Transcript Metalurgické možnosti EIP

Denní studium, Strojírenská technologie
metalurgie oceli (CME)
druhá část před.
Ing. Antonín Záděra, Ph.D.
VUT FSI, Ústav strojírenské technologie, odbor slévárenství
e-mail: [email protected]
Téma přednášky
Výroba oceli na elektrické indukční 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 odlitků

Rozdělení elektrických indukčních pecí
Podle konstrukce: - IP kanálkové
- IP kelímkové
Podle hmotnosti vsázky:
Od kg po X.101 t
Podle frekvence: - vysokofrekvenční,
- středofrekvenční,
- na síťovou frekvenci,
Princip indukčního ohřevu







K indukčnímu ohřevu dochází působením magnetického pole
vznikajícího průchodem střídavého proudu v indukční cívce,
Jestliže se v magnetickém poli nachází elektricky vodivý materiál
indukuje se v něm elektrické napětí,
Indukované napětí ve vodiči vyvolává vznik silných vířivých
proudů, které způsobují ohřev tělesa,
Ve střídavém magnetickém poli není v průřezu vodiče (vsázky)
stejná proudová intenzita – skin efekt,
Tloušťka vrstvy v nichž se indukuje převážná většina 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,
Konstrukce IP kelímkové
Transformátor – připojuje pec k síti VN,
transformuje proud na provozní napětí,
Usměrňovač – převádí střídavé napětí na
stejnosměrné
Tlumivka – vyhlazuje a dále usměrňuje
stejnosměrné napětí,
Měnič – převádí stejnosměrný proud na
střídavý proud o požadované frekvenci,
Kondenzátorová baterie – tvoří oscilační
obvod, kompenzují indukční zatížení sítě
(cos φ → 1),
Těleso pece – tavící kelímek, cívka,
transformátorové plechy, sklápěcí
mechanismus, odsávání,
Konstrukce EP kelímkové
Přívod pece VN – 3fázový proud 50Hz cca
6000V (2MVA),
Výstup z transformátoru – U = 1500 až 3000 V
Na tyristorech je pak proud přeměněn opět na
střídavý proud, jehož frekvence je řízena podle
zátěže pece,
Usměrňovací diody, tlumivka i tyristory jsou
umístěny ve statickém měniči a jsou chlazeny
vodou,
Střídavý proud o střední frekvenci je přiveden
ke kelímku měděnou pásovinou,
Paralelně s induktorem je zapojena
kondenzátorová baterie chlazená vodou,
Kelímek pece je naklápěn obvykle
hydraulickým pohonem,
Frekvence a výkony EIP
Středofrekvenční pece:
 Hmotnost vsázky od několika desítek kilogramů až po 15 tun,
 Frekvence 120 – 1000 Hz, pro pece 3-6t nejčastěji 250 Hz,
 Při frekvenci 600 Hz příkon 0,5-1 MW/t (s ohledem na míchání vsázky),
PSF = 300 .
f SF
f 50
Pece na síťovou 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 téměř nepoužívají,
Vysokofrekvenční pece:
 Indukční kelímkové pece jsou používány jako pece laboratorní se
vsázkou několika gramů až několika set gramů (kg),
 Frekvence 1000 – 10 000 Hz,
Schéma EIP
Řízení energetického režimu
U pecí vybavených jedním
napájecím zařízením je možné
tzv. tandemové uspořádání. Celý
výkon se pouze přepíná z
jednoho kelímku na druhý.
Řízení energetického režimu
U moderních indukčních pecí je možné výkon měniče rozdělit
např. tak, že jeden kelímek taví vsázku a ve druhém se udržuje
na teplotě tekutý kov tzv. systém TWIN-POWER.
Řízení energetického režimu
Během tavení se v důsledku změny teploty a uložení vsázky
v kelímku mění induktance cívky,
K ladění okruhu se používá změna frekvence, u starších pecí se
používá změna kapacitance kondenzátorové baterie zapínáním
nebo vypínáním kondenzátorů,
Příkon pece se tedy přizpůsobuje tavícímu výkonu, teplotě a
stupni naplnění pece,
Změna frekvence proudu přiváděného na induktor během tavení
probíhá automaticky na základě řídicího programu pece. Tavič
nastavuje pouze požadovaný příkon pece,
Důležitou funkci zastává také systém elektronické kontroly
výdusky pece (čidla a elektrická data),
Výdusky EIP








