Rautametallien sulametallurgia

Transkriptio

1 Rautametallien sulametallurgia Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Pentti Toivonen, Teknillinen korkeakoulu Johdanto Induktiouuneista keskitaajuusuuneja käytetään valurautojen sulatukseen. Verkkotaajuusuunit soveltuvat hyvin valurautojen kuumanapitoon. Uunit vuorataan happamilla kvartsi tai neutraaleilla alumiinioksidipohjaisilla massoilla. Uuni on energiankulutuksen vähentämiseksi pidettävä sulatuksen aikana niin täytenä kuin mahdollista ja panostus aloitettava mahdollisimman pian edellisen kaadon jälkeen. GJS laadun valmistus vaatii puhtaampaa panosta kuin suomugrafiittivaluraudan. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa harkkorauta korvataan SG harkolla ja teräsromun osuutta pienennetään. Vuorauksen laadulla on suuri merkitys valuraudan sulatuksen kulkuun. Happamilla vuorauksilla mangaani ja vahvat pelkistävät aineet pelkistävät vuorauksesta piitä kuluttaen vuorausta. Mangaanin pelkistävä vaikutus on sitä suurempi, mitä pienempi on piipitoisuus. Reaktio SiO2 +2 Mn = Si + 2 MnO kuluttaa vuorausta ja nostaa sulan pii ja happipitoisuutta. Reaktionopeus riippuu analyysistä ja saavuttaa maksimin noin 1470 ºC:een lämpötilassa. Yli 1500 ºC:een lämpötiloissa hiilen taipumus yhtyä happeen on suurempi kuin mangaanin ja piin. Tällöin happea kuluttava mellotus eli upokasreaktio käynnistyy: SiO2 + 2 C = Si + 2 CO. Reaktion seurauksena alenee sulan hiili, SiO2 ja happipitoisuus, mutta piipitoisuus kasvaa. Induktiouunisulatuksessa suositetaan panostusjärjestykseksi seuraavaa: Ensin sulatetaan harkot ja valurautaromu. Kun ne ovat sulaneet, lisätään teräsromu ja aivan viimeiseksi FeSi, FeMn, ym seosaineet. Hiiletysaineet lisätään joko uuninpohjalle tai teräsromun joukkoon. Sulatuksessa on pyrittävä varomaan rautasulan liiallista hapettumista. Toisin sanoen on vältettävä sulan pitämistä tarpeettomasti hapettumisalueella. Kupoliuunin käyttö rajoittuu valuraudan sulatukseen. Niissä sulatetaan suomugrafiittivaluraudan eri laatuja, pallografiittivaluraudan perusrautaa ja valkeaa valurautaa tempervalun alempia laatuluokkia varten. Lisäksi niissä sulatettua rautaa käytetään perusrautana erilaisissa duplex tai triplex menetelmissä, joissa rauta joutuu ennen valua metallurgiseen käsittelyyn sähköuuneissa, kieputusastioissa tai konverttereissa. Valuraudan hiilipitoisuus on korkea, yleensä 2,4 4,0 %, ja se on noin kertainen teräksen hiilipitoisuuteen verrattuna. Jos valuraudan valmistukseen käytettävä romu sisältää niukkahiilistä terästä, niin kuin usein on, jää valmiin valuraudan hiilipitoisuus vähäiseksi, ellei sulaan lisätä hiiltä. Tätä toimenpidettä kutsutaan hiilettämiseksi. Hiiletysaineita ovat mm. grafiitti, petrolikoksi ja koksi. Kupoliuunisulatuksessa riittävä hiilimäärä liukenee sulaan rautaan polttoaineena käytettävästä koksista, joten hiiltä ei yleensä tarvitse lisätä. Pii on hiilen jälkeen valuraudan tärkein seosaine, koska se aiheuttaa grafiitin erottumisen. Jos piitä ei valuraudassa olisi, jähmettyisi se valkoisena valurautana. Piin taipumus yhtyä kemiallisesti rautaan on suurempi kuin hiilen, joten lämpötilan laskiessa hiili ei enää ʺmahdukaanʺ liuenneena sulaan, vaan erottuu siitä grafiittina. Hiiletys pitää suorittaa ennen piin lisäystä, koska piin läsnäolo hidastaa hiilen liukenevuutta. Valuraudan rikki on peräisin osaksi rautamalmista ja osaksi kupoliuunin koksista. Rikki voi olla valuraudassa rautasulfidina FeS tai mangaanisulfidina MnS. Rautasulfidina se vastustaa grafiitin muodostumista ja tekee raudan kovaksi ja hauraaksi. Jos valuraudan mangaanipitoisuus on riittävän korkea, esiintyy rikki mangaanisulfidin muodossa, joka on vaarattomampi raerakenteen osa. Kuitenkaan mangaanilla ei korjata kohtuuttoman suuria rikkipitoisuuksia, vaan rikin määrää pyri Rautametallien sulametallurgia 1

