INTENSYFIKACJA PROCESÓW METALURGICZNYCH W PIECU INDUKCYJNO- PLAZMOWYM

Transkrypt

1 25/2 Solidification of Metais and Alloys, No 25, 1995 Krzep11iecie Metali i Stop6w, Nr 25, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN INTENSYFIKACJA PROCESÓW METALURGICZNYCH W PIECU INDUKCYJNO- PLAZMOWYM Ł YBACKI WOJCIECH, MODRZYŃSKI ANDRZEJ Instytut Technologii Maszyn, Folitechnika Poznańska Poznań, ul.piotrowo 3, POLAND Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem plazmy niskotemperaturowej do uaktywnieni a proces(jw rafinacji w piecu indukcyjnym. Omówiono takie procesy, jak: odtlenianie, mlsiarczanie i odrosforowanie oraz nawęglanie. Wykazano, że zastosowanie plazmotronu w piecu indukcyjnym jest skutecr.nym sposohem uaktywnienia procesów rafinacji w tym piecu. l. Wprowadzenie Piece indukcyjne, coraz czr,:ściej stosowane w odlewniach, wykorzystywane s ą zasadniczo do przetopienia materia łów wsadowych o odpowiednio dobranym składzie chemicznym i przegrzania ciekłego metalu do wymaganej temperatury spustu. Istotną wadą pieców indukcyjnych jest niska temperatura żużla, ograniczająca przehieg reakcji między żużlem i metalem i nie pozwalającą wykorzystywać tych pieców do pruwadzenia aktywnych procesów metalurgicznych. Badania prowadzone w ZaJdadzie Odlewnictwa Politechnik.i Poznańskiej nad uaktywnieniem, za pomocą plazmy niskotemperaturuwej, procesów rafinacji stopów żelaza w piecu indukcyjnym wykazały, że piec indukcyjnu-plazmowy pozwala rozszerzyć możliwości metalurgiczne pieca indukcyjnego. Wysoka temperatura luku plazmowego (plazma argonowa - do OC) sprzyja uaktywnieniu żużla, a ochronna atmosfera w przestrzeni roboczej pieca stwarza korzystne warunki desorpcji zanieczyszczeń gazowych. Stwierdzono W7.rost właściwości mechanicznych, a zwłaszcza udarności takich stopów, jak: żeliwo szare, staliwo w~glowe i staliwo chromowo-niklowe [ 1-3]. Wyniki hadań laboratoryjnych potwierdzono w warunkach przemysłowych. Stwierdzono również, że topienie indukcyjno-plazmowe zwiększa niemal dwukrotnie wydajność pieca indukcyjnego. przy mniejszym od 15 do 25 % sumarycznym zużyciu energii elektrycznej [2]. 2. Układ metalurgiczny pieca indukcyjno-plazmowego (IP) Wprowadzenie do pieca indukcyjnego dodatkowego źródła ciepła w postaci plazmotronu umieszczonego w pokrywie pieca, przy jednoczesnej hermetyzacji układu w zasadniczy sposób zmienia warunki metalurgiczne i energetyczny w tym piecu. Układ pieca IP przedstawia rys. l.

