Rozdział 2

2.4.5. Piec obrotowy

2.4.5.1. Opis

Piec obrotowy składa się z poziomo usytuowanego bębna, w którym wsad metalowy jest podgrzewany ciepłem spalin palnika umieszczonego z jednej strony pieca. Spaliny opuszczają piec z przeciwnej strony. W celu wytworzenia wymaganego ciepła spala się w palniku paliwo ciekłe lub gaz ziemny w mieszaninie z powietrzem lub czystym tlenem1.

Specjalny mechanizm pozwala przechylać piec pod określonym kątem aż do pionu. Taka pozycja jest stosowana do załadunku pieca za pomocą kubła załadowczego lub rynny wibracyjnej oraz do napraw bieżących i wymiany wykładziny. Podczas nagrzewania i topienia wsadu piec obraca się powoli, pozwalając na skuteczną i równomierną wymianę ciepła. Atmosfera w piecu jest regulowana stosunkiem: powietrze (tlen)/paliwo.

Po stopieniu metalu i skontrolowaniu oraz ewentualnym skorygowaniu jego składu chemicznego otwiera się otwór spustowy z przodu pieca i następuje spust metalu do kadzi. W wyniku mniejszej gęstości żużla od gęstości metalu, żużel pływa na powierzchni kąpieli i jest usuwany z pieca przez otwór spustowy po spuszczeniu metalu.

Cykl topienia trwa od 1½ do kilku godzin. W celu uzyskania efektu nieprzerwanej dostawy ciekłego metalu odlewnie instalują 2-4 pieców, pracujących w określonej kolejności. Sprawność cieplna pieców obrotowych jest bardzo duża, wynosi bowiem 50-65 % (nie uwzględniając energii zużytej na produkcję tlenu; uwzględniając tę pozycję, należy zmniejszyć sprawność pieca obrotowego o 10-15 %). Dużą sprawność gwarantuje stosowanie tlenu zamiast powietrza w palnikach piecowych.[32, CAEF, 1997] 2.4.5.2. Proces wytapiania

Wytapiając żeliwo, stosuje się wsad złożony z surówki wielkopiecowej, złomu obiegowego i stalowego, materiały żużlotwórcze (np. piasek, wapno) i nawęglacze (np. grafit). Wytop zaczyna się od wytwarzania w piecu atmosfery lekko utleniającej (współczynnik nadmiaru powietrza λ = 1,03) z krótkim płomieniem, dzięki czemu wprowadza się maksimum energii do pieca. Piec poddaje się skokowemu ruchowi obrotowemu (rozpiętość skoku wynosi 90˚) i od czasu do czasu zmienia się kierunek ruchu. W ten sposób ściana pieca wymienia konwekcyjnie ciepło z wsadem. Po stopieniu wsadu zmniejsza się długość płomienia, tak aby ograniczyć stopień utleniania się pierwiastków stopowych. Podczas przegrzewania i przetrzymywania naprowadza się długi, redukujący płomień (λ = 0,9) i zmienia się ruch obrotowy pieca na pełny i ciągły. Warstwa żużla izoluje cieplnie kąpiel i chroni przed utlenianiem pierwiastki stopowe. Po stopieniu metalu i skontrolowaniu oraz ewentualnym skorygowaniu jego składu chemicznego otwiera się otwór spustowy z przodu pieca i spuszcza metal do kadzi. Żużel pływa na powierzchni kąpieli i jest usuwany z pieca przez otwór spustowy po spuszczeniu metalu.

1 Obecnie palników powietrzno-gazowych niemal nie spotyka się (przyp. tłum)

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

1

Rozdział 2

Trwałość wykładziny zależy w dużym stopniu od temperatury przegrzania metalu i składu wsadu metalowego. W czasie ładowania wsadu należy unikać wstrząsów mechanicznych. Na trwałość wykładziny wpływają rówież: atmosfera pieca, czas przetrzymywania metalu w piecu, szybkość obrotowa pieca i pozycja palnika. W normalnych warunkach trwałość ta wynosi 100-300 wytopów.[32, CAEF, 1997], [110, Vito, 2001]

2.4.5.3. Metalurgia

Piece obrotowe są stosowane od wielu lat w odlewniach metali nieżelaznych. Wykorzystywane w nich tradycyjne palniki olejowo-powietrzne nie zapewniają jednak wysokiej temperatury atmosfery piecowej. Rozwój palników tlenowo-powietrznych pozwolił na wprowadzenie tych pieców do wytapialni żeliwa, przy zastosowaniu we wsadzie większej ilości złomu stalowego i grafitu jako nawęglacza.

