metalurgie (cme)

Metalurgie (CME)

Denní studium, Strojírenská technologie

Přednáší: Ing. Antonín Záděra, Ph.D.VUT FSI, Ústav strojírenské technologie, odbor slévárenství e-mail: [email protected]

Doporučená literatura: ŠENBERGER, J., STRÁNSKÝ, K., ZÁDĚRA, A., BŮŽEK, Z., KAFKA, V.: Metalurgie oceli na odlitky. s. 311, ISBN 978-80-214-3632-9

PTÁČEK, L. a kol.: Nauka o materiálu II.ISBN 80-7204-248-3.

ŠENBERGER, J.: Metalurgie oceli. (skripta VUT, FSI).

Internet: http://ust.fme.vutbr.cz/slevarenstvi/opory/

Organizace výukyTéma přednášek• Metalurgie oceli (5x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D.

• Metalurgie litin (5x) – doc. Ing. Jaromír Roučka, CSc.

• Metalurgie neželezných kovů (3x) – doc. Ing. J. Roučka, CSc.

cvičení• Metalurgie oceli (3x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D.

• Metalurgie litin (3x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D.

• Metalurgie neželezných kovů (1x) – Ing. Aleš Sláma

Cvičení• 1h / týden, j. 2h/14 dní

• Skupiny dělené na polovinu

• Podmínka zápočtu max. 1 absence na cvičení

zkouška• Dělená zkouška jednak z oceli (Záděra) druhá část z litin a

neželezných kovů (Roučka)

• Z obou částí klasifikace lepší nebo minimálně za E

Historie výroby železaPrvní archeologické nálezy z doby před 4000 lety

K redukci oxidů železa postačuje teplota 700 °C. S rostoucí teplotou roste nauhličení redukovaného železa a při teplotách nad 1200 °C je produktem redukčních pecí surové železo

Středověké postupy:

Žďáření v milířích – dřevené uhlí,Redukce dřevěným uhlím v dýmačkách pece 700 – 1200 °C, ruční

dmýchání vzduchu, výška 1 až 2 m,Produktem redukce byla železná houba, kováním se zprac. na dejl (hřivnu, vlk)Denní výroba jedné pece činila řádově X. 101 kg,Snaha o zvýšení produktivity v šachtových pecích vedla k jejich zvětšování a dmýcháním vzduchu do pece tzv. větru,V 16 století první vysoké pece vytápěné dřevěným uhlím, surové železozkujňování ve výhních (fryšovacích výhních) za přísady okují a železných rud,Denní produktivita v jednom agregátu řádově 102 až 103 kg,

Začátek moderní metalurgie

18. století vysoké pece - pudlování (oxidace uhlíku oxidy Fe), plamenné pece,

nedostatek dřevěného uhlí → černé uhlí, produkt železná houba, v peci upravovala na kulovité dejly (vlky). Kováním na lisech nebo bucharech se z nich vytěsňování strusky, svařování železa. Denní výroba pudlovacích pecí činila řádově až 104 kg,

19. století: vysoké pece vytápěné koksem (Vítkovice 1836), Kuplovna patentována 1811- průmyslová výroba odlitků ze šedé litiny

předpoklad rozvoje strojírenství), 1855 Bessemer – Konvertor dmýchaný vzduchem s křemencovou

vyzdívkou (Vítkovice 1865) (řádové zvýšení produktivity práce), 1878 Thomas zásaditý konvertor, odfosfoření (Kladno 1879), Siemens-Martinské pece 1864 (Vítkovice 1878),

Schéma Bessemerova konvertoru

Dmýchání vzduchu, výroby plávkové oceliPodíl tuhé vsázky max. 15%Kyselá výduskaNízký obsah fosforu

Schéma Siemens – Martinské pece

Teplo k tavení vzniká spalováním plynuPodíl tuhé vsázky až 100%Předehřev vzduchu i topného plynu v regenerátorech

1902 první elektrické obloukové pece, 1902 první elektrické obloukové pece1905 první indukční pece ( Kladno

1908)

Metalurgie ve 20. století První polovina 20. století více než 90 % výroby konvertory a SM pece,

postupné zvyšování výroby oceli na elektrických pecích,1955 kyslíkové konvertory,

Od 70. let přibližně 70 % výroby v kyslíkových konvertorech a 30% výroby v obloukových pecích, útlum výroby oceli v SM pecích (tandemové pece) a vzduchem dmýchaných konvertorech,

Nástup pochodů sekundární metalurgie Výroba surové oceli ve světě na konci století cca 800 mil t ročně z toho výroba oceli na odlitky cca 1%,

Metalurgie v 21.století Nástup výroby oceli ve východní Asii zejména v Číně, V roce 2004 překročila světová výroba oceli 1 miliardu t ročně, Dramatické zvýšení surovin pro výrobu oceli po roce 2002,

Schéma kyslíkového konvertoru

Cíle tavby v kyslíkovém konvertoruSnížit obsah uhlíku a fosforu.Ohřát taveninu na odpichovou teplotu.Snížit obsah plynů v oceli.Umožnit bezstruskový odpich.

Suroviny pro výrobu oceli v konvertoru:Surové železo.Ocelový odpad.Struskotvorné přísady

Vyzdívka konvertoru:Magnezitové tvárnice

Základní reakce v kyslíkovém konvertoru

• Fe + 1/2O2 = FeO• Na rozhraní kyslík ocel pod tryskou se oxiduje především Fe.• FeO – dále reaguje s ostatními prvky s afinitou ke kyslíku vyšší

než má Fe ( C, Si, Mn, P ).

Důležitá je reakce (FeO) + [C] = {CO} – homogenizace.Odfosfoření: 2[P] + 5 (FeO) + 4 (CaO) = 4 CaO.P2O5 + 5 FeOhřev kovu• Exotermické reakce zejména: [Si] + O2 = SiO2• Oxidací 1 % Si se zvýší teplota oceli o cca 330 °C• Další zdroje energie jsou oxidace: P, C, Mn, a Fe.

Jakost konvertorové oceli H - max 2ppm, N max 50ppm, P max 200ppm, S max 200ppm

Tandemové pece

Příčný řez tandemovou pecí

Světová výroba jednotlivých kovů a slitin v roce 2000

Výroba oceli ke tváření - 850 mil. tun.

korozivzdorné oceli - 19 mil. tun plechy na karoserie aut plechy na obalovou techniku tlusté plechy podélné profily Kolejnice

Výroba oceli na odlitky - 5 mil. tun

Výroba litin - 60 mil. tun

Výroba slitin Al - 30 mil. tun

Výroba Cu a slitin Cu - 11 mil. tun

Výroba Zn a slitin Zn - 5 mil. tun

Výroba Pb a slitin Pb - 5 mil. tun

Ostatní kovové materiály - 7 mil. tun

Principem výroby slitin Fe je redukce oxidických rud uhlíkem

Suroviny pro výrobu slitin Fe :Hematity (krevele) Fe2O3

Magnetity (magnetovce) Fe3O4

Hydratované oxidy (limonity)

Při redukci rud za nižších teplot vznikají předredukované pelety, za vyšších teplot surové železo

Spotřeba energie na 1t výroby:Oceli 19 GJ

Hliníku 106 GJ Ostatních kovů 40 GJ

Ekologická hlediska. Slitiny železa jsou bezezbytku recyklovatelné. Hutní závod představuje

uzavřený technologický cyklus. Odpady (strusky, zbytky vyzdívek) slouží jako suroviny pro další zpracování.

