Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Moderní slévárenské •technologie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111 Přednášky pro studijní program Strojírenství Doc. Ing. Ladislav SOCHA, Ph.D. a kol. Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222 Přednáška č. 4 Sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky333 üVe 2. polovině 20. století rostla snaha o snižování materiálové a energetické náročnosti výroby oceli üZároveň rostly nároky na kvalitu oceli üLimitujícím faktorem se stala délka dohotovovací fáze tavby po roztavení vsázky v primárních agregátech (kyslíkový konvertor, elektrická oblouková pec) üProto byla vyvinuta řešení umožňující přenést některé operace mimo primární agregáty üTyto nově vzniklé technologie se souhrnně označují jako sekundární metalurgie • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 3/29 Sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky444 üPřesunutí rafinačních operací z primární do sekundární metalurgie umožňuje: üSnižovat výrobní náklady na jednu tunu vyráběné oceli – pokles výrobních nákladů spočívá ve zkrácení doby tavby na pecním agregátu a z toho vyplývá: ØZvýšení výrobnosti pecního agregátu ØSnížení opotřebení vyzdívky ØPokles tepelných ztrát ØMožnost automatizovat zjednodušené technologie výroby üZvyšovat jakost vyráběné oceli na úroveň nedosažitelnou v pecním agregátu: ØVyšší teplotní i chemická homogenita lázně ØSnížení obsahu rozpuštěných plynů (H, N) ØSnížení obsahu vměstků v tekuté oceli a možnost modifikace jejich tvaru a velikosti ØHluboké oduhličení, odfosfoření, odsíření, nebo naopak řízení obsahu síry v oceli ØDobrá dezoxidace ØPřesné legování i na spodní hranici rozmezí üPřipravit tekutou ocel pro plynulé lití na ZPO (zařízení pro plynulé odlévání) s přesnou licí teplotou a řízenou chemickou i metalografickou čistotou Ø • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 4/29 Sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky555 Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 5/29 Postup SM Popis Označení Přínos Dmýchání inertních plynů Dmýchání Ar (nebo N2), případně dmýchání pod aktivní struskou AP Teplotní a chemická homogenizace, částečná rafinace, odsíření Přidávání (injektáž) přísad do tekuté oceli Dmýchání prachových přísad (CaO, Ca apod.) SL, TN, IP Snížení obsahu O a S, modifikace vměstků, zvýšení mikročistoty, částečné legování Zavádění speciálních plněných profilů SCAT Ohřev oceli pod aktivní struskou Kov je ohříván a promícháván inertním plynem s aktivní struskou LF Teplotní a chemická homogenizace, snížení obsahu S, modifikace vměstků, legování Vakuové zpracování oceli V komoře RH, DH Rychlé oduhličení, snížení obsahu H V proudu během odpichu, nebo během lití Snížení obsahu H, případně N, omezení sekundární oxidace S příhřevem pod aktivní struskou ASEA-SKF, VAD Hluboké odsíření, snížení obsahu vměstků a jejich modifikace, teplotní a chemická homogenizace, legování Oxidační vakuování V pánvi VOD Hluboké oduhličení (použití u Cr ocelí) snížení obsahu H, N, hluboké odsíření, legování Oxidace směsí Ar – O V konvertoru AOD Oxidace směsí H2O – O V konvertoru CLU Příklady pochodů sekundární metalurgie Sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky666 üV současnosti existuje celá řada různých technologických prvků sekundární metalurgie, zahrnující více než 50 způsobů mimopecní rafinace oceli üŽádný z prvků sekundární metalurgie není zcela univerzální, ale je vhodný zpravidla pouze pro některé metalurgické aplikace üPro určité výrobní zadání se proto vytváří soubor postupů sekundární metalurgie üSekundární metalurgie je základním předpokladem pro zvyšování výrobnosti primárních agregátů a umožňuje výrobu takových ocelí, které jsou klasickými postupy výroby těžko, případně zcela nevyrobitelné ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 6/29 Transport oceli z EOP do pánvové pece Sekundární