CZ283552B6 - Způsob výroby ocelí pro valivá ložiska - Google Patents

Abstract

Způsob výroby ocelí pro valivá ložiska jejich tavením v elektrické obloukové peci s oxidační rafinací, dezoxidací, legováním a úpravou strusky před odpichem a dále mimopecní rafinací vytavené oceli jejím vakuováním a následným čeřením lázně v pánvi, dmýcháním plynného argonu, přičemž se před zahájením vakuování provádí v pánvi chemický ohřev oceli oxidací dodatečné přísady hliníku či hliníku a křemíku plynným kyslíkem na teplotu dostatečnou pro průběh následné mimopecní rafinace, při níž po přísadě redukční směsi na strusku se současně působením slabě oxidační strusky, převáděné v průběhu vakuování a čeření lázně na strusku redukční, provádí paralelní rafinace hliníku z lázně až do dosažení jeho požadovaného obsahu ve vyráběné oceli s vyloučením jeho přísad v průběhu čeření. Chemický ohřev a mimopecní rafinace se přitom provádí při zvýšených celkových obsazích hliníku v lázni, a to chemický ohřev s obsahem hliníku v lázni nad jeho minimální spodní hranicí 0,060 až 0,080 % hmotnostních ŕ

Description

Způsob výroby ocelí pro valivá ložiska

Oblast techniky

Vynález se týká výroby ocelí pro valivá ložiska jejich tavením v elektrické obloukové peci a mimopecní vakuovou rafinací v zásaditých pánvích, zejména výroby těchto ocelí na malých výrobních agregátech.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní způsoby výroby ocelí pro valivá ložiska jsou dány zcela specifickými požadavky na tyto oceli, a to vedle řady dalších parametrů, jako co největší tvrdost a odolnost proti opotřebení, vysoká pevnost v tlaku, zejména mimořádně vysokými nároky na stupeň a charakter jejich mikročistoty, neboť na množství, druhu, tvaru velikosti a rozložení vměstků i na jejich fyzikálních vlastnostech poté závisí i životnost z těchto ocelí vyrobených ložisek. Jedná se obvykle o nadeutektoidní chromové oceli se základním obsahem uhlíku okolo 1 % hmotnostního, s obsahem chrómu nejčastěji kolem 1.5 % hmotnostních a s obsahy manganu dle značek okolo 0,35 až 1,10% hmotnostních. Příkladem takovéto oceli pro valivá ložiska je ocel, obsahující v hmotnostním množství 0,90 až 1,10% uhlíku, 0.30 až 0,50% manganu, 0,15 až 0,35% křemíku, 1,30 až 1,65 % chrómu, max. 0,30 % niklu, max. 0,25 % mědi, max. 0,027 % fosforu a max. 0,030 % síry, zbytek železo a ostatní doprovodné prvky.

Soudobá ocelářská metalurgie výroby těchto ocelí je charakterizována kombinovanými pochody. Prvou fázi tvoří pochod, prováděný v elektrické obloukové peci, zaměřený na výrobu poloproduktu, který je obvykle z hlediska hmotnostního obsahu uhlíku, fosforu, manganu a chrómu blízký požadovanému složení oceli, a druhá fáze je poté realizována některým ze vhodných pochodů mimopecní rafinace, například vakuováním v zásadité pánvi, a má pak rafinační úkoly, to jest zejména snížit obsah vodíku, odsířit, dezoxidovat a minimalizovat stupeň znečištění lázně nekovovými vměstky, homogenizovat lázeň a provést konečnou úpravu složení i teploty. Závěrečná dezoxidace i úprava obsahu hliníku v oceli se provádí zpravidla srážecí dezoxidací s možností odstranění podstatné části vměstků v údobí tak zvaného čeření tavby.

Nevýhodou tohoto kombinovaného pochodu je zatím jeho omezení v tepelné bilanci ve fázi mimopecní rafinace, což si dosud vy nucuje provádět nadměrné přehřívání oceli v elektrické obloukové peci v závěrečné fázi tavby, a to zejména u menších výrobních agregátů, až na odpichovou teplotu oceli v obloukové peci kolem 1690 až 1700 °C. Tato vysoká odpichová teplota znamená jednak značné tepelné ztráty již v průběhu odpichu oceli, jednak negativním způsobem ovlivňuje spotřebu energie a zároveň má značně nepříznivý vliv na celý pecní agregát, zejména na vyzdívku pece a její životnost, včetně možnosti zvýšení obsahu exogenních vměstků v oceli. S ohledem na stav této vyzdívky nutnost nadměrného přehřívání oceli zároveň omezuje možnost výroby těchto ocelí pouze na začátek kampaně pece. Současně je snížena provozní jistota dodržení předepsaných délek údobí vakuování a následného čeření lázně argonem, a to zejména při obsahu rafinačních pánví do 201, kde se tepelné ztráty projevují ve zvýšené míře.

