33/3 Solidifikalion of Melals and Alloys, No. 33, 1997

Transkript

1 33/3 Solidifikalion of Melals and Alloys, No. 33, 1997 KneJinięcic Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN - Oddzilł.l Katowiec PL ISSN PRISPEVEK K ST ANOVENi AKTIVITY KYSLIKU U GRAFITIC KYCH LITIN A MOZNOSTECH VYUZI'fi KONEĆNY Lubomir-HA VEL Miłan-JELINEK Milan- IIAJEK Martin Katedra strojirenske metalurgie TU v Liberci, Halkova 6, Liberec l UVOD Na katedfe strojirenske metalurgie TU v Liberci była navrzena metodika mefeni aktivit kysliku v grafitickych litinach za pouziti sond puvodne urcenych pro mefeni velmi nizk)'ch aktivit kysliku v tekute oceli TERMOSONDY Kładno ISO F (kombinovana) s rystupnimi parametry EMN elektromotorickeho napeti a teploty pro rypocet aktivity kysliku. Namerene EMN pro rypocet aktivity po pocitacovem zpracovani umoznilo urćit aktivitu kysliku pro namerenou teplotu tekuteho kovu a to i V casov)'ch intervalech nasjednych mei'enl Stanoveni aktivit kysliku pri ryrobe tvarne litiny s pouzitim indukcni pece a mocliftkace cistym hoi'cikem V +GF+ konvertoru ukazały, ze aktivita kysliku po nataveni a udrzovani v peci pi'ed od pichem by la relativne vel mi nizka 2,1 resp. l, S ppm v zavislosti na pouzite rovnici pro rypocet (CSAV, ELECTRO NITE n.v) a po mocliftkaci se ryrazne sni.zila. V konvertoru po modifikaci Mg, ockovani CaSi a FeSi se aktivita sni.zila na 0,47 resp. 0,6 ppm. V zavislosti na case a teplote pokles aktivity płynule pokracoval v souladu s pakiesem Mg zbyt. 0,003% Mg/S min. Je zname, ze kyslik ve slitinach zeleza muze v}'razne ovlivnit jejich v)'slednou jakost. Vyznamu obsahu kysliku V ocelich je proto venovana velka pozomost pii hocinoceni stupne dezox.idace oceli a v navaznosti na v)'skyt vad v odlitcich z lit)ich oceli. V uvedene souvislosti se proto pouzivaji nizne metody pro stanoveni kysliku celkoveho, kter)f je souctem kysliku vazaneho a volneho. Pojmern volny kyslik oznaćujeme metalurgicky aktivni kyslik a jeho kancentraci jako aktivni kancentraci ćili aktivitu. Zatim V podstatne mensi mife V porovnani s ocelemi a to pi'edevsim V oblasti v)'zkumu jsou publikovany prace venovane vyznamu kysliku jmenovite aktivite kysliku v grafitick}'ch litinach. Zajem o oblast litin je motivovan nejen snalwu o rozsiteni poznatku o v)'znamu kysliku v litinach, ale tez jejich predpokl<\danym

2 30 meteni. Protoze referencni smes ma mnohem vyssi obsah kysliku nez tavenina, vznikne mezi obema povrchy elektrolytu po ponoreni do taveniny elekh omotoricke napeti Velikost napeti je zavishi na parciałnim tlaku 0 2 v tavenine a v referenćni łatce a na teplote taveniny. Pi'epocet na aktivitu kysliku vychazi z Nemstova vztahu R Po ref 2 E( aj = x FT_ L n V V n x p mer. 0 2 Pro pi'epocet na aktivitu kysliku se vyuzivaji upravene tvaty v)rse uvedeneho vztahu. PoliZivane rovnice se lisi navzajem dle konstant charakterizujicich rozpousteni kysjiku V zejeze a chemicke reakce V referenćni smesi. V Ceske republice se pouiivaji rovnice : CSAV Ostrava [%]: l = ,35- l 0079,906 X (E+ 0,025) og ao, T kde T je namerena teplota [K] E je EMN [V] Electro-Nite n.v.-celox [ppm] : log a 0 = 1,36 + 0,0059 x [E+ 0,54 x (T -1550) + 2 x 10-4 x Ex (T- 1550)] kde T je namerena teplota [ 0 C] E je EMN [m V] Pro vlastni mereni były pou.zity sondy pro mei'eni velmi nizk)'ch obsaht'1 k)'sliku typu TSO F - kombinovauli sonda v)rrobce TERMOSONDY spol. s r.o. Kładno Ostatni metici a vyhodnocovaci zatizeni była metalurgie Technicke univerzity v Liberci. navrzena na katedi'e strojirenske Po ponoreni sondy do taveniny je ti'eba vyćkat ustaleni vstupnich udaju. Tato doba je nastavena na minimalne 5s. Po toroto ćase je testovan rozptyl hodnot obou