2 tään vähentämään. Tavallisesti valuraudan rikkipitoisuus on 0,1 0,12 %. Pallografiittivaluraudassa sen pitää olla huomattavasti pienempi, noin kymmenesosa edellisestä eli 0,01 %. Ymppäyksellä tarkoitetaan sopivien seosaineiden lisäämistä rautasulaan edistämään valuraudan jähmettymistä harmaana ja pienirakeisena. Ymppäyksessä lisätään sulaan ytimiä, joihin hiili voi kiteytyä grafiitiksi. Yleisin ymppäysaine on 75 %:n FeSi. Aine voidaan lisätä jauheena (valusuihkumenetelmä) tai lankana (lankaymppäysmenetelmä) muottiin kaadettavaan sulaan tai sitten aine sijoitetaan jauheena tai pelletteinä muottiin (muottiymppäys). Ymppäysvaikutus vaimenee nopeasti, joten usein ympätään kahdessa erässä. Koska perusymppäyksen vaikutus vaimenee ajan mukana, olisi valu suoritettava 5 10min. kuluttua ymppäyksestä. Usein joudutaankin tekemään hieman ennen valamista elvytysymppäys, jossa ymppäysainetta lisätään valusuihkuun tai muotin pohjalle. Pallografiittivaluraudoissa pyritään grafiitti kiteyttämään pallomaisen muotoon, jolloin raudalle saadaan paremmat lujuusominaisuudet, suurempi vetolujuus ja parempi sitkeys. Grafiitin palloutuminen saadaan aikaan lisäämällä sulaan rautaan hieman ennen valua palloutusainetta, joka tavallisesti sisältää magnesiumia. Jotta palloutuminen tapahtuisi, pitää raudan rikkipitoisuuden olla pieni alle 0,01 %. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja raaka aineita, jotta palloutumista ehkäiseviä aineita ei tulisi panoksen mukana rautaan. Palloutumista ehkäiseviä aineita ovat primäärikarbideja muodostavat aineet, kuten Cr, Mo, V ja Mn sekä ns. haitta aineet, joita ovat Bi, Te, Sb, Pb, Se, As, Ti ja Al. Induktiouuneissa ei voida käyttää kuonareaktioita hyväksi kuten valokaariuunissa. Induktioupokasuunisulatus onkin luonteeltaan ensisijaisesti uudelleensulatusta, tästä syystä sulatettavan romun analyysiin ja puhtauteen on kiinnitettävä suurta huomiota. Induktiouuneissa käytetään usein hapanta kvartsivuorausta sen halpuuden ja helppokäyttöisyyden johdosta. Happamilla vuorauksilla voidaan käyttää lasimurskasta tai kvartsista sulatettuja happamia kuonia, jolloin fosforin ja rikin poisto ei ole mahdollista. Emäksisillä vuorauksilla ja emäksisillä kuonilla rikin ja fosforin poisto on hyvin pientä, koska kuonan reaktiopinta on pieni ja kuonan lämpötila on alhainen. Induktiouunin sulatusprosessi on hyvin yksinkertainen verrattuna valokaariuuniprosessiin, käsittäen vain uunin panostuksen, sulattamisen, seostamisen ja kaadon sekä loppuseostuksen ja tiivistyksen. Valokaariuunit soveltuvat valuterästen sulatuksiin, kun sulatuksen paino on vähintään 10 tonnia. Valokaariuunissa voidaan käyttää verraten isokokoista romua, jonka puhtausvaatimukset eivät ole yhtä ankaria kuin induktiouunisulatuksissa. Valokaariuunin etuna induktiouuniin verrattuna on mahdollisuus suorittaa hiilenpoisto happimellotuksella. Suuremman kuonan reaktiopinnan ja kuuman kuonan avulla saada tehokkaampi rikin ja fosforinpoisto. Yleisesti käytetyissä emäksisissä valokaariuuneissa käytetään kaksikuonamenetelmää, jossa sulatuksen alkuvaiheessa kuona on luonteeltaan hapettava ja loppuvaiheessa pelkistävä. Mellottaminen suoritetaan puhaltamalla happikaasua teräsputken avulla kuonan läpi sulaan tai lapioimalla malmia uuniluukusta uuniin. Mellotuksessa syntyvät hiilimonoksidi kuplat huuhtelevat ja puhdistavat sulaa, jolloin huokoisuutta ja haurautta aiheuttavien vety ja typpikaasujen pitoisuudet alenevat. Hapettava kuona muodostetaan sulan pinnalle lisäämällä panokseen pääasiassa poltettua kalkkia noin 3 %. Mellotusvaiheen aikana on hapettavan kuonan tärkeimpiä tehtäviä fosforin poisto. Mellotuksesta jää terässulaan jonkin verran happea, joka aiheuttaisi valukappaleisiin kaasuhuokosia, ellei sitä poistettaisi. Hapenpoistoa kutsutaan pelkistykseksi tai deoksitoinniksi tai tiivistykseksi. Mellotuksen jälkeen hapettava kuona poistetaan mahdollisimman tarkkaan ja puhtaalle teräspinnalle lisätään kalkkia 1 3 % teräksen painosta ja pelkisteaineita. Teräs pelkistetään upottamalla alumiinia sulaan. Teräksen pinnalle muodostettava pelkistävä kuona poistaa sulasta tehokkaasti hapen lisäksi myös rikkiä. Lopuksi teräs vielä seostetaan ja loppupelkistetään. Hyvin pelkistetyn teräksen happipitoisuus on alle 10ppm. Teräkseen jäävästä happipitoisuudesta riippuu mm. sulfidisulkeumien muoto sekä taipumus kapillaarihuokosten muodostumiseen. Tavoitteena on Rautametallien sulametallurgia 2

