WPŁYW PROCESU ODTLENIANIA I MODYFIKACJI NA UDZIAŁ I MORFOLOGIĘ WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYCH STALIWA WĘGLOWEGO

Transkrypt

1 66/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW PROCESU ODTLENIANIA I MODYFIKACJI NA UDZIAŁ I MORFOLOGIĘ WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYCH STALIWA WĘGLOWEGO B. KALANDYK 1 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE Zaprezentowano wyniki badań ilości, morfologii i składu chemicznego wtrąceń niemetalicznych występujących w staliwie węglowym po wprowadzeniu do kadzi Al+FeCa-Si; Al+FeCa-Si +FeV lub Al+FeTi. Badania te przeprowadzono w warunkach przemysłowch. Stwierdzono, że najniższe zawartości wtrąceń otrzymano po podwójnym odtlenianiu Al +FeCa-Si i modyfikacji FeV Key words: cast steels, non-metallic inclusions, modification, deoxidation 1. WPROWADZENIE Proces odtleniania osadowego w kadzi jest nierozerwalną częścią procesu technologicznego wytapiania staliwa w elektrycznych piecach łukowych. W jego wyniku w ciekłej stali powstaje znaczna ilość dużych dendrytycznych wtrąceń Al 2 O 3, silnie obniżających własności odlewnicze. Dodatkowe wprowadzenie do kadzi wapnia w postaci FeCa-Si, nie tylko sprzyja odtlenianiu i odsiarczaniu, ale również powoduje modyfikację obecnych w ciekłym metalu wtrąceń. Ze względu na ścisły związek pomiędzy ilością i morfologią wtrąceń niemetalicznych a własnościami mechanicznymi, dąży się do opracowania takich procesów obróbki ciekłego metalu w kadzi, które stwarzają możliwości wpływu na kształt, ilość i skład chemiczny wtrąceń. Zagadnienie stopnia czystości stali jest szczególnie ważne w odlewnictwie ze względu na zmienną szybkość krzepnięcia odlewu oraz możliwości wystąpienia segregacji tlenu i innych pierwiastków w tych częścią odlewu, które krzepną najpóźniej. 1 dr inż., bk@uci.agh.edu.pl 419

2 W związku z coraz wyższymi wymaganiami jakie są stawiane produkowanym odlewom ze staliwa, zabiegi prowadzone w kadzi nabierają szczególnego znaczenia. Celem badań była ocena możliwości zwiększenia czystości ciekłego metalu poprzez zabiegi prowadzone w kadzi odlewniczej w warunkach przemysłowych. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na próbkach wyciętych z wlewków staliwa węglowego wytopionego w warunkach przemysłowych w piecu łukowym o pojemności 8Mg. Skład chemiczny staliwa i rodzaj zastosowanych materiałów do odtleniania i modyfikacji w kadzi zamieszczono w tabeli 1. Zastosowanie do badań standardowego odlewu klina i tej samej masy formierskiej we wszystkich wytopach miało na celu wyeliminowanie wpływu szybkości krzepnięcia na rodzaj tworzących się wtrąceń niemetalicznych. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa [%wag.] Table 1. Chemical composition of the investigated cast steels [% weight] Ozn C Mn Si P S Al c O c ppm Odtlenianie i modyfikacja w kadzi A 0,18 1,58 0,60 0,020 0,016 0,030 12kgFeCaSi+8kgAl B 0,23 1,46 0,47 0,024 0,035 0, kgFeCaSi+5kgAl C 0,16 1,30 0,42 0,019 0,016 0, kgFeCaSi+8kgAl 5kgFeV D 0,14 1,60 0,36 0,021 0,014 0, kgFeCaSi+9kgAl 9kgFeV E 0,17 1,57 0,18 0,017 0,012 0, kgAl+5kgFeTi Analizę składu chemicznego wtrąceń niemetalicznych przeprowadzono z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego wyposażonego w analizator EDSAnalizę ilościową wtraceń niemetalicznch przeprowadzono przy użyciu analizatora obrazu Quantimet 570 color przy pow. 400x. Liczba pól pomiarowych wynosiła 50 (Tabela 2). Tabela 2. Udział wtrąceń niemetalicznych w wybranych wytopach Table 2. Volumens of non-metallic inclusions in the investigated grades Ozn Pow. Obwód Liczba Rodzaj występujących wtrąceń średnia [%] [mm/mm 2 ] średnia [1/mm 2 ] A 0,21 5, ,16 Mało siarczków, duże i drobne liczne tlenki i tlenko siarczki B 0,30 4,12 641,25 Dużo wydzieleń; liczne wydzielenia tlenków i siarczków II i III rodzaju C 0,19 3,52 684,00 bardzo drobne wydzielenia siarczków i tlenków D 0,16 2,15 382,31 Brak siarczków II rodzaju i dużych wtrąceń; bardzo mało wtrąceń E 0,26 4,12 674,23 Siarczki II i III rodzaju 420

