SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH...

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH

ODLITKŮ studijní opora

Libor Čamek

Ostrava 2013

Recenzent: doc. Ing. Rudolf Kořený, CSc.

Název: Slévárenství ocelových odlitků

Autor: doc. Ing. Libor Čamek, Ph.D.

Vydání: první, 2013

Počet stran: 144

Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a

materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena.

Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na

Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava

Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304

© Libor Čamek

© VŠB – Technická univerzita Ostrava

ISBN 978-80-248-3358-3

Slévárenství ocelových odlitk

3

Obsah

PREREKVIZITY 51. ÚVOD DO HISTORIE VÝROBY ŽELEZA AŽ DO SOU ASNOSTI. ZÁKLADNÍ

PARAMETRY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ AELEKTRICKÝCH INDUK NÍCH PECÍ. 6

1.1 Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli 71.2 Tavící agregáty ve slévárnách oceli 9

2. ZÁKLADY TERMODYNAMIKY OCELÁ SKÝCH POCHOD . ROZTOKYROZTAVENÝCH KOV , NEKOV A PLYN V ŽELEZE. 14

2.1 Základy termodynamiky ocelá ských pochod 142.2 Roztoky roztavených kov , nekov a plyn . 19

3. NORMY A SORTIMENT OCELÍ NA ODLITKY. KONSTRUK NÍ OCELI NAODLITKY. SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY KOROZIVZDORNÉ.SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY VZDORUJÍCÍ OPOT EBENÍ. 29

3.1 Normy a sortiment ocelí na odlitky 303.2 Konstruk ní oceli na odlitky 303.3 Korozivzdorné oceli 323.4 Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení 39

4. KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ OBLOUKOVÉPECE (EOP). VYZDÍVKY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ. VÝVOJTECHNOLOGIE EOP. 41

4.1 Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece 414.2 Vyzdívky elektrických obloukových pecí 444.3 Vývoj technologie EOP 47

5. VÝROBA NELEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V ZÁSADITÝCH EOP.PR H JEDNOTLIVÝCH TECHNOLOGICKO-METALURGICKÝCH FÁZÍ.PRAXE VEDENÍ TAVBY. 48

5.1 Technologie výroby nelegovaných ocelí 495.1.1 Oprava pece a sázení 1 495.1.2 Tavení vsázky 2 505.1.3 Oxida ní údobí 3 525.1.4 Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, reduk ní údobí) 4 55

5.2 Praxe vedení tavby 636. TECHNOLOGIE VÝROBY LEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V

ZÁSADITÝCH EOP. FUNKCE HLAVNÍCH TERMODYNAMICKÝCHPODMÍNEK METALURGICKÝCH POCHOD . 66

6.1 Rozd lení ocelí na odlitky 666.2 Vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v zásadité elektrické obloukové peci 686.3 Výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité obloukové peci 716.4 Výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí na zásaditých obloukových pecích 72

6.4.1 Základy výroby korozivzdorných ocelí 736.4.2 Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod 73

7. INTENZIFIKACE VÝROBY OCELI V EOP. SOUDOBÉ VÝVOJOVÉ TRENDYVÝROBY OCELI V EOP. 79


4

7.1 Vývoj za ízení a technologie používané v elektrických obloukových pecích 807.2 Soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOP 82

7.2.1 Intenzifika ní opat ení na elektrických obloukových pecích 837.3 Intenzifikace výroby oceli ve slévárnách 87

8. VÝROBA OCELI V KYSELÝCH EOP. P EDNOSTI KYSELÝCH EOP OPROTIZÁSADITÝM EOP. 89

8.1 Výroba oceli v kyselých obloukových pecích 898.2 Výrobní zp soby v kyselých obloukových pecích 90

8.2.1 Aktivní pochod 928.2.2 Pasivní pochod 93

8.3 P ednosti kyselých elektrických obloukových pecí 949. KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ INDUK NÍ PECE

ST EDOFREKVEN NÍ (EIP). DUSACÍ ŽÁRUVZDORNÉ HMOTY EIP.PRAXE VEDENÍ TAVBY. 95

9.1 Výroba oceli na odlitky v elektrických induk ních pecích 959.2 Elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní 96

9.2.1 Konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní 979.3 Dusací žáruvzdorné hmoty EIP 989.4 Praxe vedení tavby 100

10. TECHNOLOGIE VÝROBY NELEGOVANÝCH A LEGOVANÝCH OCELÍ VEIP 104

10.1 Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce 10410.2 Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce 10610.3 Výroba oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou 107

11. DEZOXIDACE OCELI V LICÍ PÁNVI A ODLÉVÁNÍ. ZÁV RE NÁDEZOXIDACE OCELI V PÁNVI A JEJÍ VLIV NA VLASTNOSTI OCELI. 109

11.1 Dezoxidace oceli v pánvi a odlévání 10911.2 Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceli 111

12. MOŽNOSTI SEKUNDÁRNÍ METALURGIE VE SLÉVÁRNÁCH OCELI.POUŽITÍ JEDNOTLIVÝCH METOD A PRINCIPY JEDNOTLIVÝCHPOSTUP SEKUNDÁRNÍ METALURGIE. 115

12.1 Metody sekundární metalurgie 11612.2 Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgie 118

13. VADY OCELOVÝCH ODLITK . P INY VZNIKU JEDNOTLIVÝCH DRUHVAD A MOŽNOSTI JEJICH ODSTRAN NÍ. 127

13.1 Vady odlitk 12713.2 P iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní 129

14. KTERÉ MOŽNOSTI VYUŽITÍ NÁKLADOVÉ ANALÝZY K ÍZENÍVÝROBY OCELI. METODA ROZDÍLOVÉ KALKULACE, NEÚPLNÝCHVLASTNÍCH NÁKLAD . VYUŽITÍ NÁKLAD K ÍZENÍ VÝROBY. 133

14.1 Využití nákladové analýzy k ízení výroby 13414.2 Kalkulace náklad 135

14.2.1 Metoda rozdílové kalkulace 13614.2.2 Metoda neúplných vlastních náklad 137

14.3 Využití nákladových model k ízení výroby 14014.4 Využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob 142


5

POKYNY KE STUDIU

Slévárenství ocelových odlitkPro p edm t Slévárenství ocelových odlitk 3. semestru magisterského studijního oboruModerní metalurgické technologie jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptumpro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu.

Prerekvizityedm t nemá žádné prerekvizity.

Cílem p edm tu a výstupy z u eníCílem p edm tu je seznámení a p edání student m širší teoretické a praktické znalostiz technologie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukových pecích a v elektrickýchinduk ních st edofrekven ních pecích. Seznámit studenty s možnostmi zpracování oceli naodlitky v oblasti sekundární metalurgie, p inami vzniku jednotlivých druh vad ocelovýchodlitk a možnostmi využití nákladové analýzy k ízení výroby.Po prostudování p edm tu by m l student být schopen:

výstupy znalostí:- student bude um t charakterizovat technologii výroby oceli na odlitky v elektrických

pecích obloukových a induk ních st edofrekven ních pecích- student bude um t vysv tlit význam zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární

metalurgie a základní p iny vzniku jednotlivých druh slévárenských vad

výstupy dovedností:- student bude um t využít svých znalostí k rozhodnutí o vhodnosti technologických a

metalurgických postup p i výrob oceli na odlitky- student bude um t použít své teoretické poznatky k návrh m úprav technologie výroby

oceli na odlitky ve slévárenské praxi

Pro koho je p edm t ur enedm t je za azen do magisterského studia obor Metalurgické technologie, studijního

programu Moderní metalurgické technologie.

Studijní opora se d lí na ásti, kapitoly, které odpovídají logickému d lení studované látky,ale nejsou stejn obsáhlé. P edpokládaná doba ke studiu kapitoly se m že výrazn lišit, protojsou velké kapitoly d leny dále na íslované podkapitoly a t m odpovídá níže popsanástruktura.


6

i studiu každé kapitoly doporu ujeme následující postupstudent si vymezí asový prostor pro studium,student se seznámí s textem cíle kapitoly,

student pozorn prostuduje celý text kapitoly,podle získaných v domostí si student ujasní shrnutí pojm z kapitoly,

svoje v domosti ze studia kapitoly použije p i nácviku odpov dí na otázky, p ípadnpodle pot eby opakuje studium výkladu.

Zp sob komunikace s vyu ujícími:Základním úkolem student bude vypracování semestrálního projektu na zadané téma- z oblasti technologie a metalurgie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukovýchpecích a induk ních st edofrekven ních pecích,- posouzení významu zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie a p inyvzniku jednotlivých druh vad ocelových odlitk a možnosti jejich odstran ní.Projekt bude kontrolován vyu ujícím do 14 dn po odevzdání a výsledky budou student mzaslány e-mailem prost ednictvím IS.Absolvování zápo tového testu - výsledky zápo tového testu budou student m sd leny pojeho absolvování.Na za átku semestru p i prvním kontaktu se studenty budou jednotlivé okruhy požadavk nastudenty up esn ny, v etn možností a zp sob konzultací student a p ípadn jejich dalšíchnávrh a pot eb.Kontakt - garant p edm tu – [email protected] – tel. 596 994 205, 606 749 207

1. Úvod do historie výroby železa až do sou asnosti. Základní parametryelektrických obloukových pecí a elektrických induk ních pecí.

as ke studiu: 100 minut

Cíl Po prostudování této kapitoly

seznámíte se s historií vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceliujasníte si postupný vývoj hutních provoz až do sou asnostibudete znát základy výroby železapochopíte ú el a funkci tavících agregát ve slévárnách ocelibudete seznámeni se základními charakteristikami jednotlivých ástí

elektrické obloukové pece a induk ní pecepochopíte funkci technologického a informa ního toku p i výrob a

odlévání oceli

mailto:libor.camek:@vsb.cz


7

Výklad

1.1 Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceliVývoj výroby oceli probíhal po celá staletí a empirické poznatky byly p edávány z generacena generaci. V první polovin minulého století byly formulovány fyzikáln chemické základyvýroby oceli. Výroba oceli p estala být závislá na empirii a je vybudována na v deckýchzákladech.V odborné eské literatu e shrnul tyto poznatky prof. T. Myslivec v knize Fyzikáln chemickézáklady ocelá ství, takto vznikla u ebnice pro n kolik generací eských a slovenskýchmetalurg .U sou asné generace metalurg nelze o ekávat pouze znalost zd ných technologii, aleschopnost tv ím zp sobem využívat fyzikáln chemické zákonitosti výroby oceli a jejichaplikace do výroby. Zde však platí, že nedosta uje obecná matematická formulace p írodníchzákon , pokud chybí schopnost jejich použití v praxi.

Postupný vývoj hutních provozibližn až do šedesátých let minulého století byly ve slévárnách oceli a hutních závodech

pro výrobu oceli na odlitky i k odlévání ingot používány podobné technologie a podobnáza ízení.V následujících desetiletích byly zavedeny do velkých hutních podnik technologie zvyšujícívýrazn výrobnost jednotlivých agregát .Investi ní náklady na taková za ízení jsou vysoké a jejich návratnost je možná pouze p ivysoké produktivit hutní ocelárny.Výroba ocelových odlitk v posledních desetiletích stagnuje.Výrobní kapacity jsou dnes velmi rozdílné, slévárny vyrábí obvykle kolem desítky tisíc tun ahutní ocelárny v ádech až miliony tun.V hutních ocelárnách se dnes vyrábí ocel v kyslíkových konvertorech a intenzifikovanýchelektrických obloukových pecích s následujícím zpracováním oceli na za ízení sekundárnímetalurgie.Výrobní agregáty konvertory a obloukové pece jsou využívány pouze jako tavicí za ízení, vekterém se ocel p edevším oduhli í, odfosfo í a oh eje na p edepsanou teplotu.Další pot ebné výrobní operace, které jsou d ležité pro ízení jakosti oceli, se provád jí vza ízeních sekundární metalurgie.Sv tová ro ní výroba oceli ur ená ke tvá ení z plynule odlévané a ingotové oceli, v sou asnédob dosahuje kolem 1,7 miliardy tun, ro ní výroba oceli na odlitky p edstavuje kolem 6milion tun.V eské republice se ro vyráb lo p ed rokem 1989 více než 300 tis. tun ocelových odlitk .V roce 2010 se pohybovala výroba ocelových odlitk kolem 115 tis. tun. Ocelové odlitky sevyrábí v eské republice ve více než 20 slévárnách (mimo slévárny p esného lití).Ve slévárnách slouží k výrob oceli elektrické obloukové a induk ní pece. Tavicí kapacitanení obvykle pln využívána a komplexní intenzifika ní opat ení na obloukových pecích jsouk dispozici jen v nejv tších slévárnách.Požadovaná jakost taveniny je ve v tšin p ípad dosahována p i výrob v elektrickéobloukové peci.


8

Stru ná historie výroby železa K redukci oxid železa posta uje teplota 700 °C. S rostoucí teplotou roste nauhli eníredukovaného železa a p i teplotách nad 1200 °C je produktem reduk ních pecí surové železo.Nízká teplota redukce umožnila výrobu železa v r zných primitivních pecích již u prvníchcivilizací.Archeologickým výzkumem byly na našem území odkryty pece na výrobu oceli z doby brzypo p íchodu Slovan .Tyto pece byly nazvány dýma ky nebo také „vl í” pece.Dýma ky byly šachtové pece o výšce 1 až 2 m vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých seredukovaly z ejm velmi isté železné rudy p i teplotách 700 až 1200 °C.Vyredukovaná železná houba se sva ovala ková ským zp sobem v dejl, který již sloužil kvýrobn železných p edm . Pochod je doložen archeologickými nálezy z doby p ed 4000lety.Požadavek na zvýšení výroby v šachtových pecích vedl k jejich zv tšování a k dmýchánívzduchu do pecí, tzv. v tru.V 16. století se staví první vysoké pece vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých se v d sledkuvyšších teplot vyráb lo surové železo. Surové železo se dále zkuj ovalo ve „fryšovacích“výhních za p ísady okují a železných rud.Zvýšení produktivity zkuj ování surového železa p inesly koncem 18. století pudlovací pecevytáp né erným uhlím. Jednalo se v podstat o plamenné pece, kde se z d vodu nedostatku

ev ného uhlí za alo používat uhlí erného. Teplota dosahovaná v níst ji pudlovací pecebyla však ješt nedostate ná pro roztavení oceli. V pr hu oxidace manganu, k emíku aposléze i uhlíku se zvyšovala teplota tavení roztaveného kovu, ímž se za ala vylu ovatpolotuhá zrna kujného železa.Produktem z pudlovací pece tedy byla op t železná houba, která se ješt v peci upravovala nakulovité „dejly“. Tyto se po rozpálení do bílého žáru vytahovaly z pece a kováním na lisechnebo bucharech se z nich vyt ovala struska. Sou asn s vyt ováním strusky docházelov d sledku silného tlaku ke sva ování železa. Spot eba paliva inila 80 až 90 % z hmotnostivyráb ného kovu a propal železa dosahoval 12 až 15 %.

Obr. 1 Koksová vysoká pec

V následujícím 19. století se za íná používat ve vysokých pecích jako palivo koks. Prvníkoksová vysoká pec byla uvedena do provozu ve Vítkovicích v roce 1836. Koksové vysoképece byly již agregáty s velkým výkonem. Obr. . 1 znázor uje základní profil vysoké peceLurmannovy konstrukce z druhé poloviny 19. století.Moderní technologii ve zkuj ování p ináší vynález Bessemerova konvertoru v roce 1855.


9

Další vývoj sm oval k nové výrobní technologii v Siemens-Martinských pecích, která bylauvedena do provozu v roce 1864. Vysokých teplot plamene se dosahovalo p edeh evemvzduchu i topného plynu v regenera ních komorách. Na obr. . 2 je znázorn no schémaSiemens-Martinské pece.Následn v roce 1878 uvádí Thomas do provozu zásaditou vyzdívku pro konvertory azkuj ování oceli pod zásaditou struskou na bázi oxidu vápenatého.

Výroba ušlechtilých ocelí je na za átku 20. století, zavád na do elektrických pecí.V roce 1902 je uvedena do provozu první oblouková pec (Heroult) a následn ve stejném roceprvní induk ní pec (Kjellin).V první polovin 20. století dominují ve výrob oceli Siemens-Martinské pece a konvertorydmýchané vzduchem.Nové požadavky vývoje moderní techniky vedly k rozvoji k rozvoji elektrometalurgie.V roce 1952 byl uveden do provozu kyslíkový konvertor dmýchaný horem, tzv. LD pochod.Byla zahájena výroba oceli pomocí plynného kyslíku a tím byl zahájen nástup kyslíkovýchpochod .V 60. letech sm oval další vývoj moderní technologie výroby oceli k p esunu vedení

kterých metalurgických reakcí z pece do pánve a nastal tím rozvoj sekundární (mimopecní)metalurgie.Ve slévárnách oceli jsou dnes dominujícími tavicími agregáty elektrické obloukové pece(EOP) a elektrické induk ní pece (EIP).Slévárny oceli v R používají výhradn EIP kelímkové st edofrekven ní.

1.2 Tavící agregáty ve slévárnách oceliElektrické obloukové peceSchéma t ífázové elektrické obloukové pece je na obr. 3.Pec je napájena p ímo ze sít vysokého nap tí kabelem 1, p es hlavní vypína 2, tlumivku 3 atransformátor 4.U malých pecí je obvykle v jedné nádob s pecním transformátorem i tlumivka.Funkce zapojení tlumivky je pouze ve fázi natavování, aby svým induk ním odporemsnižovala kolísání nap tí na obloucích i v síti.Konstrukce pecní transformátoru by m la krátkodob zajistit až 100 % p etížení. P et žovánípecního transformátoru je dáno výrobcem a m že být nap íklad po dobu 30 min. o 50 %.Transformátor je obvykle pono en do transformátorového oleje, který slouží jako chladicímédium. Transformátory menších výkon mohou být chlazeny vzduchem.Vypína e, tlumivka a pecní transformátor jsou umíst ny v transformátorové kobce.

Obr. 2 Schéma Siemens-Martinské pece


10

Z transformátoru je elektrická energie vedena m nými pásnicemi na vn jší st nutransformátorové kobky a dále lany 10 až na ramena držák elektrod 6.Vlastní elektrody 7 jsou drženy držákem 8. Na rameni držáku elektrod je proud veden dále

nými pásnicemi 6. Elektroda prochází víkem pece p es chlazený kroužek elektrod 9.Rychlost roztavení vsázky závisí p edevším na instalovaném p íkonu pecního transformátorua na schopnosti regulace pece využít instalovaný p íkon.

Obr. 3 Schéma elektrické obloukové pece

Instalovaný p íkon pecního transformátoru ve slévárnách bývá v tšinou 300 až 600 kVA/t.Na roztavení tuny vsázky se po ítá s teoretickou spot ebou 380 kWh/t. Skute ná spot eba naroztavení a oh átí lázn na 1600 °C je o cca 80 kWh/t vyšší.Ve slévárnách pracují obvykle EOP o hmotnosti tavby 4 až 20 t. T žké odlitky se vyráb jí veslévárnách u hutních oceláren, které dodávají tekutý kov.EOP mají typ vyzdívek zásaditý. Slévárny v R již nepoužívají kyselé vyzdívky. Výhodouzásaditých pecí vyzd ných obvykle magnezitem a chrómmagnezitem je možnost zpracovávatkovovou vsázku s nezaru eným obsahem fosforu a síry. Tyto umož ují vyráb t oceli s velminízkým obsahem fosforu a síry.Kyselé pece byly vyzd ny nebo vydusány žáruvzdornými materiály na bázi SiO2. Jejichvýhodou byly nižší zpracovací náklady, ale to bylo možné pouze p i použití vsázky seznámým chemickým složením.Teploty v elektrickém oblouku p esahují 3000 °C. Oh ev elektrickým obloukem má zanásledek lokální p eh ívání kovu. Po vzniku tekuté lázn p sobí oblouk pouze na povrchlázn , což m že mít za následek vysokou teplotní heterogenitu a zhoršené podmínky pro

enos tepla.V elektrickém oblouku dochází k disociaci dusíku a vodíku, které se rozpouští v lázni.Vysoké teploty lázn pod obloukem mají rovn ž vliv na odpa ování n kterých kov nebojejich oxid .Vyšší obsah dusíku a vodíku v ocelích vyráb ných na obloukových pecích se snižujeuhlíkovým varem.Ve funkci oh evu oxidují p i vysokých teplotách zrní ka grafitu a padají na hladinu lázn .Potom je nutné zejména p i výrob ocelí s nízkým obsahem uhlíku nutné po ítat snauhli ením oceli.Hlavní výhodou elektrických obloukových pecí ve vztahu k pecím induk ním jsou menšínároky na kusovitost a sypnou hmotnost vsázky a možnost m nit chemické složení oceliv širokých mezích.


11

Elektrické induk ní peceMetalurgická ást elektrické st edofrekven ní pece je uvedena na obr. 4.Ve slévárnách oceli se používají výhradn elektrické induk ní kelímkové pece. Kanálkovépece se používají ve slévárnách litiny a v ocelárnách se nepoužívají.

Obr. 4 Schéma elektrické induk ní pece

Pece pracují zpravidla se st ední frekvencí (250 až 600 Hz). Pece na sí ovou frekvenci jsou veslévárnách oceli mén asté.S vyšší frekvencí pracují pece s malou hmotností vsázky, používané jako pece laboratorní.Induk ní pece jsou napájeny ze sít vysokého nap tí p es pecní transformátor.Z pecního transformátoru je napájen m ni frekvence proudem o nap tí obvykle do 6000 V.Proud je nejprve usm ován na polovodi ových diodách, vyhlazen tlumivkou.Pot ebná frekvence se vytvá í výkonovými tyristory.Tyristory jsou ízeny a frekvenci je možno plynule m nit.Proudem o st ední frekvenci je napájen induktor.U pecí starší konstrukce je možné se také setkat s rota ním m ni em (motor – generátorst edofrekven ního proudu).Konstrukce pece je odstín na od induktoru svazky transformátorových plech , které vedouelektromagnetické pole a snižují ztráty.Induk nost cívky je kompenzována baterií kondenzátor . Induktor a kondenzátory tvo írezonan ní obvod, který se reguluje jednak zm nou kapacity kondenzátorové baterie tj.zapojováním nebo odpojováním kondenzátor a jednak zm nou frekvence. Zdrojem tepla uinduk ních pecí jsou indukované proudy.St edofrekven ní induk ní pece pracují s p íkonem 500 – 1000 kW/t.Ve slévárnách p esného lití se instalují nej ast ji pece s hmotností tavby 40 až 250 kg. Vostatních slévárnách oceli o objemu 0,5 až 25 t.U pecí na sí ovou frekvenci (50 Hz) je možné použít s ohledem na rozsah ví ení láznmaximální p íkon cca 300 KW/t.Výrobnost pece závisí p edevším na instalovaném p íkonu zdroje.U pecí na sí ovou frekvenci je možné instalovat výkonný zdroj jen u pecí s v tší hmotnostívsázky, které pracují s tekutým zbytkem. Více než polovina kovu se p i odpichu ponechává vpeci. Vsázka tvo í za t chto podmínek jen polovinu hmotnosti odlévané tavby a instalovanývýkon se využívá jen na roztavení této poloviny hmotnosti, m rný elektrický p íkon v kWh/tje pak dvojnásobný a doba tavení se urychlí. Pece na sí ovou frekvenci se používají více veslévárnách litiny, kde jsou instalovány pece o hmotnosti 1 až 80 t.Význam pecí na sí ovou frekvenci klesl s rozvojem polovodi ové techniky a následujícímzlevn ní m ni frekvence. Pece na sí ovou frekvenci se mohou vyzdívat keramickýmitvárnicemi.


12

U st edofrekven ních pecí se používají výhradn výdusky, nebo p ípadné spáry ve zdivu byu t chto pecí mohly být p inou proniknutí kovu vyzdívkou kelímku. Pro zhotovení výdusekse používají kyselé dusací hmoty na bázi drcených k emenc (SiO2) nebo zásadité dusacíhmoty nej ast ji na bázi spinelu MgO – Al2O3 (20 % Al2O3), p ípadn Al2O3 – MgO (30 %MgO).Induk ní pece proto bývají stav ny se dv ma nebo t emi kelímky. Jeden kelímek je v oprav anásledn m že z stat v rezerv .St edofrekven ní induk ní pece mají nezastupitelnou úlohu tavicího agregátu ve slévárnách

esného lití.Pro odlévání odlitk na strojních formovnách je také dávána p ednost induk ním pecím.Z pohledu metalurgického slouží induk ní pece jako agregát k p etavování vsázky. Kromnauhli ení, legování a dezoxidace se b hem tavby zám rn nem ní chemické složení oceli. Vinduk ní peci nedochází k samovolnému nauhli ování vsázky a jsou proto vhodné pro výrobuocelí s nízkým obsahem uhlíku.Výhodou induk ních pecí oproti pecím obloukovým jsou nižší zpracovací náklady, nižšípo izovací náklady (p i srovnatelné výrobnosti) a ekologické p ednosti (nižší prašnost, nižšíhlu nost).Míchání kovu induk ními proudy b hem tavby vytvá í v kelímku chemickou a tepelnouhomogenitu, což je výhodné pro dosažení úzkého rozmezí chemického složení a odpichovýchteplot.Induk ní pec je operativní tavicí agregát vhodný pro p erušovaný provoz. Doby tavby mohoubýt podle typu pece kratší než jedna hodina. Potom p i dob odlévání 30 minut jsou schopnydv induk ní pece plynule zásobovat formovací linku tekutým kovem.V mnoha slévárnách jsou induk ní pece jedinou alternativou pro výrobu korozivzdornýchocelí s nízkým obsahem uhlíku.

Základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceliZákladním podkladem pro zahájení plánování tavby je objednávka tavby z formovny.Objednávka musí být p edána s dostate ným p edstihem, aby tavírna mohla zkontrolovat, zdamá všechny podklady a suroviny pro výrobu objednané tavby a sta ila p ipravit vsázku.Objednávka musí obsahovat zna ku objednávané oceli, hmotnost tavby, požadovanouodpichovou teplotu, pr r výlevky pánve, p ípadn po et odlévaných forem a další.Veškeré technologické operace o pr hu tavby jsou zanášeny do protokolu tzv. tavebníholistu.Výsledky a podmínky zkoušek se rovn ž zapisují a archivují v laborato i. Tyto protokoly otavb mohou sloužit p i reklama ním ízení.

i dosažení shody u každé operace tavba pokra uje.i shodné teplot a hmotnosti se tavba p edává formovn . Formovna vede záznam o

odlévaných formách v licím výkazu, do kterého zapisují identifika ní a skute dosaženéobjednané údaje.

hem odlévání se odebírá vzorek na chemickou analýzu a p edepsaný po et vzork nastanovení mechanických vlastností, které p edává formovna do laborato e.Laborato oznámí výsledek chemického rozboru formovn a ta podle výsledku bu to tavbu

edá istírn .Pokud nastane neshoda chemického složení, tak je tavba umístí tavbu v izola ním prostoru adalší postupy eší zodpov dný technolog první sm ny.Tavby, u kterých nebylo nalezeno p ijatelné ešení a nelze tolerovat odchylky chemickéhosložení se z izola ního prostoru vy adí pro dalšího zpracování.


13

Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly)

Po prostudování kapitoly by vám m ly být jasné následující pojmy:

postupný vývoj hutních provoz

historie výroby železatavící agregáty ve slévárnách oceli

elektrická oblouková pecelektrická induk ní pec

základní technologický a informa ní tok p i výrob oceli

Otázky k probranému u ivu

1. Jaký byl historický vývoj výroby železa do konce 19. století?

2. Jaký byl historický vývoj výroby oceli v eských slévárnách do sou asnosti?3. Které výrobní agregáty jsou zejména používány ve slévárnách oceli?

4. Jaké jsou základní ásti a funkce EOP?5. Jaké jsou základní ásti a funkce IP?

6. V jakých základních oblastech se odlišuje možnost použití EOP nebo IP?7. Jaký je základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceli ve

slévárnách?

Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu

[1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM,VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9.

[2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984,269 s.

[3] Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p.767, ISBN 0-930767-02-0.


14

2. Základy termodynamiky ocelá ských pochod . Roztoky roztavenýchkov , nekov a plyn v železe.



budete seznámeni se základními pojmy termodynamiky ocelá ských pochod

vyjasníte si pojmy termodynamické stavové veli inybudete znát základní charakteristiky termodynamických stavových funkcíbudete um t definovat úlohu kyslíku, dusíku a vodíku v roztaveném

železebudete um t definovat úlohu uhlíku a síry v roztaveném železe

Výklad

2.1 Základy termodynamiky ocelá ských pochodMetalurgické reakce jsou doprovázeny spot ebou nebo uvoln ním energie. Vzájemnýmivztahy mezi r znými formami energie a vztahy mezi energetickými zm nami a vlastnostmilátek se zabývá chemická termodynamika.Pr h každého metalurgického pochodu je ovliv ován jednak hybnou silou pochodu a dálevnit ním a vn jším odporem reagující soustavy proti pr hu tohoto pochoduTermodynamická analýza umož uje stanovit hybnou sílu, nikoliv velikost odporu protianalyzované reakci.Termodynamickými výpo ty je proto možné zjistit, jak by sledovaná reakce probíhala v

ípad , že by nep sobil žádný odpor, není však možné ur it rychlost pr hu reakce.Prakticky se termodynamiky v metalurgii používá zejména:

ur ení energetické bilance reakcí,ur ení podmínek, za nichž existuje rovnováha mezi fázemi,výpo tu složení jednotlivých fází za rovnováhy,výpo tu složení homogenní soustavy za rovnováhy, p ípadn zm n tohoto složeníse zm nou vn jších podmínek,výpo tu podmínek, za kterých je možno dosáhnout nejnižších obsah nežádoucíchprvk .

Vysv tlení základních pojmSoustava nebo také systém je souhrn t les, která jsou p edm tem termodynamické úvahy.Z hlediska p enosu energie a hmoty rozlišujeme systémy:

Uzav ený systém od okolí nep ijímá ani do okolí nep edává hmotu (m že všaks ním vym ovat energii).Otev ený systém s okolím si vym uje hmotu i energii.

Z hlediska vlastností látky, p íp. látek rozlišujeme dále systémy:


15

Homogenní systém je takový, jehož vlastnosti jsou ve všech ástech systémustejné nebo se m ní pouze plynule (takto m žeme považovat nap . vodu nebovzduch).Heterogenní systém je složen z n kolika homogenních ástí (fází), jež jsou od sebeodd leny fázovými hrani ními plochami (m ní se jejich vlastnosti).

Termodynamika se zajímá o stavy, ve kterých se soustava nachází a o rovnováhách, které sev t chto soustavách ustavují.Termodynamické vlastnosti popisují vlastnosti soustavy. Tyto termodynamické vlastnosti se

lí na vlastnosti extenzivní a intenzivní.Extenzivní vlastnosti jsou závislé na množství látky v soustav a vykazují aditivní chování(jejich hodnota je rovna sou tu hodnot jednotlivých ástí, z nichž je systém složen nap .hmotnost, objem, látkové množství, energie).Intenzivní vlastnosti jsou nezávislé na velikosti soustavy a na množství látky v systému (nap .tlak, teplota, koncentrace, hustota a veškeré m rné veli iny vztažené na látkové množstvínebo hmotnost).Termodynamickým d jem se nazývá jakákoliv zm na vlastností soustavy spojená se zm noualespo jedné termodynamické stavové veli iny. V p írod probíhají samovolné jednosm rné

je a probíhají se snížením energie soustavy. Postupn se dostávají do rovnováhy. Dokonalétermodynamická rovnováha je však možná pouze v izolované soustav .Termodynamické stavové veli iny (p, v, T, c) jsou nezávisle prom nné veli iny, které popisujístav soustavy pomocí vhodn volených, zpravidla p ímo m itelných, fyzikálních veli in(teplota, tlak, objem a tepelné kapacity).Na základ stavových veli in lze potom vypo ítat další veli iny (stavové funkce)charakterizující soustavu.Termodynamické stavové funkce (H, U, S, F, G) jsou závislé pouze na termodynamickýchstavových podmínkách. Z toho plyne, že jejich zm ny jsou závislé pouze na po áte ním akone ném stavu soustavy a nezávisí na zp sobu p echodu soustavy z po áte ního dokone ného stavu. Stavové funkce potom matematicky vykazují úplný diferenciál a rozdílpo áte ního a kone ného stavu je nezávislý na integra ní cest .Stavové funkce lze obtížn m it, ale dají se vyjád it jako funkce m itelných stavovýchveli in: tlak, teplota, objem, tepelné kapacity.Mezi stavové funkce používané v termodynamice pat í nap . vnit ní energie U, entalpie H,entropie S, Gibbsova energie G a Helmholtzova energie F, chemický potenciál.Teplo a práce nevykazují vlastnosti termodynamické stavové funkce, protože p echodz po áte ního stavu soustavy do kone ného stavu je závislý na po áte ních a kone nýchstavových podmínkách, ale také na zp sobu p echodu soustavy, tj. na integra ní cest . Jsoutedy termodynamické funkce nikoliv stavové funkce.

Vnit ní energieVnit ní energie je veškerá energie t lesa nebo soustavy, která je obsažena v pohybech atom ,molekul, elektron a v jejich vzájemné vazb . Není zde zahrnuta „vn jší energie t lesa“. Uideálního plynu se vnit ní energie projevuje ur itým tepelným obsahem, tlakem a objemem.Absolutní hodnotu vnit ní energie není možné zm it. Význam má zm na vnit ní energie U:

(2.1)Rovnice (1) je formulací první v ty termodynamiky, která vyjad uje zákon zachování energie.Výrazy Q a A p edstavují zm nu tepla a práce odpovídající zm vnit ní energie U p i

echodu z jednoho stavu s odpovídající vnit ní energií U1 do druhého stravu s odpovídajícívnit ní energií U2.

AQU


16

Teplo p edstavuje jeden ze zp sob vým ny energie mezi soustavami. Teplem, jež soustavaedala druhé soustav , rozumíme energii p evedenou z jedné soustavy do druhé jiným

zp sobem než prací. Na rozdíl od jiných forem energie není možné teplo p em ovat do jinéformy energie. Teplo není tedy termodynamickou stavovou veli inou. V metalurgii se astopoužívá k výpo tu teplotních zm n tepelná kapacita C, která je definována obvykle pro jedenmol látky, p ípadn pro jednotku hmotnosti „c“ pak vztaženou na g nebo kg.Práce je jednou z forem p enosu energie mezi soustavami a je další d ležitoutermodynamickou veli inou, ale podobn jako teplo není stavovou funkcí.Z termodynamického hlediska lze u v tšiny metalurgických pochod vnímat práci, kterousoustava vykoná jako energii p sobící proti vn jšímu tlaku p i zm objemu soustavy.

EntalpiePokud uvažujeme d j, p i n mž soustava koná pouze objemovou práci, potom po dodání teplasoustav , které zp sobí zvýšení teploty o T, platí pro tento d j rovnice (2.2) vycházející zprvní v ty termodynamiky:

(2.2)

Rovnice ukazuje, že celkové teplo dodané soustav p i izobarické stavové zm (zaedpokladu, že soustava nekoná jinou než objemovou práci) je rovno sou tu dvou stavových

funkcí – vnit ní energie U a objemové práce pdV.Protože sou et dvou stavových funkcí má pro p echod z ur itého výchozího stavu do ur itéhokone ného stavu vždy stejnou hodnotu závisející pouze na tom, jaký byl výchozí a kone nýstav, lze tento sou et nahradit jedinou stavovou funkcí, kterou nazýváme entalpie, a zna íse H.V metalurgii probíhají v tšinou reakce za konstantního tlaku a entalpie má pak významreak ního tepla:

(2.3)

Entalpie je extenzivní stavovou veli inou, jejíž absolutní hodnotu nelze ur it, stejn jakonelze ur it absolutní hodnotu vnit ní energie. Pro standardní podmínky - teplotu 273 K a tlak101 325 Pa se volí pro prvky hodnota entalpie rovna nule a entalpie slou enin pak odpovídáslu ovacímu teplu za standardních podmínek.

Reak ní teplo, závislost reak ního tepla na teplotV metalurgii se p edpokládá nej ast ji pr h reakcí p i konstantním tlaku. Teplo uvol ované

i reakci je z hlediska reagující soustavy považováno v termochemii za kladné, vtermodynamice za záporné:

(2.4)

Výpo et reak ního tepla u chemických reakcí se po ítá podle Hessova zákona, který dokázal,že tepelný efekt reakce závisí pouze na po áte ním a kone ném druhu a stavu látek a nezávisína zp sobu pr hu reakce:

(2.5)

pdVdUdQ

pVUH

HQp

výchozíchprodukt HnHnH )()(


17

Závislost reak ní tepla na teplot r zných chemických reakcí se srovnává p i standardníchpodmínkách, protože reak ní teplo závisí obecn na teplot i tlaku. Reak ní tepla jednotlivýchslou enin H lze nalézt ve fyzikáln -chemických tabulkách obvykle pro teplotu 298,15 K.Pro jiné teploty je nutné reak ní teplo p epo ítat.

EntropieZ první v ty termodynamiky vyplývá, že teplo i práce mají rozm r energie. Zásadní rozdíl jev tom, že práci je možno p em nit na teplo beze zbytku, kdežto opa ný d j, tj. p em na teplana práci není beze zbytku možná.Entropie není teplo ani nemá rozm r tepla, ale p edstavuje teplo d lené teplotou a vyjad uje sev [J.K–1], pop . v [J.K–1.mol–1]. Entropie má tedy význam degradace tepelné energie.

i dQ = konst. je dS tím vyšší, ím je nižší teplota a opa . Z toho plyne, že schopnost teplakonat práci je tím vyšší, ím je dané množství tepla na vyšší teplot . Potom m žeme íci, žestejné množství tepla lze p i vyšší teplot soustavy p evést na v tší množství práce, než jetomu p i nižší teplot soustavy.

(2.6)

Entropie je stavovou funkcí, která má tu vlastnost, že u adiabatických d (dQ = 0) zastávákritérium sm ru a termodynamické rovnováhy d , a v p ípad vzr stu entropie prozrazujeskute nost, že v soustav probíhají nevratné d je.

Volná energie a volná entalpieProvedením dosazením za dQ vztah dQ = T. S z rovnice (1), která vyjad uje matematickýzápis prvního zákona termodynamiky, potom m žeme získat vztah:

dA = T.dS – dU (2.7)Práce dA uvedená v rovnici (2.7) vyjad uje maximální práci, kterou m že p i vratném d jisoustava vykonat. Maximální užite nou práci lze stanovit integrací této rovnice za

edpokladu, že V = k a T = k.(2.8)

(2.9)

V závorkách rovnice (2.9) je rozdíl termodynamickou funkcí, která byla nazvánaHelmholtzovou energií n kdy nazývanou též jako volná energie. Helmholtzova funkce sezna í symbolem F a lze ji vyjád it vztahem:

F = U – T.S (2.10)Potom termodynamická funkce tzv. volná energie z rovnice (2.8) má tvar:

(2.11)Maximální práci je možné lenit na práci objemovou a na užite nou práci, ve které jsouzahrnuty ostatní formy práce (elektrická, povrchová atd.).Helmholtzova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad , že tyto d jeprobíhají za konstantní teploty a objemu. Za konstantního objemu a teploty mohou samovolnprobíhat pouze ty d je, které jsou spojeny s poklesem volné energie. Potom volná energie nakonci d je musí být nižší než na po átku d je, nebo z rozdílu t chto energií se dotujeuvažovaný d j.

TdQdS

)–(–)–( 1212.max UUSSTA

)–(–)–(– 1122.max STUSTUA

FFFA )–(– 12.max


18

Protože v tšina metalurgických reakcí probíhá za konstantní teploty a p i konstantním tlaku,není Helmholtzova energie nejvhodn jší stavovou funkcí pro ešení metalurgických pochod .

mto podmínkám lépe vyhovuje jiná termodynamická stavová funkce odvozená zaedpokladu p = konst. a T = konst. Tuto funkce je nazývána Gibbsova energie nebo také

volná entalpie a zna í se symbolem G.Pro volnou entalpii lze odvodit podobným postupem jako pro volnou energii obdobnourovnici, jako je rovnice (2.11), která má pak tvar:

(2.12)

kde Amax p edstavuje maximální užite nou práci, kterou je možné p evést na práci zaizotermicko-izobarických podmínek a pro kone nou zm nu lze rovnici upravit na tvar:

(2.13)

Gibbsova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad , že tyto d je probíhají zakonstantní teploty a tlaku, kdy samovoln mohou probíhat pouze ty d je, které jsou spojenys poklesem volné entalpie, tj. volná energie na konci d je musí být nižší než na po átku d je.Maximální užite ná práce, kterou lze p em nit na neobjemovou práci p i d ji probíhajícím zaizotermicko-izobarických podmínek, je nižší než v p ípad izotermicko-izochorickýchpodmínek, což je zp sobeno tím, že ást energie je spot ebována na objemovou práci. P ireakcích v tuhé a tekuté fázi však nedochází k významným zm nám objemu a G ~ F.

Základy kinetiky metalurgických reakcíKinetika pojednává o rychlosti fyzikáln chemických reakcí. Znalost asového pr hufyzikáln chemické reakce je pot ebná zejména p i výzkumu, zavád ní a optimalizaci novýchmetalurgických pochod , nebo obsahuje také informaci o rychlosti, za kterou se dosahujerovnovážného, pop ípad kvazirovnovážného stavu. Základní veli inou v kineticemetalurgických reakcí je reak ní rychlost. Touto rychlostí se asto rozumí po et mol(pop ípad po et atom ) reagující látky, nebo po et mol produktu vzniklých za jednotkuasu v jednotce objemu

(2.14)

kde V je objem [m3], n zna í po et mol reagující látky, i produktu [mol], t jeas p íslušné reakce [s] a r je pr rná reak ní rychlost jejiž rozm r a též íselná hodnota

jsou odvislé od zvolené soustavy jednotek. V daném p ípad je obecný rozm r této rychlosti[mol.m-3.s-1].U v tšiny metalurgických reakcí probíhajících v kapalných roztocích kov , kde se objemreagující soustavy v pr hu reakce podstat nem ní, je možno po et mol (pop ípad atom )reagující soustavy nahradit zm nou hmotnostní, i atomové koncentrace reagující látky, iproduktu této reakce. Reak ní rychlost lze v takovém p ípad chápat jako zm nu koncentracelátky za asovou jednotku

(2.15)

Rozm r reak ní rychlosti je v p ípad , že koncentrace látky c je vyjád ena v [hm. %],vyjád en nap . v jednotkách .

Nutno upozornit, že již v samotném základním rozm ru reak ní rychlosti r se odrážískute nost, že kinetika metalurgických reakcí je vždy závislá na geometrických podmínkáchsoustavy, v níž p íslušná metalurgická reakce probíhá. Reak ní rychlost je tudíž zapot ebí

GGGA )–(– 12.max

STHG –

tn

Vr .1

Vtcr 1.

3..%

mshm


19

vždy vztahovat bu k objemu V [m3] nebo k množství Q [kg], v kterých se p íslušnáfyzikální, nebo chemická reakce uskute uje.

i popisu zcela ur itých metalurgických reakcí v praxi to velmi asto vede k tomu, že sev rozm rech reak ních rychlostí objem v m3, i množství v kg vynechávají a jsou zahrnutyv popisu podmínek, p i kterých byla p íslušná metalurgická reakce studována (kup íkladuv elektrické obloukové zásadité peci obsahu 6 t). V takových p ípadech se reak ní rychlostudává nap íklad v (hm. %/h), (hm. ppm/h), (at. %/h), (at. ppm/h) atp.).Popis termodynamicky rovnovážných stav , které jsou nezávislé na geometrii soustavy, jetudíž formáln jednodušší a p itom univerzáln jší než popis reak ní kinetiky, kterárovnovážným stav m p edchází. Všeobecn se p edpokládá, že reak ní rychlost fyzikálnchemické reakce je asto úm rná sou inu koncentrací reagujících látek, nebo sou inu mocnin

chto koncentrací. Toto názor je v souladu se základními p edstavami o molekulárním(atomovém) pr hu fyzikáln chemické reakce. Jestliže nap íklad probíhá reakce podleschématu:

(2.16)

Je zde pak vysoká pravd podobnost, že se st etne a molekul látky A s b molekulami látky B,takže rychlost bude úm rná po tu srážek mezi molekulami A a B za jednotku asu v jednotceobjemu, pop ípad v jednotce hmotnosti. Statistický model vysv tlující tento pochod

edložili Guldberg a Waage a ukázali, že pravd podobnost kontaktu a molekul látky A s bmolekulami látky B je úm rná sou inu mocnin koncentrací. Za p edpokladu, že tatopravd podobnost ur uje zárove pr rný po et st etnutí, lze o ekávat koncentra ní závislostreak ní rychlosti ve tvaru:

(2.17)

kde veli ina k je ozna ována jako rychlostní konstanta reakce (2.16) a je závislá na fyzikálnchemických vlastnostech soustavy, p edevším na povaze látek a na teplot . Rychlost tétoreakce v má implicitn složit jší podobu, než je tomu u reak ní rychlosti definované vztahy(2.14) a (2.15) a na rozlišení byl pro ni zvolen jiný symbol.

Roztoky roztavených kov , nekov a plynelem metalurgických pochod je m nit chemické složení roztavených kov s cílem získat

požadované chemické složení a požadované vlastnosti. V metalurgické praxi se pracuje spolykomponentními roztoky kov a strusek. Reakce probíhají asto na mezifázovém rozhranímezi struskou a kovem a nežádoucí prvky nebo jejich slou eniny jsou ve strusce absorbovány.Složení kov a strusek se v metalurgické praxi udává v hmotnostních procentech, pro nízkékoncentrace v hmotnostních ppm ( part per million ) p emž 1 ppm = 0,0001 %. Roztavenékovy se nechovají jako ideální roztoky a pro termodynamické výpo ty se proto asto musímísto koncentrací rozpušt ných prvk používat jejich aktivit.

2.2 Roztoky roztavených kov , nekov a plyn .

Kyslík v roztaveném železeMaximální rozpustnost kyslíku v istém železe p i teplot 1600 °C je 0,25 hmot. % (2500ppm). S rostoucí koncentrací kyslíku p ibližn nad hodnotu 0,08 %, dochází vlivemzv tšování vazebných sil mezi kyslíkem a železem k negativní odchylce od Henryho zákona.Takže, je nutné vzít v úvahu jeho efektivní koncentrace – tj. aktivity.V sou asné dob se kyslík do oceli p ivádí v tšinou jako plyn v oxida ním údobí tavby.Oxidace taveniny probíhá na každém typu tavícího agregátu za ú elem snížení koncentrace

DdCcBbAa

bB

aA cckv


20

nežádoucích prvk . Poté se provádí snižování obsahu kyslíku p ed nebo v pr hureduk ního údobí tavby nazvaném dezoxidace.Dezoxida ní prvek musí mít vždy vyšší afinitu ke kyslíku, než má železo. V tšinametalurgických proces , které probíhají v tavících agregátech a na za ízeních sekundárnímetalurgie tak souvisí s aktivitou kyslíku, která je pr žn ovliv ována a neustále se m nív závislosti na teplot a chemickém složení oceli, protože ocel obsahuje i další prvky. Vlivjednotlivých prvk na aktivitu kyslíku lze vyjád it pomocí hodnot interak ních koeficientprvního a druhého ádu. P íklady interak ních koeficient prvního ádu jsou uvedeny vtab. 2.1. Hodnoty interak ních koeficient se mohou lišit, podle r zných autor .

Tab. 2.1 Interak ní koeficienty prvního ádu vybraných prvk

X X X X

C 0,450 Ti 0,75 Cr 0,030 Th 6

Mn 0,009 Al 1,15 Ni -0,006 La 0,57

Si 0,100 Zr 0,44 Mo -0,0035 Ca 535

ísady odkysli ovacích prvk v roztavené oceli s rozpušt ným kyslíkem jsou doprovázenysnížením rozpustnosti kyslíku (prvky s kladným interak ním koeficientem), p ítomnostodkysli ovacího prvku v tavenin zesiluje vazby mezi atomy kyslíku a odkysli ovacíhoprvku, vznikají stabilní nerozpustné oxidy, které jsou s v tší ásti asimilovány do strusky.Aktivita kyslíku je ovliv ována také složením vyzdívek, které p ijdou do styku s taveninou astruskami, které obsahují, zejména lehce redukovatelné oxidy jako nap íklad FeO a MnO.Rozpustnost kyslíku v železe v tšina autor uvádí ve form kationtu O4+, nebo pro ú elytermodynamických výpo v atomární podob a lze ji popsat rovnicí:

OO 221 (2.18)

Rovnovážná konstanta K kyslíku rovnice (2.18) je vyjád ená rovnicí:

21

2O

O

pK (2.19)

Obsah kyslíku v oceli v závislosti na parciálním tlaku kyslíku lze z rovnice (2.19) odvoditv závislosti na parciálním tlaku kyslíku pO .

OO pK (2.20)i b žné ocelá ské praxi jeho koncentrace nep ekra uje v nelegovaných ocelích obvykle 300

až 400 ppm. Obsah kyslíku v roztavené oceli ídí také další prvky p ítomné v oceli jakoemík, mangan a uhlík. Po správn provedené dezoxidaci oceli hliníkem v pánvi iní aktivity

kyslíku v nelegovaných ocelích cca 5 až 10 ppm.Kyslík v oceli je prvkem, který má zásadní vliv na istotu oceli, podílí se na vznikuoxidických vm stk , které jsou nej ast jším typem a vznikají pr žn b hem celého procesuvýroby oceli a odlévání. V pr hu odlévání, pak hovo íme o reoxidaci odlévané oceli.Se stupn m odkysli ení oceli také úzce souvisí i stupe odsí ení a je prokázané, že stupeodsí ení je p ímo úm rný obsahu rozpušt ného kyslíku v oceli. Silné dezoxidovala nap . Ca,Al, Mn mají velkou afinitu k sí e, takže se bezprost edn podílejí na odsí ení a tvo ív roztavené oceli stálé, nerozpustné sirníky. Odstra ování kyslíku je v metalurgii pooxida ním údobí tavby nejd ležit jší operací a je možné ho provést n kolika mechanismy.

XO– e X

O– e XO– e X

O– e


21

Dusík v roztaveném železeVe v tšin nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je dusík považován za nežádoucí. Jehonep íznivý vliv je nej ast ji spojován se stárnutím oceli. P i poklesu teploty dochází k tvorbnitrid , které zp sobují zhoršení n kterých materiálových vlastností, zejména tažnosti avrubové houževnatosti. Stárnutí se nevyskytuje v ocelích, které obsahují prvky s vysokouafinitou k dusíku (Ti, Al). V t chto ocelích je dusík vázán na nitridy. P i ur itýchkoncentracích dusíku a hliníku m že dojít zejména u masivních odlitk také kevzniku lasturových lom . Dusík se podílí také na vzniku popoušt cí k ehkosti. P i ur itékoncentraci ve vysokolegovaných ocelích se dusík používá jako legující p ísada.Absorbuje se do oceli b hem celého výrobního procesu na otev ených pecích z pecníatmosféry. P i výrob ocelí legovaných prvky, které zvyšují rozpustnost dusíku v oceli(Cr, Mn) se hromadí dusík ve vratném materiálu.Zpracování vratného materiálu s vysokým obsahem dusíku m že zp sobit vznik vadv odlitcích. Také p i formování po zavedení organických pojivových systém je vyššípravd podobnost výskytu vad zp sobených dusíkovými bublinami. P i odlévání kovu doforem pojených organickými pojivovými systémy nastává p i styku kovu s formovacímmateriálem disociace organických slou enin a vznikající atomární dusík se poté v kovusnadno rozpouští.V tavenin istého železa je dusík p ítomen jako atom, p ípadn jako ion N2+. Za p edpokladuatomární rozpoušt ní dusíku v istém železe, lze p echod dusíku z plynné fáze do roztavenéhoželeza popsat rovnicí:

NN221 (2.21)

Rozpoušt ní dusíku v istém železe se vyzna uje p esným spl ováním Sivertsova zákona, cožlze vzhledem k Henryho zákonu popsat vztahem:

2N.N% pKN (2.22)

kde je parciální tlak dusíku v atmosfé e [Pa] a KN je rovnovážná konstanta rozpoušt nídusíku. Rovnovážný obsah dusíku v roztaveném železe odpovídá dané teplot a parciálnímutlaku dusíku v atmosfé e. Rozpustnost dusíku v istém železe lze vypo ítat, nap íklad p iteplot 1 600 °C a Pa je kolem 0,044 % dusíku.

