Charakterystyka wybranych materiałów wsadowych

Do produkcji ciekłego stopu odlewniczego stosuje się różnorodne materiały wsadowe. Ogólną klasyfikację takich materiałów można znaleźć między innymi w [38, 46, 49, 51, 53]. Oprócz materiałów czystych chemicznie, zawierających przede wszystkim jeden pierwiastek chemiczny (na przykład metale technicznie czyste), stosuje się głównie materiały charakteryzowane zawartością kilku do kilkunastu pierwiastków chemicznych. Niektóre z tych materiałów są wytwarzane specjalnie dla potrzeb metalurgicznych i odlewniczych (na przykład różne gatunki surówki żeliwnej, żelazostopy), inne są materiałami pochodzącymi z odzysku (na przykład różne gatunki złomu).

Niektóre grupy materiałów wsadowych zostały znormalizowane. Przykładem może być norma krajowa PN-H-83002:1979 [38, 48, 53] – określająca skład chemiczny surówki wielkopiecowej odlewniczej, czy norma branżowa BN-81/0635-01 [77], zawierająca informacje dotyczące bloków żelazoniklu rafinowanego, stosowanego zazwyczaj do produkcji stali stopowych.

Do podstawowych parametrów charakteryzujących odlewnicze materiały wsadowe zalicza się:

 skład chemiczny, czyli wyrażoną w procentach zawartość poszczególnych pierwiastków chemicznych,

 postać (gąski, pręty, bloki, granulat, sprasowane brykiety, wióry, itp.),  wielkość (gabaryty, masa) pojedynczych kawałków oraz jej zróżnicowanie,  sposób transportu i dostarczania do odlewni (palety, big-bagi, worki, luzem),

 podatność na degradację z powodu czynników atmosferycznych oraz sposobu i warunków transportu, przechowywania lub dozowania do pieca odlewniczego. Istotną cechą materiałów wsadowych jest stabilność i czystość składu chemicznego, wyrażana zarówno przedziałami zawartości poszczególnych głównych pierwiastków chemicznych, jak i zawartością szkodliwych pierwiastków chemicznych i domieszek oraz stopniem degradacji (na przykład z powodu utlenienia). Wszystkie te cechy materiałów wsadowych, wraz z ich dostępnością na rynku oraz czynnikami logistycznymi (transport, magazynowanie, spedycja) i handlowymi decydują o cenie zastosowania tych materiałów w procesie technologicznym konkretnej odlewni.

W dalszej części niniejszego rozdziału zostaną skrótowo scharakteryzowane wybrane materiały wsadowe stosowane w wytypowanej odlewni produkującej odlewy z żeliwa szarego i sferoidalnego. Wszystkie zdjęcia poszczególnych materiałów wsadowych zostały wykonane przez autora tej rozprawy.

Na rysunku 3.1 pokazano widok gąsek surówki specjalnej. Gąski te mają postać zbliżoną do figury ostrosłupa o podstawie kwadratowej. Masa pojedynczego kawałka takiej gąski powinna wynosić 12 kg, jednak rozrzut tej masy dla losowo wybranych 11 gąsek tej surówki pokazano na rysunku 3.2.

Rys. 3.2. Wykres masy pojedynczych kawałków gąski surówki specjalnej

Jak można zauważyć na wykresie zamieszczonym na rysunku 3.2, masa zważonych gąsek mieściła się w przedziale od 8.7 do 15.4 kg, co oznaczało prawie 30% odstępstwo od deklarowanej przez producenta tej surówki masy pojedynczej gąski równej 12 kg. Średnia masa zważonych gąsek surówki była równa 11,27 kg, natomiast odchylenie standardowe wyniosło 2,57 kg. Taki rozrzut masy pojedynczych gąsek może mieć znaczenie dla dokładności zestawiania wsadu z udziałem tego materiału dozowanego ręcznie (z liczeniem w sztukach) lub na przykład za pomocą rynien ślizgowych czy wibracyjnych.

W wytypowanej odlewni stosowane są również inne gatunki surówki odlewniczej, pochodzące od różnych dostawców. W tabeli 1 zestawiono zaczerpnięty z odpowiednich atestów skład chemiczny stosowanych surówek odlewniczych.