Redukce rud ve vysoké peci

Suroviny pro výrobu slitin železa

Kovonosné suroviny

Železné rudy lze podle chemického složení rozdělit na:

Bezvodé oxidy

a) Hematit (krevel),Fe2O3, je tmavě červené barvy a má obsahovat asi 60% Fe.

b) Magnetit (magnetovec),Fe3O4, je magnetický a má obsahovat asi 68% Fe

Hydratované oxidy

Limonity (hnědele),Fe2O3.nH2O ,se rozdělují podle obsahu chemicky vázané vody.

Uhličitany

Siderit (ocelek),FeCO3,obsahuje pouze 25 až 40% Fe.

Palivo a struskotvorné přísady

Palivem a současně redukčním činidlem ve vysokých pecích je metalurgický koks. Metalurgický koks obsahuje 83 až 91 % uhlíku a 6 až 12% popela.

Koks dále zabezpečuje prodyšnost vsázky a oporu vsázky při vysokých teplotách. Proto je požadována od koksu minimální kusovitost 40 až 80 mm. Při vyšších teplotách koks nauhličuje vsázku a snižuje její teplotu tavení.

Většina rud má kyselý charakter, a proto jsou struskotvorné přísady zásadité.Hlavní struskotvornou přísadou je vápenec (CaCO3),dále se používá dolomitický vápenec(/CaMg/(CO3)2 nebo dolomit.

Produkty vysokých pecí• Surová železa se dělí na ocelárenská a slévárenská• Ocelárenská surová železa obsahují obvykle 3,5 až 4,5%C, 0,40 až 1,00%Si,

0,60 až 1,00% Mn, max. 0,18%P, max. 0,03%S a max. 0,20%Cu.• Slévárenská surová železa se dělí podle obsahu křemíku. • Pro výrobu litiny s kuličkovým grafitem se volí surová železa (nodulár) s nižším

obsahem křemíku. Pro výrobu litiny s lupínkovým grafitem jsou dodávána slévárenská surová železa s odstupňovaným obsahem křemíku. Slévárenská surová železa s vyšším obsahem křemíku jsou odstupňována obvykle po půl procentu křemíku až do 3,0 až 3,5%Si.

• Pro výrobu feritických litin jsou dodávána surová železa s obsahem Mn do 0,1%, případně do 0,05%Mn. Běžná slévárenská surová železa obsahují obvykle 0,4 až 1,0%Mn.

• Obsah fosforu je u želez sloužících k výrobě litiny s kuličkovým grafitem omezen obvykle hodnotou 0,05%, příp. 0,07%. U slévárenských surových želez pro výrobu litiny s lupínkovým grafitem se pohybuje obsah fosforu kolem 0,1%P.

• Obsah síry je ve slévárenských surových železech pro výrobu LKG obvykle nižší než 0,03%.

Vyráběné feroslitiny na vysokých pecích lze rozdělit na:

• ferosilicia a feromangany. Také ferosilicium se již ve vysokých pecích vyrábí jen zřídka.

• Vysokopecní feromangan obsahuje obvykle 70 až 80% Mn a 7 až 8 %C.

• Vysokopecní struska se používá ve stavebnictví jako vysokopecní štěrk. Část vysokopecní strusky se využije při výrobě cementů.

• Sazební plyn je z hlediska výhřevnosti málo hodnotné palivo. Obsahuje obvykle 22 až 26 objemových procent CO. Je silně toxický a výbušný. Spotřebuje se jako topný plyn v hutních závodech.

Základní reakce probíhající ve vysoké peci

Spalování paliva

V oblasti výfučen se spaluje uhlík koksu kyslíkem z předehřátého vzduchu.V prostoru

výfučen vysoké pece probíhají následující reakce:

C O COkoksu/ / 2 2 H kJo298 393 5 ,

∆Ho298 – je entalpie reakce, za daných podmínek teplo, které se při uvažované reakci

uvolní za konstantního tlaku. Horní index symbolu „o“ udává, že teplo se vztahuje k reakci probíhající za standardních podmínek tlaku 101 325 Pa a teplotě 298 K. Hodnoty entalpie pro různé sloučeniny jsou tabelovány. Spodní index udává teplotu reakce, které se teplo vztahuje.

V oblasti vzdálenějších od výfučen při nedostatku kyslíku probíhají reakce:

V důsledku průběhu reakce (3) je veškerý volný oxid uhličitý, mimo pásma průběhu oxidačních reakcí ,přeměněn na oxid uhelnatý. Uhlík v koksu a zejména oxid uhelnatý jsou základními redukčními látkami ve vysoké peci.

CO C COkoksu2 2 / /

C O COkoksu/ / 1

222

H kJo

298110 5 ,

kJH o 5,172298

Termická disociace oxidů• Vyšší oxidy vykazují obecně vyšší disociační

napětí a jsou proto méně stálé než nižší oxidy. Pro disociaci oxidů železa při teplotách nad 570 °C je možné použít schéma:

• Při teplotách nad 570 °C je stabilní pouze FeO,který je redukován uhlíkem nebo CO (disociační napětí FeO odpovídá velmi nízkému parciálnímu tlaku kyslíku).

FeFeOOFeOFe 4332

Redukce oxidů

Přímá reduce oxidů ve vysoké peci uhlíkem koksu je omezena nedokonalým stykem obou tuhých fází.Při teplotách nad 900oC má rozhodující význam redukce oxidů železa oxidem uhelnatým podle reakcí:

Oxid uhličitý vznikající při redukčních reakcích reaguje s koksem podle reakce a vzniká opět oxid uhelnatý.

3 2 3 3 4 2Fe O CO Fe O CO

Fe O CO FeO CO3 4 2

FeO CO Fe CO 2

kJH o 456,52298

H o278 26 67 ,

H kJo278 13 94 ,

Rozpouštění uhlíku a jiných prvků v železeVyredukovaná železná houba rozpouští v sobě uhlík.K intenzívnímu nauhličování železa dochází však až po jeho úplném roztavení přímou reakcí s uhlíkem koksu. Rozpouštění uhlíku v železe můžeme popsat rovnicí :

Rozpustnost uhlíku v železe roste s teplotou. Také chemické složení ,zejména obsah křemíku a manganu ovlivňují rozpustnost uhlíku v surovém železe. Kromě oxidů železa obsahují rudy i další oxidy zejména SiO2. Tyto oxidy se také redukují ve vysoké peci a vyredukované prvky se rozpouštějí v surovém železe. Redukční schopnost uhlíku s teplotou roste. Zvýšení teploty ve vysoké peci vede ke zvýšení obsahu obtížněji redukovatelných prvků v surovém železe, zejména křemíku.

CC grafit

Doprava surového železa od VP do ocelárnypojízdný mísič.

