UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
MAGISTRSKO DELO
KLEMEN MLINAR
LJUBLJANA 2022
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO
OPTIMIZACIJA TEHNOLOŠKEGA ODREZA GREDIC PRI VROČEM VALJANJU INGOTOV FORMATA V11
MAGISTRSKO DELO
KLEMEN MLINAR
LJUBLJANA, januar 2022
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY
OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL CUT-OFF OF HOT ROLLED V11 INGOTS
MASTER's THESIS
KLEMEN MLINAR
LJUBLJANA, January 2022
IV PODATKI O MAGISTRSKEM DELU:
Število listov: 73 Število strani: 60 Število slik: 21
Število preglednic: 12 Število literaturnih virov: 23 Število prilog: 9
Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje Metalurgija in materiali
Komisija za zagovor magistrskega dela:
Predsednik: prof. dr. Peter Fajfar Mentor: doc. dr. Matjaž Knap Član: prof. dr. Aleš Nagode
Delovni somentor: Jernej Turščak, SIJ Metal Ravne, d. o. o.
Ljubljana, ………
V ZAHVALA
Na prvem mestu bi se rad zahvalil svoji družini, ki mi je z vsestransko podporo in spodbujanjem vedno stala ob strani.
Za strokovno usmerjanje, nasvete in pomoč pri izdelavi magistrskega dela se iskreno zahvaljujem tudi mentorju doc. dr. Matjažu Knapu in somentorju Jerneju Turščaku.
Zahvala gre tudi podjetju SIJ Metal Ravne d. o. o., ki mi je omogočilo izvedbo magistrskega dela.
VI IZVLEČEK
V magistrskem delu je predstavljena optimizacija tehnološkega odreza vroče valjanih gredic iz ingotov formata V11. Opisani so nastanek poroznosti, kemične reakcije in pogoji za nastanek nekovinskih vključkov ter njihov vpliv na kakovost jekla. Na kakovost vpliva tudi problematika izcejanja kemičnih elementov. Predstavljena sta postopek litja ingotov in vroče valjanje gredic.
V sklopu raziskave smo analizirali osem v jeklarni podjetja Metal Ravne ulitih ingotov iz dveh šarž jekla, kakovosti OCR12VM. Preučevali smo vpliv uporabe različnih eksotermno izolacijskih oblog v glavi kokile na čistost jekla. Vzorce smo vzeli iz gredic preseka 130 mm × 130 mm, iz vsake gredice po pet odrezov pri glavi. Nekovinske ključke smo kategorizirali po metodi K na temelju standarda DIN 50602 in po metodi A na temelju standarda ASTM E45.
Na osnovi rezultatov raziskav smo določili mesto, kjer čistost jekla še ustreza kakovostnim predpisom. S premikom tega mesta proti glavi ingota smo izboljšati izplen tehnološkega odreza glave gredic v valjarni.
Ključne besede: orodno jeklo, nekovinski vključki, primarna krčilna poroznost, izcejanje, tehnološki odrez, eksotermno izolacijska obloga.
VII ABSTRACT
The master’s thesis presents the optimisation of the technological cut-off of billets, which were hot rolled from V11 ingots. The formation of porosity, chemical reactions and favourable conditions for the formation of non-metallic inclusions and the consequences they have on the steel quality. The quality is also affected by the problem of segregations of chemical elements. The master thesis also describes the procedure of ingot casting and hot rolling of billets.
As part of the research, we analysed eight ingots, which were cast from two batches of OCR12VM quality steel in the steel plan of the company Metal Ravne. We studied the influence of the use of different exothermic insulation coatings in the mould head on the steel purity. The analyses were performed on billets with a cross-section of 130 mm × 130 mm and five cuts at the head of the billets were examined on each of them.
Non-metallic inclusions were classified according to the K method, based on the DIN 50602 standard and method A, based on the ASTM E45.
Key words: tool steel, non-metallic inclusions, primary shrinkage porosity, segregations, technological cut-off, hot top.
VIII ŠIRŠI POVZETEK VSEBINE
Na svetovnem trgu je prisotnih veliko podjetij, ki se ukvarjajo z ulivanjem jekla v kokile ter nadaljnjo plastično predelavo ingotov v polizdelke in končne izdelke. Prilagajanje tehnoloških procesov je nepogrešljivo pri ohranjanju konkurenčnosti podjetja in njegovega obstanka na trgu. Optimizacija obsega tako izboljšano kakovost jekla kot tudi zmanjšanje materialnih in energetskih stroškov proizvodnje, kar neposredno vpliva na večji dobiček pri prodaji izdelkov.
V magistrskem delu smo se osredotočili na optimizacijo mesta tehnološkega odreza glave vroče valjanih gredic iz ingotov formata V11 pri orodnem jeklu za delo v hladnem, kakovosti OCR12VM. Raziskali smo vpliv različnih dimenzij in vrst eksotermnih izolacijskih oblog glave ingota na čistost jekla. V ta namen smo ulili dve šarži jekla in iz štirih ingotov z najbolj enako dolžino ulivnega sistema vzeli vzorce jekla. Primerjali smo eksotermne materiale dveh proizvajalcev (Faprosid in Exoterm). Pri ulivanju prve šarže smo uporabili s tehnološkimi predpisi določene dimenzije oblog, pri drugi šarži smo obloge skrajšali za 1 oziroma 2 cm. Litje, vroče valjanje in analiziranje vzorcev so potekali v podjetju SIJ Metal Ravne.
Ohlajenim ingotom smo izmerili globino primarne poroznosti in jih vroče zvaljali v gredice s prečnim presekom kvadrata 130 mm. Nato smo iz vsake gredice v območju glave odrezali pet plošč. Iz njih smo izrezali vzorce za SEM-EDX-analizo, kemično analizo in določitev vsebnost nekovinskih vključkov po metodah A (standard ASTM E45) in K (standard DIN 50602). Na ploščah smo s prostim očesom iskali tudi prisotnost poroznosti. V tabeli 2 so zbrane oznake analiziranih ingotov oziroma gredic in predstavljeni pogoji ulivanja.
IX
Slika 1: Shema livne plošče
Tabela 2: Oznake analiziranih ingotov oziroma gredic
Številka šarže Oznaka ingota
Proizvajalec izotermno- eksotermne obloge
Višina
111963
A1 Faprosid
12,5 cm
A2 Faprosid
A3 Exoterm
A4 Exoterm
112886
B1 Faprosid 11,5 cm
B2 Faprosid 10,5 cm
B3 Exoterm 11,5 cm
B4 Exoterm 10,5 cm
Rezultati analiz so pokazali, da je kakovost večine zvaljanih gredic ustrezala tehnološkim predpisom. Opažena so bila velika nihanja v kemičnih analizah izcej, ki so lahko posledica nenatančnosti meritev ali lokalnih nehomogenosti. Za oceno in primerjavo vpliva različnih vrst in dimenzij eksotermnih materialov so pomembnejše
X
kemične analize jekla in meritve lunkerjev oziroma poroznosti. Iz rezultatov teh analiz sklepamo, da bomo prihranili 12,8 kg jekla/ingot V11, kar pomeni približno 590 kg/šaržo, če mesto tehnološkega odreza glave premaknemo na mesto odreza G1.
Za nadaljnje raziskave pride glede na dobljene rezultate v poštev raziskava uporabe 2 cm krajše eksotermno izolacijske obloge proizvajalca Faprosid in 1 cm krajše proizvajalca Exoterm.
