TEPELNÉ A OBJEMOVÉ POMĚRY PŘI LITÍ A TUHNUTÍ KORUNDOBADDELEYITOVÉHO MATERIÁLU - EUKOR. Jiří Ticha Vlastimil Spousta Petr Motyčka Škoda Výzkum s.r..o., Tylova 57, 316 00 Plzeň ÚVOD Odlitky kamenů pro vyzdívky sklářských pecí patří k významným představitelům korundobaddeleyitových výrobků. Vzhledem k velkým rozměrům a hodnotě objemového smrštění, činí výrobcům potíže zajištění dostatečné vnitřní homogennosti vyjádřené měrnou hmotností. Na podkladě provedených rozborů byl jako důvod nevyhovující homogennosti označen nedostatečný způsob nálitkování. V práci je definována potřebná velikost nálitku i podmínky pro zajištění jeho dostatečné účinnosti. Současně jsou uvedeny zjištěné konstanty tuhnutí pro CT-směs umožňující výpočet doby tuhnutí odlitků o různých tloušťkách stěn. Je uveden interval teplot strukturně objemových změn při vychlazování odlitků, t.j. oblast citlivá na vznik prasklin. Eukor je obchodní označení elektrotaveného žáromateriálu na bázi ZrO2 - Al2O3 - SiO2 vyráběného tavením vhodných surovin v elektrické obloukové peci, odléváním taveniny do forem, následným vychlazením, případně dalším opracováním. Tyto výrobky vynikají zvláště vysokou odolností proti otěru, chemickou odolností a vysokou žáruvzdorností. Jedním z představitelů těchto výrobků jsou korundo-baddeleyitové (KB) kameny pro vyzdívky sklářských pecí. Vzhledem ke specifičnosti výrobní technologie je při návrhu technologického postupu nutné posuzovat danou problematiku jak z pohledu keramika, tak z pohledu slévače. Původní práce [1,2] byly řešeny převážně pracovníky sklářského a keramického průmyslu. Postupně byly do řešení zapojování i slévárenští odborníci [3,5]. Má to své zdůvodnění v tom směru, že řada operací při výrobě KB - výrobků má společného jmenovatele s výrobou ocelových odlitků. Například způsob výroby modelového zařízení, návrh vtokové soustavy i způsob nálitkování. Je zajímavé, jak podobný je i mechanismus přechodu z tekuté do tuhé fáze. Proto je možno využít i klasické Chvorinovovy rovnice tuhnutí, samozřejmě při znalosti příslušných konstant tuhnutí jak bude dále uvedeno [4]. 2. TECHNOLOGIE LITÍ SKLÁŘSKÝCH KAMENŮ. ( 400 × 350 × 200 mm ) Obecně je možné tyto kameny odlévat v poloze vertikální i horizontální. Při horizontálním uspořádání je nutné použít kruhový nálitek osazený v geometrickém středu horní plochy odlitku. Při vertikálním uspořádání ve formě je oválný, nebo obdélníkový nálitek umístěný na boku t.j. na nejmenší straně. Z pohledu obtížnosti odřezání nálitků jsme zvolili pro naše zkoušky vertikální uspořádání. Pro ověření možnosti zvýšit rychlost primárního ochlazování jsme ve dvou případech zaformovali na odlitek kamene kovové chladítko běžně používané ve slévárnách oceli pro zajištění usměrněného tuhnutí. Jeden odlitek (č. 2) byl zaformován pouze do pískové směsi. K formování byla použita klasická CT směs t.j. křemičitý písek pojený vodním sklem a vytvrzený CO2.
Technologie formování je zřejmá z obrázku 1. Odlití bylo provedeno přímo z pece do nálitků. Doba lití byla záměrně z důvodů podpoření podmínek usměrněného tuhnutí velmi dlouhá - cca 2,5 min. Po odlití byla hladina nálitku zakryta izolační hmotou Sibral a v intervalech cca 10 min. celkem 5× proražena.
