4. - 5. 4. 2013, Karlova Studánka
VLIV VYSOKÉHO OBSAHU LEGUJÍCÍCH PŘÍSAD AL A TI NA TECHNOLOGII ZPRACOVÁNÍ OCELOVÉ TAVENINY Vladislav KURKA, Lucie STŘÍLKOVÁ, Zbyněk HUDZIECZEK, Jaroslav PINDOR, Jiří CIENCIALA MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Pohraniční 693/31, 706 02 Ostrava-Vítkovice,
[email protected]
Abstrakt Výroba ocelové taveniny na atmosférických indukčních tavících pecích s vysokými obsahy legujících přísad jako je hlíník a titan je velmi náročná. Obsahy těchto prvků mají velmi vysokou afinitu ke kyslíku a jejich legování je samo o sobě problematické. V této práci je popsána především problematika interakce tekutého kovu s vyzdívkou, problematika odlévání, a interakce těchto legujících přísad s žáruvzdornými materiály v licí pánvi. Tato práce byla realizována s použitím zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“ (VPIM). Toto zařízení je součástí „Laboratoře pro experimentální ověřování technologií výroby nových materiálů“. V rámci řešení projektu „Regionální materiálově technologické výzkumné centrum“ č.: CZ.1.05/2.1.00/01.0040, výzkumného programu č. 6 s názvem „Experimentální ověřování nových technologických postupů u kovových materiálů s vyššími kvalitativními parametry“, bude realizována modernizace VPIM. Laboratoř bude sloužit ve společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. pro výzkum a vývoj metalurgických procesů v kovových taveninách. Klíčová slova: čistota, hliník, titan, vakuum, přetlak 1.
ÚVOD
V současné době dochází k nárůstu dovozu materiálů ze zahraničních hutních podniků, především z východních zemí. Ve srovnání s předchozími obdobími, se jakostní parametry těchto materiálů zvyšují. Při stejných jakostních parametrech nabízeného materiálů od dvou výrobců je určujícím faktorem cena. Zajistit konkurenceschopnost hutní společnosti lze neustálým zvyšováním jakostních parametrů vyráběných materiálů a snižováním energetické a potažmo ekonomické náročnosti výroby. Společnost MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. (dále jen MMV) vyrábí, mimo jiné také materiály s vysokými obsahy prvků titanu a hliníku. Al a Ti mají z metalurgického hlediska vysokou afinitu ke kyslíku a dále Ti má při srovnání vyšší afinitu k uhlíku než ke kyslíku. Tato práce prezentuje problematiku výroby taveniny a především její odlévání ve vztahu k chemickému složení (Ti a Al). Je popsána výroba modifikované materiálu s procentuálním zastoupením těchto prvků 0,01C, 10Cr, 9Ni, 2,2Mo,1Ti a 0,6Al (dále jen MATERIÁL). 2.
VLIV CHEMICKÉHO SLOŽENÍ
Jak je patrné z Tab. 1 předmětný MATERIÁL požaduje vysoký podíl titanu (až 1,15%) a hliníku (až 0,60%). Obsahy těchto prvků jsou požadovány z důvodu jejich precipitace, jež zásadním způsobem zvyšují požadované mechanické vlastnosti - smluvní mez kluzu RP0,2 min. 1500 MPa. MATERIÁL dále obsahuje nízký obsah uhlíku, což má vysoký vliv na následné odlévání, bude vysvětleno dále. Zpracováním chemického složení MATERIÁLU do Schaeffler De Long diagramu dle [2] viz. Obr. 1 je patrné, že výsledná struktura může být složena z austenitu a martenzitu, nebo austenitu, martenzitu a feritu a v krajním případě může být také čistě martenzitická. Při výrobě těchto jakostí je důležité znát konečný požadavek na strukturní parametry a tomu přizpůsobit i chemické složení vyráběné oceli. V tomto případě bylo požadováno vyrobit čistě auteniticko-martenzitickou
4. - 5. 4. 2013, Karlova Studánka
strukturu, což se podařilo. Řízení finální struktury lze např. dvěma způsoby: buď zúžit chemické složení tak, aby výsledný MATERIÁL měl vždy požadovanou strukturu, nebo do řízení tavby zařadit také řízení struktury podle tohoto diagramu. Tab. 1
Chemické složení MATERIÁLU (hmot. %)
Požadavek
C
Cr
Ni
Mo
Ti
Alc
min.
