VLIV POUŽÍVÁNÍ PÁNVOVÉ PECE NA ZVÝŠENÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ MARTENZITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ

Transkript

1 VLIV POUŽÍVÁNÍ PÁNVOVÉ PECE NA ZVÝŠENÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ MARTENZITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ THE INFLUENCE OF UTILIZATION LADLE FURNACE ON INCREASE PRODUCT CAPABILITIES MARTENSITIC CORROSION- RESISTING STEEL Luboš Procházka a Jana Vévodová a a POLDI Hütte s.r.o., Průmyslová 1343, Kladno, ČR, prochazka@poldi.cz, vevodova@poldi.cz Abstrakt Předkládaný příspěvek se zabývá zhodnocením dosavadního přínosu zavedení pánvové pece do provozu v POLDI Hütte s.r.o. V článku jsou popsány hlavně výsledky týkající se zvýšení užitných vlastností martenzitických korozivzdorných ocelí. Problematika technologie výroby martenzitických korozivzdorných ocelí zahrnuje především dosažení požadovaného chemického složení, mikročistoty, mechanických vlastností, příznivého fázového složení a jemnozrnné struktury. V článku jsou hodnoceny dosavadní výsledky asi čtyřiceti taveb. Z hodnocených taveb bylo 28 vyrobeno technologií s použitím LF. Zejména se zabýváme značkami AK1NI (W. Nr ) a AK4MO (W. Nr ). Jako přínos zavedení LF do provozu je spatřováno zlepšení mikročistoty a zvýšení hodnot vrubové houževnatosti u sledovaných značek martenzitických korozivzdorných ocelí. Dále pak optimalizace chemického složení. Detaily technologie jsou diskutovány dále v článku. Abstract Present paper deal with evaluation present contribution of ladle furnace implementation in production at POLDI Hütte s.r.o. In paper are described mainly results concerning the increase product capabilities martensitic corrosion-resisting steel. The problems technology of production martensitic corrosionresisting steels cover above all achievement required chemical composition, micro-cleanness, mechanical properties, convenient phase composition and fine grained structure. In paper are evaluate present data from forty meltings. From evaluated meltings was 28 melted with utilizatin of ladle furnace. Mainly we deal with marks of steel AK1NI (W. Nr ) and AK4MO (W. Nr ) now. As great contribution of ladle furnace implementation in production is seeing improvement of micro-cleanness and increase values of impact strenght at watching marks martensitic corrosion-resisting steel. And then optimalization of chemical composition. Details of the technology are discussed below in paper. 1. ÚVOD Stále rostoucí požadavky zákazníků na zvyšování užitných vlastností ocelí vedou k nutnosti zdokonalovat používané výrobní postupy, nebo zavádět nové pochody jako je např. využívání sekundární metalurgie. Touto cestou se vydala i firma POLDI Hütte s.r.o., když v loňském roce instalovala a uvedla do provozu pánvovou pec (dále LF). 1

2 V současné době je využívané vybavení ocelárny v POLDI Hütte s.r.o. následující: elektrická oblouková pec G - 25t, zařízení VOD/VD a LF. Při výrobě a zpracování uhlíkové oceli byly ověřeny následující poznatky [1]. Využíváním LF za současného dmýchání inertního plynu dochází k výraznému snížení obsahu oxidických i sulfidických vměstků a obsahu síry, a tím dochází ke zlepšení mechanických vlastností [1]. Následným vakuovým zpracováním, opět za současného dmýchání inertu, se zlepšují plastické vlastnosti uhlíkové oceli (tažnost, kontrakce a vrubová houževnatost). Vakuováním oceli se podstatně zmenšuje její náchylnost ke vzniku vloček a zároveň se snižuje obsah dusíku a oxidických vměstků [1]. Dmýcháním inertních plynů do oceli dosahujeme také lepší chemické i teplotní homogenity oceli [2]. Přesná specifikace požadovaných vlastností se mírně liší pro jednotlivé druhy ocelí. V následujících kapitolách bude stručně nastíněn postup hodnocení přínosu instalace LF do provozu ocelárny v POLDI Hütte, s.r.o. a uvedeny prvotní výsledky, kterých jsme dosáhli během rozsáhlého sledování od září roku POSTUP ŘEŠENÍ V rámci našeho sledování bylo celkem odlito 62 taveb 8 značek martenzitických AK ocelí, což činilo celkem 1604 t oceli. Z toho bylo 22 taveb zpracováno technologií redukční přetavby z toho 3 dokončené způsobem LF a VD (tzn. EOP LF VD) a 19 taveb dokončeno pouze na VD (tzn. EOP VD). Dále technologií EOP VOD bylo zpracováno 15 taveb, technologií EOP LF 12 taveb a technologií EOP VOD LF celkem 13 taveb. U jednotlivých značek jsou hodnoceny vlastnosti uvedené v tab. 1: Tabulka 1. Sledované vlastnosti martenzitických AK ocelí Značka chem. složení vrubová obsah delta velikost mikročistota POLDI W.Nr. hot. zboží houževnatost feritu austenit. zrna AK1DU ANO ANO ANO ANO ANO AK1NI ANO ANO ANO ANO ANO AK2S ANO ANO ANO ANO ANO AK4D ANO ANO NE NE NE AK4MO ANO ANO ANO ANO ANO AK4R ANO ANO NE NE NE AK9MO ANO ANO NE NE NE AKNIMO ANO ANO ANO ANO ANO Table 1. Watching characteristic of martensitic corrosion-resisting steels V současné době máme k dispozici výsledky zkoušek asi u 40 taveb a z nich vyplývají dále uvedené poznatky. Přednostně budou diskutovány výsledky získané zejména u značek AK4MO a AK1NI kde lze již vyhodnotit první závěry. 3. DOSAŽENÉ VÝSLEDKY 3.1 Chemické složení Rozdíl chemického složení tavebního vzorku a vzorku z hotového zboží Technologie vedení tavby u všech ocelí je navržena tak, aby byly dodrženy požadované obsahy všech prvků. Chemická analýza je prováděna u všech ocelí jak na tavebním vzorku, tak na vzorku z hotového zboží. 2