Pro výrobu ocelí na valivá ložiska je možno použít i dalších kombinovaných pochodů, v případě menších agregátů pak zejména kombinovaného pochodu elektrická oblouková pec - pánvová pec, kde rafinační pochod v pánvové peci má nezávislý zdroj tepla. Tímto agregátem však není každá ocelárna vybavena.

Pro výrobu ocelí pro valivá ložiska jsou dále známé i přetavbové pochody, například pod struskou, ve vakuu či elektronovým paprskem. Takto vyrobené oceli mají nižší obsah a zejména

- 1 CZ 283552 B6 příznivější morfologii nekovových vměstků, výhodnější rozdělení karbidické fáze i nižší obsah rozpuštěných plynů, než oceli nepřetavené, nicméně všechny tyto přetavbové pochody jsou ale značně nákladné a náročné na potřebná zařízení a jsou proto využívány pouze pro výrobu ocelí na speciální vysokoobrátková nebo extrémně zatížená či zvlášť přesná ložiska.

Podstata vynálezu

Tyto nevýhody jsou do značné míry odstraněny způsobem výroby ocelí pro valivá ložiska jejich tavením v elektrické obloukové peci s oxidační rafinací, dezoxidací, legováním a úpravou strusky před odpichem, a dále mimopecní rafinací vytavené oceli jejím vakuováním a následným čeřením lázně v pánvi dmýcháním plynného argonu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že před zahájením vakuování se v pánvi provádí chemický ohřev oceli oxidací dodatečné přísady hliníku či hliníku a křemíku plynným kyslíkem na teplotu, dostatečnou pro průběh následné mimopecní rafmace. při níž se současně působením slabě oxidační strusky, převáděné v průběhu čeření lázně na strusku redukční, provádí paralelní rafinace hliníku z lázně až do dosažení jeho požadovaného obsahu ve vyráběné oceli. Chemický ohřev a mimopecní rafmace se přitom provádí při zvýšených celkových obsazích hliníku v lázni, a to současně tak, že obsah hliníku bude i v závěru chemického ohřevu vyšší než 0,060 až 0,080 % hmotnostních a v průběhu následné mimopecní rafinace vakuováním a čeřením bude vyšší než spodní hodnota předepsaného rozmezí jeho obsahu ve vyráběné oceli, případně vyšší než 0,020 % hmotnostních.

Chemický ohřev se provádí za atmosférického, případně sníženého tlaku, přičemž obsahy hliníku po jeho přísadě před zahájením chemického ohřevu vytvářejí předpoklady pro dosažení optimální teploty lázně a optimálního obsahu hliníku. Optimální teplota poté vytváří podmínky pro splnění metalurgických funkcí následné redukce strusky, vakuování a čeření lázně, a to s dostatečnou provozní jistotou. Optimální obsah hliníku v závěru chemického ohřevu pak chrání kovovou lázeň před přeoxidováním a současně umožňuje dosáhnout předepsaného výsledného obsahu hliníku v tavbě jeho pozvolnou oxidací z lázně na rozhraní se slabě oxidační struskou v údobí vakuování a čeření, což umožňuje vyloučit i závěrečnou srážecí dezoxidaci hliníkem, doprovázenou vznikem nežádoucích endogenních oxidických vměstků.

Hliník se do lázně přisazuje například ve dvou fázích, a to v první fázi při odpichu oceli do předehřáté zásadité pánve v množství zhruba 0,3 až 1,5 kg hliníku na 1 t oceli. Touto přísadou se řídí obsah hliníku v lázni tak. aby se tento rovnal přibližně obsahu hliníku, který je požadován v závěru dmýchání kyslíku, tedy při vstupu do údobí redukce strusky a vakuování. Tento obsah je dán předepsaným obsahem hliníku ve vyrobené oceli, dále obsahem hliníku, který se zoxiduje během vakuování a čeření lázně, případně i nárůstem obsahu hliníku v průběhu redukce strusky před vakuováním.

