POLSKIE URZĄDZENIE DO EKOLOGICZNEJ PRODUKCJI ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 26/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN POLSKIE URZĄDZENIE DO EKOLOGICZNEJ PRODUKCJI ŻELIWA SFEROIDALNEGO TABOR Adam, RĄCZKA Jan St., HEJNAR Tadeusz, SZCZYBURA Marek Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki MAGIERA Kazimierz, JURDZEŃ Krzysztof HpH S.A. Katowice, Z.P. Wilamowice KMIECIK Adam F. M. GLINIK S.A. Gorlice LEWANDOWSKI Kazimierz Odlewnia Żeliwa S.A. Zawiercie STRESZCZENIE W referacie przedstawiono charakterystykę urządzenia do ekologicznej produkcji żeliwa sferoidalnego, skonstruowanego i wykonanego w ramach Projektu Celowego Nr 7 T08 B C/2950 finansowanego przez KBN a realizowanego przez F.M. GLINIK S.A. i Politechniką Krakowską im. T. Kościuszki. Urządzenie pracuje na zasadzie działania autoklawu. Podano założenia techniczne urządzenia do jednorazowej sferoidyzacji 1 tony żeliwa a ponadto niektóre rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne tego urządzenia oraz schematy działania jak i spodziewane efekty jego zastosowania w procesie produkcyjnym żeliwa sferoidalnego. 1. Wprowadzenie Żeliwo sferoidalne, którego znormalizowane gatunki, podaje norma PN-92/H , jest tworzywem o bardzo wysokich właściwościach mechanicznych, które są wynikiem występowania w jego osnowie metalowej (ferrytycznej, ferrytycznoperlitycznej, perlitycznej, bainityczno-austenitycznej, martenzytycznej lub odpowiedniej strukturze odpuszczania) grafitu w postaci kulkowej [1 4, 6, 7, 8]. Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego ustalony jest nie tylko z uwagi na jego gatunek, lecz również w zależności od grubości ścianek odlewu i najczęściej mieści się w granicach: 3,2 3,8% C, 2,1 3,0% Si, 0,15 0,8% Mn, max 0,15% P, (w żeliwie ferrytycznym do 0,10%), max 0,02% Si, 0,05 0,12% Mg.

2 226 Proces wytwarzania żeliwa sferoidalnego polega na wytapianiu żeliwa wyjściowego w żeliwiaku lub innych piecach odlewniczych, najczęściej indukcyjnych, względnie w procesie duplex, żeliwiak piec indukcyjny, o składzie mieszczącym się w wyżej podanych granicach, dostosowanym do gatunku żeliwa sferoidalnego i grubości ścianek odlewów z tym, że z uwagi na całokształt procesu wytwarzania żeliwa sferoidalnego, zawartość krzemu w żeliwie wyjściowym jest odpowiednio niższa: 1,2 2,0% Si. Sam proces polega na 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% [1 4,7, 8, 10 15]. Uzyskanie kulkowej postaci grafitu w żeliwie jest uwarunkowane zmniejszeniem zawartości siarki do 0,02% S, przy uzyskaniu równocześnie zawartości magnezu powyżej 0,03% Mg. Stąd podstawową sprawą w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego jest wprowadzenie odpowiedniej ilości magnezu do ciekłego żeliwa. Magnez, charakteryzujący się dużym powinowactwem do tlenu, przy zetknięciu się z ciekłym żeliwem spala się gwałtownie, powodując wypryski metalu, powstawanie efektów świetlnych i wydzielania się dymu, co zagraża bezpieczeństwu załogi i powoduje duże straty magnezu. Żeby temu zapobiec stosuje się odpowiednie metody wprowadzania magnezu, zabezpieczające w większym lub mniejszym stopniu spalanie się magnezu, pozwalające tym samym na lepsze jego wykorzystanie. Z nowych metod najczęstsze zastosowanie znalazły [3, 4, 5, 7 16]: zalewanie ciekłym metalem zapraw magnezowych na dnie. Stosując zaprawę o większej masie właściwej od masy żeliwa (np. Ni-Cu-Mg) kładzie się ją wprost na dnie kadzi w przypadku zaprawy o masie właściwej mniejszej (np. Fe Si Mg) wykonuje się zabezpieczenia przykrywające, np. ścinkami blachy stalowej (metoda Sandwich) lub pod warstwą karbidu (metoda Tigger), względnie umieszcza pod pokryciem ceramicznym (metodą Mag-Coks), wprowadzenie magnezu w postaci prętów o średnicy mm (metody krajowej JPK) do ciekłego żeliwa, w zamkniętej, szczelnej kadzi bębnowej, lub w analogiczny sposób do zbiornika żeliwiaka, wprowadzenie magnezu w kadzi konwertorowej, lub bębnowej. Wprowadzenie magnezu następuje po napełnieniu kadzi metalem, zamyka się ich otwór spustowy, pokrywa masą uszczelniającą i obraca o kąt 90 o tak, aby zbiornik z ładunkiem magnezu, przymocowany przy dnie kadzi, znalazł się na dole. Wtedy następuje przetopienie osłony zbiornika z magnezem (krążka stalowego), a powstające pary magnezu wchodzą w reakcję z żeliwem. Po zakończeniu reakcji (zanik drgań kadzi), podobnie jak w przypadku kadzi JPK, zdejmuje się pokrywę kadzi, ściąga żużel, modyfikuje żeliwo dodatkiem 0,3 1,0% FeSi75T i przystępuje do zalewania form, wprowadzenie magnezu pod dzwonem do kadzi umieszczonej w autoklawie, w którym utrzymuje się ciśnienie 0,6 0,7 MPa (6-7 at).

