metalurgie oceli (CME) druh

1
metalurgie oceli (CME) druhá cást pred.

• Denní studium, Strojírenská technologie

Ing. Antonín Zádera, Ph.D. VUT FSI, Ústav
strojírenské technologie, odbor slévárenství
e-mail zadera_at_fme.vutbr.cz
2
Téma prednášky

• Výroba oceli na elektrické indukcní peci
• - konstrukce a princip EIP
• - výroba oceli na EIP nelegované,
  vysokolegované oceli
• - metalurgické možnosti EIP
• - výhody a nevýhody EIP v porovnání s EOP
• - výrobnost EIP
• Vlastnosti a výroba vysokolegovaných ocelí (Cr,
  Cr-Ni, Mn) na EOP
• Sekundární oxidace oceli
• Tepelné zpracování ocelových odlitku

3
Rozdelení elektrických indukcních pecí

• Podle konstrukce - IP kanálkové
• - IP kelímkové
• Podle hmotnosti vsázky
• Od kg po X.101 t
• Podle frekvence - vysokofrekvencní,
• - stredofrekvencní,
• - na sítovou frekvenci,

4
Princip indukcního ohrevu

• K indukcnímu ohrevu dochází pusobením
  magnetického pole vznikajícího pruchodem
  strídavého proudu v indukcní cívce,
• Jestliže se v magnetickém poli nachází elektricky
  vodivý materiál indukuje se v nem elektrické
  napetí,
• Indukované napetí ve vodici vyvolává vznik
  silných vírivých proudu, které zpusobují ohrev
  telesa,
• Ve strídavém magnetickém poli není v prurezu
  vodice (vsázky) stejná proudová intenzita skin
  efekt,
• Tlouštka vrstvy v nichž se indukuje prevážná
  vetšina výkonu je nazývána hloubkou vniku s nichž
  souvisí zejména kusovitost vsázky,
• Optimální je, když je hloubka vniku 1/3 a 1/4
  kusovitosti vsázky,
• Pro frekvenci 50Hz je hloubka vniku u litiny cca
  80mm, to znamená kusovitost vsázky kolem 300 mm,

5
Konstrukce IP kelímkové
Transformátor pripojuje pec k síti VN,
transformuje proud na provozní napetí, Usmernovac
prevádí strídavé napetí na stejnosmerné Tlumivka
vyhlazuje a dále usmernuje stejnosmerné
napetí, Menic prevádí stejnosmerný proud na
strídavý proud o požadované frekvenci, Kondenzátor
ová baterie tvorí oscilacní obvod, kompenzují
indukcní zatížení síte (cos f ? 1), Teleso pece
tavící kelímek, cívka, transformátorové plechy,
sklápecí mechanismus, odsávání,
6
Konstrukce EP kelímkové
Prívod pece VN 3fázový proud 50Hz cca 6000V
(2MVA), Výstup z transformátoru U 1500 až
3000 V  Na tyristorech je pak proud premenen opet
na strídavý proud, jehož frekvence je rízena
podle záteže pece, Usmernovací diody, tlumivka i
tyristory jsou umísteny ve statickém menici a
jsou chlazeny vodou, Strídavý proud o strední
frekvenci je priveden ke kelímku medenou
pásovinou, Paralelne s induktorem je zapojena
kondenzátorová baterie chlazená vodou, Kelímek
pece je naklápen obvykle hydraulickým pohonem,
7
Frekvence a výkony EIP

• Stredofrekvencní pece
• Hmotnost vsázky od nekolika desítek kilogramu až
  po 15 tun,
• Frekvence 120 1000 Hz, pro pece 3-6t nejcasteji
  250 Hz,
• Pri frekvenci 600 Hz príkon 0,5-1 MW/t (s ohledem
  na míchání vsázky),
• Pece na sítovou frekvenci
• Hmotnost vsázky 1 80 t,
• Pece pracují nejlépe s tekutým zbytkem 25 až 75
  ,
• Výkon omezen na cca 300kWh/t,
• ve slévárnách oceli se témer nepoužívají,
• Vysokofrekvencní pece
• Indukcní kelímkové pece jsou používány jako pece
  laboratorní se vsázkou nekolika gramu až
  nekolika set gramu (kg),
• Frekvence 1000 10 000 Hz,

8
Schéma EIP
9
Rízení energetického režimu
U pecí vybavených jedním napájecím zarízením je
možné tzv. tandemové usporádání. Celý výkon se
pouze prepíná z jednoho kelímku na druhý.
10
Rízení energetického režimu

• U moderních indukcních pecí je možné výkon menice
  rozdelit napr. tak, že jeden kelímek taví vsázku
  a ve druhém se udržuje na teplote tekutý kov tzv.
  systém TWIN-POWER.

