SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH ODLITKŮ studijní opora

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH ODLITKŮ studijní opora

Libor Čamek

Ostrava 2013

Recenzent: doc. Ing. Rudolf Kořený, CSc.

Název: Autor: Vydání: Počet stran:

Slévárenství ocelových odlitků doc. Ing. Libor Čamek, Ph.D. první, 2013 144

Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 © Libor Čamek © VŠB – Technická univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3358-3

Slévárenství ocelových odlitk

Obsah PREREKVIZITY 5 1. ÚVOD DO HISTORIE VÝROBY ŽELEZA AŽ DO SOU ASNOSTI. ZÁKLADNÍ PARAMETRY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ A ELEKTRICKÝCH INDUK NÍCH PECÍ. 6 1.1 Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli 7 1.2 Tavící agregáty ve slévárnách oceli 9 2. ZÁKLADY TERMODYNAMIKY OCELÁ SKÝCH POCHOD . ROZTOKY ROZTAVENÝCH KOV , NEKOV A PLYN V ŽELEZE. 14 2.1 Základy termodynamiky ocelá ských pochod 14 2.2 Roztoky roztavených kov , nekov a plyn . 19 3. NORMY A SORTIMENT OCELÍ NA ODLITKY. KONSTRUK NÍ OCELI NA ODLITKY. SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY KOROZIVZDORNÉ. SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY VZDORUJÍCÍ OPOT EBENÍ. 29 3.1 Normy a sortiment ocelí na odlitky 30 3.2 Konstruk ní oceli na odlitky 30 3.3 Korozivzdorné oceli 32 3.4 Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení 39 4. KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ OBLOUKOVÉ PECE (EOP). VYZDÍVKY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ. VÝVOJ TECHNOLOGIE EOP. 41 4.1 Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece 41 4.2 Vyzdívky elektrických obloukových pecí 44 4.3 Vývoj technologie EOP 47 5. VÝROBA NELEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V ZÁSADITÝCH EOP. PR H JEDNOTLIVÝCH TECHNOLOGICKO-METALURGICKÝCH FÁZÍ. PRAXE VEDENÍ TAVBY. 48 5.1 Technologie výroby nelegovaných ocelí 49 5.1.1 Oprava pece a sázení 1 49 5.1.2 Tavení vsázky 2 50 5.1.3 Oxida ní údobí 3 52 5.1.4 Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, reduk ní údobí) 4 55 5.2 Praxe vedení tavby 63 6. TECHNOLOGIE VÝROBY LEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V ZÁSADITÝCH EOP. FUNKCE HLAVNÍCH TERMODYNAMICKÝCH PODMÍNEK METALURGICKÝCH POCHOD . 66 6.1 Rozd lení ocelí na odlitky 66 6.2 Vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v zásadité elektrické obloukové peci 68 6.3 Výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité obloukové peci 71 6.4 Výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí na zásaditých obloukových pecích 72 6.4.1 Základy výroby korozivzdorných ocelí 73 6.4.2 Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod 73 7. INTENZIFIKACE VÝROBY OCELI V EOP. SOUDOBÉ VÝVOJOVÉ TRENDY VÝROBY OCELI V EOP. 79 3


7.1 Vývoj za ízení a technologie používané v elektrických obloukových pecích 80 7.2 Soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOP 82 7.2.1 Intenzifika ní opat ení na elektrických obloukových pecích 83 7.3 Intenzifikace výroby oceli ve slévárnách 87 8. VÝROBA OCELI V KYSELÝCH EOP. P EDNOSTI KYSELÝCH EOP OPROTI ZÁSADITÝM EOP. 89 8.1 Výroba oceli v kyselých obloukových pecích 89 8.2 Výrobní zp soby v kyselých obloukových pecích 90 8.2.1 Aktivní pochod 92 8.2.2 Pasivní pochod 93 8.3 P ednosti kyselých elektrických obloukových pecí 94 9. KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ INDUK NÍ PECE ST EDOFREKVEN NÍ (EIP). DUSACÍ ŽÁRUVZDORNÉ HMOTY EIP. PRAXE VEDENÍ TAVBY. 95 9.1 Výroba oceli na odlitky v elektrických induk ních pecích 95 9.2 Elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní 96 9.2.1 Konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní 97 9.3 Dusací žáruvzdorné hmoty EIP 98 9.4 Praxe vedení tavby 100 10. TECHNOLOGIE VÝROBY NELEGOVANÝCH A LEGOVANÝCH OCELÍ V EIP 104 10.1 Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce 104 10.2 Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce 106 10.3 Výroba oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou 107 11. DEZOXIDACE OCELI V LICÍ PÁNVI A ODLÉVÁNÍ. ZÁV RE NÁ DEZOXIDACE OCELI V PÁNVI A JEJÍ VLIV NA VLASTNOSTI OCELI. 109 11.1 Dezoxidace oceli v pánvi a odlévání 109 11.2 Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceli 111 12. MOŽNOSTI SEKUNDÁRNÍ METALURGIE VE SLÉVÁRNÁCH OCELI. POUŽITÍ JEDNOTLIVÝCH METOD A PRINCIPY JEDNOTLIVÝCH POSTUP SEKUNDÁRNÍ METALURGIE. 115 12.1 Metody sekundární metalurgie 116 12.2 Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgie 118 13. VADY OCELOVÝCH ODLITK . P INY VZNIKU JEDNOTLIVÝCH DRUH VAD A MOŽNOSTI JEJICH ODSTRAN NÍ. 127 13.1 Vady odlitk 127 13.2 P iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní 129 14. KTERÉ MOŽNOSTI VYUŽITÍ NÁKLADOVÉ ANALÝZY K ÍZENÍ VÝROBY OCELI. METODA ROZDÍLOVÉ KALKULACE, NEÚPLNÝCH VLASTNÍCH NÁKLAD . VYUŽITÍ NÁKLAD K ÍZENÍ VÝROBY. 133 14.1 Využití nákladové analýzy k ízení výroby 134 14.2 Kalkulace náklad 135 14.2.1 Metoda rozdílové kalkulace 136 14.2.2 Metoda neúplných vlastních náklad 137 14.3 Využití nákladových model k ízení výroby 140 14.4 Využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob 142 4


POKYNY KE STUDIU

Slévárenství ocelových odlitk Pro p edm t Slévárenství ocelových odlitk 3. semestru magisterského studijního oboru Moderní metalurgické technologie jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. Prerekvizity edm t nemá žádné prerekvizity. Cílem p edm tu a výstupy z u ení Cílem p edm tu je seznámení a p edání student m širší teoretické a praktické znalosti z technologie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukových pecích a v elektrických induk ních st edofrekven ních pecích. Seznámit studenty s možnostmi zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie, p inami vzniku jednotlivých druh vad ocelových odlitk a možnostmi využití nákladové analýzy k ízení výroby. Po prostudování p edm tu by m l student být schopen: výstupy znalostí: - student bude um t charakterizovat technologii výroby oceli na odlitky v elektrických pecích obloukových a induk ních st edofrekven ních pecích - student bude um t vysv tlit význam zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie a základní p iny vzniku jednotlivých druh slévárenských vad výstupy dovedností: - student bude um t využít svých znalostí k rozhodnutí o vhodnosti technologických a metalurgických postup p i výrob oceli na odlitky - student bude um t použít své teoretické poznatky k návrh m úprav technologie výroby oceli na odlitky ve slévárenské praxi Pro koho je p edm t ur en edm t je za azen do magisterského studia obor programu Moderní metalurgické technologie.

Metalurgické technologie, studijního

Studijní opora se d lí na ásti, kapitoly, které odpovídají logickému d lení studované látky, ale nejsou stejn obsáhlé. P edpokládaná doba ke studiu kapitoly se m že výrazn lišit, proto jsou velké kapitoly d leny dále na íslované podkapitoly a t m odpovídá níže popsaná struktura.

5


i studiu každé kapitoly doporu ujeme následující postup student si vymezí asový prostor pro studium, student se seznámí s textem cíle kapitoly, student pozorn prostuduje celý text kapitoly, podle získaných v domostí si student ujasní shrnutí pojm z kapitoly, svoje v domosti ze studia kapitoly použije p i nácviku odpov dí na otázky, p ípadn podle pot eby opakuje studium výkladu. Zp sob komunikace s vyu ujícími: Základním úkolem student bude vypracování semestrálního projektu na zadané téma - z oblasti technologie a metalurgie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukových pecích a induk ních st edofrekven ních pecích, - posouzení významu zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie a p iny vzniku jednotlivých druh vad ocelových odlitk a možnosti jejich odstran ní. Projekt bude kontrolován vyu ujícím do 14 dn po odevzdání a výsledky budou student m zaslány e-mailem prost ednictvím IS. Absolvování zápo tového testu - výsledky zápo tového testu budou student m sd leny po jeho absolvování. Na za átku semestru p i prvním kontaktu se studenty budou jednotlivé okruhy požadavk na studenty up esn ny, v etn možností a zp sob konzultací student a p ípadn jejich dalších návrh a pot eb. Kontakt - garant p edm tu – [email protected] – tel. 596 994 205, 606 749 207

1.

Úvod do historie výroby železa až do sou asnosti. Základní parametry elektrických obloukových pecí a elektrických induk ních pecí. as ke studiu: 100 minut Cíl

Po prostudování této kapitoly

seznámíte se s historií vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli ujasníte si postupný vývoj hutních provoz až do sou asnosti budete znát základy výroby železa pochopíte ú el a funkci tavících agregát ve slévárnách oceli budete seznámeni se základními charakteristikami jednotlivých ástí elektrické obloukové pece a induk ní pece pochopíte funkci technologického a informa ního toku p i výrob a odlévání oceli 6


Výklad 1.1 Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli Vývoj výroby oceli probíhal po celá staletí a empirické poznatky byly p edávány z generace na generaci. V první polovin minulého století byly formulovány fyzikáln chemické základy výroby oceli. Výroba oceli p estala být závislá na empirii a je vybudována na v deckých základech. V odborné eské literatu e shrnul tyto poznatky prof. T. Myslivec v knize Fyzikáln chemické základy ocelá ství, takto vznikla u ebnice pro n kolik generací eských a slovenských metalurg . U sou asné generace metalurg nelze o ekávat pouze znalost zd ných technologii, ale schopnost tv ím zp sobem využívat fyzikáln chemické zákonitosti výroby oceli a jejich aplikace do výroby. Zde však platí, že nedosta uje obecná matematická formulace p írodních zákon , pokud chybí schopnost jejich použití v praxi. Postupný vývoj hutních provoz ibližn až do šedesátých let minulého století byly ve slévárnách oceli a hutních závodech pro výrobu oceli na odlitky i k odlévání ingot používány podobné technologie a podobná za ízení. V následujících desetiletích byly zavedeny do velkých hutních podnik technologie zvyšující výrazn výrobnost jednotlivých agregát . Investi ní náklady na taková za ízení jsou vysoké a jejich návratnost je možná pouze p i vysoké produktivit hutní ocelárny. Výroba ocelových odlitk v posledních desetiletích stagnuje. Výrobní kapacity jsou dnes velmi rozdílné, slévárny vyrábí obvykle kolem desítky tisíc tun a hutní ocelárny v ádech až miliony tun. V hutních ocelárnách se dnes vyrábí ocel v kyslíkových konvertorech a intenzifikovaných elektrických obloukových pecích s následujícím zpracováním oceli na za ízení sekundární metalurgie. Výrobní agregáty konvertory a obloukové pece jsou využívány pouze jako tavicí za ízení, ve kterém se ocel p edevším oduhli í, odfosfo í a oh eje na p edepsanou teplotu. Další pot ebné výrobní operace, které jsou d ležité pro ízení jakosti oceli, se provád jí v za ízeních sekundární metalurgie. Sv tová ro ní výroba oceli ur ená ke tvá ení z plynule odlévané a ingotové oceli, v sou asné dob dosahuje kolem 1,7 miliardy tun, ro ní výroba oceli na odlitky p edstavuje kolem 6 milion tun. V eské republice se ro vyráb lo p ed rokem 1989 více než 300 tis. tun ocelových odlitk . V roce 2010 se pohybovala výroba ocelových odlitk kolem 115 tis. tun. Ocelové odlitky se vyrábí v eské republice ve více než 20 slévárnách (mimo slévárny p esného lití). Ve slévárnách slouží k výrob oceli elektrické obloukové a induk ní pece. Tavicí kapacita není obvykle pln využívána a komplexní intenzifika ní opat ení na obloukových pecích jsou k dispozici jen v nejv tších slévárnách. Požadovaná jakost taveniny je ve v tšin p ípad dosahována p i výrob v elektrické obloukové peci.

7


Stru ná historie výroby železa K redukci oxid železa posta uje teplota 700 °C. S rostoucí teplotou roste nauhli ení redukovaného železa a p i teplotách nad 1200 °C je produktem reduk ních pecí surové železo. Nízká teplota redukce umožnila výrobu železa v r zných primitivních pecích již u prvních civilizací. Archeologickým výzkumem byly na našem území odkryty pece na výrobu oceli z doby brzy po p íchodu Slovan . Tyto pece byly nazvány dýma ky nebo také „vl í” pece. Dýma ky byly šachtové pece o výšce 1 až 2 m vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých se redukovaly z ejm velmi isté železné rudy p i teplotách 700 až 1200 °C. Vyredukovaná železná houba se sva ovala ková ským zp sobem v dejl, který již sloužil k výrobn železných p edm . Pochod je doložen archeologickými nálezy z doby p ed 4000 lety. Požadavek na zvýšení výroby v šachtových pecích vedl k jejich zv tšování a k dmýchání vzduchu do pecí, tzv. v tru. V 16. století se staví první vysoké pece vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých se v d sledku vyšších teplot vyráb lo surové železo. Surové železo se dále zkuj ovalo ve „fryšovacích“ výhních za p ísady okují a železných rud. Zvýšení produktivity zkuj ování surového železa p inesly koncem 18. století pudlovací pece vytáp né erným uhlím. Jednalo se v podstat o plamenné pece, kde se z d vodu nedostatku ev ného uhlí za alo používat uhlí erného. Teplota dosahovaná v níst ji pudlovací pece byla však ješt nedostate ná pro roztavení oceli. V pr hu oxidace manganu, k emíku a posléze i uhlíku se zvyšovala teplota tavení roztaveného kovu, ímž se za ala vylu ovat polotuhá zrna kujného železa. Produktem z pudlovací pece tedy byla op t železná houba, která se ješt v peci upravovala na kulovité „dejly“. Tyto se po rozpálení do bílého žáru vytahovaly z pece a kováním na lisech nebo bucharech se z nich vyt ovala struska. Sou asn s vyt ováním strusky docházelo v d sledku silného tlaku ke sva ování železa. Spot eba paliva inila 80 až 90 % z hmotnosti vyráb ného kovu a propal železa dosahoval 12 až 15 %.

Obr. 1 Koksová vysoká pec

V následujícím 19. století se za íná používat ve vysokých pecích jako palivo koks. První koksová vysoká pec byla uvedena do provozu ve Vítkovicích v roce 1836. Koksové vysoké pece byly již agregáty s velkým výkonem. Obr. . 1 znázor uje základní profil vysoké pece Lurmannovy konstrukce z druhé poloviny 19. století. Moderní technologii ve zkuj ování p ináší vynález Bessemerova konvertoru v roce 1855. 8


Další vývoj sm oval k nové výrobní technologii v Siemens-Martinských pecích, která byla uvedena do provozu v roce 1864. Vysokých teplot plamene se dosahovalo p edeh evem vzduchu i topného plynu v regenera ních komorách. Na obr. . 2 je znázorn no schéma Siemens-Martinské pece. Následn v roce 1878 uvádí Thomas do provozu zásaditou vyzdívku pro konvertory a zkuj ování oceli pod zásaditou struskou na bázi oxidu vápenatého.

Obr. 2 Schéma Siemens-Martinské pece

Výroba ušlechtilých ocelí je na za átku 20. století, zavád na do elektrických pecí. V roce 1902 je uvedena do provozu první oblouková pec (Heroult) a následn ve stejném roce první induk ní pec (Kjellin). V první polovin 20. století dominují ve výrob oceli Siemens-Martinské pece a konvertory dmýchané vzduchem. Nové požadavky vývoje moderní techniky vedly k rozvoji k rozvoji elektrometalurgie. V roce 1952 byl uveden do provozu kyslíkový konvertor dmýchaný horem, tzv. LD pochod. Byla zahájena výroba oceli pomocí plynného kyslíku a tím byl zahájen nástup kyslíkových pochod . V 60. letech sm oval další vývoj moderní technologie výroby oceli k p esunu vedení kterých metalurgických reakcí z pece do pánve a nastal tím rozvoj sekundární (mimopecní) metalurgie. Ve slévárnách oceli jsou dnes dominujícími tavicími agregáty elektrické obloukové pece (EOP) a elektrické induk ní pece (EIP). Slévárny oceli v R používají výhradn EIP kelímkové st edofrekven ní. 1.2 Tavící agregáty ve slévárnách oceli Elektrické obloukové pece Schéma t ífázové elektrické obloukové pece je na obr. 3. Pec je napájena p ímo ze sít vysokého nap tí kabelem 1, p es hlavní vypína 2, tlumivku 3 a transformátor 4. U malých pecí je obvykle v jedné nádob s pecním transformátorem i tlumivka. Funkce zapojení tlumivky je pouze ve fázi natavování, aby svým induk ním odporem snižovala kolísání nap tí na obloucích i v síti. Konstrukce pecní transformátoru by m la krátkodob zajistit až 100 % p etížení. P et žování pecního transformátoru je dáno výrobcem a m že být nap íklad po dobu 30 min. o 50 %. Transformátor je obvykle pono en do transformátorového oleje, který slouží jako chladicí médium. Transformátory menších výkon mohou být chlazeny vzduchem. Vypína e, tlumivka a pecní transformátor jsou umíst ny v transformátorové kobce. 9


Z transformátoru je elektrická energie vedena m nými pásnicemi na vn jší st nu transformátorové kobky a dále lany 10 až na ramena držák elektrod 6. Vlastní elektrody 7 jsou drženy držákem 8. Na rameni držáku elektrod je proud veden dále nými pásnicemi 6. Elektroda prochází víkem pece p es chlazený kroužek elektrod 9. Rychlost roztavení vsázky závisí p edevším na instalovaném p íkonu pecního transformátoru a na schopnosti regulace pece využít instalovaný p íkon.

Obr. 3 Schéma elektrické obloukové pece

Instalovaný p íkon pecního transformátoru ve slévárnách bývá v tšinou 300 až 600 kVA/t. Na roztavení tuny vsázky se po ítá s teoretickou spot ebou 380 kWh/t. Skute ná spot eba na roztavení a oh átí lázn na 1600 °C je o cca 80 kWh/t vyšší. Ve slévárnách pracují obvykle EOP o hmotnosti tavby 4 až 20 t. T žké odlitky se vyráb jí ve slévárnách u hutních oceláren, které dodávají tekutý kov. EOP mají typ vyzdívek zásaditý. Slévárny v R již nepoužívají kyselé vyzdívky. Výhodou zásaditých pecí vyzd ných obvykle magnezitem a chrómmagnezitem je možnost zpracovávat kovovou vsázku s nezaru eným obsahem fosforu a síry. Tyto umož ují vyráb t oceli s velmi nízkým obsahem fosforu a síry. Kyselé pece byly vyzd ny nebo vydusány žáruvzdornými materiály na bázi SiO2. Jejich výhodou byly nižší zpracovací náklady, ale to bylo možné pouze p i použití vsázky se známým chemickým složením. Teploty v elektrickém oblouku p esahují 3000 °C. Oh ev elektrickým obloukem má za následek lokální p eh ívání kovu. Po vzniku tekuté lázn p sobí oblouk pouze na povrch lázn , což m že mít za následek vysokou teplotní heterogenitu a zhoršené podmínky pro enos tepla. V elektrickém oblouku dochází k disociaci dusíku a vodíku, které se rozpouští v lázni. Vysoké teploty lázn pod obloukem mají rovn ž vliv na odpa ování n kterých kov nebo jejich oxid . Vyšší obsah dusíku a vodíku v ocelích vyráb ných na obloukových pecích se snižuje uhlíkovým varem. Ve funkci oh evu oxidují p i vysokých teplotách zrní ka grafitu a padají na hladinu lázn . Potom je nutné zejména p i výrob ocelí s nízkým obsahem uhlíku nutné po ítat s nauhli ením oceli. Hlavní výhodou elektrických obloukových pecí ve vztahu k pecím induk ním jsou menší nároky na kusovitost a sypnou hmotnost vsázky a možnost m nit chemické složení oceli v širokých mezích.

10

Slévárenství ocelových odlitk Elektrické induk ní pece

Metalurgická ást elektrické st edofrekven ní pece je uvedena na obr. 4. Ve slévárnách oceli se používají výhradn elektrické induk ní kelímkové pece. Kanálkové pece se používají ve slévárnách litiny a v ocelárnách se nepoužívají.

Obr. 4 Schéma elektrické induk ní pece

Pece pracují zpravidla se st ední frekvencí (250 až 600 Hz). Pece na sí ovou frekvenci jsou ve slévárnách oceli mén asté. S vyšší frekvencí pracují pece s malou hmotností vsázky, používané jako pece laboratorní. Induk ní pece jsou napájeny ze sít vysokého nap tí p es pecní transformátor. Z pecního transformátoru je napájen m ni frekvence proudem o nap tí obvykle do 6000 V. Proud je nejprve usm ován na polovodi ových diodách, vyhlazen tlumivkou. Pot ebná frekvence se vytvá í výkonovými tyristory. Tyristory jsou ízeny a frekvenci je možno plynule m nit. Proudem o st ední frekvenci je napájen induktor. U pecí starší konstrukce je možné se také setkat s rota ním m ni em (motor – generátor st edofrekven ního proudu). Konstrukce pece je odstín na od induktoru svazky transformátorových plech , které vedou elektromagnetické pole a snižují ztráty. Induk nost cívky je kompenzována baterií kondenzátor . Induktor a kondenzátory tvo í rezonan ní obvod, který se reguluje jednak zm nou kapacity kondenzátorové baterie tj. zapojováním nebo odpojováním kondenzátor a jednak zm nou frekvence. Zdrojem tepla u induk ních pecí jsou indukované proudy. St edofrekven ní induk ní pece pracují s p íkonem 500 – 1000 kW/t. Ve slévárnách p esného lití se instalují nej ast ji pece s hmotností tavby 40 až 250 kg. V ostatních slévárnách oceli o objemu 0,5 až 25 t. U pecí na sí ovou frekvenci (50 Hz) je možné použít s ohledem na rozsah ví ení lázn maximální p íkon cca 300 KW/t. Výrobnost pece závisí p edevším na instalovaném p íkonu zdroje. U pecí na sí ovou frekvenci je možné instalovat výkonný zdroj jen u pecí s v tší hmotností vsázky, které pracují s tekutým zbytkem. Více než polovina kovu se p i odpichu ponechává v peci. Vsázka tvo í za t chto podmínek jen polovinu hmotnosti odlévané tavby a instalovaný výkon se využívá jen na roztavení této poloviny hmotnosti, m rný elektrický p íkon v kWh/t je pak dvojnásobný a doba tavení se urychlí. Pece na sí ovou frekvenci se používají více ve slévárnách litiny, kde jsou instalovány pece o hmotnosti 1 až 80 t. Význam pecí na sí ovou frekvenci klesl s rozvojem polovodi ové techniky a následujícím zlevn ní m ni frekvence. Pece na sí ovou frekvenci se mohou vyzdívat keramickými tvárnicemi. 11


U st edofrekven ních pecí se používají výhradn výdusky, nebo p ípadné spáry ve zdivu by u t chto pecí mohly být p inou proniknutí kovu vyzdívkou kelímku. Pro zhotovení výdusek se používají kyselé dusací hmoty na bázi drcených k emenc (SiO2) nebo zásadité dusací hmoty nej ast ji na bázi spinelu MgO – Al2O3 (20 % Al2O3), p ípadn Al2O3 – MgO (30 % MgO). Induk ní pece proto bývají stav ny se dv ma nebo t emi kelímky. Jeden kelímek je v oprav a následn m že z stat v rezerv . St edofrekven ní induk ní pece mají nezastupitelnou úlohu tavicího agregátu ve slévárnách esného lití. Pro odlévání odlitk na strojních formovnách je také dávána p ednost induk ním pecím. Z pohledu metalurgického slouží induk ní pece jako agregát k p etavování vsázky. Krom nauhli ení, legování a dezoxidace se b hem tavby zám rn nem ní chemické složení oceli. V induk ní peci nedochází k samovolnému nauhli ování vsázky a jsou proto vhodné pro výrobu ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Výhodou induk ních pecí oproti pecím obloukovým jsou nižší zpracovací náklady, nižší po izovací náklady (p i srovnatelné výrobnosti) a ekologické p ednosti (nižší prašnost, nižší hlu nost). Míchání kovu induk ními proudy b hem tavby vytvá í v kelímku chemickou a tepelnou homogenitu, což je výhodné pro dosažení úzkého rozmezí chemického složení a odpichových teplot. Induk ní pec je operativní tavicí agregát vhodný pro p erušovaný provoz. Doby tavby mohou být podle typu pece kratší než jedna hodina. Potom p i dob odlévání 30 minut jsou schopny dv induk ní pece plynule zásobovat formovací linku tekutým kovem. V mnoha slévárnách jsou induk ní pece jedinou alternativou pro výrobu korozivzdorných ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceli Základním podkladem pro zahájení plánování tavby je objednávka tavby z formovny. Objednávka musí být p edána s dostate ným p edstihem, aby tavírna mohla zkontrolovat, zda má všechny podklady a suroviny pro výrobu objednané tavby a sta ila p ipravit vsázku. Objednávka musí obsahovat zna ku objednávané oceli, hmotnost tavby, požadovanou odpichovou teplotu, pr r výlevky pánve, p ípadn po et odlévaných forem a další. Veškeré technologické operace o pr hu tavby jsou zanášeny do protokolu tzv. tavebního listu. Výsledky a podmínky zkoušek se rovn ž zapisují a archivují v laborato i. Tyto protokoly o tavb mohou sloužit p i reklama ním ízení. i dosažení shody u každé operace tavba pokra uje. i shodné teplot a hmotnosti se tavba p edává formovn . Formovna vede záznam o odlévaných formách v licím výkazu, do kterého zapisují identifika ní a skute dosažené objednané údaje. hem odlévání se odebírá vzorek na chemickou analýzu a p edepsaný po et vzork na stanovení mechanických vlastností, které p edává formovna do laborato e. Laborato oznámí výsledek chemického rozboru formovn a ta podle výsledku bu to tavbu edá istírn . Pokud nastane neshoda chemického složení, tak je tavba umístí tavbu v izola ním prostoru a další postupy eší zodpov dný technolog první sm ny. Tavby, u kterých nebylo nalezeno p ijatelné ešení a nelze tolerovat odchylky chemického složení se z izola ního prostoru vy adí pro dalšího zpracování. 12


Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly) Po prostudování kapitoly by vám m ly být jasné následující pojmy: postupný vývoj hutních provoz historie výroby železa tavící agregáty ve slévárnách oceli elektrická oblouková pec elektrická induk ní pec základní technologický a informa ní tok p i výrob oceli

Otázky k probranému u ivu 1. Jaký byl historický vývoj výroby železa do konce 19. století? 2. Jaký byl historický vývoj výroby oceli v eských slévárnách do sou asnosti? 3. Které výrobní agregáty jsou zejména používány ve slévárnách oceli? 4. Jaké jsou základní ásti a funkce EOP? 5. Jaké jsou základní ásti a funkce IP? 6. V jakých základních oblastech se odlišuje možnost použití EOP nebo IP? 7. Jaký je základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceli ve slévárnách?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. [2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. [3] Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

13


2.

Základy termodynamiky ocelá ských pochod . Roztoky roztavených kov , nekov a plyn v železe. as ke studiu: 120 minut

Cíl


budete seznámeni se základními pojmy termodynamiky ocelá ských pochod vyjasníte si pojmy termodynamické stavové veli iny budete znát základní charakteristiky termodynamických stavových funkcí budete um t definovat úlohu kyslíku, dusíku a vodíku v roztaveném železe budete um t definovat úlohu uhlíku a síry v roztaveném železe

Výklad 2.1 Základy termodynamiky ocelá ských pochod Metalurgické reakce jsou doprovázeny spot ebou nebo uvoln ním energie. Vzájemnými vztahy mezi r znými formami energie a vztahy mezi energetickými zm nami a vlastnostmi látek se zabývá chemická termodynamika. Pr h každého metalurgického pochodu je ovliv ován jednak hybnou silou pochodu a dále vnit ním a vn jším odporem reagující soustavy proti pr hu tohoto pochodu Termodynamická analýza umož uje stanovit hybnou sílu, nikoliv velikost odporu proti analyzované reakci. Termodynamickými výpo ty je proto možné zjistit, jak by sledovaná reakce probíhala v ípad , že by nep sobil žádný odpor, není však možné ur it rychlost pr hu reakce. Prakticky se termodynamiky v metalurgii používá zejména: ur ení energetické bilance reakcí, ur ení podmínek, za nichž existuje rovnováha mezi fázemi, výpo tu složení jednotlivých fází za rovnováhy, výpo tu složení homogenní soustavy za rovnováhy, p ípadn zm n tohoto složení se zm nou vn jších podmínek, výpo tu podmínek, za kterých je možno dosáhnout nejnižších obsah nežádoucích prvk . Vysv tlení základních pojm Soustava nebo také systém je souhrn t les, která jsou p edm tem termodynamické úvahy. Z hlediska p enosu energie a hmoty rozlišujeme systémy: Uzav ený systém od okolí nep ijímá ani do okolí nep edává hmotu (m že však s ním vym ovat energii). Otev ený systém s okolím si vym uje hmotu i energii. Z hlediska vlastností látky, p íp. látek rozlišujeme dále systémy: 14


Homogenní systém je takový, jehož vlastnosti jsou ve všech ástech systému stejné nebo se m ní pouze plynule (takto m žeme považovat nap . vodu nebo vzduch). Heterogenní systém je složen z n kolika homogenních ástí (fází), jež jsou od sebe odd leny fázovými hrani ními plochami (m ní se jejich vlastnosti). Termodynamika se zajímá o stavy, ve kterých se soustava nachází a o rovnováhách, které se v t chto soustavách ustavují. Termodynamické vlastnosti popisují vlastnosti soustavy. Tyto termodynamické vlastnosti se lí na vlastnosti extenzivní a intenzivní. Extenzivní vlastnosti jsou závislé na množství látky v soustav a vykazují aditivní chování (jejich hodnota je rovna sou tu hodnot jednotlivých ástí, z nichž je systém složen nap . hmotnost, objem, látkové množství, energie). Intenzivní vlastnosti jsou nezávislé na velikosti soustavy a na množství látky v systému (nap . tlak, teplota, koncentrace, hustota a veškeré m rné veli iny vztažené na látkové množství nebo hmotnost). Termodynamickým d jem se nazývá jakákoliv zm na vlastností soustavy spojená se zm nou alespo jedné termodynamické stavové veli iny. V p írod probíhají samovolné jednosm rné je a probíhají se snížením energie soustavy. Postupn se dostávají do rovnováhy. Dokonalé termodynamická rovnováha je však možná pouze v izolované soustav . Termodynamické stavové veli iny (p, v, T, c) jsou nezávisle prom nné veli iny, které popisují stav soustavy pomocí vhodn volených, zpravidla p ímo m itelných, fyzikálních veli in (teplota, tlak, objem a tepelné kapacity). Na základ stavových veli in lze potom vypo ítat další veli iny (stavové funkce) charakterizující soustavu. Termodynamické stavové funkce (H, U, S, F, G) jsou závislé pouze na termodynamických stavových podmínkách. Z toho plyne, že jejich zm ny jsou závislé pouze na po áte ním a kone ném stavu soustavy a nezávisí na zp sobu p echodu soustavy z po áte ního do kone ného stavu. Stavové funkce potom matematicky vykazují úplný diferenciál a rozdíl po áte ního a kone ného stavu je nezávislý na integra ní cest . Stavové funkce lze obtížn m it, ale dají se vyjád it jako funkce m itelných stavových veli in: tlak, teplota, objem, tepelné kapacity. Mezi stavové funkce používané v termodynamice pat í nap . vnit ní energie U, entalpie H, entropie S, Gibbsova energie G a Helmholtzova energie F, chemický potenciál. Teplo a práce nevykazují vlastnosti termodynamické stavové funkce, protože p echod z po áte ního stavu soustavy do kone ného stavu je závislý na po áte ních a kone ných stavových podmínkách, ale také na zp sobu p echodu soustavy, tj. na integra ní cest . Jsou tedy termodynamické funkce nikoliv stavové funkce. Vnit ní energie Vnit ní energie je veškerá energie t lesa nebo soustavy, která je obsažena v pohybech atom , molekul, elektron a v jejich vzájemné vazb . Není zde zahrnuta „vn jší energie t lesa“. U ideálního plynu se vnit ní energie projevuje ur itým tepelným obsahem, tlakem a objemem. Absolutní hodnotu vnit ní energie není možné zm it. Význam má zm na vnit ní energie U:

U

Q

A

(2.1)

Rovnice (1) je formulací první v ty termodynamiky, která vyjad uje zákon zachování energie. Výrazy Q a A p edstavují zm nu tepla a práce odpovídající zm vnit ní energie U p i echodu z jednoho stavu s odpovídající vnit ní energií U1 do druhého stravu s odpovídající vnit ní energií U2. 15


Teplo p edstavuje jeden ze zp sob vým ny energie mezi soustavami. Teplem, jež soustava edala druhé soustav , rozumíme energii p evedenou z jedné soustavy do druhé jiným zp sobem než prací. Na rozdíl od jiných forem energie není možné teplo p em ovat do jiné formy energie. Teplo není tedy termodynamickou stavovou veli inou. V metalurgii se asto používá k výpo tu teplotních zm n tepelná kapacita C, která je definována obvykle pro jeden mol látky, p ípadn pro jednotku hmotnosti „c“ pak vztaženou na g nebo kg. Práce je jednou z forem p enosu energie mezi soustavami a je další d ležitou termodynamickou veli inou, ale podobn jako teplo není stavovou funkcí. Z termodynamického hlediska lze u v tšiny metalurgických pochod vnímat práci, kterou soustava vykoná jako energii p sobící proti vn jšímu tlaku p i zm objemu soustavy.

Entalpie Pokud uvažujeme d j, p i n mž soustava koná pouze objemovou práci, potom po dodání tepla soustav , které zp sobí zvýšení teploty o T, platí pro tento d j rovnice (2.2) vycházející z první v ty termodynamiky:

dQ

dU

pdV

(2.2)

Rovnice ukazuje, že celkové teplo dodané soustav p i izobarické stavové zm (za edpokladu, že soustava nekoná jinou než objemovou práci) je rovno sou tu dvou stavových funkcí – vnit ní energie U a objemové práce pdV. Protože sou et dvou stavových funkcí má pro p echod z ur itého výchozího stavu do ur itého kone ného stavu vždy stejnou hodnotu závisející pouze na tom, jaký byl výchozí a kone ný stav, lze tento sou et nahradit jedinou stavovou funkcí, kterou nazýváme entalpie, a zna í se H. V metalurgii probíhají v tšinou reakce za konstantního tlaku a entalpie má pak význam reak ního tepla:

H

U

pV

(2.3)

Entalpie je extenzivní stavovou veli inou, jejíž absolutní hodnotu nelze ur it, stejn jako nelze ur it absolutní hodnotu vnit ní energie. Pro standardní podmínky - teplotu 273 K a tlak 101 325 Pa se volí pro prvky hodnota entalpie rovna nule a entalpie slou enin pak odpovídá slu ovacímu teplu za standardních podmínek. Reak ní teplo, závislost reak ního tepla na teplot V metalurgii se p edpokládá nej ast ji pr h reakcí p i konstantním tlaku. Teplo uvol ované i reakci je z hlediska reagující soustavy považováno v termochemii za kladné, v termodynamice za záporné:

Qp

H

(2.4)

Výpo et reak ního tepla u chemických reakcí se po ítá podle Hessova zákona, který dokázal, že tepelný efekt reakce závisí pouze na po áte ním a kone ném druhu a stavu látek a nezávisí na zp sobu pr hu reakce: (2.5)

H

n( H ) produkt

n( H ) výchozích

16


Závislost reak ní tepla na teplot r zných chemických reakcí se srovnává p i standardních podmínkách, protože reak ní teplo závisí obecn na teplot i tlaku. Reak ní tepla jednotlivých slou enin H lze nalézt ve fyzikáln -chemických tabulkách obvykle pro teplotu 298,15 K. Pro jiné teploty je nutné reak ní teplo p epo ítat. Entropie Z první v ty termodynamiky vyplývá, že teplo i práce mají rozm r energie. Zásadní rozdíl je v tom, že práci je možno p em nit na teplo beze zbytku, kdežto opa ný d j, tj. p em na tepla na práci není beze zbytku možná. Entropie není teplo ani nemá rozm r tepla, ale p edstavuje teplo d lené teplotou a vyjad uje se v [J.K–1], pop . v [J.K–1.mol–1]. Entropie má tedy význam degradace tepelné energie. i dQ = konst. je dS tím vyšší, ím je nižší teplota a opa . Z toho plyne, že schopnost tepla konat práci je tím vyšší, ím je dané množství tepla na vyšší teplot . Potom m žeme íci, že stejné množství tepla lze p i vyšší teplot soustavy p evést na v tší množství práce, než je tomu p i nižší teplot soustavy. dQ (2.6) dS

T

Entropie je stavovou funkcí, která má tu vlastnost, že u adiabatických d (dQ = 0) zastává kritérium sm ru a termodynamické rovnováhy d , a v p ípad vzr stu entropie prozrazuje skute nost, že v soustav probíhají nevratné d je. Volná energie a volná entalpie Provedením dosazením za dQ vztah dQ = T. S z rovnice (1), která vyjad uje matematický zápis prvního zákona termodynamiky, potom m žeme získat vztah: dA = T.dS – dU

(2.7)

Práce dA uvedená v rovnici (2.7) vyjad uje maximální práci, kterou m že p i vratném d ji soustava vykonat. Maximální užite nou práci lze stanovit integrací této rovnice za edpokladu, že V = k a T = k. (2.8) Amax . T ( S 2 – S1 ) – (U 2 – U1 )

Amax .

– (U 2 – T S2 ) – (U1 – T S1 )

(2.9)

V závorkách rovnice (2.9) je rozdíl termodynamickou funkcí, která byla nazvána Helmholtzovou energií n kdy nazývanou též jako volná energie. Helmholtzova funkce se zna í symbolem F a lze ji vyjád it vztahem: F = U – T.S

(2.10)

Potom termodynamická funkce tzv. volná energie z rovnice (2.8) má tvar:

Amax .

– ( F2 – F1 )

F

(2.11)

Maximální práci je možné lenit na práci objemovou a na užite nou práci, ve které jsou zahrnuty ostatní formy práce (elektrická, povrchová atd.). Helmholtzova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad , že tyto d je probíhají za konstantní teploty a objemu. Za konstantního objemu a teploty mohou samovoln probíhat pouze ty d je, které jsou spojeny s poklesem volné energie. Potom volná energie na konci d je musí být nižší než na po átku d je, nebo z rozdílu t chto energií se dotuje uvažovaný d j. 17


Protože v tšina metalurgických reakcí probíhá za konstantní teploty a p i konstantním tlaku, není Helmholtzova energie nejvhodn jší stavovou funkcí pro ešení metalurgických pochod . mto podmínkám lépe vyhovuje jiná termodynamická stavová funkce odvozená za edpokladu p = konst. a T = konst. Tuto funkce je nazývána Gibbsova energie nebo také volná entalpie a zna í se symbolem G. Pro volnou entalpii lze odvodit podobným postupem jako pro volnou energii obdobnou rovnici, jako je rovnice (2.11), která má pak tvar: (2.12) A G – (G – G ) max .

2

1

kde Amax p edstavuje maximální užite nou práci, kterou je možné p evést na práci za izotermicko-izobarických podmínek a pro kone nou zm nu lze rovnici upravit na tvar:

G

H –T

(2.13)

S

Gibbsova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad , že tyto d je probíhají za konstantní teploty a tlaku, kdy samovoln mohou probíhat pouze ty d je, které jsou spojeny s poklesem volné entalpie, tj. volná energie na konci d je musí být nižší než na po átku d je. Maximální užite ná práce, kterou lze p em nit na neobjemovou práci p i d ji probíhajícím za izotermicko-izobarických podmínek, je nižší než v p ípad izotermicko-izochorických podmínek, což je zp sobeno tím, že ást energie je spot ebována na objemovou práci. P i reakcích v tuhé a tekuté fázi však nedochází k významným zm nám objemu a G ~ F. Základy kinetiky metalurgických reakcí Kinetika pojednává o rychlosti fyzikáln chemických reakcí. Znalost asového pr hu fyzikáln chemické reakce je pot ebná zejména p i výzkumu, zavád ní a optimalizaci nových metalurgických pochod , nebo obsahuje také informaci o rychlosti, za kterou se dosahuje rovnovážného, pop ípad kvazirovnovážného stavu. Základní veli inou v kinetice metalurgických reakcí je reak ní rychlost. Touto rychlostí se asto rozumí po et mol (pop ípad po et atom ) reagující látky, nebo po et mol produktu vzniklých za jednotku asu v jednotce objemu 1 n (2.14) r .

V

t

kde V je objem [m3], n zna í po et mol reagující látky, i produktu [mol], t je as p íslušné reakce [s] a r je pr rná reak ní rychlost jejiž rozm r a též íselná hodnota jsou odvislé od zvolené soustavy jednotek. V daném p ípad je obecný rozm r této rychlosti [mol.m-3.s-1]. U v tšiny metalurgických reakcí probíhajících v kapalných roztocích kov , kde se objem reagující soustavy v pr hu reakce podstat nem ní, je možno po et mol (pop ípad atom ) reagující soustavy nahradit zm nou hmotnostní, i atomové koncentrace reagující látky, i produktu této reakce. Reak ní rychlost lze v takovém p ípad chápat jako zm nu koncentrace látky za asovou jednotku c 1 (2.15) r .

t V

Rozm r reak ní rychlosti je v p ípad , že koncentrace látky c je vyjád ena v [hm. %], vyjád en nap . v jednotkách hm.% .

s.m 3 Nutno upozornit, že již v samotném základním rozm ru reak ní rychlosti r se odráží skute nost, že kinetika metalurgických reakcí je vždy závislá na geometrických podmínkách soustavy, v níž p íslušná metalurgická reakce probíhá. Reak ní rychlost je tudíž zapot ebí 18


vždy vztahovat bu k objemu V [m3] nebo k množství Q [kg], v kterých se p íslušná fyzikální, nebo chemická reakce uskute uje. i popisu zcela ur itých metalurgických reakcí v praxi to velmi asto vede k tomu, že se v rozm rech reak ních rychlostí objem v m3, i množství v kg vynechávají a jsou zahrnuty v popisu podmínek, p i kterých byla p íslušná metalurgická reakce studována (kup íkladu v elektrické obloukové zásadité peci obsahu 6 t). V takových p ípadech se reak ní rychlost udává nap íklad v (hm. %/h), (hm. ppm/h), (at. %/h), (at. ppm/h) atp.). Popis termodynamicky rovnovážných stav , které jsou nezávislé na geometrii soustavy, je tudíž formáln jednodušší a p itom univerzáln jší než popis reak ní kinetiky, která rovnovážným stav m p edchází. Všeobecn se p edpokládá, že reak ní rychlost fyzikáln chemické reakce je asto úm rná sou inu koncentrací reagujících látek, nebo sou inu mocnin chto koncentrací. Toto názor je v souladu se základními p edstavami o molekulárním (atomovém) pr hu fyzikáln chemické reakce. Jestliže nap íklad probíhá reakce podle schématu: a A b B cC d D (2.16) Je zde pak vysoká pravd podobnost, že se st etne a molekul látky A s b molekulami látky B, takže rychlost bude úm rná po tu srážek mezi molekulami A a B za jednotku asu v jednotce objemu, pop ípad v jednotce hmotnosti. Statistický model vysv tlující tento pochod edložili Guldberg a Waage a ukázali, že pravd podobnost kontaktu a molekul látky A s b molekulami látky B je úm rná sou inu mocnin koncentrací. Za p edpokladu, že tato pravd podobnost ur uje zárove pr rný po et st etnutí, lze o ekávat koncentra ní závislost reak ní rychlosti ve tvaru: (2.17) v k c Aa cBb kde veli ina k je ozna ována jako rychlostní konstanta reakce (2.16) a je závislá na fyzikáln chemických vlastnostech soustavy, p edevším na povaze látek a na teplot . Rychlost této reakce v má implicitn složit jší podobu, než je tomu u reak ní rychlosti definované vztahy (2.14) a (2.15) a na rozlišení byl pro ni zvolen jiný symbol. Roztoky roztavených kov , nekov a plyn elem metalurgických pochod je m nit chemické složení roztavených kov s cílem získat požadované chemické složení a požadované vlastnosti. V metalurgické praxi se pracuje s polykomponentními roztoky kov a strusek. Reakce probíhají asto na mezifázovém rozhraní mezi struskou a kovem a nežádoucí prvky nebo jejich slou eniny jsou ve strusce absorbovány. Složení kov a strusek se v metalurgické praxi udává v hmotnostních procentech, pro nízké koncentrace v hmotnostních ppm ( part per million ) p emž 1 ppm = 0,0001 %. Roztavené kovy se nechovají jako ideální roztoky a pro termodynamické výpo ty se proto asto musí místo koncentrací rozpušt ných prvk používat jejich aktivit. 2.2 Roztoky roztavených kov , nekov a plyn . Kyslík v roztaveném železe Maximální rozpustnost kyslíku v istém železe p i teplot 1600 °C je 0,25 hmot. % (2500 ppm). S rostoucí koncentrací kyslíku p ibližn nad hodnotu 0,08 %, dochází vlivem zv tšování vazebných sil mezi kyslíkem a železem k negativní odchylce od Henryho zákona. Takže, je nutné vzít v úvahu jeho efektivní koncentrace – tj. aktivity. V sou asné dob se kyslík do oceli p ivádí v tšinou jako plyn v oxida ním údobí tavby. Oxidace taveniny probíhá na každém typu tavícího agregátu za ú elem snížení koncentrace 19


nežádoucích prvk . Poté se provádí snižování obsahu kyslíku p ed nebo v pr hu reduk ního údobí tavby nazvaném dezoxidace. Dezoxida ní prvek musí mít vždy vyšší afinitu ke kyslíku, než má železo. V tšina metalurgických proces , které probíhají v tavících agregátech a na za ízeních sekundární metalurgie tak souvisí s aktivitou kyslíku, která je pr žn ovliv ována a neustále se m ní v závislosti na teplot a chemickém složení oceli, protože ocel obsahuje i další prvky. Vliv jednotlivých prvk na aktivitu kyslíku lze vyjád it pomocí hodnot interak ních koeficient prvního a druhého ádu. P íklady interak ních koeficient prvního ádu jsou uvedeny v tab. 2.1. Hodnoty interak ních koeficient se mohou lišit, podle r zných autor . Tab. 2.1 Interak ní koeficienty prvního ádu vybraných prvk X

– e OX

X

– e OX

X

– e OX

X

– e OX

C

0,450

Ti

0,75

Cr

0,030

Th

6

Mn

0,009

Al

1,15

Ni

-0,006

La

0,57

Si

0,100

Zr

0,44

Mo

-0,0035

Ca

535

ísady odkysli ovacích prvk v roztavené oceli s rozpušt ným kyslíkem jsou doprovázeny snížením rozpustnosti kyslíku (prvky s kladným interak ním koeficientem), p ítomnost odkysli ovacího prvku v tavenin zesiluje vazby mezi atomy kyslíku a odkysli ovacího prvku, vznikají stabilní nerozpustné oxidy, které jsou s v tší ásti asimilovány do strusky. Aktivita kyslíku je ovliv ována také složením vyzdívek, které p ijdou do styku s taveninou a struskami, které obsahují, zejména lehce redukovatelné oxidy jako nap íklad FeO a MnO. Rozpustnost kyslíku v železe v tšina autor uvádí ve form kationtu O4+, nebo pro ú ely termodynamických výpo v atomární podob a lze ji popsat rovnicí: 1 O (2.18) 2 O2 Rovnovážná konstanta K kyslíku rovnice (2.18) je vyjád ená rovnicí: O K (2.19) 1 2 pO 2

Obsah kyslíku v oceli v závislosti na parciálním tlaku kyslíku lze z rovnice (2.19) odvodit v závislosti na parciálním tlaku kyslíku pO . O K pO (2.20) i b žné ocelá ské praxi jeho koncentrace nep ekra uje v nelegovaných ocelích obvykle 300 až 400 ppm. Obsah kyslíku v roztavené oceli ídí také další prvky p ítomné v oceli jako emík, mangan a uhlík. Po správn provedené dezoxidaci oceli hliníkem v pánvi iní aktivity kyslíku v nelegovaných ocelích cca 5 až 10 ppm. Kyslík v oceli je prvkem, který má zásadní vliv na istotu oceli, podílí se na vzniku oxidických vm stk , které jsou nej ast jším typem a vznikají pr žn b hem celého procesu výroby oceli a odlévání. V pr hu odlévání, pak hovo íme o reoxidaci odlévané oceli. Se stupn m odkysli ení oceli také úzce souvisí i stupe odsí ení a je prokázané, že stupe odsí ení je p ímo úm rný obsahu rozpušt ného kyslíku v oceli. Silné dezoxidovala nap . Ca, Al, Mn mají velkou afinitu k sí e, takže se bezprost edn podílejí na odsí ení a tvo í v roztavené oceli stálé, nerozpustné sirníky. Odstra ování kyslíku je v metalurgii po oxida ním údobí tavby nejd ležit jší operací a je možné ho provést n kolika mechanismy.

20


Dusík v roztaveném železe Ve v tšin nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je dusík považován za nežádoucí. Jeho nep íznivý vliv je nej ast ji spojován se stárnutím oceli. P i poklesu teploty dochází k tvorb nitrid , které zp sobují zhoršení n kterých materiálových vlastností, zejména tažnosti a vrubové houževnatosti. Stárnutí se nevyskytuje v ocelích, které obsahují prvky s vysokou afinitou k dusíku (Ti, Al). V t chto ocelích je dusík vázán na nitridy. P i ur itých koncentracích dusíku a hliníku m že dojít zejména u masivních odlitk také ke vzniku lasturových lom . Dusík se podílí také na vzniku popoušt cí k ehkosti. P i ur ité koncentraci ve vysokolegovaných ocelích se dusík používá jako legující p ísada. Absorbuje se do oceli b hem celého výrobního procesu na otev ených pecích z pecní atmosféry. P i výrob ocelí legovaných prvky, které zvyšují rozpustnost dusíku v oceli (Cr, Mn) se hromadí dusík ve vratném materiálu. Zpracování vratného materiálu s vysokým obsahem dusíku m že zp sobit vznik vad v odlitcích. Také p i formování po zavedení organických pojivových systém je vyšší pravd podobnost výskytu vad zp sobených dusíkovými bublinami. P i odlévání kovu do forem pojených organickými pojivovými systémy nastává p i styku kovu s formovacím materiálem disociace organických slou enin a vznikající atomární dusík se poté v kovu snadno rozpouští. V tavenin istého železa je dusík p ítomen jako atom, p ípadn jako ion N2+. Za p edpokladu atomární rozpoušt ní dusíku v istém železe, lze p echod dusíku z plynné fáze do roztaveného železa popsat rovnicí: 1 2

N2

(2.21)

N

Rozpoušt ní dusíku v istém železe se vyzna uje p esným spl ováním Sivertsova zákona, což lze vzhledem k Henryho zákonu popsat vztahem:

%N

KN.

pN2

(2.22)

kde p N 2 je parciální tlak dusíku v atmosfé e [Pa] a KN je rovnovážná konstanta rozpoušt ní dusíku. Rovnovážný obsah dusíku v roztaveném železe odpovídá dané teplot a parciálnímu tlaku dusíku v atmosfé e. Rozpustnost dusíku v istém železe lze vypo ítat, nap íklad p i teplot 1 600 °C a p N 2 101 325 Pa je kolem 0,044 % dusíku. Obdobným zp sobem jako v tavenin železa lze ur it také rovnovážný obsah dusíku v jednotlivých modifikacích železa v tuhém stavu. K jejich výpo tu je nutno znát teplotní závislost rozpustnosti dusíku pro dané modifikace železa. Jednoduchou edstavu o rozpustnosti dusíku nám poskytuje obr. 2.1, který p edstavuje rovnovážné koncentrace dusíku v závislosti na teplot u istého železa. Diagram udává koncentrace dusíku, které jsou v rovnováze s atmosférou tvo enou istým dusíkem p i tlaku p N 2 101 325 Pa. Obr. 2.1 Rozpustnost dusíku v istém železe v závislosti na Pro endotermický charakter teplot p i rozpoušt ní dusíku dochází s rostoucí 21


teplotou také k r stu rozpustnosti dusíku. Naopak, snižování rozpustnosti dusíku v železe s rostoucí teplotou souvisí se vznikem nitrid Fe4N p ípadn Fe2N. Tvorba t chto nitrid má exotermický charakter, který p evyšuje endotermický charakter rozpoušt ní dusíku a tím dochází s poklesem teploty k r stu rozpustnosti dusíku v modifikaci železa . i praktických výpo tech v nelegovaných ocelích se p edpokládá, že dusík tvo í se železem siln z ed ný roztok, který se ídí Henryho zákonem. P ítomnost prvk , které siln ovliv ují aktivitu dusíku v oceli, vede k odklonu od Henryho zákona. Na obr. 2.2 je znázorn na rozpustnost dusíku v železe v soustav Fe–N–E v závislosti na koncentraci prvku E p i parciálním tlaku dusíku 101 325 Pa a teplot 1600 °C. Ve vícesložkových soustavách, zejména ve vysokolegovaných ocelích, je tedy rozpustnost dusíku ovlivn na také silovým p sobením dalších složek. U legovaných ocelí je nutné namísto koncentrací v rovnici (2.22) použít pro dusík Henryho aktivitu a tedy i Sieverts v zákon ve tvaru:

%N

KN . fN

pN

(2.23)

2

Ve vztahu (2.23) p edstavuje f N aktivitní koeficient dusíku v oceli, který lze ur it na základ tabelovaných interak ních koeficient . V tab. 2.2 jsou íklady n kterých interak ních koeficient prvního a druhého ádu. P i praktických výpo tech, zejména u vysokolegovaných ocelí, je nutné do výpo tu aktivitního koeficientu zahrnout nejen interak ní koeficienty prvního ádu, ale také druhého ádu, p ípadn i interak ní koeficienty k ížové. Ze vztahu (2.23) vyplývá, že s rostoucí hodnotou aktivitního koeficientu f N klesá za jinak stejných podmínek jeho maximální rovnovážná koncentrace, tj. klesá rozpustnost dusíku v oceli oproti istému železu, a naopak p i poklesu aktivitního koeficientu roste jeho rozpustnost v oceli. Prvky se zápornou hodnotou interak ního koeficientu prvního ádu tedy snižují aktivitu dusíku Obr. 2.2 Rozpustnost dusíku v soustav Fe-N-E i v roztaveném železe, ale zvyšují jeho teplot 1600 °C a rozpustnost a naopak. Z prvk , které snižují rozpustnost dusíku v železe, jsou ve slitinách železa nejd ležit jší zejména C a Si, jejichž obsah je významný obzvlášt v litinách, což zp sobuje, že rozpustnost dusíku je v b žných nelegovaných grafitických litinách podstatn nižší než v istém železe.

