UPLATNĚNÍ KERAMICKÝCH FILTRŮ PŘI ODLÉVÁNÍ OCELOVÝCH INGOTŮ II. APLICATION OF CERAMIC FILTERS IN INGOT CASTING PROCES (PART II) Martin Balcar a, Pavel Fila a, Ludvík Martínek a, Boris Láník b, Václav Šmejkal c, Jiří Bažan d, c a ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, ČR, martin.balcar@zdas.cz Igor Láník Techservis Boskovice, ČR, boris@lanik.cz Železiarne Podbrezová, a.s., Podbrezová, SK, smejkal@zelpo.sk d VŠB TU Ostrava, ČR, jiri.bazan@vsb,cz b Abstrakt Referát na toto téma byl prezentován v roce 2007 jednak na konferenci Příprava keramických materiálů v Herľanech, ale i na konferenci Hutní keramika v Rožnově pod Radhoštěm. Vzhledem k tomu, že práce na tomto výzkumném úkolu stále pokračují, je předkládaný referát do jisté míry jeho pokračováním. Cílem aplikace keramických filtrů ve vtokové soustavě při odlévání ocelových ingotů je zvýšení čistoty oceli odstraněním nekovových vměstků a to ať již endogenních nebo exogenních. Referát seznamuje s výsledky dalších analýz, prováděných v rámci řešení tohoto úkolu, přičemž by již měl potvrdit nebo vyvrátit předpokládané cíle. Bylo znovu provedeno hodnocení velikosti vměstků před a za filtrem, byla znovu hodnocena úroveň mikročistoty dle DIN 50602 před a za filtrem, ale navíc byl proveden detailní chemický rozbor jednotlivých typů vměstků. 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 This paper was presented one year ago on ceramic conference in Herlany (SK) and also on ceramic conference in Roznov pod Radhostem (CZ) in the same year. Because the work on this research project is still in progress this paper is continuing of previous one. The aim of ceramic filters application in runner during ingot casting is increasing of cleanness of steel by removing of non metallic inclusions (exogenous or endogenous). In the paper are next amount of analysis made in terms of this task with aim to confirm or not confirm expected goals. It was also made evaluation of size of inclusions before and after the filter, it was also made level of micro cleanness acc. to DIN 50602 and additionally was also made detailed chemical analyse of some type of inclusions. The investigations were performed within the EUREKA program of the E!3192 ENSTEEL project which was founded partially by financial support of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic.
1. ÚVOD Podíl nekovových endogenních vměstků v tekuté oceli je možné, uplatněním technologie vakuového zpracování, snižovat na úroveň přijatelnou pro současné požadavky kladené na jakost ocelových výrobků. Omezení podílu exogenních vměstků, jejichž velikost, rozložení a chemické složení vychází z úrovně technologického procesu výroby oceli a odlévání ingotů, lze považovat za další technologický krok, zahrnující jednak výběr vhodných keramických materiálů a způsobu odlévání a jednak opatření zamezující vniknutí nekovových exogenních vměstků do kokily, společně s odlévanou ocelí. Pro eliminaci výskytu vměstků a zajištění vysoké čistoty kovu byla uvedena do provozu technologie filtrace kovu při odlévání ocelových ingotů přes vtokovou soustavu spodem. Posouzení přínosu filtrace kovu bylo zaměřeno na chemické a metalografické analýzy materiálu odebraného z vtokové soustavy ingotů odlévaných v reálných podmínkách při aplikaci filtračních systémů. Experimentální práce byly realizovány na provozních tavbách v podmínkách ocelárny ŽĎAS, a.s. při odlévání ingotů pro výkovky běžné produkce a pro výkovky komponent kompresorů a generátorů plynové turbiny GT009. 