Index of /rozprawy2/11364

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo Hutnicza im. Stanisława Staszica. Wydział Odlewnictwa. Rozprawa doktorska. Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Łukasz Kostrzewski. Promotor pracy Dr hab. inż. Krzysztof Janerka Promotor pomocniczy Dr inż. Marcin Stawarz. Kraków 2018.

(2) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Spis treści Studium literatury 1. Wprowadzenie. ................................................................................................ 3 2. Węglik krzemu. ................................................................................................ 5 2.1 Metody wytwarzania węglika krzemu. .............................................................. 5 2.2 Podział węglika krzemu. .................................................................................. 9 2.3 Skład chemiczny oraz właściwości metalurgicznego węglika krzemu. ......................................................................................................... 10 3. Zarodkowanie. ............................................................................................... 13 4. Oddziaływanie SiC metalurgicznego na strukturę żeliwa. ............................. 19 5. Wpływ materiałów wsadowych na strukturę żeliwa. ...................................... 22 6. Wytapianie żeliwa sferoidalnego w piecu indukcyjnym. ................................ 25 7. Obliczanie wsadu do pieca indukcyjnego. ....................................................... 27 8. Efektywność i przyswajanie SiC oraz węgla i krzemu. ................................... 28 9. Podsumowanie przeglądu literatury. ............................................................... 29 Badania własne 10. Cel i teza pracy. ............................................................................................. 30 11. Metodyka badań. ........................................................................................... 31 12. Wyniki przeprowadzonych badań. ................................................................. 33 12.1. Analiza składu chemicznego badanych stopów. ......................................... 33 12.2. Analiza procesu krzepnięcia wytapianego żeliwa sferoidalnego. ................ 35 12.3. Badania właściwości mechanicznych oraz twardości. ................................ 38 12.4. Badania mikrostrukturalne .......................................................................... 44 12.4.1. Badania przy użyciu mikroskopu świetlnego. .......................................... 44 12.4.2. Ocena badań strukturalnych na mikroskopie elektronowym skaningowym. ............................................................................................ 67 12.4.3. Ocena próbek po rentgenowskiej analizie fazowej badanych próbek żeliwa sferoidalnego. 74 13. Opracowanie wyników badań. ........................................................................ 78 13.1. Skład chemiczny ......................................................................................... 78 13.2. Parametry procesu krzepnięcia .................................................................. 84 13.3. Właściwości mechaniczne .......................................................................... 88 13.4. Ilościowa analiza struktur ............................................................................. 92 14. Analiza ekonomiczna wytopów. ................................................................... 121 15. Wnioski. ....................................................................................................... 125 Literatura ........................................................................................................... 129. Strona 2.

(3) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 1. WPROWADZENIE. W 2016 roku światowa produkcja odlewów wyniosła 105,18 mln. ton [1]. Zdecydowaną większość tej produkcji (73,38 mln. ton) stanowiło żeliwo. Corocznie ukazuje się opracowanie w Modern Casting dotyczące produkcji odlewów na świecie. [1,2,3,4,5]. Opanowanie technologii i produkcja na skalę przemysłową odlewów żeliwnych z wydzieleniami grafitu kulkowego (zwanego potocznie sferoidalnym i znanego od 1949r.) stanowiła niewątpliwy przełom w odlewnictwie światowym. Z początku odlewy te były wytwarzane sporadycznie a dziś stanowią 24,4% udziału w produkcji odlewów żeliwnych na świecie i 15,84% (ponad 2% wzrost w porównaniu z rokiem 2014) produkcji w Polsce. Można również zauważyć iż z roku na rok produkcja tego typu żeliwa rośnie (tab.1.) Dane dotyczące produkcji odlewów w Polsce znajdują się w Przeglądzie Odlewnictwa [6,7]. Jeszcze nie tak dawno istniała opinia, że miarą nowoczesności danej odlewni jest procentowy wskaźnik ilości produkowanego żeliwa sferoidalnego. Mniejsza produkcja żeliwa sferoidalnego (a wyższa szarego z grafitem płatkowym) w Polsce w porównaniu z Europą i Światem wynika bardziej z istniejącego obecnie zapotrzebowania, niż z możliwości technologicznych wielu krajowych odlewni [8]. Mimo wad jakie posiada żeliwo szare niska wytrzymałość brak wydłużenia, posiada ono takie zalety jak tłumienie drgań oraz niska cena. Analiza danych zawartych w tabeli pozwala na stwierdzenie że 10 krajów na świecie wytwarza prawie 90% całkowitej produkcji odlewów produkowanych z żeliwa szarego i sferoidalnego. Korzyści wypływające z krystalizacji grafitu w postaci kulkowej (sferoidalnej) takie jak wzrost wytrzymałości odlewu oraz wydłużenia dają konstruktorom możliwość zmniejszenia masy odlewu [8,9]. Wzrost wytrzymałości i plastyczności żeliwa z wydzieleniami grafitu w postaci kulkowej jest spowodowany głównie usunięciem miejsc spiętrzeń naprężeń jakie występują na ostrych krawędziach płatków grafitu żeliwa szarego [8,9]. Oczywistym jest dążenie do ciągłej poprawy jakości odlewów wraz z jednoczesnym obniżeniem kosztów, co jest możliwe poprzez zmianę proporcji stosowanych materiałów wsadowych (ograniczenie lub wyeliminowanie surówki we wsadzie i zastąpienie go znacznie tańszym złomem stalowym). Wiąże się to jednak z uzupełnieniem niedoboru węgla i krzemu w składzie chemicznym wytapianego żeliwa [10]. Na podstawie analizy literatury [11,12] można wywnioskować iż istnieje możliwość wyprodukowania wysokiej klasy żeliwa sferoidalnego bez udziału surówki przy odpowiednim doborze nawęglacza jak i metody nawęglania [13]. Udowodniono iż Strona 3.

(4) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. materiał nawęglający ma istotny wpływ na właściwości i strukturę wytapianego żeliwa oraz na efektywność nawęglania a w konsekwencji zużycie nawęglacza [14,15]. Tabela1. Roczna produkcja odlewów z żeliwa szarego, sferoidalnego oraz całkowita produkcja odlewów ze stopów żelaza i metali nieżelaznych w rozbiciu krajowym oraz największych producentów światowych, w latach 2011 i 2016roku [2][3][4][5] . 2011. 2016. Żeliwo szare. Żeliwo sferoidalne. Całkowita produkcja odlewów. Żeliwo szare. Żeliwo sferoidalne. Całkowita produkcja odlewów. [Mg]. [Mg]. [Mg]. [Mg]. [Mg]. [Mg]. Chiny. 20 009 500. 10 375 000. 41 260 000. 20 350 000. 13 200 000. 47 200 000. USA. 3 064 000. 3 841 000. 10 008 000. 3 874 000. 3 210 350. 9 395 305. Indie. 6 864 000. 1 090 000. 9 994 000. 7 890 000. 1 180 000. 11 350 000. Japonia. 2 229 758. 1 635 500. 5 474 008. 2 224 000. 1 301 300. 5 203 300. Niemcy. 2 576 150. 1 698 235. 5 466 696. 2 234 900. 1 509 900. 5 167 824. Rosja. 2 198 160. 897 840. 4 300 000. 2 000 000. 380 000. 3 900 000. Brazylia. 1 986 733. 812 467. 3 343 685. 1 257 825. 515 875. 2 103 000. Korea. 1 076 600. 652 000. 2 340 200. 1 073 500. 707 800. 2 610 000. Włochy. 692 298. 469 051. 2 213 287. 714 200. 381 200. 2 079 684. Francja. 734 500. 831 600. 2 046 826. 531 500. 675 200. 1 628 195. Polska. 471 800. 124 800. 983 751. 484 000. 166 200. 1 048 800. RAZEM. 41 903 499. 22 427 493. 87 430 453. 40 302 600. 21 717 925. 91 696 108. ŚWIAT. 45 870 050. 24 782 540. 98 593 122. 47 795 820. 25 682 246. 105 182 881. Kraj. Uzupełnienie ciekłego żeliwa w węgiel i krzem wynikające z ograniczenia surówki we wsadzie może być realizowane poprzez wprowadzenie odpowiednich dodatków lub być prowadzone równocześnie przez dodanie metalurgicznego węglika krzemu [16]. Węglik krzemu jest używany jako premodyfikator dla żeliwa wytapianego w żeliwiaku ale również dla żeliwa wytapianego w piecach indukcyjnych. Według licznych badań węglik krzemu (SiC) posiada pewne zalety w porównaniu z nawęglaczami oraz żelazokrzemem [17,18,]. Dodatek ten wpływa na podniesienie temperatury solidus i likwidus. Dodatkowo zwiększa ilość ziaren eutektycznych i jednocześnie zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia węglików w strukturze odlewu. Również obniża prawdopodobieństwo wystąpienia mikroporowatości w odlewie [16,17]. Z analizy literatury wynika również iż żeliwo wytapiane na bazie złomu stalowego i odpowiednio dobranymi materiałami nawęglającymi, wnoszącymi do kąpieli metalowej węgiel posiada znacznie mniej zanieczyszczeń w porównaniu z żeliwem wytopionym z użyciem surówki [10]. Żeliwo to posiada znacznie mniej siarki i fosforu[13,14].. Strona 4.

