OGÓLNA OCENA METODY PE SFEROIDYZOWANIA ŻELIWA

Transkrypt

1 Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN OGÓLNA OCENA METODY PE SFEROIDYZOWANIA ŻELIWA E. GUZIK Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono metodę zabiegu sferoidyzowania żeliwa o masie od 1 do 10 Mg przy użyciu specjalnego przewodu elastycznego, zwaną umownie w kraju jako technika PE. Technikę tę zastosowano dla żeliwa wytapianego w żeliwiaku bądź w piecach indukcyjnych. Ustalono zużycie tego przewodu w zależności od zawartości siarki w żeliwie wyjściowym i masy sferoidyzowanego żeliwa. Niewątpliwie, odlewnie mają określone problemy związane z zabiegiem ulepszającym ciekłe żeliwo, a technika PE jest optymalna i coraz częściej adaptowana w krajowych odlewniach. Key words: cast iron, spheroidization, cored wire (PE) method 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne, z wydzieleniami grafitu kulkowego jest stopem odlewniczym, wykazujacy w krajach rozwiniętych wysoki i stabilny poziom produkcji, a udział odlewów z tego gatunku żeliwa w ogólnej produkcji odlewniczej, a w szczególności w produkcji odlewów ze stopów żelaza, stanowi niewątpliwie jeden z najbardziej uznawanych wskaźników nowoczesności odlewnictwa oraz tych gałęzi przemysłu, dla których są istotnymi elementami wyrobów końcowych, przede wszystkim zaś przemysłu maszyn o- wego. W ostatnich latach produkcja tego wysokojakościowego żeliwa w naszym kraju systematycznie wzrastała, osiągając w roku 1997 wielkość 120 tyś. Mg [1,2], a później nastąpiło jej zmniejszenie, aczkolwiek już w 1999 roku [3] obserwuje się ponowny wzrost produkcji, co widać z przebiegu krzywej na rys.1. Przy zapewnieniu odpowiednio wymaganego składu chemicznego żeliwa wyjścio - wego do zabiegu sferoidyzowania (dla danego gatunku żeliwa) bądź wermikularyzowania (zmniejszona zawartość Mg w żeliwie), najistotniejszym elementem technologii jest 83

2 Produkcja żeliwa sferoidalnego, tys. Mg ARCHIWUM ODLEWNICTWA wprowadzenie Mg lub jego stopów, co jest operacją najtrudniejszą w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego, z uwagi bowiem na niską temperaturę parowania Mg (T p =1107 o C) obserwuje się burzenie kąpieli, wypryski metalu oraz efekt pirotechniczny. W związku z tym, stosuje się różne metody przeprowadzania tego zabiegu opisane w pracy [4,5], przy czym w warunkach krajowych stosuje się głównie następujące metody: 1. wprowadzanie za pomocą dzwonów wykonanych z różnych materiałów (z blachy stalowej, z materiałów szamotowo-grafitowych, z grafitu); 2. zalewanie na dnie kadzi (zaprawa jest umieszczana w odpowiednim zagłębieniu w dnie kadzi, z jej odmianami Sandwich bądź Tundish, 3. wprowadzanie prętów z elektronu (stopów Mg-Al), do kadzi uszczelnionych; 4. Inmold, technika sferoidyzowana bezpośrednio w formie, wprowadzona z początkiem tego roku w Odlewni TEXID - Skoczów. Dążenia do wyeliminowania tych szkodliwych zjawisk, obserwowanych przy wprowadzeniu magnezu do metalu ( techniki nr 1-4), a także zwiększenia efektywności zabiegu sferoidyzowania było, jak i zapewne w przyszłości będzie, przyczyną rozwijania nowych technik wprowadzania tego pierwiastka do żeliwa. Do nowoczesnej metody sferoidyzowania, bądź wermikularyzowania żeliwa, zaliczamy metodę przewodu elastycznego, którą w niniejszej pracy oznaczono umownie jako technika PE ( zwaną także w literaturze metodą drutową" - ang. Cored Wired Injection Method) [6 15], a która została przy udziale Wydziału Odlewnictwa AGH oraz Ferro-Term z Łodzi wdrożona w kilku krajowych odlewniach Lata Rys. 1. Wielkość produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego w kraju, w okresie wg Modern Casting [1,2,3] Fig. 1. The production of ductile iron castings at Polish foundries [1,2,3] 84