3 estää ns. II tyypin sulfidien synty. Jos alumiinia käytetään ylimäärin voi seurauksena olla alumiininitridien syntyminen, jotka aiheuttavat haurautta erkautuessaan raerajoille. Valuterästen valmistaminen on enenevässä määrin johtamassa siihen, että sulatusuuneissa tehdään vain sulatus ja mahdollinen mellotus ja fosforin poisto ja muut metallurgiset toimenpiteet tehdään senkkakäsittelyiden yhteydessä. Kun sulatusuunit toimivat vain sulatuskoneina, voidaan niiden tuottavuutta nostaa. Senkkametallurgian avulla voidaan myös valukappaleiden laatutasoa parantaa. Kaasuhuuhtelu suoritetaan puhaltamalla argonia tai typpeä valusenkassa sulaan teräkseen lanssin avulla tai senkan pohjassa olevan huokoisen huuhtelutiilen kautta. Kaasuhuuhtelulla poistetaan rikkiä sekä samalla sulan lämpötilaa ja koostumusta tasataan. Kalsiumkäsittelyllä eli senkkainjektoinnilla parannetaan teräksen lujuusominaisuuksia, ehkäistään kuumarepeämien ja kapillaarihuokosten syntymistä sekä parannetaan teräksen juoksevuutta, muovattavuutta, työstettävyyttä ja hitsattavuutta. Kalsiumkäsittely pienentää teräksen rikki ja happipitoisuuksia, vähentää teräkseen jäävien sulkeumien määrää sekä muuttaa niiden koostumusta ja jakaumaa. Konvertterikäsittelyillä (AOD ja VODC) voidaan valmistaa niukkahiilisiä teräksiä, joilla on suuri kuonapuhtaus ja alhaiset rikki ja kaasupitoisuudet, jolloin terästen sitkeys paranee ja valuviat vähenevät. Konverttereissa sulaa käsitellään hapen ja argonin tai muun inertin kaasun avulla. VODC konvertterissa käytetään lisäksi alipainetta. Käsittelyn avulla sulasta teräksestä voidaan poistaa kaasut tarkemmin kuin millään muulla menetelmällä. VODC konvertterilla päästään alhaisempiin hiilipitoisuuksiin kuin AOD konvertterilla, kun taas AOD konvertterilla saadaan alhaisempia rikkipitoisuuksia. Valuraudan sulatus Induktiouuneista keskitaajuusuuneja käytetään valurautojen sulatuksissa. Verkkotaajuusuunit soveltuvat hyvin valurautojen kuumanapitoon. Uunit vuorataan happamilla kvartsi tai neutraaleilla alumiinioksidipohjaisilla massoilla. Uuni on energiankulutuksen vähentämiseksi pidettävä sulatuksen aikana niin täytenä kuin mahdollista ja panostus aloitettava mahdollisimman pian edellisen kaadon jälkeen. Seuraavan sulatuksen panoksen pitää olla valmiina ennen kaatoa. GJS laadun valmistus vaatii puhtaampaa panosta kuin suomugrafiittivaluraudan. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa harkkorauta korvataan SG harkolla ja teräsromun osuutta pienennetään. Panoksen laskeminen ja suunnittelu tapahtuu yksinkertaisena seoslaskuna tarvitsematta ottaa sulatuksessa tapahtuvia vähäisiä koostumuksen muutoksia huomioon. Vuorauksen laadulla on suuri merkitys sulatuksen kulkuun. Happamilla vuorauksilla mangaani ja vahvat pelkistävät aineet pelkistävät vuorauksesta piitä kuluttaen vuorausta. Mangaanin pelkistävä vaikutus on sitä suurempi, mitä pienempi on piipitoisuus. Reaktio: SiO2 +2 Mn = Si + 2 MnO kuluttaa vuorausta ja nostaa sulan pii ja happipitoisuutta. Reaktionopeus riippuu analyysistä ja saavuttaa maksimin noin 1470 ºC:een lämpötilassa. Yli 1500 ºC:een lämpötiloissa hiilen taipumus yhtyä happeen on suurempi kuin mangaanin ja piin. Tällöin happea kuluttava mellotus eli upokasreaktio käynnistyy: SiO2 + 2 C = Si + 2 CO. Rautametallien sulametallurgia 3

4 Reaktion seurauksena alenee sulan hiili, SiO2 ja happipitoisuus, mutta piipitoisuus kasvaa. Induktiouunisulatuksessa suositetaan panostusjärjestykseksi seuraavaa: Ensin sulatetaan harkot ja valurautaromu sekä piikarbidi ja viimeiseksi teräsromu. Em. järjestystä suositellaan, koska 1) harkolla saadaan tiivis nopeasti sulava panos, 2) vuorauksenkulutus pienenee, jos heti sulatuksen alussa sulassa on korkea piipitoisuus ja 3) teräsromu (varsinkin pakettiromu) sulaa hitaasti, joten on edullisempaa liuottaa ne sulaan rautaan. Sulatuksessa on pyrittävä varomaan rautasulan liiallista hapettumista. Toisin sanoen on vältettävä sulan pitämistä tarpeettomasti hapettumisalueella. Raudan lopullisesta CE arvosta ja raakaaineiden laadusta riippuu, miten sulatus voidaan suorittaa. Kupoliuunin käyttö rajoittuu valuraudan sulatukseen. Niissä sulatetaan suomugrafiittivaluraudan eri laatuja, pallografiittivaluraudan perusrautaa ja valkeaa valurautaa tempervalun alempia laatuluokkia varten. Lisäksi niissä sulatettua rautaa käytetään perusrautana erilaisissa duplex tai triplex menetelmissä, joissa rauta joutuu ennen valua metallurgiseen käsittelyyn sähköuuneissa, kieputusastioissa tai konverttereissa. Sähköuunisulatus Valokaariuunien käyttö valuraudan valmistukseen on epätavallista. Ne eivät sovellu jatkuvaan sulatukseen tai kuumanapitoon, koska sulatus valokaariuunilla on hapettava prosessi, jolloin hiilen ja piin saanto jää huonoksi. Myöskään näiden aineiden lisääminen ei ole helppoa johtuen valokaariuunin huonosta sulan sekoittumisesta. Verkkotaajuusinduktiouunit ovat vielä 1970 luvulla olleet valurautojen yleisimpiä sulatusuuneja. Nykyään