Hogyan csökkentsük a mikro-ötvözött acéllemez sarkainak keresztirányú repedéseit?

A mikro-ötvözött acéllemez sarkainak keresztirányú repedései a kohászati iparban gyakori műszaki problémát jelentenek. Ennek a jelenségnek az okait és megoldásait széles körben kutatják mind hazai, mind külföldi acélgyárak. A problémák kezelésének egyik alapvető eleme a hőfeszültségek csökkentése a lemez sarkain, ami elengedhetetlen a keresztirányú repedések kialakulásának megakadályozásában.

A mai modern folyamatos öntésű gépsorok legnagyobb része íves öntőformákat használ, amelyek a lemez szélét fokozatosan alakítják íveltté a kívánt radiusszal. A termelési folyamat során a lemez folyamatosan átalakul a függőleges irányból íves alakra, majd egyenesre, amikor az egyengetési fázisba lép. E két fázis alatt a lemez felülete körülbelül 2%-os deformáción megy keresztül, miközben a nyújtás és az összenyomás ellentétes hatásokat gyakorol a lemez különböző részeire. Az ív belső részén kompressziós feszültség éri a lemezt, míg a külső ív húzófeszültségnek van kitéve. Azonban a lemez hőmérséklete a hajlítási pontokon gyakran meghaladja a 900 °C-ot, így ezen a részen a keresztirányú repedések nem alakulnak ki, ha a berendezés megfelelő pontossággal működik.

Az egyenesítési folyamatban, ahol a lemez külső íve kompressziós feszültségnek van kitéve, a sarkok általában nem hajlamosak repedésre. Azonban a belső ív területe, ahol alacsonyabb a hőmérséklet és kevésbé rugalmas, könnyen repedéshez vezethet a húzóerő alkalmazása során. Így tehát az egyenes szakasz az, ahol a legtöbb sarkon kialakuló repedés megfigyelhető. Az ilyen hibák elkerülésére a modern öntési folyamatoknak és berendezés-technológiáknak, például a többpontos egyenesítési módszerek alkalmazása, a magas hőmérsékletű és forró alakíthatóságú lemezsarkok alkalmazása, nagy szerepük van a repedések elkerülésében.

A berendezések pontossága kulcsfontosságú tényező a hibamentes folyamatos öntésű lemezek előállításában. Az öntőberendezés hibás működése, például a görbülési szegmens vagy a hengerek nem megfelelő elrendezése nagy deformációs feszültségeket eredményezhet a lemezen. Ha az öntő hengerek eltolódása 0,5-1,5 mm között van, az okozott deformáció akár 0,2-0,4%-ra is nőhet, ami nagyobb deformációt eredményez, mint a lemez egyenesítési szakaszában a normál öntés során. Ennek megfelelően a berendezés karbantartásának és a pontosság fenntartásának kiemelt szerepe van a mikrótömegszűrő acéllemez minőségének biztosításában.

A mikro-ötvözött acéllemez sarkainak keresztirányú repedéseinek szabályozására több fejlesztési technológia is létezik. Az acél összetételének optimalizálása az egyik kulcsfontosságú tényező a repedések elkerülésében. A mikrotömegszűrő acélokban a sarkok szerkezetében lévő szénitridek, különösen a szén-nitridek jelenléte miatt, a szög körüli szemcsék határainak törékenysége növekszik. A szénitridek kiválásának csökkentése érdekében az acélban a mikroötvöző elemek típusát és mennyiségét szigorúan kontrollálni kell, különösen az N (nitrogén) tartalom korlátozása érdekében, amely közvetlen hatással van a szénitridek képződésére. A kutatások azt mutatják, hogy ha az N tartalom a 4 × 10–5 alatt marad, jelentősen csökkenthető a keresztirányú repedések aránya a lemezekben.

Továbbá, a különböző ötvöző elemek szénitridek kiválási hőmérsékletének különbsége jelentős. A Ti (titanium) például egy olyan mikroötvöző elem, amely a 1300 °C feletti hőmérsékleten képes először elnyelni a nitrogént az acélban, csökkentve ezzel azokat a nitrogén mennyiségeket, amelyek más, nagyobb hatással lévő ötvöző elemek, mint Nb, Al, B szénitridek képződéséhez szükségesek. A Ti hozzáadása tehát segíthet abban, hogy csökkentse a keresztirányú repedések előfordulását a mikro-ötvözött acéllemezben.

