Inst-2-08 pprawione.vp

42
Projekty badawcze sfinansowane z dotacji...
Prace IM¯ 2 (2008)
Urszula Galisz, Artur Mazur
Opracowanie technologii wytapiania
i odlewania nowoczesnych stali dla
przemys³u motoryzacyjnego
W ramach pracy opracowano technologiê wytapiania
i odlewania w pró¿niowym piecu indukcyjnym nowych
gatunków stali typu IF, BH i DP przeznaczonych dla przemys³u motoryzacyjnego z wykonaniem serii wytopów
badawczych wytypowanych stali. Zastosowana technologia umo¿liwi³a spe³nienie postawionych wymagañ w zakresie dotrzymania w¹skich zakresów zawartoœci pierwiastków stopowych oraz zawartoœci domieszek w stali,
jak równie¿ pozwoli³a na uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w stali, do poziom poni¿ej 0,005%.
Development of technology for melting and
casting modern steels for automotive industry
As a part of the work the technology for melting and casting new grades of IF, BH and DP-type steel for the automotive industry in the vacuum induction furnace was
developed and a series of research melts of designated steels were made. The applied technology allowed meeting
the fundamental requirements with regard to complying
with narrow ranges of the contents of alloy elements and
the contents of admixtures in steel, as well as allowed obtaining very low sulphur contents in steel, i.e. below
0.005%.
Prace IM¯ 2 (2008)
Projekty badawcze sfinansowane z dotacji...
Wprowadzenie, cel i zakres pracy
Na zapotrzebowanie przemys³u motoryzacyjnego opracowano nowe gatunki stali posiadaj¹ce ekstremalne
w³asnoœci w zakresie podatnoœci do t³oczenia. Do tej grupy
stali zalicza siê stale ultraniskowêglowe typu IF przeznaczone na blachy superg³êbokot³oczne, taœmy typu „full
hard” dla ocynkowni ogniowych, blachy do emaliowania,
druty i inne. W stalach tej grupy istnieje œcis³y zwi¹zek pomiêdzy sk³adem chemicznym stali a procesami wydzieleniowymi i rozrostem ziarna. Podstawowym wymogiem
otrzymywania stali podatnych do kszta³towania jest wyeliminowanie pierwiastków miêdzywêz³owych, do których
zalicza siê wêgiel i azot, co determinuje technologiê ich
wytwarzania. Produkcja tych stali wymaga œcis³ej regulacji sk³adu chemicznego i iloœci pierwiastków rozpuszczonych. Konieczne jest, wiêc zastosowanie procesu technologicznego umo¿liwiaj¹cego sterowaniem sk³adem chemicznym oraz uzyskanie wysokiego stopnia czystoœci stali.
Celem pracy by³o opracowanie technologii wytapiania
i odlewania wytypowanych gatunków stali w pró¿niowym
piecu indukcyjnym, pozwalaj¹cej na uzyskanie kontrolowanych zawartoœci pierwiastków stopowych oraz domieszkowych, g³ównie wêgla, azotu i siarki, jak równie¿
wymaganej du¿ej czystoœci stali.
Praca dotyczy³a wzbogacenia i rozszerzenia stanu wiedzy i metodyki badañ w zakresie wytwarzania nowoczesnych stali dla przemys³u motoryzacyjnego, w tym stali ultraniskowêglowych typu IF, miêdzy innymi w aspekcie
perspektywicznych badañ dla ArcelorMittal Poland
i przysz³oœciowego uruchomienia produkcji tych stali
w kraju.
Wyniki pracy wp³yn¹ na rozszerzenie stanu wiedzy
w zakresie procesów metalurgicznych takich jak: odwêglanie, odazotowanie i rafinacja k¹pieli metalowej, przebiegaj¹cych w warunkach obni¿onego ciœnienia oraz umo¿liwi¹ podjêcie przysz³oœciowych prac zwi¹zanych z projektowaniem technologii przemys³owych wytwarzania ultraniskowêglowych stali z mikrododatkami.
Wykonanie badañ
Zakres badañ obejmowa³:
– opracowanie technologii wytapiania i odlewania nowych
stali dla przemys³u motoryzacyjnego, obejmuj¹cych:
– stale typu IF (interstitial free),
– stale typu BH (bake hardening),
– stale typu DP (dual phase).
– wykonanie wytopów badawczych tych stali o wytypowanych sk³adach chemicznych,
– opracowanie metodyki wykonania wytopów badawczych stali bainitycznych o powtarzalnym podstawowym sk³adzie chemicznym i zró¿nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych,
– wykonanie serii wytopów tej stali w czterech wariantach, ze zró¿nicowanymi zawartoœciami Ni i Ti.