3 Slouží k ověření možné změny chemického složení výrobků v porovnání s tavební analýzou, která může být způsobena tvářením nebo nehomogenitou chemického složení tavebního vzorku [2]. U hodnot ze 40 taveb nebyly zjištěny žádné významné odchylky mezi tavební a hotovní analýzou jak u taveb s použitím LF tak u taveb vedených bez LF. To svědčí o uspokojivé chemické homogenitě materiálu Vliv aplikace LF na chemické složení Jak již bylo zmíněno v úvodu, obsah síry je jedním z určujících faktorů ovlivňujících mechanické vlastnosti oceli. V našem zkoumání bylo zjištěno, že obsahy síry byly zaznamenány nižší u technologií s použitím LF a to běžně pod 0,010% u oceli AK4MO, což dříve nebylo dosahováno, obsahy se vyskytovaly většinou v rozmezí 0,015-0,020%. Tuto skutečnost také dokumentuje obr. 1. LF byla plně používána od tavby Obr. 1: Vývoj obsahu síry v oceli AK4MO v závislosti na použití LF pece Změna obsahu síry Tavby s LF 0,018 Tavby bez LF Obsah S [%] 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0, Č. tavby (rok 2004, 2005) Fig. 1: Dependence of sulfur evaluation at steel W. Nr on LF utilization Další výhodou používání LF je možnost přesnějšího řízení zbytkového obsahu Al. Zejména se zaměřujeme na ocel AK4MO, protože zde jsou největší problémy s dosahováním vyhovujících hodnot vrubové houževnatosti. A optimalizace dezoxidace může vést i ke zlepšení mikročistoty. V době kdy byly používány ingoty od externích dodavatelů, bylo zjištěno, že obsah zbytkového Al byl u jednoho z dodavatelů v rozmezí 0,005 0,048% (nejčastěji se vyskytovaly hodnoty 0,017% a 0,035%) a u druhého dodavatele bylo dosahováno obsahu v rozmezí 0,007 0,023%. Oproti tomu v tavbách z ocelárny POLDI Hütte s.r.o. (technologie EOP-VOD) bylo dosahováno obsahu hliníku v oblasti 0,015 0,065% (nejčastěji se vyskytovala hodnota 0,04%) [2]. Vzhledem k chemickému složení oceli byl zřejmě zbytkový obsah hliníku příliš vysoký. Na základě těchto informací došlo k jeho úpravě vnitřním předpisem. Požadovaný obsah zbytkového hliníku byl snížen na 0,015 0,03%. Ovšem s dosažením takto úzkého rozmezí byly problémy. V současné době je při tavbách vedených s použitím LF dosahováno zbytkového obsahu Al 0,013 0,033%. 3

