11. Valuteräksen sulatus ja käsittely

Transkriptio

1 11. Valuteräksen sulatus ja käsittely Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto 11.1 Lyhyesti Sulaksi ajo eli mellotus Sulaksi ajossa pyritään käyttämään kohta aloituksen jälkeen täyttä sähkötehoa niin kauan kuin sulamaton romu estää valokaaren säteilyä osumasta uunin seinämiin. Kun romun varjostava vaikutus lakkaa, on sähkötehoa pienennettävä Sulan pinnalle muodostetaan hapettava kuona lisäämällä panokseen esim. n. 3% poltettua kalkkia, usein 1% kalkkikiveä sekä alle 0,5% fluorisälpää. Teräksen mellotus eli keitto tapahtuu hapen avulla: Tarvittava happi puhalletaan teräksen pinnan alle happiputken avulla esim. 5-6m³ tonnia kohti. Kuona vaihto Mellotusvaiheen loputtua hapettava kuona poistetaan mahdollisimman tarkkaan uunista. Kirkkaalle teräspinnalle voidaan levittää heti pelkistysaineita. Teräksen pinnalle rakennetaan pelkistävä kuona ns. valkoinen kuona. Valkoine kuona ei sisällä hiiltä vaan muita pelkistysaineita kuten esim. piiseoksia. Emäksinen kuona poistaa rikin teräksestä tehokkaasti. Mangaani sitoo teräkseen jäljelle jäävän rikin korkealla sulavaksi mangaanisulfidiksi. Pelkistyksessä käytetään aineita joiden taipumus yhtyä happeen on suurempi kuin raudan. Näitä ovat mangaani, hiili, pii, titaani, alumiini, zirkonium, ja kalsium. Seostus ja loppupelkistys Seosaineiden lisäysajankohta riippuu niiden metallurgisesta käyttäytymisestä. Seosaineet jotka eivät ole herkästi hapettuvia kuten nikkeli ja molybdeeni voidaan lisätä uuniin jo ennen mellotusvaihetta Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 1

2 Sen sijaan herkästi hapettuvat aineet kuten mangaani, pii, kromi ja vanadiini lisätään pelkistysvaiheessa. Herkimmin hapettuvat aineet kuten titaani, lisätään viimeiseksi joko uuniin tai valusankoon. Sangossa suoritetaan teräksen loppupelkistys alumiinilla ja moniainepelkisteillä, kuten CaMnSI:llä Sulatus valokaariuunissa Jotta valokaari olisi mahdollisimman tehokas, elektrodien kärjen ja panoksen välinen etäisyys on pidettävä jatkuvasti sopivana. Joissakin uuneissa on uunin pohjan alla sekoituskela. Kela tai pohjahuuhtelukivi saa aikaan pyörivän magneettikentän joka sekoittaa sulaa. Valokaariuunia käytetään lähinnä romun sulatukseen. Osa panoksesta voi kuitenkin olla raakarautaa. Yleisimmin käytetyissä emäksissä valokaariuuneissa on käytetty kaksikuonamenetelmää, jossa sulatuksen alkuvaiheessa kuona on luonteeltaan hapettava ja loppuvaiheessa pelkistävä. Sulatuksen työvaiheet kaksikuonamenetelmällä ovat tällöin panostus sulaksi ajo mellotus eli keitto kuonan vaihto pelkistys (deoksidointi) eli raffinointi seostus ja loppupelkistys sulatuksen ensimmäisissä vaiheissa käytetään hapettavaa kuonaa ja viimeisissä pelkistävää Jos sulan fosfori- ja rikkipitoisuudet ovat pienet (ei nykyään esiinny juurikaan), voidaan sulatus suorittaa myös yhdellä kuonalla. Yksikuonamenetelmää voidaan käyttää jos käytössä em. tarkoitukseen on konvertteri-käsittelymahdollisuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 2

