NO149244B - Stoepejern beregnet for staalverkskokiller. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et støpejern som er spesielt egnet for stålverkskokiller, hvilket innebærer at materialet oppviser god bestandighet mot slitasje i forbindelse med termisk syklisering med forlenget levetid som følge.

Et stadig tilbakevendende problem i forbindelse

med støping av stålgods i stålverkskokiller er på én eller annen måte å forsøke å minske faren for sprekkdannelser i kokill-materialet. Sprekkdannelsen har først og fremst sammenheng med den duktilitetsforringelse som blir en følge av at strukturen gjennomgår en uheldig forandring når materialet underkastes termisk syklisering med vekslende eksponering av kokillens innerflate for oksyderende atmosfære i sammenheng med strip-pingen. Forskjellige utveier er blitt foreslått for å øke kokill-levetiden, dels ved forandringer i kokillmaterialets sammensetning, dels ved forandring av selve kokillformen.

Disse utveier har imidlertid av forskjellige grunner ikke vist seg fremgangsrike.

Det er således kjent fra svensk utlegningsskrift

nr. 335 624 et støpejern for kokiller, hvor støpejernet ved podning har fått en larvelignende grafittform i en overveiende perlittisk grunnmasse, samtidig som de fosfor- og svovelmeng-der som inngår i støpejernet er mindre enn visse foreskrevne maksimalmengder. Imidlertid har det heller ikke ved et slikt materialvalg, som avviker fra det vanlige seigjern, vist seg mulig i påtagelig grad å kunne forbedre motstanden mot en fort-gående termisk utmattning av materialet.

På denne bakgrunn er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe et støpejern som bedre enn tilsvarende, hittil kjente støpejern er egnet for anvendelse i stålverkskokiller og lignende. Kokillenes levetid bestemmes hovedsakelig av kokillmaterialetsegenskaper. De egenskaper som er ønskelige for

et kokillmaterial kan sammenfattes som følger:

1. Stor fasthet og seighet ved høye temperaturer samt god varmeledningsevne innebærende god bestandighet

mot varmesjokk, varmesyklisering og oksydering.

2. Ingen stivningskrymping og god bearbeidbarhet.

Omfattende studier av sammenhengen mellom ovennevnte egenskaper og støpejernets sammensetning og struktur er blitt utført, hvorunder det overraskende har vist seg mulig ved hensiktsmessig balansering av de inngående legeringselementer mot en bestemt karbonekvivalent, å oppnå de ovenfor angitte opti-male materialegenskaper.

Ifølge oppfinnelsen skal støpejernet inneholde i vekt-prosenter 3,7 - 4,0 % C, maks. 1,6 % Si, 0,40 - 0,80 % Mn, 0,010 - 0,045 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 - 0,050 % Mg og resten jern og normalt forekommende forurensninger, hvorunder legeringselementene er balansert mot en bestemt karbonekvivalent i intervallet 3,2 - 3,6 %, beregnet som Cgkv = %C + 0,65 % Si + 0,35 % P - 35 % Mg.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen skal støpejernet inneholde i vektprosent 3,7 - 4,0 % C,

maks. 1,3 % Si, 0,40 - 0,70 % Mn, 0,010 - 0,030 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 - 0,040 % Mg og resten jern og normalt forekommende forurensninger, hvorunder de inngående elementer er således innbyrdes avpasset at karbonekvivalenten antar verdier i intervallet 3,3 - 3,6 %.

Ifølge en spesielt foretrukket utførelse av oppfinnelsen skal støpejernet inneholde i vektprosent 3,7 - 3,9 % C, maks. 1,1 % Si, 0,45 - 0,60 % Mn, 0,015 - 0,03 0 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 - 0,040 % Mg og resten jern og normale forurensninger, idet elementene er slik innbyrdes avpasset at karbonekvivalenten antar verdier opp til 3,3 - 3,6 %.

I strukturell henseende skal støpejernet i samtlige tilfelle være tilvirket på slik måte at karbidandelen er mindre enn 5 volumprosent, ferrittinnholdet er mindre enn 25 volumprosent, grafitten er sfæroidisert til 2/3 av total volumprosent grafitt og resten av strukturen er perlitt.

Resultatet av utførte laboratorie- og driftsoppfølgin-ger av det nye kokillemater ialet har vist at langs- og tverrgående sprekker så godt som helt har forsvunnet som kasseringsårsak. Det nye materialet har følgelig vist seg å muliggjøre oppnåelse av en levetid som er 1,25 - 1,75 ganger normal levetid for kokiller i samme type utførelse.

Det nye støpejernet ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved den særlig gode motstandsevne mot termisk utmattning. Dette er blitt mulig ved at sammensetningen' har vist seg mulig å optimere på den angitte måte for oppnåelse av maksimal varmefasthet og duktilitet.

I det følgende gjengis de resultater som er oppnådd ved varmtrekkeprøving av legeringer som dels faller innenfor rammen av den søkte patentbeskyttelse, dels utenfor.

