METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Stanovení délky tekutého jádra na sochorovém ZPO č. 1 Liquid core determination on billet CCM 1 Rudolf Moravec1 Jiří Pyš1 Petr Horký1 František Rosypal2 Michael Lowry3 1)
Mittal Steel Ostrava a.s., Vratimovská 689, Ostrava-Kunčice, 707 02 2) VÚHŽ a.s., Dobrá 240, Dobrá, 739 51 3) Mittal Steel USA, Research and Development, USA
Abstrakt Příspěvek se zabývá možností stanovení délky tekutého jádra plynule litého předlitku jak čtvercového tak kruhového průřezu. Ke stanovení délky byly využity dvě metody. Jednak provozní stanovení pomocí neaktivní metody (vhoz olova) a jednak pomocí matematického modelu (pro čtvercový průřez). U obou průřezů docházelo k odlévání stejnou licí rychlostí. Cílem práce bylo určit přesnou polohu konce tekutého jádra, popř. profil tuhnutí. Dále bylo na základě výsledků určeno optimální místo pro instalaci finálního elektromagnetického míchače. Abstract The paper will engage possibilities to determination of length liquid core by continuously cast blank. We tested our all sections – square (180 mm) and round (210 mm). For determination of length were utilization two methods. The first was by means of lead which was throwing directly into the mould and the second was determination by means of solidification model. The aim of this works was exactly to determinate length of liquid core and defines right location for final electromagnetic stirrer. 1
ÚVOD
Znalost rozměrů tekutého jádra, především jeho délky, je důležitou součástí technologického know-how plynulého odlévání oceli. Obvykle je v této souvislosti zdůrazňována možnost zvýšení produktivity lití a snížení pravděpodobnosti vzniku průvalu (optimalizace sekundárního chlazení). Stejně důležitá je i souvislost s kvalitou odlévaných předlitků, například u sochorů pravoúhlého profilu mohou při nevhodných parametrech lití vznikat podélné trhliny. V současné době jsou rozměry tekutého jádra obvykle počítány pomocí numerického modelu (v častějších případech podle známého vzorce [1]), který do výpočtu zahrne potřebné parametry ovlivňující proces tuhnutí. Výstupem matematického modelu jsou kromě tloušťky licí kůry i teploty oceli na povrchu předlitku a teplotní profily ve zvolených místech předlitku. Pro praktické využití takovéhoto modelu je obvykle nutná jeho experimentální verifikace.
1
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 2
STANOVENÍ DÉLKY TEKUTÉHO JÁDRA POMOCÍ MATEMATICKÉHO MODELU
V Mittal Steel Ostrava a.s. byl vyvinut (upraven) model tuhnutí pro ZPO č. 1 (původně byl vytvořen pro sochorové ZPO ve společnosti Mittal Steel USA). První výsledky se týkaly tuhnutí kvadrátu 180 mm při licí rychlosti 1,8 m/min – výsledky jsou uvedeny na obr. 1 až 3 . Na obr. 2 jsou pro tento případ vykresleny obrysy licí kůry (podíl solidu Fs = 1) a obrysy tzv. „mushy zone“ s podílem solidu mezi Fs=1 a Fs = 0. Z křivky solidu vyplývá, že vypočtená délka tekutého jádra je 18,6 m. Model pochopitelně dává informace i o teplotním gradientu v předlitku a o teplotních polích na jeho povrchu (obr. 3). Surface Temperature Profiles 1600 MidBrd T
1400
QptBrdT
1300
8thBrdT
1200
CornerT
1100 1000 900 800
Metallurgical Length = 18.59m