Obdobným zp sobem jako v taveninželeza lze ur it také rovnovážný obsahdusíku v jednotlivých modifikacíchželeza v tuhém stavu. K jejichvýpo tu je nutno znát teplotnízávislost rozpustnosti dusíku pro danémodifikace železa. Jednoduchou

edstavu o rozpustnosti dusíku námposkytuje obr. 2.1, který p edstavujerovnovážné koncentrace dusíkuv závislosti na teplot u istéhoželeza. Diagram udává koncentracedusíku, které jsou v rovnovázes atmosférou tvo enou istýmdusíkem p i tlaku Pa.Pro endotermický charakterrozpoušt ní dusíku dochází s rostoucí

2Np

3251012Np

3251012Np

Obr. 2.1 Rozpustnost dusíku v istém železe v závislosti nateplot p i


22

teplotou také k r stu rozpustnosti dusíku. Naopak, snižování rozpustnosti dusíku v železes rostoucí teplotou souvisí se vznikem nitrid Fe4N p ípadn Fe2N. Tvorba t chto nitrid máexotermický charakter, který p evyšuje endotermický charakter rozpoušt ní dusíku a tímdochází s poklesem teploty k r stu rozpustnosti dusíku v modifikaci železa .

i praktických výpo tech v nelegovaných ocelích se p edpokládá, že dusík tvo í se železemsiln z ed ný roztok, který se ídí Henryho zákonem. P ítomnost prvk , které siln ovliv ujíaktivitu dusíku v oceli, vede k odklonu od Henryho zákona.Na obr. 2.2 je znázorn na rozpustnost dusíku v železe v soustav Fe–N–E v závislosti nakoncentraci prvku E p i parciálním tlaku dusíku 101 325 Pa a teplot 1600 °C. Vevícesložkových soustavách, zejména ve vysokolegovaných ocelích, je tedy rozpustnost dusíkuovlivn na také silovým p sobením dalších složek. U legovaných ocelí je nutné namístokoncentrací v rovnici (2.22) použít pro dusík Henryho aktivitu a tedy i Sieverts v zákon vetvaru:

2NN

N .N% pfK

(2.23)

Ve vztahu (2.23) p edstavujeaktivitní koeficient dusíku v oceli, kterýlze ur it na základ tabelovanýchinterak ních koeficient . V tab. 2.2 jsou

íklady n kterých interak níchkoeficient prvního a druhého ádu. P ipraktických výpo tech, zejména uvysokolegovaných ocelí, je nutné dovýpo tu aktivitního koeficientu zahrnoutnejen interak ní koeficienty prvníhoádu, ale také druhého ádu, p ípadn i

interak ní koeficienty k ížové.Ze vztahu (2.23) vyplývá, že s rostoucíhodnotou aktivitního koeficientuklesá za jinak stejných podmínek jehomaximální rovnovážná koncentrace, tj.klesá rozpustnost dusíku v oceli oprotiistému železu, a naopak p i poklesu

aktivitního koeficientu roste jehorozpustnost v oceli. Prvky se zápornouhodnotou interak ního koeficientuprvního ádu tedy snižují aktivitu dusíkuv roztaveném železe, ale zvyšují jehorozpustnost a naopak. Z prvk , které

snižují rozpustnost dusíku v železe, jsou ve slitinách železa nejd ležit jší zejména C a Si,jejichž obsah je významný obzvlášt v litinách, což zp sobuje, že rozpustnost dusíku jev b žných nelegovaných grafitických litinách podstatn nižší než v istém železe.

Nf

Nf

Obr. 2.2 Rozpustnost dusíku v soustav Fe-N-E iteplot 1600 °C a


23

Tab. 2.2 Doporu ené hodnoty interak ních koeficient prvního a druhého ádu v soustaváchFe-X-N

X .103 .104 X .103 .104 X .103 .104 X .103 .104

Al -28 Cu 9 Sn 7 Ni 10

B 94 O 50 La – 890 Ti – 780

C 130 P 45 Mn – 20 V – 94

Ce – 890 S 7 Mo – 11 W – 1,7

Co 11 Sc –1 600 N 0 Ti – 780

Cr – 42 2,5 Si 47 Nb – 86 19 Zr – 630

Oceli vyrobené na elektrické obloukové peci obsahují kolem 80 až 120 ppm dusíku. Ocelivyrobené na induk ních pecích obsahují v tšinou dusíku mén než oceli vyrobené naobloukové peci, což souvisí zejména s p echodem dusíku do lázn v oblasti elektrickéhooblouku. Obsah dusíku v oceli vyrobené na induk ních pecích je podmín n p evážn naobsahu dusíku ve vsázce.Pro legování dusíkem se používají feroslitiny prvk s vysokou afinitou k dusíku obohacené odusík jako dusíkový ferochrom nebo feromangan. Zvýšit obsah dusíku lze i dmýchánímplynného dusíku nejlépe do dezoxidované oceli, protože kyslík snižuje rozpustnost dusíkuv oceli.

i výrob ocelí na odlitky se používá k dezoxidaci hliník, potom je ást dusíku je v t chtoocelích vázána na nitrid hliníku AlN. Ješt stabiln jší nitridy než hliník tvo í titan a v ocelíchs obsahy Ti od 0,02 % n kdy i nižšími se vyskytují karbonitridy titanu.

Vodík v roztaveném železeV ocelích je vodík považován za nežádoucí prvek, protože zp sobuje zhoršení plastickýchvlastností, p evážn houževnatosti, nezvyšuje však pevnost. M že být dále u oceli p inouvnit ních trhlin, tzv. vlo ek, v d sledku prudkého snížení rozpustnosti p i fázové p em

. Jejich vznik je však typický zejména pro oceli s vysokou pevností po tvá ení. U ocelína odlitky je nej ast ji zdrojem bublin v odlitcích.Zdrojem vodíku v oceli jsou již vsázkové kovové a nekovové suroviny, pecní atmosféra, kteráobsahuje vodu ve form vodní páry. Koncentrace vodní páry ve vzduchu kolísá podle po así anejvyšší bývá v letním období. Významným zdrojem vodíku v oceli jsou nekovové p ísady,z nichž nejv tší vliv na výsledný obsah vodíku v oceli má vápno. P idáme-li vápno jakostruskotvornou p ísadu do strusky v reduk ním údobí, tj. po provedeném uhlíkové varu,nem že se již vodík vnesený spole s vápnem z lázn odstranit, pokud nemá slévárnak dispozici vhodné za ízení sekundární metalurgie. Provozní doporu ení bývá, že by obsahvody ve vápn nem l p ekro it cca 1 %. Velice d ležitým faktorem, který ovliv uje kone nýobsah vodíku v oceli je také struskový režim a chemické složení strusky. D ležité je zejména

asné pokrytí lázn struskou po stažení oxida ní strusky a vytvo ení tak nap né struskyst žující p echod vodíku do kovu. Pro udržení nízkého obsahu vodíku v oceli je nutno takédbát na minimální vlhkost odpichového žlábku pece a licí pánve, pomocí vhodnprovedeného režimu jejich vysoušení a žíhání.Chemickým složením strusky lze také vysv tlit rozdílné obsahy vodíku v oceli vyrobené vEOP s kyselou a zásaditou vyzdívkou.

XNe X

Nr XNe X

Nr XNe X

Nr XNe X

Nr


24

Podle konstrukce odlitku a slévárenské technologie se r zn zvyšuje obsah vodíku v ocelihem pln ní formy. Na zvýšení obsahu vodíku b hem odlévání m že mít vliv i rychlost

pln ní formy. Podobn jako v p ípad dusíku závisí zvýšení vodíku b hem odlévání také napoužitém pojivovém systému. Vodík m že v ocelích na odlitky v p ípad , že jeho obsah

ekro í maximální rozpustnosti vodíku v oceli, iniciovat vznik endogenních bublin, což jenebezpe né zejména p i lití na syrovo. Z tohoto hlediska je doporu eno používat sušenéformy.Sou asná v da p edpokládá, že vodík je v taveninách železa p ítomen jako atom, p ípadnjako proton H+. Uvažujeme-li atomární rozpoušt ní vodíku v istém železe, lze jej popsat,analogickým zp sobem jako v p ípad dusíku, rovnicí (2.24). P i praktických výpo tech se

edpokládá, že vodík tvo í se železem siln z ed ný roztok, který se ídí Henryho zákonem.Rozpoušt ní vodíku v istém železe se vyzna uje pom rn p esným spl ováním Sievertsovazákona, jež lze vzhledem k Henryho zákonu popsat vztahem (2.25):

(2.24)

2H.H% pKH (2.25)

kde2Hp je parciální tlak vodíku v atmosfé e a KH je rovnovážné konstanta rozpoušt ní

vodíku.Vzhledem k tomu, že rozpoušt nívodíku v železe má endotermickýcharakter, jeho rozpustnost se s rostoucíteplotou zvyšuje. Také pro nelegovanéoceli lze použít k popisu rozpoušt nívodíku v oceli Henryho zákon (2.25).Rovnovážný obsah vodíku v roztavenémželeze odpovídá dané teplot aparciálnímu tlaku vodíku v atmosfé e.Jeho rozpustnost v istém železe lzevypo ítat, nap íklad p i teplot 1 600 °Ca 325101

2Hp Pa je kolem 24,66 ppm.Obdobným zp sobem, jako v taveninželeza lze ur it také rovnovážný obsahvodíku v jednotlivých modifikacíchželeza v tuhém stavu. K jejich výpo tuje nutno znát teplotní závislostrozpustnosti vodíku pro dané modifikaceželeza. Jednoduchou p edstavu o

rozpustnosti vodíku nám poskytuje obr. 2.3, který p edstavuje rovnovážné koncentrace dusíkuv závislosti na teplot u istého železa. Diagram udává koncentrace vodíku, které jsouv rovnováze s atmosférou tvo enou istým vodíkem p i tlaku 325101

2H =p Pa.V atmosfé e p ítomná vodní pára se na povrhu kovu rozkládá na vodík a kyslík, které serozpoušt jí v oceli:

(2.26)

(2.27)

HH221

OH2OH 2

OH

O2H

OH2

2 paa

K

Obr. 2.3 Rozpustnost vodíku v istém železe v závislost nateplot p i


25

Z rovnice rovnovážné konstanty vyplývá, že aktivita vodíku v železe pod atmosférouobsahující vodní páru se bude zvyšovat s rostoucím parciálním tlakem vodní páry as poklesem aktivity kyslíku. Provozní praxe dokládá, že v hluboce dezoxidovaných ocelích jeobtížné dosáhnout na otev ených pecích nízké obsahy vodíku. Ve vícesložkových soustavách,zejména ve vysokolegovaných ocelích, je rozpustnost vodíku ovlivn na také silovým

sobením dalších složek. U legované oceli je nutné namísto koncentrací v rovnici (2.25)použít pro vodík Henryho aktivitu, tedy Sieverts v zákon ve tvaru:

(2.28)

Ve vztahu (2.28) p edstavuje aktivitní koeficient vodíku v oceli, který lze ur it na základtabelovaných interak ních koeficient . V tab. 2.3 jsou p íklady n kterých interak níchkoeficient .

Tab. 2.3 Doporu ené hodnoty interak ních koeficient v soustavách Fe-X-H

Pro vodík jsou k dispozici pouze interak ní koeficienty prvního ádu. Ze vztahu (2.28)vyplývá, že s rostoucí hodnotou aktivitního koeficientu klesá za jinak stejných podmínekjeho maximální rovnovážná koncentrace, tj. klesá rozpustnost vodíku v oceli oproti istémuželezu, a naopak p i poklesu aktivitního koeficientu roste jeho rozpustnost v oceli. Prvky sezápornou hodnotou interak ního koeficientu tedy snižují aktivitu vodíku v roztaveném železe,ale zvyšují jeho rozpustnost a naopak. Nejvíce snižují aktivitu vodíku prvky, které tvo ís vodíkem hydridy, které jsou stabilní jen za teplot pod cca 600 °C. Za vyšších teplot netvo ívodík žádné slou eniny.

Na obr. 2.4 je znázorn n výslednýobsah vodíku v oceli, který je dánsou tem obsahu vodíku v kovu aobsahu vodíku, který p echází dokovu jednak z pánve a dále zeslévárenské formy.

Z hlediska vzniku bublin v odlitcíchse jeví jako kritická hranice obsahuvodíku cca 7 ppm. P i hodnoceníkritického obsahu vodíku je všaknutné také p ihlédnoutk pravd podobnosti rozd lení vodíkuv jednotlivých tavbách. P i výroboceli na zásaditých elektrických

[ ]2H

H

H .% pfK

H =

Hf

Hf

X .104 X .104 X .104 X .104

Al 130 H ~ 0 Ni ~ 0 Si 270

B 500 Hf – 27 O 57 000 Sn 57

C 640 La – 180 P 110 Ta – 40

Ce – 180 Mn – 14 Pd 62 Ti – 190

Cr – 20 N S 80 W 80

XHe X

He XHe X

He

Obr. 2.4 Znázorn ní so tu metalurgického vodíku a vodíkuz formy na pravd podobnost vzniku bublin v odlitku


26

pecích jsou výsledné obsahy vodíku obvykle v intervalu 4 až 6 ppm. Výsledné obsahy vodíkuv oceli vyrobené na kyselé induk ní peci se pohybují v intervalu 3,5 až 5 ppm. Nižšíchobsah vodíku v oceli lze dosáhnout použitím n kterých prvk sekundární metalurgiepracujících p i sníženém atmosférickém tlaku, nap . VOD, OVD, VAD, kde je možnodosáhnout obsah vodíku cca 1 – 2 ppm.

Uhlík v roztaveném železeUhlík, který je základním prvkem všech ocelí, výrazn m ní vlastnosti železa, a to již odvelmi malých koncentrací. Rozhodujícím zp sobem ovliv uje jednak materiálové vlastnostimez kluzu - Re, mez pevnosti - Rm, tažnost - A, kontrakce - Z, nárazová práce - KV, tvrdost,ale také technologické vlastnosti, jako nap . sva itelnost nebo odolnost proti opot ebení.Uhlík v oceli je významným prvkem také z hlediska metalurgie. P i výrob oceli v elektrickéobloukové peci se doporu uje nauhli it vsázku. Nej ast jším používaným nauhli ovadlem p ivýrob oceli je koks. Pro p esné natavení nebo nastavení obsahu uhlíku v oceli se používásurové železo a feroslitiny bohaté na uhlík (feromangan, ferochrom). Významná otázka jeoduhli ení oceli v elektrické obloukové peci. Zp sob provedení oduhli ení oceli a jeho rozsah(oxidované množství) ovliv ují nejen následn probíhající metalurgické pochody, ale ivýslednou jakost odlitku.Vysoký obsah uhlíku ve vsázce snižuje spot ebu elektrické energie na roztavení a snižujepropal železa. Vysoké obsahy uhlíku jsou vhodné pro oxidaci plynným kyslíkem. Pokud sek oxidaci používá železná ruda, je lepší volit po roztavení pon kud nižší obsahy uhlíku.Obsah uhlíku po roztavení by m l být minimáln o 0,30 % vyšší než požadovaný obsahuhlíku na konci oxidace, ne však nižší než 0,50 %. D ležitým faktorem v oxida ním údobí jetaké rychlost oduhli ení, která by m la být minimáln 0,4 hmot. % uhlíku za hodinu.U nelegovaných ocelí s obsahem uhlíku do cca 0,2 hmot. % je odchylka od Henryho zákonamalá a v rámci chyb termodynamických dat je možné ji pro orienta ní výpo ty zanedbat. P ivyšším obsahu uhlíku vykazuje jeho roztok se železem výraznou pozitivní odchylku odRaoultova zákona vlivem zeslabování vazebných sil mezi atomy uhlíku a železa. Pro vyššíobsahy uhlíku nebo u legovaných ocelí je tedy nutné v termodynamických výpo techpoužívat namísto koncentrace uhlíku jeho aktivitu. V tab. 2.4 jsou uvedeny doporu enéhodnoty interak ních sou initel prvního a druhého ádu.

Tab. 2.4 Doporu ené hodnoty interak ních sou initel prvního a druhého ádu v soustavFe–X–C

X X X X

Al 0,043 – 0,7 Cu 0,016 N 0,11 Sn 0,041 0,2

B 0,24 H 0,67 Nb – 0,06 Ta – 0,021 – 0,2

C 0,14 7,4 Hf (– 0,04) Ni 0,012 1,5 Ti (– 0,16)

Ca – 0,097 La (– 0,10) O – 0,34 V – 0,077 0,1

Ce – 0,10 Mg (0,07) P 0,051 4,1 W – 0,0056

Co 0,008 0,9 Mn – 0,012 S 0,046 Y (– 0,16)

Cr – 0,024 7,9 Mo – 0,008 – 2,9 Si 0,08 0,7 Zr (– 0,09)

XCe 310.X

Cr XCe 310.X

CrXCe 310.X

CrXCe 310.X

Cr


27

Síra v roztaveném železeV oceli na odlitky je síra nežádoucím prvkem. P i vyšších koncentracích m že být uhmotn jších a t žkých odlitk síra p inou vzniku trhlin, snižuje pevnost oceli p i teplotáchpod solidem. T sn pod solidem existuje pásmo teplot, ve kterém má ocel zanedbatelnouhodnotu pevnosti. V tomto pásmu již nízká nap tí, která vznikající v odlitku p i chladnutí,vedou ke vzniku trhlin a síra toto pásmo ješt rozši uje.Zdrojem síry p i výrob oceli na elektrických pecích je vsázka. Pr rný výskyt v ocelovémodpadu nebývá v tšinou vyšší než 0,030 % S. Elektrické obloukové pece v tšinouneprosazují vysoký obsah pevného surového železa, vysoké obsahy síry obsahuje nap íkladzlomková litina, ale již litina s kuli kový grafitem, je výhodným vsázkovým materiálem sobsahem síry obvykle kolem 0,010 %.Prvky s vysokou afinitou k sí e tvo í se sírou p i teplotách 1600 °C sulfidy. Nejv tší afinituk sí e má vápník, ho ík a kovy vzácných zemin. Vápník i ho ík jsou p i teplot 1600 °Cv plynném skupenství a jejich rozpustnost v oceli je malá. Vliv prvk na rozpustnost síryv železe p i teplot 1600 °C je uvedena na obr. 2.5.

Pro odsí ení oceli pod zásaditou struskou, sníženírozpustnosti síry v d sledku tvorby sulfid se používávápník. Reakce mezi sírou a prvkem s vysokou afinitouk sí e mají velký vliv na morfologii sulfid , kterévznikají p i tuhnutí. Síra má silný sklon k segregaci av mikrom ítku segreguje k hranicím dendrit .V mezidendritických prostorách dochází k obohacenítaveniny sírou na koncentrace, p i kterých vznikajísulfidy prvk také s nižší afinitou k sí e nap . MnS.Podle obsahu síry, koncentrace prvk s vysokouafinitou k sí e a obsahu ostatních prvk , zejménakyslíku, se p i teplotách solidu nastavuje chemickésložení vznikajících slou enin síry s odpovídajícíteplotou tavení. Jestliže se slou eniny síry vylu ují, jakotuhá fáze vznikají hranaté vm stky, které mají malý vlivna houževnatost oceli. Za p ítomnosti prvk s vysokouafinitou k sí e a kyslíku mohou vznikat vm stkys teplotou tavení nižší než je teplota solidu oceli. Za

chto podmínek jsou vznikající sulfidy tekuté a tvo íkulovité vm stky.Jestliže je v tavenin nedostate né množství prvk

s vysokou afinitou k sí e a k tvorb sulfid dochází až po vysokém obohacení mezidendritickétaveniny sírou ke konci tuhnutí, tak vznikají ploché rozv tvené vm stky usm rn né domezidendritických prostor, které výrazn snižují houževnatost oceli.V ocelích na odlitky se b žn vyskytují obsahy síry pod 0,030 %. U ocelí, u kterých jsoupožadovány vyšší hodnoty houževnatosti také p i záporných teplotách, se snižuje obsah sírypod 0,015 %. U vysoce pevných ocelí na odlitky se požadují obsahy síry pod 0,010 %. Prosnížení segregací síry v t žkých odlitcích se snižuje obsah síry pod 0,003% i níže.

i odsí ení se využívá asto zvýšení aktivity síry za p ítomnosti jiných prvk . Pozitivnípodmínky pro odsí ení jsou p i výrob ocelí s vysokým obsahem uhlíku a k emíku protožeoba prvky zvyšují aktivitu síry. Negativní podmínky jsou p i legování prvky snižujícímiaktivitu síry, a proto je vhodné odsi ovat p ed legováním nap íklad p i výrob legovanýchocelí p ed p ísadou chrómu.

Obr. 2.5 Vliv prvk na rozpustnost síryv železe p i teplot 1600 °C


28

Vliv jednotlivých prvk a aktivitu síry lze posoudit z hodnot interak ních sou initeluvedených v tab. 2.5.Tab. 2.5 Doporu ené hodnoty interak ních sou initel prvního a druhého áduv soustav Fe-X-S

X X X X

Al 35 9 Cr –12 – Nb – 13 – 1 Sn 43 –

As 4,1 – Cu – 8,4 – Ni 0,06 – Ta -0,2 –

Au 4,2 – H 120 – O – 440 – Th -200 –

B 130 74 Hf – 45 – P 29 6 Ti –82 1

Ba –30000 La –20000 – Pb – 46 – U -67 –

C 110 58 Mg –30000 – Pt 8,9 1 V -22 –

Ca –32000 – Mn – 21 – S – 28 – 9 W 4 1

Ce –19000 – Mo 2,7 – Sc –11000 – Y –18000 –

Co 2,6 – N 10 – Si 63 17 Zr –67 – 2

Shrnutí pojm kapitoly

Po prostudování kapitoly by vám m ly být jasné následující pojmy:

chemická termodynamikatermodynamické vlastnosti a d je

termodynamické stavové veli iny a stavové funkceel metalurgických pochod

úloha kyslíku, dusíku a vodíku v roztaveném železeúlohu uhlíku a síry v roztaveném železe


1) Jaké znáte praktické využité termodynamiky?

2) Které znáte termodynamické stavové veli iny a jejich další využití?3) Které znáte termodynamické stavové funkce a jejich základní charakteristiky?

4) Jaká je úloha kyslíku v roztaveném železe?5) Jak se projevuje dusík v roztaveném železe?

6) Jak se projevuje vodík v roztaveném železe?7) Jaké je úloha uhlíku v roztaveném železe?

3XS 10.e 410.X

Sr3X

S 10.e 410.XSr

3XS 10.e 410.X

Sr3X

S 10.e 410.XSr


29





3. Normy a sortiment ocelí na odlitky. Konstruk ní oceli na odlitky.Speciální oceli na odlitky korozivzdorné. Speciální oceli na odlitkyvzdorující opot ebení.



seznámíte se s významem a funkcí technických dodacích podmínek podle SN EN

ujasníte si sou asn používaný systém zna ení sortimentu oceli na odlitky

budete znát základní charakteristiku konstruk ních ocelí na odlitkybudete znát základní charakteristiku korozivzdorných ocelí na odlitkyujasníte si jednotlivé struktury korozivzdorných ocelí na odlitkybudete znát základní charakteristiku speciální oceli na odlitky vzdorující

opot ebení

Výklad

Sortiment ocelí na odlitky významn zastoupených v sortimentu eských slévárenSortiment oceli byl v posledních létech ovlivn n zejména dv ma zm nami:- Nelegované oceli b žné jakosti byly do zna né míry nahrazeny odlitky z litiny s kuli kovýmgrafitem. Nelze je nahradit tam, kde jsou požadovány vlastnosti s dobrou sva itelností,plastické vlastnosti a vysoká houževnatost za pokojové teploty i za nízkých teplot (nízkouhodnotu p echodové teploty).Pe livost vedení tavby a jakost vlastního metalurgického p edpisu se nejvíce projeví nahodnotách houževnatosti a p echodové teploty.- Zapojením eské ekonomiky do evropského hospodá ského prostoru a s tím souvisejícím

echodem na evropské normy.ed tímto obdobím byly v eských slévárnách používány mimo národní SN také n mecké

normy DIN a n které další normy.


30

Také po p echodu na jednotné evropské normy jsou i p vodní starší normy v obchodnímstyku nadále významn používány.

3.1 Normy a sortiment ocelí na odlitkyPoužívání norem bylo d íve závazné. V sou asné dob je používání norem v eské republicevýsledkem obchodního jednání. Dohodnuté normy pro dodávky odlitk , které jsou

edm tem kupní smlouvy a jsou pro ob strany závazné. Výrobce garantuje vlastnostiuvedené v norm bez ohledu na zákazníkem požadované zkoušky, není-li v kupní smlouvuvedeno jinak.Podmínky dodávky odlitk , zna ení, zp sob výroby, zkoušení, p íp. další ur ují technickédodací podmínky.V sou asné dob jsou platné Technické dodací podmínky SN EN 1559-1, které specifikujídodávky odlitk obecn .Dodávky ocelových odlitk up es uje navazující norma SN EN 1559-2 Dopl kovépožadavky na ocelové odlitky.Tuto oblast norem dopl ují Technické dodací podmínky pro ocelové odlitky pro tlakovénádoby ást 1 až ást 4.Technické podmínky pro jednotlivé zna ky ocelí p edepisují zejména chemické složení,podmínky sva itelnosti, tepelné zpracování, a požadované mechanické vlastnosti pro r znéteploty zkoušení.Zna ky ocelí jsou rozd leny podle používání do t í skupin.Ve 2. ásti SN EN 10213-2 jsou uvedeny Zna ky ocelí pro použití za normální teploty a zazvýšených teplot.Ve 3. ásti SN EN 10213-3 jsou uvedeny Zna ky ocelí pro použití za nízkých teplot.Ve 4. ásti SN EN 10213-4 jsou uvedeny Zna ky austenitických a austeniticko-feritickýchocelí.Dále se používají v R starší dnes již neplatné technické dodací podmínky SN 42 12 61 aDIN 1690.Zna ení ocelí je upraveno normami

SN EN 10027-1 Systémy ozna ování ocelí 1. ást: Systém zkráceného ozna ování -Základní symboly

SN EN 10027-2 Systémy ozna ování ocelí 2. ást: Systém íselného ozna ování.Další len ní sortimentu ocelí na odlitky:Oceli pro všeobecné použití SN EN 10293 - Oceli na odlitky pro všeobecné použití(konstruk ní oceli).Korozivzdorné oceli SN EN 10283 - Oceli na odlitky z korozivzdorných ocelí.Žáruvzdorné oceli SN EN 10295 - Oceli na odlitky ze žáruvzdorných ocelí.

3.2 Konstruk ní oceli na odlitkyOceli jsou ur eny pro všeobecné použití ( SN EN 10293).Nelegované oceli s obsahem Mn nižším než 1,20 % mají p edepsaný maximální obsah P a S.Nelegované oceli s obsahem Mn do 1,20 % jsou znázorn ny v tab. 3.1.Požadavek na chemické složení je u zna ek GE XXX p edepsán pouze pro maximální obsahsíry a fosforu. Ostatní chemické složení si ídí provoz slévárny tak, aby byly dosaženy

edepsané mechanické hodnoty.U zna ek GS XXX jsou p edepsány pouze maximální obsahy uhlíku, k emíku a síry a dálerovn ž základní mechanické hodnoty.


31

Tab. 3.1 Chemické složení nelegovaných konstruk ních ocelí na odlitky s obsahem Mnnižším než 1,2 %.Ozna ení Max. povolený obsah v hmot. %. t*

[mm]Rp0,2 Rm A KV**

Zna kou íslem C Si Mn P S [MPa] [MPa] [%] [J]GE 200 1.0420 - - - 0,035 0,030 300 200 380-530 25 27GS 200 1.0449 0,18 0,60 1,20 0,030 0,025 100 200 380-530 25 35GE 240 1.0446 - - - 0,035 0,030 300 240 450-600 22 27GS 240 1.0455 0,23 0,60 1,20 0,030 0,025 100 240 450-600 22 31GE 300 1.0558 - - - 0,035 0,030 30

30-100300300

600-750520-670

1518

2731

*tlouš ka ** zkouška rázem v ohybu p i teplot okolíNelegované oceli s obsahem Mn 1,60 až 1,80 %. Jakosti t chto zna ek oceli jsou nejenomv eských slévárnách velmi rozší eny.Jednotlivé zna ky této skupiny ocelí se od sebe liší zejména obsahem uhlíku a jejichchemické složení je uvedeno v tab. 3.2. Pro názornost je v této tabulce p azení jednotlivýchzna ek ozna ených podle staré SN normy. Za azení je p ibližné a všechny hodnotychemického složení se nekryjí s hodnotami.Tab. 3.2 Chemické složení nelegovaných konstruk ních ocelí na odlitky s obsahem Mn 1,60až 1,80 %.

Ozna ení Chemické složení v hmot. %. Ekvivalentv staré SNZna kou íslem C

min.C

max.Si

max.Mnmin.

Mnmax.

Pmax.

Smax.

G17Mn5 1.1131 0,15 0,20 0,60 1,00 1,60 0,020 0,020 42 27 13G20Mn5 1.6220 0,17 0,23 0,60 1,00 1,60 0,020 0,020 42 27 14G24Mn6 1.1118 0,20 0,25 0,60 1,50 1,80 0,020 0,015 42 27 12G28Mn6 1.1165 0,25 0,32 0,60 1,20 1,80 0,035 0,030 42 27 09

Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností nelegovaných konstruk ních ocelí naodlitky s obsahem Mn 1,60 až 1,80 % je možné dohledat v doporu ené literatu e.V tab. 3.2 nejsou uvedeny maximální obsahy nespecifikovaných prvk . Tyto jsouznázorn ny v tab. 3.3.Tab. 3.3 Maximální obsahy nespecifikovaných prvk v % hmotnosti

Typy ocelí Cr Mo Ni V Cu Cr + Mo + Ni + V + CuUhlíkové oceli 0,30 0,12 0,40 0,03 0,30 1,00Legované oceli 0,30 0,15 0,40 0,05a 0,30

a 0,08% V pro oceli s Cr 10% hmotnosti

Široký rozsah mechanických vlastností jakostí ocelí v tab. 3.2 je možné dosáhnout tepelnýmzpracováním. Nutným p edpokladem je však u v tšiny zna ek kalení v kalicí lázni.Nízkolegované oceli lze rozd lit na oceli legované Mo, oceli legované Cr + Mo a na oceliobsahující dále Ni. U skupiny nízkolegovaných Cr + Mo ocelí se obsah chrómu pohybujev intervalu 0,80 až 2,50 %, a obsah Mo 0,15 až 1,20 %. Zásadní vliv na vlastnosti tétoskupiny ocelí má obsah uhlíku a stabilita karbid za vyšších teplot se u molybdenových achróm-molybdenových ocelí zvyšuje p ísadou 0,05 až 0,15 % V. Tab. 3.4 znázor ujechemické složení nízkolegovaných Mo a Cr + Mo ocelí a je zde také uvedena zna kaG10MnMoV6-3 nízkolegované mangan molybden vanadové oceli.


32

Tab. 3.4 Chemické složení nízkolegovaných Cr-Mo-(V) ocelí na odlitkyOzna eníZna kou

Chemické složení v hmot. %.

C Simax. Mn P

max.S

max. Cr Mo V

G20Mo5 0,15–0,23 0,60 0,50–1,00 0,025 0,020 - 0,40–0,60 -G10MnMoV6-3 max. 0,12 0,60 1,20–1,80 0,025 0,020 - 0,20–0,40 0,05–0,10G15CrMoV6-9 0,12–0,18 0,60 0,60–1,00 0,025 0,020 1,30–1,80 0,80–1,00 0,15–0,25G17CrMo5-5 0,15–0,20 0,60 0,50–1,00 0,025 0,020 1,00–1,50 0,45–0,65 -G17CrMo9-10 0,13–0,20 0,60 0,50–0,90 0,025 0,020 2,00–2,50 0,90–1,20 -G26CrMo4 0,22–0,29 0,60 0,50–0,80 0,025 0,020 0,80–1,20 0,15–0,30 -G34CrMo4 0,30–0,37 0,60 0,50–0,80 0,025 0,020 0,80–1,20 0,15–0,30 -G42CrMo4 0,38–0,45 0,60 0,60–1,00 0,025 0,020 0,80–1,20 0,15–0,30 -G30CrMoV6-4 0,27–0,34 0,60 0,60–1,00 0,025 0,020 1,30–1,70 0,30–0,50 0,05–0,15

Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností nízkolegovaných Cr-Mo-(V) ocelí naodlitky je možné dohledat v doporu ené literatu e.Nízkolegované a st edn legované oceli uvedené v tab. 3.4 a v eských slévárnách se vyráb jíjen omezen a proto by bylo žádoucí jejich produkci zvýšit.Poslední skupinou ocelí na odlitky pro všeobecné použití jsou vysokolegované martenzitickéoceli s obsahem chrómu nad 12 % s obsahem uhlíku do 0,06 %. Tyto oceli jsou sou asnza azeny mezi vysokolegované korozivzdorné oceli s martenzitickou strukturou.

3.3 Korozivzdorné oceliOceli odolné proti korozi jsou materiály schopné pasivace povrchu za p ítomnosti chrómu.Nejnižší koncentrace chrómu v matrici, která zajiš uje pasivaci je 11,5 %. Protože m že býtv technických slitinách také ást obsahu chromu vázána na karbidy, tak je nutné koncentracichromu pro zachování stejné korozní odolnosti oceli zvýšit.Odolnost proti korozi ocelí závisí také na obsahu dalších prvk zejména C, Ni, Mo, Mn,

ípadn na N a Cu. Zm nou chemického složení dochází k ovliv ování, p íp. zmvznikající struktury a její teplotní stability, s ímž korespondují i odpovídající mechanickévlastnosti t chto materiál . V prvním p iblížení je možné p i predikci výsledné strukturyvycházet z rovnovážného diagramu Fe-Cr , který je znázorn n na obr. 3.1.

V rovnovážném diagramu Fe-Cr se p i obsahuchrómu okolo 12 % uzavírá oblast .

i vyšším obsahu chrómu ve slitin než 12 %proto nedochází p i chladnutí k p ekrystalizaci.Výsledná struktura t chto ocelí je pak feritická.V p ípad , že je obsah uhlíku vyšší, než je jehorozpustnost ve feritu p i dané teplot , vznikají vestruktu e b hem chladnutí též karbidy.Pokud je obsah chrómu v oceli nižším než 12 %,tak jsou samokalitelné a za obvyklých výrobníchpodmínek se transformuje austenit na martenzit.V p echodové oblasti obsahu chrómu m že jenást feritu p ekrystalizovat na austenit. Výsledné

struktura je pak feriticko – martenzitická.Austenitotvorné prvky Ni, C, N, Mn rozši ujíoblast a snižují teplotu martenzitické p em ny.

Obr. 3.1 Rovnovážný diagram Fe–Cr


33

Vysokolegované oceli Cr - Ni mohou mít austenitickou strukturu i za pokojové teploty.Nikl p ispívá ke zvýšení korozivzdornosti a je vedle chrómu druhým nejd ležit jším prvkemv nerezav jících ocelích. P i nižší koncentraci austenitotvorných prvk lze získat austenitickoferitickou strukturu. P i vyšších koncentracích chrómu (40 až 50 %) se vylu uje sigma fáze.Vylu ování sigma fáze je u korozivzdorných ocelí nežádoucí, nebo vede ke sníženíhouževnatosti oceli.

Odlitky z korozivzdorných ocelíKorozivzdorné oceli na odlitky mají nízký obsah uhlíku, vyjma dvou zna ek martenzitickýchocelí, u ostatních zna ek je obsah uhlíku nižší než 0,070 %.Oceli rozd lujeme podle normy na struktury martenzitické, austenitické, pln austenitické aausteniticko – feritické. Rozdíl mezi austenitickými a pln austenitickými ocelemi není sicev norm specifikován, ale lze tyto oceli lenit podle koncentrace niklu.Austenitické oceli obsahují 8 až 12 % niklu a pln austenitické ocelí mají vysoký obsah nikluv rozmezí cca 24 až 30,5 %. Krom chrómu a niklu je významným legujícím prvkemmolybden. Pln austenitické zna ky obsahují až 7 % Mo.K legování n kterých zna ek austenitických, pln austenitických a austeniticko – feritickýchse používá také dusík a to v koncentracích do 0,25 %. M dí jsou korozivzdorné oceli u

kterých zna ek legovány do 4 %.Vlivem tvorby karbid chromu mohou vznikat v oceli místa ochuzená o chrom, která majínižší korozivzdornost než ostatní matrice. Na t chto místech, zejména pak na hranicích zrn,

že výskyt t chto karbid vést ke vzniku mezikrystalické koroze. Tento typ koroze sevyskytuje obzvlášt po sva ování v tepeln ovlivn né zón . Ochranou proti mezikrystalickékorozi je bu snížení obsahu uhlíku na koncentraci, která se rovná nebo je menší než jerozpustnost uhlíku v matrici p i teplotách za kterých se ješt vylu ují karbidy, nebolegováním oceli prvky s vyšší afinitou k uhlíku než má chrom.Legování oceli prvky s vysokou afinitou k uhlíku se íká stabilizace. Vysokou afinitu k uhlíkumají zejména Ti, Nb, Ta. V sou asnosti se dává p ednost použití niobu, p íp. kombinaciNb + Ta.Struktura nerezav jících ocelí tedy závisí jednak na obsahu prvk , které oblast zužují(feritotvorné prvky), a dále prvk , které naopak tuto oblast rozši ují (austenitotvorné prvky).Pro shrnutí ú ink austenitotvorných prvk a feritotvorných prvk se zavádí pojem tzv.ekvivalentu niklu Niekv.(3.1) a ekvivalentu chromu Crekv.(3.2). Jejich zavedení umož ujevyjád it vliv chemického složení na strukturu nerezav jících ocelí. Grafické znázorn ní vlivjednotlivých prvk na kone nou strukturu udává tzv. Schaeffler v diagram na obr. 3.2.Hodnoty jednotlivých ekvivalent lze ur it s využitím vztah :

%N.30%C.30%Mn.0,5%NiNiekv. (3.1)%Nb.0,5%Si.1,5%Mo%CrCrekv. (3.2)


34

Schaeffler v diagram není rovnovážným diagramem, ale zobrazuje strukturu, kterou lze p idaném chemickém složení získat v litém stavu, tj. v odlitku. Tohoto diagramu se také využívá

i odhadu výsledné struktury svarového kovu, vznikajícího mícháním svarového kovus legovaným anebo nelegovaným základním materiálem.

Martenzitické oceliKorozivzdorné oceli s martenzitickou strukturou lze podle chemického složení rozd lit naoceli chromové a chromniklové. Chromniklové oceli bývají také legovány molybdenem.Tento typ ocelí má strukturu tvo enou tetragonální prostorov st ed nou m ížkou, kterávzniká díky vysokému obsahu chrómu i p i nízkých rychlostech ochlazování. Martenzitickékorozivzdorné oceli obsahují 11,5 až 17,0 % chrómu a obsah uhlíku se ídí podle obsahuniklu. U zna ek s nižším obsahem uhlíku (pro zlepšení sva itelnosti) je nutné austenitotvorné

sobení uhlíku kompenzovat zvýšeným obsahem niklu.Martenzitické oceli s obsahem niklu do 1 % mají p i pokojové teplot strukturu tvo enounejen základní martenzitickou fází, ale obsahují zpravidla také do 10% feritu. Aby bylazjišt na korozivzdornost martenzitických ocelí, musí obsahovat více než 11,5 % chrómu. ZeSchaefflerova diagramu (obr. 3.2) dále vyplývá, že ocel musí obsahovat také prvky rozši ujícíoblast , tj. zejména uhlík a nikl. Dolní hranice obsahu uhlíku je omezena u ocelí bez p ísadyniklu podílem feritu ve struktu e, nebo snižování jeho obsahu dochází k r stu podílu feritu vestruktu e. Maximální p ípustný obsah feritu v t chto ocelích je 20 %.Pro zvýšení sva itelnosti martenzitických ocelí se požaduje snížení obsahu uhlíku, které jekompenzováno p ísadou niklu. Snížení obsahu uhlíku m že být kompenzováno podle rovnice(3.1) zvýšením obsahu niklu V sou asnosti se využívají pom ry na obsah niklu 4 až 6 % aobsah uhlíku se snížil pod 0,06 %. Nové typy martenzitických Cr-Ni ocelí se vyzna ují vyššíkorozivzdorností, houževnatostí a lepší sva itelností. Struktura martenzitických ocelí s 3,5 až6,0 % niklu p i 12,0 až 17,0 % Cr je tvo ena martenzitem a disperzn vylou eným austenitem,kdy podíl austenitu se pohybuje okolo 25 % a více. Vlastností uvedených ocelí významnovliv uje dispersn vylou ený austenit, který zvyšuje houževnatost t chto ocelí i p izáporných teplotách a zlepšuje sva itelnost. Ocel GX5CrNi16-4 je legována m dí. Ocelilegované m dí jsou vytvrditelné. Složení jednotlivých zna ek martenzitickýchkorozivzdorných ocelí znázor uje tab. 3.5.

Obr. 3.2 Schaeffler v strukturní diagram Cr-Ni ocelí


35

Tab. 3.5 Chemické složení martenzitických korozivzdorných ocelí dle normy SN EN 10283Ozna ení Chemické složeni v hmotnostních % ekvivalent

SNzna kou íslem Cmax.

Simax.

Mnmax.

Pmax.

Smax.

Cr Mo Ni Cu

GX12Cr12 1.4011 0,15 1,00 1,00 0,035 0,025 11,5013,50

max.0,50

max.1,00

- 422905

GX4CrNiMo12-1 1.4008 0,10 1,00 1,00 0,035 0,025 12,0013,50

0,200,50

1,002,00

- 422904

GX4CrNi13-4 1.4617 0,06 1,00 1,00 0,035 0,025 12,0013,50

max.0,70

3,505,00

- 422960

GX4CrNiMo16-5-1 1.4405 0,06 0,80 1,00 0,035 0,025 15,0017,00

0,701,50

4,006,00

GX4CrNi1Mo16-5-2

1.4411 0,06 0,80 1,00 0,035 0,025 15,0017,00

1,502,00

4,006,00

GX5CrNi16-4* 1.4525 0,07 0,80 1,00 0,035 0,025 15,0017,00

Max.0,80

3,55,5

2,504,00

* V oceli GX5CrNi16-4 je omezen obsah N max. 0,05% a obsah Nb max. 0,35%

Martenzitické oceli jsou korozn odolné v zakaleném stavu. Popoušt ním na teplotách450 až 550 °C se vyskytuje u martenzitických ocelí v souvislosti s vylu ováním karbidz martenzitu popoušt cí k ehkost. Martenzitické oceli jsou dob e sva itelné pouze v p ípadjejich nízkouhlíkatých modifikací.Teplené zpracování martenzitických ocelí spo ívá v kalení na vzduchu a následujícímpopoušt ní. Dodržení teplotního režimu je d ležité zejména p i tepelném zpracování ocelís obsahem 3,50 až 6,00 % Ni. Chemické složení t chto oceli je kolem 13,0 až 17,0 % Cr a 3,5až 6,0 % Ni p i obsahu uhlíku do 0,06 %.Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností martenzitických korozivzdornýchocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e.Vzhledem k vysokým pevnostem p i dobré sva itelnosti se používají martenzitické oceli p istavb vodních turbín, kompresor a sou ástem pracujících v mo ské vod , v potraviná skémpr myslu a ve zdravotní technice. Oceli výše legované Mo mají vyšší korozní odolnostv mo ské vod a používají se také p i stavb odsolovacích za ízení (výroba pitné vodyz mo ské).Korozní odolnost martenzitických ocelí je nižší než je tomu u feritických i austenitickýchocelí, p edstavují však nejlevn jší variantu korozivzdorných ocelí.

Feritické oceliU ocelí s nízkým obsahem uhlíku (do cca 0,08 % C) je tato ocel feritická již p i obsahuchrómu nad 17 %. B žn používané feritické oceli obsahují od 17 do 30 % Cr a od 0,1 do0,20 % C. Mezi ist feritické korozivzdorné oceli pat í také speciální oceli se sníženýmobsahem uhlíku pod 0,01 % ozna ované jako superferity. Feritické oceli mají dobrou koroznía žárovou odolnost, ale nižší vrubovou houževnatost a vysokou vrubovou citlivost.

i tuhnutí t chto ocelí se vylu uje z taveniny chromový ferit, který s poklesem teploty jiždále netransformuje. Rozpustnost uhlíku v chromovém feritu je nižší než 0,01 %, proto je vpodstat všechen v oceli p ítomný uhlík vylou en ve form karbid .Feritické oceli s vyššími obsahy uhlíku jsou proto k ehké a používají se jako oceližáruvzdorné. Jako korozivzdorné oceli používají oceli s obsahem Cr okolo 17 % a obsahemuhlíku pod 0,08 %.Feritické oceli se tepeln nezpracovávají s výjimkou tepelného zpracování na odstran ní

ehkosti. Obdobn jako je tomu u martenzitických ocelí, dochází také u ist feritickýchocelí k poklesu houževnatosti v oblasti teplot 400 až 550 °C. U tohoto typu ocelí mluvíme o

ehkosti p i 475 °C podle teploty, která ji nejvýrazn ji vyvolává. Z tohoto d vodse feritických korozivzdorných ocelí nepoužívá pro sou ásti pracující v oblasti teplot 400 až


36

600 °C. Nad teplotou 900 °C dochází také k hrubnutí zrna a v p ípad dlouhodobého oh evui teplotách 550 až 800 °C dochází ke k ehnutí oceli vlivem vylu ování k ehké fáze . Ke

snížení sklonu k hrubnutí zrna je možné tyto oceli stabilizovat prvky Ti nebo Nb, kterésou asn svým feritickým ú inkem mohou zamezit vzniku k ehké dvoufázovémartenziticko - feritické struktury.Pro použití feritických ocelí hovo í p edevším úspora niklu, který spole s molybdenemzpravidla nejvíce rozhodují o cenách korozivzdorných ocelí.Použití t chto oceli je zejména v energetice na díly vým ník , p edeh íva e vzduchu,rekuperátory a sou ásti kotl . Na odlitky se vysokolegované feritické chrómové ocelipoužívají z ídka a norma SN EN 10283 feritické oceli neuvádí. V norm SN EN 10295Žáruvzdorné oceli na odlitky je uvedeno 6 zna ek feritických ocelí. S ohledem na vysokýobsah uhlíku nejsou tyto oceli vhodné jako korozivzdorné oceli.Feritické oceli s nízkým obsahem uhlíku je možné vyráb t metodami vakuové metalurgie.Tato za ízení však nejsou v b žných v eských slévárnách k dispozici.

Austenitické ocelii dostate ném množství austenitotvorných prvk zejména Ni (Mn, C, N) se snižuje teplota

martenzit start i p i vysokém obsahu Cr v korozivzdorných ocelích pod pokojovou teplotu.Oceli pak mají austenitickou strukturu. V sou asnosti je používán obsah Ni 9 až 12 %, p iobsahu 18 až 20 % Cr. Snaha nahradit deficitní nikl vedla k austenitickým ocelím, u kterýchbyla ást niklu nahrazena dusíkem.Dusík v austenitických Cr-Ni ocelích zvyšuje pevnostní vlastnosti a oceli legované dusíkemmají výbornou korozivzdornost. Nap íklad jak vyplývá ze vztahu pro výpo et ekvivalentuniklu Niekv. (3.1), lze nahradit austenitotvorný ú inek 3 % niklu pomocí 0,1 % dusíku.Rozpustnost dusíku je vzhledem k vysokým obsah m Cr podstatn vyšší, než je nap . jehorozpustnost v istém železe. Oproti tvá eným ocelím je však obsah dusíku v austenitickýchocelích omezen na 0,20 % a to u zna ek s obsahem uhlíku do 0,03 %. P i vysokých obsazíchdusíku je v odlitcích nebezpe í vzniku endogenních bublin.Složení jednotlivých zna ek austenitických korozivzdorných ocelí je znázorn no v tab. 3.6.Tab. 3.6 Chemické složení austenitických korozivzdorných ocelí

Ozna ení Chemické složeni v hmotnostních % ekvivalentSN*zna kou íslem C

max.Si

max.Mn

max.P

max.S

max.Cr Mo Ni N

max.GX2CrNi19-11 1.4309 0,03 1,50 2,00 0,035 0,025 18,0

20,0- 9,0

12,00,20

GX5CrNi19-10 1.4308 0,07 1,50 1,50 0,040 0,030 18,020,0

- 8,011,0

422931

GX5CrNiNb19-11** 1.4552 0,07 1,50 1,50 0,040 0,030 18,020,0

- 9,012,0

GX2CrNiMo19-11-2 1.4409 0,03 1,50 2,00 0,035 0,025 18,020,0

2,002,50

9,012,0

0,20

GX5CrNiMo19-11-2 1.4408 0,07 1,50 1,50 0,040 0,030 18,020,0

2.002,50

9,012,0

422942

GX5CrNiMoNb 19-11-3**

1.4581 0,07 1,50 1,50 0,040 0,030 18,020,0

2,002,50

9,012,0

GX5CrNiMo19-11-3 1.4412 0,7 1,50 1,50 0,040 0,030 18,020,0

3,003,50

10,013,0

GX2CrNiMoN17-13-4

1.4446 0,03 1,00 1,50 0,040 0,030 18,020,0

4,004,50

12,514,5

0,120,22

* Ekvivalenty v SN mají vyšší povolený obsah uhlíku** Oceli jsou stabilizované až 1 %%C8%Nb


37

Rozpustnost uhlíku v austenitu p i pokojové teplot je 0,03 %. P i vyšším obsahu uhlíku jenutné austenitické Cr-Ni oceli homogeniza žíhat p i teplot cca 1050 °C s následnýmochlazením do vody (rozpoušt cí žíhání). Rychlým ochlazením se potla í difúze uhlíku azíská se austenitická struktura bez karbid i u ocelí s obsahem uhlíku vyšším než jerozpustnost austenitu za pokojových teplot. P i dlouhodobém oh evu na teplotách 500 až950 °C však dochází k vylu ování karbid , což vede k náchylnosti oceli k mezikrystalickékorozi. Oceli s vyšším obsahem uhlíku nejsou proto vhodné pro sva ování, protože v tepelnovlivn né zón není ocel odolná v i mezikrystalické korozi. Odolnost proti mezikrystalickékorozi lze zajistit stabilizací oceli p ísadou karbidotvorných prvk jako Ti, Nb a Ta.V sou asnosti se však dává p ednost p ed ocelemi stabilizovanými ocelím s nízkým obsahemuhlíku pod 0,03 %.Austenitické oceli vykazují v porovnání s martenzitickými a feritickými ocelemi nejv tšíkorozivzdornost. Nejsou však vhodné do prost edí obsahujícího oxidy síry. P ísadou Nidochází k vzr stu odolnosti v i elektrochemické a plynné korozi. Austenitické oceli majívýbornou houževnatost i za záporných teplot. S austenitickou strukturou souvisív chromniklových ocelích také nízká mez kluzu, nižší pevnost, velká plasticita a maláelektrická a tepelná vodivost.Další zvýšení korozní odolnosti a mechanických vlastností je možné p ísadou n kterýchprvk . Zvýšení odolnosti proti kyselin sírové je možné provést p ísadou Cu. Zvýšeníodolnosti proti kyselin chlorovodíkové a chloridovým iont m je možné p ísadou Mov množství 2 až 4,5 %. P ísadu feritotvorných prvk jako nap . Mo, Ti a Nb do istaustenitických ocelí je nutno kompenzovat, nebo tyto prvky snižují stabilitu austenitu.Kompenzace t chto prvk se provádí zpravidla zvýšením obsahu niklu na 20 až 25 %, p itomást niklu se n kdy nahrazuje dusíkem. Ke zvýšení odolnost proti mezikrystalické korozi u

tohoto typu ocelí se dosahuje také snižováním obsahu uhlíku a síry.Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností austenitických korozivzdorných ocelíje možné dohledat v doporu ené literatu e.Zna ky ocelí uvedené v norm SN EN 10283 jsou používány s dobrými výsledky podostate dlouhou dobu. Hodnoty získané p i laboratorních zkouškách nejsou vždyadekvátní hodnotám získaných p i skute ném použití. P ídavné látky a zne išt ní korozníchmédií mohou být p inou rozdílných výsledk .

Pln austenitické oceliTyto oceli mají chemické složení, které zajiš uje u odlitk pln austenitickou strukturu. Protyto oceli je charakteristický vysoký obsah legujících prvk a nízký obsah uhlíku. S výjimkoujedné zna ky m že p esáhnout u ocelí této skupiny sou et obsah legujících prvk p es 50 %až 60 %. Jako legující prvek u t chto ocelí, z ásti nahrazující nikl, se hojn používá dusík.

které oceli jsou také pom rn vysoko legované m dí.Pro vysoký obsah legujících prvk , zejména niklu a molybdenu, obsah niklu až 30,5 % avysoký obsah molybdenu až 7 %, je nutné po ítat s vysokými náklady na vsázku. Z tohovyplývá nutnost vynaložit na všech pracovištích maximální opat ení pro snížení ztrátlegovaného materiálu. Chemické složení pln austenitických ocelí je uvedeno v tab. 3.7.


38

Tab. 3.7 Chemické složení pln austenitických korozivzdorných ocelí

Ozna ení Chemické složeni v hmotnostních %zna kou íslem C

max.Si

max.Mn

max.P

max.S

max.Cr Mo Ni N Cu

GX2NiCrMo28-20-2 1.4458 0,030 1,00 2,00 0,035 0,025 19,022,0

2,002,50

26,030,0

max.0,20

max.2,00

GX4NiCrCuMo 30-20-4

1.4527 0,060 1,50 1,50 0,040 0,030 19,022,0

2,002,50

27,530,5

--

3,004,00

GX2NiCrMoCu25-20-5

1.4584 0,025 1,00 2,00 0,035 0,020 19,021,0

4,005,00

24,026,0

max.020

1,003,00

GX2NiCrMoN25-20-5

1.4416 0,030 1,00 1,00 0,035 0,020 19,021,0

4,505,50

24,026,0

0,120,20

--

GX2NiCrMoCuN29-25-5

1.4587 0,030 1,00 2,00 0,035 0,025 24,026,0

4,005,00

28,030,0

0,150,25

2,003,00

GX2NiCrMoCuN25-20-6

1.4588 0,025 1,00 2,00 0,035 0,020 19,021,0

6,007,00

24,026,0

0,100,25

0,501,50

GX2NiCrMoCuN20-18-6

1.4593 0,025 1,00 1,20 0,030 0,010 19,521,5

6,007,00

15,519,5

0,180,24

0,501,50

Tepelné zpracování pln austenitických ocelí je podobné jako u výše popsanýchaustenitických ocelí. Pro vysoký obsah koncentrace legujících prvk v litém stavu jsou tytooceli z pohledu chemického složení zna heterogenní. Teploty rozpoušt cího žíháni jsoustanoveny ješt vyšší a u n kterých zna ek se provádí rozpoušt cí žíhání až p i teplotách do1240 °C a následné chlazení se provádí obvykle ve vodní lázni.Pln austenitické oceli mají podobné pevnostní vlastnosti jako oceli austenitické. Tažnost ahouževnatost t chto ocelí je ale vyšší.Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností pln austenitických korozivzdornýchocelí je možné dohledat v doporu ené literatu e.