22


Tab. 2.2 Doporu ené hodnoty interak ních koeficient prvního a druhého ádu v soustavách Fe-X-N X

e NX .103 rNX .104

X

e NX .103 rNX .104

X

e NX .103 rNX .104

X

e NX .103 rNX .104

Al

-28

Cu

9

Sn

7

Ni

10

B

94

O

50

La

– 890

Ti

– 780

C

130

P

45

Mn

– 20

V

– 94

Ce

– 890

S

7

Mo

– 11

W

– 1,7

Co

11

Sc

–1 600

N

0

Ti

– 780

Cr

– 42

Si

47

Nb

– 86

Zr

– 630

2,5

19

Oceli vyrobené na elektrické obloukové peci obsahují kolem 80 až 120 ppm dusíku. Oceli vyrobené na induk ních pecích obsahují v tšinou dusíku mén než oceli vyrobené na obloukové peci, což souvisí zejména s p echodem dusíku do lázn v oblasti elektrického oblouku. Obsah dusíku v oceli vyrobené na induk ních pecích je podmín n p evážn na obsahu dusíku ve vsázce. Pro legování dusíkem se používají feroslitiny prvk s vysokou afinitou k dusíku obohacené o dusík jako dusíkový ferochrom nebo feromangan. Zvýšit obsah dusíku lze i dmýcháním plynného dusíku nejlépe do dezoxidované oceli, protože kyslík snižuje rozpustnost dusíku v oceli. i výrob ocelí na odlitky se používá k dezoxidaci hliník, potom je ást dusíku je v t chto ocelích vázána na nitrid hliníku AlN. Ješt stabiln jší nitridy než hliník tvo í titan a v ocelích s obsahy Ti od 0,02 % n kdy i nižšími se vyskytují karbonitridy titanu. Vodík v roztaveném železe V ocelích je vodík považován za nežádoucí prvek, protože zp sobuje zhoršení plastických vlastností, p evážn houževnatosti, nezvyšuje však pevnost. M že být dále u oceli p inou vnit ních trhlin, tzv. vlo ek, v d sledku prudkého snížení rozpustnosti p i fázové p em . Jejich vznik je však typický zejména pro oceli s vysokou pevností po tvá ení. U ocelí na odlitky je nej ast ji zdrojem bublin v odlitcích. Zdrojem vodíku v oceli jsou již vsázkové kovové a nekovové suroviny, pecní atmosféra, která obsahuje vodu ve form vodní páry. Koncentrace vodní páry ve vzduchu kolísá podle po así a nejvyšší bývá v letním období. Významným zdrojem vodíku v oceli jsou nekovové p ísady, z nichž nejv tší vliv na výsledný obsah vodíku v oceli má vápno. P idáme-li vápno jako struskotvornou p ísadu do strusky v reduk ním údobí, tj. po provedeném uhlíkové varu, nem že se již vodík vnesený spole s vápnem z lázn odstranit, pokud nemá slévárna k dispozici vhodné za ízení sekundární metalurgie. Provozní doporu ení bývá, že by obsah vody ve vápn nem l p ekro it cca 1 %. Velice d ležitým faktorem, který ovliv uje kone ný obsah vodíku v oceli je také struskový režim a chemické složení strusky. D ležité je zejména asné pokrytí lázn struskou po stažení oxida ní strusky a vytvo ení tak nap né strusky st žující p echod vodíku do kovu. Pro udržení nízkého obsahu vodíku v oceli je nutno také dbát na minimální vlhkost odpichového žlábku pece a licí pánve, pomocí vhodn provedeného režimu jejich vysoušení a žíhání. Chemickým složením strusky lze také vysv tlit rozdílné obsahy vodíku v oceli vyrobené v EOP s kyselou a zásaditou vyzdívkou. 23


Podle konstrukce odlitku a slévárenské technologie se r zn zvyšuje obsah vodíku v oceli hem pln ní formy. Na zvýšení obsahu vodíku b hem odlévání m že mít vliv i rychlost pln ní formy. Podobn jako v p ípad dusíku závisí zvýšení vodíku b hem odlévání také na použitém pojivovém systému. Vodík m že v ocelích na odlitky v p ípad , že jeho obsah ekro í maximální rozpustnosti vodíku v oceli, iniciovat vznik endogenních bublin, což je nebezpe né zejména p i lití na syrovo. Z tohoto hlediska je doporu eno používat sušené formy. Sou asná v da p edpokládá, že vodík je v taveninách železa p ítomen jako atom, p ípadn jako proton H+. Uvažujeme-li atomární rozpoušt ní vodíku v istém železe, lze jej popsat, analogickým zp sobem jako v p ípad dusíku, rovnicí (2.24). P i praktických výpo tech se edpokládá, že vodík tvo í se železem siln z ed ný roztok, který se ídí Henryho zákonem. Rozpoušt ní vodíku v istém železe se vyzna uje pom rn p esným spl ováním Sievertsova zákona, jež lze vzhledem k Henryho zákonu popsat vztahem (2.25): 1 2

H2

%H

H KH .

(2.24)

pH 2

(2.25)

kde p H 2 je parciální tlak vodíku v atmosfé e a KH je rovnovážné konstanta rozpoušt ní vodíku. Vzhledem k tomu, že rozpoušt ní vodíku v železe má endotermický charakter, jeho rozpustnost se s rostoucí teplotou zvyšuje. Také pro nelegované oceli lze použít k popisu rozpoušt ní vodíku v oceli Henryho zákon (2.25). Rovnovážný obsah vodíku v roztaveném železe odpovídá dané teplot a parciálnímu tlaku vodíku v atmosfé e. Jeho rozpustnost v istém železe lze vypo ítat, nap íklad p i teplot 1 600 °C a pH2 101 325 Pa je kolem 24,66 ppm. Obdobným zp sobem, jako v tavenin železa lze ur it také rovnovážný obsah vodíku v jednotlivých modifikacích Obr. 2.3 Rozpustnost vodíku v istém železe v závislost na železa v tuhém stavu. K jejich výpo tu je nutno znát teplotní závislost teplot p i rozpustnosti vodíku pro dané modifikace železa. Jednoduchou p edstavu o rozpustnosti vodíku nám poskytuje obr. 2.3, který p edstavuje rovnovážné koncentrace dusíku v závislosti na teplot u istého železa. Diagram udává koncentrace vodíku, které jsou v rovnováze s atmosférou tvo enou istým vodíkem p i tlaku p H 2 = 101 325 Pa. V atmosfé e p ítomná vodní pára se na povrhu kovu rozkládá na vodík a kyslík, které se rozpoušt jí v oceli: H 2O

2H

K H2O

a H2 a O p H2O

(2.26)

O

(2.27) 24


Z rovnice rovnovážné konstanty vyplývá, že aktivita vodíku v železe pod atmosférou obsahující vodní páru se bude zvyšovat s rostoucím parciálním tlakem vodní páry a s poklesem aktivity kyslíku. Provozní praxe dokládá, že v hluboce dezoxidovaných ocelích je obtížné dosáhnout na otev ených pecích nízké obsahy vodíku. Ve vícesložkových soustavách, zejména ve vysokolegovaných ocelích, je rozpustnost vodíku ovlivn na také silovým sobením dalších složek. U legované oceli je nutné namísto koncentrací v rovnici (2.25) použít pro vodík Henryho aktivitu, tedy Sieverts v zákon ve tvaru:

[% H ] =

KH fH .

(2.28)

pH2

Ve vztahu (2.28) p edstavuje f H aktivitní koeficient vodíku v oceli, který lze ur it na základ tabelovaných interak ních koeficient . V tab. 2.3 jsou p íklady n kterých interak ních koeficient . Tab. 2.3 Doporu ené hodnoty interak ních koeficient v soustavách Fe-X-H X

eHX .104

X

eHX .104

X

eHX .104

X

eHX .104

Al

130

H

~0

Ni

~0

Si

270

B

500

Hf

– 27

O

57 000

Sn

57

C

640

La

– 180

P

110

Ta

– 40

Ce

– 180

Mn

– 14

Pd

62

Ti

– 190

Cr

– 20

N

S

80

W

80

Pro vodík jsou k dispozici pouze interak ní koeficienty prvního ádu. Ze vztahu (2.28) vyplývá, že s rostoucí hodnotou aktivitního koeficientu f H klesá za jinak stejných podmínek jeho maximální rovnovážná koncentrace, tj. klesá rozpustnost vodíku v oceli oproti istému železu, a naopak p i poklesu aktivitního koeficientu roste jeho rozpustnost v oceli. Prvky se zápornou hodnotou interak ního koeficientu tedy snižují aktivitu vodíku v roztaveném železe, ale zvyšují jeho rozpustnost a naopak. Nejvíce snižují aktivitu vodíku prvky, které tvo í s vodíkem hydridy, které jsou stabilní jen za teplot pod cca 600 °C. Za vyšších teplot netvo í vodík žádné slou eniny. Na obr. 2.4 je znázorn n výsledný obsah vodíku v oceli, který je dán sou tem obsahu vodíku v kovu a obsahu vodíku, který p echází do kovu jednak z pánve a dále ze slévárenské formy.

Obr. 2.4 Znázorn ní so tu metalurgického vodíku a vodíku z formy na pravd podobnost vzniku bublin v odlitku

25

Z hlediska vzniku bublin v odlitcích se jeví jako kritická hranice obsahu vodíku cca 7 ppm. P i hodnocení kritického obsahu vodíku je však nutné také p ihlédnout k pravd podobnosti rozd lení vodíku v jednotlivých tavbách. P i výrob oceli na zásaditých elektrických


pecích jsou výsledné obsahy vodíku obvykle v intervalu 4 až 6 ppm. Výsledné obsahy vodíku v oceli vyrobené na kyselé induk ní peci se pohybují v intervalu 3,5 až 5 ppm. Nižších obsah vodíku v oceli lze dosáhnout použitím n kterých prvk sekundární metalurgie pracujících p i sníženém atmosférickém tlaku, nap . VOD, OVD, VAD, kde je možno dosáhnout obsah vodíku cca 1 – 2 ppm. Uhlík v roztaveném železe Uhlík, který je základním prvkem všech ocelí, výrazn m ní vlastnosti železa, a to již od velmi malých koncentrací. Rozhodujícím zp sobem ovliv uje jednak materiálové vlastnosti mez kluzu - Re, mez pevnosti - Rm, tažnost - A, kontrakce - Z, nárazová práce - KV, tvrdost, ale také technologické vlastnosti, jako nap . sva itelnost nebo odolnost proti opot ebení. Uhlík v oceli je významným prvkem také z hlediska metalurgie. P i výrob oceli v elektrické obloukové peci se doporu uje nauhli it vsázku. Nej ast jším používaným nauhli ovadlem p i výrob oceli je koks. Pro p esné natavení nebo nastavení obsahu uhlíku v oceli se používá surové železo a feroslitiny bohaté na uhlík (feromangan, ferochrom). Významná otázka je oduhli ení oceli v elektrické obloukové peci. Zp sob provedení oduhli ení oceli a jeho rozsah (oxidované množství) ovliv ují nejen následn probíhající metalurgické pochody, ale i výslednou jakost odlitku. Vysoký obsah uhlíku ve vsázce snižuje spot ebu elektrické energie na roztavení a snižuje propal železa. Vysoké obsahy uhlíku jsou vhodné pro oxidaci plynným kyslíkem. Pokud se k oxidaci používá železná ruda, je lepší volit po roztavení pon kud nižší obsahy uhlíku. Obsah uhlíku po roztavení by m l být minimáln o 0,30 % vyšší než požadovaný obsah uhlíku na konci oxidace, ne však nižší než 0,50 %. D ležitým faktorem v oxida ním údobí je také rychlost oduhli ení, která by m la být minimáln 0,4 hmot. % uhlíku za hodinu. U nelegovaných ocelí s obsahem uhlíku do cca 0,2 hmot. % je odchylka od Henryho zákona malá a v rámci chyb termodynamických dat je možné ji pro orienta ní výpo ty zanedbat. P i vyšším obsahu uhlíku vykazuje jeho roztok se železem výraznou pozitivní odchylku od Raoultova zákona vlivem zeslabování vazebných sil mezi atomy uhlíku a železa. Pro vyšší obsahy uhlíku nebo u legovaných ocelí je tedy nutné v termodynamických výpo tech používat namísto koncentrace uhlíku jeho aktivitu. V tab. 2.4 jsou uvedeny doporu ené hodnoty interak ních sou initel prvního a druhého ádu. Tab. 2.4 Doporu ené hodnoty interak ních sou initel prvního a druhého ádu v soustav Fe–X–C X

eCX

rCX .10 3

X

eCX

Al

0,043

– 0,7

Cu

B

0,24

C

0,14

X

eCX

0,016

N

0,11

H

0,67

Nb – 0,06

Hf

(– 0,04)

Ni

0,012

Ca – 0,097

La

(– 0,10)

O

– 0,34

Ce

– 0,10

Mg

(0,07)

P

0,051

Co

0,008

0,9

Mn – 0,012

S

0,046

7,9

Mo – 0,008 – 2,9

Si

0,08

Cr – 0,024

7,4

rCX .103

26

rCX .103

1,5 4,1 0,7

X

eCX

rCX .103

Sn

0,041

0,2

Ta

– 0,021

– 0,2

Ti

(– 0,16)

V

– 0,077

W – 0,0056 Y

(– 0,16)

Zr

(– 0,09)

0,1


Síra v roztaveném železe V oceli na odlitky je síra nežádoucím prvkem. P i vyšších koncentracích m že být u hmotn jších a t žkých odlitk síra p inou vzniku trhlin, snižuje pevnost oceli p i teplotách pod solidem. T sn pod solidem existuje pásmo teplot, ve kterém má ocel zanedbatelnou hodnotu pevnosti. V tomto pásmu již nízká nap tí, která vznikající v odlitku p i chladnutí, vedou ke vzniku trhlin a síra toto pásmo ješt rozši uje. Zdrojem síry p i výrob oceli na elektrických pecích je vsázka. Pr rný výskyt v ocelovém odpadu nebývá v tšinou vyšší než 0,030 % S. Elektrické obloukové pece v tšinou neprosazují vysoký obsah pevného surového železa, vysoké obsahy síry obsahuje nap íklad zlomková litina, ale již litina s kuli kový grafitem, je výhodným vsázkovým materiálem s obsahem síry obvykle kolem 0,010 %. Prvky s vysokou afinitou k sí e tvo í se sírou p i teplotách 1600 °C sulfidy. Nejv tší afinitu k sí e má vápník, ho ík a kovy vzácných zemin. Vápník i ho ík jsou p i teplot 1600 °C v plynném skupenství a jejich rozpustnost v oceli je malá. Vliv prvk na rozpustnost síry v železe p i teplot 1600 °C je uvedena na obr. 2.5. Pro odsí ení oceli pod zásaditou struskou, snížení rozpustnosti síry v d sledku tvorby sulfid se používá vápník. Reakce mezi sírou a prvkem s vysokou afinitou k sí e mají velký vliv na morfologii sulfid , které vznikají p i tuhnutí. Síra má silný sklon k segregaci a v mikrom ítku segreguje k hranicím dendrit . V mezidendritických prostorách dochází k obohacení taveniny sírou na koncentrace, p i kterých vznikají sulfidy prvk také s nižší afinitou k sí e nap . MnS. Podle obsahu síry, koncentrace prvk s vysokou afinitou k sí e a obsahu ostatních prvk , zejména kyslíku, se p i teplotách solidu nastavuje chemické složení vznikajících slou enin síry s odpovídající teplotou tavení. Jestliže se slou eniny síry vylu ují, jako tuhá fáze vznikají hranaté vm stky, které mají malý vliv na houževnatost oceli. Za p ítomnosti prvk s vysokou afinitou k sí e a kyslíku mohou vznikat vm stky s teplotou tavení nižší než je teplota solidu oceli. Za chto podmínek jsou vznikající sulfidy tekuté a tvo í Obr. 2.5 Vliv prvk na rozpustnost síry kulovité vm stky. v železe p i teplot 1600 °C Jestliže je v tavenin nedostate né množství prvk s vysokou afinitou k sí e a k tvorb sulfid dochází až po vysokém obohacení mezidendritické taveniny sírou ke konci tuhnutí, tak vznikají ploché rozv tvené vm stky usm rn né do mezidendritických prostor, které výrazn snižují houževnatost oceli. V ocelích na odlitky se b žn vyskytují obsahy síry pod 0,030 %. U ocelí, u kterých jsou požadovány vyšší hodnoty houževnatosti také p i záporných teplotách, se snižuje obsah síry pod 0,015 %. U vysoce pevných ocelí na odlitky se požadují obsahy síry pod 0,010 %. Pro snížení segregací síry v t žkých odlitcích se snižuje obsah síry pod 0,003% i níže. i odsí ení se využívá asto zvýšení aktivity síry za p ítomnosti jiných prvk . Pozitivní podmínky pro odsí ení jsou p i výrob ocelí s vysokým obsahem uhlíku a k emíku protože oba prvky zvyšují aktivitu síry. Negativní podmínky jsou p i legování prvky snižujícími aktivitu síry, a proto je vhodné odsi ovat p ed legováním nap íklad p i výrob legovaných ocelí p ed p ísadou chrómu. 27


Vliv jednotlivých prvk uvedených v tab. 2.5.

a aktivitu síry lze posoudit z hodnot interak ních sou initel

Tab. 2.5 Doporu ené hodnoty interak ních sou initel prvního a druhého ádu v soustav Fe-X-S

eSX .10 3 rSX .10 4

X

X

eSX .10 3

rSX .10 4 X

eSX .10 3

rSX .10 4 X

eSX .10 3

rSX .10 4

Al

35

9

Cr

–12

–

Nb

– 13

–1

Sn

43

–

As

4,1

–

Cu

– 8,4

–

Ni

0,06

–

Ta

-0,2

–

Au

4,2

–

H

120

–

O

– 440

–

Th

-200

–

B

130

74

Hf

– 45

–

P

29

6

Ti

–82

1

La –20000

–

Pb

– 46

–

U

-67

–

58

Mg –30000

–

Pt

8,9

1

V

-22

–

Ca –32000

–

Mn

– 21

–

S

– 28

–9

W

4

1

Ce –19000

–

Mo

2,7

–

Sc –11000

–

Y –18000

Co

–

N

10

–

Si

17

Zr

Ba –30000 C

110

2,6

63

–67

– –2

Shrnutí pojm kapitoly Po prostudování kapitoly by vám m ly být jasné následující pojmy: chemická termodynamika termodynamické vlastnosti a d je termodynamické stavové veli iny a stavové funkce el metalurgických pochod úloha kyslíku, dusíku a vodíku v roztaveném železe úlohu uhlíku a síry v roztaveném železe

Otázky k probranému u ivu 1) Jaké znáte praktické využité termodynamiky? 2) Které znáte termodynamické stavové veli iny a jejich další využití? 3) Které znáte termodynamické stavové funkce a jejich základní charakteristiky? 4) Jaká je úloha kyslíku v roztaveném železe? 5) Jak se projevuje dusík v roztaveném železe? 6) Jak se projevuje vodík v roztaveném železe? 7) Jaké je úloha uhlíku v roztaveném železe?

28



3.

Normy a sortiment ocelí na odlitky. Konstruk ní oceli na odlitky. Speciální oceli na odlitky korozivzdorné. Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení. as ke studiu: 110 minut

Cíl


seznámíte se s významem a funkcí technických dodacích podmínek podle SN EN ujasníte si sou asn používaný systém zna ení sortimentu oceli na odlitky budete znát základní charakteristiku konstruk ních ocelí na odlitky budete znát základní charakteristiku korozivzdorných ocelí na odlitky ujasníte si jednotlivé struktury korozivzdorných ocelí na odlitky budete znát základní charakteristiku speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení

Výklad Sortiment ocelí na odlitky významn zastoupených v sortimentu eských sléváren Sortiment oceli byl v posledních létech ovlivn n zejména dv ma zm nami: - Nelegované oceli b žné jakosti byly do zna né míry nahrazeny odlitky z litiny s kuli kovým grafitem. Nelze je nahradit tam, kde jsou požadovány vlastnosti s dobrou sva itelností, plastické vlastnosti a vysoká houževnatost za pokojové teploty i za nízkých teplot (nízkou hodnotu p echodové teploty). Pe livost vedení tavby a jakost vlastního metalurgického p edpisu se nejvíce projeví na hodnotách houževnatosti a p echodové teploty. - Zapojením eské ekonomiky do evropského hospodá ského prostoru a s tím souvisejícím echodem na evropské normy. ed tímto obdobím byly v eských slévárnách používány mimo národní SN také n mecké normy DIN a n které další normy. 29


Také po p echodu na jednotné evropské normy jsou i p vodní starší normy v obchodním styku nadále významn používány. 3.1 Normy a sortiment ocelí na odlitky Používání norem bylo d íve závazné. V sou asné dob je používání norem v eské republice výsledkem obchodního jednání. Dohodnuté normy pro dodávky odlitk , které jsou edm tem kupní smlouvy a jsou pro ob strany závazné. Výrobce garantuje vlastnosti uvedené v norm bez ohledu na zákazníkem požadované zkoušky, není-li v kupní smlouv uvedeno jinak. Podmínky dodávky odlitk , zna ení, zp sob výroby, zkoušení, p íp. další ur ují technické dodací podmínky. V sou asné dob jsou platné Technické dodací podmínky SN EN 1559-1, které specifikují dodávky odlitk obecn . Dodávky ocelových odlitk up es uje navazující norma SN EN 1559-2 Dopl kové požadavky na ocelové odlitky. Tuto oblast norem dopl ují Technické dodací podmínky pro ocelové odlitky pro tlakové nádoby ást 1 až ást 4. Technické podmínky pro jednotlivé zna ky ocelí p edepisují zejména chemické složení, podmínky sva itelnosti, tepelné zpracování, a požadované mechanické vlastnosti pro r zné teploty zkoušení. Zna ky ocelí jsou rozd leny podle používání do t í skupin. Ve 2. ásti SN EN 10213-2 jsou uvedeny Zna ky ocelí pro použití za normální teploty a za zvýšených teplot. Ve 3. ásti SN EN 10213-3 jsou uvedeny Zna ky ocelí pro použití za nízkých teplot. Ve 4. ásti SN EN 10213-4 jsou uvedeny Zna ky austenitických a austeniticko-feritických ocelí. Dále se používají v R starší dnes již neplatné technické dodací podmínky SN 42 12 61 a DIN 1690. Zna ení ocelí je upraveno normami SN EN 10027-1 Systémy ozna ování ocelí 1. ást: Systém zkráceného ozna ování Základní symboly SN EN 10027-2 Systémy ozna ování ocelí 2. ást: Systém íselného ozna ování. Další len ní sortimentu ocelí na odlitky: Oceli pro všeobecné použití SN EN 10293 - Oceli na odlitky pro všeobecné použití (konstruk ní oceli). Korozivzdorné oceli SN EN 10283 - Oceli na odlitky z korozivzdorných ocelí. Žáruvzdorné oceli SN EN 10295 - Oceli na odlitky ze žáruvzdorných ocelí. 3.2 Konstruk ní oceli na odlitky Oceli jsou ur eny pro všeobecné použití ( SN EN 10293). Nelegované oceli s obsahem Mn nižším než 1,20 % mají p edepsaný maximální obsah P a S. Nelegované oceli s obsahem Mn do 1,20 % jsou znázorn ny v tab. 3.1. Požadavek na chemické složení je u zna ek GE XXX p edepsán pouze pro maximální obsah síry a fosforu. Ostatní chemické složení si ídí provoz slévárny tak, aby byly dosaženy edepsané mechanické hodnoty. U zna ek GS XXX jsou p edepsány pouze maximální obsahy uhlíku, k emíku a síry a dále rovn ž základní mechanické hodnoty.

30


Tab. 3.1 Chemické složení nelegovaných konstruk ních ocelí na odlitky s obsahem Mn nižším než 1,2 %. Ozna ení Zna kou GE 200 GS 200 GE 240 GS 240 GE 300

íslem 1.0420 1.0449 1.0446 1.0455 1.0558

Max. povolený obsah v hmot. %. C Si Mn P S 0,035 0,030 0,18 0,60 1,20 0,030 0,025 0,035 0,030 0,23 0,60 1,20 0,030 0,025 0,035 0,030

t* Rp0,2 Rm A KV** [mm] [MPa] [MPa] [%] [J] 300 200 380-530 25 27 100 200 380-530 25 35 300 240 450-600 22 27 100 240 450-600 22 31 30 300 600-750 15 27 30-100 300 520-670 18 31

*tlouš ka ** zkouška rázem v ohybu p i teplot okolí

Nelegované oceli s obsahem Mn 1,60 až 1,80 %. Jakosti t chto zna ek oceli jsou nejenom v eských slévárnách velmi rozší eny. Jednotlivé zna ky této skupiny ocelí se od sebe liší zejména obsahem uhlíku a jejich chemické složení je uvedeno v tab. 3.2. Pro názornost je v této tabulce p azení jednotlivých zna ek ozna ených podle staré SN normy. Za azení je p ibližné a všechny hodnoty chemického složení se nekryjí s hodnotami. Tab. 3.2 Chemické složení nelegovaných konstruk ních ocelí na odlitky s obsahem Mn 1,60 až 1,80 %. Ozna ení Zna kou íslem G17Mn5 G20Mn5 G24Mn6 G28Mn6

1.1131 1.6220 1.1118 1.1165

Chemické složení v hmot. %. C C Si Mn Mn P min. max. max. min. max. max. 0,15 0,20 0,60 1,00 1,60 0,020 0,17 0,23 0,60 1,00 1,60 0,020 0,20 0,25 0,60 1,50 1,80 0,020 0,25 0,32 0,60 1,20 1,80 0,035

Ekvivalent v staré SN S max. 0,020 42 27 13 0,020 42 27 14 0,015 42 27 12 0,030 42 27 09

Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností nelegovaných konstruk ních ocelí na odlitky s obsahem Mn 1,60 až 1,80 % je možné dohledat v doporu ené literatu e. V tab. 3.2 nejsou uvedeny maximální obsahy nespecifikovaných prvk . Tyto jsou znázorn ny v tab. 3.3. Tab. 3.3 Maximální obsahy nespecifikovaných prvk v % hmotnosti Typy ocelí Cr Mo Ni Uhlíkové oceli 0,30 0,12 0,40 Legované oceli 0,30 0,15 0,40 a 0,08% V pro oceli s Cr 10% hmotnosti

V 0,03 0,05a

Cu 0,30 0,30

Cr + Mo + Ni + V + Cu 1,00

Široký rozsah mechanických vlastností jakostí ocelí v tab. 3.2 je možné dosáhnout tepelným zpracováním. Nutným p edpokladem je však u v tšiny zna ek kalení v kalicí lázni. Nízkolegované oceli lze rozd lit na oceli legované Mo, oceli legované Cr + Mo a na oceli obsahující dále Ni. U skupiny nízkolegovaných Cr + Mo ocelí se obsah chrómu pohybuje v intervalu 0,80 až 2,50 %, a obsah Mo 0,15 až 1,20 %. Zásadní vliv na vlastnosti této skupiny ocelí má obsah uhlíku a stabilita karbid za vyšších teplot se u molybdenových a chróm-molybdenových ocelí zvyšuje p ísadou 0,05 až 0,15 % V. Tab. 3.4 znázor uje chemické složení nízkolegovaných Mo a Cr + Mo ocelí a je zde také uvedena zna ka G10MnMoV6-3 nízkolegované mangan molybden vanadové oceli.

31


Tab. 3.4 Chemické složení nízkolegovaných Cr-Mo-(V) ocelí na odlitky Ozna ení Zna kou G20Mo5 G10MnMoV6-3 G15CrMoV6-9 G17CrMo5-5 G17CrMo9-10 G26CrMo4 G34CrMo4 G42CrMo4 G30CrMoV6-4

C 0,15–0,23 max. 0,12 0,12–0,18 0,15–0,20 0,13–0,20 0,22–0,29 0,30–0,37 0,38–0,45 0,27–0,34

Si max. 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60

Chemické složení v hmot. %. P S Mn Cr max. max. 0,50–1,00 0,025 0,020 1,20–1,80 0,025 0,020 0,60–1,00 0,025 0,020 1,30–1,80 0,50–1,00 0,025 0,020 1,00–1,50 0,50–0,90 0,025 0,020 2,00–2,50 0,50–0,80 0,025 0,020 0,80–1,20 0,50–0,80 0,025 0,020 0,80–1,20 0,60–1,00 0,025 0,020 0,80–1,20 0,60–1,00 0,025 0,020 1,30–1,70

Mo

V

0,40–0,60 0,20–0,40 0,05–0,10 0,80–1,00 0,15–0,25 0,45–0,65 0,90–1,20 0,15–0,30 0,15–0,30 0,15–0,30 0,30–0,50 0,05–0,15

Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností nízkolegovaných Cr-Mo-(V) ocelí na odlitky je možné dohledat v doporu ené literatu e. Nízkolegované a st edn legované oceli uvedené v tab. 3.4 a v eských slévárnách se vyráb jí jen omezen a proto by bylo žádoucí jejich produkci zvýšit. Poslední skupinou ocelí na odlitky pro všeobecné použití jsou vysokolegované martenzitické oceli s obsahem chrómu nad 12 % s obsahem uhlíku do 0,06 %. Tyto oceli jsou sou asn za azeny mezi vysokolegované korozivzdorné oceli s martenzitickou strukturou. 3.3 Korozivzdorné oceli Oceli odolné proti korozi jsou materiály schopné pasivace povrchu za p ítomnosti chrómu. Nejnižší koncentrace chrómu v matrici, která zajiš uje pasivaci je 11,5 %. Protože m že být v technických slitinách také ást obsahu chromu vázána na karbidy, tak je nutné koncentraci chromu pro zachování stejné korozní odolnosti oceli zvýšit. Odolnost proti korozi ocelí závisí také na obsahu dalších prvk zejména C, Ni, Mo, Mn, ípadn na N a Cu. Zm nou chemického složení dochází k ovliv ování, p íp. zm vznikající struktury a její teplotní stability, s ímž korespondují i odpovídající mechanické vlastnosti t chto materiál . V prvním p iblížení je možné p i predikci výsledné struktury vycházet z rovnovážného diagramu Fe-Cr , který je znázorn n na obr. 3.1. V rovnovážném diagramu Fe-Cr se p i obsahu chrómu okolo 12 % uzavírá oblast . i vyšším obsahu chrómu ve slitin než 12 % proto nedochází p i chladnutí k p ekrystalizaci. Výsledná struktura t chto ocelí je pak feritická. V p ípad , že je obsah uhlíku vyšší, než je jeho rozpustnost ve feritu p i dané teplot , vznikají ve struktu e b hem chladnutí též karbidy. Pokud je obsah chrómu v oceli nižším než 12 %, tak jsou samokalitelné a za obvyklých výrobních podmínek se transformuje austenit na martenzit. V p echodové oblasti obsahu chrómu m že jen ást feritu p ekrystalizovat na austenit. Výsledné struktura je pak feriticko – martenzitická. Austenitotvorné prvky Ni, C, N, Mn rozši ují oblast a snižují teplotu martenzitické p em ny. Obr. 3.1 Rovnovážný diagram Fe–Cr

32


Vysokolegované oceli Cr - Ni mohou mít austenitickou strukturu i za pokojové teploty. Nikl p ispívá ke zvýšení korozivzdornosti a je vedle chrómu druhým nejd ležit jším prvkem v nerezav jících ocelích. P i nižší koncentraci austenitotvorných prvk lze získat austeniticko feritickou strukturu. P i vyšších koncentracích chrómu (40 až 50 %) se vylu uje sigma fáze. Vylu ování sigma fáze je u korozivzdorných ocelí nežádoucí, nebo vede ke snížení houževnatosti oceli. Odlitky z korozivzdorných ocelí Korozivzdorné oceli na odlitky mají nízký obsah uhlíku, vyjma dvou zna ek martenzitických ocelí, u ostatních zna ek je obsah uhlíku nižší než 0,070 %. Oceli rozd lujeme podle normy na struktury martenzitické, austenitické, pln austenitické a austeniticko – feritické. Rozdíl mezi austenitickými a pln austenitickými ocelemi není sice v norm specifikován, ale lze tyto oceli lenit podle koncentrace niklu. Austenitické oceli obsahují 8 až 12 % niklu a pln austenitické ocelí mají vysoký obsah niklu v rozmezí cca 24 až 30,5 %. Krom chrómu a niklu je významným legujícím prvkem molybden. Pln austenitické zna ky obsahují až 7 % Mo. K legování n kterých zna ek austenitických, pln austenitických a austeniticko – feritických se používá také dusík a to v koncentracích do 0,25 %. M dí jsou korozivzdorné oceli u kterých zna ek legovány do 4 %. Vlivem tvorby karbid chromu mohou vznikat v oceli místa ochuzená o chrom, která mají nižší korozivzdornost než ostatní matrice. Na t chto místech, zejména pak na hranicích zrn, že výskyt t chto karbid vést ke vzniku mezikrystalické koroze. Tento typ koroze se vyskytuje obzvlášt po sva ování v tepeln ovlivn né zón . Ochranou proti mezikrystalické korozi je bu snížení obsahu uhlíku na koncentraci, která se rovná nebo je menší než je rozpustnost uhlíku v matrici p i teplotách za kterých se ješt vylu ují karbidy, nebo legováním oceli prvky s vyšší afinitou k uhlíku než má chrom. Legování oceli prvky s vysokou afinitou k uhlíku se íká stabilizace. Vysokou afinitu k uhlíku mají zejména Ti, Nb, Ta. V sou asnosti se dává p ednost použití niobu, p íp. kombinaci Nb + Ta. Struktura nerezav jících ocelí tedy závisí jednak na obsahu prvk , které oblast zužují (feritotvorné prvky), a dále prvk , které naopak tuto oblast rozši ují (austenitotvorné prvky). Pro shrnutí ú ink austenitotvorných prvk a feritotvorných prvk se zavádí pojem tzv. ekvivalentu niklu Niekv.(3.1) a ekvivalentu chromu Crekv.(3.2). Jejich zavedení umož uje vyjád it vliv chemického složení na strukturu nerezav jících ocelí. Grafické znázorn ní vliv jednotlivých prvk na kone nou strukturu udává tzv. Schaeffler v diagram na obr. 3.2. Hodnoty jednotlivých ekvivalent lze ur it s využitím vztah : Ni ekv. %Ni 0,5 . %Mn 30 . %C 30 . %N Crekv. %Cr %Mo 1,5. %Si 0,5 . %Nb

33

(3.1) (3.2)


Obr. 3.2 Schaeffler v strukturní diagram Cr-Ni ocelí

Schaeffler v diagram není rovnovážným diagramem, ale zobrazuje strukturu, kterou lze p i daném chemickém složení získat v litém stavu, tj. v odlitku. Tohoto diagramu se také využívá i odhadu výsledné struktury svarového kovu, vznikajícího mícháním svarového kovu s legovaným anebo nelegovaným základním materiálem. Martenzitické oceli Korozivzdorné oceli s martenzitickou strukturou lze podle chemického složení rozd lit na oceli chromové a chromniklové. Chromniklové oceli bývají také legovány molybdenem. Tento typ ocelí má strukturu tvo enou tetragonální prostorov st ed nou m ížkou, která vzniká díky vysokému obsahu chrómu i p i nízkých rychlostech ochlazování. Martenzitické korozivzdorné oceli obsahují 11,5 až 17,0 % chrómu a obsah uhlíku se ídí podle obsahu niklu. U zna ek s nižším obsahem uhlíku (pro zlepšení sva itelnosti) je nutné austenitotvorné sobení uhlíku kompenzovat zvýšeným obsahem niklu. Martenzitické oceli s obsahem niklu do 1 % mají p i pokojové teplot strukturu tvo enou nejen základní martenzitickou fází, ale obsahují zpravidla také do 10% feritu. Aby byla zjišt na korozivzdornost martenzitických ocelí, musí obsahovat více než 11,5 % chrómu. Ze Schaefflerova diagramu (obr. 3.2) dále vyplývá, že ocel musí obsahovat také prvky rozši ující oblast , tj. zejména uhlík a nikl. Dolní hranice obsahu uhlíku je omezena u ocelí bez p ísady niklu podílem feritu ve struktu e, nebo snižování jeho obsahu dochází k r stu podílu feritu ve struktu e. Maximální p ípustný obsah feritu v t chto ocelích je 20 %. Pro zvýšení sva itelnosti martenzitických ocelí se požaduje snížení obsahu uhlíku, které je kompenzováno p ísadou niklu. Snížení obsahu uhlíku m že být kompenzováno podle rovnice (3.1) zvýšením obsahu niklu V sou asnosti se využívají pom ry na obsah niklu 4 až 6 % a obsah uhlíku se snížil pod 0,06 %. Nové typy martenzitických Cr-Ni ocelí se vyzna ují vyšší korozivzdorností, houževnatostí a lepší sva itelností. Struktura martenzitických ocelí s 3,5 až 6,0 % niklu p i 12,0 až 17,0 % Cr je tvo ena martenzitem a disperzn vylou eným austenitem, kdy podíl austenitu se pohybuje okolo 25 % a více. Vlastností uvedených ocelí významn ovliv uje dispersn vylou ený austenit, který zvyšuje houževnatost t chto ocelí i p i záporných teplotách a zlepšuje sva itelnost. Ocel GX5CrNi16-4 je legována m dí. Oceli legované m dí jsou vytvrditelné. Složení jednotlivých zna ek martenzitických korozivzdorných ocelí znázor uje tab. 3.5. 34


Tab. 3.5 Chemické složení martenzitických korozivzdorných ocelí dle normy SN EN 10283 Ozna ení Chemické složeni v hmotnostních % ekvivalent zna kou íslem C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu SN GX12Cr12

1.4011

max. 0,15

max. 1,00

max. 1,00

max. 0,035

max. 0,025

11,50 max. 13,50 0,50 GX4CrNiMo12-1 1.4008 0,10 1,00 1,00 0,035 0,025 12,00 0,20 13,50 0,50 GX4CrNi13-4 1.4617 0,06 1,00 1,00 0,035 0,025 12,00 max. 13,50 0,70 GX4CrNiMo16-5-1 1.4405 0,06 0,80 1,00 0,035 0,025 15,00 0,70 17,00 1,50 GX4CrNi1Mo16-5- 1.4411 0,06 0,80 1,00 0,035 0,025 15,00 1,50 2 17,00 2,00 GX5CrNi16-4* 1.4525 0,07 0,80 1,00 0,035 0,025 15,00 Max. 17,00 0,80 * V oceli GX5CrNi16-4 je omezen obsah N max. 0,05% a obsah Nb max. 0,35%

max. 1,00 1,00 2,00 3,50 5,00 4,00 6,00 4,00 6,00 3,5 5,5

-

422905

-

422904

-

422960

2,50 4,00

Martenzitické oceli jsou korozn odolné v zakaleném stavu. Popoušt ním na teplotách 450 až 550 °C se vyskytuje u martenzitických ocelí v souvislosti s vylu ováním karbid z martenzitu popoušt cí k ehkost. Martenzitické oceli jsou dob e sva itelné pouze v p ípad jejich nízkouhlíkatých modifikací. Teplené zpracování martenzitických ocelí spo ívá v kalení na vzduchu a následujícím popoušt ní. Dodržení teplotního režimu je d ležité zejména p i tepelném zpracování ocelí s obsahem 3,50 až 6,00 % Ni. Chemické složení t chto oceli je kolem 13,0 až 17,0 % Cr a 3,5 až 6,0 % Ni p i obsahu uhlíku do 0,06 %. Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností martenzitických korozivzdorných ocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e. Vzhledem k vysokým pevnostem p i dobré sva itelnosti se používají martenzitické oceli p i stavb vodních turbín, kompresor a sou ástem pracujících v mo ské vod , v potraviná ském pr myslu a ve zdravotní technice. Oceli výše legované Mo mají vyšší korozní odolnost v mo ské vod a používají se také p i stavb odsolovacích za ízení (výroba pitné vody z mo ské). Korozní odolnost martenzitických ocelí je nižší než je tomu u feritických i austenitických ocelí, p edstavují však nejlevn jší variantu korozivzdorných ocelí. Feritické oceli U ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do cca 0,08 % C) je tato ocel feritická již p i obsahu chrómu nad 17 %. B žn používané feritické oceli obsahují od 17 do 30 % Cr a od 0,1 do 0,20 % C. Mezi ist feritické korozivzdorné oceli pat í také speciální oceli se sníženým obsahem uhlíku pod 0,01 % ozna ované jako superferity. Feritické oceli mají dobrou korozní a žárovou odolnost, ale nižší vrubovou houževnatost a vysokou vrubovou citlivost. i tuhnutí t chto ocelí se vylu uje z taveniny chromový ferit, který s poklesem teploty již dále netransformuje. Rozpustnost uhlíku v chromovém feritu je nižší než 0,01 %, proto je v podstat všechen v oceli p ítomný uhlík vylou en ve form karbid . Feritické oceli s vyššími obsahy uhlíku jsou proto k ehké a používají se jako oceli žáruvzdorné. Jako korozivzdorné oceli používají oceli s obsahem Cr okolo 17 % a obsahem uhlíku pod 0,08 %. Feritické oceli se tepeln nezpracovávají s výjimkou tepelného zpracování na odstran ní ehkosti. Obdobn jako je tomu u martenzitických ocelí, dochází také u ist feritických ocelí k poklesu houževnatosti v oblasti teplot 400 až 550 °C. U tohoto typu ocelí mluvíme o ehkosti p i 475 °C podle teploty, která ji nejvýrazn ji vyvolává. Z tohoto d vod se feritických korozivzdorných ocelí nepoužívá pro sou ásti pracující v oblasti teplot 400 až 35


600 °C. Nad teplotou 900 °C dochází také k hrubnutí zrna a v p ípad dlouhodobého oh evu i teplotách 550 až 800 °C dochází ke k ehnutí oceli vlivem vylu ování k ehké fáze . Ke snížení sklonu k hrubnutí zrna je možné tyto oceli stabilizovat prvky Ti nebo Nb, které sou asn svým feritickým ú inkem mohou zamezit vzniku k ehké dvoufázové martenziticko - feritické struktury. Pro použití feritických ocelí hovo í p edevším úspora niklu, který spole s molybdenem zpravidla nejvíce rozhodují o cenách korozivzdorných ocelí. Použití t chto oceli je zejména v energetice na díly vým ník , p edeh íva e vzduchu, rekuperátory a sou ásti kotl . Na odlitky se vysokolegované feritické chrómové oceli používají z ídka a norma SN EN 10283 feritické oceli neuvádí. V norm SN EN 10295 Žáruvzdorné oceli na odlitky je uvedeno 6 zna ek feritických ocelí. S ohledem na vysoký obsah uhlíku nejsou tyto oceli vhodné jako korozivzdorné oceli. Feritické oceli s nízkým obsahem uhlíku je možné vyráb t metodami vakuové metalurgie. Tato za ízení však nejsou v b žných v eských slévárnách k dispozici. Austenitické oceli i dostate ném množství austenitotvorných prvk zejména Ni (Mn, C, N) se snižuje teplota martenzit start i p i vysokém obsahu Cr v korozivzdorných ocelích pod pokojovou teplotu. Oceli pak mají austenitickou strukturu. V sou asnosti je používán obsah Ni 9 až 12 %, p i obsahu 18 až 20 % Cr. Snaha nahradit deficitní nikl vedla k austenitickým ocelím, u kterých byla ást niklu nahrazena dusíkem. Dusík v austenitických Cr-Ni ocelích zvyšuje pevnostní vlastnosti a oceli legované dusíkem mají výbornou korozivzdornost. Nap íklad jak vyplývá ze vztahu pro výpo et ekvivalentu niklu Niekv. (3.1), lze nahradit austenitotvorný ú inek 3 % niklu pomocí 0,1 % dusíku. Rozpustnost dusíku je vzhledem k vysokým obsah m Cr podstatn vyšší, než je nap . jeho rozpustnost v istém železe. Oproti tvá eným ocelím je však obsah dusíku v austenitických ocelích omezen na 0,20 % a to u zna ek s obsahem uhlíku do 0,03 %. P i vysokých obsazích dusíku je v odlitcích nebezpe í vzniku endogenních bublin. Složení jednotlivých zna ek austenitických korozivzdorných ocelí je znázorn no v tab. 3.6. Tab. 3.6 Chemické složení austenitických korozivzdorných ocelí Ozna ení

Chemické složeni v hmotnostních %

zna kou

íslem 1.4309

C max. 0,03

Si max. 1,50

Mn max. 2,00

P max. 0,035

S max. 0,025

GX2CrNi19-11 GX5CrNi19-10

1.4308

0,07

1,50

1,50

0,040

0,030

GX5CrNiNb19-11**

1.4552

0,07

1,50

1,50

0,040

0,030

GX2CrNiMo19-11-2

1.4409

0,03

1,50

2,00

0,035

0,025

GX5CrNiMo19-11-2

1.4408

0,07

1,50

1,50

0,040

0,030

GX5CrNiMoNb 1911-3** GX5CrNiMo19-11-3

1.4581

0,07

1,50

1,50

0,040

0,030

1.4412

0,7

1,50

1,50

0,040

0,030

GX2CrNiMoN17-134

1.4446

0,03

1,00

1,50

0,040

0,030

* Ekvivalenty v SN mají vyšší povolený obsah uhlíku ** Oceli jsou stabilizované %Nb 8 %C až 1 %

36

Cr

Mo

Ni

18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0 18,0 20,0

-

9,0 12,0 8,0 11,0 9,0 12,0 9,0 12,0 9,0 12,0 9,0 12,0 10,0 13,0 12,5 14,5

2,00 2,50 2.00 2,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50

N max. 0,20

ekvivalent SN*

422931

0,20 422942

0,12 0,22


Rozpustnost uhlíku v austenitu p i pokojové teplot je 0,03 %. P i vyšším obsahu uhlíku je nutné austenitické Cr-Ni oceli homogeniza žíhat p i teplot cca 1050 °C s následným ochlazením do vody (rozpoušt cí žíhání). Rychlým ochlazením se potla í difúze uhlíku a získá se austenitická struktura bez karbid i u ocelí s obsahem uhlíku vyšším než je rozpustnost austenitu za pokojových teplot. P i dlouhodobém oh evu na teplotách 500 až 950 °C však dochází k vylu ování karbid , což vede k náchylnosti oceli k mezikrystalické korozi. Oceli s vyšším obsahem uhlíku nejsou proto vhodné pro sva ování, protože v tepeln ovlivn né zón není ocel odolná v i mezikrystalické korozi. Odolnost proti mezikrystalické korozi lze zajistit stabilizací oceli p ísadou karbidotvorných prvk jako Ti, Nb a Ta. V sou asnosti se však dává p ednost p ed ocelemi stabilizovanými ocelím s nízkým obsahem uhlíku pod 0,03 %. Austenitické oceli vykazují v porovnání s martenzitickými a feritickými ocelemi nejv tší korozivzdornost. Nejsou však vhodné do prost edí obsahujícího oxidy síry. P ísadou Ni dochází k vzr stu odolnosti v i elektrochemické a plynné korozi. Austenitické oceli mají výbornou houževnatost i za záporných teplot. S austenitickou strukturou souvisí v chromniklových ocelích také nízká mez kluzu, nižší pevnost, velká plasticita a malá elektrická a tepelná vodivost. Další zvýšení korozní odolnosti a mechanických vlastností je možné p ísadou n kterých prvk . Zvýšení odolnosti proti kyselin sírové je možné provést p ísadou Cu. Zvýšení odolnosti proti kyselin chlorovodíkové a chloridovým iont m je možné p ísadou Mo v množství 2 až 4,5 %. P ísadu feritotvorných prvk jako nap . Mo, Ti a Nb do ist austenitických ocelí je nutno kompenzovat, nebo tyto prvky snižují stabilitu austenitu. Kompenzace t chto prvk se provádí zpravidla zvýšením obsahu niklu na 20 až 25 %, p itom ást niklu se n kdy nahrazuje dusíkem. Ke zvýšení odolnost proti mezikrystalické korozi u tohoto typu ocelí se dosahuje také snižováním obsahu uhlíku a síry. Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností austenitických korozivzdorných ocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e. Zna ky ocelí uvedené v norm SN EN 10283 jsou používány s dobrými výsledky po dostate dlouhou dobu. Hodnoty získané p i laboratorních zkouškách nejsou vždy adekvátní hodnotám získaných p i skute ném použití. P ídavné látky a zne išt ní korozních médií mohou být p inou rozdílných výsledk . Pln austenitické oceli Tyto oceli mají chemické složení, které zajiš uje u odlitk pln austenitickou strukturu. Pro tyto oceli je charakteristický vysoký obsah legujících prvk a nízký obsah uhlíku. S výjimkou jedné zna ky m že p esáhnout u ocelí této skupiny sou et obsah legujících prvk p es 50 % až 60 %. Jako legující prvek u t chto ocelí, z ásti nahrazující nikl, se hojn používá dusík. které oceli jsou také pom rn vysoko legované m dí. Pro vysoký obsah legujících prvk , zejména niklu a molybdenu, obsah niklu až 30,5 % a vysoký obsah molybdenu až 7 %, je nutné po ítat s vysokými náklady na vsázku. Z toho vyplývá nutnost vynaložit na všech pracovištích maximální opat ení pro snížení ztrát legovaného materiálu. Chemické složení pln austenitických ocelí je uvedeno v tab. 3.7.

