Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 135 145. A FOLYAMATOSAN ÖNTÖTT ACÉLBUGÁK LEHŰLÉSI VISZONYAINAK VIZSGÁLATA ÉS SZIMULÁCIÓJÁNAK LEHETŐSÉGEI ESTIMATION AND SIMULATIONS METHODS OF COOLING CONDITIONS IN CASE OF CONTINUOUS CAST STEEL SLABS HOÓ CSABA, ROÓSZ ANDRÁS Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros hoocs@freemail.hu Az utóbbi évtizedekben jelentősen megnőtt a folyamatos öntéssel előállított vas és nemvas fémtermékek eladási aránya. A folyamatos öntési eljárás alapvető előnyei közé tartozik, a szilárdsági tulajdonságok növekedése, energia-megtakarítás és magasabb termelékenység [1]. Jelen cikk az acélbugák folyamatos öntési technológiával történő gyártása során végbemenő kristályosodási folyamatokat alapvetően befolyásoló lehűlési viszonyok vizsgálatát, valamint a hűtési körülményeket jellemző paraméterek fizikai és számítógépes modellezésének lehetőségeit mutatja be. Kulcsszavak: kristályosodás, lehűlési sebesség, folyamatos öntés. In recent decades, a dramatic growth of the continuous casting technology has been realized for both ferrous and non-ferrous metals production. The principal advantages of continuous casting are a substantial improve in yield, a more uniform product, energy savings, and higher productivity [1]. Present paper describes estimation of the cooling conditions and the physical and computer aided modelling of solidification of steel in case of continuous cast slabs. Keywords: solidification, cooling rate, continuous casting. Bevezetés Napjainkban a világon megtermelt évi kb. 1 milliárd tonna acéltermék jelentős részét folyamatos öntőművön öntik le [3]. Az öntés során kiemelkedő fontossággal bír az öntőmű kristályosítójában lezajló kristályosodási folyamatok minél pontosabb leírása, hiszen ezeknek a folyamatoknak döntő befolyásuk van a keletkező késztermék minőségére. A kristályosodási folyamatokat alapvetően befolyásolja a szálban kialakuló hőmérsékleteloszlás, amelyet a hűtési paraméterek megfelelő megválasztásával érhetünk el. Az öntőműben kristályosodott valós szál belsejében kialakuló hőmérséklet-eloszlás mérése megoldhatatlan, ezért kísérleti szimulációs technikákat kell használnunk e mérések kiváltására. Ezért kerültek előtérbe a különböző szimulációs technikák, (mind a fizikai, mind a számítógépes modellezés), amelyek segítségével a kristályosítóban zajló folyamatok modellezhetők, és ezeket a folyamatokat befolyásoló tényezők hatásait figyelemmel tudjuk követni.
136 Hoó Csaba Roósz András 1. A folyamatosan öntött acélbugában kialakuló lehűlési viszonyok vizsgálata 1.1. A bugában kialakuló mikroszerkezet A folyamatosan öntött acélbugák mikroszerkezetében három rész figyelhető meg: külső ekviaxiális zóna, oszlopos zóna, belső ekviaxiális zóna (1. ábra). A külső ekviaxiális zónában elhelyezkedő dendritek növekedési iránya véletlenszerű. Itt az intenzív hőelvonás következtében a kristályosító falán a tér minden irányában egyforma valószínűséggel kezdenek növekedni a csírák. Az oszlopos zónában a hőelvonás irányával párhuzamosan, de azzal ellentétes irányban növekednek a dendritek. A belső ekviaxiális zónában az olvadék áramlása miatt az oszlopos zónában növekedő dendritcsúcsokból letöredező részek indulhatnak további növekedésnek, illetve az összetételi túlhűlés meghatározott értéke esetén képződnek csírák az olvadékban [2]. A dendritek primer, valamint ezekre közelítőleg merőlegesesen növekvő szekunder dendritágakból állnak. Az ötvözet fő tömegét a szekunder dendritágak alkotják. A primer és a szekunder dendritág távolság a kristályosodási paraméterektől függ. 1. ábra. A buga mikroszerkezete Az öntési technológia során fellépő jelenségek, köztük a dúsulási folyamatok mértéke is összefüggésben áll a lehűlési viszonyokkal. Az általunk alkalmazott módszerrel könnyen feltérképezhető a lehűlési viszonyok változása a bugában. 1.2. A relatív lehűlési sebesség A lehűlési sebesség meghatározása a szekunder dendritág távolság és a lehűlési sebesség közötti összefüggés segítségével történt. A két paraméter közötti kapcsolatot az (1) egyenlet írja le [5]. n λ 2 = k T L (1) ahol: T. L lehűlési sebesség λ 2 szekunder dendritág távolság k és n (1/3) elméleti állandók, kísérletekből határozhatóak meg. ɺ