Austeniticko-feritické oceliTyto oceli nazývané také duplexní oceli obsahují ve struktu e p ibližn stejný podílu feritu aaustenitu. Obsahují ze všech skupin korozivzdorných ocelí na odlitky nejvyšší obsahy chrómu21 až 27 %. Korozivzdornost duplexních ocelí se dále zvyšuje legováním molybdenem adusíkem. Austeniticko-feritická struktura p i uvedeném obsahu chrómu je dosahovánalegováním niklem v koncentracích 5,50 až 8,50 %. Mimo jednu zna ku oceli obsahujíausteniticko – feritické oceli maximáln 0,03 % uhlíku. Vyšší obsah feritotvorných prvk(chromu a molybdenu) je kompenzován vyšším obsahem austenitotvorných prvk . Protožeobsah dusíku je ve všech zna kách v intervalu 0,10 až 0,25 % je nikl ekvivalent Niekv.(3.1)zvyšován p ísadou niklu. Ve zna kách s nejvyšším obsahem Cr a Mo je také nevyšší obsahniklu a to až 8 %. Malá zm na složení oceli m že zp sobit významnou zm nu struktury a tími vlastností, a proto výroba dvoufázových ocelí vyžaduje zkušenosti o chování oceli p i zmchemického složení v rámci tolerancí povolených normou. Chemické složeníausteniticko – feritických ocelí je uvedeno v tab. 3.8.


39

Tab. 3.8 Chemické složení austeniticko – feritických korozivzdorných ocelí

Ozna ení Chemické složeni v hmotnostních %zna kou íslem C

max.Si

max.Mn

max.P

max.S

max.Cr Mo Ni N Cu

GX2CrNiN26-7 1.4347 0,080 1,50 1,50 0,035 0,020 25,027,0

- 5,57,5

0,100,20

--

GX2CrNiMoN22-5-3 1.4470 0,030 1,00 2,00 0,040 0,025 21,023,0

2,503,50

4,56,5

0,120,20

--

GX2CrNiMoN25-3-3 1.4468 0,030 1,00 2,00 0,035 0,025 24,526,5

2,503,50

5,57,5

0,120,25

--

GX2CrNIMoCuN25-6-3-3

1.4517 0,030 1,00 1,50 0,035 0,025 24,526,5

3,004,00

5,07,0

0,1120,22

2,753,50

GX2CrNiMoN25-7-3 1.4417 0,030 1,00 1,50 0,035 0,020 24,026,0

3,004,00

6,08,5

0,150,25

Max.1,00

GX2CrNiMoN26-7-4 1.4469 0,030 1,00 1,00 0,035 0,025 25,027,0

3,005,00

6,08,0

0,120,22

Max1,30

Oceli mají vyšší mez kluzu (420 až 480 MPa) než oceli austenitické a jsou také lépeobrobitelné. P edností austeniticko-feritické oceli je odolnost proti k ehkému porušení,protože feritické oblasti tvo í bariéru proti ší ení trhlin, vznikajících v austenitické fázi.Vzhledem k nižší tepelné roztažnosti oproti austenitickým ocelím vznikají po sva ování menšízbytková pnutí ve svarech a mají tedy i menší sklon k trhlinám v tepeln ovlivn né oblastisvaru. Korozní odolnost t chto ocelí se snižuje v prost edích, která obsahují aniony Cl, J, Br.Nevýhodou t chto ocelí je také snížená strukturní stabilita, která omezuje použití t chto ocelínad teplotami 300 °C.Dosažení požadovaných mechanických hodnot p i dodržení optimálního chemického složeníne iní ve slévárnách obvykle potíže.Tepelné zpracování a hodnoty mechanických vlastností austeniticko-feritických ocelí jemožné dohledat v doporu ené literatu e.

Žáruvzdorné oceli SN EN 10295Tyto jakosti ocelí na odlitky se vyráb jí v omezené mí e a jen ve specializovaných slévárnách.Norma EN 10295 rozd luje žáruvzdorné oceli podle struktury na feritické,feriticko - austenitické a austenitické. Norma dále uvádí slitiny na bázi niklu a kobaltu.S ohledem na vyšší obsah uhlíku je výroba žáruvzdorných ocelí ve slévárnách obvyklesnadno zvládnutelná.

3.4 Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebeníVysokolegované austenitické oceli nejsou v normách SN EN normalizovány, v provozechse používají staré SN normy nebo normy DIN. Hlavním legujícím prvkem v austenitickýchmanganových ocelích je mangan p i obsazích uhlíku nad 1,00 % a na zlepšení mechanickýchvlastností se používá také p ísada 0,70 až 1,20 % Cr. Oceli s Cr se však p íliš nerozší ily.

emík snižuje rozpustnost uhlíku v austenitu a vrubovou houževnatost, doporu uje vevyrobené oceli obsah k emíku pod 0,70 %. Ke zjemn ní zrna se n kdy p idává domanganových ocelí titan do koncentrace 0,05 %. P ísada molybdenu do 2,00 % zvyšuje mezkluzu.


40

Tab. 3.9 Chemické složení vysokolegovaných austenitických manganových ocelíNorma Zna ka Chemické složení v hmotnostních %

C Mn Si max. P max S max Cr Mo

SN 42 29 20 1,10-1,50 12,0-14,0 0,70 0,10 0,050

SN 42 29 21 1,10-1,50 12,0-14,0 0,70 0,10 0,050 0,70-1,20

DIN 1.3401 1,10-1,30 12,0-13,0 0,30-0,70 0,10 0,040 (1,5)

DIN 1.3407 1,20-1,30 12,0-13,0 0,30-0,70 1,9-2,1

DIN* 1.3405 0,80-1,00 17,0-18,0 0,6-1,0 0,08

* Ocel na výroby sva ovacího drátu

Austenitická matrice v licí struktu e obsahuje karbidy, které snižují plastické vlastnosti oceli ahouževnatost. Tepelné zpracování spo ívá v rozpoušt cím žíhání na teplotu obvykle 1030 až1060 °C a odlitky se ochlazují ve vodní lázni. Vlastnosti austenitických manganových ocelíovliv uje významn velikost zrna, kdy oceli s jemným zrnem mají lepší mechanickévlastnosti i ot ruvzdornost než oceli s hrubým zrnem.


technické dodací podmínky

normy a sortiment ocelí na odlitkykonstruk ní oceli na odlitky

oceli na odlitky korozivzdornéstruktury korozivzdorných ocelí na odlitky

žáruvzdorné oceli na odlitkyspeciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení


1) Jaký mají význam technické dodací podmínky a jakým zp sobem jsou promítnuty dosou asných SN EN?

2) Jaký je sou asný stav v oblasti zna ení sortimentu ve slévárenské výrob ocelí naodlitky?

3) Jaká je základní charakteristika konstruk ních ocelí na odlitky?

4) Jaká je základní charakteristika korozivzdorných ocelí na odlitky?5) Které jednotlivé struktury korozivzdorných ocelí na odlitky znáte?

6) Jaká je základní charakteristika speciálních ocelí na odlitky vzdorující opot ebení?


41





4. Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece (EOP).Vyzdívky elektrických obloukových pecí. Vývoj technologie EOP.



budete seznámeni se základní konstrukcí elektrické obloukové peceujasníte si typy vyzdívek a vhodných žáruvzdorných materiál pro EOPpochopíte funkci reakce mezi vyzdívkou a struskoupochopíte funkci reakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovemseznámíte se s vývojem technologie EOP

Výklad

Ve slévárnách oceli jsou nejpoužívan jším tavicím agregátem elektrické obloukové pece.V sou asné dob se odhaduje, že ve slévárnách oceli v R je kolem 50 EOP schopnýchprovozu s hmotností vsázky 4 až 18 t.

4.1 Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové peceVsázka se taví v elektrické obloukové peci (EOP) elektrickým obloukem, který ho í mezi

emi grafitovými elektrodami a vsázkou. Teplota oblouk dosahuje 3000 až 4000 °C. Pec jeipojena obvykle na elektrickou sí 22 kV a pecní transformátor transformuje nap tí na

nap tí cca 100 až 220 V u menších a st edních typ pecí. U velkých obloukových pecí jekonstrukce postavena, až na 600 V. Elektrické schéma EOP je na obr. 4.1.


42

Vysokonap ová ást a pecní transformátor s tlumivkou jsou umíst ny v transformátorovékobce.Odpojova 1 slouží k odpojení elektrické ásti pece od sít p i její údržb .Vysokonap ový vypína 2 slouží k zapínání a vypínání pece za provozu. Vypína máza ízení pro zhášení elektrického oblouku, k n muž dochází p i vypínání vysokého nap tímezi kontakty vypína e.Tlumivka 3 snižuje proudové nárazy do sít vznikající zejména p i natavování vsázky.Tlumivka zvyšuje induk ní odpor, a tím stabilizuje elektrický oblouk. Protože zvyšujeelektrické ztráty pece, tak se vypíná co nejd íve s ohledem na podmínky tavení vypína em 4.Pecní transformátor 5 je chlazený vodou. Menší pece starší konstrukce U menších a staršíchpecí bývají transformátory chlazeny vzduchem.Pro regulaci nap tí na sekundární stran transformátoru ve 4 nebo více nap ových stupníchmá transformátor na primárním vinutí obvykle jednu a více odbo ek vinutí pro p epínánítransformátoru „hv zda-trojúhelník“.Na sekundární vinutí pecního transformátoru navazuje tzv. krátká cesta tvo ená m nýmipásnicemi, které kon í na vn jší stran kobky u obloukové pece. Vedení krátké cesty jeobvykle vyrobeno z m di.Schéma metalurgické ásti obloukové pece je uvedeno na obr. 4.2 a reálný pohled na EOP jena obr. 4.3.Na vývody pásnic umíst ných na vn jší stran trafokobky je elektricky p ipojena pec

nými lany 1, na ramena držák elektrod 2. Na ramenech držák elektrod slouží op t jakovodi m né pásnice až po vlastní držák elektrod 3. V držáku elektrod jsou p ítla nýmza ízením (pneumatickým nebo hydraulickým) drženy grafitové elektrody 4, které procházejíklenbou pece (víkem) p es chladi e elektrod 5 do prostoru pece 7.

Obr. 4.1 Elektrické schéma obloukové pece


43

Držáky elektrod jsou umíst ny na sloupech držák elektrod 6, u nichž je mechanicky nebohydraulicky ovládán pohyb sm rem nahoru a dol . Pohyb je ízen regulací pohybu elektrod,která udržuje nej ast ji konstantní proud nebo p íkon na obloucích.Pláš pecní nádoby je sva en z ocelového plechu a umíst n na kolíbce, která umož ujenakláp ní pece. V pecní nádob je sázecí a odpichový otvor. Sázecí otvor zakrývají pracovnídví ka ovládaná u starších pecí mechanicky nebo u moderních pecí hydraulicky nebo elektro-hydraulicky.Pracovní dví ka slouží nej ast ji ke stahování strusky, sázení struskotvorných p ísad, sázeníferoslitin a pro další technologické operace.Odpichový otvor je umíst n na opa né stran pece naproti dví m. Za odpichovým otvoremje nava en p íp. p išroubován odpichový žlab.Sklopné za ízení 6 umož uje nakláp ní pecní nádoby 7 ob ma sm ry. Pecní nádoba je zakrytavíkem, které se ovládá mechanicky nebo hydraulicky tak, aby bylo možné pece nasadit pootev ení víka sázecím košem.Ve víku jsou 3 otvory pro grafitové elektrody, do kterých se obvykle vkládají chladicíkroužky elektrod.

Obr. 4.2 Schéma elektrické obloukové pece Obr. 4.3 Elektrická oblouková pec

V t ífázové elektrické obloukové peci je zdrojem tepla elektrický oblouk, který ho í mezielektrodami a vsázkou (nap . Heroultova pec). P i dotknutí elektrod se vsázkou nastává zkrat,na který reaguje regulace nastavením takové délky oblouku, aby byl zajišt n nastavený proudnebo p íkon. Proudový náraz zmírní tlumivka. Padající vsázka p sobí zm ny podmínekho ení oblouku, p ípadn další zkraty. V této fázi tavby je rozhodující správná innostregulace pohybu elektrod. Po vytvo ení lázn na dn níst je se podle možností vypínátlumivka, která krom ohmických ztrát zhoršuje také ú iník pece (pom r inného azdánlivého výkonu).Obloukové pece jsou vybaveny odsáváním exhalací s jejich separací. Exhalace se odsávajínej ast ji z prostoru krytu nad víkem pece a n které systémy odsávají exhalace p ímoz prostoru pece 4. otvorem ve víku. N které obloukové pece jsou umíst ny v samostatnémuzav eném prostoru (Dog House), který je celý odsáván. Separace prachu v odsávanýchplynech se provádí obvykle na suchých tkaninových filtrech.Grafitové elektrody jsou vyrobeny z vysoce jakostního kalcinovaného petrolkoksu. Elektrodymají válcový tvar s maximální hladkostí povrchu, aby byl zajišt ný co nejdokonalejší kontakt


44

elektrody a držáku elektrod. Struktura elektrody musí být homogenní s minimální pórovitostí,aby se omezila oxidace. Oxidace probíhá mezi jednotlivými zrny petrolkoksu, ze kterých bylaelektroda lisována p ed kone ným slinováním. Tato zrna se posléze uvol uji a padají na lázenebo strusku a jsou zdrojem nauhli ení.Elektrody jsou vzhledem k vysoké cen konstruovány tak, aby nez stávaly nevyužité zbytky(napojování elektrod pomocí grafitových šroubových vsuvek, tzv. nipl ). Pr r elektrod jedimenzován podle maximálních hodnot proudu, které elektrodou procházejí, a podle jakostigrafitu. Pro malé obloukové pece ve slévárnách pece (do 15 t vsázky) se používají grafitovéelektrody o pr ru 250 až 300 mm.Pohyb elektrod je ízen regulací, která nej ast ji pracuje na principu udržování konstantníhonastaveného p íkonu do pece. Na krátké cest je snímán proud a nap tí na jednotlivých fázícha jejich odchylky od nastavené hodnoty se p evád jí na mechanický pohyb ovládajícíservomotor, který pohybuje elektrodami.

asto se používá elektro-hydraulická regulace, u které je pohyb elektrod zp soben tlakemolejové emulze v hydraulických válcích. Regulátory otevírají nebo p ivírají šoupátka na

ívodu tlakové emulze do válc držák elektrod a tím ídí rychlost a sm r pohybu elektrod.Držáky elektrod jsou pevn spojeny s písty pohybujícími se ve válcích. Elektro-hydraulickáregulace vyžaduje údržbu zejména t snicích manžet ve válcích.

4.2 Vyzdívky elektrických obloukových pecíVyzdívka elektrické obloukové pece m že být vyzd na v r zných variantách tvar a jakostižárovzdorných materiál . Nap íklad níst j je na magnezitových tvárnicích vydusána zrnitýmmagnezitem. Systémová skladba musí zaru ovat, aby tvárnice následující vrstvy zdiva

ekryly mezery ve zdivu p edchozí vrstvy, dodržování p edepsaných dilatací mezitvarovkami aj. Na tvárnice se dusá nasucho vibrátorem nebo ru vrstva magnezitovéhoslínku bez pojiva. Tlouš ka dusané vrstvy bývá obvykle 150 až 250 mm. Pro životnost p dyje d ležité zvolit optimální granulometrii magnezitového slínku tak, aby došlok maximálnímu vypln ní prostoru mezi zrny a ke zhutn ní výdusky.Klenba (víko) elektrické obloukové pece je ve slévárnách dnes již obvykle magnezitchromové

ípadn z litých žárobeton monolitické korundové.Ve víku pece jsou t i otvory pro pr chod grafitových elektrod, ve kterých jsou obvykleumíst ny chladicí kroužky. Chladicí kroužky t sní otvor kolem elektrod a chladí st ed víka.Zavedení chladicích kroužk výrazn zvýšilo životnost víka. U menších typ obloukovýchpecí (5 –15 t) se p i použití chladících kroužk elektrod b žn pohybuje životnost víka okolo100 – 150 taveb.Životnost víka je závislá jednak na vyráb ném sortimentu materiál a dále také na ízeníenergetického režimu v pr hu celé tavby a struskovém režimu. Použití t chto materiál jepak v t chto p ípadech od vod ováno vyšší životností vyzdívky pece v p erušovanémprovozu pece. Provedení vyzdívky obloukové pece je možné rozd lit na jednak vrstvuizola ní a jednak na vlastní pracovní vyzdívku pece. Izola ní vrstva na plášti pece je obvykletvo ena žáruvzdornou fólií (lepenkou) a p novým šamotem b žn o síle cca 70 mm. Používajíse i jiné izola ní materiály, nap íklad na bázi oxidu hlinitého.Vyzdívka pece, tj. st ny pece jsou u zásaditých pecí za vrstvou tepeln izola ního zdivavyzd ny tvárnicemi nebo bloky na bázi magnezitu anebo magnezitchromu. Tlouš ka pracovnívyzdívky st ny je obvykle kolem 300 mm. Podle konstrukce pece je vnit ní prostor pece buválcový, nebo má tvar komolého kužele a st ny pece jsou pak šikmé. Výhodou šikmých st nje lepší možnost opravy (opravárenská hmota na st lépe drží), nevýhodou je v tší pr rvíka. Ve slévárnách v R mají st ny pecí obvykle šikmý sklon.


45

Magnezitové tvárnice mají menší odolnost proti st ídání teplot. Povrch tvárnic se proto p ist ídání teplot snáze odlupuje. Tvárnice magnezitchrómové lépe odolávají st ídání teplot.Mohou být použity pouze nad struskovou arou, aby nep išly do styku s tekutým kovem,

který by mohl z vyzdívkyvyredukovat chrom. Nad sázecím aodpichovým otvorem bývá klenbanahrazena deskovými chladi i. Dáleje chlazen rám víka a kroužkyelektrod. Schéma vyzdívky 5 tobloukové pece je uvedeno na obr.4.4.

Pozice . 1 - dusaná vrstvamagnezitové hmoty,pozice . 2 - víko pecemagnezitchromové p ípadnmonolitické korundové,

pozice . 3 - izola ní vyzdívka,pozice . 4 a . 5 - pracovní vyzdívka magnezitová a magnezitchromová,pozice . 6 - ocelový pláš pece.

Požadavky kladené na vyzdívku zásadité obloukové pece:vysoká žárovzdornost,odolnost zdiva proti st ídání teplot,odolnost zdiva proti p sobení kovu a strusky,nízká tepelná vodivost,odolnost proti mechanickému poškození,optimální pom r mezi životností vyzdívky a její cenou tak, aby náklady na vyzdívku bylyminimální.

Reakce mezi vyzdívkou a struskouerušovaný chod EOP p sobí na vyzdívku nep ízniv . Ve slévárnách pracují b hem

pracovního týdne EOP p erušovan . B hem dn pracovního volna pak pec zcela vychladne.Realizace opat ení proti úplnému vychladnutí pece a ponechání otev ené pece po dobu delšínež je nezbytn nutné, se p ízniv projeví na životnosti vyzdívky.Žáruvzdornost magnezitu je snižována oxidy železa a k emíku, které se b žn vyskytují vevsázce. Oxidy železa se tvo í na st nách pece b hem tavení, zejména když na st náchvyzdívky z stanou plechy z nízkouhlíkové oceli, které p i vysokých teplotách oxidují. Tytoplechy se špatn taví a z stává po nich na st nách pece asto vrstva oxid . Vliv uvedenýchoxid na teplotu tavení magnezitového zdiva je možné posoudit z rovnovážných diagram naobr. 4.5 a obr. 4.6.Nejv tší opot ebení vyzdívky nastává v místech, která jsou ve styku s vrstvou strusky kryjícíroztavený kov tzv. struskové e. Podle diagramu na obr. 4.5 snižuje oxid železnatý teplotutavení magnezitu a nap íklad p i jeho cca 70 % koncentraci klesá teplota solidu pod 1600 °C.Oxid k emi itý tvo í s magnezitem p i koncentraci vyšší než 40 % eutektika s teplotou tavenínižší než 1600 °C. Na obr. 4.6 p edstavuje symbol M oxid MgO a symbol S oxid SiO2.Mimo výše uvedené oxidy p sobí korozi vyzdívky dále zejména MnO, Al2O3 a CaF2. Oxidy,které snižují aktivitu MgO ve strusce a zvyšují poškození vyzdívky ve struskové e.

Obr. 4.4 Schéma vyzdívky zásadité obloukové pece


46

Struska nasycená MgO s vyzdívkou nereaguje. Reakci mezi oxidy ve strusce a vyzdívkou lzeovlivnit složením strusky tak, aby koncentrace n kterého z uvedených oxid nebyladominantní a struska obsahovala nejlépe více než 10 % MgO. Vysoký obsah ale zvyšujeviskozitu strusky a tím p ináší zhoršení pr hu požadovaných metalurgických pochod .Koroze vyzdívky ve struskové e zp sobuje rychlejší „ stékání“ vyzdívky st n a tím i jejírychlejší opot ebení. Vyzdívku ve struskové e je proto nutné asto opravovat.

Opravy zdiva ve struskové e je možné provád t mnoha zp soby. Zvolení vhodné metodyúdržby vyzdívky souvisí p edevším s výrobním sortimentem, vedením metalurgickýchpochod , technickým vybavením pece, kvalitou vyzdívky aj. V sou asnosti jsou již

ekonány metody mokré torkretace vyzdívek výrobních agregát . Využívají se p edevšímzné metody sycení strusky oxidem MgO. Tyto však vyžadují kvalitní vybavení oblasti

sekundárního zpracování, které ale ve v tšin eských sléváren oceli chybí.žné mezitavbovém údržby vyzdívky se potom v tšinou provád jí ru ním nahazováním více

opot ebených ástí vyzdívky pece hmotami r zné kvality na bázi MgO.

Reakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovemReakce mezi vyzdívkou a roztaveným kovem lze schematicky popsat vztahem (4.1) a (4.2)

(4.1)(4.2)

Podle rovnice (4.1) je dána reakce magnezitu s dezoxida ním prvkem rozpušt ným podezoxidaci v oceli, obecn ozna eným Me. Magnezitová vyzdívka neobsahuje zejména poukon ení fáze oxidace istý MgO, ale i další oxidy, které mohou reagovat podle rovnice (4.1)se zbytkovou koncentrací dezoxidovadla. Jsou to oxidy prvk s nižší aktivitou ke kyslíku nežMgO, nap íklad FeO, SiO2. Výsledkem reakce jsou potom oxidy, které se vyskytují v ocelijako oxidické vm stky. Za ur itých podmínek p i možnosti využití vakuového zpracováníoceli m že být tímto dezoxida ním prvkem také uhlík, kdy produktem reakce uhlíkus výduskou jsou pak bubliny CO. Po dezoxidaci oceli v peci nelze reakci dezoxida ních prvks vyzdívkou za vzniku oxid zabránit.Reakce (4.2) m že nastávat po dezoxidaci oceli ve vakuu, když je aktivita kyslíku v ocelinižší, než odpovídá disocia ním tlak m oxid obsažených ve vyzdívce.

MgOMeMeMgO xyx xy

OMgMgO

Obr. 4.5 Rovnovážný diagram FeO–MgO Obr. 4.6 Rovnovážný diagram SiO2–MgO


47

4.3 Vývoj technologie EOPElektrické obloukové pece jsou používány jak pro výrobu oceli na odlitky, tak p edevším provýrobu tvá ených oceli. P ibližn do 60. let se konstruk podobaly pece ve slévárnáchpecím v hutních závodech a byla používána i podobná technologie výroby oceli. Doba tavbyse pohybovala bez ohledu na velikost pece kolem 4 hodin i více.Postupná intenzifikace technologie výroby na elektrických obloukových pecích pro

edevším ocelá ský sektor je znázorn na na obr. 4.7. Intenzifikace výroby oceli si vyžádalazna né investi ní prost edky, zejména do oblasti sekundární metalurgie, která je jednímz nejvýznamn jších opat ení vedoucím ke zvýšení výrobnosti obloukových peci. V takovém

ípad slouží oblouková pec pouze k roztavení vsázky. B hem tavení a oh evu oceliprob hne oduhli ení a odfosfo ení. Tavba kon í bezstruskovým odpichem kovu do licí pánve.Další metalurgické pochody (odsí ení, dolegovaní apod.) se provádí již na n kterém z prvksekundární metalurgie.V sou asné dob se tavba na intenzifikovaných pecích spolupracujících se za ízenímisekundární metalurgie zkrátila podle vybavení pecního agregátu p ibližn na jednu hodinu.V eských slévárnách oceli se až na výjimky pohybuje ro ní výrobnost jedné pece do15 tis. tun.Výrobnost slévárny p i napln ní zakázkami není zpravidla limitována výrobou tekutého kovu,ale výrobou forem a vyráb ným sortimentem. P i uvedené výrobnosti eských sléváren, nenív eských podmínkách reálná návratnost investice do kompletní sekundární metalurgie.Tém ve všech slévárnách oceli v R je p ebytek kapacity na výrobu tekutého kovu.

ípadná realizace za ízení sekundární metalurgie, nemá ve slévárnách ú el zvýšit výrobnostpecí, ale zvýšit jakost vyráb né oceli, kterou by nebylo možno jiným zp sobem dosáhnout.

Slévárny oceli až na výjimkyintenzifikují výrobu oceli naobloukových pecích pouzedmýcháním kyslíku, p ípadnpoužitím kyslíko-palivových ho ákk p edeh evu vsázky. Pece veslévárnách konstruk odpovídajístavu techniky z 60. let minuléhostoletí. P i modernizaci, kteráprob hla v eských slévárnách v70. letech, byly u d íve instalovanýchpecí vym ny pouze pecnítransformátory za siln jší a dále bylamodernizována regulace a ízenípohybu elektrod. M rný instalovanývýkon pecních transformátor se p i

modernizaci zvýšil z cca 300 kVA na cca 400 kVA. V ocelárnách slouží elektrické obloukovépece pouze jako tavicí agregát a tavba se dohotovuje na za ízeních sekundární metalurgie. Veslévárnách oceli kon í tavba po dezoxidaci a dolegování oceli v peci.


elektrické schéma elektrické obloukové pece

základní konstrukce elektrické obloukové pece

Obr. 4.7 Intenzifikace tavby na EOP 1965–200040min


48

vyzdívka EOP a typy vyzdívek EOP

opot ebení vyzdívky struskou v EOPreakce mezi vyzdívkou a kovem v EOP

vývoj technologie EOP


1) Jaké je postupné elektrické schéma zapojení EOP?2) Které jsou základní prvky konstrukce EOP?

3) Jaké typy vyzdívek a v kterých ástech pece se v EOP používají?4) Které hlavní vlivy snižují životnost vyzdívky EOP?

5) Které hlavní prvky intenzifikace výroby na EOP slévárny využívají?


[1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie,VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9.

[2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha1984, 269 s.


5. Výroba nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP. Pr hjednotlivých technologicko-metalurgických fází. Praxe vedení tavby.



budete seznámeni s výrobou nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP

budete znát pr h jednotlivých výrobních údobí v EOPujasníte si význam pojm uhlíkový var a odfosfo enípochopíte jednotlivé zp soby dezoxidace oceli na odlitkyujasníte si význam odsí ení ocelipochopíte záv re nou etapu údobí dohotovení p i dolegování a


49

m ení teploty na EOPbudete seznámeni s p íkladem vedení tavby na EOP

Výklad

5.1 Technologie výroby nelegovaných ocelíPokud ozna íme dobu tavby , potom žeme rozd lit na dobu opravy vyzdívky a nasazení

1), dobu tavení ( 2), dobu oxidace ( 3) a dobu dezoxidace (redukce), ( 4): = 1 + 2 + 3 +4. Z doby tavby a hmotnosti vsázky (Q) lze za p edpokladu nep etržitého provozu odhadnout

ur itou denní výrobnost pece (G):

(5.1)

5.1.1 Oprava pece a sázení 1Údobí opravy a sázení pece za íná koncem odpichu p edcházející tavby a kon í zapnutímpece.

Nejd ležit jší innost výrobní fáze oprava a sázení je zkontrolovat stav vyzdívky a p ípadnprovést nezbytné opravy. Následn co nejd íve nasadit vsázku a tím snížit ztráty energie.

K oprav dy pece se používají sypné opravárenské hmoty na bázi magnezitu. Nanášenávrstva opravárenského materiálu by m la být pouze takové tlouš ky, aby se vytvrdilazbytkovým teplem v peci. Po nezbytných opravách vyzdívky pece se sestaví vlastní vsázka.Jako vsázka slouží ocelový odpad, vratný materiál, ocelárenské surové železo a p i výroblegovaných ocelí též n které legující p ísady (FeMo, FeW, Ni, Cu). Použití surového železazávisí na rozdílu v cen ocelového odpadu a surového železa. Surové železo ve vsázcenauhli uje a urychluje tavení. Používá se v tom p ípad , kdy rozdíl mezi cenou ocelovéhoodpadu a surového železa uhradí úspora za nauhli ovadlo a úspora za p ípadné sníženíspot eby elektrické energie na natavení.Vratný materiál ve slévárnách, které vyráb jí legované materiály, je nutné t ídit. Optimálnírozmíst ní vsázky v sázecím koši podle kusovitosti je d ležité z hlediska spot eby elektrickéenergie, životnosti vyzdívky a spot eby opravárenských materiál . T žké kusy vsázky by

ly být pod elektrodami ve spodní polovin pece a na dno pece pod t žké kusy se sází lehkýšrot, který chrání dno p ed mechanickým poškozením b hem vysypání sázecího koše do pece.Po zapnutí pece se elektrody protavují vsázkou.Vysoký obsah magnezitu ve strusce vzniká zejména p i neodborn provedené oprav . Vysokýpodíl MgO siln snižuje viskozitu strusek. Husté strusky s vysokým obsahem MgO zhoršují

estup tepla z oblouk do lázn .Z hlediska chemického složení jsou p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí vevsázce nežádoucí prvky jako P, S, Cr, Ni, Cu, Sn, Sb, As, Pb, oxidy SiO2 a dále r zné oleje aemulze. Obsah chrómu, niklu a m di je nežádoucí v nelegovaných ocelích, zejména mají-limít zaru enou sva itelnost. V ocelích se zaru enou sva itelností je proto obvykle omezenobsah Cr = max. 0,30 %, Ni = max. 0,04 % a Cu = max. 0,030 %. Zdrojem Cr a Ni ve vsázcejsou nej ast ji legované oceli a vlastní net íd ný vratný materiál. M se dostává do vsázkynej ast ji z vinutí elektromotor a kluzných ložisek. Zdrojem cínu jsou zejména ložiskovékovy. Obsah Sn se pohybuje ve vsázce na úrovni cca 0,0100 %. Obsahy nad 0,020 % jsou již i

dentQG /244321


50

u oceli b žných jakostí nežádoucí. Obsah Sb a As se pohybuje ve vsázce na úrovni 0,0100 %.Zdrojem Sb a As jsou surová železa použitá p i primární výrob oceli.Olovo je v tekuté oceli jen áste rozpustné. Shromaž uje se na dn níst je pece.

emi itý písek ve vsázce snižuje zásaditost strusky a zhoršuje podmínky pro odfosfo eníhem tavení. V tší množství strusky též zvyšuje spot ebu energie na její roztavení.

Ve vsázce jsou dále nep ípustné uzav ené nádoby a další p edm ty, které mohou zp sobitvýbuch. Nežádoucí sou ástí vsázky jsou také nekovové, elektricky nevodivé p edm ty (d evo,beton aj.), které mohou zp sobit lom elektrod.

Ocelový odpad do vsázky je interníhovodu tzv. vratný odpad a externí tj.

nakupovaný, který je dodáván v adíd podle kusovosti a jakosti.žn se do vsázky p idává ruda a

vápno, aby již b hem tavení probíhalooduhli ení a odfosfo ení. Nap nástruska, která v takovém p ípadvzniká již b hem tavení, zvyšuje také

innost p enosu tepla z oblouk naláze . Vsázku lze nauhli it p ísadou

kterých druh ocelového odpadus vysokým obsahem uhlíku nebokoksem. Na obr. 5.1 jsou znázorn ny

íklady používaných typ sázecíchkoš .

5.1.2 Tavení vsázky 2Údobí tavení za íná zapnutím pece a kon í odesláním první zkoušky na chemický rozbor.Nejd ležit jší innost výrobní fáze roztavit vsázku v nejkratším ase a p i nejnižší spot ebelektrické energie, áste odfosfo it a oduhli it láze .

hem tavení se spot ebuje 70 až 80 % celkové elektrické energie. Náklady na elektrickouenergii a grafitové elektrody jsou nejv tšími položkami zpracovacích náklad pro údobítavení.

ást elektrické energie je možné nahradit spalováním dnes dostupného zemního plynuv kyslíku-palivových ho ácích a exotermickými reakcemi p i dmýchání kyslíku do lázn vpeci. Doba tavení závisí p edevším na elektrickém p íkonu p ivád ném do pece, tedy nainstalovaném výkonu pecního transformátoru a jeho využití. Pouze b hem tavení je plnvyužíván výkon pecního transformátoru.Nejv tšího p íkonu energie do pece se dosahuje p i nastavení nejv tšího nap tí na sekundárnístran pecního transformátoru. Nejvyššímu nap tí na elektrodách odpovídá také nejv tší délkaoblouk . K odkrytí oblouk dochází až po protavení elektrod do nejnižší polohy. Po odkrytíst n pece sálají oblouky na vyzdívku. V praxi se p epíná na nižší nap ový stupe . Zkráceníoblouk sníží sálání oblouku na vyzdívku a zvýší se podíl tepla, který absorbuje kov podelektrodami. Po roztavení se délka oblouk volí obvykle tak, aby byly oblouky pokud možnoskryté ve strusce.Energetický režim pece je založen na volb optimální délky oblouk a p íkonu do pece. Proízení energetických režim byly vyvinuty r zné programy. V eských slévárnách oceli jsou

k ízení energetického režimu používány zpravidla pouze nejjednodušší programy založené naení spot eby elektrické energie a hmotnosti vsázky. Údaje o hmotnosti vsázky se navíc

vkládají do ídicího systému ru .

Obr. 5.1 Používané typy sázecích koš


51

hem tavení ubývá pevné vsázky v peci a tím dochází k odkrytí oblouk s následujícímsnížením efektivnosti p enosu tepla do lázn . Z tohoto d vodu je vhodné vytvo it v pecinap nou strusku, ve které se oblouky skryjí. Nejv tší ú innosti p enosu tepla z oblouku dovsázky se dosahuje p i použití nap né strusky, kdy je celý oblouk zakryt ve strusce.Nap ní strusky se dosáhne p ísadou rudy, vápna a nauhli ovadla do vsázky nebo doprázdné pece. Tímto zp sobem lze vytvo it po roztavení strusku, která p i vhodnémchemickém složení nap ní již b hem tavení. Dmýchání kyslíku, p íp. prachového koksu dostrusky po roztavení dále podporuje p ní strusky.Urychlit dobu tavení a tím zvýšit výkon pece a snížit spot ebu elektrické energie je možnétaké použitím kyslíku. V provozu se osv ilo použít kyslík již ke konci natavování vsázky.Kyslík se dmýchá obvykle ocelovou trubkou o pr ru 3/4“. Na konci umíst ném v peci jepak trubka pro zvýšení životnosti opat enou keramickou izolací. Trubka se p i dmýcháníupíná do p ípravku. Exotermické reakce probíhající p i dmýchání kyslíku jsou významnýmzdrojem tepla. P i dmýchání kyslíku také nap ná struska zvyšuje ú innost p enosu teplaz oblouku, ímž se zkracuje i celková doba tavení. Obvykle se po ítá s úsporou 5 až 7 kWh/t

po nadmýchání 1 Nm3 kyslíku.Jiným alternativním zdrojem energie natavení vsázky je kyslíko-palivový ho ák,který se u malých pecí umis uje do dví ekpece. U v tších obloukových pecí bývápoužito více ho áku umíst ných ve stpece ve „studených“ místech mezielektrodami. Ú innost p enosu teplaz plamene kyslíko-palivového ho áku dovsázky výrazn klesá s její rostoucíteplotou. Ho áky se používají pouze napo átku tavení. P i použití kyslíko-palivového ho áku se m í teplota spalinodcházejících z pece. Efektivita použitího áku v závislosti na teplot spalin je

uvedena na obr. 5.2. Použití ho áku je efektivní až do bodu zlomu. P íklad konstrukcekyslíko-palivového ho áku ve výchozí a pracovní poloze je na obr. 5.3.

Obr. 5.3 Konstrukce kyslíko-palivového ho áku ve výchozí a pracovní poloze

Doba tavení je závislá p edevším na p íkonu pecního transformátoru. Na roztavení 1t istéhoželeza je teoreticky zapot ebí cca 370 kWh. Výrobci malých obloukových pecí (do cca 15t)uvád jí skute nou spot ebu elektrické energie na roztavení oceli okolo 450 kWh/t.Zjednodušen lze odhadnout dobu tavení na základ instalovaného výkonu pecníhotransformátoru (P) podle vztahu:

Obr. 5.2 Vliv doby oh evu vsázky kyslíko-palivovýmho ákem na teplotu spalin odcházejících z pece


52

(5.2)

kde „Q“ je hmotnost vsázky v tunách, „k“ je koeficient využití pecního transformátoruudávající, jaké ásti z instalovaného pecního výkonu je pr rn b hem tavení využito.Sou in P.k.cos pak udává pr rný p íkon elektrické energie p ivád ný do pece b hemdoby tavení. Výrobci transformátor dovolují po ur itou dobu pecní transformátor p et žovat,což umož uje výrazn zkrátit dobu tavení. V eských slévárnách jsou využívány pecnítransformátory z cca 70 % ( k = 0,7 až 0,8). P íkon odebíraný z pecního transformátoru závisítaké na hodnot ú iníku, pro jehož zlepšení ú iníku jsou pece kompenzovány p ipojenímbaterie kondenzátor . Pro optimální chod pece se doporu uje udržovat cos = 0,90. Zauvedených podmínek, po dosazení do vzorce (5.2), vychází pro vsázku 7 t a pr rnýinstalovaný p íkon pecního transformátoru 3 MVA doba tavení p ibližn 1,5 hod.

Rychlost tavení a spot eba elektrickéenergie je také p ízniv ovliv ovánazvyšujícím se obsahem uhlíku vevsázce. Vhodný obsah uhlíku vevsázce závisí také na rozsahu použitíkyslíku. P i vedení oxidace pomocíkyslíku je možné zvýšit obsah uhlíkuve vsázce oproti požadovanémuobsahu uhlíku o více než 1 %. P ioxidaci rudou se doporu uje obsahuhlíku po roztavení zvolit pon kudnižší. Další zvýšení obsahu uhlíkujiž zkracuje dobu tavení mén , než okolik se prodlouží doba oxidace.Spot ebu elektrické energievýznamn zvyšuje pozdní dosazenídruhého koše. Po roztavení prvního

koše jsou totiž odkryté oblouky a zna ná ást tepla je vyza ována na vyzdívku. Je protovhodné dosadit druhý koš d íve, než je první koš zcela roztaven a to ihned jakmile vznikne vpeci místo pro druhý sázecí koš.Pokud je provoz obloukové pece p erušovaný, tak dochází k vychladnutí vyzdívky. Spot ebaenergie u následující tavby na studené vyzdívce je významn vyšší než u taveb vytavených nateplé vyzdívce. V praxi se osv ilo nasadit vsázku ihned po odpichu poslední tavby p ed

erušením provozu a to pokud možno, celou vsázku na jeden koš. Po nasazení absorbujevsázka maximální teplo z vyzdívky.Vliv délky prostoje s nasazenou a prázdnou pecí na spot ebu elektrické energie u následujícítavby je uveden na obr. 5.4.Po ukon ení odpichu by m la proto být pec nenasazená jen po dobu nezbytnou pro opravuvyzdívky a p dy pece.

5.1.3 Oxida ní údobí 3Oxida ní údobí za íná odb rem první zkoušky na chemický rozbor a kon í stažením oxida nístrusky a nahozením dezoxida ních p ísad.Nejd ležit jší innost výrobní fáze jsou oduhli it a odfosfo it láze , snížit obsah vodíku,

ípadn dusíku v oceli a oh át láze na odpichovou teplotu.Chemické složení oceli se b hem tavby se ídí na základ analýz zkoušek (vzork )odebraných b hem tavby. K oxidaci oceli se používá v obloukových pecích železná ruda nebo

cos450

2 kPQ

Obr. 5.4 Vliv doby stání nasazené a nenasazené pece na spot ebuelektrické energie následující tavby


53

plynný kyslík. Po p ísad rudy a vápna do vsázky probíhá oxidace zejména Si, Mn, P a C jižhem tavení. Po adí, v jakém se budou jednotlivé prvky oxidovat, závisí na jejich afinit ke

kyslíku a na jejich aktivit , jak je schematicky znázorn no na obr. 5.5.Na po átku oxidace se v roztavené ocelinacházejí dva prvky Me1 a Me2 o aktivitách

a . První prvek p i aktivit je

v rovnováze s nižší aktivitou kyslíku než druhýprvek o aktivit . P i neomezeném p ívodu

kyslíku do oceli se proto bude p ednostnoxidovat první prvek. Jeho aktivita bude klesataž na hodnotu . Aktivita kyslíku vzroste

z hodnoty na hodnotu . P i aktivit

kyslíku je kyslík v rovnováze jak s aktivitouprvního prvku , tak i s aktivitou druhého prvku . P i dalším p ívodu kyslíku se

budou oxidovat oba prvky spole . P i zm aktivity kyslíku se mohou m nit i vznikajíprodukty oxidace, ímž se m ní i rovnovážné aktivity oxidovaných prvk . Významný vlivjednak na složení vznikajících oxid a dále i na rovnovážné aktivity má také složení strusky.Jestliže reaguje struska se vznikajícími oxidy, klesá aktivita t chto oxid a pro daný oxid sepak posunuje rovnovážná aktivita kyslíku k nižším hodnotám. Oxidaci kovu, p i kterévznikají oxidy typu MeO je možné popsat rovnicí:

(5.3)

Pro reakce výše uvedených prvk 1 a 2 podle rovnice (5.3), lze vyjád it rovnovážné konstantypomocí vztah :

(5.4)

i stejné rovnovážné aktivit kyslíku v obou reakcích je možné upravit výše uvedené rovnicena tvar:

(5.5)

Rovnice (5.5) udává za zjednodušujících podmínek, jak se bude sou asn oxidovat víceprvk . Jestliže koncentrace prvk s vysokou aktivitou kyslíku klesnou na stopová množství,budou pro ur ení aktivity kyslíku rozhodující aktivity prvk s nižší afinitou ke kyslíku.Pro oxidaci fosforu a uhlíku, tj. pro odfosfo ení a oduhli ení je nutné dosáhnout vyšší aktivitykyslíku, což je podmín no zejména nízkým obsahem k emíku v tavenin . P ísada rudy dovsázky má být proto dostate ná, aby oxidace k emíku prob hla již b hem tavení.Oduhli ovací reakce

i použití rudy k oxidaci uhlíku probíhají následující reakce:I. Rozpoušt ní rudy ve strusce ,

II. echod kyslíku ze strusky do oceli ,

III. Reakce oduhli ení na mezifázovém rozhraní struska – kov ,IV. Tvorba zárodk bublin pod mezifázovým rozhraním struska – kov. S hloubkou lázn

roste parciální tlak oxidu uhelnatého. Z hlediska parciálního tlaku CO jsou

1

1Mea1

2Mea 1

1Mea

1

2Mea

2

1Mea

[ ]1Oa [ ]

2Oa

[ ]2Oa

2

1Mea 1

2Mea

MeOOMe

[ ] [ ]O1Me

)1MeO(

1 .aa

aK =

O2Me

)2MeO(2 .aa

aK

1

2

2MeO

1MeO

2Me

1Me

KK

aa

aa

FeO3FeOFe 32

OFeFeOCOOC

Obr. 5.5 Znázorn ní oxidace dvou prvks r znou afinitou ke kyslíku


54

nejp ízniv jší podmínky pro vznik bublin oxidu uhelnatého na povrchu lázn roztavenéoceli. Var m že za ínat v povrchových vrstvách oceli pod hladinou strusky,

V. Difúze atom uhlíku a kyslíku na povrch bublin CO,VI. st bublin v d sledku pr hu slu ování uhlíku a kyslíku na povrchu bublin a jejich

vyplouvání z oceli – uhlíkový var,

i nízké aktivit kyslíku v oceli po roztavení uhlíkový var neprobíhá. Po p ísad rudy sestruska ochladí. Reakce I. je endotermická a také oh ev rudy na teplotu oceli spot ebuje teplo.

hem rozpoušt ní rudy ve strusce se postupn zvyšuje aktivita FeO ve strusce a struska sepostupn oh ívá. P íznivé podmínky pro oxidaci uhlíku jsou na mezifázovém rozhranístruska – kov. Rychlost oxidace uhlíku za t chto podmínek závisí na difúzi uhlíku a kyslíkudo reak ní zóny a na teplot oceli a strusky. V lázni pod struskou se postupn zvyšuje aktivitakyslíku. Bubliny CO vznikající na mezifázovém rozhraní struska – kov promíchávají struskus vysokou aktivitou FeO a áste i kov. Tím se urychluje p ísun kyslíku i uhlíku do reak nízóny a intenzita oxidace uhlíku roste. P i velkém p ebytku FeO ve strusce m že být var velmibou livý, doprovázený plameny. Intenzivní uhlíkový var po p ísad v tšího množství rudy

že být doprovázen i tím, že nejen struska, ale i kov m že vytékat do struskové nádoby. Pobou livém varu je aktivita kyslíku ur ována aktivitou uhlíku v oceli. B hem celéhooxida ního údobí, pokud probíhá uhlíkový var, je aktivita kyslíku ízena obsahem uhlíku.Význam uhlíkového varu- odplyn ní oceli, tj. ve snížení obsahu vodíku a dusíku v oceli

Bublina p i svém vzniku obsahuje pouze oxid uhelnatý. Vodík difunduje do bublin CO.Jeho aktivita v oceli postupn klesá, což je doprovázeno r stem parciálního tlaku vodíkuv bublin CO. Reakce je možná až do okamžiku, kdy nastane rovnováha nebo bublinaopouští láze . Podobn jako vodík se odstra uje z oceli dusík. Snížení obsahu dusíkuv pr hu uhlíkového varu je ovšem mnohem nižší než odstran ní vodíku, což je dánozejména nižší pohyblivostí (difuzivitou) dusíku v tavenin .

- tepelná a chemická homogenizace oceliBubliny oxidu uhelnatého intenzivn promíchávají láze i strusku. Promíchávání vedek tepelné a chemické homogenizaci. Vzorky oceli na chemickou analýzu odebrané b hemuhlíkového varu proto nejlépe reprezentují chemické složení oceli v peci.

- ízení aktivity kyslíku b hem oxidaceObsah uhlíku v oceli až do koncentrace cca 0,10 % udržuje nízké hodnoty aktivitykyslíku. Oduhli ení je jen slab exotermická reakce. P i daném obsahu uhlíku rostes rostoucí teplotou rovnovážná aktivita kyslíku v oceli jen velmi pomalu. U ostatníchprvk se s rostoucí teplotou rovnovážná aktivita kyslíku zvyšuje rychleji, tzn., žedezoxida ní schopnost uhlíku ve srovnání s ostatními prvky s rostoucí teplotou roste.

Odfosfo ení oceliJako nežádoucí prvek v oceli fosfor zvyšuje náchylnost oceli k popoušt cí k ehkosti.Nep íznivý vliv fosforu se uplat uje p edevším u vysokopevnostních ocelí, které pracují zateplot kolem 500 °C a u t žkých odlitk . Obecn je požadován obsah fosforu pod 0,030 %.Požadavky zákazníka mohou být na obsah fosforu pod 0,015 % p ípadn i nižší.Reakci odfosfo ení je podle molekulové teorie strusek možné popsat vztahem:

(5.6)[ ] ( ) ( ) ( ) [ ]Fe5+O4CaO.P=CaO4+FeO5+P2 52


55

Rovnovážnou konstantu reakce lze vyjád it:

(5.7)

Koncentrace oxid ve strusce jsou vyjád eny molárními (atomovými) zlomky N, obsahfosforu v oceli je vyjád en hmotnostními procenty.Z rovnic vyplývá, že odfosfo ení probíhá na mezifázovém rozhraní struska-kov. Fosforrozpušt ný v oceli reaguje na mezifázovém rozhraní s oxidem železnatým a vápenatým, kteréjsou rozpušt ny ve strusce.Reakce odfosfo ení odehrává na mezifázovém rozhraní struska – kov, tak potom opat ení,která vedou k zv tšení mezifázového rozhraní nebo k intenzivn jšímu promíchávání strusky akovu, urychlují pr h odfosfo ení. K intenzifikaci odfosfo ení se používá nej ast ji

dmýchání kyslíkem pod hladinu kovu. Cílem jedosažení velké reak ní plochy na mezifázovémrozhraní kov – struska. Kyslík oxiduje p i stykus kovem p edevším železo a vzniká struska bohatá naFeO a CaO. Sou asn s odfosfo ením se urychlujeoduhli ení oceli a zkracuje se doba oxidace. Namalých pecích ve slévárnách je možné b hem oxidacesnížit obsah fosforu pod 0,010 % i mén . Na koncioxidace je však nutné pro dosažení nízkéhovýsledného obsahu fosforu d kladn stáhnout strusku.Fosfor, který se nachází ve strusce, se totiž b hemdezoxidace pln vyredukuje a vrátí se do oceli. Zp tnéredukci fosforu nelze zcela zabránit. B hemdezoxidace vyredukuje 0,003 až 0,005 % P.

Odfosfo ení nejnižších obsah fosforu se dosahuje p i ur itém pom ru koncentrací FeO aCaO ve strusce. Na obr. 5.6 je uvedena experimentáln zjišt ná závislost mezi rozd lovacímsou initelem fosforu LP a pom rem (CaO/FeO) p i zásaditosti strusky 2,4 až 4.0.Oxida ní údobí kon í odb rem oxida ní zkoušky a stažením oxida ní strusky. Fáze oxida níje technologie založená na p ísad rudy a vápna do vsázky. B hem tavení áste jižprobíhá, také odfosfo ení a oduhli ení. Sou asn i obsahy vodíku jsou u technologie aktivníhotavení již po roztavení nízké a do odpichu se v pr ru zvyšují.

5.1.4 Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, reduk ní údobí) 4Údobí dohotovení za íná vhozením dezoxida ních p ísad do pece po stažení oxida ní struskya trvá do konce odpichu.Hlavní úkoly údobí dohotovení:

Dezoxidace oceli v peci, tj. snížení aktivity kyslíku v oceli i strusce na hodnotu, která jevyhovující pro odsí ení, dolegování oceli a záv re nou dezoxidaci v pánvi.Odsí ení oceli.Dolegování oceli.Úprava odpichové teploty.Udržení obsahu vodíku a dusíku pod požadovanou koncentrací.

4CaO

5FeO

25O2P.4CaO

P NN

NK 06,1506740log

TK

Obr. 5.6 Vliv pom ru CaO/FeO na rozd leníP mezi strusku a kov


56

Dezoxidace oceliPoužívané zp soby technologie je možné rozd lit na srážecí (hlubinou), extrak ní (difuzní)dezoxidaci, dezoxidaci syntetickými struskami a dezoxidaci za sníženého tlaku (ve vakuu).