11
Rízení energetického režimu
Behem tavení se v dusledku zmeny teploty a
uložení vsázky v kelímku mení induktance cívky, K
ladení okruhu se používá zmena frekvence, u
starších pecí se používá zmena kapacitance
kondenzátorové baterie zapínáním nebo vypínáním
kondenzátoru, Príkon pece se tedy prizpusobuje
tavícímu výkonu, teplote a stupni naplnení pece,
Zmena frekvence proudu privádeného na induktor
behem tavení probíhá automaticky na základe
rídicího programu pece. Tavic nastavuje pouze
požadovaný príkon pece, Duležitou funkci zastává
také systém elektronické kontroly výdusky pece
(cidla a elektrická data),
12
Výdusky EIP

• Duležitý je vliv výdusky na bezpecný a spolehlivý
  provoz indukcní pece (závisí i na frekvenci pece)
  
• Ve slévárnách oceli se používají nejcasteji
  kyselé výdusky IP s životností kyselého kelímku
  obvykle 20 až 30 taveb (podle sortimentu),
• Pri výrobe ocelí s vyšším obsahem uhlíku (cca
  0,50 C) se v dusledku nižší teploty tavení
  životnost kelímku zvyšuje,
• Na kyselých výduskách je možné vyrábet všechny
  typy bežných korozivzdorných ocelí,
• Pouze oceli s vysokým obsahem manganu je nutné
  tavit na jiném typu výdusky,
• Indukcní pec s kyselou výduskou je vhodná pro
  vetšinu vyrábených odlitku,
• Pro svoje ekonomické výhody je kyselá výduska
  v indukcních pecích zatím nejvíce používaná ve
  slévárnách v CR,
• Výdusky indukcních pecí predstavují významnou
  nákladovou položku,

13
Výdusky kyselé

• Základní surovinou pro zhotovování kyselých
  výdusek jsou kremencové drte,
• Kremence obsahují vetší podíl tridymitu a
  cristobalitu (menší dilatace jak vysoce cisté
  kremenné písky),
• Žáruvzdornost kremencu závisí na jejich cistote.
  Nejvíce bývá mezi necistotami zastoupen oxid
  hlinitý,
• Behem tavení je výduska v kontaktu se struskou
  bohatou na oxid FeO, kdy snížení jeho obsahu vede
  ke zvýšení životnosti kys. výdusek,
• Pro sintraci kremencových výdusek se do nich
  pridává kyselina boritá nebo oxid boritý,
• Použití dusací hmoty s vysokým obsahem kys.
  borité - sintrace velké tlouštky výdusky, naopak
  príliš nízký obsah kys. borité - muže vést k
  opadávání výdusky behem sintrace, prípadne až
  její vysypání,

Pozn. Tridymit a cristobalit jsou vysokoteplotní
modifikace SiO2
14
Zásadité a neutrální (vysocehlinitanové) dusací
hmoty

• Zásadité dusací hmoty jsou vyrábeny nejcasteji na
  bázi MgO,
• Výdusky z oxidu horecnatého však v dusledku
  tepelné dilatace behem provozu na povrchu
  praskají a trhliny se postupne rozširují,
• Prísada korundu (nejcasteji 10-25) do
  magnezitových dusacích hmot sice snižuje teplotu
  tavení výdusky, ale zvyšuje odolnost výdusky
  proti praskání,
• Vysocehlinitanové výdusky obsahují 60-80 Al2O3
  a 20-40 MgO,
• Na rozdíl od kyselých výdusek se tlouštka steny
  magnezitové výdusky nezmenšuje, ale casto
  zvetšuje tzv. narustání kelímku,
• Životnost zásaditého (vysocehlinitanového)
  kelímku bývá trí až ctyrnásobek životnosti
  kyselého kelímku za srovnatelných podmínek,
• Zásadité a vysocehlinitanové výdusky se dodávají
  a dusají v suchem stavu podobne jako výdusky
  kyselé. Jako sintracní prísada se také používá
  oxid boritý nebo kyselina boritá.