-
9,50
8,5
1,9
0,75
0,30
max.
0,010
11,50
9,5
2,2
1,15
0,60
0,010
10,38
9,93
2,24
0,94
0,47
Tavenina před přelitím do licí pánve
Schaeffler: Ni ekv = Ni + 30 C + 0,5 Mn + 30 N + 0,5 Cu + 0,5 Co
0 5
30 28 26
10
Austenit
24
15 20
22 20
30
Austenit + Martenzit
18
Austenit + % Feritu
16
40
14 80
12 10
Martenzit
Austenit + Martentzi + Ferit
8 6 4
Martenzit + Ferit
2
100
Ferit
0 0
Obr. 1
3.
2
4
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Cr eq = Cr + Mo + 1,5 Si + 2 Ti + 0,5 Nb [wh. %]
Chemické složení MATERIÁLU (oranžový obdélník) a tavby (červený bod) dle Schaeffler De Long diagramu [2]
ANALÝZA VLIVU TI PŘI ODLÉVÁNÍ
MATERIÁL byl vyráběn na zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“ (dále jen VPIM) před provedením plánované rekonstrukce. Technické parametry zařízení v době realizace tavby byly: max. 1700kg hmotnost taveniny, tlaky v kesonu min. 50Pa, max. 500kPa (při atmosféře Ar nebo N) s možností předem navolení atmosféry a tlaku pro odlévání taveniny horem přes mezipánev do kokily nebo při otevřeném kesonu do licí pánve. V době psaní tohoto příspěvku probíhá rekonstrukce zařízení, které bude nově vybaveno kyslíko-argonovou tryskou, on-line měřením teploty, možností lití spodem v kesonu při předem navolené atmosféře a tlaku a především dojde k výraznému zvýšení výkonu vývěvového systému, viz práce [3].
4. - 5. 4. 2013, Karlova Studánka
Obr. 2
3.1
Schématické znázornění zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“ po provedení rekonstrukce
Průběh tavby
Tavba na zařízení VPIM probíhala standardním způsobem při zavřeném kesonu v plně argonové atmosféře s rafinacemi za sníženého tlaku. Je obecně známo, že ingoty odlévané horem mají horší povrchovou kvalitu, proto bylo přistoupeno k odlití spodem do kokily na atmosférickém licím poli. Po nasazení základní vsázky, která obsahovala vyšší podíl C proběhl proces „Vakuové uhlíkové dezoxidace“ (dále jen VCD), který snížil obsah C z 0,02% na 0,01%. Následovalo legování Cr, Ni, Mo a poté proběhla vakuová rafinace s cílem snížení obsahu H. Po ohřevu taveniny na licí teplotu, byl otevřen keson a tavenina byla odlita do předem připravené licí pánve. Licí pánev má výlevku ve dně a je uzavřena zátkovou tyčí, která také slouží k regulaci rychlosti odlévání, viz Obr. 3. Při odlévání MATERIÁL v okolí výlevky „zatuhl“, následně byl proveden rozbor tohoto problému. Detail zatuhlé taveniny v místě výlevky je uveden na Obr. 4.
Obr. 3
Oválná licí pánev se zátkovou tyčí pro VPIM
Obr. 4 Detail zatuhlé taveniny v místě výlevky, po vyndání z licí pánve. Místo odběru vzorku kovů na analýzu.
4. - 5. 4. 2013, Karlova Studánka
3.2
Interakce taveniny a žáruvzdorných materiálů
Ze zatuhlého MATERIÁLU v licí pánvi prezentovaného na Obr. 4 byl odebrán vzorek kovu k analýze stanovení příčiny vzniku tohoto problému. Za použití rtg spektrální mikroanalýzy bylo zjištěno, že v místě výlevky je zvýšený obsah karbonitridových částic titanu a to jak větších samostatnějších dohromady s komplexními oxidy hliníku a křemíku viz. Obr. 5, tak menších o větším počtu viz. Obr. 6.