Tabela 1. Skład chemiczny wybranych gatunków surówki odlewniczej

Nazwa surówki ^{Skład chemiczny, %}

C Si Mn P S

Surówka specjalna 4.48 0.606 0.054 0.051 0.013

Surówka odlewnicza

Pig-Nod ^{4.37 0.690 0.070 0.027 0.007}

Surówka przeróbcza 4.3÷4.8 max. 1.00 max. 0.50 max. 0.15 max. 0.06 Nodular Pig Iron T5

Przykładem materiału wsadowego o ustalonej masie pojedynczych kawałków może być stosowany w wytypowanej odlewni złom stalowy dostarczany w postaci brykietów blach (rys. 3.3). Masa jednego brykietu wynosi 200 ± 20 kg. Skład chemiczny tego materiału, określony w odpowiednim ateście producenta, zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Skład chemiczny złomu stalowego w postaci brykietów blach Zawartość pierwiastka chemicznego, %

C Si Mn P S

0.300 0.020 0.180 0.009 0.008

Rys. 3.3. Widok brykietów sprasowanych blach złomu stalowego

Stosowanie brykietów złomu stalowego o stosunkowo dużej masie pojedynczych kawałków determinuje ich załadunek do wózka załadowczego zazwyczaj liczony w sztukach. Wyznaczenie liczby sztuk brykietów w zestawianym wsadzie powinno być zrealizowane z zastosowaniem metod optymalizacji wsadu, uwzględniających materiały o ściśle określonej masie pojedynczych kawałków.

Do wytwarzania ciekłego stopu odlewniczego stosuje się odpady poprodukcyjne, zwane złomem własnym (obiegowym). Ten materiał to zazwyczaj metalowe elementy układów wlewowych, nadlewów, zasilaczy oraz ewentualnie wadliwych odlewów. Na rysunkach 3.4 i 3.5 pokazano zgromadzony w zasobnikach niekruszony i kruszony złom żeliwny.

Rys. 3.4. Widok złomu żeliwnego niekruszonego Rys. 3.5. Widok złomu żeliwnego kruszonego

Na rysunku 3.6 przestawiono wykres masy zważonych wybranych kawałków złomu niekruszonego. Średnia masa pojedynczych kawałków tego złomu wynosi 9,62 kg, przy czym masa najmniejszego zważonego kawałka złomu niekruszonego wynosiła 6,0 kg, natomiast najcięższy kawałek ważył 16,2 kg (odchylenie standardowe wyniosło 2,57 kg). Oznacza to bardzo duże zróżnicowanie mas pojedynczych kawałków złomu niekruszonego.

Rysunek 3.7 zawiera wykres masy zważonych kawałków złomu kruszonego. Masa najlżejszego zważonego kawałka tego złomu wynosiła 0,4 kg, natomiast najcięższego była równa 15,55 kg. Średnia wartość masy, wyliczona dla zważonych kawałków złomu kruszonego wyniosła 5,16 kg, natomiast odchylenie standardowe wyniosło 4,77 kg.

Rys. 3.7. Wykres masy pojedynczych kawałków złomu żeliwnego kruszonego

Na rysunku 3.8 przedstawiono histogram wykonanych pomiarów masy pojedynczych gąsek surówki specjalnej. Histogramy pomiarów masy pojedynczych kawałków złomu niekruszonego oraz złomu kruszonego pokazano odpowiednio na rysunkach 3.9 i 3.10.

Rys. 3.9. Histogram masy pojedynczych kawałków złomu niekruszonego

Rys. 3.10. Histogram wyników pomiarów masy pojedynczych kawałków złomu kruszonego

Analizując wyniki podstawowych obliczeń statystycznych (średnia arytmetyczna i rozrzut) oraz histogramy zawarte na rysunkach 3.2 oraz 3.6÷3.10 można stwierdzić, że gąski

odlewniczej surówki specjalnej charakteryzują się najmniejszym odchyleniem masy pojedynczych kawałków od wartości średniej, która to wartość niewiele odbiega od deklarowanej przez producenta masy tych gąsek.

Złom kruszony ma najszerszy zakres zmian wartości masy pojedynczych kawałków. Jak wynika z rysunku 3.10, rozkład masy pojedynczych kawałków tego złomu jest względnie równomierny, w porównaniu do rozkładu masy pojedynczych kawałków złomu niekruszonego (rys. 3.9).

