Miért alakulnak ki keresztirányú sarokrepedések mikroötvözött acélok folyamatos öntése során?

A mikroötvözött acélok folyamatos öntésénél jelentkező keresztirányú sarokrepedések kialakulása komplex fizikai és metallurgiai folyamatok eredménye. A ridegség és repedésképződés megelőzése érdekében világszerte számos kutatás zajlott a hűtési folyamatok optimalizálása érdekében, különös figyelmet fordítva az acél szemcseméretének finomítására és a sarokzónák képlékenységének növelésére. Az elvégzett kísérletek alapján világossá vált, hogy a gyors hűtés és az azt követő szabályozott újramelegítés jelentősen befolyásolja az acél szerkezetét, különösen a ridegségi tartományokban.

A hirtelen γ → α fázisátmenet hőmérsékletére történő lehűtés, majd γ fázisú újramelegítés és lassú hűtés kombinációja (Yoshiki et al.) jelentős javulást eredményez a képlékenységben. Más kutatók, például Lee vagy Ma, különböző hűtési és melegítési sebességeket alkalmazva szintén jelentős szemcsefinomodást és képlékenységjavulást értek el. Kiemelendő, hogy már 1966-ban Grange és munkatársai kísérleti körülmények között alkalmazták először a kettős fázisátmenetes hűtési eljárást, mely azóta számos formában terjedt el az ipari gyakorlatban.

Az acél képlékenységét azonban nemcsak a belső metallurgiai folyamatok, hanem a külső mechanikai hatások is jelentősen befolyásolják. A sarokrepedések kialakulásának egyik fő oka a penészfal és az öntött héj közötti súrlódási erő. A folyamatos öntés során a penész periodikusan oszcillál, és amikor az felfelé mozdul, a képlékeny héj húzófeszültségnek van kitéve. A szemcsehatároknál gyengébb szerkezeti zónákban ez mikroszkopikus interkristályos repedésekhez vezethet. Ezért döntő fontosságú a penész kúposságának és oszcillációs paramétereinek megfelelő beállítása a súrlódási hatások csökkentése érdekében.

Kísérleti adatok szerint például nagy szilárdságú C-Mn-Al peritektikus acéloknál, ha az oszcillációs nyom

Hogyan befolyásolja a hőmérséklet és az ötvözetek összetétele a mikroadalékos acélok szilárdulás utáni csapadékformálódását?

A mikroadalékos acélok szilárdulása és csapadékképződése szoros összefüggésben áll az acélban lévő ötvöző elemek, például a vanádium (V) és bór (B) tartalmával, valamint a hőmérsékletváltozásokkal a szilárdulási folyamat során. Ezen elemek csapadékképződésének mechanizmusa különböző hőmérsékleti tartományokban eltérő dinamikát mutat, ami alapvetően befolyásolja az acél mechanikai tulajdonságait, mint például a szilárdságot, a hajlíthatóságot és a repedésállóságot.

A vanádium (V) és a nitrogén (N) tartalmú mikroadalékos acélok szilárdulásakor a V(C, N) csapadékok képződése és hőmérséklete fontos szerepet játszanak az acél tulajdonságaiban. Az acél V-tartalma (0,04%, 0,06% és 0,08%) és a hőmérséklet között közvetlen kapcsolat figyelhető meg. A csapadékképződés kezdeti hőmérséklete 915 °C, 935 °C és 960 °C körül van, és a csapadékképződés befejező hőmérséklete mindhárom esetben 640 °C körül alakul. Azonban a V(C, N) csapadékok képződési üteme a magas hőmérsékletű tartományban lassabb, mint a titán (Ti) és niobium (Nb) alapú karbonitrid csapadékoké. Ezt figyelembe véve, a slab (táblás) folyamatos öntési folyamatában a víz hűtését úgy kell módosítani, hogy az acél szélénél a hőmérséklet 840 °C fölé emelkedjen. Ezzel csökkenthető a V(C, N) csapadékok mennyisége a szemcséhatárokban, javítva az anyag hajlíthatóságát és csökkentve a repedések kialakulásának esélyét.

