26/18 Solidiiikation or :\letals and.\lloys, :\o 26, 1996

26/18 Solidiiikation or :\letals and.\lloys, :\o 26, 1996 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 26,1996 PA.'I- Oddziul Kutowice PL ISSN 0208-9386 OGÓLNA OCENA METOD SFEROIDYZOW ANIA ŻELIW A GUZIK Edward Wydział Odlewnictwa AGH, ul Reymonta 23, 30-059 Kraków W pracy przedstawiono ogólną ocenę ekonomiczną stosowanych metod sferoidyzowania żeliwa oraz ujęto szereg czynników wpływających na skuteczność tego zabiegu metalurgicznego. Z porównania bezpośredn i ch kosztów zabiegu sferoidyzowania żeliwa dla omawianych sferoidyzatorów wynika, iż dla ciekłego metalu, zawierającego niską zawartość siarki (wytopiony metal w piecu elektrycznym lub po przeprowadzonym zabiegu odsiarczania) preferuje się techniczny magnez lub zaprawę Si Mg wytwarzaną w Hucie Łaziska. W przypadku żeliwa wytapianego w żeliwiaku (zwiększona zawartość siarki), dobre efekty wyrażone stabilizacją procesu oraz stosunkowo niskim kosztem produkcji tego gatunku żeliwa, uzyskuje się przy zastosowaniu zabiegu sferoidyzowania metalu za pomocą przewodu elastycznego (tzw. metoda "drutowa") l. WPROWADZENIE Spośród różnych wytwarzanych obecnie gatunków żeliwa, na szczególne podkreślenie zasługuje żeliwo wysokojakościowe, którego właściwości kształtuje rodzaj eutektyki grafitowej z wydzieleniami grafitu kulkowego bądź wermikularnego (z ang. grafit "robaczkowy"). Niewątpliwie udział odlewów z produkcji żeliwa sferoidalnego, w ogólnej produkcji wyrobów z żeliwa jest obecnie trah.-towany jako wskaźnik nowoczesności przemysłu odlewniczego w danym kraju. W krajach wysokouprzemysłowionych, produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego w stosunku do innych gatunków żeliwa sięga około 50 80 % i w tym zakresie obserwuje się tendencję wzrostową. Wielkość i strukturę produkcji odlewów ze stopów żelaza jak równie:z: i metali nie:z:elaznych zestawiono w tabeli l. W takich krajach, jak np. Francja, Japonia, USA czy Niemcy (dane w tabeli l), stosunek produkcji odlewów z zeliwa

150 szarego zwykłego bądź modyfikowanego do sferoidalnego wynosi odpowiednio: l, l ; l, 50; 1,58 i 2,0, natomiast w krajach takich jak np. Chiny czy Wspólnota Niepodległych Państw, stosunek tej produkcji jest niekorzystny i wynosi odpowiednio 5, 76 i 27,0. W naszym kraju, wskaźnik ten jest także wysoki, a zatem niekorzystny i wynosi 9,9. Dla celów porównawczych, w tabl. l zamieszczono wielkość krajowej produkcji uzyskanej w roku 1972 co wskazuje na niemałe jeszcze możliwości produkcyjne naszego przemysłu odlewniczego. Udz i ał odlewów z żeliwa sferoidalnego w przemyśle krajowym wykazuje ciągle tendencję wzrostową i już np. w roku \995 produkcję tę szacuje się na poziomie około 70 tys. ton. Dynamika tego wzrostu (patrz tabl. l.) jest największa spośród różnych stopów odlewniczych. Stąd celem niniejszej pracy, jest wskazanie optymalnego sposobu sferoidyzowania żeliwa dla danych warunków topienia metalu, uwzględniając przeprowadzenie prawidłowego procesu krystalizacji grafitu kulkowego, przy najniższych kosztach użytego rodzaju sferoidyzatora. Tabela l Produkcja odlewów w świecie w roku \994, tys. ton[\] Kraj Żeliwo Żeliwo Staliwo Stopy metali Szare Sferoidalne Ciągliwe Razem nieżelaznych Polska 584 59 31 674 71 49 (563) (52) (28) (643) (67) (45) ((583)) ((38)) ((31)) ((652)) ((74)) ((35)) Francja 961 869 10 1.840 136 293 RFN 1.992 979 78 3.049 168 596 Japonia 3.035 2.061 147 5.198 356 1.256 Chiny 7.607 1.321 364 9.292 1.610 722 W.N.P. 8.240 305 800 9.345 960 1.340 USA 5.831 3.691 234 9.756 1.290 2.221 Polska 1972 rok 1.690 24 69 1.783 312 94 Oznaczome: ( "' ) -produkcja w roku 1993, (( *))-produkcja w roku 1992. W.N.P. - Wspólnota Niepodległych Państw.