Istotną wadą pieców obrotowych jest duży zgar żelaza i pierwiastków stopowych. Straty te pokrywa się wprowadzaniem odnośnych piewiastków przed topieniem lub po jego zakończeniu. Sprawność przejmowania tych pierwiastków przez kąpiel jest raczej niewielka. Wskutek braku ruchu kąpieli w kierunku osiowym, jak i niejednorodności atmofery piecowej nad kąpielą może wystąpić zróżnicowanie składu chemicznego metalu z kolejnych spustów.[110, Vito, 2001]

2.4.5.4. Zastosowanie

Piec obrotowy, jako piec typu naczyniowego, charakteryzuje się podobną elastycznością metalurgiczną jak piec indukcyjny tyglowy. Jednak koszty jego zainstalowania są mniejsze. Piec o pojmności 5 t kosztuje 500 000 - 600 000 EUR, z czego 30% stanowią koszty instalacji odpylającej. Piec tego rodzaju jest także dobrą alternatywą dla małego żeliwiaka z zimnym dmuchem. z uwagi na większą elastyczność metalurgiczną i mniejsze koszty odpylania. W odlewniach żeliwa stosuje się piece obrotowe o pojemności 2 - 20 t i wydajności 1 - 6 t/h.[110, Vito, 2001]

2.4.5.5. Zalety:

- możliwość szybkiej zmiany rodzaju stopu,- wytapianie bez zanieczyszczania metalu, np. siarką,- małe koszty inwestycyjne,- instalacja odpylająca o małej przepustowości ze względu na małą ilość emitowanych

gazów,- łatwość utrzymywania w ruchu.

2.4.5.6. Wady:

- duży zgar C, Si i Mn,- duże zużycie gazu i tlenu w przypadku nieciągłej eksploatacji,- znaczne zużycie energii w przypadku stosowania we wsadzie złomu stalowego.[110, Vito, 2001]

2.4.6. Piec płomienny

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

2

Rozdział 2

Jest to piec stały, naczyniowy, o bezpośrednim nagrzewaniu wsadu. Spaliny z palnika: gorące powietrze spalinowe z palników olejowych lub gazowych przepływają nad metalem i następnie są wydmuchiwane z pieca. Piec tego typu (patrz rys. 2.18) znajduje zastosowanie przede wszystkim w odlewniach metali nieżelaznych.

Rys. 2.18. Przekrój pieca płomiennego [175, Brown, 1999]

Jest on wyłożony materiałem ogniotrwałym i ma przekrój prostokątny lub kołowy. Ogrzewany jest ciepłem spalin wytwarzanych w palnikach umieszczonych w ścianie czołowej lub w sklepieniu. Stosuje się w nim różne rodzaje paliwa. Mogą też być stosowane palniki tlenowo-paliwowe, instalowane w celu zwiększenia szybkości topienia. Typowym postępowaniem przy tego rodzaju piecach jest ekstrakcja i obróbka spalin i dlatego piece te są częściowo uszczelniane. Ektrakcji spalin w czasie spustu i ładowania służą okapy i płuczki. Piece płomienne mają różną konstrukcję, w zależności od ich przeznaczenia; m.in. stosuje się pochyłe trzony i (lub) boczne zbiorniki dla specjalnych metod do wytapiania oraz dysze bądź lance do wprowadzania pierwiastków stopowych i gazów. W niektórych przypadkach piece są wyposażone w urządzenia przechylające dla ułatwienia odbioru ciekłego metalu.

Sprawność topienia w piecach płomiennych jest zazwyczaj niewielka z powodu małej intensywności wymiany ciepła między spalinami i metalem. Można ją zwiększyć, stosując dotlenianie powietrza, wprowadzanego do palników, albo stosując kombinację gazu i paliwa stałego w celu wydłużenia płomienia. Piece te są stosowane do wytapiania różnych metali, wg zasady załadunku wsadu do pustego pieca, oraz do rafinowania ich i przetrzymywania. Szczegóne zastosowanie znajdują one do wytapiania dużych ilości metali nieżelaznych.[155, European IPPC Bureau, 2001] W dużych piecach płomiennych można wytapiać metale z dużą szybkością, można przy tym stosować duże kawałki wsadu. Wskutek bezpośredniego kontaktu między wsadem i płomieniem dochodzi tu do znacznego zgaru piewiastków i nasycenia metalu gazami oraz tlenkami. Trudna jest także regulacja temperatury. Trudności te można w pewnym zakresie pokonać dzięki stosowaniu odpowiedniej technologii. Np. zanieczyszczenia wsadu można wyeliminować dodatkiem odpowiednich topników, a stosowanie nowoczesnych palników eliminuje trudności ze sterowaniem temperaturą. Po spuście, filtrowaniu i odgazowaniu metal można poddawać dalszej obróbce w czasie jego transportu do pieców przetrzymujących.[42, US EPA, 1998], [48, ETSU, 1994], [155, European IPPC Bureau, 2001], [175, Brown, 1999]

