METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
Vliv mikrolegování oceli dle ČSN 412050 na mechanické vlastnosti Ludvík Martínek, Martin Balcar, Pavel Fila, Jaroslav Novák, Libor Sochor Abstrakt Při tváření ingotů volným kováním docházelo ke vzniku podélných trhlin. Realizací investiční akce sekundární metalurgie, především vakuování elekrooceli se předpokládalo snížení, případně odstranění těchto vad. Vakuovaná ocel, vykazující nižší koncentrace plynů, dosahuje i vyšších parametrů v oblasti vnitřní čistoty. Předpokládaný efekt ve snížení četnosti trhlin na ingotech nebyl dosažen. Proto se u vakuované oceli přistoupilo k jejímu mikrolegování, které příznivě ovlivnilo četnost výskytu uváděné vady. Protože tato problematika zasahuje především výrobu ingotů z oceli dle ČSN třídy 11 a 12, bylo rozhodnuto podrobit hlubšímu rozboru ocel ČSN 412050. 1. Úvod Od založení ŽĎAS, a.s. uplynulo 52 roků. Elektroocelárna od svého začátku produkovala tekutý kov především pro odlitky. Teprve v průběhu 60-tých let, kdy byla uvedena do provozu volná kovárna, dochází k členění elektrooceli na ingoty (~30 % produkce) a odlitky (~70 % produkce). Jedná se dle ČSN o značky třídy 11 až 15. V průběhu 70-tých let je postupně sortimentní skladba rozšiřována o třídu 16 a v 80-tých letech i o třídy 17 a 19 dle ČSN. Přesto však celkový souhrn všech vyráběných značek ocelí nepřekračuje počet 150. Požadavky na vnitřní čistotu (mikročistotu) a zkoušky ultrazvukem jsou minimální. Vysoké obsahy plynů ve výkovcích, především vodíku, jsou snižovány protivločkovým žíháním, které v závislosti na průřezu ingotu vyžaduje i několikatýdenní setrvání výkovků na žíhacích pecích. Případné nevyhovující mechanické vlastnosti, především pak u vrubové houževnatosti KCU při 20°C, jsou řešeny opakovaným tepelným zpracováním. Podélné trhliny na ingotech, konkrétně pak u materiálu dle ČSN 412050 nepřekračují obvyklou míru a většinou jsou při tváření odstraňovány buď vysekáváním pomocí trnu, nebo za tepla vypalovány. V průběhu 90-tých let dochází jednak ke ztrátě trhů, a současně k pronikavému nárůstu požadavků nových zákazníků, obecně na růst kvality produkce. Proto byl vrcholovému vedení akciové společnosti předložen návrh rozvojového projektu "Sekundární metalurgie", který byl ve třech etapách realizován [1]. V roce 1996 byla ke klasickým elektrickým obloukovým pecím (EOP) postavena pánvová pec (LF) [2] a v roce 1999 došlo ke zprovoznění zařízení vakuového zpracování oceli (VD/VOD). U převážné většiny vyráběných značek ocelí, kterých je dnes více jak 2000, se potvrzují původní předpoklady v oblasti růstu kvality a snižování nákladů. Pouze úzká skupina vyráběných značek ocelí vykazuje nestandardní trendy. Obecně lze konstatovat, že u ocelí uhlíkatých vzrůstají parametry mikročistoty, ale začínají se projevovat povrchové vady na ingotech a to především podélné trhliny. Nestandardně se chovají i hodnoty mechanických vlastností, především vrubové houževnatosti KCU při 20°C 2. Popis provedených experimentálních prací Protože projevené nedostatky se objevovaly především u jakosti, která před realizací LF i VD/VOD vykazovala uspokojivé výsledky, bylo nutné do výrobního procesu i do 1
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
experimentálních prací, zahrnout všechny základní technologické postupy produkce elektrooceli, t.j. včetně samostatné EOP. 2.1. Mechanické vlastnosti oceli dle ČSN 412050 - postup EOP Tabulka 1 uvádí průměrné mechanické vlastnosti souboru 10 taveb, členěné na oblasti: - vyšší obsahy Al + vyšší obsahy Ti - nižší obsahy Al + nižší obsahy Ti
Postup
Tabulka č. 1: Mechanické vlastnosti oceli z EOP podle typu mikrolegování
EOP