Srážecí dezoxidaceSrážecí dezoxidace je pochod, p i kterém dochází ke snižování aktivity kyslíku p ísadouprvk s vysokou afinitou kyslíku, v d sledku jejich reakce s kyslíkem rozpušt ným v oceli.Produktem srážecí dezoxidace jsou oxidy v tuhém, tekutém nebo plynném stavu, které jsoutermodynamicky stabilní za teplot metalurgických pochod . ást tuhých a tekutých produktsrážecí dezoxidace z stává v oceli jako vm stky, ást jich vyplouvá a následn p echází dostrusky. Ke srážecí dezoxidaci se používá p i výrob oceli na odlitky nej ast ji k emík veform ferosilicia (75 % Si) a hliník ve form hliníkových housek. Dezoxidace Si a Al m žebýt kombinována s použitím dalších prvk jako Ti, Ca, prvky vzácných zemin aj.Srážecí dezoxidace k emíkemV ocelích na odlitky bývá maximální obsah k emíku do 0,5 až 0,6 %. Pro uvedenoukoncentraci k emíku se nachází rovnovážná koncentrace kyslíku p i teplot 1600 °C cca 60 až80 ppm. V rovnováze s uhlíkem u b žného sortimentu ocelí se nacházejí aktivity kyslíku40 až 120 ppm. Pro oceli na odlitky je k emík slabý dezoxida ní prvek. Dezoxidace

emíkem nezaru uje p i odlévání oceli do syrových forem ocelové odlitky bez bublin.Produktem dezoxidace k emíkem jsou k emi itany, jejichž složení závisí na obsahu uhlíku,manganu a k emíku v oceli. Výskyt tekutých k emi itan ve vyrobených odlitcích b hemtuhnutí bývá znamením nedostate né dezoxidace oceli nebo sekundární oxidace oceli b hemodlévání a proud ní ve form . B hem sekundární oxidace oceli dezoxidované hliníkem se

že oxidovat veškerý hliník. P i nízkém obsahu hliníku mohou pak v oceli vznikat pevnésilikáty. Pokra ující oxidací taveniny se snižuje obsah k emíku v siln oxidovaných místech amohou vznikat nasycené, p ípadn nenasycené silikáty manganu. Pro dezoxidaci k emíkem sepoužívá ferosilicium s obsahem Si 65 – 75 %.Srážecí dezoxidace hliníkemHliník se používá ke srážecí dezoxidaci po stažení oxida ní strusky v obloukové peci, tak i kzáv re né dezoxidaci kovu v pánvi. Po dezoxidaci hliníkem v pánvi se požaduje v ocelikoncentrace hliníku vyšší než cca 0,030 %. P i této koncentraci hliníku se sníží aktivitakyslíku natolik, že je v pr hu tuhnutí zabrán no uhlíkové reakci a tedy vzniku bublin nebobodlin v odlitcích. Zbytková koncentrace hliníku také dezoxiduje ocel b hem sekundárníoxidace p i odlévání a pln ní dutiny formy.

i dostate ném obsahu zbytkového hliníku je produktem dezoxidace v ocelích na odlitkyoxid hlinitý:

(5.8)

Rovnovážné obsahy hliníku a kyslíku v tavenin železa p i teplotách 1550 až 1650 °C jsouuvedeny na obr 5.7. Hliník v tavenin i v oceli po ztuhnutí existuje jednak ve form oxidu

32OAlO3Al2 TG 25,3910362071–


57

Al2O3 , jednak rozpušt ný v roztoku. V oblastiaustenitiza ních teplot se ást hliníku váže takéna nitrid AlN. Obsah hliníku se proto udávájako hliník celkový Alcel. nebo jako hliníkrozpušt ný v roztoku [Al]. Celkový hliník je dánsou tem hliníku rozpušt ného v oceli [Al], ahliníku vázaného na kyslík Alox. a dusík Alnit..

(5.9)

Na reakcích s kyslíkem se podílí pouze hliníkrozpušt ný v oceli (po ztuhnutí v matrici). Tentohliník se n kdy ozna uje jako hliník rozpustnýv kyselin Alr.k. (podle analytické metodypoužívané p i jeho stanovení).Skute né obsahy kyslíku v oceli po dezoxidaci

hliníkem v peci jsou vyšší než rovnovážné. P i tak nízkých obsazích kyslíku je vyzdívka istruska zdrojem kyslíku, který difunduje do oceli. Výsledné aktivity kyslíku proto také znazávisí na složení strusky a vyzdívky pece. V pánvi po odpichu jsou pod dob e dezoxidovanouzásaditou struskou obsahy kyslíku nižší než 10–3 %, obvykle 4 až 6 ppm.Po dezoxidaci oceli hliníkem v pánvi se obsahy kyslíku rozpušt ného v oceli praktickyrovnají aktivitám. Na oxidy bývá vázáno v oceli cca 0,003 až 0,005 % Al. Rozdíl meziobsahem hliníku rozpušt ným v oceli a vázaným na oxidy odpovídá množství oxidickýchvm stk a je možné jej považovat za míru oxidické istoty oceli. V pr hu odpichu aodlévání dochází k dvounásobnému až trojnásobnému zvýšení množství oxidických vm stk .K dezoxidaci se používají hliníkové housky, granulovaný hliník anebo drát. U ocelí na odlitkyse používá tém vždy záv re ná dezoxidace hliníkem v pánvi. Nejlepší výsledky injektážhliníkového drátu. Spodní hranice obsahu zbytkového hliníku musí být dostate ná, aby bylozabrán no uhlíkové reakci po celou dobu odlévání a tuhnutí odlitku. Horní obsah zbytkovéhohliníku je limitován nebezpe ím vzniku lasturových lom . Lasturový lom je lom probíhajícína hranicích primárních austenitických zrn. Primární austenitická zrna vznikající p i tuhnutí achladnutí odlitk . Lze považovat za prokázané, že na iniciaci lasturových lom se podílí nitridhliníku. V ocelích s velmi nízkým obsahem dusíku nebo hliníku se lasturové lomy netvo í. P ivýrob oceli na obloukových pecích jsou výsledné obsahy dusíku v nelegovaných ocelíchobvykle 90 až 130 ppm. P i takovém obsahu dusíku je nutné po dezoxidaci hliníkem po ítat uodlitk s v tší tlouš kou st n se vznikem nitridu hliníku.

[ ] nit.ox.cel Al+Al+Al=Al

Obr. 5.7 Rovnovážné obsahy [Al] a [O] v taveninželeza.


58

OPR

Pro výrobu ocelových odlitk jsou doporu enéobsahy hliníku závislé na relativní tlouš ce st nyodlitku Relativní tlouš ku st ny odlitku lze stanovitpodle rovnice: (5.10)

V daném pr ezu st ny odlitku znamená P plochupr ezu a O obvod pr ezu st ny odlitku. Grafickázávislost mezi obsahem hliníku a tlouš kou st nyodlitku (vyjád enou hodnotou sm rodatné tlouš kyst ny 2R) je uvedena na obr. 5.8. K ivka ozna enájako „bodliny“ p edstavuje nejmenší doporu enýobsah hliníku, který má zabránit vzniku bublin abodlin. K ivka ozna ená jako lasturové lomy

edstavuje kritické množství rozpušt ného hliníku,i jehož p ekro ení se za nou tvo it na lomových

plochách lasturové lomy.Lasturové lomy se vyskytují zejména vsilnost nných odlitcích. Z výše uvedeného rozboruje z ejmé, že koncentrace hliníku je omezena jak zminimální tak i maximální koncentrace. Povolené

rozmezí koncentrací hliníku se s rostoucí tlouš kou st ny odlitku zužuje. Riziko výskytulasturových lom lze snížit jednak hlubokým snížením obsahu dusíku nebo lze použít legujícíprvky, které zjem ují primární austenitické zrno a tvo í s dusíkem nitridy stabiln jší než nitridhliníku. K t mto prvk m pat í titan, zirkonium, niob, molybden, a také síra. V praxi eskýchsléváren oceli byl d íve používán k prevenci proti lasturovým lom m p evážn titan. P ikombinované dezoxidaci hliníkem a titanem váže hliník kyslík a titan dusík.V sou asnosti se k potla ení vzniku lasturových lom hojn využívá také Nb, p íp. Zr.

Srážecí dezoxidace titanemPodle obsahu titanu v oceli je po dezoxidaci dáno složení oxid . Do cca 0,10 % Ti vznikáoxid Ti3O5. P i vyšších koncentracích titanu vzniká oxid typu Ti2O3. Titan má siln jšídezoxida ní ú inek než k emík, ale slabší než hliník. V ocelích se uplat uje p edevším titanjako prvek se silnou afinitou k dusíku a k uhlíku. Titan se používá p evážn k dezoxidaci(denitridaci) sou asn s hliníkem.

i vyšší koncentraci titanu v oceli se ocel h e dolévá a grafitová zátka se m že p ilepovatk výlevce.

Srážecí dezoxidace vápníkemVápník je prvek s nízkou teplotou varu. Pravd podobná teplota bodu varu vápníku je1498 °C. Rozpustnost vápníku v železe p i teplot 1600 °C je nízká a p i tlaku 0,1 MPa seodhaduje na cca 0,02 až 0,03 %. Teplotu varu vápníku významn snižuje hliník, nikl a

emík. Tyto prvky sou asn zvyšují rozpustnost vápníku v železe. Uhlík zvyšuje rozpustnostvápníku v železe do cca 1 %. Vápník reaguje v oceli nejen s kyslíkem, ale také se sírou,cínem, olovem, dusíkem, fosforem, arzénem a dalšími prvky.Vápník velkou afinitu ke kyslíku a k sí e. Rafinace ostatních b žných prvk m že nastat až poodstran ní kyslíku a síry. Obsah vápníku stanovený b žnými postupy p i spektrální analýze

edstavuje p evážn vápník vázaný na kyslík a síru. Vápník rozpušt ný v oceli se dosudneda í b žnými analytickými postupy stanovit, ale jeho hodnota bývá v nelegovaných,nízkouhlíkových ocelích nízká, a proto s ostatními výše uvedenými prvky zpravidla

Obr. 5.8 Mezní k ivky výskytu lasturovéholomu a bodlin v závislosti na sm rodatnétlouš ce odlitku pro oceli s C=0,28% a

N=0,010%


59

nereaguje. Vápník se používá ve slévárnách oceli a ocelárnách ve form silikokalcia a vnášíse r znými postupy nej ast ji hluboko pod hladinu kovu. Dezoxidace vápníkem se v oceliprovádí obvykle až po dezoxidaci hliníkem. Silikokalcium dopravené do lázn uvol ujebubliny vápníku, které vyplouvají z oceli a reagují s ní. Na hladin páry vápníku reagujís vzdušným kyslíkem a vápník se oxiduje na CaO. Vápník je podstatn siln jší dezoxida níprvek než hliník. V tavenin reaguje s produkty (vm stky) vzniklými p i dezoxidaci hliníkem.Hlinitano-vápenaté vm stky po dezoxidaci oceli hliníkem a vápníkem mohou být tekuté.V takovém p ípad se po dezoxidaci hliníkem a vápníkem zvýší tekutost oceli, což umož ujev n kterých p ípadech snížit i licí teplotu. Obvykle se p idává vápník jen v takovém množství,aby se ve všech vm stcích zachoval ur itý podíl hliníku. V takovém p ípad se po dezoxidacinalézají v oceli oxisulfidy obsahující dále Al, Ca, Mn, S, p ípadn i Si. Zm na morfologievm stk se nazývá modifikací vm stk . Aktivita kyslíku v oceli dezoxidované hliníkem po

ísad vápníku obvykle klesá na hodnoty 1 až 4 ppm. Vápník se p idává do oceli zejména zaelem modifikace vm stk zejména Al2O3 a sulfid .

Srážecí dezoxidace lantanidyV metalurgii se ze skupiny lantanid používají k dezoxidaci oceli zejména cér, lantan, které

doprovázejí dále praseodym a neodym.Lantanidy jsou dodávány pro slévárny jako ferocér nebosm sný kov ozna ovaný též jako Mischmetal, kterýobsahuje p evážn cér, asi 30 % lantanu a zbytek ostatnílantanidy. Dezoxida ní schopnost lantanid , v porovnánís ostatními prvky je znázorn na na obr 5.9.Dezoxida ní schopnost je vyjád ená rovnovážnoukoncentrací kyslíku v závislosti na koncentracidezoxida ních prvk v oceli.Všechny lantanidy mají vysokou afinitu k sí e. Podezoxidaci vznikají jako produkty dezoxidace oxidy,které mohou také obsahovat síru. Zbytek lantanid poreakci s kyslíkem reaguje se sírou za vzniku sulfid .Nevýhodou použití lantanid pro dezoxidaci oceli jejejich vyšší cena a vysoká m rná hmotnost produktdezoxidace, které pomalu vyplouvají z oceli. Mimokyslík a síru reagují lantanidy také s dusíkem.

Srážecí dezoxidace více prvky:Jestliže b hem dezoxidace oceli reaguje s kyslíkem víceprvk , mohou vznikající oxidy spolu navzájem reagovata vznikají komplexní oxidy. V takovém p ípad se snížíaktivita produkt oxidace jednotlivých prvk a sou asn iaktivita kyslíku. Jako p íklad dezoxidace více prvky

že sloužit dezoxidace hliníkem a vápníkem. Poísad vápníku vznikají komplexní vm stky, ve kterých aktivita Al2O3 klesá úm rn poklesu

jeho koncentrace v dezoxida ních produktech.V praxi se nazývají dezoxida ní p ísady obsahující více prvk komplexní dezoxidovadla, jakonap . silikokalcium, silikomangan, silikochrom a další.

Obr. 5.9 Porovnání dezoxida níschopnosti jednotlivých prvk p i

teplot 1600 °C


60

Extrak ní (difúzní) dezoxidaceU všech popsaných zp sob jsou produktem dezoxidace vm stky, které snižují istotu oceli.Oxidické vm stky ovliv ují mechanické vlastnosti oceli, zejména houževnatost p íp. mohou

sobit na snížení korozní odolnosti. Principem extrak ní dezoxidace oceli je dezoxidacestrusky a snížení obsahu kyslíku v oceli jeho p echodem do strusky na základ Nernstovazákona:

(5.11)

Aktivitu oxidu železnatého ve strusce lze obvykle snížit p ísadou koksu nebo ferosilicia. Koksje nejlevn jší dezoxida ní p ísadou na strusku. Dezoxidaci strusky je možné popsatrovnicemi:

(5.12)

(5.13)

i použití koksu na dezoxidaci strusky je nutné po ítat s možností nauhli ení oceli, p ipoužití ferosilicia se zase m že v oceli zvýšit obsah k emíku. Produkty dezoxidace z stávajíve strusce a v oceli se proto vm stky netvo í. Dezoxidace strusky vytvá í také základní

edpoklady pro odsí ení. Extrak ní dezoxidace v EOP byla v tšinou v eských slévárnáchnahrazena srážecí dezoxidací, což podstatn zkrátilo dobu tavby a zvýšilo stupe dezoxidaceoceli. Z dnešního pohledu má extrak ní dezoxidace, tj. dezoxidace strusky praktický významzejména v udržení nízké aktivity FeO ve struse a kovu v pr hu reduk ního údobí, což jetaké základní podmínka pro hluboké odsí ení oceli. Tohoto se využívá v hutních provozech naagregátech sekundární metalurgie. Siln zásadité strusky mají po vychladnutí bílou barvu.Strusky obsahující 2CaO.SiO2 mají bílou barvu a na vzduchu se rozpadají na prášek. Podtakovými struskami je možné dosáhnout jak nízké obsahy síry tak i a kyslíku.U ocelí na odlitky se požaduje, aby b hem odlévání byl p ítomen v kovu prvek s vysokouafinitou ke kyslíku, b žn hliník, který udrží v oceli nízký obsah kyslíku b hem odlévání.V d sledku sekundární oxidace nelze b hem odlévání zabránit zne ist ní oceli oxidickýmivm stky. P i odlévání do syrových forem je nezbytné, aby v oceli byl dostate ný obsahzbytkového hliníku.Dezoxidace oceli ve vakuuV p ípad vakuového zpracování oceli je výhodné využít v podmínkách sníženého tlakureakce mezi uhlíkem a kyslíkem. Pro rovnováhu mezi uhlíkem a kyslíkem je možné vyjád itrovnovážnou konstantu rovnicí:

(5.14)

Snížení parciálního tlaku oxidu uhelnatého vede ke snížení rovnovážné aktivity kyslíkuv oceli. Rovnovážné obsahy uhlíku a kyslíku p i r zném tlaku atmosféry nad hladinou ocelijsou uvedeny na obr. 5.10. V hlubokém vakuu je uhlík za vyšších teplot velmi silnýmdezoxidovadlem a m že redukovat i nejstabiln jší oxidy jako MgO nebo CaO. Pro vakuováníoceli je nutné mít k dispozici nákladná za ízení, která ve v tšin sléváren nejsou k dispozici.

i dezoxidaci oceli uhlíkem ve vakuu se dosahuje vysoké istoty oceli. Produktemdezoxidace oceli uhlíkem je plynný v tavenin prakticky nerozpustný oxid uhelnatý, kterýodhází ve form bublin z lázn . B hem dezoxidace oceli tak nedochází ke kontaminaci lázn

max.O

.maxFeO

O

FeOO a

aa

aL

( ) Fe+CO=C+FeO g

2Fe+SiO=Si+FeO2 2

OC

COOC, aa

pK


61

oxidickými vm stky. Ve vakuu se stává uhlík velice silným dezoxidovadlem a tedy i v tšinaoxid p ítomných v oceli je ve vakuu uhlíkemredukována. Vakuová dezoxidace tak významn

ispívá ke zvýšení istoty oceli. Tato výrobníoperace je obvykle poslední technologický krok,kdy je nutné v novat maximální pozornostpožadovaným parametr m pro zajišt nítermodynamických a kinetických podmínek jakoje teplota oceli, dosažený podtlak, dobavakuování, optimální vrstva strusky a jejíchemické složení, její viskozita, intenzita míchánítaveniny inertním plynem a další.Ocel zpracovaná ve vakuu je také vzhledemk nižším obsah m plyn (H a N) mén náchylnáke tvorb slévárenských vad odlévaných odlitk ,zejména bublin a bodlin.Dezoxidace oceli syntetickými struskami

i rafinaci oceli syntetickými struskami docházík dezoxidaci oceli, za p edpokladu, že je nižšíaktivita FeO ve strusce, než je aktivita kyslíku voceli, což je podmínkou difuzní dezoxidace.Využívání syntetických strusek je v sou asnosti

spojeno p edevším s provedením srážecí dezoxidace oceli a strusky a s následným použitímkvalitní homogenní sm si struskotvorných p ísad, které mají vysokou odsi ovací schopnost apoužívají se samostatn nebo v tšinou ve spojitosti s p ísadou páleného vápna. Nejvíce

používanými jsou strusky na bázi Al2O3 –CaO - SiO2, které tvo í v souladu s binárními

ípadn ternárními diagramy slou eninys nízkým bodem tavení podle chemickéhosložení, v tšinou v rozmezí 1350 - 1450 °C.V d sledku toho se formuje struskas vysokou tekutostí, což vytvá íz kinetického hlediska p edpoklady prodobré odsí ení oceli.V sou asné nabídce renomovaných firemjsou kvalitní pr myslov vyráb né syntetickéstrusky, které jsou dodávány s r znýmpom rem Al2O3/CaO a ve form kup íkladugranulí, pelet, briketek, nadrcených kus aj.Jejich p edností je p edevším záruka

esného požadovaného chemického složenís vysokou homogenitou. Na obr. 5.11 jekup íkladu znázorn na oblast složenísintrované syntetické strusky REFRAFLUX.

Odsí ení oceliV ocelích na odlitky je síra až na výjimky považována za škodlivý prvek. B hem tuhnutí sírasiln segreguje do mezidendritických prostor, kde v p ípad p ekro ení její rozpustnostiv železe mohou vznikat sulfidy. Prvky, které zvyšují aktivitu síry v oceli, podporují její

Obr. 5.10 Závislost mezi [C] a [O] p izném pCO a teplot 1600 °C

Obr. 5.11 Oblast chemického složení syntetickéstrusky REFRAFLUX 4842 S v ternárním diagramu

Al2O3-CaO-SiO2


62

segregaci a tím i vznik sulfid . Krajní mez pro vznik sulfid koncentrace síry se v tšinoustanovuje na 0,003 %. Sulfid železa má teplotu tavení 1195 °C a vytvá í na hranicíchprimárního zrna obálky, které z stávají tekuté hluboko pod teplotou solidu. Ocel se sírouvylou enou jako sulfid železa má nepatrnou pevnost i tažnost od teploty likvidu až pod1200 °C. Odlitky vyrobené z takové oceli mají silný sklon ke vzniku trhlin a ocel se nedá takétvá et. Zabrán ní vzniku sulfidu železa je v legování manganem, který má vyšší afinitu k sí enež železo. U nelegovaných ocelí na odlitky bývá obsah manganu nej ast ji 0,5 až 1%.Vylou ené sulfidy snižují houževnatost oceli a zvyšují tranzitní teplotu. U hmotných odlitkse s rostoucím obsahem siry zvyšuje nebezpe í vzniku trhlin. V eských slévárnáchnep ekra uje obsah síry v ocelích b žné výroby 0,030 %. Pro odlitky s vyššími požadavky nahouževnatost se p edepisuje obsah síry v oceli max. 0.020 %, p ípadn i pod 100 ppm.V oxida ním údobí je možné snížit obsah síry o 20 - 30 %. P edpokladem pro odsí enív oxida ním údobí je siln zásaditá struska. Nejnižších obsah síry se dosahuje v elektrickéobloukové peci až po dezoxidaci oceli.Reakci odsí ení je možné popsat pomocí molekulární teorie strusek rovnicí:

(5.15)

Podle molekulární teorie strusek probíhá odsí ení na mezifázovém rozhraní struska kov. Proodsí ení je nutné pracovat se zásaditou a dob e dezoxidovanou struskou. Obsah FeO vestrusce má být nejlépe do 1 %. V praxi se posuzuje obsah FeO podle barvy strusky. Odsí eníprobíhá dob e pod „bílou struskou“. Obsahy síry v reduk ních struskách p i výrob oceli naodlitky jsou ádov v desetinách procenta.Podmínkou pro pr h odsí ení, je nízká aktivita síry ve strusce. Struska však musí z stat po

celou dobu reduk ní a zásaditá. P i p ípadnéoxidaci reduk ní strusky se síra vrátí zp t dooceli. P inou oxidace reduk ní struskybývají oxidy železa na st nách pece, kterévznikly oxidací vsázky v údobí tavení,oxida ní pecní atmosféra anebo zám rnýmetalurgický zásah do výrobního procesu.Zv tšení mezifázového rozhraní p sobí

ízniv na odsí ení. Prvky, které zvyšujíaktivitu síry ve slitinách železa, umož ujídosažení nižších obsah síry. Vliv n kterýchprvk na sou initel aktivity síry je uvedenna obr. 5.12. Aktivitu síry siln zvyšujíuhlík a k emík. Ve slitinách železas vysokým obsahem uhlíku a k emíku jsoudobré podmínky pro hluboké odsí ení.

Dolegování oceliChemické složení oceli na odlitky je p edepsané normou a je obsahem kupní smlouvy. Prokaždý legující prvek v ur itém intervalu koncentrací a pro síru a fosfor v tšinou jejichmaximální obsah. Za dolegování se u nelegovaných ocelí považuje p ísada uhlíku, manganu a

emíku, p ípadn n kterého z prvk sloužících k mikrolegování, nap íklad niobu, vanadu,titanu, aj. Dolegování se provádí ve dvou krocích.

FeOCaS=FeSCaOSCaO

FeOCaS

aaaa

K S

Obr. 5.12 Vliv n kterých prvk (X) na sou initel aktivitysíry (log fS) p i 1600 °C


63

V prvním kroku se pro jednotlivé legující prvky stanovuje koncentrace, na kterou se p ísadalegujícího prvku po ítá. Tato koncentrace se volí s ohledem na požadované vlastnosti oceli,na propal p isazovaného prvku a výrobní náklady. Z pohledu výrobních náklad jenejvýhodn jší dolegovat na spodní hranici p edepsaného chemického složení prvku. Musívšak vyhovovat mechanické (p ípadn i jiné) vlastnosti podle p íslušné normy.

i vyšším obsahu legujícího prvku v p edchozí tavb , je nutné po ítat se zbytkem v peci.Jeho výše je dána koncentrací, druhem legujícího prvku, jakostí a stavem vyzdívky.Ve druhém kroku následuje výpo et p ísady feroslitin. K výpo tu legujících prvk unízkolegovaných a nelegovaných ocelí se používá v praxi rovnice:

QC

CCQ .–

FeX

1X2XFeX (5.16)

QFeX - hmotnost p idávané feroslitiny FeX v kgC1X , C2X - koncentrace prvku X p ed dolegováním, koncentrace prvku X po dolegováníCFeX - obsah prvku X v legující p ísadQ - hmotnost tavby p ed dolegováním

Tento výpo et zde vede k chyb zp sobené zanedbáním zm ny hmotnosti tavby po legování,která se p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí v praxi asto neuvažuje. P ivyšších koncentracích legujících prvk není možné zm nu hmotnosti tavby b hem legovánízanedbat.

ení teplotyK m ení teploty oceli se používají nej ast ji termo lánky typu Pt-PtRh10 nebo Pt-PtRh13.

ení teploty tekuté oceli je dnes založeno zejména na termoelektrickém jevu tzv.Seebeck v jev. Teplý spoj termo lánku vznikne sva ením platinového drátku s platinovýmdrátkem obsahujícím 10 nebo 13 % Rh. Termo lánky jsou umíst ny v k emenných trubi káchnavíc chrán ných pomocí papírových kartuší. M ící sondy tohoto typu jsou ur eny pouze najedno použití.

i m ení teploty v peci je nutné p ihlížet k heterogennímu tepelnému poli v peci. Pokudnemáme k dispozici nap íklad polohové manipulátory pro m ení teploty a provádí se ru ,tak je nutné si stanovit vhodné standardní místo, tak aby odpovídalo pr rné teplot v peci,a ur í se empiricky. Nap íklad u EOP s menší hmotností, které jsou nejvíce rozší enyv eských slévárnách, je to obvykle kolem 100 mm pod hladinou p ibližn v polovinvzdálenosti mezi st nou pece a kružnicí elektrod. Jako nejp esn jší m žeme ur it m eníteploty v peci po uhlíkovém varu a v pánvi po odpichu, kdy je tepelné pole tém homogenní.

5.2 Praxe vedení tavbyNejvíce rozší ené EOP v eských slévárnách pracujících s hmotností vázky 7 až 8 t. Uvádí se,že dosahují pr rné ro ní spot eby elektrické energie 580 až 620 kWh.t-1 a spot ebygrafitových elektrod 3,5 až 5 kg.t-1. Životnost st n vyzdívky iní 150 až 250 taveb. Spot ebaopravárenského magnezitového materiálu je dána podle zp sobu údržby vyzdívky pece veslévárn a dosahuje kolem cca 5–20 kg.t-1. Doba tavení by nem la p esáhnout 90 minut, dobaoxidace 30 minut a doba dohotovení 30 minut.Jednotlivé výrobní postupy výrobních operací jsou ve slévárnách oceli áste odlišné.Záleží na technickém vybavení pecí, výrobním sortimentu a také na ur itých zvyklostechpracovních postup . Jeden z takových p íklad výrobního postupu nelegované oceli naodlitky je zde uveden.


64

Základní operací je p íprava vhodné skladby vsázky a její rychlé nasazení pece po odpichu,aby se zabránilo ztrátám tepla sáláním vyzdívkou. B žn se doporu uje p idávat do vsázky10 až 15 kg vápna a 15 až 20 kg rudy na tunu kovové vsázky, odchylky jsou dány výrobnímsortimentem. P ísada rudy odpovídá oxidaci 0,3 % C b hem tavení. Obsah uhlíku ve vsázcese upravuje podle obsahu uhlíku požadovaného po roztavení a to tak, aby jeho obsah vevsázce byl o 0,40 % vyšší. K nauhli ení se používá p edevším koks, což je dáno jeho cenou,mén surové železo.Zvolený nap ový stupe b hem tavení ur uje délku oblouku. S nejvyšším nap ovýmstupn m se pracuje, pokud st ny pece jsou zakryty šrotem nebo oblouky skryty v nap néstrusce. Po roztavení v tší ásti šrotu, kdy ješt na st nách z stávají jednotlivé kusy, jevhodné dmýchat kyslík. Dmýchá se pokud možno p i zapnuté peci pod zbylé kusy vsázky, ažspadnou do lázn . Nap ná struska se slévá b hem dmýchání z pece, kterou je výhodnéstáhnout, protože v tšinou obsahuje vysoký obsah oxidu k emi itého a bazicita této strusky jevelmi nízká. V této výrobní fázi se spot ebuje kolem 5 Nm3 kyslíku na tunu vsázky.Po ukon ení dmýchání je láze ve varu a odebírá se 1. zkouška na chemický rozbor. Po prvnízkoušce se p idává do pece vápno v množství cca 10 kg.t-1 . Na základ obsahu uhlíku v prvnízkoušce se p idává ruda nebo dmýchá kyslík. Oxidaci rudou se dává p ednost, pokud jepožadován po oxidaci nízký obsah fosforu. Na konci oxidace se požaduje obsah uhlíku o0,03 až 0,05 % nižší, než je pro vyráb nou ocel normou p edepsaná spodní hranice uhlíku.Po dosažení vyhovujícího obsahu uhlíku se odebírá 2. zkouška a za íná se stahovat oxida nístruska. Oxida ní struska se stahuje na istou láze , jinak se prvky p evedené b hem oxidacedo strusky (zejména P a Cr) b hem dezoxidace ze zbytku strusky ponechané v peci témbeze zbytku vyredukují zp t do oceli. Ve fázi oxidace se zvolí p íkon pece tak, aby se nakonci oxidace dosáhlo odpichové teploty.Po stažení oxida ní strusky se redukují zbytky strusky koksem. P ísada koksu v množství0,5 kg.t-1 se spot ebuje na dezoxidaci oxid železa ve strusce. Vyšší p ísady koksu již tekutýkov nauhli ují. Po p ísad koksu se p idává celkové množství ferosilicia vypo tené podlepožadovaného obsahu k emíku v oceli a hliník na srážecí dezoxidaci v množství 1 až 2 kg.t-1.Poté následuje p ísada vápna 10 kg.t-1 a kazivce 2 kg.t-1. Kazivec je využíván zejména jako

ísada zajištující dostate nou tekutost strusky.Po obdržení výsledk 2. zkoušky se p idává do pece vypo tené množství feromanganu.K dolegování se používá zpravidla feromangan s vysokým obsahem uhlíku. B hemdohotovení se zvýší obsah uhlíku v oceli v d sledku koksování o cca 0,03 %. V p ípadnízkého obsahu uhlíku se p isadí do pánve odvážené množství koksu. Využití uhlíku z koksuiní obvykle 80 %. Také je nutné také po ítat s uhlíkem, který p ináší do oceli feromangan.

Feromangan s vyšším obsahem uhlíku obsahuje obvykle 80 % Mn a 7 % C. Pokud obsahuhlíku v p edzkoušce dovoluje jeho další zvýšení (nebo se zvýšení uhlíku požaduje), používáse b žný feromangan, v opa ném p ípad se použije feromangan affine , který obsahuje okolo1 % uhlíku.

ed odpichem se m í teplota oceli v peci a kontroluje se dezoxidace strusky. Struska má býtpo celou dobu dohotovení bílá nebo sv tle šedá, v p ípad vyššího obsahu MgO ve struscesv tle hn dá.Množství hliníku na záv re nou dezoxidaci se vypo te podle obsahu hliníku v poslednízkoušce a o ekávaného propalu tak, aby výsledný obsah celkového hliníku v oceli inil0,035 až 0,080 %. U masivních odlitk je t eba volit výsledný obsah hliníku s ohledem namožný výskyt lasturových lom podle diagramu na obr. 5.8.Ve slévárnách se používá ada modifikací uvedeného postupu s ohledem na konkrétnípodmínky v tavírn .


65


výroba nelegovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOPúdobí tavby sázení, tavení, oxidace a dohotovení v EOP

pojmy uhlíkový var a odfosfo eníehled jednotlivých zp sob dezoxidace

význam odsí ení oceli na odlitkyíklad vedení tavby nelegované oceli na odlitky v EOP


1) Jaká jsou výrobní údobí tavby p i výrob oceli na odlitky v EOP?2) Jaký je význam uhlíkového varu p i výrob v EOP?

3) Za jakých podmínek m žeme odfosfo it ocel v EOP?4) Jaké zp soby dezoxidace jsou v sou asnosti využívány ve slévárnách p i výrob

v EOP?5) Za jakých podmínek m že prob hnout maximální odsí ení oceli v EOP?

6) Jaký význam má odfosfo ení a odsí ení oceli na kvalitu hotového odlitku?7) Které jsou hlavní fáze metalurgického postupu v praxi p i vedení tavby?






66

6. Technologie výroby legovaných ocelí na odlitky v zásaditých EOP.Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgickýchpochod .



budete seznámen s rozd lením ocelí na odlitky ve vztahu k legujícím prvk m

ujasníte si vliv jednotlivých prvk p i výrob legované oceli v zásadité EOP

budete znát základy výroby nízkolegovaných ocelí v zásadité EOPbudete znát základy výroby vysokolegovaných korozivzdorných ocelí v

zásaditých EOPseznámíte se s funkcemi hlavních termodynamických podmínek

metalurgických pochod v taveninách bohatých chrómem

Výklad

6.1 Rozd lení ocelí na odlitkyPro v tšinu typ ocelí ke tvá ení existuje také varianta oceli na odlitky.Vlastnosti litých ocelí jsou však do zna né míry ovlivn ny podmínkami tuhnutí, tj. zejménarychlosti ochlazování a chemickou heterogenitou vznikající p i tuhnutí a chladnutí oceli.Vlastnosti tvá ených ocelí lze ovliv ovat deforma ním zpevn ním. Tvá ením a následujícímtepelným zpracováním lze snížit také chemickou heterogenitu legovaných ocelí a zjemnitzrno. Tvá ení je také jediný technicky používaný zp sob jak u nepolymorfních ocelí zmenšitvelikost zrna.Vlastnosti ocelí na odlitky bývají odlišné od tvá ených ocelí i p i stejném chemickém složenítavebního vzorku.Nap íklad u korozivzdorných ocelí na odlitky musí být s ohledem na korozivzdornost ocelizajišt ny minimální obsahy legujících prvk ve všech místech odlitku, ehož lze dosáhnoutvyšší koncentrací legujících prvk .S ohledem na heterogenitu matrice je proto nutné oceli na odlitky legovat výše než oceli ketvá ení.Oceli na odlitky zpravidla dosahují nižších hodnot mechanických vlastností (pevnost, tažnostatd.), což souvisí nejen se segregací n kterých prvk a hrubším zrnem, ale také s výskytemmikrostaženin a edin vznikajících p i tuhnutí.Oceli na odlitky umož ují tém neomezenou kombinaci legujících prvk a jejich množstvís ohledem na následující zpracování odlitk .


67

Výhodou oceli na odlitky je dosažení výsledného tvaru výrobku (odlitku) odléváním. Tímžeme zlepšit n které vlastnosti ocelí na odlitky v i ocelím ke tvá ení (nap . odolnost proti

opot ebení) a získat tak ocel, kterou již dále nelze b žnými postupy tvá ení zpracovávat.Rozd lení ocelí na odlitky se nej ast ji provádí podle chemického složení, resp. podle obsahulegujících prvk . Norma SN EN 10020 roz le uje oceli na oceli nelegované, nízkolegovanéa oceli vysokolegované.Jako nelegované za azuje tato norma oceli, u kterých obsah jednotlivých prvk nep esahujemezní hodnoty uvedené v tab. 6.1.

Tab. 6.1 Mezní obsahy legujících prvk (v hmotnostních %) pro rozd lní oceli na nelegovanéa legované

Prvek Mezníobsah v %




Al 0,10 Cu1) 0,40 Ni1) 0,30 Ti2) 0,05B 0,0008 La 0,05 Pb 0,40 V2) 0,10Bi 0,10 Mn 1,653) Se 0,10 W 0,10Co 0,10 Mo1) 0,08 Si 0,50 Zr2) 0,05Cr1) 0,30 Nb2) 0,06 Te 0,10 Ostatní4) 0,05

1) Pokud jsou pro ocel uvedeny dva, t i nebo ty i prvky ozna ené touto poznámkou, pak je nutné vzít v úvahu jejich sou et, kterýiní 70% sou tu mezních obsah t chto dvou, t i nebo ty prvk .

2) Pravidlo uvedené v poznámce 1 platí odpovídajícím zp sobem také pro prvky ozna ené poznámkou 2.3) Pokud je pro obsah Mn udána pouze jeho vyšší hodnota, platí jako mezní obsah 1,80 %.4) Ostatní s výjimkou C, P, S, N.

Ocel, u které má obsah alespo jednoho prvku vyšší hodnotu než je jeho mezní hodnotauvedená v tab. 6.1 je pak považována za ocel legovanou.Podle d íve platných a dosud používaných norem SN byly nelegované oceli na odlitkyozna eny šestimístným íslem. První ty i íslice 42 26 XX byly pro všechny nelegovanéoceli spole né.Nelegované oceli na odlitky obsahují zpravidla 0,10 až 0,50 % uhlíku (z ídka až p es0,6 % C) a ur ité množství k emíku a manganu.Nadeutektoidní oceli jsou zejména oceli nástrojové.V sou asné dob jsou odlitky z nelegované oceli v maximální mí e nahrazovány odlitkyz litiny s kuli kovým grafitem.Své postavení mezi nelegovanými materiály si pak udržují zejména nelegované oceli sezaru enou sva itelností a vysokou houževnatosti za pokojových i záporných teplot.V eských slévárnách se vyráb jí oceli s vyšším obsahem manganu. Tyto oceli byly podle

íve používaných norem SN za azeny mezi oceli nízkolegované. Jejich výroba je stálevelmi rozší ená.Oceli legované 1,00 až 1,60 % manganu uvedené v tab. 6.1, se vyzna ují vyšší pevností ahouževnatostí. Významné bylo použití n kterých zna ek t chto ocelí do teplot až – 60 °C.V sou asnosti dávají zahrani ní zákazníci p ednost nízkolegovaným chrommolybdenovýmocelím s podobným chemickým složením, jako mají zušlechtitelné oceli ke tvá ení. Podle

íve platných norem SN ozna ovalo nízkolegované oceli ty íslí 42 27 XX.Jako nízkolegované oceli jsou ozna ovány ty oceli, ve který sou et legující prvk nep esáhuje5 %. Oceli, kde naopak sou et obsah všech legujících prvk p esahuje 5 %, jsou ozna oványjako vysokolegované oceli.U vysokolegovaných ocelí se požadují n které specifické vlastnosti jako nap íkladkorozivzdornost, odolnost proti opot ebení, odolnost proti oxidaci za vysokých teplot, vysokáhouževnatost za velmi nízkých teplot apod. T chto vlastností se dosahuje legováním navysoké koncentrace zejména chrómem, niklem a manganem.


68

Podle d íve platných norem SN ozna ovalo vysokolegované oceli na odlitky ty íslí 42 29XX. Uvedené ozna ení se dnes ve slévárnách stále používá.Hlavní d vody legování ocelí na odlitky:Zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti p i zachování vyhovujícíhouževnatosti. Nej ast jšími legujícími prvky jsou Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W.Zvýšení prokalitelnosti legováním prvky, které snižují kritickou rychlost rozpadu austenitu,zejména p ísadou Cr, Mn, Mo, V, Ni, B, W.Ke zmenšení sklonu oceli k r stu zrna za vyšších teplot a dosažení jemnozrnné strukturyvylou ením disperzních ástic karbid nebo nitrid se legují oceli Ti, Nb, Ta, V. Pro dosažení výše uvedených cíl se leguje asto p ísadou více prvk v koncentracíchobvykle do dvou procent. V p ípad legování Ti, Nb, Ta, V se leguje obvykle do 0,10 %každého prvku (mikrolegované oceli).Pro dosažení korozivzdornosti oceli se leguje chrómem v koncentracích nad 12 % tj.korozivzdorné oceli. Obdobné složení jako korozivzdorné ocelí mají žárovzdorné oceli. Obskupiny ocelí mohou obsahovat další prvky, zejména Ni, Mo, W, Cu, Ti, Nb, N.Odlitky pracující v korozním prost edí jsou také odlévány z vysokolegovaných niklových litins austenitickou strukturou ozna ovaných obchodním názvem Ni-rezist, které se obvyklevyráb jí také ve slévárnách oceli.Zvýšení žáropevnosti se dociluje vytvo ením vhodn dispergovaných stabilních karbidpomocí legování Cr, Mo, V, W. Z t chto ocelí na odlitky jsou asto odlévána t lesa armatur ask íní turbín pracujících až do teploty 650 °C.Vysoké odolnosti oceli proti opot ebení (ot ruvzdorné oceli) se dosahuje legováním oceliprvky, které vytvá ejí tvrdé karbidy, Cr, Mo, W, V. Velkou odolnost proti opot ebení p ivysokých tlacích na povrchu odlitku mají vysokolegované manganové oceli.Vysokolegované oceli ur ené pro práci za kryogenních teplot. Pro teploty do cca -100 °C sepoužívají oceli s martenzitickou strukturou legované niklem. Pro nižší teploty se používajíoceli s austenitickou strukturou. Austenitické struktury se dosahuje legováním Cr, Ni a Mn,které zajistí stabilitu austenitické struktury i za nízkých teplot.Zatímco nelegované oceli pro b žné použití, vyjma ocelí se zaru enou sva itelností, nahrazujelitina s kuli kovým grafitem, nemají legované oceli v ad p ípad ekvivalentní náhradu.

6.2 Vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v zásadité elektrické obloukové peciMangan není dle normy SN EN 10020 považován až do koncentrace 1,65 % za legujícíprvek.Vsázkové suroviny s obsahem manganu do výše uvedené koncentrace se p i výrobnelegovaných ocelí zpracovávají spole s ostatním nelegovaným odpadem. Odpadz vysokolegovaných ocelí se dá také v p im eném množství zpracovávat i p i výrobnelegovaných ocelí. P i výrob vysokolegovaných ocelí je nutné používat t íd né vsázkovésuroviny, protože je d ležité složit vsázku na požadované chemické složení.Vyšší obsah manganu po roztavení brzdí uhlíkový var a odfosfo ení. Taveniny s vysokýmobsahem manganem, nap íklad Hadfieldova ocel se nedají b žnými technologickými postupyodfosfo it.

i legování manganem se nepo ítá jen s jeho propalem, ale s jeho rozd lením mezi lázní astruskou.Mangan v nelegovaných ocelích zvyšuje houževnatost a pevnost.Zvýšení houževnatosti oceli manganem je zp sobeno zejména p em nou sulfid železa nasulfidy manganu, ale také i substitu ním zpevn ním tuhého roztoku, což je d ležité p edevšímu nelegovaných ocelí s nízkým obsahem uhlíku.


69

Morfologie sulfid , kterou mangan významn ovliv uje, má vliv na houževnatost jak zapokojových tak i snížených teplot. S rostoucím obsahem manganu dochází ke snižování

echodové (tranzitní) teploty.K legování se používá feromangan s obsahem 75 – 80 % manganu a obsahem uhlíkucca 7 %.Pro dolegování ocelí s nízkým obsahem uhlíku se používá feromangan ozna ovaný jakoferomangan „affiné“, který obsahuje okolo 90 % manganu a cca 1 % uhlíku. Výhodné jepoužívat k dolegování manganu silikomangan, který má nízký obsah uhlíku a je levn jší než

žné druhy feromanganu.

emík je z hlediska metalurgie d ležitým prvkem v ocelích, je obsažen v legovaných avysokolegovaných ocelích na odlitky asto jako dezoxida ní p ísada.

hem tavení a oxidace klesá obsah k emíku v zásaditých obloukových pecích na setiny ažtisíciny procenta.Do kovu je pak nej ast ji p idáván jako ferosilicium s 75 % k emíku, p íp. ve formsilikokalcia.V p ípad , že ocel není v pr hu odlévání a tuhnutí zcela dezoxidována silnýmidezoxida ními prvky (Al), podílí se k emík na tvorb produkt dezoxidace, ovliv uje jejichmorfologii, ímž m že docházet i k ovlivn ní mechanických vlastností vyráb né oceli.V n kterých korozivzdorných a žáruvzdorných ocelích je k emík p idáván v koncentraci

kolika procent pro zvýšení zejména žáruvzdornosti. Zvyšuje také korozní odolnost ocelí alitin v i kyselinám.Negativn p sobí k emík na tranzitní teplotu, kterou zvyšuje. Proto oceli a p edevším litiny,pracující p i nízkých teplotách mají jeho snížený obsah, resp. horní hranici jeho obsahu.Chróm pat í mezi nejpoužívan jší prvky p isazované do oceli.Vratný odpad z oceli legované chrómem je nezbytné t ídit, protože vyšší obsahy chrómu vevsázce než 0,50 % zt žují oxidaci a p i vyšším obsahu mohou negativn ovliv ovat, p ípadnmohou zabránit odfosfo ení oceli.Oxida ní strusky s vyšším obsahem oxid chrómu jsou husté. P ed dolegovánímnízkolegovaných ocelí chrómem je žádoucí dob e dezoxidovat kov i strusku, aby nedocházelok významným propal m chrómu.Pro legování chrómem se používají ferochrómy s obsahem chrómu kolem 70 %, které se odsebe liší obsahem uhlíku. Jednotlivé druhy se liší obsahem uhlíku, což má význam p i výrob

zn legovaných jakostí oceli.Nikl má nižší afinitu ke kyslíku než železo a jeho koncentrace b hem oxidace neklesá. Jevhodné legovat niklem již do vsázky nebo b hem oxidace, ovšem za p edpokladu znalostijeho obsahu ve vsázkových surovinách. Kovový odpad ocelí legovaných niklem je nutnépe liv t ídit také s ohledem na kupní cenu niklu.

hem oxidace je láze homogenní a chemická analýza dává reprodukovatelné výsledky.K legování oceli niklem se používá katodový nikl nebo nikl hutní (granulovaný). V p ípadvýhodné ceny p edredukovaného niklu, který obsahuje více než 90 % (Ni + NiO), je možnépoužít i tuto surovinu místo kovového niklu.Nikl je hlavní legující prvek v ocelích pracujících za nízkých – kryogenních teplot. Používák legování zejména ve vysokolegovaných litinách a korozivzdorných ocelích a to až dokoncentrace cca 40 % Ni. Cena niklu se pohybuje 100x až 150x výše než cena ocelovéhoodpadu.Molybden a Wolfram mají podobn jako nikl nižší afinitu ke kyslíku než železo. Oxidy obouprvk mají vysokou tenzi par a p i teplotách ocelá ských pochod za p ístupu vzduch


70

sublimují. Molybden se p idává do oceli nej ast ji jako feromolybden obsahující cca 60 %Mo a do 0,1 % C. Wolfram se p idává do pece nej ast ji jako ferowolfram.Tyto feroslitiny se obtížn v oceli rozpouští a proto je vhodné je p idávat do pece již b hemoxidace, ovšem za p edpokladu znalosti jeho obsahu ve vsázkových surovinách.Molybden se asto používá v nízkolegovaných ocelích pro zvýšení odolnosti proti popoušt cí

ehkosti. V korozivzdorných ocelích se používá v koncentraci nej ast ji do 1 % a dále2 až 6 %. Oceli legované molybdenem je nutné pro vysokou nákupní cenu pe liv t ídit.Použití wolframu není ve slévárnách oceli p íliš rozší eno, nastává potom problém s vratnýmodpadem.Vanad má vyšší afinitu ke kyslíku než chrom.Legování vanadem u oceli na odlitky se provádí v tšinou do koncentrace max. 0,40 %.V oxida ním údobí se tém všechen vanad z lázn oxiduje a odstra uje se z pece spoles oxida ní struskou p i jejím stahování.Pouze p i použití jednostruskové technologie se provede dostate ná dezoxidace strusky avanad vázaný ve strusce vyredukuje zp t do oceli. Zde ale spole s vanadem dojde také kezp tné redukci fosforu. P i legování do tavby s dob e dezoxidovanou ocelí i struskouk významnému propalu vanadu nedochází. Nejvýhodn jší je legování do licí pánve v pr huodpichu.Vanad je dodáván asto jako ferovanad s 80 % V. Vanad i wolfram mají vysokou afinituk uhlíku, se kterým vytvá í karbidy stabilní i za vyšších teplot. Tyto z termodynamickéhohlediska velmi stabilní karbidy zpev ují hranice zrn a brání hrubnutí struktury za vyššíchteplot.Z tohoto d vodu se vanadu a wolframu používá k legování nap . žáropevných ocelí užívanýchv energetice u odlitk sk íní parních turbín a odlitk armatur.Titan a hliník mají vysokou afinitu ke kyslíku a b hem tavení se zcela oxidují.Hliník se používá p i výrob ocelí na odlitky jako hlavní dezoxida ní p ísada. Zbytkovákoncentrace hliníku 0,03 až 0,06 % udržuje nízkou hladinu aktivity kyslíku v oceli i vpr hu odlévání a pln ní formy.Hliník je do oceli p idáván v tšinou jako istý prvek, výjime jako ferohliník. Dosažení

esného výsledného obsahu hliníku lze docílit injektáží hliníkového drátu do oceli v pánvi.Titan se používá jednak k vázání dusíku a jednak jako p ísada v mikrolegovaných ocelích.

isazuje se do oceli zpravidla jako ferotitan na konci tavby nebo do pánve v pr huodpichu.Hliník a titan se b hem odlévání oxidují a zejména titan zhoršuje odlévatelnost a zabíhavostocelí. Vyšší obsah titanu m že v ocelových odlitcích vést také ke vzniku trhlin.Titan má vysokou afinitu k uhlíku a používá se také ke stabilizaci korozivzdorných ocelí.Niob a tantal mají podobné vlastnosti jako titan, tzn., že pat í mezi prvky s nejvyšší afinitouk uhlíku. V oceli proto tvo í velmi stabilní karbidy. Jejich použití je nej ast ji p i výrobmikrolegovaných ocelí nebo jako stabiliza ní prvky v korozivzdorných ocelích.

i hluboké dezoxidaci pod struskami bohatými na Nb a Ta se mohou oba prvky vyredukovatdo oceli a jejich propal je tak p i jednostruskové technologii na EOP pouze minimální.

podobn jako nikl má nižší afinitu ke kyslíku jak železo, a není ji proto možné b žnýmimetalurgickými postupy z oceli odstranit. Obecn lze íci, že se m vyskytuje ve vsázce jakonežádoucí ne istota.Koncentrace m di je omezena zejména v ocelích se zaru enou sva itelností. P i vyššíchkoncentracích m že být také m p inou trhlin zejména v hmotn jších odlitcích.

i výrob ocelí na odlitky se m používá k legování mén asto.


71

Cín, antimon, bismut, olovo, arzén se vyskytují v ocelích obvykle v koncentracích p ibližn100 ppm. Vyšší koncentrace t chto prvk jsou nežádoucí. Tyto prvky siln segregují nahranicích zrn a již v koncentraci i n kolika setin procenta mohou zp sobit zk ehnutí oceli.

žnými metalurgickými postupy nejsou uvedené prvky z oceli odstranitelné.

6.3 Výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité obloukové peciZákladním úkolem p ípravy vsázky p i výrob ocelí je ekonomické zpracování vratnéholegovaného odpadu.

hem oxidace totiž p echází oxidy n kterých prvk , nap íklad chromu a vanadu do strusky ai stahování oxida ní strusky nastávají ztráty uvedených prvk .

P i oxidaci oceli rudou se v závislosti na aktivit jednotlivých prvk oxiduje nejprve k emík,následn pak i mangan a chrom. Za p ítomnosti více než 0,50 % Cr v lázni jsou již protoomezené možnosti odfosfo ení. Pro výrobu nízkolegovaných ocelí legovaných chrómem lzedoporu it následující technologie:Výroba z nelegované vsázky:Tavba se vede stejn jako p i výrob nelegované oceli.

ležité je hluboké odfosfo ení oceli, proto by m l vratný materiál obsahovat co nejnižšíobsah fosforu.Provede se dolegování chrómem sou asn s manganem a p ípadn s dalšími prvky s vyššíafinitou ke kyslíku na základ zkoušky, odebrané po ukon ení oxida ní fáze.Podle obsahu chrómu ve vsázce je nutné po ítat se zp tnou redukcí chromu z vyzdívky azbytk strusky.Výroba z legované vsázky:Možným zp sobem výroby legovaných ocelí na EOP z vlastního legovaného materiálu jejednostrusková technologii s oxida ním údobím.

i sestavování vsázky je vhodné využít co nejvíce vratného materiálu. V p ípad použitínelegovaného odpadu do vsázky, musí mít tento odpad zaru ený obsah fosforu, a to nižší nežje obsah fosforu v legovaném vratném materiálu.Vsázka nesmí také obsahovat nekovové p ísady, aby bylo po roztavení v peci málo strusky.Pro dostate né odplyn ní lázn v pr hu uhlíkového varu, je nutné provést nauhli ení lázno min. 0,30 % C, nad horní hranici jeho obsahu u vyráb né zna ky oceli.Koks jako vhodné nauhli ovadlo (nezvyšuje obsah fosforu) a sou asn vytvá í b hem tavenív peci reduk ní atmosféru.Oxidace se provádí plynným kyslíkem. Teplotu pro za átek dmýchání lze ur it podle obsahuuhlíku a chrómu. P ed zahájením dmýchání kyslíku do lázn se sníží množství strusky v peci.Vzhledem na oxidaci a redukci chrómu je výhodné pracovat se zásaditou struskou. B hemoxidace se sníží obsah uhlíku o min. 0,30 %. Oxida ní struska se nestahuje.Po ukon ení dmýchání se odebírá zkouška na chemický rozbor. V p ípad vyhovujícíhosložení se provede dezoxidace strusky. Na dezoxidaci se používá koks, ferosilicium,silikochróm, silikomangan, p ípadn silikokalcium.Uvedená jednostrusková technologie umož uje získat z vratného materiálu více než 90 %chrómu.

i výrob ocelí legovaných vanadem je možné postupovat stejným zp sobem. Využitívanadu z vratného materiálu je obdobné až 90%.Pokud používají slévárny k výrob nízkolegovaných ocelí vedle obloukových pecí i induk nípece, je výhodné zpracovávat legovaný vratný materiál v induk ních pecích, využitílegujících prvk i s vyšší afinitou ke kyslíku je potom vysoké.


72

6.4 Výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí na zásaditých obloukových pecích

Vliv uhlíku na vlastnosti nerezav jících ocelíKorozivzdorné oceli jsou charakteristické nízkým obsahem uhlíku.Vyjma chrómových martenzitických ocelí bývá stále ast ji požadován obsah uhlíku nižší než0,07 %.Uhlík tvo í s chrómem karbidy, ímž se snižuje obsah chrómu v tuhém roztoku, má vyššídifúzní rychlost než chrom, a proto vznik karbid m že být spojen se vznikem heterogenitytuhého roztoku.Praktickým d sledkem vylou ení karbid chrómu na hranicích zrn je mezikrystalická koroze.Mezikrystalická koroze se vyskytuje obzvlášt po sva ování v tepeln ovlivn né zón .Na obr. 6.1 je uveden sklon austenitických ocelí k mezikrystalické korozi v závislosti naobsahu uhlíku v oceli a teplot .