(5) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 2. WĘGLIK KRZEMU. Węglik krzemu w naturze występuje jako bardzo rzadki materiał zwany moissanit (od nazwiska odkrywcy, francuskiego chemika Henri Moissana). Edward G. Acheson jako pierwszy człowiek w roku 1890 odkrył syntetyczny węglik krzemu. Karborund bo taką nazwę nadał mu E. G. Acheson, który otrzymał przepuszczając prąd elektryczny przez mieszaninę gliny oraz węgla [19]. Proces ten E. G. Acheson opatentował. Karborund uzyskany w procesie syntezy występuje jako dwie odmiany krystaliczne α i β [19]. Mossanit lub jego syntetyczna odmiana karborund jest substancją bardzo twardą (9,5 w skali Mohsa), oraz posiada wysokie właściwości wytrzymałościowe. Dodatkowo materiał ten w warunkach normalnego ciśnienia nie topi się. Zupełnie czysty węglik krzemu jest substancją bardzo twardą, która znalazła zastosowanie jako materiał ścierny do obróbki tworzyw o dużej twardości i małej wytrzymałości na rozciąganie [19]. Ze względu na swoje wysokie właściwości takie jak odporność na działanie czynników chemicznych oraz odporność na wysoką temperaturę i zdolność do przewodzenia prądu znalazł on zastosowanie do wyrobu tygli i rur ogniotrwałych oraz elementów grzewczych do pieców elektrycznych. Zasada produkcji węglika krzemu opiera się na reakcji (1) która zachodzi w bardzo wysokiej temperaturze : 𝑆𝑖𝑂2 + 3𝐶 → 𝑆𝑖𝐶 + 2𝐶𝑂 ↑ +500𝑘𝐽. (1). Surowicami do otrzymania węglika krzemu są piasek kwarcowy lub mielony kwarcyt o zawartości 98,5 – 99,9 % SiO2 oraz nisko popiołowe materiały węglowe (takie jak koks naftowy, koks pakowy lub antracyt).. 2.1 Metody wytwarzania węglika krzemu. Metoda Achesona – jest najczęstszą metodą wytwarzania węglika krzemu. Proces ten prowadzony jest w piecu oporowym Achesona [21]. Zdjęcie i schemat pieca oraz zasadę jego działania przedstawiono na rys. 1 i 2. W tym procesie materiałem wsadowym jest koks naftowy o zawartości pyłu nie większej niż 1%, piasek kwarcowy o zawartości SiO2 wynoszącej 98%, trociny oraz katalizator (NaCl, NaF). Materiały te o bardzo drobnej granulacji (od 0,5-2mm), uprzednio wysuszone, umieszcza się w osi pieca wokół rdzenia grzewczego do którego doprowadza się prąd elektryczny poprzez elektrody zabudowane w bocznych ścianach pieca. Długość pieca wacha się w granicach 10-20 m i ma kształt koryta o szerokość około 2-3 m [21]. Strona 5.

(6) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Rys. 1. Schemat pieca Achesona. 1 – rdzeń grzewczy, 2 – wsad reakcyjny, 3 – elektrody grafitowe, 4 – ściany czołowe, 5 – ściany amorfowe, 6 – ściany boczne [10].. Rys. 2. Widok pieca Achesona podczas syntezy węglika krzemu.. Proces ten przebiega w bardzo wysokich temperaturach (1900-2000⁰ C) [17]. Zwykle proces nagrzewania pieca jest prowadzony ponad 24h, do temperatury 2000⁰C. Maksymalna temperatura osiągana w najgorętszych obszarach pieca sięga 2700⁰C (rys. 3). Ze względu na niską przewodność wsadu pieca w niskich temperaturach w osi elektrod, wzdłuż pieca tworzy się rdzeń przewodzący z pokruszonego grafitu elektrodowego. Na skutek ogrzewania trociny ulegają zwęgleniu, co pozwala na usunięcie części lotnych powstających w piecu. Dzięki tej reakcji katalizatora (chlorku sodu) z Fe i Al otrzymuje się SiC o bardzo dużej czystości (czyli produkt o bardzo dobrych właściwościach) [21]. Bardzo dokładnie proces otrzymywania SiC metodą Achesona jest opisany w literaturze [22]. Wadą tego procesu jest bardzo. Strona 6.

(7) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. negatywny wpływ na środowisko naturalne, ponieważ podczas trwania procesu wydziela się bardzo duża ilość tlenku węgla [12].. Rys. 3. Rozkład temperatury w funkcji czasu nagrzewania w piecu Achesona [12] Węglik krzemu w tym procesie osadza się na grafitowym rdzeniu. Najbliżej rdzenia otrzymuje się najczystszą odmianę α-SiC. Następnie β-SiC która jest gatunkiem metalurgicznym oraz trzecia warstwa będąca nieprzereagowanym materiałem (tzw. syliksykon). Schemat przekroju takiego bloku przedstawiono na rys. 4 [10,12].. Rys. 4. Przekrój bloku produktów spieczonych w procesie wytwarzania SiC metodą Achesona [10,12].. Strona 7.

(8) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Grubokrystaliczny węglik krzemu (α-SiC) podlega procesowi wzbogacania poprzez usunięcie AlSi i FeSi przy użyciu kwasu siarkowego oraz przy pomocy elektromagnesów. Zabarwienie węglika krzemu jest uzależnione od ilości i rodzaju zanieczyszczeń. Metoda ESK. Ze względu na zanieczyszczenie środowiska naturalnego opracowano nową metodę produkcji SiC która opiera się na założeniach i zasadach procesu Achesona. W metodzie tej wprowadzono szereg zmian w samej budowie pieca które mają za zadanie ograniczyć wydzielanie się tlenku węgla do atmosfery. Piec został uszczelniony specjalnymi powłokami z tworzyw sztucznych oraz zaprojektowano instalacje do odprowadzania gazów z pieca. Sam proces przebiega tak samo jak w przypadku metody Achesona. Poniżej przedstawiono schemat produkcji SiC według metody ESK (rys. 5) [20,23].. Rys. 5. Schemat budowy pieca w metodzie ESK [20,24] Istnieje szereg alternatywnych metod pozwalających na wytwarzanie węglika krzemu. Należą do nich metoda PVT (psyhical vapor transport), w której kryształy SiC otrzymywane są w procesie krystalizacji z fazy gazowej. Inne rozwiązanie stanowi metoda SHS (bezpośredniej syntezy wysokotemperaturowej rozdrobnionego węgla i piasku). Wsad reakcyjny nagrzewany jest miejscowo aż do temperatury zapłonu. Proces syntezy prowadzi się w temperaturze powyżej 1850⁰ C i przy ciśnieniu 1,2 – 5 MPa. Są to jednak metody skierowane na otrzymywanie znacznie mniejszych ilości SiC, ale o zdecydowanie większej czystości [25].. Strona 8.

(9) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 2.2 Podział węglika krzemu. Ze względu na gradient temperatury w piecu do produkcji SiC otrzymujemy zróżnicowany produkt o różnej strukturze, właściwości jak i również jakości. W pobliżu rdzenia grafitowego (rys. 4) kolejno osadza się odmiana α-SiC o największej czystości, gęstości oraz gruboziarnistej strukturze (produkty te noszą nazwę SiC zielony lub SiC czarny ). Warstwa zewnętrzna β-SiC jest drobnoziarnista i posiada porowatą strukturę. β-SiC która nosi nazwę metalurgicznego węglika krzemu. Metalurgiczny SiC stanowi około 30% - 40% produktu uzyskanego z jednego wsadu pieca Achesona [10,26]. Opis właściwości poszczególnych rodzajów węglika krzemu pokazano w tabeli 2. Tabela 2. Właściwości węglika krzemu [12]. SiC zielony. SiC czarny. Minimalna zawartość SiC [%]. 97. 96. SiC metalurgiczny 88. Maksymalna zawartość Fe2O3 [%]. 1,0. 1,0. 1,0. Maksymalna zawartość C [%]. 0,2. 0,3. 0,3. Maksymalna frakcja magnetyczna [%]. 0,4. 0,4. 0,5. 1,5. 2,0. 2,0. 1,5. 2,0. 2,0. 3,1-3,2. 3,1-3,2. 3,1-3,2. Właściwości. Zaw. domieszek mineralnych przeźroczystych [%] Zaw. domieszek mineralnych nieprzeźroczystych [%] Gęstość właściwa [g/cm3]. Węglik krzemu zielony – jest produktem o największej czystości (tab. 2) i najlepszych właściwościach, dlatego proces jego produkcji jest najtrudniejszy a co za tym idzie cena tego produktu jest również największa. Jest on przeznaczony do produkcji tworzyw ściernych do obróbki takich materiałów jak: cermetale, ceramika, szkło, granit, kamień szlachetny, marmur, żeliwa i stale austenityczne ( odporne na korozje ) [ 21,24,27]. Węglik krzemu czarny – skład chemiczny tego typu węglika jest zbliżony do składu chemicznego zielonego węglika krzemu, jednak zawiera on dużo więcej niepożądanych domieszek takich jak Fe2O3, Al2O3, CaO, SiO2, MnO2. Z tego względu jego właściwości są nieco grosze. Znalazł on głównie zastosowanie w obróbce ściernej żeliwa, metali nieżelaznych oraz niemetali tj. kamieni, betonów, tworzyw sztucznych, gumy [21,24,27].. Strona 9.

(10) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Węglik krzemu metalurgiczny – ze względów na jego dobre właściwości takie jak dobra przewodność cieplna oraz odporność na wstrząs termiczny znalazł szerokie zastosowanie w produkcji materiałów ogniotrwałych. Stosowany jest również jako materiał nawęglający oraz substytut żelazokrzemu. Węglik krzemu metalurgiczny jest wykorzystywany do produkcji stali jak i żeliwa w postaci elektrokostek z przeznaczeniem dla żeliwiaków oraz w postaci granulatu o różnej ziarnistości do pieców indukcyjnych oraz łukowych, jak również jako paliwo w konwertorach tlenowych [10,26].. 2.3 Skład chemiczny oraz właściwości metalurgicznego węglika krzemu. Zawartość minimalna SiC w metalurgicznym węgliku krzemu wynosi 88% (tabela 2) natomiast maksymalna może wynieś nawet 92 % (uzależnione jest to od różnych metod separacji węglika krzemu po procesie Achesona). Przebieg procesu produkcji węglika krzemu opisany w rozdziale 2.1, powoduje że metalurgiczny węglik krzemu zawiera zanieczyszczenia w postaci częściowo nieprzereagowanego SiO2, jak również przereagowany wolny węgiel i krzem. Związki chemiczne SiC składają się z 70% krzemu oraz 30% węgla. Dokładny skład chemiczny węglika krzemu pokazano w tabeli 3. Klasyfikacja węglika krzemu oraz oznaczenie jego składu chemicznego opisują trzy normy PN-86/H-04157 „Materiały ogniotrwałe. Analiza chemiczna węglika krzemu i wyrobów z węglika krzemu” , ISO 9286:1997 „Materiały ścierne i surowce – Analiza chemiczna węglika krzemu” oraz PN-EN ISO 21068 części 1-3:2008 „Analiza chemiczna surowców i wyrobów ogniotrwałych zawierających węglik krzemu”. Dzięki tym regulacją odbiorcy mają pewność pozyskiwania powtarzalnych produktów o wysokiej jakości [26,28]. Tabela 3. Analiza składu chemicznego metalurgicznego węglika krzemu [28]. Pierwiastek lub związek.. Typowa zawartość [%]. Zakres [%]. SiC. 90. 88 – 92. C – wolny. 4. 2–5. Si – wolny. 0,1. 0,1 – 0,3. Al. 0,2. 0,1 – 0,3. Fe. 0,3. 0,2 – 0,5. CaO. 0,3. 0,1 – 0,5. MgO. 0,1. 0,05 – 0,2. Al2O3. 0,5. 0,1 – 1. SiO2. 2,5. 2–3 Strona 10.

