POROVNÁNÍ MIKROČISTOTY OCELI PŘI POUŽITÍ DVOU TYPŮ PONORNÝCH VÝLEVEK Jaroslav Pindor a Karel Michalek b a TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a.s., Průmyslová 1000, 739 70 Třinec-Staré Město, ČR b VŠB-TU Ostrava, FMMI, tř. 17. listopadu, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR Abstrakt Výsledky provozního ověřování a porovnání mikročistot oceli při použití jednootvorové náporové ponorné výlevky a pětiotvorové výlevky při odlévání oceli do krystalizátoru o průměru 410 mm. Jsou zhodnoceny i výsledky při různých ponorech ponorných výlevek. Doporučení pro provozní aplikaci. ÚVOD Krystalizátor při plynulém odlévání je v současné době považován za poslední metalurgický účinné místo, kde je možno ovlivnit mikročistotu odlévané oceli. Již téměř dva a půl roku je na ZPO 1 v Třineckých železárnách aplikována při odlévání oceli s C nad 0,3 % do kruhových předlitků o průměru 410 a 525 mm ponorná výlevka. Tato výlevka vznikla z klasické čtyřotvorové beznáporové výlevky doplněním pátého otvoru o průměru 24 mm ve dně výlevky - viz obr. 1. Původně byly výše uvedené oceli odlévány náporovou jednootvorovou ponornou výlevkou. Cílem aplikace pětiotvorové výlevky místo náporové bylo zlepšit mikročistotu odlévané oceli při současném zabezpečení její povrchové kvality a rovněž zamezení průvalů. Tento příspěvek prezentuje některé nové výsledky, které byly získány při provozním ověřování. I. Použitá metodika provozního ověřování Pro ověření vhodnosti určitého typu ponorné výlevky na mikročistotu oceli jsou v podstatě možná dvě řešení: a) nové typy ponorných výlevek nasadit masově a pak výsledky posoudit statisticky. Tato cesta může být riziková z hlediska výskytu vadné výroby a je rovněž velmi zdlouhavá. b) nový typ ponorné výlevky použit v mezipánvi pouze u některých licích proudů, zbylé proudy odlévat pomocí původních výlevek. Vliv na mikročistotu oceli se zjistí vzájemným porovnáním těchto licích proudů. Pro řešení byla vybrána varianta ad b), která je mnohem exaktnější. Nové typy ponorných výlevek byly ověřovány při odlévání oceli do krystalizátoru o průměru 410 mm. Ověřování bylo prováděno u ocelí uklidněných Al a modifikovaných přísadou CaSi. Při hodnocení se vycházelo z předpokladu, že mikročistota odlévané oceli je ovlivněna prakticky pouze typem použité ponorné výlevky, přičemž ostatní technologické vlivy budou srovnatelné. Metodika zkoušek je znázorněna na obr. 2: - na licím proudu č. 5 byla použita původní ponorná výlevka - na licím proudu č. 2 byla použita ponorná výlevka - pomocí obou ponorných výlevek byla tedy odlévána ocel se shodnou technologií přípravy - charakter proudění oceli k oběma licím proudům byl, s ohledem na stejné vzdálenosti od dopadového místa, velmi podobný; ocel vstupuje přes stínicí trubici do mezipánve mezi licími proudy č. 3 a 4 do tzv. usměrňovače proudění, takže retenční časy toku oceli k výlevkám č. 2 a 5 jsou téměř identické - licí rychlosti na výlevkách č. 2 a 5 lze udržet na stejné úrovni 1
- ostatní licí parametry včetně použitého licího prášku zůstávají stejné - u sledovaných taveb byly vždy pro porovnání vybrány následující předlitky průměru 410 mm u 2. a 5. licího proudu: u 1. tavby první, prostřední a poslední předlitek u 2. a další tavby prostřední a poslední předlitek. II. Postup provozního ověřování V jedné sekvenci bylo odlito celkem 6 taveb č. 17227, 17229, 17231, 17234, 17236 a 17238 značky oceli R7-B5-C3 do krystalizátoru o průměru 410 mm. Ocel značky R7-B5-C3 je určena v konečném zpracování pro železniční celistvá kola a její chemické složení je uvedeno v tab. 1. Tabulka 1. Chemické složení značky oceli R7-B5-C3 (% hm.) C Mn Si P S Cr Cu Mo Ni V Al rozp. 0,46 0,60 0,20 max. max. 0,15 max. max. max. max. 28 0,49 0,76 0,37 20 15 0,25 0,15 5 0,15 3 48 Při odlévání jednotlivých taveb v sekvenci byl měněn ponor pětiotvorové a jednootvorové výlevky spouštěním