4 3.2 Mikročistota Hodnotí se dle norem ASTM E45 metoda A, a podle normy DIN50602 metody K1 a K4. Provedení je ve všech případech totožné, liší se metodika vyhodnocení (odlišné etalony) a charakter výsledku [2]. Vměstky typu silikátů se nevyskytovaly v hodnocených tavbách vůbec. Dezoxidační produkty křemíku jsou při teplotách výroby oceli kapalné a vzhledem k nízké měrné hmotnosti snadno vyplouvají do strusky a ocel neznečišťují. V ocelích se vyskytují křehké hlinitany, sulfidické vměstky protažené ve směru tváření a bodové oxidy (největší velikosti až 70 µm). Velikost vměstků až 70 µm je značná, proto se budeme muset pokusit optimalizovat dezoxidaci, abychom výskyt velkých vměstků eliminovali. Je nutno podotknout, že u oceli AK4MO došlo ke snížení výskytu jak sulfidických vměstků, tak oxidů řádkových, srovnáme-li tavby vedené s LF a bez ní. Stupeň výskytu silných sulfidických vměstků poklesl v průměru z 0,92 na 0,33. U tenkých sulfidických vměstků nedošlo k výrazné změně stupně výskytu vměstků v oceli. Co se týče hlinitanů tak u silných vměstků byl pokles stupně výskytu z 1,14 na 0,84 a u tenkých vměstků z 1,3 na 1,04. Mikročistota stanovovaná podle normy DIN je pro zákazníky s vyššími požadavky na užitné vlastnosti AK ocelí dle metody K1 povolená max. 10, což se blíží mikročistotě ocelí vyráběných technologií ESP [2]. Tomuto požadavku vyhovělo ze 40-ti hodnocených taveb (7 značek oceli) 28 taveb což je 70%. Z 12 nevyhovujících taveb byly pouze 4 vyráběny technologií s LF (z toho 2 byly úplně první tavby na LF, technologie výroby ještě nebyla zažitá). Z těchto důvodů můžeme očekávat ještě určitá zlepšení. 3.3 Velikost austenitického zrna Velikost austenitického (primárního) zrna je ovlivněna pouze technologií výroby oceli a podmínkami odlévání. Dalším zpracováním (tvářením za tepla a tepelným zpracováním) se jeho velikost nemění. Proto tento parametr dobře charakterizuje způsob výroby oceli, zejména dezoxidaci a nukleaci krystalizačních zárodků během odlévání [2]. V našem případě byla u 31hodnocených taveb velikost austenitického zrna 8 až 10 tzn. velmi jemnozrnná struktura. Oceli vyráběné technologií s LF nevykazují rozdílné parametry proti ocelím vyráběných klasickou technologií. 3.4 Zkoušky rázem v ohybu - vrubová houževnatost Zkoušky jsou prováděny dle ČSN EN na 3 zkušebních tělesech s V vrubem. Norma předepisuje do rozměru 160 mm podélnou orientaci zkušebních vzorků s osou tyče a nad rozměr 160mm orientaci příčnou. Značka AK1NI U značky AK1NI je požadována hodnota vrubové houževnatosti v podélném směru min. 20 J. U tří taveb oceli AK1NI vyrobených technologií EOP-VOD byly požadavky normy ČSN EN na hodnoty vrubové houževnatosti splněny. Z tab. 2 Je patrná značná anizotropie vrubové houževnatosti v příčném a v podélném směru. Hodnoty vrubové houževnatosti významně závisí na obsahu delta feritu ve struktuře, tj. na chemickém složení oceli. U tavby s nulovým obsahem delta feritu je vrubová houževnatost v podélném i v příčném směru minimálně dvojnásobná ve srovnání s tavbami s obsahem delta feritu 4% a 9%. Je zajímavé, že obsahuje-li ocel delta ferit, hodnoty vrubové houževnatosti (v příčném i v podélném 4

