Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
Výroba oceli Steel Making
Nerovnoměrné tuhnutí plynule litých sochorů Irregular Solidification of Continuously Cast Billets Ing. Josef Kuběna, CSc., Ing. Jiří Cibulka, Ing. Radek Hermann, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Třinec, Prof. Ing. Karel Michalek, CSc, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Stávající modely tuhnutí a chladnutí plynule litých polotovarů predikují – za ustálených podmínek – konstantní teplotní pole pro dané místo licího stroje. Provozním měřením na ZPO však byl prokázán výskyt opakujících se teplejších a chladnějších úseků, které příslušejí vždy určitým místům sochoru. Ukázalo se, že jejich vznik je iniciován již v horní části krystalizátoru a že tyto teplotní fluktuace zřejmě indikují nerovnoměrnost v tuhnutí, která by se pak mohla projevit i ve struktuře a chemické nehomogenitě. Byly proto odebrány vzorky z teplejších a chladnějších míst a jejich struktura analyzována jak standardními (makrolept, Baumanův otisk) tak i netradičními metodami (ultrazvukový C-scan). The existing models that describe solidification and cooling down of continuously cast semis are predicting – under stable operational parameters – a constant temperature field at each position of the caster. However, our plant measurements on the No. 2 billet caster of Trinecke Zelezarny steelworks had shown recurring warmer and colder regions along the billet length. Further on, it emerged from thermocouple measurements in the mold that their origin was to be searched already in the meniscus area as significant correlation had been found between them and bath level fluctuations. The temperature changes proceed more or less concurrently along all four sides of the mould. Considering the time offset, each temperature variation can then be subsequently detected by all three optical pyrometers installed at the caster, as well as by temperature scanner situated at another billet side. This demonstrates the voluminal character of these variations. Based on the above findings it was suggested that the surface temperature fluctuations could indicate irregular course of billet solidification. If so, induced structural and chemical inhomogenities should be observable along the length of the billet. To prove it, some samples were taken from the warmer and colder billet areas according to the surface temperature map and they were tested by conventional (macro-etching, sulfur print, X-ray analysis) and unconventional methods (ultrasound C-scan). Ultrasound testing revealed remarkable differences in the near-surface structure between the warmer and colder areas, whereas X-ray images displayed the central porosity patterns.
1. Úvod Naprostá většina vyrobené oceli se dnes odlévá plynule. Plynulé lití přineslo kromě ekonomických přínosů ze zlepšeného výtěžku a z energetických úspor při následném válcování zpravidla i zlepšení povrchové a vnitřní kvality ocelových polotovarů. Ani zde však situace není vždy ideální, setkáváme se s výskytem vad. Pro jejich potlačení je nezbytné co nejlépe poznat mechanismus tuhnutí oceli v podmínkách plynulého lití, které se do značné míry liší od podmínek při tuhnutí odlitků nebo ingotů. Doba mezi vstupem oceli do krystalizátoru do jejího plného utuhnutí u sochoru 150x150 mm činí při střední licí rychlosti 2,4 m.min-1 cca 5 minut, během které tuhnoucí objem oceli urazí vzdálenost přibližně 12 m (tzv. metalurgická délka). Původně svislá osa sochoru se přitom změní na vodorovnou, tzn. směr působení gravitace na tuhnoucí objem se změní o 90°. Zmíněná doba je sice podstatně kratší než u typického ocelového ingotu, je však dost dlouhá na to, aby se během ní postupně vytvořily rozdílné produkty krystalizace: povrchová vrstva, pásmo kolumnárních krystalů a
vnitřní oblast ekviaxiálních krystalů a také, aby se mohly projevit nežádoucí mechanismy jako je například makrosegregace. Počáteční fáze tuhnutí, kdy se ocel nachází v krystalizátoru (typicky 20 sekund), se dá srovnat s počátkem tuhnutí ingotu v kokile. Podmínky v navazujícího zóně sekundárního chlazení jsou však již odlišné tím, že odvod tepla z povrchu se mění během průchodu mezi řadami trysek chladicí zóny a zejména v mezerách mezi zónami, což vede ke kolísání povrchové teploty v daném místě sochoru. Tento proces se z tepelnětechnického hlediska dá popsat pomocí vhodného numerického modelu. Jelikož je u sochoru odlitého v ustáleném režimu historie tuhnutí každého délkového elementu totožná, měl by podle modelových představ být takto odlitý sochor po délce zcela homogenní. Konstantní by tedy měly být i např. povrchové teploty sochoru, snímané v určitém místě licího stroje.
