Folyamatosan öntött lemezbugák középvonal dúsulása és következménye MTA doktor értekezés tézse dr. habl. Réger Mhály Budapest, 2010
I. Bevezetés, célktűzés A lemezbugák folyamatos öntésének célja megfelelő összetételű, méretű, alakú 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 dúsulásos 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 (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 berendezésenek, lletve az azon alkalmazott technológának kell bztosítan 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 tíz évben végzett kutatás munkám közvetve, vagy közvetlenül kapcsolatban áll a középvonal dúsulás kalakulásával, és az egyes részterületeken elért eredmények önmagukban s értelmezhetők. 2
A kutatómunkám alapvető célja a folyamatos acélöntés reáls, üzem gyakorlat vszonya között a lemezbugában kalakuló középvonal dúsulás csökkentés lehetőségenek feltárása, valamnt ennek smeretében a várható dúsulás mérték számszerűsíthető előrejelzése. A problémakör reáls vszonyok között megközelítéséhez szükséges az öntés folyamatát befolyásoló, par körülmények között működő hatások széleskörű smerete és fgyelembe vétele. Ezek közül kemelem az öntött szál szlárduló kérgét érő deformácós hatást, 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 sokoldalú fgyelembevétele volt, mvel a tapasztalatok szernt a gyakorlat öntés feltételrendszerében ez a tényező befolyásolja a legnagyobb mértékben 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. II. A kutatás tevékenyég összefoglalása II.1. A folyamatos öntés matematka modellezése, számítógépes szmulácója Az acélok folyamatos öntése vlágszerte széles körben alkalmazott tömeggyártás technológa. Ennek ellenére a komplex folyamat matematka modellezésének, számítógépes szmulácójának eredménye alapján a termékmnőség előrejelzése a jelenleg smeretenk szernt 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 [II.1.1-II.1.3]. A nehézségeket fokozza az a körülmény, hogy a folyamatosan öntött lemezbuga alakja, a vastagság, szélesség és hosszúság vszonyszáma a számítógépes szmulácó szempontjából nem kedvezőek. Hagyományos méretű lemezbugák esetén az öntött szál öntés rányban vertkáls gépeknél mntegy 10 3
méter, ívelt öntőgépeknél 25-30 méter hosszúságú, vastagsága 200-240 mm, szélessége pedg általában 800-1600 mm között. Tovább nehézséget jelent a szmulácó által szolgáltatott eredmények ellenőrzése, mvel a krstályosodás egy kívülről nehezen vzsgálható rendszerben, a lemezbuga belsejében történk. Ismeretenk szernt az öntéstechnológa paraméterek, a technka, gépészet adottságok 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 munkámban fgyelembe vettem mnden olyan lényeges hatást, 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 kényszerültem, elsősorban az egymással kölcsönhatásban álló folyamatok elemzésekor. Például az öntött szál dermedése és lehűlése kelégítő pontossággal 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. 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 4
összefoglalta a Permeablty n the Mushy Zone című átfogó előadásában a legutóbb Soldfcaton and Gravty konferencán [II.1.4]. Ez a példa egyúttal rávlágít az alkalmazott kutatás és az alapkutatás szoros kapcsolatára s. II.2. A középvonal dúsulás jellegzetessége A szakrodalom és a mérésenk, tapasztalatank alapján a lemezbugák középvonal dúsulása részben a makrodúsulással, részben a megszlárduló olvadék zsugorodásával, apró fogyás üregek képződésével kapcsolatos jelenség (ez utóbbt az acélok folyamatos öntésével foglalkozó szakrodalom poroztásnak nevez). 