ovat tehokkaammat keskitaajuusuunit syrjäyttäneet niitä valurautojen sulatuksissa. Verkkotaajuusuunit soveltuvat hyvin valurautojen kuumanapitoon. Verkkotaajuusuunien etuna on niiden halvempi hinta, koska uunia ei tarvitse varustaa staattisilla tai pyörivillä taajuuden muuttajilla. Sulatus on aloitettava sulalla sumpilla tai suurikokoisella noin 200mm:n paksuisella aloitusromulla. Keskitaajuusuuneilla sulatus on mahdollista aloittaa pienikokoisestakin aineksesta koostuvalla panoksella. Verkkotaajuusuuneilla sulatus on hitaampaa ja enemmän energiaa kuluttavaa kuin keskitaajuusuunilla. Verkkotaajuusuuneilla sulan voimakas kiertoliike nopeuttaa seosaineiden liukenemista ja lämpötilojen tasaantumista. Koska sulaan liukenee ilmasta happea, ei uuni sovellu terästen sulatukseen. Verkkotaajuuskouruuuneja käytetään ensi sijaisesta kuumanapito uuneina. Käyttöä sulatukseen rajoittavat uunien pienet ominaistehot ja metallurgisen käsittelyn rajoitetut mahdollisuudet. Nopeat analyysimuutokset eivät ole mahdollisia, vaan raudan koostumuksen tulisi jo uuniin tullessaan olla mahdollisimman lopullinen. Uunit vuorataan happamilla kvartsi tai neutraaleilla alumiinioksidipohjaisilla massoilla. Happamat vuoraukset ovat hinnaltaan huokeita ja ne kestävät hyvin lämpötilanvaihteluita. Neutraaleja massoja käytetään kun lämpötilat ovat korkeita tai kun sulatetaan kromi tai mangaaniseosteisia laatuja. Stabiileimpia ovat emäksiset magnesiittiset vuoraukset, jotka soveltuvat runsaasti seostettujen valurautojen valmistukseen. Magnesiittiset vuoraukset ovat hinnaltaan kalleimpia ja ne kestävät huonosti lämpötilanvaihteluita. Panostus Induktiouunin panos valurautaa varten voi aineksinaan käsittää uusia metallisia raaka aineita, kiertoromua ja uunissa ennestään olevaa tai muualta siirrettyä sulaa valurautaa. Suomalaisen valimon ohjeiden mukaisesti hyvä panos koostuu seuraavasti: GJL: % teräsromua % harkkorautaa % kiertoromua Rautametallien sulametallurgia 4

5 GJS: % teräsromua, jossa matala Mn % SG harkkoa, jossa matala Mn ja S % kiertoromua, jonka analyysi on tiedossa. (Ei sekalaista kiertoromua.) Panoksen on oltava mahdollisimman puhdasta ruosteesta ja hiekasta, eikä se saa olla kosteaa (vety ja räjähdysvaara). Uuni on energiankulutuksen vähentämiseksi pidettävä sulatuksen aikana niin täytenä kuin mahdollista ja panostus aloitettava mahdollisimman pian edellisen kaadon jälkeen. Seuraavan sulatuksen panoksen pitää olla valmiina ennen kaatoa. GJS laadun valmistus vaatii puhtaampaa panosta, jossa harkkorauta on korvattu SG harkolla ja teräsromun osuutta on pienennetty. Panoksen Mn ja S pitoisuudet on lisäksi oltava alhaiset. Palloutumista ehkäisevien epäpuhtauksien pitoisuudet on oltava mahdollisimman pieniä. Näitä haittaaineita ovat mm. Bi, Te, Sb, Pb, Sn, As ja Al ja luonnollisesti kaikki vahvat karbidinmuodostajat, kuten Mn, Cr, Mo, Ti ja V. Panoksen laskeminen ja suunnittelu tapahtuu yksinkertaisena seoslaskuna tarvitsematta ottaa sulatuksessa tapahtuvia vähäisiä koostumuksen muutoksia huomioon. Jonkin seosaineen liikamäärän vähentäminen tapahtuu yksinkertaisesti lisäämällä teräsromun osuutta panoksessa, ja niiden lisääminen, milloin pääraaka aineiden mukana ei saada tarvittavia määriä, suoritetaan ferroseoksina, puhtaina metalleina tai hiiletysaineina. Eräin ruosteisuudesta tai muista seikoista johtuvin rajoituksin voidaan panoksen pääraakaaineina usein käyttää hinnaltaan edullisimpia raaka aineita ja välttyä kokonaan harkkoraudan käytöltä. Kustannusvertailussa on kuitenkin huomioonotettava myös teräsromun vaatima hiiletysaineiden ja ferropiin tarve. Jos koostumuksen muutos pitouunissa on hankalaa sen heikosta sekoitusliikkeestä johtuen, voidaan tarvittavat muutokset toteuttaa mm. lisäämällä vajaaseen pitouuniin ennakolta laskettu määrä koostumukseltaan poikkeavaa erikseen sulatettua rautaa. Osa raskaiden seosmetallien korjauksia voidaan suorittaa kiinteinä lisäyksinä uuniin kattoluukun kautta tai rakeisina rautasuihkuun kaadon yhteydessä. Kuva 1. Magneettinostin romun käsittelyyn. Sulatus Vuorauksen laadulla on suuri merkitys sulatuksen kulkuun. Happamilla vuorauksilla mangaani ja vahvat pelkistävät aineet pelkistävät vuorauksesta piitä kuluttaen vuorausta. Mangaanin pelkistävä vaikutus on sitä suurempi, mitä pienempi on piipitoisuus. Reaktio: SiO2 +2 Mn = Si + 2 MnO (Alue 2) kuluttaa vuorausta ja nostaa sulan pii ja happipitoisuutta. Reaktionopeus riippuu analyysistä ja saavuttaa maksimin noin 1470 ºC:een lämpötilassa. Yli 1500 ºC:een lämpötiloissa hiilen taipumus Rautametallien sulametallurgia 5