Z analizy dyspersji rozważanych w tym rozdziale materiałów wsadowych wynika, że ich dozowanie metodą zliczania kawałków można zastosować wyłącznie dla gąsek surówki specjalnej, natomiast dozowanie z zastosowaniem rynien ślizgowych lub wibracyjnych może w przypadku złomu kruszonego i niekruszonego dawać większą niepewność precyzyjnego dozowania, niż w przypadku gąsek surówki.

W odlewniach produkujących odlewy żeliwne stosowane są również inne materiały wsadowe. Ich zastosowanie w procesie wytopu ciekłego stopu odlewniczego jest uwarunkowane założeniami dotyczącymi zakładanego składu chemicznego tego stopu oraz wymaganymi parametrami technologicznymi, takimi jak: mikrostruktura, lejność, właściwości wytrzymałościowe, żaroodporność, żarowytrzymałość, kwasoodporność i inne. Stąd stosuje się różne gatunki i odmiany żelazostopów, na przykład żelazokrzem i żelazomangan (rys. 3.11), metale technicznie czyste i pochodzące z recyklingu, na przykład pokazany na rysunku 3.12 granulat miedzi i złom miedzi, ścinki blach niklowych (rys. 3.13), czy molibden (rys. 3.14). Do ewentualnego uzupełniania zawartości pierwiastków C i S, stosuje się na przykład różne gatunki nawęglaczy (rys. 3.15) i materiału zawierającego FeS (rys. 3.16).

FeSi75: skład chemiczny: Si=73,1%,

C=0,12%, P=0,03%, S=0,01%, Al=1,51%; wymiary kawałków: 10÷60 mm

FeMn75: skład chemiczny: Mn=75,7%, C=6,78%,

Si=0,96%, P=0,17%, S=0,003%, Fe=16,4%, Ti=0,018%; wymiary kawałków: 10÷60 mm Rys. 3.11. Widok i podstawowe dane stosowanego w wytypowanej odlewni żelazokrzemu i żelazomanganu

Granulat miedzi technicznie czystej Złom miedzi

Rys. 3.12. Widok granulatu i złomu miedzi stosowanych w wytypowanej odlewni

Rys. 3.13. Ścinki blach niklowych Rys. 3.14. Kawałki molibdenu

Naważanie gąsek surówki oraz złomu kruszonego i niekruszonego za pomocą chwytaka elektromagnetycznego podwieszonego do suwnicy zostanie przedstawione w rozdziale 3.2.

Nawęglacz:

C_min=97%, S_max=0,1%

Worki z nawęglaczem: masa worka w granicach 14,75÷21,25 kg,

granulat 1÷3 mm

Rys. 3.15. Widok granulatu nawęglacza oraz fragmentu składowiska worków z nawęglaczem w wytypowanej odlewni

Siarczek żelaza: skład chemiczny wg atestu:

S=39÷41%, Fe=50÷59%, C=0,2÷0,6%, Mn=0,38÷0,5%, Si=0,2÷0,5%, P=0,008÷0,016%, Ni=0,03÷0,05%, Cr=0,1÷0,16%, Cu=0,04÷0,085%

Rys. 3.16. Widok siarczku żelaza stosowanego w wytypowanej odlewni

Pokazane na rysunkach 3.11÷3.16 materiały wsadowe charakteryzują się stosunkowo dużym rozdrobnieniem, co pozwala na ich precyzyjne ważenie i dozowanie. Wyjątkiem tutaj może być stosowanie nawęglacza, który w wielu odlewniach jest ładowany do pieca w całych workach. Wówczas ma znaczenie w wyznaczania namiaru wsadu fakt, że udział nawęglacza wynika z liczby użytych worków.

Podsumowując należy stwierdzić, że materiały wsadowe stosowane w odlewnictwie, z punktu widzenia ich kawałkowatości, można podzielić na:

 drobnodyspersyjne (sypkie, granulaty), których ważenie lub dozowanie można zrealizować z dużą dokładnością,

 o stałej masie pojedynczych kawałków, co pozwala je precyzyjnie stosować na przykład poprzez pobranie wymaganej liczby sztuk. Do takich materiałów można też zaliczyć składniki wsadu paczkowane, w przypadku użycia całych opakowań w zestawianym wsadzie,

 o zróżnicowanej masie (a często również gabarytach) pojedynczych kawałków. Ważenie lub dozowanie tych materiałów może być obarczone błędami i powodować zestawianie wsadu o nieprawidłowym składzie chemicznym.

3.2. Precyzja ważenia wybranych ferromagnetycznych materiałów wsadowych