SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH ODLITKŮ studijní opora

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství SLÉVÁRENSTVÍ OCELOVÝCH ODLITKŮ studijní opora Libor Čamek Ostrava 2013

2 Recenzent: doc. Ing. Rudolf Kořený, CSc. Název: Slévárenství ocelových odlitků Autor: doc. Ing. Libor Čamek, Ph.D. Vydání: první, 2013 Počet stran: 144 Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/ Libor Čamek VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN

3 Obsah PREREKVIZITY 5 1. ÚVOD DO HISTORIE VÝROBY ŽELEZA AŽ DO SOU ASNOSTI. ZÁKLADNÍ PARAMETRY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ A ELEKTRICKÝCH INDUK NÍCH PECÍ Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli Tavící agregáty ve slévárnách oceli 9 2. ZÁKLADY TERMODYNAMIKY OCELÁ SKÝCH POCHOD. ROZTOKY ROZTAVENÝCH KOV, NEKOV A PLYN V ŽELEZE Základy termodynamiky ocelá ských pochod Roztoky roztavených kov, nekov a plyn NORMY A SORTIMENT OCELÍ NA ODLITKY. KONSTRUK NÍ OCELI NA ODLITKY. SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY KOROZIVZDORNÉ. SPECIÁLNÍ OCELI NA ODLITKY VZDORUJÍCÍ OPOT EBENÍ Normy a sortiment ocelí na odlitky Konstruk ní oceli na odlitky Korozivzdorné oceli Speciální oceli na odlitky vzdorující opot ebení KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ OBLOUKOVÉ PECE (EOP). VYZDÍVKY ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍ. VÝVOJ TECHNOLOGIE EOP Konstrukce a tepelný režim práce elektrické obloukové pece Vyzdívky elektrických obloukových pecí Vývoj technologie EOP VÝROBA NELEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V ZÁSADITÝCH EOP. PR H JEDNOTLIVÝCH TECHNOLOGICKO-METALURGICKÝCH FÁZÍ. PRAXE VEDENÍ TAVBY Technologie výroby nelegovaných ocelí Oprava pece a sázení Tavení vsázky Oxida ní údobí Údobí dohotovení (dezoxidace, rafinace, reduk ní údobí) Praxe vedení tavby TECHNOLOGIE VÝROBY LEGOVANÝCH OCELÍ NA ODLITKY V ZÁSADITÝCH EOP. FUNKCE HLAVNÍCH TERMODYNAMICKÝCH PODMÍNEK METALURGICKÝCH POCHOD Rozd lení ocelí na odlitky Vliv jednotlivých prvk p i výrob oceli v zásadité elektrické obloukové peci Výroba nízkolegovaných ocelí v zásadité obloukové peci Výroba vysokolegovaných korozivzdorných ocelí na zásaditých obloukových pecích Základy výroby korozivzdorných ocelí Funkce hlavních termodynamických podmínek metalurgických pochod INTENZIFIKACE VÝROBY OCELI V EOP. SOUDOBÉ VÝVOJOVÉ TRENDY VÝROBY OCELI V EOP. 79 3

4 7.1 Vývoj za ízení a technologie používané v elektrických obloukových pecích Soudobé vývojové trendy ve výrob oceli v EOP Intenzifika ní opat ení na elektrických obloukových pecích Intenzifikace výroby oceli ve slévárnách VÝROBA OCELI V KYSELÝCH EOP. P EDNOSTI KYSELÝCH EOP OPROTI ZÁSADITÝM EOP Výroba oceli v kyselých obloukových pecích Výrobní zp soby v kyselých obloukových pecích Aktivní pochod Pasivní pochod P ednosti kyselých elektrických obloukových pecí KONSTRUKCE A TEPELNÝ REŽIM PRÁCE ELEKTRICKÉ INDUK NÍ PECE ST EDOFREKVEN NÍ (EIP). DUSACÍ ŽÁRUVZDORNÉ HMOTY EIP. PRAXE VEDENÍ TAVBY Výroba oceli na odlitky v elektrických induk ních pecích Elektrické induk ní pece kelímkové st edofrekven ní Konstrukce a za ízení elektrické induk ní pece st edofrekven ní Dusací žáruvzdorné hmoty EIP Praxe vedení tavby TECHNOLOGIE VÝROBY NELEGOVANÝCH A LEGOVANÝCH OCELÍ V EIP Výroba nelegovaných a nízkolegovaných ocelí na kyselé výdusce Výroba vysokolegovaných ocelí na kyselé výdusce Výroba oceli se zásaditou a vysocehlinitanovou výduskou DEZOXIDACE OCELI V LICÍ PÁNVI A ODLÉVÁNÍ. ZÁV RE NÁ DEZOXIDACE OCELI V PÁNVI A JEJÍ VLIV NA VLASTNOSTI OCELI Dezoxidace oceli v pánvi a odlévání Záv re ná dezoxidace oceli v pánvi a její vliv na vlastnosti oceli MOŽNOSTI SEKUNDÁRNÍ METALURGIE VE SLÉVÁRNÁCH OCELI. POUŽITÍ JEDNOTLIVÝCH METOD A PRINCIPY JEDNOTLIVÝCH POSTUP SEKUNDÁRNÍ METALURGIE Metody sekundární metalurgie Použití jednotlivých metod a principy jednotlivých postup sekundární metalurgie VADY OCELOVÝCH ODLITK. P INY VZNIKU JEDNOTLIVÝCH DRUH VAD A MOŽNOSTI JEJICH ODSTRAN NÍ Vady odlitk P iny vzniku jednotlivých druh vad a možnosti jejich odstran ní KTERÉ MOŽNOSTI VYUŽITÍ NÁKLADOVÉ ANALÝZY K ÍZENÍ VÝROBY OCELI. METODA ROZDÍLOVÉ KALKULACE, NEÚPLNÝCH VLASTNÍCH NÁKLAD. VYUŽITÍ NÁKLAD K ÍZENÍ VÝROBY Využití nákladové analýzy k ízení výroby Kalkulace náklad Metoda rozdílové kalkulace Metoda neúplných vlastních náklad Využití nákladových model k ízení výroby Využití nákladových model p i ízení náklad ve výrob 142 4

5 POKYNY KE STUDIU Slévárenství ocelových odlitk Pro p edm t Slévárenství ocelových odlitk 3. semestru magisterského studijního oboru Moderní metalurgické technologie jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. Prerekvizity edm t nemá žádné prerekvizity. Cílem p edm tu a výstupy z u ení Cílem p edm tu je seznámení a p edání student m širší teoretické a praktické znalosti z technologie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukových pecích a v elektrických induk ních st edofrekven ních pecích. Seznámit studenty s možnostmi zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie, p inami vzniku jednotlivých druh vad ocelových odlitk a možnostmi využití nákladové analýzy k ízení výroby. Po prostudování p edm tu by m l student být schopen: výstupy znalostí: - student bude um t charakterizovat technologii výroby oceli na odlitky v elektrických pecích obloukových a induk ních st edofrekven ních pecích - student bude um t vysv tlit význam zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie a základní p iny vzniku jednotlivých druh slévárenských vad výstupy dovedností: - student bude um t využít svých znalostí k rozhodnutí o vhodnosti technologických a metalurgických postup p i výrob oceli na odlitky - student bude um t použít své teoretické poznatky k návrh m úprav technologie výroby oceli na odlitky ve slévárenské praxi Pro koho je p edm t ur en edm t je za azen do magisterského studia obor Metalurgické technologie, studijního programu Moderní metalurgické technologie. Studijní opora se d lí na ásti, kapitoly, které odpovídají logickému d lení studované látky, ale nejsou stejn obsáhlé. P edpokládaná doba ke studiu kapitoly se m že výrazn lišit, proto jsou velké kapitoly d leny dále na íslované podkapitoly a t m odpovídá níže popsaná struktura. 5