6 yhtyä happeen on suurempi kuin mangaanin ja piin. Tällöin happea kuluttava mellotus eli upokasreaktio käynnistyy: SiO2 + 2 C = Si + 2 CO (Alue 3) Reaktion seurauksena alenee sulan hiili, SiO2 ja happipitoisuus, mutta piipitoisuus kasvaa. Näiden reaktioiden ja lämpötilojen vaikutus on huomioitava seosaineita lisättäessä. On huomattava, että neutraalit alumiinioksidipitoiset vuorausaineet voivat laadusta riippuen sisältää noin 45% alumiinioksidia ja 40% piioksidia. Näistäkin massoista voi piioksidi jossain määrin pelkistyä. Vasta hyvin korkealuokkaisilla aloksimassoilla, joiden alumiinioksidipitoisuus on 80 90%, ei piioksidin pelkistystä tapahdu. Sulatuksen aikana uunia ajetaan maksimiteholla. Lämpöhäviöiden pienentämiseksi on uunin kansi pidettävä suljettuna. Induktiouunisulatuksessa suositetaan panostusjärjestykseksi seuraavaa: Ensin sulatetaan harkot ja valurautaromu. Kun ne ovat sulaneet, lisätään teräsromu ja aivan viimeiseksi FeSi, FeMn, ym seosaineet. Hiiletysaineet lisätään joko uuninpohjalle tai teräsromun joukkoon. Sulatuksessa on pyrittävä varomaan rautasulan liiallista hapettumista. Toisin sanoen on vältettävä sulan pitämistä tarpeettomasti hapettumisalueella, Kuva 2. Raudan lopullisesta CE arvosta ja raaka aineiden laadusta riippuu, miten sulatus voidaan suorittaa. Kuva 2. Valuraudan induktiouunisulatuksen kolme vaihetta. Rasteroitu alue kuvaa sulatteen happipitoisuutta. Alue 1. Sulan lämpötila T < Tt. Itsepelkistysvaihe, jossa hapen lisääntymistä ei tapahdu. Alue 2. Lämpötila T on alueella Tt < T < Tk, jossa sulan happipitoisuus lisääntyy nopeasti. Alue 3. Lämpötila T > Tk happi alenee upokasreaktion seurauksena. Sulatettavan raudan CE > 3,7 Raaka aineiden ollessa puhtaita rasvasta, öljystä ym. liasta voidaan sulatus suorittaa kolmella eri tavalla riippuen valun vaatimasta loppulämpötilasta. 1. Sulate kuumennetaan enintään Tt lämpötilaan ja vähintään 1350 C lämpötilaan ja pidetään siinä vähintään 10 minuuttia ennen valamista. 2. Jos tasapainolämpötila Tt ei riitä valulämpötilaksi voidaan sula kuumentaa lämpötilaan Tt + 30 C, jossa pito saa jatkua korkeintaan seuraavasta kuvasta (Kuva 2) selviävän ajan, jottei liiallista hapettumista tapahtuisi. Jos lämpötila tai pitoaika ylitetään, on rauta aina ympättävä ennen valua. Rautametallien sulametallurgia 6

7 3. Ohutseinäiset valukappaleet vaativat sulatusalueelle 3 ulottuvia lämpötiloja. Liian pitkä pitoaika tällä alueella ilman välillä tapahtuvaa panosten lisäystä johtaa raudan ʺhengiltä paahtumiseenʺ, jolloin ymppäysaineet eivät enää vaikuta raudan ominaisuuksiin. Jos yllämainittuja lämpötila aikaohjelmia 1 tai 2 voidaan sulatuksessa noudattaa, kelpaavat raudat yleensä ilman ymppäystäkin valuun. Kiteytymisytimenä toimivat SiO2 partikkelit eivät sulatusalueella 1 (Kuva 2) vähene. Jos rauta on joutunut seisomaan uunissa yli 60min siitä, kun panoslisäyksiä on viimeksi tehty, on siinä riittävästä SiO2 samennuksessa huolimatta liian vähän Al2O3, TiO2 ym. oksideja, jotka ovat välttämättömiä kiteytymisytimen muodostukselle. Rauta on tässä tapauksessa aina ympättävä. Raaka aineiden sisältäessä epäpuhtauksia (rasvaa, öljyä, ruostetta, kosteutta, seosaineita, GJS kiertoromua ym.) on rauta aina kuumennettava keittolämpötilaan Tk tai hieman sen yläpuolelle Tt + 90 C. Kuva 3. Valuraudat, joita on ylikuumennettu tasapainolämpötilan (Tt) yläpuolelle käyrän rajoittamalle alueelle, sisältävät tavallisesti liikaa happea. Hapen vähentämiseksi on rautaa pidettävä keittolämpötilan yläpuolella (Tk) ja ympättävä ennen valua. Sulatettavan raudan CE < 3,7 Raudan lämpötila nostetaan nopeasti keittolämpötila alueelle riippumatta raaka aineiden laadusta. Alueella 2 (Kuva 2) rautaan liuennut happi poistuu upokasreaktion seurauksena alueella 3. Kokonaan happea ei kuitenkaan saa poistaa, koska samalla vähenee kiteytymisytimien määrä ja myös ymppäysaineet menettävät tehonsa hapen puutteen takia. Raudalla on silloin taipumus alijäähtymiseen, D grafiittiin ja reunakovuuteen. Tällaisen ʺhengiltä paahdetunʺ raudan tuntee parhaiten kirkkaasta säteilystä ja kipinöinnistä. Vastatoimenpiteenä suositellaan tällöin metallin kaatamista senkasta takaisin uuniin ohuena suihkuna raudan jäähdyttämiseksi sekä raudan pitämistä jonkun aikaa sulatusalueella 