PL193187B1

PL193187B1 - Sposób odlewania ciągłego nierdzewnych ferrytycznych taśm stalowych bez mikropęknięć

Info

Publication number: PL193187B1
Application number: PL351310A
Authority: PL
Inventors: Frédéric Mazurier
Original assignee: Usinor
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2007-01-31
Also published as: TW520306B; JP4582916B2; CZ295816B6; DK1187691T3; DE60000938T2; SI1187691T1; PT1187691E; RU2242325C2; EP1187691A1; BR0009881A; ZA200108667B; EP1187691B1; AU757307B2; CZ20013777A3; SK285817B6; FR2792561B1; ES2187456T3; CN1347352A; WO2000064613A1; ATE228905T1

Abstract

1. Sposób odlewania ciaglego nierdzewnych ferrytycznych tasm stalowych bez mikropek- niec, o grubosci mniejszej lub równej 10 mm, bezposrednio z cieklego metalu miedzy dwoma chlo- dzonymi cylindrami obracajacymi sie dokola osi poziomych, znamienny tym, ze: - stosuje sie ciekly metal, który w procentach wagowych zawiera: C + N = 0,12%, Mn = 1%, P = 0,04%, Si = 1%, Mo = 2,5%, Cr w zakresie od 11% do 19%, Al = 1%, Ti + Nb + Zr = 1%, przy czym reszte stanowi zelazo i zanieczyszczenia wynikajace z wytapiania, - wybiera sie wskaznik ? p cieklego metalu zawarty miedzy 35% i 60%, przy czym wskaznik ? p okreslony jest wzorem: ? p = 420 C(%) + 470 N(%) + 23 Ni(%) + 9 Cu(%) + 7 Mn(%) - 11,5 Cr(%) - 11,5 Si(%) - 12 Mo(%) - 23 V(%) - 47 Nb(%) - 49 Ti(%) - 52 Al(%) + 189, - dobiera sie chropowatosc R a powierzchni tych cylindrów, która jest wieksza niz 5 µm, a - w poblizu menisku z cieklym metalem znajdujacym sie miedzy cylindrami stosuje sie gaz obojetny zlozony co najmniej z 60% objetosciowych gazu rozpuszczalnego w stali. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania ciągłego nierdzewnych ferrytycznych taśm stalowych bez mikropęknięć. Wynalazek dotyczy zwłaszcza odlewania ciągłego, bezpośrednio z ciekłego metalu, nierdzewnych taśm stalowych typu ferrytycznego, których grubość jest rzędu kilku mm, między dwoma chłodzonymi cylindrami obracającymi się dokoła osi poziomych.

W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w rozwoju sposobów odlewania cienkich taśm stalowych, węglowych lub nierdzewnych, bezpośrednio z ciekłego metalu. Obecnie, głównie stosowanym sposobem jest odlewanie ciekłego metalu między dwoma cylindrami chłodzonymi wewnętrznie, obracającymi się dokoła swoich osi poziomych w kierunkach przeciwnych, i usytuowanymi na wprost siebie, przy czym odległość minimalna między ich powierzchniami jest w przybliżeniu równa grubości, którą ma mieć odlewana taśma, na przykład, kilka mm. Przestrzeń odlewnicza obejmująca ciekłą stal określona jest przez powierzchnie boczne cylindrów, na których rozpoczyna się krzepnięcie taśmy, i przez ogniotrwałe, boczne płyty zamykające nałożone na końce cylindrów. Ciekły metal zaczyna swoje krzepnięcie po zetknięciu się z powierzchniami zewnętrznymi cylindrów, na których tworzy skrzepnięty „naskórek” usytuowany na poziomie „szyjki”, to jest w strefie, w której odległość między cylindrami jest minimalna.