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. H. Jacob részletesen tárgyalja a makrodúsulás és a poroztás vzsgálat lehetőséget a lemezbugák belsejében [II.2.1]. Megállapítja, hogy a poroztás a lemezbuga szélessége és hosszúsága mentén egyaránt változk. Ez azt jelent, hogy a lemezbuga hosszrányában két egymást követő keresztmetszet síkban nem feltétlenül sőt a később smertetett tényezők alapján állítható, hogy bzonyosan nem teknthető azonos mértékűnek a poroztás (a pórusok mérete, mennysége, eloszlása). G. Lesoult áttekntő ckket közölt a makrodúsulás témaköréről [II.2.2]. Japán kísérlet adatokra támaszkodva elemz az olvadékmag redukcó és a karbon középvonal dúsulás ndexe között függvényt, mely mnmumos jellegű. Ennek alapján az olvadékmag redukcó mértéke optmalzálható, értéke mntegy 0,9 mm/m. Megerősít, hogy a dúsulás ndex erőteljes, közel 60 %-os ngadozást mutat öntés rányban a vzsgálat helyének függvényében. A makrodúsulás kalakulásával kapcsolatosan megállapítja, hogy meghatározásának 5
egyrészt a krstályosodás folyamatok, másrészt a mushy zónában, mushy szakaszon kalakuló tömegáramlás smerete a feltétele. Ckkének utolsó szakaszában megjegyz, hogy a lemezbugák középvonal dúsulásának kézbentartásához mndenképpen szükség van a mushy zóna szlárduláshoz közel állapotának reálsabb smerete. 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 (az értekezésben ezt a kfejezést használom, mvel megfelelő magyar nyelvű szakkfejezés ezdág nem honosodott meg a mushy állapotra). A szál ezen részét a következőkben a tárgyalás egyszerűsítése végett mushy szakasznak nevezem. 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 olvadékáramláshoz és így makrodúsuláshoz vezet. (A szlárd kéreg ferrosztatkus nyomás okozta khasasodásának jelensége, nem teljesen szerencsésen khajlás néven honosult meg a magyar szaknyelvben. A továbbakban khajláson ezt a deformácót értem.) Lényeges, hogy a mushy zónában az olvadék keveredés és utánpótlás lehetősége drasztkusan csökken a szlárd fázs térfogatarányának növekedésével. 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. A középvonal dúsulással kapcsolatos egyk nehézség mndjárt magának a fogalomnak a defnícójából, lletve a konkrét 6
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 kérdéskörrel Y. Tsuchda és munkatársa foglalkoztak részletesen szntén az olvadékmag redukcó bevezetése kapcsán [II.2.3]. A vzsgálat célja az volt, hogy a keresztmetszeten makromaratással megállapítható középvonal dúsulást, annak területét mkroelemzés adatokkal jellemezzék. Ez utóbb eredményekből megállapították, hogy a mangán és a foszfor dúsulása között hatványfüggvény jellegű összefüggés van. A maratott mntákon meghatározott, dúsult területarány és a foszfor dúsulás ndexe között gaz nagy szórással de szntén hatványfüggvény jellegű kapcsolat volt azonosítható. H. Presslnger [II.2.4]. összefüggést keresett a makrodúsulás mértéke és a poroztás között. Az optka emsszós vzsgálatok alapján a maxmáls és az átlagos ötvöző és szennyező tartalom (Mn, C, S, P) hányadosaként defnált makrodúsulás és a poroztás között gyenge lneárs kapcsolat adódott. Ez utóbb megállapítás arra utal, hogy a középvonal szegregácó makrodúsulás és poroztás képződés folyamata csak részben függenek össze. Megjegyzem, hogy a saját vzsgálata tapasztalatank s ugyanezt valószínűsítk. A szakckkekben smertetett vzsgálat módszer meglehetősen költséggényes, mvel sok ksméretű próba kmunkálását és részletes vzsgálatát gényl, így az par gyakorlatban nem terjedt el. Az acélgyártók általában olcsóbb, gyorsabb és automatzálható eljárást alkalmaznak, ezek a módszerek vszont kevésbé számszerűsíthető nformácókat 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 7