6 i studiu každé kapitoly doporu ujeme následující postup student si vymezí asový prostor pro studium, student se seznámí s textem cíle kapitoly, student pozorn prostuduje celý text kapitoly, podle získaných v domostí si student ujasní shrnutí pojm z kapitoly, Slévárenství ocelových odlitk svoje v domosti ze studia kapitoly použije p i nácviku odpov dí na otázky, p ípadn podle pot eby opakuje studium výkladu. Zp sob komunikace s vyu ujícími: Základním úkolem student bude vypracování semestrálního projektu na zadané téma - z oblasti technologie a metalurgie výroby oceli na odlitky v elektrických obloukových pecích a induk ních st edofrekven ních pecích, - posouzení významu zpracování oceli na odlitky v oblasti sekundární metalurgie a p iny vzniku jednotlivých druh vad ocelových odlitk a možnosti jejich odstran ní. Projekt bude kontrolován vyu ujícím do 14 dn po odevzdání a výsledky budou student m zaslány em prost ednictvím IS. Absolvování zápo tového testu - výsledky zápo tového testu budou student m sd leny po jeho absolvování. Na za átku semestru p i prvním kontaktu se studenty budou jednotlivé okruhy požadavk na studenty up esn ny, v etn možností a zp sob konzultací student a p ípadn jejich dalších návrh a pot eb. Kontakt - garant p edm tu libor.camek@vsb.cz tel , Úvod do historie výroby železa až do sou asnosti. Základní parametry elektrických obloukových pecí a elektrických induk ních pecí. as ke studiu: 100 minut Cíl Po prostudování této kapitoly seznámíte se s historií vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli ujasníte si postupný vývoj hutních provoz až do sou asnosti budete znát základy výroby železa pochopíte ú el a funkci tavících agregát ve slévárnách oceli budete seznámeni se základními charakteristikami jednotlivých ástí elektrické obloukové pece a induk ní pece pochopíte funkci technologického a informa ního toku p i výrob a odlévání oceli 6

7 Výklad 1.1 Po átky vzniku fyzikáln chemických základ výroby oceli Vývoj výroby oceli probíhal po celá staletí a empirické poznatky byly p edávány z generace na generaci. V první polovin minulého století byly formulovány fyzikáln chemické základy výroby oceli. Výroba oceli p estala být závislá na empirii a je vybudována na v deckých základech. V odborné eské literatu e shrnul tyto poznatky prof. T. Myslivec v knize Fyzikáln chemické základy ocelá ství, takto vznikla u ebnice pro n kolik generací eských a slovenských metalurg. U sou asné generace metalurg nelze o ekávat pouze znalost zd ných technologii, ale schopnost tv ím zp sobem využívat fyzikáln chemické zákonitosti výroby oceli a jejich aplikace do výroby. Zde však platí, že nedosta uje obecná matematická formulace p írodních zákon, pokud chybí schopnost jejich použití v praxi. Postupný vývoj hutních provoz ibližn až do šedesátých let minulého století byly ve slévárnách oceli a hutních závodech pro výrobu oceli na odlitky i k odlévání ingot používány podobné technologie a podobná za ízení. V následujících desetiletích byly zavedeny do velkých hutních podnik technologie zvyšující výrazn výrobnost jednotlivých agregát. Investi ní náklady na taková za ízení jsou vysoké a jejich návratnost je možná pouze p i vysoké produktivit hutní ocelárny. Výroba ocelových odlitk v posledních desetiletích stagnuje. Výrobní kapacity jsou dnes velmi rozdílné, slévárny vyrábí obvykle kolem desítky tisíc tun a hutní ocelárny v ádech až miliony tun. V hutních ocelárnách se dnes vyrábí ocel v kyslíkových konvertorech a intenzifikovaných elektrických obloukových pecích s následujícím zpracováním oceli na za ízení sekundární metalurgie. Výrobní agregáty konvertory a obloukové pece jsou využívány pouze jako tavicí za ízení, ve kterém se ocel p edevším oduhli í, odfosfo í a oh eje na p edepsanou teplotu. Další pot ebné výrobní operace, které jsou d ležité pro ízení jakosti oceli, se provád jí v za ízeních sekundární metalurgie. Sv tová ro ní výroba oceli ur ená ke tvá ení z plynule odlévané a ingotové oceli, v sou asné dob dosahuje kolem 1,7 miliardy tun, ro ní výroba oceli na odlitky p edstavuje kolem 6 milion tun. V eské republice se ro vyráb lo p ed rokem 1989 více než 300 tis. tun ocelových odlitk. V roce 2010 se pohybovala výroba ocelových odlitk kolem 115 tis. tun. Ocelové odlitky se vyrábí v eské republice ve více než 20 slévárnách (mimo slévárny p esného lití). Ve slévárnách slouží k výrob oceli elektrické obloukové a induk ní pece. Tavicí kapacita není obvykle pln využívána a komplexní intenzifika ní opat ení na obloukových pecích jsou k dispozici jen v nejv tších slévárnách. Požadovaná jakost taveniny je ve v tšin p ípad dosahována p i výrob v elektrické obloukové peci. 7

8 Stru ná historie výroby železa K redukci oxid železa posta uje teplota 700 C. S rostoucí teplotou roste nauhli ení redukovaného železa a p i teplotách nad 1200 C je produktem reduk ních pecí surové železo. Nízká teplota redukce umožnila výrobu železa v r zných primitivních pecích již u prvních civilizací. Archeologickým výzkumem byly na našem území odkryty pece na výrobu oceli z doby brzy po p íchodu Slovan. Tyto pece byly nazvány dýma ky nebo také vl í pece. Dýma ky byly šachtové pece o výšce 1 až 2 m vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých se redukovaly z ejm velmi isté železné rudy p i teplotách 700 až 1200 C. Vyredukovaná železná houba se sva ovala ková ským zp sobem v dejl, který již sloužil k výrobn železných p edm. Pochod je doložen archeologickými nálezy z doby p ed 4000 lety. Požadavek na zvýšení výroby v šachtových pecích vedl k jejich zv tšování a k dmýchání vzduchu do pecí, tzv. v tru. V 16. století se staví první vysoké pece vytáp né d ev ným uhlím, ve kterých se v d sledku vyšších teplot vyráb lo surové železo. Surové železo se dále zkuj ovalo ve fryšovacích výhních za p ísady okují a železných rud. Zvýšení produktivity zkuj ování surového železa p inesly koncem 18. století pudlovací pece vytáp né erným uhlím. Jednalo se v podstat o plamenné pece, kde se z d vodu nedostatku ev ného uhlí za alo používat uhlí erného. Teplota dosahovaná v níst ji pudlovací pece byla však ješt nedostate ná pro roztavení oceli. V pr hu oxidace manganu, k emíku a posléze i uhlíku se zvyšovala teplota tavení roztaveného kovu, ímž se za ala vylu ovat polotuhá zrna kujného železa. Produktem z pudlovací pece tedy byla op t železná houba, která se ješt v peci upravovala na kulovité dejly. Tyto se po rozpálení do bílého žáru vytahovaly z pece a kováním na lisech nebo bucharech se z nich vyt ovala struska. Sou asn s vyt ováním strusky docházelo v d sledku silného tlaku ke sva ování železa. Spot eba paliva inila 80 až 90 % z hmotnosti vyráb ného kovu a propal železa dosahoval 12 až 15 %. Obr. 1 Koksová vysoká pec V následujícím 19. století se za íná používat ve vysokých pecích jako palivo koks. První koksová vysoká pec byla uvedena do provozu ve Vítkovicích v roce Koksové vysoké pece byly již agregáty s velkým výkonem. Obr.. 1 znázor uje základní profil vysoké pece Lurmannovy konstrukce z druhé poloviny 19. století. Moderní technologii ve zkuj ování p ináší vynález Bessemerova konvertoru v roce