(11) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. As. < 0,002. Cd. 0,005. Cr. 0,005. Cu. <0,01. H. 0,01. Mo. < 0,02. Mn. 0,01. N. 0,03. Ni. 0,05. P. 0,002. S. 0,07. Sb. < 0,001. Se. < 0,0001. Sn. < 0,001. Te. < 0,0001. Ti. 0,05. V. 0,05. Metalurgiczny węglik krzemu posiada szereg właściwości które są bardzo interesujące z punktu widzenia metalurgii oraz jakości wytapianego żeliwa takie jak:  Czystość chemiczna. SiC metalurgiczny jest praktycznie wolny od szkodliwych pierwiastków śladowych co jest bardzo istotne w przypadku postrzegania tego produktu jako nośnika węgla i krzemu. Jak wynika z porównania żelazokrzemu i SiC, metalurgiczny węglik krzemu zawiera tylko 0,2% rozpuszczonego aluminium (tab. 4) [ 10,19,26,28]. Tabela 4. Porównanie zawartości aluminium w różnych typach żelazokrzemu oraz metalurgicznym węgliku krzemu [26,28]. Nośnik krzemu. Zawartość Al [%]. FeSi75. Max. 2,0. FeSi75 Al1. Max. 1,0. FeSi90. Max. 2,5. FeSi90 Al1. Max. 1. SiC – metalurgiczny. 0,2.  W porównaniu z tradycyjnymi nawęglaczami, metalurgiczny węglik krzemu charakteryzuje się bardzo niską zawartością siarki, azotu oraz wodoru, co pokazano w tabeli 5 [10,19,26,28]. Dzięki tak niskiej zawartości zanieczyszczeń Strona 11.

(12) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. w węgliku krzemu w porównaniu z tradycyjnymi dodatkami nawęglającymi oraz nośnikami krzemu daje on możliwość ograniczenia szkodliwych pierwiastków w składzie chemicznym produkowanego żeliwa. Ma to olbrzymie znaczenie w przypadku zwiększenia proporcji zużycia złomu stalowego w kompozycji wsadowej pieca [19,26,28]. Dodatkowo z badań zawartych w literaturze [26] wynika, iż użycie węglika krzemu w porównaniu z tradycyjnymi metodami nawęglania pozwala ograniczyć prawdopodobieństwo powstania nakłuć, dzięki ograniczeniu zawartości azotu i wodoru w żeliwie nawet przy ciągłym wzroście proporcji złomu stalowego w kompozycji wsadowej pieca. Tabela 5. Zawartość siarki, wodoru i azotu w poszczególnych nośnikach węgla [28]. Nośnik węgla. Zawartość poszczególnych pierwiastków C [%]. S [%]. N [ppm]. H [ppm]. Elektrody grafitowe. 99. 0,05. 150. 100. Kalcynowany koks naftowy. 98. 1,5. 6000. 15000. Koks pakowy. 98. 0,4. 7000. 2000. Metalurgiczny SiC. 31. 0,07. 300. 100.  Metalurgiczny węglik krzemu jest odporny na działanie wilgoci. Dzięki czemu reakcja gromadzenia wodoru jest zahamowana jak ma to miejsce w przypadku innych [26,28].  Dodatek węglika krzemu w ilości około 2,5-5 kg na tonę wsadu uniemożliwia powstanie fajalitu, poprzez silną reakcję z tlenkiem żelaza, zgodnie z reakcją (3): SiC + FeO = Fe + Si + CO. (3).  Fajalit jest to krzemian żelaza Fe2SiO4 który powstaje podczas wytopu żeliwa na skutek reakcji krzemioniki SiO2 z tlenkiem żelaza. Fajalit może wpłynąć na zmniejszenie średnicy pieca, poprzez tworzenie bardzo trudnych narośli na ściankach pieca [29,30]. Ponadto fajalit może przedostać się do ciekłego metalu powodując wady w odlewie.  SiC jest stabilnym związkiem w atmosferze utleniającej nawet powyżej 1500 oC, dzięki warstwie SiO2 na powierzchni węglika krzemu. Przekłada się to na praktycznie zerowe straty podczas używania go w procesie wytapiania żeliwa [19,26,28].  Węglik krzemu używany do produkcji żeliwa wytapianego w piecu elektrycznym lub żeliwiaku działa jako premodyfikator, wywołując wstępny efekt modyfikacji żeliwa. Bardzo ważnym aspektem jest powolne tempo zanikania efektu zarodkowania Strona 12.

(13) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. wywołanego dodatkiem SiC (zdecydowanie dłuższy czas działania niż w przypadku modyfikatorów na bazie żelazokrzemu) [19,27,31].  Węglik krzemu według schematu fazowego [26] w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego nie topi się. W temperaturze powyżej 2760 oC rozkłada się na parę krzemową oraz grafitową. W ciekłym stopie, SiC jest powolnie rozpuszczany, jest to uwarunkowanie jego efektem odtleniania [26,28].. 3. ZARODKOWANIE. Podczas krzepnięcia metali i stopów, czyli zmiany stanu skupienia z ciekłego na stały zachodzącej podczas chłodzenia cieczy, po przekroczeniu określonej temperatury, kształtuje się ich struktura krystaliczna [32]. Stąd proces krzepnięcia metali i ich stopów nazywa się krystalizacją [32]. Do czynników decydujących o przebiegu krystalizacji żeliwa należą jego właściwości fizyczne w stanie ciekłym, np. lepkość, napięcie powierzchniowe i międzyfazowe oraz obecność uporządkowanych zgrupowań atomów i wtrąceń metalicznych [32]. Wszystkie te cechy determinują skłonność żeliwa do przechłodzenia, a więc zarodkowania grafitu oraz innych faz krystalicznych [32]. Stopy ciekłe mają mikro niejednorodną klastrową budowę. Niejednorodność tę objaśnia teoria zakładająca odchylenia statystyczne od średniego stężenia, gęstości, temperatury, ciśnienia i innych właściwości cieczy, nazywana teorią fluktuacji. Opiera się ona na założeniu że ciekły stop jest bezwładnym nieuporządkowanym zbiorem atomów, znajdującym się w ciągłym ruchu drgającym. Chwilowy układ atomów ciekłego stopu, rozpatrywany w czasie krótszym od okresu jednego drgania, może przypadkowo odpowiadać położeniu atomów w kryształach, tworzących się w procesie krzepnięcia stopów. Odległości między atomami tych zgrupowań mogą być zbliżone do odległości międzyatomowych w kryształach [29]. Grupy atomów tworzących takie zgrupowania stanowią zespół tzw. bliskiego uporządkowania i przyjęto je określać terminem klastry. W sprzyjających warunkach zespoły te mogą przekształcać się w zarodki określonych kryształów [32]. Z termodynamicznego punktu widzenia klastery nazywane są przedzarodkami krystalizacji lub zarodkami o wymiarach podkrytycznych. Przedzarodki te tworzą powierzchnię międzyfazową oddzielającą je od obszarów cieczy o innym (nieuporządkowanym) rozmieszczeniu atomów. Wytworzenie powierzchni rozdziału między fazą ciekłą a stałą jest procesem energochłonnym, wymagającym wykonania pracy i wiąże się z wydzieleniem energii. Związane jest to z koniecznością pokonania bariery energetycznej stanu aktywowanego przez atomy oraz rozmieszczenie się Strona 13.

(14) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. znacznej liczby atomów w obszarze przejściowym między fazami, gdzie siły międzyfazowe nie są równoważone. Inaczej mówiąc przejściem ze stanu metastabilnego (nieuporządkowany układ atomów) w stan stabilny (przedzarodki, będące chwilowymi elementami struktury fazy stałej) [33]. Wzrost przedzarodków jest związany z ich wielkością. W przypadku bardzo małych mikroobszarów jest on niemożliwy, gdyż wydatek energii na wytworzenie powierzchni międzyfazowej będzie przewyższać energię wydzielającą się w skutek przejścia przedzarodków w stan stabilny. Jeżeli wymiar będzie równy lub większy od krytycznego, to przy ich wzroście ilość energii wydzielanej będzie przewyższać ilość energii pochłoniętej i takie zarodki stają się „zarodkami krystalizacji” [33]. Fluktuacje atomów w temperaturze równowagowej (czyli w temperaturze w której obydwie sąsiadujące fazy – ciekła i stała – są w równowadze termodynamicznej) oraz powyżej tej temperatury, są niestabilne. Powyżej tej temperatury część przedzarodków powinna stać się stabilna i mieć możliwość dalszego wzrostu. Różnica energii swobodnych stanu ciekłego i stałego tworzy termodynamiczny potencjał przemiany, zwany „siłą napędową krystalizacji” [33]. Zgodnie z teorią K.A. Jacksona i B. Chalmersa, atom przechodzący z fazy ciekłej do stałej, musi poza koniecznością pokonania bariery potencjału (stanu aktywowanego ) spełnić następujące warunki :  mieć odpowiednio dużą składową szybkości w kierunku normalnym do powierzchni rozdziału kryształ-ciecz. tzw. czynnik geometryczny.  znaleźć w fazie stałej pozycję, w której może oddać nadmiar energii związany z pokonaniem bariery stanu aktywowanego [34]. Krystalizacja metali i stopów to proces kształtujący strukturę i właściwości odlewu. Podstawy teorii krystalizacji i zarodkowania zostały opracowane przez Volmera i Webera oraz rozwinięte przez Turnbulla [35], oraz szeroko opisane w literaturze. Krystalizacja jest związana z przebiegiem wielu zjawisk fizykochemicznych i składa się z dwóch etapów :  powstania zarodków kryształów ( zarodkowanie ),  wzrost kryształów na zarodkach o promieniu ponadkrytycznym. Zależenie od sposobu tworzenia zarodków rozróżnia się zarodkowanie homogeniczne i heterogeniczne (rys. 6 ).. Strona 14.