37


Tab. 3.7 Chemické složení pln austenitických korozivzdorných ocelí Ozna ení


zna kou

íslem 1.4458

C max. 0,030

Si max. 1,00

Mn max. 2,00

P max. 0,035

S max. 0,025

GX2NiCrMo28-20-2 GX4NiCrCuMo 3020-4 GX2NiCrMoCu2520-5 GX2NiCrMoN2520-5 GX2NiCrMoCuN2925-5 GX2NiCrMoCuN2520-6 GX2NiCrMoCuN2018-6

1.4527

0,060

1,50

1,50

0,040

0,030

1.4584

0,025

1,00

2,00

0,035

0,020

1.4416

0,030

1,00

1,00

0,035

0,020

1.4587

0,030

1,00

2,00

0,035

0,025

1.4588

0,025

1,00

2,00

0,035

0,020

1.4593

0,025

1,00

1,20

0,030

0,010

Cr

Mo

Ni

N

Cu

19,0 22,0 19,0 22,0 19,0 21,0 19,0 21,0 24,0 26,0 19,0 21,0 19,5 21,5

2,00 2,50 2,00 2,50 4,00 5,00 4,50 5,50 4,00 5,00 6,00 7,00 6,00 7,00

26,0 30,0 27,5 30,5 24,0 26,0 24,0 26,0 28,0 30,0 24,0 26,0 15,5 19,5

max. 0,20 max. 020 0,12 0,20 0,15 0,25 0,10 0,25 0,18 0,24

max. 2,00 3,00 4,00 1,00 3,00 2,00 3,00 0,50 1,50 0,50 1,50

Tepelné zpracování pln austenitických ocelí je podobné jako u výše popsaných austenitických ocelí. Pro vysoký obsah koncentrace legujících prvk v litém stavu jsou tyto oceli z pohledu chemického složení zna heterogenní. Teploty rozpoušt cího žíháni jsou stanoveny ješt vyšší a u n kterých zna ek se provádí rozpoušt cí žíhání až p i teplotách do 1240 °C a následné chlazení se provádí obvykle ve vodní lázni. Pln austenitické oceli mají podobné pevnostní vlastnosti jako oceli austenitické. Tažnost a houževnatost t chto ocelí je ale vyšší. Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností pln austenitických korozivzdorných ocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e. Austeniticko-feritické oceli Tyto oceli nazývané také duplexní oceli obsahují ve struktu e p ibližn stejný podílu feritu a austenitu. Obsahují ze všech skupin korozivzdorných ocelí na odlitky nejvyšší obsahy chrómu 21 až 27 %. Korozivzdornost duplexních ocelí se dále zvyšuje legováním molybdenem a dusíkem. Austeniticko-feritická struktura p i uvedeném obsahu chrómu je dosahována legováním niklem v koncentracích 5,50 až 8,50 %. Mimo jednu zna ku oceli obsahují austeniticko – feritické oceli maximáln 0,03 % uhlíku. Vyšší obsah feritotvorných prvk (chromu a molybdenu) je kompenzován vyšším obsahem austenitotvorných prvk . Protože obsah dusíku je ve všech zna kách v intervalu 0,10 až 0,25 % je nikl ekvivalent Niekv.(3.1) zvyšován p ísadou niklu. Ve zna kách s nejvyšším obsahem Cr a Mo je také nevyšší obsah niklu a to až 8 %. Malá zm na složení oceli m že zp sobit významnou zm nu struktury a tím i vlastností, a proto výroba dvoufázových ocelí vyžaduje zkušenosti o chování oceli p i zm chemického složení v rámci tolerancí povolených normou. Chemické složení austeniticko – feritických ocelí je uvedeno v tab. 3.8.

38


Tab. 3.8 Chemické složení austeniticko – feritických korozivzdorných ocelí Ozna ení


zna kou

íslem 1.4347

C max. 0,080

Si max. 1,50

Mn max. 1,50

P max. 0,035

S max. 0,020

GX2CrNiN26-7 GX2CrNiMoN22-5-3

1.4470

0,030

1,00

2,00

0,040

0,025

GX2CrNiMoN25-3-3

1.4468

0,030

1,00

2,00

0,035

0,025

GX2CrNIMoCuN256-3-3 GX2CrNiMoN25-7-3

1.4517

0,030

1,00

1,50

0,035

0,025

1.4417

0,030

1,00

1,50

0,035

0,020

GX2CrNiMoN26-7-4

1.4469

0,030

1,00

1,00

0,035

0,025

Cr

Mo

Ni

N

Cu

25,0 27,0 21,0 23,0 24,5 26,5 24,5 26,5 24,0 26,0

2,50 3,50 2,50 3,50 3,00 4,00 3,00 4,00

5,5 7,5 4,5 6,5 5,5 7,5 5,0 7,0 6,0 8,5

0,10 0,20 0,12 0,20 0,12 0,25 0,112 0,22 0,15 0,25

2,75 3,50 Max. 1,00

25,0 27,0

3,00 5,00

6,0 8,0

0,12 0,22

Max 1,30

Oceli mají vyšší mez kluzu (420 až 480 MPa) než oceli austenitické a jsou také lépe obrobitelné. P edností austeniticko-feritické oceli je odolnost proti k ehkému porušení, protože feritické oblasti tvo í bariéru proti ší ení trhlin, vznikajících v austenitické fázi. Vzhledem k nižší tepelné roztažnosti oproti austenitickým ocelím vznikají po sva ování menší zbytková pnutí ve svarech a mají tedy i menší sklon k trhlinám v tepeln ovlivn né oblasti svaru. Korozní odolnost t chto ocelí se snižuje v prost edích, která obsahují aniony Cl, J, Br. Nevýhodou t chto ocelí je také snížená strukturní stabilita, která omezuje použití t chto ocelí nad teplotami 300 °C. Dosažení požadovaných mechanických hodnot p i dodržení optimálního chemického složení ne iní ve slévárnách obvykle potíže. Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností austeniticko-feritických ocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e. Žáruvzdorné oceli SN EN 10295 Tyto jakosti ocelí na odlitky se vyráb jí v omezené mí e a jen ve specializovaných slévárnách. Norma EN 10295 rozd luje žáruvzdorné oceli podle struktury na feritické, feriticko - austenitické a austenitické. Norma dále uvádí slitiny na bázi niklu a kobaltu. S ohledem na vyšší obsah uhlíku je výroba žáruvzdorných ocelí ve slévárnách obvykle snadno zvládnutelná. 3.4 Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení Vysokolegované austenitické oceli nejsou v normách SN EN normalizovány, v provozech se používají staré SN normy nebo normy DIN. Hlavním legujícím prvkem v austenitických manganových ocelích je mangan p i obsazích uhlíku nad 1,00 % a na zlepšení mechanických vlastností se používá také p ísada 0,70 až 1,20 % Cr. Oceli s Cr se však p íliš nerozší ily. emík snižuje rozpustnost uhlíku v austenitu a vrubovou houževnatost, doporu uje ve vyrobené oceli obsah k emíku pod 0,70 %. Ke zjemn ní zrna se n kdy p idává do manganových ocelí titan do koncentrace 0,05 %. P ísada molybdenu do 2,00 % zvyšuje mez kluzu.

39


Tab. 3.9 Chemické složení vysokolegovaných austenitických manganových ocelí Norma Zna ka Chemické složení v hmotnostních % C

Mn

Si max.

P max S max

Cr

SN

42 29 20 1,10-1,50 12,0-14,0

0,70

0,10

0,050

SN

42 29 21 1,10-1,50 12,0-14,0

0,70

0,10

0,050

0,70-1,20

0,10

0,040

(1,5)

DIN

1.3401

1,10-1,30 12,0-13,0 0,30-0,70

DIN

1.3407

1,20-1,30 12,0-13,0 0,30-0,70

DIN*

1.3405

0,80-1,00 17,0-18,0

0,6-1,0

Mo

1,9-2,1 0,08

* Ocel na výroby sva ovacího drátu

Austenitická matrice v licí struktu e obsahuje karbidy, které snižují plastické vlastnosti oceli a houževnatost. Tepelné zpracování spo ívá v rozpoušt cím žíhání na teplotu obvykle 1030 až 1060 °C a odlitky se ochlazují ve vodní lázni. Vlastnosti austenitických manganových ocelí ovliv uje významn velikost zrna, kdy oceli s jemným zrnem mají lepší mechanické vlastnosti i ot ruvzdornost než oceli s hrubým zrnem.

Shrnutí pojm kapitoly technické dodací podmínky normy a sortiment ocelí na odlitky konstruk ní oceli na odlitky oceli na odlitky korozivzdorné struktury korozivzdorných ocelí na odlitky žáruvzdorné oceli na odlitky speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení

Otázky k probranému u ivu 1) Jaký mají význam technické dodací podmínky a jakým zp sobem jsou promítnuty do sou asných SN EN? 2) Jaký je sou asný stav v oblasti zna ení sortimentu ve slévárenské výrob ocelí na odlitky? 3) Jaká je základní charakteristika konstruk ních ocelí na odlitky? 4) Jaká je základní charakteristika korozivzdorných ocelí na odlitky? 5) Které jednotlivé struktury korozivzdorných ocelí na odlitky znáte? 6) Jaká je základní charakteristika speciálních ocelí na odlitky vzdorující opot ebení? 40



4.

Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece (EOP). Vyzdívky elektrických obloukových pecí. Vývoj technologie EOP. as ke studiu: 110 minut

Cíl


budete seznámeni se základní konstrukcí elektrické obloukové pece ujasníte si typy vyzdívek a vhodných žáruvzdorných materiál pro EOP pochopíte funkci reakce mezi vyzdívkou a struskou pochopíte funkci reakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovem seznámíte se s vývojem technologie EOP

Výklad Ve slévárnách oceli jsou nejpoužívan jším tavicím agregátem elektrické obloukové pece. V sou asné dob se odhaduje, že ve slévárnách oceli v R je kolem 50 EOP schopných provozu s hmotností vsázky 4 až 18 t. 4.1 Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece Vsázka se taví v elektrické obloukové peci (EOP) elektrickým obloukem, který ho í mezi emi grafitovými elektrodami a vsázkou. Teplota oblouk dosahuje 3000 až 4000 °C. Pec je ipojena obvykle na elektrickou sí 22 kV a pecní transformátor transformuje nap tí na nap tí cca 100 až 220 V u menších a st edních typ pecí. U velkých obloukových pecí je konstrukce postavena, až na 600 V. Elektrické schéma EOP je na obr. 4.1.

41


Obr. 4.1 Elektrické schéma obloukové pece

Vysokonap ová ást a pecní transformátor s tlumivkou jsou umíst ny v transformátorové kobce. Odpojova 1 slouží k odpojení elektrické ásti pece od sít p i její údržb . Vysokonap ový vypína 2 slouží k zapínání a vypínání pece za provozu. Vypína má za ízení pro zhášení elektrického oblouku, k n muž dochází p i vypínání vysokého nap tí mezi kontakty vypína e. Tlumivka 3 snižuje proudové nárazy do sít vznikající zejména p i natavování vsázky. Tlumivka zvyšuje induk ní odpor, a tím stabilizuje elektrický oblouk. Protože zvyšuje elektrické ztráty pece, tak se vypíná co nejd íve s ohledem na podmínky tavení vypína em 4. Pecní transformátor 5 je chlazený vodou. Menší pece starší konstrukce U menších a starších pecí bývají transformátory chlazeny vzduchem. Pro regulaci nap tí na sekundární stran transformátoru ve 4 nebo více nap ových stupních má transformátor na primárním vinutí obvykle jednu a více odbo ek vinutí pro p epínání transformátoru „hv zda-trojúhelník“. Na sekundární vinutí pecního transformátoru navazuje tzv. krátká cesta tvo ená m nými pásnicemi, které kon í na vn jší stran kobky u obloukové pece. Vedení krátké cesty je obvykle vyrobeno z m di. Schéma metalurgické ásti obloukové pece je uvedeno na obr. 4.2 a reálný pohled na EOP je na obr. 4.3. Na vývody pásnic umíst ných na vn jší stran trafokobky je elektricky p ipojena pec nými lany 1, na ramena držák elektrod 2. Na ramenech držák elektrod slouží op t jako vodi m né pásnice až po vlastní držák elektrod 3. V držáku elektrod jsou p ítla ným za ízením (pneumatickým nebo hydraulickým) drženy grafitové elektrody 4, které procházejí klenbou pece (víkem) p es chladi e elektrod 5 do prostoru pece 7. 42


Držáky elektrod jsou umíst ny na sloupech držák elektrod 6, u nichž je mechanicky nebo hydraulicky ovládán pohyb sm rem nahoru a dol . Pohyb je ízen regulací pohybu elektrod, která udržuje nej ast ji konstantní proud nebo p íkon na obloucích. Pláš pecní nádoby je sva en z ocelového plechu a umíst n na kolíbce, která umož uje nakláp ní pece. V pecní nádob je sázecí a odpichový otvor. Sázecí otvor zakrývají pracovní dví ka ovládaná u starších pecí mechanicky nebo u moderních pecí hydraulicky nebo elektrohydraulicky. Pracovní dví ka slouží nej ast ji ke stahování strusky, sázení struskotvorných p ísad, sázení feroslitin a pro další technologické operace. Odpichový otvor je umíst n na opa né stran pece naproti dví m. Za odpichovým otvorem je nava en p íp. p išroubován odpichový žlab. Sklopné za ízení 6 umož uje nakláp ní pecní nádoby 7 ob ma sm ry. Pecní nádoba je zakryta víkem, které se ovládá mechanicky nebo hydraulicky tak, aby bylo možné pece nasadit po otev ení víka sázecím košem. Ve víku jsou 3 otvory pro grafitové elektrody, do kterých se obvykle vkládají chladicí kroužky elektrod.

Obr. 4.3 Elektrická oblouková pec

Obr. 4.2 Schéma elektrické obloukové pece

V t ífázové elektrické obloukové peci je zdrojem tepla elektrický oblouk, který ho í mezi elektrodami a vsázkou (nap . Heroultova pec). P i dotknutí elektrod se vsázkou nastává zkrat, na který reaguje regulace nastavením takové délky oblouku, aby byl zajišt n nastavený proud nebo p íkon. Proudový náraz zmírní tlumivka. Padající vsázka p sobí zm ny podmínek ho ení oblouku, p ípadn další zkraty. V této fázi tavby je rozhodující správná innost regulace pohybu elektrod. Po vytvo ení lázn na dn níst je se podle možností vypíná tlumivka, která krom ohmických ztrát zhoršuje také ú iník pece (pom r inného a zdánlivého výkonu). Obloukové pece jsou vybaveny odsáváním exhalací s jejich separací. Exhalace se odsávají nej ast ji z prostoru krytu nad víkem pece a n které systémy odsávají exhalace p ímo z prostoru pece 4. otvorem ve víku. N které obloukové pece jsou umíst ny v samostatném uzav eném prostoru (Dog House), který je celý odsáván. Separace prachu v odsávaných plynech se provádí obvykle na suchých tkaninových filtrech. Grafitové elektrody jsou vyrobeny z vysoce jakostního kalcinovaného petrolkoksu. Elektrody mají válcový tvar s maximální hladkostí povrchu, aby byl zajišt ný co nejdokonalejší kontakt 43


elektrody a držáku elektrod. Struktura elektrody musí být homogenní s minimální pórovitostí, aby se omezila oxidace. Oxidace probíhá mezi jednotlivými zrny petrolkoksu, ze kterých byla elektroda lisována p ed kone ným slinováním. Tato zrna se posléze uvol uji a padají na láze nebo strusku a jsou zdrojem nauhli ení. Elektrody jsou vzhledem k vysoké cen konstruovány tak, aby nez stávaly nevyužité zbytky (napojování elektrod pomocí grafitových šroubových vsuvek, tzv. nipl ). Pr r elektrod je dimenzován podle maximálních hodnot proudu, které elektrodou procházejí, a podle jakosti grafitu. Pro malé obloukové pece ve slévárnách pece (do 15 t vsázky) se používají grafitové elektrody o pr ru 250 až 300 mm. Pohyb elektrod je ízen regulací, která nej ast ji pracuje na principu udržování konstantního nastaveného p íkonu do pece. Na krátké cest je snímán proud a nap tí na jednotlivých fázích a jejich odchylky od nastavené hodnoty se p evád jí na mechanický pohyb ovládající servomotor, který pohybuje elektrodami. asto se používá elektro-hydraulická regulace, u které je pohyb elektrod zp soben tlakem olejové emulze v hydraulických válcích. Regulátory otevírají nebo p ivírají šoupátka na ívodu tlakové emulze do válc držák elektrod a tím ídí rychlost a sm r pohybu elektrod. Držáky elektrod jsou pevn spojeny s písty pohybujícími se ve válcích. Elektro-hydraulická regulace vyžaduje údržbu zejména t snicích manžet ve válcích. 4.2 Vyzdívky elektrických obloukových pecí Vyzdívka elektrické obloukové pece m že být vyzd na v r zných variantách tvar a jakosti žárovzdorných materiál . Nap íklad níst j je na magnezitových tvárnicích vydusána zrnitým magnezitem. Systémová skladba musí zaru ovat, aby tvárnice následující vrstvy zdiva ekryly mezery ve zdivu p edchozí vrstvy, dodržování p edepsaných dilatací mezi tvarovkami aj. Na tvárnice se dusá nasucho vibrátorem nebo ru vrstva magnezitového slínku bez pojiva. Tlouš ka dusané vrstvy bývá obvykle 150 až 250 mm. Pro životnost p dy je d ležité zvolit optimální granulometrii magnezitového slínku tak, aby došlo k maximálnímu vypln ní prostoru mezi zrny a ke zhutn ní výdusky. Klenba (víko) elektrické obloukové pece je ve slévárnách dnes již obvykle magnezitchromové ípadn z litých žárobeton monolitické korundové. Ve víku pece jsou t i otvory pro pr chod grafitových elektrod, ve kterých jsou obvykle umíst ny chladicí kroužky. Chladicí kroužky t sní otvor kolem elektrod a chladí st ed víka. Zavedení chladicích kroužk výrazn zvýšilo životnost víka. U menších typ obloukových pecí (5 –15 t) se p i použití chladících kroužk elektrod b žn pohybuje životnost víka okolo 100 – 150 taveb. Životnost víka je závislá jednak na vyráb ném sortimentu materiál a dále také na ízení energetického režimu v pr hu celé tavby a struskovém režimu. Použití t chto materiál je pak v t chto p ípadech od vod ováno vyšší životností vyzdívky pece v p erušovaném provozu pece. Provedení vyzdívky obloukové pece je možné rozd lit na jednak vrstvu izola ní a jednak na vlastní pracovní vyzdívku pece. Izola ní vrstva na plášti pece je obvykle tvo ena žáruvzdornou fólií (lepenkou) a p novým šamotem b žn o síle cca 70 mm. Používají se i jiné izola ní materiály, nap íklad na bázi oxidu hlinitého. Vyzdívka pece, tj. st ny pece jsou u zásaditých pecí za vrstvou tepeln izola ního zdiva vyzd ny tvárnicemi nebo bloky na bázi magnezitu anebo magnezitchromu. Tlouš ka pracovní vyzdívky st ny je obvykle kolem 300 mm. Podle konstrukce pece je vnit ní prostor pece bu válcový, nebo má tvar komolého kužele a st ny pece jsou pak šikmé. Výhodou šikmých st n je lepší možnost opravy (opravárenská hmota na st lépe drží), nevýhodou je v tší pr r víka. Ve slévárnách v R mají st ny pecí obvykle šikmý sklon. 44


Magnezitové tvárnice mají menší odolnost proti st ídání teplot. Povrch tvárnic se proto p i st ídání teplot snáze odlupuje. Tvárnice magnezitchrómové lépe odolávají st ídání teplot. Mohou být použity pouze nad struskovou arou, aby nep išly do styku s tekutým kovem, který by mohl z vyzdívky vyredukovat chrom. Nad sázecím a odpichovým otvorem bývá klenba nahrazena deskovými chladi i. Dále je chlazen rám víka a kroužky elektrod. Schéma vyzdívky 5 t obloukové pece je uvedeno na obr. 4.4.

Obr. 4.4 Schéma vyzdívky zásadité obloukové pece

Pozice . 1 - dusaná vrstva magnezitové hmoty, pozice .2 víko pece magnezitchromové p ípadn monolitické korundové,

pozice . 3 - izola ní vyzdívka, pozice . 4 a . 5 - pracovní vyzdívka magnezitová a magnezitchromová, pozice . 6 - ocelový pláš pece. Požadavky kladené na vyzdívku zásadité obloukové pece: vysoká žárovzdornost, odolnost zdiva proti st ídání teplot, odolnost zdiva proti p sobení kovu a strusky, nízká tepelná vodivost, odolnost proti mechanickému poškození, optimální pom r mezi životností vyzdívky a její cenou tak, aby náklady na vyzdívku byly minimální. Reakce mezi vyzdívkou a struskou erušovaný chod EOP p sobí na vyzdívku nep ízniv . Ve slévárnách pracují b hem pracovního týdne EOP p erušovan . B hem dn pracovního volna pak pec zcela vychladne. Realizace opat ení proti úplnému vychladnutí pece a ponechání otev ené pece po dobu delší než je nezbytn nutné, se p ízniv projeví na životnosti vyzdívky. Žáruvzdornost magnezitu je snižována oxidy železa a k emíku, které se b žn vyskytují ve vsázce. Oxidy železa se tvo í na st nách pece b hem tavení, zejména když na st nách vyzdívky z stanou plechy z nízkouhlíkové oceli, které p i vysokých teplotách oxidují. Tyto plechy se špatn taví a z stává po nich na st nách pece asto vrstva oxid . Vliv uvedených oxid na teplotu tavení magnezitového zdiva je možné posoudit z rovnovážných diagram na obr. 4.5 a obr. 4.6. Nejv tší opot ebení vyzdívky nastává v místech, která jsou ve styku s vrstvou strusky kryjící roztavený kov tzv. struskové e. Podle diagramu na obr. 4.5 snižuje oxid železnatý teplotu tavení magnezitu a nap íklad p i jeho cca 70 % koncentraci klesá teplota solidu pod 1600 °C. Oxid k emi itý tvo í s magnezitem p i koncentraci vyšší než 40 % eutektika s teplotou tavení nižší než 1600 °C. Na obr. 4.6 p edstavuje symbol M oxid MgO a symbol S oxid SiO2. Mimo výše uvedené oxidy p sobí korozi vyzdívky dále zejména MnO, Al2 O3 a CaF2. Oxidy, které snižují aktivitu MgO ve strusce a zvyšují poškození vyzdívky ve struskové e. 45


Struska nasycená MgO s vyzdívkou nereaguje. Reakci mezi oxidy ve strusce a vyzdívkou lze ovlivnit složením strusky tak, aby koncentrace n kterého z uvedených oxid nebyla dominantní a struska obsahovala nejlépe více než 10 % MgO. Vysoký obsah ale zvyšuje viskozitu strusky a tím p ináší zhoršení pr hu požadovaných metalurgických pochod . Koroze vyzdívky ve struskové e zp sobuje rychlejší „ stékání“ vyzdívky st n a tím i její rychlejší opot ebení. Vyzdívku ve struskové e je proto nutné asto opravovat.

Obr. 4.5 Rovnovážný diagram FeO–MgO

Obr. 4.6 Rovnovážný diagram SiO2–MgO

Opravy zdiva ve struskové e je možné provád t mnoha zp soby. Zvolení vhodné metody údržby vyzdívky souvisí p edevším s výrobním sortimentem, vedením metalurgických pochod , technickým vybavením pece, kvalitou vyzdívky aj. V sou asnosti jsou již ekonány metody mokré torkretace vyzdívek výrobních agregát . Využívají se p edevším zné metody sycení strusky oxidem MgO. Tyto však vyžadují kvalitní vybavení oblasti sekundárního zpracování, které ale ve v tšin eských sléváren oceli chybí. žné mezitavbovém údržby vyzdívky se potom v tšinou provád jí ru ním nahazováním více opot ebených ástí vyzdívky pece hmotami r zné kvality na bázi MgO. Reakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovem Reakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovem lze schematicky popsat vztahem (4.1) a (4.2)

xMgO y Me MgO

Mg

Me y O x

x Mg

(4.1) (4.2)

O

Podle rovnice (4.1) je dána reakce magnezitu s dezoxida ním prvkem rozpušt ným po dezoxidaci v oceli, obecn ozna eným Me. Magnezitová vyzdívka neobsahuje zejména po ukon ení fáze oxidace istý MgO, ale i další oxidy, které mohou reagovat podle rovnice (4.1) se zbytkovou koncentrací dezoxidovadla. Jsou to oxidy prvk s nižší aktivitou ke kyslíku než MgO, nap íklad FeO, SiO2. Výsledkem reakce jsou potom oxidy, které se vyskytují v oceli jako oxidické vm stky. Za ur itých podmínek p i možnosti využití vakuového zpracování oceli m že být tímto dezoxida ním prvkem také uhlík, kdy produktem reakce uhlíku s výduskou jsou pak bubliny CO. Po dezoxidaci oceli v peci nelze reakci dezoxida ních prvk s vyzdívkou za vzniku oxid zabránit. Reakce (4.2) m že nastávat po dezoxidaci oceli ve vakuu, když je aktivita kyslíku v oceli nižší, než odpovídá disocia ním tlak m oxid obsažených ve vyzdívce. 46


4.3 Vývoj technologie EOP Elektrické obloukové pece jsou používány jak pro výrobu oceli na odlitky, tak p edevším pro výrobu tvá ených oceli. P ibližn do 60. let se konstruk podobaly pece ve slévárnách pecím v hutních závodech a byla používána i podobná technologie výroby oceli. Doba tavby se pohybovala bez ohledu na velikost pece kolem 4 hodin i více. Postupná intenzifikace technologie výroby na elektrických obloukových pecích pro edevším ocelá ský sektor je znázorn na na obr. 4.7. Intenzifikace výroby oceli si vyžádala zna né investi ní prost edky, zejména do oblasti sekundární metalurgie, která je jedním z nejvýznamn jších opat ení vedoucím ke zvýšení výrobnosti obloukových peci. V takovém ípad slouží oblouková pec pouze k roztavení vsázky. B hem tavení a oh evu oceli prob hne oduhli ení a odfosfo ení. Tavba kon í bezstruskovým odpichem kovu do licí pánve. Další metalurgické pochody (odsí ení, dolegovaní apod.) se provádí již na n kterém z prvk sekundární metalurgie. V sou asné dob se tavba na intenzifikovaných pecích spolupracujících se za ízeními sekundární metalurgie zkrátila podle vybavení pecního agregátu p ibližn na jednu hodinu. V eských slévárnách oceli se až na výjimky pohybuje ro ní výrobnost jedné pece do 15 tis. tun. Výrobnost slévárny p i napln ní zakázkami není zpravidla limitována výrobou tekutého kovu, ale výrobou forem a vyráb ným sortimentem. P i uvedené výrobnosti eských sléváren, není v eských podmínkách reálná návratnost investice do kompletní sekundární metalurgie. Tém ve všech slévárnách oceli v R je p ebytek kapacity na výrobu tekutého kovu. ípadná realizace za ízení sekundární metalurgie, nemá ve slévárnách ú el zvýšit výrobnost pecí, ale zvýšit jakost vyráb né oceli, kterou by nebylo možno jiným zp sobem dosáhnout. Slévárny oceli až na výjimky intenzifikují výrobu oceli na obloukových pecích pouze dmýcháním kyslíku, p ípadn použitím kyslíko-palivových ho ák k p edeh evu vsázky. Pece ve slévárnách konstruk odpovídají stavu techniky z 60. let minulého století. P i modernizaci, která prob hla v eských slévárnách v 70. letech, byly u d íve instalovaných pecí vym ny pouze pecní transformátory za siln jší a dále byla modernizována regulace a ízení pohybu elektrod. M rný instalovaný Obr. 4.7 Intenzifikace tavby na EOP 1965–2000 výkon pecních transformátor se p i 40min modernizaci zvýšil z cca 300 kVA na cca 400 kVA. V ocelárnách slouží elektrické obloukové pece pouze jako tavicí agregát a tavba se dohotovuje na za ízeních sekundární metalurgie. Ve slévárnách oceli kon í tavba po dezoxidaci a dolegování oceli v peci.

Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly) elektrické schéma elektrické obloukové pece základní konstrukce elektrické obloukové pece 47


vyzdívka EOP a typy vyzdívek EOP opot ebení vyzdívky struskou v EOP reakce mezi vyzdívkou a kovem v EOP vývoj technologie EOP

Otázky k probranému u ivu 1) Jaké je postupné elektrické schéma zapojení EOP? 2) Které jsou základní prvky konstrukce EOP? 3) Jaké typy vyzdívek a v kterých ástech pece se v EOP používají? 4) Které hlavní vlivy snižují životnost vyzdívky EOP? 5) Které hlavní prvky intenzifikace výroby na EOP slévárny využívají?


5.

Výroba nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP. Pr h jednotlivých technologicko-metalurgických fází. Praxe vedení tavby. as ke studiu: 120 minut

Cíl


budete seznámeni s výrobou nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP budete znát pr h jednotlivých výrobních údobí v EOP ujasníte si význam pojm uhlíkový var a odfosfo ení pochopíte jednotlivé zp soby dezoxidace oceli na odlitky ujasníte si význam odsí ení oceli pochopíte záv re nou etapu údobí dohotovení p i dolegování a 48


m ení teploty na EOP budete seznámeni s p íkladem vedení tavby na EOP

Výklad 5.1 Technologie výroby nelegovaných ocelí Pokud ozna íme dobu tavby , potom žeme rozd lit na dobu opravy vyzdívky a nasazení = 1+ 2+ 3+ 1), dobu tavení ( 2), dobu oxidace ( 3) a dobu dezoxidace (redukce), ( 4): 4. Z doby tavby a hmotnosti vsázky (Q) lze za p edpokladu nep etržitého provozu odhadnout ur itou denní výrobnost pece (G): Q (5.1) G 24 t / den 1

2

3

4

5.1.1 Oprava pece a sázení 1 Údobí opravy a sázení pece za íná koncem odpichu p edcházející tavby a kon í zapnutím pece. Nejd ležit jší innost výrobní fáze oprava a sázení je zkontrolovat stav vyzdívky a p ípadn provést nezbytné opravy. Následn co nejd íve nasadit vsázku a tím snížit ztráty energie. K oprav dy pece se používají sypné opravárenské hmoty na bázi magnezitu. Nanášená vrstva opravárenského materiálu by m la být pouze takové tlouš ky, aby se vytvrdila zbytkovým teplem v peci. Po nezbytných opravách vyzdívky pece se sestaví vlastní vsázka. Jako vsázka slouží ocelový odpad, vratný materiál, ocelárenské surové železo a p i výrob legovaných ocelí též n které legující p ísady (FeMo, FeW, Ni, Cu). Použití surového železa závisí na rozdílu v cen ocelového odpadu a surového železa. Surové železo ve vsázce nauhli uje a urychluje tavení. Používá se v tom p ípad , kdy rozdíl mezi cenou ocelového odpadu a surového železa uhradí úspora za nauhli ovadlo a úspora za p ípadné snížení spot eby elektrické energie na natavení. Vratný materiál ve slévárnách, které vyráb jí legované materiály, je nutné t ídit. Optimální rozmíst ní vsázky v sázecím koši podle kusovitosti je d ležité z hlediska spot eby elektrické energie, životnosti vyzdívky a spot eby opravárenských materiál . T žké kusy vsázky by ly být pod elektrodami ve spodní polovin pece a na dno pece pod t žké kusy se sází lehký šrot, který chrání dno p ed mechanickým poškozením b hem vysypání sázecího koše do pece. Po zapnutí pece se elektrody protavují vsázkou. Vysoký obsah magnezitu ve strusce vzniká zejména p i neodborn provedené oprav . Vysoký podíl MgO siln snižuje viskozitu strusek. Husté strusky s vysokým obsahem MgO zhoršují estup tepla z oblouk do lázn . Z hlediska chemického složení jsou p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí ve vsázce nežádoucí prvky jako P, S, Cr, Ni, Cu, Sn, Sb, As, Pb, oxidy SiO2 a dále r zné oleje a emulze. Obsah chrómu, niklu a m di je nežádoucí v nelegovaných ocelích, zejména mají-li mít zaru enou sva itelnost. V ocelích se zaru enou sva itelností je proto obvykle omezen obsah Cr = max. 0,30 %, Ni = max. 0,04 % a Cu = max. 0,030 %. Zdrojem Cr a Ni ve vsázce jsou nej ast ji legované oceli a vlastní net íd ný vratný materiál. M se dostává do vsázky nej ast ji z vinutí elektromotor a kluzných ložisek. Zdrojem cínu jsou zejména ložiskové kovy. Obsah Sn se pohybuje ve vsázce na úrovni cca 0,0100 %. Obsahy nad 0,020 % jsou již i 49


u oceli b žných jakostí nežádoucí. Obsah Sb a As se pohybuje ve vsázce na úrovni 0,0100 %. Zdrojem Sb a As jsou surová železa použitá p i primární výrob oceli. Olovo je v tekuté oceli jen áste rozpustné. Shromaž uje se na dn níst je pece. emi itý písek ve vsázce snižuje zásaditost strusky a zhoršuje podmínky pro odfosfo ení hem tavení. V tší množství strusky též zvyšuje spot ebu energie na její roztavení. Ve vsázce jsou dále nep ípustné uzav ené nádoby a další p edm ty, které mohou zp sobit výbuch. Nežádoucí sou ástí vsázky jsou také nekovové, elektricky nevodivé p edm ty (d evo, beton aj.), které mohou zp sobit lom elektrod. Ocelový odpad do vsázky je interního vodu tzv. vratný odpad a externí tj. nakupovaný, který je dodáván v ad íd podle kusovosti a jakosti. žn se do vsázky p idává ruda a vápno, aby již b hem tavení probíhalo oduhli ení a odfosfo ení. Nap ná struska, která v takovém p ípad vzniká již b hem tavení, zvyšuje také innost p enosu tepla z oblouk na láze . Vsázku lze nauhli it p ísadou kterých druh ocelového odpadu s vysokým obsahem uhlíku nebo koksem. Na obr. 5.1 jsou znázorn ny íklady používaných typ sázecích Obr. 5.1 Používané typy sázecích koš koš . 5.1.2 Tavení vsázky 2 Údobí tavení za íná zapnutím pece a kon í odesláním první zkoušky na chemický rozbor. Nejd ležit jší innost výrobní fáze roztavit vsázku v nejkratším ase a p i nejnižší spot eb elektrické energie, áste odfosfo it a oduhli it láze . hem tavení se spot ebuje 70 až 80 % celkové elektrické energie. Náklady na elektrickou energii a grafitové elektrody jsou nejv tšími položkami zpracovacích náklad pro údobí tavení. ást elektrické energie je možné nahradit spalováním dnes dostupného zemního plynu v kyslíku-palivových ho ácích a exotermickými reakcemi p i dmýchání kyslíku do lázn v peci. Doba tavení závisí p edevším na elektrickém p íkonu p ivád ném do pece, tedy na instalovaném výkonu pecního transformátoru a jeho využití. Pouze b hem tavení je pln využíván výkon pecního transformátoru. Nejv tšího p íkonu energie do pece se dosahuje p i nastavení nejv tšího nap tí na sekundární stran pecního transformátoru. Nejvyššímu nap tí na elektrodách odpovídá také nejv tší délka oblouk . K odkrytí oblouk dochází až po protavení elektrod do nejnižší polohy. Po odkrytí st n pece sálají oblouky na vyzdívku. V praxi se p epíná na nižší nap ový stupe . Zkrácení oblouk sníží sálání oblouku na vyzdívku a zvýší se podíl tepla, který absorbuje kov pod elektrodami. Po roztavení se délka oblouk volí obvykle tak, aby byly oblouky pokud možno skryté ve strusce. Energetický režim pece je založen na volb optimální délky oblouk a p íkonu do pece. Pro ízení energetických režim byly vyvinuty r zné programy. V eských slévárnách oceli jsou k ízení energetického režimu používány zpravidla pouze nejjednodušší programy založené na ení spot eby elektrické energie a hmotnosti vsázky. Údaje o hmotnosti vsázky se navíc vkládají do ídicího systému ru . 50


hem tavení ubývá pevné vsázky v peci a tím dochází k odkrytí oblouk s následujícím snížením efektivnosti p enosu tepla do lázn . Z tohoto d vodu je vhodné vytvo it v peci nap nou strusku, ve které se oblouky skryjí. Nejv tší ú innosti p enosu tepla z oblouku do vsázky se dosahuje p i použití nap né strusky, kdy je celý oblouk zakryt ve strusce. Nap ní strusky se dosáhne p ísadou rudy, vápna a nauhli ovadla do vsázky nebo do prázdné pece. Tímto zp sobem lze vytvo it po roztavení strusku, která p i vhodném chemickém složení nap ní již b hem tavení. Dmýchání kyslíku, p íp. prachového koksu do strusky po roztavení dále podporuje p ní strusky. Urychlit dobu tavení a tím zvýšit výkon pece a snížit spot ebu elektrické energie je možné také použitím kyslíku. V provozu se osv ilo použít kyslík již ke konci natavování vsázky. Kyslík se dmýchá obvykle ocelovou trubkou o pr ru 3/4“. Na konci umíst ném v peci je pak trubka pro zvýšení životnosti opat enou keramickou izolací. Trubka se p i dmýchání upíná do p ípravku. Exotermické reakce probíhající p i dmýchání kyslíku jsou významným zdrojem tepla. P i dmýchání kyslíku také nap ná struska zvyšuje ú innost p enosu tepla z oblouku, ímž se zkracuje i celková doba tavení. Obvykle se po ítá s úsporou 5 až 7 kWh/t po nadmýchání 1 Nm3 kyslíku. Jiným alternativním zdrojem energie na tavení vsázky je kyslíko-palivový ho ák, který se u malých pecí umis uje do dví ek pece. U v tších obloukových pecí bývá použito více ho áku umíst ných ve st pece ve „studených“ místech mezi elektrodami. Ú innost p enosu tepla z plamene kyslíko-palivového ho áku do vsázky výrazn klesá s její rostoucí teplotou. Ho áky se používají pouze na po átku tavení. P i použití kyslíkopalivového ho áku se m í teplota spalin Obr. 5.2 Vliv doby oh evu vsázky kyslíko-palivovým odcházejících z pece. Efektivita použití ho ákem na teplotu spalin odcházejících z pece ho áku v závislosti na teplot spalin je uvedena na obr. 5.2. Použití ho áku je efektivní až do bodu zlomu. P íklad konstrukce kyslíko-palivového ho áku ve výchozí a pracovní poloze je na obr. 5.3.

Obr. 5.3 Konstrukce kyslíko-palivového ho áku ve výchozí a pracovní poloze

Doba tavení je závislá p edevším na p íkonu pecního transformátoru. Na roztavení 1t istého železa je teoreticky zapot ebí cca 370 kWh. Výrobci malých obloukových pecí (do cca 15t) uvád jí skute nou spot ebu elektrické energie na roztavení oceli okolo 450 kWh/t. Zjednodušen lze odhadnout dobu tavení na základ instalovaného výkonu pecního transformátoru (P) podle vztahu: 51


450 Q (5.2) P k cos kde „Q“ je hmotnost vsázky v tunách, „k“ je koeficient využití pecního transformátoru udávající, jaké ásti z instalovaného pecního výkonu je pr rn b hem tavení využito. Sou in P.k.cos pak udává pr rný p íkon elektrické energie p ivád ný do pece b hem doby tavení. Výrobci transformátor dovolují po ur itou dobu pecní transformátor p et žovat, což umož uje výrazn zkrátit dobu tavení. V eských slévárnách jsou využívány pecní transformátory z cca 70 % ( k = 0,7 až 0,8). P íkon odebíraný z pecního transformátoru závisí také na hodnot ú iníku, pro jehož zlepšení ú iníku jsou pece kompenzovány p ipojením baterie kondenzátor . Pro optimální chod pece se doporu uje udržovat cos = 0,90. Za uvedených podmínek, po dosazení do vzorce (5.2), vychází pro vsázku 7 t a pr rný instalovaný p íkon pecního transformátoru 3 MVA doba tavení p ibližn 1,5 hod. Rychlost tavení a spot eba elektrické energie je také p ízniv ovliv ována zvyšujícím se obsahem uhlíku ve vsázce. Vhodný obsah uhlíku ve vsázce závisí také na rozsahu použití kyslíku. P i vedení oxidace pomocí kyslíku je možné zvýšit obsah uhlíku ve vsázce oproti požadovanému obsahu uhlíku o více než 1 %. P i oxidaci rudou se doporu uje obsah uhlíku po roztavení zvolit pon kud nižší. Další zvýšení obsahu uhlíku již zkracuje dobu tavení mén , než o kolik se prodlouží doba oxidace. Spot ebu elektrické energie Obr. 5.4 Vliv doby stání nasazené a nenasazené pece na spot ebu významn zvyšuje pozdní dosazení elektrické energie následující tavby druhého koše. Po roztavení prvního koše jsou totiž odkryté oblouky a zna ná ást tepla je vyza ována na vyzdívku. Je proto vhodné dosadit druhý koš d íve, než je první koš zcela roztaven a to ihned jakmile vznikne v peci místo pro druhý sázecí koš. Pokud je provoz obloukové pece p erušovaný, tak dochází k vychladnutí vyzdívky. Spot eba energie u následující tavby na studené vyzdívce je významn vyšší než u taveb vytavených na teplé vyzdívce. V praxi se osv ilo nasadit vsázku ihned po odpichu poslední tavby p ed erušením provozu a to pokud možno, celou vsázku na jeden koš. Po nasazení absorbuje vsázka maximální teplo z vyzdívky. Vliv délky prostoje s nasazenou a prázdnou pecí na spot ebu elektrické energie u následující tavby je uveden na obr. 5.4. Po ukon ení odpichu by m la proto být pec nenasazená jen po dobu nezbytnou pro opravu vyzdívky a p dy pece. 2

5.1.3 Oxida ní údobí 3 Oxida ní údobí za íná odb rem první zkoušky na chemický rozbor a kon í stažením oxida ní strusky a nahozením dezoxida ních p ísad. Nejd ležit jší innost výrobní fáze jsou oduhli it a odfosfo it láze , snížit obsah vodíku, ípadn dusíku v oceli a oh át láze na odpichovou teplotu. Chemické složení oceli se b hem tavby se ídí na základ analýz zkoušek (vzork ) odebraných b hem tavby. K oxidaci oceli se používá v obloukových pecích železná ruda nebo 52


plynný kyslík. Po p ísad rudy a vápna do vsázky probíhá oxidace zejména Si, Mn, P a C již hem tavení. Po adí, v jakém se budou jednotlivé prvky oxidovat, závisí na jejich afinit ke kyslíku a na jejich aktivit , jak je schematicky znázorn no na obr. 5.5. Na po átku oxidace se v roztavené oceli nacházejí dva prvky Me1 a Me2 o aktivitách a 1Me 1

a a

1 Me 2

. První prvek p i aktivit

a

1 Me1

je

v rovnováze s nižší aktivitou kyslíku než druhý prvek o aktivit a 1Me . P i neomezeném p ívodu 2

kyslíku do oceli se proto bude p ednostn oxidovat první prvek. Jeho aktivita bude klesat až na hodnotu a 2Me . Aktivita kyslíku vzroste 1

z hodnoty a Obr. 5.5 Znázorn ní oxidace dvou prvk s r znou afinitou ke kyslíku

1 [O]

na hodnotu a [2O ] . P i aktivit

kyslíku a [2O ] je kyslík v rovnováze jak s aktivitou

prvního prvku a 2Me , tak i s aktivitou druhého prvku a 1Me . P i dalším p ívodu kyslíku se 1

2

budou oxidovat oba prvky spole . P i zm aktivity kyslíku se mohou m nit i vznikají produkty oxidace, ímž se m ní i rovnovážné aktivity oxidovaných prvk . Významný vliv jednak na složení vznikajících oxid a dále i na rovnovážné aktivity má také složení strusky. Jestliže reaguje struska se vznikajícími oxidy, klesá aktivita t chto oxid a pro daný oxid se pak posunuje rovnovážná aktivita kyslíku k nižším hodnotám. Oxidaci kovu, p i které vznikají oxidy typu MeO je možné popsat rovnicí: Me

O

(5.3)

MeO

Pro reakce výše uvedených prvk 1 a 2 podle rovnice (5.3), lze vyjád it rovnovážné konstanty pomocí vztah : a( MeO ) a( MeO ) 1 2 (5.4) K2 K1 = a[Me ].a[ O ] a Me .a O 1

2

i stejné rovnovážné aktivit kyslíku v obou reakcích je možné upravit výše uvedené rovnice na tvar: a Me a MeO K 2 1 1 (5.5) a Me a MeO K1 2 2 Rovnice (5.5) udává za zjednodušujících podmínek, jak se bude sou asn oxidovat více prvk . Jestliže koncentrace prvk s vysokou aktivitou kyslíku klesnou na stopová množství, budou pro ur ení aktivity kyslíku rozhodující aktivity prvk s nižší afinitou ke kyslíku. Pro oxidaci fosforu a uhlíku, tj. pro odfosfo ení a oduhli ení je nutné dosáhnout vyšší aktivity kyslíku, což je podmín no zejména nízkým obsahem k emíku v tavenin . P ísada rudy do vsázky má být proto dostate ná, aby oxidace k emíku prob hla již b hem tavení. Oduhli ovací reakce i použití rudy k oxidaci uhlíku probíhají následující reakce: I. Rozpoušt ní rudy ve strusce Fe 2 O 3 Fe 3 FeO , II. echod kyslíku ze strusky do oceli FeO Fe O , III. Reakce oduhli ení na mezifázovém rozhraní struska – kov C O CO , IV. Tvorba zárodk bublin pod mezifázovým rozhraním struska – kov. S hloubkou lázn roste parciální tlak oxidu uhelnatého. Z hlediska parciálního tlaku CO jsou 53


nejp ízniv jší podmínky pro vznik bublin oxidu uhelnatého na povrchu lázn roztavené oceli. Var m že za ínat v povrchových vrstvách oceli pod hladinou strusky, V. Difúze atom uhlíku a kyslíku na povrch bublin CO, VI. st bublin v d sledku pr hu slu ování uhlíku a kyslíku na povrchu bublin a jejich vyplouvání z oceli – uhlíkový var, i nízké aktivit kyslíku v oceli po roztavení uhlíkový var neprobíhá. Po p ísad rudy se struska ochladí. Reakce I. je endotermická a také oh ev rudy na teplotu oceli spot ebuje teplo. hem rozpoušt ní rudy ve strusce se postupn zvyšuje aktivita FeO ve strusce a struska se postupn oh ívá. P íznivé podmínky pro oxidaci uhlíku jsou na mezifázovém rozhraní struska – kov. Rychlost oxidace uhlíku za t chto podmínek závisí na difúzi uhlíku a kyslíku do reak ní zóny a na teplot oceli a strusky. V lázni pod struskou se postupn zvyšuje aktivita kyslíku. Bubliny CO vznikající na mezifázovém rozhraní struska – kov promíchávají strusku s vysokou aktivitou FeO a áste i kov. Tím se urychluje p ísun kyslíku i uhlíku do reak ní zóny a intenzita oxidace uhlíku roste. P i velkém p ebytku FeO ve strusce m že být var velmi bou livý, doprovázený plameny. Intenzivní uhlíkový var po p ísad v tšího množství rudy že být doprovázen i tím, že nejen struska, ale i kov m že vytékat do struskové nádoby. Po bou livém varu je aktivita kyslíku ur ována aktivitou uhlíku v oceli. B hem celého oxida ního údobí, pokud probíhá uhlíkový var, je aktivita kyslíku ízena obsahem uhlíku. Význam uhlíkového varu - odplyn ní oceli, tj. ve snížení obsahu vodíku a dusíku v oceli Bublina p i svém vzniku obsahuje pouze oxid uhelnatý. Vodík difunduje do bublin CO. Jeho aktivita v oceli postupn klesá, což je doprovázeno r stem parciálního tlaku vodíku v bublin CO. Reakce je možná až do okamžiku, kdy nastane rovnováha nebo bublina opouští láze . Podobn jako vodík se odstra uje z oceli dusík. Snížení obsahu dusíku v pr hu uhlíkového varu je ovšem mnohem nižší než odstran ní vodíku, což je dáno zejména nižší pohyblivostí (difuzivitou) dusíku v tavenin . - tepelná a chemická homogenizace oceli Bubliny oxidu uhelnatého intenzivn promíchávají láze i strusku. Promíchávání vede k tepelné a chemické homogenizaci. Vzorky oceli na chemickou analýzu odebrané b hem uhlíkového varu proto nejlépe reprezentují chemické složení oceli v peci. - ízení aktivity kyslíku b hem oxidace Obsah uhlíku v oceli až do koncentrace cca 0,10 % udržuje nízké hodnoty aktivity kyslíku. Oduhli ení je jen slab exotermická reakce. P i daném obsahu uhlíku roste s rostoucí teplotou rovnovážná aktivita kyslíku v oceli jen velmi pomalu. U ostatních prvk se s rostoucí teplotou rovnovážná aktivita kyslíku zvyšuje rychleji, tzn., že dezoxida ní schopnost uhlíku ve srovnání s ostatními prvky s rostoucí teplotou roste. Odfosfo ení oceli Jako nežádoucí prvek v oceli fosfor zvyšuje náchylnost oceli k popoušt cí k ehkosti. Nep íznivý vliv fosforu se uplat uje p edevším u vysokopevnostních ocelí, které pracují za teplot kolem 500 °C a u t žkých odlitk . Obecn je požadován obsah fosforu pod 0,030 %. Požadavky zákazníka mohou být na obsah fosforu pod 0,015 % p ípadn i nižší. Reakci odfosfo ení je podle molekulové teorie strusek možné popsat vztahem:

2 [P] + 5 (FeO) + 4 (CaO) = (4CaO.P2 O 5 ) + 5 [Fe]

54

(5.6)


Rovnovážnou konstantu reakce lze vyjád it:

K

N 4CaO . P O

2 5

P

2

N

5 FeO

N

4 CaO

log K

40 067 15,06 T

(5.7)

Koncentrace oxid ve strusce jsou vyjád eny molárními (atomovými) zlomky N, obsah fosforu v oceli je vyjád en hmotnostními procenty. Z rovnic vyplývá, že odfosfo ení probíhá na mezifázovém rozhraní struska-kov. Fosfor rozpušt ný v oceli reaguje na mezifázovém rozhraní s oxidem železnatým a vápenatým, které jsou rozpušt ny ve strusce. Reakce odfosfo ení odehrává na mezifázovém rozhraní struska – kov, tak potom opat ení, která vedou k zv tšení mezifázového rozhraní nebo k intenzivn jšímu promíchávání strusky a kovu, urychlují pr h odfosfo ení. K intenzifikaci odfosfo ení se používá nej ast ji dmýchání kyslíkem pod hladinu kovu. Cílem je dosažení velké reak ní plochy na mezifázovém rozhraní kov – struska. Kyslík oxiduje p i styku s kovem p edevším železo a vzniká struska bohatá na FeO a CaO. Sou asn s odfosfo ením se urychluje oduhli ení oceli a zkracuje se doba oxidace. Na malých pecích ve slévárnách je možné b hem oxidace snížit obsah fosforu pod 0,010 % i mén . Na konci oxidace je však nutné pro dosažení nízkého výsledného obsahu fosforu d kladn stáhnout strusku. Fosfor, který se nachází ve strusce, se totiž b hem dezoxidace pln vyredukuje a vrátí se do oceli. Zp tné Obr. 5.6 Vliv pom ru CaO/FeO na rozd lení redukci fosforu nelze zcela zabránit. B hem P mezi strusku a kov dezoxidace vyredukuje 0,003 až 0,005 % P. Odfosfo ení nejnižších obsah fosforu se dosahuje p i ur itém pom ru koncentrací FeO a CaO ve strusce. Na obr. 5.6 je uvedena experimentáln zjišt ná závislost mezi rozd lovacím sou initelem fosforu LP a pom rem (CaO/FeO) p i zásaditosti strusky 2,4 až 4.0. Oxida ní údobí kon í odb rem oxida ní zkoušky a stažením oxida ní strusky. Fáze oxida ní je technologie založená na p ísad rudy a vápna do vsázky. B hem tavení áste již probíhá, také odfosfo ení a oduhli ení. Sou asn i obsahy vodíku jsou u technologie aktivního tavení již po roztavení nízké a do odpichu se v pr ru zvyšují. 5.1.4 Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, reduk ní údobí) 4 Údobí dohotovení za íná vhozením dezoxida ních p ísad do pece po stažení oxida ní strusky a trvá do konce odpichu. Hlavní úkoly údobí dohotovení: Dezoxidace oceli v peci, tj. snížení aktivity kyslíku v oceli i strusce na hodnotu, která je vyhovující pro odsí ení, dolegování oceli a záv re nou dezoxidaci v pánvi. Odsí ení oceli. Dolegování oceli. Úprava odpichové teploty. Udržení obsahu vodíku a dusíku pod požadovanou koncentrací.

55


Dezoxidace oceli Používané zp soby technologie je možné rozd lit na srážecí (hlubinou), extrak ní (difuzní) dezoxidaci, dezoxidaci syntetickými struskami a dezoxidaci za sníženého tlaku (ve vakuu). Srážecí dezoxidace Srážecí dezoxidace je pochod, p i kterém dochází ke snižování aktivity kyslíku p ísadou prvk s vysokou afinitou kyslíku, v d sledku jejich reakce s kyslíkem rozpušt ným v oceli. Produktem srážecí dezoxidace jsou oxidy v tuhém, tekutém nebo plynném stavu, které jsou termodynamicky stabilní za teplot metalurgických pochod . ást tuhých a tekutých produkt srážecí dezoxidace z stává v oceli jako vm stky, ást jich vyplouvá a následn p echází do strusky. Ke srážecí dezoxidaci se používá p i výrob oceli na odlitky nej ast ji k emík ve form ferosilicia (75 % Si) a hliník ve form hliníkových housek. Dezoxidace Si a Al m že být kombinována s použitím dalších prvk jako Ti, Ca, prvky vzácných zemin aj. Srážecí dezoxidace k emíkem V ocelích na odlitky bývá maximální obsah k emíku do 0,5 až 0,6 %. Pro uvedenou koncentraci k emíku se nachází rovnovážná koncentrace kyslíku p i teplot 1600 °C cca 60 až 80 ppm. V rovnováze s uhlíkem u b žného sortimentu ocelí se nacházejí aktivity kyslíku 40 až 120 ppm. Pro oceli na odlitky je k emík slabý dezoxida ní prvek. Dezoxidace emíkem nezaru uje p i odlévání oceli do syrových forem ocelové odlitky bez bublin. Produktem dezoxidace k emíkem jsou k emi itany, jejichž složení závisí na obsahu uhlíku, manganu a k emíku v oceli. Výskyt tekutých k emi itan ve vyrobených odlitcích b hem tuhnutí bývá znamením nedostate né dezoxidace oceli nebo sekundární oxidace oceli b hem odlévání a proud ní ve form . B hem sekundární oxidace oceli dezoxidované hliníkem se že oxidovat veškerý hliník. P i nízkém obsahu hliníku mohou pak v oceli vznikat pevné silikáty. Pokra ující oxidací taveniny se snižuje obsah k emíku v siln oxidovaných místech a mohou vznikat nasycené, p ípadn nenasycené silikáty manganu. Pro dezoxidaci k emíkem se používá ferosilicium s obsahem Si 65 – 75 %. Srážecí dezoxidace hliníkem Hliník se používá ke srážecí dezoxidaci po stažení oxida ní strusky v obloukové peci, tak i k záv re né dezoxidaci kovu v pánvi. Po dezoxidaci hliníkem v pánvi se požaduje v oceli koncentrace hliníku vyšší než cca 0,030 %. P i této koncentraci hliníku se sníží aktivita kyslíku natolik, že je v pr hu tuhnutí zabrán no uhlíkové reakci a tedy vzniku bublin nebo bodlin v odlitcích. Zbytková koncentrace hliníku také dezoxiduje ocel b hem sekundární oxidace p i odlévání a pln ní dutiny formy. i dostate ném obsahu zbytkového hliníku je produktem dezoxidace v ocelích na odlitky oxid hlinitý:

2 Al

3O

Al 2 O 3

G

–1 207 036 391,25T

(5.8)

Rovnovážné obsahy hliníku a kyslíku v tavenin železa p i teplotách 1550 až 1650 °C jsou uvedeny na obr 5.7. Hliník v tavenin i v oceli po ztuhnutí existuje jednak ve form oxidu

56


Al2O3 , jednak rozpušt ný v roztoku. V oblasti austenitiza ních teplot se ást hliníku váže také na nitrid AlN. Obsah hliníku se proto udává jako hliník celkový Alcel. nebo jako hliník rozpušt ný v roztoku [Al]. Celkový hliník je dán sou tem hliníku rozpušt ného v oceli [Al], a hliníku vázaného na kyslík Alox. a dusík Alnit.. Al cel = [Al] + Al ox. + Al nit.

