Vysoký tlak bramy v mieste kontaktu s valcom, vysoká a oscilujúca teplota, plastická deformácia povrchu valcov v mieste kontaktu s bramou, silné abrazívne opotrebenie oxidmi a troskou, cyklické tepelné a mechanické namáhanie, korózia a ich kombinácia k poškodeniu valcov v prevádzke. [1].

V rokoch 1970 až 1980 sa valce na kontinuálne odlievanie vyrábali z nízkolegovanej kovanej ocele s vysokou pevnosťou. Ich životnosť nebola dostačujúca. Zvýšenie životnosti sa dosiahlo tak, že na povrch valcov sa navaril materiál odolávajúci tvrdým podmienkam vo vnútri linky.

Realizáciou návaru z modifikovanej 12-percentnej chrómovej AISI 400 martenzitickej nehrdzavejúcej ocele v rokoch 1980 výrazne zvýšila životnosť valcov. Návar sa vyhotovil pod tavivom s relatívne lacným martenzitickým nehrdzavejúcim rúrkovým drôtom obsahujúcim približne 0,2 % C a 12 % Cr. Tým sa značne zvýšila životnosť valcov a tento typ sa stal najbežnejšie používaným návarom v oceliarňach v rokoch 1980 až 1990.

Ďalšie zlepšenie sa dosiahlo návarom typu AISI 420. Aj keď tento typ vykazuje značné zlepšenie životnosti, stále preukazuje neuspokojivé vlastnosti v navarenom kove a v prežíhanej teplom ovplyvnenej oblasti, kvôli vysokej tvrdosti a nízkej ťažnosti stredne uhlíkatého martenzitu, ktorý sa tvorí pri chladnutí. Predhrevom na teplotu min. 315 °C a pomalou rýchlosťou chladnutia sa vytvárajú podmienky potrebné na zabránenie vzniku krehkého lomu a minimalizovanie možnosti vzniku vodíkom indukovaných trhlín [2]. Pomalá rýchlosť chladnutia pomáha precipitácii karbidov M23C6 bohatých na chróm na hraniciach pôvodných austenitických zŕn alebo po hraniciach martenzitických latiek. Počas viavrstvového navárania, je veľmi ťažké zabrániť vzniku karbidov, zvlášť v teplom ovplyvnenej, alebo v medzihúsenicovej oblasti. Po naváraní by mal byť martenzit popustený, čo vedie k dodatočnej precipitácii karbidov. Precipitácia karbidov bohatých na chróm môže viesť k ochudobneniu okolitej matrice a k fenoménu scitlivenia. Scitlivená oblasť vykazuje zníženú odolnosť voči korózii a zvýšenú náchylnosť k vzniku jamkovej korózie a k iniciácii korózneho praskania pod napätím v prevádzke [2].

Ako alternatívu uhlíka na zvýšenie tvrdosti a tvorbu austenitu pri vzrastajúcich teplotách v oceliach s 12 % Cr, môže byť dusík dodaný do martenzitických nehrdzavejúcich ocelí použitých na naváranie. Zliatiny, obsahujúce dusík ako čiastočnú náhradu za uhlík, sa vyznačujú zvýšením mechanických vlastností (vrátane vyššej pevnosti, ťažnosti a húževnatosti) a veľmi zvyšujú popúšťaciu odolnosť. V týchto martenzitických oceliach sa precipitáty dusíka tvoria pri podstatne vyšších teplotách a sú aj jemnejšie ako karbidy; potláčajú rast zŕn a zvyšujú pevnosť. Precipitáty dusíka sa už nevyskytujú prednostne na hraniciach zŕn, ale sú rovnomerne rozložené v celej mikroštruktúre [1].