2. LABORATORNÍ ZKOUŠKY ÚČINNOSTI FILTRŮ V laboratořích fakulty metalurgie a materiálového inženýrství byly provedeny laboratorní zkoušky účinnosti keramických pěnových filtrů jakostí uvedených v tabulce 1. Tab. 1: Typy ověřovaných pěnových filtrů Table 1: Types of foam filters Pro ověření účinnosti filtrace byla vybrána uhlíková ocel o základním složení dle tabulky 2. Tab. 2: Chemické složení oceli Table 2: Chemical composition of steel V laboratorních podmínkách byla v indukční peci o hmotnosti vsázky 40kg ocel roztavena. Po desoxidaci hliníkem a vytemperování na teplotu 1650 C byla tavenina prolita přes keramické filtry viz obr. 1. Obr. 1: Fig. 1: Schéma licí soustavy Scheme of casting
Následně byly provedeny odběry vzorků oceli před filtrací a vzorky utuhlého kovu po filtraci. Cílem dalších měření bylo, stanovit účinnost jednotlivých keramických pěnových filtrů různého chemického složení. Účinnosti filtrů byly stanoveny na základě změny čistoty před a po filtraci dané znečištěním zorného pole. Výsledky uvádí tabulka 3. Tab. 3: Účinnosti filtrace na základě změny čistoty před a po filtraci Table 3: Filtration efficiency based on the records of cleanness change Z tabulky 3 je zřejmé, že v případě pěnového keramického filtru VUKOPOR HTX 10 nebyl potvrzen přínos aplikace filtru na snížení podílu nekovových vměstků v oceli, definovaných znečištěním zorného pole analyzovaných vzorků. [1] Ostatní tři keramické pěnové filtry vykázaly efektivní přínos daný procentuálním snížením znečištění oceli nekovovými vměstky specifikované podílem nekovových vměstků v zorném poli. Pořadí účinnosti filtrace s hledem na použité filtry je následující: VUKOPOR A10 VUKOPOR HTS 10 VUKOPOR PSZ-T. K provedení provozních zkoušek v podmínkách ŽĎAS, a.s. byl vybrán filtr typu VUKOPOR PSZ T, určený pro odlévání oceli. 3. FILTRACE OCELI NA INGOTY Ověření účinnosti filtrace bylo provedeno v rámci experimentálních prací realizovaných v podmínkách ocelárny ŽĎAS, a.s. [2] Aplikace systému filtrace pro oceli na tváření spočívá ve využití řady filtrů usazených v keramické kazetě, která je uložena ve vtokové soustavě licí desky pro odlévání ingotů spodem. Keramika filtrační kazety odpovídá šamotovému materiálu s podílem > 61% Al 2 O 3 označovaného jako bauxit a filtrační kazeta, včetně keramických pěnových filtrů z materiálu na bázi ZrO 2 označované VUKOPOR PSZ-T (150 150 30, 10ppi), je dodávána firmou Igor Láník Techservis Boskovice. Způsob filtrace oceli při odlévání ingotů přes vtokovou soustavu spodem byl podán na Úřadu průmyslového vlastnictví ČR k ochraně formou užitného vzoru s názvem Filtrační vtoková soustava. V rámci ověřování účinnosti filtrace oceli bylo v průběhu roku 2007 přes vtokovou soustavu s filtračním systémem odlito a dále zkoumáno 7ks kovářských ingotů typu 8K10.0 o hmotnosti cca 9,7t a 8K13.0 o hmotnosti cca 11,7t. Ingoty byly dále určeny pro výrobu výkovků rotorů kompresorů a generátorů plynové turbiny GT009. Celkem bylo v roce 2007 přes vtokovou soustavu s filtračním systémem odlito a dále zpracováno volným kováním 7ks kovářských ingotů typu 8K6.1 o hmotnosti 5,4t, dále 10ks ingotů 8K10.0 o hmotnosti 9,7t a 11ks ingotů 8K13.0 o hmotnosti 11,7t.