Jednym z głównych problemów napotykanych podczas wytwarzania cienkich nierdzewnych ferrytycznych taśm stalowych przez odlewanie między cylindrami, jest znaczne ryzyko powstania na taśmie wad powierzchniowych zwanych mikropęknięciami. Chodzi tu o pęknięcia o małych wymiarach, które są jednak wystarczające, aby sprawić, że niewłaściwe będzie stosowanie wyrobów przetwarzanych na zimno. Takie pęknięcia tworzą się podczas krzepnięcia stali i mają głębokość rzędu 40 mm i szerokość około 20 m m. Ich pojawianie się związane jest z warunkami zetknięcia występującymi podczas krzepnięcia pomiędzy stalą i powierzchnią cylindrów, na długości łuku ich zetknięcia. Te warunki mogą obejmować dwa kolejne etapy. Pierwszy etap dotyczy zetknięcia początkowego pomiędzy ciekłą stalą i powierzchnią cylindra, które powoduje tworzenie się skrzepniętego naskórka stalowego na powierzchni cylindrów. Drugi etap dotyczy wzrostu tego naskórka, aż do szyjki, gdzie jak podkreślono, łączy się on z naskórkiem utworzonym na drugim cylindrze tworząc taśmę całkowicie skrzepniętą. Zetknięcie między stalą i powierzchnią cylindra uwarunkowane jest topografią powierzchni cylindrów odlewniczych, w połączeniu z rodzajem gazu obojętnego i składem chemiczny stali. Wszystkie te parametry mają wpływ na ustalenie przepływu ciepła między stalą i cylindrem, i narzucają warunki krzepnięcia naskórka.

Dokonano różnych prób, aby ustalić sposób odlewania między cylindrami umożliwiający otrzymanie w sposób niezawodny, taśm pozbawionych niekorzystnych wad powierzchniowych takich jak mikropęknięcia.

Rozwiązania stosowane w przypadku stali węglowych opierają się na konieczności odpowiedniej regulacji wymiany ciepła między stalą i powierzchnią cylindrów. W szczególności usiłuje się zwiększyć strumień cieplnego wypływającego ze stali na początku krzepnięcia, przez cylindry odlewnicze. Stąd też, europejski opis patentowy EP-A-0 732 163 proponuje stosowanie cylindrów małej chropowatości (Ra mniejszej od 5 mm), kojarząc tę cechę ze składem stali warunkami obróbki, co ułatwia tworzenie się w metalu ciekłych tlenków, które zwilżają powierzchnię między fazową stal/cylinder. Jeśli chodzi o austenityczne stale nierdzewne, dokument EP-A-0 796 685 proponuje odlewanie stali, której stosunek Crrów/Nirów. jest wyższy od 1,55 tak, aby zminimalizować zmiany faz w wysokiej temperaturze, i przeprowadzać to odlewanie stosując cylindry, których powierzchnia zawiera połączone ze sobą wgłębienia o średnicy od 100 do 1500 mm i głębokości od 20 do 150 mm, i zneutralizować przestrzeń odlewniczą gazem rozpuszczalnym w stali, lub mieszaniną gazu złożonego głównie z takiego gazu rozpuszczalnego.

Z kolei, dla nierdzewnych stali ferrytycznych japoński opis patentowy JP-A-5337612 proponuje odlewanie stali o niskiej zawartości węgla (poniżej 0,05%) i azotu (poniżej 0,05%), zawierającej niob (od 0,1 do 5%) i tytan. Przy takim odlewaniu, należy również chłodzić taśmę na wyjściu z cylindrów z podwyższoną prędkością, a następnie regulować temperaturę nawijania tej taśmy. Takie warunki wytwarzania i odlewnicze są kosztowne i skomplikowane, a szczególne właściwości gatunków stali limitują zakres stosowania wyrobów otrzymanych w ten sposób.

Celem wynalazku jest zaproponowanie sposobu odlewania ciągłego cienkich taśm z ferrytycznej stali nierdzewnej, których powierzchnia byłaby pozbawiona mikropęknięć. Taki sposób nie powiPL 193 187B1 nien stawiać szczególnie wysokich wymagań odnośnie warunków odlewania przy jego wdrożeniu, i powinno być możliwe jego wykorzystanie dla szerokiego zakresu gatunków takich stali.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób odlewania ciągłego nierdzewnych ferrytycznych taśm stalowych bez mikropęknięć, o grubości mniejszej lub równej 10 mm, bezpośrednio z ciekłego metalu między dwoma chłodzonymi cylindrami obracającymi się dokoła osi poziomych, charakteryzuje się tym, że:

