plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAà W POZNANIU
Vol. 29 nr 3
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2009
WOJCIECH àYBACKI*
ANALIZA PORÓWNAWCZA
WàAĝCIWOĝCI MECHANICZNYCH ĩELIWA
WYTAPIANEGO W PIECACH
INDUKCYJNYM I INDUKCYJNO-PLAZMOWYM
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ prowadzonych na Politechnice PoznaĔskiej nad
wykorzystaniem w piecu indukcyjnym plazmy niskotemperaturowej do rafinacji i intensyfikacji
topienia Īeliwa. Stwierdzono korzystny wpáyw zastosowania plazmy w piecu indukcyjnym na
wáaĞciwoĞci Īeliwa. Wykazano, Īe w piecu indukcyjno-plazmowym są korzystne warunki do
wytwarzania Īeliwa syntetycznego od gatunku 100 do 350, charakteryzującego siĊ dobrą jakoĞcią.
Sáowa kluczowe: piec indukcyjno-plazmowy, Īeliwo, wáaĞciwoĞci mechaniczne
1. WSTĉP
àuk plazmowy jako Ĩródáo energii cieplnej w metalurgii charakteryzuje siĊ
nastĊpującymi zaletami [1, 5, 7]:
– nie powoduje zanieczyszczenia ciekáego metalu niepoĪądanymi domieszkami (istotne przy wytapianiu stali niskowĊglowych o zawartoĞci wĊgla 0,005 –
0,03% C),
– zapewnia duĪą stabilnoĞü parametrów elektrycznych i cichą pracĊ,
– moĪe pracowaü zarówno przy obniĪonym, jak i podwyĪszonym ciĞnieniu,
– pozwala wytworzyü w przestrzeni nad metalem dowolną atmosferĊ (obojĊtną, utleniającą lub redukcyjną).
Tyglowe piece indukcyjne są czĊsto stosowane w odlewniach. Wynika to
z prostoty sterowania procesem topienia, ze wzglĊdów ekologicznych, a takĪe
z áatwoĞci przegrzania ciekáego metalu do wymaganej temperatury spustu. Istotną wadą tych pieców jest niska temperatura ĪuĪla, która ogranicza przebieg reakcji miĊdzy ĪuĪlem i metalem, a wytop w piecu indukcyjnym sprowadza siĊ do
przetopienia odpowiednio dobranych materiaáów wsadowych i uzyskania okreĞlonej temperatury ciekáego metalu. Podejmowane próby uaktywnienia proce*
Dr inĪ. – Instytut Technologii Materiaáów Politechniki PoznaĔskiej.
52
W. àybacki
sów rafinacyjnych w piecu indukcyjnym za pomocą oporowych prĊtów grafitowych lub palników gazowych nie znalazáy szerszego zastosowania [5, 7]. Podane wyĪej zalety plazmowego Ĩródáa energii stanowiáy podstawowe przesáanki
podjĊcia badaĔ nad zastosowaniem plazmotronu w piecu indukcyjnym w celu
zwiĊkszenia chemicznej reakcyjnoĞci i uaktywnienia w nim procesów rafinacyjnych, a wiĊc ekstrakcji do ĪuĪla rozpuszczonych w ciekáym metalu tlenków
metali, asymilacji przez ĪuĪel wtrąceĔ niemetalicznych i zmniejszenia zawartoĞci gazów w metalu. Zastosowanie plazmy argonowej, charakteryzującej siĊ
duĪą koncentracją energii oraz temperaturą do 14 000qC, pozwala na szybkie
przeprowadzenie ĪuĪla w stan ciekáy, od którego zaleĪą zjawiska powierzchniowe na granicy metal – ĪuĪel. Ponadto ze wzglĊdu na bardzo maáe wartoĞci ciĞnienia cząstkowego wodoru, tlenu i azotu w atmosferze pieca warunki degazacji ciekáego metalu odpowiadają warunkom usuwania gazów w piecach próĪniowych. Na przykáad, przetapianie metalu w atmosferze gazu obojĊtnego, zawierającego okoáo 0,05% aktywnych domieszek gazowych, odpowiada procesowi próĪniowemu przy ciĞnieniu 66,6 Pa [1].
