výroba oceli Proudění oceli v keramickém filtru a jeho vliv na mikročistotu oceli 1. Cíl práce 2. Použitá metodika

Transkript

1 Výroba oceli Hutnické listy č.1/2008 výroba oceli Proudění oceli v keramickém filtru a jeho vliv na mikročistotu oceli Prof.Ing. Jiří Bažan, CSc., a), Prof. Ing. Karel Stránský, DrSc., b), Prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc. a), a) Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, b) VUT, FSI, Brno V práci jsou uvedeny výsledky studia vlivu typu proudění oceli na účinnost její filtrace. V laboratorních podmínkách byly provedeny celkem čtyři série experimentů, při kterých byla filtrována ocel desoxidována jednak hliníkem, jednak křemíkem a manganem. K filtraci oceli byly použity dva typy cedítkových keramických filtrů, přičemž proudící roztavená ocel měla při průtoku těmito filtry rozdílné hodnoty Reynoldsových čísel. Účinnost filtrace byla stanovena na základě změny v počtu nekovových vměstků, znečištění zorného pole a také podle normy DIN Cíl práce Cílem práce bylo posoudit vliv různé intenzity proudění oceli (vyjádřené hodnotou Reynoldsových čísel) způsobu dezoxidace oceli a chemického složení keramických filtrů na účinnost filtrace tekutého kovu. Předložené výsledky navazují na práce [1, 2] a jsou stručným výtahem z měření a rozborů podrobně uvedených v pracích [3, 4]. 2. Použitá metodika V laboratorních podmínkách byly provedeny v indukční peci o hmotnosti kovu 40 kg čtyři série experimentálních taveb, lišící se intenzitou proudění přes keramické filtry. K filtraci byly použity keramické filtry různého chemického složení. Teplota filtrace kovové taveniny činila 1650 C, hmotnost taveniny proteklá každým z filtrů činila 10,0 kg. K filtraci byly využity dva typy cedítkových filtrů (tj. filtrů s přímými otvory) s rozdílným počtem a průměrem otvorů, avšak s prakticky totožnou průtočnou plochou. Tyto dvě kombinace umožnily, na základě stanovení rychlosti průtoku přes kanál filtru, určit hodnotu Re (Reynoldsova čísla). Šlo o tyto filtry: - filtr typ otvorů, průměr otvoru 8 mm, průměr filtru 68 mm Re = 7767, štíhlost filtru l/d = 10/8,0 = 1,25; - filtr typ otvorů, průměr otvoru 5,5 mm, průměr filtru 60 mm Re = 2710, štíhlost filtru l/d = 7,0/5,5 = 1,27. - Ocel byla dezoxidována jednak hliníkem, jednak manganem a křemíkem. Filtry byly dodány firmou KERAMTECH Žacléř, s.r.o. Základní báze keramiky filtrů byla následující Al 2 O 3, Cr 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, SiO 2, Al 2 O 3.SiO 2, MgO.Al 2 O 3, RK5, KBK (korundo-baddeleyitová keramika). Po vytemperování oceli na teplotu 1650 C a po provedené dezoxidaci byla tavenina prolita přes keramický filtr. Po utuhnutí oceli byl odebrán vzorek kovu před filtrem, za filtrem (z ingotu) a k analýze byl připraven výřez z každého keramického filtru. Ve vzorcích byla stanovena metalografická čistota, daná počtem a velikostí nekovových vměstků a znečištěním zorného pole. Byla rovněž stanovena čistota podle normy DIN Ve výřezech z filtrů byly následně provedeny rozbory vlastní keramiky, mezifázového rozhraní keramika-kov a složek (nekovových částic vměstků) zachycených po výšce kanálu filtru. Bezrozměrové