XI VSEBINSKO KAZALO
1 UVOD ... 1
2 TEORETIČNI DEL ... 2
2.1 NAPAKE V ULITIH INGOTIH ... 2
2.1.1 Poroznost ... 2
2.1.2 Nekovinski vključki ... 5
2.2.2. Kemična nehomogenost ... 11
3 EKSPERIMENTALNI DEL ... 15
3.1 IZDELAVA GREDIC ... 15
3.1.1 Litje ingotov ... 15
3.1.2 Vroče valjanje ... 19
3.2 VZORČENJE ... 23
3.3 PREISKOVALNE METODE ... 24
3.3.1 Analiza vsebnosti nekovinskih vključkov ... 24
3.3.2 Določanje kemične nehomogenosti ... 26
3.3.3 Ocenjevanje poroznosti ... 27
4 REZULTATI IN RAZPRAVA ... 28
4.1 VSEBNOST NEKOVINSKIH VKLJUČKOV ... 28
4.2 KEMIČNA NEHOMOGENOST ... 31
4.2.1 SEM-EDX ... 31
4.2.2 Kemična analiza ... 36
4.3 OCENA POROZNOSTI ... 42
4.4 RAZPRAVA ... 44
5 ZAKLJUČKI ... 46
6 LITERATURNI VIRI ... 48
7 PRILOGE ... 51
XII SEZNAM SLIK
Slika 1: Vrste krčilne makroporoznosti[4] ... 3
Slika 2: Krčilna mikroporoznost[5] ... 4
Slika 3: Plinska poroznost[6] ... 4
Slika 4: Fazni diagram Al203 – MgO[23] ... 8
Slika 5: Tipi sulfidnih vključkov glede na obliko[22] ... 11
Slika 6: Vrste makroizcej[1] ... 12
Slika 7: Shema livne plošče ... 16
Slika 8: Priprava livnega sistema za litje formata V11 ... 16
Slika 9: Litje ingotov formata V11 ... 17
Slika 10: Izvlačenje ingotov ... 17
Slika 11: Ingot po izvlačenju ... 18
Slika 12: Morfologija nekovinskih vključkov pred in po deformaciji[20] ... 20
Slika 13: Diagram ogrevanja ingota pred predvaljanjem ... 20
Slika 14: Diagram ogrevanja ingota pred končnim valjanjem ... 21
Slika 15: Predvaljanje ingota ... 22
Slika 16: Zalaganje predvaljancev v globinsko peč ... 22
Slika 17: Načrt odreza preiskovalnih plošč iz gredic ... 23
Slika 18: Načrt odvzema vzorca iz plošč... 23
Slika 19: Vsebnost nekovinskih vključkov pri šarži 111963 ... 30
Slika 20: Označevanje ingotov po izvlačenju ... 42
Slika 21: Ostanek primarnega lunkerja pri šarži 112886 ... 43
XIII SEZNAM PREGLEDNIC
Tabela 1: Oznake analiziranih ingotov oziroma gredic ... 15
Tabela 2: Vsebnost nekovinskih vključkov pri šarži 111963 ... 28
Tabela 3: Vsebnosti nekovinskih vključkov pri šarži 112886 ... 29
Tabela 4: Vrednosti indeksa izcejanja pri šarži 111963 ... 31
Tabela 5: Stopnja izcejanja pri šarži 111963 ... 32
Tabela 6: Indeks izcejanja pri šarži 112886 ... 33
Tabela 7: Stopnja izcejanja pri šarži 112886 ... 34
Tabela 8: Kemična analiza šarže 111963 ... 36
Tabela 9: Kemična analiza vzorcev šarže 111963... 36
Tabela 10: Kemična analiza šarže 112886 ... 39
Tabela 11: Kemična analiza vzorcev šarže 112886 ... 39
Tabela 12: Izmerjena globina primarnih lunkerjev v glavah ingotov ... 42
XIV SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV EPŽ – elektropretaljevanje pod žlindro
1
1 UVOD
Dandanes je na trgu prisotnih veliko podjetij, ki se ukvarjajo z litjem jekla ter nadaljnjim plastičnim preoblikovanjem v polizdelke in končne profile. Da bi posamezno podjetje ostalo tržno zanimivo, mora venomer stremeti k izboljšanju kakovosti in zniževanju stroškov proizvodnje. Procese lahko optimiziramo z energetskega vidika ali z izboljšanjem izplena proizvodnje, za kar so potrebne tako izkušnje kot tudi strokovna znanja.
Optimizacije procesov redne proizvodnje se najlažje in z najmanj tehnološkimi tveganji za neuspelo proizvodnjo lotimo s postopnim izboljševanjem, pri čemer moramo upoštevati širok spekter parametrov. Ob uspelih preizkusih moramo s ponovljivostjo zagotoviti nenehne želene rezultate.
V magistrskem delu smo raziskovali vpliv uporabe eksotermnih izolacijskih oblog v glavi dveh proizvajalcev, to sta proizvajalca Exoterm in Faprosid. Obloge se namestijo v glavo kokile in primarno služijo namenu zmanjšanja globine primarne poroznosti strjenih ingotov. Med raziskovalne parametre smo vključili določevanje vsebnosti nekovinskih vključkov, merjenje globine primarne poroznosti in določevanje mikrosegregacije in makroizcejanja kemijskih elementov po dolžini glave. Raziskave smo izvedli na gredicah, ki so bile vroče zvaljane v kvadrat 130 mm × 130 mm iz ingotov formata V11, in sicer pri jeklu kakovosti OCR12VM.
Raziskava je obsegala izvajanje analiz na gredicah osmih ingotov, ki smo jih ulili pri dveh različnih šaržah. V primeru litja prvih štirih ingotov pri prvi šarži smo uporabili nespremenjene obloge, pri drugi šarži smo raziskovali tudi vpliv krajšanja teh oblog na prej naštete parametre.
2
2 TEORETIČNI DEL
2.1 NAPAKE V ULITIH INGOTIH
2.1.1 Poroznost
Glede na mehanizem nastanka poroznost v ingotih delimo v dve skupini, in sicer: na plinsko in krčilno, ki se nadalje deli na primarno in sekundarno. Vsakršna nezveznost materiala pomeni mesto koncentracije napetosti, kar lahko pri kasnejši plastični predelavi privede do lokalne porušitve materiala in napredovanja pri tem nastalih razpok. V primeru vroče plastične predelave ali hladnega preoblikovanja z velikimi končnimi stopnjami deformacije lahko manjše poroznosti, katerih površine niso oksidirale, mehansko zavarimo, medtem ko prisotnost večjih ali oksidiranih poroznosti pomeni manjšo stopnjo izplena ingota pri plastični predelavi, v skrajnih primerih tudi izmet celotnega ingota.[1][2]
Jeklo se pri ohlajanju taline, strjevanju in ohlajanju v trdnem ter pri nekaterih premenah v trdnem krči. Posledica tega je povečanje gostote in zmanjšanje volumna, kar privede do t. i.
krčilne poroznosti. Intenziteta in porazdelitev krčenja sta odvisni od kemične sestave taline ter hitrosti in smeri ohlajanja. V splošnem velja pravilo, da volumski skrček jekla znaša 8 %.
Primarna poroznost, ki jo imenujemo tudi »lunker«, nastane zaradi krčenja taline v zadnjem strjevalnem območju ingota. V praksi si želimo čim širšo in plitkejšo primarno poroznost, saj je njena globina eden izmed glavnih parametrov pri določanju deleža odreza glave ingota, kar se neposredno odraža v produktivnosti preoblikovalnega obrata. To obvladujemo s pravilno izbiro geometrije in materiala eksotermnih oblog ter z zadostnim dodatkom protilunkeritnih sredstev. Obloge se ločijo glede na količino oddane toplote in izolacijsko sposobnost.
Geometrija oblog, še posebej spodnjega dela, vpliva na stopnjo in vzorec izcejanja pri glavi ingota, zato sta si korektivna ukrepa glede na izbiro oblog v glavi ingota za namen zmanjšanja stopnje izcejanja in zmanjšanja globine primarne poroznosti nasprotujoča. Naslednji ukrep za zmanjšanje globine primarne poroznosti je optimizacija livne hitrosti. Manjša hitrost litja nam omogoča daljše napajanje taline v kokilo, pri čemer nam istočasno že poteka odvod toplote skozi stene kokile in podložno ploščo.[1][2]
3
Sekundarna poroznost, ki jo imenujemo tudi »sekundarni lunker«, je ločeno strjevalno področje, ki se nahaja tik pod primarno poroznostjo. Mehanizem tvorbe je enak kot v primeru primarne poroznosti. Značilno je za strjevanje v kokilah z velikim razmerjem višine proti premeru, v katerih največkrat ulivamo ingote za kasnejšo pretalitev po EPŽ-postopku. Običajno je površina sekundarne poroznosti ločena od zunanje atmosfere, lahko je z njo povezana prek
»repa« primarne poroznosti. Z uporabo eksotermnih ali izolacijskih oblog ni mogoče popolnoma odpraviti sekundarne poroznosti pri ingotih z velikim razmerjem višine proti širini, zato je predvsem pomembno nadzorovati hitrost litja in temperaturo kokil pred litjem. Slika 1 prikazuje vse tri vrste krčilne makroporoznosti.[1][3]
Slika 1: Vrste krčilne makroporoznosti[4]
Poleg makroskopske krčilne poroznosti je v strjenem ingotu prisotna tudi meddendritna poroznost, ki nastane kot posledica rasti primarnih, sekundarnih in terciarnih dendritnih vej.
Med rastjo običajno le-te zaradi medsebojnega križanja ustvarjajo majhne izolirane žepke taline oziroma zlitine v testastem stanju, ujete v meddendritnem prostoru.[1][3] Pri nadaljnjem strjevanju se zaradi krčenja med ohlajanjem in strjevanjem tvori t. i. mikroporoznost, ki je prikazana na sliki 2.