151 2. ANALIZA METOD SFEROIDYZOWANIA ŻELIWA Bardzo istotnym zagadnieniem w procesie wytwarzania odlewów z żeliwa sferoidalnego, jest prawidłowy dobór składu chemicznego żeliwa wyj ściowego, który musi zapewnić maksymalne wykorzystanie postaci kulkowej grafitu oraz odpowiedniej osnowy metalowej w zależności od gatunku żeliwa. Podstawową rolę w procesie krystalizacji grafitu kulkowego bądź wermikularnego odgrywają pierwiastki powierzchniowo aktywne w żeliwie, a szczególnie siarka i gazy (tlen, wodór). Dlatego w końcowym etapie procesu należy zmniejszyć np. zawartość S w żeliwie poniżej 0,01 %. Siarka w żeliwie, jest eliminowana w wyniku reakcji z Mg lub Ce (w zależności od metody sferoidyzacji) i dopiero po zmniejszeniu jej zawartości do wymaganego poziomu, żeliwo wzbogacane jest w ten pierwiastek do wymaganej zawartości, np. w żeliwie sferoidalnym zaleca się Mg>0,04 %. Pierwiastki te, istotnie oddziaływują na prędkość wzrostu kryształów grafitu w krystalograficznych kierunkach; podstawowym - (000!) i pryzmatycznych- <1010>, co decyduje o jego postaci (płatkowy, kulkowy, bądź wermikulamy) w żeliwie (2]. Drugim istotnym elementem tej technologii jest wprowadzenie do żeliwa odpowiedniej dawki sferoidyzatora w postaci Mg lub jego stopów (metoda ogólnie stosowana w naszym kraju) oraz przeprowadzenie odpowiedniego zabiegu modyfikowania grafit y zując ego. Wprowadzenie Mg lub jego stopów jest operacją najtrudniejszą w procesie wytwarzania żeliwa wysokojakościowego (obserwuje się efekt pirotechniczny - niska temperatura parowania Mg) i w tym zakresie stosuje się wiele metod. Z analizy 14 różnych czynników [3] wpływających na skuteczność poszczególnych metod sferoidyzowania, ujętych w tabeli 2 wynika, że technika Inmold jest najskuteczniejsza. Ciekły metal, musi być w tym przypadku wytapiany w piecu elektrycznym (ograniczenia siarki w metalu do O, O l% ) i stąd należy stosować specjalne, bardzo kosztowne importowane surówki. Ponadto przy tej zastosowanej metodzie obserwuje się w produkcji dużo złomu żeliwnego (zasilacze, rozbudowane układy wlewowe, komory reakcyjne), a także występują ograniczenia co do masy wytwarzanych odlewów. Stąd technika ta nie jest zbyt chętnie adaptowana w odlewniach. Z przeprowadzonej obserwacji nowoczesnego zabiegu sferoidyzowania żeliwa, przy wykorzystaniu elastycznego przewodu (rurka stalowa wypełniona odpowiednim reagentem - tzw. metoda,.drutowa") w warunkach krajowych (4] wynika, iż metoda ta plasuje się na drugim miejscu co wynika z danych własnych zamieszczonych w ostatniej kolumnie tabeli 2. Należy podkreślić, że metoda ta jest już bardziej uniwersalna, gdyż żeliwo może b y ć wytapiane w dowolnej jednostce topiącej np. żeliwiak, piec elektryczny czy proces duplex. Tego rodzaju

152 zabieg sferoidyzowania żeliwa, lansowany przez firmę SKW Giesserei - Technik GMBH Trosberg [S], jest optymalny i wyczerpujący aspekty ekonomiczne oraz wymagania BHP. Jest on korzystny dla środowiska, gdyż powstające wydzielenia gazów mogą być łatwo kontrolowane i odpowiednio odciągane. Ogólny schemat zaproponowanego stanowiska do zabiegu sferoidyzowania żeliwa metodą przewodu elastycznego pokazano na rys. l. Tabela 2. 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 4 3 2 3 3 l 3 l 2 2. Mała rozpuszczalność 4 4 4 4 4 2 3 o o 3. Powinowactwo z siarką 2 2 2 l 2 3 o 4 l 4. Powinowactwo z tlenem 4 4 3 2 3 2 l o 2 5. Stopień zaniku efektu 4 4 3 4 4 3 2 o 3 6. Skłonność do zabieleń 3 3 3 3 3 2 4 o 2 7. ICoszt sferoidyzatora 4 4 3 3 4 4 l 2 3 8. Uzysk Mg 4 4 3 3 3 3 2 l 2 9. Wymagany stopień odsiarczania 2 2 2 2 2 3 o 4 2 10. Elastyczność zabiegu l l 4 3 3 4 4 2 l 11. ICoszty modyfikowania wtórnego 3 3 3 3 3 4 4 o 2 12. Instalacja zabiegowa: Koszty inwest. o o 2 3 4 4 4 l 3 13. Instalacja zabiegowa: Koszty prod. 2 2 3 4 4 4 4 o l 14. Wymagane przegrzanie żeliwa 3 3 3 4 4 3 3 l 3 Oznaczenia do tabeli: O - ocena najlepsza, Razem: 40 39 40 42 46 42 35 16 27 4 - ocena najgorsza. 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 Inmołd, I- metoda sferoidyzującego przewodu elastycznego (tzw. metoda "drutowa") - ocena własna