2 18 Rys. l. Układ metalurgiczny pieca indukcyjno-plazmowego l-plazmotron, 2-atmosfera pieca (faza gazowa), 3-faza żu7. 1owa, 4-ciekły metal, 5-tygiel ogniotrwały, elektroda zewnętrzna (anoda) Do najbardziej istotnych zmian w układzie pieca indukcyjno-plazmowego, w porównaniu z piecem indukcyjnym, można zaliczyć : -istotny wzrost temperatury fazy żużlowej ( likwidacja podstawowej wady pit!ca indukcyjnego bezrdzeniowego), -korzystną zmian<; składu razy gazowej podczas procesu topienia i rafinacji oraz mo7.liwość regulacji jej aktywności w stosunku do metalu poprzez racjonalny dobór rodzaju i stopnia czystości stosowanych gazów do generacji plazmy, - wyrównanie rozkładu temperatury w fazach układu. W świetle wyżej przedstawionych faktów istotnym z poznawczego punktu widzenia było : -zbadanie mechanizmu podstawowych procesów metalurgicznych, -określenie efektywności przcbicgu tych procesów w warunkach pracy pieca indukcyjno - plazmowego. 3. Wyniki badat'i efektywności podstawowych procesów metalurgicznych w piecu indukcyjno - plazmowym Odtlenianic staliwa węglem oraz proces dcgazacji staliwa W warunkach pracy pieca indukcyjno - plazmowego zostają stwor:wne warunki do przebiegu procesu odtleniania staliwa węglem wg reakcji r c 1 + [ o 1 = 1 co l c 1 l która może przebiegać wg dwóch mechanizmów :

3 19 - na drodze heterogenicwego zarodkowania rvcherzy CO na granicy faz : -c iekły metal- wyłożenie ogniotrwałe pieca, -c iekły metal - porowate wtrącenie niemctalicznc, - poprzez dyfuzję CO z warstwy powierzchniowej cieklego metalu. W przypadku gdy nie są spełnione warunki do heterogenicznego zarodkowania pęcherzy CO, pruces odtleniania staliwa węglem przebiega poprzez dyfuzję CO z warstwy powierzchniowej ciekłeg o metalu, a proces ten mo że być kontrolowany [4,5] : - przenoszeniem w~,;gla i tlenu w cie kłym metalu, - reakci<t powierzchni ow ą i transportem w fazie gazowej. Dla warunków realizacji procesu topienia i rarinacji w piecu indukcyjno-plazmowym, przy ciś ni eniu fazy gazowej ok MPa argonu proces odtleniania staliwa w ęg l em jest limitowany transportem substratów reakcji (l) w ciekłym metalu [4,51. Przyjmui<tc stalość stosunku powierzchni c i ekłego metalu w tyglu do jego o bj ętości F/V = const (brak heterogenicznego zarodkowania Pvcherzy CO) i stalość temperatury T= cunst, wartość efektywm:go współc zynni ka transportu tlenu w ci e kł ym me talu moi.na o pi sać za l eżn o śc i '! p o ll aną przez E.S.Machlina dla penetracyjnego modelu wymiany masy w postaci [6,7] : d[ O]=.B F {o- Pm } = 2. (2Dr~ ) '. F {o- Pco } (2) dr 0 V K< 1 l a c.fr 01 Tr r V K< 1 l a c.fr 0 1 l d[ol l dt Po 0 ro1 \) F/V ioit K(l) ac ro - zmiana stężenia tlenu w czasie dt, - współczynnik transportu tlenu. m/s -ws półczynnik dyfuzji tlen u w ciekłym metalu, m2 l s -prędkość metalu w warstwic granicznej, m/s - promi eń tygla,m, - stosunek powierzchni ciekłego metalu do jego objętości. - bieżące stężenie tlenu, -stała równowagi reakcji (l), - aktywność węg la, - współc zy nnik aktywności tlenu. Proces usuwania wodoru i azotu, dla przypadku desorpcji tych gazów do powierzchni granicznej ciekły metal - faza gazowa, w warunkach realizacji procesu topienia przy ciśnieniu atmosfery równym ok. 0.1 MPa argonu kontrolowany jest przenoszeniem tych gazów w ciekłym metalu i mo7.e być opisany równaniem podanym przez E.S.Machlina [6] dla szczególnego przypadku wytapiania metalu w tyglu pieca indukcyjnego : d[ G] l d-r -zmiana stężenia gazu w czasie d-r,