3 29 vyuzititn pro zry eni jakosti litin, predevsim litin se zmit}m grafitem - tvarnych litin. Predpoklada se, ze pornaci stanoveni aktivit kysliku budt~ mozne kvalifikovaneji ovladat teclmologii vyroby, pi'edevsim modifikacni a ockovaci procesy [1, 2]. Publikovane rysledky praci upozonluji i na mozilost vyuziti a predikci tvaru grafitu jeste p red odlevanim a na souvislost s V)lskytem vad v odlitcich [2, 3]. Aktivita kysliku u grafitickych litin je ryrazne nizsi nez u oceli. Zakładnim problemem pro sledovaru vlivu aktivity kysliku v grafitickych litinach je zmefit tento aktivni kyslik s dostatecnou pfesnosti a reprodukovatelnosti mereni. Reiieni teto problematiky se stało proto soucasti V)lzkumu na katedi'e strojirenske metalurgie TU V Liberci jako mo.zna perspektivni rychła metodika zkouseni v pnibehu jednotliv)ich etap v)troby litin, zejmena pti priprave a ovetovani stavu taveniny. Pnice zahrnuje rysledky propracovaru metodiky mei'eni a moinosti jejiho pouziti pi'i stanoveni aktivity kysliku u grafitickych litin jmenovite u tvame litiny. OBSAHY KYSLIKU V GRAFITICKYCH LITlNACH Puvodne se u grafitickych litin urcoval obsah celkoveho kysliku. Za nonniltui obsah celkoveho kysliku v tekutern kovu z kuplovny i z elektricke pece se povazuje 40 az 60 ppm [3, 4) nekdy 20 az 40 ppm, ojedinele az 100 ppm (3). u litiny z kuplovny jsou za pi'edpokladu optimalniho rezimu taveni hodnoty celkoveho obsahu kysliku pomeme stabilni. Litina tavena v indukeruch pecich ma rozptyl obsahu celkoveho kysliku podstatne vetsi. VetSi rozptyl souvisi se zpusobem taveni. Stanoveni celkoveho obsahu kysliku sice urnomuje hodnotit jakost litiny napi'. v souvislosti se vznikem nektecych vad v odlitcich, ale nedava dostatecny obraz o jakosti litiny jeste v tekutern stavu. Kvalitativne vyssi stupei\. spolu s celkorym obsahem kysliku urnobłuje stanoveni aktivity kysliku resp. volneho kysliku rozpusteneho v tavenine. Podle udaju z literatury se aktivita kysliku v tavenine pohybuje v prfuneru około 4 ppm [l, 3) nekdy az 8 ppm (3] pti celkovem obsahu kysliku 20 az 40 ppm. Po ockovani a modifi.kaci aktivita kysliku prudce kle sa [l, 4]. PRINCIP MERENi SONDAMI PRO STANOVENI AKTIVIT KYSLIKU Pro mefeni aktivity kysliku se v soućasnosti poufivaji kombinovane sondy se dvema nezavislymi meticimi systemy. Prvni je tvoren teimoćlankem PtRh l 0/Pt pro mei'eni teplot. Druhy system predstavuje jednost:ranne uzavi'ena tmbice pevneho elektrolytu Zr02 (MgO) s referencni smesi Cr/Cr a kovovou elektrodou. Hlavice sv)im provedemim zabrai\.uje reakci keramickych dilu sondy s tekucym kovem v miste

4 32 i El ~ <JI...: ""./!! :;: ~ 0,9-0,8 f 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 i 0,1 l l o 1-- o '., '\... _ - t..,... ;... ~ ~ _. lo cas [min] sit"ka konfidencniho intervalu: & = 0,086 namerene hodnoty.... hranice konfidenćni ho imervalu - stredni hodnota Obr. l Prubeh aktivity kysliku v panvi po mocliftkaci a grafitizacnitn ockovani TU Liberec, rovnice CSA Y 0,9 -r:. 0,8 -l ' -..._ l 1 ~:: ' ~ ,_,..... namefene hodnoty ~ 0,5... f 0,4 : -... i hranice.i!! 0,3 -.. ~ ~:~ 1 o -... ~... ~ ~ o cas [min] sil'ka konfidencniho intervalu: s =O, 196 -~... ~-.. -~~fcih c Obr. 2 Prubeh aktivity kysliku v panvi po modiftkaci a grafitizacnim ockova:ni, TU Liberec, rovnice ELECTRO NITE n. Y - CELO X.