2. BADANIA WàASNE
2.1. Stanowisko do topienia indukcyjno-plazmowego
Badania nad zastosowaniem niskotemperaturowej plazmy w tyglowym piecu
indukcyjnym do wytapiania Īeliwa objĊáy nastĊpujące etapy:
– krótkotrwaáą rafinacjĊ ciekáego metalu pod ĪuĪlem dogrzewanym plazmą,
– topienie indukcyjno-plazmowe,
– indukcyjno-plazmowe wytwarzanie Īeliwa syntetycznego.
Schemat laboratoryjnego stanowiska badawczego do indukcyjno-plazmowego topienia i rafinacji Īeliwa przedstawiono na rys. 1.
Dane charakterystyczne pieca indukcyjnego są nastĊpujące:
– maksymalna pojemnoĞü pieca
– 50 kg,
– czĊstotliwoĞü prądu
– 8 kHz,
– maksymalna moc pieca
– 56 kW.
Dane charakterystyczne plazmotronu, skonstruowanego w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki PoznaĔskiej, to:
– plazmotron áukowy z áukiem zewnĊtrznym – IMĩ/PM-07/IEPP,
– rodzaj prądu
– staáy,
– moc eksploatacyjna
– 10 – 25 kW,
– wydatek argonu
– 2 m3 /h.
Analiza porównawcza wáaĞciwoĞci mechanicznych Īeliwa wytapianego w piecach ...
53
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 –
plazmotron, 2 – Ĩródáo prądu staáego, 3 – elektroda denna, 4 – pokrywa pieca, 5 – rotametr,
6 – butla z argonem, 7 – generator Ğredniej czĊstotliwoĞci
Fig. 1. Scheme of the research stand: 1 – plasmatron, 2 – DC source, 3 – bottom electrode;
4 – furnace cover, 5 – rotameter, 6 – argon bottle,
7 – medium frequency generator
2.2. SkutecznoĞü rafinacji indukcyjno-plazmowej
Badania rozpoczĊto od oceny skutecznoĞci rafinacyjnej ĪuĪli naprowadzanych na powierzchniĊ ciekáego metalu po roztopieniu materiaáów wsadowych.
Badano zmiany skáadu chemicznego ĪuĪli i ciekáego metalu áącznie z zawartoĞcią gazów: wodoru i azotu. Oceniano równieĪ wáaĞciwoĞci mechaniczne wytopionego Īeliwa. Do oceny jakoĞci Īeliwa szarego wykorzystano wskaĨniki Pattersona [6]: wytrzymaáoĞü wzglĊdną Rm,w, twardoĞü wzglĊdną HBw i wspóáczynnik jakoĞci LJ.
Wyniki badaĔ skáadu chemicznego ĪuĪli rafinacyjnych (o tym samym skáadzie
wyjĞciowym) z wytopu indukcyjnego i po dogrzewaniu plazmą zestawiono w tablicy 1. Porównanie tych skáadów wskazuje, Īe dogrzewanie ĪuĪla plazmą znacznie
zwiĊksza jego zdolnoĞü do ekstrakcji tlenków metali ciĊĪkich z ciekáego metalu.
Tablica 1
Skáad chemiczny ĪuĪli z wytopu w piecu indukcyjnym i z dogrzewaniem ĪuĪla plazmą
Chemical composition of the slags derived from induction melt and with plasma reheating of the slag
SiO2
CaO
MgO
MnO
FeO
Fe2O3
Al2O3
Cr2O3
65,63
71,49
62,57
11,85
11,12
11,35
2,80
2,40
5,80
5,90
2,68
4,97
0,71
1,14
1,11
2,52
4,26
6,15
9,49
2,39
3,33
0,65
3,92
4,24
¦ MnO + FeO +
+ Fe2O3 + Cr2O3
9,78 1)
12,00 2)
16,47 3)
Skáad chemiczny ĪuĪla bez dogrzewania plazmą.
Skáad chemiczny ĪuĪla po 9 min dogrzewania plazmą.
3)
Skáad chemiczny tego samego ĪuĪla po dalszych 6 min dogrzewania plazmą.