Důležitý je vliv výdusky na bezpečný a spolehlivý provoz indukční
pece (závisí i na frekvenci pece)
Ve slévárnách oceli se používají nejčastěji kyselé výdusky IP s
životností kyselého kelímku obvykle 20 až 30 taveb (podle
sortimentu),
Při výrobě ocelí s vyšším obsahem uhlíku (cca 0,50 % C) se
v důsledku nižší teploty tavení životnost kelímku zvyšuje,
Na kyselých výduskách je možné vyrábět všechny typy běžných
korozivzdorných ocelí,
Pouze oceli s vysokým obsahem manganu je nutné tavit na jiném
typu výdusky,
Indukční pec s kyselou výduskou je vhodná pro většinu vyráběných
odlitků,
Pro svoje ekonomické výhody je kyselá výduska v indukčních
pecích zatím nejvíce používaná ve slévárnách v ČR,
Výdusky indukčních pecí představují významnou nákladovou
položku,
Výdusky kyselé






Základní surovinou pro zhotovování kyselých výdusek jsou
křemencové drtě,
Křemence obsahují větší podíl tridymitu a cristobalitu (menší
dilatace jak vysoce čisté křemenné písky),
Žáruvzdornost křemenců závisí na jejich čistotě. Nejvíce bývá mezi
nečistotami zastoupen oxid hlinitý,
Během tavení je výduska v kontaktu se struskou bohatou na oxid
FeO, kdy snížení jeho obsahu vede ke zvýšení životnosti kys.
výdusek,
Pro sintraci křemencových výdusek se do nich přidává kyselina
boritá nebo oxid boritý,
Použití dusací hmoty s vysokým obsahem kys. borité - sintrace velké
tloušťky výdusky, naopak příliš nízký obsah kys. borité - může vést
k opadávání výdusky během sintrace, případně až její vysypání,
Pozn.: Tridymit a cristobalit jsou vysokoteplotní modifikace SiO2
Zásadité a neutrální (vysocehlinitanové)
dusací hmoty







Zásadité dusací hmoty jsou vyráběny nejčastěji na bázi MgO,
Výdusky z oxidu hořečnatého však v důsledku tepelné dilatace během
provozu na povrchu praskají a trhliny se postupně rozšiřují,
Přísada korundu (nejčastěji 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 tloušťka stěny magnezitové výdusky
nezmenšuje, ale často zvětšuje tzv. narůstání kelímku,
Životnost zásaditého (vysocehlinitanového) kelímku bývá tří až
čtyřnásobek životnosti kyselého kelímku za srovnatelných podmínek,
Zásadité a vysocehlinitanové výdusky se dodávají a dusají v suchem
stavu podobně jako výdusky kyselé. Jako sintrační přísada se také
používá oxid boritý nebo kyselina boritá.
Zásadité a neutrální dusací hmoty
Zásadité výdusky se obvykle neopravují a po ukončení životnosti se kelímek
vybourá,
 U větších pecí je důležité, aby kelímek během provozu nevychladl. Při
přerušení tavení se doporučuje udržovat kelímek hořákem na tepl. cca 800°C
 Po skončení kampaně u moderních pecí se pomocí hydraulického válce
vytlačí kelímek přes keramickou ucpávku s kovovým dnem,

Vytlačování kelímku
Výhody EIP













EIP umožňují dodávat tavby o menší hmotnosti (1-6t ) v inter. 40 -120 minut,
Pomocí několika IP lze zásobovat formovnu téměř plynule tekutým kovem,
Indukční míchání taveniny zajišťuje tepelnou i chemickou homogenitu
taveniny. Dosažení přesného chemického složení a přesné odpichové teploty,
V oceli vyrobené v EIP se nachází obvykle nižší obsah vodíku a dusíku,
zejména u kyselých indukčních pecí,
Během tavby nedochází k nauhličení kovu,
Rychlé uvedení tavicího agregátu do provozu během několika minut. Pece jsou
vhodné pro slévárny pracující jen v jedné směně denně,
Nižší spotřeby elektrické energie,
Nízkým propal železa i legujících prvků (legování na spodní hranici
předepsaného materiálovým listem- úspora feroslitin),
U agregátů o stejné výrobnosti mají IPK přibližně poloviční hmotnost tavby,
proto mají menší investiční náklady na haly, jeřáby a jiné obslužná zařízení,
Nižší investiční náklady,
Nižší náklady na ekologizaci provozu,
Nižší hlučnost,
Menší vznik exhalací a menší vznik pevných odpadů souvis. s provozem pece,
Metalurgické možnosti EIP
Indukční pece slouží jako agregát k přetavování vsázky
Ve fázi dohotovení lze provést:
- nauhličení,
- legování
Možnost přesného řízení odpichové teploty
Dosažení teplotní a chemické homogenity
Lze nalézt aplikace s dmýcháním Argonu do pece:
- na hladinu kovu
- dnem pece přes porézní zátku (kámen)
Druhování a vsázení na EIP
Z hlediska chemického složení musí být průměrný obsah uhlíku a
fosforu ve vsázce nižší než je požadovaný obsah ve vyrobené oceli o
množství těchto prvků v přisazovaných feroslitinách,
 Do vsázky je možné přidávat až 70% vratného materiálu. Zbytek
vsázky tvoří 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 dobře zaplní kelímek a rychle se taví, (přísada FeSi –méně FeO)
 Během tavení je třeba kontrolovat vsázku v kelímku, aby plynule
sedala a chladila tekutý kov,
 Pokud vsázka zůstává „viset“, přehřeje se kov, který nataví i výdusku
a takto vzniklá strusky pak ztěžuje další tavení,