9 Další vývoj sm oval k nové výrobní technologii v Siemens-Martinských pecích, která byla uvedena do provozu v roce Vysokých teplot plamene se dosahovalo p edeh evem vzduchu i topného plynu v regenera ních komorách. Na obr.. 2 je znázorn no schéma Siemens-Martinské pece. Následn v roce 1878 uvádí Thomas do provozu zásaditou vyzdívku pro konvertory a zkuj ování oceli pod zásaditou struskou na bázi oxidu vápenatého. Výroba ušlechtilých ocelí je na za átku 20. století, zavád na do elektrických pecí. V roce 1902 je uvedena do provozu první oblouková pec (Heroult) a následn ve stejném roce první induk ní pec (Kjellin). V první polovin 20. století dominují ve výrob oceli Siemens-Martinské pece a konvertory dmýchané vzduchem. Nové požadavky vývoje moderní techniky vedly k rozvoji k rozvoji elektrometalurgie. V roce 1952 byl uveden do provozu kyslíkový konvertor dmýchaný horem, tzv. LD pochod. Byla zahájena výroba oceli pomocí plynného kyslíku a tím byl zahájen nástup kyslíkových pochod. V 60. letech sm oval další vývoj moderní technologie výroby oceli k p esunu vedení kterých metalurgických reakcí z pece do pánve a nastal tím rozvoj sekundární (mimopecní) metalurgie. Ve slévárnách oceli jsou dnes dominujícími tavicími agregáty elektrické obloukové pece (EOP) a elektrické induk ní pece (EIP). Slévárny oceli v R používají výhradn EIP kelímkové st edofrekven ní. 1.2 Tavící agregáty ve slévárnách oceli Obr. 2 Schéma Siemens-Martinské pece Elektrické obloukové pece Schéma t ífázové elektrické obloukové pece je na obr. 3. Pec je napájena p ímo ze sít vysokého nap tí kabelem 1, p es hlavní vypína 2, tlumivku 3 a transformátor 4. U malých pecí je obvykle v jedné nádob s pecním transformátorem i tlumivka. Funkce zapojení tlumivky je pouze ve fázi natavování, aby svým induk ním odporem snižovala kolísání nap tí na obloucích i v síti. Konstrukce pecní transformátoru by m la krátkodob zajistit až 100 % p etížení. P et žování pecního transformátoru je dáno výrobcem a m že být nap íklad po dobu 30 min. o 50 %. Transformátor je obvykle pono en do transformátorového oleje, který slouží jako chladicí médium. Transformátory menších výkon mohou být chlazeny vzduchem. Vypína e, tlumivka a pecní transformátor jsou umíst ny v transformátorové kobce. 9

10 Z transformátoru je elektrická energie vedena m nými pásnicemi na vn jší st nu transformátorové kobky a dále lany 10 až na ramena držák elektrod 6. Vlastní elektrody 7 jsou drženy držákem 8. Na rameni držáku elektrod je proud veden dále nými pásnicemi 6. Elektroda prochází víkem pece p es chlazený kroužek elektrod 9. Rychlost roztavení vsázky závisí p edevším na instalovaném p íkonu pecního transformátoru a na schopnosti regulace pece využít instalovaný p íkon. Obr. 3 Schéma elektrické obloukové pece Instalovaný p íkon pecního transformátoru ve slévárnách bývá v tšinou 300 až 600 kva/t. Na roztavení tuny vsázky se po ítá s teoretickou spot ebou 380 kwh/t. Skute ná spot eba na roztavení a oh átí lázn na 1600 C je o cca 80 kwh/t vyšší. Ve slévárnách pracují obvykle EOP o hmotnosti tavby 4 až 20 t. T žké odlitky se vyráb jí ve slévárnách u hutních oceláren, které dodávají tekutý kov. EOP mají typ vyzdívek zásaditý. Slévárny v R již nepoužívají kyselé vyzdívky. Výhodou zásaditých pecí vyzd ných obvykle magnezitem a chrómmagnezitem je možnost zpracovávat kovovou vsázku s nezaru eným obsahem fosforu a síry. Tyto umož ují vyráb t oceli s velmi nízkým obsahem fosforu a síry. Kyselé pece byly vyzd ny nebo vydusány žáruvzdornými materiály na bázi SiO 2. Jejich výhodou byly nižší zpracovací náklady, ale to bylo možné pouze p i použití vsázky se známým chemickým složením. Teploty v elektrickém oblouku p esahují 3000 C. Oh ev elektrickým obloukem má za následek lokální p eh ívání kovu. Po vzniku tekuté lázn p sobí oblouk pouze na povrch lázn, což m že mít za následek vysokou teplotní heterogenitu a zhoršené podmínky pro enos tepla. V elektrickém oblouku dochází k disociaci dusíku a vodíku, které se rozpouští v lázni. Vysoké teploty lázn pod obloukem mají rovn ž vliv na odpa ování n kterých kov nebo jejich oxid. Vyšší obsah dusíku a vodíku v ocelích vyráb ných na obloukových pecích se snižuje uhlíkovým varem. Ve funkci oh evu oxidují p i vysokých teplotách zrní ka grafitu a padají na hladinu lázn. Potom je nutné zejména p i výrob ocelí s nízkým obsahem uhlíku nutné po ítat s nauhli ením oceli. Hlavní výhodou elektrických obloukových pecí ve vztahu k pecím induk ním jsou menší nároky na kusovitost a sypnou hmotnost vsázky a možnost m nit chemické složení oceli v širokých mezích. 10