V mísičích se dopravuje až 600 t surového železana vzdálenost ač 300 km

Odsíření surového železa

• Odsíření sodou:

Na2CO3 + [S] + [Si] = (Na2S) +(SiO2) + COg

• Odsíření hořčíkem:

[Mg] + [S] = MgS

• Odsíření karbidem vápníku:

CaC2 + [S] = CaS + 2[C]

Roztoky v metalurgii

Koncentrace roztoků

• Koncentrace v hmotnostních procentech:

• Koncentrace v atomových procentech:

• Koncentrace plynů v objemových procentech:

100%

m

mc i

i

n

nN i

i

i

ii M

mn

100%

V

VV i

i

Zákony ideálních plynů

• Stavová rovnice: pV = nRT

• Jednotka množství látky

Tlak plynů .• Parciální tlak plynů:

i

ii M

mn

Pn

np

j

ii

Termodynamická rovnováha

• Rovnovážná konstanta: a A + b B = c C + dD

v1 = k1 cAa . cB

b v2 = k2 cCc . cD

d

bB

aA

dD

cC

cc

cc

k

kK

1

2

k1 cAa . cB

b = k2 cCc . cD

d

ŽELEZO - OCEL

Železo Atomová hmotnost 55,87 Teplota tavení 1539 °C Skupenské teplo tání 15,315 kJ.g atom -1 Vzrůst objemu při tavení 2,6% Bod varu 3070 °C Hustota při 20 °C 7,874 g.cm-3 Modul pružnosti v tahu 2,004 . 105 MPa (oceli většinou 2,1.10 5 MPa) Dvě krystalografické modifikace – mřížka BCC a FCC

Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších prvků. Prvky vyskytující se v oceli rozlišujeme na – prvky legující

–prvky doprovodné

–nečistoty

Ocel má teplotu tavení nižší než čisté železo!!!

Rozdělní ocelí Podle chemické složení Nelegované (náhrada v max. míře LKG), dobrá svařitelnost Středně legované (nízkolegované) Vysokolegované (Cr, Cr-Ni, Mn)

Rozdělení ocelí podle užití Konstrukční Nástrojové

Podle specifických vlastností Korozivzdorné, otěruvzdorné

Podle výroby Oceli pro tváření Oceli na odlitky

Klasifikace nelegovaných ocelí

Al hliník 0,10 Ni nikl 1) 0,30

B bór 0,0008 Pb olovo 0,40

Bi bismut 0,10 Se selen 0,10

Co kobalt 0,10 Si křemík 0,50

Cr chrom 1) 0,30 Te telur 0,10

Cu měď1) 0,40 Ti titan 2) 0,05

La lanthanidy,(hodnoceno jednotlivě)

0,05 V vanad 2) 0,10

Mn mangan 1,65 W wolfram 0,10

Mo Zr zirkonium 2) 0,05

Nb ostatní (mimo C,P,S.N) 0,05

1) Pokud jsou pro oceli předepsány dva, tři, nebo čtyři prvky označené touto poznámkou a jejich určující obsahy jsou menší než uvedené v tabulce, pak je pro rozdělení nutné vzít v úvahu dodatečně mezní obsah, který činí 70% součtu mezních obsahů těchto dvou, tří nebo čtyř prvků.2) Pravidlo uvedené v poznámce 1 platí odpovídajícím způsobem také pro prvky označené poznámkou 2.3) Pokud je pro obsah Mn udána pouze nejvyšší hodnota, platí jako mezní obsah 1,80 hmot. procenta

Nelegované a nízkolegované oceli

Nelegované• Nelegované oceli s obsahem Mn nižším než 1,20% mají předepsaný

maximální obsah P a S. U některých značek je předepsán pouze maximální obsah síry a fosforu. Chemické složení si řídí slévárna tak, aby byly dosaženy předepsané mechanické hodnoty (Rm 350-700MPa, Re 200-300Mpa, A 15-25%)

• Nelegované oceli s obsahem Mn 1,60 až 1,80% byly ve staré normě ČSN zařazeny mezi nízkolegované oceli. Tyto oceli jsou doposud v českých slévárnách hojně vyráběny. Jednotlivé značky této skupiny ocelí se od sebe liší zejména obsahem uhlíku (Rm 500-800MPa, Re 300-550Mpa, A 10-25%)

Nízkolegované• Nízkolegované oceli lze rozdělit na oceli legované Cr a Mo a na oceli

obsahující dále Ni. U skupiny nízkolegovaných Cr-Mo je obsah chrómu v intervalu 0,80 až 2,50%, obsah Mo 0,15 až 1,20%. Největší vliv na vlastnosti této skupiny ocelí má obsah uhlíku. Stabilita karbidů za vyšších teplot se zajišťuje přísadou 0,05 až 0,15% V. (Rm 550-1100MPa, Re 400-750Mpa, A 10-20%)

Vysokolegované oceli Korozivzdorné oceliZákladním prvkem ve korozivzdorných ocelích je chrom. Nerezavějící oceli jsou schopné pasivace - odolnost proti elektrochemické korozi v oxidačním prostředí. Podmínkou pasivace je obsah chrómu v tuhém roztoku vyšší než 11,5%. Pro nerezavějící oceli je charakteristický nízký obsah uhlíku, obvykle nižší než 0,08%. Vyloučení karbidů chrómu na hranicích zrn působí mezikrystalickou korozi. Mezikrystalická koroze se vyskytuje obzvláště po svařování v tepelně ovlivněné zóně. Ochrana proti mezikrystalické korozi je vedena buď snížení obsahu uhlíku, nebo legováním Nb, Ta a Ti,

Žáropevné oceliMají vysokou odolnost proti oxidaci a korozi a dlouhodobě stálé vlastnosti v horkých plynech. Použití ocelí neprocházející při ohřevu krystalografickou přeměnou, tzn, použití Cr oceli s feritickou strukturou nebo ocelí Cr-Ni s austenitickou strukturou příp. oceli austeniticko-feritické, které mají vyšší mez kluzu (400 až 600MPa) než oceli čistě austenitické a jsou také lépe obrobitelné. Oproti dříve vyráběným žáruvzdorným ocelím mají normované oceli až na výjimky obsah uhlíku pod 0,12% a mohou být svařitelné,

Vysokolegované oceli

OtěruvzdornéHadfeildova ocel - Manganové austenitické oceli jsou určeny pro vysoké měrné tlaky. Tyto oceli obsahují přibližně 1,2 až 1,5% C a 12 až 15 % Mn. Varianta v cca 18% Mn je používána pro nejvíce namáhané součástky. Austenitické struktury se dosahuje ohřevem na teploty 980 až 1100 °C s následujícím co nejrychlejším ochlazením ve vodě, aby se na hranicích zrna nevyloučilo karbidické síťoví. Oceli dobře tepelně zpracované mají tvrdost okolo 200 HB, mez kluzu 400 N/mm2, při pevnosti 800 až 900 N/mm2 a tažnosti 35 až 50%. Ocel v litém stavu nebo pomalu ochlazená je křehká.Chromové karbidické - oceli mají základní strukturu tvořenu martenzitem, ve kterém jsou uloženy karbidy. Oceli obsahují 1,1 až 1,6 %C a 12 až 28 % Cr. Poměr obsahu uhlíku k obsahu chromu má obvykle hodnotu 1-10. Např. Ocel o složení 1,2 až 1,6 %C a 12 až 14 % Cr se používá k výrobě mlecích koulí a nástrojů. Na odlévání těles a oběžných kol kalových a bagrovacích čerpadel se používá materiál o obsahu 2,5 až 3,0 %C a 15 až 28 %Cr.

Soustava železo - uhlík Uhlík je základním prvkem všech ocelí a výrazně mění

vlastnosti železa (již od velmi nízkých koncentrací) Při predikci vlastností technických slitin železa můžeme proto

vycházet s určitou nepřesností z rovnovážného diagramu železa s uhlíkem

Uhlík rozhodujícím způsobem ovlivňuje jednak materiálové vlastnosti Re, Rm, A, Z, KV, tvrdost, ale také technologické vlastnosti jako např. svařitelnost nebo odolnost proti opotřebení.