(5.9)

Na reakcích s kyslíkem se podílí pouze hliník rozpušt ný v oceli (po ztuhnutí v matrici). Tento hliník se n kdy ozna uje jako hliník rozpustný v kyselin Alr.k. (podle analytické metody Obr. 5.7 Rovnovážné obsahy [Al] a [O] v tavenin používané p i jeho stanovení). železa. Skute né obsahy kyslíku v oceli po dezoxidaci hliníkem v peci jsou vyšší než rovnovážné. P i tak nízkých obsazích kyslíku je vyzdívka i struska zdrojem kyslíku, který difunduje do oceli. Výsledné aktivity kyslíku proto také zna závisí na složení strusky a vyzdívky pece. V pánvi po odpichu jsou pod dob e dezoxidovanou zásaditou struskou obsahy kyslíku nižší než 10–3 %, obvykle 4 až 6 ppm. Po dezoxidaci oceli hliníkem v pánvi se obsahy kyslíku rozpušt ného v oceli prakticky rovnají aktivitám. Na oxidy bývá vázáno v oceli cca 0,003 až 0,005 % Al. Rozdíl mezi obsahem hliníku rozpušt ným v oceli a vázaným na oxidy odpovídá množství oxidických vm stk a je možné jej považovat za míru oxidické istoty oceli. V pr hu odpichu a odlévání dochází k dvounásobnému až trojnásobnému zvýšení množství oxidických vm stk . K dezoxidaci se používají hliníkové housky, granulovaný hliník anebo drát. U ocelí na odlitky se používá tém vždy záv re ná dezoxidace hliníkem v pánvi. Nejlepší výsledky injektáž hliníkového drátu. Spodní hranice obsahu zbytkového hliníku musí být dostate ná, aby bylo zabrán no uhlíkové reakci po celou dobu odlévání a tuhnutí odlitku. Horní obsah zbytkového hliníku je limitován nebezpe ím vzniku lasturových lom . Lasturový lom je lom probíhající na hranicích primárních austenitických zrn. Primární austenitická zrna vznikající p i tuhnutí a chladnutí odlitk . Lze považovat za prokázané, že na iniciaci lasturových lom se podílí nitrid hliníku. V ocelích s velmi nízkým obsahem dusíku nebo hliníku se lasturové lomy netvo í. P i výrob oceli na obloukových pecích jsou výsledné obsahy dusíku v nelegovaných ocelích obvykle 90 až 130 ppm. P i takovém obsahu dusíku je nutné po dezoxidaci hliníkem po ítat u odlitk s v tší tlouš kou st n se vznikem nitridu hliníku.

57


Pro výrobu ocelových odlitk jsou doporu ené obsahy hliníku závislé na relativní tlouš ce st ny odlitku Relativní tlouš ku st ny odlitku lze stanovit podle rovnice: P R (5.10) O V daném pr ezu st ny odlitku znamená P plochu pr ezu a O obvod pr ezu st ny odlitku. Grafická závislost mezi obsahem hliníku a tlouš kou st ny odlitku (vyjád enou hodnotou sm rodatné tlouš ky st ny 2R) je uvedena na obr. 5.8. K ivka ozna ená jako „bodliny“ p edstavuje nejmenší doporu ený obsah hliníku, který má zabránit vzniku bublin a bodlin. K ivka ozna ená jako lasturové lomy edstavuje kritické množství rozpušt ného hliníku, i jehož p ekro ení se za nou tvo it na lomových plochách lasturové lomy. Obr. 5.8 Mezní k ivky výskytu lasturového Lasturové lomy se vyskytují zejména v lomu a bodlin v závislosti na sm rodatné silnost nných odlitcích. Z výše uvedeného rozboru tlouš ce odlitku pro oceli s C=0,28% a je z ejmé, že koncentrace hliníku je omezena jak z N=0,010% minimální tak i maximální koncentrace. Povolené rozmezí koncentrací hliníku se s rostoucí tlouš kou st ny odlitku zužuje. Riziko výskytu lasturových lom lze snížit jednak hlubokým snížením obsahu dusíku nebo lze použít legující prvky, které zjem ují primární austenitické zrno a tvo í s dusíkem nitridy stabiln jší než nitrid hliníku. K t mto prvk m pat í titan, zirkonium, niob, molybden, a také síra. V praxi eských sléváren oceli byl d íve používán k prevenci proti lasturovým lom m p evážn titan. P i kombinované dezoxidaci hliníkem a titanem váže hliník kyslík a titan dusík. V sou asnosti se k potla ení vzniku lasturových lom hojn využívá také Nb, p íp. Zr. Srážecí dezoxidace titanem Podle obsahu titanu v oceli je po dezoxidaci dáno složení oxid . Do cca 0,10 % Ti vzniká oxid Ti3O5. P i vyšších koncentracích titanu vzniká oxid typu Ti2O3. Titan má siln jší dezoxida ní ú inek než k emík, ale slabší než hliník. V ocelích se uplat uje p edevším titan jako prvek se silnou afinitou k dusíku a k uhlíku. Titan se používá p evážn k dezoxidaci (denitridaci) sou asn s hliníkem. i vyšší koncentraci titanu v oceli se ocel h e dolévá a grafitová zátka se m že p ilepovat k výlevce. Srážecí dezoxidace vápníkem Vápník je prvek s nízkou teplotou varu. Pravd podobná teplota bodu varu vápníku je 1498 °C. Rozpustnost vápníku v železe p i teplot 1600 °C je nízká a p i tlaku 0,1 MPa se odhaduje na cca 0,02 až 0,03 %. Teplotu varu vápníku významn snižuje hliník, nikl a emík. Tyto prvky sou asn zvyšují rozpustnost vápníku v železe. Uhlík zvyšuje rozpustnost vápníku v železe do cca 1 %. Vápník reaguje v oceli nejen s kyslíkem, ale také se sírou, cínem, olovem, dusíkem, fosforem, arzénem a dalšími prvky. Vápník velkou afinitu ke kyslíku a k sí e. Rafinace ostatních b žných prvk m že nastat až po odstran ní kyslíku a síry. Obsah vápníku stanovený b žnými postupy p i spektrální analýze edstavuje p evážn vápník vázaný na kyslík a síru. Vápník rozpušt ný v oceli se dosud neda í b žnými analytickými postupy stanovit, ale jeho hodnota bývá v nelegovaných, nízkouhlíkových ocelích nízká, a proto s ostatními výše uvedenými prvky zpravidla 58


nereaguje. Vápník se používá ve slévárnách oceli a ocelárnách ve form silikokalcia a vnáší se r znými postupy nej ast ji hluboko pod hladinu kovu. Dezoxidace vápníkem se v oceli provádí obvykle až po dezoxidaci hliníkem. Silikokalcium dopravené do lázn uvol uje bubliny vápníku, které vyplouvají z oceli a reagují s ní. Na hladin páry vápníku reagují s vzdušným kyslíkem a vápník se oxiduje na CaO. Vápník je podstatn siln jší dezoxida ní prvek než hliník. V tavenin reaguje s produkty (vm stky) vzniklými p i dezoxidaci hliníkem. Hlinitano-vápenaté vm stky po dezoxidaci oceli hliníkem a vápníkem mohou být tekuté. V takovém p ípad se po dezoxidaci hliníkem a vápníkem zvýší tekutost oceli, což umož uje v n kterých p ípadech snížit i licí teplotu. Obvykle se p idává vápník jen v takovém množství, aby se ve všech vm stcích zachoval ur itý podíl hliníku. V takovém p ípad se po dezoxidaci nalézají v oceli oxisulfidy obsahující dále Al, Ca, Mn, S, p ípadn i Si. Zm na morfologie vm stk se nazývá modifikací vm stk . Aktivita kyslíku v oceli dezoxidované hliníkem po ísad vápníku obvykle klesá na hodnoty 1 až 4 ppm. Vápník se p idává do oceli zejména za elem modifikace vm stk zejména Al2O3 a sulfid . Srážecí dezoxidace lantanidy V metalurgii se ze skupiny lantanid používají k dezoxidaci oceli zejména cér, lantan, které doprovázejí dále praseodym a neodym. Lantanidy jsou dodávány pro slévárny jako ferocér nebo sm sný kov ozna ovaný též jako Mischmetal, který obsahuje p evážn cér, asi 30 % lantanu a zbytek ostatní lantanidy. Dezoxida ní schopnost lantanid , v porovnání s ostatními prvky je znázorn na na obr 5.9. Dezoxida ní schopnost je vyjád ená rovnovážnou koncentrací kyslíku v závislosti na koncentraci dezoxida ních prvk v oceli. Všechny lantanidy mají vysokou afinitu k sí e. Po dezoxidaci vznikají jako produkty dezoxidace oxidy, které mohou také obsahovat síru. Zbytek lantanid po reakci s kyslíkem reaguje se sírou za vzniku sulfid . Nevýhodou použití lantanid pro dezoxidaci oceli je jejich vyšší cena a vysoká m rná hmotnost produkt dezoxidace, které pomalu vyplouvají z oceli. Mimo kyslík a síru reagují lantanidy také s dusíkem. Srážecí dezoxidace více prvky: Jestliže b hem dezoxidace oceli reaguje s kyslíkem více prvk , mohou vznikající oxidy spolu navzájem reagovat a vznikají komplexní oxidy. V takovém p ípad se sníží aktivita produkt oxidace jednotlivých prvk a sou asn i Obr. 5.9 Porovnání dezoxida ní schopnosti jednotlivých prvk p i aktivita kyslíku. Jako p íklad dezoxidace více prvky teplot 1600 °C že sloužit dezoxidace hliníkem a vápníkem. Po ísad vápníku vznikají komplexní vm stky, ve kterých aktivita Al2O3 klesá úm rn poklesu jeho koncentrace v dezoxida ních produktech. V praxi se nazývají dezoxida ní p ísady obsahující více prvk komplexní dezoxidovadla, jako nap . silikokalcium, silikomangan, silikochrom a další.

59


Extrak ní (difúzní) dezoxidace U všech popsaných zp sob jsou produktem dezoxidace vm stky, které snižují istotu oceli. Oxidické vm stky ovliv ují mechanické vlastnosti oceli, zejména houževnatost p íp. mohou sobit na snížení korozní odolnosti. Principem extrak ní dezoxidace oceli je dezoxidace strusky a snížení obsahu kyslíku v oceli jeho p echodem do strusky na základ Nernstova zákona: LO

a FeO

a FeO

aO

max .

(5.11)

a O max.

Aktivitu oxidu železnatého ve strusce lze obvykle snížit p ísadou koksu nebo ferosilicia. Koks je nejlevn jší dezoxida ní p ísadou na strusku. Dezoxidaci strusky je možné popsat rovnicemi:

(FeO) + C = CO g + Fe

(5.12)

2 FeO + Si = SiO 2 + 2Fe

(5.13)

i použití koksu na dezoxidaci strusky je nutné po ítat s možností nauhli ení oceli, p i použití ferosilicia se zase m že v oceli zvýšit obsah k emíku. Produkty dezoxidace z stávají ve strusce a v oceli se proto vm stky netvo í. Dezoxidace strusky vytvá í také základní edpoklady pro odsí ení. Extrak ní dezoxidace v EOP byla v tšinou v eských slévárnách nahrazena srážecí dezoxidací, což podstatn zkrátilo dobu tavby a zvýšilo stupe dezoxidace oceli. Z dnešního pohledu má extrak ní dezoxidace, tj. dezoxidace strusky praktický význam zejména v udržení nízké aktivity FeO ve struse a kovu v pr hu reduk ního údobí, což je také základní podmínka pro hluboké odsí ení oceli. Tohoto se využívá v hutních provozech na agregátech sekundární metalurgie. Siln zásadité strusky mají po vychladnutí bílou barvu. Strusky obsahující 2CaO.SiO2 mají bílou barvu a na vzduchu se rozpadají na prášek. Pod takovými struskami je možné dosáhnout jak nízké obsahy síry tak i a kyslíku. U ocelí na odlitky se požaduje, aby b hem odlévání byl p ítomen v kovu prvek s vysokou afinitou ke kyslíku, b žn hliník, který udrží v oceli nízký obsah kyslíku b hem odlévání. V d sledku sekundární oxidace nelze b hem odlévání zabránit zne ist ní oceli oxidickými vm stky. P i odlévání do syrových forem je nezbytné, aby v oceli byl dostate ný obsah zbytkového hliníku. Dezoxidace oceli ve vakuu V p ípad vakuového zpracování oceli je výhodné využít v podmínkách sníženého tlaku reakce mezi uhlíkem a kyslíkem. Pro rovnováhu mezi uhlíkem a kyslíkem je možné vyjád it rovnovážnou konstantu rovnicí: K C, O

p CO aC aO

(5.14)

Snížení parciálního tlaku oxidu uhelnatého vede ke snížení rovnovážné aktivity kyslíku v oceli. Rovnovážné obsahy uhlíku a kyslíku p i r zném tlaku atmosféry nad hladinou oceli jsou uvedeny na obr. 5.10. V hlubokém vakuu je uhlík za vyšších teplot velmi silným dezoxidovadlem a m že redukovat i nejstabiln jší oxidy jako MgO nebo CaO. Pro vakuování oceli je nutné mít k dispozici nákladná za ízení, která ve v tšin sléváren nejsou k dispozici. i dezoxidaci oceli uhlíkem ve vakuu se dosahuje vysoké istoty oceli. Produktem dezoxidace oceli uhlíkem je plynný v tavenin prakticky nerozpustný oxid uhelnatý, který odhází ve form bublin z lázn . B hem dezoxidace oceli tak nedochází ke kontaminaci lázn 60


oxidickými vm stky. Ve vakuu se stává uhlík velice silným dezoxidovadlem a tedy i v tšina oxid p ítomných v oceli je ve vakuu uhlíkem redukována. Vakuová dezoxidace tak významn ispívá ke zvýšení istoty oceli. Tato výrobní operace je obvykle poslední technologický krok, kdy je nutné v novat maximální pozornost požadovaným parametr m pro zajišt ní termodynamických a kinetických podmínek jako je teplota oceli, dosažený podtlak, doba vakuování, optimální vrstva strusky a její chemické složení, její viskozita, intenzita míchání taveniny inertním plynem a další. Ocel zpracovaná ve vakuu je také vzhledem k nižším obsah m plyn (H a N) mén náchylná ke tvorb slévárenských vad odlévaných odlitk , zejména bublin a bodlin. Dezoxidace oceli syntetickými struskami i rafinaci oceli syntetickými struskami dochází k dezoxidaci oceli, za p edpokladu, že je nižší Obr. 5.10 Závislost mezi [C] a [O] p i aktivita FeO ve strusce, než je aktivita kyslíku v zném pCO a teplot 1600 °C oceli, což je podmínkou difuzní dezoxidace. Využívání syntetických strusek je v sou asnosti spojeno p edevším s provedením srážecí dezoxidace oceli a strusky a s následným použitím kvalitní homogenní sm si struskotvorných p ísad, které mají vysokou odsi ovací schopnost a používají se samostatn nebo v tšinou ve spojitosti s p ísadou páleného vápna. Nejvíce používanými jsou strusky na bázi Al2O3 – CaO - SiO2, které tvo í v souladu s binárními ípadn ternárními diagramy slou eniny s nízkým bodem tavení podle chemického složení, v tšinou v rozmezí 1350 - 1450 °C. V d sledku toho se formuje struska s vysokou tekutostí, což vytvá í z kinetického hlediska p edpoklady pro dobré odsí ení oceli. V sou asné nabídce renomovaných firem jsou kvalitní pr myslov vyráb né syntetické strusky, které jsou dodávány s r zným pom rem Al2 O3/CaO a ve form kup íkladu granulí, pelet, briketek, nadrcených kus aj. Jejich p edností je p edevším záruka esného požadovaného chemického složení s vysokou homogenitou. Na obr. 5.11 je Obr. 5.11 Oblast chemického složení syntetické strusky REFRAFLUX 4842 S v ternárním diagramu kup íkladu znázorn na oblast složení Al2O3-CaO-SiO2 sintrované syntetické strusky REFRAFLUX. Odsí ení oceli V ocelích na odlitky je síra až na výjimky považována za škodlivý prvek. B hem tuhnutí síra siln segreguje do mezidendritických prostor, kde v p ípad p ekro ení její rozpustnosti v železe mohou vznikat sulfidy. Prvky, které zvyšují aktivitu síry v oceli, podporují její 61


segregaci a tím i vznik sulfid . Krajní mez pro vznik sulfid koncentrace síry se v tšinou stanovuje na 0,003 %. Sulfid železa má teplotu tavení 1195 °C a vytvá í na hranicích primárního zrna obálky, které z stávají tekuté hluboko pod teplotou solidu. Ocel se sírou vylou enou jako sulfid železa má nepatrnou pevnost i tažnost od teploty likvidu až pod 1200 °C. Odlitky vyrobené z takové oceli mají silný sklon ke vzniku trhlin a ocel se nedá také tvá et. Zabrán ní vzniku sulfidu železa je v legování manganem, který má vyšší afinitu k sí e než železo. U nelegovaných ocelí na odlitky bývá obsah manganu nej ast ji 0,5 až 1%. Vylou ené sulfidy snižují houževnatost oceli a zvyšují tranzitní teplotu. U hmotných odlitk se s rostoucím obsahem siry zvyšuje nebezpe í vzniku trhlin. V eských slévárnách nep ekra uje obsah síry v ocelích b žné výroby 0,030 %. Pro odlitky s vyššími požadavky na houževnatost se p edepisuje obsah síry v oceli max. 0.020 %, p ípadn i pod 100 ppm. V oxida ním údobí je možné snížit obsah síry o 20 - 30 %. P edpokladem pro odsí ení v oxida ním údobí je siln zásaditá struska. Nejnižších obsah síry se dosahuje v elektrické obloukové peci až po dezoxidaci oceli. Reakci odsí ení je možné popsat pomocí molekulární teorie strusek rovnicí: CaO

S

Fe = CaS

KS

FeO

a CaS a FeO a CaO a S

(5.15)

Podle molekulární teorie strusek probíhá odsí ení na mezifázovém rozhraní struska kov. Pro odsí ení je nutné pracovat se zásaditou a dob e dezoxidovanou struskou. Obsah FeO ve strusce má být nejlépe do 1 %. V praxi se posuzuje obsah FeO podle barvy strusky. Odsí ení probíhá dob e pod „bílou struskou“. Obsahy síry v reduk ních struskách p i výrob oceli na odlitky jsou ádov v desetinách procenta. Podmínkou pro pr h odsí ení, je nízká aktivita síry ve strusce. Struska však musí z stat po celou dobu reduk ní a zásaditá. P i p ípadné oxidaci reduk ní strusky se síra vrátí zp t do oceli. P inou oxidace reduk ní strusky bývají oxidy železa na st nách pece, které vznikly oxidací vsázky v údobí tavení, oxida ní pecní atmosféra anebo zám rný metalurgický zásah do výrobního procesu. Zv tšení mezifázového rozhraní p sobí ízniv na odsí ení. Prvky, které zvyšují aktivitu síry ve slitinách železa, umož ují dosažení nižších obsah síry. Vliv n kterých prvk na sou initel aktivity síry je uveden na obr. 5.12. Aktivitu síry siln zvyšují Obr. 5.12 Vliv n kterých prvk (X) na sou initel aktivity uhlík a k emík. Ve slitinách železa s vysokým obsahem uhlíku a k emíku jsou síry (log fS) p i 1600 °C dobré podmínky pro hluboké odsí ení. Dolegování oceli Chemické složení oceli na odlitky je p edepsané normou a je obsahem kupní smlouvy. Pro každý legující prvek v ur itém intervalu koncentrací a pro síru a fosfor v tšinou jejich maximální obsah. Za dolegování se u nelegovaných ocelí považuje p ísada uhlíku, manganu a emíku, p ípadn n kterého z prvk sloužících k mikrolegování, nap íklad niobu, vanadu, titanu, aj. Dolegování se provádí ve dvou krocích. 62


V prvním kroku se pro jednotlivé legující prvky stanovuje koncentrace, na kterou se p ísada legujícího prvku po ítá. Tato koncentrace se volí s ohledem na požadované vlastnosti oceli, na propal p isazovaného prvku a výrobní náklady. Z pohledu výrobních náklad je nejvýhodn jší dolegovat na spodní hranici p edepsaného chemického složení prvku. Musí však vyhovovat mechanické (p ípadn i jiné) vlastnosti podle p íslušné normy. i vyšším obsahu legujícího prvku v p edchozí tavb , je nutné po ítat se zbytkem v peci. Jeho výše je dána koncentrací, druhem legujícího prvku, jakostí a stavem vyzdívky. Ve druhém kroku následuje výpo et p ísady feroslitin. K výpo tu legujících prvk u nízkolegovaných a nelegovaných ocelí se používá v praxi rovnice:

QFeX QFeX C1X , C2X CFeX Q

-

C 2X – C1X .Q C FeX

(5.16)

hmotnost p idávané feroslitiny FeX v kg koncentrace prvku X p ed dolegováním, koncentrace prvku X po dolegování obsah prvku X v legující p ísad hmotnost tavby p ed dolegováním

Tento výpo et zde vede k chyb zp sobené zanedbáním zm ny hmotnosti tavby po legování, která se p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí v praxi asto neuvažuje. P i vyšších koncentracích legujících prvk není možné zm nu hmotnosti tavby b hem legování zanedbat. ení teploty K m ení teploty oceli se používají nej ast ji termo lánky typu Pt-PtRh10 nebo Pt-PtRh13. ení teploty tekuté oceli je dnes založeno zejména na termoelektrickém jevu tzv. Seebeck v jev. Teplý spoj termo lánku vznikne sva ením platinového drátku s platinovým drátkem obsahujícím 10 nebo 13 % Rh. Termo lánky jsou umíst ny v k emenných trubi kách navíc chrán ných pomocí papírových kartuší. M ící sondy tohoto typu jsou ur eny pouze na jedno použití. i m ení teploty v peci je nutné p ihlížet k heterogennímu tepelnému poli v peci. Pokud nemáme k dispozici nap íklad polohové manipulátory pro m ení teploty a provádí se ru , tak je nutné si stanovit vhodné standardní místo, tak aby odpovídalo pr rné teplot v peci, a ur í se empiricky. Nap íklad u EOP s menší hmotností, které jsou nejvíce rozší eny v eských slévárnách, je to obvykle kolem 100 mm pod hladinou p ibližn v polovin vzdálenosti mezi st nou pece a kružnicí elektrod. Jako nejp esn jší m žeme ur it m ení teploty v peci po uhlíkovém varu a v pánvi po odpichu, kdy je tepelné pole tém homogenní. 5.2 Praxe vedení tavby Nejvíce rozší ené EOP v eských slévárnách pracujících s hmotností vázky 7 až 8 t. Uvádí se, že dosahují pr rné ro ní spot eby elektrické energie 580 až 620 kWh.t -1 a spot eby grafitových elektrod 3,5 až 5 kg.t-1. Životnost st n vyzdívky iní 150 až 250 taveb. Spot eba opravárenského magnezitového materiálu je dána podle zp sobu údržby vyzdívky pece ve slévárn a dosahuje kolem cca 5–20 kg.t-1. Doba tavení by nem la p esáhnout 90 minut, doba oxidace 30 minut a doba dohotovení 30 minut. Jednotlivé výrobní postupy výrobních operací jsou ve slévárnách oceli áste odlišné. Záleží na technickém vybavení pecí, výrobním sortimentu a také na ur itých zvyklostech pracovních postup . Jeden z takových p íklad výrobního postupu nelegované oceli na odlitky je zde uveden. 63


Základní operací je p íprava vhodné skladby vsázky a její rychlé nasazení pece po odpichu, aby se zabránilo ztrátám tepla sáláním vyzdívkou. B žn se doporu uje p idávat do vsázky 10 až 15 kg vápna a 15 až 20 kg rudy na tunu kovové vsázky, odchylky jsou dány výrobním sortimentem. P ísada rudy odpovídá oxidaci 0,3 % C b hem tavení. Obsah uhlíku ve vsázce se upravuje podle obsahu uhlíku požadovaného po roztavení a to tak, aby jeho obsah ve vsázce byl o 0,40 % vyšší. K nauhli ení se používá p edevším koks, což je dáno jeho cenou, mén surové železo. Zvolený nap ový stupe b hem tavení ur uje délku oblouku. S nejvyšším nap ovým stupn m se pracuje, pokud st ny pece jsou zakryty šrotem nebo oblouky skryty v nap né strusce. Po roztavení v tší ásti šrotu, kdy ješt na st nách z stávají jednotlivé kusy, je vhodné dmýchat kyslík. Dmýchá se pokud možno p i zapnuté peci pod zbylé kusy vsázky, až spadnou do lázn . Nap ná struska se slévá b hem dmýchání z pece, kterou je výhodné stáhnout, protože v tšinou obsahuje vysoký obsah oxidu k emi itého a bazicita této strusky je velmi nízká. V této výrobní fázi se spot ebuje kolem 5 Nm3 kyslíku na tunu vsázky. Po ukon ení dmýchání je láze ve varu a odebírá se 1. zkouška na chemický rozbor. Po první zkoušce se p idává do pece vápno v množství cca 10 kg.t-1 . Na základ obsahu uhlíku v první zkoušce se p idává ruda nebo dmýchá kyslík. Oxidaci rudou se dává p ednost, pokud je požadován po oxidaci nízký obsah fosforu. Na konci oxidace se požaduje obsah uhlíku o 0,03 až 0,05 % nižší, než je pro vyráb nou ocel normou p edepsaná spodní hranice uhlíku. Po dosažení vyhovujícího obsahu uhlíku se odebírá 2. zkouška a za íná se stahovat oxida ní struska. Oxida ní struska se stahuje na istou láze , jinak se prvky p evedené b hem oxidace do strusky (zejména P a Cr) b hem dezoxidace ze zbytku strusky ponechané v peci tém beze zbytku vyredukují zp t do oceli. Ve fázi oxidace se zvolí p íkon pece tak, aby se na konci oxidace dosáhlo odpichové teploty. Po stažení oxida ní strusky se redukují zbytky strusky koksem. P ísada koksu v množství 0,5 kg.t-1 se spot ebuje na dezoxidaci oxid železa ve strusce. Vyšší p ísady koksu již tekutý kov nauhli ují. Po p ísad koksu se p idává celkové množství ferosilicia vypo tené podle požadovaného obsahu k emíku v oceli a hliník na srážecí dezoxidaci v množství 1 až 2 kg.t -1. Poté následuje p ísada vápna 10 kg.t -1 a kazivce 2 kg.t -1. Kazivec je využíván zejména jako ísada zajištující dostate nou tekutost strusky. Po obdržení výsledk 2. zkoušky se p idává do pece vypo tené množství feromanganu. K dolegování se používá zpravidla feromangan s vysokým obsahem uhlíku. B hem dohotovení se zvýší obsah uhlíku v oceli v d sledku koksování o cca 0,03 %. V p ípad nízkého obsahu uhlíku se p isadí do pánve odvážené množství koksu. Využití uhlíku z koksu iní obvykle 80 %. Také je nutné také po ítat s uhlíkem, který p ináší do oceli feromangan. Feromangan s vyšším obsahem uhlíku obsahuje obvykle 80 % Mn a 7 % C. Pokud obsah uhlíku v p edzkoušce dovoluje jeho další zvýšení (nebo se zvýšení uhlíku požaduje), používá se b žný feromangan, v opa ném p ípad se použije feromangan affine , který obsahuje okolo 1 % uhlíku. ed odpichem se m í teplota oceli v peci a kontroluje se dezoxidace strusky. Struska má být po celou dobu dohotovení bílá nebo sv tle šedá, v p ípad vyššího obsahu MgO ve strusce sv tle hn dá. Množství hliníku na záv re nou dezoxidaci se vypo te podle obsahu hliníku v poslední zkoušce a o ekávaného propalu tak, aby výsledný obsah celkového hliníku v oceli inil 0,035 až 0,080 %. U masivních odlitk je t eba volit výsledný obsah hliníku s ohledem na možný výskyt lasturových lom podle diagramu na obr. 5.8. Ve slévárnách se používá ada modifikací uvedeného postupu s ohledem na konkrétní podmínky v tavírn . 64


Shrnutí pojm kapitoly výroba nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP údobí tavby sázení, tavení, oxidace a dohotovení v EOP pojmy uhlíkový var a odfosfo ení ehled jednotlivých zp sob dezoxidace význam odsí ení oceli na odlitky íklad vedení tavby nelegované oceli na odlitky v EOP

Otázky k probranému u ivu 1) Jaká jsou výrobní údobí tavby p i výrob oceli na odlitky v EOP? 2) Jaký je význam uhlíkového varu p i výrob v EOP? 3) Za jakých podmínek m žeme odfosfo it ocel v EOP? 4) Jaké zp soby dezoxidace jsou v sou asnosti využívány ve slévárnách p i výrob v EOP? 5) Za jakých podmínek m že prob hnout maximální odsí ení oceli v EOP? 6) Jaký význam má odfosfo ení a odsí ení oceli na kvalitu hotového odlitku? 7) Které jsou hlavní fáze metalurgického postupu v praxi p i vedení tavby?


65


6.

Technologie výroby legovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP. Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod . as ke studiu: 120 minut

Cíl


budete seznámen s rozd lením ocelí na odlitky ve vztahu k legujícím prvk m ujasníte si vliv jednotlivých prvk p i výrob legované oceli v zásadité EOP budete znát základy výroby nízkolegovaných ocelí v zásadité EOP budete znát základy výroby vysokolegovaných korozivzdorných ocelí v zásaditých EOP seznámíte se s funkcemi hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod v taveninách bohatých chrómem

Výklad 6.1 Rozd lení ocelí na odlitky Pro v tšinu typ ocelí ke tvá ení existuje také varianta oceli na odlitky. Vlastnosti litých ocelí jsou však do zna né míry ovlivn ny podmínkami tuhnutí, tj. zejména rychlosti ochlazování a chemickou heterogenitou vznikající p i tuhnutí a chladnutí oceli. Vlastnosti tvá ených ocelí lze ovliv ovat deforma ním zpevn ním. Tvá ením a následujícím tepelným zpracováním lze snížit také chemickou heterogenitu legovaných ocelí a zjemnit zrno. Tvá ení je také jediný technicky používaný zp sob jak u nepolymorfních ocelí zmenšit velikost zrna. Vlastnosti ocelí na odlitky bývají odlišné od tvá ených ocelí i p i stejném chemickém složení tavebního vzorku. Nap íklad u korozivzdorných ocelí na odlitky musí být s ohledem na korozivzdornost oceli zajišt ny minimální obsahy legujících prvk ve všech místech odlitku, ehož lze dosáhnout vyšší koncentrací legujících prvk . S ohledem na heterogenitu matrice je proto nutné oceli na odlitky legovat výše než oceli ke tvá ení. Oceli na odlitky zpravidla dosahují nižších hodnot mechanických vlastností (pevnost, tažnost atd.), což souvisí nejen se segregací n kterých prvk a hrubším zrnem, ale také s výskytem mikrostaženin a edin vznikajících p i tuhnutí. Oceli na odlitky umož ují tém neomezenou kombinaci legujících prvk a jejich množství s ohledem na následující zpracování odlitk . 66


Výhodou oceli na odlitky je dosažení výsledného tvaru výrobku (odlitku) odléváním. Tím žeme zlepšit n které vlastnosti ocelí na odlitky v i ocelím ke tvá ení (nap . odolnost proti opot ebení) a získat tak ocel, kterou již dále nelze b žnými postupy tvá ení zpracovávat. Rozd lení ocelí na odlitky se nej ast ji provádí podle chemického složení, resp. podle obsahu legujících prvk . Norma SN EN 10020 roz le uje oceli na oceli nelegované, nízkolegované a oceli vysokolegované. Jako nelegované za azuje tato norma oceli, u kterých obsah jednotlivých prvk nep esahuje mezní hodnoty uvedené v tab. 6.1. Tab. 6.1 Mezní obsahy legujících prvk (v hmotnostních %) pro rozd lní oceli na nelegované a legované Prvek Mezní Prvek Mezní Prvek Mezní Prvek Mezní obsah v % obsah v % obsah v % obsah v % Al 0,10 Cu1) 0,40 Ni1) 0,30 Ti2) 0,05 B 0,0008 La 0,05 Pb 0,40 V2) 0,10 3) Bi 0,10 Mn 1,65 Se 0,10 W 0,10 Co 0,10 Mo1) 0,08 Si 0,50 Zr2) 0,05 1) 2) 4) Cr 0,30 Nb 0,06 Te 0,10 Ostatní 0,05 1) 2) 3) 4)

Pokud jsou pro ocel uvedeny dva, t i nebo ty i prvky ozna ené touto poznámkou, pak je nutné vzít v úvahu jejich sou et, který iní 70% sou tu mezních obsah t chto dvou, t i nebo ty prvk . Pravidlo uvedené v poznámce 1 platí odpovídajícím zp sobem také pro prvky ozna ené poznámkou 2. Pokud je pro obsah Mn udána pouze jeho vyšší hodnota, platí jako mezní obsah 1,80 %. Ostatní s výjimkou C, P, S, N.

Ocel, u které má obsah alespo jednoho prvku vyšší hodnotu než je jeho mezní hodnota uvedená v tab. 6.1 je pak považována za ocel legovanou. Podle d íve platných a dosud používaných norem SN byly nelegované oceli na odlitky ozna eny šestimístným íslem. První ty i íslice 42 26 XX byly pro všechny nelegované oceli spole né. Nelegované oceli na odlitky obsahují zpravidla 0,10 až 0,50 % uhlíku (z ídka až p es 0,6 % C) a ur ité množství k emíku a manganu. Nadeutektoidní oceli jsou zejména oceli nástrojové. V sou asné dob jsou odlitky z nelegované oceli v maximální mí e nahrazovány odlitky z litiny s kuli kovým grafitem. Své postavení mezi nelegovanými materiály si pak udržují zejména nelegované oceli se zaru enou sva itelností a vysokou houževnatosti za pokojových i záporných teplot. V eských slévárnách se vyráb jí oceli s vyšším obsahem manganu. Tyto oceli byly podle íve používaných norem SN za azeny mezi oceli nízkolegované. Jejich výroba je stále velmi rozší ená. Oceli legované 1,00 až 1,60 % manganu uvedené v tab. 6.1, se vyzna ují vyšší pevností a houževnatostí. Významné bylo použití n kterých zna ek t chto ocelí do teplot až – 60 °C. V sou asnosti dávají zahrani ní zákazníci p ednost nízkolegovaným chrommolybdenovým ocelím s podobným chemickým složením, jako mají zušlechtitelné oceli ke tvá ení. Podle íve platných norem SN ozna ovalo nízkolegované oceli ty íslí 42 27 XX. Jako nízkolegované oceli jsou ozna ovány ty oceli, ve který sou et legující prvk nep esáhuje 5 %. Oceli, kde naopak sou et obsah všech legujících prvk p esahuje 5 %, jsou ozna ovány jako vysokolegované oceli. U vysokolegovaných ocelí se požadují n které specifické vlastnosti jako nap íklad korozivzdornost, odolnost proti opot ebení, odolnost proti oxidaci za vysokých teplot, vysoká houževnatost za velmi nízkých teplot apod. T chto vlastností se dosahuje legováním na vysoké koncentrace zejména chrómem, niklem a manganem. 67


Podle d íve platných norem SN ozna ovalo vysokolegované oceli na odlitky ty íslí 42 29 XX. Uvedené ozna ení se dnes ve slévárnách stále používá. Hlavní d vody legování ocelí na odlitky: Zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti p i zachování vyhovující houževnatosti. Nej ast jšími legujícími prvky jsou Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W. Zvýšení prokalitelnosti legováním prvky, které snižují kritickou rychlost rozpadu austenitu, zejména p ísadou Cr, Mn, Mo, V, Ni, B, W. Ke zmenšení sklonu oceli k r stu zrna za vyšších teplot a dosažení jemnozrnné struktury vylou ením disperzních ástic karbid nebo nitrid se legují oceli Ti, Nb, Ta, V. Pro dosažení výše uvedených cíl se leguje asto p ísadou více prvk v koncentracích obvykle do dvou procent. V p ípad legování Ti, Nb, Ta, V se leguje obvykle do 0,10 % každého prvku (mikrolegované oceli). Pro dosažení korozivzdornosti oceli se leguje chrómem v koncentracích nad 12 % tj. korozivzdorné oceli. Obdobné složení jako korozivzdorné ocelí mají žárovzdorné oceli. Ob skupiny ocelí mohou obsahovat další prvky, zejména Ni, Mo, W, Cu, Ti, Nb, N. Odlitky pracující v korozním prost edí jsou také odlévány z vysokolegovaných niklových litin s austenitickou strukturou ozna ovaných obchodním názvem Ni-rezist, které se obvykle vyráb jí také ve slévárnách oceli. Zvýšení žáropevnosti se dociluje vytvo ením vhodn dispergovaných stabilních karbid pomocí legování Cr, Mo, V, W. Z t chto ocelí na odlitky jsou asto odlévána t lesa armatur a sk íní turbín pracujících až do teploty 650 °C. Vysoké odolnosti oceli proti opot ebení (ot ruvzdorné oceli) se dosahuje legováním oceli prvky, které vytvá ejí tvrdé karbidy, Cr, Mo, W, V. Velkou odolnost proti opot ebení p i vysokých tlacích na povrchu odlitku mají vysokolegované manganové oceli. Vysokolegované oceli ur ené pro práci za kryogenních teplot. Pro teploty do cca -100 °C se používají oceli s martenzitickou strukturou legované niklem. Pro nižší teploty se používají oceli s austenitickou strukturou. Austenitické struktury se dosahuje legováním Cr, Ni a Mn, které zajistí stabilitu austenitické struktury i za nízkých teplot. Zatímco nelegované oceli pro b žné použití, vyjma ocelí se zaru enou sva itelností, nahrazuje litina s kuli kovým grafitem, nemají legované oceli v ad p ípad ekvivalentní náhradu. 6.2 Vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v zásadité elektrické obloukové peci Mangan není dle normy SN EN 10020 považován až do koncentrace 1,65 % za legující prvek. Vsázkové suroviny s obsahem manganu do výše uvedené koncentrace se p i výrob nelegovaných ocelí zpracovávají spole s ostatním nelegovaným odpadem. Odpad z vysokolegovaných ocelí se dá také v p im eném množství zpracovávat i p i výrob nelegovaných ocelí. P i výrob vysokolegovaných ocelí je nutné používat t íd né vsázkové suroviny, protože je d ležité složit vsázku na požadované chemické složení. Vyšší obsah manganu po roztavení brzdí uhlíkový var a odfosfo ení. Taveniny s vysokým obsahem manganem, nap íklad Hadfieldova ocel se nedají b žnými technologickými postupy odfosfo it. i legování manganem se nepo ítá jen s jeho propalem, ale s jeho rozd lením mezi lázní a struskou. Mangan v nelegovaných ocelích zvyšuje houževnatost a pevnost. Zvýšení houževnatosti oceli manganem je zp sobeno zejména p em nou sulfid železa na sulfidy manganu, ale také i substitu ním zpevn ním tuhého roztoku, což je d ležité p edevším u nelegovaných ocelí s nízkým obsahem uhlíku. 68


Morfologie sulfid , kterou mangan významn ovliv uje, má vliv na houževnatost jak za pokojových tak i snížených teplot. S rostoucím obsahem manganu dochází ke snižování echodové (tranzitní) teploty. K legování se používá feromangan s obsahem 75 – 80 % manganu a obsahem uhlíku cca 7 %. Pro dolegování ocelí s nízkým obsahem uhlíku se používá feromangan ozna ovaný jako feromangan „affiné“, který obsahuje okolo 90 % manganu a cca 1 % uhlíku. Výhodné je používat k dolegování manganu silikomangan, který má nízký obsah uhlíku a je levn jší než žné druhy feromanganu. emík je z hlediska metalurgie d ležitým prvkem v ocelích, je obsažen v legovaných a vysokolegovaných ocelích na odlitky asto jako dezoxida ní p ísada. hem tavení a oxidace klesá obsah k emíku v zásaditých obloukových pecích na setiny až tisíciny procenta. Do kovu je pak nej ast ji p idáván jako ferosilicium s 75 % k emíku, p íp. ve form silikokalcia. V p ípad , že ocel není v pr hu odlévání a tuhnutí zcela dezoxidována silnými dezoxida ními prvky (Al), podílí se k emík na tvorb produkt dezoxidace, ovliv uje jejich morfologii, ímž m že docházet i k ovlivn ní mechanických vlastností vyráb né oceli. V n kterých korozivzdorných a žáruvzdorných ocelích je k emík p idáván v koncentraci kolika procent pro zvýšení zejména žáruvzdornosti. Zvyšuje také korozní odolnost ocelí a litin v i kyselinám. Negativn p sobí k emík na tranzitní teplotu, kterou zvyšuje. Proto oceli a p edevším litiny, pracující p i nízkých teplotách mají jeho snížený obsah, resp. horní hranici jeho obsahu. Chróm pat í mezi nejpoužívan jší prvky p isazované do oceli. Vratný odpad z oceli legované chrómem je nezbytné t ídit, protože vyšší obsahy chrómu ve vsázce než 0,50 % zt žují oxidaci a p i vyšším obsahu mohou negativn ovliv ovat, p ípadn mohou zabránit odfosfo ení oceli. Oxida ní strusky s vyšším obsahem oxid chrómu jsou husté. P ed dolegováním nízkolegovaných ocelí chrómem je žádoucí dob e dezoxidovat kov i strusku, aby nedocházelo k významným propal m chrómu. Pro legování chrómem se používají ferochrómy s obsahem chrómu kolem 70 %, které se od sebe liší obsahem uhlíku. Jednotlivé druhy se liší obsahem uhlíku, což má význam p i výrob zn legovaných jakostí oceli. Nikl má nižší afinitu ke kyslíku než železo a jeho koncentrace b hem oxidace neklesá. Je vhodné legovat niklem již do vsázky nebo b hem oxidace, ovšem za p edpokladu znalosti jeho obsahu ve vsázkových surovinách. Kovový odpad ocelí legovaných niklem je nutné pe liv t ídit také s ohledem na kupní cenu niklu. hem oxidace je láze homogenní a chemická analýza dává reprodukovatelné výsledky. K legování oceli niklem se používá katodový nikl nebo nikl hutní (granulovaný). V p ípad výhodné ceny p edredukovaného niklu, který obsahuje více než 90 % (Ni + NiO), je možné použít i tuto surovinu místo kovového niklu. Nikl je hlavní legující prvek v ocelích pracujících za nízkých – kryogenních teplot. Používá k legování zejména ve vysokolegovaných litinách a korozivzdorných ocelích a to až do koncentrace cca 40 % Ni. Cena niklu se pohybuje 100x až 150x výše než cena ocelového odpadu. Molybden a Wolfram mají podobn jako nikl nižší afinitu ke kyslíku než železo. Oxidy obou prvk mají vysokou tenzi par a p i teplotách ocelá ských pochod za p ístupu vzduch 69


sublimují. Molybden se p idává do oceli nej ast ji jako feromolybden obsahující cca 60 % Mo a do 0,1 % C. Wolfram se p idává do pece nej ast ji jako ferowolfram. Tyto feroslitiny se obtížn v oceli rozpouští a proto je vhodné je p idávat do pece již b hem oxidace, ovšem za p edpokladu znalosti jeho obsahu ve vsázkových surovinách. Molybden se asto používá v nízkolegovaných ocelích pro zvýšení odolnosti proti popoušt cí ehkosti. V korozivzdorných ocelích se používá v koncentraci nej ast ji do 1 % a dále 2 až 6 %. Oceli legované molybdenem je nutné pro vysokou nákupní cenu pe liv t ídit. Použití wolframu není ve slévárnách oceli p íliš rozší eno, nastává potom problém s vratným odpadem. Vanad má vyšší afinitu ke kyslíku než chrom. Legování vanadem u oceli na odlitky se provádí v tšinou do koncentrace max. 0,40 %. V oxida ním údobí se tém všechen vanad z lázn oxiduje a odstra uje se z pece spole s oxida ní struskou p i jejím stahování. Pouze p i použití jednostruskové technologie se provede dostate ná dezoxidace strusky a vanad vázaný ve strusce vyredukuje zp t do oceli. Zde ale spole s vanadem dojde také ke zp tné redukci fosforu. P i legování do tavby s dob e dezoxidovanou ocelí i struskou k významnému propalu vanadu nedochází. Nejvýhodn jší je legování do licí pánve v pr hu odpichu. Vanad je dodáván asto jako ferovanad s 80 % V. Vanad i wolfram mají vysokou afinitu k uhlíku, se kterým vytvá í karbidy stabilní i za vyšších teplot. Tyto z termodynamického hlediska velmi stabilní karbidy zpev ují hranice zrn a brání hrubnutí struktury za vyšších teplot. Z tohoto d vodu se vanadu a wolframu používá k legování nap . žáropevných ocelí užívaných v energetice u odlitk sk íní parních turbín a odlitk armatur. Titan a hliník mají vysokou afinitu ke kyslíku a b hem tavení se zcela oxidují. Hliník se používá p i výrob ocelí na odlitky jako hlavní dezoxida ní p ísada. Zbytková koncentrace hliníku 0,03 až 0,06 % udržuje nízkou hladinu aktivity kyslíku v oceli i v pr hu odlévání a pln ní formy. Hliník je do oceli p idáván v tšinou jako istý prvek, výjime jako ferohliník. Dosažení esného výsledného obsahu hliníku lze docílit injektáží hliníkového drátu do oceli v pánvi. Titan se používá jednak k vázání dusíku a jednak jako p ísada v mikrolegovaných ocelích. isazuje se do oceli zpravidla jako ferotitan na konci tavby nebo do pánve v pr hu odpichu. Hliník a titan se b hem odlévání oxidují a zejména titan zhoršuje odlévatelnost a zabíhavost ocelí. Vyšší obsah titanu m že v ocelových odlitcích vést také ke vzniku trhlin. Titan má vysokou afinitu k uhlíku a používá se také ke stabilizaci korozivzdorných ocelí. Niob a tantal mají podobné vlastnosti jako titan, tzn., že pat í mezi prvky s nejvyšší afinitou k uhlíku. V oceli proto tvo í velmi stabilní karbidy. Jejich použití je nej ast ji p i výrob mikrolegovaných ocelí nebo jako stabiliza ní prvky v korozivzdorných ocelích. i hluboké dezoxidaci pod struskami bohatými na Nb a Ta se mohou oba prvky vyredukovat do oceli a jejich propal je tak p i jednostruskové technologii na EOP pouze minimální. podobn jako nikl má nižší afinitu ke kyslíku jak železo, a není ji proto možné b žnými metalurgickými postupy z oceli odstranit. Obecn lze íci, že se m vyskytuje ve vsázce jako nežádoucí ne istota. Koncentrace m di je omezena zejména v ocelích se zaru enou sva itelností. P i vyšších koncentracích m že být také m p inou trhlin zejména v hmotn jších odlitcích. i výrob ocelí na odlitky se m používá k legování mén asto. 70


Cín, antimon, bismut, olovo, arzén se vyskytují v ocelích obvykle v koncentracích p ibližn 100 ppm. Vyšší koncentrace t chto prvk jsou nežádoucí. Tyto prvky siln segregují na hranicích zrn a již v koncentraci i n kolika setin procenta mohou zp sobit zk ehnutí oceli. žnými metalurgickými postupy nejsou uvedené prvky z oceli odstranitelné. 6.3 Výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité obloukové peci Základním úkolem p ípravy vsázky p i výrob ocelí je ekonomické zpracování vratného legovaného odpadu. hem oxidace totiž p echází oxidy n kterých prvk , nap íklad chromu a vanadu do strusky a i stahování oxida ní strusky nastávají ztráty uvedených prvk . P i oxidaci oceli rudou se v závislosti na aktivit jednotlivých prvk oxiduje nejprve k emík, následn pak i mangan a chrom. Za p ítomnosti více než 0,50 % Cr v lázni jsou již proto omezené možnosti odfosfo ení. Pro výrobu nízkolegovaných ocelí legovaných chrómem lze doporu it následující technologie: Výroba z nelegované vsázky: Tavba se vede stejn jako p i výrob nelegované oceli. ležité je hluboké odfosfo ení oceli, proto by m l vratný materiál obsahovat co nejnižší obsah fosforu. Provede se dolegování chrómem sou asn s manganem a p ípadn s dalšími prvky s vyšší afinitou ke kyslíku na základ zkoušky, odebrané po ukon ení oxida ní fáze. Podle obsahu chrómu ve vsázce je nutné po ítat se zp tnou redukcí chromu z vyzdívky a zbytk strusky. Výroba z legované vsázky: Možným zp sobem výroby legovaných ocelí na EOP z vlastního legovaného materiálu je jednostrusková technologii s oxida ním údobím. i sestavování vsázky je vhodné využít co nejvíce vratného materiálu. V p ípad použití nelegovaného odpadu do vsázky, musí mít tento odpad zaru ený obsah fosforu, a to nižší než je obsah fosforu v legovaném vratném materiálu. Vsázka nesmí také obsahovat nekovové p ísady, aby bylo po roztavení v peci málo strusky. Pro dostate né odplyn ní lázn v pr hu uhlíkového varu, je nutné provést nauhli ení lázn o min. 0,30 % C, nad horní hranici jeho obsahu u vyráb né zna ky oceli. Koks jako vhodné nauhli ovadlo (nezvyšuje obsah fosforu) a sou asn vytvá í b hem tavení v peci reduk ní atmosféru. Oxidace se provádí plynným kyslíkem. Teplotu pro za átek dmýchání lze ur it podle obsahu uhlíku a chrómu. P ed zahájením dmýchání kyslíku do lázn se sníží množství strusky v peci. Vzhledem na oxidaci a redukci chrómu je výhodné pracovat se zásaditou struskou. B hem oxidace se sníží obsah uhlíku o min. 0,30 %. Oxida ní struska se nestahuje. Po ukon ení dmýchání se odebírá zkouška na chemický rozbor. V p ípad vyhovujícího složení se provede dezoxidace strusky. Na dezoxidaci se používá koks, ferosilicium, silikochróm, silikomangan, p ípadn silikokalcium. Uvedená jednostrusková technologie umož uje získat z vratného materiálu více než 90 % chrómu. i výrob ocelí legovaných vanadem je možné postupovat stejným zp sobem. Využití vanadu z vratného materiálu je obdobné až 90%. Pokud používají slévárny k výrob nízkolegovaných ocelí vedle obloukových pecí i induk ní pece, je výhodné zpracovávat legovaný vratný materiál v induk ních pecích, využití legujících prvk i s vyšší afinitou ke kyslíku je potom vysoké.

