Logistyka ciekłego metalu na przykładzie odlewni żeliwa

Transkrypt

1 Natalia Kaźnica 1, Joanna Kolczyk 2 AGH w Krakowie Logistyka ciekłego metalu na przykładzie odlewni żeliwa Wprowadzenie Odlewnictwo najogólniej zdefiniować można jako proces produkcyjny polegający na wlewaniu ciekłego metalu do wnęki formy odlewniczej w celu uzyskania wyrobu o praktycznie dowolnych kształtach. Uzyskanie produktu o ściśle określonych właściwościach (mechanicznych, wytrzymałościowych, użytkowych oraz fizycznych) wymaga restrykcyjnego przestrzegania warunków procesu technologicznego, w tym również dotyczącego ciekłego metalu. Zalicza się tu między innymi: przygotowanie wsadu metalowego o określonym składzie chemicznym, dobór odpowiedniej technologii topienia, dobór procesów uszlachetniania ciekłego metalu, zalewanie form odlewniczych w zakresie temperatur zalewania ściśle określonych dla każdego stopu. Mimo skomplikowanego procesu produkcyjnego przemysł odlewniczy wytwarza rocznie ponad 103 mln ton odlewów, w tym blisko 74 mln ton odlewów żeliwnych (dane za rok 2013) [1]. żeliwo szare Tabela 1. Światowa produkcja odlewów w roku 2013 w tonach żeliwo sferoidalne żeliwo ciągliwe staliwo metale nieżelazne Źródło: na podstawie Modern Casting, December 2014 Żeliwo to stop żelaza z węglem, którego zawartość zwykle przekracza 2%. W zależności od zawartości węgla można podzielić żeliwo na trzy grupy: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Struktura uzyskanego żeliwa, a także jego właściwości są ściśle związane z szeregiem różnych czynników oddziałujących w czasie krzepnięcia i stygnięcia odlewów lub w trakcie samej obróbki ciekłego metalu. Właściwości odlewów z żeliwa zależą od zawartości węgla i od postaci, w jakiej on występuje. Grafit występujący jako oddzielna faza (wolny grafit) nadaje przełomom żeliwa szary wygląd. Stąd żeliwo można podzielić na trzy podstawowe grupy: żeliwo białe węgiel występuje w postaci związanej cementytu, żeliwo połowiczne węgiel występuje częściowo w postaci grafitu, żeliwo szare węgiel występuje w postaci grafitu. Natomiast mając na uwadze postać wydzieleń grafitu można wyróżnić następujące rodzaje żeliwa: żeliwo sferoidalne, gdzie grafit krystalizuje w postaci kulkowej, żeliwo wermikularne, w którym grafit występuje w postaci pośredniej między grafitem kulkowym a płatkowym, żeliwo ciągliwe, którego wytworzenie obejmuje dwa zasadnicze procesy: otrzymywanie żeliwa wyjściowego krzepnącego w układzie metastabilnym (żeliwo białe), obróbkę cieplną żeliwa białego. suma 1 Natalia Kaźnica, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, Kraków, Polska, kazni-ca@agh.edu.pl 2 Joanna Kolczyk, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, Kraków, Polska, kolczyk@agh.edu.pl 9108

2 W wyniku procesu obróbki cieplnej węgiel może ulec całkowitemu usunięciu z osnowy metalicznej żeliwa (wyżarzanie odwęglające) lub wystąpić w strukturze w stanie wolnym w postaci grafitu żarzenia (wyżarzanie grafityzujące). Odlewnictwo zaopatruje globalnie w części przemysł lotniczy, motoryzacyjny, militarny, budowlany, medyczny, stoczniowy, kolejowy, górniczy, wiertniczy, energetyczny, hutniczy, maszynowy i inne. Natomiast na krajowym rynku odbiorców dominuje przemysł motoryzacyjny. Rys. 1. Szacunkowy udział rynków odbiorców odlewów w Polsce Źródło: J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek: Sytuacja odlewnictwa na świecie, w Europie i w Polsce. Ogólnopolski Dzień Odlewnika, Technologie topienia Materiał otrzymywany na drodze odlewniczej, czyli stop metali o określonym składzie chemicznym wytwarzany jest bezpośrednio przed wykonaniem odlewu w procesie wytopu [2]. Topienie metalu polega na doborze odpowiednich ilości podstawowych surowców metalowych (gąsek surówki, złomu własnego i obiegowego) i dodatków niemetalowych oraz przeprowadzenie ich w stan ciekły. Daje to w efekcie mieszaninę o wymaganym składzie chemicznym, od której zależą właściwości użytkowe (np.: wytrzymałość, plastyczność, ścieralność itp.) gotowego wyrobu (odlewu). Istotą procesu odlewniczego jest zalewanie wnęki formy ciekłym metalem. Wymagane jest więc doprowadzenie wsadu do ciekłego stanu skupienia na skutek nagrzania go to temperatury solidus określonej dla danych stopów, stopienia metalu, a następnie przegrzania go powyżej temperatury likwidus do temperatury spustu [2]. Uzyskuje się to w piecach przeznaczonych do wytopu metalu, czyli najczęściej w przypadku żeliwa w żeliwiakach, piecach elektrycznych indukcyjnych i łukowych. Niezależnie od budowy czy zasady działania panują w nich warunki bardzo wysokiej temperatury i agresywnego środowiska (ciekły metal, żużel, wymurówka ogniotrwała, gazy z otaczającej atmosfery, gazowe produkty spalania paliwa). Najogólniej proces topienia można przedstawić za pomocą rysunku 2 [3]. energia powietrze topniki i pierwiastki stopowe podstawowy skład PIEC DO TOPIENIA METALI straty energii gazy odlotowe żużel ciekły metal Rys. 2. Schemat procesu topienia 9109

