Władysław ORŁOWICZ Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów

Transkrypt

1 11/41 Solidification of Metais and Alloys, Year 1999, Volume l, Book No. 41 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik l, Nr 41 PAN- K.atowice PL ISSN SFEROIDYZACJA ŻELIW A PB:ZY UŻYCIU PRZEWODU ELASTYCZNEGO Władysław ORŁOWICZ Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów Streszczenie Praca dotyczy wybranych problemów wdrażania do praktyki przemysłowej metody sferoidyzacji żeliwa przy wykorzystaniu przewodu elastycznego l. Wstęp Dotychczas na skalę przemysłową stosowane są dwa sposoby otrzymywania żeliwa sferoidalnego. Polegają one na wprowadzaniu do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego magnezu lub jego stopów lub technicznie czystego ceru lub jego stopów. Walory ekonomiczne zdecydowały o tym, że produkcję żeliwa sferoidalnego prowadzi się głownie pierwszym sposobem. Ze względu na specyficzne właściwości fizykochemiczne magnezu występują trudności z jego wprowadzeniem do ciekłego metalu. Mała w porównaniu do żeliwa gęstość powoduje że łatwo wypływa on na powierzchnię kąpieli. Charakteryzuje się także dużą aktywnością chemiczną w stosunku do siarki i tlenu. Wpływ magnezu na tworzenie się grafitu sferoidalnego jest widoczny dopiero wówczas gdy zawartość siarki spadnie poniżej 0,02%[ l]. Zużycie magnezu w zależności od zawartości siarki w ciekłym żeliwie obrazuje rysunek l. 0,35... ;; 0,3 ~ "' 0,25 ~.!! 0,2 ł 0,15 wg PEM - FILCAST Mg= 2,235 S+ 0,1223 o 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 zawartość siarki,% Rys. l Zużycie magnezu w zależności od zawartości siarki w żeliwie [2] Fig. l Magnesium usage depending on sulphur eontent in cast iron [2]

2 85 Dla obniżenia kosztów produkcji, żeliwo przeznaczone do sferoidyzacji wstępnie odsiarcza się. Dla utworzenia grafitu sferoidalnego ma znaczenie ta ilość magnezu, która weszła do żeliwa jako dodatek stopowy. Zazwyczaj zawiera się ona w zakresie od 0,02 do 0,08% co ilustruje rysunek 2. / / r ,02 0,03 0,04 0, zawartość magnezu, 0 /o Rys. 2. Związek między zawartością magnezu w żeliwie a udziałem wydzieleń grafitu sferoidalnego. Fig.2 Relation between magnesium eontent in cast iron and the share o f nodular graphite precipitation. Temperatura topnienia i wrzenia magnezu wynosi odpowiednio 650 C i 1107 C dlatego magnez wprowadzony do ciekłego żeliwa intensywnie topi się, paruje i zapala czemu towarzyszy zjawisko burzenia się kąpieli i oślepiający blask. Intensywność tego procesu zależy od temperatury ciekłego żeliwa. Wraz z obniżaniem temperatury ciekłego żeliwa ciśnienia pary magnezu zmniejsza się co ilustruje rysunek 3. W praktyce przemysłowej stosuje się wiele metod wprowadzania magnezu do ciekłego żeliwa. Dla poprawy uzysku oraz powtarzalności efektów zabiegu a także w trosce o ochronę środowiska i poprawę warunków pracy prowadzone są prace nad nowymi metodami wprowadzania sferoidyzatorów i modyfikatorów. o ;o'.. N c "" o E.. ;::.. ~ o o. t:.." 100~ ~ ~ T--- u 1 L- j -.J.--,------~,----J temperatura żeliwa. c Rys. 3. Zależność ciśnienia pary magnezu od temperatury ciekłego żeliw a [l]. Fig.3 Relation between magnesium vapour pressure and the temperature ofmelted cast iron[!].