Príčiny poškodenia povrchu valcov

S cieľom optimalizácie chemického zloženia návaru a zvýšenia životnosti valcov na kontinuálne odlievanie ocele a pochopenia možného mechanizmu porušovania týchto valcov je potrebné analyzovať príčiny ich poškodenia. Valce sa môžu poškodzovať počas práce viacerými mechanizmami, alebo sa môžu poškodiť katastrofálnou poruchou (ako výsledok zlomenia čapu alebo zlomenia valca). Vo všeobecnosti je riziko katastrofálnej poruchy menšie u navarených valcov, preto je poškodenie ich povrchu primárnou príčinou poškodenia. Možné mechanizmy poškodenia povrchu valca sú zhodnotené detailnejšie v prácach [3, 4].

1. 1 Oxidácia, abrazívny a adhezívny oter

Oxidácia povrchu bramy spôsobená vodnou parou produkuje oxidy, ktoré spôsobujú abrazívny oter. Riziko opotrebovania a oxidačného poškodenia môže byť redukované tým, že návar bude mať vyšší obsah chrómu (viac ako 12 %), ktorý napomáha tvorbe stabilných oxidov na povrchu návaru, ktoré majú schopnosť sa spontánne regenerovať. Legovanie dusíkom je prospešné kvôli tvorbe stabilných dusíkom modifikovaných FeO.Cr2O3 spinelov na povrchu návarov valca, ktorý zabezpečí nižší koeficient trenia a lepšiu odolnosť proti ryhovaniu a adhezívnemu opotrebeniu [4].

1. 2 Teplotná a mechanická únava

Cyklické napätie v navarených vrstvách liacich valcov vedie k vzrastaniu únavových porušení počas prevádzky. Napätie môže byť mechanické, spôsobené cyklickým zaťažením počas otáčania kvôli priechodu bramy alebo kvôli prehnutiu valca. Cyklické teplotné napätie vzniká v dôsledku tepelných zmien na povrchu valcov pri kontakte s horúcou bramou. Keďže valec sa otáča, nasleduje vodná sprcha, ktorá zníži teplotu povrchu. Vplyvom únavy vzniká sieť jemných teplotne únavových trhlín, ktorá sa môže rozvíjať, a je hlavnou príčinou úbytku materiálu valcov. Teplotne únavové trhliny môžu byť minimalizované v prípade, že návar má na povrchu valca nízky koeficient tepelnej rozťažnosti a vysokú tepelnú vodivosť. Sieť únavových trhlín je vidieť na obr. 2.

1. 3 Lokálna korózia

Lokálna jamková a štrbinová korózia vzniká ako výsledok agresívneho kyslého prostredia vo vnútri linky. Je dôsledkom používania pitnej chlórovanej vody na chladenie valcov. Príprava a použitie demineralizovanej vody by bolo príliš drahé a energeticky náročnejšie. Povrchové rozpúšťanie ocele pri chladnutí môže byť urýchlené povrchovými nerovnomernosťami (chybami), podporované progresívnym okyslením z prostredia, prebiehajúcim podľa rovníc (1) a (2). Vysoký obsah chrómu, molybdénu a dusíka zvyšuje odolnosť proti miestnej korózii.

1. 4 Medzihúsenicová korózia

Viacvrstvové naváranie a pomalé chladnutie po naváraní napomáha precipitácii karbidov bohatých na chróm M23C6 po hraniciach pôvodných austenitických zŕn, alebo na hraniciach latkového martenzitu. Vzniku týchto karbidov je veľmi ťažké zabrániť, zvlášť v teplom ovplyvnenej oblasti a v oblasti medzi húsenicami. Výsledné ochudobnenie chrómu v okolitej matrici môže zvýšiť citlivosť a prednostné korózne napadnutie oblastí ochudobnených o chróm. Zníženie obsahu uhlíka, rovnako ako zvýšenie obsahu chrómu a dusíka, spomaľujú korózne napadnutie.

