N Něěkktteerréé tteecchhnnoollooggiicckkoo –– m meettaalluurrggiicckkéé ssoouuvviisslloossttii nnaa eelleekkttrriicckkýýcchh iinndduukkččnníícchh ssttřřeeddooffrreekkvveennččnníícchh ppeeccíícchh ss kkyysseelloouu,, nneeuuttrráállnníí aa zzáássaaddiittoouu vvýýdduusskkoouu Čamek, L.1) , Jelen, L.2) 1)
VŠB – Technické univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra slévárenství, 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava, Česká republika 2) Vítkovice – výzkum a vývoj – technické aplikace s.r.o. Pohraniční 693/31, 706 02 Ostrava – Vítkovice, Česká republika
Úvod Pro výrobu nelegovaných a legovaných ocelových odlitků mají ve slévárnách a ostatních malých hutních provozech nezastupitelné místo elektrické indukční pece. Zvláště při nutném kontinuálním zajišťování taveniny, pro automatické formovací linky na výrobu odlitků nižší a střední hmotnosti, kde se obvykle předpokládá současná výroba oceli na dvou až třech pecích. Jsou všeobecně známé přednosti indukčních elektrických pecí (EIP) oproti agregátům elektrických obloukových pecí (EOP), zejména v oblasti zpracovacích nákladů na výrobu tekutého kovu a jejich dalším nárůstem s obsahem legujících prvků, variabilnější hmotností taveb, celkové doby tavby a dále v možnosti výroby speciálního sortimentu (např. některých korozivzdorných ocelí) atd. Tyto agregáty však vyžadují kvalitativně významně výše připravenou vsázku a to z pohledu kusovosti, chemického složení vsázkových surovin, znečistění nekovovými nečistotami a další.
Výdusky elektrických indukčních peci kelímkových Pracovní výdusky pecí středofrekvenčních kelímkových se zásadně připravují z kyselých, zásaditých nebo neutrálních dusacích hmot. Výdusky musí mít celistvý povrch, prostý spár nebo trhlin. Vznik spáry nebo trhliny znamená možnost zatečení kovem, který je dále přehříván indukovanými proudy a může nastat šíření trhliny až k induktoru. Proniknutí tekutého kovu k induktoru potom může způsobit závažnou poruchu a ohrožení bezpečnosti pracovníků. Ve slévárnách oceli se používají nejčastěji kyselé výdusky kelímků indukčních pecí. Základní surovinou pro zhotovování kyselých výdusek jsou mineralogicky stabilizované vysokoteplotní modifikace oxidu křemičitého, tridymit a cristobalit. Žáruvzdornost těchto křemenných drtí závisí zejména na jejich čistotě. Nejvíce bývá mezi nečistotami zastoupen oxid hlinitý, ale zvláště významně snižuje teplotu tavení oxidu křemičitého oxid železnatý.
Obr. 1 Rovnovážný diagram soustavy Si02 – FeO
Na obr. 1 jsou znázorněno, že eutektikum s oxidem železnatým se taví již při teplotě nižší než 1200 °C. Strusky s vysokým obsahem oxidu železnatého jsou proto příčinou rychlého odtavování kyselých vyzdívek. Následuje celá řada dalších vlastností materiálu a technologických postupů (sintrace atp.), které ovlivňují celkovou trvanlivost výdusky kelímku. Životnost kyselého kelímku je obvykle kolem 30 taveb a závisí především na sortimentu tavených ocelí. Na kyselých výduskách je možné vyrábět prakticky všechny typy běžných korozivzdorných ocelí. Pouze oceli s vysokým obsahem manganu (austenitické otěruvzdorné oceli) je nutné tavit na jiném typu výdusky [1]. Charakter výdusky má vliv na vlastnosti oceli. Na kyselých materiálech se nedosahuje houževnatosti jako například na zásaditých obloukových pecích [3]. Přesto je ocel tavená na indukčních pecích s kyselou výduskou vhodná pro většinu vyráběných odlitků a pro svoje ekonomické výhody je kyselá výduska v indukčních pecích v současnosti ve slévárnách nejvíce rozšířena. Používání zásaditých a vysocehlinitanových (korundových, neutrálních) dusacích hmot má svoje technologicko – metalurgické důvody. Výroba zásaditých dusacích hmot je většinou na bázi oxidu hořečnatého. Tyto výdusky vytvářejí v důsledku svojí tepelné dilatace během provozu na povrchu trhliny, které se postupně rozšiřují. Přísadou korundu do magnezitových dusacích hmot snížíme teplotu tavení výdusky, ale zvýšíme odolnost výdusky k praskání. Rovnovážný diagram soustavy MgO – Al2O3 je znázorněn na obr. 2. Spinel MgO.Al2O3 (MA), který je vytvořen magnezitem a korundem, jeho teplota tavení je vyšší než 2000 °C [4].