1)
2)
Korzystny wpáyw obojĊtnej atmosfery w przestrzeni nad metalem podczas
stosowania plazmy wynika z tablicy 2. W piecu indukcyjnym przetrzymanie
Īeliwa w podwyĪszonej temperaturze powodowaáo wzrost zawartoĞci gazów.
W. àybacki
54
Krótkotrwaáa rafinacja ciekáego metalu pod ĪuĪlem dogrzewanym plazmą, jak
równieĪ topienie indukcyjno-plazmowe sprzyjaáy zmniejszeniu zawartoĞci wodoru i azotu.
Tablica 2
ZawartoĞü gazów w Īeliwie
Cast iron gases contents
Nr
wytopu
1
2
3
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1)
2)
3)
ZawartoĞü wodoru
[cm3/100 g]
ZawartoĞü azotu
[ppm]
przed
rafinacją
po
rafinacji
przed
rafinacją
po
rafinacji
1,32
0,82
3,30
1,31
1,57
2,02
4,15
1,73
1,77
4,74
5,34
4,74
2,46
2,81
1,18
4,50
1,02
1,47
1,98
2,75
1,10
1,15
2,09
3,03
2,09
1,46
66
64
60
65
67
94
36
40
83
80
84
89
86
89
72
70
54
57
71
33
26
75
65
65
84
70
Uwagi
I1)
I
I
RI-P 2)
RI-P
RI-P
R-IP
R-IP
I-P 3)
I-P
I-P
I-P
I-P
Topienie indukcyjne.
Topienie indukcyjne z rafinacją plazmową.
Topienie i rafinacja indukcyjno-plazmowa.
WskaĨniki jakoĞci Īeliwa wg W. Pattersona
Quality indices of cast iron according to W. Patterson
Tablica 3
Nr wytopu
Sc1)
Rm,w2)
HBw3)
LJ4)
KC5)
[J/cm2]
Uwagi
1
2
0,84
0,92
1,04
1,00
0,95
0,94
1,09
1,06
5,75
6,60
topienie
indukcyjne
1
2
3
4
5
0,86
0,87
0,82
0,84
0,85
1,09
1,17
1,02
1,12
1,17
0,93
0,94
0,90
0,92
0,95
1,17
1,24
1,13
1,22
1,23
7,36
7,79
8,24
7,51
8,37
topienie
indukcyjno-plazmowe
1)
Sc
3)
HB w
5)
C
.
4,26 0,3(Si P)
2)
539 355 ˜ S c
.
HBrz
4)
R m, w
LJ
R m, rz
102 82,5 ˜ S c
R m, w
HB w
.
.
KC – udarnoĞü, Rm,rz; HBrz – pomierzone wartoĞci Rm i HB.
Analiza porównawcza wáaĞciwoĞci mechanicznych Īeliwa wytapianego w piecach ...
55
Stwierdzono korzystny wpáyw indukcyjno-plazmowego wytapiania Īeliwa
wyjĞciowego do modyfikacji na wáaĞciwoĞci mechaniczne Īeliwa modyfikowanego [2]. WskaĨniki jakoĞci Īeliwa z wytopów indukcyjnych i indukcyjno-plazmowych zestawiono w tablicy 3. Z tablicy wynika, Īe stosowanie plazmy
w piecu indukcyjnym polepszyáo wspóáczynnik jakoĞci Īeliwa LJ o okoáo 20%;
zwiĊkszyáa siĊ równieĪ o okoáo 30% udarnoĞü Īeliwa.
2.3. Wytwarzanie Īeliwa syntetycznego
NajtaĔszym surowcem, który moĪe byü wykorzystany do wytwarzania Īeliwa,
jest záom stalowy. Otrzymane w wyniku nawĊglania stali Īeliwo nosi nazwĊ Īeliwa syntetycznego. W ramach projektu badawczego KBN [4] postanowiono wykorzystaü zalety pieca indukcyjno-plazmowego do wytwarzania róĪnych rodzajów
Īeliwa syntetycznego. Wyniki badaĔ skutecznoĞci nawĊglania stali w piecu indukcyjno-plazmowym za pomocą karburytu grafitowego podano w tablicy 4, a w tablicy 5 zestawiono wáaĞciwoĞci otrzymanego syntetycznego Īeliwa szarego bez
stosowania zabiegu modyfikacji oraz Īeliwa modyfikowanego.