11 Elektrické induk ní pece Metalurgická ást elektrické st edofrekven ní pece je uvedena na obr. 4. Ve slévárnách oceli se používají výhradn elektrické induk ní kelímkové pece. Kanálkové pece se používají ve slévárnách litiny a v ocelárnách se nepoužívají. Obr. 4 Schéma elektrické induk ní pece Pece pracují zpravidla se st ední frekvencí (250 až 600 Hz). Pece na sí ovou frekvenci jsou ve slévárnách oceli mén asté. S vyšší frekvencí pracují pece s malou hmotností vsázky, používané jako pece laboratorní. Induk ní pece jsou napájeny ze sít vysokého nap tí p es pecní transformátor. Z pecního transformátoru je napájen m ni frekvence proudem o nap tí obvykle do 6000 V. Proud je nejprve usm ován na polovodi ových diodách, vyhlazen tlumivkou. Pot ebná frekvence se vytvá í výkonovými tyristory. Tyristory jsou ízeny a frekvenci je možno plynule m nit. Proudem o st ední frekvenci je napájen induktor. U pecí starší konstrukce je možné se také setkat s rota ním m ni em (motor generátor st edofrekven ního proudu). Konstrukce pece je odstín na od induktoru svazky transformátorových plech, které vedou elektromagnetické pole a snižují ztráty. Induk nost cívky je kompenzována baterií kondenzátor. Induktor a kondenzátory tvo í rezonan ní obvod, který se reguluje jednak zm nou kapacity kondenzátorové baterie tj. zapojováním nebo odpojováním kondenzátor a jednak zm nou frekvence. Zdrojem tepla u induk ních pecí jsou indukované proudy. St edofrekven ní induk ní pece pracují s p íkonem kw/t. Ve slévárnách p esného lití se instalují nej ast ji pece s hmotností tavby 40 až 250 kg. V ostatních slévárnách oceli o objemu 0,5 až 25 t. U pecí na sí ovou frekvenci (50 Hz) je možné použít s ohledem na rozsah ví ení lázn maximální p íkon cca 300 KW/t. Výrobnost pece závisí p edevším na instalovaném p íkonu zdroje. U pecí na sí ovou frekvenci je možné instalovat výkonný zdroj jen u pecí s v tší hmotností vsázky, které pracují s tekutým zbytkem. Více než polovina kovu se p i odpichu ponechává v peci. Vsázka tvo í za t chto podmínek jen polovinu hmotnosti odlévané tavby a instalovaný výkon se využívá jen na roztavení této poloviny hmotnosti, m rný elektrický p íkon v kwh/t je pak dvojnásobný a doba tavení se urychlí. Pece na sí ovou frekvenci se používají více ve slévárnách litiny, kde jsou instalovány pece o hmotnosti 1 až 80 t. Význam pecí na sí ovou frekvenci klesl s rozvojem polovodi ové techniky a následujícím zlevn ní m ni frekvence. Pece na sí ovou frekvenci se mohou vyzdívat keramickými tvárnicemi. 11

12 U st edofrekven ních pecí se používají výhradn výdusky, nebo p ípadné spáry ve zdivu by u t chto pecí mohly být p inou proniknutí kovu vyzdívkou kelímku. Pro zhotovení výdusek se používají kyselé dusací hmoty na bázi drcených k emenc (SiO 2 ) nebo zásadité dusací hmoty nej ast ji na bázi spinelu MgO Al 2 O 3 (20 % Al 2 O 3 ), p ípadn Al 2 O 3 MgO (30 % MgO). Induk ní pece proto bývají stav ny se dv ma nebo t emi kelímky. Jeden kelímek je v oprav a následn m že z stat v rezerv. St edofrekven ní induk ní pece mají nezastupitelnou úlohu tavicího agregátu ve slévárnách esného lití. Pro odlévání odlitk na strojních formovnách je také dávána p ednost induk ním pecím. Z pohledu metalurgického slouží induk ní pece jako agregát k p etavování vsázky. Krom nauhli ení, legování a dezoxidace se b hem tavby zám rn nem ní chemické složení oceli. V induk ní peci nedochází k samovolnému nauhli ování vsázky a jsou proto vhodné pro výrobu ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Výhodou induk ních pecí oproti pecím obloukovým jsou nižší zpracovací náklady, nižší po izovací náklady (p i srovnatelné výrobnosti) a ekologické p ednosti (nižší prašnost, nižší hlu nost). Míchání kovu induk ními proudy b hem tavby vytvá í v kelímku chemickou a tepelnou homogenitu, což je výhodné pro dosažení úzkého rozmezí chemického složení a odpichových teplot. Induk ní pec je operativní tavicí agregát vhodný pro p erušovaný provoz. Doby tavby mohou být podle typu pece kratší než jedna hodina. Potom p i dob odlévání 30 minut jsou schopny dv induk ní pece plynule zásobovat formovací linku tekutým kovem. V mnoha slévárnách jsou induk ní pece jedinou alternativou pro výrobu korozivzdorných ocelí s nízkým obsahem uhlíku. Základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceli Základním podkladem pro zahájení plánování tavby je objednávka tavby z formovny. Objednávka musí být p edána s dostate ným p edstihem, aby tavírna mohla zkontrolovat, zda má všechny podklady a suroviny pro výrobu objednané tavby a sta ila p ipravit vsázku. Objednávka musí obsahovat zna ku objednávané oceli, hmotnost tavby, požadovanou odpichovou teplotu, pr r výlevky pánve, p ípadn po et odlévaných forem a další. Veškeré technologické operace o pr hu tavby jsou zanášeny do protokolu tzv. tavebního listu. Výsledky a podmínky zkoušek se rovn ž zapisují a archivují v laborato i. Tyto protokoly o tavb mohou sloužit p i reklama ním ízení. i dosažení shody u každé operace tavba pokra uje. i shodné teplot a hmotnosti se tavba p edává formovn. Formovna vede záznam o odlévaných formách v licím výkazu, do kterého zapisují identifika ní a skute dosažené objednané údaje. hem odlévání se odebírá vzorek na chemickou analýzu a p edepsaný po et vzork na stanovení mechanických vlastností, které p edává formovna do laborato e. Laborato oznámí výsledek chemického rozboru formovn a ta podle výsledku bu to tavbu edá istírn. Pokud nastane neshoda chemického složení, tak je tavba umístí tavbu v izola ním prostoru a další postupy eší zodpov dný technolog první sm ny. Tavby, u kterých nebylo nalezeno p ijatelné ešení a nelze tolerovat odchylky chemického složení se z izola ního prostoru vy adí pro dalšího zpracování. 12

13 Shrnutí pojm kapitoly (podkapitoly) Po prostudování kapitoly by vám m ly být jasné následující pojmy: postupný vývoj hutních provoz historie výroby železa tavící agregáty ve slévárnách oceli elektrická oblouková pec elektrická induk ní pec základní technologický a informa ní tok p i výrob oceli Otázky k probranému u ivu 1. Jaký byl historický vývoj výroby železa do konce 19. století? 2. Jaký byl historický vývoj výroby oceli v eských slévárnách do sou asnosti? 3. Které výrobní agregáty jsou zejména používány ve slévárnách oceli? 4. Jaké jsou základní ásti a funkce EOP? 5. Jaké jsou základní ásti a funkce IP? 6. V jakých základních oblastech se odlišuje možnost použití EOP nebo IP? 7. Jaký je základní technologický a informa ní tok p i výrob a odlévání oceli ve slévárnách? Použitá literatura, kterou lze erpat k dalšímu studiu [1] Šenberger, J., Stránský, K., B žek, Z., Zád ra, A., Kafka, V., Metalurgie, VUTIUM, VUT Brno 2008, 310 s, ISBN [2] Leví ek, P., Stránský, K., Metalurgické vady ocelových odlitk, SNTL, Praha 1984, 269 s. [3] Fruehan, R. et al., The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh 1998, p. 767, ISBN

