Zmiany fazowe i mikrostrukturalne ltrów ceramiczno-w glowych podczas ltracji staliwa

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 3, (2014), Zmiany fazowe i mikrostrukturalne ltrów ceramiczno-w glowych podczas ltracji staliwa BARBARA LIPOWSKA 1*, JERZY WITEK 1, TERESA WALA 1, ALEKSANDER KARWI SKI 2, PIOTR WIELICZKO 2, MACIEJ AS ANOWICZ 3, ANDRZEJ O CI OWSKI 3 1 Instytut Ceramiki i Materia ów Budowlanych, Oddzia Materia ów Ogniotrwa ych w Gliwicach, ul. Toszecka 99, Gliwice 2 Instytut Odlewnictwa w Krakowie, ul. Zakopia ska 73, Kraków 3 Ferro-Term Sp. z o.o., ul. Przybyszewskiego 176/178, ód * b.lipowska@icimb.pl Streszczenie Przeprowadzono próby ltracji stopionego staliwa z zastosowaniem dwóch rodzajów nowoopracowanych ltrów o budowie piankowej, w których faz wi c cz stki ceramiczne by w giel. W jednym z nich ród em w gla by gra t p atkowy i pak w glowy, natomiast w drugim gra t zast piono ta szym prekursorem w gla. Nowoopracowacowane ltry wypalono w temperaturze 1000 C, zdecydowanie ni szej ni stosowane obecnie ltry z ZrO 2. Podczas prób ltry poddano dzia aniu p yn cej strugi metalu o temperaturze 1650 C przez czas 30 sek. Dokonano charakterystyki w a ciwo ci ltrów przed i po wykonaniu próby ltracji. Stwierdzono, e powierzchniowa reakcja stopionego metalu z materia em cianek ltra, której efektem s lokalne zmiany mikrostruktury i sk adu fazowego, nie powoduje degradacji mechanicznej tworzywa w stopniu wp ywaj cym na wymagany czas pracy ltra. Zmiany te nie powoduj równie uwalniania si elementów ltra do staliwa, a tym samym jego wtórnego zanieczyszczenia. S owa kluczowe: ltracja ciek ych metali, ltr piankowy, mikrostruktura nalna PHASE AND MICROSTRUCTURAL CHANGES IN THE CERAMIC-CARBON FILTERS DURING CAST-STEEL FILTRATION Trials of cast steel ltration using two types of newly-developed foam lters, in which carbon bonded ceramic particles, have been conducted. In one of the lters, the source of carbon was composed of ake graphite and coal-tar pitch, while in the other one the graphite was replaced by a cheaper carbon precursor. The newly-developed lters were red at 1000 C which is much lower than in the case of the currently applied ZrO 2 -based lters. During ltration trials, the lters were subjected for 30 seconds to the attack of a owing stream of metal, having a temperature of 1650 C. Properties of the lters were characterised before and after the ltration trial. It has been found that molten metal reacted with material of the lter wall surface, which resulted in local changes in its microstructure and phase composition with no degradation of the lters mechanical properties and no secondary contamination of cast steel. Keywords: Molten metals ltration, Foam lter, Microstructure nal 1. Wprowadzenie Rosn ce wymagania w odniesieniu do czysto ci metalurgicznej staliwa, zw aszcza przeznaczonego na elementy konstrukcyjne i cz ci maszyn nara onych na obci enia dynamiczne, wymog y na producentach mody kacj technologii ich odlewania. Jednym ze sposobów oczyszczania staliwa, a tym samym podwy szenia jako ci otrzymywanych odlewów, jest jego ltracja przez ceramiczne ltry piankowe. Proces ten umo liwia usuwanie z ciek ego metalu zanieczyszcze w postaci niemetalicznych wtr ce, a dodatkowo zapewnia spokojny, laminarny przep yw strugi metalu przez ltr. Zmniejsza to ryzyko jego powtórnego napowietrzenia, a tym samym pogorszenia jego w asno ci [1, 2]. Podczas ltracji staliwa ltry nara one s na dzia anie wysokiej temperatury ( C) i du ej masy ltrowanego metalu. Skuteczno procesu ltracji oraz bezawaryjno jego przebiegu zale y wi c nie tylko od zdolno ci do zatrzymywania przez ltr niemetalicznych cz stek, ale tak e od odporno ci na gwa towne zmiany temperatury, korozj powodowan dzia aniem staliwa, a tak e erozj wywo an przep ywem metalu przez wn trze