3 Panostus Panostus tapahtuu lajitelluilla osto tai kiertoromuilla. Panostuskorit ajetaan uunipesän yläpuolelle jossa avattavalla pohjalla varustetut astiat avataan ja romu pudotetaan uuniin. Panos on koottava koriin niin, että raskas romu on alla ja kevyt päällä. Jos romupatjan yläosassa on järeitä paloja, voivat ne elektrodien laskeutuessa sortua näitä vasten ja aikaansaada murtumisia. Jos elektrodien alle joutuu yksinomaan kevyttä romua, voivat elektrodit porautua romukerroksen läpi hyvin nopeasti ja ylikuumentaa uunin pohja vaurioituu. Korin keskelle tulisi sijoitta raskasta materiaalia. pohjavaurioita voidaan välttää mm. säätämällä elektrodien minimietäisyys esim mm. Alkupanostuksen jälkeen uunia voidaan lisäksi joutua panostamaan kerran tai kahdesti. Etenkin jälkipanostuksessa tulisi romun olla kuivaa Sulatus Sulatusprosessi voidaan jakaa kolmeen osaan. Panoksen sulatus Aluksi sulatetaan panos. Koska prosessi on emäksinen, lisätään myös uunin kalkkia Tehdään kalkkipitoinen hapettava kuona, joka poistaa tehokkaasti fosforin. Hapettava kuona muodostetaan sulan pinnalle lisäämällä panokseen pääasiassa poltettua kalkkia. Koska poltettu kalkki on voimakkaasti hygroskooppinen(kosteutta imevä) aine, lisääntyy teräksen kaasupitoisuus, jos kalkki on huolimattomasti varastoitu. Koska romusta sulatetun terässulan hiilipitoisuus on usein liian korkea, pitää se alentaa toivotulle tasolle. Toimenpidettä kutsutaan mellotukseksi. Mellotus Tämä tapahtuu puhaltamalla sulaan ohuen putken avulla happikaasua tai lisäämällä uuniin rautamalmia. Mellotus tapahtuu seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti: Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 3

4 Fe + O FeO FeO + C Fe + Co Jälkimmäisessä reaktiossa muodostuu hiilimonoksidia, joka poistuu sulasta kuplina, mikä muistuttaa kiehumista. Tästä syystä mellotusta kutsutaan myös nimellä keitto. Kuva. Mellotus Prosessi etenee siis siten, että kun kalkki on sulanut, mellotus vaihe alkaa. Sulaan puhalletaan happea hiilen ja muiden aineiden hapettamiseksi, jolla pyritään hiilimonoksidin poistamiseen. Happi voidaan tuoda malmina tai happikaasuna, joka puhalletaan teräsputkella sulan pinnalle. Pelkistys Kun sula on saavuttanut toivotun koostumuksen, kallistetaan uunia ja muodostunut kuona(musta kuona) kaadetaan pois. Hapettava kuona poistetaan ja puhtaalle teräspinnalle lisätään pelkisteaineita, joilla on suurempi taipumus yhtyä happeen kuin raudalta. Teräksen pinnalle muodostetaan siten uusi pelkistävä kuona, joka poistaa myös hapen lisäksi rikkiä sulasta tehokkaasti. Puhdistavan vaikutuksen vuoksi puhutaan myös raffinoinnista. Tällöin siis lisätään kalkkia, hiiltä ja piirautaa, jotka muodostavat uuden kuonan(valkoinen kuona). Seosaineet lisätään tämän kuonan muodostuttua uuniin tai valusankoon. Usein käytetään vain yhtä kuonaa. Teräs voidaan käsitellä myös tyhjiössä, joka tapa esitellään luvussa 11.7 ja Kuona Kuonan tehtävä. Muodostuneet oksidit erottuvat sulasta. Hiilen oksidit poistuvat kaasuina. Muut oksidit nousevat rautaa kevyimpinä sulan pinnalle. Myös osa raudasta hapettuu. Kuona on siis erilaisten oksidein seos. Happamissa menetelmissä kuona sisältää SiO2:ta. Tämä saadaan käyttämällä raakarautaa. Jos raudasta on poistettava rikkiä ja fosforia, kuonan on oltava emäksinen ja tämä saadaan aikaan lisäämällä kalkkia, jolla on kyky sitoa em. aineita. Emäksisessä kuonassa on ylimääräistä CaO: ta Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 4

5 Seostus Sula teräs joudutaan seostamaan, jotta saataisiin aikaan erilaisia ominaisuuksia. Seosaineiden lisäysajankohta riippuu niiden hapettumistaipumuksista Sellaiset seosaineet, jotka eivät ole helposti hapettuvia, voidaan lisätä uuniin jo ennen mellotusta. Herkästi hapettuvat aineet kuten mangaani, pii ja kvartsi lisätään pelkistyksen yhteydessä. Vielä herkemmin hapettuva esim. titaani, joka lisätään viimeiseksi joko uuniin tai valusankoon. Valusangossa suoritetaan myös teräksen loppupelkistys eli lopputiivistys, joka voi tapahtua esimerkiksi alumiinilla. Loppupelkistyksellä saadaan teräksen happipitoisuus entisestään vähentymään ja valukappaleen huokoisuus vaara pienentymään Mellotuksesta ja pelkistyksestä Mellotuksesta jää siis terässulaan jonkin verran happea, joka aiheuttaisi valukappaleisiin kaasuhuokosia, ellei sitä poistettaisi. Hapenpoistoa kutsutaan pelkistykseksi tai deoksitoinniksi tai tiivistykseksi. Viimeinen sana viittaa hapen aiheuttamien huokosten välttämiseen. Myös yhden kuonan käyttö on mahdollista - jolloin pelkistävää kuonaa ei tehdä - jos teräksen rikkipitoisuus on riittävän alhainen tai rikki voidaan poistaa senkkakäsittelyllä ja kun teräkseen ei lisätä suuria määriä helposti hapettuvia seosaineita kuten kromia. Mellotuksen jälkeen hapettava kuona poistetaan mahdollisimman tarkkaan uunista kaapimalla kuonakolien avulla ja puhtaalle teräspinnalle lisätään kalkkia 1-3 % teräksen painosta Sulan esipelkistys voidaan suorittaa heittämällä hiiltä sulan pinnalle. Teräs pelkistetään upottamalla alumiinia sulaan. Käytettävä alumiinimäärä on sovitettava hiilipitoisuuden mukaan. Keskihiilisillä teräksillä alumiinia käytetään noin 1 kg terästonnia kohden Tiivistyksestä Teräksen tiivistyksellä tarkoitetaan normaalisti sulaan teräkseen liuennneen hapen poistamista. Ellei happea poisteta, muodostaa se huokosia jähmettymisen aikana reagoimalla teräksen hiilen kanssa muodosta hiilimonoksidia. Tiivistyksellä poistetaan samalla myös muita teräkseen liuenneita kaasuja. Yleisin käytetyistä tiivistystavoista on alumiinin käyttäminen senkkalisäyksenä. Menetelmä on tehokas, yksinkertainen ja melko halpa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 5