(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 a módszerekkel a középvonal dúsulás megléte, lletve hánya általában könnyen eldönthető, a mérték megítélése vszont meglehetősen szubjektív. A középvonal dúsulás meghatározására vonatkozó nemzetközleg elfogadott egységes eljárás tehát nem alakult k, az üzemek a saját gyakorlatuk és tapasztalatak szernt mnősítk a termékeket, lletve döntenek annak felhasználhatóságról. II.3. A matematka modellek és a szmulácó alapelve, jellegzetessége 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 értekezésben 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 kelégítő pontossággal meghatározható (pl. tócsamélységek, gradensek, hűlés sebességek) [II.3.1-II.3.5] és ezek alapján, pl. a mkroszerkezetre vonatkozóan tovább következtetések s levonhatók (prmer dendrtág távolság, szekunder dendrtág távolság, oszloposegyenlőtengelyű 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 értekezésben részletesen tárgyalom ezt a 8
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 relatíve erős korrelácós kapcsolatot állapítottam meg a zsugorodás üregek összmennységét jellemző számérték és az üzem mérések során meghatározott középvonal dúsulás ndex között. A matematka modell segítségével kmutattam, hogy a folyamatos öntés körülménye között a szabad olvadékáramlás (vagys a krstályosodás zsugorodás kompenzálásához szükséges olvadék utánpótlásának lehetősége) a mushy zóna mntegy 30 %-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. Erre alapozva tovább következtetéseket s megfogalmaztam. Mvel a szabad olvadék utánpótlás a fent említett határérték elérésekor megszűnk, így az értekezésben 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 ránya és nagysága tekntetében. Az értekezés a bemutatott modellek gyakorlat alkalmazásának lehetőséget s elemz állandósult (az öntés paraméterek az dő függvényében nem változnak) és nem állandósult (az öntés 9
paraméterek az dő függvényében változnak) öntés vszonyokra vonatkozóan. A számítás tapasztalatok szernt a középvonal dúsulás jellemzőt (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) befolyásolja. Az öntött szálnak a támgörgők között khasasodása (bulgng) szntén szerepet játszhat, de az előző tényezőkhöz képest ennek hatása a vzsgálatok szernt másodlagos. II.4. A középvonal dúsulás stabltása 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 [II.4.1]. Az értekezés erre a jelenségre, vagys a középvonal dúsulás stabltására vonatkozóan újfajta megközelítésből ad magyarázatot. A kísérlet munka során mesterséges középvonal dúsulásos szendvcs mntákat állítottunk elő, ezek hőkezelése és vzsgálata lehetőséget nyújtott a dffúzós folyamatokban az egyes elemek (pl. karbon és mangán) kölcsönhatásának különböző modellek [II.4.2-II.4.4] 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. 10
III. A kutatás tevékenység eredménye III.1. A kutatás munka eredményeként megfogalmazható új tudományos eredmények, tézsek A folyamatosan öntött acél lemezbugák krstályosodásával és annak középvonal dúsulásával kapcsolatos elmélet és gyakorlat kutató munkám során a következő, új tudományos eredményekre jutottam: 1. Módszert dolgoztam k az öntött szálnak az öntőgépben kalakuló vastagság méretének meghatározására. Az eddg alkalmazott megközelítésekkel szemben az új modell az par körülmények között az öntött szálra ható külső deformácós kényszerekből (nevezetesen a támgörgő résméret csökkentésből, támgörgők pozíconálás hbájából, kopásából, excentrctásából, valamnt a támgörgők között khajlásból) adódó vastagság méretváltozást s fgyelembe vesz. Az par körülmények között öntött lemezbugának a menszkusz sznttől számított h() távolságban érvényes vastagság értékének számítása céljából bevezettem a r = rnévl + Δrpoz + Δrexc + Δrbu lg (1.1) összefüggést, ahol - rnévl = f névl ( h( )) a névleges támgörgő fél résméret a menszkusz sznttől számított h() távolságban, a - Δ r f ( h( )) a beállítás hbák és kopás matt, poz = poz - Δ r f ( h( )) az excentrctás és csapágyhbák okozta, exc = exc - Δ r ( bu lg = fbu lg h( )) pedg a khajlásból adódó fél résméret eltérést reprezentálja a menszkusz sznttől mért h() távolságban. Az (1.1) szernt defnált r függvény megadja az öntőgépben lévő lemezbuga mnden vzsgált metszetében a külső deformácós kényszereket s magában foglaló realsztkus fél vastagság méretet. [T1, T2, T10, T11, T15, T17] 11