5 31 vstupu ze sondy za posledni 2s. Pokudje v toroto intervalu rozptyl teplot mensi nez 3" C a rozptyl napeti na cidle s referencni latko u mens i nez 5 m V je z to h oto intervalu vypoctena prumerna teplota a pril.merne napeti, coz jsou hodnoty, ktere se dosazuji do vzorcu pro vyi>ocet aktivity volneho kysliku v tavenine. MERENi AKTIVIT KYSLiKU Overovani rnetodiky mereni V prvni etape byla overovana funkcnost sond pro stanoveni velmi nizkych obsahu kysliku TSO F Kladno, navrzena metodika mefeni, spolehlivost meficiho zai'izeni a reprodukovatelnost narnercnych hodnot. Mefeni se uskutecnila v labm atomi slevame TU Liberce v tavenine litiny v kelimku 20 kg stfedofrekvencni indukćni pece (8000 Hz) s kyselou vyzdivkou a ve slevame FEREX-ZSO spol. s r.o. Liberce v tavenine v sifonu kuplovny GHW, v udrzovaci peci JUNKER a po grafitizaćnim ockovani a v kelimku indukeru 500 kg pece ISTOL a v panvi po grafitizacnim ockovlini ( cca 40 meteni). V druh{: etape po ovei'eni spolehlivosti navrzeneho mericiho zafizeni se uskutecnilo meteni aktivit kysliku pti v}'robe odlitku z tvame Jitiny ve slevame TRANSPORTA a.s. Chrudim. Vysledky mereni aktivit kysliku ve slevarne TRANSPORTA a.s. Chrudim Cilem diuhe etapy po ovefeni spolehlivosti navrzeneho mei'iciho systemu było mercni aktivit kysliku pti v}'robe odlitku z tvrune litiny ve slevame TRA';\!SPORT A a.s. Chrudim. Pro pi'ipravu tekuteho kovu była pouzita sti'edofrekvencni 3t pec ISTOL s kyselou vyzdivkou. Slozeni vsazky na 3t a ockovani : vrat : 770 kg, surove zelezo : 1950 kg, ocelovy plech (pakety): 310 kg, FeSi : 20 kg. Pro modifikaci by l pouzit modifikacni konvertor fy. Georg Fischer l 000 kg, modiftkator Mg. Tavba była ockovana 0,4% SiC vsazeno 5 min pi'ed odpichem prvni tavby, 0,3% FeSi75 pti pi'elevani do panve a O, l% Germaloy ve fmme. Pokles Mg zbyt. 0,003% Mg/5 min Chernicke slozeni pi'ed mocliftkaci : 3,67%C; 1,97%Si; O, l%mn; 0,037%P; O,O%Mg; 0,013%S; 0,05%Cu; 0,008%Al. Chernicke slozeni cca 5 min po mocliftkaci a t,rrafitizacnim oćkovru1i (odebrano z panve) : 3,47%C; 2,52%Si; O,l%Mn; 0,037%P; 0,044%Mg; 0,006%S; 0,05%Cu;

6 34 teplote. Stanoveni aktivit kysliku pri v)rrobe tvame litiny s pou ź itim indukcni pece a mocliftkace ciscym hoi'cikem V +GF+ konvejtom ukazały, ze aktivita kysliku po nataveni a udrzovani v peci pred od pichem była rełativne velrni nizka :2. l resp. l,5 ppm v zavislosti na pouzite rovnici pro vypocet (CSA V, CELOX) a po maditikaci se v)rrazne snizila. V konve1toru po modifikaci Mg, ockovani CaSi a FeSi se aktivita snizila na 0,47 resp. 0,6 ppm. V zavislosti na ćase a teplote pokles aktivity płynule pokracoval (viz obr. l a 2), v souladu s pakiesem Mg zbyt. 0,003% Mg/5 min. Zaverem je mofne konstatovat, ze navrzen{l metodika mefeni ph pou.ziti uvedenych sond prokazała pouzitelnost v laboratomich podminka.ch i v realnych podminkach ve slevame. Pi'i mereni aktivity kysliku v ćasovem sledu p1'ed modifikaci, po modifikaci a grafitizacnim ockovani a pfi v)rdrzi taveniny v panvi Pruuch zmen aktivity kysliku odpovidal pfedpokladtim. Rozdilnost rysledku byla d<'ma rypoctem podle dvou pouzivanych rovnic pro rypocet aktivity kysliku tj. rovnic CSA V a ELECTRO NITE n. V - CELO X. VyuZiti je mo.lne pi'edpokladat ph zpf esneni a rozsifeni poznatku o vlivu aktivity kysliku na modifikaci litin se zmitym grafitem a v prakticke oblasti pi'i stanoveni podminek pro optimalizaci modifikace. LITERATURA [ l ] Konecny, L.Prispevok k p6sobeniu kyslika pro modifikacii liatin s cervikovirym grafitom. : In. II. Metalurgicke sympóziu.m, I. Diel. s l 09 [ 2 ] Hummer,R.: Praktische Anwendung des Sauerstoff- aktivitatsmessung zur Qualitatssicherung von Smelzen fur Gusseisen mit Kugelgraphit. Giesserei, 1991, c.24, s. 180 [ 3] Slahora,P. : Kontrolajakosti sedt: Iitiny pi'ed odlevanim. [Pisenmy refenit k odbome kandidatske zkousce]. SVUM-Praha, 1988, s.89 [ 4] Konecny, L.: Optimalne posobenie modifikatora Si-KVZ u liatin s cervikovit)fm grafitom. In.: Metalmgicke sypózium, Jasna, DT CSVTS Ż ilina, 1987, s.l80 [ 5] TSO F Kombinovana sonda, Tennosandy Kladno spoi. s r.o. Tato prace vznikla za podpory GACR v ramci feseni projektu ć. l 06/95/0 l 71 " Stanoveni vyznamu obsahu a dmhu kysliku na vyskyt cha.rakterisrickych vad V odlitcich z litiny". No sitel ukolu- SvUM, stevarensk)' ryzkum Bmo, spoiunositej - KSM, TU v Liberci.