Tablica 4
Wyniki badaĔ efektywnoĞci nawĊglania stali karburytem grafitowym
Results of studies of steel carburization effectiveness
Masa
wsadu
[kg]
Masa
nawĊglacza
[kg]
Cn1)
[%]
Ck2)
[%]
B3)
[%]
E4)
[%]
30
30
30
30
37,0
0,80
0,85
0,95
1,00
1,30
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
2,79
2,85
3,20
3,31
3,54
99,9
96,2
97,5
95,9
97,8
96,8
93,2
94,4
93,0
94,8
1)
2)
3)
4)
Cn
Ck
B
E
–
–
–
–
początkowa zawartoĞü wĊgla.
koĔcowa zawartoĞü wĊgla.
stopieĔ wykorzystania wĊgla z nawĊglacza.
efektywnoĞü procesu nawĊglania.
Wyniki badaĔ nawĊglania stali w piecu indukcyjno-plazmowym z zastosowaniem argonu jako gazu plazmotwórczego wykazaáy duĪą sprawnoĞü tego procesu,
przekraczającą 90%; wykorzystanie wĊgla z nawĊglacza dochodziáo do 100%.
Podane w tablicy 5 wyniki badaĔ wáaĞciwoĞci mechanicznych syntetycznego Īeliwa szarego wskazują, Īe w piecu indukcyjno-plazmowym są korzystne warunki
do wytwarzania tego Īeliwa. Stwierdzono, Īe bez zabiegu modyfikacji moĪna
uzyskaü Īeliwo o wytrzymaáoĞci od 100 do 300 MPa, a modyfikowanie Īeliwa
wyjĞciowego modyfikatorami záoĪonymi pozwala uzyskaü Īeliwo o wytrzymaáoĞci na rozciąganie powyĪej 300 MPa i o korzystnej relacji miĊdzy wytrzymaáoĞcią
a twardoĞcią, scharakteryzowanej wskaĨnikiem jakoĞci LJ.
W. àybacki
56
WáaĞciwoĞci mechaniczne i wskaĨnik jakoĞci syntetycznego Īeliwa szarego
Mechanical properties and quality index of synthetic cast iron
1)
Nr
Rm [MPa]
HB
LJ
1
2
3
4
5
6
1M1)
2M
3M
4M
5M
6M
190
268
293
277
267
366
314
383
330
330
355
453
219
207
199
208
218
228
210
232
205
217
220
255
1,06
1,58
1,38
1,00
1,57
1,06
1,07
1,15
1,15
1,11
1,14
1,25
Tablica 5
ĩeliwo szare modyfikowane.
2.4. Intensyfikacja topienia
Dodatkowym efektem topienia indukcyjno-plazmowego jest wzrost szybkoĞci topienia i poprawa jego wskaĨników energetycznych. Wedáug metodyki
przedstawionej w pracy [3] mierzono energiĊ dostarczoną do wzbudnika pieca
indukcyjnego i urządzenia plazmowego oraz czas wytopu od wáączenia pieca
i plazmotronu do chwili przegrzania ciekáego metalu do temperatury 1500qC
(dla pieca laboratoryjnego) i 1550qC (dla pieca przemysáowego). Wyniki tych
badaĔ przedstawiono w tablicy 6.
Tablica 6
Parametry energetyczne i wskaĨniki techniczne topienia indukcyjnego i indukcyjno-plazmowego
Energetic parameters and technical indices of induction and induction-plasma melting processes
Piec laboratoryjny
Rodzaj
wytopu
Indukcyjny
Indukcyjno-plazmowy
Piec przemysáowy
szybkoĞü
topienia
[kg/min]
zuĪycie energii
[kW˜h/kg]
szybkoĞü
topienia
[kg/min]
zuĪycie energii
[kW˜h/kg]
0,5
0,7
2,11
1,84
1,52
2,91
1,34
0,89
W warunkach laboratoryjnych stwierdzono, Īe szybkoĞü topienia indukcyjno-plazmowego byáa okoáo 30% wiĊksza niĪ topienia indukcyjnego przy mniejszym o okoáo 10% zuĪyciu energii. Topienie indukcyjno-plazmowe zwiĊkszyáo
wydajnoĞü przemysáowego pieca indukcyjnego o pojemnoĞci 300 kg niemal
dwukrotnie przy mniejszym o okoáo 30% zuĪyciu energii. BezpoĞrednie koszty
Analiza porównawcza wáaĞciwoĞci mechanicznych Īeliwa wytapianego w piecach ...