2. Myös ruostuneen rautaromun lisääminen palauttaa raudan jälleen ymppäysalttiiksi. Lähdettäessä sulattamaan kylmää panosta on alkukoostumukseksi valittava suurin mahdollinen hiilipitoisuus ja pienin piipitoisuus. Tällä tavalla jää raudan tasapaino (Tt) ja keittolämpötila (Tk) n C alemmaksi kuin sellaisella raudalla, jonka koostumus vastaisi lopullista analyysiä. Seuraus tästä on, että sulan puhdistaminen 2 alueella liuenneesta hapesta kuluttaa vähemmän energiaa ja uunivuoraus kuluu vähemmän. Lopullinen piipitoisuuden säätö suoritetaan vasta kuonanpoiston jälkeen vähän ennen valua. Jatkuvassa induktiouunisulatuksessa edellämainittua porrastus ja lämpötilaohjelmaa on vaikea noudattaa. Yleensä on sulatuksessa pyrittävä nopeasti lämpötila alueen Tt Tk (n C) ohitse, koska raudan happipitoisuus kasvaa siinä ja vuoraus kuluu. Kuumanapitoa tällä alueella on vältettävä. Sopivin kuumanapitolämpötila on Tt ± 30 C. Rautametallien sulametallurgia 7

8 Seostaminen Sulan hiilettäminen on aloitettava niin pian kun uunin pohjalla on riittävästi sulaa. Punahehkuinen austeniittialueella oleva teräs pystyy liuottamaan hiiltä noin 1,5 %, mikä nopeuttaa myös sulamista. Tehokkain hiiletysaine on grafiitti. Kun hiiletys tehdään tehokkaasti kuonavapaan pinnan alle, voi hiilen saanti olla yli 95 %. Happamilla vuorauksilla on pii lisättävä mahdollisimman pian, kuitenkin vasta hiililisäyksen jälkeen, koska pii pienentää hiilen liukoisuutta rautaan. Piitä lisäämällä voidaan vuorauksen kulumista pelkistymällä pienentää. Tehokkaasti voidaan vuorauksen kulumista vähentää lisäämällä piikarbidia panostuksen alussa uunin pohjalle. Piin saanti vuorauksen pelkistymisestä johtuen on yleensä noin 100 %. Mangaani lisätään ferromangaanina tai ferropiimangaanina mahdollisimman myöhään palohäviöistä johtuen. Mangaanin saanti vaihtelee %:n välillä. Nikkeli ja kupari voidaan lisätä uuniin panoksen mukana tai varmemmin panoksen sulettua. Nämä metallit eivät hapetu sulassa. Jos sulatukseen lisätään kromia esim. ferrokromina, on se lisättävä piitiivistyksen jälkeen. Runsashiilinen ferrokromi liukenee helpommin kuin niukkahiilinen ja on hinnaltaan halvempaa. Kuona ja upokasreaktiot Joskin valuraudan sulatus induktiouunissa on luonteeltaan ensisijaisesti suoraa sulatusta, johon liittyy myös seosaineiden lisäystä, on varsinkin korkeissa lämpötiloissa toimittaessa kiinnitettävä huomiota kuona ja upokasreaktioihin. Koska vuoraus valuraudan sulatuksessa useimmiten on hapan kvartsivuoraus, rajoitutaan seuraavassa happameen sulatukseen. Liiallisen hapen läsnäolo sulassa raudassa on vahingollista. Raudan sulattaminen olisi voitava suorittaa siten, että rauta ei sulatuksen aikana saa happea mistään tai siihen liuennut happi poistetaan deoksidaation (pelkistyksen) avulla. Induktiouunisulatuksessa voi esiintyä kolme vaihetta: Alue 1. Piin aiheuttama itsepelkistysvaihe. Edellä olevassa kuvassa (Kuva 2) on esitetty induktiouunisulatuksen kolme eri lämpötila aluetta. Alueella 1 tapahtuu piin vaikutuksesta itsepelkistystä. Alue sijaitsee tasapainolämpötilan (Tt) lähellä tai hieman sen alapuolella eli tavallisimmin C välillä. Valuraudan tasapainolämpötila riippuu sen hiili ja piipitoisuudesta. Kukin valimo voi määrittää sen sulattamilleen rautalaaduille seuraavassa kuvassa (Kuva 3) esitetyn nomogrammin avulla. Sulatuksen aikana ei sulan happipitoisuus olennaisesti lisäänny tällä alueella, sillä sulan päällä on suojana piihappokalvo. Sen sijaan raaka aineiden mukana tullut happi sitoutuu aikaa myöden kiinteäksi piihapoksi: Si + 2 MnO = SiO2 + 2 Mn Si + 2 FeO = SiO2 + 2 Fe Seurauksena reaktioista on raudan oksidipitoisuuden pieneneminen, mikä vuorostaan vähentää raudan taipumusta kapillaarihuokoisuuteen. Saostuneet SiO2 partikkelit toimivat sulassa kiteytymisytimenä, joten tällä alueella sulatetut raudat jähmettyvät yleensä harmaana ilman ymppäystäkin. Rautametallien sulametallurgia 8