Další přísada hliníku, případně hliníku a křemíku, prováděná před zahájením dmýchání kyslíku, je stanovena tak, aby byl zajištěn ohřev lázně v pánvi na stanovenou teplotu, například 1600 °C, při současném krytí tepelných ztrát lázně. Vliv těchto ztrát na potřebnou přísadu hliníku roste s klesající velikostí pánve a je specifický pro každé zařízení, stav pánve při dané tavbě a podobně. Pro stanovení potřebné přísady hliníku k uskutečnění chemického ohřevu jsou odvozeny vztahy, umožňující počítačovou podporu řízení procesu. V případě, že provozní jednotka není vybavena počítačem, lze, i když s menší přesností, stanovit velikost přísady hliníku pomocí vztahů, odvozených z dosahovaných provozních výsledků.

Výhodou způsobu výroby podle vynálezu je možnost výrazného snížení prozatím nutných vysokých odpichových teplot z elektrické obloukové pece, a to zhruba o 100 °C, a v souvislosti s tím i snížení rozpustnosti plynů, zejména kyslíku, v lázni, a snížení namáhání vyzdívky pece včetně snížení nebezpečí přechodu exogenních vměstků z vyzdívky do oceli. Snížením

-2CZ 283552 B6 odpichové teploty je zamezeno značným tepelným ztrátám v průběhu odpichu, z hlediska tepelných rezerv je celý proces výroby stabilnější. V důsledku všech těchto skutečností je pak možno zařazovat výrobu ocelí pro valivá ložiska i na menší rafinační jednotky s vyššími tepelnými ztrátami, a to po větší část délky trvání kampaně pece. Další výhodou vy nálezu je standardní dosahování velmi nízkých obsahů kyslíku ve vyrobené oceli a též její vysoké mikročistoty.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže osvětlen pomocí výkresů, kde na obr. 1 je nejprve pro porovnání graficky znázorněn průběh teplot ocelové lázně během dosavadního způsobu výroby ocelí pro valivá ložiska, a na obr. 2 je graficky znázorněn průběh teplot ocelové lázně v jednotlivých fázích způsobu výroby podle vynálezu, včetně průběhu obsahu hliníku a křemíku.

Příklad provedení vynálezu

Podle obr. 2 příkladného provedení způsobu výroby oceli pro valivá ložiska podle vynálezu se na 10-ti tunové elektrické obloukové peci v závěru tavby po dosažení teploty lázně, garantující, že v průběhu odpichu a do zahájení chemického ohřevu neklesne teplota lázně pod hranici zhruba 50 °C nad teplotou likvidu, je stažením části strusky optimalizováno její relativní množství, proveden odpich do předehřáté zásadité pánve za přísady 0,5 kg hliníku na 1 t oceli, odebrán vzorek oceli a změřena teplota lázně, načež je pánev s ocelí umístěna v zařízení pro vakuovou rafinaci s možností rafinace plynným kyslíkem. Po ustavení keramického víka a promíchání lázně argonem je provedeno opět měření teploty lázně, nastaven objemový průtok argonu a uzavřeno rafinační zařízení. Za stálého odsávání plynných zplodin z prostoru pánve je poté přisazován na hladinu lázně hliník a zahájeno dmýchání kyslíku tryskou, ústící nad lázní. Na základě měření času při uvedeném měření teplot a jejich naměřených hodnot je přibližně predikován vliv tepelných ztrát na změnu teploty oceli v pánvi a pomocí systému tepelně bilančních rovnic nebo zjednodušených závislostí určena hmotnost přísady hliníku, objemového průtoku kyslíku a délky dmýchání. Po ukončení dmýchání je provedeno měření teploty lázně, odebrán vzorek, upraveno složení strusky přísadou páleného vápna a použitím redukční směsi, sestávající z ferosilicia a hliníkové krupice, a následně provedena vakuová rafinace s případnou korekcí složení a závěrečné čeření oceli v pánvi s dosažením předepsané závěrečné teploty před odléváním.

