Monografia nr 3: Wpływ stanów mechanicznych w kotlinie walcowniczej…

Wlewki z procesu ciągłego odlewania stali (COS) mają strukturę typową dla wyrobów odlewanych, są obarczone wewnętrznymi wadami w postaci nieciągłości materiałowych, tj. pustka środkowa (osiowa), porowatość środkowa (rzadzizna osiowa), pęknięcia środkowe i inne. Dodatkową wadę wlewków z COS są ostre naroża. Walcowanie takiego wsadu w klasycznych systemach kalibrowania, szczególnie przy walcowaniu prętów i walcówki powoduje, że stany naprężeń i odkształceń powstające w kotlinie walcowniczej nie sprzyjają efektywnemu zamykaniu i zgrzewaniu nieciągłości materiału zlokalizowanych w osi wzdłużnej wlewków ciągłych. W zależności od rozmiarów nieciągłości osiowych i od zastosowanych parametrów technologicznych procesu walcowania, wady takie mogą pogarszać właściwości wytrzymałościowe i plastyczne wyrobów walcowanych, a nawet mogą je dyskwalifikować. Poszukiwanie nowych możliwości sterowania właściwościami materiału, w celu poprawy jakości wyrobów gotowych, przez wpływanie na warunki kształtowania jest obszarem intensywnych badań w wielu ośrodkach badawczych [22, 23, 35, 41, 44-46, 51,52,55, 58, 59, 62-77]. Na strukturę i właściwości wyrobów walcowanych decydujący wpływ ma stan mechaniczny w kotlinie walcowniczej. Zatem poznanie stanów naprężeń i odkształceń w kotlinach walcowniczych o różnych kształtach i umiejętne sterowanie nimi umożliwia wyeliminowanie wielu wad, w tym w szczególności nieciągłości osiowych wyrobów walcowanych.

Celem podjętych badań było określenie wielkości odkształcenia oraz schematów stanu naprężenia w pasmie stalowym odkształcanym w różnych wykrojach walcowniczych stosowanych w układach wstępnych walcowni bruzdowych produkujących pręty lub walcówkę, wyznaczenie stanów mechanicznych sprzyjających zamykaniu i zgrzewaniu wewnętrznych nieciągłości osiowych, znalezienie technologicznego sposobu odkształcania w procesie walcowania wywołującego taki stan naprężeń oraz podanie propozycji kształtu i układu wykrojów umożliwiających uzyskanie pożądanych stanów mechanicznych w kotlinie walcowniczej.

W monografii zawarto kolejne etapy rozwiązania zagadnienia zamykania i zgrzewania nieciągłości osiowych obejmujące:

• rozpoznanie stanu wiedzy i stosowanych rozwiązań technicznych oraz technologicznych mających na celu likwidację nieciągłości materiałowych w procesie walcowania,
• numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach odkształcanych w symulatorze termomechanicznym,
• numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach walcowanych w zespole walcowniczym,
• analizę zjawiska zamykania i zgrzewania wewnętrznych nieciągłości osiowych na podstawie map stanów mechanicznych uzyskanych z symulacji numerycznej,
• badania eksperymentalne dla różnych układów i cech geometrycznych wykrojów wykonane metodami odkształcania próbek w symulatorze termomechanicznym i walcowania prętów w zespole walcowniczym ciągłym,
• badania próbek odkształconych w symulatorze i walcowanych w zespole walcowniczym pod kątem skuteczności zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej wykonane metodami cyfrowej analizy obrazu i mikroskopii elektronowej.

Przeprowadzone rozpoznanie stanu wiedzy i stosowanych rozwiązań technicznych oraz technologicznych mających na celu likwidację nieciągłości materiałowych w procesie walcowania wskazuje, ze rozwiązania problemu należy szukać w obszarze opracowania nowego systemu odkształcania, szczególnie w fazie przepustów wstępnych. Nowy system odkształcania powinien cechować się intensywnym zamykaniem nieciągłości, a po zamknięciu odkształceniem, które w warunkach korzystnego stanu naprężeń doprowadzi do zgrzania nieciągłości. Pod pojęciem korzystnego stanu naprężenia rozumie się występowanie składowych naprężeń ściskających skierowanych prostopadle do powierzchni rozdziału zamkniętej nieciągłości. Zamknięcie pustki środkowej w procesie walcowania jest efektem trudniejszym do uzyskania niż zamknięcie porowatości środkowej. Oznacza to, że jeżeli wystąpią korzystne warunki termomechaniczne, zapewniające zamknięcie i zgrzanie pustki środkowej, to na pewno nastąpi zamknięcie i zgrzanie porowatości środkowej.