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

3

Rozdział 2

2.4.7. Piec szybowy

2.4.7.1. Opis

Jest to prosty, pionowy piec ze zbiornikiem gromadzącym ciekły metal (znajdującym się wewnątrz lub na zewnątrz pieca), z systemem palników (zwykle gazowych) w dolnej i systemem załadowczym w górnej części szybu. Wsad jest załadowywany w górnej części szybu i topi się w miarę opuszczania się w dół szybu. Regulację stosunku ilościowego paliwo/powietrze prowadzi się zwykle osobno dla każdego palnika. Prowadzony jest ciągły monitoring stężenia CO lub H2 osobno dla każdego rzędu palników oraz monitoring składu spalin dla każdego palnika. Spaliny są zwykle oczyszczane po ich odprowadzeniu z pieca. Dopalacz gazów służy niekiedy do rozkładania olejów, cząstek organicznych bądź dioksyn ze spalin. Dopalanie gazów ponad strefą topienia przez wprowadzanie w tych obszrach tlenu stosuje się również w innych piecach szybowych, np. w wielkich piecach.

Piec jest przeznaczony do przetapiania czystych metali, okazjonalnie jednak można w nim przetapiać metale, zanieczyszczone substancjami organicznymi. Zaoliwiony wsad przechodzi po załadowaniu przez gradient temperatury między obszarem załadowczym i palnikiem. Obecność obszaru niskotemperaturowego może generować mgłę z częściowo spalonego materiału organicznego. Piec szybowy jest także stosowany do podgrzewania wsadu, przeznaczonego do topienia w innych piecach. Typowy przykład takiego pieca pokazano na rys. 2. 19.

Piec omawianego typu jest stosowany wyłącznie do topienia metali nieżelaznych, głównie stopów aluminium. Z uwagi na skomplikowaną konstrukcję i trudność przeprowadzania prac obejmujących odnawianie wykładziny piece te są stosowane tylko do topienia metali niskotopliwych. Dlatego wymagania od strony utrzymywania pieców w ruchu są niewielkie. Typowy okres trwałości wykładziny wynosi tu 4 - 8 lat.

Nowoczesny piec z komputerowym regulowaniem pracy systemu palnikowego charakteryzuje się zużyciem energii ok. 650 kWh/t wytapianego aluminium o temperaturze przegrzania 720 ºC. Teoretyczne zużycie wynosi 320 kWh/t, skąd wynika sprawność cieplna pieca równa około 50%.

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

4

Rozdział 2

Rys. 2.19. Schemat pieca szybowego[48, ETSU, 1994]

Piec szybowy jest to piec o pracy ciągłej, o dużej wydajności wynoszącej 0,5 - 5 t/h i z możliwością przetrzymywania do 50 t metalu. W związku z jego funkcją jako pieca przetrzymującego trudno jest w nim zmieniać rodzaj metalu. [48, ETSU, 1994], [155, European IPPC Bureau, 2001]

2.4.7.2. Zalety:

- dzięki długiemu podgrzewaniu wsadu jest on dobrze wysuszony przed rozpoczęciem topienia. Dlatego piec ten nadaje się dobrze do topienia aluminium z uwagi na zmniejszone ryzyko nasycenia metalu wodorem,

- stosunkowo małe koszty inwestycji i eksploatacji; te ostatnie są małe dzięki skutecznemu procesowi podgrzewania wsadu, automatycznej kontroli i dużej trwałości wykładziny,

- małe zagazowanie metalu, doskonała możliwość regulowaia temperatury i mały zgar metalu.

2.4.7.3. Wady:

- praktyczny brak możliwości zmiany rodzaju wytapianego metalu.[110, Vito, 2001]

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

5

Rozdział 2

2.4.8. Piec tyglowy

2.4.8.1. Opis

Jest to prosty tygiel, nagrzewany z zewnątrz spalinami wytwarzanymi w palniku olejowym lub gazowym, energią elektryczną bądź cieczą termiczną.Dzięki brakowi kontaktu między metalem i spalinami unika się utleniania i parowania metalu, czemu sprzyja dobra kontrola temperatury metalu.

Piec tyglowy jest stosowany wyłącznie do wytapiania metali nieżelaznych. Pośrednie nagrzewanie wsadu powoduje, że w piecu nie występuje zgar metalu i jego zagazowanie. Pojemność tygli nie przkracza 500 kg. Przyklady pieców tyglowych pokazano na rys. 2.20.