Obr. 2 Rovnovážný binární diagram MgO - Al2O3
Magnezitové výdusky obsahují nejčastěji 10 - 25 % Al2O3 korundu a vysoce hlinitanové obsahují často kolem 15 % MgO. Teplota tavení je u vysocehlinitanových výdusek nižší než u magnezitových ale jejich odolnost proti vzniku trhlin je nižší.
Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselých výduskách EIP Způsob výroby oceli nelze vést obdobným způsobem jako na EOP, zdárný průběh jednotlivých výrobních fází metalurgických reakcí vyžaduje strusku tekutou, aktivní, určité teploty s požadovaným chemickým složením.V případě indukčních pecí je struska chladnější než kov a je neaktivní (krycí). Některé strusky, zejména oxidační působí rychlou korozi výdusky, a proto není jejich použití možné. Strusky na kyselých EIP jsou tvořeny především oxidy křemíku a železa. Vzhledem k charakteru typu vyzdívky se doporučuje udržovat obsah křemíku v lázni kolem 0,3 % na zajištění redukce vznikajících oxidů. Křemík potom při nižších teplotách udržuje aktivitu kyslíku v oceli i ve
strusce. S nárůstem teploty roste dezoxidační schopnost uhlíku a po překročení rovnovážné teploty nastává uhlíková reakce. Krycí strusku s obsahem oxidu železa je potom nutné průběžně stahovat. EIP jsou s ohledem na nízký propal všech prvků nejekonomičtějším tavicím agregátem. Při daném typu vyzdívky je výše propalu dána složením oceli a strusky.
Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselých výduskách EIP Nejčastěji vyráběné korozivzdorné a žárovzdorné oceli, kde zejména u korozivzdorných ocelí se uplatňuje trend požadavků na nižší obsahy uhlíku nižší než 0,070 % (prakticky je možné dosáhnout nižší 0,03 % C). Mezi taveninou s vysokým obsahem chrómu a kyselou výduskou dochází k reakci [4]: 3(SiO 2 ) + 4[Cr ] = 2(Cr2 O 3 ) + 3[Si ]
ΔG o = 142 960 + 32,45T
Obr. 3 Rovnovážné obsahy chrómu a křemíku při tavení na EIP s kyselou výduskou
Na obr. 3 jsou znázorněny rovnovážné obsahy chrómu a křemíku při tavení na EIP s kyselou výduskou. Provozní výsledky potvrzují uvedené teoretické předpoklady [2]. Během tavení a udržování kovu na nižších teplotách obsahují tyto oceli obvykle přibližně 0,40% Si, proto k reakcím chrómu s kyselou výduskou nedochází. Obvyklé odpichové teploty jsou kolem 1600 °C. Při vyšších odpichových teplotách při výrobě těchto ocelí, je nutné počítat se zvyšováním obsahu křemíku v oceli. Proto je nutné řídit fázi ohřevu v závěrečné fázi před odpichem tak, aby po dosažení odpichové teploty bylo možné v nejkratším čase odlít tavbu do pánve. Propal chrómu v průběhu tavby při dodržování výše uvedených pravidel je potom ovlivňován zejména obsahem oxidů železa ve vsázce, kdy s rostoucím podílem oxidů železa roste i jeho propal [4].
Výroba oceli v EIP se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou Zásadité výdusky nazýváme materiály, které obsahují více než 50 % MgO a materiály s obsahem vyšším než 50 % Al2O3 a ostatním obsahem MgO nazýváme výdusky vysocehlinitanové. Výdusky jsou složeny z oxidů, které mají vyšší termodynamickou stabilitu než SiO2, proto můžeme říci, že reakce mezi výduskou a taveninou je zanedbatelná. Ocel vyrobená na těchto typech výdusek má po dezoxidaci v pánvi nižší aktivitu kyslíku, a proto je možné počítat s nižším propalem některých zásaditých prvků (např. Mn). Propal prvků (příkladně Mn a Si), závisí zejména na znečištění vsázky oxidy železa [4]. Na obr. 4 je pohled na vysocehlinitanovou výdusku v dnové části kelímku EIP v průběhu výrobní kampaně. Přes poměrně dobrý stav výdusky jsou v pracovní části korundové výdusky dílčí
povrchové trhliny, které je nutné v mezitavbovém časovém prostoru dotěsnit vhodnou opravárenskou hmotou. Tab. 1 a tab. 2 znázorňuje příklad základního chemického a granulometrické složení korundové výdusky a používané opravárenské hmoty pro horké i studené opravy. Teplota tavení při běžném provozu je pro tuto korundovou výdusku stanovena hranicí max. 1700 °C.
Obr. 4 Pohled na vysocehlinitanovou výdusku v dnové části kelímku EIP Oxidy Al2O3 MgO i 2 SiO
[%] 83,0 - 86,0 12,0 - 15,0
Fe2O3
min. min. max. max.
0,5
CaO
max.
