Mi okozza a mikroötvözött acél folyamatos öntésű tuskóinak melegbetáplálási repedéseit, és hogyan lehet ezeket kezelni?

A modern nagyméretű acélipari vállalatok törekvése a termelési folyamat egyszerűsítésére és az üzemterület csökkentésére egyértelműen a kompakt elrendezés és a melegbetáplálási technológia alkalmazása felé tolja a gyártást. Ezzel a megközelítéssel csökken az infrastrukturális beruházás, rövidül a gyártási ciklus, kevesebb energia szükséges, és csökken a fémveszteség is. Ugyanakkor ez a technológiai áttörés új, komplex problémák forrásává vált, különösen a mikroötvözött acél tuskók esetében, ahol jelentős mértékben nőtt a felületi repedések előfordulása. A melegbetáplálási repedések, amelyek az újrahevítés során keletkeznek, kritikus technikai akadályt képeznek a minőségi és hatékony acéltermelésben.

A melegbetáplálás során keletkező repedések kialakulása akkor történik, amikor a hőfeszültség és a szerkezeti feszültség összege meghaladja a tuskó nagy hőmérsékleti szilárdságát. Ez különösen a mikroötvözött acélok – például a Nb-tartalmú típusok – esetében kritikus, ahol a felületi repedések mélyek, sűrűek, és a valós gyártási folyamatban már nem

A folyamatos öntési folyamatban a hűtési és szilárdulási viselkedés dinamikus modellje

A szilárdított héj hőátadásának vizsgálata a folyamatos öntési folyamatban az egyik legösszetettebb és legfontosabb feladat. A valódi öntési környezetben a héj és az öntőforma közötti levegőréteg eloszlása nem homogén, és számos tényező, mint a szén-acél összetételének ingadozása, valamint az öntési paraméterek változása, tovább növeli a dinamikus eloszlás komplexitását. A különböző öntési körülmények mellett a hőátadási koefficiens pontos meghatározása érdekében alkalmazott módszerek nem mindig adnak helyes eredményeket.

Chen és munkatársai a héj és az öntőforma közötti hőátadást két fő részre osztották: a kontaktus területére és a levegőrétegre, figyelembe véve a héj és az öntőforma közötti érintkezési állapotokat. A kontaktus területén a hőátadási koefficiens meghatározásához a magas hőmérsékletű anyagok érintkezési hőátadási koefficienseit alkalmazták, míg a levegőréteg hőátadása vezetési és sugárzási hőátadással is modellezhető. Ezen kívül a forma fluxusa, amely az öntőforma-héj interfészén jelenik meg, szintén jelentős szerepet játszik a hőátadásban, és annak dinamikus viselkedése, különösen a levegőréteggel való kölcsönhatása, alapvetően befolyásolja a hűtési folyamatot.

A forma fluxusának dinamikus eloszlását azonban nem lehet egyszerűen konstansnak tekinteni, mint ahogy azt Kim és Han et al. modellje tette. Az általuk alkalmazott modellek nem veszik figyelembe a forma fluxusának magasság és körkörös irányú eloszlását, ami alapvetően nem tükrözi a valódi öntési környezetet. Mindez azt jelenti, hogy a már meglévő hőfluxus-számítási modellek nem képesek pontosan leírni a szilárdulási folyamat hőmérséklet-változásait, különösen a héj sarkainál.

A modell fejlesztése érdekében szükség van olyan új számítási megközelítések kidolgozására, amelyek figyelembe veszik a több hőátadási közeg dinamikus eloszlását, mint például a forma fluxusa és a levegőréteg. Az új számítási modell segítségével pontosabban meghatározható a héj hőmérsékleti fejlődése a szilárdulási folyamat során, és így elősegíthető a micro-alegált acélok hűtésének optimális irányítása.

A szilárdulás mechanikai és hőátadási viselkedése rendkívül bonyolult. A szilárdulási folyamat során a legfontosabb tényezők közé tartozik a fázisátmenet viselkedésének, az oldott anyagok mikroszegregációjának és a hőátadási média dinamikus eloszlásának figyelembevétele. Az acél összetétele közvetlen hatással van a szilárdulás mechanikai és hőátadási viselkedésére, ezért szükség van egy szolúttal történő mikroszegregációs modell alkalmazására. Ez a modell segít meghatározni a szilárdulási folyamat során az acél szilárd frakcióját és annak evolúcióját a hőmérséklet függvényében, így kiszámíthatók a kulcsfontosságú fizikai paraméterek, mint például a hővezető képesség, a fajhő és a lineáris hőtágulási együttható.

Az új modell alapját képező feltételezések között szerepel, hogy a szilárdulás során a dendriták keresztmetszete szabályos hatszögletű alakot vesz fel, és ezt az alakot megőrzi a szilárdulás előrehaladtával. Az oldott elemek eloszlása az egyes fázisok között homogén, és a szilárdulás alatt egyensúlyban marad. A dendriták növekedése a folyékony és szilárd fázisok közötti határon, a solútum koncentrációja alapján történik, figyelembe véve a hőmérsékleti változásokat és a szilárdulási front mozgását.

