SOUČASNÝ STAV A PERSPEKTIVY V TECHNOLOGII VÝROBY SCS VE ŽĎAS, a.s. ACTUAL VIEW AND PERSPECTIVE OF SUPER CLEAN STEEL PRODUTION AT ŽĎAS, a.s.

Transkript

1 SOUČASNÝ STAV A PERSPEKTIVY V TECHNOLOGII VÝROBY SCS VE ŽĎAS, a.s. ACTUAL VIEW AND PERSPECTIVE OF SUPER CLEAN STEEL PRODUTION AT ŽĎAS, a.s. Martin BALCAR a), Ludvík MARTÍNEK a), Pavel FILA a), Jaroslav NOVÁK a), Jiří BAŽAN b) Danijela Anica SKOBIR c), Matjaž GODEC c) a) b) c) ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, Česká republika VŠB TU Ostrava, Česká republika IMT Ljubljana, Slovenia Abstrakt Výroba superčistých ocelí (SCS) pro výkovky rotorů kompresorů a generátorů jednotky plynové turbíny byla ve ŽĎAS, a.s., při uplatnění procesů sekundární metalurgie, pánvové pece LF a vakuového zpracování oceli VD, zahájena v roce Vývoj a optimalizace technologie výroby superčistých ocelí umožňuje efektivní produkci tekutého kovu při splnění požadavků na chemické složení a metalografickou čistotu. Efektivní produkce výkovků rotorů podle výsledků současné produkce vyžaduje realizaci opatření v oblasti odlévání ingotů. Perspektivní prvek k zajištění spolehlivé výroby ingotů ze superčistých ocelí bude zřejmě filtrace tekutého kovu při odlévání. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu E!3192 ENSTEEL identifikační číslo 1P04EO169 za finanční podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. Abstract The production of Super Clean Steels for rotor forgings of compressors and generators for the gas turbine unit was commenced at ŽĎAS, a.s. in 2003 with using the secondary metallurgy processes, the Ladle Furnace and Vacuum Degassing. The development and optimisation of Super Clean Steel production technology enables effective fluid metal manufacture conforming to the requirements for chemical composition and metallographical purity. According to the results of current production, the effective producing of rotor forgings requires to take new technological steps in the case of ingot casting. The perspective element to ensure a reliable production of Super Clean Steel ingots will apparently be fluid metal filtration in the process of casting. The investigations were performed within the EUREKA program of the E!3192 ENSTEEL project, identification number 1P04EO169. The project was founded partially by financial support of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic ÚVOD Od zahájení výzkumného a vývojového projektu zaměřeného na produkci výkovků super čistých ocelí uplynuly 3 roky a k pozitivním výsledkům řešení projektu lze řadit rostoucí produkci výkovků rotorů ze super čistých ocelí ve ŽĎAS, a.s. 1

2 Rotory spadají do oblasti středně těžkých výkovků určených pro zařízení na výrobu elektrické energie, plynových turbin typu GT 009 o maximálním výkonu 11,7 MW a teplotou plynu na výstupu 450 až 580 C. V rámci produkce ověřovací série výkovků rotorů kompresoru a generátoru byly provedeny odběry vzorků oceli z procesu tváření kovářských ingotů velikosti 8K10.0 a 8K13.0 materiálu jakosti 26NiCrMoV115 vyrobené v podmínkách ŽĎAS, a.s. Analýzy a hodnocení výsledků chemického složení provedené jednak z pohledu dosažených parametrů chemické čistoty a jednak z hlediska možného vlivu lití a tuhnutí na odchylky chemického složení mezi tavební zkouškou a výkovkem umožňují posoudit stabilitu procesu výroby i z hlediska poskytovaných výstupů provedených měření. V rámci prací byly rovněž odebrány vzorky z kusů výkovků nevyhovujících ultrazvukové zkoušce a provedeny analýzy materiálu z místa výskytu vad. Metalografická měření a stanovení chemického složení nekovových částic poskytují dostatečné informace o možných příčinách vzniku vad. CHEMICKÉ SLOŽENÍ VÝKOVKŮ ZE SUPER ČISTÝCH OCELÍ Požadavky na chemické složení SCS oceli rotoru kompresoru a generátoru uvádí tabulka 1 a předpis pro disky oběžných kol tabulka 2. Tab. 1. Předpis chemického složení oceli 26NiCrMoV115 Tab. 2. Předpis chemického složení oceli 26NiCrMoV145 Průměrné dosahované hodnoty obsahu legujících a doprovodných prvků u 87 taveb jakosti 26NiCrMoV115 (A) a 19 taveb jakosti 26NiCrMoV145 (B) stanovené z tavební zkoušky uvádí tabulky 3 a 4. Tab. 3. Dosahované hodnoty koncentrace prvků taveb jakosti oceli 26NiCrMoV115 Tab. 4. Dosahované hodnoty koncentrace prvků taveb jakosti oceli 26NiCrMoV145 2