71


6.4 Výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí na zásaditých obloukových pecích Vliv uhlíku na vlastnosti nerezav jících ocelí Korozivzdorné oceli jsou charakteristické nízkým obsahem uhlíku. Vyjma chrómových martenzitických ocelí bývá stále ast ji požadován obsah uhlíku nižší než 0,07 %. Uhlík tvo í s chrómem karbidy, ímž se snižuje obsah chrómu v tuhém roztoku, má vyšší difúzní rychlost než chrom, a proto vznik karbid m že být spojen se vznikem heterogenity tuhého roztoku. Praktickým d sledkem vylou ení karbid chrómu na hranicích zrn je mezikrystalická koroze. Mezikrystalická koroze se vyskytuje obzvlášt po sva ování v tepeln ovlivn né zón . Na obr. 6.1 je uveden sklon austenitických ocelí k mezikrystalické korozi v závislosti na obsahu uhlíku v oceli a teplot . Proti jejímu vzniku je jednak snížení obsahu uhlíku na koncentraci, která se rovná nebo je menší, než je rozpustnost uhlíku v matrici p i teplotách, p i kterých se ješt vylu ují karbidy. Jako dostate nízký obsah uhlíku v austenitických ocelích, který zamezí vzniku rozsáhlé mezikrystalické koroze, se považuje obsahu uhlíku pod cca 0,03 %. Další možností zvýšení odolnosti materiálu proti mezikrystalické korozi je legování oceli prvky s vyšší afinitou k uhlíku než chróm, tzv. stabilizace taveniny. Jedná se nej ast ji o Nb, Ta a Ti. V poslední dob se dává p ednost výrob ocelí obsahem uhlíku p ed Obr. 6.1 Vliv obsahu C v austenitických ocelích na s nízkým sklon oceli k mezikrystalové korozi stabilizovanými. Hlavní sm ry vývoje korozivzdorných ocelí Požadovaný vývoj nerezav jících ocelí je možné charakterizovat požadavkem na zvýšení odolnosti proti korozním prost edím obsahujícím chloridy, snižováním obsahu uhlíku a síry, legováním dusíkem a zvyšováním istoty ocelí. Do velmi agresivních korozních prost edí se používají oceli se zvýšeným obsahem Ni, Mo a ípadn dalších prvk . U moderních korozivzdorných ocelí se požaduje - Vysoká koncentrace prvk zvyšujících odolnost oceli proti d lkové korozi, která se udává hodnotou PRE (Pitting Resistance Equivalent), s hodnotou ekvivalentu PRE 40 - Obsah uhlíku pod 0,03 % (p ípadn 0,02 %) u austenitických a dvoufázových ocelí, obsah síry pod 0,003 %. - Legování dusíkem až do 0,5 % u tvá ených ocelí a 0,025 % u ocelí na odlitky. Používá se k substituci niklu v ocelích austenitickou strukturou. Sou asn zvyšuje dusík korozivzdornost. - Vysoká istota oceli dosažitelná pochody sekundární metalurgie. - Výroba dvoufázových - duplexních ocelí, tj. ocelí austeniticko-feritických. Austenitické oceli, které spl ují výše uvedené požadavky na PRE a obsah C a S se nazývají také Super-austenity. Pro potla ení vzniku feritu v super austenitických ocelích (také k odstran ní vylu ování fáze) se zvyšuje obsah Ni na 20 až 25 %. 72


ást niklu se nahrazuje dusíkem. Legování ocelí dusíkem také potla uje nep íznivé vlivy zp sobené segregacemi. Austenitické oceli mají sklon k tvorb trhlin p i sva ování. Vyšším legováním se zvyšuje mez kluzu až na cca 300 N/mm2. V n které literatu e se používá také hodnocení odolnosti oceli proti d lkové korozi pomocí hodnoty P. I (Pitting Index), u kterého se jedná v podstat o stejné kritérium jako je ekvivalent PRE (stanovení hodnoty indexu P. I vychází ze stejného vztahu jako u ekvivalentu PRE). Jako duplex oceli se ozna ují austeniticko-feritické oceli s podílem cca 50 % feritu. Vysoké koncentrace legujících prvk 22 až 27 % Cr a až 6 % Mo vedou k vysoké heterogenit t chto ocelí a k jejímu odstran ní je nutné ocel žíhat na teploty až 1200 °C. Požadavky kladené na žáruvzdorné oceli Vlastností žáruvzdorných ocelí musí být vysoká odolnost proti oxidaci, korozi a dlouhodob stálé vlastnosti v horkých plynech. Odolnost proti oxidaci za vysokých teplot získávají oceli legováním Cr, Si, Al, Ni a jejich složení je podobné jako u nerezav jících ocelí. Podle struktury se rozd lují na feritické, feriticko-austenitické a austenitické. Za vyšších teplot se uhlík vylou ený jako karbidy rozpouští v matrici a houževnatost oceli se zvyšuje. U žáruvzdorných ocelí je obvykle vyšší obsah uhlíku než u ocelí korozivzdorných a to obvykle v desetinách procenta. 6.4.1 Základy výroby korozivzdorných ocelí Hlavní metalurgické úkoly p i výrob korozivzdorných ocelí: - Výroba oceli s nízkým obsahem uhlíku. Z hlediska dosažení nízkých obsah uhlíku je nutné oxidovat taveninu na co nejnižší obsah uhlíku p i ztrátách chrómu, které jsou ekonomicky ijatelné a v další fázi tavby snížit na minimum nauhli ení oceli grafitovými elektrodami. Nauhli ení lázn je tím v tší, ím je menší pom r mezi hmotností tavby a hmotností grafitových elektrod a také ím déle trvá údobí od konce oxidace do odpichu. - Výroba oceli s nízkým obsahem fosforu. Fosfor je u korozivzdorných ocelí nežádoucí prvek a jeho odstran ní oxidací a p evedením ve form oxidu fosfore ného do strusky není možné s ohledem zejména na nízkou aktivitu FeO ve strusce. Proto je d ležité v novat pozornost složení vsázky a používat pouze suroviny o známém složení s nízkým obsahem fosforu. Totéž platí pro ferochrom používaný k dolegování oceli. S ohledem na propal hlavn chrómu dochází b hem tavby ke zvýšení obsahu fosforu mezi první zkouškou a výsledným složením o 0,002 až 0,005 %. 6.4.2 Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod Termodynamické podmínky oxidace uhlíku v taveninách bohatých chrómem i výrob korozivzdorných chromových ocelí v EOP se k oxidaci používá výhradn dmýchání plynného kyslíku.

73


i výrob z vratného odpadu vysokolegovaných ocelí dochází nejprve k oxidaci chromu a následn , až p i dostate vysokých teplotách lázn dochází také k oxidaci uhlíku. Oxidací chromu vznikají oxidy, jejichž složení závisí na koncentraci chromu v oceli. P i obsahu chromu v tavenin do ibližn 9 % vzniká p i oxidaci oxid Cr2O3, p i vyšších koncentracích pak vzniká oxid Cr3O4. Závislost mezi obsahem chromu v železe Obr. 6.2 Rozpustnost kyslíku v tavenin Fe-Cr v rovnováze a obsahem kyslíku je uvedena na obr. 6.2. s Cr2O3 a Cr3O4 p i 1600 °C Pro p ípad termodynamické rovnováhy a obsah chromu v tavenin do 9 hmot. % lze oxidaci uhlíku a chromu popsat rovnicemi (6.1) a (6.2) s jejich tabelovanými hodnotami volné entalpie. Sou tem dostaneme vztah (6.3), který vyjad uje redukci oxidu chromitého uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého a chrómu rozpušt ného v tavenin . Podobn jako je se tením vyjád ena rovnice chemické reakce vyjád íme také standardní volnou entalpie rovnice.

2 Cr

3O

3 CO

3O

2 Cr

3 CO

Cr2 O3

G1

– 821 899 356,92 .T

(6.1)

3C

G2 G3

3 (19 972 40,98.T ) G1 3 G 2 –761983 479,86 .T

(6.2)

Cr2 O3

3C

(6.3)

Rovnovážnou konstantu reakce lze vyjád it: a Cr O . a 3C (6.4) ln K ln 2 2 3 3 a Cr . p CO i oxidaci tavenin s vysokým obsahem chromu jsou strusky oxidy chromu nasyceny, a proto lze jejich aktivitu považovat za rovnu jedné. P i oxidaci taveniny kyslíkem za atmosférického tlaku, obsahují vznikající bubliny tém istý oxid uhelnatý. V okamžiku, kdy bublina opouští taveninu, má tlak rovný tlaku atmosférickému. Za t chto podmínek je také parciální tlak oxidu uhelnatého roven jedné a rovnici (6.4) lze zjednodušit na tvar: a 3C G3 91650,6 (6.5) ln K ln 2 – – 57,72 RT T a Cr Vzhledem k tomu, že za daných podmínek netvo í chrom a uhlík se železem ideální roztok, je nutné aktivitu uhlíku a chromu vyjád it s využitím aktivitních koeficient a koncentrací pomocí vztah : (6.6) a C f C %C

a Cr f Cr %Cr Aktivitní koeficienty se vypo ítají podle vztah : log f C eCC . C eCCr . Cr log f Cr

Cr eCr . Cr

C eCr .C

(6.7) (6.8) (6.9)

i oxidaci korozivzdorných, ist chromových ocelí plynným kyslíkem je možné vliv ostatních prvk zanedbat, protože jejich koncentrace jsou po oxidaci bu zanedbatelné 74


(Si, S, P, O), nebo jsou zanedbatelné hodnoty jejich interak ních sou initel (Mn). Doporu ené hodnoty interak ních koeficient pro výpo et aktivity uhlíku jsou uvedeny v tab. 2.3. Interak ní koeficienty d ležité pro termodynamické výpo ty ve vysokolegovaných korozivzdorných ocelích jsou shrnuty také v tab. 6.2. Tab. 6.2 Hodnoty interak ních koeficient pro výpo ty v soustavách Fe-Cr-Ni-Mo

eCC

Cr eCr

eCCr

C eCr

eCNi

eCMn

eCSi

eCMo

eCCu

Ni eCr

Mn eCr

0,14 –0,0003 –0,024 –0,103 0,012 –0,012 0,08 –0,008 0,016 –0,0027 0,004 V p ípad oxidace v soustavách Fe-Cr-Ni a Fe-Cr-Ni-Mo je vztahy (6.8) a (6.9) nutné rozší it o vliv Ni a Mo a uvažovat s nimi p i ur ování jak aktivity chromu, tak i aktivity uhlíku. Jejich vliv na oduhli ení je významný s ohledem na jejich možný vyšší obsah v tavenin . Obsah chromu ve vsázce se ídí zejména požadavkem, aby po oxidaci množství ferochromu idávaného k dolegování sta ilo ochladit láze . V p ípad oceli s požadovaným složením okolo 18 % Cr se nej ast ji volí složení vsázky tak, aby po roztavení byl obsah chromu v tavenin p ibližn 13 %. B hem oxidace klesá obsah chromu o 2 až 3 %. P i následné redukci dochází k p echodu cca 1 % Cr ze strusky zp t do lázn . Tato úvaha vychází z p edpokladu výroby tavenin bohatých na chrom pouze v EOP, bez možností zpracování v agregátech sekundární metalurgie. Vliv teploty na termodynamickou rovnováhu íprava vsázky se stanovuje obvykle tak, aby po natavení byl obsah uhlíku okolo 0,5 %. S rostoucím obsahem uhlíku ve vsázce klesá teplota, p i níž nastává uhlíkový var. Po za átku dmýchání reaguje s kyslíkem nejprve k emík, poté chrom a následn také uhlík. Nastartování uhlíkového varu co nejd íve po za átku dmýchání je d ležité, protože do za átku uhlíkového varu se oxiduje chrom, což zp sobuje jednak ztrátu chromu a dále to prodlužuje tavbu a zvyšuje spot ebu kyslíku. Pro zvolené podmínky za átku dmýchání kyslíku 13 % Cr a 0,50 % C je možné vypo ítat rovnovážnou teplotu, která m že být vodítkem pro stanovení za átku dmýchání kyslíku. Pod touto teplotou nejsou termodynamické podmínku pro reakci kyslíku a uhlíku rozpušt ných v tavenin . Do dosažení této teploty dochází k oxidaci prvk s vyšší afinitou ke kyslíku (Si) a posléze nastává také oxidace chromu. Teprve až teplo uvoln né b hem exotermických reakcí mezi kyslíkem a prvky taveniny (Si a Cr) zvýší teplotu lázn nad rovnovážnou teplotu, nastává uhlíková reakce. Rovnovážnou teplotu lze vyjád it z rovnice (6.5): 91650,6 (6.10) T K a 3C 57,72 ln 2 a Cr Stanovení rovnovážné teploty podle vztahu (6.10) je platné až do obsahu chromu p ibližn 9 %. P i v tším obsahu by se m l p i odvozování rovnovážné teploty uvažovat nikoli vznik oxidu Cr2O3, ale oxidu Cr3O4. Praktické zkušenosti však ukazují, že stanovení teploty dmýchání na základ rovnovážné teploty vypo tené ze vztahu (6.5) dávají spolehlivé výsledky i v p ípadech, kdy tavenina obsahuje i více než 9 % Cr. Pro za átek dmýchání a výše zvolený obsah chrómu (13 % Cr) a r zný obsah uhlíku (0,02 – 0,5 % C) lze dosazením interak ních koeficient do rovnic (6.8) a (6.9) stanovit hodnoty aktivitních koeficient . Pomocí nich lze následn ur it aktivity chromu a uhlíku, které jsou nutné pro stanovení rovnovážné teploty podle rovnice (6.10). Tab. 6.3 znázor uje r zné obsahy uhlíku a p azeny takto vypo ítané hodnoty rovnovážné teploty pro obsah chromu 13 %. 75


Tab. 6.3 Vypo tené hodnoty aktivitních koeficient a rovnovážných teplot pro soustavu Fe-Cr-C p i obsahu chromu v tavenin 13 % a odstup ovaném obsahu uhlíku. C

fCr

fC

[hmot. %] 0,50 0,30 0,10 0,05 0,02

0,88 0,92 0,97 0,98 0,99

0,573 0,537 0,504 0,495 0,491

T

T

[K]

[°C]

1867 1938 2098 2206 2365

1594 1666 1825 1933 2092

Pro obsah chrómu na za átku dmýchání 13 % Cr je požadována teplota, p i které se za ne dmýchat kyslík nejmén 1594 °C. Pro dosažení obsahu uhlíku na konci dmýchání 0,05 % je nezbytná teplota nejmén 1930 °C. Hodnoty vypo tené v tab. 6.3 jsou úm rné praktickým zkušenostem, kdy uhlíkový var p i obsahu uhlíku 0,50 % za íná p i teplot 1600 až 1630 °C. Grafické znázorn ní rovnovážné teploty ze vztahu (6.10) v závislosti na obsahu uhlíku a chromu ve vsázce udává obr. 6.3. i stanovení p íslušných aktivit byly použity vztahy (6.8) a (6.9) s uvažování pouze interak ních koeficient chromu a uhlíku prvního ádu. Obr. 6.3 Rovnovážná teplota v soustav Fe-C-Cr v závislosti na obsahu uhlíku a chromu

Vliv tlaku na termodynamickou rovnováhu Podle rovnice (6.4) závisí hodnota rovnovážné konstanty na aktivit oxidu uhelnatého anebo na parciálním tlaku oxidu uhelnatého v plynné sm si, která je v rovnováze s taveninou. V praxi se využívá k dosažení nízkých obsah uhlíku v oceli vlivu parciálního tlaku oxidu uhelnatého v bublinách vyplouvajících z lázn na rovnováhu uhlíku v oceli s kyslíkem. Parciální tlak oxidu uhelnatého pCO v bublinách závisí jednak na koncentraci oxidu uhelnatého % VCO v bublinách a na celkovém tlaku na hladin oceli p. P i nízkém tlaku a vysokých teplotách je možné p edpokládat, že se sm s plyn , která je v rovnováze s taveninou, chová jako sm s ideálních plyn . V takovém p ípad lze aktivitu oxidu uhelnatého ve sm si vyjád it pro konstantní teplotu rovnicí:

pCO

nCO ni

p

% VCO p 100

(6.11)

Parciální tlak oxidu uhelnatého v plynné sm si lze snížit bu to snížením jeho koncentrace v plynné sm si (% VCO), nebo snížením celkového tlaku sm si (P) nad hladinou lázn . Na snížení koncentrace oxidu uhelnatého v plynné fázi, které je ve styku s ocelí se používá v praxi technologie dmýchání sm si inertního plynu a kyslíku do lázn . Jako inertní plyn se používá argon. V n kterých p ípadech se místo argonu m že použít k dmýchání také dusík. 76


Technologie dmýchání sm si kyslíku a argonu byla vyvinuta pro zpracování tavenin s vysokým obsahem chromu. hem dmýchání kyslíku a argonu se snižuje parciální tlak oxidu uhelnatého, emuž odpovídají i nižší kone né obsahy uhlíku. Parciální tlak kyslíku v dmýchací sm si odpovídá ibližn polovin rovnovážného parciálního tlaku oxidu uhelnatého pro dané podmínky. Jednomu molu kyslíku odpovídají stechiometricky dva moly oxidu uhelnatého. S klesající obsahem uhlíku v oceli klesá rovnovážný parciální tlak oxidu uhelnatého (p edpokládá se standardní celkový tlak sm si roven jedné) a proto se i obsah kyslíku ve dmýchací sm si se snižuje. Na záv r se dmýchá istý argon. Uhlík pak redukuje oxidy chrómu v oceli a zvyšuje její oxidickou istotu a snižuje propal chromu. Snížení celkového tlaku „P” nad hladinou oceli se dosahuje na za ízeních vakuové metalurgie. Pro slévárny oceli jsou za ízení sekundární metalurgie používající sníženého tlaku investi obtížn dostupné. Slévárny vyráb jící korozivzdorné oceli proto používají ast ji technologii snížení parciálního tlaku oxidu uhelnatého dmýcháním inertního plynu v konvertorech. Výjimkou jsou slévárny, které mají k dispozici vakuové induk ní pece. Technologie dmýchání kyslíku a inertního plynu využívá konvertory s dmýcháním vodou chlazenou tryskou umíst nou u dna nebo ve dn konvertoru. Ocel se roztaví v elektrické obloukové peci nebo v elektrické induk ní peci, upraví se teplota a chemické složení oceli. Ocel se pak dopraví v pánvi do konvertoru. Obsah chrómu a ostatních legujících prvk odpovídá p ibližn požadovanému složení ve vyrobené oceli. Obsah uhlíku je možné zvýšit až na 1 %. Po oduhli ení se již chemické složení oceli upravuje jen menším množstvím legujících p ísad. Do konvertoru se dmýchá sm s argonu a kyslíku. Jak se b hem oxidace postupn snižuje obsah uhlíku v tavenin , tak se snižuje také obsah kyslíku ve dmýchané plynné sm si a zvyšuje se obsah argonu. Na záv r se dmýchá istý argon a uhlík dezoxiduje v tavenin p ítomné oxidy chrómu. Pro rovnovážné podmínky lze na podklad sou tu st edních parciálních tlak oxidu uhelnatého a argonu v bublinách dmýchaného argonu odvodit vztah mezi spot ebou inertního plynu a zm nou obsahu uhlíku ve tvaru: C1

V Ar

18 , 600

A C dC C C2

(6.12)

Rovnice udává spot ebu inertního plynu (VAr) p i oduhli ení 1t tekuté oceli. VAr– Objem inertního plynu spot ebovaného na snížení obsahu uhlíku z koncentrace C1 na 3

koncentraci C2 v tun tekuté oceli [Nm /t] A – Prom nná veli ina závislá na teplot a chemickém složení, jejíž hodnotu je možné ur it podle vztahu: [Cr ]3 / 4 . f [ 3Cr/ ]4 (6.13) A K 3 . f[ C] Podle výše uvedených vztah je možné vypo ítat nejmenší možnou spot ebu argonu na oduhli ení. Skute né spot eby argonu jsou pon kud vyšší. Praktickým ov ením spot eby argonu oproti teoretické, stanovené podle vztahu (6.13) bylo dosaženo p ibližn dvojnásobné spot eby. V b žných eských slévárnách za ízení sekundární metalurgie pro oduhli ení vysokolegovaných ocelí nejsou k dispozici s výjimkou hutních sléváren, kde jsou tato za ízení využívaná p evážn k výrob oceli pro tvá ení. 77


Za ízení konvertory v R nejsou instalovány. ada sléváren proto musí vyráb t vysokolegované oceli na obloukových pecích bez použití sekundární metalurgie.

Shrnutí pojm kapitoly rozd lení ocelí na odlitky vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v EOP výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité EOP výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí v zásadité EOP funkce hlavních termodynamických podmínek v taveninách bohatých chrómem

Otázky k probranému u ivu 1) Jaké vlastnosti litých ocelí rozlišujeme? 2) Jaká je charakteristika hlavních legujících prvk ? 3)

ím se liší výrobní postupy s legovanou a nelegovanou vsázkou v zásadité EOP p i výrob nízkolegovaných ocelí?

4) Jaký je vliv uhlíku p i výrob nerezav jících ocelí na odlitky v EOP? 5) Které jsou hlavní sm ry vývoje korozivzdorných ocelí? 6) Jaké jsou termodynamické podmínky oxidace uhlíku v taveninách bohatých chrómem? 7) Jaký je vliv teploty na termodynamickou rovnováhu p i výrob vysokolegované ocelí bohatých chrómem? 8) Jaký je vliv tlaku na termodynamickou rovnováhu p i výrob vysokolegované ocelí bohatých chrómem?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] [2] [3]

Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

78


7.

Intenzifikace výroby oceli v EOP. Soudobé vývojové trendy výroby oceli v EOP. as ke studiu: 110 minut

Cíl


ujasníte si pojem intenzifikace výroby oceli v EOP budete v t, jaký byl vývoj za ízení a technologie v EOP pochopíte soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOP budete znát jednotlivá intenzifika ní opat ení v EOP budete um t specifikovat soudobá intenzifika ní opat ení ve slévárnách

Výklad Intenzifikace výroby oceli umož uje snížit zejména zpracovací náklady, které se podílejí na nákladech na materiál v odlitku. Intenzifikace výroby oceli na obloukových pecích ve slévárnách má smysl tehdy, když jsou vy erpána všechna b žná opat ení vedoucí ke snížení náklad : Rychlé nasazení vsázky. Vylou ení veškerých prostoj v dob od zapnutí pece po nasazení do odpichu. Zapnutá pec má p ednost, ostatní pracovišt se pod ídí. Z pohledu údržby je mimo ádná pozornost v nována se ízení regulace a ostatních prvk regulace pece. Postup údržby je veden preventivním zp sobem. Provoz slévárny provozuje pouze nejmenším po tem pecí nutných k zajišt ní výroby tekutého kovu. Ostatní pece stojí jako studená rezerva. Obsluha pecních agregát je motivována na dodržování a snižování vybraných technicko - ekonomických ukazatel . Omezení intenzifika ních opat ení ve slévárnách je dáno velikostí ro ní produkce, která je podstatn menší než u pecí v hutních provozech. Míra intenzifikace výroby oceli na obloukových pecích bývá v tšinou posuzována podle doby tavby, spot eby elektrické energie a spot eby grafitových elektrod. Nap íklad hodnoty n kterých t chto kritérií pro pece s hmotností tavby do 10 t jsou znázorn ny v tab. 7.1.

79


Tab. 7.1 Doporu ené hodnoty doby tavby, spot eby elektrické energie a grafitových elektrod pro pece pracující v eských slévárnách s hmotností tavby do 10 t. Stav intenzifikace

Bez intenzifikace St edn intenzifikovaná pec Vysoce intenzifikovaná pece

Doba tavby [min] 160 135 110

Spot eba el. energie [kWh/t] 590 550 500

Metodika specifikace rozpisu kalendá ního asu m že být v r zných slévárnách odlišná. V tab. 7.1 je doba tavby uvažována od zapnutí pece po jejím prvním nasazení až do ukon ení odpichu. Ve spot eb elektrické energie je zapo ítána pouze technologická energie spot ebovaná na tavení a oh ev oceli. Není zde zapo ítána energie ostatních za ízení, jako je na pohon erpadel, ventilátor odsávání a další. 7.1 Vývoj za ízení a technologie používané v elektrických obloukových pecích Vhodnou návratnost i velkých investic mohou mít v zavád ní intenzifika ních opat ení v hutních ocelárnách na elektrických obloukových pecích do za ízení pecí a jejich technologie, p i jejich výrobách ve stech tisících a až p es milion tun. Elektrické obloukové pece nové konstrukce a vybavení jsou dnes hutnickým agregátem ur eným pro hromadnou výrobu oceli. P vodní EOP ur ené pro výrobu ušlechtilých ocelí s dobou tavby 4 hodiny a více se moderní EOP staly agregátem schopným konkurovat v hromadné výrob oceli i kyslíkovým konvertor m. P edevším v druhé polovin minulého století prošly EOP bou livým vývojem v oblasti konstrukce pecí tak i v oblasti technologie. Možnosti intenzifikace p i výrob elektrooceli se týkají všech výrobních fází celé doby tavby. Ve slévárnách oceli jsou intenzifika ní opat ení ve srovnání s hutními podniky omezena návratností investic. Zkušenosti získané s intenzifikací oceli velkých obloukových pecí nejsou ve slévárnách v celém rozsahu realizovatelné, mohou být však pro slévárny inspirativní. Vývoj soudobých EOP a výroby oceli v EOP pokra uje ve sv i v posledních letech progresivním tempem, v absolutních hodnotách, tak i v r stu hlavních ukazatel práce EOP. Vysoký je dnes odhadovaný i tém 40 procentní pr rný sv tový podíl elektrooceli na celkové výrob oceli. V t ífázových zásaditých EOP se v sou asnosti vyrábí prakticky veškerá elektroocel. Z pohledu r stu produktivity je možné popsat genera ní vývoj EOP: U první generace EOP na po átku 20. století bylo uvažováno u pecí do hmotnosti tavby 45 t s použitím EOP hlavn pro výrobu legovaných ocelí. U druhé generace EOP v období do konce 50 let, i hmotnosti taveb na více než 100 t evládala dvoustrusková technologie vedení tavby. etí generace EOP, nastupuje po átkem 60 let charakterizovaná jako UHP EOP. (UHP – Ultra High Power, pozd ji UH Productivity). Charakteristickým znakem je výkonný transformátor a celková doba tavby do 2 h 15 min a to bez ohledu na hmotnost tavby. Doba natavování nesmí p ekro it 1 h 45 min.. Tyto pece pracují s velmi vysokým m rným výkonem (600 kVA/t) a krátkými oblouky. Krátké oblouky p ízniv ovliv ují životnost vyzdívky st n, tepelnou a tím i celkovou ú innost práce EOP. Používají speciální grafitové elektrody s velmi nízkým elektrickým odporem. Charakteristické vysoké nasazení kyslíku ve fázi tavení. Teplo exotermických reakcí uvol ující se p i dmýchání kyslíku postupn nahrazovalo stále v tší ást tepla dodávaného elektrickou energií. EOP t etí generace se zam ují na hromadnou výrobu uhlíkových ušlechtilých i neušlechtilých ocelí, pracujících s 80


tzv. martinskou technologií vedení tavby na agregátech v tších než 100 t do kolem 400 t. Neprovádí se dezoxidace, odpadá odsí ení a možnost legování oceli prvky s vysokou afinitou ke kyslíku a v peci je do konce tavby oxida ní struska. Dezoxidaci oceli se provádí až p i odpichu kovu v pánvi. P i výrob ušlechtilých ocelí navazuje po odpichu zpracování v agregátech sekundární metalurgie. Výrobnost UHP pecí se pohybuje v rozmezí 50 – 125 t/hod. tvrtá generace EOP z poloviny 70. let je charakterizovaná jednak zavedením vodou chlazených st n pece (pozd ji i víka EOP) a dále adou významných inovací, vedoucích k dalšímu podstatnému zkracování doby tavby, poklesu m rné spot eby elektrické energie a grafitových elektrod. Jde o SUHP (Super Ultra High Productivity) EOP. Vysoké výkony elektrických oblouk vyvolaly pot ebu nahradit vyzdívku nad struskovou arou vodou chlazenými panely. Nejvýznamn jší u této generace EOP je hromadné zavád ní za ízení sekundární metalurgie. Doba tavby EOP je limitována dobou pot ebnou k roztavení vsázky a oh evu lázn na odpichovou teplotu, v pr hu které je oduhli ena a odfosfo ena. Snížení spot eby elektrické energie je dále snižováno nasazením kyslíko-palivových ho ák . echod k páté generaci rozvoje EOP nastal využíváním dmyšné tvárnice ve dn pecní níst je. Zavád jí se prvky konvertorového kyslíkového pochodu. Míchání oh ívané a zkuj ované lázn inertním plynem vede v neposlední ad ke snižování obsahu dusíku až o 50 %, dále k dalšímu snížení m rné spot eby elektrické energie a zkrácení doby tavby. Pro tuto šestou generaci od roku 1990 je charakteristické prosazování EOP šachtového typu, Je to efektivní využívání odpadního tepla EOP z odcházejících spalin. Postupný vývoj intenzifikace EOP v jednotlivých vývojových trendech s jejich dopadem na spot ebu elektrické energie, celkovou dobu tavby a spot ebu grafitových elektrod je znázorn n na obr. 7.1.

Obr. 7.1 Trendy vývoje elektrických obloukových pecí

Intenzifikace EOP se dosahovalo zejména, zvyšováním výkonu pecního transformátoru, zvýšením p ívodu energie ve form tepla exotermických reakcí a tepla z kyslíko - palivových ho ák . Dalším opat ením je i využíváním tepla z plyn odcházejících z pece. Ostatní opat ení sm ovala k vytvo ení podmínek pot ebných pro absorpci vysokých p íkon energie vsázkou (lázní) v peci. Doba tavby je ur ena pouze dobou, za kterou se p ivede do pece dostate ná energie pro roztavení vsázky a požadovaný oh ev lázn . Výše uvedené technologické parametry (doba tavby, p íkon energie, spot eba energie a grafitových elektrod a další) spolu navzájem souvisí, což vedlo také k tvorb energetických a metalurgických režim pro ízení obloukových pecí. 81


7.2 Soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOP Nové konstruk ní prvky EOP, které byly vyvinuty v posledních letech, m ly cíl: zvýšit jakost vyráb né oceli snížit výrobní náklady – zejména u malých EOP optimalizovat použití energie – snížit spot ebu primární elektrické energie a zvýšit flexibilitu ve volb energie snížit emise a hlu nost p i výrob elektrooceli Základní principy, které jsou v sou asné dob u t chto nov vyvíjených postup používány, lze shrnout do následujících opat ení: využití tepla odcházejících spalin (pecních plyn ) pro p edeh ev vsázky (ocelového odpadu), použití uhlíku a kyslíku, oxidace uhlíku jako dalšího zdroje energie v EOP, využití dospalování CO v pecním prostoru nebo v p edeh ívací komo e ocelového odpadu, áste ná náhrada elektrické energie, energií z kyslíko - palivových ho ák . Zavedení moderních postup sekundární metalurgie zásadn ovlivnilo zm ny v konstrukci a výrobní technologii EOP. Obloukové pece pracující v tandemu s pánvovou pecí slouží pouze jako tavicí agregát, ve kterém se provádí oduhli ení a odfosfo ení. Oxida ní struska p i zavedení p dního odpichu z stává v peci. Tím se vytvá í vhodné podmínky pro hluboké odsí ení a dezoxidaci oceli v pánvi. Doba tavby je limitována pouze rychlostí oh evu kovu na odpichovou teplotu. Konstruk ní zm ny provád né v poslední dob u moderních obloukových pecí m ní zcela profil celé obloukové pece. Na obr. 7.2 je p íklad schématického znázorn ní soudobých konstrukcí EOP.

7.2 Schématické znázorn ní soudobých konstrukcí EOP, vlevo pec s p dním odpichem, vpravo pec s ho áky, za ízením na nap nou strusku a p dními dmyšnami

které vývojové trendy ve výrob oceli v EOP jsou popsány v základní charakteristice nap íklad v doporu ené literatu e.

82


7.2.1 Intenzifika ní opat ení na elektrických obloukových pecích Použití siln jších pecních transformátor a vodou chlazených st n a víka V pr hu vývojové generace EOP byly zvýšeny výkony pecních transformátor na 600 kVA/t a pozd ji až na 1000 kVA/t na UHP a SUHP pecích. Zm na vyvolala pot eby nahradit na n kterých ástech pece keramickou vyzdívku vodou chlazenými prvky. Postupn byla nahrazena celá vyzdívka nad struskovou arou vodou chlazenými st nami v etn víka. Tepeln – izola ní schopnost vodou chlazených st n je nižší než st n z keramického zdiva. Pro dosažení efektivnosti t chto opat ení je nutné extrémn zkrátit dobu tavby. Doba tavby se proto zkracuje i u velkých obloukových pecí na cca 1 hod, v opa ném p ípad by již docházelo k významnému zvýšení spot eby elektrické energie a také spot eby grafitových elektrod. Použití kyslíku Pro dmýchání kyslíku do lázn se u EOP p vodn používaly ocelové trubky zavád né do pece pracovním otvorem ru . Tento jednoduchý zp sob je v ad p ípad u malých obloukových pecí používán dodnes. Pot eba odstranit tuto namáhavou práci tavi e vedla pozd ji u velkých pecí k realizaci mechanizovaného zavád ní t chto trubek do lázn . S novými koncepcemi mechanizovaného a automaticky ovládaného dmýchání kyslíku se setkáváme v pr hu 80. let, kdy se v integrovaném pojetí eší i další úlohy, jako nap . konstrukce a použití „nap ovací“ trysky nebo sou asné dmýchání kyslíku a prachových substancí (vápno apod.). evládající sm r v konstrukci dmýchání kyslíku je v zavád ní trysek do pece p es pracovní dví ka, viz nap íklad systém FUCHS nebo BSW Engineering. Celková spot eba kyslíku pro kyslíko – palivové ho áky, kyslíkové trysky a dospalování CO se v sou asnosti zvýšila z 24 na 30 Nm3/t (tj. o 25 %). Oprávn však lze p edpokládat, a n které již zve ejn né provozní zkušenosti to potvrzují, že vysoká spot eba kyslíku sama o sob automaticky nezaru uje efektivnost náhrady p íkonu energie, kterou jinak získáváme z elektrické sít [10]. Prostou extrapolací maximáln používaných m rných spot eb kyslíku v EOP (50 Nm3/t) se došlo k extrémním prognózám stu m rné spot eby kyslíku v EOP až na 70 Nm3 O2/t. Rozborem tepelné efektivnosti a fyzikálního omezení intenzifikace procesu EOP však bylo potvrzeno, že p i zvyšování intenzity procesu v EOP dochází ke snižování celkové ú innosti procesu tavení. Intenzivní využívání kyslíku v EOP enormn zvyšuje požadavky na výkonnost za ízení ur ených pro jímání a išt ní spalin. A pon vadž v sou asnosti se požadavky v tomto sm ru zp ís ují, mohou být ekonomické kalkulace p i posuzování výhodnosti zám ny energie z elektrických oblouk jinými zdroji tepla tímto faktorem významn ovlivn ny. Pokud jde o problematiku efektivního dospalování CO (p i spálení 0,5 Nm3 oxidu uhelnatého 1 Nm3 O2 na CO2 se uvol uje cca 7 kWh), jedná se o náro ný technický problém, pro jehož efektivní vy ešení není posta ující koncepce, založená na prostém p ívodu plynného kyslíku do pracovního prostoru pece blíže nespecifikovaným zp sobem p i p esn ízené intenzit pr toku. Sou asné poznatky jednozna ukazují, že pro dosažení pot ebného stupn využití uvol ovaného tepla jsou nezbytné speciální injektážní trysky a automatická regulace intenzity ívodu kyslíku na základ údaj , které se zjiš ují kontinuální analýzou složení spalin odcházejících z pracovního prostoru pece. Intenzifikace tavení vsázky kyslíko - palivovými ho áky Teplota plamene U soudobých kyslíko – palivových ho ák je teplota plamene 2600 až 2800 °C, což dává p edpoklad dobré ú innosti p estupu tepla z plamene do vsázky. P i posuzování potenciální využitelnosti p ídavných ho ák v obloukové peci se však nevysta í s 83


edstavou staticky vymezené st ední hodnoty ú innosti oh evu ho áku. Je nutné vzít v úvahu, že se v pr hu tavicího procesu zákonit m ní i ú innost p enosu tepla z plamene do vsázky. Obr. 7.2 znázor uje charakter zm ny ú innosti b hem údobí tavení vsázky. V po áte ních stadiích procesu je stupe využití tepla ho áku vysoký kolem 80 %. Trend poklesu ú innosti v ase není zpo átku p íliš výrazný a lze vyzna it mez (obr. 7.2 bod „a“), za kterou trend poklesu ú innosti nabývá na intenzit . Odpovídá to situaci, kdy v okolí p sobnosti plamene ho ák je vsázka již natavena a p estup tepla ze spalin do vsázky není již tak bezprost ední jako na po átku. Záv re né fáze procesu tavení jsou charakterizovány tím, že objem dosud neroztavené vsázky je již zna zmenšený a p itom i dále intenzivn ubývá. Za t chto okolností by na soudobých obloukových pecích s vodou chlazenými st nami a víkem klesala ú innost oh evu až na hodnotu 25 20 %. Provozování p ídavných kyslíko - palivových ho ák nep etržit po celé údobí tavení vsázky je v sou asných pom rech zjevn neracionální. Podíl doby, po kterou je ješt efektivní sou asn s elektrickými oblouky využívat ídavné ho áky je samoz ejm ovlivn n adou faktor nap íklad konstruk ním uspo ádáním, po tem a tepelným výkonem ho ák , cenovými relacemi mezi palivem, kyslíkem a elektrickou energií, asovými požadavky apod. M žeme tedy uvažovat ur ité rozmezí (obr. 7.3), které je vymezeno definovaným bodem „a“ a z pravé strany bodem „b“ pod kterým již je ú innost ho ák nízká a zpravidla neefektivní. Obr. 7.3 Vývoj sou initele vyjad ujícího zm nu využití tepla ho ák s postupujícím procesem tavení Z hlediska konstruk ního uspo ádání a manipulace se obvykle rozlišují: vsázky (relativní as doby tavení) ho áky se stabilním umíst ním mobilní dve ní ho áky V první skupin jsou nejrozší en jším reprezentantem st nové ho áky. Ur itou nevýhodou stabilních st nových ho ák zejména p i velkém jednotkovém tepelném výkonu je dosažení bodu „a“ za relativn kratší dobu. Podíl doby s nejvyšší ú inností se tak zmenšuje. Obvyklý výkon jednotlivého ho áku bývá 1 2,5 MW, instalují se však ho áky o výkonu až 10 MW. Zdokonalení v tomto sm ru bylo aplikováno v Japonsku a spo ívá v realizaci mechanizmu, schopného zasouvat v dob funkce ho ák do pracovního prostoru pece. Prodloužení doby s nejvyšší ú inností lze docílit také alternativou, kdy stanovený celkový tepelný p íkon pro p ídavné ho áky se rozd lí do v tšího po tu jednotek. Nap íklad ešení

84


realizované v USA a ozna ované jako „Tri Flame“ ho ák, které je znázorn no na obr. 7.4. Jedná se o konstruk ní jednotku, ze které vyús ují t i v jí ovit sm rované ho áky. Z výše uvedeného len ní podle kritéria stabilního i mobilního uspo ádání ho áku se odlišují koncep zak ivené a po obloukovité dráze zasouvatelné kombinované trysky ho áku UNILANCE. V jednom za ízení je více funkcí. Vedle kyslíko - palivového ho áku je to též kyslíková zkuj ovací dmyšna a t etí funkcí je možnost dmýchání prachových substancí nap íklad vápna anebo nauhli ovadlo. Pro p edstavu o ocen ní p ínos , které se získávají používáním p ídavných ho ák , žeme použít úvahu nap íklad, že Obr. 7.4 Schematické znázorn ní „TRI FLAME“ ho ák spálením 5 Nm3/t zemního plynu se dosahuje úspory el. energie v pr ru 40 kWh/t. Navíc každé procento dodate ného tepelného p íkonu od p ídavných ho ák , absorbované vsázkou, znamená stejné procentuální zkrácení tavicího údobí. ízení energetických režim Vycházíme z toho, že výkon oblouk u každého nap ového stupn roste se zvyšováním intenzity proudu jen po ur itou mez, p i níž dosahuje maxima. P i dalším zvyšování proudové intenzity za íná inný výkon klesat, což je doprovázeno i výrazným poklesem elektrické innosti ( EL) a ú iníku. Z toho pak byla vyvozována zásada, že pro nejrychlejší tavení je elné pracovat s proudy v oblasti maxima výkonu oblouk a že jejich p ekro ení je zcela neracionální. Pro tavení vsázky nebo oh evu lázn se však nevyužívá celý výkon oblouk , ale jeho ást se spot ebuje na kompenzaci tepelných ztrát pece v pr hu tavby. Za zjednodušujícího edpokladu o konstantní velikosti tepelných ztrát, je možné na základ takto dopln ných pracovních charakteristik pece dojít ke zjišt ní, že krom intenzity proudu oblouk , odpovídající maximu užite ného výkonu existuje i intenzita zajiš ující minimum spot eby elektrické energie. Za racionální oblast práce pece se pak považovalo pásmo proud oblouk vymezených uvedenými charakteristickými hodnotami. Uvedené p ístupy k racionalizaci energetického režimu jsou však p íliš zjednodušené, nebo vycházejí z toho, jak se oblouková pec projevuje navenek. Významný krok vp ed znamenalo uplatn ní poznatk o p enosu energie z oblouk do pracovního prostoru pece, získaných studiem vlastností elektrických oblouk p i r zných jejich parametrech. Tyto zásady, které stanovil, Schwabe, dostaly široké uplatn ní zejména s rozvojem vysokovýkonných (UHP) pecí. Známé jsou dynamické modely ízení energetického režimu pro fázi tavení a dohotovení. Více informací je možné nalézt v doporu ené literatu e.

85


Využití tepla spalin odcházejících z EOP Z elektrických obloukových pecí odchází ve spalinách významná množství energie. Toto množství energie ve spalinách roste s intenzifika ními opat eními zejména s použitím kyslíku a kyslíko-plynových ho ák . Na obr. 7.5 je uveden p íklad tepelné bilance elektrické obloukové pece. Elektrická energie spot ebovaná na roztavení a oh ev oceli iní jen asi polovinu veškeré dodané energie. Zbytek energie pot ebné pro výrobu oceli je dodán kyslíko - palivovými ho áky a exotermickými reakcemi. V uvedeném íklad odchází v plynech z pece 8,5 % dodané energie, což p edstavuje 50 kWh/t. Celkové ztráty iní 195 kWh/t, což je 16 %. Podíl energie odcházející spalinami je tedy asi tvrtina celkových tepelných ztrát. Teplo spalin se využívá nej ast ji k p edeh evu kovové vsázky. Nejjednodušším zp sobem edeh evu vsázky je p edeh ev v sázecím koši, který se umís uje do komory, p es kterou Obr. 7.5 Tepelná bilance procházejí spaliny. elektrické obloukové pece Postupy, p i kterých je kovová vsázka edeh ívána p ímo v prostoru navazujícím na obloukovou pec jsou nap íklad FUCHSOVA šachtová pec, pochod CONSTEEL, pec DC EOP COMELT, pochod CONTIARC ). Dmyšny ve dnu EOP Jedním ze základních intenzifika ních opat ení je dmýchání inertních plyn , zpravidla argonu ípadn také dusíku, do EOP dmyšnami ve dn pece. Tímto se urychluje a zlepšuje p enos tepla mezi oblouky a lázní, zkracuje doba tavby, snižuje se spot eba grafitových elektrod, snižuje spot eba elektrické energie a prodlužuje životnost vyzdívky a víka pece. Dmyšny jsou nej ast ji tvo eny opláš ovanými pórovitými keramickými tvárnicemi, které jsou vestaveny do níst je pece. Podle velikosti pece že být pec osazena i n kolika dmyšnami. Kontrola p ípadn vým na dmyšen je provád na hem studené opravy pece. Minimální životnost dmyšen je p i dodržení všech výrobcem daných podmínek zpravidla by m la být do první v tší opravy vyzdívky pece. Dmyšny bývají d leny asto podle toho, zda prochází plyn z dmyšny p ímo do lázn nebo se dmýchá z dmyšny p es vrstvu vyzdívky. Používané uspo ádání dmyšny v p pece je v sou asnosti p ímé, jak je znázorn no na obr. 7.6. Výhodou p ímého zp sobu dmýchání Obr. 7.6 Dmýchání plynu ímo plynu do lázn , je vysoká ú innost. Pro zabezpe ení z dmyšny do lázn bezporuchové funkce musí být dmyšna neustále ve všech fázích výroby v provozu a dmýchání plynu nesmí být p erušeno, je regulován pr tok plynu. Za ízení p i dmýchání plyn také snižuje teplotní i chemickou heterogenitu taveniny v peci po celou dobu tavby, napomáhá vyplouvání 86


vm stk a zlepšují také kinetické podmínky pro dezoxidaci a odsí ení oceli. P dní dmýchání má také p íznivý vliv na obsah plyn v oceli. B hem dmýchání dochází také ke snižování obsahu dusíku a zejména vodíku. ípadné investice vložené do za ízení na dmýchání plyn mají krátkodobou návratnost. Intenzifikace dohotovení Pokud je doba tavby kolem 60 minut, potom je doba dohotovení velmi krátká. Stanovení množství kyslíku pro oxidaci a množství struskotvorných látek, které zajistí odfosfo ení, je vypo teno na základ metalurgického modelu vycházejícího z fyzikáln – chemické podstaty ízených pochod . K výpo tu jsou používány jako vstupní hodnoty zejména teplota oceli a chemické složení zjišt né na základ analýzy oceli a chemické složení požadované pro vyráb nou zna ku. Model po ítá s experimentáln zjišt ným využitím jednotlivých p ísad. Na moderních intenzifikovaných pecích je po odfosfo ení a oduhli ení kovu v peci provád na další úprava taveniny zpravidla na n jakém z dalších za ízení sekundární metalurgie. P vodní fáze dohotovení se tak z v tší ásti p esouvá mimo pecní agregát. 7.3 Intenzifikace výroby oceli ve slévárnách Intenzifikací výroby oceli se v tomto textu uvažuje soubor opat ení, které vedou zejména ke zkrácení doby tavby, snížení spot eby elektrické energie, grafitových elektrod a náklad na žáruvzdorný materiál. Kone ným cílem intenzifikace je snížení náklad na výrobu oceli p i dosažení její požadované jakosti. Náklady na výrobu oceli je nutné po ítat komplexn . Jestliže snížení náklad v jedné fázi výroby znamená zvýšení náklad v jiné fázi výroby, potom je nutné po ítat s výsledným ekonomickým efektem. P i výrob v tšiny b žných komer ních ocelí na odlitky není nutné se zabývat nap . istotou ocelí. istota ocelí dosažená žným metalurgickým postupem ve v tšin p ípad vyhovuje požadované užitné hodnot odlitk a zajiš uje p edepsané mechanické hodnoty. U ocelí ur ených pro práci za nízkých teplot nebo se speciálními vlastnostmi však istota oceli a zejména morfologie vm stk hraje významnou roli. Termín intenzifikace by bylo možné v tomto pojetí nahradit termínem zvýšení hospodárnosti výroby oceli. Pojem intenzifikace je však v technické praxi zaveden a bude i dále ve výše uvedené smyslu požíván. Podmínky pro intenzifikaci technologie se mohou mezi jednotlivými slévárnami lišit. Významný vliv mají nejen ceny jednotlivých surovin a energií, ale také denní výrobnost. Jiný ístup m že být ve slévárn , která se specializuje na výrobu náro ných odlitk o vysoké cen jiný u slévárny, která vyrábí velké množství odlitk na linkách za b žné ceny. P i výrob odlitk , u kterých se dosahuje vysoké prodejní ceny, klesá podíl náklad na materiál v odlitku a tím i návratnost intenzifika ních opat ení. Použití siln jších pecních transformátor ve slévárnách oceli má smysl v tom p ípad , kdy instalovaný pecní transformátor je využívaný na plný výkon. Hodnota koeficientu využití pecního transformátoru by se m la blížit hodnot jedna. Toho lze dosáhnout zejména se ízením regulace elektrod, p ípadn její vým nou za moderní. Dále lze doporu it povolené et žování pecního transformátoru. Použití vodou chlazených st n a vík se v blízké dob u malých pecí a p i p erušovaném provozu pece nep edpokládá. Použití kyslíku je nejefektivn jší p i dotavování vsázky a na za átku oxidace. Mechanizace zavád ní vodou chlazené trysky pro dmýchání kyslíku m že být p ínosem pro zkrácení doby tavby. Kyslík je v eských slévárnách používán od za átku 60. let. Použití kyslíku p i intenzifikaci tavby je považováno za jedno z nejú inn jších opat ení. Intenzifikace tavení vsázky kyslíko-palivovými ho áky je v R málo používaná. U malých pecí se zavádí ho ák do pece sázecím otvorem. U v tších pecí (kolem 15 t) lze tuto investici 87


s jistotou doporu it. V p ípad instalace kyslíko – palivových ho ák je nutné uvažovat také s jeho výkonem, p ípadn i vým nou celého odsávacího a odprašovacího za ízení. ízení energetických a metalurgických režim u malých pecí není zatím v R b žn používáno. V minulosti prob hla celá ada zkoušek s ízením energetických režim na malých pecích. Skute ného ekonomického efektu však nebylo dosaženo. P edpokladem pro uplatn ní modelu pro ízení tavby je nutnost snímat data používaná v modelu jako vstupní veli iny „online“. Pr žn jsou na pecích k dispozici pouze data o chemickém složení a data o teplot . Data o chemickém složení jsou používána k ízení dolegování. Ostatní data jsou p episována do elektronické podoby z tavících protokol až po ukon ení tavby. Nap né strusky lze u malých pecí jednoduchým zp sobem dosáhnout reakcí uhlíku a kyslíku obsažených ve strusce. P ísada rudy a vápna do vsázky zp sobí vznik nap né struky b hem tavení. B hem dmýchání kyslíku v oxida ním údobí vzniká rovn ž nap ná struska. Práce s nap nou struskou umožní použít b hem oxidace delší oblouky a vyšší výkon. Výhodou práce s nap nou struskou je snadné zavedení bez vedlejších náklad . Využití tepla spalin odcházejících z EOP je obtížné na malých pecích ekonomicky realizovat. V sou asnosti není ve slévárnách oceli p edeh ev vsázky zaveden. Dmyšny ve dnu EOP je moderní technologie, která se za ala používat ve slévárnách v 90. letech. Uvedenou technologii lze doporu it k provozním zkouškám v podstat u všech používaných EOP. Dmyšny se používají také v elektrických induk ních pecích. V p ípad induk ních pecí má instalace dmyšen za cíl snížit obsah plyn zejména u vysocelegovaných ocelí. Intenzifikace dohotovení spo ívá zejména ve zkrácení doby analýzy oceli a snížení po tu odebraných zkoušek. P i výrob b žných odlitk je možné pracovat s co nejmenším množstvím strusky a dobu oxidace omezit na dobu pot ebnou pro dosažení odpichové teploty. Pr h odsí ení lze urychlit dokonalým stažením oxida ní strusky a dostate nou hlubinou dezoxidací kovu. Výsledné chemické složení lze dopo ítat již na základ chemické analýzy oceli na konci oxidace, ímž se ušet í as s odb rem a analýzou dalšího tavebního vzorku. Pro místní podmínky sléváren lze navrhnout další drobná intenzifika ní opat ení, které lze realizovat s vynaložením náklad s krátkou dobou návratnosti.

Shrnutí pojm kapitoly intenzifikace výroby oceli v EOP postupný vývoj za ízení a technologie v EOP vývojové trendy ve výrob jednotlivá intenzifika ní opat ení intenzifikace výroby oceli ve slévárnách

Otázky k probranému u ivu 1) Co znamená pojem intenzifikace výroby oceli v EOP? 2) Jaký byl genera ní vývoj za ízení a technologie v EOP? 3) Jaké jsou sou asné vývojové trendy ve výrob v EOP? 4) Která intenzifika ní opat ení mohou být na EOP? 88


5) Jak je vnímán pojem intenzifikace výroby ve slévárnách R? 6) Jaké jsou možnosti použití intenzifika ních opat ení ve slévárnách R?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu 1) Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. 2) Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. 3) Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

8.