700 600 0
5
10
15
20
25
30
Distance below Meniscus, meter
Obr. 1: Povrchová teplota profilu předlitku Fig. 1: Calculated billet surface temperature Shell Thickness and Isotherm Profiles 100 90 Shell Thickness, mm
Surface Temperature, °C
1500
80 70 60
Fs=1.0
50
Fs=0.8
40
Fs=0.6
30
Fs=0.4
20
Fs=0.2
Metallurgical Length =
Fs=0.0
10 0 0
5
10
15
Distance below Meniscus, meter
Obr. 2: Podíl pevné fáze v odlévaném předlitku Fig. 2: Solid fraction in casting billet
2
20
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 0.6
1.3
0.62
1.32
0.64
1.34
0.66
1.36
0.68
1.38
0.7
1.4
0.72
1.42
0.74
1.44
0.76
1.46
0.78
1.48
0.8
1.5
0.82
1.52
0.84
1.54
0.86
1.56
1300-1340 0.88
1300-1340 1.58
1260-1300 0.9 1220-1260
1260-1300 1.61220-1260
1180-1220 0.92 1140-1180
1180-1220 1.62 1140-1180
1100-1140 0.94 1060-1100 0.96 1020-1060
1100-1140 1.64 1060-1100 1.66 1020-1060
980-1020 0.98 940-980
134 102 106 110 114 118 122 126 130 980 940 900 0
1 900-940
1.7900-940
1.02
1.72
1.04
1.74
1.06
1.76
1.08
1.78
1.1
1.8
1.12
1.82
1.14
1.84
1.16
1.86
1.18
1.88
1.2
1.9
1.22
1.92
1.24
1.94
1.26
1.96
1.28
1.98
1.3 90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90
980-1020 1.68 940-980
2.01 2.03 2.05 2.07 2.09 2.11 2.13 2.15 2.17 2.19 2.21 2.23 2.25 2.27 1300-1340 2.29 1260-1300 2.31 1220-1260 1180-1220 2.33 1140-1180 1100-1140 2.35 1060-1100 2.37 1020-1060 980-1020 2.39 940-980 900-940 2.41 2.43 2.45 2.47 2.49 2.51 2.53 2.55 2.57 2.59 2.61 2.63 2.65 2.67 2.69
134 102 106 110 114 118 122 126 130 980 940 900 0
2 90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90
134 102 106 110 114 118 122 126 130 102 106 110 114 118 122 126 130 134 980 940 900 2.71 980 940 900 00 90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90 90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 9 18 27 36 45
Obr. 3: 2D zobrazení povrchových teplot předlitku Fig. 3: 2D illustration of surface temperature on billet 3
STANOVENÍ DÉLKY TEKUTÉHO JÁDRA POMOCÍ NEAKTIVNÍ METODY
3.1 Výběr stopovacích prvků, způsobu aplikace a vyhodnocení Zahájení experimentálních prací předcházelo studium dostupné literatury. Přestože je v literatuře popsáno více způsobů stanovení rozměrů tekutého jádra, po jejich analýze se ukázaly stopovací metody jako nejvhodnější, a to z několika důvodů. Prvním je nezávislost na numerickém modelu – rozměry tekutého jádra jsou stanoveny přímo bez nutnosti dodatečných výpočtů. Druhým důvodem jsou určité zkušenosti z dřívějších experimentů, i když na výrazně jiných profilech (bram). Metodiku tedy není nutné vyvíjet od samého začátku, ale pouze upravit. Posledním důvodem je relativní jednoduchost experimentu – není nutná výroba speciálního měřícího zařízení, není narušena plynulost výroby. Podstatou metody je kontaminace tekuté oceli v definovaném okamžiku prvkem, který se v oceli obvykle nevyskytuje. Kontaminován je buď celý objem tekutého jádra nebo pouze ta část, která je předmětem zájmu (oblast krystalizátoru, vrchol tekutého jádra). Jako nejvhodnější neaktivní kontaminující prvek se ukazuje olovo: - má vysokou měrnou hmotnost (11,3 g.cm-3) - „propadne“ tekutou ocelí až do oblasti vrcholu tekutého jádra; - má nízkou teplotu tání (327°C), vysokou teplotu varu (1740°C) a nízké skupenské teplo tání (24,5 kJ.kg-1) oproti Fe (277 kJ.kg-1) – snadno se roztaví a kontaminuje ocel; - je prakticky nerozpustné v oceli – nevznikají slitiny s nižším bodem tavení než má ocel, takže nehrozí nebezpečí průvalu - je možné využít buď ke kontaminaci celého objemu (při průchodu tekutou ocelí dochází k postupnému tavení a kontaminaci), nebo jen oblasti vrcholu