A folyamatosan öntött acélbugák lehűlési viszonyainak vizsgálata 137 A lehűlési viszonyok elemzéséhez nem volt szükség abszolút lehűlési sebesség számításához, elég volt ismerni a lehűlési sebesség változását a bugán belül. Ehhez egy relatív lehűlési sebességet vezettünk be. Először az (1) egyenletet felírtuk a minimális szekunder dendritág távolság esetében, majd az adott mérési ponthoz tartozó értékekkel. A két egyenletet osztva egymással (2) és a minimális szekunder dendritág távolsághoz tartozó lehűlési sebesség értékét (T L,max ) egynek választva kaptuk a (3) egyenletet [2, 4]. λ λ2 2,min 3 Tɺ = Tɺ L L,max ahol: T ɺ L, max a maximális lehűlési sebesség λ 2,min minimális szekunder dendritág távolság 3 λ2,min, T ɺ L rel = (3) λ2 T ɺ L, rel a relatív lehűlési sebesség az adott pontban. (2) 1.3. A mikroszerkezet vizsgálata Az 1. táblázatban láthatóak a kísérletben szereplő bugák legfontosabb adatai. A 2. ábrán látható helyekről származtak a lehűlési viszonyok feltérképezése céljából vizsgált darabok. Az ábrán egy bugaszelet negyede látható. A buga szélén és közepén, valamint megközelítőleg a széles oldal egyharmadánál lévő helyekről származtak a mintadarabok. A B D C 2. ábra. A mintavétel helyei
Hoó Csaba Roósz András 138 1. buga 2. buga 3. buga Cr (%) Ni (%) Mn (%) Mo (% Si (%) Nb (%) Cu (%) V (%) Al (%) P (%) C (%) S (%) Szélesség (mm), X(2. ábra) Vastagság (mm), Y(2. ábra) Túlhevítés (K) Öntési seb.(m/min) 0,066 0,033 0,198 0,002 0,011 0,07 0,002 0,076 0,007 0,044 0,011 950 240 38 0,63 0,066 0,033 0,198 0,002 0,011 0,07 0,002 0,076 0,007 0,044 0,011 1350 240 38 0,58 0,043 0,036 1,42 0,007 0,326 0,07 0,064 0,011 0,182 0,013 1350 240 40 0,54 4. buga 5. buga 6. buga 0,043 0,036 1,42 0,007 0,326 0,07 0,064 0,011 0,182 0,01 3 1550 240 51 0,45-0,385 0,041 0,029 1,44 0,005 0,277 0,05 0,003 0,057 0,013 0,186 0,013 1350 240 34 0,7 0,037 0,028 1,45 0,003 0,217 0,06 0,005 0,042 0,019 0,169 0,016 1350 240 32 0,5 1. táblázat. A vizsgált bugák legfontosabb paraméterei A minták előkészítése csiszolás és polírozás után, az Oberhoffer-maratás egy speciális változatával történt. A maratást 1 órás, 200 C-on történő hőntartás előzte meg. Az ilyen módon előkészített darabról készült felvételek a 3. ábrán láthatóak. a. b. c. 3. ábra. a) 6. buga, 4. minta, az erőteljes hűtés miatt kialakult apró dendritek. b) 6. buga, 11. minta, a hőelvonás irányával párhuzamos irányítottságú, durvább dendritek. c) 5. buga, 7A. minta, a dendritek növekedési iránya véletlenszerű
A folyamatosan öntött acélbugák lehűlési viszonyainak vizsgálata 139 1.4. A szekunder dendritág távolság mérése A fenti módon leírt speciális Oberhoffer-maratási módszerrel előkészített darabokról készült digitális felvételeken történt a mérés. A képeket szkenner segítségével rögzítettük. Ezzel a módszerrel biztosított volt a megfelelő nagyítású és felbontású kép, amelyen a mérés el tudtuk végezni. A felvételek rögzítése után a képeken különböző képátalakító műveleteket végeztünk, amelyek a kontrasztviszonyok javítását, illetve a dendritágak kontúrjainak kiemelését segítették. A mérés manuálisan történt. Egy-egy darabon 9 helyen végeztük a mérést. A mérési helyeket, a 3. a) ábrán látható módon helyeztük el. Az adott mérési helyen 50-100 szekunder dendritág mérése történt. 