mezipánve. Každá následující tavba v sekvenci byla tedy odléváná s hlubšími ponory výlevek. Skutečný ponor obou sledovaných výlevek byl pak změřen na ponorných výlevkách po odlití sekvence, viz následující tab. 2. Tabulka 2. Skutečné ponory výlevek po provozním ověřování Typ výlevky Ponor ponorných výlevek u jednotlivých taveb, mm 17227 17229 17231 17234 17236 17238 pětitvorová* 92 120 140 163 179 195 jednootvorová 15 45 70 90 110 130 Pozn.: * Ponor je měřěn od horní části výstupního otvoru ponorné výlevky. Předlitky pro hodnocení mikročistoty oceli byly vyčleňovány podle již zmíněného schématu uvedeného v bodě I. Pro úplnost uvádíme, že u sledované sekvence taveb byla z organizačních důvodů t. č. 17231 určena pro potřeby TŽ a u této tavby nebyl vyčleněn prostřední a poslední předlitek. U následující tavby č. 17234 byl navíc vyčleněn 1. předlitek, který byl při hodnocení považován za poslední předlitek tavby č. 17231. III. Hodnocení mikročistoty oceli Mikročistota oceli byla hodnocena dle DIN 50602 K2. Ze sledovaných sochorů 108 108 mm, charakterizujících sledovaný předlitek, byly odebrány vzorky ze středu a povrchu sochoru. Zjištěné hodnoty mikročistoty z jednotlivých sochorů, charakterizujících daný předlitek, byly sečteny a byl proveden aritmetický průměr. Na obr. 3 jsou porovnány výsledky hodnocení mikročistoty oceli (pouze oxidy) u vzorků, které charakterizují střed předlitku. Z obr. 3 je zřejmé, že u taveb č. 17227 a 17229 bylo dosaženo lepších výsledků u pětiotvorové výlevky. U tavby č. 17234 bylo u počátečního předlitku, který zároveň charakterizuje poslední předlitek t. č. 17231, dosaženo lepšího výsledku u jednootvorové výlevky. U následujících tří předlitků bylo dosaženo lepších nebo 2
srovnatelných výsledků (t. č. 17234 střed a konec, 17236 střed). U zbývajících tří předlitků v sekvenci bylo dosaženo u pětiotvorové výlevky horších výsledků. Celkově je možno říci, že z 12 sledovaných předlitků bylo lepších výsledků dosaženo u pětiotvorové výlevky v 6 případech, 2 byly na srovnatelné úrovni, zbytek byl horší. Na obr. 4 jsou porovnány výsledky hodnocení mikročistoty oceli (pouze oxidy) u vzorků, které charakterizují povrch předlitků. Z obr. 4 vyplývá, že u prvních 7 předlitků (až po t. č. 17234 střed) bylo vždy dosaženo lepších nebo srovnatelných hodnot mikročistoty oceli u pětiotvorové výlevky. U zbývajících 5 předlitků bylo vždy dosaženo horších výsledků u pětiotvorové výlevky kromě předlitku z t. č. 17238 střed. Celkově bylo lepších výsledků u pětiotvorové výlevky dosaženo u 7 předlitků, u jednoho předlitku jsou výsledky srovnatelné, zbytek je horší. Je možno konstatovat, že dosažená mikročistota oceli jak středových, tak i povrchových vzorků se ve většině případů překrývá a sleduje stejné trendy. Byl proto sestrojen graf, který charakterizuje mikročistotu oceli v daném předlitku průměrné hodnoty střed povrch, viz obr. 5. Z grafu vyplývají podobné závislosti jako z předchozích hodnocení. U taveb č. 17227 a 17229 bylo dosaženo vždy lepších výsledků u pětiotvorové výlevky, u dalších dvou bylo dosaženo srovnatelných výsledků (č. 17234 počátek a střed). U zbývajících 5 předlitků bylo dosaženo horších výsledků u pětiotvorové výlevky. IV. Hodnocení obsahu kyslíku celkového Vzhledem k tomu, že metodika normy DIN 50602 K2 je do jisté míry subjektivní metodou hodnocení mikročistoty oceli, bylo u stejných vzorků jako při stanovení mikročistoty oceli provedeno stanovení obsahu kyslíku celkového. Vychází se z předpokladu, že u hliníkem hluboce dezoxidované oceli (obsahy Al celk > 30 %) a navíc modifikované přísadou CaSi charakterizuje celkový obsah kyslíku množství oxidických vměstků v oceli. Na obr. 6 jsou porovnány celkové obsahy kyslíku u vzorků, které charakterizují střed předlitků. U prvních dvou předlitků bylo dosaženo mírně horších výsledků u pětiotvorové výlevky, u dalších čtyř předlitků bylo u