Výroba oceli v kyselých EOP. P ednosti kyselých EOP oproti zásaditým EOP. as ke studiu: 115 minut

Cíl


vyjasníte si pojem výroba oceli v kyselých EOP budete znát výrobní zp soby v kyselých EOP pochopíte význam kyselých vyzdívek ujasníte si funkci oxidace k emíku, manganu a uhlíku v kyselé EOP budete znát pr h výrobní technologie aktivního a pasivního pochodu seznámíte se s p ednostmi kyselých EOP

Výklad 8.1 Výroba oceli v kyselých obloukových pecích Literatura uvádí, že kyselé obloukové pece se používají v amerických a ruských slévárnách oceli a v Evrop jsou kyselé obloukové pece málo rozší ené. V R nejsou kyselé EOP provozovány. Nelze vylou it, že za ur itých podmínek m že použití kyselých obloukových pecí p inést úspory náklad . Vyzdívky kyselých obloukových pecí Základní pravidla pro zhotovení kyselé vyzdívky jsou podobné jako u zásaditých pecí. 89


Kyselé vyzdívky na bázi oxidu k emi itého jsou termodynamicky mén stabilní než zásadité vyzdívky na bázi MgO, reagují s prvky s vyšší afinitou ke kyslíku, než má k emík (Al, Ti a i vyšších teplotách i s uhlíkem). V p ípad snížení aktivity kyslíku pod hodnotu, která za daných podmínek odpovídá rovnováze s k emíkem, m že docházet k redukci oxidu emi itého z vyzdívky, což je doprovázeno r stem koncentrace kyslíku a k emíku v roztavené oceli. V kyselých pecích proto nelze snížit aktivitu kyslíku na hodnoty dosažitelné v zásaditých pecích a proto se projevuje negativn na hodnotách mechanických vlastností. Oceli vyrobené v kyselých pecích mají p i stejném chemickém složení a tepelném zpracování obvykle nižší houževnatost než oceli vyrobené v zásaditých pecích. Také s vyzdívkou reagují prvky rozpušt né v oceli, které tvo í zásadité oxidy. Mezi tyto prvky pat í zejména mangan. i výrob jakostí oceli s vyšším obsahem manganu než 0,80 až 1,00 % je proto nutné bu to dolegovávat mangan do pánve nebo do pece t sn p ed odpichem. 8.2 Výrobní zp soby v kyselých obloukových pecích Protože je v kyselých struskách oxid železnatý vázán na silikáty, tak v d sledku této vazby se snižuje aktivita FeO ve strusce. Z toho vyplývá, že pod oxida ními kyselými struskami je možné po ítat s nižší aktivitou kyslíku, zatím co pod reduk ními s vyšší aktivitou kyslíku ve srovnání se zásaditými struskami. Obsah kyslíku v oceli je b hem uhlíkového varu ízen obsahem uhlíku a v ostatních p ípadech aktivitou dominantního dezoxida ního prvku v oceli. Pro rozd lení kyslíku mezi strusku a kov v kyselých pecích jsou v literatu e vztahy: a Feo 6320 (8.1) log – 2,734 aO T V kyselých obloukových pecích se používají dva výrobní zp soby. Ozna ují se jako aktivní pochod a pasivní pochod. Technologie ozna ovaná jako aktivní pochod používá k oxidaci rudu nebo okuje. U pasivního pochodu se pro nastartování uhlíkové reakce využívá pouze zvyšování dezoxida ní schopnosti uhlíku s rostoucí teplotou. Výrobní technologie je jednostrusková, ve strusce není vázán fosfor, tak se po oxidaci struska nestahuje a po oxidaci následuje p ímo fáze dohotovení. Na ed ní strusky se u obou technologií používá vápno nebo vápenec (CaCO3 ). P idání siln zásaditého oxidu (CaO) do kyselé oxida ní strusky má za následek zvýšení aktivity oxidu železnatého a tím i aktivity kyslíku ve strusce. Zvýšení aktivity kyslíku ve strusce zp sobí také zvýšení aktivity kyslíku v oceli, což m že v oceli vyvolat uhlíkový var. P ísada vápna do strusky je však omezena z d vod reakce s vyzdívkou pece obvykle do cca 2 % CaO. Strusky nasycené SiO2 (aSiO2 = 1) s vyzdívkou nereagují. ím více se však po p ísad CaO sníží aktivita SiO2 ve strusce, tím více reagují zásadité oxidy, zejména FeO a CaO s vyzdívkou. Oxidace k emíku v kyselé elektrické obloukové peci Aktivita oxidu k emi itého v kyselých struskách vyšší než v zásaditých. Oxidaci k emíku je možné popsat rovnicí: a SiO 2 (8.2) Si 2 O SiO 2 K SiO 2 a Si a 2O Rovnovážnou aktivitu k emíku lze vypo ítat z rovnovážné konstanty reakce podle vztahu: a SiO 2 (8.3) a Si K SiO a 2O 2

90


Ve struskách nasycených oxidem k emi itým je jeho aktivita rovna jedné. Pro takový p ípad je rovnovážná aktivita k emíku v oceli nep ímo úm rná aktivit kyslíku. Pro výše uvedené podmínky uvádí literatura empiricky zjišt ný vztah: log O

2

19 050 T

Si

5,750

(8.4)

Fáze oxidace v tšinou kon í v kyselých pecích p i obsahu uhlíku 0,20 % s obsahem kyslíku kolem 200 ppm. Tomuto obsahu kyslíku odpovídá p i teplot 1600 °C podle rovnice (8.4) obsah k emíku 0,04 %. Za jinak stejných podmínek je v zásadité obloukové peci na konci oxida ního údobí obsah emíku nižší než 0,01 %. Oxidace manganu v kyselé elektrické obloukové peci V kyselé obloukové peci probíhá oxidace manganu podle stejných zákonitostí jako v obloukové peci se zásaditou vyzdívkou. Oxid manganatý je považován za zásaditý oxid, jehož aktivita siln závisí na bazicit strusky. V kyselých struskách je p i stejné koncentraci oxidu MnO proto jeho aktivita nižší než ve struskách zásaditých. Aktivitu oxidu manganatého v kyselých struskách s nízkým obsahem Mn kolem 15 – 20 % ve strusce je možné stanovit na základ jeho koncentrace a p íslušného aktivitního koeficientu MnO stanoveného z literatury. Reakci manganu se struskou nasycenou oxidem k emi itým lze popsat vztahem: SiO 2

2 Mn

Si

(8.5)

2 MnO

Pro rovnovážnou konstantu rovnice byla empiricky stanovena závislost ve tvaru:

log K

a 2MnO a SiO

2

Si Mn

2

7100 T

6,92

(8.6)

Z rovnovážného diagramu Fe-Mn-Si-O v literatu e vyplývá zvýšená dezoxida ní schopnost manganu pod struskami, které jsou nenasycené oxidem k emi itým nebo MnO – FeO silikáty. V kyselých pecích se proto doporu uje p idávat mangan až po p ísad k emíku (p ísada minimáln 0,30 % Si). Vyšší obsahy manganu než 0,80 % je vhodné p isazovat z d vod možného vzr stu koncentrace k emíku až bezprost edn p ed odpichem. Z tohoto d vodu není také možné vyráb t na peci s kyselou vyzdívkou vysokolegované manganové oceli. Oxidace uhlíku v kyselých elektrických obloukových pecích Reakce uhlík probíhá s kyslíkem, který p echází do oceli ze strusky. Ve struskách nasycených oxidem k emi itým je nejvíce snížena aktivita oxid železa a manganu. Aktivita oxidu emi itého je naopak nejvyšší. P i termodynamických výpo tech lze považovat i aktivitu oxidu k emi itého ve vyzdívce za rovnu jedné, nebo p i reakcích mezi kovem a vyzdívkou vstupuje do reakce jako istá látka. Také uhlík m že podobn jako mangan reagovat s oxidem emi itým obsaženým jak ve strusce, tak i ve vyzdívce. Reakci uhlíku s oxidem k emi itým ve strusce je možné popsat rovnicí: SiO 2

2 C

Si

(8.7)

2 CO

Dezoxida ní schopnost uhlíku se zvyšováním teploty roste, tzn., že klesá hodnota rovnovážné aktivity uhlíku. Jestliže se zvýšením teploty klesne hodnota rovnovážné aktivity uhlíku pod aktuální aktivitu uhlíku v oceli, vytvá ejí se podmínky pro pr h reakce (8.7). 91


Pro reakci (8.7) byla na základ empirických m ení sestavena rovnice:

log

Si C

2

27 486 15,47 T

(8.8)

V kyselých EOP dochází p i oduhli ení podle rovnice (8.7) k probublávání oxidu uhelnatého lázní, kdy se k emík vyredukovaný z oxidu k emi itého rozpouští v tavenin . Množství vyredukovaného k emíku je závislé jednak na obsahu uhlíku a také na teplot . S rostoucí teplotou a obsahem uhlíku roste i rovnovážný obsah k emíku. Pro tento d vod není možné na kyselých pecích vyrobit ocel s nízkým obsahem k emíku. 8.2.1 Aktivní pochod Pro popis technologie aktivního pochodu je možné tavbu rozd lit podobn jako p i výrob oceli na zásaditých pecích na ty i údobí. íprava vsázky (mezitavbový prostoj): Z pohledu chemického složení vsázky je d ležité mít pod kontrolou obsah fosforu a síry ve vsázce. Obsah chromu je možné v oxidaci snížit. Vsázka se nauhli uje tak, aby obsah uhlíku po roztavení byl v oceli nejmén o 0,30 % vyšší, než je požadovaný obsah uhlíku na konci oxidace. Nauhli ení se provádí koksem. Ostatní nauhli ovadla by zvýšila obsah fosforu a síry (sur. Fe nebo litina). Tavení vsázky: Pro tavení vsázky platí zásady jako pro výrobu na zásadité peci. Kyselá vyzdívka však snáší menší tepelné zatížení než zásaditá a s tím je nutné po ítat. Oxidace: Pro oxidaci se používá ruda nebo okuje. Oxidaci lze stejn jako na zásaditých pecích intezifikovat dmýcháním kyslíku. Pokud je struska nasycena oxidem k emi itým, p idává se na strusku vápno nebo vápenec. Tím se jednak zvyšuje aktivitu FeO (zlepšuje oduhli ení a zvyšuje oduhli ovací rychlost) a sou asn se snižuje i viskozita strusky. Kyselé strusky rozpoušt jí mén vodíku než strusky zásadité. Obsah vodíku v kyselých struskách iní cca 10 ppm, v zásaditých 40 až 50 ppm. V zásaditých struskách je hlavním zdrojem vodíku hygroskopické vápno. hem oxidace se snižuje obsah uhlíku o minimáln 0,30 %. Uhlíkový var je pod kyselými struskami ú inn jší na snížení obsahu vodíku než pod zásaditými. B hem uhlíkového varu se také snižuje chemická a tepelná heterogenita lázn . Rudu nebo okuje je vhodné p isazovat do st edu pece. U st n pece je výhodné, udržovat strusku nasycenou oxidem k emi itým, protože se tak zabrání reakci mezi struskou a kovem v oblasti struskové áry, což se p ízniv projeví zejména na životnosti vyzdívky. Dezoxidace: Pro zaražení uhlíkového varu se používá p ísada ferosilicia a feromanganu. Struska se stahuje jen v p ípad jejího v tšího množství. Kyselost strusky je možné zvýšit p ísadou písku. Obsah emíku po dezoxidaci by m l být cca 0,30 %. Po dezoxidaci následuje úprava odpichové teploty a chemického složení oceli. Na záv re nou dezoxidaci oceli v pánvi se používá hliník podobn jako p i výrob oceli na zásaditých obloukových pecích. P ebytek hliníku v oceli udržuje nízkou aktivitu kyslíku v oceli i b hem odlévání forem. Kyselé strusky obsahují oproti zásaditým vyšší obsah oxid železa. Vysoký obsah oxid železa ve strusce m že být p inou zvýšené sekundární oxidace kovu v pánvi, což m že v n kterých p ípadech vést až k takovému snížením obsahu hliníku, že se na konci lití mohou 92


u odlitk objevit bodliny. U kyselých strusek se udává obsah FeO až 15 %, zatímco u zásaditých dob e dezoxidovaných strusek je obsah FeO nižší než 1 – 2 %. 8.2.2 Pasivní pochod U pasivního pochodu se pro nastartování uhlíkového varu nepoužívá p ísada rudy nebo okují. Pasivní pochod využívá pouze zm ny afinity uhlíku ke kyslíku se zm nou teplotou. P i nízkých teplotách dochází v p ítomnosti oxid železa p inesených vsázkou k uhlíkovému varu. Za vyšších teplot dezoxiduje uhlík nejen oxidy železa, ale i oxid k emi itý a obsah emíku v oceli roste. Proto se var za vyšších teplot sám zastavuje. K zastavení varu se také používá p ísada písku na strusku. Zvýšení aktivity oxidu k emi itého ve strusce vede ke snížení aktivity oxidu železnatého, ímž se jednak p eruší p echod kyslíku ze strusky do oceli a následn i samotný var. Obsah oxid železa ve strusce lze odhadnout podle obsahu k emíku v oceli. Rovnováhu mezi obsahem k emíku v oceli a obsahem oxid železa a k emíku ve strusce popisuje vztah: Si

2 FeO

SiO 2

(8.9)

2 Fe

Pro rovnici byla empiricky odvozena teplotní závislost ve tvaru: log Si

FeO

2

–

18 200 10,64 T

(8.10)

obsah FeO ve strusce [%]

Graficky je rovnice (8.10) znázorn na na obr. 8.2, z n hož vyplývá, že s klesajícím obsahem oxidu železnatého ve strusce roste rovnovážný 25 obsah k emíku v lázni. Dále patrný i vliv teploty, 20 kdy pi konstantním 1550 °C obsahu oxidu FeO dochází 15 1600 °C s rostoucí teplotou ke 10 zvyšování rovnovážného 1650 °C obsahu k emíku. 5 V p ípad , že je obsah emíku v tavenin pi 0 ur ité teplot nižší, než 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 udává p íslušná k ivka v obr. 8.2, probíhá reakce obsah k emíku v tavenin [hmot.%] (8.10) zprava doleva. 8.2 Vliv obsahu FeO ve strusce na obsah k emíku v lázni Železo m že redukovat oxidy SiO2 ze strusky nebo z vyzdívky. P i vyšším obsahu k emíku není redukce možná a reakce b ží opa ným sm rem, a oxidy SiO2 se naopak tvo í. Velmi nízkým koncentracím FeO v kyselé strusce odpovídají vysoké koncentrace emíku v tavenin , dochází k výraznému zvyšování obsahu k emíku v tavenin . Z d vod postupného zvyšování jeho obsahu se proto obvykle na konci tavby nedoporu uje provád t ísadu ferosilicia. Z rozboru podmínek p echodu kyslíku ze strusky do lázn a porovnáním rovnovážných konstant reakcí (8.7) a (8.9) však vyplývá, že rozhodujícím initelem pro p echod kyslíku do lázn je rovnováha mezi k emíkem a uhlíkem. Pasivní pochod se vyzna oval dlouhou dobou tavby a dnes se prakticky nepoužívá. 93


8.3 P ednosti kyselých elektrických obloukových pecí Kyselé obloukové pece ve slévárnách v echách a na Morav nejsou provozovány. P esto je dobré znát jejich základní p ednosti. Výroba oceli na kyselých EOP se vyzna uje až o 20 % nižšími zpracovacími náklady vyplývajícími z kratší doby tavby, což umož uje jednodušší technologický postup vedení tavby a tím možné úspory: ve spot eb elektrické energie, na které se podílí také nižší tepelná vodivost kyselé vyzdívky a náklady na elektrickou energii mohou být celkem nižší až o 20 %, ve spot eb grafitových elektrod až o 25 %, v oblasti mzdových náklad , v nákladech na žáruvzdorný materiál, ve spot eb nekovových p ísad, v nižších nákladech na odvoz a deponování strusky, výrobní technologie v kyselých EOP pracuje s menším množstvím strusky. i výrob oceli na kyselé obloukové peci dosáhneme nižší obsah vodíku a proto i objem vad odlitk zp sobených bublinami a bodlinami je obvykle nižší. Literatura také uvádí pravd podobnou lepší zabíhavost oceli vyrobené na kyselé peci, zejména p i odlévání drobných tenkost nných odlitk . Pro vyšší odolnost proti zm nám teploty jsou kyselé EOP vhodné do p erušovaného provozu. Základní nevýhodou p edevším p i dnešních možnostech v oblasti externího kovového odpadu kyselých EOP je technologicko-ekonomická nereálnost odfosfo ení a odsí ení na tomto agregátu. Výrobní sortiment ocelí pro kyselé obloukové pece je omezen pouze na nelegované a nízkolegované zna ky ocelí. V t chto pecích nelze vyráb t vysokolegované chrómové a manganové oceli. Intenzifikace výroby oceli na zásaditých obloukových pecích však p inesla významné zkrácení doby tavby, spot ebu elektrické energie i ostatních náklad . S t mito agregáty nelze pece s kyselou výduskou srovnávat. Prostor pro použití kyselých pecí však z stává ve slévárnách u malých pecí s p erušovaným provozem.

Shrnutí pojm kapitoly výroba oceli v kyselých EOP vyzdívky kyselých EOP funkce oxidace k emíku, manganu a uhlíku v kyselé EOP technologie aktivního a pasivního pochodu ednosti kyselých EOP

Otázky k probranému u ivu 1) Jaká je základní charakteristika výroby v kyselé EOP? 2)

ím se vyzna ují kyselé vyzdívky? 94


3) Jaký je pr

h základních metalurgických reakcí oxidace k emíku, manganu a uhlíku?

4) Které jsou základní znaky technologie aktivního a pasivního pochodu? 5) Z eho vychází p ednosti provozování kyselé EOP?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu 1) Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. 2) Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. 3) Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

9.

Konstrukce a tepelný režim práce elektrické induk ní pece st edofrekven ní (EIP). Dusací žáruvzdorné hmoty EIP. Praxe vedení tavby.

as ke studiu: 120 minut

Cíl

Po prostudování této kapitoly vyjasníte si pojem elektrická induk ní pec seznámíte se s charakteristikou elektrické induk ní pece st edofrekven ní budete znát základní konstrukci EIP budete um t posoudit použití kyselých, neutrálních anebo magnezitových výdusek EIP budete znát výrobní fáze vedení tavby seznámíte se s možnostmi regulace výrobnosti EIP

Výklad 9.1 Výroba oceli na odlitky v elektrických induk ních pecích Pro výrobu ocelových odlitk nižší a st ední hmotnostní, které jsou vyráb ny na automatických formovacích linkách, je základní požadavek v plynulém zásobování tekutým kovem. Na výrobu taveniny jsou nezastupitelnými ocelá skými agregáty elektrické induk ní pece. Doba tavby na moderní induk ní peci m že být kratší než jedna hodina. i navrhování tavicí kapacity pro formovací linku se vychází z výrobnosti linky (po et forem za hodinu) a z hmotnosti tekutého kovu v jedné form . Z t chto údaj se zjistí požadovaná 95


hmotnost a doba tavby. Obvykle se p edpokládá sou asná výroba oceli na dvou až t ech pecích tak, aby byla linka plynule zásobována tekutým kovem. Z pohledu výrobního sortimentu je ve slévárnách limitující výroba legovaných ocelí, které nelze na EOP ekonomicky vyráb t. Jsou to oceli korozivzdorné s obsahem uhlíku pod 0,050 %. Výhodou induk ních pecí jsou nižší zpracovací náklady na výrobu tekuté oceli oproti EOP. Pro slévárnu je výhodné mít k dispozici oba typy elektrických pecí. Induk ní pece pak zpracovávají vlastní vratný materiál. Zpracování vratného materiálu na induk ních pecích je zejména z d vodu nižších propal ekonomi jší než na EOP. Z konstruk ního hlediska lze elektrické induk ní pece rozd lit: Pece kanálkové Pece kelímkové – na sí ovou frekvenci st edofrekven ní vysokofrekven ní Kanálkové elektrické induk ní pece se používají ve slévárnách litiny a neželezných kov jako pece udržovací. Jsou napájeny proudem o sí ové frekvenci. Princip oh evu kovu nedovoluje i výrob oceli použít tyto pece jako tavicí a jejich m rný elektrický výkon je rovn ž omezen. Ve slévárnách oceli se nepoužívají. Elektrické induk ní pece na sí ovou frekvenci byly asto instalovány ve slévárnách litiny, kde slouží jako pece udržovací, na oh ev tekuté litiny roztavené v jiném agregátu i jako pece tavicí. St edofrekven ní elektrické induk ní kelímkové pece (EIPK) se stav jí nej ast ji od n kolika desítek kilogram až po hmotnost tavby výše 25 tun. Pece hmotností 40 až 250 kg jsou b žné ve slévárnách p esného lití. Ve slévárnách oceli jsou EIPK využívány zejména pro odlévání odlitk st ední a malé hmotnosti zejména na formovacích linkách. Vysokofrekven ní elektrické induk ní kelímkové pece jsou používány jako pece laboratorní pracující se vsázkou n kolika gram až n kolika set gram . Používají se k tavení v tšiny technických kov . St edofrekven ní pece kelímkové jsou dnes ve slévárnách oceli b žným tavícím agregátem a ostatní typy induk ních pecí se již nebudují. 9.2 Elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní Technologické výhody EIP p ed EOP: Umož ují dodávat na licí pole tavby o menší hmotnosti v tšinou 1 až 6 t v intervalech 40 až 120 minut. Zajiš ují formovnu tém plynule tekutým kovem. Induk ní míchání taveniny zp sobuje tepelnou i chemickou homogenitu taveniny v peci. Vyrobené oceli obvykle obsahují nižší obsah vodíku a dusíku, zejména u kyselých induk ních pecí. hem tavby nedochází k nauhli ení kovu. EIP umož ují vyráb t oceli s nejnižšími obsahy uhlíku, nap íklad vysokolegované chrómniklové oceli s obsahem uhlíku pod 0,03 %. Operativní uvedení EIP do provozu je výhodné zejména ve slévárnách, které pracují nap íklad pouze na jednu sm nu. Ekonomické výhody EIP p ed EOP: Nižší spot eba energie na výrobu tekutého kovu p i stejné výrobnosti. 96


Nízký propal železa i legujících prvk a jejich vyšším využití z vratného materiálu a externího legovaného odpadu. Nižší spot eba feroslitin dosažená legováním ke spodní hranici povoleného rozmezí legujících prvk . Nižší spot eba nekovových p ísad. i stejné výrobnosti agregát p ibližn polovi ní hmotnost tavby a tím menší investi ní náklady na pomocná a obslužná za ízení. Nižší náklady na ešení výrobních a pracovních podmínek. Nižší spot eba žáruvzdorného materiálu. Nižšími náklady na deponování odpad . Ekologické výhody EIP p ed EOP: Nižší hlu nost. Menší vznik exhalací. Menší vznik pevných odpad souvisejících s provozem pece. 9.2.1 Konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní Elektrické induk ní pece st edofrekven ní prošly b hem poledních vývojem od pecí napájenými z rota ních m ni k pecím s polovodi ovými m ni i ízenými procesory, které umož ují plynule m nit frekvenci. Doba tavby se po zavedení polovodi ové techniky zkrátila na mén než jednu hodinu. Odpovídající zvýšení výrobnosti si vyžádalo nutnost mechanizovat sázení pecí. Pro sázení se nej ast ji používají vibra ní žlaby. Požadavky na vysoké výkony pecí vedly také k mechanizaci zhotovování výdusek. P i použití hydraulického vytla ení opot ebované výdusky z kelímku a použití vibrátor i dusání nové výdusky je možné p i výrob oceli ipravit novou výdusku pece za cca 2 až 4 hodiny po odpichu poslední tavby p edcházející kampan taveb. dorysný pohled a celková dispozice elektrické induk ní pece jsou zobrazeny na obr. 9.1. Pec je napájena ze sít vysokého nap tí p es napájecí transformátor. Proud o nap tí 1500 až 3000 V je usm rn n na diodách a získaný tepavý proud je vyhlazen na tlumivce. Na tyristorech je pak proud em n op t na st ídavý proud, jehož frekvence je Obr. 9.1 P dorys a celková dispozice EIP ízena podle zát že pece. Usm ovací diody, tlumivka i tyristory jsou umíst ny ve statickém m ni i a jsou chlazeny vodou. St ídavý proud o st ední frekvenci je p iveden ke kelímku m nou pásovinou. Mezi pásovinou a induktorem pece vedou proud m ná chlazená lana. Induktor (cívka) je tvo en nou trubkou (p ípadn jiným profilem), do které je p ivád na chladicí voda.

97


Paraleln s induktorem je zapojena kondenzátorová baterie, rovn ž chlazená vodou. Kelímek pece je nakláp n hydraulickým pohonem. Jako výhodná se jeví realizace samostatného vnit ního chladícího okruhu pro m ni e a kondenzátorové baterie. V pr hu tavení se v d sledku zm ny teploty a uložení vsázky v kelímku m ní induktivní reaktance cívky. U starších pecí s rota ním m ni em se k lad ní obvodu používá zm na kapacity obvodu manuálním zapínáním a odpojováním jednotlivých kondenzátor baterie. U pecí se statickým m ni em se rezonan ní okruh induktor – kondenzátorová baterie ladí zm nou frekvence. Zm na frekvence proudu p ivád ného na induktor b hem tavení probíhá u statických m ni automaticky podle ídicího programu pece. Manuáln se nastavuje pouze požadovaný p íkon pece. ez kelímkem je zobrazen na obr. 9.2. Elektrický výkon p ivád ný do induktoru se m ní na st ídavé elektromagnetické pole, které ve vsázce indukuje ví ivé proudy, které ji oh ívají a taví. Vn induktoru je magnetické pole vedeno paketami transformátorových plech , které sou asn odsti ují Obr. 9.2 Kelímek elektrické induk ní pece konstrukci pece. P i nedostate ném odstín ní se m že konstrukce pece na n kterých místech eh ívat do erveného žáru. B žn je ve slévárnách provoz zajiš ován jedním m ni em na dva kelímky. Jeden kelímek je v provozu a u druhého se opravuje výduska. U moderních induk ních pecí je možné výkon m ni e p erozd lit. Nap íklad, že první kelímek odebírá tší ást výkonu a druhý jen ást nezbytnou pro udržení teploty. Jiný systém pracuje se dv ma m ni i. Výkonný m ni je používán k tavení a druhý m ni o malém výkonu udržuje kov na teplot a m že kov pomalu oh ívat. Oba m ni e jsou napájeny z jednoho pecního transformátoru. V p ípad tohoto uspo ádání induk ní pece bývá k dispozici obvykle ješt etí kelímek, který slouží jako rezerva pro opravu výdusky. 9.3 Dusací žáruvzdorné hmoty EIP Kelímky pecí st edofrekven ních se dusají z kyselých, zásaditých nebo neutrálních dusacích hmot. Výduska nesmí mít nikde spáry nebo praskliny. Induktor je tvo en m nou vodou chlazenou cívkou, elektricky izolovanou. Mezi jednotlivými závity cívky je nap ový spád. Elektrické propojení sousedních závit cívky kovem nebo kondenzovanou vlhkostí vede k mezizávitovému zkratu. Propálení cívky a následující proniknutí vody do vyzdívky m že zp sobit vyte ení kovu pod pec nebo i výbuch v kelímku. Po každé tavb je nutné výdusku kelímku kontrolovat a v p ípad zjišt ní trhlin, dutin nebo extrémního opot ebení se kelímek odstavuje.

Kyselé dusací hmoty elektrických induk ních pecí kelímkových Ve slévárnách oceli se používají nej ast ji kyselé výdusky kelímk induk ních pecí. Životnost kyselého kelímku je obvykle 20 až 50 taveb a závisí na sortimentu tavených ocelí. Na kyselých výduskách je možné vyráb t prakticky všechny typy b žných korozivzdorných ocelí. Pouze oceli s vysokým obsahem manganu (austenitické ot ruvzdorné oceli) je nutné tavit na jiném typu výdusky. 98


Výdusky induk ních pecí rovn ž p edstavují významnou nákladovou položku. Výduska kelímku má rovn ž vliv na využití jednotlivých prvk z vsázky i na vlastnosti vyrobené oceli. Použitý druh výdusky má vliv také na vlastnosti oceli. Pro nelegované a nízkolegované ocelí vyrobené na kyselé výdusce je podobn jako u ocelí vyrobených na kyselé EOP charakteristická nižší nárazová práce. Obdobn i u vysokolegovaných ocelí se p i výrob oceli na kyselé výdusce nedosahuje houževnatosti jako p i výrob na zásaditých obloukových pecích. es uvedené nedostatky je ocel tavená na induk ních pecích s kyselou výduskou vhodná pro tšinu vyráb ných odlitk a pro svoje ekonomické výhody je kyselá výduska v induk ních pecích ve slévárnách v R zatím nejvíce používaná. Základní surovinou pro zhotovování kyselých výdusek jsou k emencové drt . K emence jsou mineralogicky stabilizované vysokoteplotní modifikace oxidu k emi itého, tridymit a cristobalit. Stabilizace vysokoteplotních modifikací oxidu k emi itého nastává, jestliže SiO2 obsahuje nap . CaO p ípadn jiné oxidy. Žáruvzdornost k emenc závisí na jejich istot . Nejvíce bývá mezi ne istotami zastoupen oxid hlinitý. Zvlášt významn snižuje teplotu tavení oxidu k emi itého oxid železnatý. Na obr. 9.3 je znázorn n rovnovážný diagram SiO2 – Al2O3 a na obr. 9.4 je znázorn n rovnovážný diagram Si02 – FeO. Z diagram m žeme vy íst vliv koncentrace oxidu hlinitého a oxidu železnatého na žáruvzdornost k emenc .

Obr. 9.4 Rovnovážný diagram soustavy Si02 – FeO

Obr. 9.3 Rovnovážný diagram soustavy SiO2 – Al2O3

Oxid hlinitý tvo í s oxidem k emi itým eutektika s teplotou tavení cca 1550 °C, ale eutektikum s oxidem železnatým se taví již p i teplot nižší než 1200 °C. Strusky s vysokým obsahem oxidu železnatého jsou proto p inou rychlého odtavování kyselých vyzdívek. Pro zhut ování pracovního povrchu (sintrace) k emencových výdusek se do dusací hmoty idává kyselina boritá nebo oxid boritý. Doporu ené obsahy kyseliny borité v kyselých dusacích hmotách v závislosti na pracovní teplot jsou znázorn ny na obr. 9.5. V praxi se používá pro kyselé dusací hmoty ur ené na tavení oceli 0,8 % oxidu boritého. P i optimálním obsahu sintra ní p ísady se vytvá í zpevn ná vrstva silná 20 až 40 mm, za kterou je sypká výduska. Existence sypké vrstvy výdusky je ležitá pro bezpe ný provoz pece. Obr. 9.5 Doporu ené obsahy kyseliny borité v závislosti na pracovní teplot kyselé výdusky

99


Provoz na výdusce se musí zastavit d íve, než se vy erpá (zpevní) celá tlouš ka sypké vrstvy. Zásadité a vysocehlinitanové dusací hmoty elektrických induk ních pecí kelímkových Zásadité dusací hmoty jsou vyráb ny nej ast ji na bázi oxidu ho natého. P ísada korundu do magnezitových dusacích hmot snižuje teplotu tavení výdusky, ale zvyšuje odolnost výdusky k praskání. Rovnovážný diagram soustavy MgO – Al2O3 je uveden na obr. 9.6. Magnezit a korund tvo i Spinel MgO.Al2O3, který je vytvo en z magnezitu a korundu je v diagramu na obr. 9.6 ozna en jako MA. Jeho teplota tavení je vyšší než 2000 °C. Magnezitové výdusky obsahují kolem 10 až 25 % korundu. Vysocehlinitanové (korundové) výdusky obsahují 20 až 50 % MgO. Teplota tavení korundových výdusek je nižší než magnezitových, ale mají v tší odolnost proti vzniku trhlin. Oproti kyselým a korundovým výduskám, kde se st ny kelímku postupn v tšinou otavují, tak u magnezitových výdusek st ny spíše postupn zar stají. Hlavními vlivy bývá p edevším Obr. 9.6 Rovnovážný binární diagram Al3O3 – MgO zp sob provozování kelímku, odpichová teplota a jakost vyráb né oceli. Zásadité a vysocehlinitanové výdusky se dodávají a používají v suchém stavu. Jako sintra ní ísada se používá také oxid boritý nebo kyselina boritá. Tyto výdusky se obvykle neopravují a po ukon ení životnosti se kelímek vybourá. V tší pece je d ležité v mezitavbových údobích udržovat na teplot kolem 800 °C Životnost zásaditého, nebo korundového kelímku bývá za srovnatelných podmínek t ikrát až ty ikrát vyšší než životnosti kyselého kelímku. 9.4 Praxe vedení tavby Dobu tavby na elektrické induk ní peci m žeme rozd lit na dobu tavení a dohotovení: 1

(9.1)

2

Kde 1 – doba tavení, 2 – doba dohotovení. 1 je závislá na instalovaném výkonu m ni e Pnom. [kW], potom užite ný výkon m ni e (9.2) Puž. k . Pnom. kde k je koeficient využití výkonu m ni e. Hodnota koeficientu k, je na za átku tavení kolem 0,7 až 0,8, v záv re né fázi tavení nabývá hodnotu tém 1. U moderních induk ních pecí bývá využití m ni e tém jednotkové po celou dobu tavení vsázky. Pro výpo et doby tavení lze uvést vztah: i .Q (9.3) 1 Puž. kde i, je energie pot ebná na roztavení jedné tuny vsázky [kWh.t -1], Q hmotnost vsázky [t].

100


Pot ebná energie na roztavení vsázky p edstavuje tepelný obsah kovu p i roztavení, tj. zm nu entalpie daného kovu H v intervalu po áte ní teploty a teploty likvidu v etn celkové ztráty pece po celou dobu tavení. Entalpie v závislosti na teplot n kterých istých kov jsou uvedeny na obr. 9.7. V praxi je ov ená skute nost, že tepelné ztráty (ztrátový p íkon) EIP s rostoucí hmotností tavby rostou pomaleji než hmotnost tavby. V praxi je u menších induk ních pecí b žná spot eba na roztavení 1 t ocelové vsázky v etn ztrát kolem 500 až 550 kWh, na oh ev roztavené oceli o 100 °C pak dalších cca 40 až 50 kWh.t -1. Ztráty vyjád ené jako elektrická ú innost pece v závislosti na elektrickém odporu taveniny jsou uvedeny na obr. 9.8. Elektrická ú innost m ni e frekvence závisí na zatížení m ni e. U statických ni iní jejich elektrická ú innost p i zatížení vyšších než cca 40 % nominálního výkonu více než 95 %. Nejv tší ztráty jsou elektrické ztráty na Obr. 9.7 Entalpie jednotlivých kov kWh/t cívce, které iní více než 60 % veškerých ztrát v závislosti na teplot energie p i tavení na induk ní peci. Fáze tavení

1

za íná zapnutím pece a kon í roztavením vsázky (do odb ru 1. zkoušky). Fáze

Obr. 9.8 Vliv el. odporu taveniny na elektrickou ú innost pece 1- Kanálová pec, 2- Kelímková pec

G

24

dohotovení 2, potom zahrnuje asy pot ebné k odb ru zkoušky, jejímu odeslání do laborato e, ekání na výsledek chemického rozboru, k výpo tu hmotnosti p isazovaných feroslitin a dezoxida ních p ísad, k jejich vážení a p idání do kelímku, k úprav teploty, odpichu, p ípadné oprav vyzdívky až do zapnutí pece na následující tavb . Dosazením rovnice (9.3) do rovnice (9.1) lze její úpravou získat vztah pro denní výrobnost pece ve tvaru:

Q . k . Pnom. i . Q Pnom. . 2 . k

(9.4)

Možnosti zvýšení výrobnosti EIP Výrobnost pece je možné zvýšit nár stem hodnoty koeficientu k. Hodnota koeficientu se zvyšuje s rostoucím zapln ním pece. Zapln ní kelímku drobnou studenou vsázkou, drobnými odst ižky z plechu m že mít za následek potíže se zapnutím pece. Potom je vhodné zaplnit kelímek jen z ásti a po zapnutí vsázku p idávat, až se d íve p idaná vsázka za íná tavit. Hmotnost tavby ovliv uje výrobnost pece p i ur itém Pnom. tím mén , ím je kratší doba dohotovení 2. V p ípad , kdy bude doba 2 = 0, je pak výrobnost pece nezávislá na hmotnosti 101


tavby, ale jen na instalovaném výkonu m ni e. Rovnici (9.4) lze pak zjednodušit a vyjád it vztahem ve tvaru: k Pnom (9.5) G 24 i Velikost tavby se volí s ohledem na hmotnostní sortiment odlévaných odlitk . Výrobnost pece je p i požadované hmotnost tavby limitována p evážn maximálním výkonem m ni e. Pokud vyžadujeme zajiš ovat maximální hmotnost tavby, potom je nutné znát vliv elektrického p sobení mezi induktorem a vsázkou. P sobením elektrických sil dochází k elektrodynamickému pohybu lázn a ví ení kovu v kelímku je možné popsat výškou vydutí hladiny kovu v kelímku (tzv. meniskus). Literatura uvádí, že lze na základ ešení p sobení elektrických sil v lázni, lze vyjád it výšky menisku vztahem:

Obr. 9.9 Rozm ry pro výpo et výšky menisku

hM

31,5 f

P 1 d l

(9.6)

– m rný odpor taveniny (cca 0,6 – 0,9 .mm2.m-1), f – frekvence [Hz], – m rná hmotnost tekutého kovu [kg.m–3] Výpo et výšky menisku je dán výpo tem podle specifikace parametr EIP v rovnici 9.6. Obecn lze usoudit, že bývá 8 - 10 % výšky hladiny lázn v kelímku. Výsledná hodnota odpovídá skute nému p sobení elektrické síly na hladinu kovu a zahrnuje v sob celkovou velikost menisku. Prakticky je však možné pozorovat pouze ur itou ást vydutí hladiny, nebo ást menisku v blízkosti kelímku pece je zpravidla skryta pod vrstvou strusky. Z rovnice také vyplývá, že p i snižování frekvence pece za jinak stejných podmínek dochází ke zv tšování velikosti menisku a tedy i v tšímu ví ení kovu. Míchání kovu umož uje dosáhnout vysoké tepelné a chemické heterogenity taveniny v peci, ale m lo být optimální velikosti z d vodu možné zvýšené reoxidací nebo zvýšeného opot ebení výdusky. Ve slévárnách st edofrekven ní pece v tšinou pracují s frekvencí do 600 Hz a maximální výkon ni e kolem 1000 kW.t -1. Pro pece napájené proudem o sí ové frekvenci je na základ dlouholeté praxe s ohledem na ví ení taveniny omezen instalovaný jednotkový výkon na hodnotu cca 300 kW.t -1. Od tohoto jednotkového výkonu je tak možné odvodit maximální jednotkový výkon pro pece s r znou frekvencí Maximální jednotkový výkon m ni e [kWh/t] je u st edofrekven ní pece vyráb jící ocel možné odhadnout, s p ihlédnutím k omezení vyplývajícího z maximální intenzity míchání kovu v kelímku (srovnatelná intenzita míchání jako p i maximálním výkonu pece napájené proudem o sí ové frekvenci), podle vztahu: f SF (9.7) PSF 300 42,5 f SF f 50 Po dosazení do rovnice pro pece o frekvenci do cca 600 Hz vyplývá, že je možné instalovat na elektrických induk ních pecích kelímkových jednotkový výkon m ni e až 1000 kW.t-1. Další zvyšování jednotkového výkonu je možné p i sou asném zvyšování frekvence pecí. ni e na vyšší frekvenci jsou finan náro jší a pro výrobu b žných jakostí se p íliš nerozší ily. Výroba vysokolegovaných ocelí zejména ocelí chrómových a manganových 102


ípadn vyžaduje omezit oxidaci taveniny snížením proud ní kovu v kelímku a to m že vést k volb induk ních pecí s vyšší frekvencí m ni e. i oh evu a tavení kovové vsázky nejv tší ást tepla vzniká v povrchové vrstv , kde je nejv tší proudová hustota a sm rem do st edu vsázky pak již klesá. Název tohoto jevu je skin efekt a znamená, že proudové zhušt ní na povrchu vsázky výrazn roste se zvyšujícím se kmito tem. Hloubka povrchové vrstvy, kde vzniká dostate né množství tepla k oh evu a roztavení vsázky je nazývána jako hloubka vniku, která s rostoucí frekvencí klesá. Za optimální hloubku vniku se považuje 25 až 35 % z kusovitosti vsázky a z toho vyplývá, že se zvyšováním frekvence m ni e je možné snižovat i kusovitost vsázky.

Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly) výroba v elektrických induk ních pecích elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní (EIP) dusací žáruvzdorné hmoty kyselé, zásadité a vysocehlinitanové EIP doba tavby, výpo et doby tavení, doba dohotovení EIP výpo et denní výrobnosti EIP možnosti zvýšení výrobnosti EIP

Otázky k probranému u ivu 1) Pro jakou výrobu taveniny jsou elektrické induk ní pece nezastupitelné? 2) Jaké technologické a ekonomické výhody mají EIP p ed EOP? 3) Které EIP jsou ve slévárnách používány?

R pro výrobu oceli na odlitky tém

výhradn

4) Jaké jsou hlavní komponenty konstrukce a elektrického zapojení EIP? 5) Pro jakou výrobu ocelových odlitk jsou vhodné kyselé, zásadité a vysokohlinitanové žáruvzdorné hmoty? 6) Jakým zp sobem m žeme provést výpo et doby tavby na EIP? 7) Jaké jsou možnosti zvýšení výrobnosti EIP?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] [2]

Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. 103


[3]

Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

10. Technologie výroby nelegovaných a legovaných ocelí v EIP as ke studiu: 110 minut

Cíl


budete seznámeni s výrobní technologií nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP vyjasníte si výši propal jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP pochopíte technologii výroby vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce budete um t vysv tlit odlišnosti technologie výroby oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou od kyselé výdusky

Výklad 10.1 Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce Výrobní pochody p i výrob oceli na EIP není možné vést p edevším z pohledu ekonomiky obdobným zp sobem jako na obloukových pecích (oxidaci, odfosfo ení, oduhli ení, odsí ení apod.). Protože na EIP nelze vytvo it vhodné podmínky pro n které metalurgické reakce probíhající pod dostate tekutou, teplou a aktivní strusku s vhodným složením. Struska EIP je chladn jší než kov a má funkci krycí (není aktivní). Dále nap íklad struska oxida ní p sobí rychlou korozi výdusky, proto není její použití možné i z hlediska bezpe nosti provozu EIP. Pro dosažení požadovaného chemického složení oceli je nutné p edevším p ipravit vhodnou skladbu vsázky. Vsázka se sestavuje z vratného materiálu, externího nakupovaného ocelového odpadu a legur. Výhodné je do vsázky nap íklad používat ást ocelového odpadu z hlubokotažných plech , který se lisuje do balík a p edstavuje vsázku s nízkým obsahem uhlíku a p edevším fosforu a síry. V kyselých EIP jsou strusky tvo eny p evážn oxidy k emíku a železa. Strusky s vysokým obsahem oxid železa jsou vzhledem k výdusce agresivní. K emík v lázni je vhodné udržovat na obsahu kolem 0,3 % a výše, aby se redukovaly vznikající oxidy. V opa ném p ípad mohou p i vyšším obsahu FeO ve strusce podle diagramu na obr. 9.4 vznikat nízkotavitelné silikáty, které výrazn snižují životnost výdusky kelímku. V provozní praxi je doporu eno do vsázky p idávat 75 % ferosilicium v množství kolem 3 kg na tunu vsázky. Po uvedené p ísad ferosilicia jsou obsahy k emíku po roztavení obvykle v rozmezí 0,2 až 0,4 % a další p ísada emíku se v pr hu tavby nep idává. K emík rozpušt ný v oceli ur uje p i nízkých teplotách aktivitu kyslíku v oceli i ve strusce. Vyšší obsah k emíku v oceli umož uje podle 104


složení vsázky natavit obsahy Mn v rozmezí 0,2 až 0,5 % a nejvyšší obsahy Mn se nataví, jestliže se použije vsázka s v tší kusovitostí a vyšším obsahem uhlíku. Nár stem teploty roste dezoxida ní schopnost uhlíku a p i dosažení kritické teploty závislé na chemickém složení oceli nastává uhlíkový var. Rovnovážná teplota, p i níž nastává uhlíková reakce, je pro ocel s obsahem uhlíku 0,20 % a pro litinu s 3,50 % C znázorn na na obr. 10.1. Uhlíkový var je z termodynamického hlediska pravd podobný v p ípad , že teplota kovu v oceli nebo litin je nad uvažovanou k ivkou. Pokud je teplota kovu nižší než odpovídá rovnovážné teplot , probíhá oxidace k emíku. V praxi je možné se p esv it o pr hu uhlíkové reakce na základ sledování hladiny kovu. Uhlíková reakce je doprovázena vznikem etných bublin oxidu uhelnatého na hladin lázn . P ed pr hem uhlíkového varu se oxiduje p ednostn k emík za tvorby oxidu SiO2, který tvo í na hladin roztaveného kovu povlak. Po p ekro ení rovnovážné teploty dochází k uhlíkové reakci a hladina kovu se sama istí. Graf na obr. 10.1 je sestrojen na základ termodynamického výpo tu a nezohled uje tak kinetické podmínky pro uhlíkovou reakci. Vzhledem ke kinetickým odpor m jsou skute né teploty pro uhlíkový var pon kud vyšší. Obr. 10.1 Termodynamická rovnováha mezi Krycí struska obsahuje obvykle vysoký obsah oxid Si a C pro ocel a litinu v závislosti na teplot železa a je proto žádoucí ji pr žn odstra ovat. Ukon ením fáze roztavení se doporu uje strusku odstranit a láze zasypat drceným sklem, které vytvo í vlá nou lehce stahovatelnou strusku. Složení vsázky pro zajišt ní chemického složení musí mít pr rný obsah uhlíku a fosforu ve vsázce nižší než je požadovaný obsah ve vyrobené oceli. Doporu uje se ješt v tší rezerva, než je p edpoklad vnesení p isazovanými feroslitinami. Elektrické induk ní pece jsou s ohledem na nízký propal všech prvk nejekonomi jším tavicím agregátem pro zpracování vlastního vratného materiálu. Do vsázky je p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí možné p idávat až 70 - 80 % vratného materiálu a zbytek vsázky se m že doložit, nap íklad nízkouhlíkovým ocelovým odpadem se známým chemickým složením. Kusovost vsázky limituje pouze velikost kelímku pece. Postup sázení má být optimální. Nap íklad nasadit ihned po odpichu oceli do prázdného kelímku nálitky v objemu kolem etiny z p ipraveného množství vratného materiálu. Kelímek se dob e zaplní a tavení je rychlé. V této fázi tavení dochází k nejv tší oxidaci vsázky. Další vsázka po vzniku lázn se již taví p evážn pod hladinou tekutého kovu a oxidace vsázky se snižuje. V následující fázi se p idává do pece nízkouhlíkový ocelový odpad se známým chemickým složením. P i optimálním pr hu vsázka v kelímku plynule sedá a chladí tekutý kov. P i nevhodném technologickém postupu postupného sázení z stává vsázka zav šena a kov se p eh ívá, což vede minimáln k v tšímu opot ebení a zvýšené tvorb strusky. Nevhodný postup sázení vždy prodlužuje dobu tavení. Dosažené propaly jednotlivých prvk na EIP vycházejí z použitých metalurgických postup . Propal manganu závisí na složení oceli a strusky. P i obsahu k emíku nad 0,30 % je možné isazovat feromangan do kelímku až do koncentrace 1 % Mn, aniž by docházelo k významnému propalu. P i legování manganem nad 1 % lze doporu it p idávat feromangan do kelímku t sn p ed odpichem nebo až do licí pánve. P i legování do 1,6 % je možné 105


po ítat s výsledným obsahem Mn o 0,20 % nižším než dosazeným. Vyšší propal manganu, než je uvedeno, m že být zp soben nezvládnutím nebo porušením technologie. emík nevykazuje do 0,50 % v kyselé induk ní peci propal. Naopak je možné po ítat se zvýšením obsahu k emíku po roztavení až o 0,10 %. Vyšší obsah k emíku v lázni snižuje také propal n kterých legujících prvk , nap íklad krom manganu také chrom. Chrom má do obsahu 2 % ve vsázce b hem tavení pouze zanedbatelný propal. Propal chrómu hem tavení m že nastat jen v p ípad , kdy se použije vsázka s vysokým obsahem oxid železa. Pro snížení propalu chromu je možné vsázku vratného materiálu p ed vsazením otryskat. V nelegované vsázce je obvykle 0,10 až 0,20 % Cr, se kterým se p i druhování tavby asto nepo ítá. P i výrob nízkolegovaných ocelí se proto nachází po roztavení v oceli obvykle vyšší koncentrace chrómu, než odpovídá provedenému výpo tu. Vanad bývá používán pro legování v desetinách procenta. P i p etavování vsázky obsahující 0,2 až 0,4 % se po ítá s propalem vanadu do 20 % z pr rné koncentrace ve vsázce. Ferovanad se p idává do lázn obvykle po ohlášení p edzkoušky t sn p ed odpichem. Obsah niklu a m di v oceli b hem tavby roste, a to tím více, ím je vyšší propal ostatních prvk . P i legování je možné p idávat Ni a Cu ve kterémkoliv okamžiku tavby a výhodné je idávat tyto prvky již do vsázky. Molybden a wolfram mají také nižší afinitu ke kyslíku než železo. Feromolybden a ferowolfram se obtížn rozpoušt jí, proto je výhodné je p idávat do vsázky. Bór se používá v nízkolegovaných ocelích k legování v desítkách až stovkách ppm. P i této koncentraci u bóru nedochází k propalu. Ocel vyrobená na kyselé výdusce obvykle obsahuje 5 až 10 ppm bóru, který m že pocházet jako produkt redukce oxidu boritého z vyzdívky. Ferobór se p idává obvykle p ed odpichem. Dob e se rozpouští a je možné jej p idávat i do pánve. Hliník a titan b hem tavení se zoxidují na stopy. P i dezoxidaci a mikrolegování se m že provád t korekce ob ma prvky v licí pánvi. 10.2 Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce Vysokolegované oceli vyráb né na induk ních pecích jsou nej ast ji korozivzdorné a žárovzdorné oceli. Vývoj obou typ ocelí sm oval k nižším obsah m uhlíku. Zejména u korozivzdorných ocelí se požadují obsahy uhlíku v tšinou nižší než 0,07 %. Na induk ních pecích je možné vyráb t korozivzdorné oceli s obsahem uhlíku nižším než 0,03 %. Mezi taveninou s vysokým obsahem chrómu a kyselou výduskou dochází k reakci a platí vztah

3 SiO 2

4 Cr

2 Cr2 O 3

3 Si

G

142 960 32,45T

(10.1)

Na obr. 10.1 je graficky znázorn na termodynamická rovnováha mezi chrómem a k emíkem i teplot 1500, 1600 a 1700 °C za edpokladu, že struska je nasycena oxidem chromitým a výduska je tvo ena istým oxidem emi itým. Z termodynamického hlediska že reakce mezi chrómem rozpušt ným v oceli a kyselou výduskou p i Henryho aktivit chrómu rovné 18 (odpovídá p ibližn i 18 hmot. % Cr) a teplot 1500 °C probíhat, jestliže je Henryho aktivita k emíku v oceli nižší než 0,5 (p ibližn 0,3 hmot. % Si). P i teplot 1700 °C je již rovnovážná Henryho aktivita k emíku pro dané podmínky rovna 0,7. Praktické zkušenosti potvrzují uvedené teoretické p edpoklady. 106 Obr. 10.1 Termodynamická rovnováha mezi Cr a Si v kyselém kelímku p i teplot 1500, 1600 a 1700 °C pod struskou nasycenou Cr 2O3


hem tavení a udržování kovu na nižších teplotách obsahují tyto oceli obvykle kolem 0,40 % Si p i teplotách odpichu do 1600 °C a k reakcím chrómu s kyselou výduskou nedochází. P i vyšších odpichových teplotách t chto ocelí 1620 až 1670 °C, je již nutné po ítat se zvyšováním obsahu k emíku v oceli. Proto je žádoucí provád t oh ev na odpichovou teplotu až t sn p ed odpichem. Propal chrómu v pr hu tavby p i dodržování výše uvedených pravidel je pak ovliv ován zejména obsahem oxid železa ve vsázce, kdy s rostoucím podílem oxid železa roste i jeho propal. Pro snížení propalu chromu se proto doporu uje oxidy na ocelovém odpadu do vsázky otryskat. 10.3 Výroba oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou Zásadité výdusky obsahují více než 50 % MgO. Vysocehlinitanové (korundové - neutrální) výdusky, obsahují více než 50 % Al2O3 a zbytek MgO. Výdusky tohoto typu jsou tvo eny oxidy s vyšší termodynamickou stabilitou než SiO2. Ocel vyrobená na t chto typech výdusky má po dezoxidaci v pánvi nižší aktivitu kyslíku a vyšší houževnatost. Reakce mezi výduskou a tekutým kovem je proto zanedbatelná. P i výrob legovaných ocelí je proto možné po ítat s nižším propalem n kterých prvk . Nap íklad u manganu, kdy se tvo í zásadité oxidy, ale také chrómu p i výrob vysokolegovaných ocelí. Ve struskách na zásaditých pecích je nízká aktivita SiO2, a proto se k emík uplat uje jako siln jší dezoxida ní prvek než na kyselých pecích. Na zásaditých i vysocehlinitanových výduskách EIP se vyráb jí také vysokolegované manganové oceli (Hadfieldova ocel). Ekonomické p ínosy jsou p i výrob vysokolegovaných ocelí legovaných chrómem pro dosažení menších propal chrómu. Vysocehlinitanové a zásadité výdusky mají oproti kyselým vyšší tepelnou vodivost. Tímto žeme o ekávat mírný nár st spot eby elektrické energie v hodnotách 5 - 8 % na tunu vsázky. Tato ztráta však klesá p i použití korundových vyzdívek s vysokým obsahem Al2O3. Výroba jednotlivých typ ocelí v EIP se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou Mimo mangan a k emík jsou propaly jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí podobné. Využití manganu z vsázky na zásaditých výduskách dosahuje až 80 % p i obsazích Mn do 1 %. Obsahy k emíku po roztavení jsou nižší, obvykle pod 0,10 %. Propal obou prvk závisí zejména na zne išt ní vsázky oxidy železa. Celkem až 95 % Cr a 50 % Ti z vsázky se využije u ocelí vysokolegovaných chrómem. ležité je, aby vsázka byla ist otryskaná. Oxidy p inesené vsázkou a vzniklé p i tavení se usazují na st nách kelímku a postupn zmenšují jeho pr r. Jestliže se taví jen vysokolegované oceli, m že se po n kolika desítkách taveb zmenšit pr r kelímku, a potom je nutné kelímek odstavit a vybourat. i výrob vysokolegovaných manganových ocelí se blíží využití manganu 100 %. Na za átku kampan vysokolegovaných manganových taveb p echází ást Mn do vyzdívky a po ukon ení kampan je možné u následující tavby po ítat s mírným zvýšením obsahu Mn. Vedení tavby na kelímcích se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou se prakticky neliší od vedení tavby na kyselé výdusce.