1.5. A mérés értékelése Az 1-2. bugából származó alacsony mangántartalmú minták esetén nem volt alkalmazható az általunk ismertetett módszer. A 3-6. buga mintáinak primer szerkezete kimutatható volt a módszerrel. Ezen minták esetében minden mérési pontra alkalmaztuk a (3) egyenletet. Ezzel a buga keresztmetszetében megfelelő képet kaptunk a lehűlési sebesség változásáról. A kiszámított relatív lehűlési sebességek a 4. ábrán láthatóak. Az ábrákon szereplő A, B, C, D jelölés a buga sarkainak könnyebb azonosítására szolgál, mivel az eredmények láthatósága érdekében a 4. ábrát egy, a buga síkjára merőleges tengely körül 180 -kal elforgattuk. A 2. ábra segítségével könnyen azonosíthatóak a relatív lehűlési sebesség értékekhez tartozó mérési pontok helyei. Ezek alapján látható, hogy a lehűlési sebességekben a darab szélétől 35-40 mm-es távolságra jelentős változás következik be. A kialakuló szekunder dendritág távolság 3-4 szeresére ~70µm-ról ~300µm-re növekszik, az ezekből meghatározott relatív lehűlési sebesség, pedig ~0, 63-ról ~ 0,018-ra csökken. Ennek valószínű oka, hogy a buga már a szekunder hűtőzónában tartózkodik, amikor ez a rész kristályosodik. Itt a hűtés mértéke sokkal kisebb, mint amikor a bugát a kristályosító hűti a primer hűtőzónában. A hat különböző buga esetében a mangántartalom, valamint az öntési sebesség, illetve a bugaméretek valamelyest változnak. Ezen paraméterek változtatása azonban nem okozott lényeges különbséget a kialakult szerkezetben, a szekunder dendritág távolság és az ebből számított relatív lehűlési sebesség lényegében a négy vizsgált bugában azonos volt.
140 Hoó Csaba Roósz András B D C 4. ábra. A relatív lehűlési sebesség eloszlása a bugában (3. minta) 2. A szimulációs technikák alkalmazásának jelentősége A folyamatos öntési technológia kísérleti úton történő optimalizációja nagyon költséges és igen nehezen kivitelezhető. Ezért jelentős szerep jut e területen a különböző szimulációs technikáknak és modellkísérleteknek. A valós szál belsejében, az öntés során a hőmérsékletmérés megoldhatatlan. Öntőműi kísérletek Fizikai modellezés Számítógépes modellezés 5. ábra. Az öntőműi kísérletek kiváltásának módjai A valós körülmények modellezésére két lehetőség kínálkozik (5. ábra). Alkothatunk fizikai modellt, amely esetünkben az irányított kristályosító berendezés alkalmazása. Másik lehetőségként elkészíthetjük a technológia számítógépes modelljét. A fizikai és a számítógépes szimuláció készülhet önállóan, de épülhet egymásra is, a kapott eredmények igazolására, ellenőrzésére. A kísérleti öntvény hőmérsékletváltozásának mérésével (a digitális modell esetén a hőmérséklet-eloszlás feltérképezésével), illetve szerkezetének metallográfiai vizsgálatával
A folyamatosan öntött acélbugák lehűlési viszonyainak vizsgálata 141 közelebb juthatunk a kialakuló szerkezet és az öntési paraméterek közötti összefüggések pontosabb leírásához. 2.1. A fizikai modellezés A kristályosítóba kerülő olvadék és az onnan kilépő szál fizikai modellezését, az acélolvadék irányított kristályosításra alkalmas berendezéssel végeztük. A berendezés vázlatos felépítése a 6. ábrán látható [5]. A kristályosító működése elvének alapja az ún. véglaphűtés. Ennek lényege, hogy az olvadékból egyirányú hőelvonás történik. Az olvadékot egy hűtött rézlapra helyezett tégelybe öntöttük, az oldalirányú hőelvonás mértékét a tégely melegítésével csökkentettük. Az olvadéktérbe helyezett, kerámia csővel védett termoelemek segítségével regisztráltuk az öntvényben történő hőmérsékletváltozásokat. Öt pontban mértük a darab hőmérsékletét. Egy ilyen mérés eredményeit mutatja a 7. ábra. Ahol az 1. csatorna (1. termoelem-pozíció) 10 mm-re volt a hűtött laptól, a továbbiak pedig rendre 31 mm-re voltak egymástól a hűtött laptól távolodva. A kísérletek során törekedni kell a forma falának egyenletes hőmérséklet-eloszlására, hogy a hőelvonás megközelítőleg a hűtött lapra merőleges tengely mentén történjen. A termoelemek helyzetét, minél pontosabb módon állandó értéken tartsuk. A termoelemek meleg pontja a kerámia cső falával érintkezzen, hiszen e nélkül a hőátadás jelentősen romlik és késve reagál az olvadék hőmérsékletének változására. 4 1 6 5 2 3 6. ábra. A kristályosító vázlatos rajza. Részei: 1. Hőálló betonforma, 2. Hőálló acélcső, 3. Hűtött lap, 4. Fűtőtest, 5. Termoelemek helyei, 6. Rögzítésre szolgáló acéllapok