2. Teplotní fluktuace V souvislosti s aplikací dynamického teplotního modelu na sochorovém ZPO Třineckých železáren [1] jsme
19
Výroba oceli Steel Making
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
však zjistili, že tyto teploty vykazují v čase znatelné fluktuace. Prokázali jsme také, že se nejedná o chybu měření (šumy), ale o reálné kolísání povrchové teploty po délce sochoru [2]. Zásadní význam má zjištění, že jednotlivé teplotní odchylky jsou svázány s konkrétním místem sochoru, tj. že postupují licím strojem rychlostí, která odpovídá rychlosti vytahování. Každá odchylka je postupně indikována pyrometry P1, P2 a P3, s časovým odstupem, který odpovídá vzdálenosti mezi pyrometry dělené rychlostí vytahování. Umístění těchto pyrometrů [2] v oblasti zóny sekundárního chlazení včetně pozice teplotního skeneru je znázorněno na obr. 1. Pyrometry jsou instalovány tak, že snímají teplotu z vnější boční strany krajního (osmého) licího proudu, zatímco skener pořizuje teplotní mapu ze strany malého rádiusu. Obr. 2 Teplotní mapa povrchu sochoru ze strany malého radiusu a odpovídající záznam teploty na levé boční straně Fig. 2 Temperature map of billet surface (inner radius) and the corresponding temperature chart (left side), time offset applied
P1
P2 místo pro lineární teplotní skener
P3
Obr. 1 Umístění pyrometrů P1 až P3 a teplotního skeneru na licím oblouku ZPO 2 Fig. 1 Positions of pyrometers P1 to P3 and of the temperature scanner at the No. 2 caster
Každá teplotní odchylka byla nejprve indikovaná termočlánkem nejblíže k hladině a následně se objevila i u dalších se zpožděním, které odpovídá příslušné vzdálenosti dělené rychlostí vytahování, viz obr. 3. Obdobně jako v oblasti sekundárního chlazení je i zde výrazná korelace mezi průběhy teplot na různých stranách. Znamená to tedy, že teplo je z určitých dílčích objemů tuhnoucího sochoru do krystalizátoru odváděno intenzivněji než z jiných částí sochoru. Nečekané ovšem je, že tato více ochlazovaná místa se po výstupu z krystalizátoru jeví jako teplejší, a to během celého průchodu licím strojem.
200
°C 160
Druhým zjištěním pak je to, že tyto teplotní fluktuace se nevztahují jen k boční straně sochoru, na kterou jsou zaměřeny pyrometry, ale že fluktuace mají "objemový" charakter. To je patrné z obr. 2, na němž je záznam pyrometru P3 spolu s teplotní mapou pořizovanou teplotním skenerem ze strany malého radiusu. Z obrázku je dobře patrná korelace naměřených hodnot pyrometru a teplotní mapy, a to i u odlesků z obou bočních stran. Další zajímavá zjištění přinesl pokusný krystalizátor se zabudovanými termočlánky, kterých bylo celkem 20 (po pěti v ose každé ze čtyř stěn, s odstupem 150 mm a ve vzdálenosti 2 mm od vnitřního povrchu). Naměřené teploty charakterizují intenzitu odvodu tepla v daném místě krystalizátoru. Všeobecně je známo, a naše měření to také potvrdila, že průměrná intenzita odvodu tepla se vzdáleností od hladiny klesá. Na rozdíl od jiných autorů jsme se však zaměřili i na detailní časové průběhy měřených teplot Bylo zjištěno, že totéž co výše uvádíme o "putování" teplotních odchylek od pyrometru P1 k pyrometru P3 v oblasti sekundárního chlazení, platí i pro krystalizátor.