4
Slika 2: Krčilna mikroporoznost[5]
Poleg tega se lahko poroznost v ingotih pojavi tudi kot plinska poroznost, katere vzrok je zmanjšanje topnosti vodika, dušika in kisika v talini ter prisotnosti vlage v livnih praških, ki povzroča prisotnost velikega števila manjših por na površini ingota. Elementi plinov so v talini raztopljeni v nascentni obliki in pri izločanju se povezujejo v molekule. Glede na atomarno obliko molekulska oblika z dvema atomoma zavzame trikrat večjo prostornino. Krčilno poroznost prepoznamo po nepravilnih oblikah votline, medtem ko se plinska poroznost odraža v okroglih ali eliptičnih gladkostenskih prazninah (slika 3).[1][2]
Slika 3: Plinska poroznost[6]
5 2.1.2 Nekovinski vključki
Nekovinski vključki so kemične spojine kovin in nekovin, ki nastanejo kot produkti kemijsko- fizikalnih dogajanj v staljeni kovini. Nekovinske vključke ločimo na endogene, ki so posledica kemijskih reakcij (primarni) ali nastanejo med ohlajanjem in strjevanjem taline (sekundarni), ter eksogene, ki so posledica zunanjega vpliva. Vzrok za prisotnost eksogenih vključkov v ulitkih so erozija ognjevzdržnega gradiva, ujetost žlindre ali livnega praška ter reoksidacija taline s kisikom iz zraka. Zaradi svoje velikosti in nepravilnih oblik so za jeklo bolj škodljivi eksogeni vključki in jih uvrščamo med makrovključke. Na splošno so nekovinski vključki v jeklu nezaželeni, ker imajo negativen vpliv na mehanske in korozijske lastnosti, sposobnost poliranja itd.[7, 8, 9]
Glede na kemično sestavo nekovinske vključke kategoriziramo v skupine:[7, 9]
• aluminatni vključki (AlN, Al2O3, Al2S3 …),
• silikatni vključki (SiO2),
• drugi oksidni vključki (FeO, MnO, TiO, Cr2O3 ...),
• spinelni MgO·Al2O3 vključki,
• sulfidni vključki (FeS, MnS, Al2S3, CaS …).
2.2.1.1.Oksidni vključki
Oksidni vključki so spojine kovin s kisikom. Kovine, ki izkazujejo veliko afiniteto do kisika, se z v talini raztopljenim kisikom vežejo v okside. Njihova prisotnost v strjenem ulitku je lahko posledica zajetja žlindre, erozije ognjevzdržnih drsnih plošč mehanizma za odpiranje ponovčnega izlivka, pri čemer vključke takega izvora prepoznamo po vsebnosti štirivalentnega cirkonijevega oksida, pri eroziji livne ognjevzdržne opeke ali zajetja livnega praška, ki se odraža v prisotnosti natrijevega ali kalijevega oksida. Jeklo z veliko vsebnostjo oksidnih vključkov je krhko pri nadaljnji plastični predelavi. Dodatek mangana v jeklu veže kisik v manj škodljiv, bolj preoblikovalen MnO.[8, 10, 11]
6
(FeO) + [Mn] = (MnO) + [Fe] [Reakcija 1]
2.2.1.2. Aluminatni nekovinski vključki
Aluminij se zaradi dobrih dezoksidacijskih lastnosti in relativno nizke cene uporablja kot sredstvo za dezoksidacijo jekla. Z v talini raztopljenim kisikom se veže v vključke tipa Al2O3, ki se lahko razlikujejo glede na način tvorbe, velikost in obliko. Gonilna sila za nastanek aluminatnih vključkov je dana s spremembo Gibbsove proste energije, ki znaša ΔG0 = 1209400 – 391,2877ˑT. Ob predpostavki čistega trdnega Al2O3 je njegova aktivnost 𝑎𝐴𝑙2𝑂3 = 1, s čimer lahko ravnotežno kemijsko konstanto reakcije izrazimo v obliki 𝐾 = (𝑎O3 ∙ 𝑎Al2 )ravn. Zaradi nizkih koncentracij aluminija in kisika v železu lahko njuno koncentracijo izrazimo s Henryjevem zakonom, po katerem je Henryjeva aktivnost (hi) topljenca i enaka koncentraciji, izraženi v mas. %. Tako lahko aktivnost topljenca, aluminija, izračunamo z enačbo 2, kjer je fi
koeficient aktivnosti elementa i v tekočem železu in je podan z enačbo 3.[8][10][11]
𝑎i=hi = mas. % [Enačba 1]
𝑎𝑖 = 𝑓i[%𝑖] [Enačba 2]
𝑙𝑜𝑔𝑓𝑖 = 𝑒𝑖𝑖[%𝑖] + ∑ 𝑒𝑗 𝑖𝑗[%𝑗] [Enačba 3]
𝑒ij v slednji enačbi predstavlja interakcijski koeficient elementa j na element i. Tako lahko ravnotežno konstanto izračunamo z enačbo 4.[10]
𝑙𝑜𝑔𝐾 = 3𝑙𝑜𝑔𝑓O+ 3𝑙𝑜𝑔[%𝑂] + 2𝑙𝑜𝑔𝑓Al+ 2𝑙𝑜𝑔[%𝐴𝑙] [Enačba 4]
Prenasičenje z Al2O3 opredelimo kot razmerje med produktoma aktivnosti aluminija in kisika v začetni fazi in v ravnotežnem stanju. S termodinamičnega stališča pride do izločanja Al2O3-- vključkov, ko stopnja prenasičenja zavzame vrednost S≥1 (enačba 5). Večja, kot je stopnja
7
prenasičenja, višja sta odstopanje od ravnotežnega stanja in gonilna sila za doseganje le-tega.
Po legiranju aluminija se v talini lokalno pojavi izredno veliko povišanje njegove vsebnosti glede na okolico. Na tem območju se posledično tvori tudi veliko število aluminatnih vključkov, ki se nato povezujejo v skupke.[10][13]
𝑆 = 𝑎Al2 ∙𝑎O 3
(𝑎O 3∙𝑎Al2)ravn =𝑎Al
2 ∙𝑎O 3
𝐾 [Enačba 5]
Med sekundarno rafinacijo taline vsebnost raztopljenega kisika pade zaradi tvorbe ogljikovega monoksida med procesom vakuumiranja, ob ponovnem povišanju vsebnosti kisika zopet tvegamo nastanek aluminatnih in oksidnih nekovinskih vključkov.
2.2.1.3. Silikatni nekovinski vključki
Silicij je drugi element, ki se uporablja za pomirjanje jekla, ker ima SiO2 nižjo prosto tvorbeno Gibbsovo energijo kot FeO. V praksi je najpogosteje uporabljen dezoksidant silicij v obliki ferosilicija. V ulitem jeklu so silikatni vključki okrogli in trdni, vendar se pri preoblikovanju jekla zdrobijo in razpotegnejo v trakove. Ob prisotnosti pečne žlindre pri sekundarni obdelavi taline dodatek silicija reducira železov in kromov oksid, pri čemer se tvorijo novi silikatni vključki.[8][10][11]
[Si] + 2[O] = (SiO2) [Reakcija 2]
2(Cr2O3) + 3[Si] =3 <SiO2> + 4[Cr] [Reakcija 3]
2(FeO) + [Si] = <SiO2> + 2[Fe] [Reakcija 4]
8 2.2.1.4.Spinelni MgO·Al2O3-vključki
Spinelni vključki vsebujejo MgO in Al2O3, pri čemer sta optimalna deleža le-teh 27 mas. % MgO in 73 mas. % Al2O3, kar je razvidno tudi iz faznega diagrama na sliki 4. Zaradi visokega tališča, ki znaša 2105 °C, pri litju jekla povzročajo mašenje izlivka. V strjenem jeklu imajo negativen učinek na mehanske lastnosti, saj so slabo preoblikovalni zaradi visoke trdote.[8][10][11]
Slika 4: Fazni diagram Al203 – MgO[23]
Spinelni vključki se tvorijo z redukcijo magnezijevega oksida, ki se nahaja v ponovčni ognjevzdržni obzidavi ali v žlindri. Element, ki deluje kot reducent, je odvisen od kemične sestave jekla. MgO se lahko po reakciji 5 reducira z aluminijem, pri jeklih z višjo vsebnostjo ogljika redukcija poteče z reakcijo 6, in sicer z ogljikom, pri jeklih z visokim deležem silicija pa s silicijem, kar opisuje reakcija 7.
3 (MgO) + [Al] = <Al2O3> + 3[Mg] [Reakcija 5]
9
(MgO) + [C] = {CO} + 3[Mg] [Reakcija 6]
2 (MgO) + [Si] = <SiO2> + 2[Mg] [Reakcija 7]
Tako v jeklu raztopljen magnezij dalje reagira s prostim kisikom ali z aluminatnim vključkom, pri čemer v slednjem primeru nastane spinelni vključek.
[Mg] + [O] = <MgO> [Reakcija 8]
3[Mg] + 4<Al2O3> = 3<MgO · Al2O3> + 2[Al] [Reakcija 9]
V primeru poteka reakcije 8 (Mg + O) lahko nastali MgO-vključek nadalje reagira z raztopljenim aluminijem ali pa z aluminatnim vključkom, pri čemer se v obeh primerih zopet tvori spinelni vključek.