4 20 l G J,, L G l. f i hm V Dl G I -współczynnik transportu gazu w ciekłym metalu i efektywny współczynnik transpurtu gazu w ciekłym metalu, -bieżące stężenie gazu w chwili t i równowagowe z ciśnieniem cząstkowym gazu w atmosferze pieca st~żcnic gazu O. - promień tygla i wysokość słupa metalu w tyglu, - prędkość ruchu metalu w warstwie granicznej, - współczynnik dyfuzji gazu G w metalu, Autorzy niniejszej pracy na drodze doświa dcza ln ej badali wartość współczyn ników transportu tlenu,wodoru i azotu w piecu indukcyj no - plazmowym dla przypadku braku zjawiska heterogenicznego zarodkowania pęcherzy. Wyznaczone wartości ~o. ~".~N podano w tabeli l. Tabela l Wartość współczy nn ików transportu tlenu, wodoru i azotu zbadana podczas 20 minutowej rafinacji w piecu indukcyjno- plazmowym dwóch gatunków staliwa ( L45011 i LH18N9 ) dla warunków eksperymentu:t",= 1853K, F/Y = 3.33 l/m, plazma z Ar oraz plazma Ar+ N,. Rodzaj Rafinowany Warto ść ws półczynnika transportu masy plazmy stop ~o lo'',[m/s] ~~~ 10, [m/s] ~ N 10 Lm/s] Ar L Ar LH18N9 29ł' ,8 Ar+N, LH18N ,5' * - absorpcja azotu 3.2. Odsiarczanie i odrosforowanie Procesy odsiarczania i odfosforowania staliwa w piecu indukcyjno-plazmowym pod zasadowym żużlem dogrzewanym plazmą niskotemperaturową mo7.na opisać równaniami L8J : d[ S] = f3s[[s] _(S)] dr: Ls d[p] =/3 F([P)- (P)) dr: p V Lp (4) d[ S l/ dt - zmiana s tężenia siarki w czasie, [ S] i ( S ) -procentowe stężenie siarki w żużlu i w metalu w chwili t, L, = ( S ) l [ S]- stała podziału siarki ( nie wynikająca z prawa podziału Nernsta ). 13, - współczynnik transportu siarki, d[ P ] l dt - zmiana stężenia fosforu w czasie, współczynnik transportu fosforu, [ P l i ( P ) - procentowe stcżcnie fosforu w żużlu i metalu w chwili t, L. =(P)/[P] - współczynnik podziału fosforu między metal i ż u żel, Procesy te pr ze biegają zgodnie z reakcjami:

5 21 ( CaO l+ [S l+ [Cl = ( CaS J + ( CO} ; 2[ P l+[ O l+ 4 ( CaO l= ( Ca, P, O, )(5) Uwzględniając wyniki badań G.P.Pierre i J.Chipmana [9j oraz W.A.Fischera i H.Spitzt.:ra [l O] można stwierdzić, że końcową zawartość siarki w mt.:talu pod dobrze upłynnionym zasadowym ż użlem można opisać ogó ln ą zależnością : [SJ =A ( Pco l [C l l= B Pco [O] (6) A, B -s t a ł e, dla o kreś l o neg,l skł ad u ż u ż la i temperatury, Pco - ci ś ni e nic C 7.ą s tkow e CO w atmosferze pit.:ca, [C] i [Ol - koncentracja wcgla i tlenu w rafinowanym metalu. Przeprowadzone przez autorów badania procesu odfosforownia indukl:yjno- plazmowym wykazały możliwo ś ć uzyskania sprawnośc i : -procesu odsiarczenia od 40 do 65 '1l1, - procesu odrosforowania do 55 %. W badaniach tych ill, s t o sując m eto d ę atomów znaczonych, oszacowano wartości : p, = w-', m/s P,= (U\ l O-',m/s ( w zależności od zawartości Fe O w żużlu ) dla przypadku rafinacji staliwa LH 18N9. odsiarczenia w piecu 3.3. Nawęglanie stali Badano efektywność nawęglania stali o zawartości węgla 0,21 % za pomocą nawęglacza stałego (karburytu grafitowego o zawartoś<.:i węgla 96,X %). Wyniki badań zestawiono w tah.2. Stopień wykorzystania węgla "B" przekraczał 95 %, a efektywność nawęglania "E" - 90 %. Podanc wyniki świadczą o wysokiej sprawności tego procesu, przekraczającą sku teczność stosowany<.:h dotąd sposobów nawęglania stali. Tabela 2 w '_ynt"k"bd l a an - e fk e tywno. c1 nawę g anta sta 1 arblll ytem gratnowym Masa Masa wsadu nawę- Cni) ck 2 l B3) E4l glacza % % % '!'o ko ko 30 0,80 0, ,85 0, ,90 0, ,95 0, ,00 0,21 37,0 1,30 0,21 2,76 98,7 96,4 2,85 96,2 93,2 2,98 95,3 92,3 3,20 97,5 94,4 3,31 95,9 93,0 3,54 97,8 94,8 l) Cp -początkowa zawartość węgla, %, 3) B - stopień wykorzystania węgla, %, 2) Ck- końcowa zawartość węgla, %, 4) E - efektywność nawęglania, %.

