NO139272B - Fremgangsmaate til fremstilling av seig-jern - Google Patents

Description

Nodulært støpejern (også kjent som seigjern), er støpe-

jern i hvilket grafitten foreligger som små kuler, sfæroider eller sfæroliter istedenfor flak (som i grått jern) eller tettpakkede klumper (som i smijern). Den kulelignende grafittstruktur oppnås ved tilsetning av et eller flere grafitt-nodulariserende midler til det smeltede jern. En rekke elementer (eksempelvis magnesium, cerium, kalsium, litium, natrium, barium) er blitt funnet å være egnet som grafittnodulariserende midler, hvorav magnesium og cerium (særlig magnesium) er av stor betydning i praksis.

De grafittnodulariserende midler er i regelen ganske lett oksyderbare og har lave kokepunkter sammenlignet med jern. En lang rekke forskjellige prosesser og apparater er blitt utviklet for tilsetning av grafittnodulariserende midler så som magnesium til støpe-jernsmelter. Det benyttes i mange av disse kjente prosesser og apparater relativt komplisert, kostbart og/eller tungvint utstyr eller materialer. Videre finner det ofte sted voldsomme, ukontrol-lerte reaksjoner ved tilsetningen av magnesium til jern, hvilke reaksjoner innebærer en betydelig risiko.

Mange av de mest anvendte metoder innbefatter eksempelvis anvendelse av en mekanisk sett sterk digel med deksel for det smeltede jern, og magnesiummetallet (vanligvis i form av en legering) føres inn i smeiten ved hjelp av en stang. Magnesium kan også plasseres i en digel, hvoretter smeltet jern helles hurtig inn i digelen. Ofte blir magnesiummetallet først dekket med en plate av jern eller stål før det smeltede jern tilsettes.

Til tross for de forskjellige forholdsregler som har vært tatt ved slike metoder, er tapet av magnesium ved fordampning og/ eller forbrenning betydelig, og følgelig er reaksjonens effektivi-tet (målt som Mg-gjenvinning, dvs. Mg-utnyttelse) ganske lav. Det er blitt funnet at gjenvinningen av magnesium ved nodulariseringsbehandlin-gen vanligvis er mellom 20 og 60% avhengig av hvilken teknikk som anvendes. I gjennomsnitt er magnesiumgjenvinningen ved nodulariserende behandlinger i industriell praksis ca. 33%.

Søkningen etter mer effektive fremgangsmåter til fremstilling av seig-jern har fortsatt.

Ofte blir nodulært jern umiddelbart før støpingen (det vil si innen 15,ofte innen 10 minutter ,før støpingen) brakt i kontakt med en tilsetningslegering, i regelen en ferrosilisiumlegering, som ytterligere fremmer grafittiseringen i jernet. Det vil si at den første (eller "sfæroidiserende" eller "nodulariserende") behandling kan være tilstrekkelig til fullstendig å nodularisere all grafitten som foreligger, men den kan være utilstrekkelig til å grafittisere alt det karbon som foreligger. Tilsetningsbehandlingen fremmer gra-fittisering, styrer den mengde grafitt som dannes og kan også tjene til å tilsette små mengder legeringselementer til seig-jernet.

I eksempelvis US patent nr. 3 033 676 er det beskrevet en tilsetningslegering som først og fremst tjener som grafittiserings-middel i behandlingen av grått støpejern for fremstilling av grått jern inneholdende statistisk tilfeldig fordelte flak av flakgrafitt av type A. Denne tilsetningslegering (som stort sett inneholder 0,1-5% magnesium, 0,1-10% aluminium, 0,1-10% kalsium, 0,1-60% nikkel eller jern eller begge deler og 15-99,6% silisium} foreslås også til bruk ved fremstilling av nodulært jern enten som en erstatning for det grafitt-sfæroidiserende middel eller i tillegg til og etterføl-gende dette. Egnede legeringer som der er beskrevet, innbefatter 2 eller 3% magnesium.

