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 •Principy metalurgické zpracování Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222 Přednáška č. 12 Tavící pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky333 üTavící pece: ohřev kovu na licí (technickou) teplotu, úprava chemického složení, rafinace, odplynění üPři přelévání z tavící pece do transportních pánví se často tavenina filtruje keramickými nebo tkanými filtry ü ØKelímkové pece ØKomorové pece ØŠachtové pece • Šachtové pece Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 3/29 Tavící pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky444 Kelímkové pece Komorové pece Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 4/29 Udržovací pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky555 üUdržovací pece: udržování teploty taveniny v blízkosti jednotlivých pracovišť nebo licích agregátů üTopný systém umožňuje regulovat teplotu kovu a částečně též tavit pevnou vsázku, přidávanou do roztaveného kovu üObvykle e neprovádí zásadní úprava chemického složení ani větší metalurgické zásahy üTaveninu je často možné očkovat nebo modifikovat - ØVanové pece ØDávkovací pece ü üPro tavící a udržovací pece platí některé obecné zásady, které by mely být zajištěny: malá oxidace a naplynění kovu, oddělení tekutého kovu od pevné vsázky, zamezení místního přehřívání taveniny • Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 5/29 Udržovací pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky666 Vanová pec Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 6/29 Udržovací pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky777 Dávkovací pec Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 7/29 Kelímkové pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky888 üPro nastavení menšího množství kovu se používají pece s jílo-grafitovými kelímky nebo kelímky z SiC üKelímky se po roztavení kovu z pece vyjmou a slouží pak také jako transportní a licí pánve üVelikost kelímků bývá obvykle do asi 100 až 200 kg hliníkové slitiny üVýhodou kelímků je velká flexibilita tavicího režimu při změnách druhu slitiny üPři správném zacházení je životnost kelímků řadově ve stovkách taveb üVytápění kelímkových pecí je obvykle plynové nebo elektrické odporové üVýhodou elektrického ohřevu je, že se kov nedostává do styku se spalinami, z nichž by mohl pohlcovat vlhkost üPro větší tavicí výkony a větší množství kovu se používají sklopné kelímkové pece üKelímky bývají obvykle vyzděny žáruvzdornou vyzdívkou na bázi Al2O3 a SiO2 ü ü Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 8/29 Kelímkové pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky999 ü ü ü Kelímková indukční pec Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 9/29 Komorové pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky101010 üJde o osvědčený a v našich slévárnách rozšířený typ pecí üVsázka je vsázena do tavicí časti a nepřichází do přímého styku s taveninou üNa podobném principu fungují i dvoukomorové vanové pece s vertikálním uspořádáním, u nichž se vsázka zaváží do horní tavící komory a tekutý kov odtéká do spodní komory, která představuje zásobník kovu ü ü Schéma komorové tavící pece Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 10/29 Šachtové pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111111 üZaloženy na principu protiproudého výměníku tepla üAutomatické dávkování tekutého kovu, nejčastěji při odlévání pod tlakem üU tohoto typu pecí se vsázka dopravuje zavážecím zařízením do šachtice pece, zde se odpařuje vlhkost a případné organické nečistoty vyhoří üVe spodní části šachtice je tavicí zóna, zde se vsázka natavuje a roztavený kov odtéká do udržovací komory, odtud se odebírá buď po jednotlivých licích dávkách z boční vany, spojené s udržovací komorou sifonem, nebo se vylévá po větších dávkách do transportní pánve üVyhřívání pece se provádí plynovými nebo olejovými hořáky üPec je vyzděna žáruvzdornými