3 Z běžné produkce výkovků bylo stanoveno kompletní chemické složení pro 44 vzorků oceli z výkovku tedy pro 44 ingotů z různých taveb jakosti 26NiCrMoV115. Následující obrázky 1 až 4 dokumentují rozložení dosažených koncentrací u vybraných prvků: P, S, O 2 a N 2. Pro sledovaných 44 taveb byl vypočten průměrný obsah fosforu 37,1 ppm a směrodatná odchylka 7,65 ppm. Hodnoty se pohybují v rozpětí od 20 do 60 ppm. Průměrný obsah síry u sledovaných taveb byl 29,3 ppm v rozpětí od 10 do 50 ppm. Směrodatná odchylka je 12,08 ppm. Obr. 1: Koncentrace fosforu - výkovek Obr. 2: Koncentrace síry - výkovek Četnost rozložení zjištěného obsahu kyslíku na obrázku 3 vykazuje normální rozdělení s odchýlenými hodnotami v rozpětí 0,0026 až 0,0032 hm. %. Byl vypočten průměrný obsahu kyslíku 20,6 ppm při směrodatné odchylce 4,56 ppm. Hodnoty obsahu kyslíku byly sledovány v rozpětí od 14 do 32 ppm. Pro obsahu dusíku na obrázku 4 byla stanovena průměrná hodnota dusíku 64,0 ppm při směrodatné odchylce 11,36 ppm. Hodnoty obsahu dusíku ve výkovku se pohybovaly v rozpětí od 34 do 84 ppm. [1] Obr. 3: Koncentrace kyslíku výkovek Obr. 4: Koncentrace dusíku - výkovek 3

4 SHODA TAVEBNÍ ANALÝZY CHEMICKÉHO SLOŽENÍ S ANALÝZOU VÝKOVKU Výsledky měření chemického složení vzorku oceli z výkovku byly společně s výsledky měření vzorku z tavby statisticky zpracovány s cílem ověření shody v obou případech zjištěného chemického složení. Byla provedena korelační analýza získaného datového souboru a výsledné korelační koeficienty jednotlivých sledovaných prvků byly podle velikosti sestupně seřazeny. Výsledné pořadí prvků včetně korelačních koeficientů uvádí tabulka 5. Tab. 5. Korelační koeficienty prvků (tavební vzorek vs. výkovek) Z tabulky je zřejmé, že shodu chemického složení výkovku se stanoveným konečným chemickým složením tavby ovlivňuje místo odběru. Uvážíme-li polohu analyzovaného vzorku v části těla pod hlavou ingotu, tedy v místě s největším průřezem, ingotu a současně místě posledního tuhnutí těla ingotu, lze očekávat, že s ohledem na jev segregace doprovázející tuhnutí ingotu, mohou být ovlivněny koncentrace některých prvků. Uvedený předpoklad potvrzuje pořadí korelačních koeficientů chrómu, vanadu a molybdenu, tedy prvků, které společně s uhlíkem tvoří karbidy. Vysoký stupeň segregace vykazuje fosfor, síra a vzhledem k vzájemné afinitě lze předpokládat i odmíšení dusíku společně s hliníkem. Nejnižší korelační koeficienty podle tabulky 5 byly vypočteny pro plyny, kyslík a dusík, přičemž pro koncentrace kyslíku vychází korelační koeficient prakticky nulový. Následující obrázky 5 až 8 dokumentují skutečnou závislosti pro vybrané prvky: vápník, hliník, dusík a kyslík. Obr. 5: Vápník tavební vs. výkovku Obr. 6: Hliník tavební vs. výkovek 4

