8 Walidacja modelu naprężeń własnych
Wyniki uzyskiwane za pomocą MES są rozwiązaniem przybliżonym, na którego wpływ ma wiele czynników w tym m.in. wartości współczynników dla modelu materiału czy przyjętych warunków brzegowych. Z tego powodu, opracowany model naprężeń własnych wymaga walidacji, czyli porównania wyników symulacji numerycznych z wynikami uzyskanymi na drodze doświadczalnej. W niniejszej pracy, walidację modelu naprężeń własnych przeprowadzono na podstawie eksperymentów wykonanych w warunkach przemysłowych.
8.1 Charakterystyka nowoczesnej walcowni taśm na gorąco
Eksperymenty przemysłowe, mające na celu walidację kompleksowego modelu naprężeń własnych, jak również określenia możliwego wpływu warunków chłodzenia w chłodni laminarnej na poziom naprężeń własnych, zostały przeprowadzone w nowej walcowni taśm na gorąco w firmie ArcelorMittal Poland w Krakowie, która została uruchomiona w połowie 2007 roku. Schemat rozplanowania urządzeń w walcowni taśm na gorąco w Hucie ArcelorMittal Poland w Krakowie przedstawiono na Rys. 8.1 [7].
Rys. 8.1. Schemat rozplanowania urządzeń w nowej walcowni taśm na gorąco w Hucie ArcelorMittal Poland w Krakowie. 1 – piec pokroczny, 2 – hydrauliczny zbijacz zgorzeliny, 3 – klatka walców pionowych typu duo Ø1100, 4 – walcarka kwarto Ø1250/1600, 5 – bębnowa nożyca latająca, 6 – transporter obcinków, 7 – sześć walcarek typu kwarto Ø825/1600 (1÷4) i Ø730/1600 (5 – 6), 8 – fundament pod siódmą walcarkę, 9 – chłodnia
laminarna, 10 – zwijarki podłogowe [7].
Charakterystyka produkcyjna walcowni przedstawia się następująco [7, 92]:
wsad: wlewki płaskie uzyskiwane z maszyny COS o grubości 220 lub 250 mm, szerokości 700 ÷ 2100 mm, długości 6 ÷ 11 m oraz masie do 35 Mg,
wyrób: taśma stalowa walcowana na gorąco o grubości 1,2 ÷ 25,4 mm, szerokości 750 ÷ 2100 mm, zwinięta w kręgi o masie całkowitej do 35 Mg,
84
walcowane grupy stali: konstrukcyjne, dla przemysłu samochodowego (DP, TRIP), na rury, niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości (HSLA), krzemowe (GNO, GO) oraz nierdzewne.
Charakterystyka techniczna najważniejszych urządzeń zespołu walcowniczego, przedstawionego na Rys. 8.1, jest następująca:
Do nagrzewnia wsadu używany jest piec grzewczy typu pokrocznego, który opalany jest gazem ziemnym. Wydajność pieca wynosi 450 Mg/h, a maksymalna temperatura nagrzewania 1250 ± 10°C. Zużycie ciepła wynosi ok. 1,25 GJ/Mg stali. Szerokość i długość robocza pieca wynosi odpowiednio 11 m i 58,6 m. Piec wyposażony jest w automatyczny system sterowania.
Zespół walcowniczy wyposażony jest w dwa hydrauliczne zbijacze zgorzeliny. Pierwszy z nich zamontowany jest za piecem grzewczym, drugi bezpośrednio przed grupą walcarek wykańczających. Przepływ wody wynosi 580 m3/h. Ciśnienie wody w kolektorze jest równe 180 bar.
Grupę wstępną walcarek tworzą dwie walcarki: pierwsza, pionowa typu duo o wymiarach Ø1100x660 mm i druga, pozioma typu kwarto Ø1250/600x2250 mm. Walcarka pionowa służy do redukcji szerokości pasma maksymalnie o 100 mm, natomiast walcarka pozioma do redukcji grubości pasma. Walcarka pionowa wyposażona jest w hydrauliczną nastawę walców (HAGC). Walcarka pionowa posiada automatyczną regulację szerokości pasma (AWC), współdziałającą z hydrauliczną nastawą rozstawu walców.