9 Kuva 4. Nomogrammi valurautojen piihappopelkistyksen tasapainolämpötilan (Tt) sekä alkavan keittolämpötilan (Tk) määräämiseksi hiili ja piipitoisuuden avulla happamessa induktiouunisulatuksessa. Alue 2. Sulan hapettumisvaihe. Sulan hapettumista alkaa tapahtua, kun lämpötila nostetaan tasapainolämpötilan yläpuolelle, ja se lisääntyy lähestyttäessä keittolämpötilaa (Tk) (Kuva 2). Sulan happipitoisuus kasvaa tällä alueella ajan ja lämpötilan funktiona. Happea siirtyy suojaamattoman pinnan lävitse sulaan ilmasta sekä myös kuonasta ja uunin vuorauksesta. SiO2 + 2 Mn = Si + 2 MnO Mitä korkeampi sulan mangaanipitoisuus on, sitä enemmän se pyrkii pelkistämään piitä vuorauksesta ja samalla sulan oksidipitoisuus kasvaa. Sen sijaan rautasula, jonka Si/Mn suhde on suuri, sisältää kaiken siinä olevan hapen pääasiassa SiO2:na. Sulan happipitoisuus saavuttaa maksiminsa noin C tasapainolämpötilan (Tt) yläpuolella ja kasvaa pitoajan lisääntyessä. Happipitoisuuden kasvu on sitä voimakkaampaa, mitä pienempi on sulan hiili ja piipitoisuus. Terässulissa, joissa hiili ja piipitoisuus ovat matalia, nousee happipitoisuus kokonaan toiselle tasolle. Tasapainolämpötilan yläpuolella hiilen taipumus happeen voittaa piin, mangaanin ja raudan hapettumistaipumuksen ja happea kuluttava ns. upokas eli keittoreaktio pääsee alkamaan: SiO2 + 2 C = Si + 2 CO Upokasreaktion teho tässä lämpötilassa jää kuitenkin vähäiseksi ja sulan happipitoisuus kasvaa edelleen. Vasta lämpötilassa Tt + 50 C keittoreaktion vaikutus voimistuu niin paljon, että hapen lisääntyminen lakkaa. Sulatusalueiden välinen raja ei ole jyrkkä, vaan siirtyminen alueelta toiselle tapahtuu vähitellen. Alue 3. Hiilen aiheuttama pelkistysvaihe. Lämpötilan edelleen noustessa keittolämpötilaan (Tk) tai sen yläpuolelle pääsee keittoreaktio voimakkaasti käyntiin ja happi poistuu sulasta hiilimonoksidin muodossa. Reaktion seurauksena alenee myös sulan hiili ja SiO2 pitoisuus. Sulan Si pitoisuus sen sijaan kasvaa johtuen siitä, että keittoreaktion vaikutuksesta myös upokkaan vuorauksesta pelkistyy lisää piitä sulaa rautaan. Rautametallien sulametallurgia 9

10 Kupoliuunisulatus Kupoliuunin käyttö rajoittuu valuraudan sulatukseen. Niissä sulatetaan suomugrafiittivaluraudan eri laatuja, pallografiittivaluraudan perusrautaa ja valkeaa valurautaa tempervalun alempia laatuluokkia varten. Lisäksi niissä sulatettua rautaa käytetään perusrautana erilaisissa duplex tai triplex menetelmissä, joissa rauta joutuu ennen valua metallurgiseen käsittelyyn sähköuuneissa, kieputusastioissa tai konverttereissa. Kolme eniten käytettyä kupoliuunirakenteen vaihtoehtoa ovat: happamesti vuorattu kylmäilmakupoliuuni happamesti vuorattu kuumailmakupoliuuni ja vuoraukseton vesijäähdytetty kuumailmakupoliuuni, jossa kuonan koostumus on valinnanvarainen ja säädeltävissä. Sulatus Kupoliuunisulatuksen metallurgialle ja eri alkuaineiden käyttäytymiselle sulatuksessa on luonteenomaista tapahtumien kulkuun vaikuttavien erilaisten tekijöiden suuri lukumäärä. Joskin yksinkertaista tavallisella koksilla toimivaa kylmäilmakupoliuunia voidaan pitää ensi sijassa valmista raaka ainetta uudelleen sulattavana laitoksena, on toisena äärimmäisyytenä vuoraukseton vesijäähdytetty kuumailmakupoliuuni. Siinä voidaan raudan koostumukseen vaikuttaa erittäin oleellisesti erilaisin metallurgisesti vaikuttavin toimenpitein. Tärkeimpiä vaikuttavia muuttujia ovat: lämpötilat uunijärjestelmän eri osissa hapetus/pelkistys olosuhteet raudan ja kuonan kemiallinen koostumus ja kosketuksen tehokkuus raudan, kuonan, koksin sekä uunikaasujen kesken. Nämä kaikki neljä seikkaa riippuvat uunin toimintaolosuhteista, varsinkin puhallusilman lämpötilasta. Myös tapahtumien luonne vaihtuu uunin eri vyöhykkeissä; sulamisvyöhykkeessä hormien läheisyydessä vallitsevat hapettavat olosuhteet, uunin alaosassa pelkistävät. Sulamisvyöhykkeeseen saapuessaan ovat raaka aineet jo sekoittuneet niin, ettei panostuksesta johtuvaa kerroksellisuutta ole havaittavissa. Sulamisjärjestys on jossain määrin palakoosta riippuvainen. Ylinnä sulaa harkkorauta suuren hiilipitoisuutensa ansiosta, sen alapuolella valurautaromu, ja pisimmälle palavaan koksiin tunkeutuu niukkahiilinen teräsromu. Sen sulaminen tapahtuu suurelta osalta liukenemalla ylempänä sulaneeseen harkko ja valurautaan, joka pudotessaan pisaroina osuu siihen. Palaminen ja uunin vyöhykkeet uunin kuilussa Raudan sulatukseen ja ylikuumennukseen tarvittava lämpö kehitetään polttamalla koksin hiiltä. Reaktio C + O2 = CO2 (1) tapahtuu koksin palamisvyöhykkeessä välittömästi hormien edustalla, missä vallitsee happiylimäärä. Tämän hapetusvyöhykkeen yläosassa tulee puhallusilman happi loppuunkäytetyksi, ja silloin tulee mahdolliseksi reaktio C + CO2 = 2CO (2), jossa hehkuva hiili pelkistää hiilidioksidia hiilimonoksidiksi. Reaktio (2) on lämpöä kuluttava ja siten lämpötaloudellisesti epäedullinen. Se missä suhteessa uunikuilun yläosaan tulevissa uunikaasuissa on hiilidioksidia ja hiilimonoksidia, riippuu siitä, missä laajuudessa reaktio (2) ehtii tapahtua uunikaasujen virratessa pelkistysvyöhykkeen läpi. Paitsi lämpötilasta ja kaasuvirran nopeudesta, riippuu tämä koksin laadusta, sen reaktiivisuudesta. Lämpötaloudellisesti ja sulatusteknisesti edullinen on kokonaistuloksena mahdollisimman täydellinen palaminen eli siis mahdollisimman suuri hiilidioksidipitoisuus uunikaasuissa. Kuumailmakupoliuunit, joiden lämmönvaihtimet eli rekuperaattorit käyttävät Rautametallien sulametallurgia 10