Uhlík s železem tvoří intersticiální tuhý roztoky s omezenou rozpustností

Uhlík je současně jedním z nejdůležitějších prvků z hlediska metalurgie ocelí

Diagram Fe-Fe3C

Složky a fáze soustavy Fe–Fe3C Fáze – jsou stejnorodé, fyzikálně a chemicky odlišitelné části soustavy

tvořené jednou či více složkami a oddělené od ostatních oblastí mezifázovým rozhraním. Fáze mohou být prvky, roztoky nebo chemické sloučeniny

Ferit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe α, ferit je měkký, tvárný, Rm = 215 MPa, A = 70%, BCC

Austenit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe γ, austenit je měkký, tvárný, FCC

Perlit – eutektoid v metastabilní soustavě. Jedná se o směs feritu a cementitu. V perlitu je cca 12%cementitu zb. Ferit, Rm = 800 MPa, HB = 280, Morfologicky se rozeznává perlit lamelární (lamely feritu a cementitu) a perlit zrnitý (ferit s globulárním cementitem)

Delta Ferit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe δ Cementit – intersticiální sloučenina železa a uhlíku tvrdý, křehký, až

900 HB Ledeburit - eutektikum v metastabilní soustavě. Ledeburit je směs

krystalů austenitu a cementitu

Doprovodné a legující prvky

Přechází do kovu ze vsázky, rudy, paliva (koks), atmosféry, Ovlivňují vlastnosti oceli – pozitivně, negativně (nečistoty), V případě že nepřekročí dohodnutou hranici jsou označovány za doprovodné,

v opačném případě jsou označovány za legující prvky, Vliv těchto prvků na vlastnosti slitin železa závisí zejména na jejich

koncentraci (při nízkých koncentracích lze u některých prvků jejich vliv zanedbat,

Za doprovodné prvky, které u nelegovaných ocelí a litin ovlivňují znatelně jejich vlastnosti jsou ve většině případů považovány mangan, křemík, fosfor, síra, kyslík, dusík, vodík,

Posouzení o škodlivosti jednotlivých příměsí je nutno provádět na základě požadovaných vlastností vyráběné oceli,

Prvky někdy uváděné jako škodlivé, např. síra, dusík, fosfor, kyslík jsou pro některé oceli a litiny považovány za legující nebo je v některých případech požadována jejich určitá optimální koncentrace,

Naopak prvky považované za prospěšné jako mangan, chrom, hliník mohou být v některých případech požadovány v co nejnižší koncentraci např. v litině s kuličkovým grafitem,

Důvody legování oceli Zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti při zachování

vyhovující houževnatosti. Nejčastějšími legujícími prvky jsou Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W,

Zvýšení prokalitelnosti legováním prvky, které snižují kritickou rychlost rozpadu austenitu, zejména přísadou Cr, Mn, Mo, V, Ni, B,

Ke zmenšení sklonu oceli k růstu zrna za vyšších teplot a dosažení jemnozrnné struktury vyloučením dispersních částic karbidů nebo nitridů se legují oceli Ti, Nb, Ta, V,K dosažení výše uvedených cílů se často leguje přísadou více prvků v koncentracích obvykle do dvou procent. V případě legování Ti, Nb, Ta, Mo se leguje obvykle do 0,10% každého prvku (mikrolegované oceli)

Zvýšení korozní odolnosti přísadou Cr a Cr společně s Ni, Zvýšení žáropevnosti se dociluje vytvořením vhodně dispergovaných

stabilních karbidů pomocí legování Cr, Mo, V, W, - tělesa armatur a skříní turbin pro teploty až do 600 °C

Vysoké odolnosti oceli proti opotřebení (otěruvzdorné oceli) se dosahuje legováním oceli prvky, které vytvářejí tvrdé karbidy Cr, Mo, W, V, Mn.

Segregace - odmíšení prvků

.)(

)()(

likvio

isi TT

C

Ck

.)(

)()(

solil

ioi TTkde

C

Ck

Krystalizace slitin kovů probíhá téměř vždy v jistém teplotním rozmezí (nikoli při konstantní teplotě jako je tomu u čistých kovů) a krystalizující fáze má jiné chemické složení než základní matečná tavenina, z níž se krystalizující fáze vyděluje. Rozsah odmíšení lze vyjádřit pomocí tzv. rovnovážného rozdělovacího prvku k

S B O C N P Ti Nb

k 0,0020,100

0,02 0,05

0,02 0,15

0,13 0,25

0,28 0,13 0,28

0,14 0,60

0,24

Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli

• Mangan se rozpouští ve feritu a zvyšuje pevnost a houževnatost oceli při zachování plastických vlastností. Mangan rozšiřuje oblast austenitu (zvyšuje A4 a snižuje A 3 ). Snížení teploty A3 působí na zjemnění lamel cementitu v perlitu. Podle výše uvedené normy není až do koncentrace 1,65% považován za legující prvek. Vyšší obsah manganu po roztavení brzdí uhlíkový var a odfosfoření.

• Křemík zvyšuje pevnost a mez kluzu, nad 1% snižuje plastické vlastnosti feritu. Spolu s manganem podporuje křemík segregaci P, As, Sb, Bi, Sn, Pb za zvýšených teplot. Křemík ovlivňuje složení produktů dezoxidace a jejich morfologii, pokud není ocel dezoxidována např. Al.

• Fosfor je v ocelích je rozpuštěn ve feritu (netvoří sloučeniny). Fosfor má výrazný vliv na vlastnosti ocelí v závislosti na jeho obsahu. Fosfor zvyšuje pevnost a tvrdost v závislosti na obsahu uhlíku v oceli. Při nízkých obsazích uhlíku do cca 0,01% zvyšuje fosfor tažnost, avšak při obsazích uhlíku nad 0,05% zvyšuje fosfor křehkost a tvrdost feritu. Vliv na křehkost silně vzrůstá již při obsahu fosforu nad 0,05%, kdy se zvyšuje také tranzitní teplota. U vysoce pevných ocelí zvyšuje fosfor sklon ke vzniku trhlin, prasklin a vede ke vzniku křehkých lomů (zejména za studena. Fosforu je zpravidla požadován v ocelích na odlitky pod 0,030% případně i pod 0,015%.


Síra je nežádoucím prvkem jak v oceli na odlitky. - Přítomnost vyšších koncentrací síry může být u hmotnějších a těžkých odlitků příčinou vzniku trhlin. - V důsledku silného sklonu síry k odměšování dochází v mezidendritických prostorách k obohacování těchto prostor sírou. Při překročení její rozpustnosti v tavenině se síra vylučuje jako sulfidické vměstky, jejichž složení závisí na způsobu desoxidace. Tyto vměstky pak zhoršují mechanické vlastnosti, způsobují lámavost oceli za červeného žáru (oblast teplot mezi 500 a 600°C) a zhoršení tvařitelnosti. -Přítomnost prvků s vyšší afinitou k síře než železo (Mn) působí na vylučování sulfidů při její nižší koncentraci a usměrnění sulfidů do mezidendritických prostor je proto menší. - Prvky s nejvyšší afinitou k síře (Ca a prvky vzácných zemin) tvoří sulfidy při teplotách nad teplotou likvidu a vzniklé sulfidy mají kulovitý tvar a jsou po ztuhnutí rovnoměrně rozmístěné v matrici tzv. modifikace oceli

Morfologie sulfidických vměstků

Vměstek I. typu vzniklý reoxidací během odlévání nelegované oceli. (100x ).