153 Rys. l. Ogólny schemat stanowiska do zabiegu sferoidyzowania żeliwa metodą przewodu elastycznego; 1- kadź z ciekłym metalem, 2- ogniotrwała pokrywa, 3- podajnik rolkowy, 4- "szpula" z elastycznym przewodem sferoidyzującym, 5- elektroniczny pulpit sterowniczy, 6- odciąg gazów Zużycie sferoidyzującego przewodu elastycznego zależy od siarki w żeliwie wyjściowym i jego masy w kadzi oraz od minimalnej zawartości magnezu jaka ma pozostać w żeliwie, powiążanej ze sprowadzoną grubością ścianki i zawartością C i S i. Wymaganą do zabiegu sferoidyzowania długość przewodu można wyznaczyć z zależności [5-8]; [(0,76 M)+ Mgk,] m, l= m Mgwzysk Mg p ' (l) gdzie:.t1s=srs 2 - zawartość siarki w żeliwie odpowiednio, przed i po wprowadzeniu Mg, %, Mgkr- minimalna zawartość Mg, jaka ma pozostać w żeliwie (tzw. "krytyczna zawartość magnezu"), %, m, - masa sferoidyzowanego żeliwa w kadzi, kg, Mgp- ilość magnezu w l m przewodu sferoidyzującego (np. Mg= 47 g/m) O, 76- współczynnik wynikający z przeliczenia mas atomowych siarki i magnezu, Mguzysk - uzysk magnezu Gest stały i wynosi 40 %). Wyniki stosownych obliczeń zależności (l) dla; założonej docelowej masy sferoidyzowanego żeliwa (np. 700 kg), zakresu siarki w żeliwie wyjściowym (np. od 0,015 do 0,13 %) i różnej minimalnej zawartości Mg w żeliwie zestawiono w tabeli 3 oraz pokazano wykreślnie na rysunku 2. Widać wyraźnie, iż zużycie sferoidyzującego przewodu elastycznego istotnie zależy

154 Tabela 3. Zużycie przewodu sferoidyzującego (013 mm) w zależności od docelowej zawartości magnezu i siarki w żeliwie (dla masy żeliwa w kadzi - 700 kg), m Wyjściowa zawartość siarki % 0.015 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 60 E 50 ó ~ 40 ~ :2 e 30 ~ :l 2 "C 20 ~ >. -~ N 10 - Docelowa zawartość magnezu w żeliwie, % wag. 0.035 0.040 0.045 0.050 14.45 16.31 18.17 20.03 15.86 17.72 19.59 21.45 18.69 20.55 22.41 24.28 21.52 23.38 25.24 27.11 24.35 26.21 28.07 29.94 27.18 29.04 30.90 32.77 30.01 31.87 33.73 35.60 32.84 34.70 36.56 38.43 35.67 37.53 39.39 41.26 38.50 40.36 42.22 44.09 41.33 43.19 45.05 46.91 44.16 46.02 47.88 49.74 46.99 48.85 50.71 52.57 l l Docelowa zawartość Mg w żeliwie,% : ~ ~ v..- --0.05 ~;:...- --0.045 ~..... - --0.04 - /...-:.-- 0 / v-::-:... -,.. ---- ----- 0.035...-:-...- d: :---- - """.... - ~ ~:..- / o 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Wyjściowa zawartość siarki w żeliwie,% Rys. 2. Zużycie przewodu sferoidyzującego (~ 13 mm) w zależności od wyjściowej zawartości siarki w żeliwie i MSmm (masa sferoidyzowanego żeliwa w kadzi 700 kg)