Shrnutí pojm kapitoly výrobní technologie nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP

107


výše propal jednotlivých prvk ocelí na kyselé výdusce EIP složení vsázky p i výrob výdusce EIP

p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných

nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé

technologie výroby vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce výše propal jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na zásadité a vysocehlinitanové výdusce EIP

Otázky k probranému u ivu 1) Jaké jsou nejvýznamn jší rozdíly ve výrobní technologii EIP a EOP? 2) Jaký by m l být minimální obsah k emíku v lázni kyselé EIP a pro ? 3) Jaké složení vsázky je doporu eno p i výrob nelegované a nízkolegované oceli v kyselé EIP? 4) Jakých propal a za jakých podmínek se dosahuje u hlavních prvk p i výrob nelegované a nízkolegované oceli v kyselé EIP? 5) Jaký vztah platí a za jakých podmínek mezi taveninou s vysokým obsahem chrómu a kyselou výduskou EIP? 6) Jaké jsou p ednosti výroby vysokolegovaných ocelí v EIP se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou? 7) Na jakém typu vyzdívky se vyrábí vysokolegované manganové oceli (Hadfieldova ocel) a pro ? 8) Jakých propal a za jakých podmínek se dosahuje u hlavních prvk p i výrob nelegované a nízkolegované oceli na zásadité a vysocehlinité EIP?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] [2]

Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s.

108


11. Dezoxidace oceli v licí pánvi a odlévání. Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceli. as ke studiu: 120 minut

Cíl

Po prostudování této kapitoly vyjasníte si pojem dezoxidace oceli v licí pánvi a odlévání budete seznámeni se zp soby odlévání oceli na odlitky budete znát konstrukci, funkci a druhy používaného žáruvzdorného materiálu licích pánví budete znát zp sob kontroly záv re né dezoxidace v licí pánvi pochopíte vliv r zných typ nekovových vm stk na vlastnosti oceli

Výklad 11.1 Dezoxidace oceli v pánvi a odlévání Jednou z nejvýznamn jších výrobních fází p i výrob ocelí na odlitky je vlastní odlévání. Vlastnosti odlitk jsou p i odlévání ovliv ovány asto více než p edcházející výrobní operace v tavicím agregátu. Výroba neshodné tavby bývá zcela výjime ná. ast ji se vyskytuje kolik neshodných odlitk z jedné tavby a ostatní odlitky vyhovují. Tyto neshodné odlitky mají asto p vod práv v odlévání oceli. Jakost odlitk je ovliv ována dodržováním p edepsaného detailního technologického edpisu (DTP) plynulého pln ní formy a licí rychlosti. Odchylky od DTP mohou p inést vady odlitku jako zavaleniny, nezab hnutí tenkých ástí, zálupy, ale i zadrobeniny a bubliny. Mohou mít p vod v nedostate rychlém a plynulém pln ní formy. Jedním z hlavních vliv na vlastnosti odlitk má záv re ná dezoxidace oceli v pánvi hliníkem, p ípadn modifikace oceli vápníkem nebo KVZ. Jakost odlitk je také ovliv ována zp sobem p ípravy licí pánve, jejím vysušením, oh evem, ípadnou údržbou vyzdívky a odstran ní zbytk strusky. Rychlost odlévání má být ízena pr rem výlevky, tomu musí odpovídat pr r licího k lu odlévaných forem. P ípadná regulace rychlosti odlévání p ivíráním výtoku kovu grafitovou hlavou m že zp sobit rozst ik proudu kovu a jeho vyšší reoxidaci. Reoxidace kovu b hem licího proudu p i pln ní formy m že mít vliv na vznik slévárenských vad typu zejména zadrobenin, bublin a bodlin. Používané licí pánve k doprav a odlévání oceli

109


Doprava tekutého kovu a odlévání se zajiš uje pomocí licí pánve (LP). Ve slévárnách oceli se používají zpravidla pánve se spodní výpustí a zátkovým uzáv rem. Ocel se odlévá z LP výlevkou, která se uzavírá zátkovou ty í a je ve spodní ásti ukon ena grafitovou hlavou. Obr. 11.1 znázor uje pohled na zátkový mechanismus s uzáv rem a vyzdívku LP. Ekonomicky nenáro né za ízení a snadné zhotovení jsou hlavní výhodou zátkového uzáv ru. Zátková ty je tvo ena ocelovou kulatinou se závitem na spodním konci, na který je našroubována grafitová hlava. Její kvalita je dána odlévanou jakostí oceli. V tšinou je grafitová hlava vyrobena ze šamotu a 30 % grafitu. Nad grafitovou hlavou jsou navle eny šamotové trubky, mezi sebou ut sn né žárovzdorným jílem. Prostor mezi kulatinou a trubkami je zapln n zásypem z k emi itého písku. Celá takto sestrojená sestava se nazývá licí k l. Grafitová hlava uzavírá výtokový kámen-výlevku, která je zazd na do dna pánve. Výlevka je obvykle vyrobena z jakostního šamotu. Šamotové trubky musí být na licím k lu dob e zajišt ny proti p sobení metalostatického tlaku kovu v pánvi. Nedostate né zajišt ní m že zp sobit provozní havárii. Systém otevírání pánve napln né tekutým kovem se je zvedáním zátkové ty e, kterou ovládá odléva ru p es pákový mechanismus. Obr. 11.1 Pohled na zátkový uzáv r Zátkový uzáv r je vhodný pro odlévání všech slitin licí pánve železa v etn litin. Pro odlévání vysokolegovaných materiál , nap íklad vysokolegované Mn oceli, které reagují s šamotem (materiál na bázi SiO2), se doporu uje výlevka zhotovená z magnezitu nebo k emi itanu zirkoni itého a podle požadované licí rychlosti se volí pr r výlevky. Ve slévárnách ocelových odlitk jsou nej ast ji používané výlevky o pr ru výtokového otvoru 40 až 60 mm. V tší pr ry se používají p i odlévání t žkých odlitk . Zátkový systém není pro svoji tepelnou zranitelnost možné použít na za ízení sekundární metalurgie p i delším zpracování, s oh evem kovu nebo p i vakuování. Pro tato za ízení se používají šoupátkové uzáv ry. Na obr. 11.2 je znázorn no schéma šoupátkového uzáv ru a dmyšné tvárnice umíst né ve dnu LP. Tato za ízení jsou investi nákladné a jejich použití ve slévárnách oceli není dosud obvyklé. Pro vyzdívání LP se ve slévárnách používají nej ast ji kyselé žáruvzdorné materiály s obsahem SiO2 obvykle vyšším než 85 % a se zbytkovým obsahem Al2O3. Žáruvzdorný materiál je dodáván nej ast ji ve form tvárnic nebo dusacích hmot. V sou asné dob se také rozši uje použití monolitických vyzdívek LP. Životnost pánví pro oba druhy žáruvzdorného materiálu je srovnatelná. Životnost LP snižují reaktivní, siln zásadité strusky. Nap íklad LP do 10 t ur ených pro odlévání taveb ze zásaditých EOP mohou mít životnost vyzdívky LP 20 až 30 taveb. Vyzdívky pánví ur ených pro odlévání taveb z kyselých IP do 4 t mají životnost až kolem 100 taveb. Obr. 11.2 Schéma šoupátkového uzáv ru Pro vyzdívání zásaditých LP se používají a dmyšné tvárnice 110


magnezitové a vysokohlinitanové hmoty o podobném složení jako pro výdusky induk ních pecí. Také dolomitické žáruvzdorné materiály mají nízkou tepelnou vodivost, dobrou odolnost proti st ídání teplot a jsou ekonomicky nenáro né. Nevýhodou dolomitu je jeho hydroskopi nost, vyzdívky je nutné udržovat nep etržit v teplém stavu. Jsou rozší ené v hutních podnicích s nep etržitým provozem. Ve slévárnách se používají rovn ž vyzdívky na bázi zirkonu. i použití zásaditých nebo vysocehlinitanových žárovzdorných materiál je nutné po ítat s vyšší m rnou hmotností a tepelnou vodivostí a jejich použití m že být limitováno také nap íklad nosností licího je ábu. Ve slévárnách oceli je v tšinou dosta ující kyselá vyzdívka pánví. 11.2 Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceli Metalurgická jakost oceli ovliv uje zkoušku vrubové houževnatosti a p echodovou teplotu. Tyto materiálové charakteristiky jsou ovliv ovány odchylkami chemického složení, istotou oceli, velikostí zrna a tepelným zpracováním. Dosažené hodnoty vrubové houževnatosti optimáln tepeln zpracované oceli ovliv uje zejména morfologie, velikost a rozložení vm stk . Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi m že být proto hodnocena zkouškou vrubové houževnatosti. P i hodnocení metalurgické jakosti oceli je vhodné doplnit zkoušku vrubové houževnatosti také hodnocením lomových ploch. Pro záv re nou dezoxidaci oceli v LP se používá hliník. Výsledkem dezoxida ní reakce jsou oxidy hliníku. Pokud je zbytkový hliník vyšší než 0,030 %, což je nezbytné pro v tšinu nelegovaných a nízkolegovaných ocelí k zabrán ní vzniku bodlin v odlitcích, vzniká jako produkt reakce mezi hliníkem a kyslíkem stabilní oxid Al2O3. P i teplot tekuté oceli bude proto existovat jako tuhá fáze (teplota tavení 2030 °C), která bude podle Stokesova zákona z oceli vyplouvat ur itou rychlostí, v závislosti na složení a velikosti vm stk a dynamické viskozit taveniny

2 1 (11.1) g 2 r2 9 v – rychlost vyplouvání vm stku [cm.s-1], r - polom r ástice [cm], 1, 2 – m rná hmotnost vm stku, roztavené oceli [g.cm-3], - viskozita roztavené oceli [P], a g – tíhové zrychlení (981 cm.s-2 ) Zna ný vliv na vlastnosti oceli, které mají nekovové vm stky, zejména na houževnatost oceli a její tranzitní chování, dále množství vm stk , jejich distribuce v matrici a jejich morfologie. Morfologie vm stk závisí na jejich chemickém složení, které je ur eno podmínkami dezoxidace. Práce Sipmse a Dahleho studovaly vliv obsahu hliníku v oceli na morfologii sulfidických a oxisulfidických vm stk a na vliv jejich morfologie na houževnatost oceli. Na základ výsledk jejich práce jsou rozlišovány morfologické typy vm stk I, II a III. Sims a Briggx ozna ili morfologický typ vm stk IV. V navazujicích pracích dále ozna il B žek oxisulfidy typu Ib. Nekovové vm stky jsou drobné submikroskopické, mikroskopické a makroskopické ástice nekovového charakteru, které se vyskytují ve vyrobené oceli. Vznikají v pr hu fyzikáln -chemických reakcí. Jejich odstran ní není možné, m žeme je pouze maximáln eliminovat. Podle p vodu m žeme rozd lit vm stky na exogenní, jejichž p vod vzniku souvisí s erozními a korozními d ji b hem celého výrobního procesu a odlévání. Tento typ vm stku není dnes dominantní vzhledem k výraznému pozitivnímu posunu v kvalit p edevším žáruvzdorných v

111


materiál licích pánví, licích souprav nebo zásypových materiál pro ošet ení hlavových nástavc i licích prášk [15, 16,]. Vm stky endogenní jsou produktem p edevším dezoxida ních, odsi ovacích reakcí, ale také reoxida ních proces probíhající také v celém pr hu výroby oceli v etn krystalizace odlité oceli. Z pohledu chemického složení vznikají p edevším vm stky oxidické, sulfidické, které evládají a mén pak oxisulfidické, nitridy, karbidy, omezen silikáty a alumináty. Velmi d ležité je rozd lení vm stk dle tvaru, které jsou typem na hranaté, globulární a dendritické. Podle tvá itelnosti na tvá itelné, netvá itelné a áste tvá itelné s p ímým vlivem na mechanické vlastnosti oceli. Z pohledu teploty vzniku vm stky d líme na primární, které vznikají v oblasti ocelá ských teplot, sekundární, které vznikají t sn nad teplotou likvidu a vm stky, které vznikají v rozmezí teplot likvidus a solidus jsou terciální. Precipita ní vm stky, pak vnikají pod teplotou solidu. Sulfidické vm stky, které obvykle vznikají v dob tuhnutí oceli, mají p ímou vazbu na aktivitu kyslíku v oceli a tedy i obsah kyslíku v roztavené oceli. Jejich morfologie je dána typem použitého dezoxidovala. Pro srážecí dezoxidaci je používán obvykle istý hliník, takže jeho zbytkový obsah ur uje chemické složení vm stk , tvar a ovliv uje mechanické vlastnosti oceli. Vm stky I. typu vznikají p i nízkém obsahu hliníku v oceli. Vzhledem k jeho nedostate nému obsahu se podílí na dezoxidaci jen áste anebo se nepodílí v bec. P i vysoké aktivit kyslíku potom nastává oxidace manganu a vm stky obsahují také síru. Mají kulovitý tvar a složením odpovídají oxisulfid m s prom nlivou koncentrací Mn, Si, Al a S. Tento typ vm stk je p i teplot tavení tekutý. P ítomnost vm stk I. typu v odlitcích signalizuje vždy nebezpe í výskytu dalších vad v odlitku. P íklad vm stku I. typu je uveden na obr. 11.3. Pokud je obsah hliníku vyšší, tak je produktem dezoxidace oxid hlinitý a vylu uje se jako samostatná fáze. Síra se v oxidu hlinitém nerozpouští, vylu uje se ve form sulfidu manganu jako samostatná fáze a m že obsahovat také železo. Tyto sulfidy se vylu ují v mezidendritických prostorách na konci tuhnutí. Jejich morfologie je dána prostorovými podmínkami p i záv ru tuhnutí. Vznikají ploché dendrity vm stk sulfidu manganu, které mají tvar protáhlý etízkovitý šedého zabarvení. Ozna ují se jako II. typ vm stk . Zhoršují mechanické vlastnosti oceli, p ítomnost sulfid II. typu výrazn snižuje houževnatost oceli.

Obr. 11.3 Vm stek I. typu vzniklý reoxidací nelegované oceli (100x )

Obr. 11.4 Sulfid II. typu doprovázený oxidy III. typu ( 100x)

S nár stem obsahu hliníku se m ní morfologie sulfid . Tvo í hranaté útvary, které jsou ozna ovány jako III. typ vm stk . Nejsou zpravidla homogenní a obsahují jeden nebo více krystalk Al2 O3. Vm stky tohoto typu v porovnání s II. typem vm stk výrazn zlepšují mechanické vlastnosti oceli. Na chemickém složení III. typu vm stk se nepodílí pouze emík. P íklad vm stku II. typu je uveden na obr. 11.4.

112


Obr. 11.5 Vm stky Ib. typu (100x)

Obr. 11.6 Vm stky IV. typu (100x)

Je-li v rámci dezoxidace pomocí Al použitý Ca nebo kovy vzácných zemin (KVZ) dochází k modifikaci hranatého tvaru na globulární. Vm stky tohoto typu I. b se vylu ují v oceli jako oxisulfidická fáze. P íklad vm stku Ib. typu je uveden na obr. 11.5. V p ípad , že dávka Ca a KVZ není optimální, ale vyšší, potom se globulární tvar m ní na drobné shluky vm stk IV. typu. Vm stky IV. typu byly pozorovány u ocelí s vysokým obsahem céru, lantanu a vápníku. Jejich p ítomnost má nep íznivý vliv zejména na houževnatost oceli. P íklad vm stku IV. typu je uveden na obr. 11.6. Vliv zbytkového obsahu hliníku rozpušt ného v oceli na morfologii sulfidických vm stk je znázorn n na schématickém obr. 11.7. Vm stky typu FeS a MnS m žeme modifikovat a vyhnout se tak nízkotavitelnému eutektiku, které se vylu uje na hranicích zrn. Modifikací sulfid a oxid v oceli se myslí zm na jejich morfologie na typ vm stku Ib. P i výrob oceli se nej ast ji používá k modifikaci vm stk vápník. Použití prvk KVZ k modifikaci oceli je v sou asnosti mén asté. Tyto prvky tvo í se sírou stabilní slou eniny s vyšší teplotou tání. Pokud se aplikuje vápník ve sm si slitiny CaSi nebo CaFe, mohou se vytvo it tuhé vm stky CaS. Dezoxidace vápníkem se obvykle provádí až po dezoxidaci hliníkem. Vápník má vysokou afinitu k sí e a vyšší ke kyslíku, takže pokud je vápník rozpušt ný v oceli, d íve než reaguje se sírou, reaguje s rozpušt ným kyslíkem v oceli. Oceli upravované vápníkem, tedy tvo í zné typy hlinitan vápenatých v závislosti na obsahu hliníku a síry, mohou tvo it globulární obálku na vm stcích Al2O3 a reakci obecn vyjad ují vztahy [Ca]

+

[O]

=

(CaO)inc

[Ca] + (11.3)

[S]

=

(CaS)inc

[Ca] + (Al2 O3) = (r zné typy hlinitan vápenatých) + [Al]

I. typ

II. typ

III. typ

Ib. typ IV. typ

Obr. 11.7 Vliv zbytkového obsahu hliníku rozpušt ného v oceli na morfologii sulfidických vm stk

113


Oxidické vm stky vznikají v každém údobí výroby oceli a odlévání, p emž nejv tší množství vzniká v pr hu dezoxidace. Sv j p vod mají v použitých dezoxida ních inidlech s chemickým složením prvku, který má nejsiln jší dezoxida ní schopnost v okamžiku vnesení do tekuté oceli. Je-li nejsiln jším dezoxidovadlem Al, pak jejich morfologie a vznikající zplodiny dezoxidace je možné znázornit podle schématu na 11.8. Je-li obsah hliníku v oceli menší než 0,01 %, vm stky se vylu ují v kapalném stavu, jsou globulární, b hem tuhnutí se rozpadají na oxidy typu nMn.mSiO2.pAl2 O3. Pokud je obsah hliníku v oceli v tší než 0,01 %, vnikají drobné krystalky Al2O3 dendritického Obr. 11.8 Schematické znázorn ní vlivu chemického složení charakteru. P i nadm rném obsahu hliníku se krystalky Al2O3 vylu ují ve oceli v závislosti na použitém zp sobu dezoxidace na morfologii vm stk a vznikajících zplodin dezoxidace shlucích. Reoxidace oceli Termín reoxidace oceli je ur en pro proces oxidace taveniny b hem odpichu kovu z pece a následující doby setrvání oceli v pánvi, odlévání, až do utuhnutí oceli. eská terminologie užívá u oxidace oceli termín sekundární a terciární oxidace dle jejich chronologie a teploty. Sekundární oxidací oceli jsou ozna ovány pochody, které jsou spojeny se zvyšováním koncentrace a aktivity kyslíku v oceli po primární dezoxidaci v pecním agregátu. Sekundární oxidace probíhá v pr hu odpichu oceli, kdy se proud roztavené oceli stýká s 20 - 30 krát tším objemem vzduchu a b hem setrvání kovu v pánvi. Terciární oxidací je ozna ována oxidace oceli mezi teplotou likvidu a solidu. Proces reoxidace je obecn charakterizován tak, že b hem dalšího zpracování oceli p ijímá tekutá ocel kyslík a klesá tak obsah prvk s vysokou afinitou ke kyslíku a koncentrace rozpušt ného kyslíku se op t zvyšuje s r stem jeho aktivity. Pokles obsahu prvk s vysokou afinitou ke kyslíku, je v souvislosti s reoxida ními pochody doprovázen vznikem oxidických, p ípadn oxisulfidických vm stk mikroskopické i makroskopické velikosti. Reoxidace oceli b hem odpichu Omezení reoxidace b hem odpichu souvisí také se zvolením správného postupu p idávání struskotvorných, dezoxida ních a legujících p ísad. Je výhodné využívat nap íklad karbid vápníku, který se dává již na dno pánve, kde krom jeho dezoxida ní schopnosti svým intenzivním ho ením za vzniku bílých dým chrání obnažený proud vytékající oceli od vzdušného kyslíku. ást struskotvorných p ísad je vnášena b hem odpichu jako první a tak že chránit obnaženou hladinu oceli a následná dezoxidace hliníkem má v tší ú inek. Následn jako poslední jsou v tšinou vnášeny legující prvky s menší afinitou ke kyslíku.

Shrnutí pojm kapitoly dezoxidace oceli v licí pánvi a odlévání 114


zp soby odlévání z LP konstrukce, funkce a žáruvzdorný materiál licích pánví zp sob kontroly záv re né dezoxidace v licí pánvi nekovové vm stky, sulfidy a oxisulfidy omezení reoxidace

Otázky k probranému u ivu 1) Jak se m že projevit nedostate

provedená dezoxidace oceli v licí pánvi?

2) Jaké konstrukce licích pánví se používají ve slévárnách? 3) Jaké typy vyzdívek LP se používají p i výrob oceli na odlitky? 4) Jakým zp sobem se nej ast ji provádí dezoxidace oceli v LP a ím m že být dopln no metalurgické hodnocení jakosti? 5) Jaký vztah m žeme použít p i výpo tu rychlosti vyplouvání vm stk ? 6) Jak lze charakterizovat nekovové vm stky? 7) Jak lze vysv tlit pojmy morfologie a modifikace vm stk ? 8) Jaké typy sulfidických vm stk rozeznáváme? 9) Jak vznikají oxidické vm stky? 10) Jak lze vysv tlit pojem reoxidace oceli?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1]

Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9.

[2]

Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s.

12. Možnosti sekundární metalurgie ve slévárnách oceli. Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgie. as ke studiu: 120 minut 115


Cíl


budete seznámeni s pojmem sekundární metalurgie ujasníte si pojmy metod sekundární metalurgie budete znát metalurgické možnosti n kterých postup sekundární metalurgie pochopíte metody sekundární metalurgie provozované p i atmosférickém tlaku budete znát technologie sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlaku budete v t kombinované technologie sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlaku

Výklad Pojem sekundární metalurgie (SM) v sob zahrnuje zna ný po et variant a typ technologických proces , které probíhají mimo tavící agregát, kterým je ve slévárnách oceli zpravidla elektrická oblouková nebo elektrická pec induk ní. V tomto p ípad potom v EOP nebo EIP probíhá fáze tavení, p ípadn fáze oxidace. Další fáze redukce a dohotovení probíhají již v n kterém za ízení sekundární metalurgie. Cílem je možnost zvýšení výrobnosti tavicího agregátu nebo vytvo ení lepších podmínek nap íklad pro hlubokou dezoxidaci, modifikaci oceli nebo její odsí ení. ed výb rem a realizací vhodné varianty prvku SM je nezbytné provést podrobnou analýzu sou asného stavu technologie výroby oceli a sortiment vyráb ných odlitk a jakostí ocelí. Dále stavu po jejím zavedení v oblasti zvýšení jakosti a vlastností oceli, omezení istírenských operací, zm na žárovzdorných materiál apod. Výstupem analýzy musí být srozumitelný a reálný ekonomický p ínos nové technologie. 12.1 Metody sekundární metalurgie Existuje celá ada r zných technologických prvk SM. N které jsou již p ekonány dalšími moderními prvky vývoje v této oblasti Základní rozd lení metod SM probíhajících mimo tavící agregát, které se nej ast ji provádí, ze kterých jsou pochody realizovány: Postupy probíhající za atmosférického tlaku AP (Argon Pouring) IP (Injection Process) SL (Scandinavian Lancers) LF (Ladle Furnace) - pánvová pec AOD (Argon Oxygen Decarburisation) Postupy probíhající ve vakuu VD (Vakuum Degassing) VOD (Vakuum Oxygen Decarburisation) VAD (Vakuum Arc Degassing) ASEA-SKF RH (Rührstahl Heraeus) 116


Postupy bez p íh evu kovu Proces IP, AP, SL, VD Postupy s p íh evem kovu Proces LF, VAD, AOD, VOD, ASEA-SKF Tavenina se v pánvi nebo konvertoru oh ívá bu chemickými exotermickými reakcemi, nebo elektrickým oh evem. i chemickém oh evu se nej ast ji využívá reak ního tepla oxidace hliníku, k emíku a uhlíku. i legování oceli do pánve nebo v tších tepelných ztrátách se pro kov používá zpravidla elektrický oh ev, p i kterém se využívá nej ast ji jako zdroje tepla elektrického oblouku, stejného principu jako t ífázová elektrická oblouková pec. Výše uvedené rozd lení je dnes již spíše formální a vychází z historie vzniku jednotlivých pochod . V sou asné dob se jednotlivé metody na stávajících za ízeních kombinují a dále se rozvíjejí. Základní popis jednotlivých metod sekundární metalurgie je uveden v tab. 12.1. Tab. 12.1 Popis základních metod sekundárního za ízení Postup SM Dmýchání inertních plyn idávání p ísad do tekuté oceli

Oh ev oceli pod aktivní struskou

Vakuové zpracování oceli

Oxida ní vakuování Oxidace sm sí Ar - O Oxidace sm sí H2O- O

Popis Dmýchání argonu (N2) p íp. dmýchání pod aktivní struskou Dmýchání prachových ísad (CaO, Ca apod.) Zavád ní speciálních pln ných profil Kov je oh íván a promícháván s aktivní struskou

Ozna ení AP

V komo e

RH, DH

V proudu - b hem odpichu - b hem lití S p íh evem pod aktivní struskou

ASEA-SKF, VAD

V licí pánvi V konvertoru

VOD AOD

V konvertoru

CLU

SL, TN, IP SCAT LF

ínos teplotní a chemická homogenizace, áste ná rafinace oceli, odsí ení. snížení O a S, modifikace vm stk a zvýšení mikro istoty, áste legování. teplotní a chemická homogenizace, snížení obsahu S, modifikace vm stk , legování. rychlé oduhli ení, snížení obsahu vodíku snížení obsahu vodíku p íp. dusíku, omezení sekundární oxidace hluboké odsí ení, snížení obsahu vm stk a jejich modifikace, teplotní a chemická homogenizace, legování hluboké oduhli ení (použití u Cr ocelí), snížení obsahu H, N hluboké odsí ení, legování.

Metalurgické možnosti n kterých metod sekundární metalurgie Použití SM je ve slévárnách oceli vázáno na požadovaný sortiment odlitk a také na výrobnost slévárny. Z pohledu sortimentu, výrobní kapacity a dalšího rozvoje mohou být pro které slévárny vhodné pouze základní prvky SM. Naproti tomu pro n které slévárny budou vhodn jší technicky i finan náro jší prvky SM. Za ízení SM je ve slévárnách oceli, tak zejména ve velkých ocelárnách základním edpokladem pro zvyšování výrobnosti tavicích agregátu jakými jsou EOP, nebo v p ípad oceláren také kyslíkových konvertor . Aplikace SM umož uje výrobu takových zna ek ocelí, které jsou klasickými postupy výroby oceli na EOP ekonomicky nep ijatelné anebo zcela 117


nevyrobitelné. Do pochod SM pat í v sou asnosti velké množství jednotlivých pochod a jejich r zných kombinací, které umož ují dosažení velice nízkých obsah nežádoucích prvk nap íklad kyslík, síra, vodík, dusík aj., p ípadn zaru ují ekonomické zpracování a výrobu vysokolegovaných ocelí. Použití jednotlivých pochod SM je znázorn no v tab. 12.2, kde je uvedena jejich stru ná charakteristika a metalurgické možnosti jednotlivých pochod SM. Jednotlivé postupy SM dávají odlišné metalurgické možnosti. Využití prvk SM je st žejní zejména v ocelárnách a hutních provozech, kde se zpracovávají velké objemy jak nelegovaných tak i vysoce legovaných materiál . Jejich aplikací je možno dosáhnout výrazného snížení zpracovacích náklad , což vede v od vodn ných p ípadech i k zavád ní velice finan náro ných za ízení sekundární metalurgie. To má za následek, že jsou ve slévárnách oceli zavád ny zpravidla pouze technicky i ekonomicky mén náro né prvky SM.

zvýšení mikro istoty

modifikace vm stk

oh ev oceli

a a a

n a a a

a a

n a n n

n n a n

a

a

a

a

a

n

a

a

a a a

a a a

a a a

a a

postup mimopecní rafinace oceli

Dmýchání inertních plyn idávání p ísad do tekuté oceli Oh ev oceli pod aktivní struskou Vakuové zpracování oceli Oxida ní vakuování Oxidace sm sí Ar - O Oxidace sm sí H2O- O Pozn.: a – ano, n – ne, – áste

AP IP,SL, TN LF RH, DH VAD, ASEA-SKF VOD AOD CLU

C

S

n n n a

n a a

a

a

a a a

n

H

N

n n a

n n

esné legování

a a a a

snížení obsahu

teplotní a chemická homogenizace

ízená dezoxidace

Tab. 12.2 Metalurgické možnosti n kterých postup SM

Jednotlivé postupy SM dávají odlišné metalurgické možnosti. Využití prvk SM je st žejní zejména v ocelárnách a hutních provozech, kde se zpracovávají velké objemy jak nelegovaných tak i vysoce legovaných materiál . Jejich aplikací je možno dosáhnout výrazného snížení zpracovacích náklad , což vede v od vodn ných p ípadech i k zavád ní velice finan náro ných za ízení sekundární metalurgie. To má za následek, že jsou ve slévárnách oceli zavád ny zpravidla pouze technicky i ekonomicky mén náro né prvky SM. 12.2 Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgie Využití prvk sekundární metalurgie ve slévárnách oceli je vázáno na sortiment odlitk a na výrobnost slévárny. Cílem v podstat všech prvk SM je p evést všechny, p ípadn n které operace probíhající v reduk ním údobí mimo vlastní tavící agregát, kterým je ve slévárnách oceli zpravidla EOP. Tímto lze dosáhnout výrazného zvýšení jeho výrobnosti a sou asn zlepšení n kterých metalurgických parametr oproti b žnému postupu výroby oceli na EOP. Jedná se nap íklad o nižší obsah kyslíku a síry, nižší obsah vodíku a dusíku, dosažení tepelné a chemické homogenity odlévaného kovu, uplatn ní modifikace vm stk apod. Zásadní otázkou pro menší a st ední slévárny oceli je pro realizaci SM rozhodující p edevším cena zavád ného postupu a jeho využití v podmínkách dané slévárny. N které jednoduché a zpravidla i ekonomicky nejmén náro né postupy SM umož ují snížit nap íklad kyslík a síru, 118


dosáhnout tepelné a chemické homogenity odlévaného kovu, umož ují modifikaci vm stk apod. Univerzáln jší prvky SM jsou z metalurgického hlediska zpravidla až n kolikanásobn dražší a pro menší a st ední slévárny oceli také zpravidla finan nedosažitelné. Metody sekundární metalurgie provozované p i atmosférickém tlaku Metody sekundární metalurgie p i atmosférickém tlaku jsou provád ny bu v pánvi, nebo v konvertoru. Mezi nejrozší en jší metody uskute ované v pánvi pat í rafinace kovu inertním plynem, p ípadn kombinace s dmýchání prachových p ísad nebo injektáží pomocí pln ného profilu, pánvová a konvertorové pochody AOD a CLU. Rafinace kovu inertními plyny Dmýchání inertního plynu do taveniny ozna ovaného jako AP (Argon Pourging) je nejjednodušším pochodem SM. Jako inertní plyn se používá argon a v n kterých p ípadech se dmýchá také dusík. Uvedené plyny jsou za daných podmínek považovány za inertní. Dmýcháním inertního plynu je dosahováno p edevším teplotní a chemické homogenity kovu v pánvi. Inertní plyn se dmýchá p es keramickou tvárnici. N které zp soby umíst ní tvárnice anebo trysky v licí pánvi jsou znázorn ny na obr. 12.1. Argon ve form bublin p edstavuje v tavenin atmosféru, ve které je nulový parciální tlak vodíku a dusíku. Plyn, nap íklad vodík v lázni a v plynné atmosfé e (bublina argonu) se snaží dostat do rovnovážného stavu a to tím, že vodík difunduje z oceli do bublin argonu, kde asociuje na molekuly a Obr. 12.1 Zp soby dmýchání inertního plynu do LP spole s bublinou argonu je vynášen z taveniny. Tento proces se ukon í v okamžiku, kdy parciální tlak vodíku v plynné atmosfé e bude odpovídat dané koncentraci vodíku v tavenin , tedy v okamžiku ustavení rovnováhy mezi plynnou sm sí a taveninou, za p edpokladu, že bublina Ar s vodíkem setrvá v tavenin dostate nou dobu. Rychlost vyplouvání bublin závisí na jejich velikosti. edpokladem vysoké ú innosti odplyn ní je dosažení malé velikosti bublin rozptýlených v co nejv tším objemu lázn . Teoreticky lze dmýcháním argonu snížit obsah vodíku a dusíku v tavenin . Snížení obsahu dusíku je však možné až p i velkém objemu dmýchaného plynu a v praxi se o této technologii neuvažuje. Pro podmínky termodynamické rovnováhy plynné fáze v bublin Ar a taveninou lze celkový tlak v bublin vyjád it jako sou et parciálních tlak argonu a odstra ovaného plynu (H, N). Tlak v bublin je sou asn roven sou tu vn jšího tlaku nad taveninou a ferostatického tlaku, závislého na vzdálenosti bubliny od hladiny. Na základ Boyle - Mariottova zákona ( p1 V1 p 2 V2 ), lze vyjád it pom r objem odstra ovaného plynu a argonu pom rem jejich relativních parciálních tlak r dVX pX 2 2 (12.1) r dVAr p – pX 2

kde VX je objem plynu odstra ovaného z kovu p i odply ování [m3.t–1], 2

VAr je objem dmýchaného argonu [m3.t–1], 119

Slévárenství ocelových odlitk r

p X je relativní parciální tlak odstra ovaného plynu v bublin argonu [Pa], 2

p je celkový tlak plyn (Ar, H, N) v bublin [Pa]. Objem odstra ovaného plynu lze vyjád it pomocí úbytku obsahu plynu v kovu 22,4 – dVX dX 2 MX

(12.2)

2

kde M X je molekulová hmotnost rozpušt ného plynu [kg.mol–1], 2

[X] je obsah rozpušt ného plynu v kovu [%]. Z doporu ené literatury m žeme uvést vztah pro výpo et o množstvích dmýchaného argonu nutného pro snížení zvoleného obsahu vodíku V Ar

K2 22,4 p 2X MX fX 2

1 – 1 X X0

(12.3)

kde KX je rovnovážná konstanta pro reakci p echodu vodíku nebo dusíku z plynné fáze do taveniny fx - aktivitní koeficient vodíku nebo dusíku Z této rovnice lze ur it, že na snížení obsahu vodíku rozpušt ného v oceli se spot ebuje tím více argonu, ím nižší je jeho po áte ní obsah p ed dmýchání. U nelegovaných ocelí na odlitky je z hlediska vzniku bublin v odlitcích považován za kritický obsah vodíku v oceli odlité do pánve vyšší než 7 ppm. V praxi je ov eno, že slévárny s b žným sortimentem odlitk nem ly p ípady vzniku vodíkových bublin za p edpokladu, že obsah vodíku nep ekro il koncentraci 6 ppm, a proto se jeví jako dosta ující snížit obsahy vodíku pod cca 6 ppm. Podle vztahu (12.3) odpovídá snížení obsahu vodíku ze 7 na 6 ppm, p i uvažování fH = 1, teoretická spot eba argonu cca 163 Nl.t -1. Toto množství je možné za výše uvedených podmínek nadmýchat do pánve o hmotnosti tavby 2 až 7 t za 10 minut p i poklesu teploty kovu kolem 150 °C. Reálný pohled na snížení teploty se jeví u tohoto množství argonu jako maximální. Grafická forma vztahu (12.3) p i t = 1600°C, p = 101 325 Pa a fH = 1 je znázorn na na obr. 12.2. Použití dmýchání argonu v pánvi na snížení obsahu vodíku v oceli m že být podle teoretického rozboru ú inné jen v p ípad snižování jeho vysokých obsah . Použití uvedené technologie na dosahování nízkých obsah vodíku, nap íklad pod 3 ppm je možné jen p i pom rn vysokých spot ebách argonu cca 2 až 3 m3.t -1 oceli. Vzhledem k velkému poklesu teploty lázn v pánvi hem dmýchání a velké spot eby argonu je snížení obsahu vodíku oceli podle výše uvedeného rozboru v pánvi pod hodnotu cca 4 ppm v podstat vylou eno. Obr. 12.2 Vliv množství dmýchaného argonu Pro snížení obsahu dusíku v tavenin jsou na obsah vodíku v oceli podmínky mén p íznivé, než je tomu u vodíku. Vzhledem k zhoršené difúzi dusíku v tavenin ( ádov menší hodnota difúzního koeficientu D u dusíku než u vodíku) se proto b hem dmýchání argonu jeho obsah prakticky nem ní. Nižší odplynovací schopnost dusíku oproti vodíku za jinak stejných podmínek p i 120


pot eb podstatn v tšího množství argonu, což souvisí s rozdílnou molekulovou hmotností dusíku ( M N 28 g .mol –1 ) a vodíku ( M H 2 g .mol –1 ). 2

2

Z provozní praxe lze doporu it pro pánve o hmotnosti 7 t pr tok argonu v závislosti na ekávaném p ínosu dosažení tepelné a chemické homogenity

80 - 100 Nl/min,

urychlení rozpoušt ní feroslitin

300 - 400 Nl/min,

rozpoušt ní a promíchávání syntetické strusky (odsí ení) 450 - 900 Nl/min, vyplouvání vm stk (

ení)

30 - 50 Nl/min

Doba dmýchání bývá 3 až 5 minut. Pro zajišt ní tepelné a chemické homogenity n kdy dosta uje i doba kratší. Bubliny argonu, které procházejí kovem, zárove p ispívají k flotaci vm stk . Jednotlivé vm stky se usazují na plynových bublinách a jsou tak vynášeny z kovu do strusky, kde jsou následn adsorbovány. Tím se do zna né míry zlepšuje zabíhavost oceli a snižuje se anizotropie mechanických vlastností. Injektáž prachových p ísad tryskou Prvky SM využívající injektáže prachových p ísad jsou nap íklad metoda SL (Scandinavian Lancers), pochod TN (Thussen Niederrhein) nebo pochod IP (Injection Process). Tryskou se obvykle dmýchají do oceli v licí pánvi mleté feroslitiny obsahující vápník, silikokalcium, prachové vápno, p ípadn také nauhli ovadla, nebo b žné feroslitiny aj. Za ízení je ur eno p edevším k odsí ení, kde se používá injektáže zejména prachového vápna. i dmýchání vápníku, p ípadn feroslitiny obsahující vápník, ke dnu licí pánve vede zvýšený metalostatický tlak k r stu teploty varu vápníku. Z ástice feroslitiny se vápník v lázni odpa uje a vzniká bublina vápníku. Na povrchu bubliny reaguje vápník se sírou. P i vyplouvání bubliny vápníku roste s klesajícím metalostatickým tlakem její objem. Sou asn se však objem bubliny zmenšuje tím, že se plynný vápník reakcí se sírou m ní na sulfid vápenatý. V ideálním p ípad se všechen vápník b hem vyplouvání bubliny p em ní na CaS. Zm na objemu bubliny p i vyplování ocelí v pánvi je schematicky znázorn na na obr. 12.3. Výrazné snížení obsahu síry je dosaženo zejména tím, že v okolí ástice prachového vápna je radikáln snížena aktivita kyslíku, což umož uje také dosáhnout vysokého stupn odsí ení. U tohoto pochodu SM dochází k r stu obsahu plyn , zejména vodíku. R st obsahu vodíku a dusíku je zp soben také zvýšenou odpichovou teplotou, nebo b hem odsi ování dochází k poklesu teploty kovu (60-100 °C) v závislosti na hmotnosti taveniny. Za ízení tohoto typu se v posledním období spíše nerealizují. Tyto výrobní pochody se eší nap íklad v rámci komplexn jších za ízení sekundární metalurgie, LF-VD apod. Injektáž pomocí pln ného profilu Pln ný profil je tenkost nná trubi ka z ocelového plechu s nízkým uhlíkem, obvykle o Obr. 12.3 Schématické znázorn ní odsí ení pr ru 6 až 20 mm vypln ná prachovou náplní, prost ednictvím bublin vápníku nap íklad SiCa, FeCaAl, Al, C, mletými feroslitinami aj. Pr r pln ného profilu se volí podle hmotnosti tavby a také podle typu 121


zavád cího za ízení pln ného profilu do LP. Pro pánve o hmotnosti tekutého kovu 4 až 8 t se používá profil o pr ru cca 8 mm. Profil je veden p es pohán cí kladky podava e a vodící ocelovou trubici do pánve. Pln ný profil je b hem celé injektáže postupn odvíjen z cívky. Rychlost profilu je volena tak, aby se pláš profilu roztavil až po dosažení dna pánve a nápl profilu se rozpoušt la co nejhloub ji. Nej ast jší použití pln ných profil je k modifikaci vm stk na typ Ib pomocí SiCa, kde využití vápníku není vyšší než 50 % a také pro injektáž hliníku. Pánev ur ená pro injektáž pln ných profil je upravena na homogeniza ní dmýchání inertního plynu. Injektáží pln ného profilu obsahujícího vápník p edchází dezoxidace oceli hliníkem. i výrob nelegovaných ocelí lze dosáhnou v LP aktivity kyslíku až 2 ppm. Profily pln né jinými feroslitinami nebo legurami se používají ke korekci chemického složení oceli a k legování prvk s vysokou afinitou ke kyslíku, p ípadn také ke korekci obsahu uhlíku. Po shrnutí výše uvedených pochod SM vyplývá, že v pr hu tohoto mimopecního zpracování oceli v LP za atmosférického tlaku bez oh evu, klesá bez oh evu velice rychle její teplota. U taveb malé hmotnosti LP s hmotnosti tavby do 10 t, které jsou ve slévárnách oceli nejb žn jší, proto limituje dobu zpracování oceli práv její teplota. I p i vysokých odpichových teplotách nelze provád t popsané postupy mimopecního zpracování obvykle déle než 5-7 minut. Vysoké odpichové teploty vedou ke zvýšenému opot ebení vyzdívek a výdusek pecí a LP, také ke zvýšení naplyn ní zpracovávaného kovu, zejména zvýšení obsahu vodíku a celkov k vyšším výrobním náklad m. Pánvová pec asto používaným prvkem SM v ocelárnách je pánvová pec LF (Ladle Furnace). Zavedení oh evu kovu v licí pánvi p edpokládá pln vytížené výrobní agregáty s pom rn rovnom rným odb rem kovu. Pánvové pece jsou agregáty s t ífázovým p íh evem kovu elektrickým obloukem. Ve slévárnách se tento typ pánvové pece asto realizuje rekonstrukcí stávající elektrické obloukové pece. Pro optimální chod pánvové pece je nutné se ídit výkon pecního transformátoru tak, aby rychlost oh evu taveniny dosahovala kolem 5 °C/min. Pro zajišt ní teplotní a chemické homogenity lázn je b hem celé úpravy kovu dmýchán inertní plyn argon anebo dusík. Dmýchání probíhá zpravidla p es porézní tvárnici umíst nou ve dn licí pánve. Elektrický oh ev pánvové pece vyžaduje, aby byla pánev osazena šoupátkovým uzáv rem, který se shora zasypává zpravidla chromitovým pískem. Pánvová pec slouží k p esunu fáze reduk ní a fáze dohotovení z EOP do LP. Pro dosažení co nejnižšího obsahu síry b hem redukce v pánvi jsou LP pro pánvové pece vyzd ny dolomitickými, magnezitovými, korundovými stavivy, p ípadn z litého žárobetonu. Zavedení pánvové pece si vyžaduje jak zm nu výrobní technologie na EOP, tak logistickou zm nu práce v tavírn . Elektrická oblouková pec slouží pouze jako agregát, jehož cílem je intenzivní roztavení vsázky, oxidace uhlíku a fosforu kyslíkem. Po dosažení požadované odpichové teploty následuje odpich. Z EOP je odpíchnutá ocel neuklidn ná a zbavená pouze oxida ní strusky, což umož uje v LP dosažení nízkého obsahu vodíku. V LP se provádí dezoxidace kovu a tvorba nové, siln zásadité rafina ní strusky. P i vlastním zpracování oceli probíhá dmýchání argonu, což zlepšuje podmínky pro odsí ení a zárove také podporuje flota ní ú inek vm stk , ímž se zlepšuje zejména tekutost oceli. V tšinou se hem celé úpravy kovu provede odsí ení, homogenizace teploty a chemického složení. edností LF je také možnost velice p esného dolegování. Užší rozp tí obsahu jednotlivých prvk , dosahované na pánvové peci, umož uje p i legování na dolní hranici obsahu prvku 122


dané normou, p edevším u legujících feroslitin nap íklad FeV, FeNb ale také FeCr aj. snížit náklady na tavbu. Nej ast ji jsou používány t ífázové obloukové pánvové pece. Stejnosm rné pánvové pece, pracující na principu stejnosm rné elektrické obloukové pece nejsou p íliš rozší eny a v R nepracují. Technologie AOD Výrobní technologie ozna ovaná v zahrani í jako AOD (Argon Oxygen Decarburisation), pracuje v duplexu s EOP nebo kyslíkovým konvertorem. B hem dmýchání kyslíku dochází k exotermickým reakcím, které slouží ke krytí tepelných ztrát, a proto není nutné používat eh átí taveniny p ed vlastním zkuj ováním v AOD konvertoru. Použití AOD je výhodné zejména p i zpracování vysokolegovaných korozivzdorných ocelí, kde se dosahuje nízkých obsah uhlíku až pod 0,03 %, p i vysokém využití chrómu až 95 %. Podstata tohoto systému je ve spole né dmýchání kyslíku a argonu do kovu v konvertoru, kde dochází ke snižování parciálního tlaku oxidu uhelnatého. Dosahované obsahy vodíku 2 – 3 ppm a dusíku kolem 60 ppm jsou p ibližn o t etinu až o polovinu nižší než obsahy dosahované p i b žné technologii na EOP. Teplotní a chemická heterogenita lázn zp sobená dmýcháním argonu umož uje také provést kone né dolegování na zúžený interval požadovaného chemického složení oceli. Dmýcháním argonu lze p esn ídit také požadovanou odpichovou teplotu taveniny. U ocelí legovaných dusíkem je možné dmýchat místo argonu dusík a ocel tak sou asn legovat dusíkem. Ocel vyrobená v konvertoru má ve srovnání s ocelí vyrobenou na EOP nízký obsah vodíku, kyslíku, nízký obsah síry a vysokou istotu. Pro slévárny je výhodné, že oduhli ení odplyn ní i oh ev oceli probíhá v jednom relativn jednoduchém za ízení. Technologie CLU Výrobní za ízení pochodu CLU (podle závodu Creusot Loire z Francie a Udelholmu ze Švédska) je obdobné za ízení AOD. Tento duplexní pochod je ur en podobn jako pochod AOD zejména k oduhli ení vysokolegovaných chromových a chromniklových ocelí. Vsázka se natavuje na EOP a vlastní rafinace, p edevším oduhli ení taveniny se uskute uje v konvertoru, do kterého je pomocí trysek umíst ných ve dn nádoby dmýchána sm s kyslíku a vodní páry. Za ízení pochodu CLU je v podstat stejné jako za ízení AOD, slouží ke zpracování vysokolegovaných korozivzdorných ocelí. Výhodou tohoto procesu jsou nižší náklady na plynné médium a vyšší životnost vyzdívky konvertoru. Technologie SM provozované p i sníženém tlaku Výrobní procesy sekundární metalurgie, probíhající za sníženého tlaku, bývají souhrnn ozna ovány jako vakuová metalurgie. Snížením celkového tlaku nad taveninou je možné dosáhnout v oceli velmi nízkých obsah uhlíku. Uhlík ve vakuu je schopen redukovat všechny oxidy a kyslík odstranit z oceli ve form oxidu uhelnatého. Vakuovou metalurgií lze dále získat ocel o vysoké oxidické istot s nízkým obsahem vodíku a dusíku. Pochody za sníženého tlaku probíhají v lázni LP umíst né ve vakuovaném prostoru (kesonu). Postupy SM provozované p i sníženém tlaku bývají n kdy také dále len ny podle možností oh evu upravovaného kovu. Technologie, které to umož ují, jsou nap íklad VOD, kombinované zp soby VAD, ASEA–SKF nebo ryze ocelá ský zp sob RH. Všechny postupy sekundární metalurgie pracující za sníženého tlaku využívají jevu, kdy snižováním celkového tlaku dochází k r stu afinity uhlíku ke kyslíku. Vzhledem k vysoké 123


afinit uhlíku ke kyslíku se za dostate vysokých teplot stává velice silným dezoxida ním prvkem, což umož uje dosahovat velice nízkých aktivit kyslíku na konci vakuování, také redukovat za b žných tlak jinak velice stabilní oxidy a zvyšovat tím oxidickou istotu taveniny. Sou asn lze dosahovat i velice nízkých obsah síry, dusíku a zejména vodíku. Technologie VD Klasická technologie SM pracující za sníženého tlaku pat í je proces VD (Vakuum Degassing). LP se zaváží do vakuovaného prostoru – kesonu. Keson se uzavírá hermeticky ut sn ným víkem. Následn se celý prostor pomocí paroproudých výv v vakuuje. Ocel se hem vakuování udržuje p i tlaku až 2 – 4 kPa a v hlubokém vakuu až 30 - 50 Pa, po dobu podle vyráb né jakosti oceli, nap íklad 15 - 20 min. edchozí uvedené metody SM, pracují se siln dezoxidovaným kovem, nap íklad IP, AP nebo LF jsou doprovázeny r stem obsahu dusíku a zejména vodíku. V praxi se proto asto kombinují pochody LF, IP, AP s technologií VD. V d sledku zvýšené dezoxida ní schopnosti uhlíku se p i vyšších teplotách mohou také vyredukovat i stabiln jší oxidy rozptýlené v tavenin ve form vm stk , ímž se zvyšuje celková oxidická istota oceli. Na zvýšení innosti odplyn ní a oduhli ení a homogenizace oceli se b hem celé úpravy kovu provádí dmýchání argonem dnem LP. Po dezoxidaci je možné také ocel v kesonu dolegovat. Proces VD je využíván také p i výrob vysokolegovaných korozivzdorných ocelí, kde je možno dosáhnout nízkého obsahu uhlíku kolem 0,03 % p i vysokém využití chromu z vsázky. V pr hu vakuování je možné také provést hluboké odsí ení až pod 10 ppm, což je usnadn no vysokým stupn m dezoxidace oceli. B hem dmýchání argonu dochází jednak k tepelné a chemické homogenizaci a jednak se zlepšují podmínky pro p echod nekovových vm stk do strusky. Technologií VD je možné získat siln dezoxidovaný kov s nízkým obsahem plyn , nízkým obsahem síry a vysokým stupn m mikro istoty. Nevýhodou je, že pro absenci vedlejšího zdroje tepla je nutné p ed vlastním vakuováním provést p eh átí kovu v závislosti na velikosti používané pánve a vyráb né jakosti oceli v n kterých p ípadech, u menších pánví, až o více než 150 °C.