4<MgO> + 2[Al] = <MgO · Al2O3> + 3[Mg] [Reakcija 10]
<MgO> + <Al2O3> = <MgO · Al2O3> [Reakcija 11]
Vsebnost raztopljenega aluminija, večja od 0,006 mas. %, predstavlja ugodne razmere za tvorbo spinelnih vključkov. Izkustveno je ugotovljeno tudi, da se z večanjem vsebnosti kisika v talini vsebnost spinelnih vključkov povečuje v primerjavi z MgO-vključki, ki prevladujejo pri manjših količinah raztopljenega kisika v talini.
2.2.1.5.Sulfidni vključki
Sulfidni vključki so spojine kovin z žveplom. Najpogosteje se tvorita železov in manganov sulfid, ki imata nižje tališče kot večina jekel in se zato strdita v meddenritnem prostoru,
10
obkrožena z že strjeno zlitino. Reakciji tvorbe železovega in manganovega sulfida sta podani z enačbama 12 in 13. Ob prisotnosti vsaj 1 mas. % Cr se tvorijo tudi kromovi sulfidi.[8][10][11]
[Mn]+[S]=<MnS> [Reakcija 12]
[Fe] + [S] = <FeS> [Reakcija 13]
Tvorba sulfidov je močno odvisna od pogojev strjevanja oziroma od deleža tekoče faze v zadnjih fazah strjevanja, ko se talina prenasiti z žveplom. V tej fazi je pri jeklih z vsebnostjo žvepla vsaj 10 ppm pomembno razmerje vsebnosti mangana proti vsebnosti žvepla v jeklu. Pri razmerju [Mn] : [S] = 50 postane termodinamično ugodnejša tvorba MnS, ki izkazuje bistveno boljšo sposobnost preoblikovanja kot FeS, katerega prisotnost povzroča rdeči lom in beli lom.
Kritična vrednost razmerja [Mn] : [S], kjer postane tvorba MnS termodinamično ugodnejša od tvorbe FeS, je odvisna od kemične sestave jekla. Pri večini jekel ta vrednost ni dovolj velika na začetku strjevanja, zato MnS-vključkov običajno ne moremo odkriti v tekočem jeklu pred strjevanjem ali v prvih fazah strjevanja.[11] Med strjevanjem rastoči dendriti zavračajo Mn in S, kar povzroči povišanje njunih koncentracij v preostali talini (interdendritna segregacija).
Posledično se MnS izloča v meddendritnem prostoru na koncu strjevanja, kjer sta koncentraciji mangana in žvepla v preostali talini najvišji. Večja vsebnost žvepla v preostali talini pomeni tudi daljši interval strjevanja zlitine. Kljub dobri sposobnosti preoblikovanja MnS težavo predstavlja preoblikovana mikrostruktura takšnega jekla, ki vsebuje razpotegnjene trakove MnS in le-ti povzročajo anizotropijo mehanskih lastnosti vroče valjanih izdelkov.[8][11][12]
Glede na obliko sulfidne vključke delimo na: [22]
tip I: globularni,
tip II: verižni,
tip III: kotni,
tip IV: nepravilnih oblik.Delitev sulfidov glede na obliko prikazuje tudi slika 5.
11
Slika 5: Tipi sulfidnih vključkov glede na obliko[22]
2.2.2. Kemična nehomogenost
Kemična nehomogenost oziroma izcejanje pomeni povišano koncentracijo nečistoč ali legirnih elementov na določenih območjih strjene zlitine. Tako imenovane izceje nastanejo zaradi kopičenja nečistoč ali legirnih elementov pred strjevalno fronto, kar je posledica njihove manjše topnosti v trdni fazi. Izcejanje spada med težje rešljive tehnološke težave, saj so nekateri ukrepi za zmanjšanje izcejanja v nasprotju z nekaterimi ukrepi za reševanje drugih težav. Na primer doseganje zadostne mase in premera ulitkov, da se pri nadaljnji plastični predelavi v kovačnici ali valjarni lahko dosežejo zadostne stopnje deformacije.[1][7]
V grobem izcejanje delimo na mikroizcejanje in makroizcejanje. Mikroizcejanje, poznano tudi pod pojmom interdendritnega izcejanja, se pojavlja na kratkih razdaljah, pogosto med dendritnimi vejami. Središča dendritov, ki predstavljajo prva strjevalna območja, so bogata na elementih z visokim tališčem. Območja med dendriti so bogata z elementi z nižjim tališčem, saj se strdijo nazadnje. Kemična sestava in lastnosti takšne nehomogene trdne raztopine so običajno manj ugodne. V primerjavi z makroizceji lahko mikroizceje odpravimo s homogenizacijskim žarjenjem.[1][7]
12
Ob predpostavki popolnoma zavrte difuzije v trdnem stanju in neskončne hitrosti difuzije v tekočem ter ravnotežnem stanju na mejni površini tekoče – trdno, lahko za izračun koncentracije topljenca v trdnem stanju uporabimo Scheilovo enačbo.[10]
𝑐s = 𝑘ravn∗ 𝑐0(1 − 𝑓s)𝑘ravn−1 [Enačba 6]
Clyne in Kurz sta predlagala enačbo, ki upošteva tudi difuzijo v trdnem stanju.[10]
𝑐s= 𝑘ravn∗ 𝑐0 [Enačba 7]
𝛼′ =4𝐷s𝑡LS
𝜆2 [Enačba 8]
Makroizcejanje je nehomogenost kemične sestave na makroskopski ravni, nadalje jo delimo na območja pozitivnih izcej, negativnih (težnostnih) izcej, A-izcej, V-izcej in območje visokih segregacij. Naštete vrste makroizcej so prikazane na sliki 6. Ker makroskopskega izcejanja ni mogoče odpraviti z difuzijo med homogenizacijskim žarjenjem, za zmanjšanje intenzitete le- teh uporabljamo preventivne ukrepe.[1]
Slika 6: Vrste makroizcej[1]
13
A-segregacije nastanejo v coni stolpičastih zrn, na območjih s strukturo, za katere je značilen prehod iz transkristalnih v enakoosna zrna. A-segregati predstavljajo kanale, ki so obogateni z žveplom, ogljikom, fosforjem in drugimi nečistočami. Prvi predlagani mehanizem nastajanja teh vrst segregacij je zaradi termoraztopinske konvekcije, ki nastane kot posledica razlik v gostoti in temperaturi taline. Hladnejša interdendritna talina, ki je obogatena s topljencem, ion vroča talina v zgornjih predelih testaste cone skupaj destabilizirata testasto cono in povzročita nastajanje A-segregatov. Drugi mehanizem, ki opisuje njihovo nastajanje, je dokaj nov. Opisuje vpliv flotacije oksidnih vključkov na tvorbo segregacij. Če imamo v jeklu povišano vsebnost kisika ali je talina izpostavljena izvoru reoksidacije, se nam med litjem poleg že obstoječih tvorijo novi oksidni vključki v talini. Njihova flotacija povzroča nastajanje segregacijskih pasov. Ta mehanizem ne zamenja, ampak soobstaja s klasičnim mehanizmom nastajanja segregacij.[1][15]
Mehanizem nastanka »v«-izcej je opisan s tem, da je osrednji del ingota obogaten s topljencem, ki ga zavrne strjevalna fronta, ki prihaja od površine ingota v njegovo sredino. Osrednje območje je sestavljeno iz velikih enakoosnih zrn, ki se usedejo na strjevalno fronto, ki ima obliko črke »v«. Preostala talina, ki obdaja velika enakoosna zrna, je bogata s topljenci in pri strjevanju tvori t. i. »V«-segregate.[1]
Težnostne izceje so posledica razlike v gostoti med posameznimi topljenci. Prvo strjena kristalna zrna, ki so bogata na težjih elementih, se zaradi gostote posedajo v nogo ingota, kasneje tvorjena kristalna zrna v zadnjem strjevalnem območju so osiromašena na težjih elementih. Posledica tega je nastanek negativnih težnostnih izcej pri nogi ingota in pozitivnih izcej pri glavi.[1]
2.2.2.1.Vplivni parametri
Parametri, ki vplivajo na stopnjo in vzorec izcejanja pri sifonskem »bottom-up« litju, so:[1][15][16][17][18]
kemična sestava taline,
prisotnost nečistoč,
strujanje taline po kokili,
hitrost odvoda toplote,14
oblika in material eksotermnih oblog v glavi kokile,
višina glave ingota,
pregretje taline pred litjem,
temperatura, debelina in koničnost kokile,
vsebnost in velikost nekovinskih vključkov med litjem,
kokilno razmerje višine proti širini, temperatura podložne plošče,
širina dvofaznega področja med strjevanjem.