Fremtagningen av prøvematerialet omfattet først til-virkning i sur HF-ovn med innsmelting av nødvendige råvarer så-som råjern, FeSi, Mn-metall og FeP. Deretter ble smeiten podet med FeSiMg for oppnåelse av den nodulære grafitt, hvoretter smeiten ble tappet ved ca. 1330°C. Fra smeiten ble deretter fremstilt prøvestaver som ble underkastet hårdhetstesting og strekkprøving i en Gleeble-maskin. Herunder ble prøvene opp-hetet til valgt testtemperatur (300 - 1100°C), ble holdt der i 100 sekunder og ble deretter strukket med en konstant strekk-hastighet på 25 mm/sek., idet oppnådde verdier for arealreduk-sjon (40 og bruddgrense (t ) ble registrert.

Det er vesentlig at legeringselementene tilsettes i mengder som er nøye avveiet mot innhold av angitt karbonekvivalent. Forekomsten av karbon bidrar i høy grad til å unngå stivningskrymping og samtidig gi støpejernet nødvendig god støpbar-het og bør av denne grunn forefinnes i en mengde på minst 3,7 vektprosént. Karboninnholdet bør på den annen side være mindre en 4,0 % og fortrinnsvis mindre enn 3,9 % ettersom varmduktili-teten og fastheten ellers kan nedsettes i altfor høy grad som følge av dette. Fig. 1 illustrejrer de verdier som ble registrert ved en sammenligning mellom tre forskjellige legeringer med karboninnholdet som variabel. Som det fremgår av figuren blir en duktilitetsforringelse resultatet av at karboninnholdet ikke optimaliseres på hensiktsmessig måte likeoverfor de øvrige inngående elementer.

Silisium kan få forekomme i mengder opptil 1,6, men bør være mindre enn 1,3 og fortrinnsvis mindre enn 1,1 %. Større mengder bør unngås fordi silisium i likhet med karbon, dersom det ikke optimaliseres på hensiktsmessig måte, nedsetter varmdukti-liteten og fastheten. Støpejern med lavt Si-innhold oppviser større tilbøyelighet til perlittdanning, hvilket betyr bedre duktilitet ved temperaturer over 700°C. En så hurtig perlittomdan-ning som mulig er.ønskelig, ettersom tofasestrukturen austenitt-ferritt forringer duktiliteten. Fig. 2 og fig. 3 viser innvirk-ning av C, Si og C + Si på fasthetsegenskapene. Et altfor høyt' silisiuminnhold har som det fremgår, dersom det ikke optimaliseres på hensiktsmessig måte, medført en påtagelig forringelse av fasthetsegenskapene.

Mangan forbedrer duktiliteten og fastheten og bør derfor forekomme i en mengde på minst 0,4 % og høyst 0,8 %. Ved at mangan stabiliserer perlittdannelsen og senker karbonaktivi-teten reduserer mangan på fordelaktig måte grafitt-tilveksten ved varmesyklisering. Manganinnholdet bør imidlertid ikke overstige ca. 0,7 % og bør fortrinnsvis gå opptil 0,45 - 0,60 % på grunn av den indre oksydering og sementittdannelse ved stiv-ning.

Fosfor bør forekomme i en mengde av minst 0,010 % og fortrinnsvis minst 0,015 %, ettersom nærvær av fosfor hever fastheten. Fosforinnholdet må imidlertid ikke være for høyt i for-hold til legeringselementene C, Si og Mg. Fig. 4 viser at et ubalansert forsforinnhold medfører en senkning av brenningsgren-sen, dvs. den grense fra hvilken duktiliteten kraftig avtar. Fosforinnholdet kan gå opptil høyst 0,04 5 %, men bør være mindre enn 0,04 0 % og, dersom høyt Si-innhold foreligger, fortrinnsvis mindre enn 0,030 %.

Svovelinnholdet kan tillates i omtrent den mengde som tidligere har vært vanlig, nærmere bestemt i mengder opptil maksimalt 0,010 % S.