A mikroszegregációs modell lehetőséget ad arra, hogy a szilárdulás különböző fázisait jobban megértsük, és elősegíti a szilárd és folyékony fázisok közötti átmenetet. Az új hőátadási és mechanikai viselkedési modellek a valós öntési környezetet pontosabban tükrözik, lehetővé téve a mikroszegregáció, a hőátadás és a szilárdulás közötti kölcsönhatások jobb modellezését, valamint a folyamat optimalizálását.

Endtext

Miért fontos figyelembe venni a vékony öntött lemezek szilárdulásának és hő-mechanikai viselkedésének részletes elemzését a kovácsolóformában?

A vékony öntött lemezek szilárdulása és a hő-mechanikai viselkedésük elemzése alapvető fontosságú a folyamatos öntési folyamatok optimalizálásában. A speciális öntőformákban – mint például a rézlemezből készült keskeny- és szélesoldali formák – a szilárduló héj és a formák közötti kölcsönhatás jelentős hatással van a lemez minőségére és stabilitására. Ezen kölcsönhatások részletes vizsgálata lehetővé teszi a problémák előrejelzését és azok hatékony kezelését, például a repedések, szivárgások vagy más struktúrák rendellenességeinek elkerülését.

A vékony öntött lemezek szilárduló héja a formában különböző hőmérsékleti és mechanikai erőhatásokkal találkozik, amelyek közvetlenül befolyásolják a végtermék minőségét. A hőmérsékleti eloszlás az öntött héjban, valamint a formához való csatlakozásának mértéke alapvetően meghatározza a szilárdulási folyamat dinamikáját. A formában lévő rézlemez sarkainál, ahol a szilárd héj leválása kezdődhet, a hőmérséklet különbségek és az öntött anyag összehúzódása révén megnövekvő rés miatt nagyobb mértékű hőtárolás léphet fel, ami kedvezőtlen hatásokhoz vezethet, mint például a felületi repedések megjelenése.

A legfontosabb jelenségek, amelyek befolyásolják a szilárdulás és a hő-mechanikai viselkedést, a következők:

1. A szilárd héj és a rézlemez közötti rések eloszlása – Az öntött héj folyamatos zsugorodása miatt a héj és a forma közötti rések egyre szélesebbé válhatnak. Ezen rések hőmérséklete különböző lesz a lemez vastagságának függvényében, ami hatással van a szilárd héj elválásától való mértékére.

2. A forma fluxus film eloszlása – A forma és a héj közötti fluxus film vastagsága eltérő lesz a különböző magasságoknál. A széles és keskeny oldal sarkainál lévő fluxus film vastagsága csökkenhet a forma tetejéhez közelebb eső részeken, míg a sarkokban, ahol a szilárd héj elválik, megnövekvő film vastagságot tapasztalhatunk.

3. A levegőréteg eloszlása – Az öntött lemezek különböző részein képződő levegőrétegek eloszlása szintén meghatározó tényező. A rések növekedése és csökkenése a forma alsóbb részein eltérő módon történik, és ezen levegőrétegek vastagságának változása közvetlen hatással van a hőelvonásra és az öntött lemez minőségére.

A szilárd héj zsugorodása és a forma sarkai közötti kölcsönhatás egy olyan bonyolult dinamikát hoz létre, amely a szilárdulás fokozatos stabilizálódásával csökkenthető. Az öntési folyamat során, ahogy a lemez lefelé halad a formában, az összehúzódás és a forma reakciója a lemez hőmérsékletének csökkenésével javul, és az interfacialis rések fokozatosan csökkennek. Ezen stabilizációs folyamatok figyelemmel kísérése és elemzése segít meghatározni a legoptimálisabb öntési paramétereket, hogy elkerüljük a nem kívánt repedéseket és szivárgásokat.

Fontos megérteni, hogy az öntési formák és a szilárduló héjak közötti interakciók nemcsak a technikai paraméterek (mint a hőmérséklet és az anyag összetétele), hanem a mechanikai viselkedés figyelembevételével is hatékonyan kezelhetők. A különböző magasságokban mért levegőréteg- és fluxus film eloszlások segítenek pontosabban előrejelezni a problémákat, és ezzel javítani az öntési folyamatokat.

Ahhoz, hogy a vékony öntött lemezek optimális minőséget érjenek el, fontos a folyamatok folyamatos monitorozása és az interakciók alapos megértése, hiszen minden egyes változó – a zsugorodás mértéke, a fluxus réteg viselkedése és az air gap eloszlás – kulcsszerepet játszik a végeredményben.

Milyen felületi edzési technológiákat alkalmaznak az öntött acéllemezeknél a termelés során?