Rys. 2.20. Piece tyglowe[237, HUT, 2003]

Tygle są przechylane ręcznie, za pomocą suwnicy lub automatycznie w maszynach, odlewających metal do form. Dla stopów miedzi stosuje się wyłącznie tygle, wykonane z grafitu lub węglika krzemu (karborundu), natomiast aluminium można wytapiać również w tyglach żeliwnych. Tygle do przetrzymywania, transportu i obróbki, stosowane w odlewniach stopów żelaza, nazywają się kadziami.[110, Vito,2001], [126, Teknologisk, 2000], [225, TWG, 2003]

2.4.8.2. Wytapianie

Zimny wsad ładuje się do tygla, po czym zaczyna się jego nagrzewanie pełną mocą pieca. Po osiągnięciu temperatury wsadu niższej o 50 - 100ºC od jego temperatury topnienia wyłącza się zasilanie elektryczne i dalsze nagrzewanie odbywa się dzięki bezwładności cieplnej tygla. Następnie, wykorzystując układ kontrolny, doprowadza się temperaturę metalu do wymaganego poziomu. Po odżużleniu można przeprowadzić obróbkę metalurgiczną, obejmującą odtlenianie, odgazowanie, modyfikowanie w celu rozdrobnienia ziarn struktury i skorygowanie zawartości lotnych metali (Zn i Mg). Wreszcie, przed rozpoczęciem odlewania usuwa się z tygla żużel.

Prace remontowe dotyczą tylko odnawiania wykładziny. Częstotliwość odnawiania zależy od rodzaju wytapianego stopu. Częste zmiany rodzaju stopu przyspieszają zużycie tygli. Tygle

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

6

Rozdział 2

wykonane z SiC, stosowane do wytapiania stopów niskotopliwych, mają trwałość od 130 do 150 wytopów, natomiast tygle, w których wytapia się stopy wysokotopliwe, wytrzymują tylko 50 - 80 wytopów.

Zużycie energii wynosi 750 - 3000 kWh/t aluminium, skąd wynika sprawność cieplna pieca, równa 15-30 %.[34, Binninger, 1994], [110, Vito, 2001], 126, Teknologisk, 2000]

2.4.8.3. Zalety:

- prosta technologia,- małe nakłady na utrzymanie pieca w ruchu,- duża elastyczność w zakresie zmiany rodzaju wytapianego metalu.

2.4.8.4. Wady:

- mała sprawność cieplna,- mała ilość jednorazowo wytapianego metalu.[110, Vito, 2001]

2.4.9. Konwertor AOD (Argon Oxygen Decarburization) do rafinowania stali

Konwertor AOD jest to specjalne urządzenie typu naczyniowego, przeznaczone do rafinowania stali. Stopiony metal jest transportowany bezpośrenio z pieca topiącego (zwykle elektrycznego pieca łukowego lub indukcyjnego) do konwertora. Jak to pokazuje rys. 2.21, do konwertora mogą być wdmuchiwane, za pomoca odpowiednich dysz, tlen (do usuwania węgla i krzemu) i argon (do mieszania kąpieli); dysze są umieszczone w dolnej części konwertora. Konwertor jest wyposażony w urządzenie przechylające, uruchamiane w czasie jego napełniania i opróżniania. Stosując konwertor AOD, można wytwarzać stal, bardzo dokładnie odpowiadającą wymaganiom pod względem składu chemicznego; jest to jednak technologia kosztowna i rzadko stosowana poza USA.

Rys. 2.21. Konwertor AOD[237, hut, 2003]

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

7

Rozdział 2

Pierwsza faza procesu rafinowania to odwęglanie. Jest to proces, doprowadzający zawartość węgla w stali do wymaganego poziomu. Jest on inicjowany przez wdmuchiwanie tlenu do kąpieli. W procesie tym następuje utlenianie się węgla, połączone z „gotowaniem się” kąpieli, sprzyjającym usunięciu z kąpieli wodoru i azotu. Równocześnie utlenia się krzem. Wszystkie zanieczyszczenia (tlenki) przechodzą do żużla. Podczas topienia można do kąpieli wprowadzać wapno palone w celu uzyskania żużla o wymaganej zasadowości. Po uzyskaniu odpowiedniej zawartości węgla, wstrzymuje się wdmuchiwanie tlenu, a dodaje krzem i mangan, aby powstrzymać proces „gotowania się” kąpieli, szczególnie przy produkji stali nierdzewnej. Rozcieńczenie tlenu przez azot lub argon sprzyja utlenianiu węgla, wyprzedzając ten proces przed procesami utleniania pierwiastków metalowych (Fe, Cr itp.) i zapewniając dzięki temu większy uzysk tych metali. W następnej kolejności dodaje się do kąpieli Al lub Si i kamień wapienny w celu usunięcia z niej siarki, a procesowi temu sprzyja równoczesne wdmuchiwanie argonu, wywołujące intensywne jej mieszanie. Zawartość siarki w stali może się zmniejszyć do poziomu poniżej 0,005%. Zawartość pozostałych gazów (wodoru i azotu) jest bardzo mała. Wszystkie zanieczyszczenia przechodzą do żużla i są wraz z nim usuwane z konwertora. Po skontrolowaniu temperatury i skorygowaniu składu chemicznego stal przewozi się w kadziach na stanowisko odlewania. [174, Brown, 2000], [32, CAEF, 1997]