3 227 Dzięki temu pary magnezu mogą prawie całkowicie reagować z żeliwem i stąd stopień wykorzystania magnezu jest maksymalny (η 1,0), wprowadzenie magnezu do ciekłego żeliwa w kadzi w postaci drutu (przewodu elastycznego) o średnicy φ13 mm. Poza wymienionymi metodami istnieje jeszcze szereg innych metod, jak np. wdmuchiwanie sproszkowanego magnezu do ciekłego żeliwa i in., które jednak znajdują ograniczone zastosowanie. Ze względu na bardzo dobre własności mechaniczne i użytkowe, żeliwo sferoidalne należy do podstawowych odlewniczych stopów żelaza z węglem i znajduje szerokie zastosowanie, przede wszystkim jako materiał na odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego, maszyn rolniczych, odlewy rur i armatury oraz odlewy hutnicze, m. in. wlewnice, walce. Poziom produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego w kraju odbiega jednak w sposób istotny od produkcji w krajach wysokouprzemysłowionych. O ile bowiem w krajach Europy Zachodniej wielkość produkcji ustabilizowała się i stanowi 50 70% ogólnej produkcji odlewów żeliwnych; to w Polsce kształtuje się na niższym poziomie i wynosiła w 1993 roku 9,6% [5, 7, 16, 17]. Udział produkcji żeliwa sferoidalnego w ogólnej produkcji odlewów ze stopów żelaza z węglem jest traktowany jako wskaźnik nowoczesności przemysłu odlewniczego w danym kraju. Poza tym wytwarzanie różnego rodzaju wyrobów finalnych z tego rodzaju żeliwa (o masie od kilku kg do kilkuset ton) przyczynia się do unowocześnienia różnych gałęzi przemysłu maszynowego. W krajach o przodującej technice (np. Francja, Japonia, USA, Niemcy) stosunek produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego do ogólnej masy produkowanego żeliwa wynosiło w roku 1996, odpowiednio: 47,2; 39,2; 38,3; 33,3% [7, 12, 13]. Z kolei w Polsce, wskaźnik ten np. w 1996 roku był niekorzystny i wynosił (jak już wspomniano) 9,6%, natomiast w ostatnich latach (rys.1) produkcja tego wysokojakościowego żeliwa systematycznie wzrastała, osiągając np. w roku 1997 wielkość 113 tyś. ton [7, 17]. Tak więc ten wskaźnik nowoczesności odlewni zwiększył się znacznie (z 9,6 do 15,2%) [7, 17]. Utrzymanie pozycji i konkurencyjność w produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego na rynkach zachodnich, wymaga [5]: zapewnienia wysokiej jakości odlewów, zmniejszenia kosztów produkcji i skrócenia czasu uruchomienia i realizacji dostaw. Aby sprostać tym zadaniom należy [5]: wprowadzić modernizację w odlewniach krajowych, zapewnić wysoką jakość odlewów, wprowadzając Międzynarodowy System Zapewnienia Jakości zgodnie z wymaganiami Norm PN-EN 29000/ISO 9000, zapewnić ochronę środowiska, zgodnie z wymaganiami Norm ISO Modernizacja odlewni winna zatem uwzględniać: stabilność, sprawność, elastyczność, bezpieczeństwo i ekologiczność [5, 16].

4 228 Rys.1. Wielkość produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego w kraju w okresie ; wg przeprowadzonej ankiety [7, 17] Rys.2. Porównanie kosztów sferoidyzacji wg różnych metod [5] Z pośród wielu znanych, wcześniej omówionych urządzeń do sferoidyzacji żeliwa, nie wszystkie spełniają zasadnicze wymagania a niektóre wykazują wady, utrudniające nawet uzyskanie wysokojakościowych gatunków żeliwa sferoidalnego.