Propal jednotlivých prvků:







Propal manganu, závisí na složení oceli a strusky. Při nízkém je možné
přisazovat feromangan do kelímku, aniž by docházelo k významnému
propalu. Při legování Mn nad 1% lze přidávat FeMn do kelímku těsně
před odpichem nebo až do pánve. Při legování do 1,6% je možné počítat
s výsledným obsahem Mn o 0,20% nižším než dosazeným,
Křemík nevykazuje do 0,50% v kyselé indukční peci propal. Naopak je
možné počítat se zvýšením obsahu křemíku po roztavení až o 0,10%,
Chrom má do obsahu 2% ve vsázce během tavení zanedbatelný propal.
Propal chrómu může nastávat u vsázky s vysokým obsahem FeO,
Propal vanadu se je do 20% z průměrné koncentrace ve vsázce. FeV se
přidává do lázně obvykle po ohlášení předzkoušky před odpichem,
Obsah niklu a mědi v oceli během tavby roste, a to tím více, čím je
vyšší propal ostatních prvků. Ni a Cu je možné přidávat v průběhu celé
tavby, nejlépe přímo vsázky,
Molybden a wolfram mají také vyšší afinitu ke kyslíku než železo.
Feromolybden a ferowolfram se obtížně rozpouštějí, proto je výhodné je
přidávat již do vsázky,
Hliník a titan během tavení se zoxidují na stopy,
Praxe výroby oceli na EIP








Bezprostředně po odpichu zkontroluje tavič stav výdusky kelímku,
Do prázdného kelímku se přidá dané množství FeSi, příp. nauhličovadla,
U menších pecí se sází ručně, u větších se sype vsázka do pece z
vibračními žlaby sázecími koši nebo elektromagnetem,
Při tavení oceli se obvykle nepoužívá víko a vsázka se přidává
kontinuálně. Během tavení je nastaven maximální příkon pece a tavič
kontroluje, zda vsázka nezůstává viset,
Jakmile hladina vystoupí nad polovinu kelímku, je výhodné přidávat
vsázku do kelímku z jedné strany a na protější straně udržovat lázeň
s tenkou vrstvou strusky,
Po roztavení vsázky se stahuje struska, vytváří 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 základě chemického rozboru se tavba doleguje a ohřeje se na odpich.
teplotu. Před odpichem se měří a upravuje teplota,
K dezoxidaci se přidává hliník do pánve. Využití hliníku činí 30 až 60%,
Praxe výroby vysokolegované oceli na EIP







Na indukčních pecích je možné vyrábět korozivzdorné oceli s obsahem
uhlíku nižším než 0,03%,
Reakce mezi chrómem a výduskou může u oceli s obsahem Cr cca 18%
při teplotě 1500 °C teoreticky probíhat, jestliže je obsah křemíku v oceli
nižší než cca 0,4% což potvrzují i praktické zkušenosti,
Během tavení a udržování kovu na nižších teplotách proto k reakcím
chrómu s výduskou nedochází,
Při odpichových teplotách, které jsou u těchto ocelí 1620 až 1670 °C, je
proto nutné počítat se zvyšováním obsahu křemíku v oceli. Proto je
žádoucí ohřívat tavbu až před odpichem a po dosažení odpichové teploty
bez prodlení tavbu odlít do pánve,
Propal chrómu je ovlivňován oxidy železa ve vsázce a doporučuje se
proto ocelový odpad ve vsázce před vsázením otryskat,
U chrómu se počítá s celkovým snížením obsahu chrómu oproti
vypočtenému o 1 až 2%,
Do vsázky se používá až 60% vratného materiálu. Vyšší podíl vratného
materiálu ve vsázce může být příčinou bublin ve vyrobených odlitcích,
Praxe výroby vysokolegované oceli na EIP