Det er imidlertid blitt funnet at bruken av en tilsetningslegering inneholdende 2-3 % eller mer av magnesium i forbindelse med seig-jern før jernet støpes medfører en voldsom, hasar-diøs reaksjon av samme type som den man får ved nodularisering med magnesium. På grunn av den helse- og sikkerhetsmes-

sige risiko som derved oppstår, (spesielt i betraktning av de strenge-re krav sam i våre dager gjøres gjeldende når det qjelder arbeidsmiljøet),

er bruken av slike magnesiumholdige tilsetningsmidler i det vesent-lige stanset i USA. Isteden blir tilsetning før støping i regelen utført ved hjelp av en ferrosilisiumlegering aom ikke inneholder magnesium.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte i hvilken magnesium utnyttes effektivt ved fremstilling av seig-jern, hvilken fremgangsmåte muliggjør regulering av nodulstørrelsen og -fordelingen i produktet, og medfører en vesentlig minsket helsemessig og sikkerhetsmessig risiko.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte til fremstilling av nodulært støpejern eller seig-jern, hvor jérnsmelten først behandles med et grafittnodulariserende forbehandlingsmiddel, som fortrinnsvis inneholder magnesium og/eller sjeldne jordartmetaller, og hvor det til smeiten en kort tid før støpin-gen tilsettes et etterbehandlingsmiddel som er forskjellig fra forbehandlingsmidlet, og fremgangsmåten er karakterisert ved at forbehandlingsmidlet tilsettes i en slik mengde at det i den forbehandlede jernsmelte vil foreligge i en mengde på 0,02-0,055 vekt%, og at det til smeiten tilsettes et etterbehandlingsmiddel som har et magnesiuminnhold på 0,8-1,8 vekt%, fortrinnsvis 1-1,6 vekt%.

Foretrukne utførelsesformer er presisert i patentkravene.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den oppda-gelse at bruken av magnesium i en snevert definert mengde som et etterbehandlingsmiddel ikke bare gir en betydelig, gunstig effekt når det gjelder smeltens metallurgiske (eksempelvis nodulariserende) egenskaper, men også gir en bemerkelsesverdig reduksjon i den mengde grafittnodulariserende middel som er nødven-dig for oppnåelse av en bestemt nodularisert tilstand i produktet, såvel som en betydelig forminsket, helsemessig og sikkerhetsmessig risiko. Det er med andre ord blitt funnet at bruken av denne spesielle mengde av magnesium tillater en reduksjon ved den opprinnelige behandling på ca. 20-25 % i mengden av grafitt-nodulariserende middel. I tillegg kan størrélsen og fordelingen av noduler i seig-jernet reguleres ved den spesielle behandling som her er beskrevet. Videre er det blitt funnet at bruken av den spesielle mengde magnesium i vesentlig grad nedsetter muligheten for en eksplosjon i smeiten. Magnesiumgjenvinningen (regnet som økningen i magnesiuminnhold i det støpte seig-jern + utflotert magnesiumtap fra reaksjon med svovel for avsvovling av smeiten dividert med den mengde magnesium som tilsettes i etterbehandlingsmiddelet) er meget høy ved den foreliggende fremgangsmåte, det vil si minst 85 og ofte nær opp til 100%. Fig. 1 er et bilde tatt gjennom mikroskop av en seig-jernsmelte som var blitt brakt i kontakt med det spesielle etterbehandlingsmiddel som anvendes ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et bilde tatt gjennom mikroskop av en lignende seig-jernsmelte som var blitt brakt i kontakt med et kommersielt tilgjengelig tilsetningsmateriale.

Nodulært støpejern blir i alminnelighet fremstilt ved smelting av råjern, stål, støperiskrap og/eller andre vanlige ut-gangsmaterialer i passende mengder til å gi en jernsmelte med egnet sammensetning. Fremstillingen av smeiten på denne måte er i og for seg velkjent.

Jernsmelten blir deretter brakt i kontakt med et eller flere grafittnodulariserende midler for oppnåelse av kulelignende grafitt i jernet. Sammensetningen av det grafittnodulariserende middel og teknikken for dets innføring i smeiten er også velkjent. Den foreliggende oppfinnelse skal nå nærmere beskrives i forbindelse med magnesium som det grafittnodulariserende middel ved den nodulariserende behandling, men det vil forstås at andre kjente grafitt-nodulariserende midler kan anvendes.

Som nevnt ovenfor muliggjør den foreliggende oppfinnelse bruken av en redusert mengde nodulariseringsmiddel (magnesium) uten at det endelige seig-jernets metallurgiske egenskaper (og særlig størrelsen og fordelingen av grafittnodulene og nodulariseringens fullstendighet) i vesentlig grad påvirkes i ugunstig retning. Mens den første,(eller "sfæroidiserende") behandling i regelen utføres med en tilsetning av magnesium i tilstrekkelige mengder til å gi fra