metalurgie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky777 üZákladní způsoby mimopecního zpracování oceli (sekundární metalurgie): ØDmýchání inertních plynů ØInjektáž prachových látek nebo plněných profilů ØPříhřev oceli v pánvi ØVakuové zpracování oceli üJednotlivé metody zpracování oceli v rámci sekundární metalurgie umožňují dosáhnout odlišné metalurgické (rafinační) schopnosti üCharakteristickým znakem moderní metalurgie je její rozmanitost, kdy jednotlivé ocelárny využívají sekundární metalurgii v komplexní podobě a volí takovou kombinaci zařízení a metod, které zabezpečí potřebnou kvalitu oceli odpovídající zvyšujícím se užitným vlastnostem výrobků ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 7/29 Pánvová pec Dmýchání inertních plynů Přednáška č. X: Doplnit název přednášky888 üJednoduchá metoda rafinace s nízkými investičními náklady na zavedení a s vysokou návratností üK rafinaci oceli se nejčastěji používá argon, existují i metody, kdy se používá dusík, nebo oxid uhličitý, tyto plyny se za daných podmínek považují za inertní üDosahované účinky: ØHomogenizace oceli – teplotní i chemická ØVyplouvání vměstků jednak usměrněným prouděním oceli a jednak flotací ØSnižování obsahu vodíku a ve vakuu i dusíku ØPodpora průběhu uhlíkové reakce (snížení obsahu uhlíku a kyslíku) ØZajištění průběhu reakcí mezi struskou a kovem obnovováním reakčního povrchu (především odsíření oceli) ü Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 8/29 Dmýchání půdní dmyšnou Dmýchání inertních plynů Přednáška č. X: Doplnit název přednášky999 üJe nutnou součástí všech ostatních metod mimopecní rafinace oceli üJe minimální podmínkou úspěšného odlévání na ZPO üMožnosti dmýchání inertního plynu do lázně: ØPonornou tryskou (ocelovou trubicí chráněnou keramickým pláštěm) ØPůdní dmyšnou (porézní žárovzdornou tvárnicí umístěnou ve dně pánve) ü ü Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 9/29 Dmýchání ponornou tryskou Injektáž prachových látek Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 10/29 Schematické znázornění odsíření prostřednictvím bublin Ca üTryskou se do oceli v pánvi dmýchají syntetické strusky, mleté feroslitiny obsahující vápník, případně nauhličovadla, nebo běžné feroslitiny üVyužívá se prudkého vývinu par vápníku pro intenzifikaci požadovaných reakcí, v lázni se vápník odpařuje a vzniká bublina na jejímž povrchu reaguje vápník se sírou üLze dosáhnout odsíření oceli, částečného legování, modifikace vměstků a zvýšení mikročistoty üNevýhodou této technologie je tepelná ztráta v rozsahu 30 – 40 °C üExistuje celá řada zařízení, např. TN (Thyssen Niederrhein), SL (Scandinavian Lancers) Injektáž prachových látek Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 11/29 Zařízení Thyssen Niederrhein Zařízení Scandinavian Lancers Injektáž plněných profilů Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 13/29 Ukázka plněných profilů üPlněný profil je tenkostěnná trubička z ocelového plechu o průměru 6 – 18 mm, vyplněná prachovou náplní (mletými feroslitinami) üProfil je během injektáže postupně odvíjen z cívky a podavačem zaváděn do pánve üRychlost odvíjení profilu musí být taková, aby se plášť profilu roztavil až u dna pánve. Pokud je zvolena vyšší rychlost, láme se profil o dno a vyplouvá do strusky, naopak při nízké rychlosti dochází k rozpuštění v malé hloubce, což vede k nižšímu využití některých přísad üNejčastější použití plněných profilů je k modifikaci sulfidických vměstků pomocí SiCa, stejné zařízení se používá při injektáži hliníku do oceli, kdy je používán hliníkový drát üPři korekci chemického složení pomocí plněného profilu je nutné současně dmýchat inertní plyn (argon) pro chemickou homogenizaci lázně üSpojení dmýchání argonu s injektáží plněného profilu umožňuje dosáhnout velice úzkého rozmezí obsahu legovaných prvků üVýhodou oproti injektáži prachových látek je i nižší tepelná ztráta Injektáž plněných profilů Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 14/29 Podavač plněných profilů Schéma zařízení pro injektáž plněných profilů Ohřev oceli v pánvi Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 15/29 üZpracování kovu v pánvové peci je častým prvkem sekundární metalurgie využívaným ve slévárnách üZavedení ohřevu kovu v pánvi předpokládá plně vytíženou tavírnu s rovnoměrným odběrem kovu üVýhody pánvových pecí jsou: ØSnížení odpichové teploty oceli ØSnížení opotřebení vyzdívky pece ØZvýšení výrobnosti pece převedením rafinačního údobí primárního agregátu na pánvovou pec ØSynchronizace pecního agregátu se zařízením plynulého odlévání ØPřesné licí teploty pro ZPO v rozsahu ± 2,5 až 5 °C ØIntenzivní rafinační účinek – intenzivní hluboké odsíření ØStruska má stejnou nebo vyšší teplotu než ocel v pánvové peci (nižší viskozita strusky, lepší odsíření oceli) üPánvové pece lze rozdělit dle způsobu ohřevu: ØElektrickým obloukem – pec LF (Laddle Furnace) ØChemickým příhřevem pomocí Al, Si – zařízení IR-UT (Injection Refining-up Temperature), CAS-OB (Composition Adjustment by Sealed argon bubbling-Oxygen Blowing) ü Ø Ø 200t pánvová pec Ohřev oceli v pánvi elektrickým obloukem Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 16/29 üPříhřev elektrickým obloukem v pánvové peci LF funguje na stejném principu jako v případě EOP, přičemž požadavky na výkon transformátoru jsou cca 6x nižší üPonorné grafitové elektrody jsou umístěny ve víku pánve üPomocí elektrického oblouku je udržována teplota oceli na stabilní úrovni, nebo může být zvýšena dle požadavku technologie üV průběhu zpracování je běžně prováděno míchání oceli pomocí argonu dmýchaného skrz porézní tvárnici dnem pánve pro zajištění homogenizace üPánvová pec umožňuje dolegování nebo mikrolegování oceli pomocí zásobníků s násypkami nebo podavačů plněných profilů üJedním z hlavních úkolů pánvové pece je hluboké odsíření oceli pomocí rafinační strusky Ø Ø Schéma pánvové pece Pánvová pec v chodu Ohřev oceli v pánvi chemickým příhřevem Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 17/29 üPánvová pec IR-UT nebo CAS-OB je standardně vybavena tryskou, pomocí které je dmýchán kyslík na hladinu lázně spolu se zařízením pro přidávání granulovaného Al nebo FeSi do reakční oblasti üReakční oblast je ohraničena tzv. snorkelem (železobetonová skruž) spuštěným do oka lázně, které je vytvořeno dmýcháním argonu dnem pánve üV reakční oblasti je dmýchán kyslík a přidáván Al nebo FeSi přímo na hladinu lázně, struska je oddělena snorkelem üReakce hliníku nebo křemíku s kyslíkem jsou silně exotermické a uvolněné teplo umožňuje ohřev lázně až o 13 °C·min-1 Schéma zařízení IR-UT Snorkel během provozu Vakuové zpracování oceli Přednáška č. X: Doplnit název přednášky191919 üProcesy probíhající za sníženého tlaku jsou v současnosti nejvýznamnější cestou zvyšování jakosti vyráběných ocelí üMimopecní vakuové zpracování umožňuje provádět podstatnou část dohotovení tavby mimo výrobní pec üDosahované účinky: ØSnížení obsahu vodíku a dusíku ØHluboké oduhličení oceli ØDezoxidace oceli ØDolegování na požadovanou značku ØModifikace nekovových vměstků üPříznivé účinky vakuování oceli spočívají především ve snížení obsahu plynů rozpuštěných v oceli a v ovlivňování průběhu uhlíkové reakce, jejíž zplodinou je oxid uhelnatý üMezi základní způsoby vakuové rafinace oceli patří: ØVakuování v pánvi umístěné v kesonu – VD (Vacuum Degassing) ØVakuování v komoře zdvižným způsobem – DH (Dortmund-Hüttenunion) ØVakuování v komoře oběžným způsobem – RH (Ruhrstahl-Heraeus) ü ü ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 19/29 Paroproudá vývěva pro tvorbu vakua Vakuování oceli v pánvi umístěné v kesonu - VD Přednáška č. X: Doplnit název přednášky202020 üJedná se o jeden z nejstarších a zároveň nejjednodušších pochodů sekundární metalurgie üKov v pánvi se zaváží do vakuovaného prostoru – kesonu üPo zavezení se keson uzavírá hermeticky utěsněným víkem a pomocí paroproudých vývěv se vytváří vakuum (2 – 4 kPa po dobu 10 – 15 min) üVlivem snížení tlaku probíhá uhlíková reakce mezi uhlíkem a kyslíkem rozpuštěným v tavenině i kyslíkem vázaným v oxidických vměstcích üDochází k hluboké dezoxidaci kovu uhlíkem a současně i snížení obsahu vodíku a dusíku üPro zvýšení účinnosti odplynění a oduhličení a homogenizaci oceli se během celé úpravy kovu dmýchá inertní plyn (argon) üPo dezoxidaci je možné ocel dolegovat pomocí přísad uložených v zásobnících umístěných nad kesonem přes speciální tlakotěsný zvon ü Během vakuování je možné provést hluboké odsíření, což je usnadněno vysokým stupněm dezoxidace oceli ü ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 20/29 Keson Vakuum Dávkování přísad Argon Schéma vakuového odplynění v pánvi Přednáška č. X: Doplnit název přednášky212121 Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 21/29 Pánev v kesonu Vakuování oceli v komoře zdvižným způsobem - DH Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222222 üTekutá ocel je z licí pánve nasávána do zvláštní vakuové komory üVlivem rozdílného tlaku mezi vakuovou komorou a okolní atmosférou se v sacím hrdle vytvoří sloupec tekuté oceli üČást tekuté oceli vlivem vnějšího tlaku vnikne do vakuové komory, kde probíhá vlastní proces odplynění üPo odplynění nasátého množství oceli se vakuová komora zvedne (nebo pánev sníží) a odplyněná ocel přeteče zpět do pánve üPro dokonalé odplynění oceli musí obsah pánve projít ponorným hrdlem nejméně třikrát až pětkrát üStupeň odplynění oceli zdvižným způsobem je výrazně ovlivňován počtem zdvihů, který je dán poměrem doby vakuování a doby setrvání jedné dávky v komoře üOdplyňování oceli způsobem DH umožňuje nejen snížit obsah plynů, ale také obsah uhlíku, homogenizovat taveninu, včetně dezoxidace a legování za podtlaku ü ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 22/29 Schéma zařízení DH Vakuování oceli v komoře oběžným způsobem - RH Přednáška č. X: Doplnit název přednášky232323 üTavenina je průběžně odplyňována ve vakuové komoře, do níž se ocel dopravuje přívodním potrubím z pánve üPřivádění inertního plynu zvyšuje rychlost nasávání roztaveného kovu do nasávacího hrdla, zároveň vzniká směs kovu a plynu o menší hustotě, takže tato směs vstupuje do vakuové komory üVe vakuové komoře dochází k odplynění a někdy i oduhličení taveniny üPřidávaný inertní plyn udržuje taveninu v neustálém turbulentním pohybu, což umožňuje uvolňování plynů a oduhličení z jednotlivých kapek taveniny i ze vzdmutého povrchu taveniny üNasávání a výtok oceli je plynulý, odplyněná ocel vytéká výstupní trubicí zpět do pánve üTakto je celý objem tekutého kovu několikrát nasát do vakuové komory üVakuová komora je odsávána pomocí několikastupňových paroproudých vývěv üZařízení je určeno pro vakuování velkých objemů kovů ü ü ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 23/29 Schéma zařízení RH Přednáška č. X: Doplnit název přednášky252525 Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 25/29 Ocel po úpravě v zařízení RH Sekundární metalurgie üUvedené metody sekundární metalurgie umožňují dosáhnout odlišné rafinační účinnosti ü ü ü ü • Přednáška č. 4: Zpracování oceli na zařízeních sekundární metalurgie 26/29 Technologie sekundární metalurgie Změna obsahu prvku Legování ΔT (°C) Modifikace vměstků ΔS (%) ΔH (ppm) ΔN (ppm) ΔO (%) Dmýchání Ar -50/-60 +3/+4 0/+20 -50 Ohraničené -10/-15 ne Injektáž prachových látek -50/-80 +2/+5 +20/+40 -50 Velký propal -40/-60 ano Injektáž plněných profilů -50/-80 0/+2 0/+20 +/- Vynikající -10/-15 ano Pánvová pec LF -50 + + -50 Vynikající +/- ne Vakuovací stanice VD -70/-90 -60 -50 -50 Ohraničené -50 ne Vakuovací stanice RH xxx -80 -30 -50 vynikající -50 ne Metalurgické schopnosti jednotlivých zařízení sekundární metalurgie Seznam použité literatury Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 29/29