5 229 Z najczęściej wykazywanych wad to [5, 16]: niski uzysk magnezu (mały współczynnik η), brak stabilności jakości wytwarzanych odlewów, zanieczyszczenie środowiska, duży stopień zagrożenia bezpieczeństwa pracowników. Wybór metody sferoidyzacji i projektu stanowiska do sferoidyzacji winien m. in. nastąpić po ocenie stabilności produkcji, kosztów sferoidyzacji, kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Porównanie kosztów sferoidyzacji żeliwa w 1995 roku najczęściej stosowanych metod podaje rys.2. Przy ocenie brano pod uwagę technologie z zastosowaniem [5, 16]: czystego magnezu, zaprawy żelazowo krzemowo magnezowej, FeSiMg9, zaprawy żelazowo niklowo miedziowo magnezowej, FeNiCuMg17, drutu magnezowego, φ13, mischmetalu + magnez, mischmetalu. Z przedstawionych rozwiązań wynika, że największe oszczędności, przy równoczesnym zapewnieniu stabilności jakości odlewów uzyskać można, przeprowadzając sferoidyzację czystym magnezem w autoklawie. Metoda ta zapewnia również bezpieczeństwo załogi i ochronę środowiska [4, 5, 16]. 2. Charakterystyka urządzenia Rozwój produkcji wyrobów z żeliwa sferoidalnego, jaki obserwuje się w ostatnich latach zarówno w świecie jak i w Polsce, spowodował poszukiwania takich technologii wytwarzania, które zapewniają stabilność, sprawność, elastyczność, ekonomiczność, bezpieczeństwo oraz ekologiczność produkcji tego tworzywa. Fabryka maszyn GLINIK S.A. ul. Michalusa 1, Gorlice i Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki, ul. Warszawska 24, Kraków uzyskały dofinansowanie z Komitetu Badań Naukowych w Warszawie do zgłoszenia Projektu Celowego Nr 7 T08B C/2950 (Umowa KBN Nr 1740/C T08-7/96). Wykonawca tego projektu pt.: Nowoczesna metoda produkcji żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem nowej konstrukcji urządzenia GLINPOL do sferoidyzacji i ochrony środowiska jest F.M. GLINIK w Gorlicach. Natomiast Realizatorem prac badawczo rozwojowych pt.: Opracowanie kompletnej dokumentacji technicznej urządzenia GLINPOL do sferoidyzacji żeliwa czystym magnezem, wykonanie modelu badawczego urządzenia, opracowanie i próba stosowania technologii wytwarzania żeliwa sferoidalnego w warunkach Odlewni GLINIK jest Pracownia Odlewnictwa Instytutu Materiałoznawstwa i Technologii Metali; Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej im. T. Kościuszki w Krakowie. Nazwa urządzenia GLINPOL oznacza: GLIN GLINIK, POL POLITECHNIKA. Projekt techniczny modelu badawczego GLINPOL oraz projekty całej instalacji gniazda produkcyjnego wraz z urządzeniami towarzyszącymi wykonało Biuro Projektów i Dostaw Urządzeń Hutniczych HpH S.A., Katowice, Z.P. Kęty, 1997.

6 230 Model badawczy urządzenia GLINPOL został wykonany w Zakładzie Maszyn Górniczych Glinik Sp. Z o.o. Fabryki Maszyn Glinik S.A. w Gorlicach Przeznaczenie Urządzenie przeznaczone jest do otrzymywania wysokiej jakości żeliwa sferoidalnego bezpośrednio w kadzi odlewniczej KOZ-1, przy pomocy której prowadzi się zalewanie form odlewniczych. Do sferoidyzacji żeliwa używa się czystego magnezu, wprowadzanego do żeliwa w kadzi, umieszczonej w komorze urządzenia GLINPOL, która to komora umożliwia utrzymywanie stałego zakładanego ciśnienia w zakresie 0,6 1,0 MPa Zespoły składowe instalacji (gniazda) rys.3 Rys.3. Stanowisko (gniazdo) do sferoidyzacji żeliwa w urządzeniu GLINPOL [16, 18] W skład całej instalacji (gniazda) do sferoidyzacji żeliwa wchodzą: urządzenie GLINPOL, - rys.4, stacja sprężonego powietrza, instalacja odpowietrzania komory ciśnieniowej urządzenia GLINPOL, instalacja hydrauliki siłowej, kadź odlewnicza KOZ-1 w wykonaniu specjalnym, instalacja elektryczna sterowania.