Technologiê wytwarzania stali badawczych oparto
o proces wytapiania i odlewania w pró¿niowym piecu indukcyjnym (ppi) typu VSG-50.
Sk³ad chemiczny stali
Wymagane sk³ady chemiczne stali dla motoryzacji typu
IF przedstawiono w tablicy 1, natomiast w tablicy 2 przedstawiono sk³ady chemiczne stali bainitycznych, o zró¿nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych.
Technologia wykonania wytopów stali dla motoryzacji
Wytopy o masie 25 kg wykonano w laboratoryjnym pró¿niowym piecu indukcyjnym typu VSG-50 firmy Balzers.
43
Tygiel pieca stanowi³ monolityczny wk³ad ceramiczny
z masy magnezjowo-spinelowej Al2O3 · MgO, osadzony
w cewce przy u¿yciu masy ubijanej na sucho, a nastêpnie
wypalany wed³ug okreœlonego programu temperaturowoczasowego.
Wsad zestawiano z materia³ów o znanym sk³adzie chemicznym i du¿ej czystoœci, oraz odpowiedniej postaci fizycznej dla dobrego wype³nienia objêtoœci tygla. Podstawowy wsad stanowi³o ¿elazo Armco o du¿ej czystoœci
i ma³ej zawartoœci domieszek (siarki i fosforu).
Dla uzyskania wymaganego sk³adu chemicznego oraz
du¿ej czystoœci metalurgicznej stali, stosowano g³ównie
czyste dodatki metaliczne i niemetaliczne w postaci: manganu metalicznego, krzemu czystego, chromu metalicznego, tytanu czystego, wêgla – grafitu, ¿elazoniobu. Do odtlenienia k¹pieli stosowano aluminium,
W wytopach, w których wymagana by³a bardzo ma³a zawartoœæ siarki (max 0,005%) przeprowadzono odsiarczanie k¹pieli z zastosowaniem miszmetalu, o sk³adzie: Ce ~
50%, La ~ 20% , Nd ~ 20%. W wytopach stali typu BH,
z podwy¿szon¹ zawartoœci¹ fosforu, stosowano do wsadu
dodatek fosforku ¿elaza (FeP). W wytopach stali z bardzo
ma³¹ zawartoœci¹ wêgla (0,005 %), wprowadzano do wsadu tlenek ¿elaza, jako dodatkowego noœnika tlenu, dla
przeprowadzenia g³êbokiego odwêglania k¹pieli.
Sk³adniki wsadu o niskiej prê¿noœci par, takie jak:
chrom, ¿elazofosfor i tlenek ¿elaza ³adowano do tygla,
a pozosta³e sk³adniki, tj. aluminium, krzem, mangan, wêgiel, tytan oraz miszmetal rozmieszczano w poszczególnych przegrodach zasobnika, w kolejnoœci odpowiadaj¹cej
póŸniejszemu ich wprowadzaniu do k¹pieli.
Nagrzewanie wsadu rozpoczynano przy ciœnieniu rzêdu
0,2 mbara, nastêpnie z chwil¹ zaobserwowania rozpoczêcia roztapiania wsadu wprowadzano do komory pieca argon do ciœnienia ~300 mbar, prowadz¹c dalszy proces topienia. Po ca³kowitym roztopieniu wsadu i osi¹gniêciu odpowiedniej temperatury przystêpowano do odgazowania
k¹pieli metalowej. Odgazowanie k¹pieli prowadzono przy
mo¿liwie niskim ciœnieniu (wysokiej pró¿ni), poni¿ej 0,2
mbara, przez okres 15–20 minut, a¿ do ca³kowitego uspokojenia k¹pieli.
Odwêglanie k¹pieli metalowej wêglem, przebiega równoczeœnie z procesem odgazowania i odtleniania pró¿niowego, pod warunkiem, ¿e w uk³adzie jest odpowiednia
iloœæ tlenu. Poniewa¿ stosowane ¿elazo Armco zawiera³o
bardzo ma³o tlenu (ok. 30 ppm), wprowadzono do uk³adu
dodatkowy tlen w postaci tlenku ¿elaza, aby zintensyfikowaæ proces odwêglania. Po zakoñczeniu procesu odgazowania i odwêglania przeprowadzano koñcowe odtlenienie
k¹pieli przy u¿yciu aluminium. Nastêpnie wprowadzano
do k¹pieli z zasobnika pozosta³e dodatki stopowe dla uzupe³nienia sk³adu chemicznego stali.