690×600×400 rám
690×600×400 rám
690×600×200 rám
3. TECHNOLOGIE TAVENÍ 690 Jako vsázka k tavení byla použita homogenizovaná směs nadrcených použitých kamenů ze sklářských pecí 100 spolu s vratným odpadem ze současné výroby. Jako tavicí agregát byla využita el. oblouková pec s grafitovými elektrodami. Vyzdívka 600 100 pece je shodná s taveným materiálem, přičemž kovový plášť pece je chlazen vodou. Během natavování jedné tavby (cca 350 kg) se několikrát dosypává nadrcená vsázková směs. K měření teploty taveniny se využívá pouze Obr. 1 Schéma formování optický pyrometr umístěný nad vylévacím žlábkem pece, proto naším prvořadým úkolem bylo srovnání naměřených hodnot optickým pyrometrem a našimi měřícími sondami typu A (WRe5 - WRe20) - POLDI. K záznamu jsme použili měřící ústřednu AMR - THERM 3280-8M. Teplotu taveniny jsme měřili v peci při zapnutém oblouku, při vypnuté peci, na licím žlábku a v nálitku po jeho odlití. Přehledně jsou výsledky společně s odpovídajícími údaji optického termočlánku uvedeny v tab. I.
Tabulka I. Zjištěné teploty taveniny WRe a optickým termočlánkem Místo měření Pec zapnutá pod elektrodou Pec vypnutá u stěny Na žlábku pece při lití
Po odlití v nálitku Nálitek 10´ po odlití
Termočlánek [°C ] WRe 5 - WRe 20 2 471 2 488 2 272 2 162 2 233 2 162 2 229 2 188 2 299 2 094
Optický 1 828 1 832 1 861 1 821 1 849 1 848 -
Z výsledků je zřejmý výrazný rozdíl mezi naměřenými hodnotami a hodnotami získanými optickým termočlánkem, dále výrazná heterogenita teplotního pole v peci. Zajímavé je i zjištění poklesu teploty taveniny v nálitku cca 10 minut po jeho odlití. 4. VÝPOČET KONSTANT TUHNUTÍ Chvorinov /4/ ve své práci na základě řady měření prokázal parabolickou závislost doby tuhnutí na velikosti modulu, přičemž modul definuje jako množství odcházejícího tepla z odlitku, které projde 1 cm2 povrchu odlitku. Protože množství tepla je úměrné objemu odlitku, definuje modul vztahem /1/ M - modul [cm] V M = /1/ V - objem odlitku [cm3] S S - chlazený povrch odlitku [cm2] Pro odlitky desek kdy je zanedbán vliv koncové zóny určuje modul M =
d 2
/2/
d – tloušťka desky [cm]
Tuhnutí je pak možné vyjádřit vztahem /3/ M =K⋅ t
/3/
úpravou t=
1 ⋅M2 K2
/4/
M - modul [cm] K - konstanta tuhnutí [ cm ⋅ min -1/2] t - doba tuhnutí [min] ODLITEK È. 2
Konstanta tuhnutí je obecně závislá na fyzikálních vlastnostech taveniny ( měrném 1,2,3 – Ni-NiCr 4,5,6 – Pt-PtRh teplu), hodnotě přehřátí taveniny a schopnosti formy odvádět teplo. Za účelem zjištění konstant tuhnutí jsme odlitek 100 kamene zaformovaný pouze do 4 10 50 CT směsi osadili 2 5 10 termočlánky Pt PtRh 400 3 50 umístěnými ve středu desky a 1 2 zaústěnými směrem do odlitku ve vzdálenosti 1 a 5 cm od rozhraní odlitek - forma. Odlitek 200 kamene obložený kovovými chladítky byl osazen 1 termočlánkem v hloubce 1 cm. Obr. 2 Schéma umístění termočlánků
ODLITEK Č. 3
6
10
150
50
Průběh primárního ochlazování je na obr.3. Vyhodnocením primárního ochlazování jsme určili doby tuhnutí u odlitku č. 2 - 223 minut u odlitku č. 3 -125 minut.
Obr.3 Průběh primárního ochlazování 2000
5
1800 1600
1
4
6
1
1400 Teplota (°C)
4
5
2
1200
3
6
1000
2
800 600
3
400 200 0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Čas (min)
V místě umístění termočlánků na odlitku jsme předpokládali odvod tepla pouze ve směru kolmém ke stěně odlitku a tomu odpovídající modul Mo = 10 cm. Pro dobu tuhnutí 223 minut v CT - směsi odpovídá konstanta tuhnutí hodnotě k= 0,669 [cm. min -1/2]. Pro dobu tuhnutí 125 minut v CT - směsi s 50% obložením kovovými chladítky k = 0,890 [cm. min -1/2]. Využitím konstant tuhnutí a vztahu /4/ je možné určit přepokládané doby tuhnutí odlitků o různých modulech (tloušťkách) podle obr. 4.