5 Obr. 7: Dusík tavební vs. výkovek Obr. 8: Kyslík tavební vs. výkovek Významná neshoda měřených koncentrací kyslíku zřejmě souvisí jednak s procesem lití a tuhnutí a jednak se způsobem odběru vzorku kovu pro tavební analýzy kyslíku a dusíku. Odběr vzorku se provádí odebráním malého množství taveniny z proudu kovu pod šoupátkovým uzávěrem rafinační pánve do ocelové naběračky z níž se pak kov znovu přelévá do ocelové kokilky. Přitom dochází k značnému kontaktu taveniny s okolní atmosférou, což vytváří dobré podmínky pro nasycení hluboce odplyněné taveniny kyslíkem a dusíkem. Za reálnou považujeme v případě obsahu kyslíku koncentraci stanovenou chemickou analýzou vzorku odebraného z výkovku. Na základě měření a analýzy výsledků lze diskutovat potenciál řízení chemického složení oceli a možnost ověření dosažených koncentrací jednotlivých prvků již při výrobě tekutého kovu. Problematická se v rámci výroby tekutého kovu ve vztahu k výslednému výkovku ukazuje zejména predikce koncentrace plynů, kyslíku a dusíku. Současnou metodiku odběru tavebních vzorků přeléváním pro stanovení obsahu plynů v oceli typu 26NiCrMoV115 a 26NiCrMoV145 lze považovat za zcela nevyhovující. Řešením problematiky lze spatřovat v realizaci zařízení, umožňující odběr vzorku při eliminaci zmiňovaných vlivů, nejlépe tady ponorně a to nejen z pánve na konci zpracování tekutého kovu procesem VD resp. VCD ale i z ingotu, ať už v průběhu a nebo po ukončení odlévání. METALOGRAFICKÁ ČISTOTA VÝKOVKŮ ZE SUPER ČISTÝCH OCELÍ Pro sledovaných 44 taveb byla z totožných vzorků jako v předchozím případě a pro dalších 10 taveb z obdobným způsobem odebraných vzorků, tedy celkem pro 54 taveb, stanovena metalografická čistota oceli dle DIN metoda K4. Rozložení četností zjištěných hodnot mikročistoty dle DIN metodou K4 uvádí histogram na obrázku 9 s proložením křivkou normálního rozdělení s vyloučením extrémních hodnot K4 > 20. 5

6 Pro sledovaných 54 taveb byla vypočtena průměrná hodnota mikročistoty K4 = 6,3 při směrodatné odchylce 5,61. Hodnoty K4 byly v rámci datového souboru sledovány v rozpětí od 0 do 29. Hodnoty K4 > 10 lze považovat z hlediska současných požadavků kladených na čistotu oceli za zhoršené a hodnoty K4 > 20 za nevyhovující. Takto stanovené meze jsou ovšem relativní a vychází z předpokladu, že zhoršující mikročistota výrazně ovlivní mechanické vlastnosti, zejména pevnostní charakteristiku a přechodovou teplotu nebo schopnost materiálu odolávat namáhání v podmínkách creepu. Podle takto stanovených měřítek konstatujeme, že velmi dobrá mikročistota byla zjištěna u 45 taveb z 54 analyzovaných, což představuje 83,3 % produkce. Zhoršené hodnoty mikročistoty vykazuje 6 taveb, což představuje 11,1 % produkce a za nevyhovující lze považovat mikročistotu 3 taveb tedy 5,6 % produkce super čistých ocelí. I přes zhoršené parametry metalografické čistoty oceli některých taveb, vyhověly výkovky požadovaným zkouškám mechanických vlastností a to bez zvláštních opatření v režimu tepelného zpracování. Dosahovanou metalografickou čistotu Obr. 9: Hodnoty mikročistoty DIN50602 metoda K4 - výkovek superčistých ocelí lze tady z tohoto hlediska považovat za přijatelnou, přičemž cílem by mělo být zajištění hodnot K4 max. 10. Opatřením pro zajištění požadované čistoty může být optimalizace struskového režimu nebo jeho případná změna. Z příčin výskytu exogenních vměstků nelze vyloučit ani technologii odlévání včetně problematiky licí keramiky. ANALÝZA PŘÍČIN VÝSKYTU VAD U VÝKOVKŮ ZE SUPER ČISTÝCH OCELÍ Do roku 2006 bylo vyrobeno celkem 122 hřídelů z toho bylo 18 ks hřídelů označeno za nevyhovující vzhledem k výskytu nežádoucích ultrazvukových vad. Na celkovém počtu vyrobených hřídelů se tak nevyhovující kusy podílí 14,8 %. Celkem bylo vyrobeno 63 kusů hřídelů z ingotů 8K10,0 a 59 hřídelů z ingotu 8K13,0, přičemž 10 kusů nevyhovujících hřídelů bylo vyrobeno z ingotů 8K10,0 a dalších 8 kusů nevyhovujících hřídelů z ingotů 8K13,0. Vadné výkovky byly podrobeny metalografickému šetření a výsledek analýzy výkovku č hřídele rotoru generátoru dokumentuje následující přehled. Výsledek zkoušky ultrazvukem: Hřídel na průměru 270 mm od paty ingotu (viz obrázek) NEVYHOVUJE zkoušce UZ provedené na hrubovaném kusu před vrtáním průchozí díry průměru 95mm. Po vyvrtání díry průměru 95mm byl předpoklad odstranění vad. Po odvrtání středové části kusu a tepelném zpracování byla detekována plošná vada KSR 1 až 4 mm v hloubce 60 až 75 mm. [8] 6

