Renovácia valcov linky kontinuálneho odlievania ocele

Linka kontinuálneho odlievania, ktorá je na obrázku 1, je riešená ako dvojprúdový agregát oblúkového typu so zakriveným kryštalizátorom, kde sa vytvára tuhnúca brama. Táto brama je ďalej posúvaná za pomoci valcov, ktoré túto bramu chladia a tvarujú. V hornej časti linky pôsobí na valce teplota okolo 1 250 °C, pričom vplyvom pôsobenia valcov a chladiacej kvapaliny sa teplota brám znižuje a v dolnej časti linky dosahuje teplotu približne 800 °C. Počty týchto valcov v  linkách sú v stovkách, záleží to, či je linka jednoprúdová, alebo dvojprúdová, pričom sa používajú valce veľkosti od 140 do 380 mm.

Valce používané v linkách kontinuálneho odlievania sa vyrábajú zo žiarupevnej nízkolegovanej ocele C-Cr-Mo, typ 41CrMo4 EN 10083-1-91, resp. C-Cr-Mo-V typ 1.7733 24CrMoV55. Valce sú celistvé, duté, zvnútra chladené vodou a zvonka striedavo ohrievané horúcou podávanou bramou a chladené vodným a paro-vzdušným chladením.

Kritériom opotrebenia valcov je opotrebenie povrchu presahujúce 1 mm na priemer valca, alebo vznik korózno-únavových trhlín presahujúcich 4 mm hĺbky, kde je nebezpečie neskoršieho lomu valca a prerušenie práce liaceho stroja. Pri analýze opotrebenia je potrebné venovať pozornosť podmienkam, v ktorých súčiastka pracuje [2].

Valce kontinuálneho liatia pracujú v zložitých tribologických podmienkach. Počas prevádzky sú valce namáhané cyklickým zaťažením, čo má za následok zmeny v materiálovej štruktúre valca a zmeny vlastností funkčných plôch. Opotrebenie, ako proces úbytku materiálu z povrchu jedného alebo oboch kontaktných povrchov tuhých telies, prebieha pri všetkých druhoch ich relatívneho pohybu [2].

Valce pracujú v mimoriadne agresívnom prostredí. Toto prostredie spôsobuje reakcia voľných iónov vodíka s troskou z liaceho prášku s vysokým obsahom flóru. Na povrchu valca sa vytvárajú korózne pittingy, ako prednostné centrá vzniku únavových trhlín. Ak je prítomný v chladiacom médiu vysoký obsah iónov chlóru, tieto sa v koreni trhliny stávajú „hnacím motorom“ šírenia trhlín. Z týchto dôvodov sú valce namáhané kombináciou koróznej únavy a opotrebenia [2]. Z tribologického hľadiska sú valce namáhané adhézno-abrazívnym a erozívnym opotrebením. Pohybom horúcej bramy na valcoch vzniká na ich povrchu adhézno-abrazívne opotrebenie a prítomné abrazivo (zvyšky liaceho prášku, korózne splodiny, zvyšky okovín) ryhuje povrch valca, erozívne opotrebenie vzniká vplyvom striekajúcej vody s obsahom prachu a nečistôt. Na obrázku 2 je zobrazený opotrebovaný valec.

Pri renovácii je možné využiť celú radu technológií, ktoré umožňujú predĺžiť životnosť valcov [3]. Pre obnovu funkčných plôch valcov sa často používajú oblúkové metódy navárania. Pre priemery valcov od ø 180 mm do ø 200 mm sa používa metóda MOG (Metal Ohne Gas – zváranie v ochrannej atmosfére rúrkovými elektródami) viď obrázok 3. Pri tejto metóde sa môže používať ochranná atmosféra, jej použitie záleží od typu rúrkového prídavného drôtu.

Pre priemery valcov od ø 200 mm do ø 380 mm sa používa metóda SAW (Submerged arc welding – zváranie pod tavivom), viď obrázok 4. Výhodou tejto technológie je, že umožňuje dobre regulovať a kombinovať obsah legujúcich prvkov z drôtu a taviva v návarovom kove [4]. Technológia navárania pod tavivom patrí k najviac používaným technológiám renovácie valcov pre kontinuálne liatie ocele. Nevýhodou technológie navárania pod tavivom sú ťažkosti pri naváraní súčiastok s malým vonkajším priemerom [5].