(15) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Rys. 6. Schemat zarodka a) homogenicznego, b) i c) heterogenicznego, d) katalitycznego, L – faza ciekła, S – faza stała, P – podłoże, W – warstwa przejściowa, V*, r* - objętość i promień zarodka krytycznego δLP, δSP, δLS – napięcie powierzchniowe odpowiednio na granicy : podłoże cieć, podłoże zarodek, zarodek ( kryształ ) - ciecz. Zarodkowanie homogeniczne występuję w procesie krystalizacji i ma miejsce wówczas gdy faza stała zaczyna powstawać z ośrodków będących zgrupowaniami atomów własnych kąpieli i bez udziału faz obcych. Zarodkowanie homogeniczne zachodzi w cieczy metalowej całkowicie jednorodnej, a w jego wyniku powstaje faza stała [9,13,32,33-37]. Tworzenie się zarodków homogenicznych często określa się mianem krystalizacji samorzutnej [32]. Bazą zarodkowanie homogenicznego są embriony fluktuacyjne. Na podstawie literatury można stwierdzić, że zarodkowanie homogeniczne w czystym metalu jest niezmiernie trudne i wymaga dużego przechłodzenia (w przypadku stopów Fe powyżej 100oC), rzadko spotykanego w praktyce. Strona 15.

(16) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Zarodkowanie heterogeniczne polega na tworzeniu zarodków o rozmiarach krytycznych na sprzyjających zarodkowaniu powierzchniach. Powierzchnie te nazywamy inicjatorem krystalizacji i w warunkach rzeczywistych w ciekłym metalu występują jako podkładki przez które rozumie się różnego rodzaju powierzchnie rozdziału tj. ścianki wnęki formy, powierzchni wtrąceń niemetalicznych i zanieczyszczeń obcych w ciekłym metalu oraz błonki tlenków na powierzchni ciekłego metalu. Powierzchnie te stanowią preferowane miejsca zarodkowania zmniejszające energię aktywacji procesu. Według teorii zarodkowania heterogenicznego powstające w ciekłym metalu klastery stykając się z podkładkami przyjmują kształt fragmentu kuli (rys.7) [36].. Rys. 7: Klaster na podkładce i tak zwany kąt zwilżania [36]. Jeżeli klaster pokazany na rys. 7 ma możliwość wzrostu to staje się zarodkiem krystalizacji. Równanie na wymiar zarodka, i pracę zarodkowania wyprowadza się podobnie w przypadku zarodkowania homogenicznego jak i heterogenicznego jednak przy uwzględnieniu innych zależności geometrycznych [36]. Na podstawie równań opisanych przez E. Fraś [36] można stwierdzić że, promienie zarodków w procesie zarodkowania homogenicznego i heterogenicznym są identyczne, inne są jednak objętości tych zarodków. Zarodkowanie heterogeniczne napotyka mniejszą barierę energetyczną powstania zarodków, co znacznie ułatwia proces powstania zarodków i wpływa na prędkość zarodkowania [36]. Z analizy literatury [9,32,34,36,38] wynika iż zarodkowanie heterogeniczne będą ułatwiać tylko te cząstki, których powierzchnie są dobrze zwilżane przez ciekły metal (0o<< 180o). Wpływ na skuteczność zarodkotwórczego oddziaływania cząstki będzie miało dopasowanie odległości międzypłaszczyznowych sieci krystalicznych w cząstce i zarodku. Można wnioskować iż katalityczne oddziaływanie cząstek jest tym większe im mniejsze jest niedopasowanie sieci obu materiałów.. Strona 16.

(17) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Z rys. 8 [14] wynika iż przechłodzenie rośnie ze stopniem niedopasowanie cieczy. Łatwo również zauważyć, iż w celu uzyskania struktury drobnoziarnistej należy zapewnić dużą szybkość chłodzenia warunkując znaczne przechłodzenie, albo wprowadzić do cieczy dużą ilość centrów zarodkowania w postaci tzw. modyfikatora [14]. Zadaniem modyfikacji jest zwiększenie dyspersji i/lub zmiany kształtu składników strukturalnych. Efektem modyfikacji jest otrzymanie dużo lepszych właściwości stopu niż wynikałoby to ze zmiany składu chemicznego wskutek dodatku modyfikatora.. Rys. 8. Przechłodzenie ciekłego żelaza niezbędne do zainicjowania procesu zarodkowania w funkcji stopnia niedopasowania sieci krystalicznych żelaza i nierozpuszczalnych cząstek z różnych materiałów (dodatków zarodkotwórczych) [14]. Zarodkowanie katalityczne – jest dalszym rozwinięciem zarodkowania heterogenicznego i ma ono szczególne znaczenie w krystalizacji stopów modyfikowanych i kompozytów. Zarodkowaniem katalitycznym nazywamy zarodkowanie inicjowane przez reakcje chemiczne lub reakcje rozpuszczania. W wyniku reakcji tworzy się nowa faza stała jako wtrącenie, bądź też warstwa przejściowa na istniejącym już w cieczy wtrąceniu niemetalicznym (rys 6d). Powstałe w ten sposób nowe wtrącenia lub warstwy przejściowe charakteryzują się tym, że tworzący się na nich heterogeniczny zarodek krystalizacji ma niższą barierę energetyczną i niższy przedział metastabilności niż w przypadku zarodkowania homogenicznego lub heterogenicznego na podłożu pierwotnym. Warstwa graniczna, powodująca zmianę napięcia powierzchniowego, może powstać albo na drodze reakcji chemicznej, albo rozpuszczania, gdy kontakt cieczy i wtrącenia istnieje w odpowiednio długim czasie, albo też warstwa graniczna powstaje jako. Strona 17.

(18) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. wykrystalizowana z cieczy faza o określonym podobieństwie strukturalnym zarówno z wtrącenia, jak i kryształów metalu i stopu. Warunkiem zarodkowania katalicznego jest zapewnienie styku cieczy i podłoża w określonym czasie, niezbędnym dla zajścia reakcji chemicznej lub rozpuszczania. Krystalizacja żeliwa podlega ogólnym prawom krystalizacji metali, szeroko opisanej w literaturze [32,33-39] i w zależności od składu chemicznego i prędkości stygnięcia może przebiegać bądź w układzie stabilnym Fe-grafit, bądź w układzie niestabilnym Fe-Fe3C. Z praktycznego punktu widzenia krystalizacja eutektyki grafitowej, która jest mieszaniną austenitu i grafitu ustala zasadniczo strukturę i co za tym idzie właściwości użytkowe odlewów żeliwnych. Zagadnienie krystalizacji grafitu w danej postaci wchodzi w ogólny zakres teorii krystalizacji, rozumianego jako proces zarodkowania i wzrostu grafitu w stopach żelaza z węglem. W trakcie krystalizacji poszczególnych faz podczas krzepnięcia ciekłego żeliwa, rozpoczyna się proces kształtowania podstawowej struktury żeliwa (szare, białe, połowiczne), główne cechy grafitu (postać i rozmieszczenie) oraz cechy eutektyki (przede wszystkim rozmiar ziaren eutektycznych). Struktura ta ulega zmianom podczas stygnięcia odlewów w wyniku zmiany rozpuszczalności węgla w austenicie oraz przemiany austenitu.. Rys 9. Wpływ prędkości stygnięcia na stopień przechłodzenia [ 9,32,40]. Z analizy literatury wynika iż w procesie krystalizacji eutektyki przede wszystkim zostaje ukształtowana struktura odlewu. Proces ten jest określony przez trzy podstawowe czynniki: stopień przechłodzenia względem równowagowej temperatury krystalizacji wg układu stabilnego, liczbę zarodków i prędkość wzrostu eutektyki (rys. 9). Czynniki te określają strukturę pod względem jakościowym i ilościowym. Dodatkowo czynnikiem, określającym strukturę pod względem ilościowym jest zdolność żeliwa do zabieleń, lub zdolność żeliwa do grafityzacji podczas krzepnięcia [32]. Według Cz. Podrzuckiego grafityzacją nazywamy zdolność do krystalizacji grafitu Strona 18.