3 86 2. Otrzymywanie żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem przewodu elastycznego W ostatnich latach szczególnym zainteresowaniem cieszy się metoda otrzymywania żeliwa sferoidalnego przy użyciu przewodu elastycznego (tj. stalowej osłonki wypełnionej odpowiednim reagentem) [2-4]. Metoda ta znajduje rację bytu w coraz to większej ilości odlewni. W krajowych odlewniach spore zasługi w propagowaniu tej metody położyły firmy PECHINEY ELECTROMET ALURGIE) (Francja) i SKW GIESSEREI TECHNIK GMBH (Niemcy). W zależności od składu chemicznego reagentu produkowane są przewody do odsiarczania, sfi~roidyzacji łub modyfikacji. Przewód elastyczny wprowadzony jest do ciekłego żeliwa z określoną szybkością przy użyciu dozownika rolkowego. Stanowisko jest zautomatyzowane i pozwala na dozowanie określonej ilości poszczególnych przewodów w określonej kolejności i w ustałonym czasie. Skuteczność zabiegów zależy od głębokości zanurzenia przewodu. Powinien on być podawany prostopadle do lustra metalu w osi kadzi lub pieca. Na głębokość zanurzenia ma wpływ temperatura ciekłego żeliwa, grubość osłonki i szybkość podawania (rys. 4.). Przy stosowaniu tej metody sferoidyzacji należy mieć na uwadze że : ze wzrostem średnicy przewodu obniża się koszt zabiegu (efektywność jest większa przy obróbce większej porcji metalu), koszt zużytego przewodu byłby najniższy, gdyby reagentem były zaprawy o wysokiej zawartości magnezu łub czysty magnez, ale z drugiej strony wzrosłaby intensywność wydzielenia par magnezu przez co pogorszyłoby się przyswajanie tego pierwiastka przez ciekłe żeliwo a także zwiększyłoby się zużycie kadzi, osłon i elementów podających oraz pogorszyłyby się warunki pracy. Dla każdej odlewni można opracować zależność pomiędzy zawartością magnezu w reagencie przewodu elastycznego a kosztami zabiegu sferoidyzacji. 1400r-----r-----r-----r-----r-----r----. E 1200 E.ż ~ 1800 c ~ 600 ::> c o..., '"' o N ~ 200.c o szybkość zonurzonło: 100 mm/min. o drut 'l> 9 mm o ło!mp. ż.,! iwa 1500 C wg. PEM ~ ~OL-----L-----L-----~----~----~--~1.2 O 0.2 0,4 0,6 O,B 1,0 grubość osłonki stalowt!j, mm Rys. 4. Głębokość zanurzenia przewodu elastycznego w zależności od grubości osłonki [ 1]. Fig.4 The depth o f ełastic bar immersion versus the protective-tube thickness [l].

4 87 Jeżeli opracuje się taki wykres dla konkretnej odlewni i naniesie na nim linię intensywności przebiegu reakcji określonej ilością gazów wydzielających się w procesie to można ustalić możliwy do zaakceptowania poziom zawartości magnezu w reagencie (rys. 5.). Przy analizie kosztów produkcji istotny jest koszt materiałów i skuteczność zabiegu. Na koszt zabiegu wpływają też inne czynniki, które są charakterystyczne dla konkretnej odlewni. [5]. Decyzja o wprowadzeniu metody jest wypadkową tych zmiennych. Nie bez znaczenia są też aspekty ekologiczne. Przed podjęciem decyzji o zastosowanie odpowiedniej metody sferoidyzacji żeliwa celowe jest wykonanie badań skuteczności procesu. Dlatego celem pracy było określenie zawartości magnezu w żeliwie otrzymanym metoda tradycyjną (zalewania zaprawy na dnie kadzi) i metodą sferoidyzacji przy zastosowaniu przewodu elastycznego. -N o "'.X o 100 zewortość magnezu, ;. Rys. 5. Związek pomiędzy zawartością magnezu w reagencie przewodu elastycznego a kosztami sferoidyzac ją i intensywnością przebiegu reakcji (reaktywnością) [l]. Fig.5 Relation between magnesium eontent in elastic bar reagent and the cost ofthe spheroidization and the intensity ofreaction (reactivity) [l]. 3. Materiał i metodyka badań Żeliwo o składzie 3,7%C, 0,40%Mn, 2,30%Si, 0,024%P, 0,0 l7%s wytapiano w piecu indukcyjnym w warunkach produkcyjnych. Sferoidyzację obu metodami prowadzono w smukłej kadzi (H/~=1,5) o pojemności umożliwiającej zalanie metalu o masie 800kg. Temperatura metalu w piecu wynosiła l500 C. Otrzymywanie żeliwa sferoidalnego metodą zalewania zaprawy na dnie kadzi. W metodzie stosowano zaprawę FeSiMg9 (26kg) o granulacji 2-20mm i modyfikator FeSi75Ca (lokg) o granulacji l-6mm. Po zalaniu kadzi temperatura metalu obniżyła się do 1470 C. Po upływie!80s zgarnięto żużel, a po następnych 60s rozpoczęto zalewanie form. Temperatura początku zalewania wynosiła 1390 C. Dla określenia ubytku magnezu w miarę upływu czasu ze strugi metalu pobierano próbki po czasie 0,5; 2; 4; 6; 8 i lo minut licząc od początku zalewania. Otrzymywanie żeliwa sferoidalnego przy zastosowaniu przewodu elastycznego.