Wyniki numerycznej analizy stanów termomechanicznych w różnych wykrojach w zależności od kształtu wsadu wykonane dla próbek odkształcanych w symulatorze termomechanicznym Gleeble i dla próbek walcowanych w doświadczalnym zespole walcowniczym ciągłym wykazują zbieżności w przypadku porównywania wyników uzyskanych dla poprzecznej płaszczyzny środkowej próbek odkształcanych w Gleeble i płaszczyzny wyjścia prętów  walcowanych. Występujące różnice są wynikiem odmiennego płynięcia materiału w procesach ściskania w kowadłach kształtowych i walcowania w wykrojach. Na podstawie analizy wyników badań zjawiska zamykania i zgrzewania nieciągłości stwierdzono, ze minimalna wielkość odkształcenia po zamknięciu nieciągłości zapewniająca trwały efekt jej zgrzania, wynosi 0,15. Stany naprężeń i odkształceń korzystne dla intensywnego zamykania i zgrzewania osiowych nieciągłości materiałowych charakteryzują się:

• odkształceniem zastępczym równomiernie rozłożonym na szerokości pasma i wzrastającym w kierunku środkowych warstw materiału pasma,
• wskaźnikiem stanu odkształcenia o wartości ujemnej z maksimum w osi odkształcanego pasma,
• składowymi normalnymi naprężenia odniesionymi do naprężenia uplastyczniającego o wartości ujemnej.

Porównanie wyników symulacji matematycznej i fizycznej wykazuje zgodność w zakresie uzyskanych efektów zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej. Intensywność zamknięcia i zgrzewania nieciągłości została określona po rozcięciu odkształconej próbki i wykonaniu pomiarów pola powierzchni wady. Stopień zmniejszenia nieciągłości odniesiono do wskaźników odkształcenia i stanów mechanicznych panujących w odkształcanej próbce. Zagadnienie zamykania nieciągłości w odkształcanym plastycznie materiale było przedmiotem analizy polegającej na badaniu wpływu warunków odkształcania, w tym wpływu kształtu wykroju na zmianę geometrii otworu symulującego wadę wewnętrzną i analizy lokalnych stanów mechanicznych w odkształcanym materiale. Metodyka badań wynikała z przyjętej hipotezy, ze dominujący wpływ na możliwość zamykania i zgrzewania nieciągłości materiału ma wielkość odkształcenia zastępczego i wartość naprężenia średniego w obszarze wady. Ze względu na wymiary nieciągłości osiowych występujących we wlewkach ciągłych, które są bardzo małe w stosunku do wymiarów wsadu można przyjąć, że analiza lokalnego stanu naprężenia i odkształcenia w miejscu występowania wady umożliwia ocenę warunków sprzyjających likwidacji nieciągłości.

Spośród analizowanych klasycznych systemów wydłużających najkorzystniejsze dla procesu zamykania i zgrzewania nieciągłości materiałowych okazały się układy wykrojów skrzynkowych. Rozkłady odkształceń zastępczych w wykroju skrzynkowym, wskaźnika stanu naprężenia i składowych naprężenia normalnego przedstawiają się korzystnie, ze względu na ograniczone przez boczne ścianki wykroju, płynięcie materiału w kierunku poprzecznym (w kierunku szerokości). W tym wykroju dominują naprężenia ściskające, a odkształcenia w obszarze nieciągłości uzyskują wysokie wartości. W efekcie wykrój skrzynkowy zapewnia najbardziej korzystne warunki dla zamykania i zgrzewania osiowych nieciągłości materiałowych walcowanego wsadu.