20
120
80 9.78
10.18
10.58
10.98
11.38
11.78
minuta tavby
Obr. 3 Synchronizované záznamy prvého až čtvrtého termočlánku po výšce krystalizátoru (levá strana), délka 2 minuty Fig. 3 Synchronized charts of 1st to 4th thermocouple along the mold height (left side), duration 2 minutes
Při hledání dalších souvislostí byla zjištěna výrazná korelace mezi teplotními fluktuacemi a kolísáním hladiny, viz obr. 4. Z toho se dá usuzovat, že rozdíly v tuhnutí se iniciují již v oblasti hladiny (menisku), což samo o sobě není překvapivé. Vysvětlení, jakým mechanismem kolísání hladiny působí, však zatím hledáme. Z tepelně-technického hlediska by teploty měřené termočlánky měly při snížení hladiny oceli v krystalizátoru stoupnout, a naopak. Tak tomu také skutečně je, pokud vyvoláme vnějším zásahem pozvolný a hlubší pokles hladiny (např. o 20 mm). Na
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069 údajích teploty měřených na povrchu předlitku pomocí pyrometrů se však takový zásah již nijak neprojeví. Při běžném provozním kolísání (v rozsahu cca ± 4mm) naopak vzestup hladiny vyvolává nárůst teplot měřených termočlánky a dále pak i navazujícími pyrometry či teplotním skenerem.
Výroba oceli Steel Making dynamickým teplotním modelem, který je na tomto ZPO provozován.
6
5
4
3
2
1
Obr. 5 Místa odběru vzorků vzhledem k teplotní mapě povrchu Fig. 5 Surface temperature map and positions of samples
Obr. 4 Vztah mezi výškou hladiny a teplotami, shora: pyrometr P2, hladina, pyrometr P1, termočlánky 1. řady (střední hodnota), uplatněn časový posuv Fig. 4 Temperature charts versus bath level, from above: pyrometer P2, bath level, pyrometer P1, 1st row of mold thermocouples (mean value), time offset applied
Vše výše uvedené lze z tepelně-technického hlediska jen obtížně vysvětlit, držíme-li se běžných modelových představ o spojitém tuhnutí. Pokud však připustíme, že plynule litý sochor tuhne spíše jako série "miniingotů" [3], jedno vysvětlení se nabízí. S růstem utuhlé vrstvy odvod tepla povrchem klesá. Jestliže v některém místě tato vrstva poroste z nějakých důvodů pomaleji, bude povrch v tomto místě teplejší než jinde. Pokud se má takový stav udržet, vyžaduje to přechod tepla z oblasti se studenějším do oblasti s teplejším povrchem, což se děje vyrovnáváním teploty tekuté fáze mezi těmito oblastmi. Teplejší místa na povrchu sochoru potom můžeme – obrazně řečeno – chápat jako jakési "teplé prameny", jimiž podpovrchové teplo uniká ven ve zvýšené míře. Z praktického hlediska by tak tato místa měla zviditelňovat jádra jednotlivých miniingotů, která tuhnou jako poslední.
3. Rozdíly ve struktuře Jestliže existuje souvislost mezi fluktuacemi povrchové teploty a tuhnutím sochoru, měla by se návazně projevit i v místních rozdílech v jeho struktuře. V návazném výzkumu [4] jsme proto vzorky ze sochoru odebírali cíleně tak, aby spadaly buď do teplého, nebo studeného místa teplotní mapy. V prvé fázi bylo z plynule litého sochoru z vysokouhlíkaté oceli odebráno 6 ks příčných vzorků podle obr. 5. Vzorky byly následně analyzovány z hlediska struktury. Tato analýza byla provedena jednak běžnými metodami (Baumanův otisk a makrolept) a dále také cestou ultrazvukové immersní analýzy (C-scan). Na Baumannových otiscích byly dobře patrné bílé pásky, které indikují vznik negativní segregace při průchodu tuhnoucího sochoru míchačem S-EMS. Jejich průměrná vzdálenost od povrchu odpovídala hodnotě predikované
Licí struktura, jež na klasických makroleptech někdy není zcela zřetelná, byla zvýrazněna opatrným přebroušením vyleptaného povrchu jemným smirkovým papírem dle metody Etchprint [5]. Na takto upravených makroleptech je možno dobře vidět oblast sloupcovitých a oblast rovnoosých krystalů, viz obr. 6. Přechod však není "učebnicově" skokový, ale rozhraní je nepravidelné. Struktura obou oblastí je poměrně hrubozrnná, a je podobná u vzorků z teplých i studených míst. Ve středové oblasti se v některých případech nacházejí necelistvosti (řediny, dutiny). Na vzorcích je vidět poměrně jasný povrchový pruh (jakoby „stín“), který zasahuje nejhlouběji ze strany malého rádiusu (na obr. 6 nahoře). Jeho šířka je větší u vzorků odebraných ze studených míst.