2. Számítás eljárást dolgoztam k a folyamatosan öntött lemezbuga krstályosodásából és lehűléséből adódó (külső deformácós kényszerek nélkül) kéregvastagság jellemzőnek meghatározására. A szál kényszer alakváltozás nélkül d tot, term fél vastagságát a menszkusz sznttől egy adott távolságban a d tot, term = d sol, term + d mush, sol, term + d mush, lq, term + d lq, term (2.1) összefüggéssel számítottam, ahol - d sol, term a teljesen szlárd kéreg, - d mush, sol, term a mushy szlárd fázsának, - d mush, lq, term a mushy olvadék fázsának, - d, pedg a tszta olvadékfázsnak a fajtérfogat változással lq term korrgált vastagság értéke. A (2.1) összefüggéssel defnált d tot, term megadja az öntött lemezbuga külső deformácós kényszerek nélkül, fajtérfogat változással korrgált fél vastagságát mnden vzsgált metszetben. [T1, T2, T5, T10, T11, T15, T17] 3. Módszert dolgoztam k a lemezbuga belsejében kalakuló olvadékmennység vszonyok általános jellemzésére. A számítás eljárás azon a koncepcón alapszk, hogy az öntés rányra merőleges rányban véges vastagságú szeletekre osztott lemezbugának a menszkusz sznttől h() távolságban lévő keresztmetszetében a várható Δd olvadékhány, lletve olvadék felesleg számszerű értékét az r (a reáls fél vastagságot megadó, külső deformácós kényszereket fgyelembe vevő függvény) és a d tot, term (külső alakváltozás kényszerek nélkül számított) függvény Δ = r d (3.1) d tot, term különbsége jellemz. A Δ d mennység felhasználásával defnáltam azt a síkban értelmezett és a ΔV = Δp ( h( ) h( 1)) /2 (3.2) korr 12
összefüggéssel számítható olvadékmennység változást, mely a lemezbuga egy vzsgált szeletében bekövetkezk, mközben a szelet az öntés során a menszkusz sznttől számított h(-1) távolságból a h() távolságg halad. A (3.2) összefüggésben Δp = C3 Δp, ahol C3 konstans és korr 1 Δp = Δd Δd. Bevezettem az LMI függvényeket és azokat a paramétereket, melyek a Δ V jellemző felhasználásával különböző tartományokban (szálszakaszokban) és feltételrendszerben kumulatív módon generálhatók. Az összegzés a szál egészére, bzonyos tartományara, előjeltől függetlenül, vagy az azonos előjelűeket szeparáltan kezelve s elvégezhető. Eredményesen alkalmaztam az LMI függvényeket az öntött szál belsejében kalakuló olvadékmennység vszonyok számszerű jellemzésére. [T1, T2, T5, T10, T11, T15, T17] 4. A folyamatosan öntött acél lemezbuga mushy szakaszának krstályosodásával kapcsolatosan az LMI matematka modellel végzett olvadékmennység számítás, valamnt az üzem kísérletek statsztka elemzés eredménye, lletve ezek összevetése alapján megállapítottam: az öntött szál mushy szakaszán belül azonosítható egy olyan mushy-olvadék / mushy-szlárd térfogatarány, melynek elérését követően a szál belsejében a zsugorodás kompenzálásához szükséges olvadék utánpótlás leállása detektálható. A folyamatos öntés vzsgált vszonya között a szabad olvadékáramlás akkor áll le, ha a mushy olvadéktartalom 30% alá csökken. Ez a mushy olvadéktartalom általában az öntött szál mushy szakaszának mntegy felénél található. [T17, T19, T20, T24] 5. Megállapítottam, hogy a mushy szakasz első felében (menszkusz rányába eső részben, ahol a mushy olvadéktartalom >30 %) az olvadék kényszeráramlása a domnáns folyamat. A mushy szakasz másodk részén (vágó sznt rányába eső részben, ahol a mushy olvadéktartalom <30 %) a krstályosodás zsugorodásból adódó 13