Magnesium påvirker grafittens utforming. Et sukses-sivt økende magnesiuminnhold forandrer grafittens form fra lamellær til vermikulær.. og endelig til nodulær grafitt. Det er vesentlig at et tilstrekkelig høyt magnesiuminnhold er til-stede for oppnåelse av fullt utformet nodulær grafitt. Denne grafittform har man funnet nødvendig i kokillstøpejern av hensyn til sprekkinitieringen. Magnesiuminnholdet bør således gå opptil mellom 0,020 og 0,050 %, fortrinnsvis mellom 0,020 og 0,04 0 %. Nærvær av magnesium bidrar også til å forbedre varm-duktilitetsegenskapene og stabilisere perlitten. Fig. 5 viser duktilitetsverdiene for to prøver, der i det ene tilfellet magnesiuminnholdet ikke optimaliseres på foreskrevet måte. Som det fremgår får man derved en tydelig duktilitetsforringelse. Det er vesentlig at en for kokillanvendelsen spesielt egnet grunnmassestruktur inneholdes. Ved studier av det foreliggende materialet dels i laboratorieskala og dels ved driftsoppfølging, har det vist seg at materialet i høyere grad enn tidligere materiale er strukturstabilt. Støpejernet skal således være fremstilt på slik måte at karbidandelen i strukturen ikke overstiger 5 volumprosent, ferrittinnholdet overstiger ikke 25 volumprosent, grafitten må være sfæroidisert til 2/3 av total volumprosent grafitt, mens resten av strukturen er perlitt. Den hastighet hvormed den indre oksydering og derved en struktur-forandring til det verre finner sted, bestemmes av avkarboni-serings- og sprekktilveksthastigheten. Av fig0 6 og 7 fremgår at den nodulære grafitten gir mindre avkarboniseringsdybde og dermed minsker muligheten for sprekktilvekst. For at kokill-materialet samtidig skal kunne få nødvendig høy fasthet, kre-ves at ferrittinnholdet begrenses. Dette oppnås først og fremst ved at Mn-innholdet optimaliseres på tidligere angitt måte. Fra fasthetssynspunkt er det samtidig vesentlig at op-timaliseringen av fosforinnholdet tas i betraktning. Karbon og silisium hever begge fosfors aktivitet. Når både karbon og silisium antar høyere verdier innen tidligere angitte intervaller, må man derfor påse at fosforinnholdet er lavt for å unngå senk-

ning av varrafastheten ved høye temperaturer.

Driftsoppfølging av kokiller utført av dels tidligere utprøvet materiale (nr. 163-186) , dels det angitte nye kokille-materialet (nrc 901-907) har vist at en vesentlig forbedring av kokillelevetiden er blitt oppnådd. I tabell II nedenfor er angitt aktuelle materialanalyser. Når det gjelder grafittfor-men, slik denne foreligger i strukturen, skal det påpekes at romertallene I, III og VI motsvarer de generelt vedtatte beteg-ninger for fjellgrafitt, vermikulærgrafitt henholdsvis hodulær-grafitt. For kokill med løpenr. 163, hvis struktur er angitt å innbefatte grafitt av type III - VI med fordelingen 14-1, må således grafitten til bare 1/15 ha foreligget i form av nodulær-grafitt mens den resterende grafitt har bestått av vermikulærgrafitt.

Resultatene av driftsoppfølgingene er angitt i tabell III, idet de i hvert særskilt tilfelle forekommende kasserings-årsaker er angitt i kodeform. Kodene 3, 4, 6 og 7 angår direkte kokillematerialet,mens de øvrige koder betegner kasseringsårsa-ker som i større grad må ansees å bero på kokillehåndteringen. Med hensyn til kode 3 er i forekommende tilfeller, dvs. kokille-nr. 163 - 165 og 183 - 186 angitt etter hvor mange charger ald-ringstegn i form av vertikal sprekkdannelse har kunnet observeres. Resultatene gir opphav til følgende konklusjoner: lo Langs- og tverrgående' sprekker har så godt som helt

forsvunnet som kasseringsårsak.

2. Den generelle levetid er øket i størrelsesorden 1,25 - 1,75 ganger, hvilket har medført minsket forbruk i kilo kokill pr. tonn stål. Nærmere bestemt har forbruket av den her aktuelle kokilltypen Sandvik 27" minsket fra normalt 14,9 til 9,7 kilo kokill pr. tonn stål.

Claims (3)

1. Støpejern for stålverkskokiller med stor fasthet og seighet ved høye tempraturer, med god varmeledningsevne og bestandighet mot varmesjokk, samt liten krympning ved størkning, karakterisert ved at støpejernets sammensetning er valgt i henhold til en bestemt karbonekvivalent fra 3,2 til 3,6 %, beregnet etter ligningen Cekv = %C+0,65%Si+0,35%P-35%Mgi vektprosent ut fra et råmateriale bestående av 3,7 til 4 % C, maks. 1,6 % Si, 0,40 til 0,80 % Mn, 0,010 til 0,045 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 til 0,050 % Mg og resten jern, og støpejernmatriksen be-står av høyst 5 volumprosent karbid, høyst 2 5 volumprosent ferritt og resten perlitt, idet den i matriksen utskilte grafitt i form av kulegrafitt utgjør minst 2/3 av grafittvolumet.

2. Støpejern ifølge krav 1, karakterisert ved at støpejernets sammensetning er valgt i henhold til en bestemt karbonekvivalent på 3,3 til 3,6 % ut fra et råmateriale bestående av 3,7 til 4 % C, maks. 1,3 % Si, 0,40 til 0,70 % Mn, 0,010 til 0,040 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 til 0,040 % Mg og resten jern.

3. Støpejern ifølge krav 2, karakterisert ved at støpejernets sammensetning er valgt i henhold til den bestem-te karbonekvivalent på 3,3 til 3,6 % ut fra et råmateriale bestående av 3,7 til 3,9 % C, maks. 1,1 % Si, 0,45 til 0,60 % Mn, 0,015 til 0,030 % P, maks. 0,010 % S, 0,020 til 0,040 % Mg og resten jern.