Sulfid II.typu doprovázený oxidy III. typu (100x)

Vměstky typu Ib v nízkoleg. Mn oceli ( 100x) Vměstky IV. typu ( 100x )

Kyslík Maximální rozpustnost kyslíku v železe při teplotě 1600 °C je 0,25%, V ocelích je obsah kyslíku omezen přítomností dalších prvků, Podle obsahu kyslíku v oceli při odlévání rozdělujeme oceli na uklidněné a

neuklidněné. Zavedením technologie plynulého odlévání klesá význam i výroba neuklidněných ocelí,

Ocelové odlitky jsou vždy dezoxidovány – uklidněny (Al), Kyslík tvoří se silnými dezoxidovadly oxidy stabilní nad teplotami tuhnutí. V

tekuté oceli po dezoxidaci hliníkem bývá 50 – 80 ppm kyslíku ve formě oxidů (Al2O3) a přibližně 5 ppm kyslíku v roztoku,

Tvar a distribuce oxidů má podobně jako u sulfidů vliv na vlastnosti ocelových výrobků. Oceli silně znečištěné vměstky mají sklon k dřevitým lomům,

Při tuhnutí ocelových odlitků dochází k silné segregaci kyslíku, Rozpustnost kyslíku ve feritu s teplotou klesá a vyloučené oxidy spolu s nitridy

mohou být u neuklidněných ocelí příčinou zvýšení pevnosti a zkřehnutí oceli tzv. stárnutí oceli. U uklidněných ocelí je O a N vázán na hliník a k stárnutí nedochází

Kyslík a síra jsou hlavními zdroji vměstků v oceli (zhoršené metalografické čistoty ). Kyslík významně ovlivňuje také vlastnosti grafitických litin.


Vodík Maximální rozpustnost vodíku v železe při atmosférickém tlaku a teplotě 1600

°C je 0,0024% ( 24 ppm ) Nelegované oceli obsahují při odlévání obvykle méně než 5 ppm vodíku, Vodík je v ocelích považován za nežádoucí prvek, protože způsobuje zhoršení

plastických vlastností, převážně houževnatosti, (aniž by však zvyšoval pevnost) Vodík může v ocelích na odlitky v případě, že jeho obsah překročí maximální

rozpustnosti vodíku v oceli, iniciovat vznik endogenních bublin zejména při lití na syrovo,

Vodík může být dále u ocelí příčinou vnitřních trhlin, tzv. vloček, v důsledku prudkého snížení rozpustnosti při fázové přeměně γ → α. Vznik vloček je však typický zejména pro vysocepevné oceli po tváření,

Vodíku je schopen difuze i při pokojové teplotě. Podle velikosti výrobku klesá jeho koncentrace po několika měsících pod 2,5ppm,

• Značné koncentrace vodíku obsahují oceli po moření. Obsah vodíku lze snížit ohřevem na 200 až 600°C. Vodíkové korozi se zabraňuje stabilizací karbidů Cr, Mo, Ti, V (zabránění vzniku metanu při reakci vodíku a uhlíku v kovu ),


Dusík Maximální rozpustnost dusíku v nelegovaných ocelích při atmosférickém tlaku

a teplotě 1600 °C je 0,044% ( 440 ppm ), Obsah dusíku v nelegované oceli je obvykle v rozmezí 80 – 120 ppm, Dusík tvoří s železem intersticiální tuhý roztok, (rozpustnost ve feritu při

teplotě 580 °C je cca 0,1%, při pokojové teplotě činí méně než 1.10-3 %. Dusík je v ocelích na odlitky obvykle považován za nežádoucí - stárnutím

oceli. Při poklesu teploty dochází k tvorbě nitridů, které způsobují zhoršení některých materiálových vlastností, zejména tažnosti a vrubové houževnatosti,

Vyloučení nitridů je zvlášť nebezpečné v tepelně ovlivněných pásmech kolem svarů a u ocelí pracujících za teplot 200 až 300 °C a je možné jej eliminovat vázáním dusíku, zejména na Al, Ti, Zr,

V ocelích dezoxidovaných hliníkem může být dusík u masivních odlitků příčinou vzniku tzv. lasturových lomů, které jsou způsobeny vyloučením nitridu hliníku AlN na hranicích primárních zrn,

Dusík je silný austenitotvorný prvek, proto se používá jako legující přísada v austenitických korozivzdorných ocelích,

Podobně jako uhlík je dusík intersticiální prvek a způsobuje zpevnění matrice,


Výroba oceli na odlitky v ČR

V České republice je v současnosti cca 20 sléváren oceli, Výroba oceli v elektrických pecích obloukových (EOP) a

elektrických pecích indukčních (EIP), V 5. případech výroba oceli s využitím prvků sekundární

metalurgie – pánvová pec

– VD a VOD konvertor Ve slévárnách oceli v ČR je instalováno cca 55 EOP

s hmotností vsázky 4 až 18 t, Nejběžnějším tavicím agregátem jsou pece vyrobené

v ČKD Praha pod označením OTO 5 (60. létech předána výroba do Polska, v závodě Huta Zabrze pod označením HZ 006),

Výroba oceli na EOP

Zařízení elektrické obloukové pece lze z konstrukčního hlediska rozdělit na část - elektrotechnickou

- mechanicko-metalurgickou Do mechanicko-metalurgické části pece lze počítat pecní

nádobu, zařízení na naklápění pece, zařízení na zvedání víka a zařízení na pohyb elektrod,

Z metalurgického hlediska je důležitá volba vyzdívky pece, Pro provoz pece je důležité správné dimenzování pecního

transformátoru (s ohledem na velikost pece atd.), Volba dalších parametrů a zařízení elektrické obloukové pece

(mimo dimenzování pecního transformátoru), jako je tvar pecní nádoby, průměr používaných grafitových elektrod, způsob sázení pece aj. rozhodujícím způsobem ovlivňují jednak metalurgické možnosti ale také i ekonomii výroby dané pece,

Princip a konstrukce EOP

V elektrické obloukové peci se vsázka taví elektrickým obloukem, který hoří mezi třemi grafitovými elektrodami a vsázkou (Heroultova pec),

Teplota oblouků je 3000 až 4000°C.