Proti jejímu vzniku je jednak snížení obsahuuhlíku na koncentraci, která se rovná nebo jemenší, než je rozpustnost uhlíku v matrici p iteplotách, p i kterých se ješt vylu ují karbidy.Jako dostate nízký obsah uhlíkuv austenitických ocelích, který zamezí vznikurozsáhlé mezikrystalické koroze, se považujeobsahu uhlíku pod cca 0,03 %.Další možností zvýšení odolnosti materiáluproti mezikrystalické korozi je legování oceliprvky s vyšší afinitou k uhlíku než chróm, tzv.stabilizace taveniny. Jedná se nej ast ji o Nb,Ta a Ti.V poslední dob se dává p ednost výrob ocelís nízkým obsahem uhlíku p edstabilizovanými.

Hlavní sm ry vývoje korozivzdorných ocelíPožadovaný vývoj nerezav jících ocelí je možné charakterizovat požadavkem na zvýšeníodolnosti proti korozním prost edím obsahujícím chloridy, snižováním obsahu uhlíku a síry,legováním dusíkem a zvyšováním istoty ocelí.Do velmi agresivních korozních prost edí se používají oceli se zvýšeným obsahem Ni, Mo a

ípadn dalších prvk .U moderních korozivzdorných ocelí se požaduje- Vysoká koncentrace prvk zvyšujících odolnost oceli proti d lkové korozi, která se udává

hodnotou PRE (Pitting Resistance Equivalent), s hodnotou ekvivalentu PRE 40- Obsah uhlíku pod 0,03 % (p ípadn 0,02 %) u austenitických a dvoufázových ocelí, obsah

síry pod 0,003 %.- Legování dusíkem až do 0,5 % u tvá ených ocelí a 0,025 % u ocelí na odlitky. Používá se

k substituci niklu v ocelích austenitickou strukturou. Sou asn zvyšuje dusíkkorozivzdornost.

- Vysoká istota oceli dosažitelná pochody sekundární metalurgie.- Výroba dvoufázových - duplexních ocelí, tj. ocelí austeniticko-feritických.Austenitické oceli, které spl ují výše uvedené požadavky na PRE a obsah C a S se nazývajítaké Super-austenity. Pro potla ení vzniku feritu v super austenitických ocelích (takék odstran ní vylu ování fáze) se zvyšuje obsah Ni na 20 až 25 %.

Obr. 6.1 Vliv obsahu C v austenitických ocelích nasklon oceli k mezikrystalové korozi


73

ást niklu se nahrazuje dusíkem. Legování ocelí dusíkem také potla uje nep íznivé vlivyzp sobené segregacemi.Austenitické oceli mají sklon k tvorb trhlin p i sva ování. Vyšším legováním se zvyšuje mezkluzu až na cca 300 N/mm2.V n které literatu e se používá také hodnocení odolnosti oceli proti d lkové korozi pomocíhodnoty P. I (Pitting Index), u kterého se jedná v podstat o stejné kritérium jako je ekvivalentPRE (stanovení hodnoty indexu P. I vychází ze stejného vztahu jako u ekvivalentu PRE).Jako duplex oceli se ozna ují austeniticko-feritické oceli s podílem cca 50 % feritu.Vysoké koncentrace legujících prvk 22 až 27 % Cr a až 6 % Mo vedou k vysokéheterogenit t chto ocelí a k jejímu odstran ní je nutné ocel žíhat na teploty až 1200 °C.Požadavky kladené na žáruvzdorné oceliVlastností žáruvzdorných ocelí musí být vysoká odolnost proti oxidaci, korozi a dlouhodobstálé vlastnosti v horkých plynech.Odolnost proti oxidaci za vysokých teplot získávají oceli legováním Cr, Si, Al, Ni a jejichsložení je podobné jako u nerezav jících ocelí.Podle struktury se rozd lují na feritické, feriticko-austenitické a austenitické.Za vyšších teplot se uhlík vylou ený jako karbidy rozpouští v matrici a houževnatost oceli sezvyšuje.U žáruvzdorných ocelí je obvykle vyšší obsah uhlíku než u ocelí korozivzdorných a toobvykle v desetinách procenta.

6.4.1 Základy výroby korozivzdorných ocelíHlavní metalurgické úkoly p i výrob korozivzdorných ocelí:- Výroba oceli s nízkým obsahem uhlíku. Z hlediska dosažení nízkých obsah uhlíku je nutnéoxidovat taveninu na co nejnižší obsah uhlíku p i ztrátách chrómu, které jsou ekonomicky

ijatelné a v další fázi tavby snížit na minimum nauhli ení oceli grafitovými elektrodami.Nauhli ení lázn je tím v tší, ím je menší pom r mezi hmotností tavby a hmotnostígrafitových elektrod a také ím déle trvá údobí od konce oxidace do odpichu.- Výroba oceli s nízkým obsahem fosforu. Fosfor je u korozivzdorných ocelí nežádoucí prveka jeho odstran ní oxidací a p evedením ve form oxidu fosfore ného do strusky není možnés ohledem zejména na nízkou aktivitu FeO ve strusce. Proto je d ležité v novat pozornostsložení vsázky a používat pouze suroviny o známém složení s nízkým obsahem fosforu. Totéžplatí pro ferochrom používaný k dolegování oceli. S ohledem na propal hlavn chrómudochází b hem tavby ke zvýšení obsahu fosforu mezi první zkouškou a výsledným složenímo 0,002 až 0,005 %.

6.4.2 Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochodTermodynamické podmínky oxidace uhlíku v taveninách bohatých chrómem

i výrob korozivzdorných chromových ocelí v EOP se k oxidaci používá výhradndmýchání plynného kyslíku.


74

i výrob z vratného odpaduvysokolegovaných ocelí dochází nejprve koxidaci chromu a následn , až p idostate vysokých teplotách lázndochází také k oxidaci uhlíku.Oxidací chromu vznikají oxidy, jejichžsložení závisí na koncentraci chromuv oceli. P i obsahu chromu v tavenin do

ibližn 9 % vzniká p i oxidaci oxidCr2O3, p i vyšších koncentracích pakvzniká oxid Cr3O4.Závislost mezi obsahem chromu v železea obsahem kyslíku je uvedena na obr. 6.2.Pro p ípad termodynamické rovnováhy a

obsah chromu v tavenin do 9 hmot. % lze oxidaci uhlíku a chromu popsat rovnicemi (6.1) a(6.2) s jejich tabelovanými hodnotami volné entalpie. Sou tem dostaneme vztah (6.3), kterývyjad uje redukci oxidu chromitého uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého a chrómurozpušt ného v tavenin . Podobn jako je se tením vyjád ena rovnice chemické reakcevyjád íme také standardní volnou entalpie rovnice.

(6.1)(6.2)

(6.3)

Rovnovážnou konstantu reakce lze vyjád it:

(6.4)

i oxidaci tavenin s vysokým obsahem chromu jsou strusky oxidy chromu nasyceny, a protolze jejich aktivitu považovat za rovnu jedné. P i oxidaci taveniny kyslíkem za atmosférickéhotlaku, obsahují vznikající bubliny tém istý oxid uhelnatý. V okamžiku, kdy bublina opouštítaveninu, má tlak rovný tlaku atmosférickému. Za t chto podmínek je také parciální tlakoxidu uhelnatého roven jedné a rovnici (6.4) lze zjednodušit na tvar:

(6.5)

Vzhledem k tomu, že za daných podmínek netvo í chrom a uhlík se železem ideální roztok, jenutné aktivitu uhlíku a chromu vyjád it s využitím aktivitních koeficient a koncentracípomocí vztah :

(6.6)(6.7)

Aktivitní koeficienty se vypo ítají podle vztah :(6.8)(6.9)

i oxidaci korozivzdorných, ist chromových ocelí plynným kyslíkem je možné vlivostatních prvk zanedbat, protože jejich koncentrace jsou po oxidaci bu zanedbatelné

32OCrO3Cr2 TG .92,356899821–1

C3O3CO3 ).98,4097219(32 TGC3OCrCO3Cr2 32 TGGG .86,479983761–3 213

3CO

2Cr

3C3O2Cr

.

.lnln

pa

aaK

72,57–6,91650–lnln 32Cr

3C

TRTG

aa

K

C%CC faCr%CrCr fa

Cr.C.log CrC

CCC eef

C.Cr.log CCr

CrCrCr eef

Obr. 6.2 Rozpustnost kyslíku v tavenin Fe-Cr v rovnovázes Cr2O3 a Cr3O4 p i 1600 °C


75

(Si, S, P, O), nebo jsou zanedbatelné hodnoty jejich interak ních sou initel (Mn).Doporu ené hodnoty interak ních koeficient pro výpo et aktivity uhlíku jsou uvedeny v tab.2.3. Interak ní koeficienty d ležité pro termodynamické výpo ty ve vysokolegovanýchkorozivzdorných ocelích jsou shrnuty také v tab. 6.2.Tab. 6.2 Hodnoty interak ních koeficient pro výpo ty v soustavách Fe-Cr-Ni-Mo

0,14 –0,0003 –0,024 –0,103 0,012 –0,012 0,08 –0,008 0,016 –0,0027 0,004

V p ípad oxidace v soustavách Fe-Cr-Ni a Fe-Cr-Ni-Mo je vztahy (6.8) a (6.9) nutné rozší ito vliv Ni a Mo a uvažovat s nimi p i ur ování jak aktivity chromu, tak i aktivity uhlíku. Jejichvliv na oduhli ení je významný s ohledem na jejich možný vyšší obsah v tavenin .Obsah chromu ve vsázce se ídí zejména požadavkem, aby po oxidaci množství ferochromu

idávaného k dolegování sta ilo ochladit láze . V p ípad oceli s požadovaným složenímokolo 18 % Cr se nej ast ji volí složení vsázky tak, aby po roztavení byl obsah chromuv tavenin p ibližn 13 %. B hem oxidace klesá obsah chromu o 2 až 3 %. P i následnéredukci dochází k p echodu cca 1 % Cr ze strusky zp t do lázn .Tato úvaha vychází z p edpokladu výroby tavenin bohatých na chrom pouze v EOP, bezmožností zpracování v agregátech sekundární metalurgie.

Vliv teploty na termodynamickou rovnováhuíprava vsázky se stanovuje obvykle tak, aby po natavení byl obsah uhlíku okolo 0,5 %. S

rostoucím obsahem uhlíku ve vsázce klesá teplota, p i níž nastává uhlíkový var. Po za átkudmýchání reaguje s kyslíkem nejprve k emík, poté chrom a následn také uhlík. Nastartováníuhlíkového varu co nejd íve po za átku dmýchání je d ležité, protože do za átku uhlíkovéhovaru se oxiduje chrom, což zp sobuje jednak ztrátu chromu a dále to prodlužuje tavbu azvyšuje spot ebu kyslíku.Pro zvolené podmínky za átku dmýchání kyslíku 13 % Cr a 0,50 % C je možné vypo ítatrovnovážnou teplotu, která m že být vodítkem pro stanovení za átku dmýchání kyslíku. Podtouto teplotou nejsou termodynamické podmínku pro reakci kyslíku a uhlíku rozpušt nýchv tavenin . Do dosažení této teploty dochází k oxidaci prvk s vyšší afinitou ke kyslíku (Si) aposléze nastává také oxidace chromu. Teprve až teplo uvoln né b hem exotermických reakcímezi kyslíkem a prvky taveniny (Si a Cr) zvýší teplotu lázn nad rovnovážnou teplotu,nastává uhlíková reakce. Rovnovážnou teplotu lze vyjád it z rovnice (6.5):

(6.10)

Stanovení rovnovážné teploty podle vztahu (6.10) je platné až do obsahu chromu p ibližn9 %. P i v tším obsahu by se m l p i odvozování rovnovážné teploty uvažovat nikoli vznikoxidu Cr2O3, ale oxidu Cr3O4. Praktické zkušenosti však ukazují, že stanovení teplotydmýchání na základ rovnovážné teploty vypo tené ze vztahu (6.5) dávají spolehlivévýsledky i v p ípadech, kdy tavenina obsahuje i více než 9 % Cr.Pro za átek dmýchání a výše zvolený obsah chrómu (13 % Cr) a r zný obsah uhlíku(0,02 – 0,5 % C) lze dosazením interak ních koeficient do rovnic (6.8) a (6.9) stanovithodnoty aktivitních koeficient . Pomocí nich lze následn ur it aktivity chromu a uhlíku,které jsou nutné pro stanovení rovnovážné teploty podle rovnice (6.10).Tab. 6.3 znázor uje r zné obsahy uhlíku a p azeny takto vypo ítané hodnoty rovnovážnéteploty pro obsah chromu 13 %.

CCe Cr

Cre CrCe C

Cre NiCe Mn

Ce SiCe Mo

Ce CuCe Ni

Cre MnCre

KT72,57a

aln

6,91650

2Cr

3C


76

Tab. 6.3 Vypo tené hodnoty aktivitních koeficient a rovnovážných teplot pro soustavuFe-Cr-C p i obsahu chromu v tavenin 13 % a odstup ovaném obsahu uhlíku.

C[hmot. %]

fCr fC T[K]

T[°C]

0,50 0,88 0,573 1867 15940,30 0,92 0,537 1938 16660,10 0,97 0,504 2098 18250,05 0,98 0,495 2206 19330,02 0,99 0,491 2365 2092

Pro obsah chrómu na za átku dmýchání 13 % Cr je požadována teplota, p i které se za nedmýchat kyslík nejmén 1594 °C. Pro dosaženíobsahu uhlíku na konci dmýchání 0,05 % jenezbytná teplota nejmén 1930 °C. Hodnotyvypo tené v tab. 6.3 jsou úm rné praktickýmzkušenostem, kdy uhlíkový var p i obsahuuhlíku 0,50 % za íná p i teplot 1600 až1630 °C. Grafické znázorn ní rovnovážnéteploty ze vztahu (6.10) v závislosti na obsahuuhlíku a chromu ve vsázce udává obr. 6.3.

i stanovení p íslušných aktivit byly použityvztahy (6.8) a (6.9) s uvažování pouzeinterak ních koeficient chromu a uhlíkuprvního ádu.

Vliv tlaku na termodynamickou rovnováhuPodle rovnice (6.4) závisí hodnota rovnovážné konstanty na aktivit oxidu uhelnatého anebona parciálním tlaku oxidu uhelnatého v plynné sm si, která je v rovnováze s taveninou.V praxi se využívá k dosažení nízkých obsah uhlíku v oceli vlivu parciálního tlaku oxiduuhelnatého v bublinách vyplouvajících z lázn na rovnováhu uhlíku v oceli s kyslíkem.Parciální tlak oxidu uhelnatého pCO v bublinách závisí jednak na koncentraci oxiduuhelnatého % VCO v bublinách a na celkovém tlaku na hladin oceli p. P i nízkém tlaku avysokých teplotách je možné p edpokládat, že se sm s plyn , která je v rovnovázes taveninou, chová jako sm s ideálních plyn . V takovém p ípad lze aktivitu oxiduuhelnatého ve sm si vyjád it pro konstantní teplotu rovnicí:

pV

pn

np

i 100% COCO

CO (6.11)

Parciální tlak oxidu uhelnatého v plynné sm si lze snížit bu to snížením jeho koncentracev plynné sm si (% VCO), nebo snížením celkového tlaku sm si (P) nad hladinou lázn .Na snížení koncentrace oxidu uhelnatého v plynné fázi, které je ve styku s ocelí se používáv praxi technologie dmýchání sm si inertního plynu a kyslíku do lázn . Jako inertní plyn sepoužívá argon. V n kterých p ípadech se místo argonu m že použít k dmýchání také dusík.

Obr. 6.3 Rovnovážná teplota v soustav Fe-C-Crv závislosti na obsahu uhlíku a chromu


77

Technologie dmýchání sm si kyslíku a argonu byla vyvinuta pro zpracování tavenins vysokým obsahem chromu.

hem dmýchání kyslíku a argonu se snižuje parciální tlak oxidu uhelnatého, emužodpovídají i nižší kone né obsahy uhlíku. Parciální tlak kyslíku v dmýchací sm si odpovídá

ibližn polovin rovnovážného parciálního tlaku oxidu uhelnatého pro dané podmínky.Jednomu molu kyslíku odpovídají stechiometricky dva moly oxidu uhelnatého. S klesajícíobsahem uhlíku v oceli klesá rovnovážný parciální tlak oxidu uhelnatého (p edpokládá sestandardní celkový tlak sm si roven jedné) a proto se i obsah kyslíku ve dmýchací sm si sesnižuje. Na záv r se dmýchá istý argon. Uhlík pak redukuje oxidy chrómu v oceli a zvyšujejejí oxidickou istotu a snižuje propal chromu.Snížení celkového tlaku „P” nad hladinou oceli se dosahuje na za ízeních vakuové metalurgie.Pro slévárny oceli jsou za ízení sekundární metalurgie používající sníženého tlaku investiobtížn dostupné.Slévárny vyráb jící korozivzdorné oceli proto používají ast ji technologii snížení parciálníhotlaku oxidu uhelnatého dmýcháním inertního plynu v konvertorech. Výjimkou jsou slévárny,které mají k dispozici vakuové induk ní pece.Technologie dmýchání kyslíku a inertního plynu využívá konvertory s dmýcháním vodouchlazenou tryskou umíst nou u dna nebo ve dn konvertoru.Ocel se roztaví v elektrické obloukové peci nebo v elektrické induk ní peci, upraví se teplotaa chemické složení oceli. Ocel se pak dopraví v pánvi do konvertoru. Obsah chrómu aostatních legujících prvk odpovídá p ibližn požadovanému složení ve vyrobené oceli.Obsah uhlíku je možné zvýšit až na 1 %. Po oduhli ení se již chemické složení oceli upravujejen menším množstvím legujících p ísad. Do konvertoru se dmýchá sm s argonu a kyslíku.Jak se b hem oxidace postupn snižuje obsah uhlíku v tavenin , tak se snižuje také obsahkyslíku ve dmýchané plynné sm si a zvyšuje se obsah argonu. Na záv r se dmýchá istýargon a uhlík dezoxiduje v tavenin p ítomné oxidy chrómu.Pro rovnovážné podmínky lze na podklad sou tu st edních parciálních tlak oxiduuhelnatého a argonu v bublinách dmýchaného argonu odvodit vztah mezi spot ebou inertníhoplynu a zm nou obsahu uhlíku ve tvaru:

(6.12)

Rovnice udává spot ebu inertního plynu (VAr) p i oduhli ení 1t tekuté oceli.V

Ar– Objem inertního plynu spot ebovaného na snížení obsahu uhlíku z koncentrace C

1 na

koncentraci C2 v tun tekuté oceli [Nm

3/t]

A – Prom nná veli ina závislá na teplot a chemickém složení, jejíž hodnotu je možné ur itpodle vztahu:

(6.13)

Podle výše uvedených vztah je možné vypo ítat nejmenší možnou spot ebu argonu naoduhli ení. Skute né spot eby argonu jsou pon kud vyšší. Praktickým ov ením spot ebyargonu oproti teoretické, stanovené podle vztahu (6.13) bylo dosaženo p ibližn dvojnásobnéspot eby.V b žných eských slévárnách za ízení sekundární metalurgie pro oduhli enívysokolegovaných ocelí nejsou k dispozici s výjimkou hutních sléváren, kde jsou tato za ízenívyužívaná p evážn k výrob oceli pro tvá ení.

1

2

600,18C

CAr dC

CCAV

]C[3

4/3]Cr[

4/3

..]Cr[fK

fA


78

Za ízení konvertory v R nejsou instalovány. ada sléváren proto musí vyráb tvysokolegované oceli na obloukových pecích bez použití sekundární metalurgie.


rozd lení ocelí na odlitky

vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v EOP výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité EOP

výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí v zásadité EOPfunkce hlavních termodynamických podmínek v taveninách bohatých chrómem


1) Jaké vlastnosti litých ocelí rozlišujeme?

2) Jaká je charakteristika hlavních legujících prvk ?3) ím se liší výrobní postupy s legovanou a nelegovanou vsázkou v zásadité EOP p i

výrob nízkolegovaných ocelí?4) Jaký je vliv uhlíku p i výrob nerezav jících ocelí na odlitky v EOP?

5) Které jsou hlavní sm ry vývoje korozivzdorných ocelí?6) Jaké jsou termodynamické podmínky oxidace uhlíku v taveninách bohatých

chrómem?7) Jaký je vliv teploty na termodynamickou rovnováhu p i výrob vysokolegované ocelí

bohatých chrómem?8) Jaký je vliv tlaku na termodynamickou rovnováhu p i výrob vysokolegované ocelí

bohatých chrómem?






79

7. Intenzifikace výroby oceli v EOP. Soudobé vývojové trendy výrobyoceli v EOP.



ujasníte si pojem intenzifikace výroby oceli v EOPbudete v t, jaký byl vývoj za ízení a technologie v EOPpochopíte soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOPbudete znát jednotlivá intenzifika ní opat ení v EOPbudete um t specifikovat soudobá intenzifika ní opat ení ve slévárnách

Výklad

Intenzifikace výroby oceli umož uje snížit zejména zpracovací náklady, které se podílejí nanákladech na materiál v odlitku. Intenzifikace výroby oceli na obloukových pecích veslévárnách má smysl tehdy, když jsou vy erpána všechna b žná opat ení vedoucí ke sníženínáklad :

Rychlé nasazení vsázky.Vylou ení veškerých prostoj v dob od zapnutí pece po nasazení do odpichu.Zapnutá pec má p ednost, ostatní pracovišt se pod ídí.Z pohledu údržby je mimo ádná pozornost v nována se ízení regulace a ostatníchprvk regulace pece. Postup údržby je veden preventivním zp sobem.Provoz slévárny provozuje pouze nejmenším po tem pecí nutných k zajišt ní výrobytekutého kovu. Ostatní pece stojí jako studená rezerva.Obsluha pecních agregát je motivována na dodržování a snižování vybranýchtechnicko - ekonomických ukazatel .

Omezení intenzifika ních opat ení ve slévárnách je dáno velikostí ro ní produkce, která jepodstatn menší než u pecí v hutních provozech. Míra intenzifikace výroby oceli naobloukových pecích bývá v tšinou posuzována podle doby tavby, spot eby elektrické energiea spot eby grafitových elektrod. Nap íklad hodnoty n kterých t chto kritérií pro peces hmotností tavby do 10 t jsou znázorn ny v tab. 7.1.


80

Tab. 7.1 Doporu ené hodnoty doby tavby, spot eby elektrické energie a grafitových elektrodpro pece pracující v eských slévárnách s hmotností tavby do 10 t.

Stav intenzifikace Dobatavby[min]

Spot eba el. energie[kWh/t]

Bez intenzifikace 160 590St edn intenzifikovaná pec 135 550Vysoce intenzifikovaná pece 110 500

Metodika specifikace rozpisu kalendá ního asu m že být v r zných slévárnách odlišná.V tab. 7.1 je doba tavby uvažována od zapnutí pece po jejím prvním nasazení až do ukon eníodpichu. Ve spot eb elektrické energie je zapo ítána pouze technologická energiespot ebovaná na tavení a oh ev oceli. Není zde zapo ítána energie ostatních za ízení, jako jena pohon erpadel, ventilátor odsávání a další.

7.1 Vývoj za ízení a technologie používané v elektrických obloukových pecíchVhodnou návratnost i velkých investic mohou mít v zavád ní intenzifika ních opat enív hutních ocelárnách na elektrických obloukových pecích do za ízení pecí a jejichtechnologie, p i jejich výrobách ve stech tisících a až p es milion tun.Elektrické obloukové pece nové konstrukce a vybavení jsou dnes hutnickým agregátemur eným pro hromadnou výrobu oceli. P vodní EOP ur ené pro výrobu ušlechtilých ocelís dobou tavby 4 hodiny a více se moderní EOP staly agregátem schopným konkurovatv hromadné výrob oceli i kyslíkovým konvertor m. P edevším v druhé polovin minuléhostoletí prošly EOP bou livým vývojem v oblasti konstrukce pecí tak i v oblasti technologie.Možnosti intenzifikace p i výrob elektrooceli se týkají všech výrobních fází celé doby tavby.Ve slévárnách oceli jsou intenzifika ní opat ení ve srovnání s hutními podniky omezenanávratností investic. Zkušenosti získané s intenzifikací oceli velkých obloukových pecí nejsouve slévárnách v celém rozsahu realizovatelné, mohou být však pro slévárny inspirativní.Vývoj soudobých EOP a výroby oceli v EOP pokra uje ve sv i v posledních letechprogresivním tempem, v absolutních hodnotách, tak i v r stu hlavních ukazatel práce EOP.Vysoký je dnes odhadovaný i tém 40 procentní pr rný sv tový podíl elektrooceli nacelkové výrob oceli. V t ífázových zásaditých EOP se v sou asnosti vyrábí praktickyveškerá elektroocel.Z pohledu r stu produktivity je možné popsat genera ní vývoj EOP:U první generace EOP na po átku 20. století bylo uvažováno u pecí do hmotnosti tavby 45 ts použitím EOP hlavn pro výrobu legovaných ocelí.U druhé generace EOP v období do konce 50 let, i hmotnosti taveb na více než 100 t

evládala dvoustrusková technologie vedení tavby.etí generace EOP, nastupuje po átkem 60 let charakterizovaná jako UHP EOP.

(UHP – Ultra High Power, pozd ji UH Productivity). Charakteristickým znakem je výkonnýtransformátor a celková doba tavby do 2 h 15 min a to bez ohledu na hmotnost tavby. Dobanatavování nesmí p ekro it 1 h 45 min.. Tyto pece pracují s velmi vysokým m rnýmvýkonem (600 kVA/t) a krátkými oblouky. Krátké oblouky p ízniv ovliv ují životnostvyzdívky st n, tepelnou a tím i celkovou ú innost práce EOP. Používají speciální grafitovéelektrody s velmi nízkým elektrickým odporem. Charakteristické vysoké nasazení kyslíku vefázi tavení. Teplo exotermických reakcí uvol ující se p i dmýchání kyslíku postupnnahrazovalo stále v tší ást tepla dodávaného elektrickou energií. EOP t etí generace sezam ují na hromadnou výrobu uhlíkových ušlechtilých i neušlechtilých ocelí, pracujících s


81

tzv. martinskou technologií vedení tavby na agregátech v tších než 100 t do kolem 400 t.Neprovádí se dezoxidace, odpadá odsí ení a možnost legování oceli prvky s vysokou afinitouke kyslíku a v peci je do konce tavby oxida ní struska. Dezoxidaci oceli se provádí až p iodpichu kovu v pánvi. P i výrob ušlechtilých ocelí navazuje po odpichu zpracovánív agregátech sekundární metalurgie. Výrobnost UHP pecí se pohybuje v rozmezí50 – 125 t/hod.

tvrtá generace EOP z poloviny 70. let je charakterizovaná jednak zavedením vodouchlazených st n pece (pozd ji i víka EOP) a dále adou významných inovací, vedoucíchk dalšímu podstatnému zkracování doby tavby, poklesu m rné spot eby elektrické energie agrafitových elektrod. Jde o SUHP (Super Ultra High Productivity) EOP. Vysoké výkonyelektrických oblouk vyvolaly pot ebu nahradit vyzdívku nad struskovou arou vodouchlazenými panely. Nejvýznamn jší u této generace EOP je hromadné zavád ní za ízenísekundární metalurgie. Doba tavby EOP je limitována dobou pot ebnou k roztavení vsázky aoh evu lázn na odpichovou teplotu, v pr hu které je oduhli ena a odfosfo ena. Sníženíspot eby elektrické energie je dále snižováno nasazením kyslíko-palivových ho ák .

echod k páté generaci rozvoje EOP nastal využíváním dmyšné tvárnice ve dn pecníníst je. Zavád jí se prvky konvertorového kyslíkového pochodu. Míchání oh ívané azkuj ované lázn inertním plynem vede v neposlední ad ke snižování obsahu dusíku až o50 %, dále k dalšímu snížení m rné spot eby elektrické energie a zkrácení doby tavby.Pro tuto šestou generaci od roku 1990 je charakteristické prosazování EOP šachtového typu,Je to efektivní využívání odpadního tepla EOP z odcházejících spalin. Postupný vývojintenzifikace EOP v jednotlivých vývojových trendech s jejich dopadem na spot ebuelektrické energie, celkovou dobu tavby a spot ebu grafitových elektrod je znázorn n naobr. 7.1.

Obr. 7.1 Trendy vývoje elektrických obloukových pecí

Intenzifikace EOP se dosahovalo zejména, zvyšováním výkonu pecního transformátoru,zvýšením p ívodu energie ve form tepla exotermických reakcí a tepla z kyslíko - palivovýchho ák . Dalším opat ením je i využíváním tepla z plyn odcházejících z pece. Ostatníopat ení sm ovala k vytvo ení podmínek pot ebných pro absorpci vysokých p íkon energievsázkou (lázní) v peci. Doba tavby je ur ena pouze dobou, za kterou se p ivede do pecedostate ná energie pro roztavení vsázky a požadovaný oh ev lázn . Výše uvedenétechnologické parametry (doba tavby, p íkon energie, spot eba energie a grafitových elektroda další) spolu navzájem souvisí, což vedlo také k tvorb energetických a metalurgickýchrežim pro ízení obloukových pecí.


82

7.2 Soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOPNové konstruk ní prvky EOP, které byly vyvinuty v posledních letech, m ly cíl:

zvýšit jakost vyráb né ocelisnížit výrobní náklady – zejména u malých EOPoptimalizovat použití energie – snížit spot ebu primární elektrické energie a zvýšitflexibilitu ve volb energiesnížit emise a hlu nost p i výrob elektrooceli

Základní principy, které jsou v sou asné dob u t chto nov vyvíjených postup používány,lze shrnout do následujících opat ení:

využití tepla odcházejících spalin (pecních plyn ) pro p edeh ev vsázky (ocelovéhoodpadu),použití uhlíku a kyslíku, oxidace uhlíku jako dalšího zdroje energie v EOP,využití dospalování CO v pecním prostoru nebo v p edeh ívací komo e ocelového odpadu,áste ná náhrada elektrické energie, energií z kyslíko - palivových ho ák .

Zavedení moderních postup sekundární metalurgie zásadn ovlivnilo zm ny v konstrukci avýrobní technologii EOP. Obloukové pece pracující v tandemu s pánvovou pecí slouží pouzejako tavicí agregát, ve kterém se provádí oduhli ení a odfosfo ení. Oxida ní struska p izavedení p dního odpichu z stává v peci. Tím se vytvá í vhodné podmínky pro hlubokéodsí ení a dezoxidaci oceli v pánvi. Doba tavby je limitována pouze rychlostí oh evu kovu naodpichovou teplotu.Konstruk ní zm ny provád né v poslední dob u moderních obloukových pecí m ní zcelaprofil celé obloukové pece. Na obr. 7.2 je p íklad schématického znázorn ní soudobýchkonstrukcí EOP.

7.2 Schématické znázorn ní soudobých konstrukcí EOP, vlevo pec s p dním odpichem,vpravo pec s ho áky, za ízením na nap nou strusku a p dními dmyšnami

které vývojové trendy ve výrob oceli v EOP jsou popsány v základní charakteristicenap íklad v doporu ené literatu e.


83

7.2.1 Intenzifika ní opat ení na elektrických obloukových pecíchPoužití siln jších pecních transformátor a vodou chlazených st n a víkaV pr hu vývojové generace EOP byly zvýšeny výkony pecních transformátor na600 kVA/t a pozd ji až na 1000 kVA/t na UHP a SUHP pecích. Zm na vyvolala pot ebynahradit na n kterých ástech pece keramickou vyzdívku vodou chlazenými prvky. Postupnbyla nahrazena celá vyzdívka nad struskovou arou vodou chlazenými st nami v etn víka.Tepeln – izola ní schopnost vodou chlazených st n je nižší než st n z keramického zdiva.Pro dosažení efektivnosti t chto opat ení je nutné extrémn zkrátit dobu tavby. Doba tavby seproto zkracuje i u velkých obloukových pecí na cca 1 hod, v opa ném p ípad by jiždocházelo k významnému zvýšení spot eby elektrické energie a také spot eby grafitovýchelektrod.

Použití kyslíkuPro dmýchání kyslíku do lázn se u EOP p vodn používaly ocelové trubky zavád né do pecepracovním otvorem ru . Tento jednoduchý zp sob je v ad p ípad u malých obloukovýchpecí používán dodnes. Pot eba odstranit tuto namáhavou práci tavi e vedla pozd ji u velkýchpecí k realizaci mechanizovaného zavád ní t chto trubek do lázn . S novými koncepcemimechanizovaného a automaticky ovládaného dmýchání kyslíku se setkáváme v pr hu 80.let, kdy se v integrovaném pojetí eší i další úlohy, jako nap . konstrukce a použití„nap ovací“ trysky nebo sou asné dmýchání kyslíku a prachových substancí (vápno apod.).

evládající sm r v konstrukci dmýchání kyslíku je v zavád ní trysek do pece p es pracovnídví ka, viz nap íklad systém FUCHS nebo BSW Engineering.Celková spot eba kyslíku pro kyslíko – palivové ho áky, kyslíkové trysky a dospalování COse v sou asnosti zvýšila z 24 na 30 Nm3/t (tj. o 25 %).Oprávn však lze p edpokládat, a n které již zve ejn né provozní zkušenosti to potvrzují,že vysoká spot eba kyslíku sama o sob automaticky nezaru uje efektivnost náhrady p íkonuenergie, kterou jinak získáváme z elektrické sít [10]. Prostou extrapolací maximálnpoužívaných m rných spot eb kyslíku v EOP (50 Nm3/t) se došlo k extrémním prognózám

stu m rné spot eby kyslíku v EOP až na 70 Nm3 O2/t.Rozborem tepelné efektivnosti a fyzikálního omezení intenzifikace procesu EOP však bylopotvrzeno, že p i zvyšování intenzity procesu v EOP dochází ke snižování celkové ú innostiprocesu tavení.Intenzivní využívání kyslíku v EOP enormn zvyšuje požadavky na výkonnost za ízeníur ených pro jímání a išt ní spalin. A pon vadž v sou asnosti se požadavky v tomto sm ruzp ís ují, mohou být ekonomické kalkulace p i posuzování výhodnosti zám ny energiez elektrických oblouk jinými zdroji tepla tímto faktorem významn ovlivn ny.Pokud jde o problematiku efektivního dospalování CO (p i spálení 0,5 Nm3 oxidu uhelnatého1 Nm3 O2 na CO2 se uvol uje cca 7 kWh), jedná se o náro ný technický problém, pro jehožefektivní vy ešení není posta ující koncepce, založená na prostém p ívodu plynného kyslíkudo pracovního prostoru pece blíže nespecifikovaným zp sobem p i p esn ízené intenzitpr toku. Sou asné poznatky jednozna ukazují, že pro dosažení pot ebného stupn využitíuvol ovaného tepla jsou nezbytné speciální injektážní trysky a automatická regulace intenzity

ívodu kyslíku na základ údaj , které se zjiš ují kontinuální analýzou složení spalinodcházejících z pracovního prostoru pece.

Intenzifikace tavení vsázky kyslíko - palivovými ho ákyTeplota plamene U soudobých kyslíko – palivových ho ák je teplota plamene 2600 až2800 °C, což dává p edpoklad dobré ú innosti p estupu tepla z plamene do vsázky. P iposuzování potenciální využitelnosti p ídavných ho ák v obloukové peci se však nevysta í s


84

edstavou staticky vymezené st ední hodnoty ú innosti oh evu ho áku. Je nutné vzít v úvahu,že se v pr hu tavicího procesu zákonit m ní i ú innost p enosu tepla z plamene do vsázky.Obr. 7.2 znázor uje charakter zm ny ú innosti b hem údobí tavení vsázky. V po áte níchstadiích procesu je stupe využití tepla ho áku vysoký kolem 80 %. Trend poklesu ú innosti vase není zpo átku p íliš výrazný a lze vyzna it mez (obr. 7.2 bod „a“), za kterou trend

poklesu ú innosti nabývá na intenzit . Odpovídá to situaci, kdy v okolí p sobnosti plameneho ák je vsázka již natavena a p estup tepla ze spalin do vsázky není již tak bezprost edníjako na po átku.Záv re né fáze procesu tavení jsou charakterizovány tím, že objem dosud neroztavené vsázkyje již zna zmenšený a p itom i dále intenzivn ubývá. Za t chto okolností by na soudobýchobloukových pecích s vodou chlazenými st nami a víkem klesala ú innost oh evu až nahodnotu 25 20 %. Provozování p ídavných kyslíko - palivových ho ák nep etržit po celéúdobí tavení vsázky je v sou asných pom rech zjevn neracionální.

Podíl doby, po kterou je ješt efektivnísou asn s elektrickými oblouky využívat

ídavné ho áky je samoz ejm ovlivn n adoufaktor nap íklad konstruk ním uspo ádáním,po tem a tepelným výkonem ho ák ,cenovými relacemi mezi palivem, kyslíkem aelektrickou energií, asovými požadavkyapod. M žeme tedy uvažovat ur ité rozmezí(obr. 7.3), které je vymezeno definovanýmbodem „a“ a z pravé strany bodem „b“ podkterým již je ú innost ho ák nízká a zpravidlaneefektivní.Z hlediska konstruk ního uspo ádání amanipulace se obvykle rozlišují:

ho áky se stabilním umíst nímmobilní dve ní ho áky

V první skupin jsou nejrozší en jším reprezentantem st nové ho áky. Ur itou nevýhodoustabilních st nových ho ák zejména p i velkém jednotkovém tepelném výkonu je dosaženíbodu „a“ za relativn kratší dobu. Podíl doby s nejvyšší ú inností se tak zmenšuje. Obvyklývýkon jednotlivého ho áku bývá 1 2,5 MW, instalují se však ho áky o výkonu až 10 MW.Zdokonalení v tomto sm ru bylo aplikováno v Japonsku a spo ívá v realizaci mechanizmu,schopného zasouvat v dob funkce ho ák do pracovního prostoru pece.Prodloužení doby s nejvyšší ú inností lze docílit také alternativou, kdy stanovený celkovýtepelný p íkon pro p ídavné ho áky se rozd lí do v tšího po tu jednotek. Nap íklad ešení

Obr. 7.3 Vývoj sou initele vyjad ujícího zm nuvyužití tepla ho ák s postupujícím procesem tavení

vsázky (relativní as doby tavení)


85

realizované v USA a ozna ované jako „Tri Flame“ ho ák, které je znázorn no na obr. 7.4.Jedná se o konstruk ní jednotku, ze které vyús ují t i v jí ovit sm rované ho áky.Z výše uvedeného len ní podle kritéria stabilního i mobilního uspo ádání ho áku se odlišují

koncep zak ivené a po obloukovitédráze zasouvatelné kombinované tryskyho áku UNILANCE. V jednom za ízeníje více funkcí. Vedle kyslíko - palivovéhoho áku je to též kyslíková zkuj ovacídmyšna a t etí funkcí je možnostdmýchání prachových substancí nap íkladvápna anebo nauhli ovadlo.Pro p edstavu o ocen ní p ínos , které sezískávají používáním p ídavných ho ák ,

žeme použít úvahu nap íklad, žespálením 5 Nm3/t zemního plynu se

dosahuje úspory el. energie v pr ru 40 kWh/t. Navíc každé procento dodate néhotepelného p íkonu od p ídavných ho ák , absorbované vsázkou, znamená stejné procentuálnízkrácení tavicího údobí.

ízení energetických režimVycházíme z toho, že výkon oblouk u každého nap ového stupn roste se zvyšovánímintenzity proudu jen po ur itou mez, p i níž dosahuje maxima. P i dalším zvyšování proudovéintenzity za íná inný výkon klesat, což je doprovázeno i výrazným poklesem elektrické

innosti ( EL) a ú iníku. Z toho pak byla vyvozována zásada, že pro nejrychlejší tavení jeelné pracovat s proudy v oblasti maxima výkonu oblouk a že jejich p ekro ení je zcela

neracionální.Pro tavení vsázky nebo oh evu lázn se však nevyužívá celý výkon oblouk , ale jeho ást sespot ebuje na kompenzaci tepelných ztrát pece v pr hu tavby. Za zjednodušujícího

edpokladu o konstantní velikosti tepelných ztrát, je možné na základ takto dopln nýchpracovních charakteristik pece dojít ke zjišt ní, že krom intenzity proudu oblouk ,odpovídající maximu užite ného výkonu existuje i intenzita zajiš ující minimum spot ebyelektrické energie. Za racionální oblast práce pece se pak považovalo pásmo proud obloukvymezených uvedenými charakteristickými hodnotami.Uvedené p ístupy k racionalizaci energetického režimu jsou však p íliš zjednodušené, nebovycházejí z toho, jak se oblouková pec projevuje navenek. Významný krok vp ed znamenalouplatn ní poznatk o p enosu energie z oblouk do pracovního prostoru pece, získanýchstudiem vlastností elektrických oblouk p i r zných jejich parametrech. Tyto zásady, kteréstanovil, Schwabe, dostaly široké uplatn ní zejména s rozvojem vysokovýkonných (UHP)pecí.Známé jsou dynamické modely ízení energetického režimu pro fázi tavení a dohotovení.Více informací je možné nalézt v doporu ené literatu e.

Obr. 7.4 Schematické znázorn ní „TRI FLAME“ ho ák


86

Využití tepla spalin odcházejících z EOPZ elektrických obloukových pecí odchází ve spalinách významná množství energie. Toto

množství energie ve spalinách rostes intenzifika ními opat eními zejména s použitímkyslíku a kyslíko-plynových ho ák . Na obr. 7.5je uveden p íklad tepelné bilance elektrickéobloukové pece. Elektrická energie spot ebovanána roztavení a oh ev oceli iní jen asi polovinuveškeré dodané energie. Zbytek energie pot ebnépro výrobu oceli je dodán kyslíko - palivovýmiho áky a exotermickými reakcemi. V uvedeném

íklad odchází v plynech z pece 8,5 % dodanéenergie, což p edstavuje 50 kWh/t. Celkovéztráty iní 195 kWh/t, což je 16 %. Podíl energieodcházející spalinami je tedy asi tvrtinacelkových tepelných ztrát.Teplo spalin se využívá nej ast ji k p edeh evukovové vsázky. Nejjednodušším zp sobem

edeh evu vsázky je p edeh ev v sázecím koši,který se umís uje do komory, p es kterouprocházejí spaliny.Postupy, p i kterých je kovová vsázka

edeh ívána p ímo v prostoru navazujícím naobloukovou pec jsou nap íklad FUCHSOVA šachtová pec, pochod CONSTEEL,pec DC EOP COMELT, pochod CONTIARC ).

Dmyšny ve dnu EOPJedním ze základních intenzifika ních opat ení je dmýchání inertních plyn , zpravidla argonu

ípadn také dusíku, do EOP dmyšnami ve dn pece. Tímto se urychluje a zlepšuje p enostepla mezi oblouky a lázní, zkracuje doba tavby, snižuje se spot eba grafitových elektrod,snižuje spot eba elektrické energie a prodlužuje životnost vyzdívky a víka pece.Dmyšny jsou nej ast ji tvo eny opláš ovanými pórovitými keramickými tvárnicemi, které

jsou vestaveny do níst je pece. Podle velikosti peceže být pec osazena i n kolika dmyšnami.

Kontrola p ípadn vým na dmyšen je provád nahem studené opravy pece. Minimální životnost

dmyšen je p i dodržení všech výrobcem danýchpodmínek zpravidla by m la být do první v tšíopravy vyzdívky pece. Dmyšny bývají d leny astopodle toho, zda prochází plyn z dmyšny p ímo dolázn nebo se dmýchá z dmyšny p es vrstvuvyzdívky. Používané uspo ádání dmyšny v ppece je v sou asnosti p ímé, jak je znázorn no naobr. 7.6. Výhodou p ímého zp sobu dmýcháníplynu do lázn , je vysoká ú innost. Pro zabezpe eníbezporuchové funkce musí být dmyšna neustále vevšech fázích výroby v provozu a dmýchání plynu

nesmí být p erušeno, je regulován pr tok plynu. Za ízení p i dmýchání plyn také snižujeteplotní i chemickou heterogenitu taveniny v peci po celou dobu tavby, napomáhá vyplouvání

Obr. 7.5 Tepelná bilanceelektrické obloukové pece

Obr. 7.6 Dmýchání plynu ímoz dmyšny do lázn


87

vm stk a zlepšují také kinetické podmínky pro dezoxidaci a odsí ení oceli. P dní dmýchánímá také p íznivý vliv na obsah plyn v oceli. B hem dmýchání dochází také ke snižováníobsahu dusíku a zejména vodíku.

ípadné investice vložené do za ízení na dmýchání plyn mají krátkodobou návratnost.

Intenzifikace dohotoveníPokud je doba tavby kolem 60 minut, potom je doba dohotovení velmi krátká. Stanovenímnožství kyslíku pro oxidaci a množství struskotvorných látek, které zajistí odfosfo ení, jevypo teno na základ metalurgického modelu vycházejícího z fyzikáln – chemické podstatyízených pochod . K výpo tu jsou používány jako vstupní hodnoty zejména teplota oceli a

chemické složení zjišt né na základ analýzy oceli a chemické složení požadované provyráb nou zna ku. Model po ítá s experimentáln zjišt ným využitím jednotlivých p ísad. Namoderních intenzifikovaných pecích je po odfosfo ení a oduhli ení kovu v peci provád nadalší úprava taveniny zpravidla na n jakém z dalších za ízení sekundární metalurgie. P vodnífáze dohotovení se tak z v tší ásti p esouvá mimo pecní agregát.

7.3 Intenzifikace výroby oceli ve slévárnáchIntenzifikací výroby oceli se v tomto textu uvažuje soubor opat ení, které vedou zejménake zkrácení doby tavby, snížení spot eby elektrické energie, grafitových elektrod a náklad nažáruvzdorný materiál. Kone ným cílem intenzifikace je snížení náklad na výrobu oceli p idosažení její požadované jakosti. Náklady na výrobu oceli je nutné po ítat komplexn .Jestliže snížení náklad v jedné fázi výroby znamená zvýšení náklad v jiné fázi výroby,potom je nutné po ítat s výsledným ekonomickým efektem. P i výrob v tšiny b žnýchkomer ních ocelí na odlitky není nutné se zabývat nap . istotou ocelí. istota ocelí dosažená

žným metalurgickým postupem ve v tšin p ípad vyhovuje požadované užitné hodnotodlitk a zajiš uje p edepsané mechanické hodnoty. U ocelí ur ených pro práci za nízkýchteplot nebo se speciálními vlastnostmi však istota oceli a zejména morfologie vm stk hrajevýznamnou roli.Termín intenzifikace by bylo možné v tomto pojetí nahradit termínem zvýšení hospodárnostivýroby oceli. Pojem intenzifikace je však v technické praxi zaveden a bude i dále ve výšeuvedené smyslu požíván.Podmínky pro intenzifikaci technologie se mohou mezi jednotlivými slévárnami lišit.Významný vliv mají nejen ceny jednotlivých surovin a energií, ale také denní výrobnost. Jiný

ístup m že být ve slévárn , která se specializuje na výrobu náro ných odlitk o vysoké cenjiný u slévárny, která vyrábí velké množství odlitk na linkách za b žné ceny. P i výrobodlitk , u kterých se dosahuje vysoké prodejní ceny, klesá podíl náklad na materiál v odlitkua tím i návratnost intenzifika ních opat ení.Použití siln jších pecních transformátor ve slévárnách oceli má smysl v tom p ípad , kdyinstalovaný pecní transformátor je využívaný na plný výkon. Hodnota koeficientu využitípecního transformátoru by se m la blížit hodnot jedna. Toho lze dosáhnout zejménase ízením regulace elektrod, p ípadn její vým nou za moderní. Dále lze doporu it povolené

et žování pecního transformátoru. Použití vodou chlazených st n a vík se v blízké dob umalých pecí a p i p erušovaném provozu pece nep edpokládá.Použití kyslíku je nejefektivn jší p i dotavování vsázky a na za átku oxidace. Mechanizacezavád ní vodou chlazené trysky pro dmýchání kyslíku m že být p ínosem pro zkrácení dobytavby. Kyslík je v eských slévárnách používán od za átku 60. let. Použití kyslíku p iintenzifikaci tavby je považováno za jedno z nejú inn jších opat ení.Intenzifikace tavení vsázky kyslíko-palivovými ho áky je v R málo používaná. U malýchpecí se zavádí ho ák do pece sázecím otvorem. U v tších pecí (kolem 15 t) lze tuto investici


88

s jistotou doporu it. V p ípad instalace kyslíko – palivových ho ák je nutné uvažovat takés jeho výkonem, p ípadn i vým nou celého odsávacího a odprašovacího za ízení.

ízení energetických a metalurgických režim u malých pecí není zatím v R b žnpoužíváno. V minulosti prob hla celá ada zkoušek s ízením energetických režim na malýchpecích. Skute ného ekonomického efektu však nebylo dosaženo. P edpokladem pro uplatn nímodelu pro ízení tavby je nutnost snímat data používaná v modelu jako vstupní veli iny „on-line“. Pr žn jsou na pecích k dispozici pouze data o chemickém složení a data o teplot .Data o chemickém složení jsou používána k ízení dolegování. Ostatní data jsou p episovánado elektronické podoby z tavících protokol až po ukon ení tavby.Nap né strusky lze u malých pecí jednoduchým zp sobem dosáhnout reakcí uhlíku akyslíku obsažených ve strusce. P ísada rudy a vápna do vsázky zp sobí vznik nap néstruky b hem tavení. B hem dmýchání kyslíku v oxida ním údobí vzniká rovn ž nap nástruska. Práce s nap nou struskou umožní použít b hem oxidace delší oblouky a vyššívýkon. Výhodou práce s nap nou struskou je snadné zavedení bez vedlejších náklad .Využití tepla spalin odcházejících z EOP je obtížné na malých pecích ekonomicky realizovat.V sou asnosti není ve slévárnách oceli p edeh ev vsázky zaveden.Dmyšny ve dnu EOP je moderní technologie, která se za ala používat ve slévárnách v90. letech. Uvedenou technologii lze doporu it k provozním zkouškám v podstat u všechpoužívaných EOP. Dmyšny se používají také v elektrických induk ních pecích. V p ípadinduk ních pecí má instalace dmyšen za cíl snížit obsah plyn zejména u vysocelegovanýchocelí.Intenzifikace dohotovení spo ívá zejména ve zkrácení doby analýzy oceli a snížení po tuodebraných zkoušek. P i výrob b žných odlitk je možné pracovat s co nejmenšímmnožstvím strusky a dobu oxidace omezit na dobu pot ebnou pro dosažení odpichové teploty.Pr h odsí ení lze urychlit dokonalým stažením oxida ní strusky a dostate nou hlubinoudezoxidací kovu. Výsledné chemické složení lze dopo ítat již na základ chemické analýzyoceli na konci oxidace, ímž se ušet í as s odb rem a analýzou dalšího tavebního vzorku.Pro místní podmínky sléváren lze navrhnout další drobná intenzifika ní opat ení, které lzerealizovat s vynaložením náklad s krátkou dobou návratnosti.


intenzifikace výroby oceli v EOP

postupný vývoj za ízení a technologie v EOPvývojové trendy ve výrob

jednotlivá intenzifika ní opat eníintenzifikace výroby oceli ve slévárnách


1) Co znamená pojem intenzifikace výroby oceli v EOP?2) Jaký byl genera ní vývoj za ízení a technologie v EOP?

3) Jaké jsou sou asné vývojové trendy ve výrob v EOP?4) Která intenzifika ní opat ení mohou být na EOP?


89

5) Jak je vnímán pojem intenzifikace výroby ve slévárnách R?

6) Jaké jsou možnosti použití intenzifika ních opat ení ve slévárnách R?


1) Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM,VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9.

2) Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984,269 s.

3) Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p.767, ISBN 0-930767-02-0.

8. Výroba oceli v kyselých EOP. P ednosti kyselých EOP oprotizásaditým EOP.



vyjasníte si pojem výroba oceli v kyselých EOPbudete znát výrobní zp soby v kyselých EOPpochopíte význam kyselých vyzdívekujasníte si funkci oxidace k emíku, manganu a uhlíku v kyselé EOPbudete znát pr h výrobní technologie aktivního a pasivního pochoduseznámíte se s p ednostmi kyselých EOP

Výklad

8.1 Výroba oceli v kyselých obloukových pecíchLiteratura uvádí, že kyselé obloukové pece se používají v amerických a ruských slévárnáchoceli a v Evrop jsou kyselé obloukové pece málo rozší ené. V R nejsou kyselé EOPprovozovány. Nelze vylou it, že za ur itých podmínek m že použití kyselých obloukovýchpecí p inést úspory náklad .

Vyzdívky kyselých obloukových pecíZákladní pravidla pro zhotovení kyselé vyzdívky jsou podobné jako u zásaditých pecí.


90

Kyselé vyzdívky na bázi oxidu k emi itého jsou termodynamicky mén stabilní než zásaditévyzdívky na bázi MgO, reagují s prvky s vyšší afinitou ke kyslíku, než má k emík (Al, Ti a

i vyšších teplotách i s uhlíkem). V p ípad snížení aktivity kyslíku pod hodnotu, která zadaných podmínek odpovídá rovnováze s k emíkem, m že docházet k redukci oxidu

emi itého z vyzdívky, což je doprovázeno r stem koncentrace kyslíku a k emíkuv roztavené oceli.V kyselých pecích proto nelze snížit aktivitu kyslíku na hodnoty dosažitelné v zásaditýchpecích a proto se projevuje negativn na hodnotách mechanických vlastností. Oceli vyrobenév kyselých pecích mají p i stejném chemickém složení a tepelném zpracování obvykle nižšíhouževnatost než oceli vyrobené v zásaditých pecích. Také s vyzdívkou reagují prvkyrozpušt né v oceli, které tvo í zásadité oxidy. Mezi tyto prvky pat í zejména mangan.

i výrob jakostí oceli s vyšším obsahem manganu než 0,80 až 1,00 % je proto nutné bu todolegovávat mangan do pánve nebo do pece t sn p ed odpichem.