3 Źródło: na podstawie A. Modrzyński: Zaawansowane technologie topienia metali w odlewnictwie stopów żelaza. Odpowiedni dobór pieca do potrzeb danej odlewni pozwala na: uzyskanie dużej wydajności procesu topienia przy maksymalnym ograniczeniu strat topienia, dokładną kontrolę ciekłego metalu warunkującą wytwarzanie metalu dobrej jakości, ograniczenie emisji zanieczyszczeń do środowiska, prowadzenie procesu z dużym współczynnikiem sprawności energetycznej [3]. Uszlachetnianie ciekłego metalu Uzyskanie odpowiednio wysokich właściwości gotowych odlewów, uzależnione jest od doboru odpowiedniego procesu uszlachetniania ciekłego metalu. Najczęściej stosowanymi zabiegami jest modyfikacja, sferoidyzacja i wermikularyzacja. Modyfikację definiuje się jako działanie polegające na wprowadzeniu do ciekłego metalu lub stopu odpowiedniej substancji (modyfikatora), która powoduje zmiany mikrostruktury większe niż wynikałoby to ze zmiany składu chemicznego. Następuje wyraźne rozdrobnienie wydzieleń grafitu i wzrost właściwości wytrzymałościowych. Efekt modyfikacji ciekłego żeliwa zależy od składu chemicznego żeliwa wyjściowego, jego temperatury przegrzania, czasu wytrzymania w tej temperaturze, ciśnienia i rodzaju atmosfery nad kąpielą, rodzaju i zużycia modyfikatora oraz temperatury ciekłego żeliwa w czasie modyfikacji, a także warunków odlewania do formy odlewniczej i warunków krzepnięcia oraz stygnięcia odlewu. Żeliwo modyfikowane przeznaczone jest do otrzymania odlewów wysokojakościowych [2]. Modyfikator powoduje zwiększenie ilości zarodków krystalizacji, a tym samym rozdrobnienie płatków grafitu oraz uzyskanie struktury perlitu w osnowie metalicznej. Te dwa czynniki są powodem uzyskania wyższych wartości wytrzymałości żeliwa modyfikowanego (Rm>250N/mm 2 ). Proces sferoidyzacji polega na wytapianiu żeliwa wyjściowego w żeliwiaku lub innych piecach odlewniczych, a następnie wprowadzeniu do ciekłego żeliwa wyjściowego magnezu, ceru lub stopów w postaci zapraw i końcowym modyfikowaniu żelazokrzemem (FeSi 75A 107 lub FeSi A11), w ilości 0,3 1,0%. Zmniejszenie zawartości siarki do 0,02 i równoczesne uzyskanie zawartości magnezu 0,03% powoduje otrzymanie kulkowej postaci grafitu w żeliwie [4]. Metal po procesie sferoidyzacji charakteryzuje się wyższą wytrzymałością i plastycznością niż żeliwo szare, ale mniejszą zdolnością tłumienia drgań. Wermikularyzację przeprowadza się celem uzyskania żeliwa z grafitem wermikularnym. Zabieg ten przeprowadza się po to, aby uzyskać właściwości pośrednie między żeliwem z grafitem płatkowym a kulkowym. Celem uzyskania grafitu wermikularnego przeprowadza się modyfikację żeliwa wyjściowego Mg i Ce, ale równocześnie przeciwdziała się powstawaniu grafitu kulkowego takimi pierwiastkami jak np.: Ti i Al. Można również stosować pierwiastki ziem rzadkich takie jak miszmetal, stosując materiały wsadowe o niskiej zawartości siarki itp. [5]. Proces zalewania Żeliwo o temperaturze przegrzania znajdujące się w piecu transportuje się do stanowiska zalewania za pomocą odpowiednich narzędzi, takich jak łyżki czy kadzie. Na drodze tej ciekły metal traci ciepło, czyli spada jego temperatura. Straty ciepła, występują również w samym zbiorniku oraz w czasie przelewania do kadzi. Istotne jest więc takie przegrzanie metalu, aby uwzględniając wszystkie straty ciepła, w momencie zalewania otrzymać temperaturę odpowiednią dla danego typu stopu, która determinuje powstawanie dobrych odlewów. Wybór kadzi odlewniczych wykorzystywanych do zalewania uzależniony jest między innymi od wielkości odlewu. Łyżki i kadzie należy wygrzać przed napełnieniem ich ciekłym metalem do temperatury około 600 o C. Dobierając kadź odlewniczą należy mieć na uwadze iż wlany do niej metal (żeliwo) będzie charakteryzował się spadkiem temperatury, co zależne jest miedzy innymi od ciężaru wyłożenia jak również od ilości ciepła doprowadzonego w jednostce czasu. Wielkość i szybkość tego spadku zależy od kształtu i wielkości kadzi, ale przede wszystkim od ilości znajdującego się w niej metalu. Każdy metal 9110

