Modelling and metallurgical analysis of hot rolled wire rod

The hot rolling of steel wire rod is affected by some problems that occur at different stages of the process. In the first step, the billets are heated inside an industrial furnace and are subjected to both oxidation and decarburization. Oxidation provokes the formation of a scale, which eventually detaches from the surface, causing a loss of material. Decarburization, instead, induces a decrease in the carbon content of the billet surface, leading to a change in the chemical composition and therefore in the final mechanical properties. A thermal model of the furnace, validated by plant measurements, has been developed to obtain the temperature trend of the billet and to apply the model of the two phenomena, present in literature. To predict the behaviour of oxidation, the knowledge of proper coefficients is required, hence experimental tests have been performed on two steel grades: CAL082K, characterised by an eutotectoid chemical composition with the addition of Chromium, and CAL26B, characterised by a low carbon content and alloyed with Boron. The predicted thicknesses of oxidation and decarburization on the billet are then compared with those measured on specimens from the plant and from the laboratory furnace. The second part of this work regards the analysis of the cooling of the wire rod at the end of the process. The cooling starts with the passage of the steel inside some water boxes, needed to regulate the temperature at the beginning of the Stelmor conveyor. Two configurations of the conveyor can be adopted: a fast cooling obtained with centrifugal fans and a slow cooling with insulating hoods. The main drawback of a Stelmor conveyor is the not uniform distribution of material in the transversal direction which leads to different cooling rates and therefore final mechanical properties. The cooling curves for CAL82K have been measured to evaluate the effect of the stacking of the material and to validate a thermal model of the cooling stage. The temperature trend of both materials can be predicted exploiting the model, since CAL26B requires a slow cooling and CAL082K a fast one. The oxide thickness on the final wire rod can also be computed adopting the same method presented in the first part.

La laminazione a caldo della vergella d'acciaio è affetta da alcuni problemi che si verificano in diverse fasi del processo. Inizialmente, le billette vengono riscaldate all'interno di un forno industriale e sono soggette sia ad ossidazione che a decarburazione. L'ossidazione provoca la formazione di una scaglia che si stacca dalla superficie causando una perdita di materiale. La decarburazione, invece, induce una diminuzione del contenuto di carbonio sulla superficie della billetta, portando ad un cambiamento nella composizione chimica e quindi nelle proprietà meccaniche finali. Un modello termico del forno, validato da misure sull'impianto, è stato sviluppato per ottenere l'andamento della temperatura della billetta e per applicare i modelli dei due fenomeni, presenti in letteratura. Per prevedere il comportamento dell'ossidazione, è necessaria la conoscenza di coefficienti specifici, quindi sono state eseguite delle prove sperimentali su due qualità di acciaio: CAL082K, caratterizzato da una composizione chimica eutettoidica con aggiunta di Cromo, e CAL26B, caratterizzato da un basso contenuto di carbonio e legato con Boro. Gli spessori di ossidazione e decarburazione calcolati sulla billetta vengono poi confrontati con quelli misurati su campioni provenienti dall'impianto e dal forno del laboratorio. La seconda parte di questo lavoro riguarda l'analisi del raffreddamento della vergella alla fine del processo. Questo inizia con il passaggio dell'acciaio all'interno di alcuni water box, necessari per regolare la temperatura all'inizio del tappeto Stelmor. Si possono adottare due configurazioni del tappeto: un raffreddamento veloce ottenuto con ventilatori e un raffreddamento lento con cappe isolanti. Lo svantaggio principale di un tappeto Stelmor è la distribuzione non uniforme del materiale nella direzione trasversale che porta a diverse velocità di raffreddamento e quindi a proprietà meccaniche non omogenee. Le curve di raffreddamento dell’acciao CAL82K sono state misurate per valutare l'effetto dell'ammatassamento del materiale e per convalidare un modello termico della fase di raffreddamento. L'andamento della temperatura di entrambi i materiali può essere previsto sfruttando il modello, poiché l’acciaio CAL26B richiede un raffreddamento lento e il CAL082K uno veloce. Infine, lo spessore di ossido sulla vergella prodotta può essere calcolato adottando lo stesso metodo presentato nella prima parte.