2.4.10. Konwertor VODC (Vacuum Oxygen Decarburisation Converter) do rafinowania stali

W metodzie VODC ciekła stal jest gromadzona w konwertorze, podłączonym do pompy próżniowej ejektora (wyrzutnika) pary i źródła argonu. W obróbce próżniowej stali nierdzewnej można wyróżnić dwa procesy, poprawiające jakość stali. Pierwszy to odwęglanie stali tlenem, wprowadzanym do kąpieli przy równoczesnym wprowadzaniu niewielkiej ilości argonu od spodu konwertora. Pompy próżniowe służą do obniżenia ciśnienia cząstkowego CO nad kąpielą do takiego poziomu, aby można było prowadzić skuteczne odwęglanie bez zbytniego utleniania chromu. Ten pierwszy proces jest podobny do procesu realizowanego w konwertorze AOD, zużywa się tu jednak mniej argonu dzięki obniżeniu ciśnienia nad kąpielą a sam proces jest wydajniejszy. Drugi proces obejmuje odgazowanie. Konwertor jest wprowadzany pod głęboką próżnię (1 - 5 mbar) przy stosowaniu pompy o pierścieniu wodnym i ejektora pary. Kontynuowany jest słaby ruch kąpieli wywołany wprowadzaniem argonu. Dzięki bardzo małemu ciśnieniu nad kąpielą zanieczyszczenia gazowe, takie jak wodór i azot są z nie skutecznie j eliminowane. Równocześnie zmniejszają się drastycznie całkowite zawartości tlenu i siarki, co wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne stali.

Stal niskostopowa jest na ogół poddawana tylko odgazowaniu.

Metoda VODC zapewnia stali specyficzne właściwości, których nie można otrzymywać innymi metodami. Całkowita zawartość tlenu jest także mniejsza niż w stali wytapianej w elektrycznym piecu łukowym bądź rafinowanej w konwertorze AOD; wynika to stąd, że w metodzie VODC znaczna ilość wtrąceń tlenkowych jest usuwana z kąpieli na początku procesu VODC, a większość rozpuszczonego tlenu jest następnie usuwana w czasie realizacji fazy odgazowania. [202,TWG, 2002]

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

8

Rozdział 2

2.4.11. Obróbka metalurgiczna ciekłej stali

W celu zagwarantowania dobrej jakości odlewów stal powina być poddana po wytopie dalszej obróbce, eliminującej zanieczyszczenia i przyczyny ewentualnych wad odlewiczych. Są to przede wszystkim:- Odtlenienie: tlen rozpuszcza się w ciekłej stali w postaci FeO. Podczas krzepnięcia tlen

może się łączyć z węglem w stali i tworzyć CO. Proces ten może zatem zmieniać sklad chemiczny stali i tworzyć porowatość odlewów. Dlatego odtlenianie jest zawsze konieczne. Przeprowadza się je oddziałując pierwiastkiem o większym powinowactwie chemicznym do tlenu niż zelazo. Wchodą tu w grę: krzem, krzemek wapnia, tytan, cyrkon i aluminium jako możliwe odtleniacze, przy czym aluminium jest najbardziej skuteczne pod tym względem i jest najczęściej stosowane, zwykle w postaci drutu (patrz rys. 2.22). Obróbkę przeprowadza się w piecu lub w kadzi. Generowany w tym procesie tlenek alumnium nie rozpuszcza się w kąpieli, lecz przechodzi do żużla.

Rys. 2.22. Odtlenianie stali za pomocą drutu aluminiowego[237, HUT, 2003]

- Tworzenie siarczku: szkodliwość siarki w stali zwiększa się w miarę zwiększania wytrzymałości stali. Siarka rozpuszcza się w ciekłej stali, lecz podczas jej krzepnięcia wydziela się w postaci MnS. Wydzielenia te mogą przybierać różne kształty i wywierają zróżnicowany wpływ. Postać siarczku jest związana ze szczątkową zawartością siarki po odtlenianiu. Szczątkowa ilość aluminium powinna ułatwiać powstawanie siarczku aluminium typu III.