0,03 til 0,075, fortrinnsvis fra . 0,04 til 0,06 og aller helst fra 0,045 til 0,055, vekt% magnesium i det endelige støpejern, har man således nå funnet at fremgangmåten ifølge oppfinnelsen tillater bruken av magnesium i en redusert mengde som er tilstrekkelig til å gi et smeltet seig-jern etter nodulariseringsbehandlingen med fra 0,02 til 0,055, fortrinnsvis fra 0,03 til 0,045 og aller helst fra ■ 0,033 til 0,042, vekt%

magnesium under oppnåelse av den samme nodulariseringsgrad i det endelige seig-jern. Med "redusert mengde" menes at mengden av grafittnodulariserende middel som anvendes i den første behandling i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen under anvendelse av det nedenfor nærmere angitte etterbehandlingsmiddel, kan reduseres med minst 10, i regelen minst 15 og ofte minst 20 prosent eller mer sammenlignet med en lignende fremgangsmåte hvor det ikke brukes et etterbehandlingsmiddel eller hvor det anvendes et typisk, kjent tilsetningsmiddel.

Hvilket som helst egnet grafittnodulariserende middel og tilsetningsmåte kan anvendes ved utførelsen av oppfinnelsen. Magnesium eller legeringer av magnesium og sjeldne jordartsmetaller foretrekkes.

Etter at jernsmelten er brakt i kontakt med det grafitt-nodulariserende middel og vanligvis innen ca. 15, typisk innen ca. 10 minutter støping bringes smeiten i kontakt med en etterbehandlingslegering som inneholder fra 0,8 til 1,8, fortrinnsvis fra 1 til 1,6, vekt% magnesium. De øvrige komponenter i etterbehandlingslegeringen kan variere betydelig forutsatt at le-geringen ellers er forenlig med og ikke på ugunstig måte innvirker på seigjernet. Etterbehandlingslegeringen vil i regelen være en silisium- eller ferrosilisium-basert legering inneholdende mindre mengder av andre egnede bestanddeler så som aluminium, nikkel, kalsium, silisium eller lignende.

Egnede etterbehandlingslegeringer kan eksempelvis inne-holde :

Nikkelmagnesiumlegeringer kan også anvendes. Andre spesielle bestanddeler kan også være med i spesielle blandinger.

Etterbehandlingsmiddelet kan dannes ved at man smelter og homogent blander de aktuelle bestanddeler, hvorved man får en kjemisk forenet homogen legering. Etterbehandlingsmiddelet tilsettes med fordel i en mengde på fra ca. 0,25 til ca. 1,5, fortrinnsvis fra . 0,4 til . 0,8, vekt% av smeiten, idet denne agiteres i tilstrekkelig grad til at ettérbehandlingslegeringen dispergeres homogent i smeiten.

Magnesiumgjen<y>inningen for etterbehandlingsmiddelet er minst 85%, ofte opp mot 100%. Magnesiumgjenvinningen bestemmes som summen av øket magnesiuminnhold i seig-jernet og magnesiumtapet i utflotert magnesiumsulfid dividert med mengden av magnesium tilsatt i etterbehandlingsmiddelet. Som fagmannen vil forstå, reagerer magnesium med svovel i smeiten under dannelse av magnesiumsulfid, hvorved smeiten avsvovles. Magnesiumsulfidet blir i alminnelighet fjer-net ved skumming før seig-jernsmelten støpes.

Gjenvinningen av magnesium i den første (nodulariserende) behandling (bestemt på lignende måte som ovennevnte magnesiumgjen-vinning) er ganske lav, eksempelvis fra 20 til 60%, gjen-nomsnittlig ca. 38%. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen frembyr således betydelige besparelser i materialer. Den spesielle etterbe-handling som benyttes her, har i seg selv en relativt høy metallgjen-vinning, og dessuten tillater den foreliggende oppfinnelse også en nedsettelse av den materialmengde som benyttes i det første trinn, hvor gjenvinningen er betydelig dårligere.

Når man bruker det spesielle magnesiumholdige etterbehandlingsmiddel som angitt ovenfor, oppnår man dessuten mer betryggende, mindre hasardiøse omgivelser ved fremstillingen av seig-jern. Det vil si at tilfeller av eksplosjoner, flammedannelser, røkutvikling, og lignende, som typisk følger med behandlingen av smeltet jern med magnesium* blir vesentlig redusert.

