22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
VÝZKUM VLIVU DOBY ARGONOVÁNÍ NA ČISTOTU OCELI PO ZPRACOVÁNÍ PROCESEM VD RESEARCH OF THE INERT GAS BLOWING TIME EFFECT ON THE STEEL PURITY AFTER THE VACUUM DEGASSING Martin BALCAR a), Pavel FILA a), Ludvík MARTÍNEK a), Jaroslav NOVÁK Jiří BAŽAN b), Ivo HUSAR b), Dana HORÁKOVÁ b), Stanislav NĚMEČEK c), Pavel PODANÝ c) a) b) c)
a)
,
ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, Česká republika VŠB TU – Ostrava, Česká republika COMTES FHT, s.r.o. Plzeň, Česká republika
Abstrakt Produkce superčistých ocelí pro výkovky rotorů kompresorů a generátorů jednotky plynové turbíny s využitím procesů sekundární metalurgie, pánvové pece LF a vakuového zpracování oceli VD, vyžaduje ve fázi dohotovení taveniny před odléváním ingotů dosažení vysokého stupně metalografické čistoty oceli. V důsledku přísady vápníku a dmýchání inertního plynu dnem rafinační pánve do taveniny, dochází k podstatným změnám metalografické čistoty oceli stanovené dle norem DIN, ČSN a z hlediska posouzení tvaru, velikosti, rozložení a chemického složení vměstků. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu E!3192 ENSTEEL identifikační číslo 1P04EO169 za finanční podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. Abstract The production of Super Clean Steels for rotor forgings of the compressors and generators using the secondary metallurgy processes, Ladle Furnace and Vacuum Degassing process, requires a high degree of steel metallographical purity to be achieved in the phase of finishing a melt before ingot casting. Calcium addition and inert gas blowing in a melt through the ladle bottom have a significant influence on the metallographical purity of steel. The investigations were performed within the EUREKA program of the E!3192 ENSTEEL project, identification number 1P04EO169. The project was founded partially by financial support of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic ÚVOD Produkce super čistých ocelí typu 26NiCrMoV115 a 26NiCrMoV145 pro výkovky rotoru vyžaduje specifickou technologii výroby tekutého kovu umožňující dosažení požadovaného chemického složení a metalografické čistoty. Chemické složení oceli 26NiCrMoV115 uvádí tabulka 1.
1
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007 Tab. 1.
Předpis chemického složení oceli 26NiCrMoV115
Po zpracování taveniny procesem vakuové uhlíkové desoxidace VCD a vakuového odplynění VD je prováděno dohotovení oceli před vlastním odléváním. V důsledku dmýchání inertního plynu a přísady vápníku tak dochází k podstatným změnám metalografické čistoty oceli. Posouzení vlivu intenzity a doby dmýchání inertního plynu na metalografickou čistotu bylo provedeno hodnocení dle normy DIN 50 602 a ČSN 42 0741 a také z hlediska tvaru, velikosti a chemického složení vměstků. [1] EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE Pro analýzu vlivu dmýchání inertního plynu na metalografickou čistotu bylo ve ŽĎAS, a.s. realizováno 10 experimentálních taveb, přičemž byly odebírány vzorky oceli v průběhu argonování taveniny po vakuovém zpracování procesem VD a dále pak vzorky oceli po přísadě profilu plněného směsí FeCa. Z každé tavby byl v okamžiku ukončení rafinace před odléváním ingotů odebrán jeden vzorek pro stanovení chemického složení strusky. Pro posouzení vlivu intenzity dmýchání inertního plynu na metalografickou čistotu byly pro dmýchání přes tvárnici typu „STARPLUG“ umístněnou v centru dna rafinační pánve zvoleny průtoky argonu v objemu 10 Nl . min-1 nebo 20 Nl . min-1. Teplota taveniny se v průběhu experimentu pohybovala v rozpětí 1540 až 1630 °C. Měřena byla aktivita kyslíku v oceli. Vzorky oceli byly odebírány v intervalech 5 minut v průběhu celé fáze dohotovení až po okamžik dosažení licí teploty pro odlévání ingotů, přičemž před přísadou profilu plněného FeCa byl podstatně zvýšen průtok argonu po dobu 5 minut tak, aby došlo k prohřátí a zlepšení tekutosti strusky. Celkem bylo odebráno 81 vzorků oceli. Z těchto vzorků bylo stanoveno chemického složení oceli včetně obsahu plynů – kyslíku a dusíku a vyhodnocena metalografická čistota oceli daná velikostním rozložením nekovových vměstků, jejich počtem a znečištěním zorného pole. [2] VÝSLEDKY MĚŘENÍ Analýza strusek byla prováděna na zařízení laboratoře Vítkovice – Výzkum a vývoj, spol. r. o. a zařízení ŽĎAS, a.s. – optickém emisním spektrometru s indukčně vázanou plazmou. Výrobce fy. GBC typ Integra XL. [3], [4] Tab. 2.