Reynoldsovo číslo je definováno základním vztahem w.d ν Re =, (1) v němž w je rychlost taveniny protékající filtrem [m.s -1 ], d je průměr otvoru kapiláry cedítkového filtru [m] a ν je kinematická viskozita filtrované taveniny [m 2.s -1 ]. Filtrováno bylo každým z uvedených typů filtrů a při obou způsobech dezoxidace vždy 10 kg ocelové taveniny. Pro filtr typu 0220 který má 37 otvorů o průměru otvoru 8 mm je celková plocha otvorů 9, m 2, přičemž změřená celková průměrná doba průtoku při objemu taveniny 10/7000 = 1, m 3 činila 2,80 s, což odpovídá rychlosti průtoku taveniny filtrem 5, m 3.s -1 při celkové ploše všech 19 otvorů 10

2 Hutnické listy č.1/2008 Výroba oceli 9, m 2. Rychlost proudění taveniny jednotlivými otvory filtru tedy bude w = 5, /9, = 0,534 m.s -1. Dosazením do rovnice (1) získáme hodnotu Reynoldsova čísla pro uvedený typ filtru 0,534.0,008 Re = = 7 5, (2) Pro filtr typu 0220 který má 37 otvorů o průměru otvoru 5,5 mm je celková plocha otvorů 8, m 2, přičemž změřená celková průměrná doba průtoku při objemu taveniny 10/7000 = 1, m 3 činila 6,00 s, což odpovídá rychlosti průtoku taveniny filtrem 2, m 3.s -1 při celkové ploše všech 37 otvorů 8, m 2. Rychlost proudění taveniny jednotlivými otvory filtru tedy bude w = 2, /8, = 0,271 m.s -1. Dosazením do rovnice (1) získáme hodnotu Reynoldsova čísla pro uvedený typ filtru 0,271.0,0055 Re = = 2710; (2) 7 5,50.10 kde údaj pro kinematickou viskozitu taveniny oceli při teplotě 1650 o hodnotě ν = 5, m 2.s -1 byl převzat z literatury [6] (s. 181). 3. Dosažené výsledky 3.1 Filtrace pomocí filtru typu Re = 7767 (turbulentní proudění) Pomocí tohoto typu filtru byly provedeny experimenty filtrace dvou taveb oceli s různým způsobem desoxidace a se sérií filtrů různého chemického složení. V tab. 1. jsou uvedena znečištění zorného pole a parametry mikro K0 až K4 dle DIN 50602, rovněž i pro keramické filtry různého chemického složení u tavby desoxidované hliníkem. V tab. 2 jsou uvedeny stejné parametry u tavby desoxidované manganem a křemíkem. Tab. 1 mikro oceli podle znečištění ZP a podle normy DIN filtr 0204, ocel desoxidovaná Al Tab. 1 Micro-purity of steel ordered by contamination of the field of vision according to the standard DIN filter 0204, steel de-oxidised by Al K0 K1 K2 K3 K4 K dle K Před filtrem 0,18±0, Al 2 O 3 0,17±0, Cr 2 O 3 0,26±0, Al 2 O 3.2SiO 2 0,15±0, ZrO 2.SiO 2 0,14±0, KBK 0,18±0, Tab. 2 mikro oceli podle znečištění ZP a podle normy DIN filtr 0204, ocel desoxidovaná Si a Mn Tab. 2 Micro-purity of steel ordered by contamination of the field of vision according to the standard DIN filter 0204, steel de-oxidised by Si and Mn K0 K1 K2 K3 K4 K podle K Před filtrem 0,09±0, Al 2 O 3 0,18±0, Cr 2 O 3 0,20±0, ,5 5 TiO 2 0,15±0, ZrO 2 0,20±0, ,5 6 SiO 2 0,18±0, Al 2 O 3.2SiO 2 0,23±0, MgO.Al 2 O 3 0,24±0, Analýzy oceli byly prováděny ve VOP 026 Šternberk divize VZÚO Brno [1-4]. Z výsledků je zřejmé, že celkový počet i velikostní rozložení nekovových vměstků se u tavby desoxidované hliníkem částečně mění. Při výše uvedené hodnotě Re (jedná se již o turbulentní proudění kovu), vykázaly tři filtry z pěti použitých pozitivní účinek ve vztahu k čistotě 11