Den foreliggende oppfinnelse muliggjør også en ganske nøy-aktig regulering av størrelsen og fordelingen av grafittnodulene i seig-jernet. Bildet på fig. 1 illustrerer mikrostrukturen til seig-jern som 3 minutter før støping var behandlet med 0,6 vekt%, beregnet på smeiten, av en etterbehandlingslegering inneholdende 1 vekt% magnesium, 48 vekt% silisium,. 0,7 vekt% aluminium, 0,6 vekt% kalsium, resten hovedsakelig jern. Det vil ses at grafittnodulene er relativt ensartet i størrelse og fordeling. i tillegg synes alle nodulene å være hovedsakelig fullstendig sfæroidisert. Fig. 2 viser et seig-jern fremstilt på aamme måte som seig-jernet på Fig. 1, og fra samme digel, med unntagelse av at etterbehandlingsmiddelet var eit vanlig tilsetningsmiddel som inneholdt 47 vekt% silisium, 0,8 vekt% kalsium og 1 vekt% aluminium.

Det endelige støpte seig-jern som fås etter behandlingen med etterbehandlingsmiddelet i henhold til oppfinnelsen, inneholder i alminnelighet fra 0,03 til 0,075, fortrinnsvis fra 0,04 til 0,06 og aller helst fra 0,045 til 0,055, vekt% magnesium.. ,„

Oppfinnelsen belyses nærmere ved hjelp av dé følgende ek-sempler, som er illustrerende for oppfinnelsen.

Eksempel 1

Et antall smelter av jern med hovedsakelig samme sammen-r-setning fremstilles av råjern, stål og jernskrap på i og for seg kjent måte. Disse smelter blir først bragt i kontakt med et kommersielt tilgjengelig grafittnodulariserende materiale inneholdende 4,5 vekt% magnesium, 2,5 vekt% cerium, 50 vekt% silisium, resten hovedsakelig jern. Det faste grafittnodulariserende middel plasseres på bunnen av en digel, og en plate av jern plasseres op-oå mid-delet. Det smeltede jern blir så hellet over i digelen, hvor det oppløser jernplaten og det grafittnodulariserende middel. Mengden av grafittnodulariserende middel varieres fra is,o kg/tonn (en konvensjonell mengde for denne fremgangsmåtetype ved fremstilling av seig-jern for oppnåelse av 0,05 vekt% magnesium i det endelige stø-pejern) til en nedsatt mengde på 15,8 kg/tonn som ellers ville gi et magnesiuminnhold på 6,044% magnesium i støpejernet. Magnésium-gjenvinningen i nodulariseringsbehandlingen er ca. 50%.

Ca. 1,3 minutt før støping bringes smeiten i kontakt med enten en kommersielt tilgjengelig tilsetningslegering eller et etterbehandlingsmiddel som angitt nedenfor. Det kommersielt til-gjengelige tilsetningsmiddel inneholder (i vekt%) 48% Si, 0,8% Al, 0,7% Co, resten hovedsakelig jern. Etterbehandlingslegeringenes sammensetning er som følger:

Mengden av grafittnodulariserende middel, mengde og type av behandling før støpingen og jernets kjemiske sammensetning og me-

kaniske egenskaper etter støpingen er angitt i Tabell 1.

En sammenligning av enten forsøk 1 og 2 med forsøk 3 (sist-nevnte angår en fremgangsmåte av konvensjonell type).viser at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen resulterer i en kjemisk sammensetning og mekaniske egenskaper for jernet som er fullt på høyde med det man oppnår ved den kjente prosess, med 12,5 vekt% mindre grafittnodulariserende middel i nodu-lariseringsbéhandlingen. Forsøk 4 er et eksempel på en prosess av konvensjonell type, hvor det også ble an-vendt 12,5 vekt% mindre grafittnodulariserende middel i nodulariseringsbehandlingen. Både jernets sammensetning og de mekaniske egenskaper til det resulterende støpejern er mindre akseptable enn noen av forsøkene 1-3.

Mikroskopisk undersøkelse av prøver av hvert av støpe-jernene viser at forsøk 1 og 2 gav fullstendig nodularisering av grafitten, og nodulene viste i hvert tilfelle en relativt ensartet størrelse og fordeling i jernet. Nodulene i jernet i forsøk 3 er relativt jevnt fordelt i jernet, men ganske uensartet i størrelse. Nodulene i forsøk 4 har ikke nådd 100% nodularitet og er uensartet både med hensyn til størrelse og fordeling i jernet.

Eksempel II

Man følger fremgangsmåten ifølge eksempel I med unntagelse av at det grafittnodulariserende middel tilføres støpejernsmelten ved "stangprosessen", hvor det grafittnodulariserende middel i eksempel I føres ned i jernsmelten i en digel forsynt med deksel. Be-handlingene før støpingen utføres under anvendelse av et annet kommersielt tilgjengelig tilsetningsmiddel, (B) og etterbehandlingsmidlet C. Disse materialer har de følgende sammensetninger:

De anvendte mengder og oppnådde egenskaper er vist i ne-denstående Tabell II.

