metalurgie oceli (CME) metalurgie oceli (CME) druhá část před. druhá část před.

Denní studium, Strojírenská technologie

Ing. Antonín Záděra, Ph.D.VUT FSI, Ústav strojírenské technologie, odbor slévárenství e-mail: zadera@fme.vutbr.cz

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 stejnosměrnéTlumivka – 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),

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,

50

.300f

fP SFSF =

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,

NCMnNiNi %.30%.30%.5,0%ekv. +++=

NbSiMoCrCr %.5,0%.5,1%%ekv. +++=

Schaefflerův diagram

F + M Ferit

0

M + F

A+M+F100

80

10

20

40

Martenzit

A + F

Delta ferit [%]

Austenit

A+M

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Chromový ekvivalent Crekv. [%]

Nik

lov

ý e

kv

iva

len

t N

iekv. [

%]

Problematika oduhličení Cr a CrNi ocelí

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

12%Cr 13%Cr

15%Cr

1550

1650

1750

1850

1950

2050

2150

0 0,2 0,4 0,6Obsah uhlíku v tavenině [%]

Rovn

ováž

ná te

plot

a [°C

]

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 teplota/ ke snížení vnitřních pnutíb/ rekrystalizačníc/ na měkkod/ homogenizačníe/ normalizační

Díky za pozornost !