3 W oparciu o wyniki przeprowadzonych badań, określono przydatność tej nowoczesnej i perspektywicznej techniki PE do zabiegu sferoidyzowania (bądź wermikularyzowania) żeliwa. 2. OGÓLNA OCENA SFEROIDYZOWANIA ŻELIWA TECHNIKĄ PE Do produkcji żeliwa sferoidalnego, w odlewniach zastosowano technikę przewodu elastycznego dla masy ciekłego metalu w kadzi około 1 Mg. Jedynie w jednej odlewn i stosuje się zabieg sferoidyzowania ciekłego metalu w kadzi o pojemności do 10 Mg, z przeznaczeniem go na odlewy masywne [16]. W dwóch odlewniach ciekły metal wytapia się z żeliwiaku ( dmuch wzbogacony w tlen) i z uwagi na zwiększoną zawartość siarki pochodzącej z koksu wymaga się, dla określonej masy żeliwa, zwiększonego zużycia (długości) przewodu sferoidyzującego. W pozostałych sześciu odlewniach, metal wyjściowy do zabiegu metalurgicznego wytapiano w piecach elektrycznych indukcyjnych, a zaadaptowanie w nich techniki PE zapewniało odpowiednie warunki BHP oraz stabilizację procesu sferoidyzowania żeliwa, wyrażaną powtarzalnością zawartości magnezu w żeliwie na poziomie 0,04%. Z kolei w jednej wdrożono specjalną technikę sferoidyzowania (bądź wermikularyzowania) żeliwa, zwany techniką Sinter Cast [5], a opartą na wykorzystaniu dwóch przewodów elastycznych zawierających; jeden rdzeń magnezowy, a drugi modyfikator. Schemat urządzenia zabiegowego do zabiegu sferoidyzowania żeliwa techniką PE przedstawiono na rys.2. Za pomocą (podajnika rolkowego) dozownika (3) wprowadza się do smukłej kadzi zabiegowej z ciekłym żeliwem wyjściowym wymagany odcinek sferoidyzującego przewodu elastycznego, rozwijanego ze specjalnej szpuli (4). Długość owego odcinka przewodu określano z wzoru [5,6,8]: 0,76S Mgkr mz l, m (2) Mg Mg gdzie: S = S 1 S 2 (różnica zawartości siarki w żeliwie przed i po wprowadzeniu Mg),%, Mg kr krytyczna zawartość Mg w żeliwie, %, Mg uzysk Mg ze sferoidyzatora, %, M z masa sferoidyzowanego metalu, kg, Mg p ilość Mg w 1 m przewodu sferoidyzującego, kg/m, 0,76 współczynnik, wynikający ze stosunku mas atomowych S i Mg. p 85

4 Rys. 2. Ogólny schemat stanowiska do zabiegu sferoidyzowania żeliwa metodą przewodu elastycznego; 1 kadź zabiegowa z ciekłym metalem, 2 pokrywa ogniotrwała, 3 podajnik rolkowy, 4 szpula z nawiniętym na nią przewodem sferoidyzującym, 5 pulpit sterowania komputerowego, 6 odciąg gazów znad lustra metalu Fig. 2. General scheme of the nodularizing treatment station using the cored wire method; 1 - ladle, 2 - lid, 3 - wire feed machine, 4 - coil (basket) cored wire, 5 - control unit, 6 exhaust Należy tu zaznaczyć, że technika PE w dobrym stopniu gwarantuje zawartość magnezu na poziomie 0,04%, wymagana do uzyskania kształtu kulkowego grafitu (rys.3a), n a- tomiast odpowiednie zmniejszenie zużycia przewodu elastycznego PE i doprowadzenie do zawartości około 0,017% Mg w żeliwie pozwala, przy niewielkim udziale grafitu kulkowego, na uzyskiwanie w jego strukturze wydzieleń grafitu wermikularnego (rys. 3b). Tak więc stosując metodę przewodu elastycznego, możliwe jest wytwarzanie z metalu, wytapianego zarówno w żeliwiaku jak i w piecu indukcyjnym, żeliwa sferoidalnego (bądź żeliwa z grafitem wermikularnym) o właściwościach odp owiadającym najnowszym normom europejskim. Sferoidyzowanie tą metodą metalu zapewnia stabilność procesu, wyrażoną powtarzalnością wyników w odniesieniu do właściwości mechanicznych odlewów. Z analizy 14 różnych czynników, wpływających na skuteczność poszczególnych metod sferoidyzowania, zaproponowanych w tabeli 1 przez Moore, Weese [17] wynika, że technika Inmold jest najskuteczniejsza. 86