Pec je připojena obvykle na síť 22 kV a pecní transformátor transformuje toto napětí na cca 100 až 220 V u menších a středních typů pecí a u velkých EOP až na 600V,

1 – Odpojovač (vypínání při údržbě)

2 – Vysokonapěťový vypínač (vypínání za provozu při min. výkonu - po zhasnutí oblouku)

3 – Tlumivka (tlumí proudové rázy zvyšováním indukčního odporu zlepšuje dále hoření oblouku)

4 – vypínač tlumivky

5 – pecní transformátor změna výkonu na sekundární straně vynutí přepínáním hvězda-trojúhelník“ve 4 nebo více (osmi) napěťových stupních

Pecní transformátor

Pecní transformátor je chlazený vodou. U menších pecí bývají transformátory starší konstrukce chlazeny vzduchem,

Pecní transformátor je společně s vysokonapěťovou částí (odpojovač vysokonapěťový vypínač) a tlumivkou umístěn v transformátorové kobce,

Na sekundární vinutí pecního transformátoru navazuje tzv. krátká cesta tvořená měděnými pásnicemi, které končí na vnější straně kobky u obloukové pece,

První fáze výroby oceli – tavení, závisí doba tavby zejména na elektrickém výkonu pecního transformátoru,

ČKD – OTO 5 (původně s trans. 2250 kVA) byl často u pecí 6 - 8t byl nahrazen novým transformátorem o výkonu 3000 kVA

V moderní pece s pecními transformátory s výkonem až MVA/t V českých slévárnách oceli se pohybuje roční výrobnost jedné pece

až na výjimky do 10 tis.tun,

Mechanicko-metalurgická část EOP

Na vývody pásnic umístěných na vnější straně trafokobky je elektricky připojena pec měděnými lany přes na ramena držáků elektrod. Na ramenech jako opět elektrický vodič měděná pásovina až po vlastní držák elektrod. V držáku elektrod jsou přítlačným zařízením (pneumatickým nebo hydraulickým) drženy grafitové elektrody, které procházejí klenbou pece přes chladiče elektrod do prostoru pece. Držáky elektrod jsou umístěny na sloupech držáků elektrod, u nichž je mechanicky nebo hydraulicky ovládán pohyb směrem nahoru a dolů. Pohyb je řízen regulací pohybu elektrod, které udržuje nejčastěji konstantní proud nebo příkon na elektrodách.

Schéma pece OTO 5

Pecní nádoba je svařena z ocelového plechu a umístěna na kolíbce

V pecní nádobě je sázecí a odpichový otvor, Sázecí otvor zakrývají dvířka ovládaná mechanicky nebo

hydraulicky, Odpichový otvor je umístěn na opačné straně pece naproti

dvířkům za nimž je navařen odpichový žlab, Sklopné zařízení umožňuje naklápění pecní nádoby směrem k

odpichovému žlabu i na opačnou stranu (ke dvířkům pece), Pecní nádoba je zakryta víkem, které se ovládá mechanicky nebo

hydraulicky tak (nasazení kovové vsázky sázecím košem), Všechny EOP mají odsáváním exhalací + jejich separaci.

Exhalace se odsávají z prostoru krytu nad víkem pece, 4. otvorem ve víku a ze samostatného uzavřeného prostoru (Dog House). Separace prachu na suchých tkaninových filtrech,


• Grafitové elektrody jsou vyrobeny z vysoce jakostního kalcinovaného petrolkoksu. Průměr elektrod je dimenzován podle maximálních hodnot proudu a podle jakosti grafitu. Pro malé obloukové pece ve slévárnách pece ( do 15t vsázky ) o průměru 250 až 300 mm,

• Pohyb elektrod je řízen regulací, která nejčastěji pracuje na principu udržování nastaveného konstantního příkonu do pece. Na krátké cestě je snímán proud a napětí na jednotlivých fázích a jejich odchylky od nastavené hodnoty se převádějí na mechanický pohyb servomotor, který pohybuje elektrodami,

• Často se používá elektro–hydraulická regulace, u které je pohyb elektrod způsoben tlakem olejové emulze v hydraulických válcích,


Vyzdívky EOP

Zásadité Zásadité vyzdívky jsou na bázi MgO ( magnezit ),

případně MgO . CaO ( dolomit ) nebo MgO.Cr2O3 (chrommagnesit )

Kyselé Kyselé vyzdívky jsou na bázi SiO2 ( dinas, silika)

Neutrální Neutrální (vysoce hlinitanové) vyzdívky jsou na bázi

Al2O3 ( korund ) případně Al2O3.MgO ( spinel ),

Rozdělení tavby EOP na údobí

Tavbu na zásadité obloukové peci lze rozdělit: na údobí sázení, tavení, oxidační údobí, redukční údobí (odsíření, dezoxidace)

Nejdelší časové údobí je vlastní tavení - cca 60-90min., doba oxidace cca 20min a fáze dohotovení (odsíření, dolegování cca 30min. (přibližně platí pro běžnou nelegovanou ocel)

Údobí vsázení Jako vsázka slouží ocelový odpad (šrot), vratný materiál, ocelárenské

surové železo a při výrobě legovaných ocelí také některé legující přísady (FeMo, FeW, Ni, Cu ), podle ceny i surové železo,

vsázku v sázecím koši tak, aby se po zavezení do pece nacházely pod elektrodami ve spodní polovině pece těžké kusy vsázky. Na dno pece pod těžké kusy se sází lehký šrot (chrání dno před mechanickým poškozením během vysypání sázecího koše do pece),

Ve vsázce jsou nežádoucí obsahy P, S, Cr, Ni, Cu, Sn, Sb, As, Pb, SiO2, případně také různé oleje a emulze přidávané s kovovou vsázkou,

V ocelích se zaručenou svařitelností je obsah Cr = max. 0,30%, Ni = max. 0,04% a Cu = max. 0,030%. Zdrojem Cr a Ni ve vsázce jsou nejčastěji legované oceli a vlastní netříděný vratný materiál. Měď se dostává do vsázky s odpadem z vinutí elektromotorů a kluzných ložisek,

Zdrojem cínu ložiskové kovy se vsázce. Poměr Cu/Sn má obvykle hodnotu blízkou poměru 10/1. Obsah Sn ve pohybuje ve vsázce na úrovni cca 0,0100%. Obsahy nad 0,0200% jsou již i u běžné výroby nežádoucí.

Údobí vsázení

• Olovo je v tavenině pouze částečně rozpustné. Shromažďuje se na dně nístěje pece a často proniká vyzdívkou až pod pec. Zdrojem Pb jsou závaží vyvážení kol a části olověných potrubí,

• Ve vsázce jsou nepřípustné uzavřené nádoby a předměty, které mohou způsobit výbuch (olejové tlumiče, hasicí přístroje a v zimě nádoby naplněné ledem). Nežádoucí součástí vsázky jsou nekovové nevodivé předměty (dřevo, beton aj.), které mohou způsobit lom elektrod,

Lehká vsázka a plechy se lisují do paket („balíků“) o hmotnosti několika kg až několik t.. Ve velkých „balících“ mohou být zalisovány neželezné kovy nebo nekovové příměsi. Pro slévárny nejsou obvykle výhodné,Do vsázky se často přidává ruda a vápno (již během tavení probíhá oduhličení a odfosfoření). Napěněná struska vznikající během tavení, zvyšuje účinnost přenosu tepla z oblouků na lázeň. Vsázku lze nauhličit přísadou ocelového odpadu s vysokým obsahem uhlíku, litinou nebo koksem,

Údobí tavení

Po zapnutí pece začínají oblouky protavovat do vsázky „šachtice“. V této době stíní vsázka vyzdívku od sálání oblouků a energie je absorbována především vsázkou. V tomto období se pracuje s maximálním napětím na obloucích (max.výkon),

Konec protavování elektrod vsázkou se pozná na pohybu elektrod. Po dobu protavování klesají elektrody, po protavení zůstanou elektrody ve spodní poloze a pak se postupně zvedají,

Po odkrytí stěn pece sálají oblouky na vyzdívku. V praxi se přepíná na nižší napěťový stupeň. Zkrácení oblouků sníží sálání oblouku do boku a zvýší se podíl tepla, který absorbuje kov pod elektrodami (použití napěněné strusky),

Napěněná struska přísadou rudy, vápna a nauhličovadla do vsázky s následným dmýcháním kyslíku (dmýcháním nauhličovadla),