6 22 mw - masa wsadu, kg; m n - masa nawęglacza, kg ; a- zawartość węg l a w nawęglaczu 3.4. Efektywność topienia indukcyjno-plazmowego Badania efektywności topieni a indukcyjno- plazmowego ~topu CJ5 przeprowadzono na prototypowym, przemysłowym piecu indukcyjno- plazmowym IMSK /2,4 [5]. Wyniki pomiarów czasu topienia i wżycia energii elektrycznej dla m = 300 kg wsadu wykazały, że wydajność pieca indukcyjno-plazmowego jest dwukrotnie większa niż. pieca indukcyj nego, przy mniejszym (w za l eż no śc i od rodzaju wytapianego stopu) od 15 do 25 % sumarycznym wżyciu energii elektrycznej. Summary In this paper thc rcsults of investigation of applying low temperature plasma for activation metallurgical processes in an induction-plasma furnace have bccn discussed. Such processes as deoxidisation, desulphurization, dephosphorization, degassing and recarburizing have been described as wcll. It has been proved that an induction-plasma furnace is more ellektive than an induction furnace. Literatura : [l] Łyback.i W., Modrzy ń s ki A., Pichet J., Soppa A.: Rafinacja i intensyfikacja topienia stopów że l aza w piecu indukcyjnym za pomo c ą plazmy niskotempcraturowej. Przeg ląd Odlewnictwa t.39 (1989), nr 4, s [2] Łyback.i W., Modrzyński A., Soppa A., Pichct J., Idziak.S: Intensyfikacja topienia żeliwa stopowego w piecu indukcyjnym. Przegląd Odlewnictwa t.39 ( 1989), nr 3, s [3] Łyback.i W., Modrzy ński A., Piehet J., Soppa A.:Rafinacja odlewniczych stopów żelaza w procesie indukcyjno-plazmowym. Prace Naukowe Inst.Techn.Bud.Maszyn Politechniki Wrocł awskiej. Konferencja Naukowa Odlewnictwo 87. Wrocław 1988, s. 90- Y5. [4] Knuppel H., Oeters F., Archiv. Eisenh"Ottenwesen t.33, N"ll/1962,ss [5] Burcew W.T., Desorpcja gaza iz ż.idkowo mietałła w wakumie. Tzd. Mi e tałłurgia,moskwa [6] Machlin E.S., Trans. Metallurg. Soc. AJME, 1960,pp [7] Kostjakow W.N., Gicssereitechnik, 30Jg, H.7/1984. [8] Riboud P., Vasse R., Rev. Metali. CIT, 1985, N"ll,p.801. [9] Pierre G.P., Chipman J., Metais Trans. Soc., 1956, N"1,pp [10] Fischer W.A., Spitzer }!., Archiv. Eisenhiittenwcsen, 1958,v.29, ss