább fejlesztések s megvalósíthatók. 17

18 Összes vízmennység eloszlása a buga széles oldala mentén 1,2 Szekunder hűtővíz mennység, l/perc/1 mm 1,,8,6,4,2 +A +A+B, Távolság a buga középvonalától, mm 2.6 ábra Összegzett hűtővíz eloszlások a különböző bugaméretekhez tartozó hűtés rendszerekkel Szekunder hűtővíz eloszlás a buga hossza mentén 12 1 Vízmennység, l/perc A AB Távolság a menszkusztól, mm 2.7 ábra Öntés rányú hűtővíz mennység eloszlások a különböző bugaméretekhez tartozó hűtés rendszerekkel 2.2 A hőtan modell ellenőrzése A folyamatos öntés technológájának velejárója, hogy a krstályosodásra vonatkozó, közvetlenül lényeg nformácót szolgáltató mérés lehetőségek száma és ezzel együtt a hőtan modell ellenőrzésének lehetősége s gen korlátozott. Ez a megállapítás elsősorban a szlárd kéreg növekedés ütemének ellenőrzhetőségre vonatkozk, ugyanakkor az összes olyan folyamatra s érvényes, mely a lemezbuga szlárd kéreggel elzárt belsejében zajlk (pl. olvadékáramlás, makrodúsulás, poroztás képződés, belső hbák kalakulása, stb.). A lemezbuga külső felületének hőmérséklet mérése egyszerűbbnek és kvtelezhetőbbnek tűnk, de az öntött szálat támasztó támgörgők, a támgörgők között hűtővíz és gőz, valamnt a felület reve jelenléte a gyakorlatban megnehezít a pontos és megbízható mérést. Ennek következtében mnden lyen jellegű mérés megvalósítása meglehetősen nehézkes és természetesen drága. Ezen a ponton utalunk az [2.2] hvatkozással kapcsolatosan már említett, a támgörgők között khajlás mérésén keresztül végzett valdálásra. (Megjegyzendő, hogy a khajlás üzem mérése komoly méréstechnka problémákat vet fel. 18

19 A hőtan matematka modell ellenőrzésére egy zotópos vzsgálatsorozat nyújtott lehetőséget, mely a szlárd kéreg növekedés ütemének meghatározását célozta. A szakrodalomban par körülmények között végzett hasonló méréssel nem találkoztunk. A mérés lényege, hogy adott dőpllanatban a menszkusz szntjén zotópot (foszfor) adagolnak az olvadéktócsába, melynek burkolata előre tervezhető mélységben a kapszula tartalmával együtt az acélolvadékban feloldódk. Az zotóppal szennyezett olvadék a krstályosodás frontg tud eljutn, de a kísérletek előtt nem volt vlágos, hogy a mushy zónába s be tud e hatoln, vagy sem. A lemezbugák keresztmetszetenek utólagos vzsgálatával az zotóppal szennyezett és nem szennyezett anyagrész kontúrja, sőt a foszfor, mnt nyomjelző használatának eredményeképpen a lemezbugák dendrtes szerkezete s megállapítható az zotóppal szennyezett részen. 21-ben a DUNAFERR Rt. Acélművek Kft.-je zotópos nyomjelzéses olvadéktócsa mélység mérés sorozatot rendelt meg az MTA Izotópkutató Intézetétől. Ezt a lehetőséget gyekeztünk maxmálsan khasználn a modell tesztelésére. A kísérletek során rögzítették az üzem hőmérsékletmérő egység (lne scanner) adata s, mely gaz, csak az utolsó támgörgő és az első húzóhenger között, vagys a dermedés folyamat befejeződése után (11,3 m-re a menszkusz szntje alatt) mér a szálak keresztrányú hőmérséklet eloszlását. Ebben a munkában a kísérletre kválasztott hat adag lemezbugának gyártás technológa adatok alapján történő termkus modellezése, valamnt a modellezés és mérés eredmények (elsősorban kéregvastagság és felület hőmérséklet adatok) összevetése és értelmezése volt a feladatom. Az zotópos vzsgálat adatok és a matematka modellezés eredményenek összehasonlításából adódó egyk fontos eldöntendő kérdés arra vonatkozott, hogy az olvadékban feloldódó zotóp mlyen mértékben tud bejutn a kétfázsú pépnemű (mushy) zónába. Az zotópos felvételek és az eredmények előzetes elemzése alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az zotóppal szennyezett olvadék határfelülete alapvetően a lkvdusz hőmérsékletnek megfelelő határvonalat jelöl k. Ennek eredménye az, hogy az zotópos mérések alapján 4-6 m között tócsamélység adódott, szemben a valód, szolduszra számított tócsamélység 8-11 m között értékével. A termkus modell alapján meghatározott lkvdusz hőmérséklet pozícók jó egyezést mutatnak az zotópos mérés adatokkal. A 2.8 ábrán példaként bemutatjuk a 3. kísérletre vonatkozó eredményeket. Az ábrán a menszkusz sznttől különböző távolságokban az zotópos nyomjelzés alapján meghatározott szlárd kéreg vastagság adatok láthatók a termkus modell alapján számított lkvduszra és szolduszra vonatkozó kéregvastagság növekedés függvényekkel együtt. Az zotóppal szennyezett lemezbugák keresztmetszetének vzsgálata lehetőséget nyújt a lkvdusz felület, azaz a lkvduszra számított kéregvastagság keresztrányú (öntés rányra merőleges) ellenőrzésére s. A szmmetrák matt a modellezést elegendő a lemezbuga egynegyedére végezn (lásd 2.1 ábra), a lemezbuga keresztmetszetén vszont mnd a négy negyed vzsgálható volt. Ennek eredményeként a 2.9 ábra egy számítás eredménysort (lkvdusz és szoldusz pozícók) és négy mérés eredménysort (a lemezbuga négy negyedén meghatározott kéregvastagság változása) tartalmaz. 19