2.1. Odběr vzorků pro analýzy Filtrace oceli ve vtokové soustavě při odlévání ingotů spodem byla v provozních podmínkách ŽĎAS, a.s. realizována u ingotů odlitých z taveb oceli 26NiCrMoV115 vyrobené postupem EOP LF VD. Z taveb 31389, 31348 byly odlity přes filtrační systém 2 ks ingotů. Přehled označení taveb a konečné chemické složení uvádí tabulka 4. Tab. 4: Označení vzorků filtrované oceli a chemického složení oceli sledovaných taveb Table 4: Marking of the samples and chemical composition of filtered steel Z výše uvedených taveb byly z vtokové soustavy filtrační kazety, odebrány 2 vzorky oceli jednak z místa před filtrační kazetou (vzorek 1) a jednak za filtrační kazetou (vzorek 2). Schematický přehled způsobu odběru vzorků uvádí obr. 2. Obr. 2: Fig. 2: Schéma odběru vzorků oceli - Vzorek 1 - před filtrací, vzorek 2 po filtraci Scheme of sampling: (1) before filtration, (2) after filtration Vzorky 1, 2 byly zpracovány tvářením pro zvýšení strukturní homogenity materiálu, resp. potlačení podílu vad typu trhlin a dutin. Následně byla na vzorcích provedena metalografická šetření. 3. DOSAŽENÉ VÝSLEDKY 3.1. Hodnocení mikročistoty oceli Hodnocení metalografické čistoty bylo provedeno na vzorcích 1, 2, dle normy ČSN 42 0471 a DIN 50 602 metodou K4, K3, K2 a K1. [3], [4] Tabulka 5 uvádí výsledky hodnocení metalografické čistoty vzorků oceli 1 před filtrací a vzorků 2 po filtraci s uvedením průměrných hodnot a rozdílu, vyjadřujícím změnu stupně znečištění pro dané typy vměstků nebo metody měření. Údaje v tabulkách vyjadřující průměrnou hodnotu stupně znečištění byly vypočteny podle vzorce: (hodnoty čistoty vzorku 2 po filtraci) - (hodnoty čistoty vzorku 1 před filtrací). Z toho vyplývá, že: kladné hodnoty vyjadřují zhoršení metalografické čistoty záporné hodnoty vyjadřují zlepšení metalografické čistoty filtrované oceli.
Tab. 5: Výsledky hodnocení metalografické čistoty dle ČSN 42 0471 a DIN 50602 Table 5: Results of cleanness evaluation acc. ČSN 42 0471 and DIN 50602 Z tabulky 5 je zřejmé, že podle hodnocení metalografické čistoty normou ČSN 42 0471 bylo v celkovém souhrnu, pro případ oxidů bodových, dosaženo mírného zlepšení čistoty oceli. Naopak mírné zhoršení pozorujeme u výsledků hodnocení metalografické čistoty dle normy DIN 50602, což je ovšem dáno zejména výrazným zhoršením čistoty oceli po filtraci u tavby 31348. V porovnání ostatních taveb je patrné, že čistota u 4 vzorků z taveb byla zlepšena a u 3 taveb mírně zhoršena. S ohledem na předchozí výsledky, které v několika případech prezentují zhoršení čistoty, bylo provedeno příčné dělení aplikovaných filtračních kazet s cílem ověřit stav filtračních vložek filtrů a provedení dalších laboratorních měření. Předpokládanou strukturu příčného vzorku ze středu filtrační kazety a reálné snímky u dvou vzorků uvádí obrázek 3. Obr. 3: Příčný vzorek z filtrační kazety: 1. OK, 2. poškozený filtr Fig. 3: The transversal samples from filtration cartridge: (1) OK, (2) damaged filter Ze snímků na obrázku 3 je patrný stav, kdy v jednom případě nedošlo a v druhém došlo k poškození filtru. Při pozorování 20 vzorků bylo zjištěno poškození filtru ve čtyřech
případech. Ve třech případech byl filtr deformován a částečně prohnut mimo meze svého původního usazení (příklad 2 na obrázku 3) a v jednom případě dokonce filtr na příčném řezu zcela chyběl, což vypovídá o jeho úplném poškození a následném odplavení proudící ocelí. Uvedená problematika byla řešena s výrobcem filtrů a filtrační kazety a došlo k některým konstrukčním změnám a úpravám. 3.2. Hodnocení vměstků na vzorcích oceli metodou EDS Hodnocení vměstků ve vzorcích nefiltrované a filtrované oceli, odebraných z vtokové soustavy, bylo dále provedeno v podmínkách ŽP, a.s. metodou EDS (Energy Dispersive Spectrometer), pomocí zařízení FEI Inspect s analyzátorem EDAX Genezis. [5] Vzorky o rozměrech cca 25x25x25mm, vyhodnocené klasickými metalografickými metodami (hodnocení metalografické čistoty dle ČSN 42 0471 a DIN 50602), byly dále podrobeny šetření chemického složení vměstků a měření rozměrů vměstků. Metodika stanovení místa zkoušení, při uvážení eliminace vnější struktury vzorku ovlivněné keramickým materiálem filtrační kazety, rovněž i reálně proveditelného rozsahu zkoušek a současně i vyloučení subjektivního vlivu hodnotící osoby, byla zjednodušena na výběr plochy v ose vzorku pro měření chemického složení a velikosti 10 největších vměstků nalezených v zorném poli osové části vzorku, dle schéma na obrázku 4. analyzovaná plocha metodou EDS Obr. 4: Vzorek oceli a plocha zkoušení metodou EDS Fig. 4: The sample of steel with highlighted area for EDS analyses Výsledky analýzy chemického složení nekovových vměstků uvádí tabulka 6, přičemž tabulka zahrnuje průměrného chemického složení vměstků u filtrované a nefiltrované oceli. Soubor dat zahrnoval 153 analýz komplexních vměstků na bázi Al 2 O 3. Tab. 6: Průměrné chemické složení vměstků na bázi Al 2 O 3 EDS (ŽP, a.s.) Table 6: Average chemical composition of alumina inclusions EDS (ZP, a.s.) Rozdíly v průměrných hodnotách obsahů jednotlivých prvků v komplexních oxidech nepoukazují na výrazné změny v koncentračních poměrech. Zajímavý je pokles hliníku o 3.99% a nárůst obsahu vápníku o 2.09%, což by mohlo poukazovat na účinnost filtrace ve smyslu zachytávání vměstků s nižším podílem modifkačního vápníku.