Obr.4 Doba tuhnutí korundo-baddeleyitových odlitků v CT-směsi 15
30
10
20 15
CT směs K = 0,669
5
M = K ⋅
10
t
5
0
0 0
20
40
60
80
100
120
Doba tuhnutí t (min)
140
160
180
200
Tloušťka stěny (cm)
Modul M (cm)
25 CT směs + chladítka
Po odlití byly formy přemístěny včetně měřící ústředny na chladící pole. Měřící ústředna byla odpojena 24 hodin po odlití. Teplota odlitků 24 hodin po odlití ležela v intervalu 380 - 450 °C. Celková doba ochlazování odlitků byla 6 dní. Ze záznamu ochlazování jsme určili průměrné rychlosti ochlazování odlitků v intervalu teplot 1000-800°C a 800-600°C. Zjištěné hodnoty jsou uvedené v tab. II. Tabulka II. Průměrná rychlost ochlazování odlitků kamenů ve formě v intervalu objem. změn Odlitek Interval teplot [°C] Způsob formování 1000 ⇒ 800 800 ⇒ 600 CT – směs 49°C/hod 36°C/hod CT – směs + chladítka 59°C/hod 34°C/hod 5. HODNOCENÍ JAKOSTI ODLITKŮ Po vychladnutí odlitků na teplotu dílny a vyjmutí z forem byla provedena kontrola rozměru odlitků, zjištěna jejich hmotnost, vypočtena měrná hmotnost, hodnota objemového smrštění (viz. tab. III). Odlitek zaformovaný pouze do CT - směsi č. 2 byl naříznut a rozlomen (obr. 5). V odlitku č. 3, t.j. formovaném do CT-směsi a dochlazovaném kovovými chladítky byla zjištěna prasklina vycházející ze spodního rohu t.j. mezi spodním a bočním chladítkem (obr. 6). V partii nálitku je možné zřetelně pozorovat 5 oblastí vzájemně oddělených vodorovných lunkrů jako důsledek 5 prorážení. Současně je zřejmá i určitá předimenzovanost nálitků tomu odpovídá pouze 62% využití taveniny.
Obr. 5 Rozlomený odlitek včetně nálitku formovaný do CT-směsi Rozměr 400 × 350 × 200 mm
Obr. 6 Pohled na odlitek dochlazovaný kovovými chladítky s naznačeným průběhem praskliny. Velikost nálitku byla shodná s obr.5. Tabulka III. Přehledná tabulka hodnocených veličin na odlitcích Odlitek č. 2 Formovaný do CT - směsi
Odlitek č. 3 formovaný do CT - směsi + kovové chladítko 349 200,7 399 27,93 97 3,47 64 -
350 200,5 399,5 28,03 99 3,53 60 20,6 6,58
Rozměry [mm] Objem [dm3] Hmotnost [kg] Měrná hmotnost [kg/dm3] Nálitek hmotnost [kg] Objem [dm3] Objem. smrštění [%] 6. DILATOMETRICKÁ MĚŘENÍ
Tři náhodně odebrané vzorky Eukoru tvaru hranolku 5×20 mm jsme ohřáli v peci termomechanického analyzátoru SETARAM 92 na teplotu 1600°C a ochlazovali rychlostí 7,5°C⋅min-1 na teplotu okolí pod přítlakem dilatometrické sondy 0,05N. Sledovali jsme změny délky hranolků. Tvar změřených závislostí je vidět na obrázku 7. Pro posouzení rizika praskání ochlazovaných odlitků je zajímavý jev v intervalu teplot od 970 do 560°C, který odděluje dvě oblasti charakteristické téměř lineárním smršťováním ( α= 10,0⋅10-6K-1 pro 970÷1600°C; α= 7,2⋅106K1 v intervalu 20°C - 400°C ). Probíhající strukturní změny jsou spojeny s objemovou expanzí. Obr.7 Dilatometrický záznam smršťování tří vzorků materiálu Eukor. 0
200
400
600
800
1000
0
-0.2
ε [%]
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
teplota [°C]
1200
1400
1600
1800
Obrázek 8 znázorňuje současně změnu součinitele délkové teplotní roztažnosti a dilataci vzorku způsobené objemovou expanzí materiálu při strukturní přeměně. Střední relativní přírůstek délky připadající na objemový element transformované struktury byl 0,25%. 50
250
450
650
850
1050
1250
1450
0
-0.2
[%]
-0.4
∆ε ν -0.6
-0.8
∆ε 1
∆ε ι
-1
-1.2
teplota[°C]
Obr.8 Změna součinitele α a relativní změna délky spojená se strukturní přeměnou. ∆εi označuje relativní změnu objemu i-tého elementu, který by se izotermicky transformoval při teplotě Ti. Měření jsme využili k upřesnění intervalu teplot spojeného s rizikem nárůstu vnitřních pnutí ve vychlazovaném odlitku. Z toho vycházejí naše doporučení pro postup ochlazování odlitků. Uvedené kvantitativní údaje jsou pouze pro orientaci. Pokud se je podaří statisticky podložit, zejména s ohledem na vliv heterogenity a anizotropie materiálu, mohly by být dobrým základem například pro počítačové modelování vnitřních pnutí.