5 Rys. 3. Postać grafitu w żeliwie sferoidalnym (a) i w żeliwie z grafitem wermikularnym (b), otrzymanych metodą przewodu elastycznego Fig. 3. Microstructure of nodular (a) and vermicular (b) graphite cast iron obtained using cored wire method Ciekły metal musi być w tym przypadku wytapiany w piecu elektrycznym (ograniczenia siarki w metalu do 0,01%) i stąd należy stosować specjalne, bardzo kosztowne s urówki importowane. Ponadto przy tej metodzie obserwuje się mały uzysk dobrych odlewów (zasilacze, rozbudowane układy wlewowe, komory reakcyjne); występują także ogran i- czenia co do masy wytwarzanych odlewów. Stąd technika ta nie jest zbyt chętnie ada p- towana przez odlewnie, aczkolwiek z początkiem tego roku krajowa Odlewnia TEXID w Skoczowie rozpoczęła, przy użyciu tej metody, produkcję odlewów wałka rozrządu z żeliwa sferoidalnego. Z przeprowadzonej obserwacji w warunkach krajowych zabiegu sferoidyzowania żeliwa, przy użyciu metody PE wynika, iż technika ta plasuje się na drugim miejscu, co wynika z danych własnych zamieszczonych w ostatniej kolumnie tabeli 1. Należy podkreślić, że metoda ta jest już bardziej uniwersalna, gdyż żeliwo może być wytapiane w dowolnej jednostce topiącej, np. w żeliwiaku czy piecu elektrycznym. W celu porównania kosztów przewodu elastycznego z kosztami zapraw FeSiMg, st o- sowanych powszechnie w Polsce, przeprowadzono odpowiednie obliczenia dla je dnostkowej masy 1Mg żeliwa. W warunkach jednej odlewni przeprowadzono ocenę ekon o- miczną sferoidyzacji żeliwa metodą przewodu elastycznego PE, oraz zaprawy krajowej FeSiMg6% z miszmetalem produkcji HUTY ŁAZISKA S.A. oraz zaprawy importowanej. Przeprowadzono następujące obliczenia, dla metalu wytopionego w piecu indukcyjnym: - masa ciekłego żeliwa, m = 1 Mg o składzie chemicznym metalu wyjściowego do zabiegu sferoidyzacji: C = 3,9 %, Si = 1,8 %, Mn = 0,35 %, P = 0,06%, S = 0, 022% ; 87

6 - uzysk Mg przy wprowadzeniu go do żeliwa, np. w kadzi smukłej typu Sandwich w warunkach produkcyjnych wynosi; Mg = 0, 45 - założono następującą zawartość siarki w żeliwie po wprowadzeniu magnezu; S 2 = 0,01 % - minimalna (krytyczna) zawartość Mg w żeliwie: Mg kr = 0, 04 % ; Tabela 1. Czynniki wpływające na skuteczność poszczególnych metod sferoidyzowania Metoda sferoidyzacji L.p. Czynnik (kryterium) A B C D E F G H I 1. Wydzielanie się par magnezu Mała rozpuszczalność Powinowactwo z siarką Powinowactwo z tlenem Stopień zaniku efektu Skłonność do zabieleń Koszt sferoidyzatora Uzysk Mg Wymagany stopień odsiarczania Elastyczność zabiegu Koszty modyfikowania wtórnego Instalacja zabiegowa: Koszty inw Instalacja zabiegowa: Koszty prod Wymagane przegrzanie żeliwa Razem: Oznaczenia do tabeli: 0 - ocena najlepsza, 4 - ocena najgorsza. 88

7 A - kadź otwarta, B - metoda Sandwich, C - metoda Tundish, D - metoda dzwonowa, E - metoda przedmuchiwania przez porowaty korek, F - metoda FLOTRET, G - metoda konwertorowa, H - metoda Inmold, I - metoda sferoidyzującego przewodu elastycznego - ocena własna - ilość magnezu jaką należy wprowadzić do żeliwa, obliczamy z ogólnie znanego wzoru A. De Sy [18]: 0,03 0,75 (0,022 0,01) Mg d 0,11% 0,45 - przy zastosowaniu zaprawy FeSiMg 6 % otrzymano: 1000 kg 0,11% Masa zaprawy 18,3kg 6% - długość przewodu PE, zawierającego 0,063 kg Mg /1 mb obliczono wg (1): l 0,76 Masowe zużycie przewodu oraz jego koszt (dla uzysku Mg = 40 %) wynosi zatem: 19,5 m x 0,41 kg/m = 8,0 kg/t x 7,96 zł/kg = 63,7 zł Koszt sferoidyzatora typu FeSiMg 6 jest następujący: 0,022 0,01 0, ,063 - zaprawa krajowa z HUTY ŁAZISKA S.A., cena 5000 zł/t x 18,3 kg = 91,5 zł; - zaprawa importowana BIOMET, cena 5400 zł/t x 18,3 kg = 98,8 zł ,5m Reasumując należy stwierdzić, że koszt przewodu elastycznego jest konkurencyjny do obydwu rodzajów zapraw, szczególnie zaprawy importowanej. Ponadto zabieg sfe roidyzowania żeliwa przy użyciu techniki PE jest bardzo korzystny, w porównaniu do stosowanych zapraw pod względem warunków BHP, a także daje możliwość stabilizacji zawartości magnezu przy sferoidyzowaniu bądź wermikularyzowaniu żeliwa. 89