A bór és a nitrogén tartalmának változása közvetlen hatással van a BN csapadékok mennyiségére és azok eloszlására. A 0,0045%-os nitrogéntartalom mellett a bórtartalom növekedésével a BN csapadékok képződésének kezdeti hőmérséklete emelkedik, és a végső csapadékmennyiség is jelentősen megnövekszik. Ezt a jelenséget figyelembe véve a bór- és nitrogéntartalom csökkentésével lehetőség van a BN csapadékképződés csökkentésére, ami segíthet a transzverzális sarokrepedések kockázatának csökkentésében a folyamatos öntési folyamatban.

A mikroadalékos acélok szilárdulásának és csapadékképződésének pontos ismerete alapvető a kívánt mechanikai tulajdonságok elérésében, különösen az olyan kritikus területeken, mint a repedésállóság, a hajlíthatóság és a szilárdság. Az optimális ötvözetek és hőkezelési paraméterek meghatározása lehetővé teszi az acélok teljesítményének javítását, miközben csökkenti a gyártási költségeket és a hibák előfordulásának valószínűségét.

A hőátadás és mechanikai viselkedés a fém öntési folyamatban: A szilárdulási modell és hatások

A fémek öntésének és szilárdulásának vizsgálatakor a hőátadás és mechanikai viselkedés alapvető szerepet játszanak a végtermék minőségében. A folyamatok szimmetriájára alapozva a modell egy 1/4-es keresztmetszetet alkalmaz, amely magában foglalja a rétegek és a forma hőátadását, valamint a szilárd fém viselkedését. Az öntött acél szilárdulása nem egyenletes hőátadást eredményez, mivel az áramló fém és az öntőforma közötti hőcsere nem állandó, és belső hőforrások is jelen vannak. Az ehhez kapcsolódó hőátadási egyenletek a különböző anyagok hővezetőképessége és entalpiájának függvényében változnak, figyelembe véve a hőmérséklet és a különböző fázisok arányait.

A forma és a fém geometriai modellje egy 1/4-es keresztmetszeten alapul, amely biztosítja a hőátadás szimmetriáját. A forma magassága 900 mm, a hűtővíz a rézlemez alján lép be, és felül távozik. A rézlemez felületén egy nikkel réteg található, amely csökkenti a kopást és egyenletesebbé teszi a hőátadást. Az acél szilárdulása ezen a rétegelt szerkezeten keresztül zajlik, amely az acél viselkedését befolyásolja a fázisok és a hőmérséklet változásainak függvényében. A szilárdulás előtt és után a fém sűrűsége, hővezető képessége, valamint az adott hőmérsékleten bekövetkező fázisátalakulások mind jelentős hatással vannak a végtermék minőségére.

A fázisátalakulás és a hőmérséklet hatása a hővezető képességre és a szilárdulás során felszabaduló latent hőre is kihat. A hagyományos kutatások során a hővezető képesség állandó értékre volt felvéve, de a modern modellezési módszerek figyelembe veszik a hőmérséklet és a fázisok arányának változásait. Az ilyen típusú kutatásokban alkalmazott hővezető képesség- és latent hőképlet segítségével pontosabban lehet modellezni az acél szilárdulási folyamatát és előre jelezni a hőátadást és a hőmérsékleti eloszlást a különböző fázisok alatt. A folyó fémben történő hőátadás növeli a hűtési sebességet és így gyorsítja a szilárdulási folyamatot.