3 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki badań ilości wtrąceń niemetalicznych połączono z ich analizą w mikroskopie optycznym i skaningowym (Tabela 2). Stwierdzono, że w badanych wytopach najliczniejszą grupą wtrąceń niemetalicznych stanowiły tlenki i jednofazowe siarczki manganu typu II i III według klasyfikacji Simsa-Dahle a. Występowały również wydzielenia posiadające strukturę dwufazową, złożoną z tlenku i siarczku manganu. Tlenki Analiza widm wydzieleń tlenkowych pozwala stwierdzić, że najliczniejszą grupę stanowią tlenki zawierające Al i O oraz Al, Ca, O. Obok nich występowały również tlenki zawierające Al, Ca, Mg, O i Al, Ca, Mn, O. Niewielki pik od Mg w tych widmach pozwala sądzić, że Mg pochodzi raczej z wyłożenia pieca, niż z procesów zachodzących w kadzi. We wszystkich wytopach staliwa węglowego, wydzielenia tlenków miały kształt kulisty, ze względu na wprowadzenie FeCaSi. W większości obserwowanych obrazów w mikroskopie skaningowym wtrącenia tlenkowe były większe od wydzieleń jednofazowych siarczków MnS. Tlenko siarczki. Najciekawszymi wydzieleniami, ze względu na swoją budowę były wydzielenia tlenko siarczków. Występowały one we wszystkich analizowanych wytopach przemysłowych. Ze względu na wzajemne ułożenie fazy tlenkowej w stosunku do fazy siarczkowej można wyróżnić grupę wydzieleń z rdzeniem tlenkowym (rys.1 i 2), bądź grupę wydzieleń MnS, w których faza tlenkowa występowała na granicy wydzielenie MnS osnowa (rys.3). Rys. 1. Wtrącenia tlenko siarczkowe w badanym staliwie (Al+FeCa-Si) Fig. 1. The sulphooxide inclusions in investigated cast steels (Al+FeCa-Si) 421

4 Rys. 2. Widmo składu chemicznego wtrącenia tlenkowego (obszar ciemny na rys.1) Fig. 2. The Chemical spektrum of oxide inclusion (dark field on fig.1) Rys. 3. Wtrącenia tlenko siarczkowe w badanym staliwie (Al+FeTi) Fig. 3. The sulphooxide inclusions in investigated cast steels (Al+FeTi) Najliczniejsze były wydzielenia pierwszej grupy, gdyż taka budowa złożonego wtrącenia świadczy o heterogenicznej reakcji tworzenia się MnS na istniejących już wtrące- 422