3 Výroba oceli Hutnické listy č.1/2008 oceli. Pouze u dvou filtrů (KBK a Cr 2 O 3 ) byla čistota oceli po filtraci horší než před ní. Z tab. 2 vyplývá, že u tavby dezoxidované manganem a křemíkem byl celkový počet nekovových vměstků oproti tavbě dezoxidované hliníkem podstatně nižší, rovněž tak i počet malých vměstků o velikosti 5-10 μm a znečištění zorných polí (ZP). Je to zřejmě dáno tím, že při desoxidaci hliníkem vzniká velké množství malých vměstků typu Al 2 O 3. Tato skutečnost se projevila i v hodnocení podle normy DIN Z výsledků v této tabulce je zřejmé, že čistota oceli před filtrací byla vyšší než po filtraci. Průtokem oceli přes každý typ keramického filtru došlo k dodatečnému znečištění taveniny, které se projevilo jednak v čistotě ZP jednak v čistotě podle DIN To lze přisoudit dodatečným procesům oxidace (reoxidace), které doprovázely filtraci oceli. Vzhledem k tomu, že základní dezoxidace oceli byla prováděna pouze manganem a křemíkem, nebyla tak účinná jako dezoxidace hliníkem, což se odrazilo v rozvoji procesů reoxidace filtrované taveniny. Procesy reoxidace oceli ve svém důsledku snižují filtrační účinek jednotlivých keramických filtrů. 3.2 Filtrace pomocí filtru typu 0220 Re = 2710 (převážně laminární proudění) Pomocí tohoto typu filtru byla opět provedena filtrace různě dezoxidovaných taveb. V tab. 3 jsou uvedena znečištění tavby desoxidované hliníkem a v tab. 4 jsou uvedena znečištění oceli desoxidované manganem a křemíkem. Analýzy čistot byly provedeny opět ve VTÚO Brno [5]. Z tab. 3 a 4 vyplývá, že v případě tohoto typu filtru, jemuž odpovídá hodnota Re = 2710 (laminární Tab. 3 mikro oceli podle znečištění ZP a podle DIN filtr 0220, ocel desoxidovaná Al Tab. Micro-purity of steel ordered by contamination of the field of vision according to the standard DIN filter 0220, steel de-oxidised by Al K0 K1 K2 K3 K4 K dle K Před filtrem 0,13±0, Al 2 O 3 0,09±0, Cr 2 O 3 0,13±0, TiO 2 0,11±0, ZrO 2 0,13±0, SiO 2 0,11±0, RK5 0,05±0, Al 2 O 3.2SiO 2 0,12±0, MgO.Al 2 O 3 0,14±0, Tab. 4 mikro oceli podle znečištění ZP a podle DIN filtr 0220, ocel desoxidovaná Si a Mn Tab. 4 Micro-purity of steel ordered by contamination of the field of vision according to the standard DIN filter 0220, steel de-oxidised by Si and Mn K0 K1 K2 K3 K4 K dle K Před filtrem 0,11±0, Al 2 O 3 0,06±0, Cr 2 O 3 0,12±0, TiO 2 0,13±0, ZrO 2 0,12±0, SiO 2 0,15±0, RK5 0,10±0, Al 2 O 3.2SiO 2 0,24±0, MgO.Al 2 O 3 0,14±0, proudění) bylo dosahováno u obou způsobů desoxidace lepších výsledků, než v případě filtru 0204 (turbulentní proudění oceli). V případě Re = 7767 nedošlo ani v jednom případě ke zlepšení oceli vlivem její filtrace. Při snížení Re na hodnotu 2710 u předchozí série (přechod na proudění laminární) došlo u taveb se stejným způsobem desoxidace ke zlepšení. Obdobných zlepšených výsledků filtrované oceli bylo dosaženo i u oceli dezoxidované hliníkem. 12