4 charakteryzują się inna temperaturą zalewania, której należy przestrzegać aby uzyskać odpowiednia właściwości gotowych odlewów [6]. Łyżki odlewnicze używane są do zalewania form małych nie przekraczających pojemności 20 kg stopów Fe. Natomiast z kadzi ręcznych zalewane są średniej wielkości formy o pojemności sięgającej maksymalnie 100 kg. Rys. 3. Łyżki odlewnicze: a) czerpakowa żeliwana, b) czerpakowa grafitiwa, c) zwykła z uchwytem pierścieniowym Źródło: Fidos H. i inni: Poradnik Odlewnika. Tom II. Państwowe Wydawnictwa Techniczne. Warszawa 1959 Rys. 4. Kadzie ręczne: a) z otworem, b) ze szczeliną, c) z otworem w dziobie,d) syfonowa (czajnikowa), e) z otworem (rura szamotowa), f) na widełkach, 1 próg do zatrzymania żużla Źródło: Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa,1972 a) b) c) d) 9111

5 Rys. 5. Kadź odlewnicza a) zwykła z przekładnią mechaniczną wg PN-56/H-56021, b)zatyczkowa wg PN-56/H-56022, c) czajnikowa wg PN 56/H-56023, d) bębnowa wg PN 56/H Źródło: Piszak J. i inni: Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa,1972 Kadzie odlewnicze zwykłe, czajnikowe, zatyczkowe i bębnowe stosowane są najczęściej do zalewania form wielkogabarytowych o pojemności do kg. Transport tych kadzi wewnątrz odlewni odbywa się przy pomocy urządzeń dźwigowych (suwnic) [7]. Sam proces zalewania form odlewniczych charakteryzuje się krótkotrwałością, lecz równocześnie dużą odpowiedzialnością. Od poprawności jego wykonania zależy bowiem w dużym stopniu jakość otrzymywanych odlewów. Podsumowanie Odlewnictwo jako dział technologii metali zajmuje istotne miejsce pod względem wykonywania gotowych wyrobów. Muszą one odpowiadać warunkom stawianym zarówno przez konstruktora, jak i użytkownika. Odlewnictwo jest jedyną technologią, dzięki której możliwe jest wykonanie przedmiotów charakteryzującym się dużym stopniem skomplikowania kształtu. W przypadku produkcji wielkoseryjnych jest to jedna z bardziej ekonomicznych metod wytwarzania. Duży wskaźnik zużycia odlewów potwierdza tylko znaczącą rolę branży odlewniczej. Streszczenie Otrzymywanie wyrobów na drodze odlewniczej wymaga dużego reżimu technologicznego. Ciekły metal, którym zalewane są gotowe formy odlewnicze, musi charakteryzować się odpowiednim składem chemicznym. Drugim istotnym elementem jest ściśle określony dla poszczególnych stopów odlewniczych zakres temperatur zalewania. Spełnienie tych warunków i utrzymanie ich na wymaganym poziomie również w czasie transportu metalu do stanowisk zalewania determinuje otrzymywanie wymaganych w odlewie właściwości. Słowa kluczowe: ciekły metal, odlewnia żeliwa, topienie, procesy uszlachetniania, zalewanie THE LIQUID METAL LOGISTICS ON THE EXAMPLE OF A CAST IRON FOUNDRY Abstract Obtaining products by means of casting requires observing the disciplined technological process. Liquid metal, with which the ready casting moulds are poured, must be characterised by the proper chemical composition. The second essential element is the strictly determined for individual casting alloys range of pouring temperatures. Meeting these conditions and maintaining them at the required level, also during transporting liquid metals to pouring stands, determines obtaining the required properties of castings. Keywords: liquid metal, iron foundry, melting metals, modification process, pouring Literatura [1] A Modern Casting Staff Report: Steady Growth in Global Output, Modern Casting, Dec 2014, s

6 [2] Perzyk M., Waszkiewicz S., Kaczorowski M., Jopkiewicz A.: Odlewnictwo, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa [3] Modrzyński A.: Zaawansowane technologie topienia metali w odlewnictwie stopów żelaza, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 27 nr 1, 2007, s [4] Tabor A., Rączka J. St., Hejnar T., Szczybura M.: Polskie urządzenie do ekologicznej Produkcji żeliwa sferoidalneg, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1999 (1), Nr 40, s [5] Kosowski A.: Podstawy Odlewnictwa, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków [6] Fidos H. i inni: Poradnik Odlewnika. Tom II, Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa 1959 [7] Piszak J. i inni: Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1972 [8] Sobczak J., Balcer E., Kryczek A.: Sytuacja odlewnictwa na świecie, w Europie i w Polsce. Ogólnopolski Dzień Odlewnika,