20 12 Kéregvastagság, mm sol lq zot. mért Mért és számított kéregvastagság adatok (3. kísérlet) Távolság a menszkusztól, m 2.8. ábra A termkus modell alapján meghatározott lkvdusz és szoldusz görbék, valamnt az zotópos méréssel meghatározott lkvdusz pozícók a menszkusz sznttől való távolság függvényében Kéregvastagság, mm x lq sol átlag bal felso bal alsó jobb felso jobb alsó Távolság a keskeny oldaltól, mm 2.9 ábra A termkus modell alapján számított és az zotópos mérésekből megállapított lkvduszra vonatkozó kéregvastagság az öntés rányra merőlegesen a széles oldal mentén A kísérlet adagok lemezbugán mért és a termkus modell segítségével meghatározott átlagos felület hőmérsékletek összehasonlítását segít a 2.1 ábra. A hőmérséklet értékeket az utolsó támgörgő és az első húzóhenger között, a menszkusz szntjétől 11,3 m-re mértük. A méréssel meghatározott hőmérséklet átlagértékek általában a számított értékeknél valamvel ksebbek, ez az eltérés a felület reve jelenlétének tulajdonítható. A 4. mérés közben öntés sebesség megváltozott, ezért ebben az esetben két pont reprezentálja a számított felület hőmérséklet átlagértéket. Összességében, a kísérlet körülmények és eredmények kértékelése alapján az a következtetés volt levonható, hogy a folyamatos öntés termkus folyamatanak matematka 2

21 modellezésével a valós kéregnövekedés vszonyok jó közelítéssel leírhatók. Ugyanakkor fgyelembe kell venn, hogy az zotópos nyomjelzéses kísérletek és természetesen a modellezés eredményenek pontosságát s számos tényező befolyásolhatja Mért Számított Szam. v=,45 m/perc 9 Homérséklet, C-fok ,3 m-nél mért és számított homérséklet adatok Kísérlet sorszáma 2.1 ábra A lemezbuga mért és számított felület átlaghőmérsékletének alakulása az zotópos kísérlet öntések esetében 2.3 A termkus modellből származtatott tovább jellemzők A lemezbugát jellemző hőmérséklet adathalmaz feldolgozása egy sor egyéb lényeges paraméter meghatározására és az egyes öntés technológák összehasonlítására szolgáló értékelő rendszer kdolgozására s lehetőséget adott. Ez utóbb kértékelő és összehasonlító rendszer keretében olyan függvényeket defnáltunk, melyek támpontot szolgáltatnak a technológa megfelelőségnek eldöntéséhez, lletve a technológa módosítások rányának kjelöléséhez. Az elemzések elvégzéséhez saját szoftvert készítettem, mely a kértékelés rendszer alább smertetett főbb paraméteret határozza meg. A kértékelés rendszer működését egy konkrét példán keresztül a vonatkozó dagramok bemutatásával teszem szemléletessé. Felület hőmérséklet eloszlás jellemzése az X1Z1 és Y1Z1 síkokban A lemezbuga felület hőmérséklet eloszlása a hely függvényében folyamatosan változk és ez összetett hőmérséklet mezőt eredményez. Példaként a 2.11 ábrán egy egyméteres bugaszakasz számított felület hőmérséklet eloszlását mutatjuk be mnd a széles oldal, mnd a keskeny oldal felére vonatkozóan (jelölések az 2.1 ábrán). Az összetett hőmérséklet eloszlás jellemzésére olyan paramétereket defnáltunk, melyek a lemezbuga felület pontjanak termkus történetét reprezentálják. Vegyünk egy pontot a lemezbuga felületén a hűlés folyamat kezdetén, vagys éppen a menszkusz sznten. Kövessük végg ennek a pontnak a termkus történetét, ahogy áthalad a krstályosítón, majd a szekunder hűtőzónán, egészen addg, míg el nem jut az öntőgép végég, ekkor a 2.12 ábrán látható dagramhoz jutunk. Ezen egy pont termkus történetét a 2.13 ábra alapján az alább paraméterekkel jellemezhetjük: 21