pětiotvorové výlevky dosaženo lepších výsledků (od t. č. 17227 konec až po t. č. 17234 počátek). U dalších 6 předlitků bylo ve třech případech dosaženo u pětiotvorové výlevky lepších výsledků, u zbývajících 3 horších výsledků. Obr. 7 znázorňuje porovnání celkových obsahů kyslíku u vzorků charakterizujících povrch předlitků. U pětiotvorové výlevky bylo dosaženo mírně horšího výsledku u 1. předlitku v sekvenci, lepších výsledků u této výlevky bylo dosaženo u následujících 7 předlitků v sekvenci, a to u předlitků t. č. 17227 střed až po t. č. 17234 konec. U zbývajících čtyř předlitků bylo ve dvou případech dosaženo mírně lepších výsledků u náporové výlevky, jednou u pětiotvorové výlevky a jednou jsou výsledky na stejné úrovni. Stejně jako u hodnocení mikročistoty oceli byly hodnoty celkového obsahu kyslíku zprůměrovány (střed povrch) pro daný předlitek. Výsledky jsou znázorněny na obr. 8. Z tohoto obrázku vyplývá, že u prvních dvou předlitků bylo dosaženo srovnatelných výsledků. U dalších 6 předlitků (od t. č. 17227 konec až po t. č. 17234 konec) bylo dosaženo u pětiotvorové výlevky nižších hodnot celkového obsahu kyslíku. U posledních čtyř předlitků bylo dosaženo srovnatelných hodnot, ve třech případech bylo dosaženo lepších výsledků u náporové výlevky, jednou u pětiotvorové výlevky. V. Komentář zjištěných výsledků Dřívější práce [1 až 4] se zabývaly vývojem pětiotvorové výlevky a některými dosaženými provozními výsledky. Tento příspěvek je zaměřen na provozně ověřované výsledky při cílené změně ponoru pětiotvorové výlevky. Při modelových zkouškách pětiotvorové výlevky bylo zjištěno, že dynamický účinek proudu oceli vytékající z bočních 3
otvorů na stěnu tuhnoucího předlitku resp. krystalizátoru je daleko menší než při použití klasické čtyřotvorové ponorné výlevky. Dále bylo zjištěno, že tento proud se po nárazu na stěnu krystalizátoru rozděluje na spodní a horní část. Spodní část proudu směřuje dolů podél stěny, jeho rychlost se postupně zpomaluje a v určité hloubce se obrací zpět směrem nahoru. Horní část po dosažení stěny proudí vertikálně směrem k menisku a poté horizontálně zpět směrem k výlevce. Pokud je intenzita tohoto proudu velká (při nedostatečné hloubce ponoru), může na hladině vznikat silné vlnění a víry, které mohou strhávat roztavený licí prášek. Charakter proudění lázně v modelu krystalizátoru v případě použití pětiotvorových výlevek je tedy určitou kombinací centrálního proudu a proudění kolem stěn krystalizátoru. Účinek centrálního proudu a jeho dosah je prakticky omezen pouze na vlastní délku krystalizátoru. V kombinaci s prouděním, které vyvolává boční výtok z výlevky je celkový charakter proudění posunut k rovnoměrnějšímu postupu lázně celým průřezem krystalizátoru, přičemž zde nejsou tak výrazné složky recirkulačního proudění v blízkosti stěn krystalizátoru. Rovněž při odlévání pomocí náporové ponorné výlevky je důležité dodržovat určitou hloubku ponoru. Při malé hloubce vznikají na rozhraní ocel roztavený licí prášek stejné horizontální proudy (ale opačného směru než při použití beznáporové výlevky), které mohou rovněž zapříčiňovat na menisku nerovnoměrnosti a víry. Z dosažených provozních výsledků je možno učinit tyto závěry: - Pro použití jednootvorové náporové výlevky je zcela nevhodný ponor do 70 mm. Technologický předpis předepisuje hloubku ponoru v rozmezí 60 až 160 mm od spodní hrany výlevky. U tohoto provozního ověřování byly záměrně použity výlevky k dosažení menšího ponoru u první a druhé tavby v sekvenci. - Na základě porovnání hodnot mikročistoty dle normy DIN 50602 K2 a celkového obsahu kyslíku se pro dosažení lepších výsledků u pětiotvorové ponorné výlevky ve srovnání s náporovou výlevkou jeví jako optimální ponor 120 až 160 mm měřený od horního okraje výstupního bočního otvoru výlevky k menisku. Při větších ponorech se zhoršují podmínky pro vyplouvání vměstků a výsledky jsou horší