6 Alumiini muodostaa tiivistyksen yhteydessä alumiinioksidia, joka suuren pintaenergiansa vuoksi erkaantuu nopeasti sulaan, samalla alumiini edistää hienorakeisen teräksen muodostumista. Alumiini reagoi myös typen kanssa muodostaen nitridejä, jolloin sulaan liuenneen typen pitoisuus alenee. Alumiinin käytön haittapuolena voidaan pitää sitä että tiivistys on merkittävin epämetallisten sulkeumien lähde teräksessä. Tästä syystä käytetään tiivistyksen yhteydessä kalsiumia, jolla pyritään näiden muodostuvien sulkeumien muotoon. Kalsium lisätään yleensä kalsiumpiimangaanina. Lisäys suoritetaan injektoimalla ( seos- tai käsittelyaine syötetään joko kaasulla lanssin avulla puhaltamalla lankaan sidottuna) tai lankana tai puhaltamalla lanssilla inertin kantokaasun kanssa. Menetelmällä saavutetaan kohtuullisen hyvä deoksidaatio ja rikinpoisto. Vakuumikäsittelyssä teräs saatetaan käsittelyn loppuvaiheessa lähes tyhjiöön, jolloin sulaan liuenneet kaasut poistuvat sulasta, niiden liukoisuuden pienentyessä paineen johdosta. Tiivistyksellä parannetaan teräksen ominaisuuksia, mutta samassa yhteydessä muodostuvat oksidi- ja sulfidisulkeumien ominaisuudet voivat vaikuttaa teräksen omaisuuksiin ja kestävyyteen. Teräksen tiivistys voidaan suorittaa myös piin ja mangaanin avulla, mutta menetelmä on vähäinen puutteellisen tehon vuoksi Kaasut teräksessä Sulatusraaka-aineista ja materiaaleista syntyy sulaan myös kaasuja. Merkittävimmät teräkseen liukenevat kaasut ovat happi, typpi ja vety. Happi Happi muodostaa jähmettymisen aikana huokosia reagoidessaan hiilen kanssa. Happi siis on myös haitallinen aine, vaikka sitä toisaalta voidaan hyödyntää poistamaan epäpuhtauksia teräksestä kuten fosforia ja polttaa ylimääräistä hiiltä. Hiilen polton yhteydessä muodostuvat hiilimonoksidikuplat auttavat myös poistamaan sulaan liuennutta vetyä. Happea liukenee sulaan teräkseen n. 0,23 % lämpötilassa 1700 ºC, mutta sen pitoisuus laskee nopeasti teräksen jäähtyessä. Tavallisesti happi poistetaan lisäämällä sulaan alumiinia ja muita hapen kanssa reagoivia seosaineita kuten kalsiumia, piitä ja mangaania. Happi kannattaa kuitenkin poistaa mahdollisimman myöhäisessä vaiheessa juuri ennen valua, sillä tietyssä lämpötilassa sulaan Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 6