- stosuje się ciekły metal, który w procentach wagowych zawiera: C + N £ 0,12%, Mn £ 1%, P £ 0,04%, Si £ 1%, Mo £ 2,5%, Cr w zakresie od 11% do 19%, Al £ 1%, Ti + Nb + Zr £ 1%, przy czym resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania,

- wybiera się wskaźnik g p ciekłego metalu zawarty między 35% i 60%, przy czym wskaźnik g p określony jest wzorem: gp= 420 C(%) + 470 N(%) + 23 Ni(%) + 9 Cu(%) + 7 Mn(%) -11,5 Cr(%) -11,5 Si(%) -12 Mo(%) -23 V(%) -47 Nb(%) -49 Ti(%) -52 Al(%) + 189,

- dobiera się chropowatość Ra powierzchni tych cylindrów, która jest większa niż 5 mm, a

-w pobliżu menisku z ciekłym metalem znajdującym się między cylindrami stosuje się gaz obojętny złożony co najmniej z 60% objętościowych gazu rozpuszczalnego w stali.

Korzystnie, stosuje się gaz obojętny, który jest mieszaniną azotu i argonu w proporcjach, odpowiednio, 60% do 100% i 0% do 30%.

Korzystnie, dobiera się chropowatość Ra powierzchni cylindrów, która leży w zakresie od 5 mm do 20 mm.

Wynalazek polega na połączeniu warunków co do składu odlewanego metalu, które decydują o możliwości tworzenia się austenitu w wysokich temperaturach po skrzepnięciu metalu, warunku odnośnie chropowatości minimalnej powierzchni odlewniczych, i warunku co do składu gazu obojętnego. Przestrzegając takiego połączenia, unika się tworzenia mikropęknięć na powierzchni taśmy bez narzucania zbyt znacznych ograniczeń w odniesieniu do procesu odlewania i bez zbyt znacznych ograniczeń co do dziedziny zastosowania wyrobów, które będą wytwarzane z takiej taśmy.

Wynalazek będzie bardziej zrozumiały po zapoznaniu się ze szczegółowym opisem podanym poniżej.

Jednym z podstawowych parametrów udanego odlewania cienkich taśm stalowych między cylindrami, jest regulacja wymiany ciepła między taśmą, podczas jej krzepnięcia, i cylindrami. Odpowiednia regulacja wymiany ciepła wymaga, aby warunki przylegania skrzepniętych naskórków do ścianek cylindrów były znane i powtarzalne. Jednak, podczas odlewania taśm z nierdzewnych stali ferrytycznych zawierających od 11% do 19% Cr powstaje, po całkowitym skrzepnięciu naskórka na cylindrze, następujące zjawisko. Skrzepnięty naskórek ma najpierw strukturę całkowicie ferrytyczną, czyli fazę d, a następnie podczas jego chłodzenia, wówczas, gdy przylega on ciągle do powierzchni cylindra, następuje w nim przemiana fazy ferryt d-austenit g w zakresie temperatur od 1300 do 1400°C. Ta przemiana fazy powoduje miejscowe skurcze w metalu, powodujące różnice gęstości między tymi dwiema fazami, które są znaczne na poziomie mikroskopijnym. Te skurcze mogą być wystarczająco duże, aby wywołać miejscowe przerwy w zetknięciu między skrzepniętym naskórkiem i powierzchnią cylindra. Jak wiadomo, takie przerwy w zetknięciu radykalnie zmieniają miejscowe warunki wymiany ciepła. Zależnie od stanu powierzchni cylindrów i od rodzaju gazu obojętnego znajdującego się we wgłębieniach tej powierzchni, zasięg tej przemiany fazowej wiąże się ze składem metalu, a więc z intensywnością wymiany ciepła.

Zasięg przemiany fazy 8 ® g w nierdzewnej stali ferrytycznej może być opisany wskaźnikiem gp. Ten wskaźnik reprezentuje maksymalną ilość austenitu występującego w metalu w wysokiej temperaturze. Wskaźnik gp obliczony jest w znany sposób, zależnie od składu metalu, według zależności zwanej „Tricot i Castro”, w której zawartości procentowe ujęte są wagowo:

gp-420 C(%) + 470 N(%) + 23 Ni(%) + 9 Cu(%) + 7 Mn(%) -11,5 Cr(%) -11,5 Si(%) -12 Mo(%) -23 V(%) -47 Nb(%) -49 Ti(%) -52 Al(%) + 189.