V dalším kroku bylo provedeno měření velikosti analyzovaných vměsků a stanovení průměrných velikostí nekovových vměstků v oceli před filtrací a po filtraci. Měření každého vměstku bylo provedeno vždy 2x ve směrech vzájemně kolmých, označených jako směry x a y. Výslednou průměrnou velikost nekovových vměstků uvádí tabulka 7. Tab. 7: Výsledná průměrná velikost vměstků v oceli (ŽP, a.s.) Table 7: Average dimension of inclusions in samples of steel (ZP, a.s.) Podle údajů výsledné průměrné velikosti vměstku je patrné, že filtrací oceli nebylo dosaženo snížení průměrné velikosti vměstků. 4. ZÁVĚR Provedená měření, analýzy a praktické zkoušky poukazují na problematiku filtrace oceli nejen z pohledu vlastní realizace, ale i z hlediska nalezení prokazatelné metody, jak stanovit účinnost filtrace. Přestože se mohou výsledky provedených zkoušek zdát rozporuplné a ne zcela evidentní z pohledu přínosu filtrace taveniny pro zvýšení metalografické čistoty oceli, považujeme při současných požadavcích na vybrané typy výkovků za nezbytné, využívat možnosti filtrace. Prakticky účinnost zvolené metody filtrace tekuté oceli, odlévané do ingotů pro volně kované výkovky, dokladují úspěšné realizace výkovků rotorů pro kompresory a generátory o hmotnosti 6 až 8 tun. Povolená velikost vady při zkoušce ultrazvukem provedené dle normy SEP1923 kvalita A1 je maximálně 1mm. V letech 2004 až 2006 bylo při produkci výkovků ze superčistých ocelí zaznamenán vysoký podíl nevyhovujících kusů. Proto byla v roce 2007 veškerá produkce ingotů pro výkovky ze superčistých ocelí realizována s využitím filtrace oceli. V celkovém počtu 40ks vyrobených výkovků rotorů nebyly nalezeny nevyhovující indikace při zkoušce UZ a veškerá produkce v roce 2007 kvalitativně splnila požadavky na jakost super čistých oceli. 5. LITERATURA [1] BAŽAN, J., HORÁKOVÁ, D.: Vyhodnocení filtrace oceli. Část 2 laboratorní výsledky. Dílčí zpráva z řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL identifikační číslo 1P04OE169 v roce 2007. Ostrava 2007, 15 s. [2] BALCAR, M., BAŽAN, J., MARTÍNEK, L. a kol.: ETAPA B2: Ověření vlivu licí keramiky a strusek na výskyt exogenních nekovových vměstků. Dílčí zpráva z řešení projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL, identifikační číslo 1P04OE169 v roce 2007. Žďár nad Sázavou, 2007. 43 s. [3] NOVÁK, J.: Protokoly hodnocení mikročistoty ČSN 42 0471. Nepublikované výsledky. ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou 2007, 39 s. [4] PAPEŽOVÁ, M.: Protokoly hodnocení mikročistoty DIN 50602 metody K1, K2, K3, K4. Nepublikované výsledky. ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou 2007, 64 s. [5] ŠMEJKAL, V.: Protokoly hodnocení chemického složení vměstků Ni Cr Mo oceli.. Nepublikované výsledky. Železiarne Podbrezová, Podbrezová 2007, 116 s.