térfogatcsökkenés olvadékáramlással már nem tud kompenzálódn. Ebben a szakaszban a dendrtek között a zsugorodás mkroüregek (poroztás) képződése a meghatározó folyamat. [T17, T18, T19, T20, T24, T25] 6. A matematka modell alkalmazásával az öntött szál középvonal dúsulásában szerepet játszó mkroüregek kalakulás folyamatát és mennységét kvanttatív módon jellemeztem a poroztás függvénnyel. A számításhoz az öntés rányra merőleges rányban véges vastagságú szeletekre osztott lemezbuga modellt alkalmaztam. A poroztás függvény a mushy szakasz másodk részén, azaz a menszkusz sznttől számított h(g) és h(z) távolságok között értelmezett. A g és z értéke a következőképpen defnált: g a 30 % mushy olvadéktartalomhoz tartozó, a menszkusz sznttől h(g) távolságban lévő szelet sorszáma, z az első olyan szelet sorszáma, melyben a mushy olvadéktartalom zérus, vagys h(z) megegyezk a szolduszra számított tócsamélységgel. A poroztás függvény értéke a menszkusz sznttől számított h(n) távolságban (azaz az n-edk szeletben) az n LMI 7 ( n) = ΔV ( Δ <0) (6.1) = g V paraméter értékével azonos, ahol ΔV az -1 és -edk szelet között, síkban értelmezett olvadékmennység-különbség, melyre teljesül a g n z feltétel. Az LMI7(n) függvény a teljes értelmezés tartományra meghatározható, ha n tart z-hez. A poroztás függvénynek a teljes krstályosodás folyamat végére kalakuló végső értéke (n = z eset) jellemz a szál középvonal dúsult részén a dermedés után végső poroztást. Mnél ksebb a poroztás függvény végső értéke, annál ksebb poroztás várható a folyamatosan öntött lemezbugában. [T17, T19, T20, T24, T25] 14
7. Gyakorlatban előforduló öntés esetek (technológa és technka változatok) szsztematkus számítógépes szmulácója alapján arra a következtetésre jutottam, hogy a poroztás függvénnyel kvanttatív, az olvadékáramlás függvénnyel pedg kvaltatív (olvadékáramlás ránya, nagyságrendje) módon elemezhető az öntés paramétereknek (pl. öntés sebesség, túlhevítés, szekunder hűtés ntenztás, stb.) és az par körülmények között működő, külső kényszerből adódó deformácós jelenségeknek (résméret csökkenés, támgörgők beállítás hbája, kopása, excentrctása, a támgörgők között khajlás) a középvonal dúsulásra gyakorolt befolyása. A kdolgozott számítás módszer alkalmas az öntés paraméterek és a résméret csökkentés stratéga optmalzálására a várható középvonal dúsulás szempontjából. [T17, T19, T20, T22, T25] 8. A komplex matematka modellel végzett számítások eredményere alapozva kmutattam, hogy a lemezbuga végső poroztása alapvetően a támgörgők résméretének célszerű csökkentés ütemével befolyásolható. A támgörgők között khajlás a poroztás szempontjából másodlagos szerepet játszk. Ugyanakkor a lemezbuga mushy szakaszának felső részén kalakuló olvadékáramlás ránya és nagysága, így várhatóan a makrodúsulás mértéke s érzékenyen függ mnd a támgörgő résméret csökkentés ütemtől, a pozíconálás hbától, a támgörgők excentrctástól, mnd pedg a támgörgők között khajlás mértékétől. [T17, T19, T20, T22, T25] 9. Szsztematkus számítás sorozat elvégzésével bzonyítottam, hogy az összes támgörgő beállítás hbája, excentrctása, kopása és a támgörgők között khajlások szuperponálódott hatásának eredményeként a poroztás és várhatóan a makrodúsulás mértéke s az öntött szál hossza mentén még állandósult öntés vszonyok között s változk. A poroztás ngadozásának alsó és felső határát a gépészet paraméterek (támgörgő beállítás és annak hbá) smeretében becsültem. Egy szokásos méretű vertkáls lemezbuga 15