15
3 EKSPERIMENTALNI DEL
3.1 IZDELAVA GREDIC
3.1.1 Litje ingotov
V okviru eksperimentalnega dela smo analizirali ingote dveh različnih šarž. Pri vsaki šarži smo analizirali štiri ingote. Posebno pozornost smo namenili čistoči kokil, livnega sistema in procesu litja, kar je v obeh primerih potekalo brez nevšečnosti. Ingoti posamezne šarže so bili vzeti iz iste livne plošče, s pozicij s kratkimi livnimi kanali. S tem so bili pogoji litja za vse ingote enaki, kar je potrebno za verodostojno primerjavo rezultatov.
V prvem primeru smo med sabo primerjali le vpliv dveh različnih eksotermnih oblog oziroma proizvajalcev, nameščenih v glavo kokile. Pri drugi šarži smo želeli ugotoviti tudi, kako na izplen vpliva skrajšana obloga v glavi kokile, zato smo dve oblogi posamezne kakovosti skrajšali za 1 cm in drugi dve za 2 cm. V obeh primerih so bili ingoti uliti na prvi livni plošči.
V tabeli 1 so navedene oznake preiskovanih ingotov.
Tabela 1: Oznake analiziranih ingotov oziroma gredic
Številka šarže Oznaka ingota Proizvajalec izotermno-
eksotermne obloge Višina
111963
A1 Faprosid
12,5 cm
A2 Faprosid
A3 Exoterm
A4 Exoterm
112886
B1 Faprosid 11,5 cm
B2 Faprosid 10,5 cm
B3 Exoterm 11,5 cm
B4 Exoterm 10,5 cm
16
Po končanem strjevanju smo na trn izbili ingote iz kokil, jih označili, izmerili globino lunkerjev in jih transportirali v valjarno.
Ingote smo leta 2020 izdelali med redno proizvodnjo v jeklarni SIJ Metal Ravne. Po kakovostnih predpisih podjetja je temperatura litja jekla kakovosti OCR12VM 1460 °C. Slika 7 prikazuje postavitev kokil pri obeh šaržah, izbranih za analizo v okviru magistrskega dela. Na sliki 8 je fotografirana priprava livnega sistema za litje ingotov formata V11.
Slika 7: Shema livne plošče
Slika 8: Priprava livnega sistema za litje formata V11
17
Slika 9 prikazuje litje ingotov pri šarži 111963 in slika 10 izvlačenje ingotov pri isti šarži.
Slika 9: Litje ingotov formata V11
Slika 10: Izvlačenje ingotov
Na sliki 11 je fotografiran izvlečen in označen ingot pri šarži 111963.
18
Slika 11: Ingot po izvlačenju
19 3.1.2 Vroče valjanje
Valjanje je tehnološki postopek, pri katerem se presek valjanca zvezno spreminja med nasproti vrtečima se valjema. Pri vročem valjanju je temperatura deformacije višja od temperature rekristalizacije materiala. S preoblikovanjem materiala dosegamo tako velike stopnje deformacije, da imajo vpliv tudi na razvoj nekovinskih vključkov in delež poroznosti v materialu. Z deformacijo lahko vključkom spremenimo morfologijo, velikost, porazdeljenost in celo kemično sestavo. Kiessling in Lang sta poudarila, da je najpomembnejša fizikalna lastnost različnih faz nekovinskih vključkov njihova relativna plastičnost v primerjavi s plastičnostjo jekla pri različnih temperaturah.[20] Manjše poroznosti se med procesom vročega valjanja mehansko zavarijo, večje poroznosti se le razpotegnejo sorazmerno s podaljšanjem valjanca.
Glede na deformacijsko sposobnost lahko nekovinske vključke kategoriziramo v tri skupine:[20]
1. Plastičnim vključkom, kot na primer MnS, se plastičnosti postopno spreminja v širokem temperaturnem razponu.
2. Amorfni vključki se pri nizkih temperaturah obnašajo togo in nad kritično temperaturo postanejo preoblikovalni. Tipični vključki te vrste so amorfni silikati. Ti pri t. i.
temperaturi prehoda kritične viskoznosti (iz nepreoblikovalnosti v preoblikovalnost) postanejo plastični.
3. Kristalne ionske trdnine, najizrazitejši predstavniki so kristalni silikati, spineli in nekateri kalcijevi aluminati. Ti vključki so nepreoblikovalni in so krhki, dokler ne dosežejo temperature solidusa, ko postanejo tekoči. Temperatura prehoda iz neplastičnosti v plastičnost je torej približno enaka solidus temperaturi.
Na sliki 12 je podan shematski prikaz morfologije vključkov pred in po deformaciji z valjanjem.
20
Slika 12: Morfologija nekovinskih vključkov pred in po deformaciji[20]
Cilj magistrskega dela je optimizacija izplena gredic s stranico 130 mm. Po tehnološkem predpisu za vroče valjanje ingotov formata V11 iz jekla OCR12VM se morajo ti 12 ur ogrevati v globinski peči. Parametri ogrevanja so prikazani na diagramu na sliki 13. Začetna temperatura valjanja je 1160–1120 °C, medtem ko je končna temperatura valjanja 950–850 °C.
Slika 13: Diagram ogrevanja ingota pred predvaljanjem
21
Ogret ingot s predvaljanjem preoblikujemo v valjanec s ploščatim presekom, in sicer 250 mm
× 210 mm. Temu sledi 11-urno ogrevanje predvaljanca na temperaturo valjanja, 1170 °C, kar prikazuje diagram na sliki 14. S končnim valjanjem izdelamo gredice s kvadratnim presekom.
Sledi odrez gredic, v tem primeru 30 cm za nogo in 60 cm za glavo gredice. Sledi žarjenje gredic za odpravo napetosti.
Slika 14: Diagram ogrevanja ingota pred končnim valjanjem
22
Slika 15: Predvaljanje ingota
Slika 16: Zalaganje predvaljancev v globinsko peč
23
3.2 VZORČENJE
Po žarjenju za odpravo napetosti smo gredice s tračno žago razrezali v obratu EPŽ, in sicer kot prikazuje slika 17. Na vsaki gredici smo določili pet mest za analiziranje. Mesto, označeno z G1, je na meji odreza glave gredice, mesti G2 in G3 v glavi ter mesti T1 in T2 v telesu.
Slika 17: Načrt odreza preiskovalnih plošč iz gredic
Vzorce za nadaljnje analize smo iz odrezanih plošč izrezali na četrtini njihove širine, kot prikazuje slika 18.
Slika 18: Načrt odvzema vzorca iz plošč
V nadaljevanju so oznake vzorcev sestavljene iz oznake ingota (A1, A2 …) in oznake vzorca (T1, T2 …).
24
3.3 PREISKOVALNE METODE
3.3.1 Analiza vsebnosti nekovinskih vključkov
Vsebnosti nekovinskih vključkov smo določili v metalografskem laboratoriju podjetja SIJ Metal Ravne. Kategorizirali smo jih po dveh metodah, prvič po metodi K na temelju standarda DIN 50602 in drugič po metodi A na temelju standarda ASTM 45-E.
3.3.1.1 Karakterizacija vključkov glede na standard DIN 50602
S standardom DIN 50602 je opredeljena mikrografska metoda za določevanje sulfidnih in oksidnih nekovinskih vključkov v posebnih jeklih. Poleg karakterizacije glede na kemično sestavo ta standard vključke glede na velikost vključka (dolžina in širina/premer) in gostoto vključkov v opazovanem področju razporedi še v podskupine.
Vsebnosti nekovinskih vključkov v jeklu določamo na področju, vidnem pod mikroskopom, na osnovi primerjave z modelnimi slikami (standardi UNI 3244, ISO 4967 in DIN 50602).
3.3.1.1.1 Metoda K
Metoda K je ena izmed dveh metod, s katero lahko s standardom DIN 50602 karakteriziramo nekovinske vključke. Opazovana polirana površina mora znašati vsaj 100 mm2. Ocenjevanje se začne z določitvijo najmanjše stopnje velikosti vključkov. Določimo število nekovinskih vključkov na celotni površini analiziranega dela in ga normiramo na površino 1000 mm2. Analizirajo se le vključki do velikosti 53 µm.
Na temelju proizvodnega procesa, vrste jekla in dimenzij gredice smo se odločili za klasifikacijo K4 (upoštevamo samo vključke velikostnega razreda štiri ali več). Število nekovinskih vključkov posameznega tipa in število ocene se pomnožita s pripadajočim faktorjem v standardu priloženi tabeli. Produkti za sulfidne in oksidne tipe se računajo posebej
25
ter se nato seštejejo. Dobimo vmesno vsoto, ki jo vnesemo v enačbo 9, s katero izračunamo indeks, ki opredeljuje vsebnost nekovinskih vključkov v jeklu.
𝐼 =𝑆∗1000
𝐴 [Enačba 9]
Oznake v enačbi:
I – indeks, s katerim določamo vsebnost nekovinskih vključkov, S – vmesna vsota,
A – celotna površina poliranega dela vzorca (mm2).