Přetavováním vratného materiálu se v oceli zvyšuje zejména obsah Si,
C, P a dále i obsah vodíku a dusíku,
Během tavení vsázky je nutné kontrolovat, zda nedochází k přehřátí
taveniny. Přehřátí má za následek vytvoření velkého množství strusky,
která může způsobit tzv. „zamrznutí“ tavby,
Vsázka se sází do pece v následujícím pořadí. Na dno pece se obvykle
sype Ni a FeCr, následuje nelegovaný odpad a vratný materiál se přidává
až na konec,
Po roztavení se odbírá zkouška na chemické složení (C, Mn, Si, P , S ,
Cr, Ni, Mo ),
Na základě zkoušky se provede dolegování,
K závěrečné dezoxidaci oceli v pánvi se používá hliník. Vysokolegované
Cr, příp. Cr-Ni oceli jsou dezoxidovány křemíkem a chrómem takovým
způsobem, že i bez přísady hliníku nedochází v odlitcích během tuhnutí
k uhlíkové reakci,
K dezoxidaci austenitických ocelí se přidává do pánve 1 až 1,5 kg
dezoxidačního hliníku na tunu tekutého kovu,
Vysokolegované oceli
Při výrobě vysokolegovaných ocelí se obvykle dosahuje vyššího zisku ,
Vysokolegované oceli na odlitky lze rozdělit do tří skupin a to na oceli
korozivzdorní, žáruvzdorné a oceli otěruvzdorné,
Korozivzdorné oceli
 Základním prvkem ve vysokolegovaných korozivzdorných ocelích je
chrom, který dává ocelím schopnost pasivace, tj. zajišťuje odolnost proti
chemické a elektrochemické korozi v oxidačním prostředí,
 Podmínkou pasivace je obsah chrómu v tuhém roztoku (α, γ) vyšší než
11,5 %,
 Korozivzdornost ocelí závisí nejen také na obsahu dalších prvků zejména
C, Ni, Mo, Mn, příp. N a Cu. Změnou chemického složení dochází
k ovlivňování příp. změně vznikající struktury a její teplotní stability a
tím i odpovídající mechanické vlastnosti korozivzdorných ocelí.
 V závislosti na struktuře rozlišujeme tři základní typy korozivzdorných
ocelích a to: martenzitické, feritické a austenitické,
 Kromě těchto základních typů se v také používají oceli s dvoufázovou
strukturou jako např. martenziticko-austenitické a austeniticko-feritické.


Vysokolegované oceli
Struktura nerezavějících ocelí závisí jednak na obsahu prvků které
oblast  zužují (feritotvorné prvky), a dále prvků, které naopak tuto
oblast rozšiřují (austenitotvorné prvky),
Pro shrnutí účinků austenitotvorných prvků a feritotvorných prvků se
zavádí pojem tzv. ekvivalentu niklu Niekv. a ekvivalentu chromu Crekv..
Jejich zavedení umožňuje vyjádřit vliv chemického složení na strukturu
nerezavějících ocelí. Grafické znázornění vlivů jednotlivých prvků na
finální strukturu udává tzv. Schaefflerův diagram,
Niekv. = % Ni + 0,5. %Mn + 30 . %C + 30 . % N
Crekv. = %Cr + %Mo + 1,5. %Si + 0,5. % Nb
Schaefflerův diagram
Delta ferit [% ]
Niklový ekvivalent Niekv. [%]
36
32
0
28
10
24
Austenit
A+F
20
20
40
A+M
16
80
12
Martenzit
100
A+M+F
8
M+F
4
Ferit
F+M
0
0
4
8
12
16
20
24
28
Chromový ekvivalent Crekv. [% ]
32
36
40
Problematika oduhličení Cr a CrNi ocelí
Rovnovážná teplota [°C]
2150
Dosažení nízkých obsahů C
(pod 0,07 %) v
korozivzdorných ocelích je
možno použitím EIP nebo
prvků sekundární metalurgie
 V EOP je k hlubokému
oduhličení zapotřebí příliš
vysoká teplota
 Pro nastartování uhlíkového
varu je nutno nastavit ve vsázce
optimální obsah Cr a C