Obr. 6 Zviditelněná primární struktura na makroleptu – vzorek č. 5 Fig. 6 Visualised primary structure – sample No. 5
Toto zjištění podalo podnět k využití další netradiční metody pro studium licí struktury, a to ultrazvukové immersní skenovací metody (C-scan) na zařízení fy Krautkrämer typu UPR 4 / HIC, které je v TŽ, a.s., k dispozici. Zařízení je primárně určeno pro detekci vměstků ve válcovaných tyčích. Ukázalo se však, že při vhodném nastavení lze metodu velice dobře využít ke zviditelnění rozdílů v licí struktuře. Výhodou je, že se jedná o objemovou metodu, čímž se liší od makroleptu a Baumannova otisku, které jsou schopny zachytit strukturu pouze na ploše řezu. Nevýhodou ultrazvukové analýzy naopak je, že odražený signál reaguje nejen na změny ve struktuře, ale také na necelistvosti (trhliny, dutiny), které jsou v litém stavu poměrně časté. Výsledek zkoušky pro vzorky č. 4, 5 a 6, pokrývající "teplou" i "studenou" oblast, je na obr. 7.
21
Výroba oceli Steel Making
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
1 vzorek 6 – "studený sample 6 – "cold
vzorek 5 sample 5
2
vzorek 4 – "teplý" sample 4 – "hot"
Obr. 7 Rozdíly ve struktuře vzorků – ultrazvukový C-scan Fig. 7 Differences in sample structure – ultrasound C-scan
Zkoumání zmíněného obvodového pruhu pokračovalo stanovením vrubové houževnatosti rázem v ohybu v několika místech po obvodu vzorku č. 5 lišících se tloušťkou obvodové vrstvy, viz schéma na obr. 8. Z obr. 9, kde je shrnut výsledek této zkoušky, je vidět, že nejvyšších hodnot vrubové houževnatosti se dosáhlo u vzorků č. 1 a 2 odebraných na malém rádiusu, tedy s nejvyšším zastoupením povrchové vrstvy.
4
6
5
Obr. 8 Schéma odběru vzorků pro zkoušku rázem v ohybu Fig. 8 Scheme of sample taking for testing notch toughness
40
Vrubová houževnatost KC (J/cm2)
Jak je vidět, metoda umožňuje názorně prezentovat rozdíly ve struktuře po průřezu vzorku a také mezi jednotlivými vzorky. Povrchový pruh, který nebyl na makroleptech příliš výrazný, je zde zřetelně vymezen červenou barvou (nejmenší útlum signálu oproti jiným místům). To signalizuje, že se zde nachází jemnozrnnější struktura než ve středové oblasti. Nejedná se však o dobře známou rychle utuhlou povrchovou vrstvu, protože ta by nemohla být tak extrémně nestejnoměrná, a navíc, ve zviditelněné primární struktuře (obr. 6) jsou v této vrstvě patrné výrazné sloupcovité dendrity. Také je jasně vidět výše uvedenou skutečnost, že obvodový pruh se rozšiřuje směrem k studeným oblastem. Velký útlum signálu ve středech vzorků, který je znázorněn světlými místy, pak vypovídá o přítomnosti středových necelistvostí, přičemž je patrné, že jejich množství roste směrem k studeným místům.
3
Malý rádius
35 30 25 20
Boční strany
15
Velký rádius
10 5 0 1
2
3
4
5
6
Číslo vzorku
Obr. 9 Výsledky zkoušky pro vzorky 1 až 6 Fig. 9 Notch toughness test results for samples 1 to 6
Z uvedeného se usoudilo, že diskutovaná nerovnoměrná obvodová vrstva není produktem primární krystalizace, nýbrž určité formy samovolného tepelného zpracování (zakalení při podchlazení a následné popuštění účinkem reheatingu) během průchodu sochoru sekundárním chlazením. Tuto hypotézu potvrzuje i to, že vyžíháním vzorku (č. 3) došlo k vymizení rozdílu mezi obvodovou vrstvou a okolím. To lze dokumentovat pomocí obr. 10.