Urychlit dobu tavení (zvýšit výkon pece a současně snížit spotřebu elektrické energie) je možné také použitím dmýchání kyslíku, 1 Nm3 kyslíku = 5-7kWh/t

Zkrácení doby je možné také při použití kyslíko-palivového hořáku Použití půdního dmýchání,

Údobí tavení

Koncept umístění kyslíko-palivového tzv. Split-Fire v malé EOP

Údobí oxidace

Účel a přínos Oduhličení Odfosfoření Snížení obsahu plynů (H,N) Dosažení odpichové teploty Snížení množství oxidických vměstků

Oxidace prvků

Po přísadě rudy a vápna do vsázky probíhá oxidace zejména Si, Mn, P a C již během tavení,

Přísada rudy do vsázky má být dostatečná, kdy během rozpouštění rudy se postupně zvyšuje aktivita FeO ve strusce a struska se postupně ohřívá. V této fázi se obvykle oxiduje veškerý křemík přítomný v oceli,

Pořadí, v jakém se budou jednotlivé prvky oxidovat, závisí na jejich afinitě ke kyslíku a na jejich koncentraci (aktivitě),

Oxidace křemíku

Po dosažení dostatečné aktivity (koncentrace kyslíku nastává oxidace uhlíku,

Oduhličení

Uhlíkovým varem se myslí tvorba bublin oxidu uhelnatého v oceli na základě oxidace uhlíku rozpuštěného v oceli a promíchávání lázně těmito bublinami,

Uhlíková reakce je oxidace uhlíku rozpuštěného v oceli. Tvorba bublin nukleací a růstem. Na povrch zárodku s nadkritickou velikostí difunduje uhlík a kyslík, které spolu vzájemně reagují a zajišťují tak další růst bubliny,

K oxidaci oceli se používá v obloukových pecích ruda nebo plynný kyslík,

Ruda používaná k oxidaci musí mít co největší obsah železa. Obvykle se používají hematity s obsahem cca 60% Fe,

Přítomnost dalších oxidů v rudě zvyšuje množství strusky. Zejména přítomnost SiO2 je nežádoucí, protože snižuje zásaditost strusky,

Oduhličení Oxidace uhlíku je nejlevnějším zdrojem energie při výrobě oceli Uhlíkový var lze vyvolat přísadou rudy do vsázky již během údobí

tavení – tzv. aktivní pochod, Při uhlíkovém varu je aktivita kyslíku v oceli řízena uhlíkem, Při výrobě ocelí s velmi nízkým obsahem uhlíku se k dosažení jeho

nižších obsahů využívá snížení parciálního tlaku CO,

- absolutním snížením tlaku nad hladinou kovu (vakuová metalurgie)

- dmýcháním Ar příp. N2 do lázně (AOD konvertor)

Význam uhlíkového varu pro odplynění

Tepelná a chemická homogenizace taveniny, Odplynění oceli – snížení obsahu vodíku a dusíku v oceli, Bublina při svém vzniku obsahuje pouze oxid uhelnatý, Při uhlíkovém varu představuje plynnou bázi oxid

uhelnatý v bublinách vyplouvajících lázní, Do těchto bublin difunduje vodík rozpuštěný v oceli, Vodík bude do bubliny CO difundovat tak dlouho, dokud

jeho koncentrace v bublině nedosáhne parciálního tlaku v odpovídajícího rovnováze mezi H v atmosféře a v oceli,

Pozn.: Totéž platí i pro dusík, pouze snížení obsahu dusíku je nižší

2H. pKH

Vliv uhlíkového varu na obsah plynů

Výsledný obsah vodíku (dusíku) závisí: na počátečním obsahu vodíku v oceli, na množství oxidovaného uhlíku, doporučuje se oxidace

0,3%C a více, na rychlosti oduhličení, doporučuje se rychlost oduhličení

větší než 0,5-1%C za hodinu na obsahu vodíku ve strusce. Největším zdrojem vodíku

ve strusce je přisazované vápno

Odfosfoření

• Fosfor v oceli je nežádoucí zejména proto, že zvyšuje náchylnost oceli k popouštěcí křehkosti (vysokoteplotní popouštěcí křehkost se projevuje poklesem vrubové a lomové houževnatosti, zvýšením tranzitní teploty při teplotách okolo 550 °C.

• Odfosfoření probíhá na mezifázovém rozhraní struska-kov• Odfosfoření je možné popsat reakcí

• Z rovnice vyplývá, že odfosfoření může probíhat pouze pod struskami obsahujícími vysoký obsah vápna a oxidu železnatého

• Opatření, vedoucí k zvětšení rozhraní struska – kov nebo k intenzivnějšímu promíchávání strusky a kovu, urychlují průběh odfosfoření.

• K intenzifikaci odfosfoření se používá v zahraničí dmýchání mletého vápna s kazivcem (urychluje rozpouštění CaO) kyslíkem pod hladinu kovu do obloukové pece

FeOPCaOCaOFeOP 5.4452 52

Odfosfoření

Zpětné redukci fosforu do lázně nelze zcela zabránit ani při dokonalém stažení strusky, protože část fosforu se nachází v povrchové vrstvě vyzdívky,

během dezoxidace vyredukuje 0,003 až 0,005%P a to tím více, čím vyšší byl obsah fosforu ve vsázce,

Při výrobě ocelí s velmi nízkým obsahem fosforu je výhodné vycházet ze vsázky s průměrným obsahem fosforu nižším než 0,020%. příp. několikrát stahovat strusku,

Odfosfoření je exotermická reakce. Proto je výhodné odfosfořovat při nízkých teplotách,

Kov i struska jsou redukovány křemíkem přítomným v surovém železe – je proto jeho obsah nutné snížit pod cca 0,01%,

Doba oxidačního údobí by při výrobě oceli na odlitky v podmínkách českých sléváren neměla překročit 40 min., při použití kyslíku 30 min.,

Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, redukční údobí)

Údobí začíná od přidání dezoxidačních přísad do pece a stažení oxidační strusky

Údobí končí při odpichu

Hlavní úkoly údobí dohotovení: Dezoxidace oceli v peci, tj. snížení aktivity kyslíku v oceli i

strusce na hodnotu, která je vyhovující pro odsíření, dolegování oceli a závěrečnou dezoxidaci v pánvi,

Odsíření oceli Dolegování oceli Úprava odpichové teploty Udržení obsahu vodíku a dusíku pod požadovanou koncentrací

Dezoxidace oceli Používané způsoby technologie je možné rozdělit na srážecí,

extrakční dezoxidaci, dezoxidaci syntetickými struskami a dezoxidaci za sníženého tlaku (ve vakuu)

Srážecí dezoxidace jedním prvkem: Ke srážecí dezoxidaci se používá při výrobě oceli na odlitky

nejčastěji křemík ( FeSi 75% Si ) a hliník ve formě hliníkových housek. Dezoxidace Si a Al bývá kombinována s použitím dalších prvků jako Ti, Ca, prvky vzácných zemin aj.