Ezen kívül figyelembe kell venni, hogy az acél szilárdulása nemcsak hőmérséklet függvénye, hanem a mechanikai deformatív viselkedés is jelentős hatással van a végtermék minőségére. A szilárdulási folyamat során végbemenő deformációk, mint a feszültség, a húzás és a nyújtás, nemcsak az anyag tulajdonságait, hanem a formázás következményeit is befolyásolják. A szilárdulás során a fázisátalakulás és az anyag viselkedése együttesen alakítják az anyag szerkezetét, és ezáltal a termék megbízhatóságát és teljesítményét.

A szilárdulás során fellépő hő- és mechanikai viselkedés megértése lehetővé teszi a termelési folyamat optimalizálását és a minőségellenőrzési rendszerek fejlesztését. A pontos hőátadási és mechanikai modellek segítenek csökkenteni a termelési hibákat, minimalizálni a deformációkat, és biztosítani a termékek egységes szilárdságát és megbízhatóságát. A kutatás eredményei révén a gyártók képesek lesznek jobban megérteni és irányítani a fémek szilárdulásának különböző aspektusait, és ezzel biztosítani a kiváló minőségű termékeket.

Miért fontos a mikro-ötvözött acél öntési folyamatának megértése a törékeny rétegek megelőzésében?

A mikro-ötvözött acélok öntésénél, mint például a Nb, B és Al, a szilárdulás során fontos szerepet játszanak a mikrórészecskék kiválása, amelyek az acél szilárdsági és ductilitási tulajdonságait befolyásolják. Az ilyen típusú acélok esetében, különösen a szilárdítási folyamat második hűtési zónájában, a mikrórészecskék, mint például a karbónitridok, a peremek mentén csapódnak ki, és így előidézhetik a szemcsék közötti törékeny kapcsolatok kialakulását, ami jelentős mechanikai problémákhoz vezethet. Ennek eredményeképpen a szilárdítás során különösen a slab sarkainál, ahol a hőátadás lassú, a szemcsék közötti határok gyengülhetnek, így csökkentve a struktúra szívósságát.

Az öntés során alkalmazott különböző hőátadási mechanizmusok, mint a sugárzásos hőcsere, a hűtővíz áramlása, és a hőátadás a hengerek és a slab közötti érintkezés során mind hozzájárulnak a slab hűlésének és szilárdulásának folyamatához. Mivel a hűtés nem egyformán oszlik meg a slab teljes felületén, az egyes hőátadási mechanizmusok hozzájárulása változhat, amit számos külső tényező, például a hűtővíz áramlásának intenzitása, a nozzlék típusa, vagy a slab felületi állapota befolyásolhat. A pontos hőátadási koefficiens meghatározása ezért nagy kihívást jelent, és számos kutatási eredményre építve történik.

A második hűtési zóna és az öntési folyamatok szoros mechanikai összefüggései miatt elengedhetetlen a slab szilárdítási hőátadási viselkedésének precíz modellezése. Ehhez a gyártási folyamat pontos szimulációja, valamint a hőmérsékleti és mechanikai hatások kombinálása révén lehet biztosítani az acélminőség optimalizálását. A fejlettebb 3D thermo-mechanikai modellek, amelyek az acél hő- és mechanikai viselkedését integrálják, alapvetően hozzájárulnak a slab folyamatok és a termelési technológia fejlődéséhez, valamint lehetővé teszik a slab sarok struktúrák fokozott kontrollját.

Fontos azonban figyelembe venni, hogy az acél szilárdításának és deformációjának folyamata nemcsak az egyes hőátadási mechanizmusoktól függ, hanem a különböző öntési környezetek és berendezések is hatással vannak a végeredményre. Az optimális öntési környezet kialakítása érdekében figyelembe kell venni a gyártási környezet minden aspektusát, beleértve a hűtővíz hőmérsékletét, a hűtővíz sebességét, és az acélfelület állapotát. Az öntési berendezések és technológiai fejlesztések figyelemmel kísérése és folyamatos optimalizálása elengedhetetlen ahhoz, hogy a slab sarok töréseit minimalizálni lehessen, és ezzel együtt javítható legyen az acél minősége és termelési hatékonysága.