Jak je naznačeno na obr. 2, kde je postup podle vynálezu označován jako EAF-OVD (Electric Are Fumace - Oxygen Vacuum Degasing), je odpich z elektrické obloukové pece proveden při teplotě lázně před odpichem 1625 °C, přičemž ocel v pánvi po odpichu obsahuje v hmotnostním množství ze základních sledovaných prvků 1,01 % uhlíku, 0,94% manganu, 0,43 % křemíku, 0,011 % fosforu, 0,010 % síry, 1,50 % chrómu a 0,089 % hliníku při teplotě 1594 °C. Dmýchání kyslíku je poté zahajováno pri teplotě lázně 1555 °C, přičemž pro chemický ohřev oceli v pánvi je stanovena přísada 2,0 kg hliníku na 1 t oceli, objemový průtok dmýchaného kyslíku 350 m³/hod, a doba dmýchání 5,0 minut. Po takto provedeném ohřevu činí teplota lázně 1613 °C a obsah hliníku v lázni 0,074 % hmotnostních a aktivita kyslíku v lázni 3,1 ppm. Poté se pomocí hliníku provádí redukce strusky a korekce obsahu křemíku, načež následuje vakuování při tlaku 0,15 kPa po dobu 20 minut s poklesem teploty lázně na 1524 °C a obsahu hliníku na 0,038 % hmotnostních, a poté čeření po dobu 20 minut, přičemž na závěr čeření dosahuje teplota lázně 1420 °C a obsah hliníku v lázni 0,027% hmotnostních. Tato paralelní rafinace hliníku z lázně v průběhu vakuování a čeření se provádí působením na lázeň slabě oxidační strusky (cca 1,5 % oxidu železnatého) a v závěru čeření slabě redukční strusky, a to až do dosažení požadovaného obsahu hliníku ve vyráběné oceli. Rychlost oxidace hliníku v údobí vakuování činí přitom

-3 CZ 283552 B6

0,003 % hmotnostních hliníku za minutu a v údobí čeření 0,0005 % hmotnostních hliníku za minutu.

Další doprovodné kroky způsobu výroby oceli pro valivá ložiska v tomto jeho konkrétním příkladě provedení jsou na obr. 2 označeny vztahovými značkami, kde značí

- měření teploty po odpichu z obloukové pece a odběr předzkoušky z pánve,

- měření teploty v pánvi před zahájením chemického ohřevu

- přísada hliníku pro chemický ohřev,

- měření teploty po chemickém ohřevu, odběr předzkoušky,

- přísada redukční směsi na strusku,

- měření teploty po vakuování a odběr předzkoušky,

- korekce chemického složení,

- měření teploty před litím.

V případě, že v důsledku nízké entalpie pánve poklesne teplota oceli před zahájením chemického ohřevu na nižší hodnotu, například na teplotu 1520 °C, zvýší se přísada hliníku pro chemický ohřev v tomto případě na 4,0 kg/t oceli, přičemž při stejném objemovém průtoku kyslíku se provádí jeho dmýchání po dobu 8 minut.

Značné snížení potřebné odpichové teploty oceli u způsobu podle vynálezu je patrné z porovnání obr. 1 a obr. 2, kde na obr. 1 je stávající způsob výroby označen EAF-VD (Electric Are Fumace Vacuum Degassing).

Průmyslová využitelnost

Způsob výroby podle vynálezu je možno široce využít při výrobě v podstatě všech ocelí pro valivá ložiska, a to zejména tam, kde nejsou k dispozici pánvové pece a ocelárna je vybavena vakuovacím zařízením s možností dmýchání kyslíku.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Způsob výroby ocelí pro valivá ložiska jejich tavením v elektrické obloukové peci s oxidační rafinací, dezoxidací, legováním a úpravou strusky před odpichem a dále mimopecní rafinací vytavené oceli jejím vakuováním a následným čeřením lázně v pánvi dmýcháním plynného argonu, vyznačující se tím, že před zahájením vakuování se v pánvi provádí chemický ohřev oceli oxidací dodatečné přísady hliníku či hliníku a křemíku plynným kyslíkem na teplotu, dostatečnou pro průběh následné mimopecní rafinace, při níž po přísadě redukční směsi na strusku se současně působením slabě oxidační strusky, převáděné v průběhu vakuování a čeření lázně na strusku redukční, provádí paralelní rafinace hliníku z lázně až do dosažení jeho požadovaného obsahu ve vyráběné oceli s vyloučením jeho přísad v průběhu čeření, přičemž chemický ohřev a mimopecní rafinace se provádí při zvýšených celkových obsazích hliníku v lázni, a to chemický ohřev s obsahem hliníku v lázni nad jeho minimální spodní hranicí 0,060 až 0,080 % hmotnostních jak v průběhu, tak i v závěru chemického ohřevu, a následná mimopecní rafinace při dalším snižování obsahu hliníku v lázni v jejím průběhu až do dosažení předepsaného rozmezí jeho obsahu ve vyráběné oceli, nejméně však s obsahem hliníku 0,020 % hmotnostních a vyšších.