Dezoxidace křemíkemDezoxidace křemíkem: Zjednodušeně je možné dezoxidaci křemíkem popsat rovnicí,

V ocelích na odlitky bývá předepsán obsah křemíku do 0,5 až 0,6%. Pro tento obsah křemíku lze z diagramu odečíst rovnovážnou koncentraci kyslíku při teplotě 1600°C cca 60-80 ppm,

V rovnováze s uhlíkem u běžného sortimentu ocelí se nacházejí aktivity kyslíku 40 až 120 ppm,

[ ] [ ] TG .13,227586595–ΔSiOO2Si 2 +==+

Křemík je pro oceli na odlitky slabý dezoxidační prvek,

Dezoxidace hliníkem

V ocelích na odlitky se ke srážecí dezoxidaci v peci a k závěrečné dezoxidace v pánvi používá hliník,

Po dezoxidaci hliníkem v pánvi se požaduje v oceli koncentrace hliníku vyšší než cca 0,030%,

Při této koncentraci hliníku se sníží aktivita kyslíku tak, že během tuhnutí je zabráněno uhlíkové reakci v odlitcích a vzniku bublin (bodlin),

Zbytková koncentrace hliníku (zbytkový hliník) dezoxiduje ocel během sekundární oxidace a brání zvýšení aktivity kyslíku v oceli během odlévání a plnění dutiny formy,

Zjednodušeně je možné dezoxidaci hliníkem popsat rovnicí:

TG .25,3910362071–OAlO3Al2 32

Dezoxidace hliníkem Hliník v tavenině i v oceli po ztuhnutí existuje jednak ve formě oxidu

Al2O3 , jednak rozpuštěný v roztoku, Pod teplotou likvidu se také část hliníku váže na nitrid AlN. Obsah

hliníku se proto udává jako hliník celkový Alcelk. nebo jako hliník rozpuštěný v roztoku [Al],

[ ] .Al+Al+Al=Al nitox.celk.

Skutečné obsahy kyslíku v oceli po dezoxidaci hliníkem jsou vyšší než rovnovážné Zdrojem kyslíku je struska , výduska,

atmosféra Při vyšším obsahu FeO ve strusce může docházet i v pánvi k propalu hliníku během odlévání, a to až 0,020% Al,

Dezoxidace hliníkem

Obsah hliníku je nutno řídit v poměrně úzkém rozmezí z důvodu možného výskytu lasturových lomů (zejména u masivních odlitků) spodní koncentrace hliníku je dána požadavkem na zabránění uhlíkové reakce po celou dobu odlévání a tuhnutí. Horní koncentrace hliníku je pak limitována jednak nebezpečím výskytu lasturových lomů, snížením mechanických vlastností (tažnost, vrubová houževnatost) a možným zhoršením obrobitelnosti.

Srážecí dezoxidace dalšími prvkyDezoxidace titanem: Složení oxidů titanu po dezoxidaci závisí na obsahu titanu v oceli.

Titan má silnější dezoxidační účinek než křemík. V ocelích se uplatňuje především titan jako prvek se silnou afinitou k dusíku a k uhlíku. Titan se do oceli přidává jako ferotitan nejčastěji v koncentraci 25 až 37% Ti.

Dezoxidace vápníkem: Rozpustnost vápníku v železe při teplotě 1600 °C je nízká a při

tlaku 0,1 MPa se odhaduje na cca 0,02 až 0,03%. Vápník velkou afinitu ke kyslíku a síře Vápník se používá v ocelárnách ve formě silikokalcia ( nejčastěji s 27 až 35 % Ca ) a vnáší se různými postupy nejčastěji hluboko pod hladinu kovu ( ke dnu pánve ). Dezoxidace vápníkem se provádí v oceli obvykle až po dezoxidaci hliníkem. Vápníku se používá převážně k modifikaci morfologie vměstků

Extrakční (difúzní) dezoxidace Principem extrakční dezoxidace oceli je dezoxidace strusky a snížení

obsahu kyslíku v oceli jeho přechodem do strusky na základě Nernstova zákona:

Jestliže je rozdělovací koeficient v oceli konstantní, pak snížením obsahu kyslíku ve strusce bude klesat obsah kyslíku i v oceli,

Na dezoxidaci strusky se používá nejčastěji koks někdy i ferosilicium, Produkty dezoxidace zůstávají ve strusce a v oceli se netvoří vměstky, Dezoxidace strusky vytváří příznivé podmínky pro odsíření, Silně zásadité strusky mají po vychladnutí bílou barvu. Tmavá barva

v oxidačních struskách je zapříčiněna oxidy železa. Bílá barva strusky je znamením nízkého obsahu železa,

.max

.max

O

FeO

O

FeOO a

a

a

aL

Odsíření V ocelích na odlitky je síra až na výjimky považována za škodlivý

prvek, Odsíření probíhá na mezifázovém rozhraní struska – kov, Prvky, které zvyšují aktivitu síry ve slitinách železa, umožňují

dosažení nižšího obsahu síry, Aktivitu síry silně zvyšují uhlík a křemík. Ve slitinách železa

s vysokým obsahem uhlíku a křemíku jsou dobré podmínky pro hluboké odsíření (litiny),

Reakci odsíření je možné popsat rovnicí:

Podle rovnice probíhá odsíření pouze pod zásaditými struskami s vysokým obsahem CaO a nízkým obsahem oxidu železnatého,

Předpokladem pro odsíření je tedy silně zásaditá a dobře dezoxidované struska,

( ) [ ] ( ) ( )FeO+CaS=Fe+S+CaO

Dolegování oceli

V zásaditých obloukových pecích při výrobě oceli pod bílou struskou nedochází v oceli k propalu křemíku. Pod bílou struskou při dobře vedené dezoxidaci bývají obsahy křemíku vyšší než koncentrace křemíku na dolegování,

U manganu rovněž za uvedených podmínek nedochází k propalu. Mangan se ale rozděluje mezi ocel a vyzdívku. Při běžné výrobě nelegovaných ocelí se nemusí s přechodem manganu do vyzdívky počítat do obsahu manganu 0,80%,

Prvky s nízkou afinitou ke kyslíku se s výhodou přidávají již do vsázky (Ni, Mo, Cu),

Naopak prvky s vysokou afinitou ke kyslíku se často přidávají až do pánve při odpichu (Ti, Zr),

Měření teplot oceli

Měření teploty tekuté oceli je dnes založeno zejména na termoelektrickém jevu – termočlánek (pyrometry spíše orientačně),

Při měření teplot v EOP měření v jednom místě (teplotní heterogenity), Místo vhodné pro měření v peci se zvolí tak, aby odpovídalo průměrné

teplotě v peci a se určí empiricky, Obvykle se nachází cca 100 mm pod hladinou přibližně

v polovině v polovině vzdálenosti mezi stěnou pece a kružnicí elektrod,

Nejvěrohodnější údaj o teplotě kovu v peci po uhlíkovém varu a v pánvi po odpichu,

K měření teploty oceli se používají nejvíce termočlánky Pt-PtRh10 (typ S – zelené označení),

Termočlánek uložen v křemenné trubičce chráněné navíc papírovou kartuší,

Měření teplot oceli

Důležitým hlediskem je ztráta teploty během odpichu, Pokles teploty kovu během odpichu může být v závislosti

na hmotnosti tavby větší i než 60°C, K tepelné heterogenitě dochází také v průběhu lití, Teplotní rozdíl mezi nejteplejším a nejstudenějším kovem

činí u 5-7 pánve cca 30 až 50 °C, V případě delší doby lití se s výhodou používá dmýchání

inertního plynu,

Měřící sonda (teplotní)

Doporučená literatura:

Šenberger, J.: Metalurgie oceli na odlitky

Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu II.

Šenberger,J.: Metalurgie oceli. (skripta VUT, FSI)

http://ust.fme.vutbr.cz/slevarenstvi/opory/

Děkuji za pozornost

metalurgie (cme)

Documents