2050
1950
1850
1750
15%Cr
1650
12%Cr
13%Cr
1550
0
0,2
0,4
Obsah uhlíku v tavenině [%]
0,6
Pozn.: výroba žárovzdorných ocelí je podobná výrobě korozivzdorných ocelí
Otěruvzdorné Mn oceli






Složení vysokolegovaných manganových ocelí se ustálilo na směrném
složení 12-13% Mn a 1,2 až 1,3 % C. V poslední době se začínají
vyrábět oceli s 18% Mn,
Oceli s ohledem na vysoký obsah austenitotvorných prvků ( Mn a C )
mají austenitickou strukturu,
Při 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 1400°C.
Při oxidaci se zvýší teplota až na 1700 °C. Tavba se snadno přehřeje a
chlazení v peci probíhá velmi pomalu,
Vysokolegované manganové oceli se vyrábějí v zásaditých pecích. Při
odlévání je možné použít pánev s kyselou vyzdívkou, ale pro výlevku
se doporučuje volit zásaditý nebo amfoterní žáruvzdorný materiál,
Reakce s vyzdívkou v pánvi závisí na teplotě oceli. Vysoká licí teplota
způsobuje hrubé zrno odlité oceli. Při vyšší licí teplotě se také ztěžují
čistírenské operace. Formy pro odlévání manganových ocelí musí být
natřeny vhodným nátěrem ( magnezitový nebo korundový ),
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 tyčí nebo
šoupátkovým uzávěrem (odlévání forem nad 1t. ),
Pánve mívají vyzdívku z žáruvzdorných tvárnic nebo výdusku
z žáruvzdorných dusacích hmot, příp. žárobetonu
Na izolační vrstvu (pěnový šamot) se zdí nebo dusá pracovní vrstva jakostní šamot nebo výduska podobného složení. Jedná se o výdusky na
bázi křemenců s přísadou Al2O3
šamotová vyzdívka pánve a zátkové tyče vyhovuje i pro odlévání
vysokolegovaných Mn ocelí, výlevka se pro Mn oceli volí většinou ze
zásaditých materiálů nebo ze zirkonu, (vysokohlinitanové materiály) –
vyšší tepelná vodivost a hustota
V současnosti se používají pánve (se zátkovou tyčí), které se žíhají ve
složeném stavu a používají se opakovaně
Sekundární oxidace oceli (reoxidace)







Během odlévání působí na proud tekuté oceli nejprve kyslík
z atmosféry, po kontaktu proudu oceli s materiálem formy také s
atmosféra uvnitř formy,
Oxidace proudu ve formě závisí na materiálu formy. Ve formách
s anorganickými pojivovými systémy (bentonitová směs a směsi pojené
na bázi vodního skla) působí voda obsažená ve formovací směsi v
dutině formy na vznik oxidační atmosféry,
Nejvíce je oxidováno čelo proudu tekutého kovu plnícího formu. U
směsí s organickými pojivovými systémy bývá ve formách „redukční
atmosféra“ a oxidace kovu je menší než ve formách z anorganickým
pojivovým systémem,
Postupnou oxidací kovu dochází k poklesu obsahu dezoxidačního prvku
(Al) a růstu aktivity kyslíku,
Po překročení kritické hranice dochází ke vzniku bublin CO,
Společně s tím dochází ke vzniku značného množství oxidických
vměstků, které výrazně ovlivňují mechanické vlastnosti odlitků,
Oxidace taveniny se nejvíce projevuje ve vysokolegovaných
chrómových ocelích,
Tepelné zpracování ocelových odlitků
Ocelové odlitky jsou dodávány zpravidla v tepelně zpracované stavu,
 Tepelné zpracování dává oceli výsledné vlastnosti, kdy volbou tepelného
zpracování lze získat materiál o různých mechanických vlastnostech,
 Tepelné zpracování ocelových odlitků je nutné, protože mají v litém
stavu často nevhodnou strukturu (špatné mechanické, technolog.
vlastnosti)
 Nejčastější tepelné zpracování ocelových odlitků:
Žíhání – bez překrystalizace – žíhání na měkko (sferoidizace cementitu)
– žíhání na snížení pnutí (odstranění pnutí)
– s překrystalizací
– žíhání normalizační (zjemnění a
zrovnoměrnění struktury)
– žíhání homogenizační , rozpouštěcí žíhání
(rozpouštění karbidů)
Zušlechťování – kalení s následným popuštěním

Schématické znázornění žíhacích teplot
a/ ke snížení vnitřních pnutí
b/ rekrystalizační
c/ na měkko
d/ homogenizační
e/ normalizační
Díky za pozornost !