7 Obr. 10: Vadná hřídel rotoru generátoru výkovek č Obr. 11: Detail rozsahu a umístění vady hřídele rotoru generátoru výkovek č Z výkovku byl odebrán vzorek v příčném směru a opakovanou zkouškou ultrazvukem byla určena přesná poloha vady. Ze stanoveného místa byl odebrán vzorek pro metalografickou analýzu a po provedení řezu v místě výskytu vady v podélném směru k ose původního výkovku bylo v celé délce vzorku (24 mm) objeveno souvislé znečištění nekovovými vměstky v šířce 1 mm. Makrostrukturu v místě výskytu vady dokladuje obrázek 12. Obr. 12: Makrostruktura vzorku v místě výskytu vady výkovek č

8 Obr. 13: Vzhled velkého pruhu znečištění Obr. 14: Vedle velkých pruhů znečištění se vyskytují také kratší řádky oxidů. Mikrostruktura oceli byla tvořena převážně sorbitem a dále bainitem. [9] Další analýzy vady byly provedeny ve spolupráci s Institute of Metals and Technology Ljubljana. [10] K analýze totožného vzorku byly využity emisní, elektronový mikroskop JEOL JSM 6500F a energeticky disperzní spektroskop EDS INSA CRYSTAL

9 Obr. 15: Analýza nekovového materiálu ve vzorku oceli Tab. 6. Chemické složení spekter analyzovaného vzorku dle obr. 60 Spektrum 1 pořadí prvků: Cr > Fe > Al > Mg > Si Spektrum 2 pořadí prvků: Si > Mn > Al > Mg > Na > Ca > K > Ti > Cr Spektrum 3 pořadí prvků: Cr > Mn > Al > Mg > Fe > V > Ti > Si Spektrum 4 pořadí prvků: Si > Mn > Al > Na > Ca > Mg > Fe > K + O + O + O + O Pro porovnání výsledků analýzy chemického složení vměstků bylo provedeno stanovení chemického složení nekovových keramických materiálů použitých při výrobě oceli: Tab. 7. Chemické složení nekovových materiálu ve výrobě oceli 9