öntőgép esetén a támgörgők +/-0,2 mm-es excentrctása a középvonalban várható poroztás értékében mntegy +/- 25 %-os relatív ngadozást okoz. Az ngadozás véletlenszerűnek teknthető, mvel az egyed támgörgőkből adódó hatások asznkron módon összegződnek. [T17, T19, T20, T22, T25] 10. A középvonal dúsulás utólagos hőkezeléssel (homogenzálással) történő csökkentés lehetőségenek elemzésére matematka modellt dolgoztam k, melynek jellemzője, hogy a karbon dffúzóját az ötvöző elemeknek a karbon aktvtásra kfejtett hatását s fgyelembe véve írja le. A modellel a szerkezet acélokban kalakuló jellegzetes középvonal dúsulás (melyekben Mn és C dúsulás értéke általában 2-4-szeres) homogenzálás hőkezeléssel való megváltoztatásának lehetőséget vzsgáltam. Megállapítottam, hogy a középvonal dúsulás homogenzálással történő utólagos csökkentését a mangántartalom nem egyenletes eloszlása gátolja. A mangántartalom kegyenlítődésére a vonatkozó dffúzós tényező alacsony értéke matt sem a lemezbuga meleghengerlés előtt újrahevítése, sem a hengerlést követő homogenzálás során nncs számottevő lehetőség. Ha a mangántartalom nem egyenletes, akkor a karbontartalom sem egyenlítődk k, így a dúsult és nem dúsult tartományok között mnd a karbon-, mnd a mangántartalom tekntetében még több órás homogenzálás után s számottevő koncentrácó különbség detektálható. [T21, T23, T26-28] 11. Kísérlet és számítás eredmények alapján megállapítottam, hogy a mangánnak a karbon dffúzóra kfejtett fékező hatását Wyss cementálás kísérleteken nyugvó modellje alul-, a Hllert által kdolgozott, a Fe-Mn-C rendszerre felírt két alrács bevezetésén alapuló megközelítés pedg túlbecsül. A fékező hatás a Hllert féle modell és annak Huang által továbbfejlesztett változatából becsülhető mérték közé esk. [T21, T23, T26-28]] 16
III.2. Az új tudományos eredmények hasznosítása A kutatás eredmények hasznosítására közvetlenül az üzem technológatervezés és ellenőrzés területén került, lletve kerül sor jelenleg s. A folyamatosan öntött lemezbuga krstályosodás folyamataval kapcsolatos elmélet megfontolások, lletve számítás módszerek két különböző szmulácós szoftver formájában realzált komplex modellrendszerbe épültek be. Az egyk szoftver a folyamatos öntés állandósult állapotának matematka leírására szolgál. Jellegzetessége, hogy a lemezbuga hosszrányú alkotó mentén elvégzett két-dmenzós számítás módszer eredményeből a lemezbuga krstályosodás sajátosságanak három-dmenzós leírását adja. A másk szoftver a nem állandósult öntés vszonyok, eredményeként kalakuló jellemzők becslésére hvatott. A modell a lemezbuga széles oldalának középvonalára merőleges síkra vonatkozó eredményeket szolgáltatja az dő, lletve az dőben változó öntés paraméterek függvényében. Mndkét szoftver alkalmas a gyakorlat öntés vszonyok nevezetesen a támgörgő résméret csökkentés, támgörgők pozíconálás hbája, kopása, excentrctása, támgörgők között khajlás széleskörű fgyelembevételével a várható poroztás és olvadékáramlás sebesség függvények meghatározására. A szoftverek gyakorlat alkalmazására az ISD Dunaferr Duna Vasmű Zrt. folyamatos öntőművében par körülmények között került sor. Az elmúlt dőszakban ezzel a szoftver rendszerrel ellenőrzték az újonnan bevezetett B08-as jelű lemezbuga öntés paraméteret. Többek között e két szoftverre támaszkodva végzk azokat az újabb fejlesztéseket, melyek célja a folyamatosan öntött lemezbugák belső mnőségének javítása a folyamatos öntőmű támgörgő beállítás stratégájának felülvzsgálatával. 17
IV. Az új tudományos eredményeket tartalmazó publkácók [T1] Réger M, Szélg Á, Verő B, Magyar I, Králk Gy: Elmélet megfontolások az acélok folyamatos öntését kísérő térfogatváltozásokkal kapcsolatban, BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK-KOHÁSZAT 133:(1) pp. 2-6. (2000) [T2] Fehérvár G, Verő B, Réger M: Az acélok folyamatos öntésének termkus modellezése TEMPSIMU-programmal, BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK-KOHÁSZAT 134:(11-12) pp. 382-386. (2001) [T3] Réger M: Folyamatosan öntött szál belső szerkezetének jellemzése hőtan modell alapján, MŰSZAKI GAZDASÁGI