3
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ tekutého jádra (pokud je použito olovo v ocelovém obalu, který je chrání před předčasným rozpuštěním) - jeho pozadí, tj. obsah v surovém železe, je obvykle velice nízké – pod 0,001 % Jednoduchá varianta vyhodnocení spočívá ve sledování, do jaké vzdálenosti od místa vhozu zasahuje kontaminace olovem. Vzhledem k tomu, že obvykle nelze zaručit, že olovo propadne až do samého vrcholu tekutého jádra, je vhodnější odběr více vzorků (příčných výřezů) z předlitku. Tyto výřezy se hodnotí obdobným způsobem – podle kontaminace olovem se určí rozměry tekutého jádra (je kontaminováno) a licí kůry (není kontaminována) – výsledkem je znalost rozměrů tekutého jádra v několika místech po délce předlitku, jeho délka se stanoví vhodnou extrapolací. 3.2 Provedené experimenty a jejich vyhodnocení Z očekávaných rozměrů tekutého jádra byla při požadavku na kontaminaci celého objemu tekutého jádra na úroveň minimálně 0,010 % Pb a při uvážení možného nehomogenního rozpuštění odhadnuta požadovaná hmotnost olova na 3 - 5 kg. Rozměry těles odpovídají fyzikálním požadavkům – aby dané těleso proniklo co nejhlouběji do tekutého jádra, musí být jeho průměr (i délka) rozumně malé, jinak bude předčasně zachyceno na dendritech rostoucí licí kůry. Podobný závěr plyne z požadavku kontaminovat celý objem tekutého jádra – je nutné co nejrychlejší prohřátí těles a jejich postupné „rozpouštění“ po dobu pádu směrem do vrcholu tekutého jádra. Při tomto „rozpouštění“ se zároveň zmenšují jejich rozměry, takže se (pravděpodobně v tekuté formě) mohou dostat do větší blízkosti vrcholu tekutého jádra. Na druhou stranu by se příliš malá tělesa „rozpustila“ předčasně. Současně byly rozměry značkovacích těles limitovány i technickými požadavky – musí být aplikovatelné relativně malým prostorem mezi ponornou výlevkou o vnějším průměru 95 mm a krystalizátorem (v těchto konkrétních případech o vnitřních rozměrech 180x180 mm nebo kruh 210 mm. Pro oba formáty bylo zvoleno těleso o průměru 45 mm a přibližně shodné délce (pro jeden experiment 6 kusů o celkové váze cca 5 kg). Na ZPO č. 1 byly provedeny zatím dva experimenty – pro kv. 180 mm při licí rychlosti 1,8 m/min a pro kul. 210 mm při licí rychlosti pro licí rychlost 1,8 m/min. Aplikace těles byla v okamžiku, kdy pálicí stroj (dělení předlitků) najížděl do řezu. V tomto okamžiku byla vzdálenost mezi pálicím strojem a hladinou oceli v krystalizátoru 29,25 m. Z této hodnoty pak vycházel výběr vzorků (příčné výřezy z předlitků) pro analýzy – cílem bylo pokrýt celou předpokládanou délku tekutého jádra s důrazem na oblast blízkou jeho vrcholu. Odebrané výřezy z předlitků byly po jedné straně ofrézovány pro snazší odběr vzorků odvrtáním špon. Obsah olova v takto odebraných vzorcích byl stanovován metodou AAS.