Nożyca bębnowa zainstalowana jest przed grupą walcarek wykańczających i służy do obcinania początku i końca poruszającego się pasma. Nożyca bębnowa składa się z dwóch par noży tnących, o maksymalnej sile cięcia 17 MN. Maksymalny przekrój ciętego pasma w temperaturze 900°C wynosi 55x2100 mm.
Grupa walcarek wykańczających składa się z sześciu walcarek poziomych typu kwarto pracujących w układzie ciągłym. Pierwsze cztery walcarki są wyposażone w walce robocze o wymiarach Ø825/735/2500 mm, natomiast kolejne dwa Ø730/650x2500 mm. Walce oporowe we wszystkich walcarkach posiadają jednakowe wymiary Ø1600/1400x2250 mm i są ułożyskowane w łożyskach płynnego tarcia. Walcarki wyposażone są w hydrauliczną nastawę walców (HAGC), system przeginania walców roboczych oraz system profilowania SmartCrown, wywodzący się od systemu CVC.
85
Chłodnia laminarna o długości 111,72 m składa się z dwóch części, pomiędzy którymi realizowany jest pomiar pośredniej temperatury pasma. Chłodnia laminarna o łącznej liczbie 82 kolektorów podzielona jest na pięć stref, w których maksymalny przepływ wody wynosi 19742 m3/h:
1) strefa szybkiego chłodzenia: wyposażona jest w 20 kolektorów (zaworów) o nominalnym przepływie wody na zawór: 130 m3/h – góra, 154 m3/h – dół, 2) strefa chłodzenia normalnego: wyposażona w 20 kolektorów o nominalnym
przepływie wody na zawór: 88 m3/h – góra, 108 m3/h – dół,
3) strefa szybkiego chłodzenia: wyposażona jest w 26 kolektorów o nominalnym przepływie wody na zawór: 130 m3/h – góra, 154 m3/h – dół,
4) strefa chłodzenia normalnego: wyposażona w 8 kolektorów o nominalnym przepływie wody na zawór: 88 m3/h – góra, 108 m3/h – dół,
5) strefa chłodzenia przerywanego: wyposażona w 8 kolektorów o nominalnym przepływie wody na zawór: 54 m3/h – góra, 66 m3/h – dół.
Walcownia dysponuje dwiema zwijarkami o średnicy trzpienia Ø762/721 i maksymalnej prędkości zwijania 21,76 m/s. Zwijarki posiadają po cztery napędzane rolki dociskające. Maksymalna masa kręgu zwijanej taśmy wynosi 35 Mg.
8.2 Warunki eksperymentu
Walidację kompleksowego modelu naprężeń własnych w blachach przeprowadzono z wykorzystaniem aktualnej technologii dysponowanej przez AMP. Ze względu na wysokie koszty procesu wytwarzania taśm stalowych na gorąco, eksperymenty przeprowadzono tylko dla stali S235.
Wsadem do procesu walcowania na gorąco były wlewki płaskie o wymiarach 220x1529x11034 mm oraz 220x1529x11061 mm. Temperatura wlewków po wyjściu z pieca wynosiła odpowiednio 1245°C i 1240°C. Proces walcowania taśm na grubość końcową ok. 4 mm odbywał się w jedenastu przepustach. Walcowanie w grupie wstępnej zostało wykonane w pięciu przepustach, natomiast pozostałe sześć w grupie wykańczającej. Szczegółowy harmonogram zmian grubości pasma podczas walcowania w poszczególnych przepustach przedstawiono w Tabela 8.1. Eksperymenty przemysłowe przeprowadzono w dwóch wariantach, które różniły się od siebie zastosowanym trybem chłodzenia laminarnego. W pierwszym wariancie zastosowano tryb późnego chłodzenia, natomiast w drugim – wczesnego chłodzenia. Stan zaworów dla tych systemów pokazano na Rys. 8.2.
86
Tabela 8.1. Harmonogram walcowania.
Przepust 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Grubość początkowa, mm 220,0 182,0 139,9 97,8 57,9 35,6 22,72 13,66 9,35 6,63 4,94 Grubość końcowa, mm 182,0 139,9 97,8 57,9 35,6 22,72 13,66 9,35 6,63 4,94 4,07 Prędkość walcowania, m/s 1,5 1,8 2,2 3,0 5,0 1,42 2,36 3,54 5,05 6,88 8,54
Rys. 8.2. Stan zaworów dla systemów późnego i wczesnego chłodzenia laminarnego.