8.2 Výrobní zp soby v kyselých obloukových pecíchProtože je v kyselých struskách oxid železnatý vázán na silikáty, tak v d sledku této vazby sesnižuje aktivita FeO ve strusce. Z toho vyplývá, že pod oxida ními kyselými struskami jemožné po ítat s nižší aktivitou kyslíku, zatím co pod reduk ními s vyšší aktivitou kyslíku vesrovnání se zásaditými struskami. Obsah kyslíku v oceli je b hem uhlíkového varu ízenobsahem uhlíku a v ostatních p ípadech aktivitou dominantního dezoxida ního prvku v oceli.Pro rozd lení kyslíku mezi strusku a kov v kyselých pecích jsou v literatu e vztahy:

(8.1)

V kyselých obloukových pecích se používají dva výrobní zp soby. Ozna ují se jako aktivnípochod a pasivní pochod.Technologie ozna ovaná jako aktivní pochod používá k oxidaci rudu nebo okuje. U pasivníhopochodu se pro nastartování uhlíkové reakce využívá pouze zvyšování dezoxida níschopnosti uhlíku s rostoucí teplotou.Výrobní technologie je jednostrusková, ve strusce není vázán fosfor, tak se po oxidaci struskanestahuje a po oxidaci následuje p ímo fáze dohotovení. Na ed ní strusky se u oboutechnologií používá vápno nebo vápenec (CaCO3). P idání siln zásaditého oxidu (CaO) dokyselé oxida ní strusky má za následek zvýšení aktivity oxidu železnatého a tím i aktivitykyslíku ve strusce. Zvýšení aktivity kyslíku ve strusce zp sobí také zvýšení aktivity kyslíkuv oceli, což m že v oceli vyvolat uhlíkový var. P ísada vápna do strusky je však omezenaz d vod reakce s vyzdívkou pece obvykle do cca 2 % CaO.Strusky nasycené SiO2 (aSiO2 = 1) s vyzdívkou nereagují. ím více se však po p ísad CaOsníží aktivita SiO2 ve strusce, tím více reagují zásadité oxidy, zejména FeO a CaOs vyzdívkou.

Oxidace k emíku v kyselé elektrické obloukové peciAktivita oxidu k emi itého v kyselých struskách vyšší než v zásaditých. Oxidaci k emíku jemožné popsat rovnicí:

(8.2)

Rovnovážnou aktivitu k emíku lze vypo ítat z rovnovážné konstanty reakce podle vztahu:

(8.3)

734,2–6320logO

Feo

Taa

2SiOO2Si 2OSi

2SiO2SiO aa

aK

2O2SiO

2SiOSi aK

aa


91

Ve struskách nasycených oxidem k emi itým je jeho aktivita rovna jedné. Pro takový p ípadje rovnovážná aktivita k emíku v oceli nep ímo úm rná aktivit kyslíku. Pro výše uvedenépodmínky uvádí literatura empiricky zjišt ný vztah:

(8.4)

Fáze oxidace v tšinou kon í v kyselých pecích p i obsahu uhlíku 0,20 % s obsahem kyslíkukolem 200 ppm. Tomuto obsahu kyslíku odpovídá p i teplot 1600 °C podle rovnice (8.4)obsah k emíku 0,04 %.Za jinak stejných podmínek je v zásadité obloukové peci na konci oxida ního údobí obsah

emíku nižší než 0,01 %.

Oxidace manganu v kyselé elektrické obloukové peciV kyselé obloukové peci probíhá oxidace manganu podle stejných zákonitostí jako vobloukové peci se zásaditou vyzdívkou. Oxid manganatý je považován za zásaditý oxid, jehožaktivita siln závisí na bazicit strusky. V kyselých struskách je p i stejné koncentraci oxiduMnO proto jeho aktivita nižší než ve struskách zásaditých. Aktivitu oxidu manganatéhov kyselých struskách s nízkým obsahem Mn kolem 15 – 20 % ve strusce je možné stanovit nazáklad jeho koncentrace a p íslušného aktivitního koeficientu stanoveného z literatury.Reakci manganu se struskou nasycenou oxidem k emi itým lze popsat vztahem:

(8.5)

Pro rovnovážnou konstantu rovnice byla empiricky stanovena závislost ve tvaru:

(8.6)

Z rovnovážného diagramu Fe-Mn-Si-O v literatu e vyplývá zvýšená dezoxida ní schopnostmanganu pod struskami, které jsou nenasycené oxidem k emi itým nebo MnO – FeO silikáty.V kyselých pecích se proto doporu uje p idávat mangan až po p ísad k emíku (p ísadaminimáln 0,30 % Si). Vyšší obsahy manganu než 0,80 % je vhodné p isazovat z d vodmožného vzr stu koncentrace k emíku až bezprost edn p ed odpichem. Z tohoto d vodunení také možné vyráb t na peci s kyselou vyzdívkou vysokolegované manganové oceli.

Oxidace uhlíku v kyselých elektrických obloukových pecíchReakce uhlík probíhá s kyslíkem, který p echází do oceli ze strusky. Ve struskách nasycenýchoxidem k emi itým je nejvíce snížena aktivita oxid železa a manganu. Aktivita oxidu

emi itého je naopak nejvyšší. P i termodynamických výpo tech lze považovat i aktivituoxidu k emi itého ve vyzdívce za rovnu jedné, nebo p i reakcích mezi kovem a vyzdívkouvstupuje do reakce jako istá látka. Také uhlík m že podobn jako mangan reagovat s oxidem

emi itým obsaženým jak ve strusce, tak i ve vyzdívce. Reakci uhlíku s oxidem k emi itýmve strusce je možné popsat rovnicí:

(8.7)

Dezoxida ní schopnost uhlíku se zvyšováním teploty roste, tzn., že klesá hodnota rovnovážnéaktivity uhlíku. Jestliže se zvýšením teploty klesne hodnota rovnovážné aktivity uhlíku podaktuální aktivitu uhlíku v oceli, vytvá ejí se podmínky pro pr h reakce (8.7).

750,505019SiOlog 2

T

MnO

MnO2SiMn2SiO 2

92,67100Mn

Silog 2

2SiO

2MnO

Taa

K

CO2SiC2SiO 2


92

Pro reakci (8.7) byla na základ empirických m ení sestavena rovnice:

(8.8)

V kyselých EOP dochází p i oduhli ení podle rovnice (8.7) k probublávání oxidu uhelnatéholázní, kdy se k emík vyredukovaný z oxidu k emi itého rozpouští v tavenin . Množstvívyredukovaného k emíku je závislé jednak na obsahu uhlíku a také na teplot . S rostoucíteplotou a obsahem uhlíku roste i rovnovážný obsah k emíku.Pro tento d vod není možné na kyselých pecích vyrobit ocel s nízkým obsahem k emíku.

8.2.1 Aktivní pochodPro popis technologie aktivního pochodu je možné tavbu rozd lit podobn jako p i výroboceli na zásaditých pecích na ty i údobí.

íprava vsázky (mezitavbový prostoj):Z pohledu chemického složení vsázky je d ležité mít pod kontrolou obsah fosforu a síry vevsázce. Obsah chromu je možné v oxidaci snížit. Vsázka se nauhli uje tak, aby obsah uhlíkupo roztavení byl v oceli nejmén o 0,30 % vyšší, než je požadovaný obsah uhlíku na koncioxidace. Nauhli ení se provádí koksem. Ostatní nauhli ovadla by zvýšila obsah fosforu a síry(sur. Fe nebo litina).Tavení vsázky:Pro tavení vsázky platí zásady jako pro výrobu na zásadité peci. Kyselá vyzdívka však snášímenší tepelné zatížení než zásaditá a s tím je nutné po ítat.

Oxidace:Pro oxidaci se používá ruda nebo okuje. Oxidaci lze stejn jako na zásaditých pecíchintezifikovat dmýcháním kyslíku. Pokud je struska nasycena oxidem k emi itým, p idává sena strusku vápno nebo vápenec. Tím se jednak zvyšuje aktivitu FeO (zlepšuje oduhli ení azvyšuje oduhli ovací rychlost) a sou asn se snižuje i viskozita strusky. Kyselé struskyrozpoušt jí mén vodíku než strusky zásadité. Obsah vodíku v kyselých struskách iní cca10 ppm, v zásaditých 40 až 50 ppm. V zásaditých struskách je hlavním zdrojem vodíkuhygroskopické vápno.

hem oxidace se snižuje obsah uhlíku o minimáln 0,30 %. Uhlíkový var je pod kyselýmistruskami ú inn jší na snížení obsahu vodíku než pod zásaditými. B hem uhlíkového varu setaké snižuje chemická a tepelná heterogenita lázn .Rudu nebo okuje je vhodné p isazovat do st edu pece. U st n pece je výhodné, udržovatstrusku nasycenou oxidem k emi itým, protože se tak zabrání reakci mezi struskou a kovemv oblasti struskové áry, což se p ízniv projeví zejména na životnosti vyzdívky.

Dezoxidace:Pro zaražení uhlíkového varu se používá p ísada ferosilicia a feromanganu. Struska se stahujejen v p ípad jejího v tšího množství. Kyselost strusky je možné zvýšit p ísadou písku. Obsah

emíku po dezoxidaci by m l být cca 0,30 %. Po dezoxidaci následuje úprava odpichovéteploty a chemického složení oceli.Na záv re nou dezoxidaci oceli v pánvi se používá hliník podobn jako p i výrob oceli nazásaditých obloukových pecích. P ebytek hliníku v oceli udržuje nízkou aktivitu kyslíkuv oceli i b hem odlévání forem.Kyselé strusky obsahují oproti zásaditým vyšší obsah oxid železa. Vysoký obsah oxidželeza ve strusce m že být p inou zvýšené sekundární oxidace kovu v pánvi, což m žev n kterých p ípadech vést až k takovému snížením obsahu hliníku, že se na konci lití mohou

47,1548627CSilog 2 T


93

u odlitk objevit bodliny. U kyselých strusek se udává obsah FeO až 15 %, zatímco uzásaditých dob e dezoxidovaných strusek je obsah FeO nižší než 1 – 2 %.

8.2.2 Pasivní pochodU pasivního pochodu se pro nastartování uhlíkového varu nepoužívá p ísada rudy nebo okují.Pasivní pochod využívá pouze zm ny afinity uhlíku ke kyslíku se zm nou teplotou. P inízkých teplotách dochází v p ítomnosti oxid železa p inesených vsázkou k uhlíkovémuvaru. Za vyšších teplot dezoxiduje uhlík nejen oxidy železa, ale i oxid k emi itý a obsah

emíku v oceli roste. Proto se var za vyšších teplot sám zastavuje. K zastavení varu se taképoužívá p ísada písku na strusku. Zvýšení aktivity oxidu k emi itého ve strusce vedeke snížení aktivity oxidu železnatého, ímž se jednak p eruší p echod kyslíku ze strusky dooceli a následn i samotný var.Obsah oxid železa ve strusce lze odhadnout podle obsahu k emíku v oceli. Rovnováhu meziobsahem k emíku v oceli a obsahem oxid železa a k emíku ve strusce popisuje vztah:

(8.9)

Pro rovnici byla empiricky odvozena teplotní závislost ve tvaru:

(8.10)

Graficky je rovnice (8.10) znázorn na na obr. 8.2, z n hož vyplývá, že s klesajícím obsahemoxidu železnatého vestrusce roste rovnovážnýobsah k emíku v lázni.Dále patrný i vliv teploty,kdy p i konstantnímobsahu oxidu FeO docházís rostoucí teplotou kezvyšování rovnovážnéhoobsahu k emíku.V p ípad , že je obsah

emíku v tavenin p iur ité teplot nižší, nežudává p íslušná k ivkav obr. 8.2, probíhá reakce(8.10) zprava doleva.Železo m že redukovatoxidy SiO2 ze strusky neboz vyzdívky. P i vyšším

obsahu k emíku není redukce možná a reakce b ží opa ným sm rem, a oxidy SiO2 se naopaktvo í. Velmi nízkým koncentracím FeO v kyselé strusce odpovídají vysoké koncentrace

emíku v tavenin , dochází k výraznému zvyšování obsahu k emíku v tavenin . Z d vodpostupného zvyšování jeho obsahu se proto obvykle na konci tavby nedoporu uje provád t

ísadu ferosilicia.Z rozboru podmínek p echodu kyslíku ze strusky do lázn a porovnáním rovnovážnýchkonstant reakcí (8.7) a (8.9) však vyplývá, že rozhodujícím initelem pro p echod kyslíku dolázn je rovnováha mezi k emíkem a uhlíkem.Pasivní pochod se vyzna oval dlouhou dobou tavby a dnes se prakticky nepoužívá.

Fe2SiOFeO2Si 2

64,1020018–FeOSilog 2

T

8.2 Vliv obsahu FeO ve strusce na obsah k emíku v lázni

0

5

10

15

20

25

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

obsa

h Fe

O v

e st

rusc

e [%

]

obsah k emíku v tavenin [hmot.%]

1550 °C1600 °C1650 °C


94

8.3 P ednosti kyselých elektrických obloukových pecíKyselé obloukové pece ve slévárnách v echách a na Morav nejsou provozovány. P esto jedobré znát jejich základní p ednosti.Výroba oceli na kyselých EOP se vyzna uje až o 20 % nižšími zpracovacími nákladyvyplývajícími z kratší doby tavby, což umož uje jednodušší technologický postup vedenítavby a tím možné úspory:

ve spot eb elektrické energie, na které se podílí také nižší tepelná vodivost kyselévyzdívky a náklady na elektrickou energii mohou být celkem nižší až o 20 %,ve spot eb grafitových elektrod až o 25 %,v oblasti mzdových náklad ,v nákladech na žáruvzdorný materiál,ve spot eb nekovových p ísad,v nižších nákladech na odvoz a deponování strusky, výrobní technologie v kyselých EOPpracuje s menším množstvím strusky.

i výrob oceli na kyselé obloukové peci dosáhneme nižší obsah vodíku a proto i objem vadodlitk zp sobených bublinami a bodlinami je obvykle nižší. Literatura také uvádípravd podobnou lepší zabíhavost oceli vyrobené na kyselé peci, zejména p i odlévánídrobných tenkost nných odlitk . Pro vyšší odolnost proti zm nám teploty jsou kyselé EOPvhodné do p erušovaného provozu.Základní nevýhodou p edevším p i dnešních možnostech v oblasti externího kovovéhoodpadu kyselých EOP je technologicko-ekonomická nereálnost odfosfo ení a odsí ení natomto agregátu. Výrobní sortiment ocelí pro kyselé obloukové pece je omezen pouze nanelegované a nízkolegované zna ky ocelí. V t chto pecích nelze vyráb t vysokolegovanéchrómové a manganové oceli.Intenzifikace výroby oceli na zásaditých obloukových pecích však p inesla významnézkrácení doby tavby, spot ebu elektrické energie i ostatních náklad . S t mito agregáty nelzepece s kyselou výduskou srovnávat.Prostor pro použití kyselých pecí však z stává ve slévárnách u malých pecí s p erušovanýmprovozem.


výroba oceli v kyselých EOPvyzdívky kyselých EOP

funkce oxidace k emíku, manganu a uhlíku v kyselé EOPtechnologie aktivního a pasivního pochodu

ednosti kyselých EOP


1) Jaká je základní charakteristika výroby v kyselé EOP?2) ím se vyzna ují kyselé vyzdívky?


95

3) Jaký je pr h základních metalurgických reakcí oxidace k emíku, manganu a uhlíku?

4) Které jsou základní znaky technologie aktivního a pasivního pochodu?5) Z eho vychází p ednosti provozování kyselé EOP?


1) Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM,VUT Brno 2008, 310 s, ISBN 978-80-214-3632-9.

2) Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk , SNTL, Praha 1984,269 s.

3) Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p.767, ISBN 0-930767-02-0.

9. Konstrukce a tepelný režim práce elektrické induk ní pecest edofrekven ní (EIP). Dusací žáruvzdorné hmoty EIP. Praxe vedenítavby.



vyjasníte si pojem elektrická induk ní pecseznámíte se s charakteristikou elektrické induk ní pece st edofrekven níbudete znát základní konstrukci EIPbudete um t posoudit použití kyselých, neutrálních anebo magnezitových

výdusek EIPbudete znát výrobní fáze vedení tavbyseznámíte se s možnostmi regulace výrobnosti EIP

Výklad

9.1 Výroba oceli na odlitky v elektrických induk ních pecíchPro výrobu ocelových odlitk nižší a st ední hmotnostní, které jsou vyráb ny naautomatických formovacích linkách, je základní požadavek v plynulém zásobování tekutýmkovem. Na výrobu taveniny jsou nezastupitelnými ocelá skými agregáty elektrické induk nípece. Doba tavby na moderní induk ní peci m že být kratší než jedna hodina.

i navrhování tavicí kapacity pro formovací linku se vychází z výrobnosti linky (po et foremza hodinu) a z hmotnosti tekutého kovu v jedné form . Z t chto údaj se zjistí požadovaná


96

hmotnost a doba tavby. Obvykle se p edpokládá sou asná výroba oceli na dvou až t echpecích tak, aby byla linka plynule zásobována tekutým kovem.Z pohledu výrobního sortimentu je ve slévárnách limitující výroba legovaných ocelí, kterénelze na EOP ekonomicky vyráb t. Jsou to oceli korozivzdorné s obsahem uhlíku pod0,050 %.Výhodou induk ních pecí jsou nižší zpracovací náklady na výrobu tekuté oceli oproti EOP.Pro slévárnu je výhodné mít k dispozici oba typy elektrických pecí. Induk ní pece pakzpracovávají vlastní vratný materiál. Zpracování vratného materiálu na induk ních pecích jezejména z d vodu nižších propal ekonomi jší než na EOP.

Z konstruk ního hlediska lze elektrické induk ní pece rozd lit:Pece kanálkovéPece kelímkové – na sí ovou frekvenci

st edofrekven ní vysokofrekven ní

Kanálkové elektrické induk ní pece se používají ve slévárnách litiny a neželezných kov jakopece udržovací. Jsou napájeny proudem o sí ové frekvenci. Princip oh evu kovu nedovoluje

i výrob oceli použít tyto pece jako tavicí a jejich m rný elektrický výkon je rovn žomezen. Ve slévárnách oceli se nepoužívají.Elektrické induk ní pece na sí ovou frekvenci byly asto instalovány ve slévárnách litiny, kdeslouží jako pece udržovací, na oh ev tekuté litiny roztavené v jiném agregátu i jako pecetavicí.St edofrekven ní elektrické induk ní kelímkové pece (EIPK) se stav jí nej ast ji od n kolikadesítek kilogram až po hmotnost tavby výše 25 tun. Pece hmotností 40 až 250 kg jsou b žnéve slévárnách p esného lití. Ve slévárnách oceli jsou EIPK využívány zejména pro odléváníodlitk st ední a malé hmotnosti zejména na formovacích linkách.Vysokofrekven ní elektrické induk ní kelímkové pece jsou používány jako pece laboratornípracující se vsázkou n kolika gram až n kolika set gram . Používají se k tavení v tšinytechnických kov .St edofrekven ní pece kelímkové jsou dnes ve slévárnách oceli b žným tavícím agregátem aostatní typy induk ních pecí se již nebudují.

9.2 Elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven níTechnologické výhody EIP p ed EOP:

Umož ují dodávat na licí pole tavby o menší hmotnosti v tšinou 1 až 6 t v intervalech40 až 120 minut.Zajiš ují formovnu tém plynule tekutým kovem.Induk ní míchání taveniny zp sobuje tepelnou i chemickou homogenitu taveniny vpeci.Vyrobené oceli obvykle obsahují nižší obsah vodíku a dusíku, zejména u kyselýchinduk ních pecí.

hem tavby nedochází k nauhli ení kovu. EIP umož ují vyráb t oceli s nejnižšímiobsahy uhlíku, nap íklad vysokolegované chrómniklové oceli s obsahem uhlíku pod0,03 %.Operativní uvedení EIP do provozu je výhodné zejména ve slévárnách, které pracujínap íklad pouze na jednu sm nu.

Ekonomické výhody EIP p ed EOP:Nižší spot eba energie na výrobu tekutého kovu p i stejné výrobnosti.


97

Nízký propal železa i legujících prvk a jejich vyšším využití z vratného materiálu aexterního legovaného odpadu.Nižší spot eba feroslitin dosažená legováním ke spodní hranici povoleného rozmezílegujících prvk .Nižší spot eba nekovových p ísad.

i stejné výrobnosti agregát p ibližn polovi ní hmotnost tavby a tím menšíinvesti ní náklady na pomocná a obslužná za ízení.Nižší náklady na ešení výrobních a pracovních podmínek.Nižší spot eba žáruvzdorného materiálu.Nižšími náklady na deponování odpad .

Ekologické výhody EIP p ed EOP:Nižší hlu nost.Menší vznik exhalací.Menší vznik pevných odpad souvisejících s provozem pece.

9.2.1 Konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven níElektrické induk ní pece st edofrekven ní prošly b hem poledních vývojem od pecínapájenými z rota ních m ni k pecím s polovodi ovými m ni i ízenými procesory, kteréumož ují plynule m nit frekvenci.Doba tavby se po zavedení polovodi ové techniky zkrátila na mén než jednu hodinu.

Odpovídající zvýšení výrobnosti si vyžádalo nutnostmechanizovat sázení pecí. Pro sázení se nej ast jipoužívají vibra ní žlaby. Požadavky na vysokévýkony pecí vedly také k mechanizaci zhotovovánívýdusek. P i použití hydraulického vytla eníopot ebované výdusky z kelímku a použití vibrátor

i dusání nové výdusky je možné p i výrob oceliipravit novou výdusku pece za cca 2 až 4 hodiny po

odpichu poslední tavby p edcházející kampan taveb.dorysný pohled a celková dispozice elektrické

induk ní pece jsou zobrazeny na obr. 9.1.Pec je napájena ze sít vysokého nap tí p es napájecítransformátor. Proud o nap tí 1500 až 3000 V jeusm rn n na diodách a získaný tepavý proud jevyhlazen na tlumivce. Na tyristorech je pak proud

em n op t na st ídavý proud, jehož frekvence jeízena podle zát že pece.

Usm ovací diody, tlumivka i tyristory jsou umíst ny ve statickém m ni i a jsou chlazenyvodou.St ídavý proud o st ední frekvenci je p iveden ke kelímku m nou pásovinou. Mezipásovinou a induktorem pece vedou proud m ná chlazená lana. Induktor (cívka) je tvo en

nou trubkou (p ípadn jiným profilem), do které je p ivád na chladicí voda.

Obr. 9.1 P dorys a celková dispozice EIP


98

Paraleln s induktorem je zapojena kondenzátorová baterie, rovn ž chlazená vodou. Kelímekpece je nakláp n hydraulickým pohonem. Jako výhodná se jeví realizace samostatnéhovnit ního chladícího okruhu pro m ni e a kondenzátorové baterie.V pr hu tavení se v d sledku zm ny teploty auložení vsázky v kelímku m ní induktivní reaktancecívky. U starších pecí s rota ním m ni em sek lad ní obvodu používá zm na kapacity obvodumanuálním zapínáním a odpojováním jednotlivýchkondenzátor baterie. U pecí se statickým m ni emse rezonan ní okruh induktor – kondenzátorovábaterie ladí zm nou frekvence. Zm na frekvenceproudu p ivád ného na induktor b hem taveníprobíhá u statických m ni automaticky podleídicího programu pece. Manuáln se nastavuje

pouze požadovaný p íkon pece. ez kelímkem jezobrazen na obr. 9.2.Elektrický výkon p ivád ný do induktoru se m ní nast ídavé elektromagnetické pole, které ve vsázceindukuje ví ivé proudy, které ji oh ívají a taví.Vn induktoru je magnetické pole vedeno paketamitransformátorových plech , které sou asn odsti ujíkonstrukci pece. P i nedostate ném odstín ní se m že konstrukce pece na n kterých místech

eh ívat do erveného žáru. B žn je ve slévárnách provoz zajiš ován jedním m ni em nadva kelímky. Jeden kelímek je v provozu a u druhého se opravuje výduska. U moderníchinduk ních pecí je možné výkon m ni e p erozd lit. Nap íklad, že první kelímek odebírá

tší ást výkonu a druhý jen ást nezbytnou pro udržení teploty. Jiný systém pracuje sedv ma m ni i. Výkonný m ni je používán k tavení a druhý m ni o malém výkonu udržujekov na teplot a m že kov pomalu oh ívat. Oba m ni e jsou napájeny z jednoho pecníhotransformátoru. V p ípad tohoto uspo ádání induk ní pece bývá k dispozici obvykle ješt

etí kelímek, který slouží jako rezerva pro opravu výdusky.

9.3 Dusací žáruvzdorné hmoty EIPKelímky pecí st edofrekven ních se dusají z kyselých, zásaditých nebo neutrálních dusacíchhmot. Výduska nesmí mít nikde spáry nebo praskliny. Induktor je tvo en m nou vodouchlazenou cívkou, elektricky izolovanou. Mezi jednotlivými závity cívky je nap ový spád.Elektrické propojení sousedních závit cívky kovem nebo kondenzovanou vlhkostí vedek mezizávitovému zkratu. Propálení cívky a následující proniknutí vody do vyzdívky m žezp sobit vyte ení kovu pod pec nebo i výbuch v kelímku. Po každé tavb je nutné výduskukelímku kontrolovat a v p ípad zjišt ní trhlin, dutin nebo extrémního opot ebení se kelímekodstavuje.

Kyselé dusací hmoty elektrických induk ních pecí kelímkovýchVe slévárnách oceli se používají nej ast ji kyselé výdusky kelímk induk ních pecí.Životnost kyselého kelímku je obvykle 20 až 50 taveb a závisí na sortimentu tavených ocelí.Na kyselých výduskách je možné vyráb t prakticky všechny typy b žných korozivzdornýchocelí. Pouze oceli s vysokým obsahem manganu (austenitické ot ruvzdorné oceli) je nutnétavit na jiném typu výdusky.

Obr. 9.2 Kelímek elektrické induk ní pece


99

Výdusky induk ních pecí rovn ž p edstavují významnou nákladovou položku. Výduskakelímku má rovn ž vliv na využití jednotlivých prvk z vsázky i na vlastnosti vyrobené oceli.Použitý druh výdusky má vliv také na vlastnosti oceli. Pro nelegované a nízkolegované ocelívyrobené na kyselé výdusce je podobn jako u ocelí vyrobených na kyselé EOPcharakteristická nižší nárazová práce. Obdobn i u vysokolegovaných ocelí se p i výrob ocelina kyselé výdusce nedosahuje houževnatosti jako p i výrob na zásaditých obloukovýchpecích.

es uvedené nedostatky je ocel tavená na induk ních pecích s kyselou výduskou vhodná protšinu vyráb ných odlitk a pro svoje ekonomické výhody je kyselá výduska v induk ních

pecích ve slévárnách v R zatím nejvíce používaná.Základní surovinou pro zhotovování kyselých výdusek jsou k emencové drt . K emence jsoumineralogicky stabilizované vysokoteplotní modifikace oxidu k emi itého, tridymit acristobalit. Stabilizace vysokoteplotních modifikací oxidu k emi itého nastává, jestliže SiO2obsahuje nap . CaO p ípadn jiné oxidy. Žáruvzdornost k emenc závisí na jejich istot .Nejvíce bývá mezi ne istotami zastoupen oxid hlinitý. Zvlášt významn snižuje teplotutavení oxidu k emi itého oxid železnatý.Na obr. 9.3 je znázorn n rovnovážný diagram SiO2 – Al2O3 a na obr. 9.4 je znázorn nrovnovážný diagram Si02 – FeO. Z diagram m žeme vy íst vliv koncentrace oxidu hlinitéhoa oxidu železnatého na žáruvzdornost k emenc .

Obr. 9.3 Rovnovážný diagramsoustavy SiO2 – Al2O3

Obr. 9.4 Rovnovážný diagramsoustavy Si02 – FeO

Oxid hlinitý tvo í s oxidem k emi itým eutektika s teplotou tavení cca 1550 °C, aleeutektikum s oxidem železnatým se taví již p i teplot nižší než 1200 °C. Strusky s vysokýmobsahem oxidu železnatého jsou proto p inou rychlého odtavování kyselých vyzdívek.Pro zhut ování pracovního povrchu (sintrace) k emencových výdusek se do dusací hmoty

idává kyselina boritá nebo oxid boritý. Doporu ené obsahy kyseliny borité v kyselýchdusacích hmotách v závislosti na pracovní teplotjsou znázorn ny na obr. 9.5.V praxi se používá pro kyselé dusací hmoty ur enéna tavení oceli 0,8 % oxidu boritého. P ioptimálním obsahu sintra ní p ísady se vytvá ízpevn ná vrstva silná 20 až 40 mm, za kterou jesypká výduska. Existence sypké vrstvy výdusky je

ležitá pro bezpe ný provoz pece.Obr. 9.5 Doporu ené obsahy kyseliny borité vzávislosti na pracovní teplot kyselé výdusky


100

Provoz na výdusce se musí zastavit d íve, než se vy erpá (zpevní) celá tlouš ka sypké vrstvy.

Zásadité a vysocehlinitanové dusací hmoty elektrických induk ních pecí kelímkovýchZásadité dusací hmoty jsou vyráb ny nej ast ji na bázi oxidu ho natého. P ísada korundudo magnezitových dusacích hmot snižuje teplotu tavení výdusky, ale zvyšuje odolnostvýdusky k praskání. Rovnovážný diagram soustavy MgO – Al2O3 je uveden na obr. 9.6.

Magnezit a korund tvo i Spinel MgO.Al2O3,který je vytvo en z magnezitu a korundu jev diagramu na obr. 9.6 ozna en jako MA. Jehoteplota tavení je vyšší než 2000 °C.Magnezitové výdusky obsahují kolem 10 až 25% korundu. Vysocehlinitanové (korundové)výdusky obsahují 20 až 50 % MgO. Teplotatavení korundových výdusek je nižší nežmagnezitových, ale mají v tší odolnost protivzniku trhlin.Oproti kyselým a korundovým výduskám, kdese st ny kelímku postupn v tšinou otavují, taku magnezitových výdusek st ny spíše postupnzar stají. Hlavními vlivy bývá p edevšímzp sob provozování kelímku, odpichová

teplota a jakost vyráb né oceli.Zásadité a vysocehlinitanové výdusky se dodávají a používají v suchém stavu. Jako sintra ní

ísada se používá také oxid boritý nebo kyselina boritá. Tyto výdusky se obvykle neopravujía po ukon ení životnosti se kelímek vybourá. V tší pece je d ležité v mezitavbových údobíchudržovat na teplot kolem 800 °C Životnost zásaditého, nebo korundového kelímku bývá zasrovnatelných podmínek t ikrát až ty ikrát vyšší než životnosti kyselého kelímku.

9.4 Praxe vedení tavbyDobu tavby na elektrické induk ní peci m žeme rozd lit na dobu tavení a dohotovení:

(9.1)Kde 1 – doba tavení, 2 – doba dohotovení.

1 je závislá na instalovaném výkonu m ni e Pnom. [kW], potom užite ný výkon m ni e(9.2)

kde k je koeficient využití výkonu m ni e. Hodnota koeficientu k, je na za átku tavení kolem0,7 až 0,8, v záv re né fázi tavení nabývá hodnotu tém 1. U moderních induk ních pecíbývá využití m ni e tém jednotkové po celou dobu tavení vsázky. Pro výpo et doby tavení lze uvést vztah:

(9.3)

kde i, je energie pot ebná na roztavení jedné tuny vsázky [kWh.t-1], Q hmotnost vsázky [t].

21

nom.už. .PkP

už.1

.P

Qi

Obr. 9.6 Rovnovážný binární diagram Al3O3 – MgO


101

Pot ebná energie na roztavení vsázky p edstavuje tepelný obsah kovu p i roztavení, tj. zm nuentalpie daného kovu H v intervalu po áte ní teploty a teploty likvidu v etn celkové ztráty

pece po celou dobu tavení. Entalpie v závislosti nateplot n kterých istých kov jsou uvedeny naobr. 9.7. V praxi je ov ená skute nost, že tepelnéztráty (ztrátový p íkon) EIP s rostoucí hmotnostítavby rostou pomaleji než hmotnost tavby. V praxije u menších induk ních pecí b žná spot eba naroztavení 1 t ocelové vsázky v etn ztrát kolem500 až 550 kWh, na oh ev roztavené oceli o100 °C pak dalších cca 40 až 50 kWh.t-1.Ztráty vyjád ené jako elektrická ú innost pecev závislosti na elektrickém odporu taveniny jsouuvedeny na obr. 9.8. Elektrická ú innost m ni efrekvence závisí na zatížení m ni e. U statických

ni iní jejich elektrická ú innost p i zatíženívyšších než cca 40 % nominálního výkonu vícenež 95 %. Nejv tší ztráty jsou elektrické ztráty nacívce, které iní více než 60 % veškerých ztrátenergie p i tavení na induk ní peci.

Fáze tavení 1 za íná zapnutím pece a kon í roztavením vsázky (do odb ru 1. zkoušky). Fáze

dohotovení 2, potom zahrnuje asy pot ebnék odb ru zkoušky, jejímu odeslání dolaborato e, ekání na výsledek chemickéhorozboru, k výpo tu hmotnosti p isazovanýchferoslitin a dezoxida ních p ísad, k jejichvážení a p idání do kelímku, k úprav teploty,odpichu, p ípadné oprav vyzdívky až dozapnutí pece na následující tavb .Dosazením rovnice (9.3) do rovnice (9.1) lzejejí úpravou získat vztah pro denní výrobnostpece ve tvaru:

(9.4)

Možnosti zvýšení výrobnosti EIPVýrobnost pece je možné zvýšit nár stem hodnoty koeficientu k. Hodnota koeficientu sezvyšuje s rostoucím zapln ním pece. Zapln ní kelímku drobnou studenou vsázkou, drobnýmiodst ižky z plechu m že mít za následek potíže se zapnutím pece. Potom je vhodné zaplnitkelímek jen z ásti a po zapnutí vsázku p idávat, až se d íve p idaná vsázka za íná tavit.Hmotnost tavby ovliv uje výrobnost pece p i ur itém Pnom. tím mén , ím je kratší dobadohotovení 2. V p ípad , kdy bude doba 2 = 0, je pak výrobnost pece nezávislá na hmotnosti

kPQiPkQG

.....24

2nom.

nom.

Obr. 9.7 Entalpie jednotlivých kov kWh/tv závislosti na teplot

Obr. 9.8 Vliv el. odporu taveninyna elektrickou ú innost pece

1- Kanálová pec, 2- Kelímková pec


102

tavby, ale jen na instalovaném výkonu m ni e. Rovnici (9.4) lze pak zjednodušit a vyjád itvztahem ve tvaru:

(9.5)

Velikost tavby se volí s ohledem na hmotnostní sortiment odlévaných odlitk . Výrobnostpece je p i požadované hmotnost tavby limitována p evážnmaximálním výkonem m ni e. Pokud vyžadujeme zajiš ovatmaximální hmotnost tavby, potom je nutné znát vlivelektrického p sobení mezi induktorem a vsázkou. P sobenímelektrických sil dochází k elektrodynamickému pohybu lázn aví ení kovu v kelímku je možné popsat výškou vydutí hladinykovu v kelímku (tzv. meniskus).Literatura uvádí, že lze na základ ešení p sobení elektrickýchsil v lázni, lze vyjád it výšky menisku vztahem:

(9.6)

– m rný odpor taveniny (cca 0,6 – 0,9 .mm2.m-1), f – frekvence [Hz], – m rná hmotnosttekutého kovu [kg.m–3]Výpo et výšky menisku je dán výpo tem podle specifikace parametr EIP v rovnici 9.6.Obecn lze usoudit, že bývá 8 - 10 % výšky hladiny lázn v kelímku. Výsledná hodnotaodpovídá skute nému p sobení elektrické síly na hladinu kovu a zahrnuje v sob celkovouvelikost menisku. Prakticky je však možné pozorovat pouze ur itou ást vydutí hladiny,nebo ást menisku v blízkosti kelímku pece je zpravidla skryta pod vrstvou strusky.Z rovnice také vyplývá, že p i snižování frekvence pece za jinak stejných podmínek docházíke zv tšování velikosti menisku a tedy i v tšímu ví ení kovu. Míchání kovu umož ujedosáhnout vysoké tepelné a chemické heterogenity taveniny v peci, ale m lo být optimálnívelikosti z d vodu možné zvýšené reoxidací nebo zvýšeného opot ebení výdusky. Veslévárnách st edofrekven ní pece v tšinou pracují s frekvencí do 600 Hz a maximální výkon

ni e kolem 1000 kW.t-1.Pro pece napájené proudem o sí ové frekvenci je na základ dlouholeté praxe s ohledem naví ení taveniny omezen instalovaný jednotkový výkon na hodnotu cca 300 kW.t-1. Od tohotojednotkového výkonu je tak možné odvodit maximální jednotkový výkon pro pece s r znoufrekvencíMaximální jednotkový výkon m ni e [kWh/t] je u st edofrekven ní pece vyráb jící ocelmožné odhadnout, s p ihlédnutím k omezení vyplývajícího z maximální intenzity mícháníkovu v kelímku (srovnatelná intenzita míchání jako p i maximálním výkonu pece napájenéproudem o sí ové frekvenci), podle vztahu:

(9.7)

Po dosazení do rovnice pro pece o frekvenci do cca 600 Hz vyplývá, že je možné instalovatna elektrických induk ních pecích kelímkových jednotkový výkon m ni e až 1000 kW.t-1.Další zvyšování jednotkového výkonu je možné p i sou asném zvyšování frekvence pecí.

ni e na vyšší frekvenci jsou finan náro jší a pro výrobu b žných jakostí se p ílišnerozší ily. Výroba vysokolegovaných ocelí zejména ocelí chrómových a manganových

iPk

G nom24

15,31ld

Pf

hM

SFSF

SF fff

P 5,4230050

Obr. 9.9 Rozm ry pro výpo etvýšky menisku


103

ípadn vyžaduje omezit oxidaci taveniny snížením proud ní kovu v kelímku a to m že véstk volb induk ních pecí s vyšší frekvencí m ni e.

i oh evu a tavení kovové vsázky nejv tší ást tepla vzniká v povrchové vrstv , kde jenejv tší proudová hustota a sm rem do st edu vsázky pak již klesá. Název tohoto jevu je skinefekt a znamená, že proudové zhušt ní na povrchu vsázky výrazn roste se zvyšujícím sekmito tem. Hloubka povrchové vrstvy, kde vzniká dostate né množství tepla k oh evu aroztavení vsázky je nazývána jako hloubka vniku, která s rostoucí frekvencí klesá. Zaoptimální hloubku vniku se považuje 25 až 35 % z kusovitosti vsázky a z toho vyplývá, že sezvyšováním frekvence m ni e je možné snižovat i kusovitost vsázky.


výroba v elektrických induk ních pecíchelektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní

konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní (EIP)dusací žáruvzdorné hmoty kyselé, zásadité a vysocehlinitanové EIP

doba tavby, výpo et doby tavení, doba dohotovení EIPvýpo et denní výrobnosti EIPmožnosti zvýšení výrobnosti EIP


1) Pro jakou výrobu taveniny jsou elektrické induk ní pece nezastupitelné?2) Jaké technologické a ekonomické výhody mají EIP p ed EOP?

3) Které EIP jsou ve slévárnách R pro výrobu oceli na odlitky tém výhradnpoužívány?

4) Jaké jsou hlavní komponenty konstrukce a elektrického zapojení EIP?5) Pro jakou výrobu ocelových odlitk jsou vhodné kyselé, zásadité a vysokohlinitanové

žáruvzdorné hmoty?6) Jakým zp sobem m žeme provést výpo et doby tavby na EIP?

7) Jaké jsou možnosti zvýšení výrobnosti EIP?





104


10. Technologie výroby nelegovaných a legovaných ocelí v EIP



budete seznámeni s výrobní technologií nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP

vyjasníte si výši propal jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP

pochopíte technologii výroby vysokolegovaných ocelí na kyselé výduscebudete um t vysv tlit odlišnosti technologie výroby oceli se zásaditou a

vysocehlinitanovou výduskou od kyselé výdusky

Výklad

10.1 Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusceVýrobní pochody p i výrob oceli na EIP není možné vést p edevším z pohledu ekonomikyobdobným zp sobem jako na obloukových pecích (oxidaci, odfosfo ení, oduhli ení, odsí eníapod.). Protože na EIP nelze vytvo it vhodné podmínky pro n které metalurgické reakceprobíhající pod dostate tekutou, teplou a aktivní strusku s vhodným složením. Struska EIPje chladn jší než kov a má funkci krycí (není aktivní). Dále nap íklad struska oxida ní p sobírychlou korozi výdusky, proto není její použití možné i z hlediska bezpe nosti provozu EIP.Pro dosažení požadovaného chemického složení oceli je nutné p edevším p ipravit vhodnouskladbu vsázky. Vsázka se sestavuje z vratného materiálu, externího nakupovaného ocelovéhoodpadu a legur. Výhodné je do vsázky nap íklad používat ást ocelového odpaduz hlubokotažných plech , který se lisuje do balík a p edstavuje vsázku s nízkým obsahemuhlíku a p edevším fosforu a síry.V kyselých EIP jsou strusky tvo eny p evážn oxidy k emíku a železa. Strusky s vysokýmobsahem oxid železa jsou vzhledem k výdusce agresivní. K emík v lázni je vhodné udržovatna obsahu kolem 0,3 % a výše, aby se redukovaly vznikající oxidy. V opa ném p ípadmohou p i vyšším obsahu FeO ve strusce podle diagramu na obr. 9.4 vznikat nízkotavitelnésilikáty, které výrazn snižují životnost výdusky kelímku. V provozní praxi je doporu eno dovsázky p idávat 75 % ferosilicium v množství kolem 3 kg na tunu vsázky. Po uvedené p ísadferosilicia jsou obsahy k emíku po roztavení obvykle v rozmezí 0,2 až 0,4 % a další p ísada

emíku se v pr hu tavby nep idává. K emík rozpušt ný v oceli ur uje p i nízkýchteplotách aktivitu kyslíku v oceli i ve strusce. Vyšší obsah k emíku v oceli umož uje podle


105

složení vsázky natavit obsahy Mn v rozmezí 0,2 až 0,5 % a nejvyšší obsahy Mn se nataví,jestliže se použije vsázka s v tší kusovitostí a vyšším obsahem uhlíku.Nár stem teploty roste dezoxida ní schopnost uhlíku a p i dosažení kritické teploty závislé nachemickém složení oceli nastává uhlíkový var. Rovnovážná teplota, p i níž nastává uhlíkováreakce, je pro ocel s obsahem uhlíku 0,20 % a pro litinu s 3,50 % C znázorn na na obr. 10.1.Uhlíkový var je z termodynamického hlediska pravd podobný v p ípad , že teplota kovuv oceli nebo litin je nad uvažovanou k ivkou. Pokud je teplota kovu nižší než odpovídá

rovnovážné teplot , probíhá oxidace k emíku.V praxi je možné se p esv it o pr hu uhlíkovéreakce na základ sledování hladiny kovu. Uhlíkováreakce je doprovázena vznikem etných bublinoxidu uhelnatého na hladin lázn . P ed pr hemuhlíkového varu se oxiduje p ednostn k emík zatvorby oxidu SiO2, který tvo í na hladinroztaveného kovu povlak. Po p ekro enírovnovážné teploty dochází k uhlíkové reakci ahladina kovu se sama istí. Graf na obr. 10.1 jesestrojen na základ termodynamického výpo tu anezohled uje tak kinetické podmínky pro uhlíkovoureakci. Vzhledem ke kinetickým odpor m jsouskute né teploty pro uhlíkový var pon kud vyšší.Krycí struska obsahuje obvykle vysoký obsah oxidželeza a je proto žádoucí ji pr žn odstra ovat.

Ukon ením fáze roztavení se doporu uje strusku odstranit a láze zasypat drceným sklem,které vytvo í vlá nou lehce stahovatelnou strusku.

Složení vsázky pro zajišt ní chemického složení musí mít pr rný obsah uhlíku a fosforu vevsázce nižší než je požadovaný obsah ve vyrobené oceli. Doporu uje se ješt v tší rezerva,než je p edpoklad vnesení p isazovanými feroslitinami. Elektrické induk ní pece jsous ohledem na nízký propal všech prvk nejekonomi jším tavicím agregátem pro zpracovánívlastního vratného materiálu. Do vsázky je p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelímožné p idávat až 70 - 80 % vratného materiálu a zbytek vsázky se m že doložit, nap íkladnízkouhlíkovým ocelovým odpadem se známým chemickým složením.Kusovost vsázky limituje pouze velikost kelímku pece. Postup sázení má být optimální.Nap íklad nasadit ihned po odpichu oceli do prázdného kelímku nálitky v objemu kolem

etiny z p ipraveného množství vratného materiálu. Kelímek se dob e zaplní a tavení jerychlé. V této fázi tavení dochází k nejv tší oxidaci vsázky. Další vsázka po vzniku lázn sejiž taví p evážn pod hladinou tekutého kovu a oxidace vsázky se snižuje. V následující fázise p idává do pece nízkouhlíkový ocelový odpad se známým chemickým složením. P ioptimálním pr hu vsázka v kelímku plynule sedá a chladí tekutý kov. P i nevhodnémtechnologickém postupu postupného sázení z stává vsázka zav šena a kov se p eh ívá, cožvede minimáln k v tšímu opot ebení a zvýšené tvorb strusky. Nevhodný postup sázení vždyprodlužuje dobu tavení.Dosažené propaly jednotlivých prvk na EIP vycházejí z použitých metalurgických postup .Propal manganu závisí na složení oceli a strusky. P i obsahu k emíku nad 0,30 % je možné

isazovat feromangan do kelímku až do koncentrace 1 % Mn, aniž by docházelok významnému propalu. P i legování manganem nad 1 % lze doporu it p idávat feromangando kelímku t sn p ed odpichem nebo až do licí pánve. P i legování do 1,6 % je možné

Obr. 10.1 Termodynamická rovnováha meziSi a C pro ocel a litinu v závislosti na teplot


106

po ítat s výsledným obsahem Mn o 0,20 % nižším než dosazeným. Vyšší propal manganu,než je uvedeno, m že být zp soben nezvládnutím nebo porušením technologie.

emík nevykazuje do 0,50 % v kyselé induk ní peci propal. Naopak je možné po ítat sezvýšením obsahu k emíku po roztavení až o 0,10 %. Vyšší obsah k emíku v lázni snižuje taképropal n kterých legujících prvk , nap íklad krom manganu také chrom.Chrom má do obsahu 2 % ve vsázce b hem tavení pouze zanedbatelný propal. Propal chrómu

hem tavení m že nastat jen v p ípad , kdy se použije vsázka s vysokým obsahem oxidželeza. Pro snížení propalu chromu je možné vsázku vratného materiálu p ed vsazenímotryskat. V nelegované vsázce je obvykle 0,10 až 0,20 % Cr, se kterým se p i druhování tavbyasto nepo ítá. P i výrob nízkolegovaných ocelí se proto nachází po roztavení v oceli

obvykle vyšší koncentrace chrómu, než odpovídá provedenému výpo tu.Vanad bývá používán pro legování v desetinách procenta. P i p etavování vsázky obsahující0,2 až 0,4 % se po ítá s propalem vanadu do 20 % z pr rné koncentrace ve vsázce.Ferovanad se p idává do lázn obvykle po ohlášení p edzkoušky t sn p ed odpichem.Obsah niklu a m di v oceli b hem tavby roste, a to tím více, ím je vyšší propal ostatníchprvk . P i legování je možné p idávat Ni a Cu ve kterémkoliv okamžiku tavby a výhodné je

idávat tyto prvky již do vsázky.Molybden a wolfram mají také nižší afinitu ke kyslíku než železo. Feromolybden aferowolfram se obtížn rozpoušt jí, proto je výhodné je p idávat do vsázky.Bór se používá v nízkolegovaných ocelích k legování v desítkách až stovkách ppm. P i tétokoncentraci u bóru nedochází k propalu. Ocel vyrobená na kyselé výdusce obvykle obsahuje 5až 10 ppm bóru, který m že pocházet jako produkt redukce oxidu boritého z vyzdívky.Ferobór se p idává obvykle p ed odpichem. Dob e se rozpouští a je možné jej p idávat i dopánve.Hliník a titan b hem tavení se zoxidují na stopy. P i dezoxidaci a mikrolegování se m žeprovád t korekce ob ma prvky v licí pánvi.

10.2 Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusceVysokolegované oceli vyráb né na induk ních pecích jsou nej ast ji korozivzdorné ažárovzdorné oceli. Vývoj obou typ ocelí sm oval k nižším obsah m uhlíku. Zejména ukorozivzdorných ocelí se požadují obsahy uhlíku v tšinou nižší než 0,07 %. Na induk níchpecích je možné vyráb t korozivzdorné oceli s obsahem uhlíku nižším než 0,03 %. Mezitaveninou s vysokým obsahem chrómu a kyselou výduskou dochází k reakci a platí vztah

(10.1)

Na obr. 10.1 je graficky znázorn na termodynamická rovnováha mezi chrómem a k emíkemi teplot 1500, 1600 a 1700 °C zaedpokladu, že struska je nasycena oxidem

chromitým a výduska je tvo ena istým oxidememi itým. Z termodynamického hlediskaže reakce mezi chrómem rozpušt ným v oceli

a kyselou výduskou p i Henryho aktivit chrómurovné 18 (odpovídá p ibližn i 18 hmot. % Cr) ateplot 1500 °C probíhat, jestliže je Henryhoaktivita k emíku v oceli nižší než 0,5 (p ibližn0,3 hmot. % Si). P i teplot 1700 °C je jižrovnovážná Henryho aktivita k emíku pro danépodmínky rovna 0,7. Praktické zkušenostipotvrzují uvedené teoretické p edpoklady.

Si3OCr2Cr4SiO3 322 TG 45,32960142

Obr. 10.1 Termodynamická rovnováha mezi Cr aSi v kyselém kelímku p i teplot 1500, 1600 a1700 °C pod struskou nasycenou Cr2O3


107

hem tavení a udržování kovu na nižších teplotách obsahují tyto oceli obvykle kolem0,40 % Si p i teplotách odpichu do 1600 °C a k reakcím chrómu s kyselou výduskounedochází. P i vyšších odpichových teplotách t chto ocelí 1620 až 1670 °C, je již nutnépo ítat se zvyšováním obsahu k emíku v oceli. Proto je žádoucí provád t oh ev naodpichovou teplotu až t sn p ed odpichem. Propal chrómu v pr hu tavby p i dodržovánívýše uvedených pravidel je pak ovliv ován zejména obsahem oxid železa ve vsázce, kdys rostoucím podílem oxid železa roste i jeho propal. Pro snížení propalu chromu se protodoporu uje oxidy na ocelovém odpadu do vsázky otryskat.

10.3 Výroba oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskouZásadité výdusky obsahují více než 50 % MgO. Vysocehlinitanové (korundové - neutrální)výdusky, obsahují více než 50 % Al2O3 a zbytek MgO. Výdusky tohoto typu jsou tvo enyoxidy s vyšší termodynamickou stabilitou než SiO2. Ocel vyrobená na t chto typech výduskymá po dezoxidaci v pánvi nižší aktivitu kyslíku a vyšší houževnatost. Reakce mezi výduskoua tekutým kovem je proto zanedbatelná. P i výrob legovaných ocelí je proto možné po ítats nižším propalem n kterých prvk . Nap íklad u manganu, kdy se tvo í zásadité oxidy, aletaké chrómu p i výrob vysokolegovaných ocelí. Ve struskách na zásaditých pecích je nízkáaktivita SiO2, a proto se k emík uplat uje jako siln jší dezoxida ní prvek než na kyselýchpecích.Na zásaditých i vysocehlinitanových výduskách EIP se vyráb jí také vysokolegovanémanganové oceli (Hadfieldova ocel). Ekonomické p ínosy jsou p i výrob vysokolegovanýchocelí legovaných chrómem pro dosažení menších propal chrómu.Vysocehlinitanové a zásadité výdusky mají oproti kyselým vyšší tepelnou vodivost. Tímto

žeme o ekávat mírný nár st spot eby elektrické energie v hodnotách 5 - 8 % na tunuvsázky. Tato ztráta však klesá p i použití korundových vyzdívek s vysokým obsahem Al2O3.

Výroba jednotlivých typ ocelí v EIP se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskouMimo mangan a k emík jsou propaly jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných anízkolegovaných ocelí podobné. Využití manganu z vsázky na zásaditých výduskáchdosahuje až 80 % p i obsazích Mn do 1 %. Obsahy k emíku po roztavení jsou nižší, obvyklepod 0,10 %. Propal obou prvk závisí zejména na zne išt ní vsázky oxidy železa.Celkem až 95 % Cr a 50 % Ti z vsázky se využije u ocelí vysokolegovaných chrómem.

ležité je, aby vsázka byla ist otryskaná. Oxidy p inesené vsázkou a vzniklé p i tavení seusazují na st nách kelímku a postupn zmenšují jeho pr r. Jestliže se taví jenvysokolegované oceli, m že se po n kolika desítkách taveb zmenšit pr r kelímku, a potomje nutné kelímek odstavit a vybourat.

i výrob vysokolegovaných manganových ocelí se blíží využití manganu 100 %. Naza átku kampan vysokolegovaných manganových taveb p echází ást Mn do vyzdívky a poukon ení kampan je možné u následující tavby po ítat s mírným zvýšením obsahu Mn.Vedení tavby na kelímcích se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou se prakticky neliší odvedení tavby na kyselé výdusce.


výrobní technologie nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce EIP


108

výše propal jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovanýchocelí na kyselé výdusce EIPsložení vsázky p i výrob nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselévýdusce EIP technologie výroby vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce

výše propal jednotlivých prvk p i výrob nelegovaných a nízkolegovanýchocelí na zásadité a vysocehlinitanové výdusce EIP


1) Jaké jsou nejvýznamn jší rozdíly ve výrobní technologii EIP a EOP?2) Jaký by m l být minimální obsah k emíku v lázni kyselé EIP a pro ?