Analiza stanów naprężenia i odkształcenia w kotlinach walcowniczych tworzących się podczas walcowania wsadu o przekroju okrągłym w układzie owal-okrągły, a szczególnie w przypadku wprowadzenia wsadu okrągłego do wykroju owalnego wykazała, ze w całej objętości odkształcanego materiału bardzo szybko pojawiają się naprężenia ściskające. Ze względu na duży udział naprężeń ściskających materiał przemieszcza się do środka w kierunku otworu symulującego nieciągłość osiową. Uzyskiwane w tym przypadku duże wartości naprężeń ściskających i odkształceń w obszarze wady powodują szybkie jej zamknięcie, dzięki czemu jest dostatecznie dużo czasu na zgrzanie zamkniętej nieciągłości w dalszej części kotliny walcowniczej. Jednak w przypadku wprowadzania wsadu o przekroju kwadratowym do wykroju owalnego jest praktykę w walcowniach przemysłowych, uzyskuje się skrajnie niekorzystny rozkład naprężeń i odkształceń w kotlinie walcowniczej. W tym przypadku oprócz naprężeń ściskających w środkowych częściach górnego i dolnego boku kwadratu występują naprężenia rozciągające, które maleją do zera wraz z wypełnianiem wykroju. W skrajnie położonych punktach na obwodzie nieciągłości różnice wartości naprężenia średniego są mniejsze niż w przypadku zastosowania wsadu okrągłego, co wydłuża czas zamykania otworu. Przewaga naprężeń ściskających powoduje zamknięcie nieciągłości w końcowej części kotliny walcowniczej. Jednak zdecydowanie mniejsze wartości naprężeń ściskających i krótszy czas ich oddziaływania, niż w przypadku wsadu okrągłego, nie powodują zgrzania powierzchni nieciągłości. Zamknięcie nieciągłości nie jest jednoznaczne z jej całkowitą likwidacją, która następuje dopiero po zgrzaniu stykających się powierzchni wady. Brak zgrzania jest przyczyną ponownego otwarcia się nieciągłością przy wystąpieniu niekorzystnego stanu naprężenia w następnym przepuście, co potwierdzają wyniki badań modelowych w doświadczalnym zespole walcowniczym. Na podstawie wyników badań zjawiska zgrzewania stwierdza się, że trwały efekt zgrzania nieciągłością wystąpi, gdy minimalna wielkość odkształcenia po zamknięciu nieciągłością ma wartość 0,15. Skuteczność zgrzewania nieciągłością jest uzależniona również od temperatury. Ze wzrostem temperatury maleją naprężenia uplastyczniające i zwiększa się szybkość dyfuzji, co ułatwia zgrzewanie powierzchni kontaktowych wady. We wsadach stalowych zgrzewanie nieciągłości następuje w temperaturach ≥ 1050°C. Zatem w procesie walcowania zgrzanie wady powinno nastąpić maksymalnie szybko, najlepiej już w przepuście wstępnym.

Przeprowadzone badania i analizy umożliwiły opracowanie nowego typu układu wydłużającego, opartego na złożeniu czterowalcowym. Kolejne wykroje tworzą system wydłużający prostokąt-kwadrat. Możliwość uzyskania stosunkowo dużych gniotów znacznie poprawia warunki zgrzewania materiału pasma, przez zwiększenie naprężenia i prędkości odkształcenia oraz intensyfikuje proces walcowania w stosunku do stanu obecnego. W poszczególnych wykrojach tego systemu przez zastosowanie złożeń czterowalcowych występuje korzystne, z punktu widzenia rozkładu naprężeń i odkształceń, oddziaływanie na pasmo gniotu bocznego. Ponadto pasmo w tym systemie wydłużającym nie musi być kantowane lub skręcane względem osi wzdłużnej przed podaniem do następnego wykroju. Wyeliminowanie skręcania walcowanego pasma sprawia, że nie powstają w nim dodatkowe naprężenia skręcające, zwiększające wytężenie materiału, co jest szczególnie istotne podczas walcowania stali stopowych podatnych na pękanie. Nowy wykrój, a także zbudowany na jego bazie układ wydłużający, cechuje się dużą elastycznością i może być stosowany dla szerokiego asortymentu wymiarowego wsadów i walcowanych pasm.