W ramach przeprowadzonych badań przemysłowych wykonano pomiary temperatury oraz naprężeń własnych w blachach. Pomiary temperatury pasma wykonano za pomocą skanerów temperatury znajdujących się w linii walcowniczej AMP za grupą wykańczającą oraz przed zwijarką. Pomiar temperatury kręgów przeprowadzono z wykorzystaniem przenośnej kamery termowizyjnej FLIR SC660 umieszczonej przed zwijarką (Rys. 8.3). Temperaturę rejestrowano od chwili zdjęcia kręgu z trzpienia (Rys. 8.4a) do momentu rozpoczęcia jego transportu samotokiem do magazynu (Rys. 8.4b). W trakcie pomiarów wykonano serię termogramów dla każdego z kręgów. Przeprowadzona analiza wyników obejmowała wyznaczenie maksymalnej i średniej temperatury z obszaru kręgu oznaczonego na każdym z termogramów. Współczynnik emisyjności badanej stali, równy 0,85, przyjęto na podstawie danych otrzymanych z AMP.
87
(a) (b)
Rys. 8.4. Pomiar temperatury kręgu: a) początek pomiarów, b) koniec pomiarów.
Pomiary wzdłużnych naprężeń własnych w blachach wykonano w Instytucie Metali Nieżelaznych w Oddziale Metali Lekkich w Skawinie, w ramach wspólnego projektu badawczego. Pomiary naprężeń własnych wykonano z wykorzystaniem metody dyfrakcji rentgenowskiej sin2Ψ, za pomocą przenośnego, przemysłowego aparatu firmy PROTO Manufacturing Ltd. Windsor, Ontario, Kanada (Rys. 8.5). Próbki do badań wycięto z każdego z kręgów w odległości ok. 15 m od początku rozwijanej taśmy. Naprężenia były mierzone w kierunku walcowania na całej szerokości taśmy po obu jej stronach [93].
88
8.3 Wyniki
Symulacje numeryczne procesu wytwarzania taśm na gorąco przeprowadzono dla analogicznych warunków, jakie panowały podczas eksperymentów przemysłowych oraz w analogicznych wariantach, uwzględniając tryb wczesnego i późnego chłodzenia laminarnego. Otrzymane wyniki obliczeń numerycznych rozkładu temperatury i naprężeń własnych porównano z wynikami badań przemysłowych (Rys. 8.6 – Rys. 8.14).
Na Rys. 8.6 i Rys. 8.7 przedstawiono wyniki pomiarów rozkładu temperatury na powierzchni taśm zmierzonych odpowiednio: po walcowaniu w grupie wykańczającej i przed zwijaniem w kręgi. Na wymienionych wyżej rysunkach oznaczono za pomocą czarnych linii (M1 i M2) obszary temperatur, które zostały następnie porównane z wynikami obliczeń numerycznych. Linię pomiarową M1 umiejscowiono na długości 400 m, natomiast M2 na 600 m. Na Rys. 8.8 zestawiono porównanie obliczonych i zmierzonych rozkładów temperatury wzdłuż szerokości taśmy, po walcowaniu w grupie wykańczającej i przed zwijaniem w kręgi. Zgodność wyników jest bardzo dobra.
Rys. 8.6. Wyniki zmierzonych rozkładów temperatury, po walcowaniu w grupie wykańczającej, dla wariantów chłodzenia: a) późnego, b) wczesnego.
89
Rys. 8.7. Wyniki zmierzonych rozkładów temperatury, przed zwijaniem w kręgi, dla wariantów chłodzenia: a) późnego, b) wczesnego.
Rys. 8.8. Rozkład temperatury wzdłuż szerokości taśmy, po walcowaniu w grupie wykańczającej (1) i przed zwijaniem w kręgi (2), dla wariantów wczesnego (a) i późnego chłodzenia (b).