(19) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. w wyniku wydzielenia atomów węgla zarówno z roztworu ciekłego, jak i z faz krystalicznych powstałych podczas krystalizacji pierwotnie i eutektycznej [32]. Podczas zarodkowania grafitu podstawową rolę spełniają zarodki heterogeniczne o sieci heksagonalnej (SiO2, SiC, Al2O3, CaC2), oraz o sieci krystalicznej regularnej (MgO, MgS, Mg2N2, Mg2Si).. 4. ODDZIAŁYWANIE METALURGICZNEGO WĘGLIKA KRZEMU NA STRUKTURĘ ŻELIWA. Z analizy literatury [16,17,26,27,28,41] wynika, że SiC jest źródłem bardzo dużej ilości zarodków krystalizacji. Trwałość tych zarodków jest znacznie wyższa, gdyż węglik krzemu rozpuszcza się znacznie wolniej niż chociażby FeSi. Jest to bardzo ważny aspekt szczególnie w przypadku wytopu żeliwa na bazie złomu stalowego, gdzie zarodkowanie jest utrudnione [15]. Mechanizm działania tego procesu nie jest do końca wyjaśniony, ale stwierdzono iż w czasie rozpuszczania SiC w żeliwie wokół cząstek SiC formują się klastery grafitowe [17]. Wynika to z lokalnego przesycenia stopu w węgiel i krzem. Klastery grafitowe odgrywają znaczącą rolę w procesie zarodkowania i tworzenia grafitu eutektycznego. Podczas rozpuszczania żelazokrzemu obserwuje się również powstawanie klasterów grafitowych ale ze względu na jego szybszą prędkość rozpuszczania klastery te pozostają stabilnie przez krótki okres. Podczas stosowania SiC powstałe klastery grafitowe utrzymują się znacznie dłużej, co pozwala na znaczne wydłużenie działania modyfikacji [17]. Powstanie grafitu wokół wielu klasterów cząstek SiC znacznie zmniejsza zawartość węgla w reszcie stopu. Powoduje to podniesienie temperatury likwidus, temperatury w której występuje zarodkowanie (obniżenie przechłodzenia), co w konsekwencji sprzyja powstaniu większej ilości komórek eutektycznych [15,17] oraz ma to związek z dopasowaniem sieci krystalicznej węglika krzemu i ciekłego żelaza (rys. 8). Na podstawie wielu badań można stwierdzić że metalurgiczny węglik krzemu jest często dodawany jako premodyfikator wraz ze wsadem do pieca, nie tylko w celu zwiększenia ilości wydzieleń grafitu ale również w celu ulepszenia kształtu i poprawy dystrybucji tych wydzieleń [17,26]. Według badań [12,16,17,27,42,43], SiC dzięki obniżeniu rekalescencji zapobiega powstaniu zabieleń w strukturze odlewów cienkościennych. Wpływa też pozytywnie na właściwości mechaniczne zwłaszcza w wytopach z dużym udziałem złomu stalowego w porównaniu z żelazokrzemem. Strona 19.

(20) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. W badaniach przedstawionych w pracy [44] pokazano wpływ temperatury zalewania na płynność ciekłego metalu, zdolność do zabieleń jak i twardość stopu. Przeprowadzone badania obejmowały dwie serie wytopów żeliwa szarego do których wykorzystano taki sam procentowy udział materiałów wsadowych. Skład chemiczny i równoważnik węglowy (CE= 4,057 – 4,127%) w obu seriach był zbliżony. W pierwszej serii do wsadu wprowadzano dodatek SiC, a w drugiej dodatek FeSi. Badania prowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym o pojemności 25 kg, przy różnych temperaturach zalewania (1350–1500oC). Na podstawie przeprowadzonych badań i obliczeń stwierdzono, iż w obu przypadkach (z wytopach z dodatkiem SiC jak i FeSi) wraz ze wzrostem temperatury wzrastała zdolność do zabielenia, oraz następuje zdecydowana poprawa płynności ciekłego metalu i poprawa twardości (rys. 10). Jednak wprowadzenie do wsadu węglika krzemu powoduje, że wytapiane żeliwo wykazuje się lepszą płynnością, mniejszą zdolnością do zabieleń, oraz niższą twardością w całym zakresie badanych temperatur, w porównaniu z wytopami wykonanymi z dodatkiem FeSi. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono również, że żeliwo szare z dodatkiem SiC cechuje się większą ilością grafitu płatkowego typu A (średnio 25% więcej w całym zakresie analizowanych temperatur), który jest bardziej równomiernie rozmieszczony niż w żeliwie z dodatkiem FeSi.. Rys. 10 Wpływ dodatku SiC i FeSi na (a) płynność; (b) zdolność żeliwa do zabieleń; (c) twardość żeliwa szarego zalewanego w różnych temperaturach.. Strona 20.

(21) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Na podstawie przeprowadzonych badań [10,16,43] stwierdzono większą zawartość ferrytu w strukturze wytapianego żeliwa z dodatkiem SiC w porównaniu z FeSi, jak również poprawę właściwości wytrzymałościowych w badanym żeliwie. Poprawę właściwości stwierdzono głównie w wytopach z dodatkiem węglika krzemu i z dużym udziałem złomu stalowego w porównaniu z wytopami z dodatkiem żelazokrzemu i dużym udziałem złomu stalowego [16,42,43]. W pracach [16,43,45] przedstawiono przebieg i wyniki badań dwóch serii wytopów żeliwa sferoidalnego o zbliżonym składzie chemicznym lecz różnym udziale materiałów wsadowych. W każdym wytopie użyto innego stosunku surówki, złomu stalowego oraz dodatku SiC lub FeSi. Badania prowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym o pojemności 30 kg. Podstawowym celem badań była ocena wpływu zastosowanych materiałów wsadowych na strukturę wytapianego żeliwa sferoidalnego.. Rys 11. Wynik ilościowej oceny mikrostruktury odlanych próbek. 11a. Zawartość ferrytu w strukturze. 11b. Zawartość wydzieleń grafitu. Na podstawie przeprowadzonych badań i obliczeń zaobserwowano zdecydowany wzrost wydzieleń grafitu w przypadku żeliwa sferoidalnego z dodatkiem węglika krzemu w obu seriach prowadzonych wytopów. Ponadto badany stop z dodatkiem węglika krzemu charakteryzuje się większym udziałem ferrytu w strukturze jak i większą ilością wydzieleń grafitu w strukturze stopu ( rys. 11 ). Należy jednak dodać iż niektórzy autorzy [17] uważają, na podstawie swoich badań że różnice w cechach strukturalnych i właściwościach mechanicznych pomiędzy wytopami z dodatkiem SiC jak i FeSi są niewielkie i nie można jednoznacznie ocenić który z dodatków wpływa korzystniej na te cechy.. Strona 21.

(22) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 5. WPŁYW MATERIAŁÓW WSADOWYCH NA STRUKTURĘ ŻELIWA. Wytapianie żeliwa wymaga użycia odpowiednich, pod względem jakościowym i liściowym materiałów wsadowych. A sam ich dobór determinowany jest rodzajem wytapianego żeliwa jak i względami ekonomicznymi [46]. Głównymi materiałami wsadowymi w procesie wytapiania żeliwa nadal jest surówka, złom stalowy oraz złom własny, który razem z dodatkami tj. nawęglacze i żelazostopy stanowią o rodzaju oraz jakości żeliwa jakie otrzymujemy. Ważnym czynnikiem decydującym o rodzaju żeliwa (żeliwo szare, sferoidalne oraz stopowe), jego jakości oraz właściwościach (twardość i wytrzymałość), jest również kolejność dodawanych materiałów wsadowych, temperatura przegrzania metalu, możliwość wytrzymania metalu w wymaganej temperaturze przez odpowiedni okres czasu, ciśnienie nad ciekłym metalem w okresie przegrzania lub wytrzymania (w przypadku pieca próżniowego), oraz rodzaj atmosfery gazowej panującej w czasie topienia i przegrzania. Czynniki te w różnym stopniu decydują o stanie fizykochemicznym ciekłego metalu z punktu widzenia jego zdolności do zarodkowania grafitu podczas krzepnięcia [32]. Jak już wspomniano wyżej jednym z najważniejszych materiałów wsadowych jest surówka. Jest to przeważnie produkt wielkopiecowy, zawierający od 3,5 do 4,5 % węgla. Rozróżniamy dwa rodzaje surówek, tj. przeróbcze i odlewnicze. W grupie surówek odlewniczych znajdują się między innymi surówki hematytowe, fosforowe, oraz surówki specjalne. Surówki specjalne charakteryzują się bardzo wysoką czystością pod względem składu chemicznego i stosowane są głównie przy produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego ferrytycznego [13]. Można również prowadzić wytop bez udziału surówki na bazie złomu stalowego lub używając częściowo we wsadzie złom stalowy. Wymusza to jednak konieczność uzupełnienia węgla. Rodzaj i dobór nawęglaczy został opisany w pracach [13,47,48]. Złom stalowy (szczególnie złom głębokotłoczny, ze stali tzw. karoseryjnej, wykorzystywanej w przemyśle motoryzacyjnym lub złom z blach transformatorowych), charakteryzuje się bardzo dużą czystością (pierwiastki śladowe) oraz niską zawartością manganu. Jest to bardzo istotne w przypadku żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. W przypadku złomu z blach karoseryjnych pewnym problemem jest cynk stanowiący zabezpieczenie antykorozyjne tych blach [49]. Jak już wcześniej wspomniano dobór materiałów wsadowych ma istotny wpływ na stan fizykochemiczny ciekłego metalu, w różnych wytopach przy tym samym składzie chemicznym żeliwa. Dużą rolę odgrywa postać wydzieleń grafitu (ilość, kształt i wielkość) w użytych materiałach wsadowych, oraz zawartość pierwiastków śladowych w tym i gazów [32]. Strona 22.

(23) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Przy wsadzie zawierającym grafit w postaci grubych wydzieleń, żeliwo wykazuje tendencje do krystalizacji podobnej postaci grafitu w odlewach. Materiały wsadowe z drobnym grafitem lub pozbawione grafitu ( surówka biała lub złom z żeliwa białego) sprzyja tworzeniu się w odlewach podobnej struktury. Jest to wynikiem trwałości egzogenicznych cząstek grafitu, służących podczas krystalizacji jako zarodki [32]. Duże znaczenie przypisuję się również gazom (zwłaszcza azotowi), których zawartość w surówce może zmieniać się w szerokim zakresie oraz występowaniu pierwiastków śladowych (Pb, As, Sb, Ti, Bi, i innych), które utrudniają uzyskanie odpowiedniej struktury zwłaszcza w odlewach produkowanych z żeliwa sferoidalnego [32]. W wielu publikacjach zależność ta łączona jest z tzw. „dziedzicznością” cech strukturalnych materiałów wsadowych użytych do wytopu żeliwa [13,32,48,50,51,52]. Wpływ materiałów wsadowych na właściwości odlewu, zwłaszcza surówki, spowodowany jest również występowaniem w tym materiale wtrąceń niemetalicznych tj. SiO2, i FeS. Dodatki te wpływają na otrzymanie w strukturze drobniejszych wydzieleń grafitu jako wynik silniejszego przechłodzenia żeliwa. Na podstawie badań [47] można stwierdzić, iż dodatek surówki we wsadzie zdecydowanie obniża przechłodzenie w porównaniu z wytopami prowadzonymi na bazie złomu stalowego. Jednak z ekonomicznego punktu widzenia konieczne jest częściowe zastąpienie we wsadzie droższej surówki, tańszym złomem stalowym. Przejście z tradycyjnego sposobu wytapiania żeliwa przy znacznym udziale surówki we wsadzie (która jest bogata w zarodki krystalizacji) do wytopu prowadzonego na bazie złomu stalowego (który generalnie uważany jest za źródło niewielu zarodków krystalizacji), wymaga uzupełnienia składu chemicznego, szczególnie w zakresie węgla i krzemu. Uzyskanie dużych przyrostów węgla w ciekłym metalu wytapianym w piecu elektrycznym indukcyjnym nie stanowi większego problemu. Istnieje wiele publikacji [1017,26,43,45,52] opisujący sposób doboru nawęglaczy (w tym również węglika krzemu), oraz żelazostopów, jak również opisujących pozytywny wpływ tych dodatków na właściwości żeliwa. Dodatkowo żeliwo uzyskane wyłącznie na bazie złomu stalowego powinno cechować się lepszymi własnościami ze względu na znacznie mniejsze zawartości zanieczyszczeń [13]. Należy jednak pamiętać iż dobór odpowiedzialnego dostawcy złomu stalowego jest bardzo istotny z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy na wytapialni. W złomie stalowym nie mogą trafić się naczynia zamknięte, a wymiar maksymalnch kawałków złomu nie powinien przekraczać 1/3 średnicy pieca (dotyczy to zarówno żeliwiaków jak i pieców elektrycznych indukcyjnych) [51,63].. Strona 23.

(24) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 6. WYTAPIANIE ŻELIWA INDUKCYJNYM.. SFEROIDALNEGO. W. PIECU. Wraz ze znacznym wzrostem zapotrzebowania na odlewy produkowane z żeliwa sferoidalnego oraz coraz wyższych wymagań dotyczących konstrukcji jak i właściwości odlewów, można również zauważyć znaczny wzrost produkcji żeliwa wytapianego przy użyciu pieców indukcyjnych (według danych statystycznych [5,9]. Nie wynika to jednak ze spadku produkcji żeliwa wytapianego w żeliwiaku, a coraz powszechniejszym użyciu pieców elektrycznych. W Polsce można jednak zauważyć że często małe i nieefektywne żeliwiaki, z ich ograniczeniami procesowymi, oraz nieekonomiczne i mało efektywne piece indukcyjne sieciowej częstotliwości, są coraz częściej zastępowane przez piece indukcyjne średniej częstotliwości (200 – 1000 Hz) i o dużej mocy (powyżej 250 kW/tonę) [42]. Na przestrzeni lat można zauważyć zdecydowaną poprawę efektywności oraz sprawności pracy tego typu pieców, co w połączeniu z wieloma zaletami decyduje o coraz częstszym wykorzystywaniem ich w procesie produkcyjnym zwłaszcza żeliwa sferoidalnego. Poprawa wydajności pieców indukcyjnych spowodowana jest głównie poprzez osiągniecie wysokiej sprawności tyrystorowych przemienników częstotliwości na poziomie 97-98%, wraz ze znaczną poprawą ich niezawodności. Dzięki ich zastosowaniu piec można zasilić pełną mocą jeszcze przed całkowitym stopieniem wsadu, oraz wytop można prowadzić od stałego wsadu, bez konieczności pozostawiania ciekłego metalu. Zasada działania tyrystorów opisana jest w wielu podręcznikach [9,53,54]. Niezawodność i ekonomię oraz optymalne wykorzystanie tych pieców zapewniają systemy komputerowego sterowania procesem. Duża sprawność tych urządzeń w połączeniu z łatwością uzyskania zadanego składu chemicznego, pozwala obniżyć koszty wytopu poprzez zastosowanie dużej ilości złomu stalowego we wsadzie pieca [42]. Do najważniejszych zalet pieców elektrycznych średniej częstotliwości należą : . możliwość uzyskania znacznie wyższych temperatur przegrzania, niż to ma miejsce w innych piecach metalurgicznych,. . łatwość regulacji temperatury,. . wykluczenie szkodliwego działania spalin na kąpiel metalową, oraz mały stopień zanieczyszczeń atmosferycznych,. . łatwość nawęglania,. . mała zawartość zanieczyszczeń (nie występuję zasiarczenie, niski stopień utlenienia),. . elastyczność technologiczna (łatwość zmiany gatunku żeliwa), Strona 24.

(25) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. . bardzo dobre ujednorodnienie metalu, zachodzące wskutek ruchu metalu, którego intensywność zależy od częstotliwości prądu zasilającego [9,28,54]. Najczęściej nowoczesne piece średniej częstotliwości posiadają możliwość zmiany częstotliwości w trakcie procesu topienia, intensyfikując tym samym ruch metalu,. . łatwa obsługa i higiena pracy. Do najistotniejszych wad można zaliczyć, duże koszty inwestycyjne, większe koszty eksploatacyjne, oraz okresowy charakter pracy pieców [9,32,46,52,53, 55-57].. Rys 12. Zasada działania pieca indukcyjnego dla kolejnych faz topienia [9,32,54]. Budowę oraz zasadę funkcjonowania pieców przedstawiono na rys. 12. Energia cieplna w piecach indukcyjnych jest dostarczana w wyniku przepływu przez wsad prądów indukcyjnych. Zasadniczą częścią tych pieców jest cewka (odpowiednio ukształtowany przewód rurowy, chłodzony wewnątrz wodą) który otacza tygiel wymienny lub stały wykonany z materiału ogniotrwałego [9,46,56,]. Do zasilania pieców indukcyjnych stosowany jest prąd przemienny o różnej częstotliwości od 50 – 10000 Hz. W wyniku indukcji we wsadzie powstają prądy wirowe, których głębokość wnikania jest odwrotnie proporcjonalne do częstotliwości (rys 12). W piecach indukcyjnych, zmiana energii elektrycznej w cieplną przebiega według prawa Joule’a Lorenza :. Strona 25.

(26) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Q = 0,24 I2*R*t. (4). Q – ilość ciepła [kcal], R – opór elektryczny [Ω], I – natężenie prądu [A], t – czas [s]. Po stopieniu metalu prądy wirowe wprawiają kąpiel w ruch, w którego wyniku na powierzchni powstaje menisk. Intensywność tego ruchu zwiększa się wraz ze zmniejszeniem częstotliwości. Nowoczesne piece charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością elektryczną, która wyrażona jest równaniem : ɳe = P/PO (5) gdzie : P= Pu + Ps. (6). Pu – moc użyteczna, Ps – moc strat ciepła. Jeżeli przez PO oznaczymy moc przyłączeniową pieca, to sprawność elektryczną procesu można opisać. Jeżeli sprawność cieplna, wyrażona przez stosunek ciepła zużytego w procesie metalurgicznym do ilości ciepła pobranego przez piec, to sprawność energetyczną można wyrazić wzorem : ɳen = ɳe * ɳc. (7). Piece te najczęściej też są wyposażone w systemy automatycznego sterowania, obejmujące program zmiany dostarczonej mocy stosownie do etapu topienia, ustawienia cosφ, regulację temperatury jak również systemy nie pozwalające na przekroczenie poboru mocy zamówionej dla danego zakładu (szczególnie ważne w przypadku równoległej pracy kilku piecy na raz – tzw. strażnik mocy) [46,56]. Wytwarzanie żeliwa sferoidalnego wymaga przestrzegania bardzo restrykcyjnie reżimu produkcyjnego i bardzo dużej dokładności i powtarzalności w procesie produkcyjnym. Jednym z warunków krytycznych do uzyskania dobrej klasy żeliwa sferoidalnego, obok składu chemicznego (ustabilizowanie pierwiastków podstawowych decydujących o właściwościach żeliwa, szczególnie tj. C, Si oraz bardzo niskiej zawartości S w składzie chemicznym żeliwa wyjściowego) jest uzyskanie odpowiedniej temperatury ciekłego metalu przed rozpoczęciem zabiegu sferoidyzacji. Związane jest to ze stratą ciepła podczas obróbki ciekłego metalu zaprawą magnezową. Temperatura ta nie może być jednak zbyt wysoka, gdyż będzie Strona 26.

(27) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. to powodowało bardziej intensywne utlenianie pierwiastków takich jak Mg, C, Si, oraz zmniejszenie liczby zarodków. Z pewnością do lepszego zarodkowania przyczyni się krótszy czas topienia metalu, co ma miejsce w piecach średniej częstotliwości. Wydaje się że piece indukcyjne spełniają te warunki najlepiej z pieców metalurgicznych, gdyż bardzo dokładnie można zaplanować temperaturę spustu ciekłego metalu, oraz dzięki odpowiednio dobranym materiałom wsadowym, można uzyskać bardzo niską zawartość siarki w metalu wyjściowym do zabiegu sferoidyzacji. Ma to duży wpływ na zużycie sferoidyzatora w procesie produkcyjnym, co jest bardzo istotne z ekonomicznego punktu widzenia. Również jak już wcześniej wspomniano, regulacja podstawowych pierwiastków (C, Si) w przypadku tych pieców wydaję się bardziej precyzyjna [9,32,46,56, 57].. 7. OBLICZANIE WSADU DO PIECA INDUKCYJNEGO. Obliczanie namiaru wsadu metalowego stopu odlewniczego w tym żeliwa sferoidalnego sprowadza się do wyznaczania udziału procentowego lub masowego poszczególnych składników, które zapewnią uzyskanie odpowiedniego zalecanego składu chemicznego [49,58]. Jeżeli oprócz założeń technologicznych, dodatkowo zostanie określony wskaźnik kosztu jednostkowego poszczególnych składników to będzie można opracować optymalny w sensie ekonomicznym namiar wsadu [58]. Dotychczas w obliczeniach namiaru wsadu przyjmowano, że skład chemiczny podaje się w postaci deterministycznej (czyli np. zawartość C = 3,4 %). Jednak dość często analiza składu chemicznego surowców dostarczanych do odlewni wykazuje duży rozrzut zawartości poszczególnych pierwiastków chemicznych (np. C = 3,4 % – 3,6 %, Si = 0,7% - 0,8 %) [49,58,59]. Dlatego wiele odlewni polskich i światowych wyposażonych jest w programy pozwalające optymalizować wsad w oparciu o model matematyczny obliczania namiaru wsadu zakładający minimalny łączny koszt jednostkowym. Odbywa się to często z uwzględnieniem „rozmytego” składu chemicznego materiałów wsadowych, uzysku dodatków stopowych oraz nawalaczy i uwzględniający zgar i uzysk tych produktów [66]. Bardzo często odlewnie wyposażone są w zintegrowany system obliczenia namiaru wsadowego do pieca, połączony z automatyczną suwnicą dozująca na wózek załadowczy dokładnie odważone surowce, według założonej receptury [59]. Zaletą tego typu systemu monitorowania pola wsadowego, poza bieżącą kontrolą zużycia materiałów wsadowych oraz kontrolą rzeczywistego kosztu wytworzenia ciekłego metalu (tak istotnego z punktu widzenia rentowności danego odlewu), jest Strona 27.

(28) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. dyscyplinowanie pracowników obsługujących wydział wytapialni. Przyczynia się to do ustabilizowania zestawianego wsadu i eliminuje w znacznym stopniu liczbę wadliwych wytopów a w konsekwencji wpływa na zmniejszenie ilości produkowanych braków. W przypadku połączenia tego typu rozwiązań z urządzeniem do analizy termicznoderywacyjnej stopów daje pełną kontrolę nad wytopem od załadunku do wylania metalu do wnęki formy [59].. 8. EFEKTYWNOŚĆ I PRZYSWAJANIE SIC, ORAZ WĘGLA I KRZEMU. Bardzo istotnym wskaźnikiem charakteryzującym proces wprowadzania dodatków stopowych w celu uzyskania zamierzonego składu chemicznego wytapianego żeliwa, z technologicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia jest sprawność lub inaczej mówiąc efektywność przyswajania tych dodatków w proces wytapiania stopu. Sprawność (efektywność) nawęglania (EC), lub przyswajanie przez ciekły metal krzemu (ESi), można określić zależnością [9,12,60] :. E  Mm. (Ck  C p ) M n  Cmn. (8). gdzie: Mm – masa wsadu metalowego, Mn – masa nawęglacza, Cp – początkowa zawartość węgla we wsadzie lub ciekłym metalu (przed nawęglaniem), Ck – końcowa zawartość węgla po procesie nawęglania, C = (Ck-Cp) – przyrost węgla w kąpieli metalowej po wprowadzeniu nawęglacza, Cmn – zawartość węgla w materiale nawęglającym. Dzięki tej zależności można w łatwy sposób określić efektywność nawęglania oraz przyswajalność krzemu, jak również efektywność wprowadzania węglika krzemu. Należy pamiętać jednak,że wprowadzenie tylko węglika krzemu nie zapewni odpowiedniej zawartość węgla, dlatego na stały wsad należy również wprowadzić nawęglacz. Dobór odpowiednich nawęglaczy do zastosowania w przypadku wytopu żeliwa w piecach indukcyjnych jest szeroko opisany w literaturze krajowej jaki i zagranicznej [9,12,13,44,45,51,52,60,61]. Stopień przyswajania zależy również od temperatury żeliwa, rodzaju dodatku i równoważnika węglowego żeliwa wyjściowego [51], jak i wielkości ziaren [9].. Strona 28.

(29) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Węglik krzemu jest materiałem który w warunkach atmosfery normalnej nie ulega stopieniu dlatego też prowadzono szereg badań dotyczących jego rozpuszczalności w stopach [12,26]. Na podstawie badań [12] stwierdzono iż najlepszą efektywność nawęglania oraz przyswajalność Si jak i SiC w indukcyjnych piecach elektrycznych, uzyskuje się po przez wprowadzenie tych dodatków do stałego wsadu (tab. 6).. Tabela 6. Efektywność wykorzystania węgla i krzemu z różnych SiC [9]. Lp.. EC [%]. ESiC [%]. EC + ESiC [%]. 1. 28,59. 49,53. 78,12. 2. 27,85. 59,47. 87,32. 3. 14,91. 66,75. 81,67. 4. 9,43. 25,69. 35,12. Z przeprowadzonych badań [9] wynika, że znacznie skuteczniejsza metodą wprowadzenie węglika krzemu jest dozowanie go do stałego wsadu (wytopy 1, 2, 3) [9]. Przy wprowadzeniu SiC na powierzchnię ciekłego metalu, mimo dodatkowego mieszania kąpieli, pozostała część nie przereagowanego SiC na powierzchni metalu (wytop 4), co potwierdza dwukrotnie mniejszą efektywność wykorzystania węgla i krzemu. W wytopie 1 i 3 badano metalurgiczny węglik krzemu, a w wytopie 2 SiC czarny. Dodatkowo SiC charakteryzuję się odpornością na wilgoć, czyli w atmosferze utleniającej się jest bardzo stabilny, co również przekłada się na praktycznie zerowe straty podczas jego używania w procesach metalurgicznych.. Strona 29.

(30) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 9. PODSUMOWANIE PRZEGLĄDU LITERATURY. Analizując przedstawioną w literaturze problematykę dotyczącą wykorzystania węglika krzemu w procesie topienia żeliwa można stwierdzić, że zagadnienie to jest opisane częściowo. Nie ulega wątpliwości, że od dawna węglik krzemu jest stosowany przy wytopie żeliwa w żeliwiakach. W piecach elektrycznych indukcyjnych już znacznie rzadziej. Szczególnie dotyczy to odlewni krajowych, gdzie obawa przed wprowadzeniem dodatkowych zanieczyszczeń do ciekłego metalu (możliwe przy gorszej jakości SiC) jest silniejsza niż możliwe korzyści. Do najważniejszych zalet wynikających z zastosowania węglika krzemu w procesie wytapiania żeliwa przedstawionych w literaturze [9,16,17,26,27,33,38,51] należą : wyższa trwałość zarodków krystalizacji, podniesienie temperatury likwidus, poprawa kształtu wydzieleń, mniejsza zdolność do zabieleń. Opisywane w literaturze badania i ich wyniki obejmują eksperymenty przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych (pojemność pieców do 25 kg ciekłego żeliwa). Nie znaleziono w literaturze badań prowadzonych w warunkach przemysłowych.. Strona 30.

(31) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. BADANIA WŁASNE 10. CEL I TEZA PRACY. Cel pracy. Celem pracy jest określenie wpływu węglika krzemu wprowadzanego do stałego wsadu przy wytapianiu żeliwa sferoidalnego w piecu elektrycznym indukcyjnym na strukturę i właściwości tego żeliwa. Teza pracy. Wprowadzenie węglika krzemu do stałego wsadu w procesie wytopu żeliwa sferoidalnego w piecu elektrycznym indukcyjnym powoduje poprawę struktury odlewu i jego właściwości mechanicznych. Zakres pracy obejmował: 1. Studium literaturowe w zakresie: metod otrzymywania, rodzajów i właściwości węglika krzemu, wpływu węglika krzemu na strukturę i właściwości żeliwa, rodzajów i właściwości żeliwa, metod badawczych zastosowanych w pracy. 2. Opracowanie założeń dotyczących zakresu badań (ilość wytopów), gatunki wytapianego żeliwa sferoidalnego, przewidywane materiały wsadowe. 3. Wykonanie wytopów żeliwa sferoidalnego z użyciem węglika krzemu oraz wytopów wzorcowych z zastosowaniem żelazokrzemu (rejestracja przebiegu wytopu – namiary wsadowe, temperatura, wprowadzane dodatki, analiza składu chemicznego ciekłego metalu). 4. Analiza parametrów krzepnięcia wytopionego żeliwa sferoidalnego. 5. Odlanie próbek do badań właściwości mechanicznych i próbek do analizy struktury. 6. Przeprowadzenie analizy składu chemicznego wytopionego żeliwa. 7. Przeprowadzenie badań metalograficznych na mikroskopie świetlnym. 8. Przeprowadzenie analizy ilościowej otrzymanych struktur żeliwa (ilość, wielkość i kształt wydzieleni grafitu, analiza osnowy). 9. Przeprowadzenie rentgenowskiej analizy fazowej wytopionego żeliwa. 10. Przygotowanie próbek i wykonanie badań właściwości mechanicznych. 11. Przeprowadzenie badań strukturalnych na mikroskopie elektronowym skaningowym. 12. Opracowanie statystyczne wyników badań. 13. Opracowanie końcowe pracy i wniosków.. Strona 31.