14 2. Základy termodynamiky ocelá ských pochod. Roztoky roztavených kov, nekov a plyn v železe. as ke studiu: 120 minut Cíl Po prostudování této kapitoly budete seznámeni se základními pojmy termodynamiky ocelá ských pochod vyjasníte si pojmy termodynamické stavové veli iny budete znát základní charakteristiky termodynamických stavových funkcí budete um t definovat úlohu kyslíku, dusíku a vodíku v roztaveném železe budete um t definovat úlohu uhlíku a síry v roztaveném železe Výklad 2.1 Základy termodynamiky ocelá ských pochod Metalurgické reakce jsou doprovázeny spot ebou nebo uvoln ním energie. Vzájemnými vztahy mezi r znými formami energie a vztahy mezi energetickými zm nami a vlastnostmi látek se zabývá chemická termodynamika. Pr h každého metalurgického pochodu je ovliv ován jednak hybnou silou pochodu a dále vnit ním a vn jším odporem reagující soustavy proti pr hu tohoto pochodu Termodynamická analýza umož uje stanovit hybnou sílu, nikoliv velikost odporu proti analyzované reakci. Termodynamickými výpo ty je proto možné zjistit, jak by sledovaná reakce probíhala v ípad, že by nep sobil žádný odpor, není však možné ur it rychlost pr hu reakce. Prakticky se termodynamiky v metalurgii používá zejména: ur ení energetické bilance reakcí, ur ení podmínek, za nichž existuje rovnováha mezi fázemi, výpo tu složení jednotlivých fází za rovnováhy, výpo tu složení homogenní soustavy za rovnováhy, p ípadn zm n tohoto složení se zm nou vn jších podmínek, výpo tu podmínek, za kterých je možno dosáhnout nejnižších obsah nežádoucích prvk. Vysv tlení základních pojm Soustava nebo také systém je souhrn t les, která jsou p edm tem termodynamické úvahy. Z hlediska p enosu energie a hmoty rozlišujeme systémy: Uzav ený systém od okolí nep ijímá ani do okolí nep edává hmotu (m že však s ním vym ovat energii). Otev ený systém s okolím si vym uje hmotu i energii. Z hlediska vlastností látky, p íp. látek rozlišujeme dále systémy: 14

15 Homogenní systém je takový, jehož vlastnosti jsou ve všech ástech systému stejné nebo se m ní pouze plynule (takto m žeme považovat nap. vodu nebo vzduch). Heterogenní systém je složen z n kolika homogenních ástí (fází), jež jsou od sebe odd leny fázovými hrani ními plochami (m ní se jejich vlastnosti). Termodynamika se zajímá o stavy, ve kterých se soustava nachází a o rovnováhách, které se v t chto soustavách ustavují. Termodynamické vlastnosti popisují vlastnosti soustavy. Tyto termodynamické vlastnosti se lí na vlastnosti extenzivní a intenzivní. Extenzivní vlastnosti jsou závislé na množství látky v soustav a vykazují aditivní chování (jejich hodnota je rovna sou tu hodnot jednotlivých ástí, z nichž je systém složen nap. hmotnost, objem, látkové množství, energie). Intenzivní vlastnosti jsou nezávislé na velikosti soustavy a na množství látky v systému (nap. tlak, teplota, koncentrace, hustota a veškeré m rné veli iny vztažené na látkové množství nebo hmotnost). Termodynamickým d jem se nazývá jakákoliv zm na vlastností soustavy spojená se zm nou alespo jedné termodynamické stavové veli iny. V p írod probíhají samovolné jednosm rné je a probíhají se snížením energie soustavy. Postupn se dostávají do rovnováhy. Dokonalé termodynamická rovnováha je však možná pouze v izolované soustav. Termodynamické stavové veli iny (p, v, T, c) jsou nezávisle prom nné veli iny, které popisují stav soustavy pomocí vhodn volených, zpravidla p ímo m itelných, fyzikálních veli in (teplota, tlak, objem a tepelné kapacity). Na základ stavových veli in lze potom vypo ítat další veli iny (stavové funkce) charakterizující soustavu. Termodynamické stavové funkce (H, U, S, F, G) jsou závislé pouze na termodynamických stavových podmínkách. Z toho plyne, že jejich zm ny jsou závislé pouze na po áte ním a kone ném stavu soustavy a nezávisí na zp sobu p echodu soustavy z po áte ního do kone ného stavu. Stavové funkce potom matematicky vykazují úplný diferenciál a rozdíl po áte ního a kone ného stavu je nezávislý na integra ní cest. Stavové funkce lze obtížn m it, ale dají se vyjád it jako funkce m itelných stavových veli in: tlak, teplota, objem, tepelné kapacity. Mezi stavové funkce používané v termodynamice pat í nap. vnit ní energie U, entalpie H, entropie S, Gibbsova energie G a Helmholtzova energie F, chemický potenciál. Teplo a práce nevykazují vlastnosti termodynamické stavové funkce, protože p echod z po áte ního stavu soustavy do kone ného stavu je závislý na po áte ních a kone ných stavových podmínkách, ale také na zp sobu p echodu soustavy, tj. na integra ní cest. Jsou tedy termodynamické funkce nikoliv stavové funkce. Vnit ní energie Vnit ní energie je veškerá energie t lesa nebo soustavy, která je obsažena v pohybech atom, molekul, elektron a v jejich vzájemné vazb. Není zde zahrnuta vn jší energie t lesa. U ideálního plynu se vnit ní energie projevuje ur itým tepelným obsahem, tlakem a objemem. Absolutní hodnotu vnit ní energie není možné zm it. Význam má zm na vnit ní energie U: U Q A (2.1) Rovnice (1) je formulací první v ty termodynamiky, která vyjad uje zákon zachování energie. Výrazy Q a A p edstavují zm nu tepla a práce odpovídající zm vnit ní energie U p i echodu z jednoho stavu s odpovídající vnit ní energií U1 do druhého stravu s odpovídající vnit ní energií U2. 15