57
wytopu indukcyjno-plazmowego (koszt energii elektrycznej i argonu) byáy
o okoáo 10% niĪsze od kosztu energii zuĪytej podczas topienia indukcyjnego.
Topienie indukcyjno-plazmowe stopowych gatunków Īeliwa charakteryzuje
siĊ równieĪ maáym zgarem pierwiastków. W tablicy 7 podano początkowy skáad
chemiczny wlewka o masie 278 kg oraz skáad po przetopieniu i przegrzaniu
ciekáego metalu do temperatury 1550qC.
Tablica 7
Zgar skáadników wlewka poddanego przetapianiu indukcyjno-plazmowym
Melting loss of induction-plasma an ingot remelting
Skáad chemiczny [%]
ĩeliwo
Początkowe
Po przetopie
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
2,16
2,19
1,90
1,86
0,75
0,72
0,69
0,69
0,027
0,024
12,70
12,90
0,12
0,12
0,36
0,35
3. PODSUMOWANIE
Prowadzone w warunkach laboratoryjnych i przemysáowych badania wykazaáy, Īe zastosowanie plazmotronu w piecu indukcyjnym jest skutecznym sposobem uaktywnienia procesów rafinacyjnych i korzystnie wpáywa na wáaĞciwoĞci Īeliwa. Istotną cechą topienia indukcyjno-plazmowego są równieĪ maáe straty (zgar) pierwiastków stopowych w czasie wytopu, a obojĊtna atmosfera nad
metalem i wysoka temperatura áuku plazmowego są korzystnymi warunkami
wytapiania Īeliwa syntetycznego z taniego surowca, jakim jest záom stalowy.
LITERATURA
[1] Dembovski V., Plazmennaâ metallurgiâ, Moskva, Izd. Metallurgiâ 1981.
[2] àybacki W., ModrzyĔski A., Wpáyw topienia indukcyjno-plazmowego na wáaĞciwoĞci Īeliwa
szarego gatunku Zl350, Archiwum Technologii Budowy Maszyn, 1992, z. 10, s. 57 – 67.
[3] àybacki W., Niewiedziaá R., WskaĨniki eksploatacyjne pieca indukcyjno-plazmowego,
Hutnik, 1990, nr 10.
[4] Otrzymywanie Īeliwa syntetycznego w piecu indukcyjno-plazmowym, projekt badawczy
KBN nr 7 S 202 038 04.
[5] Oxy-Fuel Brennre-Einsatz in Induktionsofen u, Lichtbogenofen, Stahl und Eissen, 1978, Nr 11.
[6] Patterson V., Relative Härte und Reifegrad als Begriffe zur Bewertung von grauem Gusseisen, Giesserei, 1958, Nr 14.
[7] Tenhaven U., Innovations in Steel Development and Production Described by Reference to
Higher-Tensil Structural, Steel Times, 1977, no. 11.
Praca wpáynĊáa do Redakcji 16.03.2009
Recenzent: dr hab. inĪ. Jan Szajnar
58
W. àybacki
COMPARATIVE ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES
OF CAST IRON MELTED
IN INDUCTION AND INDUCTION-PLASMA FURNACES
Summary
The investigation results concerning the utilization of the refining processes in an induction
furnace by heating the slag with the low-temperature plasma are presented. The short-duration
refining of cast iron as well as induction-plasma melting increase the properties of cast iron It was
ascertained that the plasma-induction process provides advantageous condition for manufacturing
synthetic gray cast iron of high grade and good mechanical properties.
Key words: induction-plasma furnace, cast iron, mechanical properties