7 231 Rys.4. Pionowy półprzekrój urządzenia GLINPOL [18]: 1 - komora, 2 - izolacja, 3 pierścień, 4 podstawa na kadź, 5 - izolacja podstawy, 6 - kadź (wymurówka), 7 - wspornik, 8 króciec spr. pow., 9 - króciec odciągowy gazów, 10 - podajnik magnezu (kształtka), 11 - napęd, 12 - pojemnik na magnez 2.3. Opis urządzenia Urządzenie (model badawczy GLINPOL ) wykonane jest w formie dwuczęściowego zbiornika ciśnieniowego, którego część stała spoczywa na ramie nośnej wykonanej z ceowników, połączonej z podłożem za pomocą śrub fundamentowych. Wewnątrz części stałej znajduje się zdejmowana płyta, na której umieszczona jest kadź odlewnicza z żeliwem.

8 232 Pod płytą zlokalizowane są wyloty króćców do podłączenia instalacji odpowietrzania oraz doprowadzania sprężonego powietrza. Część górna zbiornika (komory) połączona jest z częścią dolną poprzez zespół łożysk wsporczych, a odchylana jest przy pomocy cylindra hydraulicznego. Obydwie części uszczelnione są pierścieniem uszczelniającym a połączone ze sobą poprzez zespół kołnierzy, posiadających segmentowe wycięcia na obwodzie zewnętrznym. Segmentowe występy na kołnierzach dociskane są do siebie za pomocą pierścienia blokującego, zaopatrzonego od wewnątrz w wypusty, które przy jego obrocie nachodzą na segmenty pierścieni. Pierścień blokujący wprowadzany jest w ruch trzema siłownikami, zamontowanymi na obwodzie zewnętrznym komory pod tym pierścieniem. Urządzenie (komora ciśnieniowa) od wewnątrz posiada izolację termiczną, wykonaną z wilgotnego filtru KAOWOOL dającego się łatwo formować do kształtu korpusu komory ciśnieniowej urządzenia GLINPOL. W bocznej ścianie części odchylanej znajduje się króciec do zamontowania zaworu bezpieczeństwa. Część odchylana zaopatrzona jest w kołnierz, do którego mocowana jest konstrukcja nośna napędu zespołu zanurzania w żeliwie pojemnika z magnezem. Zespół zanurzeniowo dozujący składa się z kształtki ceramicznej (rodzaj dzwonu) pod którą umieszcza się perforowany pojemnik z magnezem, trzpienia stalowego oraz rury izolacyjnej ceramicznej Cykl technologiczny obróbki żeliwa w urządzeniu Cykl technologiczny obróbki żeliwa obejmuje następujące operacje: wprowadzenie kadzi KOZ-1 z żeliwem do komory urządzenia, zamykanie urządzenia, napełnianie komory urządzenia sprężonym powietrzem, zanurzanie pojemnika z magnezem w żeliwie, odpowietrzanie urządzenia, wyprowadzanie (podniesienie) pojemnika (na magnez) z kadzi, otwarcie (odblokowanie) komór urządzenia przez obrót pierścienia blokującego, wyjęcie kadzi z żeliwem z urządzenia, oczyszczenie komory urządzenia, założenie (zamontowanie) nowego pojemnika z magnezem pod kształtką zespołu zanurzeniowo dozującego. Czas trwania całego cyklu nie przekracza 220 sekund. Sterowanie elementami, realizującymi omówione operacje odbywa się z pulpitu sterowniczego. 3. Zalety urządzenia GLINPOL