materiály a vnější izolační vrstvou, která zajišťuje minimální tepelné ztráty, životnost vyzdívky je několik let Schéma šachtové pece Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 11/29 Šachtové pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky121212 üVelkou předností toho typu pecí je, že vsázka se postupně předehřívá a v žádném případě se vlhké nebo znečištěné vsázkové suroviny nemohou dostat přímo do roztaveného kovu üTo vede k získání kovu s vysokou čistotou a s nízkým stupněm naplynění üZtráty kovu propalem jsou u těchto pecí velmi nízké, řadově kolem 1-2 % ü • Šachtová pec Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 12/29 Dávkovací pece Přednáška č. X: Doplnit název přednášky131313 üJsou určeny k automatickému dávkování tekutého kovu, nejčastěji při odlévání do kovových forem pod tlakem üKov, natavený v tavicí peci, se plnicím trychtýřem nalije do vany dávkovací pece, která je hermeticky uzavřena üTeplota je obvykle udržována pomocí odporových topných článků SiC nad hladinou kovu üTeplota se měří pomocí termočlánku üV peci se stále udržuje mírný přetlak tlakového vzduchu nebo ochranného plynu üDávkování kovu se provádí zvýšením tlaku plynu v komoře pece, který vytlačí kov do dávkovací trubice üPo snížení přetlaku na původní hodnotu se vyléváním kovu ukončí üMnožství nedávkovaného kovu se řídí automaticky podle nastaveného údaje velikosti přetlaku a času • Schéma elektrické dávkovací pece 13 Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 13/29 Motor Jikov Slévárna a.s. Přednáška č. X: Doplnit název přednášky141414 Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 14/29 Úprava chemického složení taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky151515 üPři tavení hliníkových slitin se obvykle vychází ze vsázkových surovin, které svým chemickým složením odpovídají odpovídající tavené značce üÚpravy chemického složení taveniny proto obvykle mají za cíl pouze drobné korekce obsahu jednotlivých prvků, eventuálně kompenzaci propalu üÚprava chemického složení se provádí po roztavení vsázky a po chemické analýze üPrvkem, u něhož je nutné doplňovat ztráty propalem, je zejména hořčík – přibližně se jedná o ztrátu asi 0,05 % Mg za tavbu üU jiných prvků se obvykle s propalem nepočítá üPřísadové prvky a stejně tak i prvky, používané pro očkování a modifikaci, se dodávají jako předslitiny s hliníkem üÚprava chemického složení se obvykle týká prvků Si, Cu, Mg, Fe, Mn a Ti ü Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 15/29 Vliv očkování na vlastnosti slitin Přednáška č. X: Doplnit název přednášky161616 üZjemnění zrna se projeví zlepšení mechanických i mnoha technologických vlastností: zvýšením pevnosti a tažnosti, snížením sklonu slitiny ke vzniku trhlin, menší pórovitostí odlitků, zvýšením těsnosti odlitků, lepší obrobitelností, zlepšením kvality povrchu po anodické oxidaci zvýšením vlastností po tepelném zpracování Základní neočkovaná slitina Po očkování Al-Ti Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 16/29 Očkování podeutektických slitin hliníku Přednáška č. X: Doplnit název přednášky171717 Nukleace zárodků TiAl3 při peritektické reakci v systému Al-Ti Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 17/29 Očkování podeutektických slitin hliníku Přednáška č. X: Doplnit název přednášky181818 üZárodky TiAl3 se v naočkované tavenině postupně rozpouští a očkovací účinek s časem odeznívá üEfektivní očkovací účinek předslitin Al-Ti obvykle trvá kolem 30-45 minut üDalším zlepšení očkovacího účinku se dosahuje s obsahem Ti a B üPředslitiny s Ti a b obvykle obsahují do 5 % Ti a do 1 % B v různých poměrech üBór sám nepůsobí jako očkovadlo, vždy pouze v kombinaci s titanem üS hliníkem a titanem tvoří bór intermetalické fáze AlB2, TiB2 nebo (Al, Ti)B2 s velikostí 0,5-2 µm, tedy mnohem menší, než samotný TiAl3. Tyto částice pak slouží jako krystalizační zárodky. 18 Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 18/29 Modifikace Přednáška č. X: Doplnit název přednášky191919 üKřemík se v eutektiku vylučuje ve třech různých morfologických podobách. Podle tvaru eutektického křemíku se též nazývá i příslušné eutektikum: Ø ØZrnité (Si tvoří polyedrická zrna, na metalografickém výbrusu se jeví jako jehlice) ØLamelami (Si tvoří hrubé lamely, na metalografickém výbrusu se jeví jako jemnější jehlice) ØModifikované (Si tvoří jemná vlákna, na metalografickém výbrusu se jeví jako tečky či tyčinky) Struktura různých typů eutektika v siluminech (bílé Al, černé Si) Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 19/29 Modifikace Přednáška č. X: Doplnit název přednášky202020 üNejsilnější modifikační účinek má sodík, což je dáno jeho vzdáleností rovin dvojčatění a tím zaručí vysokou hustotu dvojčat v částicích křemíku üČástice křemíku v modifikovaném eutektiku mají hrubý povrch a jsou krystalicky nedokonalé, což je potenciálním místem pro další větvení üSodík se do taveniny přidává ve formě exotermických tablet, jako kovový sodík či modifikační soli üDalším prvkem, který má dobrou modifikační schopnost, je stroncium üJe mnohem méně reaktivní než sodík a dává vysoké a stabilní využití (až 90 %) üPoužívá s jako předslitina s hliníkem (případně s hliníkem a křemíkem), kde tvoří intermetalickou fázi Al-Sr a ze které se do taveniny dostává rozpouštěním üČím je vyšší teplota taveniny, tím rychleji se předslitina rozpouští a tím rychleji nabíhá modifikační účinek ü Modifikované eutektikum podetektického siluminu Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 20/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky212121 üProces, při kterém se v tavenině snižuje množství vměsků üPři rafinaci se využívají zejména následující postupy: odstátí taveniny, vynášení vměstků plynových bublinami, chemická vazba vměsků pomocí krycích a rafinačních solí, mechanické zachycování vměstků při filtraci taveniny ü üOdstátí je separace vměstků na principu jejich vyplouvání. Vzhledem k téměř stejným hustotám kovu a většiny vměstků je však tento způsob časově náročný a málo efektivní üDoba odstátí se musí pohybovat v řadu několika desítek minut až hodiny, účinnost je však stejně nízká üOdstátí může být použito také jako „předstupeň“ další rafinace Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 21/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222222 üPrincip odplyňování probubláváním plynu je založeno na difuzi vodíku do bublin s nulovým parciálním tlakem vodíku, s nimiž je vynášen na hladinu, nebo s nimi chemicky reaguje üPodle vzájemné reaktivity vodíku a vháněného plynu hovoříme o odplyňování interními plyny nebo aktivními plyn üInterními plyny, používanými pro odplyňování slitin hliníku, jsou dusík nebo argon üTyto plyny se vhání do taveniny (nebo uvolňují z odplyňovacích solí) v blízkosti dna pánve tak, aby tvořily co nejmenší bubliny Princip odplyňování neutrálními a aktivními plyny 22 Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 22/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky232323 üMalá velikost bublin, dostatečně dlouhá dráha (tzn. jejich tvoření u dna dostatečně vysoké pánve) a dobré promíchávání (homogenizace) taveniny, jsou klíčovou podmínkou účinného odplynění üJe nutné, aby neutrální plyn neobsahoval vlhkost üZ tohoto důvodu je nutno používat vysoce čisté rafinační plyny, v případě dusíku čistoty 99,99 % üDusík běžné technické čistoty naprosto nevyhovuje, neboť obsahuje značné množství vlhkosti üÚčinek odplynění dusíkem a argonem je srovnatelný Schéma zařízení pro rafinaci hliníku Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 23/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky242424 üJako aktivní plyny se označují takové plyny, u nichž dochází ke vzniku chemické sloučeniny s vodíkem üJako aktivní plyny se používají chlor nebo fluor (dříve i freon) üStupeň odplynění aktivními plyny bývá obvykle vyšší, než odplynění neutrálními plyny üPoužití chloru a přípravků, které chlor uvolňují, však v současné době naráží na striktní ekologické předpisy ü ü Krycí přípravky: ØKrycí soli jsou směsí především chloridů a fluoridů alkalických kovů ØJejich účelem je bránit přímému kontaktu taveniny s atmosférickým kyslíkem a s vlhkostí ØSložení přípravků se volí tak, aby jejich teplota tavení byla nižší, než je tavicí teplota slitiny, tj na tavenině tvoří tekutou ochrannou vrstvu strusky ØPřidávají se již do pevné vsázky nebo po natavení na hladinu kovu Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 24/29 Schéma zařízení pro rafinaci hliníku Krycí soli Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky252525 ü Rafinační přípravky: • ØÚčelem rafinačních solí je odstranit z taveniny oxidické vměstky, snížit ztráty kovového hliníku, případně snížit obsah některých nežádoucích prvků chemickou reakcí ØChemicky se opět jedná o směs chloridových a fluoridových solí s přísadou dalších aktivních komponent, které s nimi reagují a ovlivňují povrchové napětí mezi kovem a oxidy ØNěkteré složky rafinačních solí umožňují selektivní odstranění nežádoucích prvků ØCílem rafinace je pomocí rafinačních přípravků rozrušit oxidickou obálku a tak uvolnit nezreagovaný kov zpět do lázně ØAktivní sloučeninou v rafinačních přípravcích je např. fluorosilikát sodný , ten proniká podél hranice mezi oxidickou obálkou a kovem, obaluje oxidické částice tvoří s nimi „suchou strusku“ s malým obsahem kovového hliníku ØRafinační přípravky se používají obvykle až v závěru tavby Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 25/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky262626 • Rozrušení oxidických obálek při rafinačním působení Na2SiFe6 26 Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 26/29 Rafinace taveniny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky272727 ü Filtrace: Ø ØJe účinný způsob zachycování vměstků ØOdlévání kovu přes kovové filtry, sítka nebo keramické filtry v různých fázích zpracování tekutého kovu, za účelem odstranění nekovových vměstků ØFiltrace se provádí při přelévání taveniny z tavicích pecí do transportních pánví, v udržovacích pecích nebo přímo ve formách ØFiltrací plochými filtry se výborně odstraní především vměstky typu oxidických blan ØPomocí keramických filtrů se účinně zachycují i velmi drobné nekovové vměstky Zrnko písku zachycené na filtru Zachycený shluk zrn formovací směsi Můstek v vměstků přes otvor ve filtru Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 27/29 • • • • • • • Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 28/29 Použité zdroje Přednáška č. X: Doplnit název přednášky292929 ü[online]. [cit. 2021-01-19]. Dostupné z: https://www.clasic.cz/index.php/cz/pece/kelimkove ü[online]. [cit. 2021-01-19]. Dostupné z: https://www.lac.cz/cs/pece-a-susarny/prumyslove-pece-a-susarny/slevarny-nezeleznych-kovu ü[online]. [cit. 2021-01-19]. Dostupné z: http://www.tiessepraha.cz/krown-sachtove-tavici-pece/ ü[online]. [cit. 2021-01-19]. Dostupné z: http://uvp.cz/plynove-vanove-udrzovaci-pece-s-topnym-systemem/ ü[online]. [cit. 2021-01-19]. Dostupné z: http://www.sebestasro.cz/cz/dodavatele/strikowestofen ü[online]. [cit. 2021-01-25]. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=193081 ü[online]. [cit. 2021-01-25]. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=86092 ü[online]. [cit. 2021-8-16]. Dostupné z: https://www.realistic.cz/pece-pro-strojirensky-prumysl ü[online]. [cit. 2021-8-27]. Dostupné z: https://docplayer.cz/12619353-Technologie-i-slevani-a-svarovani.html ü[online]. [cit. 2021-8-27]. Dostupné z: https://docplayer.cz/18315334-Vliv-filtru-na-plneni-formy-pri-odlevani-slitin-hliniku.html ü[online]. [cit. 2021-8-27]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/33909/final-thesis.pdf?sequence=6&isAllowed=y ü[online]. [cit. 2021-9-1]. Dostupné z: https://slideplayer.cz/slide/2904837/ • • • • • • Přednáška č. 12: Princip metalurgického zpracování 29/29