10 Porovnáním výsledků analýzy z tabulky 6 a tabulky 7 analýzy označené spektrum 2 a spektrum 4 lze podle výskytu a koncentrace základních prvků Si, Na, K považovat za analýzy vměstků na bázi licího prášku PC20. Chemicky odlišná jsou spektra 1 a 3, která z hlediska chemického složení odpovídají zásypovému šoupátkovému písku Chromix 8/5. Obdobné závěry byly učiněny v dalších 6 případech nevyhovujících hřídelů. Z popisu a souboru dat chemického složení nečistot nalezených ve výkovcích hřídelů z oceli 26NiCrMoV115 stanoveného s využitím emisního elektronového mikroskopu JEOL JSM 6500F a energeticky disperzního spektroskopu EDS INSA CRYSTAL 300 konstatujeme hlavní příčinu nepřijatelných vad výkovků výskyt nekovových částic s chemickým složením, které odpovídá licímu prášku PC 20 a zásypovému písku šoupátkového uzávěru Chromix 8/5. Stanovení reálných příčin výskytu uvedené kombinace nekovových materiálů v ingotu, resp. výkovku je předmětem dalších zkoušek. ZÁVĚR Provedené práce hodnotí produkci superčistých ocelí ve ŽĎAS, a.s, z hlediska chemického složení, stanovením četnosti obsahu fosforu, síry, kyslíku a dusíku. Provedeno bylo porovnání výsledku chemického složení z konečné tavební analýzy a chemického složení z výkovku. Chemické složení koreluje pro všechny prvky kromě obsahu dusíku a zejména kyslíku. Problematiku je třeba řešit změnou v metodice odběru vzorků z tekuté oceli pro stanovení obsahu plynů. Na základě hodnocení mikročistoty oceli dle DIN metodou K4 konstatujeme, že velmi dobrá mikročistota K4 < 10 byla zjištěna u 45 taveb z 54 analyzovaných, což představuje 83,3 % produkce. Na základě provedených metalografických šetření a analýz s využitím elektronového mikroskopu bylo k nevyhovující produkci rotorů konstatováno, že ze 7 ks rotorů bylo 6 ks nevyhovujících z důvodů přítomnosti ojedinělých masivních až 15mm dlouhých řádků shluku nekovových částic v kompozitní skladbě 2 fází - licího prášku a chromitového písku (Cr 2 O 3 ) používaného pro zásyp šoupátkového uzávěru rafinační pánve. Opatřením pro zajištění stabilních hodnot metalografické čistoty a zamezení výskytu exogenních vměstků může být optimalizace struskového režimu nebo jeho případná změna a zásahy v technologii odlévání včetně řešení problematiky licí keramiky a realizace filtrace oceli. LITERATURA [1] Balcar, M., Bažan, J., Martínek, L.: Výzkum vlivu doby a způsobu argonování před vlastním odléváním na čistotu oceli. Minimalizace plynů ve finální oceli. Dílčí zpráva k řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL. Žďár nad Sázavou, s. [2] Balcar, M., Železný, R., Martínek, L., Bažan, J. a kol: Modelling of solidification process and chemical heterogeneity of 26NiCrMoV115 steel ingot. 7 th International Symposium Materials and Metallurgy, Croatia, Šibenik, 2006, METALURGIJA 45/2006-3, s. 229, (ISSN ) 10

11 [3] Bažan, J., Socha, L.: Evaluation of corrosion of refractory materials by molten steel. 7 th International Symposium Materials and Metallurgy, Croatia, Šibenik, 2006, METALURGIJA 45/2006-3,.s 232, (ISSN ) [4] Skobir, D, A, Godec, M., Jenko, M.: Characterization of the non-metallic inclusions in as-cast and forged steel 26NiCrMoV145 for power devices. 14 th Conference on Materials and Technology, October, 2006 Portoroz, Slovenia. [5] Balcar, M., Železný, R., Martínek, L., Bažan, J. a kol: Modelling of solidification process and chemical heterogeneity of 26NiCrMoV115 steel ingot. 14 th Conference on Materials and Technology, October, 2006 Portoroz, Slovenia. [6] Bažan, J., Stránský, K. Melt flowing during flow through ceramic filters. 14 th Conference on Materials and Technology, October, 2006 Portoroz, Slovenia. [7] Fila, P., Balcar, M., Martínek, L.: Náhled na oblast neúplných vlastních náklady ve vazbě na některé technologické postupy výroby elektrooceli. 22. celostátní konference se zahraniční účastí: Teorie a praxe výroby a zpracování oceli dubna Rožnov pod Radhoštěm. Tanger spol. s.r.o. Ostrava s (ISBN ) [8] Protokol o ultrazvukové zkoušce 1962/2006. ŽĎAS, a.s. Žďár nad Sázavou [9] NOVÁK, J. : U 4394 Analýza a rozbor indikovaných vad UZ u výkovků hřídelí kompresorů č a , materiál 26NiCrMoV115 (č.sd. 60/2006). Nepublikované výsledky. ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou 2006, 14 s. [10] Skobir, D. A., Godec, M.: EUREKA ENSTEEL E!3192 Mid-term review report. Nepublikované výsledky. IMT Ljubljana, Slovenia. 2006, 41 s. 11