Chemické složení strusky – 10taveb jakosti 26NiCrMoV115
Chemické složení a obsah plynů, kyslíku a dusíku v oceli byl stanoven ze vzorků odebraných ponorným vzorkovačem. Z měření tak byla eliminována chyba způsobená při odběru vzorku taveniny přeléváním kovu z naběračky do vzorkovače. 2
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
Tabulka 3 uvádí výsledky měření 10 taveb, přičemž byly stanoveny průměrné hodnoty vzorků označených 1, 2 a 3 tedy vzorků odebraných v čase 0 až 15 minut po zpracování oceli procesem VD. Chemické složení 10taveb – po VD
Tab. 3.
Tabulka 4 shrnuje výsledky měření 10 taveb, přičemž byly stanoveny průměrné hodnoty u vzorku 4 až vzorku 8 tedy vzorků odebraných v čase 0 až 20 minut po zpracování oceli plněným profilem FeCa. Chemické složení 10taveb – po dávkování profilu plněného FeCa
Tab. 4.
Obsah legujících a doprovodných prvků v průběhu zpracování inertním plynem a po přísadě profilu plněného směsí FeCa zůstává prakticky konstantní a ani z pohledu koncentrace plynů nedochází k podstatným změnám. Obrázek 1 dokumentuje trend mírného poklesu obsahu kyslíku a obrázek 2 trend opačný – nárůst obsahu dusíku v oceli po dobu dmýchání inertního plynu. 0.0032
0.0030
0.0028
0.0026
/O2/ (ppm)
0.0024
0.0022
0.0020
0.0018
0.0016
0.0014
0.0012 0
5
10
15
20
čas (min)
Obr. 1:
Obr. 2:
Trend změny koncentrace
kyslíku po dávkování FeCa
Trend změny koncentrace
dusíku po dávkování FeCa
3
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
Absolutní změna koncentrace však není příliš významná i když podle středních hodnot obsahu kyslíku představuje v průběhu dmýchání inertního plynu po dobu 20 minut pokles o 5 ppm (tj. pokles o 21% původní hodnoty) a u obsahu dusíku nárůst o 5 ppm (tj. nárůst o 13% původní hodnoty). Rovněž i z úrovně metalografické čistoty jednotlivých vzorků oceli je zřejmý určitý trend v závislosti na době a způsobu dohotovení tavby. Tabulka 5 shrnuje průměrné hodnoty mikročistoty dle DIN 50 602 a ČSN 42 0471 vzorků 10 taveb ve fázi po VD a fázi po dávkování profilu plněného FeCa. Tab. 5.
Mikročistota 10taveb – po dávkování profilu plněného FeCa
Hodnocení mikročistoty dle DIN 50 602 analýzou vzorků na zařízení pro obrazovou analýzu LECO IA32 bylo, podle metalografické zprávy, ovlivněno stavem materiálu, který nebyl podroben tváření a obsahoval často velké množství trhlin a ředin. Z pohledu hodnocení mikročistoty dle normy ČSN 42 0471 byly klasifikovány v zorném poli dva typy vměstků – KN – křemičitany netvařitelné a OB – oxidy bodové. V průběhu rafinace taveniny inertním plynem po přísadě profilu plněného směsí FeCa dochází podle obrázku 3 k postupnému mírnému snižování množství křemičitanů netvařitelných. Naopak podíl vměstků klasifikovaných jako oxidy bodové vykazuje mírný nárůst. 1.4 1.3
OB
KN
ČSN 420471
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0
5
10
15
20
čas (min)
Obr. 3:
Trend změny mikročistoty ČSN 420471 v průběhu argonování po FeCa
4
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
Vliv intenzity dmýchání inertního plynu ve fázi dohotovení na změnu mikročistoty byl posuzován pro celý průběh dohotovení a intenzitu dmýchání 10 Nl . min-1 (0,5 Nl . min-1 . t-1) v porovnání s dmýcháním při průtoku 20 Nl . min-1 (1,0 Nl . min-1 . t-1). Na základě obrázku 4, kde jsou zřejmé trendy změny průměrného počtu nekovových vměstků v zorném poli plochy vzorku oceli konstatujeme zlepšení mikročistoty oceli u nižšího voleného průtoku. 10 Nl/min
Průměrný počet nekovových vměstků (1)
500
20 Nl/min
450 400 350 300 250 200 5
10
15
20
25
30
35
Doba argonování (min)
Obr. 4:
Trend změny průměrného počtu nekovových vměstků v průběhu zpracování po VD a přísadě profilu plněného směsí FeCa
Průměrné znečištění zorného pole nekovovými vměstky (%)
Obrázek 5 dokumentuje obdobný vliv sledovaných průtoků na průměrné znečištění zorného pole nekovovými vměstky. 10 Nl/min
0.013
20 Nl/min
0.012 0.011 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 5
10
15
20
25
30
35
Doba argonování (min)
Obr. 5:
Trend změny průměrného znečištění zorného pole vměstky vzorku oceli z průběhu zpracování po profilu FeCa
Obrázek 6 dokumentuje trend změny metalografické čistoty vzorků oceli jedné z taveb při dmýchání inertního plynu intenzitou 20 Nl . min-1 (1,0 Nl . min-1 . t-1) z hlediska maximální velikosti vměstku nalezeného na ploše zorného pole v závislosti na době dmýchání inertního plynu do taveniny.