7 liukenevien kaasujen summa on rajallinen, jolloin hapen suuri pitoisuus sulassa estää muita kaasuja liukenemasta sulaan. Suuri happipitoisuus aiheuttaa seosainetappioita ja kuluttaa tulenkestävää vuorausta. Typpi Kaikki teräkset sisältävät jonkin verran typpeä, mistä on hyötyä mekaanisten ominaisuuksien ja korroosion kestävyyden suhteen, kunhan typpi säilyy liuenneena teräkseen tai muodostaa hienojakoisia koherentteja nitridierkaumia. Typpi voi austeniittisessa teräksessä parantaa väsymislujuutta, lujuutta sekä kulumisen ja korroosion kestävyyttä. Suurimpina pitoisuuksina vety voi aiheuttaa jähmettymisen aikana makroskooppista huokoisuutta. Suurimpia sulaan joutuvan typen lähteitä ovat mm. raaka-aineet, senkkakäsittelyissä käytetyt kanto- ja sekoituskaasut sekä ilmasta liukeneva typpi. Typpi on sulassa liuenneessa muodossa. Typpi on hyödyllinen ominaisuuksia parantava kaasu, mutta myös haitallinen huokoisuutta aiheuttavana. Vety Vedyn kontrollointi on erittäin tärkeä teräksen valmistuksessa, koska sillä on pääasiassa vain huono vaikutus teräksen käytettävyydelle. Vain muutaman ppm:n pitoisuus voi aiheuttaa säröilyä, huokoisuutta ja sitkeyden heikkenemistä etenkin paksuseinämäisillä kappaleilla. Tyypillisesti vety on peräisin vedestä, jota löytyy kuonanmuodostajista ja epäpuhtaista raaka-, seos ja hiilletysaineista. Samasta syystä saattaa vetyä liueta uunien ja senkkojen vuorauksesta. Riski on erittäin suuri jos käytetään juuri tehtyä vuorausta. Uuden vuorauksen kanssa suositellaan ns. puhdistussulatuksen tekemistä ennen kuin aletaan tekemään vaativampia kappaleiden sulatusta. Myös paljaan sulan pinta voi altistua ilman kosteudesta tulevalle vedylle. Näin voi käydä induktiosulatuksessa jossa suojaavien kuonien käyttö on vaikeaa ja joskus jopa mahdotonta. Ainoa tapa suojautua vetyä vastaan on kuivat raaka-aineet ja materiaalit. Joissakin tapauksissa niiden lämmittäminen on hyvä tapa ennen käsittelyä ja raaka-aineiden kohdalla hiekkapuhallus. Liuenneen vedyn poistamiseksi ei ole juuri muita tapoja kuin konverterikäsittely tai mellotuksen yhteydessä tapahtuva hiilimonoksidikuplien vaikutuksesta tapahtuva huuhtelu. Voidaan joillakin konvertterikuonan koostumuksella vaikuttaa vedyn poistoon. Sopiva dolomittikalkin, Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 7

8 kalsiumaluminaatin ja poltetun kalkin yhdistelmällä oikeassa raekoossa voidaan ehkäistä niukkahiilisten terästen käsittelyssä vedyn määrää. Argon puhalluksella ei yleensä päästä riittävän alhaiseksi Valokaariuunista lyhyesti hiili (C) ja pii (Si) poistuu, koska sulanpintaa paljon mitä korkeampi jännite, sitä suurempi teho fosfori(p) -pitoisuus kuonassa, kaadettava pois elektrodien kulutus suuri (kustannus) huom! rikin (S)-j a P-poisto edut: induktiouuneissa S ja P-poisto ei ole yhtä tehokas, metalli jää kylmäksi emäksisellä kuonalla saadaan S- ja P-poistettua pelkistävillä kuonalla hyvä saanti hapettavilla seoksilla (kromi Cr, titaani Ti, vanadiini (Va) 11.4 Valokaariuunin edut sallii suurikokoisen romun sopii esisulatukseen suuri tuotantonopeus romun puhtausvaatimukset eivät yhtä suuret kuin induktiouuneilla mellotusvaiheessa teräksen sulatuksessa poistetaan epäpuhtaudet joita esiintyy mellotusvaiheessa hiilenpoisto vety- ja typpipitoisuus saadaan pienemmäksi kuin induktiouunilla 11.5 Valokaariuunin haitat kallis investointi ei taloudellinen (väh t sulatusmäärä) sulan analyysi ja ja lämpötila epähomogeeninen (jos ei käytössä pohjapuhallusta) suuret savukaasumäärät (kustannukset/työolosuhteet) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 8