A vékony lemezes folyamatos öntés és hengelés technológiai fejlődése és jellemzői

A vékony lemezes folyamatos öntés folyamata a következő fontos jellemzőkkel rendelkezik. Először is, a vékony lemez vastagsága kicsi. A vékony lemezes öntés során gyártott lemezek vastagsága jellemzően 20–100 mm között mozog, de a leggyakoribb értékek 50, 70 és 90 mm. A vékony lemez kis vastagsága miatt az öntőgép ív sugara kicsi, és maga a gyártósor is rövid, ami elősegíti a lemezek magas hőmérsékleten történő futását. Továbbá, a vékony lemezek szilárdulási sebessége gyors, ami alapvető feltétel a vékony lemezes folyamatos öntés és hengelés gyorsaságának biztosításához.

Másodszor, a folyamat gyors öntést igényel. A vékony lemezes folyamatos öntés és hengelés alapvető követelménye a gyors öntési sebesség. Jelenleg a tipikus vékony lemezes öntőgépek, mint a CSP és FTSR, tervezett öntési sebessége meghaladja az 5,0 m/min-et, és a Baowu Steel, Han Steel és Lianyuan Steel gyártósorainál az öntési sebesség általában 3,5–5,0 m/min között mozog. Az utóbbi években a végtelen hengelési technológia bevezetésével a vékony lemezes öntési sebesség tovább növekedett, elérve az 5,5–6,0 m/min sebességet. A hagyományos, szélesebb és vastagabb lemezek öntési sebessége viszont jellemzően 0,8–1,8 m/min között van, ami jelentősen alacsonyabb, mint a vékony lemezek öntési sebessége.

A vékony lemezek gyors szilárdulása szintén kiemelkedő jellemző. A vékony lemez gyorsabb szilárdulási sebességét a kis vastagság és a magas hűtési teljesítmény biztosítja. Egy 50 mm vastag vékony lemez szilárdulási ideje mindössze 1-2 perc, míg egy hagyományos, 250 mm vastag lemezé 23–25 perc. A vékony lemezek gyors szilárdulása finomabb szemcséjű szerkezetet eredményez, jelentősen csökkentve a középső szeparációt és növelve a lemezek sűrűségét.

A vékony lemezes öntés során alkalmazott folyamat másik jellemzője a rövid fémes hosszúság. A vékony lemez gyors szilárdulása és kicsi vastagsága következtében a fémes hossz viszonylag rövid. Az iparban alkalmazott hagyományos vékony lemezes gyártósorok fémes hossza általában 5–8 m, míg az „endless rolling” gyártósorok hossza nem haladja meg a 12,5 m-t. A hagyományos folyamatos öntőgépek fémes hossza viszont meghaladja a 20 m-t.

A vékony lemezes öntés egyik további fontos aspektusa a nagy specifikus felület. Egy 1500 mm × 50 mm keresztmetszetű vékony lemez specifikus felülete 5,3 m²/t, míg egy hagyományos lemezé, amely ugyanakkora szélességgel rendelkezik, de vastagsága 250 mm, csak 1,2 m²/t. A nagy specifikus felület gyorsítja a lemezek szilárdulásának sebességét, azonban fokozza a lemezek szilárduláskor fellépő hőstresszt, ami növeli a felületi és belső repedések kialakulásának esélyét.

A vékony lemezes folyamatos öntési technológia egyik legfontosabb fejlesztése a folyadékkori csökkentési eljárás. Ezt a módszert az alkalmazzák, hogy a vékony lemezek öntése után csökkentsék azok vastagságát, elősegítve a gyorsabb szilárdulást. Ez a folyamat, amelyet gyakran lágy redukciónak neveznek, segít abban, hogy a lemez gyorsabban szilárduljon, és csökkenti a középső szeparációt, miközben javítja a gyártás hatékonyságát és csökkenti a hengelési szakaszok számát.