155 Tabela 4. Zestawienie kosztów zużycia sferoidyzatora do wyprodukowania l tony masy odlewów z żeliwa sferoidalnego (dla założonej; np. S= 0,03% i Mgkr = 0,045 %) Cena zakupu l t Koszt zabiegu Uzysk L. p. Rodzaj sferoidyzatora sferoidyzatora, sferoidyzowania l t Mg, % tys. zł odlewu, zł l 2 3 4 5 l. Zaprawa Ni Cu Mg 17 19,9 163 45 2. Si Mg 9 (typ VL 53 M) 6.5 III 40 3. Si Mg 6 (typ VL 63 M) 6.3 147 45 4. Si Mg 9% 3.9 61 40 5. "'"' Si Mg6% 3.5 82 45 6. Przewód elastyczny f-my 13.4 139 stały SKW Trosberg- RFN ej> 13 mm (29.5 m x 0,35 kg/m= 10,33 kg) 7. Mg techniczny 13.5 30-8. Stop pierwiastków ziem rzadkich - Miszmetal 21.0 126 (8 USD l l kg) Uwag1 : *) Zaprawa - dostawca SKW Trosberg - RFN, **) Zaprawa - dostawca Huta Łaziska "'**)Uzysk= 0,6% od zawartości siarki w żeliwie wyjściowym. Dla porównania kosztów wyprodukowania l tony odlewów z żeliwa sferoidalnego, wykonano stosowne obliczenia zuży cia przewodu elastycznego i innych stosowanych ogólnie w odlewniach zapraw magnezowych lub technicznego Mg, a ich dane zestawiono w tabeli 4. Obliczenia dla żeliwa wyjściowego do sferoidyzacji (np. dla 0,03 % S) przeprowadzono według znanej zależności, podanej przez A. De Sy [9]: Mg,,+ 0,75(S, - 0,006) Mgd =,% (2) Mg.zy,< gdzie: Mg,u:y>k- zależy od metody sferoidyzowania żeliwa. Z analizy kosztów zużycia różnych rodzajów sferoidyzatora wynika, iż najniższy koszt wytworzenia żeliwa sferoidalnego obserwuje się przy zastosowaniu technicznego Mg (ogólnie

156 stosowana metoda konwertorowa). Należy jednak z az naczyć, iż przy tym sposobie sferoidyzowania żeliwa, koszty samej inwestycji (kadź G - Fischera) jak i eksploatacyjne są niemałe. Ponadto proces ten jest optymalny przy dużej i zautomatyzowanej (współpraca z indukcyjnym zbiornikiem dozującym) produkcji odlewów z tego gatunku żeliwa. Jednak większość krajowych odlewni wyposażonych w piece indukcyjne, wykorzystuje do wytwarzania tego żeliwa metody typu; B, C i D (patrz tab. 2.) i w tym przypadku koszt jest najniższy, przy zastosowaniu krajowej zaprawy SiMg (producent Huta Łaziska). Z kolei dla żeliwa wytapianego w żeliwiaku (zwiększona zawartość S), coraz częściej wykorzystuje się do sferoidyzowania żeliwa metodę przewodu elastycznego, a w kraju została ona z powodzeniem sprawdzona w Odlewni FAP Zetkama w Kłodzku. Ta nowoczesna technika sferoidyzowania żeliwa, ma już wysoką i ugruntowaną pozycję w wielu znaczących odlewniach za granicą, jak na przykład, w: Mercedes - Benz, Automobiles Citroen, Ford Motor Co. (UK). Tę metodę sferoidyzowania żeliwa, niewątpliwie można zaadaptować w wielu krajowych odlewniach, wykorzystujących do topienia metalu; żeliwiak, proces duplex: żeliwiak - piec elektryczny, a także przy stosowaniu samego pieca indukcyjnego. LITERATURA [l] 29-th Census ofworld Casting Production 1994. Modern Casting, 85 ( 1995) 12, 24-25. (2] Herfurth K., Ziegler E.: Einige neue Aspekte zur Theorie Ober die Entstehungsursachen der verschiedenen Graphitformen im Gusseisen. Giesserei Technik, 24 (1978) 6, 171-182. (3] Moore A., Weese S.: Is the future of duetile iron precarious?.foundry management and technology, 120(1992)6, 34-37. [4] Guzik E., Asłanowicz M., Kluk R.: Zabieg sferoidyzowania żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie metali i stopów PAN, 22 (1995), 76-81. [5} Katalog firmowy SKW Giesserei- Technik GMBH. Trosberg. [6] Caims R. : The manufacture of duetile iron from "high sulphur" cupola iron using magnesium cored wire technology. The Foundryman, 9 (1992), 272-275. [7] Rotella J., Mickelson R.: Using cored wire in the production of duetile iron. Transactions ofthe American Foundrymen's Society, 99 (1991), 519-523. [8] Gumbinger D., Korff M.: Mg-wire treatment of duetile iron. Modern Casting,2 (1988), 39-41 (9] De Sy A. : Quelques resultats de recherches belges sur l es fontes nodulaires. Ref. nr 20 na 18 M.K.O. Amsterdam 1951.