Zlepšení životnosti pracovního válce pomocí simulace mikrostruktury materiálu

IMPROVEMENT OF WORK ROLL SERVICE LIFE BY MICROSTRUCTURE SIMULATION

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

en

The work roll surface in hot rolling mills suffers combined heat and mechanical load. The surface degradation leads to the formation of crack networks. The current research describes a thermal fatigue similar to the governing degradation mechanism, which causes the cracks formation perpendicular to surface. This paper describes the additional effect of cyclic thermal loads – the cause of parallel-to-surface cracks formation within long and thin carbides which is prone to forming inside HiCr steel. The cracks formation is investigated by both a thermal and a structure FEA. These analyses are conducted with a special finite element model which has a steel microstructure. The model is exposed to a thermal load at the end of the rolling gap. The result – the heterogeneous thermal field is applied like a BC for the structure analysis. The results are presented by a histogram of relative frequency of the first principal stress value, for each microstructure portion separately. The distribution of the first principal stress within the matrix shows a compressive stress state, which was anticipated. The distribution of the first principal stress within the carbide portion shows a tensile stress state, which was unexpected. This unexpected behavior is explained by a different thermal expansion coefficient of each portion of the microstructure. The matrix with a higher thermal expansion coefficient expands more rapidly than carbides which are pressed from a surrounding matrix which forces them to lengthen, and which, in turn, cause tensile stress within carbides. Based on the comparison with a microstructure typical to HiCr iron, the recommendation for a more durable and resistant microstructure structure are stated and explained.

Povrch pracovního válce v teplých válcovnách je vystaven kombinovanému tepelně-mechanickému zatížení. Degradace povrchu vede k vytváření sítě trhlin. Současný výzkum popisuje tepelnou únavu jako hlavní degradační mechanismus, který způsobuje formování trhlin kolmých k povrchu. Tato práce popisuje další efekt cyklického tepelného namáhání – vznik trhlin, které jsou rovnoběžné k povrchu a které vznikají v dlouhých, úzkých karbidech a to především u litiny s vysokých obsahem chromu. Vznik trhlin je vyšetřován pomocí tepelné a pevnostní konečně prvkové analýzy. Tyto analýzy jsou provedeny na speciálním konečněprvkovém modelu, který reprezentuje mikrostrukturu oceli. Model je vystaven teplotnímu zatížení na konci válcovací mezery. Výsledek tohoto zatížení – heterogenní teplotní pole je aplikováno jako okrajová podmínka do pevnostní analýzy. Výsledky jsou prezentovány pomocí histogramů relativní četností prvního hlavního napětí, pro každou složku zvlášť. Distribuce prvního hlavního napětí v matrici ukazuje tlakové režim napětí, který lze očekávat. Distribuce prvního hlavního napětí v karbidech ukazuje tahový stav napětí, což je překvapující. Toto nečekané chování je vysvětleno pomocí různého součinitele teplotní roztažnosti pro každou složku mikrostruktury. Matice s větším součinitelem teplotní roztažnosti expanduje rychleji než karbidy, které jsou stlačeny okolním matricí, která je nutí k prodlužování, což způsobuje tahová napětí v karbidech. V závěru práce jsou formulována doporučení pro zvýšení životnosti pracovního válce, která jsou vysvětlena na základě srovnání mikrostruktury vysoce chromované oceli a litiny.

The work roll surface in hot rolling mills suffers combined heat and mechanical load. The surface degradation leads to the formation of crack networks. The current research describes a thermal fatigue similar to the governing degradation mechanism, which causes the cracks formation perpendicular to surface. This paper describes the additional effect of cyclic thermal loads – the cause of parallel-to-surface cracks formation within long and thin carbides which is prone to forming inside HiCr steel. The cracks formation is investigated by both a thermal and a structure FEA. These analyses are conducted with a special finite element model which has a steel microstructure. The model is exposed to a thermal load at the end of the rolling gap. The result – the heterogeneous thermal field is applied like a BC for the structure analysis. The results are presented by a histogram of relative frequency of the first principal stress value, for each microstructure portion separately. The distribution of the first principal stress within the matrix shows a compressive stress state, which was anticipated. The distribution of the first principal stress within the carbide portion shows a tensile stress state, which was unexpected. This unexpected behavior is explained by a different thermal expansion coefficient of each portion of the microstructure. The matrix with a higher thermal expansion coefficient expands more rapidly than carbides which are pressed from a surrounding matrix which forces them to lengthen, and which, in turn, cause tensile stress within carbides. Based on the comparison with a microstructure typical to HiCr iron, the recommendation for a more durable and resistant microstructure structure are stated and explained.

Work rolls, hot rolling, microstructure, crack, formation, thermal fatigue

2014

21.05.2014

Tanger Ltd.

Ostrava

978-80-87294-54-3

METAL 2014, 23rd International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings

1–6

6