Dariusz Woźniak
Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
WPŁYW STANÓW MECHANICZNYCH W KOTLINIE WALCOWNICZEJ NA ZAMYKANIE I ZGRZEWANIE NIECIĄGŁOŚCI WE WLEWKACH Z COS
Monografia nr 3, 2013
Wlewki z procesu ciągłego odlewania stali (COS) mają strukturę typową dla wyrobów odlewanych, są obarczone wewnętrznymi wadami w postaci nieciągłości materiałowych, tj. pustka środkowa (osiowa), porowatość środkowa (rzadzizna osiowa), pęknięcia środkowe i inne. Dodatkową wadą wlewków z COS są ostre naroża. Walcowanie takiego wsadu w klasycznych systemach kalibrowania, szczególnie przy walcowaniu prętów i walcówki powoduje, że stany naprężeń i odkształceń powstające w kotlinie walcowniczej nie sprzyjają efektywnemu zamykaniu i zgrzewaniu nieciągłości materiału zlokalizowanych w osi wzdłużnej wlewków ciągłych. Zatem poznanie stanów naprężeń i odkształceń w kotlinach walcowniczych o różnych kształtach i umiejętne sterowanie nimi umożliwia wyeliminowanie wielu wad, w tym w szczególności nieciągłości osiowych wyrobów walcowanych.
Celem podjętych badań było określenie wielkości odkształcenia oraz schematów stanu naprężenia w paśmie stalowym odkształcanym w różnych wykrojach walcowniczych stosowanych w układach wstępnych walcowni bruzdowych produkujących pręty lub walcówkę, wyznaczenie stanów mechanicznych sprzyjających zamykaniu i zgrzewaniu wewnętrznych nieciągłości osiowych, znalezienie technologicznego sposobu odkształcania w procesie walcowania wywołującego taki stan naprężeń oraz podanie propozycji kształtu i układu wykrojów umożliwiających uzyskanie pożądanych stanów mechanicznych w kotlinie walcowniczej.
W monografii zawarto kolejne etapy rozwiązania zagadnienia zamykania i zgrzewania nieciągłości osiowych obejmujące:
- rozpoznanie stanu wiedzy i stosowanych rozwiązań technicznych oraz technologicznych mających na celu likwidację nieciągłości materiałowych w procesie walcowania,
- numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach odkształcanych w symulatorze termomechanicznym,
- numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach walcowanych w zespole walcowniczym,
- analizę zjawiska zamykania i zgrzewania wewnętrznych nieciągłości osiowych na podstawie map stanów mechanicznych uzyskanych z symulacji numerycznej,
- badania eksperymentalne dla różnych układów i cech geometrycznych wykrojów wykonane metodami odkształcania próbek w symulatorze termomechanicznym i walcowania prętów w zespole walcowniczym ciągłym,
- badania próbek odkształconych w symulatorze i walcowanych w zespole walcowniczym pod kątem skuteczności zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej wykonane metodami cyfrowej analizy obrazu i mikroskopii elektronowej.
Porównanie wyników symulacji matematycznej i fizycznej wykazuje zgodność w zakresie uzyskanych efektów zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej. Intensywność zamknięcia i zgrzewania nieciągłości została określona po rozcięciu odkształconej próbki i wykonaniu pomiarów pola powierzchni wady. Stopień zmniejszenia nieciągłości odniesiono do wskaźników odkształcenia i stanów mechanicznych panujących w odkształcanej próbce. Zagadnienie zamykania nieciągłości w odkształcanym plastycznie materiale było przedmiotem analizy polegającej na badaniu wpływu warunków odkształcania, w tym wpływu kształtu wykroju na zmianę geometrii otworu symulującego wadę wewnętrzną i analizy lokalnych stanów mechanicznych w odkształcanym materiale. Metodyka badań wynikała z przyjętej hipotezy, że dominujący wpływ na możliwość zamykania i zgrzewania nieciągłości materiału ma wielkość odkształcenia zastępczego i wartość naprężenia średniego w obszarze wady. Ze względu na wymiary nieciągłości osiowych występujących we wlewkach ciągłych, które są bardzo małe w stosunku do wymiarów wsadu można przyjąć, że analiza lokalnego stanu naprężenia i odkształcenia w miejscu występowania wady umożliwia ocenę warunków sprzyjających likwidacji nieciągłości. Na podstawie wyników badań zjawiska zgrzewania stwierdza się, że trwały efekt zgrzania nieciągłości wystąpi, gdy minimalna wielkość odkształcenia po zamknięciu nieciągłości ma wartość 0,15. Skuteczność zgrzewania nieciągłości jest uzależniona również od temperatury. Ze wzrostem temperatury maleją naprężenia uplastyczniające i zwiększa się szybkość dyfuzji, co ułatwia zgrzewanie powierzchni kontaktowych wady. We wsadach stalowych zgrzewanie nieciągłości następuje w temperaturach > 1050 ºC. Zatem w procesie walcowania zgrzanie wady powinno nastąpić maksymalnie szybko, najlepiej już w przepuście wstępnym.
Przeprowadzone badania i analizy umożliwiły opracowanie nowego typu układu wydłużającego, opartego na złożeniu czterowalcowym. Kolejne wykroje tworzą system wydłużający prostokąt-kwadrat. Możliwość uzyskania stosunkowo dużych gniotów znacznie poprawia warunki zgrzewania materiału pasma, przez zwiększenie naprężenia i prędkości odkształcenia oraz intensyfikuje proces walcowania w stosunku do stanu obecnego. W poszczególnych wykrojach tego systemu przez zastosowanie złożeń czterowalcowych występuje korzystne, z punktu widzenia rozkładu naprężeń i odkształceń, oddziaływanie na pasmo gniotu bocznego.