Dobljena indeksa sulfidnih in oksidnih tipov se seštejeta v končni indeks. Po standardu rezultat zapišemo v obliki: K4 = 5 (S: 2; O: 3).
3.3.1.2 Karakterizacija vključkov glede na standard ASTM E45
Nekateri uporabniki jekel se pri karakterizaciji nekovinskih vključkov zanašajo na standard ASTM E45. Vključki se po tem standardu karakterizirajo glede na njihovo velikost, porazdelitev, število in tip. Standard ASTM E45 zajema več metod analize tako makroskopskih kot mikroskopskih. Mi smo vključke karakterizirali po metodi A.
3.3.1.2.1 Metoda A
Nekovinski vključki so po tej metodi razporejeni v štiri kategorije oziroma tipe glede na njihovo morfologijo in v dve podkategoriji glede na njihovo debelino oziroma premer.
Glede na morfologijo je delitev naslednja:
26
A – sulfidni tip,
B – aluminatni tip,
C – silikatni tip,
D – globularni oksidni tip.Glede na njihovo debelino oziroma premer jih delimo v:
At, Bt, Ct, Dt – tanki vključki,
Ad, Bd, Cd, Dd – debeli vključki.Mejna debelina in premer za uvrstitev vključka v podskupino sta za vsak tip vključkov različna in ju najdemo v standardu priloženi tabeli.
Čeprav metoda A vključuje tudi delitev nekovinskih vključkov po kemični sestavi, je najpomembnejši parameter karakterizacije njihova morfologija. Osnovni štirje tipi se ocenijo glede na število ali dolžino vključkov, prisotnih na 0,50 mm2 velikem vidnem polju. Ocena ima vrednosti v intervalu med 0 in 5, korak med posameznimi stopnjami je 0,5.
Vzorci morajo imeti ravno, polirano površino, brez sledi jedkanja. Za potrebe zadovoljitve standarda znaša minimalna dovoljena površina vzorca za analizo 160 mm2. Mikroskop mora biti nastavljen na 100-kratno povečavo.
3.3.2 Določanje kemične nehomogenosti
3.3.2.1 SEM-EDX-analiza
Linijsko analizo kemične nehomogenosti vzorcev smo naredili z metodo SEM-EDX, z elektronskim mikroskopom JOEL JSM6500F. Skupna dolžina analiziranega območja vzorca je pri 200 korakih znašala 1200 µm. Določili smo vsebnosti naslednjih elementov: C, Mo, Al, Si, P, S, V, Cr, Mn, Fe in Ni. Sledil je še izračun stopnje kemične nehomogenosti posameznih
27
elementov, in sicer z enačbo 10, ki opisuje indeks izcejanja (angl. segregation index) in z enačbo 11, ki opisuje stopnjo izcejanja (angl. segregation rate).[21]
𝐼s =𝐶max
𝐶min [Enačba 10]
𝐼sg =𝐶max−𝐶min
𝐶0 [Enačba 11]
Oznaka Cmax podaja največjo izmerjeno vsebnost elementa, Cmin najmanjšo in C0 vsebnost elementa, izmerjeno na vzorcu taline, vzetem med litjem.
3.3.2.2 Kemična analiza
Za natančnejše podatke vsebnosti kemičnih elementov smo v laboratoriju za kemijo podjetja SIJ Metal Ravne naredili tudi kemično analizo vzorcev. Vsebnost ogljika smo določili z napravo LECO CS230, vsebnost žvepla z analizatorjem LECO CS600 in vsebnost drugih preiskovanih elementov z masnim spektrometrom ARL 3460.
3.3.3 Ocenjevanje poroznosti
Na strjenih ingotih smo izmerili velikost lunkerjev, in sicer tako, da smo na vsakem ingotu po obeh diagonalah nasprotnih si vrhov najvišjih strjenih točk v glavi prislonili kovinsko palico in izmerili dolžino med palico in najglobljim delom lunkerja, ki se je v primeru vseh ingotov nahajal v sredini glave. Od obeh izmerjenih vrednosti pri posameznem ingotu smo nato izračunali povprečje. Prisotnost plinske in krčilne makroporoznosti smo na odrezih gredic vizualno ocenili pred vzorčenjem in površino odrezov fotografirali.
28
4 REZULTATI IN RAZPRAVA
4.1 VSEBNOST NEKOVINSKIH VKLJUČKOV
V tabeli 2 so predstavljeni rezultati vsebnosti nekovinskih vključkov prve šarže.
Tabela 2: Vsebnost nekovinskih vključkov pri šarži 111963 Vzore
c
ASTM E45-met. A DIN 50602-met. K
At Bt Ct Dt Ad Bd Cd Dd K3 K4
A1-T2 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A1-T1 0,5 1 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A1-G1 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A1-G2 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A1-G3 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A2-T2 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A2-T1 0,5 1 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A2-G1 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A2-G2 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A2-G3 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A3-T2 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A3-T1 0,5 1 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A3-G1 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A3-G2 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A3-G3 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A4-T2 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A4-T1 0,5 1 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A4-G1 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A4-G2 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
A4-G3 0,5 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
V vseh vzorcih so bili prisotni tanki vključki sulfidnega tipa, tanki in debeli vključki globularnega oksidnega tipa ter debeli in tanki aluminatni vključki. Z oceno 1,0 izstopajo
29
analize, opravljene na vzorcih A1-TI, A2-T2, A3-T1 in A4-T1. Po metodi K, standard DIN 50602, so vse izmerjene vsebnosti zadostovale oceni 0.
V tabeli 3 so predstavljeni rezultati vsebnosti nekovinskih vključkov druge šarže.
Tabela 3: Vsebnosti nekovinskih vključkov pri šarži 112886 Vzore
c
ASTM E45-met. A DIN 50602-met. K
At Bt Ct Dt Ad Bd Cd Dd K3 K4
B1-T2 0 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B1-T1 0 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B1-G1 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B1-G2 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B1-G3 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B2-T2 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B2-T1 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B2-G1 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B2-G2 0 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B2-G3 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B3-T2 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B3-T1 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B3-G1 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B3-G2 0 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B3-G3 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B4-T2 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B4-T1 0 0,5 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B4-G1 0,5 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B4-G2 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
B4-G3 0 0 0 1 0 0 0 0,5 0 0
Podobno kot pri prvi šarži so bili v vseh vzorcih iz šarže 112886 prisotni tanki vključki sulfidnega tipa, tanki in debeli vključki globularnega oksidnega tipa in debeli aluminatni vključki. Pri vzorcih B1-T2, B1-T1, B2-G2 in B4-G1so bili prisotni še tanki aluminatni vključki ocene 0,5. Po metodi K so vse izmerjene vsebnosti zadostovale oceni 0.
Slika 19 grafično prikazuje rezultate, predstavljene v tabelah 2 in 3.
30
Slika 19: Vsebnost nekovinskih vključkov pri šarži 111963
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Ocena
Vzorec
Vsebnost nekovinskih vključkov
At Bt Ct Dt Ad Bd Cd Dd
31
4.2 KEMIČNA NEHOMOGENOST
4.2.1
SEM-EDX
V tabeli 4 so prikazani rezultati indeksa izcejanja prve šarže. Celice, označene z zeleno barvo, ponazarjajo vrednosti z najmanjšim indeksom izcejanja in v tabeli 5 najmanjše stopnje izcejanja posameznih elementov. Z rdečo so označene največje vrednosti.
Tabela 4: Vrednosti indeksa izcejanja pri šarži 111963
Vzorec C Mo Al Si P S V Cr Mn Ni
A1-T2 55,8 598,7 211,0 109,0 299,0 292,5 684,0 35,5 466,5 258,0 A1-T1 19,0 111,0 16,0 27,0 25,4 35,0 53,8 44,7 43,0 60,0 A1-G1 97,5 209,1 218,0 268,0 76,5 393,0 553,5 24,4 317,0 582,0 A1-G2 108,5 1255,0 235,0 125,0 265,0 240,0 1066,0 17,1 506,5 75,2 A1-G3 112,0 343,5 172,0 271,0 69,0 193,5 396,5 85,7 140,6 1093,0 A2-T2 76,3 214,1 234,0 291,0 97,3 323,0 1065,0 19,2 177,5 310,3 A2-T1 99,5 246,5 209,0 195,0 51,0 978,0 328,5 28,0 1309,3 628,0 A2-G1 74,3 267,0 122,0 102,0 227,0 482,0 322,0 156,0 839,0 202,6 A2-G2 70,0 139,2 117,0 103,0 44,3 284,0 638,0 7,0 76,8 384,0 A2-G3 253,0 220,5 86,5 216,0 260,0 69,3 250,7 22,2 479,0 724,0 A3-T2 118,5 73,4 190,0 124,5 223,0 420,0 262,0 32,3 364,5 401,5 A3-T1 76,0 366,8 255,0 153,5 124,5 423,0 238,6 26,7 59,6 1045,0 A3-G1 117,7 412,5 154,0 253,0 123,3 539,0 172,4 19,1 344,0 572,0 A3-G2 90,0 456,3 173,0 205,0 57,8 338,0 735,0 27,5 199,0 380,0 A3-G3 211,0 196,8 299,0 249,0 81,0 168,3 287,7 29,8 225,3 842,0 A4-T2 120,5 432,7 232,0 109,5 321,0 474,0 562,0 24,3 427,0 753,0 A4-T1 223,0 262,0 208,0 218,0 257,0 73,0 813,0 13,6 265,5 650,0 A4-G1 43,0 567,0 75,50 174,0 278,0 68,0 134,8 34,0 98,3 301,0 A4-G2 371,0 1466,0 92,0 126,5 155,0 89,2 704,0 16,6 193,3 792,0 A4-G3 220,0 104,1 189,0 116,5 340,0 321,0 350,7 15,3 478,0 320,0
Grafični prikaz indeksa izcejanja vzorcev šarže 111963 je ponazorjen v prilogi 1.
Najmanjše vrednosti indeksa se z izjemo molibdena in kroma nahajajo v vzorcu A1-T1 iz prve gredice. Iz te gredice so tudi vzorec z največjo vrednostjo indeksa izcejanja vanadija, vzorec A1-G2 in niklja ter vzorec A1-G3. Nepričakovano se največje vrednosti indeksov izcejanja
32
silicija, žvepla, kroma in mangana nahajajo v telesu druge gredice oziroma na meji med telesom in glavo, saj smo uporabile enako eksotermno izolacijsko oblogo. V vzorcu A3-T2, vzetem iz tretje gredice, je vrednost indeksa izcejanja molibdena najmanjša in aluminija v vzorcu A3-G3 največja. V vzorcih četrte gredice smo izmerili največje vrednosti indeksa za ogljik in molibden, vzorec A4-G2 in za fosfor v vzorcu A4-G3.
V tabeli 5 so prikazani rezultati vrednosti stopnje izcejanja za prvo šaržo, grafični prikaz rezultatov je v grafu v prilogi 2. Prilogi 3 in 4 vsebujeta grafični prikaz povprečnih stopenj izcejanja elementov, ločeno po dobaviteljih oblog.
Tabela 5: Stopnja izcejanja pri šarži 111963
Vzorec C Mo Al Si P S V Cr Mn Ni
A1-T2 1,8 24,2 150,0 10,5 135,5 728,8 9,1 4,6 33,3 40,6
A1-T1 1,2 14,9 107,1 8,4 110,9 425,0 9,2 4,4 16,5 31,1
A1-G1 1,3 25,3 155,0 8,6 137,3 490,0 14,7 4,5 22,6 30,6
A1-G2 1,4 16,9 167,1 8,0 120,0 597,5 14,2 4,1 36,1 35,2
A1-G3 1,5 18,5 122,1 8,7 123,6 481,3 10,6 4,5 24,9 57,5
A2-T2 2,0 28,8 166,4 9,4 131,4 805,0 14,2 5,0 25,2 48,8
A2-T1 1,3 19,9 148,6 6,3 90,9 2442,5 17,5 4,3 140,2 33,0
A2-G1 1,5 18,0 172,9 9,8 102,7 601,3 12,8 5,4 29,9 53,1
A2-G2 0,5 11,2 82,9 3,3 59,1 353,8 8,5 3,8 10,8 20,2
A2-G3 1,7 17,8 122,1 6,9 117,7 512,5 10,0 4,5 17,1 38,1
A3-T2 1,6 18,6 135,0 8,0 100,9 523,8 10,4 4,7 26,0 42,2
A3-T1 0,5 19,8 181,4 9,8 112,3 527,5 15,8 4,8 23,0 55,0
A3-G1 2,3 22,2 218,6 8,1 166,8 672,5 11,4 4,8 24,5 30,1
A3-G2 1,2 18,5 122,9 6,6 103,2 421,3 9,8 5,0 21,2 39,9
A3-G3 1,4 23,8 212,9 8,0 109,1 627,5 11,5 4,8 32,0 44,3
A4-T2 1,6 17,5 165,0 7,0 145,5 591,3 15,0 4,9 30,4 39,6
A4-T1 1,5 17,6 147,9 7,0 116,4 630,0 10,8 4,8 18,9 34,2
A4-G1 1,4 15,3 106,4 5,6 125,9 335,0 10,7 4,5 27,8 31,6
A4-G2 2,5 19,8 130,0 8,1 140,0 661,3 9,4 4,8 20,6 41,6
A4-G3 1,5 18,1 134,3 7,5 154,1 400,0 14,0 5,4 17,0 33,6
V vzorcu iz prve gredice je bila izračunana največja stopnja izcejanja silicija, vzorec A1-T2, in niklja, v vzorcu A1-G3. V vzorcu A2-G2 iz druge gredice so bile z izjemo žvepla izračunane
33
najmanjše vrednosti stopnje izcejanja. Hkrati so bile v vzorcih iz te gredice določene največje vrednost za žveplo, vanadij in mangan, molibden in krom. Vzorec A3-G1 iz tretje gredice ima največji vrednosti stopnje izcejanja aluminija in fosforja. V vzorcu A4-G2 iz četrte gredice smo izračunali največjo vrednost stopnje izcejanja ogljika in v vzorcu A4-G1 najmanjšo vrednost za izcejanje žvepla. Iz tabele je razvidno, da so pri vseh vzorcih največje vrednosti stopnje izcejanja za žveplo.
V tabeli 6 so prikazani rezultati indeksa izcejanja za drugo šaržo. Grafični prikaz podatkov iz tabele je v prilogi 5.
Tabela 6: Indeks izcejanja pri šarži 112886
Vzorec C Mo Al Si P S V Cr Mn Ni
B1-T2 157,0 129,0 134,0 170,0 101,0 101,3 333,0 12,7 75,2 475,0 B1-T1 61,0 54,9 144,0 153,0 199,0 38,1 414,0 35,7 145,2 332,0 B1-G1 166,0 1802,0 287,0 88,0 89,3 99,8 492,0 26,8 168,8 207,0 B1-G2 156,0 284,0 91,0 327,0 55,7 286,0 951,0 11,1 112,5 34,2 B1-G3 293,0 87,0 241,0 135,5 207,0 247,5 858,0 15,4 47,4 96,3 B2-T2 53,3 329,8 182,0 187,0 108,5 355,0 882,0 15,7 290,0 12,7 B2-T1 185,0 41,2 291,0 233,0 384,0 302,0 992,0 15,6 125,8 536,0 B2-G1 57,3 149,1 198,0 96,0 72,7 418,0 492,0 17,8 83,3 932,0 B2-G2 217,0 536,0 222,0 205,0 311,0 122,3 612,0 24,5 837,0 557,0 B2-G3 53,0 172,3 78,0 162,0 58,8 316,0 340,5 16,0 527,0 332,5 B3-T2 167,0 178,8 136,0 96,5 192,0 378,0 948,0 15,5 835,0 324,5 B3-T1 38,2 111,8 209,0 192,0 176,0 50,3 991,0 48,6 371,0 657,0 B3-G1 208,0 160,9 173,0 54,8 200,0 447,0 167,0 15,1 70,8 816,0 B3-G2 245,0 543,0 192,0 124,0 128,5 452,0 409,5 39,0 674,0 750,0 B3-G3 183,0 1650,0 164,0 289,0 259,0 110,3 327,5 39,3 111,7 747,0 B4-T2 99,0 1127,0 92,0 225,0 220,0 495,0 320,3 18,4 265,0 607,0 B4-T1 213,0 49,4 290,0 116,0 246,0 449,0 288,7 15,2 117,2 216,0 B4-G1 1532,0 400,2 211,0 139,5 241,0 140,0 552,5 57,3 740,0 756,0 B4-G2 234,0 472,7 191,0 262,0 120,5 221,5 245,3 15,4 247,5 678,0 B4-G3 140,0 111,1 548,0 206,0 192,0 187,5 853,0 13,2 597,0 82,2
Vzorec B1-G1, vzet iz prve gredice druge šarže, ima največje vrednosti indeksa izcejanja za molibden in vzorec B1-G2 za aluminij. V vzorcu B1-G2 so bile sočasno izračunane najmanjše vrednosti indeksa izcejanja fosforja in kroma. Vzorec B1-T1 ima najmanjšo vrednost izcejanja
34
za žveplo in vzorec B1-G3 za mangan. V vzorcih iz druge gredice so bile poleg najmanjših vrednosti indeksov izcejanja molibdena pri B2-T1, aluminija pri B2-G3 ter in pri B2-T2 izračunane tudi največje vrednosti za fosfor in vanadij pri B2-T1, mangan pri B2-G2 in nikelj pri B2-G1. V vzorcih iz tretje gredice so bile najdene najmanjše vrednosti indeksa izcejanja ogljika, vzorec B3-T1, ter silicija in vanadija v vzorcu B3-G1. Četrta gredica ima največje vrednosti indeksa izcejanja ogljika in kroma, vzorec B4-G1, aluminija pri B4-G3 in žvepla pri B4-T2.