1. 5 Praskanie v dôsledku korózie pod napätím

Jednou z hlavných príčin poruchy liacich valcov je iniciácia trhliny ako výsledok prítomnosti jamkovej a štrbinovej korózie, najmä v prežíhanej a medzihúsenicovej oblasti. Tieto oblasti môžu byť scitlivené tepelnými cyklami od navárania a sú často náchylné na ochudobnenie o chróm a interkryštálové napadnutie. Akonáhle tento proces začne, trhliny sa môžu šíriť pod vplyvom aplikovaného ťahového napätia, ktoré poškodí pasivačný film na konci trhliny [4] Na obr. 3 je vidieť korózne praskanie vplyvom napätia pozdĺž hraníc pôvodných austenitických zŕn.

1. 6 Liace tavivo indukuje koróziu

Chladiaca voda používaná na chladenie valcov linky obsahuje kyselinu fluorovodíkovú, ktorá vzniká ako výsledok reakcie vodnej pary a liacieho taviva – prášku, ktorý oddeľuje tekutý kov od medeného kryštalizátora. Táto reakcia prebieha podľa rovníc (3) a (4) takto:

 

 

 

 

Vznik kyseliny fluorovodíkovej znižuje pH chladiacej vody a vytvára nebezpečné korózne prostredie v kontakte s povrchom valca. V extrémnych prípadoch môže pH dosahovať hodnoty 3,2.

Požiadavky na návar na renováciu liacich valcov

Najdôležitejšie požiadavky na návar na povrchu valcov na kontinuálne odlievanie ocele možno zhrnúť do týchto bodov:

-          Odolnosť proti oxidácii za vysokých teplôt.

-          Odolnosť proti lokálnej jamkovej a štrbinovej korózii.

-          Maximálna odolnosť proti koróznemu praskaniu pod napätím a koróznej únave.

-          Optimálna výška popúšťacej teploty na zabránenie mäknutia počas prevádzky.

-          Odolnosť proti teplotnej a mechanickej únave.

-          Vysoká tepelná vodivosť.

-          Nízky koeficient teplotnej rozťažnosti.

-          Vysoká tvrdosť a odolnosť proti abrazívnemu a adhezívnemu opotrebeniu.

-          Vysoká pevnosť a húževnatosť.

-          Dobrá zvariteľnosť.

-          Nízka cena.

S cieľom dosiahnutia požadovanej tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti oteru a koróznej odolnosti na túto aplikáciu, sú preferované nehrdzavejúce ocele s martenzitickou mikroštruktúrou. Martenzitická štruktúra zabezpečuje vysokú tvrdosť, pevnosť a odolnosť proti oteru, rovnako ako nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (preto zvyšuje odolnosť proti teplotnej únave). Minimum 12 % chrómu poskytuje dostatočnú koróznu odolnosť a zvyšuje teplotu odolnosti proti oxidácii. Chemické zloženie by malo byť nastavené tak, aby sa garantoval minimálny zvyškový austenit na zvýšenie odolnosti proti teplotnej únave a obsah delta feritu menší ako 9 %. Prítomnosť delta feritu redukuje tvrdosť a pevnosť návaru, ale malé množstvo delta feritu môže zvýšiť obrobiteľnosť po naváraní. Pridanie riadeného množstva niklu a molybdénu zlepšuje vlastnosti pri vysokých teplotách. Nikel zvyšuje aj húževnatosť návaru, zatiaľ čo molybdén zvyšuje odolnosť proti miestnej korózii. Ďalšie zlepšenie môže byť dosiahnuté substitúciou časti uhlíka bežne dodávaného do martenzitických ocelí, dusíkom. Dusíkom dolegovaná 12 % chrómová martenzitická nehrdzavejúca oceľ preukazuje rýchlejšiu kinetiku repasivácie a jemnú homogénnu distribúciu precipitátov nitridu, ktoré potláčajú rast zrna, zvyšujú stabilitu a pasivačnú schopnosť oxidického filmu [1]. Tieto výsledky zvyšujú oxidačnú a koróznu odolnosť, prinášajú vyššiu pevnosť, zvyšujú húževnatosť, zlepšujú tepelnú odolnosť, zvyšujú odolnosť proti tepelnej a termomechanickej únave. Tieto zlepšené vlastnosti značne znižujú materiálové straty počas prevádzky.