3) Jaké složení vsázky je doporu eno p i výrob nelegované a nízkolegované oceliv kyselé EIP?

4) Jakých propal a za jakých podmínek se dosahuje u hlavních prvk p i výrobnelegované a nízkolegované oceli v kyselé EIP?

5) Jaký vztah platí a za jakých podmínek mezi taveninou s vysokým obsahem chrómu akyselou výduskou EIP?

6) Jaké jsou p ednosti výroby vysokolegovaných ocelí v EIP se zásaditou avysocehlinitanovou výduskou?

7) Na jakém typu vyzdívky se vyrábí vysokolegované manganové oceli (Hadfieldovaocel) a pro ?

8) Jakých propal a za jakých podmínek se dosahuje u hlavních prvk p i výrobnelegované a nízkolegované oceli na zásadité a vysocehlinité EIP?





109

11. Dezoxidace oceli v licí pánvi a odlévání. Záv re ná dezoxidace oceliv pánvi a její vliv na vlastnosti oceli.



vyjasníte si pojem dezoxidace oceli v licí pánvi a odléváníbudete seznámeni se zp soby odlévání oceli na odlitkybudete znát konstrukci, funkci a druhy používaného žáruvzdorného materiálu

licích pánvíbudete znát zp sob kontroly záv re né dezoxidace v licí pánvipochopíte vliv r zných typ nekovových vm stk na vlastnosti oceli

Výklad

11.1 Dezoxidace oceli v pánvi a odléváníJednou z nejvýznamn jších výrobních fází p i výrob ocelí na odlitky je vlastní odlévání.Vlastnosti odlitk jsou p i odlévání ovliv ovány asto více než p edcházející výrobní operacev tavicím agregátu. Výroba neshodné tavby bývá zcela výjime ná. ast ji se vyskytuje

kolik neshodných odlitk z jedné tavby a ostatní odlitky vyhovují. Tyto neshodné odlitkymají asto p vod práv v odlévání oceli.Jakost odlitk je ovliv ována dodržováním p edepsaného detailního technologického

edpisu (DTP) plynulého pln ní formy a licí rychlosti. Odchylky od DTP mohou p inéstvady odlitku jako zavaleniny, nezab hnutí tenkých ástí, zálupy, ale i zadrobeniny a bubliny.Mohou mít p vod v nedostate rychlém a plynulém pln ní formy.Jedním z hlavních vliv na vlastnosti odlitk má záv re ná dezoxidace oceli v pánvihliníkem, p ípadn modifikace oceli vápníkem nebo KVZ.Jakost odlitk je také ovliv ována zp sobem p ípravy licí pánve, jejím vysušením, oh evem,

ípadnou údržbou vyzdívky a odstran ní zbytk strusky.Rychlost odlévání má být ízena pr rem výlevky, tomu musí odpovídat pr r licího k luodlévaných forem. P ípadná regulace rychlosti odlévání p ivíráním výtoku kovu grafitovouhlavou m že zp sobit rozst ik proudu kovu a jeho vyšší reoxidaci. Reoxidace kovu b hemlicího proudu p i pln ní formy m že mít vliv na vznik slévárenských vad typu zejménazadrobenin, bublin a bodlin.

Používané licí pánve k doprav a odlévání oceli


110

Doprava tekutého kovu a odlévání se zajiš uje pomocí licí pánve (LP). Ve slévárnách oceli sepoužívají zpravidla pánve se spodní výpustí a zátkovým uzáv rem. Ocel se odlévá z LPvýlevkou, která se uzavírá zátkovou ty í a je ve spodní ásti ukon ena grafitovou hlavou.Obr. 11.1 znázor uje pohled na zátkový mechanismus s uzáv rem a vyzdívku LP.Ekonomicky nenáro né za ízení a snadné zhotovení jsou hlavní výhodou zátkového uzáv ru.Zátková ty je tvo ena ocelovou kulatinou se závitem na spodním konci, na který jenašroubována grafitová hlava. Její kvalita je dána odlévanou jakostí oceli. V tšinou je

grafitová hlava vyrobena ze šamotu a 30 % grafitu.Nad grafitovou hlavou jsou navle eny šamotovétrubky, mezi sebou ut sn né žárovzdorným jílem.Prostor mezi kulatinou a trubkami je zapln nzásypem z k emi itého písku. Celá takto sestrojenásestava se nazývá licí k l. Grafitová hlava uzavírávýtokový kámen-výlevku, která je zazd na do dnapánve. Výlevka je obvykle vyrobena z jakostníhošamotu.Šamotové trubky musí být na licím k lu dob ezajišt ny proti p sobení metalostatického tlaku kovuv pánvi. Nedostate né zajišt ní m že zp sobitprovozní havárii.Systém otevírání pánve napln né tekutým kovem se

je zvedáním zátkové ty e, kterou ovládá odlévaru p es pákový mechanismus.Zátkový uzáv r je vhodný pro odlévání všech slitinželeza v etn litin. Pro odlévání vysokolegovaných

materiál , nap íklad vysokolegované Mn oceli, které reagují s šamotem (materiál na báziSiO2), se doporu uje výlevka zhotovená z magnezitu nebo k emi itanu zirkoni itého a podlepožadované licí rychlosti se volí pr r výlevky. Ve slévárnách ocelových odlitk jsounej ast ji používané výlevky o pr ru výtokového otvoru 40 až 60 mm. V tší pr ry sepoužívají p i odlévání t žkých odlitk .Zátkový systém není pro svoji tepelnou zranitelnost možné použít na za ízení sekundárnímetalurgie p i delším zpracování, s oh evem kovu nebo p i vakuování.Pro tato za ízení se používají šoupátkové uzáv ry. Na obr. 11.2 je znázorn no schémašoupátkového uzáv ru a dmyšné tvárnice umíst né ve dnu LP. Tato za ízení jsou investinákladné a jejich použití ve slévárnách oceli není dosud obvyklé.Pro vyzdívání LP se ve slévárnách používají nej ast ji kyselé žáruvzdorné materiálys obsahem SiO2 obvykle vyšším než 85 % a se zbytkovým obsahem Al2O3. Žáruvzdorný

materiál je dodáván nej ast ji ve form tvárnicnebo dusacích hmot. V sou asné dob se takérozši uje použití monolitických vyzdívek LP.Životnost pánví pro oba druhy žáruvzdornéhomateriálu je srovnatelná. Životnost LP snižujíreaktivní, siln zásadité strusky. Nap íklad LP do10 t ur ených pro odlévání taveb ze zásaditýchEOP mohou mít životnost vyzdívky LP 20 až30 taveb. Vyzdívky pánví ur ených pro odlévánítaveb z kyselých IP do 4 t mají životnost ažkolem 100 taveb.Pro vyzdívání zásaditých LP se používají

Obr. 11.1 Pohled na zátkový uzáv rlicí pánve

Obr. 11.2 Schéma šoupátkového uzáv rua dmyšné tvárnice


111

magnezitové a vysokohlinitanové hmoty o podobném složení jako pro výdusky induk níchpecí. Také dolomitické žáruvzdorné materiály mají nízkou tepelnou vodivost, dobrouodolnost proti st ídání teplot a jsou ekonomicky nenáro né. Nevýhodou dolomitu je jehohydroskopi nost, vyzdívky je nutné udržovat nep etržit v teplém stavu. Jsou rozší enév hutních podnicích s nep etržitým provozem. Ve slévárnách se používají rovn ž vyzdívky nabázi zirkonu.

i použití zásaditých nebo vysocehlinitanových žárovzdorných materiál je nutné po ítat svyšší m rnou hmotností a tepelnou vodivostí a jejich použití m že být limitováno takénap íklad nosností licího je ábu. Ve slévárnách oceli je v tšinou dosta ující kyselá vyzdívkapánví.

11.2 Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceliMetalurgická jakost oceli ovliv uje zkoušku vrubové houževnatosti a p echodovou teplotu.Tyto materiálové charakteristiky jsou ovliv ovány odchylkami chemického složení, istotouoceli, velikostí zrna a tepelným zpracováním. Dosažené hodnoty vrubové houževnatostioptimáln tepeln zpracované oceli ovliv uje zejména morfologie, velikost a rozloženívm stk .Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi m že být proto hodnocena zkouškou vrubovéhouževnatosti. P i hodnocení metalurgické jakosti oceli je vhodné doplnit zkoušku vrubovéhouževnatosti také hodnocením lomových ploch.Pro záv re nou dezoxidaci oceli v LP se používá hliník. Výsledkem dezoxida ní reakce jsouoxidy hliníku. Pokud je zbytkový hliník vyšší než 0,030 %, což je nezbytné pro v tšinunelegovaných a nízkolegovaných ocelí k zabrán ní vzniku bodlin v odlitcích, vzniká jakoprodukt reakce mezi hliníkem a kyslíkem stabilní oxid Al2O3. P i teplot tekuté oceli budeproto existovat jako tuhá fáze (teplota tavení 2030 °C), která bude podle Stokesova zákonaz oceli vyplouvat ur itou rychlostí, v závislosti na složení a velikosti vm stk a dynamickéviskozit taveniny

212 rg92v (11.1)

v – rychlost vyplouvání vm stku [cm.s-1], r - polom r ástice [cm], 1, 2 – m rná hmotnostvm stku, roztavené oceli [g.cm-3], - viskozita roztavené oceli [P], a g – tíhové zrychlení(981 cm.s-2 )Zna ný vliv na vlastnosti oceli, které mají nekovové vm stky, zejména na houževnatost ocelia její tranzitní chování, dále množství vm stk , jejich distribuce v matrici a jejich morfologie.Morfologie vm stk závisí na jejich chemickém složení, které je ur eno podmínkamidezoxidace. Práce Sipmse a Dahleho studovaly vliv obsahu hliníku v oceli na morfologiisulfidických a oxisulfidických vm stk a na vliv jejich morfologie na houževnatost oceli. Nazáklad výsledk jejich práce jsou rozlišovány morfologické typy vm stk I, II a III. Sims aBriggx ozna ili morfologický typ vm stk IV. V navazujicích pracích dále ozna il B žekoxisulfidy typu Ib.Nekovové vm stky jsou drobné submikroskopické, mikroskopické a makroskopické ásticenekovového charakteru, které se vyskytují ve vyrobené oceli. Vznikají v pr hufyzikáln -chemických reakcí. Jejich odstran ní není možné, m žeme je pouze maximálneliminovat.Podle p vodu m žeme rozd lit vm stky na exogenní, jejichž p vod vzniku souvisí s eroznímia korozními d ji b hem celého výrobního procesu a odlévání. Tento typ vm stku není dnesdominantní vzhledem k výraznému pozitivnímu posunu v kvalit p edevším žáruvzdorných


112

materiál licích pánví, licích souprav nebo zásypových materiál pro ošet ení hlavovýchnástavc i licích prášk [15, 16,].Vm stky endogenní jsou produktem p edevším dezoxida ních, odsi ovacích reakcí, ale takéreoxida ních proces probíhající také v celém pr hu výroby oceli v etn krystalizace odlitéoceli.Z pohledu chemického složení vznikají p edevším vm stky oxidické, sulfidické, které

evládají a mén pak oxisulfidické, nitridy, karbidy, omezen silikáty a alumináty.Velmi d ležité je rozd lení vm stk dle tvaru, které jsou typem na hranaté, globulární adendritické.Podle tvá itelnosti na tvá itelné, netvá itelné a áste tvá itelné s p ímým vlivem namechanické vlastnosti oceli. Z pohledu teploty vzniku vm stky d líme na primární, kterévznikají v oblasti ocelá ských teplot, sekundární, které vznikají t sn nad teplotou likvidu avm stky, které vznikají v rozmezí teplot likvidus a solidus jsou terciální. Precipita nívm stky, pak vnikají pod teplotou solidu.Sulfidické vm stky, které obvykle vznikají v dob tuhnutí oceli, mají p ímou vazbu naaktivitu kyslíku v oceli a tedy i obsah kyslíku v roztavené oceli. Jejich morfologie je dánatypem použitého dezoxidovala. Pro srážecí dezoxidaci je používán obvykle istý hliník, takžejeho zbytkový obsah ur uje chemické složení vm stk , tvar a ovliv uje mechanické vlastnostioceli.Vm stky I. typu vznikají p i nízkém obsahu hliníku v oceli. Vzhledem k jeho nedostate némuobsahu se podílí na dezoxidaci jen áste anebo se nepodílí v bec. P i vysoké aktivitkyslíku potom nastává oxidace manganu a vm stky obsahují také síru. Mají kulovitý tvar asložením odpovídají oxisulfid m s prom nlivou koncentrací Mn, Si, Al a S. Tento typvm stk je p i teplot tavení tekutý. P ítomnost vm stk I. typu v odlitcích signalizuje vždynebezpe í výskytu dalších vad v odlitku. P íklad vm stku I. typu je uveden na obr. 11.3.Pokud je obsah hliníku vyšší, tak je produktem dezoxidace oxid hlinitý a vylu uje se jakosamostatná fáze. Síra se v oxidu hlinitém nerozpouští, vylu uje se ve form sulfidu manganujako samostatná fáze a m že obsahovat také železo. Tyto sulfidy se vylu ujív mezidendritických prostorách na konci tuhnutí. Jejich morfologie je dána prostorovýmipodmínkami p i záv ru tuhnutí. Vznikají ploché dendrity vm stk sulfidu manganu, kterémají tvar protáhlý etízkovitý šedého zabarvení. Ozna ují se jako II. typ vm stk . Zhoršujímechanické vlastnosti oceli, p ítomnost sulfid II. typu výrazn snižuje houževnatost oceli.

Obr. 11.3 Vm stek I. typu vzniklýreoxidací nelegované oceli (100x )

Obr. 11.4 Sulfid II. typu doprovázenýoxidy III. typu ( 100x)

S nár stem obsahu hliníku se m ní morfologie sulfid . Tvo í hranaté útvary, které jsouozna ovány jako III. typ vm stk . Nejsou zpravidla homogenní a obsahují jeden nebo vícekrystalk Al2O3. Vm stky tohoto typu v porovnání s II. typem vm stk výrazn zlepšujímechanické vlastnosti oceli. Na chemickém složení III. typu vm stk se nepodílí pouze

emík. P íklad vm stku II. typu je uveden na obr. 11.4.


113

Obr. 11.5 Vm stky Ib. typu (100x) Obr. 11.6 Vm stky IV. typu (100x)Je-li v rámci dezoxidace pomocí Al použitý Ca nebo kovy vzácných zemin (KVZ) docházík modifikaci hranatého tvaru na globulární. Vm stky tohoto typu I. b se vylu ují v oceli jakooxisulfidická fáze. P íklad vm stku Ib. typu je uveden na obr. 11.5. V p ípad , že dávka Ca aKVZ není optimální, ale vyšší, potom se globulární tvar m ní na drobné shluky vm stk IV.typu. Vm stky IV. typu byly pozorovány u ocelí s vysokým obsahem céru, lantanu a vápníku.Jejich p ítomnost má nep íznivý vliv zejména na houževnatost oceli. P íklad vm stku IV.typu je uveden na obr. 11.6. Vliv zbytkového obsahu hliníku rozpušt ného v oceli namorfologii sulfidických vm stk je znázorn n na schématickém obr. 11.7.Vm stky typu FeS a MnS m žeme modifikovat a vyhnout se tak nízkotavitelnému eutektiku,které se vylu uje na hranicích zrn. Modifikací sulfid a oxid v oceli se myslí zm na jejichmorfologie na typ vm stku Ib. P i výrob oceli se nej ast ji používá k modifikaci vm stkvápník. Použití prvk KVZ k modifikaci oceli je v sou asnosti mén asté. Tyto prvky tvo íse sírou stabilní slou eniny s vyšší teplotou tání. Pokud se aplikuje vápník ve sm si slitinyCaSi nebo CaFe, mohou se vytvo it tuhé vm stky CaS.Dezoxidace vápníkem se obvykle provádí až po dezoxidaci hliníkem. Vápník má vysokouafinitu k sí e a vyšší ke kyslíku, takže pokud je vápník rozpušt ný v oceli, d íve než reagujese sírou, reaguje s rozpušt ným kyslíkem v oceli. Oceli upravované vápníkem, tedy tvo í

zné typy hlinitan vápenatých v závislosti na obsahu hliníku a síry, mohou tvo it globulárníobálku na vm stcích Al2O3 a reakci obecn vyjad ují vztahy

[Ca] + [O] = (CaO)inc

[Ca] + [S] = (CaS)inc(11.3)

[Ca] + (Al2O3) = (r zné typyhlinitan vápenatých) + [Al]

I. typ II. typ III. typ Ib. typ IV. typ

Obr. 11.7 Vliv zbytkového obsahu hliníku rozpušt néhov oceli na morfologii sulfidických vm stk


114

Oxidické vm stky vznikají v každém údobí výroby oceli a odlévání, p emž nejv tšímnožství vzniká v pr hu dezoxidace. Sv j p vod mají v použitých dezoxida ních inidlechs chemickým složením prvku, který má nejsiln jší dezoxida ní schopnost v okamžiku vnesení

do tekuté oceli. Je-li nejsiln jšímdezoxidovadlem Al, pak jejichmorfologie a vznikající zplodinydezoxidace je možné znázornit podleschématu na 11.8.Je-li obsah hliníku v oceli menší než0,01 %, vm stky se vylu ují v kapalnémstavu, jsou globulární, b hem tuhnutí serozpadají na oxidy typunMn.mSiO2.pAl2O3. Pokud je obsahhliníku v oceli v tší než 0,01 %, vnikajídrobné krystalky Al2O3 dendritickéhocharakteru. P i nadm rném obsahuhliníku se krystalky Al2O3 vylu ují veshlucích.

Reoxidace oceliTermín reoxidace oceli je ur en pro proces oxidace taveniny b hem odpichu kovu z pece anásledující doby setrvání oceli v pánvi, odlévání, až do utuhnutí oceli. eská terminologieužívá u oxidace oceli termín sekundární a terciární oxidace dle jejich chronologie a teploty.Sekundární oxidací oceli jsou ozna ovány pochody, které jsou spojeny se zvyšovánímkoncentrace a aktivity kyslíku v oceli po primární dezoxidaci v pecním agregátu. Sekundárníoxidace probíhá v pr hu odpichu oceli, kdy se proud roztavené oceli stýká s 20 - 30 krát

tším objemem vzduchu a b hem setrvání kovu v pánvi. Terciární oxidací je ozna ovánaoxidace oceli mezi teplotou likvidu a solidu.Proces reoxidace je obecn charakterizován tak, že b hem dalšího zpracování oceli p ijímátekutá ocel kyslík a klesá tak obsah prvk s vysokou afinitou ke kyslíku a koncentracerozpušt ného kyslíku se op t zvyšuje s r stem jeho aktivity.Pokles obsahu prvk s vysokou afinitou ke kyslíku, je v souvislosti s reoxida ními pochodydoprovázen vznikem oxidických, p ípadn oxisulfidických vm stk mikroskopické imakroskopické velikosti.

Reoxidace oceli b hem odpichuOmezení reoxidace b hem odpichu souvisí také se zvolením správného postupu p idávánístruskotvorných, dezoxida ních a legujících p ísad. Je výhodné využívat nap íklad karbidvápníku, který se dává již na dno pánve, kde krom jeho dezoxida ní schopnosti svýmintenzivním ho ením za vzniku bílých dým chrání obnažený proud vytékající oceli odvzdušného kyslíku. ást struskotvorných p ísad je vnášena b hem odpichu jako první a tak

že chránit obnaženou hladinu oceli a následná dezoxidace hliníkem má v tší ú inek.Následn jako poslední jsou v tšinou vnášeny legující prvky s menší afinitou ke kyslíku.


dezoxidace oceli v licí pánvi a odlévání

Obr. 11.8 Schematické znázorn ní vlivu chemického složeníoceli v závislosti na použitém zp sobu dezoxidace namorfologii vm stk a vznikajících zplodin dezoxidace


115

zp soby odlévání z LP

konstrukce, funkce a žáruvzdorný materiál licích pánvízp sob kontroly záv re né dezoxidace v licí pánvi

nekovové vm stky, sulfidy a oxisulfidyomezení reoxidace


1) Jak se m že projevit nedostate provedená dezoxidace oceli v licí pánvi?2) Jaké konstrukce licích pánví se používají ve slévárnách?

3) Jaké typy vyzdívek LP se používají p i výrob oceli na odlitky?4) Jakým zp sobem se nej ast ji provádí dezoxidace oceli v LP a ím m že být dopln no

metalurgické hodnocení jakosti?5) Jaký vztah m žeme použít p i výpo tu rychlosti vyplouvání vm stk ?

6) Jak lze charakterizovat nekovové vm stky?7) Jak lze vysv tlit pojmy morfologie a modifikace vm stk ?

8) Jaké typy sulfidických vm stk rozeznáváme?9) Jak vznikají oxidické vm stky?10) Jak lze vysv tlit pojem reoxidace oceli?




12. Možnosti sekundární metalurgie ve slévárnách oceli. Použitíjednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundárnímetalurgie.



116


budete seznámeni s pojmem sekundární metalurgieujasníte si pojmy metod sekundární metalurgiebudete znát metalurgické možnosti n kterých postup sekundární

metalurgiepochopíte metody sekundární metalurgie provozované p i

atmosférickém tlakubudete znát technologie sekundární metalurgie provozované p i

sníženém tlakubudete v t kombinované technologie sekundární metalurgie

provozované p i sníženém tlaku

Výklad

Pojem sekundární metalurgie (SM) v sob zahrnuje zna ný po et variant a typtechnologických proces , které probíhají mimo tavící agregát, kterým je ve slévárnách ocelizpravidla elektrická oblouková nebo elektrická pec induk ní. V tomto p ípad potom v EOPnebo EIP probíhá fáze tavení, p ípadn fáze oxidace. Další fáze redukce a dohotoveníprobíhají již v n kterém za ízení sekundární metalurgie. Cílem je možnost zvýšení výrobnostitavicího agregátu nebo vytvo ení lepších podmínek nap íklad pro hlubokou dezoxidaci,modifikaci oceli nebo její odsí ení.

ed výb rem a realizací vhodné varianty prvku SM je nezbytné provést podrobnou analýzusou asného stavu technologie výroby oceli a sortiment vyráb ných odlitk a jakostí ocelí.Dále stavu po jejím zavedení v oblasti zvýšení jakosti a vlastností oceli, omezeníistírenských operací, zm na žárovzdorných materiál apod. Výstupem analýzy musí být

srozumitelný a reálný ekonomický p ínos nové technologie.

12.1 Metody sekundární metalurgieExistuje celá ada r zných technologických prvk SM. N které jsou již p ekonány dalšímimoderními prvky vývoje v této oblasti Základní rozd lení metod SM probíhajících mimotavící agregát, které se nej ast ji provádí, ze kterých jsou pochody realizovány:

Postupy probíhající za atmosférického tlakuAP (Argon Pouring)IP (Injection Process)SL (Scandinavian Lancers)LF (Ladle Furnace) - pánvová pecAOD (Argon Oxygen Decarburisation)

Postupy probíhající ve vakuuVD (Vakuum Degassing)VOD (Vakuum Oxygen Decarburisation)VAD (Vakuum Arc Degassing)ASEA-SKFRH (Rührstahl Heraeus)


117

Postupy bez p íh evu kovuProces IP, AP, SL, VD

Postupy s p íh evem kovuProces LF, VAD, AOD, VOD, ASEA-SKF

Tavenina se v pánvi nebo konvertoru oh ívá bu chemickými exotermickými reakcemi, neboelektrickým oh evem.

i chemickém oh evu se nej ast ji využívá reak ního tepla oxidace hliníku, k emíku auhlíku.

i legování oceli do pánve nebo v tších tepelných ztrátách se pro kov používá zpravidlaelektrický oh ev, p i kterém se využívá nej ast ji jako zdroje tepla elektrického oblouku,stejného principu jako t ífázová elektrická oblouková pec.Výše uvedené rozd lení je dnes již spíše formální a vychází z historie vzniku jednotlivýchpochod . V sou asné dob se jednotlivé metody na stávajících za ízeních kombinují a dále serozvíjejí. Základní popis jednotlivých metod sekundární metalurgie je uveden v tab. 12.1.Tab. 12.1 Popis základních metod sekundárního za ízení

Postup SM Popis Ozna ení ínosDmýcháníinertních plyn

Dmýchání argonu (N2) p íp.dmýchání pod aktivnístruskou

AP teplotní a chemickáhomogenizace, áste nárafinace oceli, odsí ení.

idávání p ísaddo tekuté oceli

Dmýchání prachovýchísad (CaO, Ca apod.)

SL, TN, IP snížení O a S, modifikacevm stk a zvýšenímikro istoty, áste legování.Zavád ní speciálních

pln ných profilSCAT

Oh ev ocelipod aktivní struskou

Kov je oh íván apromícháván s aktivnístruskou

LF teplotní a chemickáhomogenizace, snížení obsahuS, modifikace vm stk ,legování.

Vakuové zpracováníoceli

V komo e RH, DH rychlé oduhli ení, sníženíobsahu vodíku

V proudu- b hem odpichu- b hem lití

snížení obsahu vodíku p íp.dusíku, omezení sekundárníoxidace

S p íh evem pod aktivnístruskou

ASEA-SKF,VAD

hluboké odsí ení, sníženíobsahu vm stk a jejichmodifikace, teplotní a chemickáhomogenizace, legování

Oxida ní vakuování V licí pánvi VODhluboké oduhli ení (použití uCr ocelí), snížení obsahu H, Nhluboké odsí ení, legování.

Oxidace sm síAr - O

V konvertoru AOD

Oxidace sm síH2O- O

V konvertoru CLU

Metalurgické možnosti n kterých metod sekundární metalurgie

Použití SM je ve slévárnách oceli vázáno na požadovaný sortiment odlitk a také navýrobnost slévárny. Z pohledu sortimentu, výrobní kapacity a dalšího rozvoje mohou být pro

které slévárny vhodné pouze základní prvky SM. Naproti tomu pro n které slévárny budouvhodn jší technicky i finan náro jší prvky SM.

Za ízení SM je ve slévárnách oceli, tak zejména ve velkých ocelárnách základnímedpokladem pro zvyšování výrobnosti tavicích agregátu jakými jsou EOP, nebo v p ípad

oceláren také kyslíkových konvertor . Aplikace SM umož uje výrobu takových zna ek ocelí,které jsou klasickými postupy výroby oceli na EOP ekonomicky nep ijatelné anebo zcela


118

nevyrobitelné. Do pochod SM pat í v sou asnosti velké množství jednotlivých pochod ajejich r zných kombinací, které umož ují dosažení velice nízkých obsah nežádoucích prvknap íklad kyslík, síra, vodík, dusík aj., p ípadn zaru ují ekonomické zpracování a výrobuvysokolegovaných ocelí. Použití jednotlivých pochod SM je znázorn no v tab. 12.2, kde jeuvedena jejich stru ná charakteristika a metalurgické možnosti jednotlivých pochod SM.

Jednotlivé postupy SM dávají odlišné metalurgické možnosti. Využití prvk SM je st žejnízejména v ocelárnách a hutních provozech, kde se zpracovávají velké objemy jaknelegovaných tak i vysoce legovaných materiál . Jejich aplikací je možno dosáhnoutvýrazného snížení zpracovacích náklad , což vede v od vodn ných p ípadech i k zavád nívelice finan náro ných za ízení sekundární metalurgie. To má za následek, že jsou veslévárnách oceli zavád ny zpravidla pouze technicky i ekonomicky mén náro né prvky SM.

Tab. 12.2 Metalurgické možnosti n kterých postup SM

postup mimopecní rafinace oceli

snížení obsahu

tepl

otní

a c

hem

ická

hom

ogen

izac

e

esné

lego

vání

ízen

á de

zoxi

dace

zvýš

ení m

ikro

isto

ty

mod

ifika

ce v

mstk

ohev

oce

li

C S H N

Dmýchání inertních plyn AP n n a n n nidávání p ísad do tekuté oceli IP,SL, TN n a n n a a a a a n

Oh ev oceli pod aktivní struskou LF n a n n a a a a n a

Vakuové zpracování oceliRH, DH a a a a a n nVAD,ASEA-SKF a a a a a a a n a

Oxida ní vakuování VOD a n a a a a aOxidace sm sí Ar - O AOD a a a a aOxidace sm sí H2O- O CLU a a a a

Pozn.: a – ano, n – ne, – áste

Jednotlivé postupy SM dávají odlišné metalurgické možnosti. Využití prvk SM je st žejnízejména v ocelárnách a hutních provozech, kde se zpracovávají velké objemy jaknelegovaných tak i vysoce legovaných materiál . Jejich aplikací je možno dosáhnoutvýrazného snížení zpracovacích náklad , což vede v od vodn ných p ípadech i k zavád nívelice finan náro ných za ízení sekundární metalurgie. To má za následek, že jsou veslévárnách oceli zavád ny zpravidla pouze technicky i ekonomicky mén náro né prvky SM.

12.2 Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgieVyužití prvk sekundární metalurgie ve slévárnách oceli je vázáno na sortiment odlitk a navýrobnost slévárny. Cílem v podstat všech prvk SM je p evést všechny, p ípadn n kteréoperace probíhající v reduk ním údobí mimo vlastní tavící agregát, kterým je ve slévárnáchoceli zpravidla EOP. Tímto lze dosáhnout výrazného zvýšení jeho výrobnosti a sou asnzlepšení n kterých metalurgických parametr oproti b žnému postupu výroby oceli na EOP.Jedná se nap íklad o nižší obsah kyslíku a síry, nižší obsah vodíku a dusíku, dosažení tepelnéa chemické homogenity odlévaného kovu, uplatn ní modifikace vm stk apod.Zásadní otázkou pro menší a st ední slévárny oceli je pro realizaci SM rozhodující p edevšímcena zavád ného postupu a jeho využití v podmínkách dané slévárny. N které jednoduché azpravidla i ekonomicky nejmén náro né postupy SM umož ují snížit nap íklad kyslík a síru,


119

dosáhnout tepelné a chemické homogenity odlévaného kovu, umož ují modifikaci vm stkapod. Univerzáln jší prvky SM jsou z metalurgického hlediska zpravidla až n kolikanásobndražší a pro menší a st ední slévárny oceli také zpravidla finan nedosažitelné.

Metody sekundární metalurgie provozované p i atmosférickém tlakuMetody sekundární metalurgie p i atmosférickém tlaku jsou provád ny bu v pánvi, nebo vkonvertoru. Mezi nejrozší en jší metody uskute ované v pánvi pat í rafinace kovu inertnímplynem, p ípadn kombinace s dmýchání prachových p ísad nebo injektáží pomocí pln néhoprofilu, pánvová a konvertorové pochody AOD a CLU.

Rafinace kovu inertními plynyDmýchání inertního plynu do taveniny ozna ovaného jako AP (Argon Pourging) jenejjednodušším pochodem SM. Jako inertní plyn se používá argon a v n kterých p ípadechse dmýchá také dusík. Uvedené plyny jsou za daných podmínek považovány za inertní.Dmýcháním inertního plynu je dosahováno p edevším teplotní a chemické homogenity kovuv pánvi. Inertní plyn se dmýchá p es keramickou tvárnici. N které zp soby umíst ní tvárnice

anebo trysky v licí pánvi jsouznázorn ny na obr. 12.1.Argon ve form bublin p edstavujev tavenin atmosféru, ve které jenulový parciální tlak vodíku adusíku. Plyn, nap íklad vodík v láznia v plynné atmosfé e (bublinaargonu) se snaží dostat dorovnovážného stavu a to tím, ževodík difunduje z oceli do bublinargonu, kde asociuje na molekuly aspole s bublinou argonu je

vynášen z taveniny. Tento proces se ukon í v okamžiku, kdy parciální tlak vodíku v plynnéatmosfé e bude odpovídat dané koncentraci vodíku v tavenin , tedy v okamžiku ustavenírovnováhy mezi plynnou sm sí a taveninou, za p edpokladu, že bublina Ar s vodíkem setrváv tavenin dostate nou dobu. Rychlost vyplouvání bublin závisí na jejich velikosti.

edpokladem vysoké ú innosti odplyn ní je dosažení malé velikosti bublin rozptýlenýchv co nejv tším objemu lázn . Teoreticky lze dmýcháním argonu snížit obsah vodíku a dusíkuv tavenin . Snížení obsahu dusíku je však možné až p i velkém objemu dmýchaného plynu av praxi se o této technologii neuvažuje.Pro podmínky termodynamické rovnováhy plynné fáze v bublin Ar a taveninou lze celkovýtlak v bublin vyjád it jako sou et parciálních tlak argonu a odstra ovaného plynu (H, N).Tlak v bublin je sou asn roven sou tu vn jšího tlaku nad taveninou a ferostatického tlaku,závislého na vzdálenosti bubliny od hladiny. Na základ Boyle - Mariottova zákona( ), lze vyjád it pom r objem odstra ovaného plynu a argonu pom rem jejichrelativních parciálních tlak

(12.1)

kde je objem plynu odstra ovaného z kovu p i odply ování [m3.t–1],

je objem dmýchaného argonu [m3.t–1],

2211 VpVp

2X

2X

Ar

2X

– pp

p

dV

dVr

r

2XV

ArV

Obr. 12.1 Zp soby dmýchání inertního plynu do LP


120

je relativní parciální tlak odstra ovaného plynu v bublin argonu [Pa],

je celkový tlak plyn (Ar, H, N) v bublin [Pa].Objem odstra ovaného plynu lze vyjád it pomocí úbytku obsahu plynu v kovu

(12.2)

kde je molekulová hmotnost rozpušt ného plynu [kg.mol–1],

[X] je obsah rozpušt ného plynu v kovu [%].

Z doporu ené literatury m žeme uvést vztah pro výpo et o množstvích dmýchaného argonunutného pro snížení zvoleného obsahu vodíku

(12.3)

kde KX je rovnovážná konstanta pro reakci p echodu vodíku nebo dusíku z plynné fáze dotaveninyfx- aktivitní koeficient vodíku nebo dusíku

Z této rovnice lze ur it, že na snížení obsahu vodíku rozpušt ného v oceli se spot ebuje tímvíce argonu, ím nižší je jeho po áte ní obsah p ed dmýchání.U nelegovaných ocelí na odlitky je z hlediska vzniku bublin v odlitcích považován za kritickýobsah vodíku v oceli odlité do pánve vyšší než 7 ppm.V praxi je ov eno, že slévárny s b žným sortimentem odlitk nem ly p ípady vznikuvodíkových bublin za p edpokladu, že obsah vodíku nep ekro il koncentraci 6 ppm, a protose jeví jako dosta ující snížit obsahy vodíku pod cca 6 ppm.Podle vztahu (12.3) odpovídá snížení obsahu vodíku ze 7 na 6 ppm, p i uvažování fH = 1,teoretická spot eba argonu cca 163 Nl.t-1. Toto množství je možné za výše uvedenýchpodmínek nadmýchat do pánve o hmotnosti tavby 2 až 7 t za 10 minut p i poklesu teplotykovu kolem 150 °C. Reálný pohled na snížení teploty se jeví u tohoto množství argonu jakomaximální. Grafická forma vztahu (12.3) p i t = 1600°C, p = 101 325 Pa a fH = 1 jeznázorn na na obr. 12.2.Použití dmýchání argonu v pánvi na snížení obsahu vodíku v oceli m že být podle

teoretického rozboru ú inné jen v p ípadsnižování jeho vysokých obsah . Použitíuvedené technologie na dosahování nízkýchobsah vodíku, nap íklad pod 3 ppm jemožné jen p i pom rn vysokých spot ebáchargonu cca 2 až 3 m3.t -1 oceli. Vzhledemk velkému poklesu teploty lázn v pánvi

hem dmýchání a velké spot eby argonu jesnížení obsahu vodíku oceli podle výšeuvedeného rozboru v pánvi pod hodnotu cca4 ppm v podstat vylou eno.Pro snížení obsahu dusíku v tavenin jsoupodmínky mén p íznivé, než je tomu u

vodíku. Vzhledem k zhoršené difúzi dusíku v tavenin ( ádov menší hodnota difúzníhokoeficientu D u dusíku než u vodíku) se proto b hem dmýchání argonu jeho obsah praktickynem ní. Nižší odplynovací schopnost dusíku oproti vodíku za jinak stejných podmínek p i

2Xpr

p

X4,22–2X

2X dM

dV

2XM

02

2

2X X1–

X14,22

ArX

X

fKp

MV

Obr. 12.2 Vliv množství dmýchaného argonuna obsah vodíku v oceli


121

pot eb podstatn v tšího množství argonu, což souvisí s rozdílnou molekulovou hmotnostídusíku ( 1–

2N .28 molgM ) a vodíku ( 1–

2H .2 molgM ).

Z provozní praxe lze doporu it pro pánve o hmotnosti 7 t pr tok argonu v závislosti naekávaném p ínosu

dosažení tepelné a chemické homogenity 80 - 100 Nl/min,urychlení rozpoušt ní feroslitin 300 - 400 Nl/min,

rozpoušt ní a promíchávání syntetické strusky (odsí ení) 450 - 900 Nl/min,vyplouvání vm stk ( ení) 30 - 50 Nl/min

Doba dmýchání bývá 3 až 5 minut. Pro zajišt ní tepelné a chemické homogenity n kdydosta uje i doba kratší.Bubliny argonu, které procházejí kovem, zárove p ispívají k flotaci vm stk . Jednotlivévm stky se usazují na plynových bublinách a jsou tak vynášeny z kovu do strusky, kde jsounásledn adsorbovány. Tím se do zna né míry zlepšuje zabíhavost oceli a snižuje seanizotropie mechanických vlastností.

Injektáž prachových p ísad tryskouPrvky SM využívající injektáže prachových p ísad jsou nap íklad metoda SL (ScandinavianLancers), pochod TN (Thussen Niederrhein) nebo pochod IP (Injection Process). Tryskou seobvykle dmýchají do oceli v licí pánvi mleté feroslitiny obsahující vápník, silikokalcium,prachové vápno, p ípadn také nauhli ovadla, nebo b žné feroslitiny aj.Za ízení je ur eno p edevším k odsí ení, kde se používá injektáže zejména prachového vápna.

i dmýchání vápníku, p ípadn feroslitiny obsahující vápník, ke dnu licí pánve vede zvýšenýmetalostatický tlak k r stu teploty varu vápníku. Z ástice feroslitiny se vápník v lázniodpa uje a vzniká bublina vápníku. Na povrchu bubliny reaguje vápník se sírou. P ivyplouvání bubliny vápníku roste s klesajícím metalostatickým tlakem její objem. Sou asnse však objem bubliny zmenšuje tím, že se plynný vápník reakcí se sírou m ní na sulfidvápenatý. V ideálním p ípad se všechen vápník b hem vyplouvání bubliny p em ní na CaS.Zm na objemu bubliny p i vyplování ocelí v pánvi je schematicky znázorn na na obr. 12.3.Výrazné snížení obsahu síry je dosaženo zejména tím, že v okolí ástice prachového vápna jeradikáln snížena aktivita kyslíku, což umož uje také dosáhnout vysokého stupn odsí ení.

U tohoto pochodu SM dochází k r stu obsahuplyn , zejména vodíku. R st obsahu vodíku adusíku je zp soben také zvýšenou odpichovouteplotou, nebo b hem odsi ování docházík poklesu teploty kovu (60-100 °C) v závislostina hmotnosti taveniny.Za ízení tohoto typu se v posledním období spíšenerealizují. Tyto výrobní pochody se ešínap íklad v rámci komplexn jších za ízenísekundární metalurgie, LF-VD apod.

Injektáž pomocí pln ného profiluPln ný profil je tenkost nná trubi kaz ocelového plechu s nízkým uhlíkem, obvykle opr ru 6 až 20 mm vypln ná prachovou náplní,nap íklad SiCa, FeCaAl, Al, C, mletými

feroslitinami aj. Pr r pln ného profilu se volí podle hmotnosti tavby a také podle typu

Obr. 12.3 Schématické znázorn ní odsí eníprost ednictvím bublin vápníku


122

zavád cího za ízení pln ného profilu do LP. Pro pánve o hmotnosti tekutého kovu 4 až 8 t sepoužívá profil o pr ru cca 8 mm. Profil je veden p es pohán cí kladky podava e a vodícíocelovou trubici do pánve. Pln ný profil je b hem celé injektáže postupn odvíjen z cívky.Rychlost profilu je volena tak, aby se pláš profilu roztavil až po dosažení dna pánve a náplprofilu se rozpoušt la co nejhloub ji.Nej ast jší použití pln ných profil je k modifikaci vm stk na typ Ib pomocí SiCa, kdevyužití vápníku není vyšší než 50 % a také pro injektáž hliníku.Pánev ur ená pro injektáž pln ných profil je upravena na homogeniza ní dmýchání inertníhoplynu. Injektáží pln ného profilu obsahujícího vápník p edchází dezoxidace oceli hliníkem.

i výrob nelegovaných ocelí lze dosáhnou v LP aktivity kyslíku až 2 ppm.Profily pln né jinými feroslitinami nebo legurami se používají ke korekci chemického složeníoceli a k legování prvk s vysokou afinitou ke kyslíku, p ípadn také ke korekci obsahuuhlíku.

Po shrnutí výše uvedených pochod SM vyplývá, že v pr hu tohoto mimopecníhozpracování oceli v LP za atmosférického tlaku bez oh evu, klesá bez oh evu velice rychle jejíteplota. U taveb malé hmotnosti LP s hmotnosti tavby do 10 t, které jsou ve slévárnách ocelinejb žn jší, proto limituje dobu zpracování oceli práv její teplota. I p i vysokýchodpichových teplotách nelze provád t popsané postupy mimopecního zpracování obvykledéle než 5-7 minut. Vysoké odpichové teploty vedou ke zvýšenému opot ebení vyzdívek avýdusek pecí a LP, také ke zvýšení naplyn ní zpracovávaného kovu, zejména zvýšení obsahuvodíku a celkov k vyšším výrobním náklad m.

Pánvová pecasto používaným prvkem SM v ocelárnách je pánvová pec LF (Ladle Furnace). Zavedení

oh evu kovu v licí pánvi p edpokládá pln vytížené výrobní agregáty s pom rnrovnom rným odb rem kovu. Pánvové pece jsou agregáty s t ífázovým p íh evem kovuelektrickým obloukem. Ve slévárnách se tento typ pánvové pece asto realizuje rekonstrukcístávající elektrické obloukové pece. Pro optimální chod pánvové pece je nutné se ídit výkonpecního transformátoru tak, aby rychlost oh evu taveniny dosahovala kolem 5 °C/min. Prozajišt ní teplotní a chemické homogenity lázn je b hem celé úpravy kovu dmýchán inertníplyn argon anebo dusík. Dmýchání probíhá zpravidla p es porézní tvárnici umíst nou ve dnlicí pánve.Elektrický oh ev pánvové pece vyžaduje, aby byla pánev osazena šoupátkovým uzáv rem,který se shora zasypává zpravidla chromitovým pískem.Pánvová pec slouží k p esunu fáze reduk ní a fáze dohotovení z EOP do LP. Pro dosažení conejnižšího obsahu síry b hem redukce v pánvi jsou LP pro pánvové pece vyzd nydolomitickými, magnezitovými, korundovými stavivy, p ípadn z litého žárobetonu. Zavedenípánvové pece si vyžaduje jak zm nu výrobní technologie na EOP, tak logistickou zm nupráce v tavírn .Elektrická oblouková pec slouží pouze jako agregát, jehož cílem je intenzivní roztavenívsázky, oxidace uhlíku a fosforu kyslíkem. Po dosažení požadované odpichové teplotynásleduje odpich. Z EOP je odpíchnutá ocel neuklidn ná a zbavená pouze oxida ní strusky,což umož uje v LP dosažení nízkého obsahu vodíku.V LP se provádí dezoxidace kovu a tvorba nové, siln zásadité rafina ní strusky. P i vlastnímzpracování oceli probíhá dmýchání argonu, což zlepšuje podmínky pro odsí ení a zárovetaké podporuje flota ní ú inek vm stk , ímž se zlepšuje zejména tekutost oceli. V tšinou se

hem celé úpravy kovu provede odsí ení, homogenizace teploty a chemického složení.edností LF je také možnost velice p esného dolegování. Užší rozp tí obsahu jednotlivých

prvk , dosahované na pánvové peci, umož uje p i legování na dolní hranici obsahu prvku


123

dané normou, p edevším u legujících feroslitin nap íklad FeV, FeNb ale také FeCr aj. snížitnáklady na tavbu.Nej ast ji jsou používány t ífázové obloukové pánvové pece. Stejnosm rné pánvové pece,pracující na principu stejnosm rné elektrické obloukové pece nejsou p íliš rozší eny a v Rnepracují.

Technologie AODVýrobní technologie ozna ovaná v zahrani í jako AOD (Argon Oxygen Decarburisation),pracuje v duplexu s EOP nebo kyslíkovým konvertorem. B hem dmýchání kyslíku docházík exotermickým reakcím, které slouží ke krytí tepelných ztrát, a proto není nutné používat

eh átí taveniny p ed vlastním zkuj ováním v AOD konvertoru. Použití AOD je výhodnézejména p i zpracování vysokolegovaných korozivzdorných ocelí, kde se dosahuje nízkýchobsah uhlíku až pod 0,03 %, p i vysokém využití chrómu až 95 %. Podstata tohoto systémuje ve spole né dmýchání kyslíku a argonu do kovu v konvertoru, kde dochází ke snižováníparciálního tlaku oxidu uhelnatého.Dosahované obsahy vodíku 2 – 3 ppm a dusíku kolem 60 ppm jsou p ibližn o t etinu až opolovinu nižší než obsahy dosahované p i b žné technologii na EOP.Teplotní a chemická heterogenita lázn zp sobená dmýcháním argonu umož uje také provéstkone né dolegování na zúžený interval požadovaného chemického složení oceli. Dmýchánímargonu lze p esn ídit také požadovanou odpichovou teplotu taveniny. U ocelí legovanýchdusíkem je možné dmýchat místo argonu dusík a ocel tak sou asn legovat dusíkem.Ocel vyrobená v konvertoru má ve srovnání s ocelí vyrobenou na EOP nízký obsah vodíku,kyslíku, nízký obsah síry a vysokou istotu.Pro slévárny je výhodné, že oduhli ení odplyn ní i oh ev oceli probíhá v jednom relativnjednoduchém za ízení.

Technologie CLUVýrobní za ízení pochodu CLU (podle závodu Creusot Loire z Francie a Udelholmu zeŠvédska) je obdobné za ízení AOD. Tento duplexní pochod je ur en podobn jako pochodAOD zejména k oduhli ení vysokolegovaných chromových a chromniklových ocelí.Vsázka se natavuje na EOP a vlastní rafinace, p edevším oduhli ení taveniny se uskute ujev konvertoru, do kterého je pomocí trysek umíst ných ve dn nádoby dmýchána sm s kyslíkua vodní páry.Za ízení pochodu CLU je v podstat stejné jako za ízení AOD, slouží ke zpracovánívysokolegovaných korozivzdorných ocelí. Výhodou tohoto procesu jsou nižší náklady naplynné médium a vyšší životnost vyzdívky konvertoru.

Technologie SM provozované p i sníženém tlakuVýrobní procesy sekundární metalurgie, probíhající za sníženého tlaku, bývají souhrnnozna ovány jako vakuová metalurgie. Snížením celkového tlaku nad taveninou je možnédosáhnout v oceli velmi nízkých obsah uhlíku. Uhlík ve vakuu je schopen redukovatvšechny oxidy a kyslík odstranit z oceli ve form oxidu uhelnatého. Vakuovou metalurgií lzedále získat ocel o vysoké oxidické istot s nízkým obsahem vodíku a dusíku. Pochody zasníženého tlaku probíhají v lázni LP umíst né ve vakuovaném prostoru (kesonu).Postupy SM provozované p i sníženém tlaku bývají n kdy také dále len ny podle možnostíoh evu upravovaného kovu. Technologie, které to umož ují, jsou nap íklad VOD,kombinované zp soby VAD, ASEA–SKF nebo ryze ocelá ský zp sob RH.Všechny postupy sekundární metalurgie pracující za sníženého tlaku využívají jevu, kdysnižováním celkového tlaku dochází k r stu afinity uhlíku ke kyslíku. Vzhledem k vysoké


124

afinit uhlíku ke kyslíku se za dostate vysokých teplot stává velice silným dezoxida nímprvkem, což umož uje dosahovat velice nízkých aktivit kyslíku na konci vakuování, takéredukovat za b žných tlak jinak velice stabilní oxidy a zvyšovat tím oxidickou istotutaveniny. Sou asn lze dosahovat i velice nízkých obsah síry, dusíku a zejména vodíku.

Technologie VDKlasická technologie SM pracující za sníženého tlaku pat í je proces VD (VakuumDegassing). LP se zaváží do vakuovaného prostoru – kesonu. Keson se uzavírá hermetickyut sn ným víkem. Následn se celý prostor pomocí paroproudých výv v vakuuje. Ocel se

hem vakuování udržuje p i tlaku až 2 – 4 kPa a v hlubokém vakuu až 30 - 50 Pa, po dobupodle vyráb né jakosti oceli, nap íklad 15 - 20 min.

edchozí uvedené metody SM, pracují se siln dezoxidovaným kovem, nap íklad IP, APnebo LF jsou doprovázeny r stem obsahu dusíku a zejména vodíku. V praxi se proto astokombinují pochody LF, IP, AP s technologií VD. V d sledku zvýšené dezoxida ní schopnostiuhlíku se p i vyšších teplotách mohou také vyredukovat i stabiln jší oxidy rozptýlenév tavenin ve form vm stk , ímž se zvyšuje celková oxidická istota oceli. Na zvýšení

innosti odplyn ní a oduhli ení a homogenizace oceli se b hem celé úpravy kovu provádídmýchání argonem dnem LP. Po dezoxidaci je možné také ocel v kesonu dolegovat.Proces VD je využíván také p i výrob vysokolegovaných korozivzdorných ocelí, kde jemožno dosáhnout nízkého obsahu uhlíku kolem 0,03 % p i vysokém využití chromu z vsázky.V pr hu vakuování je možné také provést hluboké odsí ení až pod 10 ppm, což jeusnadn no vysokým stupn m dezoxidace oceli. B hem dmýchání argonu dochází jednakk tepelné a chemické homogenizaci a jednak se zlepšují podmínky pro p echod nekovovýchvm stk do strusky. Technologií VD je možné získat siln dezoxidovaný kov s nízkýmobsahem plyn , nízkým obsahem síry a vysokým stupn m mikro istoty.Nevýhodou je, že pro absenci vedlejšího zdroje tepla je nutné p ed vlastním vakuovánímprovést p eh átí kovu v závislosti na velikosti používané pánve a vyráb né jakosti oceliv n kterých p ípadech, u menších pánví, až o více než 150 °C.

Technologie VODTechnologie využívající p i vakuování oh ev v licí pánvi je proces VOD (Vakuum OxygenDecarburisation). Podstata spo ívá v oduhli ování tekuté oceli kyslíkem v pánvi, umíst né vevakuovaném kesonu. Technologie je obdobná procesu VD, dopln nou o trysku na dmýcháníkyslíku na hladinu kovu. Pochod VOD je výhodný zejména pro výrobu vysokolegovanýchchromových a chromniklových ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Je to duplexní pochod, který se používá hlavn v kombinaci s EOP. Vzhledemk exotermickým reakcím probíhajícím b hem úpravy kovu v kesonu jsou odpichové teploty uvysokolegovaných korozivzdorných ocelí pouze okolo 1570 °C.

hem oxidace se udržuje v kesonu tlak 2 až 4 kPa. P i dmýchání kyslíku se nejprve oxidujeemík p i sou asném zvyšování teploty lázn . Jakmile se jeho obsah poklesne na cca 0,2 %,

tak za íná se oxidovat i uhlík. P i kritickém obsahu uhlíku (0,04 - 0,1 %), který je závislý nateplot , intenzit dmýchání kyslíku, intenzit promíchávání taveniny a tlaku v kesonu, kdy sevýrazn snižuje oduhli ovací rychlost a p estává se dmýchat kyslík. Dalším snížením tlaku ažpod 100 Pa, p i sou asném dmýchání argonu, dochází vlivem vysoké aktivity kyslíku v lázni ive strusce k další reakci kyslíku s uhlíkem. Tato záv re ná operace probíhá zpravidla5 – 15 minut. Tím je jednak dosaženo dalšího oduhli ení až pod 0,01 % C a dále také docházík dezoxidaci oceli. Po oxidaci kyslíkem se zvyšuje teplota lázn až do úrovn 1750 °C. Uhlíkv oceli b hem oxidace redukuje oxidy chrómu, ímž se jednak zvyšuje istota oceli, ale také ivyužití chrómu z vsázky. Výsledné obsahy uhlíku po dolegování mohou být nižší než 0,01 %.


125

Využití chrómu bývá vyšší než 95 %. B hem oxidace je možné také snížit obsah vodíku adusíku až o 70 %.V následujícím reduk ním údobí, se provádí dezoxidace oceli. Taveninu je možné také odsí ita dolegovat.Oproti oxidaci v EOP probíhá oxidace na za ízení VOD p i nižší teplot , propal chrómu jenižší a také i výsledné obsahy uhlíku jsou podstatn nižší. Ocel má sou asn vyšší oxidickouistotu a lepší korozní odolnost.