En sammenligning mellom forsøk 5 og 6 viser at den foreliggende oppfinnelse gir seig-jern med metallurgiske og mekaniske egenskaper som er minst like gode som dem man oppnår ved en prosess av konvensjonell type, med - i dette tilfelle - en 32%'s reduksjon i mengden av grafittnodulariserende middel i den nodulariseran de behandling. En lignende reduksjon under anvendelse av en konvensjonell prosess (forsøk 7) resulterer i et produkt med vesentlig dårligere metallurgiske og fysikalske egenskaper.

Sammenligninqseksempler

Fremgangsmåten i Eksempel I gjentas under anvendelse av magnesiumhoIdige ferrosilisiumlegeringer inneholdende 0,5 - 2,1 - 2,3 og 3,5 vekt% magnesium som etterbehandlingsmiddel. Hver legering inneholder ca. 48 vekt% silisium, resten hovedsakelig jern.

Hver etterbehandlingslegering tilsettes til smeiten (som på forhånd har vært brakt i kontakt med det grafittnodulariserende materiale ifølge Eksempel I på samme måte som i Eksempel I) i en mengde på ca. 0,7 vekt% av jernsmelten. En stor mengde røk og flammedannelser følger tilsetningen av legeringene som inneholder 2,1 og 2,3 vekt% magnesium. Magnesiumgjenvinningen for disse legeringer (målt som i Eksempl I) er ca. 40%. Tilsetningen av 3,5 vekt% mag-ne siumleger ing gir skyer av røk og store flammer. Magnesiumgjenvinningen er ca. 25%. Den helse- og sikkerhetsmessige risiko som oppstår ved tilsetningen av 2,1, 2,3 og 3,5 vekt% av de magnesiumholdige legeringer, er så store at legeringene ikke kan brukes i industriell praksis.

Tilsetning av 0,5 vekt% raagnesiumlegering gir ikke røk eller flammer, og magnesiumgjenvinningen er høy. For å øke mengden av magnesium i det endelige støpte seig-jern når mengden av magnesium som grafittnodulariserende middel er redusert med ca. 15% eller mer, må imidlertid den legering som inneholder 0,5 vekt% magnesium, anvendes i så store mengder at silisiuminnholdet i seig-jernet stiger ut over det ønskede maksimum og får uheldige følger for seig-jernets metallurgiske og fysikalske egenskaper.

I sammenligning med ovenstående, og for ytterligere å illu-strere de høye magnesiumgjenvinningsverdier som kan oppnås i henhold til oppfinnelsen, blir etterbehandlingsmiddelet C ifølge Eksempel II (1,21 vekt% magnesium) tilsatt til en laboratoriesmelte av magnesium-o

fritt jern ved 1482 C og i en mengde på 6 vekt% av smeiten. Ingen

røk eller flammer observeres ved tilsetningen, og kjemisk analyse av smeiten etter tilsetningen viser 0,074 vekt% magnesium, hvilket til-svarer hovedsakelig hele magnesiummengden i etterbehandlingsmiddelet

C.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av nodulært støpejern eller seig-jern, hvor jernsmelten først behandles med et grafitt-nodulariserende forbehandlingsmiddel, som fortrinnsvis inneholder magnesium og/eller sjeldne jordartmetaller, og hvor det til smeiten en kort tid før støpingen tilsettes et etterbehandlingsmiddel som er forskjellig fra forbehandlingsmidlet, karakterisert ved at forbehandlingsmidlet tilsettes i en slik mengde at det i den f orbehandlede s f :r-.. Li jernsmelte vil foreligge i en mengde på 0,02-0,055 vekt% og at det til smeiten tilsettes et etterbehandlingsmiddel som har et magnesiuminnhold på 0,8-1,8 vekt%, fortrinnsvis 1-1,6 vekt%.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forbehandlingsmidlet tilsettes i en mengde som fører til et innhold derav i den forbehandlede smelte mellom 0,03 og 0,045 vekt%, fortrinnsvis mellom 0,033 og 0,042 vekt%.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, k å r a k - terisert ved at etterbehandlingsmidlet tilsettes til den forbehandlede smelte i en mengde på 0,25-1,5 vekt%, fortrinnsvis 0,4-0,8 vekt%, beregnet på vekten av smeiten.