9 verkon jännitevaihtelu suuret rauta (Fe)-häviöt henkilöstökustannukset suuremmat kuin esim. induktiouuneilla Valokaariuunien huonot puolet liittyvät lähinnä vaikeuksiin noudattaa alati tiukkenevia ympäristövaatimuksia. Valokaariuunin savunmuodostus aiheuttaa suuria sisäisiä ja ulkoisia ympäristöhaittoja. Ulkoisia haittoja voidaan torjua kalliilla suodatinlaitteella, mutta sisäisiä haittoja on vaikeampi torjua. Tosin etenkin pienemmässä uunikoossa induktiouunit ovat nykyään osoittaneet paremmuutensa verrattuna valokaariuuneihin, sillä valokaariuunien hyötysuhde huononee panoskoon pienentyessä. Alle 10 tonnin vetoisissa uuneissa käytetään siten mieluummin induktiouuneja, vaikka niissä ei päästäkään samaan teräksen laatutasoon kuin valokaariuuneissa Terässulatus induktioupokasuunissa Niin kuin aikaisemmin todettiin, aiheuttaa induktioupokasuuni sulaan metalliin voimakkaan pyörteilyn, joten metalli ei ole yhtenäisen suojaavan kuonakerroksen peitossa. Tästä syystä induktiouuneissa ei voida käyttää kuonareaktioita hyväksi kuten valokaariuunissa. Induktioupokasuunisulatus onkin luonteeltaan ensisijaisesti uudelleensulatusta, mistä syystä sulatettavan romun analyysiin ja puhtauteen on kiinnitettävä suurta huomiota. Kuva. Kaaviokuva uunista Teräksen pyörteillessä se myös pääsee tehokkaasti kosketukseen hapettavaan ilmaan sekä upokkaan seinämiin. Ilmaa kosketellessaan lisääntyvät sulan teräksen happi-, typpi- ja vetypitoisuudet Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 9

10 Teräksen valmistamisprosessi (kertaus) Happi reagoi teräksen helpommin hapettuvien aineosien, kuten mangaanin ja molybdeenin kanssa, muuttaen ne oksideiksi ja aiheuttaen näin seosainehäviöitä. Typpeä liukenee sulaan teräkseen sen sisältäessä typen liukoisuutta lisääviä aineita, kuten kromia ja alumiinia. Suuri typpipitoisuus lisää teräksen kaasuhuokoisuusvaaraa. Typen liukenemista voidaan estää mm. välttämällä tarpeetonta ylikuumentamista ja pitkää pitoaikaa korkeassa lämpötilassa. Vetyä siirtyy sulaan teräkseen kostean tai ruosteisen romun mukana sekä myös sitä koskettavan ilman vesihöyrystä. Vety aiheuttaa kaasuhuokoisuutta, jota ilmenee etenkin kromipitoisilla teräksillä. Vedyn joutumista sulaan teräkseen vältetään käyttämällä ehdottoman kuivaa ja ruosteetonta romua. Myös tarpeetonta ylikuumentamista ja pitkää pitoa siinä on vältettävä. Mellotuksesta jää terässulaan jonkin verran happea, joka aiheuttaisi valukappaleisiin kaasuhuokosia, ellei sitä poistettaisi. Hapenpoistoa kutsutaan pelkistykseksi tai tiivistykseksi. Jälkimmäinen sana viittaa hapen aiheuttaminen huokosten välttämiseen. Hapettava kuona poistetaan ja puhtaalle teräspinnalle lisätään pelkisteaineita, joilla on suurempi taipumus yhtyä happeen kuin raudalla, ts. ne riistävät hapen raudalta. Teräksen pinnalle muodostetaan sitten uusi pelkistävä kuona, joka poistaa myös hapen lisäksi rikkiä sulasta tehokkaasti. Puhdistavan vaikutuksen vuoksi puhutaan myös raffinoinnista. Sula teräs joudutaan myös seostamaan, jotta saataisiin aikaan erilaisia ominaisuuksia. Seosaineiden lisäysajankohta riippuu niiden hapettumistaipumuksesta. Sellaiset seosaineet, jotka eivät ole helposti hapettuvia, voidaan lisätä uuniin jo ennen mellotusta. Herkästi hapettuvat aineet, kuten mangaani, pii ja kromi, lisätään pelkistyksen yhteydessä. Vielä herkemmin hapettuva on esim. titaani, joka lisätään viimeiseksi joko uuniin tai valusankoon. Valusangossa suoritetaan myös teräksen loppupelkistys eli lopputiivistys, joka voi tapahtua esimerkiksi alumiinilla. Loppupelkistyksellä saadaan teräksen happipitoisuus entisestään vähentymään ja valukappaleiden huokoisuusvaara pienenemään Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 10

11 11.7 Teräksen käsittely VODC-konvertterissa VODC- konvertterissa (Vacum- Oxygen- Decarburization- Converter) käytetään teräkseen liuenneiden kaasujen poistamiseksi apuna alipainetta. VODC- konvertterissa voidaan suorittaa happimellotus, tyhjökäsittely ja argonhuuhtelu. Kuva. Sulaa kaadetaan VODC- konvertteriin Kuva. Konvertterin toimintaperiaate Tyhjökäsittelyllä poistetaan teräksestä siihen liuenneita kaasuja. Tavallisimmin käsittelyllä alennetaan vetypitoisuutta ja estetään täten vetyhalkeilua, mikä haittaa mm. erikoislujien terästen hitsausta kylmissä olosuhteissa. Tyhjökäsittelyllä voidaan alentaa myös teräksen happipitoisuutta ja täten parantaa teräksen kuonapuhtautta.tyhjökäsittely alentaa tiivistämättömän teräksen hiilipitoisuutta hiili poistetaan hapella. Kaasujen poistumisilmiöitä voidaan verrata virvoitusjuomapullon avaamiseen. Kun pullo on suljettu, on hiilihappo liuenneena juomaan eikä pullossa tapahdu minkäänlaista poreilua. Heti pullon avaamisen jälkeen, kun paine alenee, hiilihappo hajaantuu ja syntynyt hiilidioksiidikaasu poreilee pullosta pois. Kuva. Virvoitusjuomapullossa kaasua (hiilihappoa) Samoin konvertteriin aikaansaatu paineenalennus aiheuttaa sen, että kaasut pyrkivät sulasta teräksestä pois. Tyhjiökäsittelyn avulla sulasta teräksestä voidaan poistaa kaasut tarkemmin kuin millään muulla menetelmällä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 11