Valce liniek kontinuálneho odlievania sa doposiaľ renovovali maximálne tri krát, následne boli vyradené z prevádzky. Počet týchto renovácií bol určený z predošlých výskumov, kde bolo potvrdené, že pri ďalšej renovácii dochádza k degradácií materiálu a vzniku nekvalitných návarových vrstiev [6].

Vývojom technológií a nových prídavných materiálov dochádzalo k zvyšovaniu kvality návarov, ich životnosti a odolnosti voči adhezno-abrazívnymi opotrebeniami [7]. Použitím týchto technológií vykazoval valec dobré vlastnosti aj po tretej renovácií. Bol vykonaný experimentálny štvrtý návar, na ktorom boli realizované skúšky pre stanovenie kvality štvrtého návaru.

Pre tvorbu štvrtého návaru bol použitý valec o priemere 300 mm, nakoľko valce tohto priemeru sú najčastejšie opotrebované a na ich renováciou sú vynaložené najvyššie náklady.

Pre tvorbu štvrtého návaru valca bola použitá tretia generácia navárania. Ako prídavný materiál sa používajú dva druhy zváracích drôtov. RD 535 je materiál pre podkladovú vrstvu a RD 527 je materiál pre krycie vrstvy. Použitý valec bol pred renováciou osústružený 14 mm pod tretí návar, následne bol testovaný využitím nedeštruktívnych metód na stanovenie vonkajších a vnútorných chýb, ktoré by mohli ovplyvniť kvalitu renovovaného valca. Pred naváraním bolo potrebné valec predhriať a túto teplotu počas navárania udržiavať, pričom teplota sa pohybovala v rozmedzí 200–380 °C. Navarená bola najprv jedná podvrstva s prúdom navárania I = 310 [A], napätím U = 28 [V] a rýchlosťou navárania 25 m.h-1. Nasledovali dve krycie vrstvy s parametrami navárania I = 390–450 [A], U = 30–32 [V] a rychlosťou navárania 25 m.h-1. Po navarení valca je nutné vykonať vizuálnu kontrolu a tepelne spracovanie. Valec bolo potrebné žíhať na uvoľnenie vnútorných pnutí. Výdrž valca na teplote 540 °C po dobu šiesti hodín a následne chladnutie 40 °C.hod-1 v peci až do teploty 210 °C, potom voľne na vzduchu. Konečné úpravy valca spočívali v presnom opracovaní valca na daný rozmer a konečné kontrole valca nedeštruktívnymi skúškami, ktoré mali potvrdiť bezchybnosť návaru. Pre stanovenie kvality návaru a premiešania so základným materiálom boli použité deštruktívne skúšky.

Vzorky na stanovenie mechanických vlastností podnávarovej vrstvy bola použitá ťahová skúška v zmysle STN EN ISO 6892-1. Z výsledkov ťahových skúšok vyplýva, že tepelne ovplyvnená oblasť TOO vykazuje priemernú medzu pevnosti Rm 939,4 MPa, čo je v porovnaní s tepelne neovplyvneným základným materiálom ZM rozdiel o 42,3 %. Hodnota ťažnosti sa zvýšila na 17,3 %. Tvrdosť návarových vrstiev bola hodnotená v zmysle normy STN EN 1043-1 pri zaťažení 100 N na zariadení HPO 250. Namerané hodnoty tvrdosti sú graficky prezentované na obrázku 5. Maximálna tvrdosť bola nameraná v krycej navárovej vrstve v hĺbke 1 mm (432 HV10), so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od povrchu do materiálu dochádzalo k poklesu tvrdosti až na hodnoty tvrdosti základného materiálu (218 HV10).

Hodnotenie mikroštruktúry bolo realizované v zmysle normy STN EN 1321 na priečnych výbrusoch, čo môžeme vidieť na obrázkoch 6, 7, 8, 9. Návar bol tvorený jemnozrnou martenzitickou štruktúrou (matricou) spevnenou karbidmi Cr, Mo a hlavne nitridmi chrómu CrN, Cr2N. Mikroštruktúra základného materiálu 24CrMoV55 – DIN 17240 bez tepelného spracovania bola tvorená bainitom (80 %) a martenzitom (20 %). Vzhľadom na niekoľko násobné tepelné spracovanie valca bol základný materiál tvorený popusteným martenzitom.