(32) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. 11. METODYKA BADAŃ. W ramach realizacji pracy wykonano wytopy dwóch gatunków żeliwa sferoidalnego; EN-GJS-400-15oraz EN-GJS - 500 – 7 [62]. Wytopy prowadzono przy różnych udziałach materiałów wsadowych (surówka, złomu stalowy i złom obiegowy). Niedobór krzemu uzupełniano przez wprowadzenie żelazokrzemu FeSi75 lub metalurgicznego węglika krzemu SiC. Deficyt węgla wynikający ze zmniejszenia udziału surówki odlewniczej i zastąpienie go złomem stalowym korygowano grafitem syntetycznym. Wytopy prowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym sieciowej częstotliwości o pojemności tygla umożliwiającej wytapianie do 2300 kg ciekłego żeliwa. Zestawienie materiałów wsadowych w zrealizowanych wytopach w grupie ENGJS-400-15zamieszczono w tabeli 7 natomiast żeliwa EN-GJS - 500 – 7 w tabeli 8. Tabela 7. Zestawienie materiałów wsadowych dla żeliwa EN-GJS-400-15 Numer wytopu 4_1 4_2 4_3 4_4 4_5 4_6 4_7 4_8 4_9 4_10 4_11 4_12 4_13 4_14 4_15. Sur. Specj. [kg] 1200 1200 1200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 -. Materiał wsadowy Złom Złom stal.1 stal.2 [kg] [kg] 200 200 200 900 900 900 900 900 900 900 900 900 1200 1200 1200. Złom obieg. [kg] 700 700 700 1050 1050 1050 1050 1100 1100 1100 1100 1100 1000 1000 1000. Naw. [kg] 50 50 50 40 40 40 40 35 35 55 45 45. Dodatki FeSi [kg] 8 8 5 8 -. SiC [kg 10 10 10 15 15 15 20 20 20. Do wytopów zastosowano surówkę specjalną o zawartości: 3,5-4,5% C, 0,5-1,0% Si, 0,05% Mn, 0,05%P oraz 0,02%S Zastosowany do wytopu złom stalowy 1 oznacza złom szyn kolejowych o następującym składzie chemicznym: 0,62-0,80%C, 0,15 – 0,58% Si, 0,70 – 1,20% Mn, 0,008 – 0,025% S, 0,025%P. Złom stalowy 2 stanowiły sprasowane odpady blach głębokotłocznych o zawartości: 0,028% C, 0,009% Si, 0,025% Mn, 0,020% S, 0,020% P.. Strona 32.

(33) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Tabela 8. Zestawienie materiałów wsadowych dla żeliwa EN-GJS - 500 – 7 Nowy nr wytopu 5_1 5_2 5_3 5_4 5_5 5_6 5_7 5_8 5_9 5_10 5_11 5_12 5_13 5_14 5_15 5_16. Sur. Specj. [kg] 500 500 500 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200. Materiał wsadowy Złom Złom stal.1 stal.2 [kg] [kg] 800 800 800 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 300 800 500 800 500 800 500. Złom obieg. [kg] 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900. Naw. [kg] 40 40 40 60 80 50 53 50 45 50 45 40 43 55 50 55. Dodatki FeSi SiC [kg] [kg 10 15 4 5 8 8 5 15 -. 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20. Cu [kg] 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5. Złom obiegowy w poszczególnych wytopach stanowił własny złom żeliwa sferoidalnego odpowiedniego gatunku (EN-GJS-400-15lub EN-GJS - 500 – 7). Węglik krzemu metalurgiczny zawierał: 85% SiC, 1,5-2,5% C, 4,58% Si, 1-2% Fe, 3-6% SiO2. Do wytopów użyto żelazokrzemu FeSi75 o następującym składzie chemicznym: 75,09% Si, 1,49% Al, 0,145%C, 0,026% P, 0,007% S, 0,77% Ca. Do nawęglania zastosowano grafit syntetyczny o granulacji 0,5-4mm i zawartości: Cmin – 94%, Smax – 0,1%, max. Zaw. Popiołu – 2%, max. Wilgotność – 1%, max. Ilość części lotnych - 1%. W celu zapewnienia struktury perlitycznej przy wytopie żeliwa gatunku EN-GJS 500 – 7 do wsadu wprowadzano miedź. Badania rozpoczęto od przeanalizowania jakości żeliwa wytapianego w Odlewni w której prowadzono badania. Następnie stopniowo zmniejszano udział surówki we wsadzie pieca i dodawano węglik krzemu (w ilościach od 0,45% do 0,91% wsadu), do czasu całkowitego wyeliminowania surówki w strukturze wsadu. Po roztopieniu wsadu i uzupełnieniu wymaganych pierwiastków stopowych odlewano próbkę do badań składu chemicznego. Zalewano również próbnik QC 4010 do analizy termicznej przy wykorzystaniu urządzenia Quick Lab E firmy HERAEUS Electro Nite. Strona 33.

(34) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Następnie metal z pieca przelewano porcjami do kadzi zabiegowej o pojemności 430-480 kg, w której prowadzano proces sferoidyzacji oraz modyfikacji. Sferoidyzację prowadzano metodą Sandwich przy zastosowaniu zaprawy FeSiMg5CeCa (43-48% Si, 5-6,5% Mg, max 0,7% Ca, 1,2% Al, 0,4-0,8% Ce), a modyfikację poprzez wprowadzenie modyfikatora SB5 (64-70% Si, 1,0% Ca, 1,5% Al, 2% Ba) w czasie przelewania ciekłego metalu z kadzi reakcyjnej po zabiegu sferoidyzacji do kadzi zalewczej. Z każdej kadzi zalewczej pobierano po procesie sferoidyzacji i modyfikacji próbkę do analizy chemicznej. Natomiast z przedostatniej porcji metalu w każdym wytopie odlewano wlewki do badań wytrzymałościowych, zgodnie z normą PN-EN 1563:2012.. 12. WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ. 12.1. Analiza składu chemicznego badanych stopów. Proces kontroli składu chemicznego prowadzono dwu lub trzykrotnie do osiągnięcia zakładanego składu chemicznego żeliwa tzw. żeliwa wyjściowego. Wyniki analizy chemicznej żeliwa przed procesem sferoidyzacji przedstawiono w tabeli 9 (żeliwo wyjściowe do EN-GJS - 400-15) i tabeli 10 (żeliwo wyjściowe do EN-GJS - 500-7). Tabela 9. Analiza chemiczna żeliwa wyjściowego do EN-GJS-400-15 Nowy nr wytopu. C [%]. Si [%]. Mn [%]. P [%]. S [%]. Cr [%]. Cu [%]. 4_1. 3,85. 1,54. 0,26. 0,027. 0,020. 0,027. 0,05. 4_2. 3,81. 1,61. 0,20. 0,056. 0,013. 0,023. 0,02. 4_3. 3,88. 1,35. 0,19. 0,040. 0,007. 0,023. 0,02. 4_4. 3,72. 1,43. 0,24. 0,027. 0,020. 0,027. 0,05. 4_5. 3,91. 1,48. 0,28. 0,032. 0,014. 0,033. 0,09. 4_6. 3,83. 1,49. 0,24. 0,036. 0,014. 0,027. 0,04. 4_7. 3,91. 1,50. 0,30. 0,030. 0,017. 0,029. 0,14. 4_8. 3,84. 1,54. 0,28. 0,026. 0,018. 0,034. 0,12. 4_9. 3,87. 1,47. 0,25. 0,031. 0,012. 0,028. 0,09. 4_10. 3,84. 1,46. 0,31. 0,036. 0,020. 0,032. 0,13. 4_11. 3,94. 1,59. 0,30. 0,038. 0,019. 0,032. 0,10. 4_12. 3,83. 1,41. 0,16. 0,022. 0,014. 0,024. 0,03. 4_13. 3,99. 1,79. 0,32. 0,024. 0,018. 0,034. 0,16. 4_14. 3,90. 1,34. 0,18. 0,020. 0,018. 0,027. 0,03. 4_15. 3,83. 1,73. 0,19. 0,019. 0,014. 0,037. 0,06. Strona 34.

(35) Ł. Kostrzewski, Rola węglika krzemu w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem pieca indukcyjnego. Analizując uzyskane wyniki pomiarów można stwierdzić, że poziom wszystkich pierwiastków powinien umożliwiać uzyskanie żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej. Zawartość węgla w żeliwie wyjściowym zmieniała się w zakresie 3,72 – 3,99%, a zawartość krzemu w zakresie 1,34-1,79%. Niska zawartość siarki (0,0070,020%), jest korzystna dla mniejszego zużycia zaprawy magnezowej, natomiast niska zawartość manganu (0,18-0,32) jest gwarantem uzyskania żeliwa o przewadze osnowy ferrytycznej. W wytopach 4_7; 4_10; 4_13 zaobserwowano zwiększone zawartości miedzi, co może przyczynić się do wzrostu ilości perlitu. Tabela 10. Analiza chemiczna żeliwa wyjściowego do EN-GJS - 500 – 7 Nowy nr wytopu. C [%]. Si [%]. Mn [%]. P [%]. S [%]. Cr [%]. Cu [%]. 5_1 5_2 5_3 5_4 5_5 5_6 5_7 5_8 5_9 5_10 5_11 5_12 5_13 5_14 5_15 5_16. 3,93 3,89 3,74 3,75 3,74 3,95 3,74 3,72 3,90 3,78 3,79 3,80 3,77 3,78 3,83 3,79. 1,45 1,35 1,48 1,45 1,54 1,51 1,48 1,49 1,42 1,38 1,53 1,54 1,59 1,53 1,63 1,55. 0,47 0,41 0,39 0,44 0,40 0,43 0,46 0,44 0,43 0,45 0,43 0,45 0,43 0,49 0,48 0,47. 0,043 0,036 0,041 0,035 0,036 0,034 0,030 0,030 0,037 0,033 0,040 0,034 0,037 0,027 0,024 0,028. 0,015 0,018 0,020 0,018 0,020 0,020 0,024 0,025 0,025 0,026 0,025 0,027 0,026 0,024 0,023 0,026. 0,027 0,042 0,035 0,042 0,044 0,043 0,044 0,043 0,037 0,042 0,039 0,045 0,032 0,043 0,040 0,036. 0,22 0,28 0,30 0,30 0,30 0,34 0,33 0,32 0,37 0,32 0,31 0,32 0,29 0,34 0,39 0,30. Analizując uzyskane wyniki pomiarów można stwierdzić, że poziom wszystkich pierwiastków uzyskanych w żeliwie wyjściowym do EN-GJS - 500-7 powinien umożliwiać uzyskanie żeliwa sferoidalnego o osnowie perlityczno-ferrytycznej. Zawartość węgla w żeliwie wyjściowym zmieniała się w zakresie 3,72 – 3,95%, a zawartość krzemu w zakresie 1,35-1,63%. Zawartość siarki wynosi 0,015-0,026%. Jest ona bardzo niska i znajduję się poniżej zalecanej w literaturze granicy 0,03%. Wyższa zawartość manganu (0,39-0,49%) i miedzi (0,22-0,39%) będzie powodować wyższą ilość perlitu, a w konsekwencji wyższą wytrzymałość i mniejsze wydłużenie.. Strona 35.