Analysis of the wire rod cooling along a Stelmor conveyor : influence of the process parameters on the mechanical and microstructural properties

The wire rod cooling on the Stelmor conveyor is affected by a not uniform mass distribution along the conveyor transversal direction, leading to not homogeneous cooling conditions and final mechanical properties. This problem, particularly marked for steel grades subjected to forced air cooling, has been investigated through extensive plant measurements and laboratory tests and solved through a plant modification. Particular attention is paid to two eutectoid steel grades, characterized by a fully pearlitic microstructure. For these steel grades, a lumped parameter model is developed to predict the thermal behaviour of the material along the Stelmor and to estimate the final mechanical properties. The model, starting from the process parameters, estimates the cooling curves of the material in each position of the conveyor, including the austenite-pearlite phase transformation kinetics and the related starting temperature. A key variable for the analysis is the determination of the air velocity distribution provided by each working fan, obtained through a CFD simulation and confirmed by on plant measurements. A second part of this work is focused on other two steel grades (%C ranging between 0.24 and 0.30), subjected to cooling under insulating hoods. In particular, the influence of the temperature in the last steps of the rolling process on the final material properties is deeply investigated through metallurgical analysis and laboratory tests for both conventional and thermo-mechanical rolling. From the results of the laboratory tests and the metallurgical analysis, a regression is developed to relate the mechanical properties and the microstructures. One of the problems that occasionally affects these steels is the presence of pearlitic clusters close to the wire rod surface: for this reason, a finite element analysis is performed on three stands of the mill to evaluate how the material deforms in the different steps of the rolling process.

Il raffreddamento di vergella mediante sistema Stelmor è caratterizzato da una distribuzione di massa non uniforme lungo la direzione trasversale del tappeto, comportando condizioni di raffreddamento e proprietà meccaniche non omogenee. Questo problema, particolarmente rilevante per acciai soggetti a un raffreddamento ad aria forzata, è stato analizzato attraverso acquisizioni sul campo e prove di laboratorio e risolto attraverso una modifica impiantistica. Particolare attenzione è stata posta su due acciai eutettoidici, caratterizzati da una microstruttura completamente perlitica. Per questi acciai è stato sviluppato un modello a parametri concentrati in grado di predire il comportamento termico del materiale lungo il tappeto Stelmor e di stimare le proprietà meccaniche finali. Il modello, partendo dai parametri di processo, permette di simulare le curve di raffreddamento in ogni posizione del tappeto, includendo nell’analisi la cinetica della trasformazione di fase austenite-perlite e la relativa temperatura di partenza. Una variabile fondamentale per le analisi è la conoscenza dei profili di velocità dell’aria generati da ogni ventilatore, ottenuti attraverso simulazioni fluidodinamiche e confermati con acquisizioni sul campo. La seconda parte di questo lavoro è focalizzata su altri due acciai con tenore di carbonio compreso tra 0.24% e 0.30%, soggetti a un raffreddamento sotto cappe coibentate. Per questi acciai, l’influenza della temperatura negli ultimi passi di laminazione sulle proprietà meccaniche è stata ampiamente studiata attraverso analisi metallografiche e prove di laboratorio, considerando gli effetti sia della laminazione convenzionale che termo-meccanica. Dai risultati delle prove di laboratorio e delle analisi metallografiche è stato possibile sviluppare una regressione che permetta di legare le proprietà meccaniche alla microstruttura. Uno dei problemi che talvolta si riscontra per questi acciai è la presenza di agglomerati perlitici in prossimità della superficie del filo: per questo motivo, un’ analisi ad elementi finiti è stata effettuata su tre gabbie di laminazione per valutare come il materiale deforma nei diversi passi del processo.