4
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Obr. 4: Délka tekutého jádra u kvadrátu 180 mm Fig. 4: Length of liquid core for square 180 mm
Obr. 5: Délka tekutého jádra u kulatiny 210 mm Fig. 5: Length of liquid core for round 210 mm
5
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Analýza kontaminace olovem na vybraných výřezech byla prováděna postupně – první vzorky byly odebrány v místě předpokládané hranice tekutého jádra a licí kůry. Pokud byl ve vzorku nalezen obsah olova vyšší nebo rovný 0,003 %, jednalo se jednoznačně o oblast tekutého jádra. V případě obsahu olova pod 0,003 % nebylo možné jednoznačně rozhodnout – mohlo se jednat jak o licí kůru, tak o oblast tekutého jádra, která díky nehomogenitám v proudění oceli nebyla kontaminována. Proto byly postupně odebírány a analyzovány další vzorky pro upřesnění polohy tekutého jádra. Výsledky těchto analýz jsou přehledně uvedeny na obr. 4 a 5 včetně odhadu délky tekutého jádra. 4
DISKUZE VÝSLEDKŮ
Ve všech případech se ukázalo, že ke kontaminaci olovem došlo maximálně do vzdálenosti přibližně 16 m od hladiny v krystalizátoru v okamžiku vhozu, přičemž vrchol tekutého jádra již kontaminován nebyl. Přibližně na 16 m od hladiny krystalizátoru zařízení ZPO č.1 dochází k narovnání ohybu předlitku a ten dále pokračuje ve vodorovném směru, na olověná tělesa tedy nepůsobí gravitace a proto se zde zastaví. Tomu odpovídají i nálezy zbytků těles nejdále 15,25 m od místa vhozu. Proto nebylo možné stanovit délku tekutého jádra přímo, ale pouze odhadem - stanovením rozměrů licí kůry a tekutého jádra pro jednotlivé výřezy a následným proložením vhodnou křivkou. 1. experiment: 14. 7. 2005, profil 180 x 180 mm. licí rychlost 1,8 m/min Experimentálně stanovené rozměry tekutého jádra odpovídají výsledkům získaným pomocí numerického modelu MSO. Tloušťka licí kůry na jednotlivých odebraných výřezech je patrná z grafu na obr. 4, pro extrapolaci byla zvolena křivka solidu vypočtená numerickým modelem. Délka tekutého jádra je tedy ve shodě s modelem a její velikost je 18,6 m. 2. experiment: 5. 9. 2005, profil průměr 210 mm. licí rychlost 1,8 m/min Výsledky numerického modelu pro předlitky kruhového průřezu nejsou prozatím k disposici. Tloušťka licí kůry na jednotlivých odebraných výřezech je patrná z grafu na obr. 5, pro extrapolaci byl zvolen polynom 3. stupně. Takto stanovená délka tekutého jádra je 18,0 m. Pomocí vzorce [1] pro stanovení délky tekutého jádra je možné ověsitou přibližnou hodnotu. Pro kvadrát 180 mm je tato hodnota 18,6 m a pro kulatinu 210 mm je tato hodnota 25,3 m (při použití konstanty tuhnutí 28). Na obrázku 6 je vyobrazeno optimální umístění finálního elektromagnetického míchače pro podmínky ZPO č. 1 a dané licí rychlosti, které jsou průměrné pro daný formát. Správné určení místa pro toto zařízení je velice důležité pro očekávaný přínos zlepšení kvality plynule litých předlitků. Pokud je zařízení příliš daleko od konce tekutého jádra nedochází k téměř žádnému ovlivnění tuhnutí PLP a naopak pokud je zařízení v místech, kde je velký podíl tekuté fáze, dochází k promíchání této taveniny, ale není zabráněno k další tvorbě segregačních jevů. Tyto jevy se vyskytují až v posledních zbytcích taveniny – 20 %.
6
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
FEMS
15.2m
17.7m
Obr. 6: Optimální umístění zařízení FEMS Fig. 6: Optimal location of FEMS device 5 ZÁVĚR Na základě experimentů a provedeného výpočtu pomocí matematického modelu lze konstatovat, že délka tekutého jádra byla stanovena na 18,6 m resp. 18 m. Ovšem dle literatury a praktických zkušeností se hodnota u kruhového předlitku pohybuje v podstatně jiné vzdálenosti – 25 m. Tyto hodnoty by měly potvrdit další experimenty. Pro správné umístění zařízení FEMS v případě kruhových předlitků musí být dále – před třetí tažnou stolicí. V případě nutnosti využití účinků FEMS pro čtvercové předlitky je nutné upravit licí parametry, aby tekuté jádro bylo v těchto místech – zvýšení licí rychlosti na 2,2 m/min. V dalších plánovaných pracích je experimentální stanovení délky tekutého jádra pro poslední formát - kulatina 160 mm. Dále budou provedeny experimenty u formátu kv. 180 mm při vyšší licí rychlosti. Novou etapu budou experimenty se stanovením délky tekutého jádra pomocí aktivních metod a tady dosažení přesnějších hodnot. V rámci matematického modelu je uvažováno o výpočtu různých variant provozních závad – špatné sekundární chlazení a rovněž promodelování jiných trysek a uspořádání sekundárního chlazení. Tento model bohužel už nelze jednoduše upravit pro kruhové předlitky.
LITERATURA [1] Böhm, Z a kol.: Plynulé odlévání oceli. SNTL Praha, 1992, 443 s.
7