16 Teplo p edstavuje jeden ze zp sob vým ny energie mezi soustavami. Teplem, jež soustava edala druhé soustav, rozumíme energii p evedenou z jedné soustavy do druhé jiným zp sobem než prací. Na rozdíl od jiných forem energie není možné teplo p em ovat do jiné formy energie. Teplo není tedy termodynamickou stavovou veli inou. V metalurgii se asto používá k výpo tu teplotních zm n tepelná kapacita C, která je definována obvykle pro jeden mol látky, p ípadn pro jednotku hmotnosti c pak vztaženou na g nebo kg. Práce je jednou z forem p enosu energie mezi soustavami a je další d ležitou termodynamickou veli inou, ale podobn jako teplo není stavovou funkcí. Z termodynamického hlediska lze u v tšiny metalurgických pochod vnímat práci, kterou soustava vykoná jako energii p sobící proti vn jšímu tlaku p i zm objemu soustavy. Entalpie Pokud uvažujeme d j, p i n mž soustava koná pouze objemovou práci, potom po dodání tepla soustav, které zp sobí zvýšení teploty o T, platí pro tento d j rovnice (2.2) vycházející z první v ty termodynamiky: dq du pdv (2.2) Rovnice ukazuje, že celkové teplo dodané soustav p i izobarické stavové zm (za edpokladu, že soustava nekoná jinou než objemovou práci) je rovno sou tu dvou stavových funkcí vnit ní energie U a objemové práce pdv. Protože sou et dvou stavových funkcí má pro p echod z ur itého výchozího stavu do ur itého kone ného stavu vždy stejnou hodnotu závisející pouze na tom, jaký byl výchozí a kone ný stav, lze tento sou et nahradit jedinou stavovou funkcí, kterou nazýváme entalpie, a zna í se H. V metalurgii probíhají v tšinou reakce za konstantního tlaku a entalpie má pak význam reak ního tepla: H U pv (2.3) Entalpie je extenzivní stavovou veli inou, jejíž absolutní hodnotu nelze ur it, stejn jako nelze ur it absolutní hodnotu vnit ní energie. Pro standardní podmínky - teplotu 273 K a tlak Pa se volí pro prvky hodnota entalpie rovna nule a entalpie slou enin pak odpovídá slu ovacímu teplu za standardních podmínek. Reak ní teplo, závislost reak ního tepla na teplot V metalurgii se p edpokládá nej ast ji pr h reakcí p i konstantním tlaku. Teplo uvol ované i reakci je z hlediska reagující soustavy považováno v termochemii za kladné, v termodynamice za záporné: Q p H (2.4) Výpo et reak ního tepla u chemických reakcí se po ítá podle Hessova zákona, který dokázal, že tepelný efekt reakce závisí pouze na po áte ním a kone ném druhu a stavu látek a nezávisí na zp sobu pr hu reakce: (2.5) H n( H) n( H) produkt výchozích 16

17 Závislost reak ní tepla na teplot r zných chemických reakcí se srovnává p i standardních podmínkách, protože reak ní teplo závisí obecn na teplot i tlaku. Reak ní tepla jednotlivých slou enin H lze nalézt ve fyzikáln -chemických tabulkách obvykle pro teplotu 298,15 K. Pro jiné teploty je nutné reak ní teplo p epo ítat. Entropie Z první v ty termodynamiky vyplývá, že teplo i práce mají rozm r energie. Zásadní rozdíl je v tom, že práci je možno p em nit na teplo beze zbytku, kdežto opa ný d j, tj. p em na tepla na práci není beze zbytku možná. Entropie není teplo ani nemá rozm r tepla, ale p edstavuje teplo d lené teplotou a vyjad uje se v [J.K 1 ], pop. v [J.K 1.mol 1 ]. Entropie má tedy význam degradace tepelné energie. i dq = konst. je ds tím vyšší, ím je nižší teplota a opa. Z toho plyne, že schopnost tepla konat práci je tím vyšší, ím je dané množství tepla na vyšší teplot. Potom m žeme íci, že stejné množství tepla lze p i vyšší teplot soustavy p evést na v tší množství práce, než je tomu p i nižší teplot soustavy. dq ds (2.6) T Entropie je stavovou funkcí, která má tu vlastnost, že u adiabatických d (dq = 0) zastává kritérium sm ru a termodynamické rovnováhy d, a v p ípad vzr stu entropie prozrazuje skute nost, že v soustav probíhají nevratné d je. Volná energie a volná entalpie Provedením dosazením za dq vztah dq = T. S z rovnice (1), která vyjad uje matematický zápis prvního zákona termodynamiky, potom m žeme získat vztah: da = T.dS du (2.7) Práce da uvedená v rovnici (2.7) vyjad uje maximální práci, kterou m že p i vratném d ji soustava vykonat. Maximální užite nou práci lze stanovit integrací této rovnice za edpokladu, že V = k a T = k. A T S S ) ( U U ) (2.8) A max. max. ( ( U 2 T S2) ( U1 T S1) (2.9) V závorkách rovnice (2.9) je rozdíl termodynamickou funkcí, která byla nazvána Helmholtzovou energií n kdy nazývanou též jako volná energie. Helmholtzova funkce se zna í symbolem F a lze ji vyjád it vztahem: F = U T.S (2.10) Potom termodynamická funkce tzv. volná energie z rovnice (2.8) má tvar: A max. ( F F ) F 2 1 (2.11) Maximální práci je možné lenit na práci objemovou a na užite nou práci, ve které jsou zahrnuty ostatní formy práce (elektrická, povrchová atd.). Helmholtzova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad, že tyto d je probíhají za konstantní teploty a objemu. Za konstantního objemu a teploty mohou samovoln probíhat pouze ty d je, které jsou spojeny s poklesem volné energie. Potom volná energie na konci d je musí být nižší než na po átku d je, nebo z rozdílu t chto energií se dotuje uvažovaný d j. 17

18 18 Slévárenství ocelových odlitk Protože v tšina metalurgických reakcí probíhá za konstantní teploty a p i konstantním tlaku, není Helmholtzova energie nejvhodn jší stavovou funkcí pro ešení metalurgických pochod. mto podmínkám lépe vyhovuje jiná termodynamická stavová funkce odvozená za edpokladu p = konst. a T = konst. Tuto funkce je nazývána Gibbsova energie nebo také volná entalpie a zna í se symbolem G. Pro volnou entalpii lze odvodit podobným postupem jako pro volnou energii obdobnou rovnici, jako je rovnice (2.11), která má pak tvar: A ( G G ) G (2.12) max. 2 1 kde A max p edstavuje maximální užite nou práci, kterou je možné p evést na práci za izotermicko-izobarických podmínek a pro kone nou zm nu lze rovnici upravit na tvar: G H T S (2.13) Gibbsova energie slouží jako kritérium samovolných d v p ípad, že tyto d je probíhají za konstantní teploty a tlaku, kdy samovoln mohou probíhat pouze ty d je, které jsou spojeny s poklesem volné entalpie, tj. volná energie na konci d je musí být nižší než na po átku d je. Maximální užite ná práce, kterou lze p em nit na neobjemovou práci p i d ji probíhajícím za izotermicko-izobarických podmínek, je nižší než v p ípad izotermicko-izochorických podmínek, což je zp sobeno tím, že ást energie je spot ebována na objemovou práci. P i reakcích v tuhé a tekuté fázi však nedochází k významným zm nám objemu a G ~ F. Základy kinetiky metalurgických reakcí Kinetika pojednává o rychlosti fyzikáln chemických reakcí. Znalost asového pr hu fyzikáln chemické reakce je pot ebná zejména p i výzkumu, zavád ní a optimalizaci nových metalurgických pochod, nebo obsahuje také informaci o rychlosti, za kterou se dosahuje rovnovážného, pop ípad kvazirovnovážného stavu. Základní veli inou v kinetice metalurgických reakcí je reak ní rychlost. Touto rychlostí se asto rozumí po et mol (pop ípad po et atom ) reagující látky, nebo po et mol produktu vzniklých za jednotku asu v jednotce objemu 1 n r. (2.14) V t kde V je objem [m 3 ], n zna í po et mol reagující látky, i produktu [mol], t je as p íslušné reakce [s] a r je pr rná reak ní rychlost jejiž rozm r a též íselná hodnota jsou odvislé od zvolené soustavy jednotek. V daném p ípad je obecný rozm r této rychlosti [mol.m -3.s -1 ]. U v tšiny metalurgických reakcí probíhajících v kapalných roztocích kov, kde se objem reagující soustavy v pr hu reakce podstat nem ní, je možno po et mol (pop ípad atom ) reagující soustavy nahradit zm nou hmotnostní, i atomové koncentrace reagující látky, i produktu této reakce. Reak ní rychlost lze v takovém p ípad chápat jako zm nu koncentrace látky za asovou jednotku c 1 r. (2.15) t V Rozm r reak ní rychlosti je v p ípad, že koncentrace látky c je vyjád ena v [hm. %], vyjád en nap. v jednotkách hm.%. 3 s. m Nutno upozornit, že již v samotném základním rozm ru reak ní rychlosti r se odráží skute nost, že kinetika metalurgických reakcí je vždy závislá na geometrických podmínkách soustavy, v níž p íslušná metalurgická reakce probíhá. Reak ní rychlost je tudíž zapot ebí