Podczas prób zauważono, że wartość gp stanowi odpowiedni wskaźnik poziomu strumienia cieplnego wypływającego przez cylindry odlewnicze podczas krzepnięcia. Strumień cieplny wypływający z metalu przez cylindry może być określony doświadczalnie przez wartość średnią obliczoną przez pomiar ogrzewania strumienia chłodzącego cylindry. Doświadczenie wykazało, że średni strumień cieplny wypływający z metalu przez cylindry jest tym słabszy im wyższy jest wskaźnik gp.

Warunkiem koniecznym dla uniknięcia pojawienia się pęknięć na cienkich taśmach z nierdzewnej stali ferrytycznej odlewanej między cylindrami jest to, aby podczas początkowego zetknięcia ciekłego metalu z cylindrami wydobywał się znaczny strumień cieplny. W tym celu, korzystne jest, aby gaz obojętny otaczający powierzchnię ciekłego metalu w pobliżu menisku, to jest w miejscu przecięcia

PL 193 187B1 się powierzchni ciekłego metalu i cylindrów, zawierał gaz rozpuszczalny w stali lub, aby był całkowicie utworzony przez taki gaz. Zwykle, stosuje się w tym celu azot, ale użycie wodoru, amoniaku lub CO2 jest również możliwe. Jako gaz nierozpuszczalny zapewniający ewentualnie w 100% atmosferę obojętną, stosuje się zwykle argon, ale użycie innego gazu nierozpuszczalnego, takiego jak hel, jest również możliwe. Gaz w większości rozpuszczający się w stali zapewnia najlepszy kontakt między stalą i cylindrami, gdyż gaz nierozpuszczalny łagodniej niż gaz rozpuszczalny przenika we wgłębienia powierzchni cylindrów. Podobnie, niewielka chropowatość powierzchni cylindrów powoduje duży strumień cieplny, gdyż wynika on z małego styku między cylindrem i metalem.

Jednak, po zapoczątkowaniu krzepnięcia, średni strumień cieplny bardzo szybko zwiększa ryzyko powstania nierównomierności między wartościami miejscowymi tego strumienia. Te nierównomierności mogą pochodzić od pęknięć powierzchniowych na taśmie, gdyż to one powodują naprężenia między różnymi strefami powierzchni, która jest jeszcze słaba. Jeśli to możliwe, dobry byłby kompromis między różnymi wymogami do spełnienia w warunkach odlewania, jeśli chce się uniknąć tworzenia mikropęknięć we wszystkich etapach krzepnięcia i chłodzenia naskórków na cylindrach.

W tym celu, próbowano różnych warunków odlewania taśm z nierdzewnej stali ferrytycznej, z ciekłego metalu. Doświadczenia polegały na odlewaniu taśm o grubości od 2,9 do 3,4 mm między cylindrami, których powierzchnie zewnętrzne chłodzone przez krążenie wewnętrzne wody wykonane były z miedzi pokrytej niklem.

Poniższa tabela 1 pokazuje składy metalu odlewanego podczas różnych prób oznaczonych literami od A do F, i odpowiadające im wartości wskaźnika gp, a tabela 2 przedstawia wyniki otrzymane podczas różnych prób, w zakresie jakości otrzymanej powierzchni, w zależności od składu stali, składu gazu obojętnego i chropowatości cylindrów. Ten ostatni parametr reprezentowany jest przez średnią chropowatość Ra określoną według normy ISO 4287-1997 przez średnią arytmetyczną odchyleń zarysów chropowatości na linii średniej w kierunku skoku pomiarowego lm. Linia średnia określona jest jako linia wytworzona przez filtrację, która przecina mierzony profil tak, aby obszary górne były równe obszarom dolnym.