Technológia navárania

Pracovné povrchy valcov možno navárať pod tavivom plnenými drôtmi, plnými drôtmi, pásovými elektródami a taktiež vo vlastnej ochrane plnenými drôtmi.

Naši partneri uprednostňujú z ekologických dôvodov naváranie pod tavivom, preto sa ďalej rozíjame len metódu pod tavivom. Pri naváraní s pásovými elektródami pod tavivom vzhľadom na ich geometrický tvar, horí oblúk nepravidelne po celej šírke pásovej elektródy, t. j. jeho energia nie je taká koncentrovaná, čo spôsobuje menšiu hĺbku závaru a tiež väčšiu šírku navarenej húsenice v porovnaní s plnenými elektródami. Menšia hĺbka závaru spôsobuje, že pri bočnom prekrytí húseníc vzhľadom na menší dynamický účinok oblúka zostávajú zatavené čiastočky trosky, ktoré sú zárodkami vzniku trhliniek a v niektorých prípadoch sa zhorší súdržnosť návaru so základným materiálom. Rozsah chemického zloženia vyrábaných pásových elektród je malý a nepokrýva požiadavky na chemické zloženie návarov valcov. Z uvedeného dôvodu sme odstúpili od navárania pásovými elektródami a rozhodli sme sa len pre plnené drôty. Návary vyhotovené plnenými drôtmi majú dostatočnú hĺbku závaru, nevyskytujú sa v nich zvyšky trosky v mieste bočného prekrytia. Tavivo pre naváranie musí zabezpečovať stabilitu procesu navárania, formovať navarený kov do húsenice, priaznivo metalurgicky vplývať na navarený kov [5]. V súčasnej dobe sa väčšinou používajú na naváranie aglomerované tavivá, ktoré spĺňajú požiadavky. U nás sa používajú tavené tavivá, ktoré okrem toho, že spĺňajú požiadavky, majú oproti aglomerovaným tavivám veľkú výhodu v nízkej navĺhavosti, čo je z hľadiska zabránenia vzniku vodíkom indukovaných trhlín veľmi podstatné. Na obr. 4 je vidieť vplyv navĺhavosti taviva na obsah difúzneho vodíka v závislosti od času.

Prax v závode na výrobu ocele v Anshane

V rámci projektu spolupráce medzi Čínskou ľudovou republikou a Slovenskou republikou sme navštívili oceliareň v meste Anshan, ktorá je druhou najväčšou oceliarňou v Číne. V rámci projektu sme vyhotovili návary pod tavivom na valcoch na kontinuálne odlievanie ocele so zváracími materiálmi VÚZ PI – SR. Súčasná výrobná procedúra na renováciu valcov pozostáva z prípravy telesa valca. Pred naváraním sú odstránené všetky existujúce defekty mechanickým obrábaním. Vykovaný základný materiál valcov je typická nizkolegovaná oceľ obsahujúca požadované množstvo Cr, Ni, Mo a V. Valec pripravený na renováciu naváraním je znázornený na obr. 5.

Postup renovácie je nasledovný: Na základný materiál sa navarí jedna (prechodová) vrstva plneným drôtom RD 535 pod tavivom. Plnený drôt obsahuje 17 % Cr, po premiešaní so základným materiálom sa dosiahne chemické zloženie návaru 13 % Cr, čo je optimálne zloženie podkladu. Nízkouhlíkatá prechodová vrstva s bainitickou štruktúrou zabezpečuje výbornú húževnatosť a vysokú pevnosť. Pracovná vrstva sa navára minimálne v dvoch vrstvách na podkladovú vrstvu plneným drôtom RD 527 pod tavivom. Priebeh navárania drôtom RD 527 pod tavivom F 56 znázorňuje obr. 6.