12 VODC- konvertteri on käsittelyn ajaksi suljettu vesijäähdytetyllä kannella, jotta alipaineen syntyminen olisi mahdollista. Alipaine, joka voi olla jopa vain 0,5 millibaria, saadaan aikaan höyryejektoripumpustolla. Maapallola normaalipaine on n millibaaria. Konvertteri on myös tehty laajaksi sulan teräksen pinnan korkeudelta alipaineen vaikutuksen tehostamiseksi. Tyhjökäsittelyn avulla sulasta teräksestä voidaan poistaa kaasut tarkemmin kuin millään muulla menetelmällä. Kuva. Konvertterin kansi auki Kuva. Konvertterin toimintakaavio Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 12

13 Kuva. Tyhjökonvertteri kallistettuna Kuva. Konvertteri ajossa VODC- konvertterilla voidaan valmistaa erittäin kuonapuhtaita teräksiä, joiden rikki- ja kaasupitoisuudet ovat alhaisia. Valuterästen valulämpötiloja voidaan laskea ja terästen valuominaisuudet paranevat. Näiden terästen lujuus- ja sitkeysominaisuudet ovat myös erinomaisia. VODC-konvertterilla päästään alhaisempiin hiilipitoisuuksiin. VODC- konvertteri on päärynän muotoinen korkealuokkaisella magnesiittisella materiaalilla vuorattu astia. VODC- konvertteri on käsittelyn ajaksi suljettu vesijäähdytetyllä kannella, jotta alipaineen syntyminen olisi mahdollista. Alipaine, joka on mbar - mutta voi olla jopa vain 0,5 millibaria, kehitetään höyryejektoripumpuilla. Konvertteri on myös tehty laajemmaksi sulan teräksen alipaineen vaikutuksen tehostamiseksi. Konvertterin pohjassa on suutin argonpuhallusta varten. Teräksen käsittelyn mellotus tapahtuu puhaltamalla konvertterin yläosasta vesijäähdytetyllä putkella eli lanssilla happikaasua sulan teräksen joukkoon. Happilanssi ei ulotu sulaan vaan sitä pidetään kuonan yläpuolella. Happi tunkeutuu suurella paineella kuonan läpi teräkseen. Puhallus voi tapahtua joko normaalissa ilmanpaineessa tai tyhjössä. Puhalluksella saadaan suurin osa hiilestä poltettua pois. Kun hiilipitoisuus on laskenut 0,2-0,1 %:iin aloitetaan tyhjömellotus ilman happikaasua. Teräs on sulatettava sähköuunissa ennen panostusta VODC- konvertteriin. Sulan hiilipitoisuuden on oltava riittävän korkea prosessilämmön kehittämiseksi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 13

14 Kuva. Sulatusuunissa sulatettu sula kaadetaan konvertteriin Kuva. Alumiinibrikettejä Kuva. Alumiinibrikettejä lisätään sulaan Sulan lämpötilaa saadaan erittäin tehokkaasti nostettua seostamalla sulaan alumiinia, joka mellotuksessa hapettuu alumiinioksidiksi ja kehittää enemmän lämpöä kuin hiili hapettuessaan hiilimonoksidiksi. Tyhjömellotus perustuu CO- kaasun osapaineen pienentämiseen, mikä helpottaa CO -kaasun muodostusta vieden hiilen mellotusreaktiota eteenpäin. Pelkistysvaiheessa kromia siirtyy kuonasta teräkseen ja rikkiä siirtyy teräksestä kuonaan. Samanaikaisesti puhalletaan konvertterin, pohjan läpi argonkaasua sulan teräksen sekoittamiseksi, mikä sekoittaa terästä ja kuonaa lisäten reaktiopintaa edistäen kaasujen ja rikin erkautumista sulasta. VODC- konvertterimenetelmän tärkeimmät edut ovat: Voidaan käyttää halpoja korkeahiilisiä raaka-aineita Tyhjömellotusta käytettäessä poistuvat mellotussavut höyrypumppujen kautta, jolloin ilman laatu paranee. Voidaan käyttää halpoja runsashiilisiä seosaineita. Voidaan pienentää kaikkien kaasujen, rikin ja sulkeumien pitoisuus teräksessä minimiin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 14