nebo na srovnatelné úrovni jako u náporové výlevky. U všech předlitků odlitých pomocí pětiotvorové ponorné výlevky byla při apretaci provedena vizuální kontrola povrchu, přičemž nebyly zjištěny žádné vady. Vady nebyly zjištěny ani po proválcování do sochorů 108 108 mm. VI. Závěr Pro zlepšení mikročistoty oceli byla pro odlévání kruhových předlitků o průměru 410 a 525 mm vyvinuta ponorná výlevka, která nahradila náporovou ponornou výlevku. Pro nalezení optimální hloubky ponoru byl proveden provozní pokus, kdy byla porovnána mikročistota oceli a celkový obsah kyslíku v oceli při odlévání pomocí pětiotvorové a jednootvorové náporové výlevky. Při provozním pokusu byla cíleně měněna hloubka ponoru obou ponorných výlevek. Na základě rozboru dosažených výsledků bylo možno definovat parametry pro odlévání pomocí obou výlevek do krystalizátorů o průměru 410 a 525 mm: - při odlévání pomocí jednootvorové náporové ponorné výlevky je nutno dodržet minimální hloubku ponoru 70 mm; - při odlévání pomocí pětiotvorové ponorné výlevky je pro dosažení odpovídajících mikročistot oceli nutno dodržet rozmezí ponoru 120 až 160 mm. 4
LITERATURA [1] MICHALEK, K. aj. Vliv typu ponorné výlevky na proudění lázně v krystalizátoru a kvalitu kruhových předlitků, Hutnické listy, 2000, č. 4-7, s. 27-34, ISSN 0018-8069. [2] VLK, V., MICHALEK, K., PINDOR, J. Porovnání chování lázně v modelu kruhového krystalizátoru v závislosti na typu ponorné výlevky, In. IX. international scientific conference Iron and Steelmaking, Malenovice, 1999, s. 165-168, ISBN 80-7078-699-X. [3] MICHALEK, K., VLK, V., PINDOR, J. Použití pětiotvorových výlevek pro odlévání kruhových předlitků, In. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Ostrava: Tanger, 2000, s. 121-127, ISBN 80-85988-43-7. [4] PINDOR, J., MICHALEK, K., BENDA, M. Praktické zkušenosti s používáním pětiotvorové výlevky při plynulém odlévání oceli do krystalizátoru 410 mm, In. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Ostrava: Tanger, 2001, s. 178-183, ISBN 80-85988-55-0. 5
Obr. 1. Pětiotvorová ponorná výlevka 6
pánev Stínicí trubice usměrňovač licího proudu z pánve izolační zásyp a krycí struska původní NPV 5OPV ponorné výlevky u licích proudů 1.,2.,3.,4., 5. sekvence 4 taveb 2. tavba 3. tavba 4. tavba krystalizátor 5předlitků z 1 proudu NPV - ponorná výlevka 5OPV - ponorná výlevka Po vyválcování 4 vyválcované sochory pro odběr vzorků ze sledovaných předlitků odběrové místo vzorku 1. tavba sledované předlitky Obr. 2. Metodika postupu odlévání, sledování a odběru vzorků (po válcování) při použití dvou různých typů ponorných výlevek při odlévání předlitků o průměru 410 mm na ZPO č. 1 v TŽ, a.s. 7
3,0 mikročistota dle DIN 50602-K2 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Obr. 3. Porovnání mikročistoty oceli (pouze oxidy) u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující střed 3,0 mikročistota dle DIN 50602-K2 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Obr. 4. Porovnání mikročistoty oceli (pouze oxidy) u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující povrchovou oblast 8
3,0 mikročistota dle DIN 50602-K2 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Obr. 5. Porovnání mikročistoty oceli (pouze oxidy) u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující průměrné hodnoty (střed a povrch) 25,0 obsah kyslíku, ppm 2 15,0 1 5,0 Obr. 6. Porovnání celkového obsahu kyslíku u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující střed 9
25,0 2 obsah kyslíku, ppm 15,0 1 5,0 Obr. 7. Porovnání celkového obsahu kyslíku u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující povrchovou oblast 25,0 2 obsah kyslíku, ppm 15,0 1 5,0 Obr. 8. Porovnání celkového obsahu kyslíku u oceli R7-B5-C3, t. č. 17227, 17229, 17234, 17236 a 17238, při použití náporové a pětiotvorové ponorné výlevky vzorky charakterizující průměrné hodnoty (střed a povrch) 10