Odsiarczanie stali prowadzono miszmetalem, wprowadzaj¹c go jako ostatni dodatek do k¹pieli metalowej. Po
wprowadzeniu miszmetalu, wyd³u¿ano mieszanie k¹pieli
do kilku minut, dla umo¿liwienia wyp³yniêcia utworzonych
wtr¹ceñ niemetalicznych,
Po wprowadzeniu wszystkich dodatków regulowano
temperaturê k¹pieli do wymaganej do odlewania, wynosz¹cej ok. 30–40oC powy¿ej temperatury likwidus dla
wytapianego gatunku stali, pobierano próbkê stali do analizy sk³adu chemicznego i przystêpowano do odlewania
wytopu.
Odlewanie stali prowadzono w atmosferze argonu do
wlewnicy ¿eliwnej, okr¹g³ej z nadstawk¹, g³uchodennej,
zbie¿nej ku do³owi, na wlewki o masie 25 kg. Po odlaniu
H400LA
S420MC
DX54D+Z
Stale IF
Stale IF
Stal BH
Stal BH
Stal DP
Stal DP
Stal DP
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0,35
0,50
0,85
0,95
1,0
1,2
1,00
1,25
0,20
0,25
0,15
0,25
0,15
0,25
0,15
0,25
1,35
1,50
1,35
1,50
1,35
1,50
0,05
0,08
0,06
0,08
0,07
0,09
0,06
0,08
0,008
0,010
0,005
0,010
0,020
0,040
0,005
0,008
0,07
0,09
0,10
0,12
0,10
0,12
0,15
0,25
0,15
0,25
0,15
0,25
max
0,03
max
0,020
max
0,02
max
0,04
0,15
0,25
0,15
0,25
0,15
0,25
max
0,03
Si
max
0,020
max
0,020
max
0,020
0,050
0,080
0,050
0,080
0,008
0,015
max
0,02
max
0,018
max
0,02
max
0,02
max
0,02
P
max
0,006
max
0,006
max
0,006
max
0,012
max
0,012
0,015
0,025
max
0,01
max
0,006
max
0,005
max
0,005
max
0,008
S
0,20
0,30
0,20
0,30
0,45
0,55
max
0,06
max
0,05
max
0,05
max
0,05
Cr
max
0,02
max
0,06
max
0,05
max
0,05
max
0,05
Ni
max
0,06
max
0,05
max
0,05
max
0,05
Cu
Zawartoœæ pierwiastków, [%]
max
0,04
max
0,04
max
0,04
Mo
0,005
0,015
0,005
0,015
max
0,005
max
0,005
max
0,005
0,090
0,110
max
0,30
0,01
0,02
Ti
Wariant 2
Wariant 3
18
18
18
18
VSG 50
VSG 50
VSG 50
VSG 50
Wariant 5
Wariant 4
stal bazowa
wariant 1
Wlewnica
Ø150 × 757
95
VSG 100 S
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
C
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Mn
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
Si
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
P
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
S
0,50
0,25
0,50
0,25
Ni
Cu
Zawartoœæ pierwiastków, [%]
0,1
0,1
Ti
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,004
max
0,004
max
0,004
V
B
AlC
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
max
0,005
0,032
0,039
0,030
0,045
0,030
0,045
0,030
0,045
Nb
0,020
0,050
0,020
0,050
0,020
0,050
0,030
0,060
0,030
0,060
0,020
0,050
0,035
0,045
0,02
0,06
0,025
0,060
0,025
0,060
0,025
0,060
AlC
max 40
max 40
max 40
max 40
max 40
N ppm
max
70
max
70
max
70
max
60
max
60
max
70
1221
1219
1218
1217
S 22
Nr
wytopu
1205
1204
1203
1199
1200
1207
1196
1195
max
70
max
80
1193
1191
1190
Nr
wytopu
max
70
max
70
max
70
N
ppm
Projekty badawcze sfinansowane z dotacji...
wlewnica
nadstawk.
Oznaczenie
stali
Wymiar wlewka
mm
Masa wytopu
kg
Tablica 2. Zestawienie wymaganych sk³adów chemicznych wytopów stali bainitycznych
Table 2. Summary of required chemical compositions of bainitic steel melts
Mn
C
Rodz. pieca
HCT600X
HCT600X
HDT580X
HX220BD-BA
HX220BD-CA
DC04EK
H320LA
2
Oznaczenie
stali
H280LA
Rodz
stali
1
Lp.