ltra. Ceramiczne ltry piankowe produkowane s z szeregu tworzyw ceramicznych, których sk ad zale y od rodzaju l- trowanego metalu. W przyapdku staliwa stosuje si obecnie ltry wykonane z tworzywa na bazie ZrO 2. W przypadku wykonywania odlewów du ych i ci kich, wymagaj cych wyd u enia czasu odlewania, na skutek zbyt szybkiego wych odzenia stopu w kana ach ltra, cz sto dochodzi do jego cz ciowego lub ca kowitego zablokowania. Prowadzi to do zmniejszenia skuteczno ci ltracji, a w skrajnym przypadku do zatrzymania procesu odlewania. Unikni cie tego typu problemów przy wykorzystaniu stosowanych obecnie ltrów wymaga znacznego podniesienia temperatury stopu przed 281

2 B. LIPOWSKA, J. WITEK, T. WALA, A. KARWI SKI, P. WIELICZKO, M. AS ANOWICZ, A. O CI OWSKI zalaniem, co wi e si z dodatkowym wydatkiem energetycznym. W zwi zku z powy szym podj to badania, których celem by o opracowanie nowego rodzaju ltrów. Maj si one charakteryzowa, podobnie jak stosowane obecnie ltry na bazie ZrO 2, wysok odporno ci na wstrz s cieplny, odporno ci na korozyjne dzia anie stopów metali, w szczególno ci staliwa, wytrzyma o ci mechaniczn w wysokich temperaturach i efektywno ci procesu ltracji. Dodatkowymi cechami nowych ltrów maj by : ni sza masa wynikaj ca z zastosowania tworzywa o ni szej g sto ci, co powinno korzystnie wp yn na w asno ci cieplne ltrów, wysoka przewodno cieplna oraz mo liwo wypalania tworzywa w ni szej temperaturze ( ltry na bazie ZrO 2 wymagaj wypalania w temperaturze oko o 1750 C). Pozwoli to na znacz ce obni enie kosztów produkcji l- trów (mniejsze zu ycie gazu opa owego oraz elementów grzejnych piec. Aby osi gn planowane w asno ci nowych ltrów wprowadzono do ich sk adu w giel stanowi cy faz wi c cz stki ceramiczne. Wybór ten uzasadniony jest korzystnymi w a ciwo ciami tego pierwiastka, który w porównaniu z innymi materia ami, charakteryzuje si ekstremalnie wysok ogniotrwa o ci w atmosferze beztlenowej i wysok przewodno ci ciepln, co skutkuje du odporno ci na szok termiczny [3]. Do otrzymywania ltrów zastosowano metod polegaj c na powlekaniu elastycznej, polimerowej pianki odpowiednio przygotowan zawiesin ceramiczn w taki sposób, aby pokry a ona jedynie elastyczne mostki otaczaj ce pory w piance. Tak otrzymane pianki poddawano obróbce termicznej, w czasie której nast puje wypalenie organicznego szkieletu i spieczenie powlekaj cego j materia u ceramicznego [4]. W pierwszym etapie bada, których wyniki opublikowano w roku 2013 [5], wytypowano surowce do otrzymania nowego rodzaju ltrów, okre lono sk ad zawiesin do pokrywania piankowej matrycy organicznej i warunki obróbki termicznej. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki prób ltracji staliwa z zastosowaniem nowoopracowanych ltrów. 2. Materia i metodyka bada Próbom poddano ltry wykonane z zawiesiny zawieraj cej tlenek glinu, gra t p atkowy oraz pak w glowy. Jako spoiwo zastosowano wodny roztwór zolu krzemionkowego z dodatkiem lignosulfonianu sodowego w roli up ynniacza. Zawiesin pokryto polimerowy no nik o porowato ci 10 porów na cal (10 ppi) w formie kszta tek o wymiarach 75 mm 75 mm 20 mm. Pianki, po wysuszeniu, wypalono w temperaturze 1000 C w atmosferze azotu. Próbom poddano równie ltry, w których zast piono innym, ta szym prekursorem w gla. W dalszym opisie oba rodzaje ltrów ceramiczno-w glowych oznaczono odpowiednio symbolem A (gra t) i Z (zamiennik gra tu). Wykonanie próby ltracji polega o na przelaniu przez ltry z wysoko ci oko o 50 cm (Rys. 1) porcji ciek ego staliwa o temp C. Ilo przelewanego metalu wynosi a ka dorazowo 100 kg, a czas jego przep ywu przez ltr wynosi oko o 30 sek. Rys. 1. Stanowisko do badania procesu ltracji: schemat, wykonanie próby. Fig. 1. A stand for testing of the ltration process: scheme, trial. Przed wykonaniem próby oznaczono podstawowe w a- ciwo ci ltrów: g sto