A folyamatos öntési folyamat optimalizálása szintén hatékony módja a repedések csökkentésének. A Hyundai Steel Dél-Koreában például a másodlagos hűtővíz elosztási rendszerének optimalizálásával csökkentette a Nb, V mikro-ötvözött acélok keresztirányú repedéseinek előfordulását. A Baowu Steel továbbfejlesztette a formázó fluxus tulajdonságait, amely lehetővé tette a forma hűtésének csökkentését, stabilizálta az öntőforma kúpját, és az optimális öntési sebesség alkalmazásával csökkentette a repedések előfordulását. Az ilyen fejlesztések azonban még nem teljesen szüntetik meg a repedések képződését, így a kutatás továbbra is folytatódik.

A repedések csökkentésére alkalmazott különböző technológiák folyamatos finomítása mellett fontos figyelembe venni a hűtési rendszerek, az öntőformák és az egyengetési technikák együttes hatását a mikro-ötvözött acéllemez minőségének javításában. Az iparági fejlesztések további irányai között szerepel az öntőberendezések és az egyengető rendszerek fejlesztése, hogy csökkentsék a lemez sarkainál előforduló keresztirányú repedéseket és növeljék a termelési hatékonyságot.

Miért alakul ki hosszanti bemélyedés a vastag öntött lap széles oldalán, és hogyan lehet ezt megakadályozni?

A vastag öntött lapok széles oldalán jelentkező hosszanti bemélyedés kialakulásának mechanizmusa a hullámzó öntési folyamat egyik legfontosabb kérdése. Az ilyen típusú hibák felismerése és kezelése nemcsak a termelési folyamat hatékonyságát javítja, hanem az öntött acélminőségre is jelentős hatással van. A kutatás során végzett numerikus szimulációk azt mutatják, hogy a széles oldal sarkának hosszanti bemélyedése az öntés során több tényező együttes hatásának következménye, beleértve a szilárdult héj zsugorodását, az öntőforma dőlésszögét és a rézlemez deformációját.

A kezdeti fázisban, amikor a szilárdult héj a formából kilép és belép a másodlagos hűtési zónába, az öntött acél ferrostatikus nyomása a széles oldal héját egy-egy periodikus kidudorodásra kényszeríti a hengerek között. Ez a kidudorodás a széles oldal sarkánál, egy úgynevezett "forró pontnál" bekövetkező deformációhoz vezet. A deformált héj ezen szakaszának megerősödése további torzulásokat okozhat, amelyek elősegítik a hosszanti bemélyedés kialakulását.

Bár egyes kutatók úgy vélik, hogy a szilárdult héj és a keskeny oldal hengerei között kialakuló kidudorodás közvetlen kapcsolatban áll a széles oldal sarkának hosszanti bemélyedésével, fontos, hogy a kutatás ne hagyja figyelmen kívül a sarok és a keskeny oldal hengerei közötti kapcsolatot. Továbbá, miközben a kutatás során feltételezték, hogy az öntőformában a hőátadás egyenletes, a gyakorlatban a "forró pontok" megjelenése a széles oldal sarkánál egy objektív tény.

Az öntőformák szerkezetének és az öntési folyamat optimalizálása jelentős hatással lehet a széles oldal sarkán kialakuló hosszanti bemélyedések csökkentésére. Egyes kutatók, mint Thomas et al., azt javasolják, hogy háromdőlésszögű formát alkalmazzanak, amelynek felső részén nagyobb, középső részén párhuzamos, alsó részén pedig kisebb kompenzációval rendelkezik. Ez a konstrukció elősegíti a keskeny oldal hatékony szilárdulását anélkül, hogy a széles oldal sarkánél súlyos deformációk keletkeznének. Az öntőformák optimalizálása lehetőséget ad arra, hogy csökkentsük a széles oldal sarkán megjelenő bemélyedések előfordulásának mértékét, ugyanakkor a teljes problémát nem lehet teljesen megszüntetni ezen eljárással.

A különböző öntőformákban alkalmazott öntési fluxusok szintén hozzájárulhatnak a hiba csökkentéséhez. Az öntöttacél-gyártók számára a legfontosabb szempont, hogy az öntőfluxus viszkozitása és olvadáspontja egyensúlyban legyen a kívánt acélminőséggel és az optimális szilárdítási folyamattal. Az olyan fluxusok alkalmazása, amelyek alacsony viszkozitással és alacsonyabb olvadásponttal rendelkeznek, segíthetnek a szilárduló héj egyenletesebb képződésében, miközben csökkentik a hosszanti bemélyedések kockázatát.

A másodlagos hűtési folyamatok javítása szintén elengedhetetlen a széles oldal sarkán történő hosszanti bemélyedések kontrollálásában. Az olyan hengerek alkalmazása, amelyek szorosabban érintkeznek a lap keskeny oldalával, és a megfelelő hűtési technikák bevezetése, segíthet megakadályozni a keskeny oldal túlzott kidudorodását. Ezen kívül, a hűtési hatékonyság növelése és a hengerelési technológiák optimalizálása tovább javíthatja a szilárduló héj szerkezetének stabilitását.