19 vždy vztahovat bu k objemu V [m 3 ] nebo k množství Q [kg], v kterých se p íslušná fyzikální, nebo chemická reakce uskute uje. i popisu zcela ur itých metalurgických reakcí v praxi to velmi asto vede k tomu, že se v rozm rech reak ních rychlostí objem v m 3, i množství v kg vynechávají a jsou zahrnuty v popisu podmínek, p i kterých byla p íslušná metalurgická reakce studována (kup íkladu v elektrické obloukové zásadité peci obsahu 6 t). V takových p ípadech se reak ní rychlost udává nap íklad v (hm. %/h), (hm. ppm/h), (at. %/h), (at. ppm/h) atp.). Popis termodynamicky rovnovážných stav, které jsou nezávislé na geometrii soustavy, je tudíž formáln jednodušší a p itom univerzáln jší než popis reak ní kinetiky, která rovnovážným stav m p edchází. Všeobecn se p edpokládá, že reak ní rychlost fyzikáln chemické reakce je asto úm rná sou inu koncentrací reagujících látek, nebo sou inu mocnin chto koncentrací. Toto názor je v souladu se základními p edstavami o molekulárním (atomovém) pr hu fyzikáln chemické reakce. Jestliže nap íklad probíhá reakce podle schématu: a A b B c C d D (2.16) Je zde pak vysoká pravd podobnost, že se st etne a molekul látky A s b molekulami látky B, takže rychlost bude úm rná po tu srážek mezi molekulami A a B za jednotku asu v jednotce objemu, pop ípad v jednotce hmotnosti. Statistický model vysv tlující tento pochod edložili Guldberg a Waage a ukázali, že pravd podobnost kontaktu a molekul látky A sb molekulami látky B je úm rná sou inu mocnin koncentrací. Za p edpokladu, že tato pravd podobnost ur uje zárove pr rný po et st etnutí, lze o ekávat koncentra ní závislost reak ní rychlosti ve tvaru: v k c a c b (2.17) A B kde veli ina k je ozna ována jako rychlostní konstanta reakce (2.16) a je závislá na fyzikáln chemických vlastnostech soustavy, p edevším na povaze látek a na teplot. Rychlost této reakce v má implicitn složit jší podobu, než je tomu u reak ní rychlosti definované vztahy (2.14) a (2.15) a na rozlišení byl pro ni zvolen jiný symbol. Roztoky roztavených kov, nekov a plyn elem metalurgických pochod je m nit chemické složení roztavených kov s cílem získat požadované chemické složení a požadované vlastnosti. V metalurgické praxi se pracuje s polykomponentními roztoky kov a strusek. Reakce probíhají asto na mezifázovém rozhraní mezi struskou a kovem a nežádoucí prvky nebo jejich slou eniny jsou ve strusce absorbovány. Složení kov a strusek se v metalurgické praxi udává v hmotnostních procentech, pro nízké koncentrace v hmotnostních ppm ( part per million ) p emž 1 ppm = 0,0001 %. Roztavené kovy se nechovají jako ideální roztoky a pro termodynamické výpo ty se proto asto musí místo koncentrací rozpušt ných prvk používat jejich aktivit. 2.2 Roztoky roztavených kov, nekov a plyn. Kyslík v roztaveném železe Maximální rozpustnost kyslíku v istém železe p i teplot 1600 C je 0,25 hmot. % (2500 ppm). S rostoucí koncentrací kyslíku p ibližn nad hodnotu 0,08 %, dochází vlivem zv tšování vazebných sil mezi kyslíkem a železem k negativní odchylce od Henryho zákona. Takže, je nutné vzít v úvahu jeho efektivní koncentrace tj. aktivity. V sou asné dob se kyslík do oceli p ivádí v tšinou jako plyn v oxida ním údobí tavby. Oxidace taveniny probíhá na každém typu tavícího agregátu za ú elem snížení koncentrace 19

20 nežádoucích prvk. Poté se provádí snižování obsahu kyslíku p ed nebo v pr hu reduk ního údobí tavby nazvaném dezoxidace. Dezoxida ní prvek musí mít vždy vyšší afinitu ke kyslíku, než má železo. V tšina metalurgických proces, které probíhají v tavících agregátech a na za ízeních sekundární metalurgie tak souvisí s aktivitou kyslíku, která je pr žn ovliv ována a neustále se m ní v závislosti na teplot a chemickém složení oceli, protože ocel obsahuje i další prvky. Vliv jednotlivých prvk na aktivitu kyslíku lze vyjád it pomocí hodnot interak ních koeficient prvního a druhého ádu. P íklady interak ních koeficient prvního ádu jsou uvedeny v tab Hodnoty interak ních koeficient se mohou lišit, podle r zných autor. Tab. 2.1 Interak ní koeficienty prvního ádu vybraných prvk X X X X e O X e O X e O X C 0,450 Ti 0,75 Cr 0,030 Th 6 X e O Mn 0,009 Al 1,15 Ni -0,006 La 0,57 Si 0,100 Zr 0,44 Mo -0,0035 Ca 535 ísady odkysli ovacích prvk v roztavené oceli s rozpušt ným kyslíkem jsou doprovázeny snížením rozpustnosti kyslíku (prvky s kladným interak ním koeficientem), p ítomnost odkysli ovacího prvku v tavenin zesiluje vazby mezi atomy kyslíku a odkysli ovacího prvku, vznikají stabilní nerozpustné oxidy, které jsou s v tší ásti asimilovány do strusky. Aktivita kyslíku je ovliv ována také složením vyzdívek, které p ijdou do styku s taveninou a struskami, které obsahují, zejména lehce redukovatelné oxidy jako nap íklad FeO a MnO. Rozpustnost kyslíku v železe v tšina autor uvádí ve form kationtu O 4+, nebo pro ú ely termodynamických výpo v atomární podob a lze ji popsat rovnicí: 1 2 O 2 O (2.18) Rovnovážná konstanta K kyslíku rovnice (2.18) je vyjád ená rovnicí: O K (2.19) 1 2 p O 2 Obsah kyslíku v oceli v závislosti na parciálním tlaku kyslíku lze z rovnice (2.19) odvodit v závislosti na parciálním tlaku kyslíku p O. O K p (2.20) O i b žné ocelá ské praxi jeho koncentrace nep ekra uje v nelegovaných ocelích obvykle 300 až 400 ppm. Obsah kyslíku v roztavené oceli ídí také další prvky p ítomné v oceli jako emík, mangan a uhlík. Po správn provedené dezoxidaci oceli hliníkem v pánvi iní aktivity kyslíku v nelegovaných ocelích cca 5 až 10 ppm. Kyslík v oceli je prvkem, který má zásadní vliv na istotu oceli, podílí se na vzniku oxidických vm stk, které jsou nej ast jším typem a vznikají pr žn b hem celého procesu výroby oceli a odlévání. V pr hu odlévání, pak hovo íme o reoxidaci odlévané oceli. Se stupn m odkysli ení oceli také úzce souvisí i stupe odsí ení a je prokázané, že stupe odsí ení je p ímo úm rný obsahu rozpušt ného kyslíku v oceli. Silné dezoxidovala nap. Ca, Al, Mn mají velkou afinitu k sí e, takže se bezprost edn podílejí na odsí ení a tvo í v roztavené oceli stálé, nerozpustné sirníky. Odstra ování kyslíku je v metalurgii po oxida ním údobí tavby nejd ležit jší operací a je možné ho provést n kolika mechanismy. 20