Tablica 1. Zestawienie wymaganych sk³adów chemicznych wytopów stali dla motoryzacji
Table 1. Summary of required chemical compositions of steel melts for the automotive industry
44
Prace IM¯ 2 (2008)
Prace IM¯ 2 (2008)
Projekty badawcze sfinansowane z dotacji...
wytopu, odczekano oko³o 50–60 minut, przy zamkniêtym
piecu, w atmosferze argonu, potrzebnych do zakrzepniêcia g³owy wlewka, a nastêpnie wprowadzano powietrze do
komory i otwierano piec. Wlewki rozbrajano w stanie
„zimnym”, po up³ywie oko³o 20 godzin od odlewania (nastêpnym dniu).
Metodyka wykonania wytopów stali bainitycznych
o powtarzalnym podstawowym sk³adzie chemicznym
i zró¿nicowanych zawartoœciach pierwiastków
stopowych
W wytopach stali bainitycznych podstawowym, powtarzalnym sk³adem, który nale¿a³o uzyskaæ we wszystkich
wytopach by³a zawartoœæ: C – 0,05%, Mn – 1,5%. Si –
0,3%, P – max 0,010%, S – 0,010%, Al ca³k. – 0,020%.
Zró¿nicowanie dotyczy³o zawartoœci takich pierwiastków, jak: Ni, Cu, Ti, B, w ró¿nych wariantach iloœciowych.
Dla uzyskania podstawowego sk³adu, wykonano wytopy
okreœlone jako „bazowe”, w pró¿niowym piecu indukcyjnym VSG 100S, z odlewaniem stali do krystalizatora o wymiarach 50 × 250 × 1100 mm, na wlewki o pojemnoœci 95
kg. Odlane wlewki, po pociêciu na odpowiednie kawa³ki,
stanowi³y wsad do wytopów w pró¿niowym piecu indukcyjnym VSG 50.
W piecu VSG 50 nastêpowa³o g³ównie naprowadzenie
wymaganego sk³adu chemicznego w zakresie pierwiastków stopowych i mikrododatków wymaganych dla danego
wariantu gatunkowego stali. Poniewa¿ materia³ bazowy
pochodzi³ z wytopów pró¿niowych i by³ poddany g³êbokiemu odgazowaniu i rafinacji pró¿niowej, nie prowadzono
ju¿ procesu odgazowania. Stal odlewano w atmosferze argonu do wlewnicy ¿eliwnej, okr¹g³ej z nadstawk¹, g³uchodennej, zbie¿nej ku do³owi, na wlewki o masie 25 kg. Po
rozbrojeniu, wlewki przekazano do przeróbki plastycznej
sposobem kucia, na okreœlone wymiary prêtów.
Wyniki badañ
W wytopach stali dla motoryzacji, wymagania odnoœnie
sk³adu chemicznego dotyczy³y g³ównie bardzo w¹skich zakresów zawartoœci poszczególnych pierwiastków, szczególnie zawartoœci wêgla, jak równie¿ w niektórych gatunkach – zawartoœci manganu, niobu i tytanu. Specyfik¹ wymaganego sk³adu by³a równie¿ bardzo ma³a zawartoœæ
siarki oraz regulowana zawartoϾ fosforu (w gatunku
DC04EK i HX220BD-CA).
W wykonanych wytopach uzyskano dobr¹ „trafialnoœæ”
sk³adu chemicznego wytapianych stali. Dotrzymanie
w¹skich zakresów zawartoœci poszczególnych pierwiastków by³o mo¿liwe w wyniku zastosowania do wytopów
czystych dodatków metalicznych i niemetalicznych, jak
równie¿ stosowania œcis³ych procedur technologicznych
w zakresie naliczania wsadu oraz prowadzenia procesu
technologicznego.
Trudniejsze by³o dotrzymanie wymaganych zawartoœci
domieszek, okreœlonych jako zawartoœci maksymalne. Zastosowane materia³y wsadowe, pomimo du¿ej ich czystoœci, nie zapewnia³y uzyskania bardzo niskiej zawartoœci
siarki w stali, wymaganej w stalach typu IF. Usuwanie
siarki jest stosunkowo trudne w procesie wytapiania
w pró¿niowym piecu indukcyjnym, ze wzglêdu na brak ¿u¿la w tym procesie. Odsiarczaniu sprzyja poza tym niska
zawartoœæ tlenu w k¹pieli, przy wy¿szej zawartoœci wêgla
i krzemu, które zwiêkszaj¹ wspó³czynnik aktywnoœci siarki. W wykonywanych wytopach odsiarczanie prowadzono
z u¿yciem miszmetalu, w iloœci 1,6 g na kg stali, wprowadzaj¹c go do k¹pieli – dok³adnie odtlenionej, z bardzo ma³¹
45
zawartoœci¹ tlenu i w odpowiedniej fazie procesu metalurgicznego. Zastosowana technologia odsiarczania pozwoli³a na uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w stali,
nawet na poziomie 0,004%.