Fontos megérteni, hogy a hosszanti bemélyedések kialakulása nem csupán technikai probléma, hanem folyamatos figyelmet és kutatást igényel. A folyamatok finomhangolása, mint az öntőformák és fluxusok megfelelő beállítása, a megfelelő hűtési zónák kialakítása és az öntési paraméterek optimalizálása, mind hozzájárulnak a termelési hatékonyság javításához és a hibák minimalizálásához. Az ilyen típusú problémák kezeléséhez elengedhetetlen a folyamat minden szakaszának alapos megértése és a különböző tényezők egymásra gyakorolt hatásának figyelembevétele. A kutatások és az ipari alkalmazások folyamatosan fejlődnek, így ezen eljárások tovább finomíthatók, hogy még jobban megfeleljenek a változó ipari igényeknek.

Hogyan befolyásolják a hűtési sebességek a mikroszerkezeti ötvözött karbónitrid csapadékképződést az acélban?

A mikroszerkezeti ötvözött karbónitrid csapadékképződésének kinetikája és termodinamikai folyamatai kulcsfontosságúak a különböző ötvözetek mechanikai tulajdonságainak, különösen azok szilárdságának és forrósági szilárdságának javítása szempontjából. Az ötvözött acélok hűtési körülményei és az ebből eredő csapadékképződés közötti kapcsolat mély megértése segíthet a kívánt mikroszerkezeti tulajdonságok elérésében, miközben figyelembe kell venni a csapadékok nagyságát és eloszlását.

A mikroszerkezeti karbónitrid csapadékok képződése nagymértékben függ a különböző ötvözőelemek koncentrációjától az acélban, mint például a vanádium (V), bór (B), alumínium (Al) és a nitrogén (N). A vizsgált elemek közül az egyik legfontosabb a nitrogén és annak hatása a csapadékképződésre. Ha a nitrogén tartalom 0,0045%-ra nő az acélban, akkor a bór koncentrációja 0,0008%-ról 0,0014%-ra és 0,0020%-ra emelkedve változtatja meg a BN (bór-nitrid) szemcsék határfelületi csapadékképződésének hőmérsékleti "orrpontját", amely körülbelül 865 °C-ról 900 °C-ra és 925 °C-ra emelkedik. Az azonos típusú hatások figyelhetők meg az alumínium-nitrid (AlN) csapadékok esetén is, amikor a hűtési körülmények és a hűtési sebesség változásai befolyásolják a csapadékok eloszlását és nagyságát.

A hűtési sebesség kulcsszerepet játszik a mikroszerkezeti csapadékok eloszlásában és méretének finomításában. A legfontosabb megfigyelés az, hogy amikor a hűtési sebesség eléri a 4-5 °C/s sebességet, a csapadékok eloszlása elég finommá válik, és a csapadékok mérete jelentősen csökken. A 7 °C/s hűtési sebességnél a csapadékok mérete már 10 nm alá csökkenthető, és a csapadékok egyenletesebben oszlanak el az acélszerkezetben.

A hűtési sebesség hatására a csapadékok formája és eloszlása alapvetően megváltozik. Amikor a hűtési sebesség kisebb, mint 3 °C/s, a csapadékok láncszerűen helyezkednek el, és viszonylag nagyok, körülbelül 150 nm átmérőjűek. Azonban, ha a hűtési sebesség meghaladja a 4-5 °C/s sebességet, a csapadékok finomabbá válnak, és az eloszlásuk sokkal egyenletesebbé válik.

A mikroszerkezeti csapadékok, mint a karbónitridok, hűtési viselkedésének ellenőrzése alapvető fontosságú a hűtési folyamatok optimalizálásában. A termelési gyakorlatok azt mutatják, hogy az optimális hűtési feltételek a BN és az AlN csapadékok szórt eloszlásának eléréséhez a hűtési zónában 850-1000 °C között találhatók. Ezen belül a hűtési sebesség kulcsfontosságú tényezővé válik az acél szilárdságának növelésében anélkül, hogy jelentősen csökkentené annak meleg szívósságát.

A gyakorlatban a legfontosabb hűtési szabályozásokat a másodlagos hűtési zónában kell elvégezni, ahol a legnagyobb hatással lehetünk a csapadékképződésre, miközben elérjük a kívánt mikroszerkezeti tulajdonságokat. A hűtési sebesség további növelése nem hoz már jelentős változásokat a csapadékok méretének finomításában, azonban biztosítja azok egyenletes eloszlását a matrica szerkezetében, ami alapvetően hozzájárul az acél szilárdságának javulásához.