15 Päästään helposti pienimpiinkin hiilipitoisuuksiin, jopa 0,002% C. Mellotuskaasujen puhdistus tapahtuu prosessin yhteydessä. Voidaan käyttää sulatusuuneja pelkästään sulaksiajoon. Voidaan saavuttaa hyvä analyysitarkkuus. Valulämpötiloja voidaan alentaa. Teräksen syöttömatkat valukappaleissa pitenevät. Valuterästen sitkeys- ja väsymisominaisuudet paranevat ja valuviat vähenevät. VODC-konvertterimenetelmän suurimpia varjopuolia ovat: Tulenkestävien vuorausten kulutus on suuri etenkin jaksottaisessa valimokäytössä. Lämmönhukka rajoittaa käsiteltävän panoksen minimisuuruuden noin 7 tonniksi. Laiteinvestoinnit kokonaisuudessaan ovat suuret samoin kattilalaitoksen perustamiskustannukset, ellei höyryä ole ennestään käytettävissä. Mellotus tapahtuu puhaltamalla konvertterin yläosasta vesijäähdytetyllä putkella happikaasua sulan teräksen joukkoon. Puhallus voi tapahtua joko normaalissa ilmanpaineessa tai tyhjiössä. Puhalluksella saadaan suurin osa hiilestä poltettua pois. Tämän jälkeen mellotus jatkuu tyhjökäsittelynä ilman happipuhallusta. Tyhjökäsittelyn vaikutus perustuu siihen, että paineen alentaminen helpottaa CO. Kaasun muodostusta eli mellotusreaktion jatkumista. Samanaikaisesti puhalletaan konvertterin pohjan läpi argon- kaasua. Sulan teräksen sekoittamiseksi, mikä edistää kaasujen erkautumista sulasta. Tyhjömellotuksen aikana ei synny lämpöä, niin kuin puhallusmellotuksen aikana. Suomessa käytössä olevan VODC- konvertterin koko noin 15 tonnia. Myös induktioupokasuuneissa voidaan tyhjökäsitellä terästä. Erikoisrakenteisen tyhjöinduktiouunin päälle asetetaan tyhjökansi kuten VODC- konvertterissakin, jolloin uunitilaan saadaan pumpattua alipaine Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 15

16 11.8. VODC- konvertterin vuoraus Konvertteri vuoraukseen käytetään sen eri kohtiin erilaista vuorausmateriaalia, riippuen sijainnista konverttterissa. Tällöin esim. pohjapuhalluskivet, kuonaraja, kulutusvuoraus, tyhjökansi, holvit ja kaatorännit sekä taustavuoraus vuorataan omilla materiaaleillaan. Tällöin käytetään esim. aloksi-, magnesia- sekä valumassoja. Kuva. Konvertterin muuraus Konvertterin muurausmassoja ja niiden ominaisuuksia esitellään kohdassa Sulatusuunien tulenkestävienmassojen koostumus 11.9 Teräksen käsittely AOD- konvertterissa Valuteräksille asetettavat laatuvaatimukset ovat jatkuvasti kasvaneet. Valokaari- ja induktiouuneilla ei aina päästä sellaiseen puhtauteen, mitä korkealaatuiset teräkset vaativat. Sen vuoksi onkin kehitetty menetelmiä, joilla teräksen kaasu- ja sulkeumapitoisuudet saadaan hyvin pieniksi ja näin päästään huippuluokan lujuusominaisuuksiin. Eräs tällainen on AOD - konvertterimenetelmä ( Argon-Oxygen-decarburization Converter), jota käytetään sulan teräksen jälkikäsittelyyn. Varsinainen sulatus suoritetaan valokaari- tai induktiouuneissa, joista teräs siirretään kuljetussangoilla konvertteriin. AOD -konvertteri on ylhäältä avoin, tynnyrimäinen, tulenkestävästi vuorattu astia, jota voidaan kallistaa kääntötappien varassa täyttöä, kuonausta ja tyhjennystä varten Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 16

17 Kääntötappi Happi-ja argonsuutin Kuva. Konvertteri Konvertterin alaosassa on kaksi tai useampia suuttimia, joiden kautta sulaan teräkseen puhalletaan prosessikaasu, joka on hapen ja argonin seos. Jos teräkselle ei ole haittaa typpipitoisuuden kasvusta, voidaan kalliin argon kaasun sijasta käyttää myös typpeä. Happikaasun virratessa sulan teräksen läpi se mellottuu eli siitä palaa pois liika hiili. Hiilen ohella käsittelyssä poistuu myös muita oheisaineita, kuten piitä ja haitallista rikkiä. Hiilen ja piin palaessa vapautuva lämpö nostaa sulan lämpötilaa käsittelyn aikana. TYHJENNYS TÄYTTÖ KÄSITTELY Kuva. Konvertterin täyttö ja tyhjennys Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 17