Tento pochod ozna ovaný jako „Vakuvit” byl instalován v ur ité dob nap íklad veVítkovických železárnách.

Kombinované technologie sekundární metalurgie provozované p i sníženém tlakuUmíst ní jednotlivých pochod do jednoho kombinovaného za ízení je sice investi zna

náro né, ale z pohledu nákladovosti výhodn jší, nežstavebnicový systém, který realizuje postupn jednotlivéprvky SM na jednotlivých agregátech. Jako p íkladuvedeného uspo ádání m že sloužit pochod VAD neboASEA-SKF. Kombinované za ízení umož ují provéstvšechny metalurgické operace vyjma tavení na jednomza ízení. Za ízení tohoto typu je vhodné pouze prozpracování zna ných objem tekutého kovu, p edevšímpro ocelárny.

Technologie VADKombinovaný pochod VAD (Vakuum Arc Degassing)umož uje sou asn s vakuováním oceli provád t takéoh ev tekutého kovu elektrickým obloukem. Schémaza ízení je znázorn no na obr. 12.4. Metalurgické možnostijsou obdobné pochodu VOD. Za ízení VAD tedy

umož uje výrobu oceli o vysoké sulfidické a oxidické istot , kdy lze sou asn velice p esnnastavit jak chemické složení, tak i výslednou aktivitu kyslíku. Použití vakua umož ujeobdobn jako u VOD výrazn snížit obsah jak vodíku, tak i dusíku. Výhodou tohoto procesuje, že teplo na krytí tepelných ztrát nevzniká jen v pr hu exotermických reakcí, ale taképoužitím elektrického oh evu. Ekonomické p ínosy oproti pochod m bez použití elektrickéhooh evu jsou potom ve všech oblastech výrobních náklad , na které negativn p sobí pot ebné

eh átí taveniny. Za ízení m že být také dopln no o trysku na injektáž prachových p ísad,podava pln ných profil a kyslíkovou trysku aj.

Technologie ASEA-SKFKombinovaným prvkem SM podobné konstrukce jako je VAD je pochod ASEA-SKF. Tentosystém je krom vakuového systému a oh evu elektrickým obloukem navíc vybaveninduk ním mícháním lázn v licí pánvi. Metalurgické možnosti tohoto pochodu jsou obdobnéjako u pochodu VAD.

Speciální pochody SM pro velké objemy zpracovávaného kovu s využitím vakuaV ocelárnách a velkých slévárnách oceli jsou používány n které další za ízení vakuovéhozpracování. Využití t chto za ízení SM je ekonomické pouze p i zpracování velkých objemoceli. Jejich použití je ekonomicky od vodn no p i úpravách tekutého kovu v ádu statisíc amilion tun ro . Jsou to nap íklad za ízení typu RH - vakuové odplyn ní oceli ob žným

Obr. 12.4 Schéma za ízení VAD


126

zp sobem, DH - vakuové odplyn ní oceli zdvižným zp sobem, vakuové odplyn ní oceliv proudu aj. V sou asnosti je v R využíváno pouze za ízení SM typu RH (TŽ a.s.)

Speciální metalurgické pochody a za ízeníSpeciální metalurgické pochody a za ízení m žeme nazvat speciální aplikace n kterýchmetalurgických pochod nebo tavících agregát používaných v úzkém okruhu slévárenskévýroby odlitk , kterými nejsou slévárny ocelí b žn vybaveny. N která ze za ízení jsou v Rv sou asnosti používána jako nap íklad elektrostruskové p etavování nebo vakuové induk nípece, které jsou v sou asnosti budovány anebo jsou st edem zájmu n kterých výzkumnýchorganizací.Dále jsou p edevším ve výzkumných organizacích používány další typy speciálních tavícíchagregát jako nap íklad elektronová pec, plazmová pec aj.


sekundární metalurgierozd lení metod sekundární metalurgie

metalurgické možnosti sekundární metalurgiesekundární metalurgie provozované p iatmosférickém tlakusekundární metalurgie provozované p isníženém tlakukombinované technologie sekundární metalurgieprovozované p i sníženém tlaku


1) Které metody sekundární metalurgie jsou nejrozší en jší?

2) Jaké jsou metalurgické možnosti nejrozší en jších metod sekundární metalurgie?3) Které metody sekundární metalurgie p i atmosférickém tlaku jsou nejrozší en jší a

jaká je jejich funkce?4) Které metody sekundární metalurgie p i sníženém tlaku jsou nejrozší en jší a jaká je

jejich funkce?5) Které kombinované metody sekundární metalurgie p i sníženém tlaku jsou

nejrozší en jší a jaká je jejich funkce?



127




13. Vady ocelových odlitk . P iny vzniku jednotlivých druh vad amožnosti jejich odstran ní.



budete seznámeni s pojmem a definováním vada odlitkuvyjasníte si t íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vadbudete um t vysv tlit p iny vzniku skupiny jednotlivých vadbudete znát možnosti odstran ní skupiny jednotlivých vad

Výklad

13.1 Vady odlitkVady jsou velmi asto d sledkem nedokonalých a špatn ízených technologií. Kontrola

hem n kterých výrobních fází je obtížná také proto, že nejsou k dispozici finan dostupnéa dostate p esné metody sledování všech parametr používané technologie. D sledky vadvyplývající z funkce, kterou mají odlitky v praxi plnit, mohou být od tém bezvýznamnýchaž po katastrofální. Vadami, jejich klasifikací, zp soby jejich identifikace, objasn ním jejich

in a metodami, které vedou k jejich odstra ování, je nutné se pr žn zabývat a etnostjejich výskytu v odlitcích minimalizovat.Vadou odlitku se rozumí každá odchylka vzhledu, tvaru, rozm ru, hmotnosti, struktury avlastností zjišt ných laboratorními, i jinými zkouškami od sjednaných technickýchpodmínek, pop ípad od norem, které s výrobou p íslušného typu odlitku souvisejí. Vadyodlitk tak mohou být zjevné a skryté.Podle sou asné konvence m že být táž odchylka od sjednané jakosti odlitku mezi výrobcem aodb ratelem ješt vadou ípustnou nebo nep ípustnou, opravitelnou nebo odstranitelnou.Platná SN norma rozlišuje celkem sedm kategorií vad odlitk ze slitin železa. Vady odlitkze slitin železa, jejichž rozd lení do sedmi t íd vad a skupin vad, spolu s klasifikací,s vysv tlením hlavních p in a s návrhy na jejich prevenci ve slévárenské výrob , uvádí takéElbel. Jeho základní uspo ádání seznamu t íd, skupin a vad odlitk je zobrazeno v tab. 13.1.


128

Tab. 13.1 T íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vad

ídavad

Název t ídy vad Supinavad

Název skupiny vad Po etdruh

100 Vady tvaru rozm a hmotnosti 110 Chyb jící ást odlitku bez lomu 8120 Chyb jící ást odlitk s lomem 3130 Nedodržení rozm , nesprávný tvar 4140 Nedodržení hmotnosti odlitk -

200 Vady povrchu 210 ipe eniny 3220 Zálupy 3230 Nárosty 4240 Výronky -250 Výpotky -260 Zatekliny 3270 Nepravidelnosti povrchu odlitku 7280 Vady povrchové ochrany odlitku -

300 Porušení souvislosti 310 Trhliny 3320 Praskliny -330 Porušení souvislosti mechanickým

poškozením2

340 Porušení souvislosti nespojením kovu 2400 Dutiny 410 Bubliny 5

420 Bodliny -430 Odva eniny 3440 Staženiny 6

500 Makroskopické vm stky a vady 510 Struskovitost 2makrostruktury 520 Nekovové vm stky 6

530 Makrosegregace a vycezeniny 4540 Broky -550 Kovové vm stky -560 Nevyhovující lom -

600 Vady mikrostruktury 610 Mikroskopické dutiny 3620 Vm stky -630 Nesprávná velikost zrna -640 Nesprávný obsah strukturních složek -650 Zatvrdlina, zákalka -660 Obrácená zákalka -670 Oduhli ení povrchu -680 Jiné odchylky od mikrostruktury -

700 Vady chemického složení a 710 Nesprávné chemické složení -vlastností odlitk 720 Odchylky hodnot mechanických vlastností -

730 Odchylky hodnot fyzikálních vlastností -740 Nevyhovující homogenita odlitku -

Každá t ída vad má své charakteristické íslo od 100 po 700. Skupin vad je celkem 38.Celkem 18 skupin z jejich celkového po tu se dále lení na 70 jednotlivých druh vad. Pokudnení zapot ebí z jakéhokoli d vodu p ejít k podrobnému d lení skupin vad na druhy vad jemožno použít pro ozna ení vady název skupiny. V takovém p ípad je k dispozici38 možností klasifikace slévárenských vad slitin železa. Uživatel m publikace 1 Elbelponechává na uvážení, do jaké míry klasifikaci využijí. Jestli použijí 38 základních možnostíklasifikace vad podle skupin v tab. 13.1, nebo rozší enou klasifikaci zahrnující také druhyvad. V takovém p ípad se nabízí celkem 108 možností klasifikace slévárenských vad veslitinách železa. Klasifika ní stupnice podle Elbla navazuje na možnosti d ív jší, doposudplatné normy SN 42 1240, která uvádí dvoumístný íselný znak s možnostíhodnocení 37 vad.


129

13.2 P iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran níVady ocelových odlitk jsou obtížn ešitelné a odstranitelné. Ve slévárnách ocelovýchodlitk se asto vyskytují vady spadající do t íd: vady povrchu, dutiny, makroskopickévm stky a vady makrostruktury, vady mikrostruktury a vady chemického složení v etnvlastností odlitk .

Vady povrchuVady tohoto typu je možno adit mezi zjevné vady, které lze zjistit p i prohlídce po otryskání,

išt ní jeho povrchu, pop ípad lupou. Vady jsou ve v tšin p ípad odstranitelné.V n kterých p ípadech to vyžaduje jednání mezi odb ratelem odlitku a jeho výrobcem, v etnstanovení zp sobu jejich opravy. Tato nestandardní ešení jsou však asov náro ná, pracná anákladná.V této t íd se nachází nejvíce druh vad. Celkem osm skupin vad a celkem 23 vad.

evládají zde vady týkající se vzhledu odlitku, které v tšinou nemají významný vliv na jehofunk ní zp sobilost, nap íklad na životnost ocelového odlitku. Velmi asto pat í mezi vady

povrchu ocelových odlitk r zné výronky,výpotky a zatekliny, které zejména u masivníchodlitk , nap íklad stojany aj. a nemívají vliv nafunk ní schopnost t chto odlitk , avšak mohouvýznamn ovliv ovat jejich vzhled. Na obr. 13.1je povrchová vada - zateklina. Tato vada vzniklav olejovém kanálu odlitého ocelového díluklikového h ídele, kde došlo k lomu jádravztlakem taveniny oceli p i pln ní formy.Rozsáhlou skupinu vad tvo í druhy vadnepravidelnosti povrchu odlitku, které mohoumít zásadní vliv nap íklad na funk ní zp sobilostodlitk p esného lití, kde m že být jejich výskyt

inou vy azení z dalšího použití. Vady druhuipe eniny, zálupy, nárosty, nemusí znamenat

vy azení odlitk z dalšího použití. Jejichodstran ní bývá však vždy velmi pracné.Výrobce musí rozhodnou, zda vady uvedenéhotypu odstranit, nebo odlitek zmetkovat.

Pouze ást vad povrchu má hlavní p iny v metalurgické fázi výroby ocelových odlitk .

Porušení souvislostiVady typu porušení souvislosti, které jsou podle klasifika ního systému uvedeného v tab. 13.1jsou len ny do ty druh vad, na trhliny, praskliny, porušení souvislosti mechanickýmpoškozením a porušení souvislosti nespojením kovu. P inou vzniku t chto vad je adaparametr souvisejících s výrobní technologií konstrukce odlitku, konstrukcí slévárenské formy,s fyzikálními a materiálovými parametry vyráb né oceli v pevné i kapalné fázi a takés podmínkami tavení, odlévání a tuhnutí. Vznik t chto vad má v tšinou p inu komplexní.

DutinyVady tohoto typu náleží p evážn mezi zjevné, ale také mezi skryté vady. Dutiny v odlitkumohou být jak otev ené (zjevné), tak i uzav ené pod povrchem odlitku (skryté). Pom rnnenáro lze identifikovat otev ené dutiny. Pro identifikaci uzav ených dutin je nutné použítspeciální metody. Nej ast ji ultrazvukovou zkoušku, prozá ením pomocí zá ení RTG nebozá ení gama.

Obr. 13.1. Zateklina v olejovém kanálu odlitéhoocelového dílu klikového h ídele


130

Na obr. 13.2 je vada dutina – uzav enéendogenní bubliny. Tato vada vzniklaz tavby vedené v elektrické obloukovézásadité peci a obsahující zvýšenoukoncentraci vodíku a dusíku. Vadytéto t ídy jsou u odlitk v tšinouneopravitelné s výjimkou staženin,které v n kterých p ípadech mohoutvo it odstranitelnou vadu a lze jeopravit vybroušením, vysekáním azava ením spojeným asto sopakovaným tepelným zpracovánímodlitku a to vždy po dohod se

zákazníkem. V tšina odlitk je však vy azena jako nestandardní a musí se zmetkovat.Vady typu dutina jsou zp sobeny p ítomností plyn v tavenin i ve slévárenské form ,s objemovými zm nami p i tuhnutí taveniny a také s jejími fyzikálními vlastnostmi. Mezi tytovady po ítáme bubliny, bodliny, odva eniny a staženiny a podle tab. 13.1 je zde za azenocelkem 15 druh vad. P iny t chto vad spo ívají p edevším v metalurgické fázi výrobyoceli, avšak významn se na p inách dutin podílí také pracovišt p ípravy forem a jader.

Makroskopické vm stky a vady makrostrukturyVady tohoto typu zahrnují nejobtížn ji identifikovatelné a zárove nejobtížn ji odstranitelnévady. Skupina vad struskovitost zahrnuje dva druhy vad struskovitost exogenní a sekundárnístruskovitost a skupina vad s názvem nekovové vm stky obsahuje zárove šest nej ast ji sevyskytujících vad, jako jsou zadrobeniny, rozplavený písek, odpadnutý nát r, oxidické pleny,uhlíkové pleny a erné skvrny. Skupina vad s názvem makrosegregace a vycezeniny obsahujejako druhy vad gravita ní odmíšení, makroodmíšení – fyzikální odmíšení, stvolové vycezeninya mezerové vycezeniny.Vada druhu struskovitost exogenní p edstavuje otev ené (povrchové) nebo uzav ené (vnit ní)dutiny ve st odlitku, které jsou úpln , nebo áste vypln ny struskou. Jedná se o struskuexogenní, vznikající p i metalurgickém procesu, která do odlitku pronikla b hem odlévání.

ešením pro omezení tohoto druhu vady m že být odlévání LP spodem nebo zvážit použitífiltrace taveniny ve vtokové soustav .Vada druhu sekundární struskovitost je nej ast ji produktem reoxida ních pochod , kteréprobíhají v odlitku na rozhraní mezi proudícím tekutým kovem a materiálem slévárenskéformy. B ží o povrchové otev ené dutiny, pov tšinou na horních plochách odlitk , vypln néstruskou vznikající reakcemi reoxida ních produkt s formovacím materiálem. ešením proomezení tohoto druhu vady m že být zajišt ní dostate ného množství hliníku v tavenin jakosilného dezoxida ního prvku. Nekovové makroskopické vm stky typu zadrobeniny a typurozplavený písek vznikají drobením, nesoudržností formovacího materiálu, tvorbouotev ených nebo uzav ených dutin, áste vypln ným formovacím materiálem – pískem.Vada druhu odpadnutý nát r tvo í otev ené nebo uzav ené dutiny ve st nách odlitku, kteréjsou úpln , nebo áste vypln ny nát rovou hmotou, kterou bývá barvivo. Krom špatnéjakosti nát ru p ispívá k tvorb této vady také eroze povlaku proudícím kovem.Další z této skupiny vad jsou oxidické pleny, jejich p vod je významn ovlivn nmetalurgickými initeli. Mají tvar tenkých a plošných oxid vznikajících na volném povrchutaveniny b hem odlévání a zalitých následkem turbulence (ví ení) odlévaného kovu a jejichvysoké viskozity v povrchových vrstvách i uvnit odlitku. Ulpívají však na st nách formy ajader a významn zhoršují povrchovou i vnit ní jakost odlitku. Oxidické pleny vznikají

Obr. 13.2 Tvary uzav ených endogenních bublin


131

následkem proces reoxidace, které probíhají p i nízkém stupni dezoxidace na volnémpovrchu taveniny b hem odlévání a pln ní formy.Pro zamezení vzniku oxidických plen v odlitcích je zapot ebí v co nejv tší mí e zabránitreoxida ním proces m b hem odlévání. Zajistit kvalitní dezoxidaci taveniny s p ebytkemhliníku s vysokou dezoxida ní ú inností nejlépe nad 0,030 hm. % Alr.k. v kone né analýzeoceli.Vada typu uhlíkové pleny a erné skvrny se mohou vyskytovat p i výrob ocelových odlitkspole s bublinami a bodlinami, potom bývá v tšinou odlitek s charakteristickým nízkýmobsahem zbytkového hliníku pod 0,020 hm. % Alr.k. Vada typu gravita ní odmíšení uocelových odlitk nevzniká.Vada typu makroodmíšení – fyzikální odmíšení je výsledkem fyzikálního pochodu b hemtuhnutí taveniny v rozmezí teplot likvidu a solidu. V závislosti na hodnot rozd lovacíhokoeficientu mezi pevnou fázi a taveninu p íslušného prvku ve slitin dochází b hem tuhnutík odmíšení tohoto prvku mezi osami dendritu a prostoru mezi dendrity, u masivníchodlitk – ingot dochází k odmíšení v pásmu, i zón a hovo íme o pásmovém, zonálnímodmíšení prvk . Odmíšení (segregace) prvk je výsledkem fyzikálního d je – krystalizace a

vlastností p íslušné vícesložkové slitiny. Odmíšenílze potla it optimalizací p eh átí taveniny p iodlévání, rychlostí odlévání a rychlostí tuhnutí.Vada typu stvolové vycezeniny - A segregace) tvo íoblasti zvýšené koncentrace odm šujících prvk ,

ím sí, ne istot i produkt r zných reakcí, kteréprobíhají ve slitin mezi teplotou likvidu a solidu p iselektivním tuhnutí a jsou soust ed ny mezi v tvemidendrit . V ocelích obsahují zvýšený podíl síry,fosforu, uhlíku, ale též manganu a molybdenu aj.

ím sí a v t žkých, masivních odlitcích (ingotech)vytvá ejí charakteristické pásy ve tvaru písmena Amakroskopických rozm , které jsou znázorn ny naobr. 13.3. Opat ení na potla ení výskytu této vady jemožné stejnými opat eními jako p i makroodmíšení,dále snížením hmotnosti odlitku a snížením obsahuS, P a C ve slitin .

Vada typu mezerové vycezeniny - V segregace vzniká tím, že ne istoty a odmíšené p ím sivypl ují p i tuhnutí mezery, prostory i v tší dutiny v odlitku. Mohou to být, vnit ní trhliny,ediny, staženiny (v etn dutin mikroskopických rozm ). Nej ast ji se vyskytující

jsou V vycezeniny v osové ásti ingot a masivních odlitk o zna né štíhlosti. Jejich podstatutvo í plošné trhliny, které zaujímají v podélném (osovém) ezu tvar podobající se písmenu V,které jsou znázorn ny na obr. 13.3.Opat ení k zabrán ní výskytu této vady je ve snížení obsahu intenzivn odm šujícíchprvk – síry, fosforu, uhlíku a také kyslíku. Významný vliv má také tvar formy, p ípadnštíhlost nebo úkos kokily.Vada typu broky je tvo ena zoxidovanými kovovými vm stky v globulární form ,nacházejícími se ve spodních ástech odlitku, kde se vytvo í p i prudkém vlévání taveniny dovtokového systému. Ob as se broky nacházejí i v plynových bublinách, jejichž rozm ry jsou

tší než brok . Zamezení vzniku této vady je v zajišt ní plynulého pln ní formy kapalnýmkovem.Vada typu kovové vm stky je tvo ena kovovými a cizorodými ásticemi - ne istotami, kteréjsou svým chemickým složením z eteln odlišné od složení odlévané slitiny.

Obr. 13.3 Schéma vycezenintypu A a typu V u ingot


132

Vada typu nevyhovující lom má vymezení,které záleží na technických, p ejímacíchpodmínkách sjednaných mezi výrobcem azákazníkem na základ lomovýchzkoušek. Na obr. 13.4 je znázorn nlasturový lom st edn legované,normaliza žíhané CrNiMo oceli naodlitky, kde je lasturový lom zp sobenvylou ením jehlicovitých ástic nitriduhliníku (AlN) po hranicích primárníchlicích zrn austenitu a v ocelích je zpravidlapokládán za nevyhovující, nebo snižujekontrakci, lomové nap tí a mez únavy.

Vady mikrostrukturyU t chto vad jsou v tšinou limitujícíodchylky parametr vlastností odlitk odsjednaných technických podmínek a

norem a nejedná se o standardní vady odlitk . Jedná se o vady typu mikroskopické dutiny,které se dále d lí na mikrostaženiny, mikrobubliny a mikrotrhliny.Základní p iny vzniku t chto vad mikroskopických rozm jsou shodné jako u stejnýchdruh vad rozm makroskopických – tj. staženin, bublin a trhlin. Pro jejich identifikaci jevšak zapot ebí upravit povrch odlitku v míst výskytu vady a použít p im ené zv tšení –lupu, pop ípad stereoskopický, i metalografický mikroskop.Další skupina zahrnuje vady jmenované jako vm stky, nesprávná velikost zrna, nesprávnýobsah strukturních složek, zatvrdlina, zákalka, obrácená zákalka, oduhli ení povrchu a jinéodchylky od mikrostrukrury.

Vady chemického složení a vlastností odlitkTato t ída obsahuje ty i skupiny vad a také u t chto vad jsou v tšinou limitující odchylkyparametr vlastností odlitk od sjednaných technických podmínek a norem a nejedná se ostandardní vady odlitk .Vymezení požadovaného chemického složení v p ejímacích technických podmínkách jezapot ebí provést se znalostí v ci sv domit a odpov dn . Obdobn tomu musí být i p istanovení p ejímacích technických podmínek zahrnujících odchylky hodnot mechanickýchvlastností a fyzikálních vlastností, u kterých je zapot ebí p esn vymezit podmínky výrobyzkušebních t les. Tato t lesa mohou být bu p ilitá k odlitk m a tepeln zpracována s odlitky,nebo odlitá odd len a odd len i spolu s odlitky tepeln zpracována. Dále je t eba stanovitpodmínky vlastních zkoušek, teplotu zkoušení, rychlosti zat žování atp.Více informací lze nalézt v doporu ené literatu e.


vady odlitkdefinice vad odlitk ze slitin železa

íd ní slévárenských vad na t ídy, skupiny a druhy vadiny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní

Obr. 13.4. Lasturový lom st edn legované,normaliza žíhané CrNiMo oceli na odlitky


133


1) Jakým zp sobem m žeme definovat vady odlitku ze slitin železa?2) Jaké t ídy slévárenských vad rozlišujeme a jak je dále d líme?

3) V jakých t ídách vad se asto vyskytují ocelové odlitky?4) Jaká je charakteristika jednotlivých t íd slévárenských vad?

5) Jak lze vysv tlit pojmy vada p ípustná nebo nep ípustná, opravitelná neboodstranitelná?

6) Jaké možnosti odstran ní jsou u jednotlivých t íd slévárenských vad ocelovýchodlitk ?


[1] ELBEL, T., HAVLÍ EK, F., JELÍNEK, P., LEVÍ EK, P., ROUS, J., STRÁNSKÝ, K.: Vadyodlitk ze slitin železa (klasifikace, p iny a prevence). MATECS, Brno 1992, 339 s.



14. které možnosti využití nákladové analýzy k ízení výroby oceli.Metoda rozdílové kalkulace, neúplných vlastních náklad . Využitínáklad k ízení výroby.



budete seznámeni s pojmem využití nákladové analýzy k ízení výroby

budete um t definovat základní pojmy v oblasti nákladové analýzyvyjasníte si pojem kalkulace nákladbudete znát metodu rozdílové kalkulacebudete znát metodu neúplných vlastních nákladpochopíte využití nákladových model k ízení výrobypochopíte využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob


134

14.1 Využití nákladové analýzy k ízení výrobyVýznamným opat ením pro ízení výroby je analýza náklad na výrobu tekutého kovu.V poslední dob byly vyvinuty metody pro ízení náklad s cílem jejich optimalizace.Optimalizací náklad se myslí nalezení optima mezi náklady a jakostí vyráb ného produktu.Benchmarking je pr žn organizovaný proces porovnávání výrobk služeb a postupz hlediska jejich jakosti, efektivnosti a výkonnosti s nejv tšími konkurenty. Interníbenchmarnking je orientovaný na porovnání v rámci jedné organizace. Porovnává senap íklad produktivita vztažená na pracovníka v naturálních nebo finan ních jednotkách.Další metodou pro optimalizaci náklad je controlling. Obecn se controlingem myslí proces,jehož cílem je sledování hospodárnosti výroby, kontrola a ízení náklad na st edisko i napoložku (odlitek).Metoda technicko - ekonomické analýzy byla vyvinuta v 70. letech pro podmínkyeskoslovenských sléváren. Principy metody jsou podobné jako u výše uvedených metod.

Základem technicko - ekonomické analýzy je sledování jednotlivých nákladových položekv naturálních i finan ních jednotkách na kalkula ní jednici ve vztahu k používané technologii.U nákladových položek, jejichž p ímé sledování na kalkula ní jednici není zavedeno, sestanoví zp sob jakým tyto položky efektivn a dostate p esn m it. Metodatechnicko - ekonomické analýzy klade d raz na m ení všech nákladových položek, kterés výrobou tekutého kovu souvisejí.Sou ástí metody je pr žné sledování náklad . Z hlediska ízení technologie výroby jsou

ležité nákladové položky, které je možné vztáhnout na jednotku produkce (kalkula níjednici) a jsou jednozna ur eny. Uvedený princip je formulován v metod neúplnýchvlastních náklad .

Základní pojmyUvedeny jsou pouze pojmy, které se vztahují ke slévárenské výrob . Slévárenská výroba jespecifická p sobením celé ady externích faktor na technologický postup, které vyvolávajíodchylky od p edepsané technologie. Náklady pro pot eby kalkulace tekutého kovu (odlitku)lze vymezit jako vynaložení ekonomických zdroj na zadanou výrobu s cílem získáníekonomického prosp chu. Náklady lze dále rozd lit na náklady variabilní a fixní.Variabilní náklady jsou náklady, které se m ní se zm nou produkce. Nap íklad spot ebavsázkových surovin je p ímo úm rná výrob tekutého kovu.Fixní náklady jsou náklady, které z stávají po ur itou dobu výroby nem nné a na nínezávislé. Nap íklad fixní náklady na osv tlení a vytáp ní hal aj.Výdaje edstavují vynaložení pen žních prost edk v momentu jejich úbytku (vystavenívýdejky, zavedení do ú etnictví).Pro pot eby kalkulace tekutého kovu (odlitku) je nap íklad nákladem spot eba tuny ocelovéhoodpadu v okamžiku jeho použití. Náklad lze vyjád it jak v naturálních jednotkách nebov jednotkách finan ních.

asové rozlišení ( asová nesourodost) mezi náklady a výdaji je zp sobena rozdílnýmmomentem jejich vzniku.Kalkulace náklad znamená p azení náklad k ur itému finálnímu výrobku. Finálnímvýrobkem m že být i polotovar mezi jednotlivými technologickými fázemi výroby. P ehlednésestavení náklad vztažené na výrobek se nazývá kalkula ním vzorcem. Výrobek, na který se

Výklad


135

náklady kalkulují, se nazývá kalkula ní jednicí. Kalkula ní jednicí m že být i ur ité množstvívyráb ného polotovaru nap . tuna tekuté oceli (kilogram odlitku) nebo tuna formovací sm si.

ímé náklady jsou náklady, p ímo zjistitelné m ením a vztažené na kalkula ní jednici.Nep ímé náklady jsou náklady, které nelze m ením zjistit tak, aby mohly být vztaženy nakalkula ní jednici nebo m ení je z ekonomického nebo technologického hlediskaneefektivní. Jestliže se má využít kalkulace a sledování náklad k ízení ve výrobním procesuje užite né najít zp sob jak p evád t nep ímé náklady na p ímé. Nap íklad spot ebužáruvzdorného materiálu nelze ur it po každé tavb . Lze však kalkulovat s pr rnouspot ebou jednotlivých žáruvzdorných materiál na kampa , na životnost vyzdívky pece, víkanebo pánví.Nákladová skupina za azuje náklady podle jejich fyzikální podstaty a zp sobu jejichsledování. P i kalkulaci tekutého kovu se nej ast ji lení nálady nap íklad do následujícíchskupin.Náklady na vsázku a p ísady

vsázka,feroslitiny, dezoxida ní,nekovové p ísady.

Energieelektrická energie spot ebovaná na tavení,elektrická energie pomocných za ízení (vzduchotechnika, erpadla aj.),kyslík,chladicí voda.

Grafitové elektrody.Žárovzdorný materiál.Mzdové náklady.Náklady na m ení (teploty, analýzy chemického složení aj.).Náklady na zkoušky (zkoušky mechanických vlastností aj.).Odpisy.Ostatní náklady.Kalkula ní vzorec je systematické set íd ní nákladových položek v kalkulaci tak, aby bylomožné co nejp esn ji ur it vlastní náklady na kalkula ní jednici. V praxi se používají r znékalkula ní metody.Ve slévárnách je to nej ast ji metoda neúplných vlastních náklad a rozdílová kalkulace.Výrobní zp sob je popsaný postup výroby, u kterého se provádí sledování a analýza náklad .Výrobní postupy se mohou lišit použitým tavicím agregátem (oblouková nebo induk ní pec),nebo použitou technologií, p ípadn použitím jiného za ízení (nap íklad prvk sekundárnímetalurgie).

tšinou astou úlohou technicko ekonomické analýzy je porovnání dvou a více výrobníchzp sob za ú elem nákladové optimalizace.Nákladový model je soubor vztah mezi jednotlivými náklady a parametry výrobyumož ující predikci zm ny náklad na základ zm ny ve výrobním zp sobu. Sou ástínákladového modelu jsou nástroje pro analýzu nákladových odchylek.

14.2 Kalkulace nákladKalkulace náklad poskytuje informace o vlastních nákladech na jednotlivé výrobní operace,polotovary a výrobek sloužící k prodeji. Použití výsledk kalkulace k ízení výroby jepopsáno níže.


136

Z hlediska podniku pak slouží kalkulace posouzení efektivnosti celé výroby, její ásti ijednotlivých výrobk na základ následujícího vztahu:

Výnosy jsou obvykle známy p i uzav ení kupní smlouvy a b hem výroby až po dodávku seobvykle nem ní. Náklady jsou ur ený jako plánové kalkulace a jejich výsledná hodnota(výsledná kalkulace) se obvykle ve slévárenství od plánové odlišuje. Je to dáno variabilitouvýroby, velkým množstvím objektivních i subjektivních vliv , které p sobí na spot ebujednotlivých náklad . Úloha vedení spo ívá ve vyhodnocení vzniklých nákladovýchodchylek. Tato úloha spadá do oblasti controllingu.

edb žná kalkulace, která vzniká p ed zahájením výroby, se lení na kalkulaci operativní aplánovou.Operativní kalkulace se sestavuje na základ operativních norem pro jednotlivé výrobníoperace. Tyto normy se ozna ují také jako standardy (metoda standardních náklad ).Plánová kalkulace se stavuje na základ plánových norem. Normy jsou sestaveny pro p íménáklady (spot ební, asová, výkonové normy). Nep ímé náklady se získají z rozpo turežijních náklad na kalkula ní jednici vhodnou kalkula ní metodikou.

i kalkulaci náklad na tekutý kov se rozdíly mezi operativní a plánovou kalkulací stírají.Dále je používán pro ob kalkulace termín operativní kalkulace.Výsledná kalkulace vyjad uje skute né náklady (pro jednu tavbu nebo odlitek) nebopr rné skute né náklady.

14.2.1 Metoda rozdílové kalkulaceZákladní charakteristika metody rozdílové kalkulace sleduje rozdíly ve vybranýchnákladových položkách u dvou nebo více porovnávaných výrobních zp sob .Ke stanovení nákladové odchylky, posuzovaných výrobních zp sob vybírají pouze tynákladové položky, u kterých se o ekávají hlavní zm ny. Kup íkladu dodavatel nabízídesoxida ní p ísadu FeSi, p ibližn s obdobným chemickým složením, které slévárnapoužívá, ale za nižší cenu. V tomto p ípad se p edm tem nákladového hodnocení stávajípouze náklady na tuto p ísadu. Díl í nákladovou zm nu pak vypo teme podle vztahu

(14.1)

kde – díl í nákladová zm na oproti standardnímu (p vodnímu) stavu v oblasti nákladových položek, u kterých se o ekávají hlavní zm ny (K /t),

– jednotková cena p vodní p ísady /nap íklad K /kg/, – jednotková cena nové p ísad (K /kg), – množství p vodní p ísady /nap íklad FeSi/ (kg/t), – množství nové p ísady (kg/t).

Výb r nákladových položek se týká jen t ch položek, u kterých se o ekávají hlavní zm ny.Pokud p ináší navržené opat ení zm nu doby výrobního zp sobu (nap . doby tavby), pak jejípromítnutí do náklad se provádí s pomocí tak zvaných konstantních náklad . Nákladovéstanovení se provede s pomocí vztahu

Ni = nk . ( 1 – 0). Q-1 (14.2)

NákladyVýnosyvýrobkuvýrobyZisk –)(

00111 MkpCkp–MkpCkpN

1N

0Ckp

1Ckp

0Mkp

1Mkp


137

Ni – díl í nákladová zm na oproti standardnímu stavu v oblasti dopaduzm ny doby výrobního cyklu (K /t),

– konstantní náklady pro výrobní jednotku (p íklad výrobní agregát) na niž se nákladové šet ení provádí (K /min.),

– doba výrobního cyklu (nap íklad doba tavby) p vodního stavu (min.), – doba výrobního cyklu (nap íklad doby tavby) nového stavu (min.),

Q – kalkula ní jednice /p íklad hmotnost tekutého kovu na žlábku/ (t).

Výsledný nákladový dopad (snížení nebo zvýšení náklad ) se stanoví sou tem jednotlivýchposuzovaných nákladových zm n N = N1 + N2 +… Ni …+ Nn (14.3)

– výsledná nákladová zm na šet eného opat ení (K /t),Ni – další díl í nákladové zm ny oproti standardnímu stavu v oblasti nákladových položek,

u kterých se o ekávají hlavní zm ny (K /t).

Kritické hodnocení použití metody rozdílové kalkulaceedností této metody jsou nesporné. Metoda je jednoduchá, srozumitelná a relativn lehce

použitelná. Metoda umož uje rychle získat informaci o ekonomické efektivnosti zm nyvýrobního zp sobu (nového výrobního zp sobu).Nedostatkem metody je její nep esnost, která spo ívá v zanedbání zm n u nevybranýchpoložek. Zm na u jedné nákladové položky vyvolává zm nu u ostatních nákladovýchpoložek. Zm na složení vsázky m že vyvolat zm nu spot eby elektrické energie, doby tavbya ostatních položek, které jsou funkcí doby tavby.Dalším problémem je stanovení ukazatele konstantních náklad výrobní jednotky, v našem

ípad EOP. Tento ukazatel není obvykle ve slévárnách jednotn definován. Bývá r znpojímán v odlišných výrobních jednotkách.Metodu rozdílové kalkulace lze použit pro vytvo ení prvního obrazu o nákladové náro nostidaného opat ení. Pokud je výsledek vykáže nevýznamný rozdíl v porovnání náklad , potom jenezbytné použití metod p esn jších.

14.2.2 Metoda neúplných vlastních nákladZákladní charakteristika metody vychází z odstran ní nedostatk metody rozdílové kalkulace

Jsou sledovány všechny nákladové položky, které mají p ímý vztah k šet enétechnologické nebo organiza ní zm . Nákladové hodnocení nep ekra uje hranicehospodá ského st ediska, ve kterém se daná opat ení realizují. Nepostihují senap íklad správní režie a všechny položky režijního charakteru, které p ímonesouvisejí s hodnocenou problematikou.Pomocí ukazatele konstantních náklad se ne eší zm na doby trvání cyklu výrobníoperace (tavby). Její vliv se projeví p ímo v jednotlivých kalkula ních položkáchsledovaných náklad . Hodnotí se nap íklad samostatn náklady na opravu vyzdívkypece, víka u EOP apod.Nev rohodnost nebo nep esnost dat prvotní evidence se nahrazuje bu daty, kterábyly automaticky registrovány z ídicího systému nebo získány p ímým odsledovánímvýrobních cykl (taveb).

Tato metoda umož uje sestavení kalkula ního vzorce, který v rn zobrazí nákladový obrazhodnocené zm ny.

Sestavení kalkula ního vzorce

kn

0

1

N


138

Pro tvorbu kalkula ního vzorce je nezbytné vymezit hranice nákladového posuzování. Tedynejprve ur it základní oblast sledování. Nap íklad posuzujeme opat ení na peci a potom semusíme rozhodnout, zda zahrneme do sledování náklady surovinové haly apod. anebo sestanoví po átek hranice až s náklady na vsázku. Obvykle za ínáme s náklady na vsázku,pon vadž zásah do technologie na peci obvykle náklady surovinové haly p ímo neovliv uje.Obdobným zp sobem se stanoví konec hranice nákladového hodnocení. Nap íklad

doba konce odpichu, kalkulace je vztažena na kov na žlábku a zahrnujeme pouzenáklady vynaložené v peci,doba konce odlévání kovu na licím poli, kalkulace je vztažena na kov odlévaný doforem v etn náklad vynakládaných p i lití z pece a opot ebení licí pánve.

edevším z d vodu provád ní ady operací s tekutým kovem v pánvi se obvykle používádruhá varianta.Pro oblast tavících pecí (EOP, EIP, kuploven, rota ních pecí aj.) se praktickým používánímvyvinul typový kalkula ní vzorec neúplných vlastních náklad , který zahrnuje náklady

vsázku,kovové p ísady,nekovové p ísady,zpracovací náklady.

Neúplné vlastní náklady jsou potom tvo eny sou tem skupin nákladových položek náklad navsázku, na kovové p ísady, na nekovové p ísady a zpracovacích náklad .Vý et nákladových položek se m že odlišovat podle konkrétních podmínek dané slévárny.

vodem m že být nap íkladnákladová nevýznamnostprokazateln nezm ná výše u p vodního a nového stavunemožnost stanovení nákladu s odpovídající vypovídací hodnotou

ležitý je také zp sob stanovení zobrazení posuzovaných nákladových položek zvolenéhokalkula ního vzorce.

i výrob oceli se uspo ádávají vlastní náklady obvykle do tabulky. P íklad kalkulacenáklad na výrobu oceli na žlábku v EOP formou tabulky je uveden v tab. 14.1.

edností metody neúplných vlastních náklad je zejména její srozumitelnost a komplexnostpohledu. Metoda dává obraz o posuzovaném výrobním procesu, má dostate nou p esnost a jepodstatn asov náro jší než metoda rozdílové kalkulace. Zásadní je p ípadn vy ešitproblém sb ru v rohodných dat z prvotní evidence jejich dohledáváním. V praxi se osv ilosledování taveb výb rových soubor zaškolenou a pat pou enou osádkou. Tento p ístupsi pak nevynucuje p ímé sledování taveb dalším pracovníkem. Optimálnímu ešení se

ibližuje vývoj a postupné dovybavení sléváren za ízením pro automatický p enos datz výrobního procesu.Metodu neúplných vlastních náklad lze doporu it pro hodnocení již zavedeného výrobníhozp sobu tam, kde se chceme op ít o odpovídající p esnost získaného výsledku.


139

Tab. 14.1 Kalkulace náklad na tekutý kov (ocel) na žlábku vyráb nou na EOP

Výsledná kalkulaceVýsledná kalkulace zobrazuje skute né náklady po dokon ení výroby. Náklady se stanovujíasto na základ skute nosti za minulé ú etní období.

Operativní kalkulaceOperativní kalkulace stanovuje náklady p ed zahájením výroby na základ nákladovýchstandard . Technologické p episy jsou propracovány až po normativní spot eby jednotlivýchpoložek materiál , energií a mzdových náklad a ty pro každý tavicí agregát zvláš(nákladové standardy). Výhodou uvedeného systému je zp tná vazba pro technologickéodd lení a následná možnost korekce technologických p edpis na základ její analýzy.

Cena Spot eba Náklady za v [K /t.]

jednotku natur. jedn.1 2 3 4 5 61 Vsázka [kg] 8500 9717,42 Ocelový odpad 1 [kg] 5,6 6000 6686,63 Ocelový odpad 2 [kg] 6,2 800 987,14 Surové železo [kg] 8,3 0 0,05 Vratný materiál [kg] 6,1 1200 1456,76 Jiná vsázka [kg] 5,9 500 587,17 Kovové p ísady [kg] 91,0 431,48 FeMn [kg] 25 45,2 225,09 FeSi [kg] 24 35,7 170,410 Další p ísady [kg] 18 10,1 36,011 Vsázka a kov. p ísady celkem [kg] 8591,0 10148,812 Dezoxida ní p ísady [kg] 31,2 265,013 Al [kg] 50 15,1 150,014 SiCa [kg] 40 11,1 88,015 Další p ísady [kg] 27 5,0 27,016 Nekovové p ísady [kg] 558 40117 Ruda [kg] 4 256 204,018 vápno [kg] 2 196 78,019 Kazivec [kg] 7 70 98,020 Další p ísady [kg] 3 35 21,021 Vsázka kov., dezoxida ní a

nekov. p ísady celkem[kg] 9179,9 10814,8

22 Energie 146823 Elektrická energie technologická [kWh] 2 3266 1300,024 El.energie na odsávání. [kWh] 2 151 60,025 El.energie erpadla [kWh] 2 50 20,026 El.energie cirkulace [kWh] 2 40 16,0

27 Kyslík [Nm3] 6 35 42,028 Zemní plyn [Nm3] 10 15 30,029 Grafitové elektrody [kg] 50 25 250,030 Mzdové náklady 22931 ímé mzdy 19032 Režijní mzdy 3933 Žáruvzdorný materál 310

34 Vyzdívka pece [kg] 150

35 Opravárenský materiál [kg] 8736 Vyzdívka víka [kg] 5637 Vyzdívka pánví [kg] 1738 Ostatní náklady 14539 Náklady na m ení teploty 40 2540 Náklady na zkoušky 60 8241 Ekologické poplatky 3842 Zpracovací náklady celkem 2402,043 Neúplné vlastní náklady celkem 13216,8

.pol. Nákladová položka jednotky


140

Pr žná kalkulacePr žná kalkulace se stanovuje na základ skute ných náklad ihned po ukon ení jednévýrobní operace.Pr žná kalkulace umož uje nákladovou analýzu práv ukon ené výrobní operace nazáklad jejího porovnání s operativní kalkulací. Rozhodující pro správné zjišt ní pr žnékalkulace je sb r zadaných dat a následující on line technicko - ekonomická analýza.

14.3 Využití nákladových model k ízení výrobyVyužití nákladových model v oblasti obchodu má z hlediska hospoda ení podnikumimo ádný význam. Stanovení náklad na výrobu odlitk je jedním z d ležitých faktor ,které slouží p i rozhodování o p ijetí zakázky.Zp esn ný výpo et náklad na odlitek b hem poptávkového ízení slouží k optimalizacimateriálového sortimentu i sortimentu odlitk podle složitosti a hmotnosti.Využití nákladových model v technologické p íprav výroby má p inést úspory v nákladechna materiál, kde p edstavují ást náklad odlitku, kterou bylo nutno vynaložit na výrobutekutého kovu a která byla p enesena do náklad odlitku. Jedná se o nákladovou skupinumateriálové náklady. Ostatní náklady v odlitku je možné považovat za náklady zpracovací.Náklady na materiál v odlitku lze vypo ítat z využití tekutého kovu, které se po ítá jakopom r hrubé (odlitek s nálitky a vtoky aj.) a surové hmotnosti, vyjád eného nej ast jiv procentech. Dále zohled uje výpo et náklad na materiál v odlitku nevratné ztráty kovu p iodlévání a istírenském zpracování odlitk . K výpo tu materiálu v odlitku lze použít vztahpro využití tekutého kovu

[%] (14.4)

– využití tekutého kovu [%],Qs – surová hmotnost odlitku [kg],Qh – hrubá hmotnost odliku [kg].

Kalkulované nevratné ztrátyi výrob odlitk vznikají ztráty, které lze rozd lit podle místa vzniku. Nevratné ztráty

vznikající p i výrob tekuté oceli v peci NZ(O) se nazývají propal vsázky

%100Q

QQNZ(0)vs.

tk.vs. (14.5)

– nevratné ztráty /propal/ [%], – hmotnost vsázky [kg], – hmotnost tekutého kovu v pánvi po odpichu [kg].

Nevratné ztráty NZ(1) vznikají p i odlévání kovu. Jedná se o rozst ik vznikající zejména p ielití formy, špatn uzav ené pánvi apod. Zbytek kovu odlitý do kokily nelze nazvat

rozst ikem, ale vratným materiálem. Rozst ik je funkcí hmotnosti odlitku. U t žkých odlitkse jeho hodnota blíží k nule. Nevratné ztráty p i odlévání NZ(1) v procentech na surovéhmotnosti odlitku je možné vyjád it vztahem

QQ100

s

h

NZ(0)

vs.Q

tk.Q


141

%100Q

VM(1)(QQNZ(1)

tk

stk. (14.6)

NZ(1) – nevratné ztráty p i odlévání [%],

VM(1) – vratný materiál [kg],Qs – surová hmotnost odlitku [kg].

Zbytek kovu VM(1) odlitý po poslední form do zbytkové mísy, rozst ik a ostatní využitelnýkov zachycený na roštu aj., je ozna ovaný jako vratný materiál.

Nevratné ztráty NZ(2) obsahují ztráty pro ezem, v etn ztrát vzniklých broušením p ídavk .Ztráty vznikají p i odstra ování nálitk a vtok . NZ(2) jsou závislé na velikosti plochy (P),která vznikne po odstran ných nálitcích a vtocích. Dále na ší ce ezu (S). Nevratné ztrátytechnologickou úpravou odlitku m žeme vyjád it vztahem

(14.7)

NZ(2) – nevratné ztráty technologickou úpravou odlitku [%],

a – plocha a tlouš ka ezu v etn p ídavk na broušení [dm2 ], –m rná hmotnost kovu [kg/dm3].

Spot eba tekutého kovu na odlití odlitku o surové hmotnostiPro výpo et tekutého kovu na odlití surové hmotnosti odlitku Qs použijeme vztah

kg

100NZ(1)1

VM(2)QQ htk

s (14.8)

– spot eba tekutého kovu na odlití odlitku o surové hmotnosti Qs [kg],VM(2) – hmotnost vratného materiálu vzniklého p i zpravování odlitku o hrubé hmotnosti(vtoky a nálitky aj.) vztaženého na odlitek [kg].

Náklady na odlití odlitku o surové hmotnosti vypo ítáme(14.9)

– náklady na tekutý kov spot ebovaný na odlití odlitku o surové hmotnosti [K /t], – náklady na tekutý kov v cenovém ohodnocení tekutého kovu [K /t].

Kalkulace náklad na materiál v odlitkuNáklady na materiál v odlitku se stanovují jako rozdíl náklad na tekutý kov na odlitíodlitku a hodnoty vratného materiálu získaného jednak p i odlévání jednak p i zpracováníhrubého odlitku, tj. z hrubého odlitku po odstran ní nálitk a vtok .

[K ] (14.10)

Cvm – cena vratného materiálu [K /kg].Získané množství vratného materiálu VM(2) je dáno surovou a hrubou hmotností materiálupo ode tení NZ(2)

[t] (14.11)

rr SPQ100NZ(2)

h

rP rS

stkQ

sQ

tkstk

stk CQN

stkN sQ

tkC

SmoN

vmtkstk

Smo CVM(2)VM(1)CQN

NZ(2)QQVM(2) hs


142

Výpo et ceny vratného materiálu je jednou z nejd ležit jších úloh v kalkulaci náklad naodlitek. Nep esné stanovení ceny vratného materiálu má za následek zkreslení celého výpo tunáklad .Nákladový model je nutno vytvo it jednotliv pro každý výrobní zp sob.

14.4 Využití nákladových model p i ízení náklad ve výrobMetoda pr žného sledování nákladVýpo et pr žné kalkulace náklad se provádí po ukon ení každé výrobní operace. Obvyklese uvažuje jako ukon ená operace tavba. V dalším zpracování odlitk to m že být nap íkladvýroba forem a odlití kovu a dále jednotlivé istírenské operace a tepelné zpracování.

edpokladem této metody je sb r dat náklad b hem provád né operace, pr žné sledovánínáklad a aktualizace cen.Pr žné náklady se porovnávají s nákladovým standardem (operativní kalkulací). Nákladovýstandard p edstavuje operativní hodnoty náklad vypo tené na základ detailníchtechnologických p edpis (DTP). Technologické p edpisy udávají spot ebu jednotlivýchnákladových pokožek v naturálních ukazatelích a vycházejí z bilancí spot eby jednotlivýchnákladových položek pro jednotlivé zna ky ocelí.Po ukon ení výrobní operace (tavby) se vypo ítají odchylky od standardu a analyzují se jejich

iny. Analýza odchylek m že sloužit k motivaci obsluhy pece, ale také k up esn nípožívaného nákladového modelu a technologie. Sledování náklad v asové ad slouží takék výpo m základních statistických dat nákladového souboru. Pro další analýzu jsounej ast ji používány zejména statistické charakteristiky - pr r, minimální hodnota,maximální hodnota a sm rodatná odchylka.

Metoda nalezení ekonomického optimaAnalýza náklad nového výrobního zp sobu je d ležitá zejména v t ch p ípadech, kdy je jehozavedení spojeno s vynaložením finan ních prost edk na investice. V ekonomické analýze jenutné zohlednit návratnost investic.Nejjednodušším zp sobem zohledn ní investic je rozší ení kalkula ního vzorce o odpisy anáklady na údržbu.

asto se však nahrazuje za ízení, které je již delší dobu zcela odepsané. Vypo tenýekonomický p ínos nového výrobního zp sobu pak nemusí být p esný.Dalším problémem je stanovení nákladových položek nového výrobního zp sobu. Zde sevychází ze zkušenosti se stávajícím výrobním zp sobem a z parametr za ízení, které udávádodavatel. Pro garan ní zkoušky udává dodavatel n které parametry, nap íklad spot ebuelektrické energie na roztavení a parametry pro b žný provoz.


143

Pro stanovení parametr nového výrobníhozp sobu, kde chybí data, je nutný technickýodhad. V p ípad technického odhadu sestanoví pravd podobná nejnižší a nejvyššíhodnota. Náklady na nový výrobní zp sobpak vycházejí v intervalu hodnot aanalyzuje se, zda bude zajišt naekonomická návratnost i za nejmén

íznivých podmínek.Odhadnutý ekonomický efekt se porovnávás plánovanými investicemi a po ítá senávratnost. Tento postup bývá v tšinoudostate ný a není nutné do kalkulacezahrnovat i odpisy.

Využití nákladových model p i rozhodování na úrovni vedení spole nostiDalším ze zp sob využití nákladových model je analýza bodu zvratu. Variabilní náklady(pro zjednodušení u jednoho typu odlitku) rostou lineárn s po tem vyrobených odlitk . Fixnínáklady, vztažené na jeden odlitek, jsou tím menší, ím je v tší po et vyrobených odlitk atržby pak rostou lineárn s po tem expedovaných odlitk . Existuje proto ur itý po etvyráb ných odlitk , p i které jsou celkové náklady (variabilní + fixní) stejné jako dosahovanétržby. Objem výroby, p i kterém se celkové tržby rovnají celkovým náklad m, se nazývá bodzvratu. Na obr. 14.1 je grafické znázorn ní bodu zvratu.


nákladová analýza pro ízení výroby

základní pojmy v oblasti nákladové analýzykalkulace náklad

metoda rozdílové kalkulacemetoda neúplných vlastních náklad

využití nákladových model k ízení výrobyvyužití nákladových model p i ízení náklad ve výrob


1) Jakým zp sobem je možné dovést nákladovou analýzu k ízení výroby?2) Které základní pojmy využíváme v oblasti nákladové analýzy?

3) Jaké typy kalkulace náklad známe a jakou mají funkci?4) Jaká je základní charakteristika metody rozdílové kalkulace?

Obr. 14.1 Grafické znázorn ní bodu zvratu


144

5) Jaká je základní charakteristika metody neúplných vlastních náklad ?

6) Jaký význam má využití nákladových model v oblasti obchodu a v technologickéíprav výroby?

7) Jaký vztah lze použít k výpo tu využití tekutého kovu v odlitku?8) Jaký význam má výpo et kalkulovaných nevratných ztrát?

9) Jaké p íklady nákladových model k ízení náklad ve výrob znáte a jaká je jejichfunkce?




[3] HEYNE, P.: Ekonomický styl myšlení. VŠE – Praha 1991. ISBN 80-7079-781-9.

Date post:	08-Dec-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	5 times
Download:	0 times

SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH...

Documents