5 88 Do kadzi wlano 800kg metalu. Wprowadzenie sferoidyzatora i modyfikatora rozpoczęto gdy temperatura metalu osiągnęła wartość 1400 C. Do sferoidyzacji zużyto 35m przewodu elastycznego o średnicy 13mm (25%Mg, 37%Si, 6%Ca, reszta Fe) a do modyfikacji 25m przewodu elastycznego zawierającego mieszankę 50% Zl 80 (75%Si, 2,5%Ca, 1,4%Al, reszta Fe) i 50% INOBAR (65% Si,!,O%Ca, 1,3%Al, 9%Ba, reszta Fe). Łączny czas trwania zabiegów wynosi 120s. Przejazd kadzi ze stanowiska sferoidyzacji i modyfikacji do stanowiska zalewania trwał 60s. Temperatura początku zalewania wynosiła 1380"C. Dla określenia zmian zawartości magnezu pobierano ze strugi metalu próbki po upływie czasu 0,5; 2; 4; 6; 8 i l O minut licząc od początku zalewania form. Analizę składu chemicznego wykonano na spektrometrze BAIRD FS-1. Wyniki analizy składu chemicznego podaje tablica 1. Tablica 1. Zmiany zawartości magnezu w żeliwie sferoidalnym w miarę upływu czasu od początku zalewania Żeliwo sferoidyzowane zaprawą (na dnie kadzi) Upływ czasu, min. 0, Zawartość magnezu,% 0,085 0,090 0,071 0,057 0,049 Żeliwo sferoidyzowane metodą przewodu elastycznego Upływ czasu, min. Zawartość magnezu,% 0,5 0, , ,045 0,042 0, ,044 lo 0, Omówienie wyników badań Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że podczas sferoidyzacji metodą zalewania zaprawy na dnie kadzi wprowadza się nadmierną ilość magnezu. Wynika to z obawy o zbyt szybki zanik efektu sferoidyzacji. Szybkość odparowywania magnezu w tradycyjnej metodzie sferoidyzacji w porównaniu do sferoidyzacji przewodem elastycznym jest większa. Jest to efekt wyższej temperatury metalu podczas sferoidyzacji metodą tradycyjną. Przy wyższej temperaturze proces odparowania magnezu przebiega intensywniej. W analizowanym przypadku zabieg sferoidyzacji przewodem elastycznym prowadzony był na metalu o temperaturze niższej o IOO"C. W związku z tym obserwowano mniejsze ubytki magnezu w miarę upływu czasu od początku zalewania w porównaniu do metody tradycyjnej. W obu metodach zaobserwowano zubożenie w magnez pierwszej porcji metalu co wytłumaczyć można intensywnym jego odparowaniem z obszarów w pobliżu lustra ciekłego metalu.

6 89 5. Podsumowanie Przedstawione wyniki badań wskazują, że stosowanie metody sferoidyzacji przewodem elastycznym pozwala na utrzymanie wystarczaj ąco stabilnej zawartości magnezu przez okres potrzebny do wylania kadzi. Niższa temperatura metalu stosowana w metodzie sferoidyzacji przewodem elastycznym sprzyja mniejszej intensywności odparowania magnezu a więc mniejszym zmianom zawartości magnezu w pierwszej i ostatniej porcji metalu wylanego z kadzi zalewowej. Jeżeli przy wykazanej skuteczności zabiegu koszt przewodu elastycznego nie będzie nadmiernie wysoki to ta nowoczesna metoda sferoidyzacji żeliwa będzie stosowana w coraz większej ilości odlewni. Zubożenie pierwszej porcji żeliwa sferoidalnego w magnez skutkować będzie niższymi właściwościami mechanicznymi wykonanych z niej odlewów. Literatura l. Ariigunie J. P.: La traintment de la Fonte. Avec Ie fil fourre. PECHTNEY ELECTROMET ALLURGIE, Podrzucki Cz.: Nowoczesne metody otrzymywania żeliwa sferoidalnego. Nowoczesne Metody i Technologie Stosowane w Odlewnictwie. Kraków 1975, s Guzik E., Asłanowicz M, Kluk R.: Zabieg sferoidyzowania żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 22, 1995 s Orłowicz W.: The methods for spheroidal graphite iron producing. Nove Smery vo Yyrobnych Technologiach. Presov 1997, s Guzik E.: Ogólna ocena metod sferoidyzowania żeliwa. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 26, 1996, s Recenzował: Edward Guzik