Karbonitridy titanu
komplexními oxidy, hliníku a křemíku
Obr. 6 Shluky menších části karbonitridů titanu v místě výlevky, zvětšeno 1100x
Větší karbonitridy titanu v místě výlevky, zvětšeno 650x
Obr. 5
Po výše uvedeném zjištění přítomnosti karbonitridů titanu byla provedena chemická analýza v místě výlevky, viz. Tab. 2. Chemický rozbor prokázal, že tavenina v místě okolí výlevky obsahovala vyšší podíl uhlíku (0,035%C), a to o 0,025 % více než odlitý MATERIÁL (0,010%C). Po provedeném šetření byla vyslovena hypotéza, že jeho vyšší výskyt byl dán použitím standardní zátkové tyče na bázi grafitu. Tato zátková tyč je běžně používaná při odlévání materiálů se stejně vysokými, či vyššími obsahy Ti a Al, ovšem u těchto materiálu, odlévaných v MMV, je cca o řád vyšší obsah C. Předpokládá se, že v průběhu přelévání taveniny z indukční tavící pece do licí pánve došlo k oxidaci taveniny a vzniku oxidů titanu. Titan má vyšší afinitu k uhlíku než ke kyslíku a proto při interakci s grafitovou zátkovou tyčí došlo ke vzniku karbonitridů titanu a sekundárně z uvolněného kyslíku ke vzniku komplexních oxidů hliníku a křemíků. Výskyt těchto částic byl pouze cca 10mm kolem zátkové tyče u výlevky a byl tak vysoký, že lze předpokládat, že byl příčinou zahuštění taveniny v tomto místě a zabránil tak jejímu odlití. Tab. 2
Chemické složení MATERIÁLU z taveniny před odléváním a u zatuhlé výlevky (hmot. %) Místo odběru
4.
C
Cr
Ni
Mo
Ti
Alc
Tavenina před přelitím do licí pánve
0,010
10,38
9,93
2,24
0,94
0,47
10mm kolem zátkové tyče u výlevky licí pánve
0,035
10,20
9,98
2,17
0,91
0,42
ZÁVĚR
Prezentovaná práce se zabývá problematikou výroby nízkouhlíkového antikorozního MATERIÁLU s vysokým obsahem titanu a hliníku. Po rafinaci v zařízení VPIM byla při otevřeném kesonu přelita tavenina z indukční tavící pece do licí pánve. Při přelévání došlo pravděpodobně k oxidaci titanu z atmosféry a následně interakcí oxidů titanu s grafitovou zátkovou tyčí vznikly, karbonitridy titanu a sekundárně komplexní oxidy hliníku a křemíku. Oblast výskytu těchto částic byla pouze v oblasti cca 10mm kolem výlevky zátkové
4. - 5. 4. 2013, Karlova Studánka
tyče. Tyto částice pravděpodobně způsobily zahuštění taveniny v místě výlevky, a znemožnily její odlití. Při odlévání jakostí o stejném složení, ale vyšším obsahu uhlíku tyto problémy nebyly zaznamenány. Z tohoto důvodu je v současné době vybírán nový materiál zátkové tyče, který odstraní tento problém. Analýza této problematiky pokračuje i v době psaní tohoto příspěvku. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla při řešení projektu č. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regionální materiálově technologické výzkumné centrum", v rámci Operační programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR. LITERATURA [1]
British standard: Stainless steels — Part 1: List of stainless steels, Institute Of Technology Tallaght, Institute of Technology, Fri Aug 11 10:17:10 BST 2006, číslo: BS EN 10088-1:2005
[2]
ČSN EN 10088-1, Korozivzdorné oceli - Část 1: Přehled korozivzdorných ocelí. 2005.
[3]
KURKA, V., PINDOR, J. Metallurgical and casting results obtained on the “Vacuum and over-Pressurized Induction Melting furnace” and future possibilities of the unit. In 11th International Conference on High Nitrogen Steels and Interstitial Alloys HNS 2012. Chennai, India, September 27-29, 2012, v tisku.
[4]
KURKA, V. Research, Development and Verification of New Technologies of Refining of the Molten Steel in Vacuum and Pressurized Induction Melting Furnace. Hutnicke listy, 2010, Vol. LXIII, No. 5, ISSN 0018-8069.
[5]
Regionalni materialove technologicke vyzkumne centrum - vydani Rozhodnuti o poskytnuti dotace, Ostrava: 22.2.2010. [cit. 10.10.2010]. Accessible from www
.
[6]
R. Dohnke, C. Gillessen, T. Ladwein, U. Reichel, Stainless Steel Europe, vol. 12, 1991, pp. 22-27