Végül érdemes megemlíteni, hogy a mikroszerkezeti csapadékok eloszlása nemcsak a hűtési sebességtől, hanem az ötvözetek összetételétől is nagyban függ. A különböző ötvözőelemek, mint a vanádium, titán és nióbium, külön-külön és kombinálva is hatással vannak a csapadékképződés kinetikájára. Az optimális hűtési sebesség és a megfelelő ötvözetek használata közötti kapcsolat megfelelő beállítása kulcsfontosságú a mikroszerkezeti jellemzők pontos irányításában.

Hogyan befolyásolják a vékony lemezek hőmérsékleti és mechanikai tulajdonságai a folyamatos öntés folyamatát?

A vékony lemezek hőmérsékleti viselkedése és mechanikai tulajdonságai alapvetően befolyásolják a folyamatos öntés során alkalmazott technológia sikerességét. Az egyik legfontosabb tényező, amit figyelembe kell venni, a hőmérsékletváltozás a különböző zónákban, amelyek a lemez szilárdulásához és végső formájához vezetnek. A Qste380TM alacsony széntartalmú, Nb-Ti mikró-ötvözött acél vékony lemezeinek folyamatos öntése során a hőmérsékleti változások jól nyomon követhetők, és egyértelműen tükrözik a hűtési intenzitás hatását a lemez középső, széles és keskeny oldalain.

A lemez középső része a teljes szilárdulás előtt viszonylag stabil hőmérsékleten van, amely az öntési folyamat elején lassan csökken. A vékony lemezek esetében, mivel a hűtési intenzitás a másodlagos hűtési zónában igen magas, a folyékony mag hossza viszonylag rövid, ami azt jelenti, hogy az ilyen típusú öntési eljárások gyorsan hűtik le a lemezeket, minimalizálva a hűtési defektusok kialakulásának kockázatát.

A széles oldal hűtési folyamatának részletes elemzése azt mutatja, hogy a formából való kilépés után az öntött lemez gyors hűtésen megy keresztül, amelyet a lábtekercsek és a hálózati zóna erős fúvóka-hűtése biztosít. A lemez hűtése ebben a szakaszban folytatódik, miközben a hűtési intenzitás csökkenésével a széles oldal kezd enyhén újra melegedni. A hőmérséklet-emelkedés azonban korlátozott, és az öntött lemez hőmérséklete nem haladja meg a 1025 °C-ot a legtöbb esetben. Ezt követően, a további hűtési szakaszokban, a széles oldal hőmérséklete ismét csökken.

A keskeny oldal hűtése során más jelenségeket is megfigyelhetünk. A formából való kilépéskor a lemez hűtése az alsó lábtekercsek fúvóka-hűtésének hatására gyorsan csökken, különösen a keskeny oldal középvonalán. A szilárdított héj vastagodása miatt a hőmérséklet ismét emelkedni kezd, és a hűtési folyamat különböző szakaszaiban a lemez hőmérséklete eléri a 1210 °C-ot. Az optimális hőmérsékleti tartomány eléréséhez, amely elengedhetetlen a megfelelő minőségű öntött lemez előállításához, különös figyelmet kell fordítani a hűtési zónák intenzitására és azok időbeli változásaira.

A lemez sarkainak hűtésére külön is figyelmet kell fordítani, mivel a sarkok hőmérséklete alacsonyabb, mint a széles és keskeny oldalaké, és hajlamosak gyorsan hűlni a hűtési zónákban. A sarkok hőmérséklete a folyamat során elérheti a 852 °C-ot, ami különösen kritikus a sarkon történő repedéskeletkezés szempontjából. Az ilyen típusú repedések elkerülése érdekében a hűtési és deformációs folyamatokat együttesen kell figyelembe venni, mivel a magas deformációs sebességek és a szilárduló mag okozta mechanikai feszültségek könnyen repedéshez vezethetnek.

A folyamat minden egyes szakaszában, beleértve a görbült szegmenseket és az egyenes szegmenseket is, a hőmérséklet és a deformáció kölcsönhatása kulcsfontosságú. A vékony lemezek mechanikai viselkedése során a legkritikusabb szakasz a folyékony mag csökkentése, amely a legnagyobb deformációt és stresszt eredményezi a lemez belső ívén. A termikus és mechanikai viselkedés részletes vizsgálata lehetővé teszi a folyamatok optimalizálását, és elősegíti a hiba nélküli lemez előállítását.