21 21 Slévárenství ocelových odlitk Dusík v roztaveném železe Ve v tšin nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je dusík považován za nežádoucí. Jeho nep íznivý vliv je nej ast ji spojován se stárnutím oceli. P i poklesu teploty dochází k tvorb nitrid, které zp sobují zhoršení n kterých materiálových vlastností, zejména tažnosti a vrubové houževnatosti. Stárnutí se nevyskytuje v ocelích, které obsahují prvky s vysokou afinitou k dusíku (Ti, Al). V t chto ocelích je dusík vázán na nitridy. P i ur itých koncentracích dusíku a hliníku m že dojít zejména u masivních odlitk také ke vzniku lasturových lom. Dusík se podílí také na vzniku popoušt cí k ehkosti. P i ur ité koncentraci ve vysokolegovaných ocelích se dusík používá jako legující p ísada. Absorbuje se do oceli b hem celého výrobního procesu na otev ených pecích z pecní atmosféry. P i výrob ocelí legovaných prvky, které zvyšují rozpustnost dusíku v oceli (Cr, Mn) se hromadí dusík ve vratném materiálu. Zpracování vratného materiálu s vysokým obsahem dusíku m že zp sobit vznik vad v odlitcích. Také p i formování po zavedení organických pojivových systém je vyšší pravd podobnost výskytu vad zp sobených dusíkovými bublinami. P i odlévání kovu do forem pojených organickými pojivovými systémy nastává p i styku kovu s formovacím materiálem disociace organických slou enin a vznikající atomární dusík se poté v kovu snadno rozpouští. V tavenin istého železa je dusík p ítomen jako atom, p ípadn jako ion N 2+. Za p edpokladu atomární rozpoušt ní dusíku v istém železe, lze p echod dusíku z plynné fáze do roztaveného železa popsat rovnicí: N 1 2 N 2 (2.21) Rozpoušt ní dusíku v istém železe se vyzna uje p esným spl ováním Sivertsova zákona, což lze vzhledem k Henryho zákonu popsat vztahem: kde p N2 % N K N. pn2 (2.22) je parciální tlak dusíku v atmosfé e [Pa] a K N je rovnovážná konstanta rozpoušt ní dusíku. Rovnovážný obsah dusíku v roztaveném železe odpovídá dané teplot a parciálnímu tlaku dusíku v atmosfé e. Rozpustnost dusíku v istém železe lze vypo ítat, nap íklad p i teplot C a Pa je kolem 0,044 % dusíku. p N2 Obr. 2.1 Rozpustnost dusíku v istém železe v závislosti na teplot p i Obdobným zp sobem jako v tavenin železa lze ur it také rovnovážný obsah dusíku v jednotlivých modifikacích železa v tuhém stavu. K jejich výpo tu je nutno znát teplotní závislost rozpustnosti dusíku pro dané modifikace železa. Jednoduchou edstavu o rozpustnosti dusíku nám poskytuje obr. 2.1, který p edstavuje rovnovážné koncentrace dusíku v závislosti na teplot u istého železa. Diagram udává koncentrace dusíku, které jsou v rovnováze s atmosférou tvo enou istým dusíkem p i tlaku Pa. p N2 Pro endotermický charakter rozpoušt ní dusíku dochází s rostoucí

22 teplotou také k r stu rozpustnosti dusíku. Naopak, snižování rozpustnosti dusíku v železe s rostoucí teplotou souvisí se vznikem nitrid Fe 4 N p ípadn Fe 2 N. Tvorba t chto nitrid má exotermický charakter, který p evyšuje endotermický charakter rozpoušt ní dusíku a tím dochází s poklesem teploty k r stu rozpustnosti dusíku v modifikaci železa. i praktických výpo tech v nelegovaných ocelích se p edpokládá, že dusík tvo í se železem siln z ed ný roztok, který se ídí Henryho zákonem. P ítomnost prvk, které siln ovliv ují aktivitu dusíku v oceli, vede k odklonu od Henryho zákona. Na obr. 2.2 je znázorn na rozpustnost dusíku v železe v soustav Fe N E v závislosti na koncentraci prvku E p i parciálním tlaku dusíku Pa a teplot 1600 C. Ve vícesložkových soustavách, zejména ve vysokolegovaných ocelích, je tedy rozpustnost dusíku ovlivn na také silovým p sobením dalších složek. U legovaných ocelí je nutné namísto koncentrací v rovnici (2.22) použít pro dusík Henryho aktivitu a tedy i Sieverts v zákon ve tvaru: K f % N N. pn2 Obr. 2.2 Rozpustnost dusíku v soustav Fe-N-E i teplot 1600 C a N (2.23) Ve vztahu (2.23) p edstavuje f N aktivitní koeficient dusíku v oceli, který lze ur it na základ tabelovaných interak ních koeficient. V tab. 2.2 jsou íklady n kterých interak ních koeficient prvního a druhého ádu. P i praktických výpo tech, zejména u vysokolegovaných ocelí, je nutné do výpo tu aktivitního koeficientu zahrnout nejen interak ní koeficienty prvního ádu, ale také druhého ádu, p ípadn i interak ní koeficienty k ížové. Ze vztahu (2.23) vyplývá, že s rostoucí hodnotou aktivitního koeficientu f N klesá za jinak stejných podmínek jeho maximální rovnovážná koncentrace, tj. klesá rozpustnost dusíku v oceli oproti istému železu, a naopak p i poklesu aktivitního koeficientu roste jeho rozpustnost v oceli. Prvky se zápornou hodnotou interak ního koeficientu prvního ádu tedy snižují aktivitu dusíku v roztaveném železe, ale zvyšují jeho rozpustnost a naopak. Z prvk, které snižují rozpustnost dusíku v železe, jsou ve slitinách železa nejd ležit jší zejména C a Si, jejichž obsah je významný obzvlášt v litinách, což zp sobuje, že rozpustnost dusíku je v b žných nelegovaných grafitických litinách podstatn nižší než v istém železe. 22