[110, Vito, 2001], [174,Brown, 2000]

2.4.12. Obróbka metalurgiczna ciekłego żeliwa

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

9

Rozdział 2

2.4.12.1. Wprowadzanie piewiastków stopowych

Podczas wytapiania niektóre pierwiastki zostają częściowo utlenione i w postaci tlenków przechodzą do żużla. Pod koniec okresu topienia przeprowadza się niezbędną korektę składu chemicznego metalu. W przypadku żeliwa niestopowego dotyczy to zawsze w nim występujących pierwiastków, tj. C, Si, Mn, S i P. W przypadku stawiania żeliwu wyższych wymagań jakościowych może się okazać konieczne wprowadzenie pierwiastków stopowych, poczynając od aluminium, a na cyrkonie kończąc, przy czym ich stężenie w żeliwie może się zawierać w przedziale od poniżej 1% do ponad 30%. Są one wprowadzane w postaci wlewków (gąsek) lub w postaci ziarnistej. Wprowadzanie ich do ciekłego metalu zmniejsza ryzyko znacznego ich utlenienia.

Pierwiastki stopowe dodaje się do metalu znajdującego się w piecu, na strugę metalu w czasie jego spustu lub do kadzi, transportującej metal, przed jej napełnianiem.[110, Vito,2001]

2.4.12.2. Ujednorodnianie (homogenizowanie)

Wprowadzanie pierwiastków stopowych może się nieświadomie łączyć z wprowadzaniem zanieczyszczeń do ciekłego żeliwa, takich jak tlenki, siarczki i węgliki. W celu ograniczenia negatywnego wpływu tych składników przegrzewa się metal do temperatury 1480 - 1500ºC. Jednak przegrzanie może wywołać wydzielanie się grafitu podczas krzepnięcia. Celem homogenizowania jest:- zredukowanie tlenków (FeO, SiO2, MnO) przez C, połączone z powstawaniem

pęcherzy CO. Na swej drodze ku powierzchni pęcherze te usuwają H2 i N2 z kąpieli.- koagulowanie zanieczyszczeń; pod wpływem wysokiej temperatury i ruchu kąpieli

koagulaty wypływają szybciej na powierzchnię, skąd są odbierane wraz z żużlem.[110, Vito, 2001]

2.4.12.3. Odsiarczanie i nawęglanie żeliwa wytapianego w żeliwiaku

Wskutek bezpośredniego kontaktu ciekłego metalu z koksem żeliwo wytapiane w żeliwiaku wykazuje znaczną zawartość siarki. Nasiarczanie żeliwa w żeliwiaku m.in. zwiększa jego lepkość, co jest korzystne w niektórych przypadkach, np. w przypadku odlewów cienkościennych z żeliwa szarego.

Jeżeli jednak żeliwo jest przeznaczone do zabiegu sferoidyzowania (patrz następny rozdział), należy zawartą w nim siarkę zneutralizować, aby zmniejszyć zużycie Mg. Służą do tego liczne metody. Stosując metodę kadzi z porowatą kształtką w dnie, wprowadza się przez tę kształtkę azot lub argon, wywołujące burzliwy ruch kąpieli, z równoczesnym naprowadzaniem na jej powierzchnię proszku CaC2 , dającego siarczek CaS w reakcji z siarką; siarczek ten jest usuwany z kąpieli wraz z żużlem. Obrobiony w ten sposób metal przelewa się następnie do kadzi i kieruje do następnego etapu zabiegu sferoidyzowania.

2.4.12.4. Sferoidyzowanie ciekłego żeliwa

Żeliwo sferoidalne otrzymuje się przez wprowadzanie do ciekłego żeliwa wyjściowego Mg, czystego technicznie lub w postaci stopów FeSiMg bądź NiMg. Przedtem konieczne jest

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

10

Rozdział 2

przeprowadzenie zabiegu odsiarczania (patrz poprzedni rozdział). Wprowadzenie Mg do ciekłego żeliwa powoduje, w procesie krzepnięcia, krystalizację grafitu w postaci kulkowej. Dzięki temu zwiększają się wytrzymałość mechaniczna i plastyczność żeliwa.

Do realizacji zabiegu sferoidyzowania stosuje się liczne metody:- metodę zalewania na dnie kadzi; jest to najprostsza metoda, polegająca na zalewaniu

stopu Mg umieszczonego na dnie kadzi zabiegowej;- metodę Sandwich: w tym przypadku stop Mg jest umieszczany na dnie specjalnie

skonstruownej kadzi zabiegowej i przykryty kawałkami blachy stalowej bądź ziarnistym FeSi (patrz rys. 2.23); metal jest wlewany do kadzi, topiąc pokrywę stopu Mg, co inicjuje reakcję sferoidyzowania;

- metodę Tundish: jest to ulepszona technika Sandwich z zastosowaniem wydrążonej pokrywy z otworem wlewowym, przez którą sferoidyzowany metal wlewa się do kadzi zabiegowej;