142 Hoó Csaba Roósz András 2.2. A számítógépes modellezés 7. ábra. A hőmérséklet értékek változása a darabban (1. csatorna 10mm-es távolságra a hűtött laptól) Az irányított kristályosító berendezés számítógépes modelljét a Calcosoft 3D szoftverrel alkottuk meg. A digitális modell a fizikai modell geometriai méretei alapján készült. A geometria megalkotásakor a tégelyfal, a vízzel hűtött rézlap, valamint az olvadék által elfoglalt térrész előállítása volt a feladat. Az elkészült modell a 8. ábrán látható. A modell alapadatai a következők: Csomópontok száma: 21660 Elemszám: 111538 Domén szám: 6 Referencia felületek száma: 16 A domén szám azt jelenti, hogy a teljes kristályosító 6 elemből épült fel, ezek külső és belső oldalai a referencia felületek, melyekre vonatkozóan a hőtani jellemzőket, pl. a hőelvonás módját és mértékét definiálni kell [6, 7]. Ha hozzávesszük, hogy a folyamatban szereplő háromféle anyagminőség (acél, beton, réz) hőtani és fizikai paraméterei (pl. sűrűség, fajhő, látens hő, hővezető képesség), valamint ezek hőmérsékletfüggése is befolyásolja a számítási eredményeket, így megállapítható, hogy igen nagyszámú variáció létezik a kezdeti és peremfeltételek vonatkozásában. Ennek következtében irodalmi, illetve mérési adatok alapján célszerű csökkenteni a változók körét.
A folyamatosan öntött acélbugák lehűlési viszonyainak vizsgálata 143 2.3. A szimulációs eredmények A mért és a számított értékek (9. ábra) közötti különbségek a modell és a kísérleti berendezés geometriájának bizonyos mértékű eltéréséből, valamint a hűtési tényezők nem teljes figyelembe vételéből adódik. A tégelyfalban az egyenletes hőmérséklet-eloszlás nem biztosított a kísérleti körülmények között. Míg a szimuláció feltételezi annak meglétét. Összességében elmondható, hogy a Calcosoft 3D szoftverrel lehetőség nyílik arra, hogy a mintadarab bármely pontjában meghatározzuk az éppen aktuális hőmérséklet értéket, ezáltal tetszőleges pontban felvegyük a lehűlési görbéket (9. és 10. ábra). A szoftver által számított hőmérsékletmező értékeiből pedig ennek mintájára az öntvény bármely pontjára hasonló elemzés végezhető, vagyis bármely pontra a hőmérsékleti gradiens és annak változása a hőmérséklet függvényében, valamint a szolidusz likvidusz közötti hűlési sebesség meghatározható. 8. ábra. A számítógépes modell geometriája, a generált végeselemhálóval
144 Hoó Csaba Roósz András 1600 Mért Számított 1400 Hõmérséklet, o C 1200 1000 800-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Idõ, s 9. ábra. A darabban mért és a számított hőmérsékletváltozás az idő 10. ábra. A kísérleti öntvényben található termoelem pozíciókban számított hőmérsékletváltozás (a görbék melletti számok a hálócsomópontok azonosítói)
A folyamatosan öntött acélbugák lehűlési viszonyainak vizsgálata 145 Köszönetnyilvánítás A cikkben szereplő kutatómunka a TÁMOP 4.2.1.B-10/2/KONV-0001-2010 pályázat támogatásával készült. Irodalom [1] R. D. Pehlke, in: Metals Handbook, vol. 15, ASMInternational, Materials Park, Ohio, 1988, pp. 308 316. [2] Cs. Hoó, I. Teleszky, A. Roósz, Zs. Csepeli: Estimation of the Cooling Rate on the Basis of Secondary Dendrite Arm Spacing in Case of Continuous Cast Steel Slab, Solidification and Gravity Conference, Miskolc-Lillafüred 2004, pp. 245-250. [3] Fehérvári G., Réger M., Szélig Á., Verő B.: A folyamatos öntőmű kristályosítójában lejátszódó folyamatok fémtani vonatkozásai, BKL 2006, 139. évf., 5., pp. 1-6. [4] A. Roósz: The Effect of Temperature Gradient and PrimaryArm Tip Velocity on Secondary Dendrite Arm Spacing at Steady-state Conditions Solidification (Cast Metals, Vol.1, p. 223-226, 1989). [5] Hoó Csaba, Roósz András, Buza Gábor: Irányított kristályosító berendezés építése, X. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár, 2005. [6] www.calcom.ch [7] Calcosoft 3D Users manual