7. DISKUSE VÝSLEDKŮ Výroba KB - odlitků je spojena s řadou dosud ne zcela vyřešených problémů. Základní problémy spočívají v eliminaci cca 6,5 % objemového smrštění v průběhu primárního ochlazování a nemožnost jakýchkoli oprav na vychladlých kamenech. Protože přeměna z tekutého do tuhého stavu je velmi podobná krystalizaci oceli, je možné k predikci doby tuhnutí využít Chvorinovovy teorie tuhnutí. Na základě těchto poznatků vyplývá důležité zjištění, že hmotné odlitky typu sklářských kamenů nelze odlévat bez dostatečně dimenzovaných nálitků. Protože u KB - materiálů nelze využít z důvodů dalšího znehodnocení běžně užívaných exozásypů, jeví se jako nutné izolovat hladiny nálitků například sibralem. Pro zajištění dobré funkce nálitku je nutné několikeré prorážení nálitků, protože dosazováním odlitků vzniká v nálitcích podtlak, který může zcela zabránit dalšímu dosazování.
8. ZÁVĚR Na základě proměření tepelných a dilatometrických poměrů při výrobě korundobaddeleyitových odlitků sklářských kamenů lze konstatovat: • Po natavení vsázky před litím má tavenina velmi heterogenní teplotní pole. • Pravděpodobnou dobu tuhnutí odlitku zaformovaného do CT směsi při teplotě lití cca 2200°C je možné určit za vztahu:
t =
1 ⋅M2 2 0,669
kde M je modul odlitku [cm] resp. polovina tloušťky stěny. • Vzhledem k velikosti objemového smrštění 6,5% a tepelným poměrům je nutné volit velikost nálitků na masivnější odlitky v poměru odlitek / nálitek 70 : 30, t.j. počítat se 70 % využitím taveniny, při současné izolaci hladiny nálitku a několikerém proražení nálitku během tuhnutí, • U odlitků náchylných k praskání je nutné zajistit v intervalu teplot 970 - 560 °C ochlazování rychlostí menší 50°C/hod. Příspěvek byl zpravován díky podpoře GAČR v projektu 106/99/0728. 9. LITERATURA [1] Smrček, A. Zkvalitnění litých žáromateriálů. Zpráva Sklo Union,Lesní brána 1975 [2] David, J. a kol. Tavení a lití korundo-baddeleyitových elektricky tavených žárovzdorných a otěruvzdorných materiálů. Výzkumný ústav sklářský, Praha 1987 [3] Brhel, J. Určení oblastí dosazovacích a koncových zón v odlitcích z korundobaddeleyitového materiálu Eukor. Podklady pro jednání řešitelů grantového úkolu GAČR č. 106/99/07, Stará Voda 1999 [4] Chvorinov, N. Krystalizace a nestejnorodost oceli. ČSAV Praha 1954 [5] Dobrovská, J.; Bůžek, Z.; Dobrovská, V.; Kavička, F.; Stránský, K. Příspěvek k mikro a makro-heterogenitě žáruvzdorné korundo-baddeleyitové keramiky. Metal 2000, Ostrava 2000