4 Hutnické listy č.1/2008 Výroba oceli Pozitivní vliv snížení Reynoldových čísel na účinnost filtrace lze spatřit především ve snížení rychlosti průtoku oceli přes kanálek filtru, tím k prodloužení doby pobytu oceli v prostorách filtru a s tím souvisejícím prodloužením reakční doby taveniny obsahující nekovové vměstky s keramikou filtru. 3.3 Diskuse výsledků Stanovené hodnoty Reynoldsových čísel pro oba způsoby dezoxidace oceli (jak hliníkem, tak křemíkem a manganem) byly vyneseny do grafu na obr. 1, který byl získán modelováním ztrátového součinitele ξ P uvažovaného jako místní odpor filtru vloženého do potrubí v závislosti na Reynoldsově čísle Re F a štíhlosti otvorů filtrů filtrů l/d. Ztrátový součinitel je uvažován jako místní odpor filtru vloženého do potrubí (index P), jednak jako odpor příslušející stavu modelové kapaliny (tj. vody při teplotě 20 C) ve filtru (index F). Obr. 1 tedy znázorňuje závislost součinitele místního odporu ξ P keramických filtrů vložených do potrubí (vtokového systému) na Reynoldsově čísle a štíhlosti filtrů. Horní dvě křivky grafu jsou pěnové filtry, skupina šesti křivek ve spodní části grafu jsou filtry s přímými otvory (cedítkové). Vidíme, že pěnové filtry mají mnohem větší místní odpor než filtry s přímými otvory. Z obr. 1 dále plyne, že filtry s přímými otvory o Reynoldsově čísle Re = 2710 a štíhlosti l/d = L/D = 7,0/5,5 = 1,27 mají místní odpor cca ξ P = 15, zatímco filtry o Reynoldsově čísle Re = 7767 a o štíhlosti l/d = L/D = 10/8,0 = 1,25, mají místní odpor cca ξ P = 7,5, to znamená pouze poloviční. Lze proto konstatovat, že při rostoucích hodnotách Reynoldsových čísel se bude místní odpor ξ P keramických filtrů snižovat. Z modelování průtoku filtry pomocí modelové kapaliny tedy plyne, že vysokým hodnotám Reynoldsových čísel, a tím turbulentnímu proudění, bude odpovídat nižší místní odpor filtru ξ P a obráceně. To znamená při převládajícím laminárním proudění lze naopak očekávat zvýšení místního odporu příslušného filtru, při jinak přibližně stejné štíhlosti l/d použitého filtru. Stanovené hodnoty Reynoldsových čísel pro oba způsoby dezoxidace oceli (jak hliníkem, tak křemíkem a manganem) byly vyneseny také do grafu na obr. 2, který byl získán modelováním závislosti výtokového součinitele μ na Reynoldsově čísle a na štíhlosti keramických filtrů. Skupina křivek v horní části grafu na obr. 1 představuje filtry s přímými otvory (cedítkové), dvě křivky v dolní části grafu představují pěnové filtry. Z grafu vyplývá, že pěnové Obr. 1. Závislost součinitele místního odporu ξ P keramických filtrů vložených do potrubí (vtokového systému) na Reynoldsově čísle a na štíhlosti filtrů. Fig. 1. Dependence of local resistance coefficient ξ P of ceramic filters inserted into tubing (inlet system) on the Reynolds number and on filter slenderness ratio Obr. 2. Závislost výtokového součiniteleμ keramických filtrů vložených do potrubí (vtokového systému) na Reynoldsově čísle a na štíhlosti keramických filtrů. Fig. 2. Dependence of outlet coefficient of ceramic filters inserted into tubing (inlet system) on the Reynolds number and on filter slenderness ratio filtry mají mnohem menší hodnoty výtokových součinitelů než filtry s přímými otvory (cedítkové). Z grafu na obr. 2 dále plyne že rozdíly hodnot výtokových součinitelů filtrů s přímými otvory se jen málo mění v závislosti na hodnotách Reynoldsových čísel, přičemž s rostoucí