Vplyvom vneseného tepla došlo k transformácii hrubozrnných bainitických útvarov na jemnozrnný martenzit, čo je možné vidieť na obr. 7.

Prechod medzi ZM do TOO bol plynulý. Oblasť premiešania návaru s TOO je úzka, viď obr. 8.

Krycia navárová vrstva mala hranice zŕn zvýraznené precipitátmi, čo je znázornené na obr. 9.

Metalografickou analýzou realizovanou na priečnych výbrusoch nebola v návaroch zaznamenaná prítomnosť vnútorných chýb.

Použitie štvrtého návaru malo priniesť úspory a zefektívnenie výroby ocele, kde kvalita a životnosť týchto valcov ovplyvňujú celkové náklady výroby ocele. Postup navárania bol totožný s predchádzajúcimi postupmi renovácií, bolo len potrebné overiť, či sa materiál renovovaného valca vplyvom štvrtého návaru nezmení a nestratí svoje predchádzajúce vlastnosti. Deštruktívne skúšky sa sústredili na analýzu kvality najmä v tepelne ovplyvnenej oblasti, ktorá je najviac náchylnou na vznik chýb. Chyby iniciované z tejto oblasti sú najčastejšími príčinami deštrukcie navárových vrstiev valcov. Výsledky deštruktívnych skúšok poukázali na nárast Rm v TOO o 42,3 % oproti ZM. Meraním tvrdosti na valci boli zaznamenané hodnoty od 432 HV10, čo zodpovedá tvrdosti návaru, až k hodnote 218 HV10, čo zodpovedá hodnote ZM. Pri skúmaní mikroštruktúri návaru TOO a ZM neboli zistene žiadné výrazne poruchy.

Experimentálne práce rozšírili poznatkový fond z oblasti zvyšovania životnosti valcov kontinuálneho odlievania tvorbou štvrtého návaru technológiou SAW. Kvalitu návarových vrstiev významne ovplyvňuje štruktúrna skladba a chemické zloženie materiálov, technológia navárania a následné tepelné spracovanie. Namerané výsledky poukázali na možnosť renovácie valcov štvrtým návarom a návar zodpovedá krytériam kvality pre jeho opätovné zaradenie do linky kontinuálneho odlievania. Pre komplexné hodnotenie renovovaného valca štvrtým návarom je však potrebné vykonať ďalšie experimentálne merania.

doc. Ing. Janette Brezinová, PhD.
Ing. Peter Balog

TU v Košiciach, Strojnícka fakulta, katedra technológií a materiálov

janette.brezinova@tuke.sk

peter.balog@tuke.sk

Literatúra:
[1] BUĽKO B., KIJAC J.: Acta Metallurgica Slovaca, vol. 16, Optimization of Tundish Equipment, Lett. 76–83 (2010).
[2] STORARSKI, T. A.: Tribology in machine design. Great Britain, Butterworth: Heinemann, 2000. ISBN 0-7506-3623-8.
[3] MLÁDEK, Jozef et al.: Welding 88: 2. konferencia : renovačné metódy zvárania. Bratislava, Dom techniky ČSVTV, 1988.
[4] Klasické (konvenční) metódy zvárania. [on-line]. [citované 2011-04-8], dostupné na internete: <//u12133.fsid.cvut.cz/podklady/TE1/klas_svar_v_och_atm.pdf>.
[5] RAINWATER, S.: Submerged arc Welding: then and now. Cleveland, Ohio: 2008. Dostupné na internete: <//subarcwelding.com/sub-arc-article.asp>.
[6] D. LORINCOVÁ. Analýza kvality renovačných vrstiev z aspektu degradačných javov. Dizertačná práca, Technická univerzita Košice, 2012.
[7] ČOMAJ, M., ŠEFČÍK, D.: Naváranie valcov zariadenia na plynulé odlievanie ocele. Zborník prednášok z XXVII. celoštátnej konferencie a diskusného fóra zváranie 99. Vysoké Tatry, Tatranská Lomnica: Weldtech, 11.–14. október, 1999.