KÖZLEMÉNYEK - DUNAFERR DUNAI VASMŰ RT XLI:(4) pp. 171-176. (2001) [T4] Réger M, Verő B, Fehérvár G, Szélg Á, H Kytönen, S Louhenklp: Folyamatosan öntött lemezbugák oszlopos és egytengelyű krstályosodása között átmenet, BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK-KOHÁSZAT 135:(4-5) pp. 109-114. (2002) [T5] Réger M, Verő B, Kytönen H, Louhenklp S: Mcrostructure Charactersaton of Contnuously Cast Stabs by Usng Heat Transfer Model, In: Proc. of 4th European Contnuous Castng Conference. Brmngham, Angla, 2002.10.14-2002.10.15., Brmngham: Insttute of Materals, pp. 969-978. [T6] Fehérvár G, Réger M, Verő B: Analyss of the Effect of Castng Parameters on Contnuous Steel Castng, MATERIALS SCIENCE FORUM 414-415: pp. 395-404. (2003) [T7] Réger M, Louhenklp S: Charactersng of the Inner Structure of Contnuously Cast Sectons by Usng of Heat Transfer Model, MATERIALS SCIENCE FORUM 414-5: pp. 461-469. (2003) [T8] Réger M: Practcal Method for Macrostructure Charactersaton of CC Slabs, In: Sarler B, Gobn D (szerk.), Proc. Of the Semnar EUROTHERM 69, Heat and Mass Transfer n Sold- Lqud Phase Change Processes. Ljubljana, Szlovéna, 2003.06.25, Ljubljana: pp. 171-179.(ISBN:961-6311-15-8) 18
[T9] Réger M, Louhenklp S: Effect of Some Technologcal Parameters on the Macrosegregaton of CC Slab, In: Int. Jublee Conference Budapest Poytechnc. Budapest, Magyarország, 2004.09.04, pp. 131-138. [T10] Réger M, Verő B, Csepel Zs, Szélg Á: Folyamatosan öntött bugák makrodúsulása, BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK- KOHÁSZAT 137:(5) pp. 9-13. (2004) [T11] Reger M, Vero B, Kytonen H, Louhenklp S, Szelg A: Macrostructure predcton of CC slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM 473-474: pp. 375-380. (2005) [T12] Réger M: Válasz Kaptay Györgynek. BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK-KOHÁSZAT 138:(5) pp. 14-18. (2005) [T13] Fehervar G, Reger M, Szelg A, Vero B: A folyamatos öntőgép krstályosítójában lejátszódó folyamatok fémtan vonatkozása, BÁNYÁSZATI KOHÁSZATI LAPOK-KOHÁSZAT 139:(5) pp. 1-6. (2006) [T14] Réger M, Verő B, Szélg Á, Szabó Z: Folyamatosan öntött lemezbugák 3D-s jellemzése, MŰSZAKI GAZDASÁGI KÖZLEMÉNYEK - DUNAFERR DUNAI VASMŰ RT XLVI:(1) pp. 21-26. (2006) [T15] Réger M, Verő B, Csepel Zs, Szélg Á: Macrosegregaton of CC Slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM 508: pp. 233-238. (2006) [T16] Réger M, Verő B, Szelg Á: 3D Characterzaton of Contnuously Cast Slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM 537-538: pp. 555-562. (2007) [T17] Reger M, Kytönen H, Verő B, Szelg Á: Újabb gondolatok a lemezbugák középvonal dúsulásáról, MŰSZAKI GAZDASÁGI KÖZLEMÉNYEK - DUNAFERR DUNAI VASMŰ RT XLVII:(4) pp. 183-190. (2007) [T18] Kardos I, Verö B, Csepel Zs, Reger M: Systemetc examnaton of metallographc methods for detecton of prmary steel texture, MATERIALS SCIENCE FORUM 589: pp. 25-30. (2008) [T19] Reger M, Kytönen H, Verő B, Szelg A: Effect of the Castng Machne Condton on the Qualty of Cast Slabs, ACTA MECHANIKA SLOVAKA 12:(3A) pp. 373-380. (2008) 19
[T20] Reger M, Kytönen H, Verő B, Szelg A: Estmaton and Consequences of Shrnkage of Steel Slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM 589: pp. 43-48. (2008) [T21] Reger M, Vero B, Felde I, Kardos I: Lemezbugák középvonal dúsulásának csökkentés lehetősége hőkezeléssel.in: Tóth T (szerk.), XXIII. Hőkezelő és Anyagtudomány a Gépgyártásban Országos Konferenca és Szakkállítás. Balatonfüred, Magyarország, 2008.10.01-2008.10.03, Dunaújváros: pp. 195-200.