0,5
Granulometrické složení
0,4
[%]
1 až 6 mm
43,0
0,06 až 1 mm
32,0
- 0,06 mm
25,0
Tab. 1 Základní chemické a granulometrické složení korundové výdusky Oxidy Al2O3 SiO2 Fe2O3 P2O5
[%] 69,0 - 74,0 20,0 - 26,0 max. 1,0 2,0 - 2,5
Tab. 2 Základní chemické složení opravárenské hmoty
Výsledky provozního využívání některých typů výdusek a jejich souvislosti s výrobní technologií Některé výrobní provozy (např. typu výzkumných ústavů) využívají na EIP jako univerzální výdusky korundové, pro možnost zpracování poměrně široké oblasti výrobního sortimentu. Zde většinou není konečný produkt odlitek, ale daný typ ingotu, který je dále určen pro další zpracování. Jsou to kupříkladu nástrojové oceli pro práci za tepla typu 56NiCrMoV7, nástrojové oceli pro práci za studena X100CrMoV5, speciální oceli pro jadernou energetiku, magneticky měkká ocel ČSN 19 991, ale také speciální slitiny NIMONIC 80 pro vložky kovadel atp. Například z pohledu vlivu na vysocehlinitanovou výdusku 350 kg EIP, kdy se předpokládá trvanlivost korundového kelímku kolem 40 taveb při výrobě nelegovaných a nízkolegovaných jakostí, potom příkladně po sérii tří zkušebních taveb modifikací typu ČSN 19552 s wolframem, dochází k výraznějšímu opotřebení korundové výdusky při průběhu zcela standardních technologicko-metalurgických postupů včetně propalů. Na povrchu neutrální výdusky jsou viditelné trhlinky, významněji je zvýrazněna strusková čára kelímku. Před každou následující tavbou musí být kelímek opraven speciálním tmelem dílčím způsobem. Celková trvanlivost se potom sníží většinou na 10-20 taveb, podle výchozího stavu výdusky kelímku [5]. Na obr. 5 a obr. 6 jsou pohledy na vysocehlinitanové kelímky EIP před studenou opravou a po studené opravě.
5hh
Obr. 5 Pohled na korundový kelímek EIP před studenou opravou
Obr. 6 Pohled na korundový kelímek EIP po studené opravě
Také použití vysokohlinitanové výdusky při výrobě speciálních slitin, např. NIMONIC 80 nepřináší dobré výsledky z pohledu trvanlivosti použitého keramického materiálu. Při výrobě slitiny s označením NIMONIC 80 na 2 t EIP byla před tavbou provedena dílčí úpravy stavu korundové výdusky. Stav neutrálního kelímku odpovídal standardu předchozích deseti taveb v kampani. Slitina vyrobená z kolem 50 % vratného materiálu s dosaženým chemických složením: C-0,03 %; Mn-0,3 %; Si-0,52 %; P,S-0,002 %; Ni-75 %; Cr-19,9 %; Ti-2,5 %; Fe-1,4 %; Al-1,0 % byla odpíchnuta do vyhřáté licí pánve při teplotě 1645 °C. Po následující tavbě musel být kelímek odstaven. Demontáž kelímku potvrdila výskyt slitků niklové slitiny do značné hloubky ve všech částech vysocehlinitanové výdusky.
Závěr Využívání kyselých výdusek je výhodné zejména ve slévárenských provozech při výrobě dlouhodobě stabilního sortimentu a při využívání všech předností technologicko-metalurgických postupů na kyselých výduskách středofrekvenčních EIP. Neutrální vyzdívky mají provozem ověřenou hranici možností v souladu s literárními teoretickými závěry, přetěžování jejich funkčních možností se stává ekonomicky ztrátové. Pro výrobu vysokolegovaných ocelí, případně speciálních slitin lze doporučit použití výdusek magnezitových, případně obohaceným oxidem Al2O3, i když údržba kelímku je technicky
náročnější a v důsledku tepelné dilatace vznikají na povrchu kelímku trhliny a následně je nutná údržba pomocí speciálních keramických hmot. Práce byla realizována za finanční podpory projektu TANDEM FT-TA3/091. Literatura
[1] [2] [3] [4] [5]
ŠENBERGER, J., STRÁNSKÝ, K., et al.: Metalurgie oceli, VUTIUM VUT Brno (v tisku) FREMUNT, P., ŠIMON, J.: Tavení oceli v elektrických pecích, SNTL, Praha 1984. LEVÍČEK, P., STRÁNSKÝ, K.: Metalurgické vady ocelových odlitků, SNTL, Praha 1984. ŠENBERGER, J.: Metalurgie oceli na odlitky, učební texty VUT Brno, ISBN 80-214-25091, Brno 2003. 149 s. ČAMEK, L.: Výzkum a vývoj moderní nástrojové oceli pro tvářecí stroje, Vítkovice-výzkum a vývoj-technické aplikace s.r.o. Dílčí zpráva za rok 2007. 26 s.