hodnotou Re hodnoty výtokových součinitelů mírně rostou. Například podle výsledků modelování průtoku kapaliny keramickými filtry odpovídá hodnotě Reynoldsova čísla Re = 2710 výtokový součinitel μ 0,75, zatímco hodnotě Reynoldsova čísla Re = 7767 odpovídá výtokový součinitel jen o málo vyšší μ 0,78. Výsledků modelování průtoku kapaliny keramickými filtry (jejich podrobný popis je uveden v přehledné práci [8]) je možno využít k bližšímu objasnění vlivu provedených experimentů na účinnost filtrace. K objasnění výsledků uveďme nejprve přehled získaných výsledků pro celou sérii filtrů rozdílné keramické báze: 13

5 Výroba oceli Hutnické listy č.1/2008 Tavenina oceli dezoxidovná Al Reynoldsovo číslo Re Stupeň dezoxidace Odpor filtru ξ P oceli před filtrací vysoký menší 7,5 oceli před filtrací vysoký větší 15,0 Tavenina dezoxidovaná Mn a Si Reynoldsovo číslo Re Stupeň dezoxidace Odpor filtru ξ P oceli před filtrací velmi nízký menší 7,5 oceli před filtrací velmi nízký větší 15,0 Z přehledu uvedeného v této tabulce je zřejmé, že při intenzivní dezoxidaci taveniny hliníkem, tj. při vysokém stupni dezoxidace je účinnost jednotlivých filtrů různé keramické báze (ze série Al 2 O 3, Cr 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, SiO 2, Al 2 O 3.SiO 2, MgO.Al 2 O 3, RK5, KBK viz úvod) poměrně účinná i při vysokých hodnotách Reynoldsových čísel. Naproti tomu při nízkém stupni dezoxidace taveniny pouze manganem a křemíkem se stává při vysokých hodnotách Reynoldsových čísel filtrace taveniny zcela neúčinná. Na základě porovnání hydraulických poměrů na obr. 1 a 2 předpokládáme, že pozorovaný efekt souvisí s místním odporem filtrů ξ P, který je u filtrů s přímými otvory silně závislý právě na určité hodnotě Reynoldsova čísla a s rostoucí hodnotou Re se významně zvyšuje. Při převážně laminárním proudění, tj. při nižších hodnotách Reynoldsových čísel, je místní odpor filtrů ξ P poměrně vysoký a nepříznivý efekt nízkého stupně dezoxidace taveniny manganem a křemíkem, projevující se během odlévání a filtrace zvýšenou reoxidací (to znamená tvorbou nových termodynamicky méně stabilních vměstků) může být průtokem taveniny filtry ještě kompenzován. Z výsledků modelování hydraulických poměrů při průtoku kapaliny filtry dále plyne, že hodnoty výtokových součinitelů μ jsou u filtrů s přímými otvory jen málo závislé na hodnotách Reynoldsových čísel (obr. 2) a na základě experimentů lze předpokládat, že jejich vliv na účinnost filtrace nebude významný. Pokud jde o vliv kinematické viskozity taveniny oceli (reálný experiment) a vody (modelový experiment) je třeba poznamenat, že hodnoty nejsou zcela identické viz následující tabulka, Kinematická Model voda Dílo uhlíková ocel viskozita ν Teplota C Viskozita Literatura Teplota C Viskozita Literatura m 2.s , [7] , [6] takže kinematická viskozita vody byla během modelování asi 3,5krát nižší než kinematická viskozita oceli. 