(ISBN:963-86533-2-9) [T22] Reger M, Kytönen H, Verő B, Szelg A: On the Centrelne Segregaton of CC Slabs, In: 6th European Conference on Contnuous Castng 2008. Rccone, Olaszország, 2008.06.03-2008.06.06, Assocazone talana d metallurga, pp. CD1-CD12. [T23] Reger M, Vero B, Felde I, Kardos I, Colas R, Yu DY: Stablty Examnatons of Centerlne Segregaton of Slabs, JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY OF HEAT TREATMENT - NETSU SHORI 49, ISSN 0288-0490, pp. 741-744 (2009) [T24] Reger M, Kytönen H, Vero B, Szelg A: Centerlne Segregaton of CC Slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM 649: pp. 461-466. (2010) [T25] Szabó Z, Réger M, Verő B, Szabados O, Csepel Zs, Kelemen T: A folyamatos acélöntés technológa és technka felülvzsgálata, az öntött szál mnőségének javítása érdekében, ISD DUNAFERR MŰSZAKI GAZDASÁGI KÖZLEMÉNYEK (ISSN: 1789-6606) XLIX: (3) pp. 120-147. (2010) [T26] Reger M, Vero B, Kardos I, Varga P: The Effect of Alloyng Elements on the Stablty of Centerlne Segregaton, DEFECT AND DIFFUSION FORUM 297-301: pp. 148-153. (2010) [T27] Reger M, Vero B, Felde I, Kardos I: The Effect of Heat Treatment on the Stablty of Centerlne Segregaton, JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 56:(2) pp. 143-149. (2010) [T28] Reger M, Vero B, Kardos I, Fábán E R, Kaptay Gy: Dffuson of Carbon n the Centerlne Regon of CC Slabs, MATERIALS SCIENCE FORUM (ISSN: 0255-5476) 659: pp. 441-446. (2010) 20
Hvatkozások [II.1.1] M. El-Bealy: Fluctuated Coolng condtons and Sold Shell Resstance n Contnuously Cast Steel Slabs, Canadan Metallurgcal Quaterly, Vol. 36, No. 3, 203-222, 1997 [II.1.2] Mathematcal Descrpton of Flow and Heat Transfer n Contnuous Castng Machnes, Fnal Report, European Comsson, Drectorate-General for Research, EUR 21930, 2005 [II.1.3] Extenson of Advanced Montorng and Control Technques at Contnuous Castng process, Fnal Report, European Comsson, Drectorate-General for Research, EUR 22815, 2007 [II.1.4] Erdmann R. G., Porer D.R., Hendrck A.G.: Permeablty n the Mushy Zone, Materals Scence Forum Vol. 649, pp. 399-408 [II.2.1] H. Jacob: Investgaton of Centrelne Segregaton and Centrelne Porosty n CC-Slabs, Steel Research, Vol. 74, No. 11/12, 2003 [II.2.2] G. Lesoult: Macrosegregaton n Steel Strands and Ingots: Charactersaton, Formaton and Consequences, Materals Scence and Engneerng A, Vol. 413-414, 2005, pp. 19-29 [II.2.3] Y. Tsuchda et al.: Behavor of Sem-macroscopc Segregaton n Contnuously Cast Slabs and Technque for Reducng the Segregaton, Transactons ISIJ, Vol. 24, 1984, pp.899-906 [II.2.4] H. Presslnger et al.: Methods for Assessment of Slab Centre Segregaton as a Tool to Control Slab Contnuous Castng wth Soft Reducton, ISIJ Internatonal, Vol 46, No. 12, 2006, pp. 1845-1851 [II.3.1] J.S. Ha et al.: Numercal Analyss of Secondary Coolng and bulgng n the Contnuous Castng of Slabs, Journal of Materals Processng Technology Vol. 113, pp. 257-261, 2001 [II.3.2] F. Kavcka et al.: The Optmzaton of a Concastng Technology by Two Numercal models, Journal of Materals Processng Technology,Vol. 185, Iss. 1-3, 30 Aprl 2007, pp. 152-159 21
[II.3.3] J. Mettnen, H. Kytönen, S. Louhenklp, J. Lane, Proc. of 12th IAS Steelmakng Semnar, Buenos Ares 1999, pp. 488-497 [II.3.4] Louhenklp, S., Mettnen, J., Holappa, L., Smulaton of mcrostructure of as-cast steels n contnuous castng. ISIJ Int. 46(2006) 6, pp. 914-920 [II.3.5] Louhenklp, S., Mäknen, M., Vapalaht, S., Räsänen, T., Lane, J., 3D steady state and transent smulaton tools for heat transfer and soldfcaton n contnuous castng. Materals Scence and Engneerng A, 413-414 (2005), pp. 135-138. [II.4.1] G. Krauss: Steels: Heat Treatment and Processng, ASM Int. Metals Park Oho, USA, 1990 [II.4.2] Wyss, U.: Grundlagen der Gasaufkohlung und Schutzgasglühung nach enem neuen Entropfverfahren, HTM 17, 1962, 3, pp. 160-171 [II.4.3] M.Hllert, M.Waldenström: Metal. Trans. A, 1977, vol.8a, pp.5-13 [II.4.4] W.Huang: Metal. Trans. A, 1991, vol.22a, pp. 1911-1920 22