5 niach tlenkowych. Tym bardziej, że Al było wprowadzane do kadzi przed FeCa-Si. Wielkość tych wydzieleń mieściła się pomiędzy 5-15µm. Siarczki. Najliczniejszą grupę spośród tych wydzieleń stanowiły jednofazowe globularne siarczki MnS. Jednak obok nich występowały siarczki MnS II rodzaju. Najbardziej niekorzystne i niepożądane wydzielenia w odlewach, prowadzące do obniżenia własności mechanicznych odlewów. Jedynie w wytopie D nie obserwowano wtrąceń II rodzaju. Należy sądzić, że jednym z powodów uzyskania takich wyników jest poprawnie przeprowadzony proces odsiarczania w okresie rafinacji. Niska zawartość siarki w tym wytopie (0,014%S), nie tylko wyeliminowała wtrącenia siarczkowe II rodzaju, ale przyczyniła się do otrzymania najmniejszej zawartości wtrąceń niemetalicznych, w tym również siarczkowych (Tabela 2). Dodatkowo w wytopach oznaczonych przez B i E obserwowano wtrącenia siarczkowe III rodzaju o kształcie zbliżonym do wieloboków. Wtrącenia te nie występowały w skupiskach, lecz pojedynczo. Obniżenie ilości wtrąceń niemetalicznych w staliwie wpływa w uzyskaniu wyższych wartości energii łamania w temperaturach ujemnych (-40 0 C). Ze wzrostem liczby wtrąceń niemetalicznch malała energia łamania (niepublikowane badania własne). 4. WNIOSKI Wprowadzenie Al + FeCa-Si do kadzi zapewniło we wszystkich badanych wytopach wyeliminowanie dużych dendrytycznych wtrąceń tlenku aluminium, Analiza składu chemicznego wtrąceń niemetalicznych wykazała występowanie dwóch grup wtrąceń: o budowie jednofazowej (siarczki i tlenki) oraz złożonych wtrąceń tlenko siarczków będących konglomeratem głównie tlenków aluminium i siarczku manganu, Stwierdzono występowanie globularnych złożonych wtrąceń tlenko siarczków o rdzeniu tlenkowym i otoczce złożonej z siarczku manganu. Taka budowa złożonych wtrąceń świadczy o heterogenicznej reakcji tworzenia się MnS (na już istniejących wtrąceniach tlenkowych), Wprowadzenie do kadzi Al + FeCa-Si sprzyja powstawaniu głównie czystych tlenków aluminium, chociaż w niektórych przypadkach stwierdzono również występowanie pików od takich pierwiastków jak: Ca, Mn i /lub Mg. Obecność w widmie energetycznym tlenkowym dodatkowo takich pierwiastków jak Ca i Mg (w różnych ilościach) wskazuje, że wydzielenia te pochodzą z grupy glinianów z układu Al 2 O 3 MgO CaO, i są one wynikiem zastosowanych zabiegów prowadzonych w kadzi odlewniczej, Dodatkowe wprowadzenie FeV do kadzi (po Al + FeCa-Si), spowodowało obniżenie zawartości tlenu całkowitego do poziomu 51-70ppm i azotu do poziomu ppm. Uzyskanie takich wyników gwarantuje obok wprowadzenia FeV, poprawnie przeprowadzona rafinacja ciekłego metalu w piecu łukowym. Niska zawartość siarki oraz tlenu w tym wytopie doprowadziła do uzyskania najmniejszej liczby wtrąceń niemetalicznych. 423

6 Zastosowanie kombinacji Al + FeCa-Si czy Al + FeCa-Si + V jak również Al + FeTi nie wyeliminowało całkowicie wtrąceń siarczkowych II rodzaju tak bardzo szkodliwych w odlewach. Wprowadzenie kombinacji odtleniaczy i modyfikatorów do kadzi przyniesie oczekiwaną poprawę czystości ciekłej stali jedynie w przypadku poprawnie przeprowadzonego procesu rafinacji w piecu. W przeciwnym razie należy rozważyć dodatkowe przeprowadzenie procesu argonowania w kadzi. Niniejsza praca została wykonana w ramach prac statutowych n r prowadzonych w Katedrze Odlewnictwa Staliwa w 2005r. LITERATURA [1] J. Głownia : Odtlenianie stali na odlewy; Kraków [2] E.Kawecka Cebula i in.: Model odsiarczania kąpieli metalowej w kadzi obliczanie odtleniacza i składników żużlotwórczych; Hutnik Wiad. Hutnicze, 2003, nr 4, s THE INFLUENCE OF THE DEOXIDATION AND MODIFICATION ON THE MORPHOLOGY OF NON-METALLIC INCLUSION IN THE CARBON CAST STEELS SUMMARY Influence of double deoxidations and modification of carbon cast steels on the morphology of non-metallic inclusions were studied. It was shown that the lowest inclusion content obtained by the initial desulphurization of steels and than its deoxidation by Al+FeCa-Si and modification by FeV (0,12%). Recenzował: Prof. Jan Głownia 424