5
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
Obr. 6:
Trend změny podílu vměstků v průběhu zpracování po profilu FeCa
Ve 25 minutě dmýchání bylo provedeno intenzivní promíchání taveniny pro zlepšení tekutosti strusky a následně dávkování profilu plněného směsí FeCa v množství odpovídající nápočtu na 0,02 % Ca. Tomu odpovídá nárůst velikosti maximálního vměstku až na 50 µm. ZÁVĚR Bylo provedeno posouzení vlivu doby a způsobu argonování před odléváním na metalografickou čistotu oceli a obsah plynů. Z výsledků experimentálního ověření stanovení vlivu doby argonování současnou technologií výroby ocelí 26NiCrMoV115 vyplývá pro chemické složení včetně obsahu plynů v oceli následující: Ve fázi rafinace po ukončení vakuování nedochází s ohledem na dobu dmýchání inertního plynu ke změně koncentrace legujících a doprovodných prvků v oceli. Obsah kyslíku v oceli po zpracování procesem VD resp. po dávkování profilu plněného FeCa v časovém intervalu 10 resp. 20 minut dmýchání inertního plynu mírně klesá a obsah dusíku se prakticky nemění nebo mírně vzrůstá. Z výsledků posouzení vlivu doby argonování na změnu mikročistoty oceli lze konstatovat následující poznatky: Metalografická čistota oceli stanovená dle DIN 50 602 metodou K4 byla v průběhu dmýchání argonu významně zlepšena, kdy průměrná počáteční hodnota K4 = 16,0 byla snížena po 10 minutách na hodnotu K4 = 5,5 dále v čase 15 minut na K4 = 3,3 a v čase 20 minut na K4 = 1,2. Metalografická čistota oceli dle ČSN 42 0471 prokázala přítomnost dvou typů vměstků, klasifikovaných jako oxidy bodové a křemičitany netvařitelné, přičemž v závislosti na době dmýchání argonu po přísadě profilu plněného směsí FeCa dochází k poklesu podílu křemičitanů netvařitelných a mírně vzrůstá podíl oxidů bodových. Mikročistota oceli daná průměrným počtem nekovových vměstků a znečištěním zorného pole se po přísadě profilu plněného FeCa v průběhu dmýchání argonu nejdříve zhoršuje a následně po 10 minutách dmýchání dochází ke zlepšení. Další dmýchání inertního plynu do oceli za daných podmínek prakticky neovlivňuje metalografickou čistotu oceli.
6
22. – 24. 5. 2007 Hradec nad Moravicí
METAL 2007
Z hlediska vlivu intenzity dmýchání inertního plynu na dosaženou metalografickou čistotu oceli nebyl zaznamenán podstatný rozdíl mezi dosaženými výsledky, ale jako vhodnější varianta byla prokázána 10 Nl . min-1 proti 20 Nl . .min-1 argonu. Čistota oceli byla ve všech vzorcích velmi dobrá, proto je obecně další zvyšování čistoty metodami sekundární metalurgie náročné. LITERATURA [1]
[2] [3] [4] [5] [6]
Balcar, M., Bažan, J., Martínek, L.: Výzkum vlivu doby a způsobu argonování před vlastním odléváním na čistotu oceli. Minimalizace plynů ve finální oceli. Dílčí zpráva k řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL. Žďár nad Sázavou, 2006. 39 s. Bažan, J., Horáková, D.: Vliv doby a způsobu argonování na čistotu oceli. Dílčí zpráva z řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL. Ostrava, 2006. 68 s. Peřinová, G.: Protokol o chemické analýze chemického složení strusky. Nepublikované výsledky. ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, 2006, 5 s. Mikšovičová, S.: Protokol o provedení akreditované zkoušky čís. 115/2006. Nepublikované výsledky VÍTKOVICE – Výzkum a vývoj, spol. s .o., 2006, 3 s. Novák, J., Papežová, M.: Protokoly hodnocení mikročistoty oceli dle ČSN 42 0471. Nepublikované výsledky. ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou 2006, 85 s. Stejskal, O, Podaný, P.: Mikroanalýza vměstků. Zpráva projektu ENSTEEL č. 2006/39 COMTES FHT, s.r.o. Plzeň, 2006. 37 s.
7