9 233 Do głównych zalet zaprojektowanego i wykonanego urządzenia GLINPOL przeznaczonego do sferoidyzacji żeliwa czystym magnezem należy zaliczyć: możliwość stosowania czystego Mg (złom), maksymalny stopień przyswajania Mg, małe zużycie Mg ekonomiczność, eliminacja efektów świetlnych i piroefektów bezpieczeństwo, maksymalne ograniczenie zadymiania i zapylania w odlewni ekologiczność, łatwa i całkowicie bezpieczna obsługa urządzenia, prosta konstrukcja, możliwość stosowania w każdej odlewni (niezależnie od stosowanego procesu metalurgicznego) elastyczność, bardzo mały spadek temperatury żeliwa (zalewanie formy z kadzi w której przeprowadzany jest zabieg sferoidyzacji), krótki czas trwania cyklu technologicznego podczas zabiegu sferoidyzacji (max 220 s.) W zakończeniu należy dodać, że istnieją realne możliwości sferoidyzacji większych ilości żeliwa np.: 1,5 t, 2 t po przekonstruowaniu urządzenia. Producentem urządzenia GLINPOL jest F.M. GLINIK S.A., Gorlice, ul. Michalusa 1, tel.: (48-18) , fax: (48-18) Czas realizacji zamówienia nie przekracza 6 miesięcy od daty podpisania stosownej umowy. LITERATURA [1] Piaskowski J., Jankowski J.: Żeliwo sferoidalne. Wyd. II WNT, Warszawa 1974, [2] Podrzucki Cz.: Żeliwo. Struktura i własności, zastosowanie. T I i T. II, Wyd. ZG STOP, Kraków, 1991, [3] Rączka J.: Technologia odlewnictwa. Skrypt dla studentów wyższych szkół technicznych. Wyd. II. Politechnika Krakowska, Kraków, 1988, [4] Tabor A., Rączka J. St.: Odlewnictwo. Wyd. FOTOBIT, Kraków, 1996, [5] Turzyński J.: Podstawowe kryteria produkcji żeliwa sferoidalnego. Materiały Międzynarodowej Konferencji, Instytut Odlewnictwa, Kraków czerwcza 1996, ref. 9, [6] Rączka J., Rączka M., Tabor A.: The abrasion wear resistance of bainitic austenitic irom under the conditions of cavitation erosion. Materiały Konferencji Międzynarodowej EUROMAT , Węgry, [7] Guzik E.: Nowoczesna metoda PE sferoidyzowania i wermikularyzowania żeliwa. Materiały Konferencji Naukowo Technicznej nt.: Nowe Materiały Nowe Technologie Materiałowe w Przemyśle Okrętowym i Maszynowym. T. I, s Szczecin Świnoujście, ,

10 234 [8] Tabor A.: Techniki Wytwarzania. T I Wybrane zagadnienia z odlewnictwa. Podręcznik Akademicki. Wyd., Politechnika Krakowska, Kraków, 1998, [9] Guzik E.: Ogólna ocena metod sferoidyzowania żeliwa. Krzepnięcie metali i stopów. PAN O/Katowice, nr 26, s , [10] Guzik E., Asłanowicz M., Klug Z.: Zabieg sferoidyzowania żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie metali i stopów PAN O/Katowice, 1955, nr 22, s , [11] Guzik E., Godrucki C.: Nowoczesne metody obróbki uszlachetniającej ciągłego żeliwa. III Seminarium. Szczyrk, , ref. 10, s , [12] Census of World Casting Production 1995, Modern Casting, 1996, Dec.,s , [13] Census of World Casting Production 1995, Modern Casting, 1997, Dec.,s , [14] Sugden H., Missol D., Best K. J.: Direct conversion of cupola melted iron to ductile iron using cored wire. Jutern. Conf. BCIRA, York England, 1996, ref. 17, s , [15] Tabor A., Rączka J. St.: Projektowanie odlewów i technologii form. Wyd. FOTOBIT, Kraków, 1998, [16] Rączka J. St., Tabor A., Lewandowaki K.: Opracowanie koncepcji unowocześnienia produkcji żeliwa sferoidalnego w Odlewni GLINIK z wykorzystaniem urządzenia GLINPOL. Zad. Nr 1. Projekt Celowy Nr 7 T08 B C/2950. Umowa KBN nr 1740/C. T08-7/96. Politechnika Krakowska, Kraków, grudzień 1996, [17] Ankietyzacja krajowych ( ), Katedra Odlewnictwa AGH, Kraków, grudzień 1997 (dane nie publikowane), [18] Projekt techniczny modelu badawczego urządzenia do sferoidyzacji żeliwa GLINPOL/96. Nr projektu E Biuro Projektów i Dostaw Urządzeń Hutniczych HpH S.A. Kęty, 1997, [19] Tybulczuk J., Martynowicz Lis K.: Aktualna sytacja branży odlewniczej w Polsce w zakresie produkcji i rynków. Biuletyn Instytutu Odlewnictwa, 1998, nr 1, s POLISH INSTALLATION FOR ECOLOGICAL MANUFACTURE OF S.G. CAST IRON ABSTRACT The characteristic features of an installation for ecological manufacture of s.g. cast iron were stated. The installation was designed and made within the Target Project No. 7 T08 B C/2950 financed by the Committee of Scientific Research and performed by F.M. GLINIK S.A. and The Tadeusz Kościuszko Technical University

11 235 of Cracow. The operating principle of the installation is that of an autoclave. Technical parameters of the installation used for a single spheroidising treatment of 1 ton of cast iron were given along with the design description and operating parameters, a flow diagram end the expected results obtained in the process of s.g. iron manufacture. Recenzował Prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński