CS49291A3 - Control and regulation of molten metals primary inoculation - Google Patents

Description

Zfrůsob řízení a regulace primárního •o •'J &amp;á}ií Železných o tev-enin Oblast techniky Z *> m >>o<; r— -c m N -< Ξ 1to —J T-

Vynálež se týká způsobu řízení procesu tuhnutí slévárenskýchtavenin vymezením schopnosti vnitřní krystalizace taveniny aprováděními jeho korekcí, pokud' je to třeba. Při výrobě litinyvšech možných typů je velice důležité kontrolovat počet krysta-lů grafitu vytvořených na jednotku objemu. V bílé litině se ne-tvoří žádné krystaly grafitu; maková litina mé jen málo krystalůgrafitu; šedá litina a litina s kompaktním grafitem má poměrněmalé množství krystalů grafitu a tvárná litina má velký početkrystalů grafitu.

Dosavadfrí stav techniky

Krátce před odléváním se přidává do taveniny očkovací stimulansza účelem povzbuzeni tvorby požadovaného počtu krystalů grafitu.

Na trhu je dostupné velké množství očkovacích stimulantů, větši-na z nich jě na bázi ferosilieia /FeSi/ nebo karbidu křemíku.

Mnoho z těchto stimulantů obsahuje tak zvaná očkovací činidlaa také určité přísady, jako je vápník, stroncium nebo zirkoniumza účelem zesílení účinku stimulantů. Účinek vyvozený očkovací-mi činidly je velice krátkodobý, proto se musí tato činidla při-dávat do taveniny v pozdním stádiu procesu odlévání, často do prou-du odlévané taveniny nebo dokonce do právě plněné licí formy.

Je pochopitelné, že se účinek těchto přísad obtížně monitorujea řídi, aby se mohlo dosáhnout optimálních výsledků, proto » do-sažený očkovací účinek bude rozdílný u každé taveniny a tedy iu každého odlitku. Mechanismus očkování grafitových krystalů,který se v současné době provádí částicemi FeSi / substance seobvykle přidává ve tvaru hrubých granulí o rozměru 1 až 10 mm /je dobře popsán v literatuře /viz například Ch.Wang a Fredrikson,48.kongres slévérenství ve Varně, Bulharsko, 1981, 4.-7.10., 255/♦Ekvivalent uhlíku / to je C.E.=%C + %Si/4 / dostatečně vzrostev difúzní zóně, která nastane tehdy, když se částice FeSi roz-pustí v tavenině za účelem vytváření krystalů grafitu v tavenině, za předpokladu, Že tyto malé krystalky grafitu vydrží až do tep-loty jejich normálního růstu /to je obvykle při teplotě 1155 C/. 4 - 2 - Zá těchto okolností je krystal grafitu schopen vyvíjet se až dovločkového grafitového krystalu nebo kuličkového grafitu, v zá-vislosti na chemickém prostředí převládajícím v železné tavenině.Whereas Wang a Fredrikson konstatují, že vytváření grafitovýchkrystalů nastává při procesu homogenního očkování, mnozí jiní au-toři, například Jacobs a kolektiv, Metals Technology, březen1976’, strana 98 /strana 102/ uvádějí zkušenost, že vytváření gra-fitových krystalů je heterogenní očkovací proces. Tito autoři to-tiž objevili v grafitových krystalech primární krystálizační zá-rodky, které sestávají ze souboru oxidů takových prvků, jako váp-ník, hořčík a hliník spinelového typu, které jsou termodynamickystabilní a dobře rozptýlené v tavenině. Popsaný vynález je zalo-žen na významu těchto tak zvaných primárních zárodků. Koncentra-ce těchto primárních zárodků v základních taveninách používanáv současných technologiích odlévání se značně mění a je částečnězpůsobená použitým výchozím materiálem. Tento výchozí materiálse sestavuje z houbovitého železa, recyklovaného materiálu z hu-tí, používaného jako ocelový Šrot a více méně definovaného jakošrot nakoupený na trhu. Důležitou roli hraje také použitý způsob tavení. Pece pra-cuji na různých principech ohřevu základní železné taveninyna různé teploty během tavícího procesu / například kuplovny vy-tápěné plynem nebo olejem, obloukové pece a indukční pece/. Pec-ní vyzdívky déle ovlivňují vznik sulfidů a oxysulfidů a částicoxidů v roztavené^ materiálu. Proto se koncentrace primárních zá-rodků v základní tavenině bude velmi rozsáhle měnit a ne pouzeod jedné výrobní linky ke druhé, ale také od dávky k dávce v té-že výrobní lince. ďe známo mnoho patentových spisů přinášejících cenné infor-mace týkající se vlastností taveniny. SE-B-350 606 zvláště vy-světluje způsob, podle kterého se vzorek taveniny dává do vzorko-vací nádoby, kde se zaznamenávají změny tavení hliníku a teplotyv době tuhnutí taveniny, pomocí termočlánku umístěného v taveni-ně. Těchto záznamů se potom používá k předvídání podmínek krysta-lizace na bázi hodnot přechlazenl, sklonu různých částí křivkya konstantních teplot během eutektické reakce. SE-B-444 817 vy-světluje způsob týkající se vlastností taveniny, kterých můžedosaženo vymezením možnosti, zda tavenina bude tuhnout jako li- - 3 - tina s vločkovým . grafitem, jako litina s kompaktním grafitemnebo, jako litina s kuličkovým grafitem. Tyto informace' se získa-jí pomocí dvou termočlánků, z nichž jeden je umístěn v taveniněuprostřed vzorkovací nádoby a druhý je umístěn v tavenině poblížstěny táto nádoby.

Podstata vynálezu

Způsob regulace procesu tuhnutí při odlévání železa,.podle*vyná-lezu, obsahující operace vymezení schopnosti vnitřní krystaliza-ce v základní železné tavenině a modifikování této schopnosti,jehož podstatou je, že se do vzorkovací nádoby dodá vzorek tave-niny.,. který je v tepelné rovnováze s množstvím vzorku před za-čátkem tuhnutí, kde tato- vzorkovací nádoba je opatřena alespoňjedním termočlánkem a obsahuje vymezené a kalibrované množstvíočkovacího činidla na bázi FeSi, které postačuje k vytvoření ma-ximálního očkovacího účinku umožňujícího ztuhnutí vzorku taveni-ny, zatímco zaznamenávaná teplota se mění za jednotku času, dále,že se vymezí rozdíl mezi minimální teplotou ve fázi přeehlazení,maximální teplotou ve fázi eutektické reakce a eutektickou rov-novážnou teplotou T ,, dále, že se přidávají do základní taveninytermodynamicky stabilní částice spinelového typu nebo. oxysulfidůprvků jako je hořčík, hliník, draslík, zirkonium, stroncium, ti-tan a kovy vzácných zemin, když rozdíl mezi eutektickou rovnováž-nou teplotou Te a minimální teplotou ve fázi přeehlazení překro-čí 10 K a když rozdíl mezi teplotou T_ a maximální teplotou v eu- © tektické reakční fázi překročí 5' K a je dosaženo vhodného opako-vání operací podle tohoto způsobu dokud výěe uvedený rozdíl ne-klesne pod 10 K, respektive pod 5 K.

Tvoření oxidů a/nebo oxysulfidů se podporuje, když jsou sul-fidy obsaženy v tavenině jako například sulfid manganu. Oxidymohou být spinelového typu, například spinel MgAl^O^ nebo typuoxysulfidů, jako například Ce^^S.

Když se přidá jenom jeden očkovací prostředek, jako FeSido základní taveniny grafit-železo, které obsahuje jen velmi ma-lý počet primárních zárodků, nedosáhne se prakticky žádného oč-kovacího účinku. Totéž platí, když očkovací Činidlo sestávajícíze spinelů a/nebo oxysulfidů se přidává do základní taveniny. - 4 -

Ale, když se relativně stabilní spinely a/nebo oxysulfidy přidá-vají jako první a FeSI se přidán potom současně s odléváním,do-sáhne se požadovaného řiditelného očkovacího účinku. Jako očko-vacího činidla přidávaného do vzorkovací nádoby v kalibrovanéma vymezenéip množství se s výhodou požívá známého činidla dostup-ného na trhu, jako je činidlo typu známého pod: jménem "Superseed"s částicemi o velikosti 2 až 4 mm. Množství přidávaného očkova-cího činidla musí odpovídat například' 0,2% celkové hmotnosti * ;vzorku po naplnění vzorkovací nádoby roztavenou železnou taveni-nou až po okraj. Minimální teplota během fáze přechlazení, kteráuvolňuje eutektickou reakci a maximální teplota během eutektickéreakce se potom vymezí s pomocí přístrojů na měření teploty, s vý-hodou termočlánků, umístěných ve vzorkovací nádobě. Tavenina ob-sahuje dostatečné množství primárních krystalizačnich zárodků,když minimální teplota je nižší než 10 K pod rovnovážnou teplottou. V této souvislosti byla definována eutektická teplotana 1150°C a podle toho se kalibrovaly termočlánky. Jestliže jenaměřená minimální teplota pod těnritó definovanými teplotními li-mity, je nutné přidat dané kalibrované množství primárních zárod-ků do taveniny. Přibližně je možné říci, že množství primárníchzárodků přidávaných do taveniny se zdvojnásobí pro každý dalšíinterval 5 K, při kterém naměřená teplota eutektické reakce kles-ne pod eutektickou rovnovážnou teplotu. Způsob přidávání krysta-lizačních zárodků se může měnit. Oxidy a oxysulfldy se mohou za-vádět db taveniny vhodnými tavidly, i když se dosáhne lepšíhovýsledku, když se stabilní částice tvoří přímo v tavenině tak,aby bylo dosaženo jejich optimálního rozptýlení a smáčeni. Váp-ník, hliník, hořčík, stroncium, zirkonium, cer nebo kovy vzácnýchzemin se mohou zavádět do taveniny na principu metalurgickéhovstřikování za pomoci inertních nosných plynů obsahujících měře-ná množství kyslíku, nebo· se může smíchat kovový prášek se snad-no rozdruženým oxidem, jako je oxid železitý a může se zavádětdo základní taveniny do jejího proudu nebo toku při odlévání,když se tavenina přepravuje do udržovací pece nebo s pomocí li-cí pánve v udržovací peci. Více sofistikovaný způsob je ten,při kterém se prášek uzavře do tuby vhodného průměru a dodá sedo taveniny kovovým dávkovačem. Z důvodu vysokého účinku uhlíku a současně i malého poten-ciálů kyslíku se může otrtížně dosáhnout včasného účinného vytvo-ření oxidu požadovaného druhu při zavádění přísad přímo do liti-nové taveniny.

Jednou alternativou je potom vyrobení vzorové slitiny s vy-sokým obsahem částic oxidú/oxysulfidu z oddělené taveniny s níz-kýnr obsahem uhlíku a rozředění této vzorové slitiny do taveniny,které se má očkovat. Tato vzorová slitiny, která má s výhodouobsahovat alespoň stonásobnou konečnou koncentraci požadovanýchčástic, může být vyrobena v různých pevných tvarech,‘napříkladve tvaru pelet nebo malých odlitků nebo ve tvaru drátu a můžese zavést do taveniny pomocí vhodných zařízení. Používaná vzoro-vá slitina má s výhodou obsahovat nréně než 5% jiného kovu nežželeza, tedy více než 95% železa a s výhodou se zavádí do roz-tavené litiny v menším množství než činí 1% celkového množstvílitiny. Vzorová slitina se vyrábí přidáním požadovaného kovu ob-saženého v oxidech nebo: v oxysulfidech v prostředí, kde probíháoxidace kyslíkem nebo síry , a proto musí být obsah uhlíku conejnižší, aby se zabránilfc jeho přítomnosti v tavenině, protožemá negativní vliv na proces oxidace.

Jak již bylo uvedeno, při provádění způsobu podle vynálezuse měří přechlazení alespoň jedním termočlánkem umístěným v množ-ství vzorku odebraného z taveniny. Po této stránce bylo zjiště-no jako důležité používání dvou termočlánků,z nichž jeden je u-místěn uprostřed vzorkovací taveniny a druhý je těsně u vnitřní-ho povrchu stěny vzorkovací nádoby, přičemž rozdíl mezi minimál-ní teplotou ve fázi přechlazení před eutektickou reakcí a mezieutektickou rovnovážnou teplotou je vymezen termočlánkem umístě-ným poblíž vnitřního povrchu vzorkovací nádoby. Rozdíl mezi eue-tektickou rovnovážnou teplotou a maximální teplotou ve fúzi eu-tektické reakce je vymezen termočlánkem umístěným uprostřed vzor-ku. Kdyby nastala inverzní segregace v takovém rozsahu, že bydošlo k výskytu vycezeniny v tavenině, zpozorujeme tuto skuteč-nost z rychlého nárůstu teploty v tavenině zaznamenané termočlán-kem umístěném u vnitřního povrchu vzorkovací nádoby. Výskyt vy-cezeniny znamená, že tavenina má nedostatek krystalizačních zá-rodků. Termodynamicky stabilní částice spinelového typu nebo - 6 - oxysulfidů se proto musí přidávat do taveniny ve větším množst-ví než částice jinak motivované při minimální teplotě ve fázipřechlazení měřené uprostřed vzorkovací nádoby. Vzorkovací pro-ces se může opakovat tak dlouho, dokud neskončí jev vycezovánía uvedené teplotní rozdíly se nebudou pohybovat v rozmezí 10,respektive 5 K, Vycezování je v podstatě způsobeno nedostatkemkrystalizačních zárodků v tavenině a když se kůra tuhnoucího že-leza tvaruje podle vnitřního povrchn vzorkovací nádoby, tak sesmrští a tavenina, která' se nachází pod kůrou, touto; kůrou pro-nikne a způsobí, že roztavený kov se vytlačí skrze stěnu kůry.Termočlánek umístěný poblíž vnitřní stěny vzorkovací nádoby za-registruje v tonr okamžiku zvýšenou teplotu.

Způsob podle vynálezu přináší důležitou výhodu, že základ-ní očkovací činidlo typu FeSi se může použít v kombinaci s modi-fikačním činidlem spinelového nebo oxysulfidového typu. Základ-ní očkovací činidlo je poměrně levné v poiQméní s modifikačníraočkovacím činidlem. Následující série zkoušek objasní, jak se může měnit účinekpřísady očkovacího činidla od jedné výrobní linky ke druhé. Tatozměna je znázorněna na obr.1, kde je objasněn účinek dosaženýpřidáním množství očkovacího činidla do taveniny a také je zdeznázorněna minimální teplota přechlazení, která předchází eutek-tické reakci. Do základní železné taveniny se přidalo různémnožství obchodně dostupného očkovacího činidla "Superseed" ty-pu FeSi' doplněného stronclem. Příklady provedení vynálezu i

I 1· Základní železná tavenina obsahující dostatečné množstvíprimárních zárodků.

Tepelná analýza teploty přechlazení předcházející etltektickéreakci přinesla naměřené hodnoty uvedené na obr.1, Kde minimálníteplota je znázorněné v diagramu jako funkce množství přida-né očkovací látky vyjádřená v procentech hmotnosti vzorkova-cí taveniny. Z křivky a/ je zřejmé, že plný očkovací, účinek byl naměřen u přidání 0,2% očkovacího činidla a že minimálníteplota leží těsně u eutektické rovnovážné teploty, to je115"0 - 115?°C. Metalografické zkoušky ukázaly plně vyvinutýA-grafit nebo vláčkový grafit v celénr objemu vzorku. 2. Základní železná tavenina s nedostatkem primárních zárodků

Do taveniny se přidal stejný typ očkovací látky jako u hor-ní křivky a/, ale v tomto případě se očkovací látka přidává -la do základní železné taveniny, která měla nedostatek primár-ních krystalizačních zárodků, jak je znázorněno křivkou b/tMinimální teplota leží v tomto případě v mnohem nižší úrovni.Minimální teplota eutektické reakce nedosáhne nikdy hodnotcharakteristických pro dobře naočkovaný materiál typu A-gra-fitu, bez ohledu na množství přidaného očkovacího činidla.

Když se přidalo 0,25% očkovacího činidla, ukázaly vzorky, jakbylo metalograficky vyzkoušeno, relativně mnoho D-grafitu,tzv."přechlazeného grafitu”, dosahujícícho 40 - 60% celkovéhomnočství grafitu ve vzorku. Z křivek diagramu na obr.1 jezřejmé, že přidání daného očkovacího činidla typu PeSi v množ-ství nad 0,2% příliš neovlivnilo očkovací účinek.

Na tomto základě je močné navrhnout jednoduchý způsob měře-ní, pomocí něhož je mo:žné stanovit koncentraci primárních krys-talizačních zárodků v tavenině. Tohoto měřícího nebo zkušebníhozpůsobu se dosáhne nejdříve zavedením očkovacího činidla typuPeSi do vzorkovací taveniny v mnočství odpovídá jíví alespoň 0,2%a potom zaznamenáním minimální teploty před eutektickou reakcía maximální teploty při eutektické reakci a porovnáním získanýchhodnot s eutektickou rovnovážnou teplotou. Koncentrace primár-ních krystalizačních zárodků v tavenině se potom může nastavit,podle vynálezu tak, že se připraví optimální podmínky pro vylu-čování grafitu v procesu odlévání taveniny.

Claims (8)

1. - 8 -

   PATENTOVÉ NÁROKY 1· Způsob řízení procesu tuhnutí při odlévání železné taveninyobsahující postupy vymezení schopnosti vnitřní krystalizacezákladní železné taveniny a modifikace této schopnosti,vyznačující se tím, že se do vzorkovací ná-doby dá vzorek taveniny i, který je v tepelné rovnováze s množ-stvím vzorku přeď začátkem tuhnutí, kde tato vzorkovací nádo-ba je opatřena alespoň jedním· termočlánkem a obsahuje vymeze-né a kalibrované množství očkovacího činidla na bázi FeSi,které postačuje k vytvoření maximálního očkovacího účinku u-možňu-jícího ztuhnutí vzorku taveniny, zatímco zaznamenávanéteplota se mění za jednotku času, déle že se vymezí rozdílmezi minimální teplotou ve fázi přechlazení, maximální teplo-tou ve fázi eutektické reakce a eutektickou rovnovážnou tep-lotou Γ » dále že se přidávají do základní taveniny termody-namieky stabilní částice spinelového typu nebo oxysulfidůprvků, jako jsou hořčík, hliník, draslík,, zirkonium, stron-ciunr, titan a kovy vzácných zemin, když rozdíl mezi eutektic-kou rovnovážnou teplotou T a minimální teplotou ve fázi pře- c chlazení překročí 10 K a když rozdíl mezi teplotou T a maxi-mální teplotou ve fázi eutektické reakce překročí 5 K a že /se dosáhne vhodného opakování postupů podle tohoto způsobu,dokud uvedený rozdíl neklesne pod 10, respektive pod 5 K. 2» Způsob podle bodu 1 vyznačující se tím, že se očkovací činid-lo na bázi FeSi zavádí ve vymezeném a kalibrovaném množstvív takovém rozsahu, že obsah očkovacího činidla v taveniněumístěné ve vzorkovací nádobě je alespoň 0,2% její hmotnosti.

   - 9 -................
2. 3. Způsob podle bodu 1, vyzná Sující se tím,že se termodynamicky stabilní částice spinelového typu nebooxysulfidů dodávají do taveniny ponořením drátu nebo tyče,sestávající alespoň z jedné vnější vrstvy železa obsahujícíjeden nebo několik kovů, vápník, hořčík, hliník, zirkonium,stroncium, titan a kovy vzácných zemin a snadno' rozdruženéoxidy, jako je oxid železítý v kovové formě.
3. 4. Způsob podle bodu 1,vyznačující se tím,že se termodynamicky stabilní částice spinelového typu nebooxysulfidů dodávají do taveniny vstřikováním vápníku, hořčí-ku, hliníku, zirkonia, titanu, stroncija kovů vzácných zemininertním- plynem společně s oxidačním činidlem.
4. 5. Způsob podle nodu 4, vyznačující se tím,že tímto oxidačním činidlem je snadno rozdružený oxid.
5. 6. Způsob podle bodu 4,vyznačující se tím,že tímto oxidačním činidlem je plynný kyslík nebo; vzduch.
6. 7. Způsob podle bodu 1,vyznačující se tím,že se registrace teplotních změn za jednotku času provádíuprostřed vzorkovací taveniny a v těsné blízkosti vnitřníhopovrchu vzorkovači nádoby, přičemž rozdíl mezi minimální tep-lotou v přechlazené fázi před eutektickou reakcí a eutektic-kou rovnovážnou teplotou še vymezí termočlánkem umístěným v blízkosti vnitřní stěny uvedené vzorkovací nádoby a rozdílmezi eutektickou rovnovážnou teplotou a maximální teplotouv eutektické reakční fázi se vymezí uprostřed vzorkovací ta-veniny a že výskyt inverzní segregace v takovém rozsahu, ženastane vycezenina taveniny, se vymezí registrací rychléhonárůstu teploty termočlánkem umístěným v sousedství vnitřníhopovrchu nádoby a že při zaregistrování vycezeniny se přidádo vzorkovací taveniny velké množství termodynamicky stabil-ních částic· spinelového typu nebo oxysulfidů a že se uvedenépostupy opakují tak dlouho, dokud uvedené teplotní rozdílynejsou menší než 10, respektive 5 K a neregistruje se jižžádná vycezenina.

   * - 10 -
7. 8. Způsob podle bodu 1,vyznačující setím, že se primární očkovací částice zavádějí do taveniny prostřed-nictvím vzorové slitiny, která se vyrobí odděleně tvorbouoxidů/oxysulfidů prvků jako Cu, Mg, Al, Zr, Sr, Ti a kovůvzácných zemin v tavenině s nízkou aktivitou uhlíku a v pod-statě s vysokou koncentrací, a že se tato vzorové slitina za-vádí do taveniny, které se má očkovat známým způsobem.
8. 9, Způsob podle bodu 8, vyznačující se tím,že tato vzorová slitina obsahuje více než 95% železa.