pozorn i porowato otwart wg normy PN-EN 993-1:1998, wytrzyma o na ciskanie na zimno wg normy PN-EN 993-5:2001, sk ad chemiczny metod rentgenowskiej spektroskopii uorescencyjnej (XRF) zgodnie z norm PN-EN ISO 12677:2005, jako ciowy sk ad fazowy sproszkowanych próbek metod dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Przeprowadzono równie badania mikrostruktury, które wykonano na zg adach zatopionych w ywicy epoksydowej, obserwowanych w wietle odbitym za pomoc mikroskopu optycznego MeF2. Charakterystyka ltrów po wykonaniu próby obj a oznaczenie ich jako ciowego sk adu fazowego, analiz mikrostruktury oraz analiz sk adu chemicznego staliwa przed i po ltracji metod spektrometrii masowej. 282 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 3, (2014)

3 ZMIANY FAZOWE I MIKROSTRUKTURALNE FILTRÓW CERAMICZNO-W GLOWYCH PODCZAS FILTRACJI STALIWA Tabela 1. Podstawowe w a ciwo ci zykochemiczne ltrów przed i po próbie ltracji staliwa. Table 1. Basic physical-chemical properties of lters before and after cast steel ltration test. Filtr Rodzaj oznaczenia ceramiczno-w glowy A Z G sto pozorna [g/cm 3 ] 1,47 1,51 Porowato otwarta [%] 32,1 31,2 Wytrzyma o na ciskanie [MPa] 1,3 1,1 Udzia podstawowych sk adników: strata pra enia [%] SiO 2 [%] Al 2 O 3 [%] Fe 2 O 3 [%] CaO [%] MgO [%] Sk ad fazowy przed prób ltracji po próbie ltracji 36,81 18,41 43,33 0,20 0,11 0,13 34,98 16,57 47,14 0,21 0,04 0,15 -Al 2 O 3 korund faza amor czna korund MA spinel kwarc faza amorf. korund kwarc faza amorf. 3. Wyniki bada i ich omówienie Pod wzgl dem podstawowych w a ciwo ci zykochemicznych, tj. g sto ci pozornej, porowato ci otwartej i wytrzyma o ci na ciskanie, testowane ltry ceramiczno-w glowe nie ró ni si mi dzy sob w istotny sposób (Tabela 1). Z kolei z porównania tych w a ciwo ci z oznaczonymi dla produkowanych w kraju ltrów z ZrO 2 (g sto pozorna 3,75 g/cm 3, porowato otwarta 33,5%, wytrzyma o na ciskanie 1,4 MP wynika, e ltry ceramiczno-w glowe maj ponad dwukrotnie ni sz g sto ci pozorn. Ró nice pomi dzy ltrami A i Z, wynikaj ce z zastosowania do ich otrzymania odmiennych surowców w glowych, ujawniaj si w ich mikrostrukturze (Rys. 2). W obu przypadkach obserwowano nieregularne skupienia substancji w glowej, wype niaj cej wn trza zamkni tych porów, przy czym w przypadku ltra Z skupienia te s drobniejsze i bardziej rozproszone. Lokalnie, we wn trzach porów zamkni tych oraz na ciankach porów otwartych, obserwowano równie skupienia u pirolitycznego produktu beztlenowej obróbki termicznej paku w glowego. W mikrostrukturze ltra A widoczne by y tak e pojedyncze p atki gra tu. Osnowa ltrów mia a charakter mikrokrystaliczny i amor czny. Po wykonaniu próby ltracji i przeci ciu uk adu wlewowego stwierdzono, e testowane ltry nie uleg y uszkodzeniu. W mikrostrukturze ltrów (Rys. 3), w miejscach kontaktu wewn trznych cianek z zakrzepni tym metalem, stwierdzono obecno porowatej strefy reakcyjnej powsta ej w wyniku reakcji stopu z powierzchni ltra. Grubo tej strefy by a c) d) Rys. 2. Obrazy SEM mikrostruktury przekroju cianki ltrów przed prób ltracji staliwa: i ltr A, c) i d) ltr Z. Fig. 2. SEM images of the microstructure of wall cross sections of lters before the cast steel ltration: and lter A, c) and d) lter Z MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 3, (2014) 283