litý stav – as cast
stav po vyžíhání – annealed
Obr. 10 Změna ve vzhledu ultrazvukového C-scanu následkem vyžíhání Fig. 10 Change in ultrasound C-scan appearance by sample annealing
22
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
4. Závěr Měření prováděná optickými pyrometry a teplotním skenerem prokázala, že i u sochorů odlévaných za zcela stabilních podmínek dochází k fluktuacím povrchových teplot. Termočlánková měření pak vedla ke zjištění, že tyto odchylky vznikají již v krystalizátoru a že jejich tvorba úzce souvisí s kolísáním hladiny. Na základě rozboru vlastností těchto odchylek byla vyslovena hypotéza, že jsou vnějším projevem vnitřního děje – nerovnoměrného tuhnutí, a že by tedy měla existovat korelace mezi měřeným kolísáním povrchové teploty a strukturou. Zdá se, že výsledky dosud provedených strukturních analýz tuto hypotézu potvrzují. V případě, že tomuto tak skutečně je, pak se dá očekávat, že vedle obecně známé nerovnoměrnosti chemického složení po průřezu (makrosegregace) budou existovat také fluktuace chemického složení i po délce sochoru. Souvislosti mezi teplotní mapou a mírou segregací příměrových prvků obsažených v oceli po délce sochoru budou předmětem dalšího zkoumání.
Výroba oceli Steel Making Výzkumné práce v rámci projektů IMPULS [1] a TANDEM [4] byly realizovány za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.
Literatura: [1]
Výzkum, vývoj a zavedení do výroby dynamického modelu řízení technologie pro plynulé odlévání sochorů. Závěrečná zpráva o řešení projektu FI-IM/021, TŽ Třinec, leden 2007
[2]
J. Kuběna, J. Brudny, R. Hermann : Teplotní nehomogenita sochorů odlévaných na ZPO. Hutnické listy 2009, č. 2
[3]
A. Ghosh: Segregation in cast products. Sadhana, Vol. 26, Parts 1 & 2, February – April 2001, pp. 5–24
[4]
Výzkum podmínek a tvorba modelu vzniku chemické nehomogenity, napěťových stavů a porušení materiálu při plynulém odlévání oceli. Projekt MPO ev. č. FT-TA4/048 (2007-2010)
[5]
Trans. ISIJ, Vol. 24, 1984, pp. 718-725
Recenze: Prof. Ing. František Kavička, CSc. Doc. Ing. Libor Čamek, CSc. ____________________________________________________________________________________________________________________
Valná hromada celostátní České hutnické společnosti Třinecký hutník č. 37/2009
16.9.2009
Valná hromada celostátní české hutnické společnosti, konaná v závěru srpna, projednala několik důležitých bodů týkajících se činnosti organizace. Byla to bezesporu příprava na oslavy dvacetiletého jubilea obnovené, nově organizované ČSVTS po roce 1989. Česká hutnická společnost je pokračovatelem tradice sdružování odborníků z hutnické profese a patří mezi zakládající členy ČSVTS. Byla tak právem oslovena v souvislosti s organizováním jubilea. U této příležitosti se uskuteční v březnu příštího roku v Praze dvoudenní konference, kde vystoupí se svým příspěvkem i zástupce ČHS. Hodnotící zpráva předsednictva obsahovala nejdůležitější údaje za období, které uplynulo od poslední valné hromady. Byla rovněž prezentována zpráva o hospodaření. Obě zprávy byly valnou hromadou schváleny. S ohledem na aktuální situaci v odvětví a zachování co nejširší členské základny, zejména z pohledu menších společností, byl odsouhlasen členský příspěvek právnické osoby ve výši 5000 Kč na rok. Na valné hromadě došlo k personálním změnám ve vedení organizace. Bylo zvoleno nové předsednictvo a revizní komise. V souvislosti s podporou aktivit ve směru výzkumné a vývojové činnosti byl novým předsedou zvolen Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D., ředitel společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM, s.r.o. Ostrava, která je součástí skupiny TŽ -MS. Jeho zvolení je i podporou nové podoby Hutnických listů a zárukou úspěšné spolupráce se zahraničními hutnickými společnostmi. Diskuse účastníků valné hromady ukázala, že Česká hutnická společnost má v široké ocelářské rodině svoje pevné a nezastupitelné místo. Česká hutnická společnost sdružuje hutnické firmy na území naší republiky, mimo jiné Hutnictví železa, Třinecké železárny, VŠB TU Ostrava, Materiálový a metalurgický výzkum Ostrava, VÚHŽ Dobrá, společnosti ŽĎAS, ŽP Tažírny trub Svinov, Mittal Steel Ostrava, ŽDB. Historie i současnost ukazuje, že lze v době krize pozitivně ovlivnit další vývoj. V situaci, kdy spotřeba ocelářských výrobků ve světě klesá cca o 15 %, jsou potřebné úvahy, týkající se nových aplikací a vůbec nového zaměření využití ocelářských výrobků, zcela oprávněné. red.
23
