Badania nad procesem krzepnięcia i odkształcenia w linii TRC

W technologii Twin Roll Casting dochodzi do jednoczesnego procesu krzepnięcia oraz odkształcenia plastycznego otrzymywanego materiału. W literaturze można spotkać publikacje próbujące wyjaśnić sposób, w jaki przebiegają oba wspomniane etapy. Głównie są to symulacje numeryczne wykorzystujące metodę elementów skończonych i ukazujące zmianę temperatury materiału na długości kotliny, z uwzględnieniem obszaru wejścia pomiędzy walce – krystalizatory oraz wyjścia z obszaru krystalizacji. Można również spotkać publikacje ukazujące ilość frakcji materiału, która uległa krystalizacji na długości kotliny procesu TRC, symulacje przepływu metalu w układzie zalewowym itp. Generalnie największą wadą znanych z literatury prac jest wykorzystanie uniwersalnych (często jedynie przybliżonych) baz danych opisujących właściwości fizykalne odlewanych materiałów.

Pierwsze symulacje sposobu krzepnięcia dotyczyły odlewania stali [59-64] , dopiero w późniejszym czasie pojawiły się publikacje ukazujące symulację procesu krzepnięcia aluminium i jego stopów [65-68] oraz magnezu i jego stopów [69-72]. Istnieje również grupa prac koncentrująca się na parametrach siłowych w procesie TRC. Dla wspomnianych materiałów dane takie jak siła nacisku metalu na walce – krystalizatory można znaleźć m.in. w [63,65-67,70,73]. Autorzy prac [62,74] dokonali próby symulacji struktury materiału (odpowiednio stali i aluminium) w stanie po odlewaniu metodą TRC.

Analizę aktualnego stanu wiedzy w zakresie zjawisk występujących w obszarze krystalizacji należy rozpocząć od schematycznego ukazania występowania granic fazowych w kotlinie procesu TRC. Na rysunku 2.26 ukazano przykładowy przebieg obszarów granic fazowych ciecz - ciało stałe dla odlewania stali.

Rys. 2.26. Układ przestrzenny powierzchni międzyfazowej solidus podczas symulacji odlewania stali metodą TRC [59]

32

Rys. 2.27. Układ linii likwidus - solidus podczas symulacji odlewania stopów aluminium krzepnących w pewnym zakresie temperatury (stop Al-4,5%Cu) [68]

Należy jednak pamiętać, iż stopy aluminium krystalizują zazwyczaj w pewnym zakresie temperatury pomiędzy linią likwidus oraz solidus. Wówczas w kotlinie procesu poza obszarem ciekłym oraz stałym można wyróżnić obszar współistnienia fazy ciekłej i stałej, co ukazano na rysunku 2.27. Doświadczalne określenie występowania granic fazowych nie zostało jak dotychczas zrealizowane.

Analiza rozwiązań technicznych układu zalewowego w liniach TRC (por. rozdział 2.2.2) pozwala na stwierdzenia, iż metal za ich pomocą powinien być podawany w sposób równomierny oraz zapewniać jego stałą temperaturę. W literaturze istnieją próby symulacji przepływu ciekłego metalu w dyszy podającej. Jak wynika z rys. 2.28 przepływ ten ma zazwyczaj charakter turbulentny oraz istnieje znaczny gradient temperatury na przekroju obszaru układu zalewowego.

33 Rysunek 2.29 ukzauje, z kolei, iż przpływ ciekłego metalu charakteryzuje się zmienną prędkością w różnych regionach układu zalewowego. Niezależnie od zmiany prędkości odlewania najwyższa prędkość przepływu metalu obserwowana jest w górnej części układu zalewowego, w obszarze podawania go na górny walec, w dolnej części prędkość ta jest istotnie niższa.

34

Rys. 2.30. Symulacja rozkładu frontu krystalizacji oraz wzrostu ziaren odlewanego metalu podczas krystalizacji w kotlinie procesu TRC w zależności od temperatury zalewania [62]

Podczas kontaktu ciekłego metalu z walcami – krystalizatorami dochodzi do szybkiego procesu krzepnięcia materiału. Na rysunku 2.30 ukazano próbę symulacji struktury powstającej w omawianym procesie. W tym celu z analizowanego obszaru wyodrębniono komórkę, oraz ukazano w jaki sposób następuje wzrost ziaren. Przy powierzchni dochodzi do szybkiej krystalizacji i można w tym obszarze zaobserwować drobne ziarna równoosiowe (kryształy zamrożone), w dalszej części obserwuje się długie dendryty, których kierunek wzrostu odpowiada kierunkowi odprowadzania ciepła z metalu.

Na rysunkach 2.31 – 2.32 zobrazowano przykładowe, ukazane w literaturze wyniki symulacji MES procesu krzepnięcia oraz nacisków występujących podczas odlewania taśm z aluminium oraz stopu aluminium serii 7XXX. Rysunek 2.33 ukazuje natomiast wpływ zmiany prędkości odlewania oraz współczynnika przenikania ciepła na siłę nacisku metalu na walce – krystalizatory.

a)

b)

Rys. 2.31.Wyniki symulacji MES procesu krzepnięcia stopu aluminium przy odlewaniu między obracające się cylindryczne krystalizatory [65]: a) udział fazy stałej, b) nacisk [MPa]

Na podstawie danych ukazanych na rysunku 2.31 można zauważyć, iż nacisk metalu na walce krystalizatory pojawia się wówczas, gdy w materiale nie ma już frakcji ciekłej, tzn. taśma jest skrystalizowana na całej grubości. Największy nacisk pojawia się w okolicach osi walców, tuż przed opuszczeniem kotliny procesu TRC przez materiał. Związane jest to najprawdopodobniej z faktem, iż podczas odlewania, po krystalizacji następuje intensywny

