Hogyan határozzuk meg a hőátvitelt az öntőformában a szilárduló acélhéj és a formázó réteg között?

A szilárduló héj és a formázó közötti hőátvitel komplex interakció, amely jelentős hatással van az acél öntésének minőségére. A megfelelő számítások és hőmérsékleti paraméterek ismerete elengedhetetlen a folyamat optimalizálásához. A formázó és a héj közötti hőáram meghatározásához először is figyelembe kell venni a hőátviteli módokat, amelyek a különböző hőellenállási rétegeket és azok kölcsönhatásait modellezik.

A képletben a következő szimbólumok szerepelnek:

• $q$: a héj-formázó interfész hőfluxusa, W/m²

• $T_s$: a héj felületi hőmérséklete, K

• $T_m$: a formázó réteg forró felületi hőmérséklete, K

• $R_{liq}$: a folyékony fluxus réteg hőellenállása, m²·K/W

• $R_{sol}$: a szilárd fluxus réteg hőellenállása, m²·K/W

• $R_{air}$: a levegő rés hőellenállása, m²·K/W

• $R_{int}$: az öntőformázó és szilárd fluxus közötti interfész hőellenállása, m²·K/W

A különböző hőellenállások kiszámítására a következő képletek alkalmazhatók:

1. A folyékony fluxus réteg hőellenállása:

2. A szilárd fluxus réteg hőellenállása:

3. A levegő rés hőellenállása:

A pontos hőátviteli modellezéshez elengedhetetlen a különböző anyagok, mint a réz és a formázó fluxus hőmérsékleti és fizikai paramétereinek ismerete. Az alábbi táblázatban bemutatott hőmérsékleti paraméterek a formázó fluxus, a réz és az acél esetében alkalmazhatóak a számításokhoz:

A szilárd fluxus réteg, a folyékony fluxus és a levegő közötti hőellenállás rétegeinek összege adja a héj és a formázó közötti teljes hőellenállást. A hőáram áramlása a rétegeken keresztül összhangban van a hőellenállásokkal, és az optimális hőátvitel biztosítása érdekében figyelembe kell venni a különböző anyagok fizikai tulajdonságait.

A szilárd héj és az öntőformázó közötti hőátvitel modellezése során figyelmet kell fordítani az interakciókra is, amelyek a hőátviteli és mechanikai viselkedést befolyásolják. A hőmérsékleti paraméterek mellett a mechanikai terhelések és deformációk is nagy hatással vannak a folyamat kimenetelére. A szilárdulás során nemcsak a hőátvitel történik, hanem a héj mechanikai viselkedése is hatással van az öntőformázó és a fluxus réteg közötti kapcsolat erősségére.

Milyen termikus és mechanikai folyamatok befolyásolják a mikroötvözött acélöntvény hőntartását és repedésképződését a másodlagos hűtési zónában?

A mikroötvözött acélöntvény hőmérséklete a másodlagos hűtési zónákon keresztül folyamatosan csökken, azonban ez a csökkenés egyre egyenletesebbé válik, ahogy az öntvény elhagyja a 4-es zónát. A 5-ös zóna kijáratához érve a hűtővíz mennyisége jelentősen csökken, viszont a sarkokban már vastag szilárd réteg alakult ki. Emiatt a folyékony magból történő hőátadás nem tudja ellensúlyozni a spray-hűtés, a hengerek érintkezése és a sugárzásos hőleadás okozta hőveszteséget, így a sarkok hőmérséklete tovább csökken a folyamatos öntvényből való kilépésig. Az öntvény végleges megszilárdulási helye mintegy 21,6 méterre van a meniszkusztól.

Az öntvény különböző részein – a saroknál, a széles és keskeny felület közepén, valamint a központban – jelentős eltérések mutatkoznak a hőmérséklet alakulásában. A széles és keskeny felületek középső részein a hőmérséklet általában magasabb, gyorsan csökken a formában és a talphengernél, majd a hűtővíz-spray hiánya és a vízmennyiség csökkenése miatt gyorsan emelkedik. Az öntvény hajlításának kezdetén a széles és keskeny felületek hőmérséklete eléri az 1120, illetve 1250 °C-ot, ekkor a felületi szerkezet még egyfázisú ausztenitként van jelen, amelynek magas a duktilitása.

Bár a hajlítás során a külső ív húzóerőnek van kitéve, ha a hengerek közötti távolság pontosan be van állítva, a külső ív nem reped meg keresztirányban. A hajlítás utáni egyenes szakaszon a széles és keskeny felületek közepének hőmérséklete 960–990 °C, illetve 995–1050 °C között mozog. Ezen hőmérsékleti tartományban a Nb (C, N) karbonytrid csapadék a szemhatároknál már meghaladja a 60%-ot, ami az úgynevezett „orrpont” közelében van, azaz a csapadékosodás jelentős mértékű, de a szerkezet még mindig egyfázisú ausztenit, így a duktilitás viszonylag magas.

A sarkok hőmérséklete a formában és a magas hőmérsékletű másodlagos hűtési zónákban (talphenger, 2-es zóna) csökken, és a formából kilépve eléri a legalacsonyabb, mintegy 870 °C-os értéket. Ezt követően a hűtővíz mennyiségének csökkenése miatt hőmérsékleti ingadozások következnek be, majd fokozatosan lehűl 820–860 °C-ra az egyenes szakaszon. A sarok hűlési sebessége az első zónákban igen alacsony, átlagosan 1,92 °C/s, ami kedvez a Nb (C, N) láncformájú csapadékosodásának. Ez a nagyméretű csapadék jelentősen csökkenti a sarok duktilitását.

Ebben a hőmérsékleti tartományban a mikroszerkezet egyfázisú ausztenitből kéttartományú, alacsony duktilitású ausztenit+szemhatáron kialakuló ferritté alakul, tovább csökkentve a sarok szilárdságát. Az egyenes szakaszon az öntvény hajlítása és mechanikai terhelése a szemhatárok mentén repedéseket indukál, amelyek keresztirányú törésekké nőhetnek.

Fontos megérteni, hogy a csapadékképződés dinamikája és a hőmérsékleti eloszlás szoros összefüggést mutat a mechanikai viselkedéssel. A túl gyors hűtés a héjszilárdulás idején növelheti a hőfeszültségeket, míg a túl lassú hűlés kedvez a nagy méretű, láncformájú Nb-karbonytrid csapadékok kialakulásának, amelyek merevítik a szerkezetet és csökkentik a duktilitást. Az öntvény sarkainak különösen kitett hűtési és mechanikai feltételek eredményeképpen itt jön létre a legnagyobb repedésveszély. A hűtési zónák vízellátásának optimalizálása és a hengerek helyes beállítása ezért kulcsfontosságú a repedések megelőzésében.

A mikroszerkezet átmenete a termikus és mechanikai feltételek változásával nemcsak az öntvény szilárdságát, hanem a repedéshajlamot is jelentősen befolyásolja. Ezért a folyamatos öntési folyamat irányítása során a hőmérsékleti tér és a mechanikai erőhatások részletes elemzése nélkülözhetetlen a magas minőségű, repedésmentes mikroötvözött acél előállításához.