Fontos, hogy a megfelelő deformációs sebesség mellett a hűtési szintek és a hőmérsékletváltozások egyensúlyban maradjanak, hogy minimalizálják a repedés kialakulását, különösen a sarkokon, ahol a hőmérsékleti és mechanikai tulajdonságok a legkevésbé kedvezőek. Az optimális folyamatirányítás kulcsfontosságú szerepet játszik a vékony lemezek minőségének biztosításában a folyamatos öntés és hengerlés során.

Miért fontos az új öntőforma kialakítása a vékony lemezek sarkainak hűtési és szilárdítási viselkedésében?

Az új kialakítású öntőformák alkalmazása a vékony lemezek gyártásában jelentős előnyöket kínál a szilárdítási és hűtési folyamatok optimalizálásában, különösen a sarkoknál. Az ilyen formák kifejlesztésével a vékony lemezek minősége javítható, mivel a sarkok és szélek szilárdulásának folyamatát sokkal jobban ellenőrizhetjük, mint a hagyományos formák esetében. A folyamatok részletes vizsgálata segít a szilárdító héj viselkedésének megértésében, amely közvetlen hatással van a végső termék tulajdonságaira.

A legtöbb vékony lemez öntési rendszere, például a CSP (Continuous Casting) technológia, hagyományos sík öntőformákat használ, amelyek nem mindig képesek hatékonyan kezelni a sarkokban jelentkező összehúzódási hézagokat. E problémák megoldása érdekében az új, hajlított struktúrájú formák, amelyek az öntőformák széles és keskeny oldalainak csavarodó szerkezetére építenek, lehetővé teszik a feszültségek és deformációk kontrollálását.

Ezek az új öntőformák különösen a vékony lemezek felső részénél alkalmazott nagymértékű kúpos kompenzációval rendelkeznek. A kis vastagságú vékony lemez és a szilárdult héj magas hőmérséklete miatt, amely az öntőforma felső részén helyezkedik el, elengedhetetlen, hogy megfelelő kompenzációt alkalmazzunk a sarkoknál, így elkerülhetővé válik a szélek túlzott deformációja. Ez azt eredményezi, hogy nincs szükség a sarkok szempontjából a hagyományos öntőformákra jellemző "nagyobb sarkú kompenzáció" kialakítására, amely a keskeny oldalon található sarkoknál jelenik meg.

A hajlított formák alkalmazásának egyik legfontosabb előnye, hogy képesek csökkenteni a fluxusfilm és a levegőréteg vastagságát, amely közvetlenül befolyásolja a hőátadást a formában. A fluxusfilm vastagsága csökken, különösen a keskeny oldali sarkoknál, ahol a film vastagsága a hagyományos formákhoz képest jelentősen csökken, akár 45-57%-kal is. Ez az eredmény javítja a hőátadást, és segít a megfelelő hűtési sebesség fenntartásában, amely alapvető a mikroalloyelek, például Nb, Al, B, és más szénitridek megfelelő kicsapódásához.

Fontos megérteni, hogy a hűtési sebesség és a fluxusfilm eloszlása szorosan összefügg a vékony lemez sarkainak szilárdulásával. A hagyományos formák hűtési sebessége gyakran nem elégséges a mikroalloyelek diszpergálódásához szükséges hűtési feltételek biztosításához. Az új formák által biztosított gyorsabb hűtési sebesség lehetővé teszi, hogy a vékony lemezek sarkai megfelelően szilárduljanak meg, ami javítja azok mechanikai tulajdonságait, különösen a szilárdságot és a szívósságot.

Továbbá, az új formák alkalmazása nemcsak a vékony lemezek minőségére van jótékony hatással, hanem a termelési hatékonyságot is javítja. A jobb hőátadás, az optimális hűtési sebesség és a csökkentett fluxusfilm vastagságok mind hozzájárulnak ahhoz, hogy a gyártási folyamat gyorsabb és költséghatékonyabb legyen. Ezen kívül, a szilárdítási folyamatok jobb kontrollálása lehetőséget ad arra, hogy a termékek homogenizáltabbak legyenek, így csökkenthető a hibák előfordulása.

Az új öntőformák sikeres alkalmazása és az azokkal kapcsolatos kutatások eredményei azt mutatják, hogy az iparági innovációk és a modern technológiák folyamatos fejlesztése alapvetően befolyásolják a vékony lemezek gyártási minőségét. Az ipari alkalmazás során szerzett tapasztalatok és a folyamatos tesztelés révén egyre pontosabbá válik az öntőformák tervezése, és így még inkább testreszabhatóak a különböző típusú acélok és ötvözetek igényeihez.