Technologie VOD Technologie využívající p i vakuování oh ev v licí pánvi je proces VOD (Vakuum Oxygen Decarburisation). Podstata spo ívá v oduhli ování tekuté oceli kyslíkem v pánvi, umíst né ve vakuovaném kesonu. Technologie je obdobná procesu VD, dopln nou o trysku na dmýchání kyslíku na hladinu kovu. Pochod VOD je výhodný zejména pro výrobu vysokolegovaných chromových a chromniklových ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Je to duplexní pochod, který se používá hlavn v kombinaci s EOP. Vzhledem k exotermickým reakcím probíhajícím b hem úpravy kovu v kesonu jsou odpichové teploty u vysokolegovaných korozivzdorných ocelí pouze okolo 1570 °C. hem oxidace se udržuje v kesonu tlak 2 až 4 kPa. P i dmýchání kyslíku se nejprve oxiduje emík p i sou asném zvyšování teploty lázn . Jakmile se jeho obsah poklesne na cca 0,2 %, tak za íná se oxidovat i uhlík. P i kritickém obsahu uhlíku (0,04 - 0,1 %), který je závislý na teplot , intenzit dmýchání kyslíku, intenzit promíchávání taveniny a tlaku v kesonu, kdy se výrazn snižuje oduhli ovací rychlost a p estává se dmýchat kyslík. Dalším snížením tlaku až pod 100 Pa, p i sou asném dmýchání argonu, dochází vlivem vysoké aktivity kyslíku v lázni i ve strusce k další reakci kyslíku s uhlíkem. Tato záv re ná operace probíhá zpravidla 5 – 15 minut. Tím je jednak dosaženo dalšího oduhli ení až pod 0,01 % C a dále také dochází k dezoxidaci oceli. Po oxidaci kyslíkem se zvyšuje teplota lázn až do úrovn 1750 °C. Uhlík v oceli b hem oxidace redukuje oxidy chrómu, ímž se jednak zvyšuje istota oceli, ale také i využití chrómu z vsázky. Výsledné obsahy uhlíku po dolegování mohou být nižší než 0,01 %. 124


Využití chrómu bývá vyšší než 95 %. B hem oxidace je možné také snížit obsah vodíku a dusíku až o 70 %. V následujícím reduk ním údobí, se provádí dezoxidace oceli. Taveninu je možné také odsí it a dolegovat. Oproti oxidaci v EOP probíhá oxidace na za ízení VOD p i nižší teplot , propal chrómu je nižší a také i výsledné obsahy uhlíku jsou podstatn nižší. Ocel má sou asn vyšší oxidickou istotu a lepší korozní odolnost. Tento pochod ozna ovaný jako „Vakuvit” byl instalován v ur ité dob nap íklad ve Vítkovických železárnách. Kombinované technologie sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlaku Umíst ní jednotlivých pochod do jednoho kombinovaného za ízení je sice investi zna náro né, ale z pohledu nákladovosti výhodn jší, než stavebnicový systém, který realizuje postupn jednotlivé prvky SM na jednotlivých agregátech. Jako p íklad uvedeného uspo ádání m že sloužit pochod VAD nebo ASEA-SKF. Kombinované za ízení umož ují provést všechny metalurgické operace vyjma tavení na jednom za ízení. Za ízení tohoto typu je vhodné pouze pro zpracování zna ných objem tekutého kovu, p edevším pro ocelárny. Technologie VAD Kombinovaný pochod VAD (Vakuum Arc Degassing) umož uje sou asn s vakuováním oceli provád t také oh ev tekutého kovu elektrickým obloukem. Schéma za ízení je znázorn no na obr. 12.4. Metalurgické možnosti Obr. 12.4 Schéma za ízení VAD jsou obdobné pochodu VOD. Za ízení VAD tedy umož uje výrobu oceli o vysoké sulfidické a oxidické istot , kdy lze sou asn velice p esn nastavit jak chemické složení, tak i výslednou aktivitu kyslíku. Použití vakua umož uje obdobn jako u VOD výrazn snížit obsah jak vodíku, tak i dusíku. Výhodou tohoto procesu je, že teplo na krytí tepelných ztrát nevzniká jen v pr hu exotermických reakcí, ale také použitím elektrického oh evu. Ekonomické p ínosy oproti pochod m bez použití elektrického oh evu jsou potom ve všech oblastech výrobních náklad , na které negativn p sobí pot ebné eh átí taveniny. Za ízení m že být také dopln no o trysku na injektáž prachových p ísad, podava pln ných profil a kyslíkovou trysku aj. Technologie ASEA-SKF Kombinovaným prvkem SM podobné konstrukce jako je VAD je pochod ASEA-SKF. Tento systém je krom vakuového systému a oh evu elektrickým obloukem navíc vybaven induk ním mícháním lázn v licí pánvi. Metalurgické možnosti tohoto pochodu jsou obdobné jako u pochodu VAD. Speciální pochody SM pro velké objemy zpracovávaného kovu s využitím vakua V ocelárnách a velkých slévárnách oceli jsou používány n které další za ízení vakuového zpracování. Využití t chto za ízení SM je ekonomické pouze p i zpracování velkých objem oceli. Jejich použití je ekonomicky od vodn no p i úpravách tekutého kovu v ádu statisíc a milion tun ro . Jsou to nap íklad za ízení typu RH - vakuové odplyn ní oceli ob žným 125


zp sobem, DH - vakuové odplyn ní oceli zdvižným zp sobem, vakuové odplyn ní oceli v proudu aj. V sou asnosti je v R využíváno pouze za ízení SM typu RH (TŽ a.s.) Speciální metalurgické pochody a za ízení Speciální metalurgické pochody a za ízení m žeme nazvat speciální aplikace n kterých metalurgických pochod nebo tavících agregát používaných v úzkém okruhu slévárenské výroby odlitk , kterými nejsou slévárny ocelí b žn vybaveny. N která ze za ízení jsou v R v sou asnosti používána jako nap íklad elektrostruskové p etavování nebo vakuové induk ní pece, které jsou v sou asnosti budovány anebo jsou st edem zájmu n kterých výzkumných organizací. Dále jsou p edevším ve výzkumných organizacích používány další typy speciálních tavících agregát jako nap íklad elektronová pec, plazmová pec aj.

Shrnutí pojm kapitoly sekundární metalurgie rozd lení metod sekundární metalurgie metalurgické možnosti sekundární metalurgie sekundární metalurgie provozované p i atmosférickém tlaku sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlaku kombinované technologie sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlaku

Otázky k probranému u ivu 1) Které metody sekundární metalurgie jsou nejrozší en jší? 2) Jaké jsou metalurgické možnosti nejrozší en jších metod sekundární metalurgie? 3) Které metody sekundární metalurgie p i atmosférickém tlaku jsou nejrozší en jší a jaká je jejich funkce? 4) Které metody sekundární metalurgie p i sníženém tlaku jsou nejrozší en jší a jaká je jejich funkce? 5) Které kombinované metody sekundární metalurgie p i sníženém tlaku jsou nejrozší en jší a jaká je jejich funkce?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu

126


[1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. [2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. [3] Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN 0-930767-02-0.

13. Vady ocelových odlitk . P iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní. as ke studiu: 110 minut

Cíl


budete seznámeni s pojmem a definováním vada odlitku vyjasníte si t íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vad budete um t vysv tlit p iny vzniku skupiny jednotlivých vad budete znát možnosti odstran ní skupiny jednotlivých vad

Výklad 13.1 Vady odlitk Vady jsou velmi asto d sledkem nedokonalých a špatn ízených technologií. Kontrola hem n kterých výrobních fází je obtížná také proto, že nejsou k dispozici finan dostupné a dostate p esné metody sledování všech parametr používané technologie. D sledky vad vyplývající z funkce, kterou mají odlitky v praxi plnit, mohou být od tém bezvýznamných až po katastrofální. Vadami, jejich klasifikací, zp soby jejich identifikace, objasn ním jejich in a metodami, které vedou k jejich odstra ování, je nutné se pr žn zabývat a etnost jejich výskytu v odlitcích minimalizovat. Vadou odlitku se rozumí každá odchylka vzhledu, tvaru, rozm ru, hmotnosti, struktury a vlastností zjišt ných laboratorními, i jinými zkouškami od sjednaných technických podmínek, pop ípad od norem, které s výrobou p íslušného typu odlitku souvisejí. Vady odlitk tak mohou být zjevné a skryté. Podle sou asné konvence m že být táž odchylka od sjednané jakosti odlitku mezi výrobcem a odb ratelem ješt vadou ípustnou nebo nep ípustnou, opravitelnou nebo odstranitelnou. Platná SN norma rozlišuje celkem sedm kategorií vad odlitk ze slitin železa. Vady odlitk ze slitin železa, jejichž rozd lení do sedmi t íd vad a skupin vad, spolu s klasifikací, s vysv tlením hlavních p in a s návrhy na jejich prevenci ve slévárenské výrob , uvádí také Elbel. Jeho základní uspo ádání seznamu t íd, skupin a vad odlitk je zobrazeno v tab. 13.1. 127


Tab. 13.1 T íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vad ída Název t ídy vad vad 100 Vady tvaru rozm

a hmotnosti

200

Vady povrchu

300

Porušení souvislosti

400

Dutiny

500

Makroskopické vm stky a vady makrostruktury

600

Vady mikrostruktury

700

Vady chemického složení a vlastností odlitk

Supina vad 110 120 130 140 210 220 230 240 250 260 270 280 310 320 330 340 410 420 430 440 510 520 530 540 550 560 610 620 630 640 650 660 670 680 710 720 730 740

Název skupiny vad Chyb jící ást odlitku bez lomu Chyb jící ást odlitk s lomem Nedodržení rozm , nesprávný tvar Nedodržení hmotnosti odlitk ipe eniny Zálupy Nárosty Výronky Výpotky Zatekliny Nepravidelnosti povrchu odlitku Vady povrchové ochrany odlitku Trhliny Praskliny Porušení souvislosti mechanickým poškozením Porušení souvislosti nespojením kovu Bubliny Bodliny Odva eniny Staženiny Struskovitost Nekovové vm stky Makrosegregace a vycezeniny Broky Kovové vm stky Nevyhovující lom Mikroskopické dutiny Vm stky Nesprávná velikost zrna Nesprávný obsah strukturních složek Zatvrdlina, zákalka Obrácená zákalka Oduhli ení povrchu Jiné odchylky od mikrostruktury Nesprávné chemické složení Odchylky hodnot mechanických vlastností Odchylky hodnot fyzikálních vlastností Nevyhovující homogenita odlitku

Po et druh 8 3 4 3 3 4 3 7 3 2 2 5 3 6 2 6 4 3 -

Každá t ída vad má své charakteristické íslo od 100 po 700. Skupin vad je celkem 38. Celkem 18 skupin z jejich celkového po tu se dále lení na 70 jednotlivých druh vad. Pokud není zapot ebí z jakéhokoli d vodu p ejít k podrobnému d lení skupin vad na druhy vad je možno použít pro ozna ení vady název skupiny. V takovém p ípad je k dispozici 38 možností klasifikace slévárenských vad slitin železa. Uživatel m publikace 1 Elbel ponechává na uvážení, do jaké míry klasifikaci využijí. Jestli použijí 38 základních možností klasifikace vad podle skupin v tab. 13.1, nebo rozší enou klasifikaci zahrnující také druhy vad. V takovém p ípad se nabízí celkem 108 možností klasifikace slévárenských vad ve slitinách železa. Klasifika ní stupnice podle Elbla navazuje na možnosti d ív jší, doposud platné normy SN 42 1240, která uvádí dvoumístný íselný znak s možností hodnocení 37 vad. 128


13.2 P

iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní

Vady ocelových odlitk jsou obtížn ešitelné a odstranitelné. Ve slévárnách ocelových odlitk se asto vyskytují vady spadající do t íd: vady povrchu, dutiny, makroskopické vm stky a vady makrostruktury, vady mikrostruktury a vady chemického složení v etn vlastností odlitk . Vady povrchu Vady tohoto typu je možno adit mezi zjevné vady, které lze zjistit p i prohlídce po otryskání, išt ní jeho povrchu, pop ípad lupou. Vady jsou ve v tšin p ípad odstranitelné. V n kterých p ípadech to vyžaduje jednání mezi odb ratelem odlitku a jeho výrobcem, v etn stanovení zp sobu jejich opravy. Tato nestandardní ešení jsou však asov náro ná, pracná a nákladná. V této t íd se nachází nejvíce druh vad. Celkem osm skupin vad a celkem 23 vad. evládají zde vady týkající se vzhledu odlitku, které v tšinou nemají významný vliv na jeho funk ní zp sobilost, nap íklad na životnost ocelového odlitku. Velmi asto pat í mezi vady povrchu ocelových odlitk r zné výronky, výpotky a zatekliny, které zejména u masivních odlitk , nap íklad stojany aj. a nemívají vliv na funk ní schopnost t chto odlitk , avšak mohou významn ovliv ovat jejich vzhled. Na obr. 13.1 je povrchová vada - zateklina. Tato vada vznikla v olejovém kanálu odlitého ocelového dílu klikového h ídele, kde došlo k lomu jádra vztlakem taveniny oceli p i pln ní formy. Rozsáhlou skupinu vad tvo í druhy vad nepravidelnosti povrchu odlitku, které mohou mít zásadní vliv nap íklad na funk ní zp sobilost odlitk p esného lití, kde m že být jejich výskyt inou vy azení z dalšího použití. Vady druhu ipe eniny, zálupy, nárosty, nemusí znamenat vy azení odlitk z dalšího použití. Jejich Obr. 13.1. Zateklina v olejovém kanálu odlitého odstran ní bývá však vždy velmi pracné. ocelového dílu klikového h ídele Výrobce musí rozhodnou, zda vady uvedeného typu odstranit, nebo odlitek zmetkovat. Pouze ást vad povrchu má hlavní p iny v metalurgické fázi výroby ocelových odlitk . Porušení souvislosti Vady typu porušení souvislosti, které jsou podle klasifika ního systému uvedeného v tab. 13.1 jsou len ny do ty druh vad, na trhliny, praskliny, porušení souvislosti mechanickým poškozením a porušení souvislosti nespojením kovu. P inou vzniku t chto vad je ada parametr souvisejících s výrobní technologií konstrukce odlitku, konstrukcí slévárenské formy, s fyzikálními a materiálovými parametry vyráb né oceli v pevné i kapalné fázi a také s podmínkami tavení, odlévání a tuhnutí. Vznik t chto vad má v tšinou p inu komplexní. Dutiny Vady tohoto typu náleží p evážn mezi zjevné, ale také mezi skryté vady. Dutiny v odlitku mohou být jak otev ené (zjevné), tak i uzav ené pod povrchem odlitku (skryté). Pom rn nenáro lze identifikovat otev ené dutiny. Pro identifikaci uzav ených dutin je nutné použít speciální metody. Nej ast ji ultrazvukovou zkoušku, prozá ením pomocí zá ení RTG nebo zá ení gama. 129


Na obr. 13.2 je vada dutina – uzav ené endogenní bubliny. Tato vada vznikla z tavby vedené v elektrické obloukové zásadité peci a obsahující zvýšenou koncentraci vodíku a dusíku. Vady této t ídy jsou u odlitk v tšinou neopravitelné s výjimkou staženin, které v n kterých p ípadech mohou tvo it odstranitelnou vadu a lze je opravit vybroušením, vysekáním a zava ením spojeným asto s Obr. 13.2 Tvary uzav ených endogenních bublin opakovaným tepelným zpracováním odlitku a to vždy po dohod se zákazníkem. V tšina odlitk je však vy azena jako nestandardní a musí se zmetkovat. Vady typu dutina jsou zp sobeny p ítomností plyn v tavenin i ve slévárenské form , s objemovými zm nami p i tuhnutí taveniny a také s jejími fyzikálními vlastnostmi. Mezi tyto vady po ítáme bubliny, bodliny, odva eniny a staženiny a podle tab. 13.1 je zde za azeno celkem 15 druh vad. P iny t chto vad spo ívají p edevším v metalurgické fázi výroby oceli, avšak významn se na p inách dutin podílí také pracovišt p ípravy forem a jader. Makroskopické vm stky a vady makrostruktury Vady tohoto typu zahrnují nejobtížn ji identifikovatelné a zárove nejobtížn ji odstranitelné vady. Skupina vad struskovitost zahrnuje dva druhy vad struskovitost exogenní a sekundární struskovitost a skupina vad s názvem nekovové vm stky obsahuje zárove šest nej ast ji se vyskytujících vad, jako jsou zadrobeniny, rozplavený písek, odpadnutý nát r, oxidické pleny, uhlíkové pleny a erné skvrny. Skupina vad s názvem makrosegregace a vycezeniny obsahuje jako druhy vad gravita ní odmíšení, makroodmíšení – fyzikální odmíšení, stvolové vycezeniny a mezerové vycezeniny. Vada druhu struskovitost exogenní p edstavuje otev ené (povrchové) nebo uzav ené (vnit ní) dutiny ve st odlitku, které jsou úpln , nebo áste vypln ny struskou. Jedná se o strusku exogenní, vznikající p i metalurgickém procesu, která do odlitku pronikla b hem odlévání. ešením pro omezení tohoto druhu vady m že být odlévání LP spodem nebo zvážit použití filtrace taveniny ve vtokové soustav . Vada druhu sekundární struskovitost je nej ast ji produktem reoxida ních pochod , které probíhají v odlitku na rozhraní mezi proudícím tekutým kovem a materiálem slévárenské formy. B ží o povrchové otev ené dutiny, pov tšinou na horních plochách odlitk , vypln né struskou vznikající reakcemi reoxida ních produkt s formovacím materiálem. ešením pro omezení tohoto druhu vady m že být zajišt ní dostate ného množství hliníku v tavenin jako silného dezoxida ního prvku. Nekovové makroskopické vm stky typu zadrobeniny a typu rozplavený písek vznikají drobením, nesoudržností formovacího materiálu, tvorbou otev ených nebo uzav ených dutin, áste vypln ným formovacím materiálem – pískem. Vada druhu odpadnutý nát r tvo í otev ené nebo uzav ené dutiny ve st nách odlitku, které jsou úpln , nebo áste vypln ny nát rovou hmotou, kterou bývá barvivo. Krom špatné jakosti nát ru p ispívá k tvorb této vady také eroze povlaku proudícím kovem. Další z této skupiny vad jsou oxidické pleny, jejich p vod je významn ovlivn n metalurgickými initeli. Mají tvar tenkých a plošných oxid vznikajících na volném povrchu taveniny b hem odlévání a zalitých následkem turbulence (ví ení) odlévaného kovu a jejich vysoké viskozity v povrchových vrstvách i uvnit odlitku. Ulpívají však na st nách formy a jader a významn zhoršují povrchovou i vnit ní jakost odlitku. Oxidické pleny vznikají 130


následkem proces reoxidace, které probíhají p i nízkém stupni dezoxidace na volném povrchu taveniny b hem odlévání a pln ní formy. Pro zamezení vzniku oxidických plen v odlitcích je zapot ebí v co nejv tší mí e zabránit reoxida ním proces m b hem odlévání. Zajistit kvalitní dezoxidaci taveniny s p ebytkem hliníku s vysokou dezoxida ní ú inností nejlépe nad 0,030 hm. % Alr.k. v kone né analýze oceli. Vada typu uhlíkové pleny a erné skvrny se mohou vyskytovat p i výrob ocelových odlitk spole s bublinami a bodlinami, potom bývá v tšinou odlitek s charakteristickým nízkým obsahem zbytkového hliníku pod 0,020 hm. % Alr.k. Vada typu gravita ní odmíšení u ocelových odlitk nevzniká. Vada typu makroodmíšení – fyzikální odmíšení je výsledkem fyzikálního pochodu b hem tuhnutí taveniny v rozmezí teplot likvidu a solidu. V závislosti na hodnot rozd lovacího koeficientu mezi pevnou fázi a taveninu p íslušného prvku ve slitin dochází b hem tuhnutí k odmíšení tohoto prvku mezi osami dendritu a prostoru mezi dendrity, u masivních odlitk – ingot dochází k odmíšení v pásmu, i zón a hovo íme o pásmovém, zonálním odmíšení prvk . Odmíšení (segregace) prvk je výsledkem fyzikálního d je – krystalizace a vlastností p íslušné vícesložkové slitiny. Odmíšení lze potla it optimalizací p eh átí taveniny p i odlévání, rychlostí odlévání a rychlostí tuhnutí. Vada typu stvolové vycezeniny - A segregace) tvo í oblasti zvýšené koncentrace odm šujících prvk , ím sí, ne istot i produkt r zných reakcí, které probíhají ve slitin mezi teplotou likvidu a solidu p i selektivním tuhnutí a jsou soust ed ny mezi v tvemi dendrit . V ocelích obsahují zvýšený podíl síry, fosforu, uhlíku, ale též manganu a molybdenu aj. ím sí a v t žkých, masivních odlitcích (ingotech) vytvá ejí charakteristické pásy ve tvaru písmena A makroskopických rozm , které jsou znázorn ny na obr. 13.3. Opat ení na potla ení výskytu této vady je možné stejnými opat eními jako p i makroodmíšení, Obr. 13.3 Schéma vycezenin dále snížením hmotnosti odlitku a snížením obsahu typu A a typu V u ingot S, P a C ve slitin . Vada typu mezerové vycezeniny - V segregace vzniká tím, že ne istoty a odmíšené p ím si vypl ují p i tuhnutí mezery, prostory i v tší dutiny v odlitku. Mohou to být, vnit ní trhliny, ediny, staženiny (v etn dutin mikroskopických rozm ). Nej ast ji se vyskytující jsou V vycezeniny v osové ásti ingot a masivních odlitk o zna né štíhlosti. Jejich podstatu tvo í plošné trhliny, které zaujímají v podélném (osovém) ezu tvar podobající se písmenu V, které jsou znázorn ny na obr. 13.3. Opat ení k zabrán ní výskytu této vady je ve snížení obsahu intenzivn odm šujících prvk – síry, fosforu, uhlíku a také kyslíku. Významný vliv má také tvar formy, p ípadn štíhlost nebo úkos kokily. Vada typu broky je tvo ena zoxidovanými kovovými vm stky v globulární form , nacházejícími se ve spodních ástech odlitku, kde se vytvo í p i prudkém vlévání taveniny do vtokového systému. Ob as se broky nacházejí i v plynových bublinách, jejichž rozm ry jsou tší než brok . Zamezení vzniku této vady je v zajišt ní plynulého pln ní formy kapalným kovem. Vada typu kovové vm stky je tvo ena kovovými a cizorodými ásticemi - ne istotami, které jsou svým chemickým složením z eteln odlišné od složení odlévané slitiny. 131


Vada typu nevyhovující lom má vymezení, které záleží na technických, p ejímacích podmínkách sjednaných mezi výrobcem a zákazníkem na základ lomových zkoušek. Na obr. 13.4 je znázorn n lasturový lom st edn legované, normaliza žíhané CrNiMo oceli na odlitky, kde je lasturový lom zp soben vylou ením jehlicovitých ástic nitridu hliníku (AlN) po hranicích primárních licích zrn austenitu a v ocelích je zpravidla pokládán za nevyhovující, nebo snižuje kontrakci, lomové nap tí a mez únavy. Vady mikrostruktury U t chto vad jsou v tšinou limitující odchylky parametr vlastností odlitk od sjednaných technických podmínek a norem a nejedná se o standardní vady odlitk . Jedná se o vady typu mikroskopické dutiny, které se dále d lí na mikrostaženiny, mikrobubliny a mikrotrhliny. Základní p iny vzniku t chto vad mikroskopických rozm jsou shodné jako u stejných druh vad rozm makroskopických – tj. staženin, bublin a trhlin. Pro jejich identifikaci je však zapot ebí upravit povrch odlitku v míst výskytu vady a použít p im ené zv tšení – lupu, pop ípad stereoskopický, i metalografický mikroskop. Další skupina zahrnuje vady jmenované jako vm stky, nesprávná velikost zrna, nesprávný obsah strukturních složek, zatvrdlina, zákalka, obrácená zákalka, oduhli ení povrchu a jiné odchylky od mikrostrukrury. Obr. 13.4. Lasturový lom st edn legované, normaliza žíhané CrNiMo oceli na odlitky

Vady chemického složení a vlastností odlitk Tato t ída obsahuje ty i skupiny vad a také u t chto vad jsou v tšinou limitující odchylky parametr vlastností odlitk od sjednaných technických podmínek a norem a nejedná se o standardní vady odlitk . Vymezení požadovaného chemického složení v p ejímacích technických podmínkách je zapot ebí provést se znalostí v ci sv domit a odpov dn . Obdobn tomu musí být i p i stanovení p ejímacích technických podmínek zahrnujících odchylky hodnot mechanických vlastností a fyzikálních vlastností, u kterých je zapot ebí p esn vymezit podmínky výroby zkušebních t les. Tato t lesa mohou být bu p ilitá k odlitk m a tepeln zpracována s odlitky, nebo odlitá odd len a odd len i spolu s odlitky tepeln zpracována. Dále je t eba stanovit podmínky vlastních zkoušek, teplotu zkoušení, rychlosti zat žování atp. Více informací lze nalézt v doporu ené literatu e.

Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly) vady odlitk definice vad odlitk ze slitin železa íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vad iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní 132


Otázky k probranému u ivu 1) Jakým zp sobem m žeme definovat vady odlitku ze slitin železa? 2) Jaké t ídy slévárenských vad rozlišujeme a jak je dále d líme? 3) V jakých t ídách vad se asto vyskytují ocelové odlitky? 4) Jaká je charakteristika jednotlivých t íd slévárenských vad? 5) Jak lze vysv tlit pojmy vada p ípustná nebo nep ípustná, opravitelná nebo odstranitelná? 6) Jaké možnosti odstran ní jsou u jednotlivých t íd slévárenských vad ocelových odlitk ?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] ELBEL, T., HAVLÍ EK, F., JELÍNEK, P., LEVÍ EK, P., ROUS, J., STRÁNSKÝ, K.: Vady odlitk ze slitin železa (klasifikace, p iny a prevence). MATECS, Brno 1992, 339 s.

[2] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. [3] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s.

14.

které možnosti využití nákladové analýzy k ízení výroby oceli. Metoda rozdílové kalkulace, neúplných vlastních náklad . Využití náklad k ízení výroby. as ke studiu: 120 minut

Cíl


budete seznámeni s pojmem využití nákladové analýzy k ízení výroby budete um t definovat základní pojmy v oblasti nákladové analýzy vyjasníte si pojem kalkulace náklad budete znát metodu rozdílové kalkulace budete znát metodu neúplných vlastních náklad pochopíte využití nákladových model k ízení výroby pochopíte využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob

133


Výklad 14.1 Využití nákladové analýzy k ízení výroby Významným opat ením pro ízení výroby je analýza náklad na výrobu tekutého kovu. V poslední dob byly vyvinuty metody pro ízení náklad s cílem jejich optimalizace. Optimalizací náklad se myslí nalezení optima mezi náklady a jakostí vyráb ného produktu. Benchmarking je pr žn organizovaný proces porovnávání výrobk služeb a postup z hlediska jejich jakosti, efektivnosti a výkonnosti s nejv tšími konkurenty. Interní benchmarnking je orientovaný na porovnání v rámci jedné organizace. Porovnává se nap íklad produktivita vztažená na pracovníka v naturálních nebo finan ních jednotkách. Další metodou pro optimalizaci náklad je controlling. Obecn se controlingem myslí proces, jehož cílem je sledování hospodárnosti výroby, kontrola a ízení náklad na st edisko i na položku (odlitek). Metoda technicko - ekonomické analýzy byla vyvinuta v 70. letech pro podmínky eskoslovenských sléváren. Principy metody jsou podobné jako u výše uvedených metod. Základem technicko - ekonomické analýzy je sledování jednotlivých nákladových položek v naturálních i finan ních jednotkách na kalkula ní jednici ve vztahu k používané technologii. U nákladových položek, jejichž p ímé sledování na kalkula ní jednici není zavedeno, se stanoví zp sob jakým tyto položky efektivn a dostate p esn m it. Metoda technicko - ekonomické analýzy klade d raz na m ení všech nákladových položek, které s výrobou tekutého kovu souvisejí. Sou ástí metody je pr žné sledování náklad . Z hlediska ízení technologie výroby jsou ležité nákladové položky, které je možné vztáhnout na jednotku produkce (kalkula ní jednici) a jsou jednozna ur eny. Uvedený princip je formulován v metod neúplných vlastních náklad . Základní pojmy Uvedeny jsou pouze pojmy, které se vztahují ke slévárenské výrob . Slévárenská výroba je specifická p sobením celé ady externích faktor na technologický postup, které vyvolávají odchylky od p edepsané technologie. Náklady pro pot eby kalkulace tekutého kovu (odlitku) lze vymezit jako vynaložení ekonomických zdroj na zadanou výrobu s cílem získání ekonomického prosp chu. Náklady lze dále rozd lit na náklady variabilní a fixní. Variabilní náklady jsou náklady, které se m ní se zm nou produkce. Nap íklad spot eba vsázkových surovin je p ímo úm rná výrob tekutého kovu. Fixní náklady jsou náklady, které z stávají po ur itou dobu výroby nem nné a na ní nezávislé. Nap íklad fixní náklady na osv tlení a vytáp ní hal aj. Výdaje edstavují vynaložení pen žních prost edk v momentu jejich úbytku (vystavení výdejky, zavedení do ú etnictví). Pro pot eby kalkulace tekutého kovu (odlitku) je nap íklad nákladem spot eba tuny ocelového odpadu v okamžiku jeho použití. Náklad lze vyjád it jak v naturálních jednotkách nebo v jednotkách finan ních. asové rozlišení ( asová nesourodost) mezi náklady a výdaji je zp sobena rozdílným momentem jejich vzniku. Kalkulace náklad znamená p azení náklad k ur itému finálnímu výrobku. Finálním výrobkem m že být i polotovar mezi jednotlivými technologickými fázemi výroby. P ehledné sestavení náklad vztažené na výrobek se nazývá kalkula ním vzorcem. Výrobek, na který se 134


náklady kalkulují, se nazývá kalkula ní jednicí. Kalkula ní jednicí m že být i ur ité množství vyráb ného polotovaru nap . tuna tekuté oceli (kilogram odlitku) nebo tuna formovací sm si. ímé náklady jsou náklady, p ímo zjistitelné m ením a vztažené na kalkula ní jednici. Nep ímé náklady jsou náklady, které nelze m ením zjistit tak, aby mohly být vztaženy na kalkula ní jednici nebo m ení je z ekonomického nebo technologického hlediska neefektivní. Jestliže se má využít kalkulace a sledování náklad k ízení ve výrobním procesu je užite né najít zp sob jak p evád t nep ímé náklady na p ímé. Nap íklad spot ebu žáruvzdorného materiálu nelze ur it po každé tavb . Lze však kalkulovat s pr rnou spot ebou jednotlivých žáruvzdorných materiál na kampa , na životnost vyzdívky pece, víka nebo pánví. Nákladová skupina za azuje náklady podle jejich fyzikální podstaty a zp sobu jejich sledování. P i kalkulaci tekutého kovu se nej ast ji lení nálady nap íklad do následujících skupin. Náklady na vsázku a p ísady vsázka, feroslitiny, dezoxida ní, nekovové p ísady. Energie elektrická energie spot ebovaná na tavení, elektrická energie pomocných za ízení (vzduchotechnika, erpadla aj.), kyslík, chladicí voda. Grafitové elektrody. Žárovzdorný materiál. Mzdové náklady. Náklady na m ení (teploty, analýzy chemického složení aj.). Náklady na zkoušky (zkoušky mechanických vlastností aj.). Odpisy. Ostatní náklady. Kalkula ní vzorec je systematické set íd ní nákladových položek v kalkulaci tak, aby bylo možné co nejp esn ji ur it vlastní náklady na kalkula ní jednici. V praxi se používají r zné kalkula ní metody. Ve slévárnách je to nej ast ji metoda neúplných vlastních náklad a rozdílová kalkulace. Výrobní zp sob je popsaný postup výroby, u kterého se provádí sledování a analýza náklad . Výrobní postupy se mohou lišit použitým tavicím agregátem (oblouková nebo induk ní pec), nebo použitou technologií, p ípadn použitím jiného za ízení (nap íklad prvk sekundární metalurgie). tšinou astou úlohou technicko ekonomické analýzy je porovnání dvou a více výrobních zp sob za ú elem nákladové optimalizace. Nákladový model je soubor vztah mezi jednotlivými náklady a parametry výroby umož ující predikci zm ny náklad na základ zm ny ve výrobním zp sobu. Sou ástí nákladového modelu jsou nástroje pro analýzu nákladových odchylek. 14.2 Kalkulace náklad Kalkulace náklad poskytuje informace o vlastních nákladech na jednotlivé výrobní operace, polotovary a výrobek sloužící k prodeji. Použití výsledk kalkulace k ízení výroby je popsáno níže.

135


Z hlediska podniku pak slouží kalkulace posouzení efektivnosti celé výroby, její ásti i jednotlivých výrobk na základ následujícího vztahu:

Zisk výroby (výrobku ) Výnosy – Náklady Výnosy jsou obvykle známy p i uzav ení kupní smlouvy a b hem výroby až po dodávku se obvykle nem ní. Náklady jsou ur ený jako plánové kalkulace a jejich výsledná hodnota (výsledná kalkulace) se obvykle ve slévárenství od plánové odlišuje. Je to dáno variabilitou výroby, velkým množstvím objektivních i subjektivních vliv , které p sobí na spot ebu jednotlivých náklad . Úloha vedení spo ívá ve vyhodnocení vzniklých nákladových odchylek. Tato úloha spadá do oblasti controllingu. edb žná kalkulace, která vzniká p ed zahájením výroby, se lení na kalkulaci operativní a plánovou. Operativní kalkulace se sestavuje na základ operativních norem pro jednotlivé výrobní operace. Tyto normy se ozna ují také jako standardy (metoda standardních náklad ). Plánová kalkulace se stavuje na základ plánových norem. Normy jsou sestaveny pro p ímé náklady (spot ební, asová, výkonové normy). Nep ímé náklady se získají z rozpo tu režijních náklad na kalkula ní jednici vhodnou kalkula ní metodikou. i kalkulaci náklad na tekutý kov se rozdíly mezi operativní a plánovou kalkulací stírají. Dále je používán pro ob kalkulace termín operativní kalkulace. Výsledná kalkulace vyjad uje skute né náklady (pro jednu tavbu nebo odlitek) nebo pr rné skute né náklady. 14.2.1 Metoda rozdílové kalkulace Základní charakteristika metody rozdílové kalkulace sleduje rozdíly ve vybraných nákladových položkách u dvou nebo více porovnávaných výrobních zp sob . Ke stanovení nákladové odchylky, posuzovaných výrobních zp sob vybírají pouze ty nákladové položky, u kterých se o ekávají hlavní zm ny. Kup íkladu dodavatel nabízí desoxida ní p ísadu FeSi, p ibližn s obdobným chemickým složením, které slévárna používá, ale za nižší cenu. V tomto p ípad se p edm tem nákladového hodnocení stávají pouze náklady na tuto p ísadu. Díl í nákladovou zm nu pak vypo teme podle vztahu

N1

Ckp1 Mkp1 – Ckp 0 Mkp 0

(14.1)

kde

N1 – díl í nákladová zm na oproti standardnímu (p vodnímu) stavu v oblasti nákladových položek, u kterých se o ekávají hlavní zm ny (K /t), – jednotková cena p vodní p ísady /nap íklad K /kg/, Ckp 0 – jednotková cena nové p ísad (K /kg), Ckp 1 Mkp 0 – množství p vodní p ísady /nap íklad FeSi/ (kg/t),

Mkp 1 – množství nové p ísady (kg/t). Výb r nákladových položek se týká jen t ch položek, u kterých se o ekávají hlavní zm ny. Pokud p ináší navržené opat ení zm nu doby výrobního zp sobu (nap . doby tavby), pak její promítnutí do náklad se provádí s pomocí tak zvaných konstantních náklad . Nákladové stanovení se provede s pomocí vztahu

Ni = nk . ( 1 – 0). Q-1

(14.2)

136


Ni – díl í nákladová zm na oproti standardnímu stavu v oblasti dopadu zm ny doby výrobního cyklu (K /t), n k – konstantní náklady pro výrobní jednotku (p íklad výrobní agregát) na niž se nákladové šet ení provádí (K /min.), – doba výrobního cyklu (nap íklad doba tavby) p vodního stavu (min.), 0 – doba výrobního cyklu (nap íklad doby tavby) nového stavu (min.), 1 Q – kalkula ní jednice /p íklad hmotnost tekutého kovu na žlábku/ (t). Výsledný nákladový dopad (snížení nebo zvýšení náklad ) se stanoví sou tem jednotlivých posuzovaných nákladových zm n N = N1 + N2 +… Ni …+ Nn

(14.3)

N – výsledná nákladová zm na šet eného opat ení (K /t), Ni – další díl í nákladové zm ny oproti standardnímu stavu v oblasti nákladových položek, u kterých se o ekávají hlavní zm ny (K /t). Kritické hodnocení použití metody rozdílové kalkulace edností této metody jsou nesporné. Metoda je jednoduchá, srozumitelná a relativn lehce použitelná. Metoda umož uje rychle získat informaci o ekonomické efektivnosti zm ny výrobního zp sobu (nového výrobního zp sobu). Nedostatkem metody je její nep esnost, která spo ívá v zanedbání zm n u nevybraných položek. Zm na u jedné nákladové položky vyvolává zm nu u ostatních nákladových položek. Zm na složení vsázky m že vyvolat zm nu spot eby elektrické energie, doby tavby a ostatních položek, které jsou funkcí doby tavby. Dalším problémem je stanovení ukazatele konstantních náklad výrobní jednotky, v našem ípad EOP. Tento ukazatel není obvykle ve slévárnách jednotn definován. Bývá r zn pojímán v odlišných výrobních jednotkách. Metodu rozdílové kalkulace lze použit pro vytvo ení prvního obrazu o nákladové náro nosti daného opat ení. Pokud je výsledek vykáže nevýznamný rozdíl v porovnání náklad , potom je nezbytné použití metod p esn jších. 14.2.2 Metoda neúplných vlastních náklad Základní charakteristika metody vychází z odstran ní nedostatk metody rozdílové kalkulace Jsou sledovány všechny nákladové položky, které mají p ímý vztah k šet ené technologické nebo organiza ní zm . Nákladové hodnocení nep ekra uje hranice hospodá ského st ediska, ve kterém se daná opat ení realizují. Nepostihují se nap íklad správní režie a všechny položky režijního charakteru, které p ímo nesouvisejí s hodnocenou problematikou. Pomocí ukazatele konstantních náklad se ne eší zm na doby trvání cyklu výrobní operace (tavby). Její vliv se projeví p ímo v jednotlivých kalkula ních položkách sledovaných náklad . Hodnotí se nap íklad samostatn náklady na opravu vyzdívky pece, víka u EOP apod. Nev rohodnost nebo nep esnost dat prvotní evidence se nahrazuje bu daty, která byly automaticky registrovány z ídicího systému nebo získány p ímým odsledováním výrobních cykl (taveb). Tato metoda umož uje sestavení kalkula ního vzorce, který v rn zobrazí nákladový obraz hodnocené zm ny. Sestavení kalkula ního vzorce 137


Pro tvorbu kalkula ního vzorce je nezbytné vymezit hranice nákladového posuzování. Tedy nejprve ur it základní oblast sledování. Nap íklad posuzujeme opat ení na peci a potom se musíme rozhodnout, zda zahrneme do sledování náklady surovinové haly apod. anebo se stanoví po átek hranice až s náklady na vsázku. Obvykle za ínáme s náklady na vsázku, pon vadž zásah do technologie na peci obvykle náklady surovinové haly p ímo neovliv uje. Obdobným zp sobem se stanoví konec hranice nákladového hodnocení. Nap íklad doba konce odpichu, kalkulace je vztažena na kov na žlábku a zahrnujeme pouze náklady vynaložené v peci, doba konce odlévání kovu na licím poli, kalkulace je vztažena na kov odlévaný do forem v etn náklad vynakládaných p i lití z pece a opot ebení licí pánve. edevším z d vodu provád ní ady operací s tekutým kovem v pánvi se obvykle používá druhá varianta. Pro oblast tavících pecí (EOP, EIP, kuploven, rota ních pecí aj.) se praktickým používáním vyvinul typový kalkula ní vzorec neúplných vlastních náklad , který zahrnuje náklady vsázku, kovové p ísady, nekovové p ísady, zpracovací náklady. Neúplné vlastní náklady jsou potom tvo eny sou tem skupin nákladových položek náklad na vsázku, na kovové p ísady, na nekovové p ísady a zpracovacích náklad . Vý et nákladových položek se m že odlišovat podle konkrétních podmínek dané slévárny. vodem m že být nap íklad nákladová nevýznamnost prokazateln nezm ná výše u p vodního a nového stavu nemožnost stanovení nákladu s odpovídající vypovídací hodnotou ležitý je také zp sob stanovení zobrazení posuzovaných nákladových položek zvoleného kalkula ního vzorce. i výrob oceli se uspo ádávají vlastní náklady obvykle do tabulky. P íklad kalkulace náklad na výrobu oceli na žlábku v EOP formou tabulky je uveden v tab. 14.1. edností metody neúplných vlastních náklad je zejména její srozumitelnost a komplexnost pohledu. Metoda dává obraz o posuzovaném výrobním procesu, má dostate nou p esnost a je podstatn asov náro jší než metoda rozdílové kalkulace. Zásadní je p ípadn vy ešit problém sb ru v rohodných dat z prvotní evidence jejich dohledáváním. V praxi se osv ilo sledování taveb výb rových soubor zaškolenou a pat pou enou osádkou. Tento p ístup si pak nevynucuje p ímé sledování taveb dalším pracovníkem. Optimálnímu ešení se ibližuje vývoj a postupné dovybavení sléváren za ízením pro automatický p enos dat z výrobního procesu. Metodu neúplných vlastních náklad lze doporu it pro hodnocení již zavedeného výrobního zp sobu tam, kde se chceme op ít o odpovídající p esnost získaného výsledku.

138


Tab. 14.1 Kalkulace náklad na tekutý kov (ocel) na žlábku vyráb nou na EOP .pol.

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Nákladová položka

jednotky

2

3 [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg]

Vsázka Ocelový odpad 1 Ocelový odpad 2 Surové železo Vratný materiál Jiná vsázka

Kovové p í sady FeMn FeSi Další p ísady Vsázka a kov. p ísady celkem

Dezoxi da ní p í sady Al SiCa Další p ísady

Nekovové p í sady Ruda vápno Kazivec Další p ísady Vsázka kov., dezoxida ní nekov. p ísady celkem

a

[kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg]

Cena za jednotku 4 5,6 6,2 8,3 6,1 5,9 25 24 18

50 40 27 4 2 7 3

Spot eba v natur. jedn. 5 8500 6000 800 0 1200 500 91,0 45,2 35,7 10,1 8591,0

6 9717,4 6686,6 987,1 0,0 1456,7 587,1 431,4 225,0 170,4 36,0 10148,8

31,2 15,1 11,1 5,0 558 256 196 70 35 9179,9

265,0 150,0 88,0 27,0 401 204,0 78,0 98,0 21,0 10814,8

3266 151

1468 1300,0 60,0

Energie Elektrická energie technologická El.energie na odsávání.

25

El.energie

26

El.energie cirkulace

erpadla

[kWh] [kWh]

2 2

Náklady [K /t.]

[kWh]

2

50

20,0

[kWh]

2

40

16,0

3

6

35

42,0

3

10

15

30,0

50

25

250,0 229 190 39 310

27

Kyslík

[Nm ]

28

Zemní plyn

29 30 31 32 33

Grafitové elektrody

[Nm ] [kg]

Mzdové nákl ady ímé mzdy Režijní mzdy

Žáruvzdorný materál

34

Vyzdívka pece

[kg]

150

35 36 37 38 39 40

Opravárenský materiál Vyzdívka víka Vyzdívka pánví

[kg] [kg] [kg]

87 56 17 145 25 82

41 42 43

Ostatní nákl ady Náklady na m ení teploty Náklady na zkoušky

40 60

Ekologické poplatky

38 2402,0 13216,8

Z pracovací náklady celkem

Neúplné vlastní náklady celkem

Výsledná kalkulace Výsledná kalkulace zobrazuje skute né náklady po dokon ení výroby. Náklady se stanovují asto na základ skute nosti za minulé ú etní období. Operativní kalkulace Operativní kalkulace stanovuje náklady p ed zahájením výroby na základ nákladových standard . Technologické p episy jsou propracovány až po normativní spot eby jednotlivých položek materiál , energií a mzdových náklad a ty pro každý tavicí agregát zvláš (nákladové standardy). Výhodou uvedeného systému je zp tná vazba pro technologické odd lení a následná možnost korekce technologických p edpis na základ její analýzy.

139


Pr žná kalkulace Pr žná kalkulace se stanovuje na základ skute ných náklad ihned po ukon ení jedné výrobní operace. Pr žná kalkulace umož uje nákladovou analýzu práv ukon ené výrobní operace na základ jejího porovnání s operativní kalkulací. Rozhodující pro správné zjišt ní pr žné kalkulace je sb r zadaných dat a následující on line technicko - ekonomická analýza. 14.3 Využití nákladových model k ízení výroby Využití nákladových model v oblasti obchodu má z hlediska hospoda ení podniku mimo ádný význam. Stanovení náklad na výrobu odlitk je jedním z d ležitých faktor , které slouží p i rozhodování o p ijetí zakázky. Zp esn ný výpo et náklad na odlitek b hem poptávkového ízení slouží k optimalizaci materiálového sortimentu i sortimentu odlitk podle složitosti a hmotnosti. Využití nákladových model v technologické p íprav výroby má p inést úspory v nákladech na materiál, kde p edstavují ást náklad odlitku, kterou bylo nutno vynaložit na výrobu tekutého kovu a která byla p enesena do náklad odlitku. Jedná se o nákladovou skupinu materiálové náklady. Ostatní náklady v odlitku je možné považovat za náklady zpracovací. Náklady na materiál v odlitku lze vypo ítat z využití tekutého kovu, které se po ítá jako pom r hrubé (odlitek s nálitky a vtoky aj.) a surové hmotnosti, vyjád eného nej ast ji v procentech. Dále zohled uje výpo et náklad na materiál v odlitku nevratné ztráty kovu p i odlévání a istírenském zpracování odlitk . K výpo tu materiálu v odlitku lze použít vztah pro využití tekutého kovu

Qh [%] Qs – využití tekutého kovu [%], Qs – surová hmotnost odlitku [kg], Qh – hrubá hmotnost odliku [kg]. 100

(14.4)

Kalkulované nevratné ztráty i výrob odlitk vznikají ztráty, které lze rozd lit podle místa vzniku. Nevratné ztráty vznikající p i výrob tekuté oceli v peci NZ(O) se nazývají propal vsázky Q vs. Q tk. NZ(0) 100 % (14.5) Q vs. NZ(0) – nevratné ztráty /propal/ [%], Q vs. – hmotnost vsázky [kg],

Q tk.

– hmotnost tekutého kovu v pánvi po odpichu [kg].

Nevratné ztráty NZ(1) vznikají p i odlévání kovu. Jedná se o rozst ik vznikající zejména p i elití formy, špatn uzav ené pánvi apod. Zbytek kovu odlitý do kokily nelze nazvat rozst ikem, ale vratným materiálem. Rozst ik je funkcí hmotnosti odlitku. U t žkých odlitk se jeho hodnota blíží k nule. Nevratné ztráty p i odlévání NZ(1) v procentech na surové hmotnosti odlitku je možné vyjád it vztahem

140


(Q s VM(1) 100 % Q tk NZ(1) – nevratné ztráty p i odlévání [%], NZ(1)

Q tk.

(14.6)

VM(1) – vratný materiál [kg], Qs

– surová hmotnost odlitku [kg].

Zbytek kovu VM(1) odlitý po poslední form do zbytkové mísy, rozst ik a ostatní využitelný kov zachycený na roštu aj., je ozna ovaný jako vratný materiál. Nevratné ztráty NZ(2) obsahují ztráty pro ezem, v etn ztrát vzniklých broušením p ídavk . Ztráty vznikají p i odstra ování nálitk a vtok . NZ(2) jsou závislé na velikosti plochy (P), která vznikne po odstran ných nálitcích a vtocích. Dále na ší ce ezu (S). Nevratné ztráty technologickou úpravou odlitku m žeme vyjád it vztahem

100 Qh

NZ(2)

Pr Sr

(14.7)

NZ(2) – nevratné ztráty technologickou úpravou odlitku [%], 2 Pr a S r – plocha a tlouš ka ezu v etn p ídavk na broušení [dm ], –m rná hmotnost kovu [kg/dm3].

Spot eba tekutého kovu na odlití odlitku o surové hmotnosti Pro výpo et tekutého kovu na odlití surové hmotnosti odlitku Qs použijeme vztah

Q s tk

Qh

VM(2) NZ(1) 1 100

kg

(14.8)

Q stk – spot eba tekutého kovu na odlití odlitku o surové hmotnosti Qs [kg], VM(2) – hmotnost vratného materiálu vzniklého p i zpravování odlitku o hrubé hmotnosti (vtoky a nálitky aj.) vztaženého na odlitek [kg]. Náklady na odlití odlitku o surové hmotnosti Qs vypo ítáme

N stk

Qstk C tk

(14.9)

s tk

N – náklady na tekutý kov spot ebovaný na odlití odlitku o surové hmotnosti Qs [K /t], C tk – náklady na tekutý kov v cenovém ohodnocení tekutého kovu [K /t]. Kalkulace náklad na materiál v odlitku Náklady na materiál v odlitku N Smo se stanovují jako rozdíl náklad na tekutý kov na odlití odlitku a hodnoty vratného materiálu získaného jednak p i odlévání jednak p i zpracování hrubého odlitku, tj. z hrubého odlitku po odstran ní nálitk a vtok .

N Smo

Q stk C tk

VM(1) VM(2) C vm [K ]

(14.10)

Cvm – cena vratného materiálu [K /kg]. Získané množství vratného materiálu VM(2) je dáno surovou a hrubou hmotností materiálu po ode tení NZ(2)

VM(2) Qs

Qh

NZ(2) [t]

(14.11) 141


Výpo et ceny vratného materiálu je jednou z nejd ležit jších úloh v kalkulaci náklad na odlitek. Nep esné stanovení ceny vratného materiálu má za následek zkreslení celého výpo tu náklad . Nákladový model je nutno vytvo it jednotliv pro každý výrobní zp sob. 14.4 Využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob Metoda pr žného sledování náklad Výpo et pr žné kalkulace náklad se provádí po ukon ení každé výrobní operace. Obvykle se uvažuje jako ukon ená operace tavba. V dalším zpracování odlitk to m že být nap íklad výroba forem a odlití kovu a dále jednotlivé istírenské operace a tepelné zpracování. edpokladem této metody je sb r dat náklad b hem provád né operace, pr žné sledování náklad a aktualizace cen. Pr žné náklady se porovnávají s nákladovým standardem (operativní kalkulací). Nákladový standard p edstavuje operativní hodnoty náklad vypo tené na základ detailních technologických p edpis (DTP). Technologické p edpisy udávají spot ebu jednotlivých nákladových pokožek v naturálních ukazatelích a vycházejí z bilancí spot eby jednotlivých nákladových položek pro jednotlivé zna ky ocelí. Po ukon ení výrobní operace (tavby) se vypo ítají odchylky od standardu a analyzují se jejich iny. Analýza odchylek m že sloužit k motivaci obsluhy pece, ale také k up esn ní požívaného nákladového modelu a technologie. Sledování náklad v asové ad slouží také k výpo m základních statistických dat nákladového souboru. Pro další analýzu jsou nej ast ji používány zejména statistické charakteristiky - pr r, minimální hodnota, maximální hodnota a sm rodatná odchylka. Metoda nalezení ekonomického optima Analýza náklad nového výrobního zp sobu je d ležitá zejména v t ch p ípadech, kdy je jeho zavedení spojeno s vynaložením finan ních prost edk na investice. V ekonomické analýze je nutné zohlednit návratnost investic. Nejjednodušším zp sobem zohledn ní investic je rozší ení kalkula ního vzorce o odpisy a náklady na údržbu. asto se však nahrazuje za ízení, které je již delší dobu zcela odepsané. Vypo tený ekonomický p ínos nového výrobního zp sobu pak nemusí být p esný. Dalším problémem je stanovení nákladových položek nového výrobního zp sobu. Zde se vychází ze zkušenosti se stávajícím výrobním zp sobem a z parametr za ízení, které udává dodavatel. Pro garan ní zkoušky udává dodavatel n které parametry, nap íklad spot ebu elektrické energie na roztavení a parametry pro b žný provoz.

142


Pro stanovení parametr nového výrobního zp sobu, kde chybí data, je nutný technický odhad. V p ípad technického odhadu se stanoví pravd podobná nejnižší a nejvyšší hodnota. Náklady na nový výrobní zp sob pak vycházejí v intervalu hodnot a analyzuje se, zda bude zajišt na ekonomická návratnost i za nejmén íznivých podmínek. Odhadnutý ekonomický efekt se porovnává s plánovanými investicemi a po ítá se návratnost. Tento postup bývá v tšinou dostate ný a není nutné do kalkulace zahrnovat i odpisy. Obr. 14.1 Grafické znázorn ní bodu zvratu

Využití nákladových model p i rozhodování na úrovni vedení spole nosti Dalším ze zp sob využití nákladových model je analýza bodu zvratu. Variabilní náklady (pro zjednodušení u jednoho typu odlitku) rostou lineárn s po tem vyrobených odlitk . Fixní náklady, vztažené na jeden odlitek, jsou tím menší, ím je v tší po et vyrobených odlitk a tržby pak rostou lineárn s po tem expedovaných odlitk . Existuje proto ur itý po et vyráb ných odlitk , p i které jsou celkové náklady (variabilní + fixní) stejné jako dosahované tržby. Objem výroby, p i kterém se celkové tržby rovnají celkovým náklad m, se nazývá bod zvratu. Na obr. 14.1 je grafické znázorn ní bodu zvratu.

Shrnutí pojm kapitoly nákladová analýza pro ízení výroby základní pojmy v oblasti nákladové analýzy kalkulace náklad metoda rozdílové kalkulace metoda neúplných vlastních náklad využití nákladových model k ízení výroby využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob

Otázky k probranému u ivu 1) Jakým zp sobem je možné dovést nákladovou analýzu k ízení výroby? 2) Které základní pojmy využíváme v oblasti nákladové analýzy? 3) Jaké typy kalkulace náklad známe a jakou mají funkci? 4) Jaká je základní charakteristika metody rozdílové kalkulace? 143


5) Jaká je základní charakteristika metody neúplných vlastních náklad ? 6) Jaký význam má využití nákladových model v oblasti obchodu a v technologické íprav výroby? 7) Jaký vztah lze použít k výpo tu využití tekutého kovu v odlitku? 8) Jaký význam má výpo et kalkulovaných nevratných ztrát? 9) Jaké p íklady nákladových model k ízení náklad ve výrob znáte a jaká je jejich funkce?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9. [2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984, 269 s. [3] HEYNE, P.: Ekonomický styl myšlení. VŠE – Praha 1991. ISBN 80-7079-781-9.

144

SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH ODLITKŮ studijní opora

Recommend Documents