Směr Re Rm zkoušení [MPa] [MPa]
Mikrolegování
A5 [%]
Z [%]
KCU průměr [J.cm-2]
KCU [J.cm-2]
Al 0.035 + Ti 0.033
Podélný
437
676
21.3
41.9
29
28
43
29.2
Al 0.017 + Ti 0.027
Podélný
511
708
26.6
60.3
73
58
44
57.9
Titan byl v minulosti používán u všech značek ocelí na ingoty. V technologickém předpisu bylo doslovně uvedeno: "titan počítat na 0,05 %." Hlavním důvodem byla snaha o zjemnění primární licí struktury. V tabulce 2 je uvedeno průměrné chemické složení téhož souboru taveb, téhož členění. Tabulka č. 2: Chemické složení oceli z EOP s obsahem mikrolegujících prvků C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Cu
Mo
V
Nb
Ti
Al
0.46
0.64
0.33
0.007
0.012
0.19
0.18
0.14
0.07
0.00
0.001
0.035
0.033
0.0100
0.46
0.63
0.22
0.009
0.017
0.20
0.12
0.15
0.08
0.00
0.001
0.027
0.017
0.0077
N
Realizací technologického postupu výroby elektrooceli pouze na EOP bylo sice konstatováno, že výskyt podélných trhlin na ingotech se vrátil na obvyklou hranici, ovšem parametry mikročistot, zkoušek UZ i obsahy plynů se dostaly na dnes již krajně nevyhovující úroveň. Po bližším rozboru mechanických vlastností můžeme konstatovat, že skupina taveb s vyšším obsahem Al a Ti dosahuje obecně nižších hodnot vrubových houževnatostí. 2.2. Mechanické vlastnosti oceli dle ČSN 412050 - postup EOP + LF V tabulce 3 je zahrnuta široká skupina taveb, kde každá prezentuje průměrné hodnoty z pěti taveb v následujícím členění: - vysoký obsah Al, bez přísady Ti, - vysoký obsah Al + vysoký obsah Ti, - následují další tři oblasti s klesajícím obsahem Al i Ti, - nízký obsah Al + mikrolegování V.
2
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
EOP-LF
Postup
Tabulka č. 3: Mechanické vlastnosti oceli z EOP - LF podle typu mikrolegování Směr zkoušení
Mikrolegování
Re [MPa]
Rm [MPa]
A5 [%]
Z [%]
KCU průměr [J.cm-2]
KCU [J.cm-2]
Al 0.043
Podélný
441
706
17.6
34.5
32
41
37
36.7
Al 0.043 + Ti 0.043
Podélný
457
764
22.6
54.3
16
15
14
14.8
Al 0.027 + Ti 0.038
Podélný
382
630
26.3
66.4
56
39
34
42.7
Al 0.020 + Ti 0.022
Podélný
382
622
26.6
55.2
79
66
73
72.5
Al 0.022 + Ti 0.024
Příčný
404
637
25.3
59.0
74
75
73
73.9
Podélný
439
657
22.4
57.7
84
75
71
76.7
Al 0.016 + V 0.05
Z tabulky je patrno, že u prvních dvou až tří skupin nejsou hodnoty vrubové houževnatosti na patřičné úrovni. Ostatně se potvrzuje trend z EOP, kdy vyšší obsahy Al i Ti nepůsobí příznivě na KCU při 20°C. Čtvrtá a pátá skupina taveb, t.j. s nižšími obsahy Al i Ti dosahuje velmi příznivých hodnot KCU, obdobně jako šestá, ve které je nahrazen ve zkoumaných tavbách titan vanadem. Tabulka 4 znázorňuje průměrné chemické složení v jednotlivých šesti sledovaných skupinách taveb. Tabulka č. 4: Chemické složení oceli z EOP - LF s obsahem mikrolegujících prvků C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Cu
Mo
V
Nb
Ti
Al
N
0.46
0.63
0.25
0.014
0.006
0.28
0.08
0.10
0.02
0.00
0.001
0.043
0.043
0.0110
0.44
0.58
0.25
0.018
0.015
0.21
0.15
0.14
0.04
0.00
0.001
0.043
0.043
0.0081
0.46
0.60
0.27
0.008
0.009
0.20
0.19
0.20
0.06
0.00
0.001
0.038
0.027
0.0075
0.45
0.58
0.28
0.010
0.010
0.18
0.19
0.17
0.04
0.00
0.001
0.022
0.020
0.0095
0.45
0.60
0.24
0.013
0.012
0.23
0.13
0.14
0.06
0.00
0.001
0.024
0.022
0.0093
0.45
0.78
0.20
0.011
0.015
0.22
0.06
0.10
0.03
0.05
0.001
0.001
0.016
0.0092
Z pohledu mechanických hodnot, lze hodnotit pozitivní trendy zpracování oceli postupem EOP + LF při využitím mikrolegování. Následně bylo přistoupeno k šetření posledního technologického postupu. 2.3. Mechanické vlastnosti oceli dle ČSN 412050 - postup EOP + LF + VD Tabulka 5 obdobně jako u předcházejících dvou postupů výroby oceli i zde zahrnuje širokou skupinu taveb, členěnou na stejném principu jako předešlý rozbor.