- metodę dzwonową: ładunek sferoidyzatora jest umieszczany w dzwonie (ze stali lub materiału ogniotrwałego), w którym zanurza się go do ciekłego metalu; pokrywa kadzi jest w tym czasie zamknięta, aby uniknąć emisji dymu MgO;

- metodę z zastosowaniem konwertora GF: metal jest odlewany do specjalnego konwertora GF (Georg Fischer), szczelnie zamkniętego pokrywą i zajmującego w tym czasie pozycję poziomą; następnie przechyla się go do pozycji pionowej i doprowadza metal do kontaktu ze sferoidyzatorem (technicznie czystym Mg lub stopem Mg); po zakończeniu reakcji Mg ze składnikami żeliwa przywraca się konwertrowi pozycję poziomą i opróżnia go po otwarciu pokrywy;

- metodę przewodu elastycznego (metodę „drutową”): w tym przypadku wprowadza się do ciekłego metalu sfeoidyzator (stop Mg) wypełniający, w stanie bardzo rozdrobnionym, cienkościenną rurkę stalową; sferoidyzowany metal umieszcza się w specjalnej, smukłej kadzi zabiegowej; rurkę sferoidyzującą wprowadza się mechanicznie, z ustaloną szybkością, zapewniającą wprowadzenie ściśle określonej ilości Mg do metalu;

- metodę przepływową: metal przepowadza się przez komorę zabiegową o specjalnej konstrukcji, w której uprzednio umieszczono ładunek sferoidyzatora;

- metodę z zastosowaniem „duktylizatora”: w tym przypadku metal jest wprowadzany do kadzi zabiegowej, w której wymusza się jego wirowy przepływ; sferoidyzator wdmuchuje się w strumieniu obojętnego gazu nośnego; sferoidyzowaniu można poddawać duże ilości metalu, również podczas zalewania form;

- proces Inmold: w tym przypadku umieszcza się stop Mg w postaci kształtek, bezpośrednio w zbiorniku wlewowym bądż w układzie wlewowym formy odlewniczej; reakcja sferoidyzująca zachodzi w czasie wypełniania wnęki formy, zapewniając duży uzysk sferoidyzatora.

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

11

Rozdział 2

Rys. 2.23. Sferoidyzowanie metodą Sandwich[237, HUT, 2003]

Po dokonaniu zabiegu sferoidyzowania metal powinien zostać odlany w odpowiednio krótkim czasie, gdyż efekt zabiegu zanika stosunkowo szybko (po 10 - 15 min); jeżeli ten czas zostaje przekroczony, należy zabieg powtórzyć.

2.4.12.5. Modyfikowanie ciekłego żeliwa

Obecność grafitu o dużych rozmiarach w strukturze odlewów pogarsza ich właściwości mechaniczne; ich rozdrobnienie wymaga przeprowadzenia zabiegu modyfikowania ciekłego żeliwa przed jego odlaniem. Proces ten generuje zarodki drobnych wydzieleń grafitu płatkowego. W charakterze modyfikatorów stosuje się zwykle FeSi z dodatkiem Ca, Al. i metalami ziem rzadkich.

Stosuje się (m. in.) następujące metody modyfikowania:- metodę iniekcyjną: modyfikator jest wstrzeliwany injekcyjnie na strugę metalu

spuszczanego lub wlewanego do formy odlewniczej (patrz rys. 2.24),- metodę przewodu elastycznego (patrz rozdz. 2.4.12.4),- metodę Inmold (patrz rozdz. 2.4.12.4).

Rys. 2.24. Modyfikowanie podczas zalewania formy odlewniczej[237, HUT, 2003]

2.4.13. Obróbka metalurgiczna ciekłych metali nieżelaznych

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

12

Rozdział 2

Istnieją trzy główne rodzaje obróbki ciekłego aluminium:- odgazowanie: ciekłe aluminium rozpuszcza wodór, który wydziela się w czasie

stygnięcia metalu i może doprowadzić do powstania porowatości; dlatego należy go z metalu usunąć. W tym celu stosuje się przedmuchiwanie kąpieli gazem obojętnym. Duży stopień odgazowania uzyskuje się, przy dużej powierzchni kąpieli i wydłużonym czasie przebywania pęcherzy w kąpieli. Do odgazowaia aluminium stosuje się najczęściej zespół wirników – urządzenie do rafinacji barbotażowej - wykorzystując mieszarkę szybkoobrotową i wdmuchując do kąpieli azot. Odgazowanie łączy się często z rafinowaniem kąpieli, prowadzonym w celu usunięcia pierwiastków alkalicznych, takich jak Ca. Można je przeprowadzać za pomocą chloru; Stosowanie w tym celu sześciochloroetanu zostało zakazane w UE dyrektywą 97/16/EC. Do równoczesnego odgazowania i rafinowania stosuje się mieszaninę azotu z 3% chloru. W innych metodach odgazowania stosuje się tabletki, lance z porowatymi głowicami i wkładki porowate w piecach przetrzymujących.