15
Zásadité a neutrální dusací hmoty

• Zásadité výdusky se obvykle neopravují a po
  ukoncení životnosti se kelímek vybourá,
• U vetších pecí je duležité, aby kelímek behem
  provozu nevychladl. Pri prerušení tavení se
  doporucuje udržovat kelímek horákem na tepl. cca
  800C
• Po skoncení kampane u moderních pecí se pomocí
  hydraulického válce vytlací kelímek pres
  keramickou ucpávku s kovovým dnem,

Vytlacování kelímku
16
Výhody EIP

• EIP umožnují dodávat tavby o menší hmotnosti
  (1-6t ) v inter. 40 -120 minut,
• Pomocí nekolika IP lze zásobovat formovnu témer
  plynule tekutým kovem,
• Indukcní míchání taveniny zajištuje tepelnou i
  chemickou homogenitu taveniny. Dosažení presného
  chemického složení a presné odpichové teploty,
• V oceli vyrobené v EIP se nachází obvykle nižší
  obsah vodíku a dusíku, zejména u kyselých
  indukcních pecí,
• Behem tavby nedochází k nauhlicení kovu,
• Rychlé uvedení tavicího agregátu do provozu behem
  nekolika minut. Pece jsou vhodné pro slévárny
  pracující jen v jedné smene denne,
• Nižší spotreby elektrické energie,
• Nízkým propal železa i legujících prvku (legování
  na spodní hranici predepsaného materiálovým
  listem- úspora feroslitin),
• U agregátu o stejné výrobnosti mají IPK približne
  polovicní hmotnost tavby, proto mají menší
  investicní náklady na haly, jeráby a jiné
  obslužná zarízení,
• Nižší investicní náklady,
• Nižší náklady na ekologizaci provozu,
• Nižší hlucnost,
• Menší vznik exhalací a menší vznik pevných odpadu
  souvis. s provozem pece,

17
Metalurgické možnosti EIP
Indukcní pece slouží jako agregát k pretavování
vsázky Ve fázi dohotovení lze provést -
nauhlicení, - legování Možnost presného rízení
odpichové teploty Dosažení teplotní a chemické
homogenity Lze nalézt aplikace s dmýcháním Argonu
do pece - na hladinu kovu - dnem pece pres
porézní zátku (kámen)
18
Druhování a vsázení na EIP

• Z hlediska chemického složení musí být prumerný
  obsah uhlíku a fosforu ve vsázce nižší než je
  požadovaný obsah ve vyrobené oceli o množství
  techto prvku v prisazovaných feroslitinách,
• Do vsázky je možné pridávat až 70 vratného
  materiálu. Zbytek vsázky tvorí obvykle
  nízkouhlíkový ocelový odpad se známým chemickým
  složením (hlubokotažné plechy),
• Z hlediska kusovitosti je možné zpracovávat
  veškerý odpad, který se vejde do kelímku,
• Optimální však je do prázdného kelímku po odpichu
  nasadit nálitky, které dobre zaplní kelímek a
  rychle se taví, (prísada FeSi méne FeO)
• Behem tavení je treba kontrolovat vsázku
  v kelímku, aby plynule sedala a chladila tekutý
  kov,
• Pokud vsázka zustává viset, prehreje se kov,
  který nataví i výdusku a takto vzniklá strusky
  pak ztežuje další tavení,