A folyamatos öntésű acéllemezek felületi edzési technológiái kulcsfontosságúak az anyagok minőségének javításában és a felületi repedések megelőzésében. Az egyik legkorábbi és legismertebb megoldás a Danieli cég által kifejlesztett felületi edzési rendszer, melyet 1994-ben vezettek be az olasz ABS gyárban. Ez a berendezés a lehúzó és kiegyenesítő gép után helyezkedik el, és több sorból álló erős vízsugár permetezésével hűti az acéllemezek felületét. Minden fúvókasor vízáramlása külön-külön szabályozható, így a lemez felületét folyamatosan és erőteljesen hűtik. A megfelelő hűtővíz mennyiség, az edzőberendezés optimális hossza és a hűtési folyamat precíz megtervezése lehetővé teszi a maximális öntési sebesség melletti egyenletes, ultra-erős felületi edzést. Az automatizált vezérlés révén a különböző acélminőségek és öntési sebességek mellett a hűtővíz mennyisége úgy igazítható, hogy a felület ductilitása megmaradjon, és minimalizálódjon a túlzott termikus feszültségből eredő repedések kialakulása. Ezt a technológiát több gyártó is átvette, például a kínai Jiyuan Steel és a dél-koreai Hyundai Steel.

A Nippon Steel vállalat egy másik megközelítést alkalmazott a billets (kis keresztmetszetű öntött termékek) folyamatos öntésénél, az ún. merítéses edzési eljárást. Ez a technológia a forró öntött billet felületén jelentkező repedések csökkentésére fókuszál. Kutatásaik kimutatták, hogy a billet felületi szerkezete a hőkezelés során alacsony ductilitású, kettős fázisú, „ausztenit + szemcsehatár ferrit” szerkezetű, melyben a szemcsehatárokon mikroötvözött karbonitrid kiválások vannak jelen, ezek merevíthetik a szemcsehatárokat, és hőfeszültség hatására hálószerű repedések keletkeznek. A megoldás az, hogy a vágógép után a hengertáblán egy vízmedencébe merítik a forró billetet, ahol az edzési idő szabályozásával elérhető a kívánt szerkezetátalakulás. Ez a technológia jelentősen finomítja a billet felületi szerkezetét, a 0–20 mm-es mélységben egyenletes ferrit + perlites szerkezetet eredményez, így a felületi repedések nagy mértékben csökkennek. Habár ez a megoldás hatékony, a valós termelési folyamatokban kihasználtsága korlátozott, mivel nem mindig éri el az ideális edzési hatást, és a termelékenység is alacsonyabb.

Széles vastagságú lemezek gyártásánál két acélgyár – az A és a B üzem – is felületi edzési berendezéseket alkalmaz a repedések megakadályozására. Mindkét esetben az edzőberendezés az öntőgép sorjaeltávolító gépe után kerül beépítésre. Az edzési folyamat során a 700–730 °C közötti lemezfelületet erős vízsugár segítségével 350–450 °C-ra hűtik le, majd gyors újrahőkezeléssel 100–120 °C-kal emelik a hőmérsékletet, végül lassú lehűtést alkalmaznak a 330–420 °C közötti tartományba a fűtőkemencébe történő adagolás előtt. Ez a módszer hatékonyan csökkenti a Nb-ötvözőelemet tartalmazó lemezek felületi repedéseit a fűtési folyamat során.

Ezek az eljárások alapvetően a lemez felületi hőmérsékletének precíz szabályozásán és a felületi szerkezet kontrollált átalakításán alapulnak. Ugyanakkor az online hűtési módszerek gyakran szenvednek a nem egyenletes permetezésből eredő lokális hűtési problémáktól, ami helyi szerkezeti eltérésekhez, ezáltal repedésekhez vezethet. Fontos megjegyezni, hogy a lemez felületi hőmérséklete a hűtőberendezésbe lépéskor nem lehet túl magas, hogy a mikroötvözött karbonitrid kiválások már ki tudjanak alakulni, így a további szerkezetátalakulás és repedésmegelőzés hatékony legyen. A túl magas vagy nem megfelelően szabályozott hőmérséklet esetén a repedésveszély fennáll.

Az eddigi eredmények alapján az optimális edzési paraméterek meghatározása során figyelembe kell venni a folyamatos öntés sebességét, az acélötvözet összetételét, a lemez vastagságát és a hűtés időtartamát. Csak ezen tényezők pontos összehangolásával érhető el a repedésmentes felület, amely megfelel a magas minőségi elvárásoknak.

Az acéllemez felületi edzésének hatékonysága nem csupán a hűtési folyamat technikai megvalósításán múlik, hanem a lemez szerkezeti átalakulásainak mélyreható ismeretén is. A mikroötvözött karbonitrid kiválások szerepének és a szemcsehatár-fázisok mechanikai viselkedésének megértése nélkül nem lehetséges a folyamat optimális beállítása. Ezen túlmenően a hőmérsékleti térkép pontos kialakítása és az ebből fakadó hőterhelés dinamikus kezelése kulcsfontosságú a repedésmentes termék előállításához.