- modyfikowanie i rozdrabnianie ziaren: dla przypadku aluminium oznacza to wprowadzanie do kąpieli małych ilości określonych pierwiastków metalowych, zmieniających rozmiar ziaren składników struktury odlewów i modyfikujących tę strukturę, zwiększając w ten sposób właściwości mechaniczne odlewów. Do modyfikowania stosuje się sód i stront, a do rozdrobnienia zieren – tytan, borek tytanu, cyrkon lub węgiel. Obróbka ta jest zwykle realizowana w kombinacji z odgazowaniem na przeznaczonym do tego celu stanowisku.

- obróbka za pomocą żużli: polega ona na wprowadzaniu do kąpieli żużli opartych na fluorkach w celu usunięcia stałych zanieczyszczeń kąpieli.

[164, Environment Agency, 2002], [175, Brown, 199], [ 178, Wen, 1995]

Istnieją cztery główne metody obróbki metalurgicznej ciekłego magnezu:

- modyfikowanie ziaren: do modyfkowania składników struktury stopów magnezu używa się cyrkonu; stosowany dawniej sześciochloroetan został zabronony Dyrektywą UE 97/16/EC;

- obróbka za pomocą żużli: obejmuje ona wprowadzanie do kąpieli żużli o zastrzeżonym składzie chemicznym, zawierających metale alkaliczne, pierwiastki ziem alkalicznych, chlorki i fluorki; ich celem jest usunięcie z kąpieli zanieczyszczeń stałych;

- odgazowanie: w przypadku stopów magnezu stosuje się do odgazowania i równoczesnego usunięcia tlenków przedmuchiwanie kąpieli azotem lub argonem. Można tu również stosować mieszankę argonu z chlorem, w której argon jest gazem nośnym;

- regulacja stopnia utlenienia: beryl, obecny w kąpieli, rozdrabnia ziarna składników struktury i wstrzymuje utlenianie. Gotowe stopy magnezu mogą zawierać do 15 ppm mas. Be. Do wprowadzania odpowiediej ilości Be do ciekłego stopu Mg można stosować zaprawę Al-Be zawierającą do 5% Be. Stopień utlenienia kąpieli można również regulować przez pokrywanie jej powierzchni gazem nośnym, np. dwutlenkiem węgla lub argonem, zawierającymi do 4% sześciofluorku siarki. Wg stanu na dzień dzisiejszy alternatywą bezżużlowej obróbki z użyciem SF6 jest stosowanie SO2, który jest tańszy niż SF6; jego wadą jest jednak toksyczność. Do dnia dzisiejszego 1/3 odlewni europejskich stosuje SO2. W celu przeprowadzenia okazjonalnej regulacji stopnia utlenienia można zastosować posypywanie powierzchni kąpieli sproszkowaną siarką. Takie rozwiązanie jest omawiane w rozdz. 4.2.7.1.

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

13

Rozdział 2

Istnieją trzy główne rodzaje obróbki ciekłych stop miedzi. Ciekła miedź rozpuszcza tlen i wodór, które mogą się wiązać w parę wodną. Może to inicjować powstawanie porowatości w odlewach. Do usunięcia wodoru i tlenu z kąpieli stosuje się, odpowiednio, odgazowanie i odtlenianie. Stosowane tu metody są następujące:

- odtlenianie: odtlenianie jest realizowane przez wprowadzanie do kąpieli reagenta, wiążącego tlen i tworzącego ciekły żuzel. Należy przy tym postępować ostrożnie, aby zapobiec wciąganiu produktów odtleniania do wnęki formy oraz szkodliwemu oddziaływaniu resztek odtleniacza na właściwości odlewów. Najczęściej stosowanym odtleniaczem jest fosfor. Bywają również stosowane: Mg, Mn, Ca, Si i B;

- odgazowanie: do usuwania z kąpieli wodoru stosuje się przedmuchiwanie przez nią gazu obojętnego; zwykle jest to azot lub argon. Technika zabiegu jest podobna do techniki, stosowanej w przypadku stopów aluminium.

- obróbka z pomocą żużli: aluminium zawarte w stopach łatwo się utlenia i tworzy warstwę tlenków na powierzchni kąpieli. Stwarza to problemy przy odlewaniu. W stopach bezaluminiowych ślady Al mogą powodować powstawanie wad odlewniczych. Dlatego musi ono zostać usunięte przy użyciu odpowiednich żużli. Stosując je, unika się przy tym utleniania, strat ołowiu i cynku oraz zwiększenia zawartości wodoru podczas topienia.

[165, UK Environment Agency, 2002], [182, Closset, 2002]

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

14