4 B. LIPOWSKA, J. WITEK, T. WALA, A. KARWI SKI, P. WIELICZKO, M. AS ANOWICZ, A. O CI OWSKI c) d) Rys. 3. Obrazy SEM mikrostruktury przekroju cianki ltrów po próbie ltracji staliwa: i ltr A, c) i d) ltr Z. Fig. 3. SEM images of the microstructure of wall cross sections of lters after the cast steel ltration: and lter A, c) and d) lter Z. zmienna i wynosi a m w przypadku ltra A i m w przypadku ltra Z. Obserwowano w niej faz szklist, wrostki korundu ( -Al 2 O 3 ), kropliste skupienia metalu i spinele typu MA. W ltrze Z, w obszarach kontaktu strefy reakcyjnej i materia u na kraw dziach ltra, widoczne by y liczne pory otwarte. Kontakty strefy reakcyjnej ze stopionym staliwem i ze ciank ltra A charakteryzowa y si ostrymi granicami. W obszarze bardziej oddalonym od powierzchni, w mikrostrukturze obu ltrów nie obserwowano zmian w porównaniu z mikrostruktur próbki przed prac. Z bada mikrostruktury wynika, e podczas procesu ltracji nast pi a powierzchniowa reakcja stopionego metalu z materia em cianek ltrów. Efektem tej reakcji by a tworz ca si warstwa, odmiennie wykszta cona pod wzgl dem mikrostruktury i sk adu fazowego. Zmiany na powierzchni ltrów nie wp yn y na przebieg procesu ltracji. Filtry nie uleg y uszkodzeniu, a sk ad chemiczny prze ltrowanego staliwa nie wykaza zmian (Tabela 2). Wzrost st enia Al w staliwie po ltracji jest prawdopodobnie zwi zany z oddzia ywaniem stopu z form wykonan z tworzywa wysokoglinowego. 4. Podsumowanie Przeprowadzono próby ltracji stopionego staliwa z zastosowaniem dwóch rodzajów nowoopracowanych ltrów o budowie piankowej, w których faz wi c cz stki ceramiczne by w giel. W jednym z nich ród em w gla by gra t p atkowy i pak w glowy, natomiast w drugim gra t zast piono ta szym prekursorem w gla. Nowoopracowane ltry wypalono w temperaturze 1000 C, zdecydowanie ni szej ni stosowane obecnie ltry z ZrO 2. Podczas prób ltry poddano dzia aniu p yn cej strugi metalu o temperaturze 1650 C przez czas 30 sek. Dokonano charakterystyki w a ciwo ci zykochemicznych i analizy mikrostruktury ltrów przed i po wykonaniu próby ltracji. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, e: Nowoopracowane ltry przesz y pomy lnie prób ltracji. Podczas prowadzenia procesu nie uleg y uszkodzeniu, co wiadczy o ich rzeczywistej odporno ci na dzia anie wysokiej temperatury oraz ci nienia ferrostatycznego strumienia ciek ego metalu. Tabela 2. Sk ad chemiczny staliwa przed i po ltracji. Table 2. The chemical composition of cast steel before and after ltration. Pierwiastek [%] Staliwo C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu V Ti Al Przed ltracj 0,19 0,94 1,57 0,020 0,013 0,32 0,18 0,1 0,06 0,04 0,002 0,03 Po ltracji przez ltr A 0,20 0,94 1,57 0,020 0,012 0,32 0,18 0,1 0,06 0,04 0,002 0,17 Po ltracji przez ltr Z 0,20 0,95 1,56 0,019 0,011 0,32 0,18 0,1 0,06 0,04 0,002 0, MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 3, (2014)

5 ZMIANY FAZOWE I MIKROSTRUKTURALNE FILTRÓW CERAMICZNO-W GLOWYCH PODCZAS FILTRACJI STALIWA Efektem powierzchniowej reakcji stopionego metalu z materia em cianek ltra s lokalne zmiany mikrostruktury i sk adu fazowego. Zmiany te powoduj degradacj mechaniczna tworzywa w stopniu nie wp ywaj cym na wymagany czas pracy ltra. Stwierdzone zmiany fazowe i mikrostrukturalne nie powoduj uwalniania si elementów ltra do staliwa, a tym samym jego wtórnego zanieczyszczenia. Podziekowanie Praca realizowana jest w ramach Programu INNOTECH w cie ce programowej IN-TECH nansowanego w latach przez Narodowe Centrum Bada i Rozwoju. Literatura [1] Janiszewski, K.: Ra nacja ciek ej stali z wtr ce niemetalicznych metod ltracji, l sk Sp. z o.o. Wydawnictwo Naukowe, [2] Zhang, L., Thomas, B. G.: Inclusions in continuous casting of steel, Proceeding of the XXIV National Steelmaking Symposium, Morelia, Mich, Mexico, 26-28, November 2003, [3] Pierson, H. O.: Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, New Jersey, 1993, ISBN: [4] Schwaltzwalder, K.: Method of making porous ceramic articles, US patent , [5] Lipowska, B., Witek, J., Karwi ski, A., Wieliczko, P., As anowicz, M., O ci owski, A., Robak, R., Muzyka, R.: Filtry ceramiczno-w glowe do ltracji stopów metali, Materia y Ceramiczne, 65, 4, (2013), Otrzymano 3 czerwca 2014; zaakceptowano 18 czerwca 2014 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 3, (2014) 285