Według tej definicji:

x=lm

Ra = i~ I\ydx ^lm x=0

Tabe l a 1:

Skład stali odlewanych podczas prób

	C %	Mn %	P %	S %	Si %	Ni %	Cr%	Cu %	Mo %	Nb %	V %	Ti %	N %	Al %	gP %
A	0,046	0,415	0,028	0,0012	0,191	0,319	16,08	0,083	0,119	0,006	0,062	0,005	0,050	0,005	52,1
B	0,043	0,420	0,027	0,0023	0,214	0,335	16,30	0,091	0,023	0,002	0,076	0,002	0,041	0,003	45,7
C	0,038	0,320	0,023	0,008	0,448	0,142	16,67	0,059	0,152	0,003	0,074	0,007	0,042	0,008	29,5
D	0,051	0,392	0,029	0,0012	0,210	0,550	16,02	0,090	0,150	0,007	0,053	0,005	0,055	0,004	62,0
E	0,041	0,404	0,024	0,004	0,247	0,540	16,34	0,037	0,052	0,005	0,063	0,006	0,030	0,004	42,3
F	0,012	0,290	0,015	0,0013	0,560	0,090	11,50	0,022	0,001	0,002	0,079	0,178	0,010	0,005	53,4

Tabe l a 2:

Wpływ parametrów odlewania na obecność mikropęknięć

Stal	gP(%)	N2 w gazie obojętnym (%)	Ra(mm)	Jakość powierzchni
1	2	3	4	5
A		20		mikropęknięcia
A	52,1	50	7	mikropęknięcia
A		60		bez mikropęknięć
A		95		bez mikropęknięć

PL 193 187B1

c.d. tabeli 2

1	2	3	4	5
B		20		mikropęknięcia
B	45,7	50	11	mikropęknięcia
B		60		bez mikropęknięć
B		95		bez mikropęknięć
C	29,5	20	8,5	mikropęknięcia
C		60		mikropęknięcia
C		95		mikropęknięcia
D	62,0	90	7,5	mikropęknięcia
E	42,3	90	4	mikropęknięcia
F	53,4	60	7	bez mikropęknięć

Dla stali A, B i F, mikropęknięcia nie występują, jeśli zawartość azotu w gazie obojętnym, który jest mieszaniną azot-argon, jest mniejsza od 60%. Wszystkie te stale mają wskaźnik gp od 45,7 do 53,4%, i były odlewane między cylindrami mającymi chropowatość Ra o wartości równej 7 mm lub 11 mm.

Doświadczenie przeprowadzone na stali C wykazało, że nawet dla chropowatości Ra = 8 mm i dla gazu obojętnego bogatego w azot, otrzymuje się systematycznie mikropęknięcia wówczas, gdy odlewa się stal, której wskaźnik gp jest niski (29,5%). Doświadczenie przeprowadzone na stali D, której wskaźnik gp wynosi 62,0% pokazało natomiast, że otrzymuje się także mikropęknięcia wówczas, gdy odlewana stal ma bardzo wysoki wskaźnik gp.

Doświadczenie przeprowadzone na stali E wykazało, że nawet wówczas, gdy warunki składu stali i gazu obojętnego są odpowiednie z punktu widzenia prób poprzednich, mała chropowatość cylindrów (Ra = 4) mm prowadzi do powstania mikropęknięć.

Te różne wyniki tłumaczy się w sposób następujący.

Aby otrzymać taśmę pozbawioną pęknięć, trzeba przede wszystkim zapewnić, aby strumień cieplny wypływający podczas pierwszego zetknięcia metalu z cylindrem był znaczny. Jeśli gaz obojętny nie jest wystarczająco rozpuszczalny w stali, wypływający średni strumień cieplny jest zbyt mały, a stal nie krzepnie w sposób wystarczająco równomierny, co powoduje powstawanie mikropęknięć. Z tego punktu widzenia, byłoby również pożądane mieć małą chropowatość cylindrów. Ale, jeśli chropowatość Ra jest zbyt mała, liczba i powierzchnia całkowita miejsc początkowego krzepnięcia staje się znaczna, a to prowadzi do zbyt gwałtownego chłodzenia, które powoduje powstawanie mikropęknięć. Ponadto, trzeba także uwzględnić warunki wymagane przez następne etapy procesu krzepnięcia i chłodzenia naskórków. Doświadczenia wykazały, że przez połączenie zawartości gazu rozpuszczalnego w ilości co najmniej 60% w gazie obojętnym z chropowatością cylindrów Ra wyższą od 5 mm otrzymuje się zadawalające wyniki.

W następstwie procesu krzepnięcia i chłodzenia naskórków na cylindrach, konieczne jest, jak wspomniano, unikanie zbyt znacznego wypływającego strumienia, aby uniknąć niejednorodności cieplnych, które są także źródłem mikropęknięć. Z tego punktu widzenia, chropowatość minimalna Ra o wartości 5 m m jest uzasadniona tym, że wierzchołki chropowatości służą jako miejsca zapoczątkowania i rozwoju krzepnięcia, a części wgłębione, w których metal przenika bez trudności, dochodzą do dna wydrążeń, działając jako połączenia skurczowe, pochłaniające zmiany objętości naskórka podczas jego krzepnięcia i chłodzenia. Nie zaleca się jednak stosowania chropowatości Ra wyższej od 20 mm, gdyż jeśli chropowatość, która jest odtworzona jako „negatyw” na powierzchni taśmy, jest wysoka, będzie trudno ją zmniejszyć podczas etapów następnego walcowania i przemiany na zimno. Ryzykuje się więc, że wyrób finalny nie będzie miał zadawalającego wyglądu powierzchni. Żądana chropowatość cylindrów może być otrzymana wszystkimi znanymi do tego celu środkami, takimi jak piaskowanie, obróbka laserowa, operacje fotochemiograficzne, elektroerozja itd.

Znaczna wielkość wskaźnika gp narzucona przez skład metalu, powiększa przemianę 5 ® g na całym łuku styku. Skrzepnięte naskórki ulegają na tym haku styku odklejeniu, które zmniejsza wypływający strumień cieplny i utrzymuje go na żądanym poziomie bez prowadzenia do mikropęknięć, które byłyby wywołane kruchością naskórka wówczas, gdy jest on już wystarczająco skrzepnięty. Doświadczenie pokazało, że granica dolna dla wskaźnika gp wynosi 35%. Powyżej wskaźnika gp 60%, odklejanie powodowane przez przemianę d ® g staje się zbyt znaczne i prowadzi do powstawania mikropęknięć przez nadmierną kruchość naskórków.

PL 193 187B1

Wynalazek zmierza więc do kompromisu między wymaganiami sprzecznymi ze sobą, dyktowanymi przez konieczność uniknięcia występowania na odlewanej taśmie powierzchniowych mikropęknięć, których mechanizmy powstawania są wielorakie. Wynalazek umożliwia uniknięcie koniecznego występowania kosztownych pierwiastków stopowych, przy czym pierwiastki stabilizujące takie jak aluminium, tytan, cyrkon, niob mogą występować jako opcjonalne. Podobnie, wynalazek nie wymaga szczegółowych warunków chłodzenia i nawijania taśm po opuszczeniu cylindrów.

Claims

1. Sposób odlewania ciągłego nierdzewnych ferrytycznych taśm stalowych bez mikropęknięć, o grubości mniejszej lub równej 10 mm, bezpośrednio z ciekłego metalu między dwoma chłodzonymi cylindrami obracającymi się dokoła osi poziomych, znamienny tym, że:

- wybiera się wskaźnik g p ciekłego metalu zawarty między 35% i 60%, przy czym wskaźnik g p określony jest wzorem: gp = 420 C(%) + 470 N(%) + 23 Ni(%) + 9 Cu(%) + 7 Mn(%) -11,5 Cr(%) -11,5 Si(%) -12 Mo(%) -23 V(%) -47 Nb(%) -49 Ti(%) -52 Al(%) + 189,

- w pobliżu menisku z ciekłym metalem znajdującym się między cylindrami stosuje się gaz obojętny złożony co najmniej z 60% objętościowych gazu rozpuszczalnego w stali.

2. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się gaz obojętny, który jest mieszaniną azotu i argonu w proporcjach, odpowiednio, 60% do 100% i 0% do 30%.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dobiera się chropowatość Ra powierzchni cylindrów, która leży w zakresie od 5 mm do 20 mm.