18 Kun käsittely on suoritettu, kaadetaan teräs valusankoon ja viedään valettavaksi. AOD- konvertterilla käsitellyn teräksen rikkipitoisuus on alhainen, koska kuona ja sula saadaan sekoittumaan tehokkaasti ja näin rikki siirtyy kuonaan. Kaasupitoisuudet saadaan myös pieniksi sulalle suoritettavan argonkaasuhuuhtelun vuoksi. Valmistettaessa haponkestäviä ja ruostumattomia teräksiä saadaan hiilipitoisuus AODkäsittelyllä alennettua helposti näiden terästen vaatimalle alhaiselle tasolle. Koska teräksien pintajännitys alenee kaasu-, rikki- ja happipitoisuuksien alenemisen vaikutuksesta, voidaan valulämpötiloja pudottaa C. Suurimmat AOD- konvertterit ovat kooltaan 150 tonnia. Valimoissa käytetään tavallisesti tonnin konverttereita. Suomessa on tällä hetkellä 1 AOD- konvertteri. Kuva. AOD- konvertterin täyttö Kuva. Sulan kaadossa henkilöstö suojautunut sulan metallin säteilylämmöltä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 18

19 11.10 Uunien tulenkestävien massojen koostumus Uuneissa käytetään vaativien olosuhteidensa johdosta tulenkestäviä massoja ja tiilejä. Ne valitaan ja käytetään aina käyttökohteensa ja vaatimustensa mukaisesti. Runkomateriaali: Vaadittavia ominaisuuksia ovat mekaaninen lujuus ja tilavuuspysyvyys. Suuntaus on ollut jo kauan aloksituotteisiin (ryhmä 1: Al2O3 56 %, ryhmä 2: 45 % Al2O3 < 56 %. Runkoaineen osuus seoksesta on noin 80-85%) Sideaineet. Sitovat runkomateriaalirakeet toisiinsa, yleensä vettä apuna käyttäen asennusvaiheessa. Massa heikoin kohta Huokoset: Aiheuttavat veden poistumisesta sekä rakeiden väliin jääneistä ilmahuokosista. Jos lisää 10% huokoisuutta, vähentää se lujuutta 50%. Kuitenkin se parantaa iskun ja lämpötilan vaihtelukestävyyttä ja massan pinta murenee helpommin. Lisäaineet: Vaikuttavat varastoitavuuteen, työstettävyyteen ja muotolujuuden saavuttamisaikaan. Massojen yleisiä ominaisuuksia: sulamispistettä ei ole, vaan sen sijaan materiaalin sulamis/pehmenemisalue.- lämpötilaalueella 1500 ºC -1800ºC sulavat osat ovat tulenkestäviä ja < 1800 ºC ovat hauraita, ei plastisia muodon muutoksia ovat eristeitä huokosiin voi imeytyä kuonaa ja metallia, imeytynyt kerros johtaa paremmin lämpöä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 19

20 Erilaisia massatyyppejä: ruiskumassat (korjauksiin). ruiskutetaan vettä johon annostellaan massaa(yleensä magnesiumia) joka voi myös olla kuumaa. Seurauksena huokoinen rakenne joka ei yleensä kestä kauaa. valu-, pumppu-, täry,- ja linkomassat(kulutusvuorauksen asennustekniikoita) sullomassat pinnoitemassat, sivelymassat ja slammausmassat (slammaus = rappaus ) Miksi massaa käytetään? nopea asentaa: senkan tiilivuoraaminen n. 1 vko, massaus n. 2vrk kesto alkaa olla tiilien tasolla Senkkavuoraus voisi olla teräsvalussa: Pohja 2 varvia (kerrosta) varmistustiiliä (eristetiili ja kovatiili) Seinä eristekuituvuoraus massa kauttaaltaan tai kuonarajalla MgO C tiili. Lisäksi pinnoitteiden käyttöä(magnesiapohjaiset kestävät kyllä huonosti lämpöshokkeja ja lisäävät epäpuhtauksia, vaikka kuonien ja skollien irrottaminen olisikin helppoa) Tulenkestäviin vuorauksiin kohdistuu rasituksia, jotka voidaan jakaa: kemialliset rasitukset (esim. vuorausmateriaalin ja kuonan väliset reaktiot) termiset rasitukset (esim. korkea lämpötila, lämpötilavaihtelut, laajenemiset ja kutistumat sekä sulan metallin tunkeutuminen vuorausmateriaaliin.) mekaaniset rasitukset ( esim. staattinen ja dynaaminen kuormitus) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Valuteräksen sulatus ja käsittely - 20