V tabeli 7 so prikazani rezultati stopnje izcejanja pri drugi šarži, grafični prikazi se nahajajo v prilogah 6–9.
Tabela 7: Stopnja izcejanja pri šarži 112886
Vzorec C Mo Al Si P S V Cr Mn Ni
B1-T2 1,0 15,4 166,3 6,5 100,0 501,7 12,6 4,2 25,6 20,6 B1-T1 1,2 14,4 178,8 5,9 99,0 618,3 10,5 4,6 24,9 28,8 B1-G1 1,1 24,0 357,5 6,7 132,5 823,3 12,4 4,4 28,9 26,9 B1-G2 1,0 15,1 225,0 12,5 82,0 475,0 12,0 3,9 15,4 26,0 B1-G3 1,9 24,1 300,0 10,4 103,0 821,7 10,9 4,3 27,2 37,3 B2-T2 1,4 17,5 226,3 7,2 107,5 590,0 11,2 4,8 19,9 8,1 B2-T1 1,2 14,5 362,5 8,9 191,5 501,7 12,5 4,8 21,5 23,3 B2-G1 1,1 19,8 246,3 7,3 107,5 695,0 12,4 4,6 25,6 40,5 B2-G2 1,4 21,4 276,3 7,9 155,0 808,3 15,5 4,6 28,8 24,2 B2-G3 1,0 13,7 192,5 6,2 115,5 525,0 8,6 4,3 18,1 28,8 B3-T2 1,1 14,2 168,8 7,4 95,5 628,3 12,0 4,8 28,8 28,1 B3-T1 1,2 17,7 260,0 7,4 87,5 656,7 12,5 4,6 25,5 28,5 B3-G1 1,4 14,9 215,0 8,3 99,5 743,3 10,5 5,0 24,1 35,4 B3-G2 1,6 21,7 238,8 9,5 127,5 751,7 10,3 4,9 23,2 32,6 B3-G3 1,2 22,0 203,8 11,1 129,0 728,3 8,3 4,7 38,2 32,4 B4-T2 1,3 15,0 227,5 8,6 109,5 823,3 12,1 4,3 18,2 26,4 B4-T1 1,4 14,8 361,3 8,9 122,5 746,7 10,9 4,7 24,0 28,0 B4-G1 10,1 26,6 262,5 10,7 120,0 695,0 14,0 4,6 25,5 32,8 B4-G2 1,5 18,9 237,5 10,0 119,5 735,0 9,3 4,3 17,0 29,4 B4-G3 0,9 13,2 683,8 7,9 95,5 621,7 10,8 4,6 20,6 21,2
V vzorcih prve gredice šarže 112886 smo izračunali najmanjše vrednosti stopnje izcejanja aluminija, vzorec B1-T2, silicij, vzorec B1-T1, ter fosfor, žveplo, krom in molibden v vzorcu
35
B1-G2, pri katerem je bila hkrati največja vrednost stopnje izcejanja silicija. V vzorcih druge gredice so največje vrednosti pri siliciju, vanadiju in fosforju, in sicer pri vzorcih B2-T1, B2- G2 in B2-G1. Nikelj ima najnižjo stopnjo pri vzorcu B2-T2. Tretja gredica vsebuje najnižjo vrednost vanadija na vzorcu B3-G3 ter največje vrednosti pri kromu in manganu na vzorcih B3-G1 in B3-G3. Pri četrti gredici imamo največje vrednosti v primeru ogljika in molibdena pri vzorcu B4-G1, aluminija pri vzorcu B4-G3 in žvepla pri vzorcu B4-T2 ter najnižje vrednosti pri ogljiku in molibdenu na vzorcu B4-G3.
Prilogi 5 in 6 grafično prikazujeta povprečne izračunane vrednosti stopnje izcejanja kemičnih elementov. Če primerjamo povprečne rezultate stopnje izcejanja elementov v primeru uporabe nespremenjenih Faprosid eksotermno izolacijskih oblog z rezultati stopnje izcejanja z uporabo 1 cm skrajšane obloge istega proizvajalca, vidimo, da smo v primeru ogljika, molibdena, silicija, žvepla, vanadija, kroma, mangana in niklja dobili nižje stopnje izcejanja. Stopnja izcejanja aluminija je podobna, občutno višje vrednosti se pojavijo le pri žveplu, in sicer pri odrezu G1 in G3.
Podobne rezultate smo dosegli tudi v primeru uporabe za 2 cm skrajšane obloge Faprosid. Višje, a še vedno zadovoljive vrednosti stopnje izcejanja se pojavijo v odrezih v telesu, medtem ko na meji glave in telesa dobimo nižje vrednosti. Pri odrezu G2 se vrednosti pri aluminiju, fosforju in žveplu občutno povečajo, v primeru odreza G3 ostajajo podobne, kot jih dosegamo s trenutnim stanjem v proizvodnji, torej podobno kot v primeru povprečnih stopenj izcejanja elementov pri uporabi oblog Faprosid pri šarži 111963.
V primeru za 1 cm skrajšane eksotermno izolacijske obloge Exoterm dobimo v primerjavi s povprečnimi vrednostmi stopnje izcejanja elementov, pridobljenimi pri šarži 111963, z uporabo oblog istega proizvajalca, občutno višje vrednosti pri aluminiju in žveplu. Stopnja izcejanja aluminija je v odrezih v telesu za približno 13 % večja in v glavi od 39 % do 48 % večja. V primerjavi s povprečnimi stopnjami izcejanja z uporabo nespremenjenih oblog Faprosid pri aluminiju v primeru gredice B3 v odrezu T2 dobimo 7 % višjo vrednost pri aluminiju in 18 % nižjo vrednost pri žveplu, nižjo vrednost dobimo tudi pri fosforju. Že pri odrezu T1 se kljub znižanju stopnje izcejanja žvepla za 54 % pri aluminiju le-ta poviša za 103 %, zniža se tudi stopnja izcejanja fosforja.
Najslabše rezultate stopnje izcejanja aluminija, fosforja in žvepla smo pri šarži 112886 dosegli z uporabo 2 cm skrajšane obloge Exoterm. Z izjemo stopnje izcejanja aluminija in fosforja v primeru gredice B2, ki sta bila za 0,3 % in 36 % nižja, so vse vrednosti stopnje izcejanja
36
aluminija in žvepla višje glede na dobljene rezultate ostalih gredic v odrezih T2 in T1. Tudi v primerjavi s povprečjem gredic A1 in A2 se je gredica B4 obnesla slabše glede stopnje izcejanja aluminija in žvepla pri odrezu T2, pri čemer se vrednost pri aluminiju v odrezu T1 še nadalje poviša, skupaj z stopnjo izcejanja fosforja. Ker stopnja izcejanja žvepla v vzorcu A2-T1 močno izstopa, lahko predvidevamo, da bi z nadaljnjimi preizkusi uporabe nespremenjenih oblog Faprosid dosegli večjo stopnjo ponovljivosti in tako z večjo gotovostjo označili omenjeno vrednost kot anomalijo, pri čemer bi se skupaj s povprečno izračunano stopnjo izcejanosti žvepla zmanjšala tudi razlika le-te v primerjavi z vrednostmi, izračunanimi pri odrezu T1 pri gredici B4, ki v tem trenutku izkazuje ugodnejše vrednosti. Da vrednost stopnje izcejanja žvepla pri odrezu B4-T1 najverjetneje presega vrednost stopnje izcejanja žvepla pri odrezu A2-T1, lahko sklepamo iz dejstva, da je izračunana vrednost za vzorec A1-T1 za 2017,5 (83 %) nižja.
Poleg tega je stopnja izcejanosti žvepla v odrezu B4-T1 z izjemo omenjene vrednosti v odrezu A2-T1 nenehno višja v vseh odrezih glede na povprečne izračunane vrednosti stopnje izcejanja žvepla pri šarži 111963.
4.2.2
Kemična analiza
V tabelah 8 in 10 sta prikazani kemični analizi, vzeti med litjem ingotov. Tabeli 9 in 10 prikazujeta podatke kemične analize vzorcev.
Tabela 8: Kemična analiza šarže 111963
C Si Mn P S Cr Ni Mo V Cu
1,50 0,31 0,28 0,022 0,008 11,42 0,19 0,74 0,75 0,07
W Al B Ti Nb Co As Sb Sn
0,05 0,014 0,0004 0,0080 0,0030 0,02 0,004 0,004 0,005
Tabela 9: Kemična analiza vzorcev šarže 111963
Element Pozicija Ingot
1 2 3 4
C
T2 1,49 1,53 1,52 1,52
T1 1,52 1,55 1,54 1,51
G1 1,47 1,51 1,52 1,51
G2 1,5 1,47 1,52 1,5