4. Závěr V příspěvku jsou předloženy výsledky zkoušek sledujících ověření způsobu (intenzity) proudění taveniny oceli a způsobu dezoxidace na účinnost její filtrace sérií keramických filtrů s přímými otvotry, tj. cedítkového typu. Z dosažených výsledků vyplynuly následující hlavní závěry: Bylo zjištěno, že účinnost filtrace taveniny oceli je významně závislá na způsobu její dezoxidace a na hydraulických poměrech při jejím průtoku keramickými filtry. Při nízkém stupni dezoxidace taveniny manganem a křemíkem a turbulentním proudění taveniny přímými otvory cedítkových filtrů (charakterizovaném hodnotou Reynoldsova čísla Re = 7767) bylo zjištěno, že filtrace taveniny je zcela neúčinná. Mikročistota filtrované oceli je horší než oceli nefiltrované. Při převážně laminárním proudění taveniny oceli o nízkém stupni dezoxidace Mn a Si, avšak charakterizovaném několikanásobně nižší hodnotou Reynoldsova čísla (Re = 2710), se účinnost filtrace za jinak stejných podmínek významně zvýší a mikročistota oceli filtrované jednotlivými typy filtrů je významně lepší než oceli nefiltrované. Při vysokém stupni dezoxidace taveniny oceli hliníkem a turbulentním proudění taveniny přímými otvory cedítkových filtrů (při Reynodsově čísle Re = 7767) bylo ve srovnání s převážně laminárním proudění (při Re = 2710) pozorováno pouze snížení účinnosti filtrace. Pozorované chování taveniny oceli o nízkém a vysokém stupni dezoxidace filtrované stejnou sérií filtrů různé keramické báze bylo objasněno s využitím modelování průtoku modelové kapaliny (vody) keramickými filtry. Vysoké hodnoty Reynoldsových čísel korespondují s nízkým místním odporem filtru a obráceně. 14

6 Hutnické listy č.1/2008 Výroba oceli Při nízkých stupních dezoxidace ocelí se zvyšuje intenzita reoxidačních procesů a vznikající vměstky jsou během průtoku taveniny filtrem tím méně adsorbovány, čím menší je vstupní odpor filtru. Na základě reálných experimentů s taveninou oceli a modelování lze očekávat, že procesy reoxidace, snižující filtrační účinky keramických filtrů, budou mít významnější vliv u filtrů s přímými otvory (cedítkových) než u filtrů pěnových, jejichž místní odpor je několikanásobně větší (viz obr. 1). Práce vznikla v rámci řešení grantového projektu reg. číslo 106/06/0393 za finanční podpory Grantové agentury ČR. Literatura [1] BELKO, J., STRÁNSKÝ, K. Analýza mikro filtrovaných ocelí. VTÚO Brno, 199, 7 s. [2] REK, A., STRÁNSKÝ, K. Filtrace tekuté oceli keramickými filtry část II. VTÚO Brno, 1999, 52 s. [3] BELKO, J., STRÁNSKÝ, K. Hodnocení mikro filtrovaných ocelí. VOP-026 Šternberk, divize VTÚO Brno, 2006, 11 s. [4] REK, A., STRÁNSKÝ, K. Filtrace tekuté oceli keramickými filtry, výsledky analýz část VII. VOP-026 Šternberk, divize VTÚO Brno, 2006, 55 s. [5] BELKO, J., STRÁNSKÝ, K. Hodnocení mikro filtrovaných ocelí. VOP-026 Šternberk, divize VTÚO Brno, 2007, 16 s. [6] MYSLIVEC, T. Fyzikálně chemické základy ocelářství. SNTL/ALFA, Praha, Bratislava, 1971, 448 s. [7] RAŽNJEVIČ, K. Termodynamické tabulky. Vydavatelstvo technickej a ekonomickej literatúry ALFA, Bratislava 1984, 313 s. [8] PŘÍHODA, M., BAŽAN, J., DOBROVSKÁ, J., JELÍNEK, P., JONŠTA, Z., VROŽINA, M. Nové poznatky z výzkumu plynulého odlévání ocelí. VŠB Technická univerzita Ostrava, FMMI, 2001, Ostrava, 175 s. ISBN Recenze: Prof. Ing. František Kavička, CSc. METAV 2008 v Düsseldorfu Mezinárodní veletrh pro výrobní techniku a automatizaci 31. března 4. dubna