19
Propal jednotlivých prvku

• Propal manganu, závisí na složení oceli a
  strusky. Pri nízkém je možné prisazovat
  feromangan do kelímku, aniž by docházelo
  k významnému propalu. Pri legování Mn nad 1 lze
  pridávat FeMn do kelímku tesne pred odpichem nebo
  až do pánve. Pri legování do 1,6 je možné
  pocítat s výsledným obsahem Mn o 0,20 nižším než
  dosazeným,
• Kremík nevykazuje do 0,50 v kyselé indukcní peci
  propal. Naopak je možné pocítat se zvýšením
  obsahu kremíku po roztavení až o 0,10,
• Chrom má do obsahu 2 ve vsázce behem tavení
  zanedbatelný propal. Propal chrómu muže nastávat
  u  vsázky s vysokým obsahem FeO,
• Propal vanadu se je do 20 z prumerné koncentrace
  ve  vsázce. FeV se pridává do lázne obvykle po
  ohlášení predzkoušky pred odpichem,
• Obsah niklu a medi v oceli behem tavby roste, a
  to tím více, cím je vyšší propal ostatních prvku.
  Ni a Cu je možné pridávat v prubehu celé tavby,
  nejlépe prímo vsázky,
• Molybden a wolfram mají také vyšší afinitu ke
  kyslíku než železo. Feromolybden a ferowolfram se
  obtížne rozpouštejí, proto je výhodné je pridávat
  již do vsázky,
• Hliník a titan behem tavení se zoxidují na stopy,

20
Praxe výroby oceli na EIP

• Bezprostredne po odpichu zkontroluje tavic stav
  výdusky kelímku,
• Do prázdného kelímku se pridá dané množství FeSi,
  príp. nauhlicovadla,
• U menších pecí se sází rucne, u vetších se sype
  vsázka do pece z vibracními žlaby sázecími koši
  nebo elektromagnetem,
• Pri tavení oceli se obvykle nepoužívá víko a
  vsázka se pridává kontinuálne. Behem tavení je
  nastaven maximální príkon pece a tavic
  kontroluje, zda vsázka nezustává viset,
• Jakmile hladina vystoupí nad polovinu kelímku, je
  výhodné pridávat vsázku do kelímku z jedné strany
  a na protejší strane udržovat lázen s tenkou
  vrstvou strusky,
• Po roztavení vsázky se stahuje struska, vytvárí
  se struska nová zásypem z drceného skla a odebírá
  zkouška na stanovení chemického složení tavby.
  Výkon pece se snižuje na udržovací, nebo se pec
  vypíná,
• Na základe chemického rozboru se tavba doleguje a
  ohreje se na odpich. teplotu. Pred odpichem se
  merí a upravuje teplota,
• K dezoxidaci se pridává hliník do pánve. Využití
  hliníku ciní 30 až 60,

21
Praxe výroby vysokolegované oceli na EIP

• Na indukcních pecích je možné vyrábet
  korozivzdorné oceli s obsahem uhlíku nižším než
  0,03,
• Reakce mezi chrómem a výduskou muže u oceli
  s obsahem Cr cca 18 pri teplote 1500 C
  teoreticky probíhat, jestliže je obsah kremíku
  v oceli nižší než cca 0,4 což potvrzují i
  praktické zkušenosti,
• Behem tavení a udržování kovu na nižších
  teplotách proto k reakcím chrómu s výduskou
  nedochází,
• Pri odpichových teplotách, které jsou u techto
  ocelí 1620 až 1670 C, je proto nutné pocítat se
  zvyšováním obsahu kremíku v oceli. Proto je
  žádoucí ohrívat tavbu až pred odpichem a po
  dosažení odpichové teploty bez prodlení tavbu
  odlít do pánve,
• Propal chrómu je ovlivnován oxidy železa ve
  vsázce a doporucuje se proto ocelový odpad ve
  vsázce pred vsázením otryskat,
• U chrómu se pocítá s celkovým snížením obsahu
  chrómu oproti vypoctenému o 1 až 2,
• Do vsázky se používá až 60 vratného materiálu.
  Vyšší podíl vratného materiálu ve vsázce muže být
  prícinou bublin ve vyrobených odlitcích,