7 33 0,0 Ił o/ocr; 0,008%Al; ostatni skodlive prvky v pi'ipustnych mezich. Mecharucke hodnoty a metalografie Y2 (25 mm): Mech. hodnoty : Rm = 481 MPa; Rro. 2 = 350 MPa; A, = 24%; 171 HB Hodnoceni metalografie podle CSN : grafit 85% VlG + 15% V, 85%F + 15% P, pecet mocluli 225/mm 2 matrice Pro vlastni mereni byla pouzita jiz di'ive odzkousena metodika s pouzitim sondy pro stanoveni velmi nizk)'ch obsahu kysliku typu FSO-F kombinovanet v bezrosti"ikove uprave - v)'roba Termosondy Kladno. Mei"eni se realizovalo po nataveni a udrżovimi tekuteho kovu ve 3t indukćni peci ISTOL, po modifikaci v konve1toru GF a po grafitizacnim oi~kovaru a pfeliti do l t pimve se spodni v)'pusti v ćase do 50 min po modifikaci. Aktivity kys1iku v tavenine litiny v kelimku indukcni pece pied modifikaci by1y: rovnice CSA V (f 3 mereni) : T= 1527 "C; EMN =-172m V; a( O)= 2, l ppm rovnice CELOX (f 3 mereni): T= 1527 "C; EMN = -172 my; a( O) = 1,9 ppm Po modifikaci a grafitizaćnim oćkovani afinita kysliku skokem klesla na 0,6 resp. 0,47 ppm. S ćasem aktivita płynule klesala. V ćase cca 50 min. po modifikaci aktivita kysliku odpovidała 0,25 a 0,08 ppm. Vysledky mei'eni aktivit po modifikaci hofćikem a grafitizaćnim oćkovani po poćitaćovem zpracovani jsou graficky znazomeny na obr. l a obr. 2. Było provedeno 28 mefeni. DISKUZE VYSLEDKU A za VER Cilem praci było navrzeni a ovef'eni metodik)' mei eni aktivit kysliku V tavenine grafitick)'ch litin za ruznych podminek technologie taveni a zpracovani tekuteho kovu. Na katedie strojirenske metalurgie TU v Liberci byla navrzena metodika mei'eni aktivit kysliku v grafitick)'ch litinach za pouziti sond puvodne urcenych pro mei'eni velmi nizkych aktivit kysliku v tekute oceli TERMOSONDY Kładno TSO F (kombinovana) s rystupnimi parametry EMN elektromotorickeho napeti a reploty pro vypoćet aktivity kysliku. Na.mefene EMN pro vypoćet aktivity po poćitaćovem zpracovaru wno.znilo urćit aktivitu kysliku pro namerenou replotu tekuteho kovu a to i V ćasov)'ch intervalech mislednych mei'eni. Vysledky mereni bylo IllOZlle sledovat graficky (prubeh EMN v case mefeni) a były zachovany v pameti PC. Hodnoty aktivity kysłiku były vypocteny soubezne podle rovnic CSA V a ELECTRO NlTE n. V - CELOX. Vysłedky mei'eni aktivit kysliku obecne prokazaly, ze aktivity kysliku v tavenine grafiticke łitiny jsou zavisle na teclmologii taveni, chemickem slozeni a