Chemické zloženie návaru je koncipované tak, aby sa dosiahla martenzitická štruktúra s nízkym obsahom uhlíka a dusíka s požadovanou tvrdosťou, odolnosťou proti abrázii a erózii s dostatočnou odolnosťou proti oxidácii a s optimálnou odolnosťou proti korózii. Typické chemické zloženie čistého zvarového kovu v tretej vrstve je uvedené v tab. 1. Tvrdosť zvarového kovu je 45 HRC.

Naváralo sa jedným drôtom pod neutrálnym tavivom do špirály (obr. 6). Teplota predhrevu bola 230 °C a maximum interpass teplota bola 350 °C. Naváranie sa vykonávalo nad teplotou Ms (martenzit start) kvôli zabráneniu vzniku krehkého lomu minimalizujúc riziko vzniku vodíkom indukovaných trhlín. Kvalitu povrchu navarenej vrstvy je znázornená na obr. 7. Po navarení pracovných vrstiev sa valce žíhajú na odstránenie napätí.

Záver

- Dusíkom legovaná 12-percentná chróm-martenzitická nehrdzavejúca oceľ poskytuje unikátnu kombináciu vysokej tvrdosti, odolnosti proti opotrebeniu, odolnosti proti oxidácii pri vysokých teplotách, odolnosti proti korózii a odolnosti proti teplotnej a mechanickej únave. Táto kombinácia vlastností predurčuje tento materiál na renováciu valcov pre kontinuálne odlievanie ocele.

- Čiastočne nahradený uhlík dusíkom redukuje citlivosť 12-percentnej chrómovej martenzitickej nehrdzavejúcej ocele na medzihúsenicovú koróziu spôsobenú scitlivením. Nízkouhlíkatý martenzit, ktorý sa tvorí v týchto návaroch, redukuje tendenciu k precipitácii karbidov bohatých na chróm počas chladnutia.

- Vlastnosti dusíkom vylepšeného návaru vyhotoveného s RD 527 v stave po navarení vyhovuje požiadavkám minimálneho obsahu zvyškového austenitu a δ feritu, a limitovanej precipitácie karbidov typu M23C6. Tvrdosť v stave po navarení je vyhovujúca.

- Navarené a opracované valce boli pripravené na prevádzkové skúšky v oceliarni. Je predpoklad, že po týchto časovo náročných skúškach poskytnú nové informácie o správaní sa návarov v takýchto podmienkach.

 

TEXT/FOTO Dr. prof. D. Bing ; Ch. Zhiguo; J. Wen; L. Jianwei; X. Kegui, Harbin Welding Institute, Čína; Ing. D. Šefčík; Ing. P. Brziak PhD., Výskumný ústav zváračský – Priemyselný inštitút, Bratislava

Článok recenzoval:

Ing. Tibor Zajíc, VÚZ – PI SR, Bratislava

 

Poznámka

Táto publikácia vznikla vďaka podpore Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV) pre projekt: Výskum a vývoj ekologických prídavných materiálov pre opravy poškodených komponentov vo výrobnom priemysle, identifikačné číslo projektu: SK-CN-0037-12

 

Literatúra:

[1] Stekly, J. J., and Atamert, S.: Nitrogen bearing 400 series alloys for cladding continuous casting rolls. Proceedings of the 36th Mechanical Working and Steel Processing Conference. Baltimore, Maryland, USA, pp. 79 – 86, 1994

[2] Kotecki, D. J.: Alloy recovery in 12 % chromium continuous caster roll welding. Welding Journal 73, pp. 16. – 23, 1994

[3] Loosen, B.: Surfacing continuous casting rollers. Svetsaren 50, pp. 29 – 31, 1995

[4] Stekly, J. J.: Developing hardfacing for the 1990s and beyond. Welding and Metal Fabrication 66: pp. 17 – 20, 1998

[5] Čomaj, M.; Šefčík, D.; Mihalkovič, K.: Problematika navárania valcov ZPO treťou generáciou návarových materiálov. Podklady VSŽ Košice a VÚZ Bratislava k jednaniam, 1996