22
Praxe výroby vysokolegované oceli na EIP

• Pretavováním vratného materiálu se v oceli
  zvyšuje zejména obsah Si, C, P a dále i obsah
  vodíku a dusíku,
• Behem tavení vsázky je nutné kontrolovat, zda
  nedochází k prehrátí taveniny. Prehrátí má za
  následek vytvorení velkého množství strusky,
  která muže zpusobit tzv. zamrznutí tavby,
• Vsázka se sází do pece v následujícím poradí. Na
  dno pece se obvykle sype Ni a FeCr, následuje
  nelegovaný odpad a vratný materiál se pridává až
  na konec,
• Po roztavení se odbírá zkouška na chemické
  složení (C, Mn, Si, P , S , Cr, Ni, Mo ),
• Na základe zkoušky se provede dolegování,
• K záverecné dezoxidaci oceli v pánvi se používá
  hliník. Vysokolegované Cr, príp. Cr-Ni oceli jsou
  dezoxidovány kremíkem a chrómem takovým zpusobem,
  že i bez prísady hliníku nedochází v odlitcích
  behem tuhnutí k uhlíkové reakci,
• K dezoxidaci austenitických ocelí se pridává do
  pánve 1 až 1,5 kg dezoxidacního hliníku na tunu
  tekutého kovu,

23
Vysokolegované oceli

• Pri výrobe vysokolegovaných ocelí se obvykle
  dosahuje vyššího zisku ,
• Vysokolegované oceli na odlitky lze rozdelit do
  trí skupin a to na oceli korozivzdorní,
  žáruvzdorné a oceli oteruvzdorné,
• Korozivzdorné oceli
• Základním prvkem ve vysokolegovaných
  korozivzdorných ocelích je chrom, který dává
  ocelím schopnost pasivace, tj. zajištuje odolnost
  proti chemické a elektrochemické korozi
  v oxidacním prostredí,
• Podmínkou pasivace je obsah chrómu v tuhém
  roztoku (a, ?)  vyšší než 11,5 ,
• Korozivzdornost ocelí závisí nejen také na obsahu
  dalších prvku zejména C, Ni, Mo, Mn, príp. N a
  Cu. Zmenou chemického složení dochází
  k ovlivnování príp. zmene vznikající struktury a
  její teplotní stability a tím i odpovídající
  mechanické vlastnosti korozivzdorných ocelí.
• V závislosti na strukture rozlišujeme tri
  základní typy korozivzdorných ocelích a to
  martenzitické, feritické a austenitické,
• Krome techto základních typu se v také používají
  oceli s dvoufázovou strukturou jako napr.
  martenziticko-austenitické a austeniticko-feritick
  é.

24
Vysokolegované oceli
Struktura nerezavejících ocelí závisí jednak na
obsahu prvku které oblast ? zužují (feritotvorné
prvky), a dále prvku, které naopak tuto oblast
rozširují (austenitotvorné prvky), Pro shrnutí
úcinku austenitotvorných prvku a feritotvorných
prvku se zavádí pojem tzv. ekvivalentu niklu
Niekv. a ekvivalentu chromu Crekv.. Jejich
zavedení umožnuje vyjádrit vliv chemického
složení na strukturu nerezavejících ocelí.
Grafické znázornení vlivu jednotlivých prvku na
finální strukturu udává tzv. Schaeffleruv
diagram,
25
Schaeffleruv diagram
26
Problematika oduhlicení Cr a CrNi ocelí

• Dosažení nízkých obsahu C (pod 0,07 ) v
  korozivzdorných ocelích je možno použitím EIP
  nebo prvku sekundární metalurgie
• V EOP je k hlubokému oduhlicení zapotrebí príliš
  vysoká teplota
• Pro nastartování uhlíkového varu je nutno
  nastavit ve vsázce optimální obsah Cr a C

Pozn. výroba žárovzdorných ocelí je podobná
výrobe korozivzdorných ocelí
27
Oteruvzdorné Mn oceli

• Složení vysokolegovaných manganových ocelí se
  ustálilo na smerném složení 12-13 Mn a 1,2 až
  1,3 C. V poslední dobe se zacínají vyrábet
  oceli s 18 Mn,
• Oceli s ohledem na vysoký obsah austenitotvorných
  prvku ( Mn a C ) mají austenitickou strukturu,
• Pri používání vratného materiálu do vsázky se u
  vysokolegovaných manganových ocelí obohacuje
  tavenina dusíkem- oxidace kyslíkem min. 0,3 C,
• Vysokolegované manganové oceli mají teplotu
  likvidu 1370 až 1400C. Pri oxidaci se zvýší
  teplota až na 1700 C. Tavba se snadno prehreje a
  chlazení v peci probíhá velmi pomalu,
• Vysokolegované manganové oceli se vyrábejí
  v zásaditých pecích. Pri odlévání je možné použít
  pánev s kyselou vyzdívkou, ale pro výlevku se
  doporucuje volit zásaditý nebo amfoterní
  žáruvzdorný materiál,
• Reakce s vyzdívkou v pánvi závisí na teplote
  oceli. Vysoká licí teplota zpusobuje hrubé zrno
  odlité oceli. Pri vyšší licí teplote se také
  ztežují cistírenské operace. Formy pro odlévání
  manganových ocelí musí být natreny vhodným
  náterem ( magnezitový nebo korundový ),