90
Jak już wspomniano, pomiar temperatury kręgów wykonano za pomocą kamery termowizyjnej FLIR SC660. Dla każdego z kręgów wykonano po 14 termogramów w pięciosekundowych odstępach czasu. Przykładowe termogramy o numerach 1, 7 oraz 14, uzyskane dla obu wariantów eksperymentu, przedstawiono na Rys. 8.9. Temperaturę każdego z kręgów analizowano w obszarze A1 oraz linii pomiarowej L1. W trakcie pomiarów zarejestrowano wzrost średniej i maksymalnej temperatury kręgów w obszarze A1. Wzrost temperatury zarejestrowano również w przeprowadzonych symulacjach numerycznych. Porównanie zmian temperatury w obszarze A1 pomiędzy obliczeniami a symulacjami numerycznymi przedstawiono na Rys. 8.10. Przedstawione wyniki charakteryzują się wysoką zgodnością. Wzrost temperatury na powierzchni czołowej kręgu związany jest z wyrównywaniem temperatury pomiędzy środkowym obszarem zwojów taśmy a krawędziami oraz niską na tym etapie chłodzenia promieniową przewodnością cieplną kręgu. W efekcie powoduje to, że ciepło płynie w kierunku osiowym w dużo większym stopniu niż w kierunku promieniowym, co prowadzi do zmniejszenia gradientu temperatury na szerokości taśmy. Wzrost temperatury na powierzchni czołowej kręgu obserwowany jest jedynie bezpośrednio po zdjęciu kręgu z trzpienia.
Rys. 8.9. Termogramy obrazujące rozkład pola temperaturowego kręgu dla stali S235 dla wariantu chłodzenia: a) późnego, b) wczesnego.
91
Rys. 8.10. Przebieg zmian maksymalnej (tmax) i średniej (tśr) temperatury w obszarze A1 kręgu dla stali S235 dla wariantu chłodzenia: a) późnego, b) wczesnego.
Na Rys. 8.11 i Rys. 8.12 przedstawiono porównanie rozkładu temperatury na powierzchni czołowej kręgu oraz wzdłuż linii pomiarowej (L1), pomiędzy rzeczywistymi pomiarami (termogram nr 14) a obliczeniami numerycznymi, odpowiednio dla wariantu późnego i wczesnego chłodzenia [90]. Zaprezentowane wyniki charakteryzują się zadowalającą zgodnością.
Rys. 8.11. Rozkład temperatury kręgu dla późnego trybu chłodzenia dla stali S235: 1) na powierzchni czołowej kręgu, 2) wzdłuż lini pomiarowej L1, a) pomiary, b) obliczenia [90].
92
Rys. 8.12. Rozkład temperatury kręgu dla wczesnego trybu chłodzenia dla stali S235: 1) na powierzchni czołowej kręgu, 2) wzdłuż lini pomiarowej L1, a) pomiary, b) obliczenia [90].
Na Rys. 8.13 i Rys. 8.14 pokazano wyniki analizy numerycznej i doświadczalnej rozkładu naprężeń własnych wzdłuż szerokości taśmy dla wariantów późnego i wczesnego chłodzenia laminarnego. W obu wariantach zaobserwowano pewne rozbieżności pomiędzy wynikami uzyskanymi przy użyciu dyfraktometru PROTO a obliczeniami numerycznymi, które mogą wynikać między innymi z błędów pomiarowych, a także z trudnością w interpretacji wyników. Niemniej jednak w obu przypadkach zaobserwowano występowanie następującej zależności. Porównując między sobą rozkłady naprężeń własnych na szerokości taśmy otrzymanych z eksperymentów dla wariantów wczesnego i późnego chłodzenia, zaobserwowano że otrzymane wartości są na bardzo zbliżonym poziomie. Analogiczne porównanie wyników uzyskanych na drodze obliczeń numerycznych wykazuje tę samą zależność. Można zatem stwierdzić, że dla tego gatunku stali zmiana trybu chłodzenia laminarnego nie ma wpływu na poziom naprężeń własnych.
93
Rys. 8.13. Wyniki obliczonych i zmierzonych rozkładów naprężeń własnych dla późnego systemu chłodzenia, PG – powierzchnia górna, PD – powierzchnia dolna.
Rys. 8.14. Wyniki obliczonych i zmierzonych rozkładów naprężeń własnych dla wczesnego systemu chłodzenia, PG – powierzchnia górna, PD – powierzchnia dolna.