5 směru) se významně neliší. Dosahované hodnoty vrubové houževnatosti mimo jiné úzce souvisí i s obsahem delta feritu v oceli. Chemické složení taveb je v rámci normy upravováno s cílem eliminace delta feritu ve struktuře. Následně bude zjišťován vliv redukční rafinace na zařízení LF (technologie EOP-VOD-LF) na hodnoty vrubové houževnatosti s cílem snížit její anizotropii mezi podélnou a příčnou orientací. Tabulka 2 Dosahované hodnoty vrubové houževnatosti a obsah delta feritu u AK1NI č. tavby jakost delta Směr KV ferit odběru [%] [J] AK1NI 9 Q AK1NI 9 L AK1NI 0 Q AK1NI 0 L AK1NI 4 Q AK1NI 4 L 22 Pozn.: L podélný směr odběru zkoušky Q příčný směr odběru zkoušky Table 2 The values of impact strenght and content of delta ferrite at Značka AK4MO Před znovuobnovením provozu 25 t EOP G v ocelárně POLDI Hütte s.r.o. se ingoty značky AK4MO nakupovaly od externích oceláren (používajících technologii s LF) a se zaručováním vrubové houževnatosti na úrovni 14J nebyly významnější problémy [2]. Po zprovoznění EOP G a zařízení VOD byla výroba oceli této značky převedena na tato zařízení. Důsledkem bylo snížení dosahovaných hodnot vrubové houževnatosti na typické hodnoty 7 11J [2]. Po zprovoznění LF (tzn. tavby byly prováděny technologií EOP-VOD-LF) se hodnoty zvýšily na příznivějších 14 17J. To je mimo jiné, pravděpodobně způsobeno i lepší mikročistotou. Je možné, že právě poslední výsledky jsou výrazně ovlivňovány příznivým vývojem obsahu síry, sníženým výskytem sulfidických a oxidických vměstků. Obdobné výsledky byly prokázány i u uhlíkových ocelí, jak bylo zmíněno v úvodu. V porovnání s ostatními výrobci jsou v námi dosahovaných hodnotách vrubové houževnatosti ještě rezervy. Proto byl výzkum a optimalizace technologie výroby zaměřeny také na oblast kování a tepelného zpracování. Nebyl prokázán vliv technologie kování (stupeň prokování, kovací agregát, tvářecí teploty) na dosahované hodnoty vrubové houževnatosti. Bylo zjištěno, že dosahované hodnoty vrubové houževnatosti závisí na struktuře materiálu po zušlechtění. Z hodnocení přeražených vzorků ze zkoušky vrubové houževnatosti jednoznačně vyplynulo, že u materiálu kde se vyskytuje pouze popuštěný martenzit je dosahováno výrazně vyšších hodnot vrubové houževnatosti obr. 2 (KV = 17J) než u materiálu obsahujícího kromě popuštěného martenzitu také alfa ferit, příp. karbidy umístěné i po hranicích zrn obr. 3 (KV = 6J). Tato skutečnost poukazuje na to, že bude nutné provést i změny v oblasti tepelného zpracování oceli AK4MO a to zvýšit teplotu, resp. dobu austenitizace. 3.6 Tvařitelnost U rychlokovacích strojů (v našem případě SXP 16 a SXL 40), vzhledem k příznivému stavu napjatosti při kování, nás případná zhoršená tvařitelnost výrazně neomezuje. 5

6 Při kování u lisů (lis VÖEST 700t a CKW 1600t) mohou vznikat trhliny vlivem špatné tvařitelnosti materiálu. V současné době nebyl zaznamenán výrazný vliv zavedení LF na tvařitelnost martenzitických AK ocelí vyráběných v POLDI Hütte s.r.o., tj. nedošlo k nárůstu nejakostní výroby z titulu špatné tvařitelnosti. Obr. 2 Popuštěný martenzit AK4MO Fig. 2 Tempered martensite Obr. 3 Popuštěný martenzit+ferit+ karbidy i po hranicích zrn AK4MO 4. ZÁVĚR Fig. 3 Tempered martensite+ferrite+carbide on grain boundry Z uvedených výsledků vyplývá, že zavedení LF do provozu vykazuje již své první pozitivní důsledky. To se zejména projevuje na snížení obsahu síry v tavbách vedených technologií s použitím LF. Nejnižší obsahy síry se nyní pohybují v rozmezí 0,005 0,01%. Co se týče mikročistoty, je i zde spatřováno jisté zlepšení, to se týká snížení obsahu sulfidických vměstků a řádkových hlinitanů. 6

7 Dříve nemohly být námi vyráběné oceli značky AK4MO z důvodu nízkých hodnot vrubové houževnatosti uplatňovány na zakázky. Proto je největší přínos spatřován právě ve zlepšení dosahované vrubové houževnatosti u oceli AK4MO až na 17J. Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. Projekt ev. č. FI-IM/087. LITERATURA [1] Gregorová, S., Bažan, J., Martínek, L.:Vliv výroby a zpracování uhlíkové oceli na její čistotu a mechanické vlastnosti. In Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Rožnov pod Radhoštěm, dubna 2004, Tanger, spol. s r.o., Ostrava, s , ISBN [2] Procházka, L.: Roční zpráva projektu ev. č. FI-IM/087 Výzkum a vývoj metalurgie výroby a technologie zpracování martenzitických korozivzdorných ocelí se zvýšenými užitnými vlastnostmi, POLDI Hütte, s.r.o, 2004, 49s. 7