35 odbiór ciepła przez walce – krystalizatory, a co za tym idzie – wzrost oporu plastycznego odlewanego materiału.

a)

b)

c)

Rys. 2.32. Wyniki symulacji MES procesu krzepnięcia stopu aluminium serii 7XXX przy odlewaniu między obracające się cylindryczne krystalizatory [66]: a) temperatura materiału

[K], b) udział fazy ciekłej, c) nacisk [MPa]

Podobne spostrzeżenia dotyczące zmiany temperatury na długości kotliny procesu TRC, ilości występującej fazy ciekłej oraz nacisku metalu na walce można wyciągnąć na podstawie rysunku 2.32. Warto jednak dodatkowo zauważyć, iż zwiększenie prędkości odlewania powoduje rozszerzenie zakresu występowania fazy ciekłej, wpływa na wzrost temperatury otrzymanego materiału na wyjściu z walców – krystalizatorów oraz powoduje obniżenie nacisku metalu na walce.

Obserwacje te zostały potwierdzone obliczeniami globalnych parametrów procesowych podczas odlewania, które ukazano na rysunku 2.33. Jak widać zwiększenie prędkości odlewania powoduje spadek siły nacisku metalu na walce. W odmienny sposób

36 wpływa natomiast zwiększenie współczynnika przenikania ciepła – dla tej samej prędkości odlewania obserwowany jest wówczas wzrost siły nacisku metalu na walce.

Rys. 2.33. Wpływ zmiany prędkości odlewania oraz współczynnika przenikania ciepła na siłę (wartości obliczone) podczas odlewania stopu aluminium serii 7XXX [66]

Co oczywiste, zmiana prędkości odlewania oraz współczynnika przenikania ciepła w znaczny sposób wpływać będzie na temperaturę materiału opuszczającego krystalizatory w fazie stałej. Zależność taka została ukazana na rys. 2.34 dla różnych grubości finalnych otrzymanych taśm.

37

Rys. 2.34. Wpływ zmiany prędkości odlewania oraz współczynnika przenikania ciepła na temperaturę odlanej taśmy ze stopu magnezu AZ31 o różnych grubościach (a-4mm, b-8mm)

[69]

Jak łatwo zaobserwować wpływ ten jest najmniejszy dla taśm o małej grubości, odlewanych w warunkach wysokiego współczynnika przenikania ciepła. Zwiększenie grubości taśmy oraz obniżenie współczynnika przenikania ciepła powoduje istotny wzrost temperatury otrzymanego wyrobu.

Z punktu widzenia analizy modelowej procesu krzepnięcia materiału w kotlinie TRC niezwykle istotne jest określenie stopnia intensywności stygnięcia odlewu wyrażanego liczbą Biota. W ramach danych literaturowych dostępne są symulacje ukazujące tę wartość w zależności od współczynnika przenikania ciepła oraz końcowej grubości taśmy. Jak można zaobserwować na rysunku 2.35 wielkość liczby Biota dla warunków symulowanych przez autorów pracy [69] mieści się w zakresie 0,2-1,3. Jest ona istotnie niższa dla taśm odlanych na większą grubość oraz przy obniżeniu współczynnika przenikania ciepła. Można jednak z pewnym przybliżeniem założyć, iż w badanym procesie dla aluminium wartości te będą oscylować w podobnym zakresie wartości, a liczba Biota będzie się obniżać wraz ze wzrostem prędkości odlewania.

38

Rys. 2.35. Zmiana liczby Biota wzdłuż kotliny procesu TRC w funkcji współczynnika przenikania ciepła oraz końcowej grubości taśmy dla stopu magnezu AZ31 (grubość

początkowa założona na poziomie 12mm) [69]

W literaturze można również napotkać na prace np. [75] opisujące obciążenie mechaniczne walca krystalizatora zarówno w aspekcie naprężeń występujących w płaszczu oraz rdzeniu, po jego montażu powstałe na skutek skurczu cieplnego, naprężeń termicznych powstających podczas kontaktu z rozgrzanym ciekłym metalem jak i naprężeń podczas procesu TRC, w momencie gdy skrzepnięty materiał opuszcza walce - krystalizatory. Na podstawie ukazanych analiz można zaobserwować, iż najwyższe wytężenie materiału występuje w płaszczu krystalizatora, stąd wynika wniosek, iż musi być on odpowiednio zaprojektowany oraz wykonany. W rdzeniu występujące naprężenia są około pięciokrotnie niższe. Koncentracja najwyższych naprężeń występuje głównie w okolicy żeber tworzących kanały do przepływu cieczy chłodzącej pomiędzy rdzeniem a płaszczem krystalizatora.

Rys. 2.36. Symulacja naprężeń występujących w płaszczu oraz rdzeniu krystalizatora, po jego montażu powstałego na skutek skurczu cieplnego (a); naprężeń w temperaturze pracy (b);

naprężeń podczas procesu TRC, w momencie gdy skrzepnięty materiał opuszcza walce – krystalizatory (c) [75]

39 Przedstawione znane z literatury obserwacje stosunkowo dobrze i logicznie korespondują ze sobą i wpisują się w ogólną wiedzę z obszaru metalurgii, odlewnictwa i przeróbki plastycznej metali. Należy jednak zaznaczyć, iż problem krystalizacji oraz odkształcenia materiału w kotlinie procesu TRC jest tylko zasygnalizowany w literaturze i nie został kompleksowo przebadany i wyjaśniony. Szczególnie zauważalny jest niedostatek bardziej wnikliwych prac naukowych przy zastosowaniu metod doświadczalnych.

2.3. Charakterystyka stopów aluminium serii 1XXX oraz 8XXX oraz