W stalach IF wymagana jest równie¿ niska zawartoœæ
azotu, okreœlona jako max 70 ppm. G³ównym noœnikiem
azotu do wytopów jest ¿elazo armco, które wprowadza go
do k¹pieli w iloœci oko³o 70 ppm. Proces pró¿niowego odgazowania pozwoli³ na jego usuniêcie do wartoœci oko³o
30–40 ppm, co stanowi³o oko³o 50% wartoœci pocz¹tkowej.
W wytopach stali bainitycznych, najwiêksz¹ trudnoœæ
stanowi³o uzyskanie powtarzalnego sk³adu chemicznego
w zakresie pierwiastków podstawowych. Sk³ady stali
otrzymane w wytopach bazowych by³y bardzo zbli¿one
pod wzglêdem zawartoœci wêgla, manganu i krzemu. Wiêksze zró¿nicowanie uzyskano w przypadku zawartoœci glinu.
Do przetopów w piecu VSG 50, zastosowano wlewek bazowy o wstêpnie naprowadzonym sk³adzie chemicznym.
Poniewa¿ materia³ wsadowy by³ ju¿ poddany g³êbokiemu
odgazowaniu, technologia wytapiania nie obejmowa³a procesu odgazowania, aby unikn¹æ nadmiernych strat niektórych pierwiastków w procesie pró¿niowym. Proces roztapiania wsadu – w pocz¹tkowej fazie odbywa siê jednak pod
obni¿onym ciœnieniem i ju¿ w tej fazie wytopu przebiegaj¹
np. reakcje odwêglania i parowania sk³adników o du¿ej
prê¿noœci par. W póŸniejszym etapie procesu metalurgicznego przebiegaj¹ te¿ reakcje sk³adników stali z materia³em tygla. Reakcje te prowadz¹ do zgarów niektórych
pierwiastków w stali (czêsto niekontrolowanych i trudnych do okreœlenia, ze wzglêdu na zmiennoœæ warunków
procesu), powoduj¹c ich ubytek w stali. Zmiennoœæ warunków procesowych powodowa³a, ¿e w wykonywanych wytopach uzupe³nianie sk³adników stali, do zawartoœci wymaganych, stanowi³o du¿¹ trudnoœæ w uzyskiwaniu wymaganej powtarzalnoœci.
Problem uzyskiwania powtarzalnoœci sk³adu chemicznego stali, szczególnie w zakresie pierwiastków takich jak
glin, wegiel itp., wymaga dalszych badañ nad technologi¹
wytapiania stali w pró¿niowym piecu indukcyjnym.
Podsumowanie
W oparciu o opracowane eksperymentalne zakresy zawartoœci pierwiastków w stalach dla przemys³u motoryzacyjnego, opracowano technologiê wytapiania i odlewania
w pró¿niowym piecu indukcyjnym wytypowanych gatunków tych stali oraz wykonano wytopy badawcze, które
obejmowa³y:
– stale typu IF,
– stale typu BH,
– stale typu DP.
Opracowano metodykê wykonania wytopów badawczych stali bainitycznych o powtarzalnym podstawowym
sk³adzie chemicznym i zró¿nicowanych zawartoœciach
pierwiastków stopowych. Wykonano seriê wytopów tej
stali w czterech wariantach, ze zró¿nicowanymi zawartoœciami Ni i Ti.
Technologia wytwarzania stali badawczych w pró¿niowym piecu indukcyjnym obejmowa³a:
– dobór i przygotowanie wsadu do procesu wytapiania,
– dobór dodatków stopowych i mikrododatków,
– proces odgazowania i rafinacji stali,
– proces odtleniania k¹pieli metalowej i regulacji sk³adu
chemicznego,
– proces odwêglania k¹pieli,
– proces odlewania stali.
46
Projekty badawcze sfinansowane z dotacji...
Zastosowana technologia wykonania wytopów dla przemys³u motoryzacyjnego, umo¿liwi³a spe³nienie postawionych wymagañ w zakresie dotrzymania w¹skich zakresów
zawartoœci poszczególnych pierwiastków stopowych oraz
zawartoœci domieszek w stali, jak równie¿ pozwoli³a na
uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w stali, do poziomu poni¿ej 0,005%.
Opracowana technologia wytapiania stali bainitycznych
da³a wynik pozytywny w zakresie dotrzymania wymaganych zawartoœci poszczególnych pierwiastków w stali, natomiast uzyskiwanie powtarzalnoœci sk³adu chemicznego,
wymaga prowadzenia dalszych badañ.
Prace IM¯ 2 (2008)