EOP-LF-VD
Postup
Tabulka č. 5: Mechanické vlastnosti oceli z EOP – LF – VD podle typu mikrolegování KCU průměr [J.cm-2]
Směr zkoušení
Re [MPa]
Rm [MPa]
A5 [%]
Z [%]
Al 0.024 + Ti 0.017
Podélný
399
654
25.9
60.7
24
28
27
26.2
Al 0.020 + Ti 0.007
Podélný
387
687
23.6
51.6
25
25
27
25.7
Mikrolegování
KCU [J.cm-2]
Al 0.021 + V 0.05
Podélný
463
678
25.6
62.1
42
40
47
42.8
Al 0.016 + Nb 0.031
Podélný
450
678
25.7
61.4
40
41
46
42.2
Al 0.015 + Nb 0.027 + V 0.03
Podélný
480
646
30.9
64.9
65
63
78
68.5
3
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
Tabulka 6 následně udává průměrné chemické složení u jednotlivých skupin. Tabulka č. 6: Chemické složení oceli z EOP – LF – VD s obsahem mikrolegujících prvků C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Cu
Mo
V
Nb
Ti
Al
0.45
0.60
0.24
0.011
0.001
0.19
0.11
0.13
0.05
0.00
0.001
0.017
0.024
0.0040
0.48
0.69
0.22
0.009
0.001
0.24
0.10
0.13
0.02
0.00
0.001
0.007
0.019
0.0059
0.46
0.73
0.20
0.008
0.002
0.21
0.12
0.11
0.05
0.05
0.000
0.001
0.021
0.0060
0.50
0.73
0.19
0.008
0.002
0.20
0.11
0.12
0.05
0.00
0.031
0.001
0.016
0.0058
0.45
0.73
0.23
0.007
0.003
0.16
0.11
0.12
0.07
0.03
0.027
0.001
0.015
0.0059
N
Při aplikaci uvedeného technologického postupu výroby a zpracování elektrooceli dostáváme pro první dvě skupiny velmi nízké hodnotu KCU, u dalších dvou skupin je patrný podstatný nárůst a nejvýrazněji se projevuje mikrolegování na hodnotách KCU u poslední, páté skupiny sledovaných taveb. První dvě skupiny dosahovaly běžných hodnot mikročistoty i obsahu plynů, ale vzrostla četnost povrchových vad - podélných trhlin na ingotech. Tak, jak bylo konstatováno v úvodních partiích referátu. U třetí a čtvrté skupiny taveb, ve kterých byl Ti nahrazen mikrolegováním V nebo Nb, rostou pevnostní charakteristiky a hodnoty KCU. Poslední, t.j. pátá skupina taveb s relativně nízkou koncentrací Al při uplatnění Nb a V současně, posunuje jednak KCU na nejvyšší dosaženou úroveň, ale především se zde minimalizuje četnost výskytu podélných trhlin na ingotech. 3. Závěr Přesto, že se jedná o poměrně rozsáhlý soubor zkoumaných taveb, u každého výrobního způsobu v každé ze skupin bylo zkoumáno pět taveb, t.j. celkem 65 taveb, bude dále prověřován vliv nízkého Al + mikrolegování Nb a V na mechanické vlastnosti, především pak vrubovou houževnatost a výskyt podélných trhlin na ingotech. Výsledky technologického postupu EOP + LF + VD při použití mikrolegování Nb + V dávají předpoklady k minimalizaci výskytu podélných trhlin nejen u oceli dle ČSN 412050. Růst hodnot meze pevnosti, tažnosti a KCU pro 20°C při aplikaci mikrolegování oceli je doprovodným, byť ne zanedbatelným faktorem cíle prací. Práce byla řešena v rámci grantu č. 106/01/0365 za finanční podpory GAČR.
4. Literatura [1] [2] [3] [4]
Martínek L., Fila P.: Zkušenosti s provozem pánvové pece ve Žďárských strojírnách a slévárnách, XIII. Konference elektroocelářů a mimopecní rafinace oceli, 1997, Rožnov pod Radhoštěm. Martínek L., Fila P., Balcar M.: Rozvoj sekundární metalurgie v podmínkách malé elektroocelárny, XIV. Konference elektroocelářů a mimopecní zpracování oceli, 1999, Rožnov pod Radhoštěm. Martínek L., Balcar M.: Zkušenosti se zpracováním oceli na vakuovém zařízení VD/VOD/VIC, Svratka 21. – 22. 3. 2000 Martínek, L., Fila, P., Balcar, M.: Hodnocení výsledků realizace investiční akce VD/VOD ve ŽĎAS, a.s., Metal 2002 4
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
5