8 LITERATURA [1] Census of World Casting Production , Modern Casting, [2] 33 Census of World Casting Production , Modern Casting, Dec., (1999) s.40. [3] 34 Annual Census of World Casting Production , Modern Casting, Dec., (2000) s.30. [4] C. Podrzucki, A. Wojtysiak : Żeliwo plastyczne niestopowe. Cz. 1. Żeliwo sferoidalne. AGH, Kraków (1987). [5] E. Guzik, C. Podrzucki: Nowoczesne metody obróbki uszlachetniającej ciekłego żeliwa. III Seminarium Naukowe - Szczyrk , ref. 10, (1996) s [6] E. Guzik, M. Asłanowicz, R. Kluk: Zabieg sferoidyzowania żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie metali i stopów PAN - Oddział Katowice, 22, (1995) s. 76. [7] M. Jonuleit: Metoda drutowa sferoidyzowania żeliwa. Wskazówki praktyczne. Przegląd Odlewnictwa, 45, nr 3, (1995) s. 98. [8] E. Guzik: Ogólna ocena metod sferoidyzowania żeliwa, Krzepnięcie metali i stopów PAN - Oddział Katowice, 26, (1996) s [9] E. Guzik: Jakościowa ocena metody sferoidyzacji żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie metali i stopów PAN - Oddział Katowice, 33, (1997) s. 22. [10] E. Guzik, M. Porębski, M. Asłanowicz: Using Cored Wire Injection Method in the Production of Vermicular and Nodular Cast Iron. Acta Metallurgica Slov., 5, (1999) s [11] E. Guzik, C. Podrzucki, M. Porębski: Otrzymywanie żeliwa sferoidalnego metodą PE z metalu wytapianego w żeliwiaku. Krzepnięcie metali i stopów PAN - Oddział Katowice, 41, (1999) s. 22. [12] Katalog firmowy SKW Giesserei - Technik GMBH, Trostberg. [13] H. Sugden, D. Missol, K.J. Best: Direct conversion of cupola melted iron to ductile iron using cored wire. International Conference BCIRA, York England 17, (1996) s [14] J. Rotella: Using Cored Wire in the Production of Ductile Iron. Transactions of the American Foundrymen, s Society, 99, (1991) s [15] R. Cairns: The manufacture of ductile iron from high sulphur cupola iron using magnesium cored wire technology. The Foundryman, September, (1992) s [16] E. Guzik, M. Porębski : Sferoidyzacja i wermikularyzacja dużej masy ciekłego żeliwa metoda przewodu elastycznego (PE). Acta Metallurgica Slov. V, (2001) ( w druku). [17] A. Moore, S. Weese: Is the future of ductile iron precarious?. FOUNDRY management and technology, 120, (1992) s. 34. [18] De Sy A.: Quelques resultats de recherches belges sur les fontes nodulaires. Ref nr 20 na 18 M.K.O. Amsterdam (1951). 90

9 GENERAL EVALUATION OF CAST IRON SPHEROIDIZATION CORED WIRE (PE) METHOD This paper describes the results of using a high magnesium ferrosilicon alloy in cored wire ( Mg recovery about 60% ) for the production nodular ( or vermicular) iron castings (ladles with a capacity from 1,0 to 10 Mg) at Polish foundries. The injection of Mg cored wire length is a treatment method which can be used to process (high sulphur) cupola iron held in ladles or friquency induction furnace. Results of calculation and experiments shows the amount of cored wire to be injected based on initial sulfur and weight liquid cast iron levels. The results of numerous trials have shown that process magnesium cored wire is capable of producing good quality castings with nodular or vermicular graphite iron. Such foundries have traditionally found it difficult to produce nodular or vermilular cast iron of acceptable quality and thus the adoption of cored wire technology has enabled these foundries to enter the ductile iron and vermicular cast iron market. Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Jura 91