28
Odlévání oceli

• Významný vliv na jakost odlitku (broky,
  zadrobeniny, zavaleniny)
• Ve slévárnách oceli se používají pánve pro
  odlévání spodem,
• Ve slévárnách oceli se používají pánve se
  zátkovou tycí nebo šoupátkovým uzáverem (odlévání
  forem nad 1t. ),
• Pánve mívají vyzdívku z žáruvzdorných tvárnic
  nebo výdusku z žáruvzdorných dusacích hmot, príp.
  žárobetonu
• Na izolacní vrstvu (penový šamot) se zdí nebo
  dusá pracovní vrstva - jakostní šamot nebo
  výduska podobného složení. Jedná se o výdusky na
  bázi kremencu s prísadou Al2O3
• šamotová vyzdívka pánve a zátkové tyce vyhovuje i
  pro odlévání vysokolegovaných Mn ocelí, výlevka
  se pro Mn oceli volí vetšinou ze zásaditých
  materiálu nebo ze zirkonu, (vysokohlinitanové
  materiály) vyšší tepelná vodivost a hustota
• V soucasnosti se používají pánve (se zátkovou
  tycí), které se žíhají ve složeném stavu a
  používají se opakovane

29
Sekundární oxidace oceli (reoxidace)

• Behem odlévání pusobí na proud tekuté oceli
  nejprve kyslík z atmosféry, po kontaktu proudu
  oceli s materiálem formy také s atmosféra uvnitr
  formy,
• Oxidace proudu ve forme závisí na materiálu
  formy. Ve formách s anorganickými pojivovými
  systémy (bentonitová smes a smesi pojené na bázi
  vodního skla) pusobí voda obsažená ve formovací
  smesi v dutine formy na vznik oxidacní atmosféry,
• Nejvíce je oxidováno celo proudu tekutého kovu
  plnícího formu. U smesí s organickými pojivovými
  systémy bývá ve formách redukcní atmosféra a
  oxidace kovu je menší než ve formách
  z anorganickým pojivovým systémem,
• Postupnou oxidací kovu dochází k poklesu obsahu
  dezoxidacního prvku (Al) a rustu aktivity
  kyslíku,
• Po prekrocení kritické hranice dochází ke vzniku
  bublin CO,
• Spolecne s tím dochází ke vzniku znacného
  množství oxidických vmestku, které výrazne
  ovlivnují mechanické vlastnosti odlitku,
• Oxidace taveniny se nejvíce projevuje ve
  vysokolegovaných chrómových ocelích,

30
Tepelné zpracování ocelových odlitku

• Ocelové odlitky jsou dodávány zpravidla v tepelne
  zpracované stavu,
• Tepelné zpracování dává oceli výsledné
  vlastnosti, kdy volbou tepelného zpracování lze
  získat materiál o ruzných mechanických
  vlastnostech,
• Tepelné zpracování ocelových odlitku je nutné,
  protože mají v litém stavu casto nevhodnou
  strukturu (špatné mechanické, technolog.
  vlastnosti)
• Nejcastejší tepelné zpracování ocelových odlitku
• Žíhání bez prekrystalizace žíhání na mekko
  (sferoidizace cementitu)
• žíhání na snížení pnutí (odstranení pnutí)
• s prekrystalizací žíhání normalizacní
  (zjemnení a zrovnomernení struktury)
• žíhání homogenizacní , rozpouštecí žíhání
  (rozpouštení karbidu)
• Zušlechtování kalení s následným popuštením

31
Schématické znázornení žíhacích teplot

• a/ ke snížení vnitrních pnutí
• b/ rekrystalizacní
• c/ na mekko
• d/ homogenizacní
• e/ normalizacní

32
Díky za pozornost !