11 hyväksi uunikaasujen piilevää lämpöä polttamalla lisäilman kanssa uunikaasuihin sisältyvää hiilimonoksidia, edellyttävät uunikaasuilta palamiskelpoisuuteen riittävää hiilimonoksidipitoisuutta. Metallurgisesti vaikuttavat tekijät Kupoliuunista saadun raudan analyysi poikkeaa aina panoksen koostumuksesta; siihen voidaan tarkoituksellisestikin vaikuttaa. Useat muutokset ovat verrannollisia vallitseviin lämpötiloihin, joihin vaikuttaa muun muassa: kuonan koostumus koksin laatu panoskoksin määrä ja puhallusilman määrä puhallusilman lämpötila puhallusilman happipitoisuus, jos happea on lisätty panoksen raaka ainevalikoima alkuaineiden vuorovaikutus sulatuksen kulun muutosvaiheet uunirakenteelliset seikat Kuonan koostumus. Kuonan koostumus, sen lämpötila ja kosketus sekä koksiin että sulaan rautaan ovat merkittävimpiä kupoliuunin metallurgiseen toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Kuona syntyy sulamisvyöhykkeessä, valuu hehkuvan koksipohjan lomien kautta alaspäin kuten sula rautakin ja kerääntyy uunin alaosaan. Tärkeimmät reaktiot tapahtuvat raudan, kuonan ja koksin kesken. Kuonan koostumus riippuu puhallusilman lämpötilasta, koksin laadusta ja määrästä, käytetystä kalkkikivestä ym. tekijöistä. Kuonan koostumus määritellään emäksiseksi tai happameksi yhtälön B = (CaO + MgO)/SiO2 perusteella. Kun kuonan analyysin perusteella laskettu arvo B on alle 1, nimitetään kuonaa happameksi, ja sen ollessa yli 1 emäksiseksi. Koska hyvin emäksisen kuonan oksidit vaativat sulaakseen korkeamman lämpötilan kuin happamen, tapahtuu emäksinen sulatus nykyään melkein poikkeuksetta kuumailmauuneissa. Lisäksi on tavanomaista käyttää emäksisen sulatuksen yhteydessä kalkkikiven ohella fluorisälpälisäystä kuonan juoksevuuden parantamiseksi. Kuonan koostumus vaihtelee tavallisesti seuraavan taulukon rajoissa. Taulukko 1. Kuonan koostumus Ainesosa Koostumus SiO % CaO % MgO 0,1 5,0 % Al2O % FeO 2 7 % MnO 0,5 2 % P2O5 0,5 1,0 % Koksin laatu. Koksin liian pieni palakoko lisää panospilarin vastusta uunin kautta kulkevalle kaasuvirralle. Pienikokoinen koksi hiilettää enemmän kuin isokokoinen. Koksin reaktiivisuuden ollessa pieni sisältävät uunikaasut runsaasti hiilidioksidia ja palamissuhde on hyvä. Pienen reaktiivisuuden edut ilmenevät selvästi runsashiilisen HC koksin käytössä kylmäilmakupoliuunissa. Rautametallien sulametallurgia 11

12 Koksimäärää voidaan pienentää, jolloin sulatusteho nousee vastaavasti. Vaihtoehtoisesti voidaan koksin säästön asemesta asettaa raudan korkeampi lämpötila tavoitteeksi. Koksin hiiletyskyky riippuu mm. sen rakenteesta, tuhkapitoisuudesta ja tuhkan sulamislämpötilasta. Parhaiten hiilettävät tiivisrakenteiset niukkatuhkaiset koksilaadut. Koksin rikkisisällöstä siirtyy sulaan rautaan noin %. Koksin pieni rikkipitoisuus mahdollistaa suuremman valurautaromumäärän käytön panoksessa ilman raudan rikkipitoisuuden ohjerajan ylitystä. Panoskoksin määrä ja puhallusilman määrä. Kullekin panoskoksin määrälle on tietty optimaalinen puhallusilman määrä, jolla raudan korkein lämpötila saavutetaan. Optimialueen kummallakin puolella, siis käytettäessä puhallusilmaa liikaa tai liian vähän, alenee raudan lämpötila jyrkästi. Poikkeaminen optimialueelta aiheuttaa muutoksia myös raudan koostumukseen. Kun kupoliuunia käytetään puhallusilmamäärän optimialueella, on tulos myös siinä suhteessa edullisin, että rautaa ja sen lisäaineita menetetään sulatushäviöinä mahdollisimman vähän. Optimin alapuolella sulatushäviöt suurenevat loivasti, mutta yläpuolella erittäin jyrkästi varsinkin panoskoksimäärän ollessa pieni tai sulatusvyöhykkeen siirryttyä alemmas koksivajauksen takia. Ylipuhallusta on siis aina ehdottomasti vältettävä. Puhallusilman lämpötila. Puhallusilman lämpötilan noustessa saavutettuja metallurgisia etuja ovat pienentyneet palohäviöt sekä lisääntynyt hiiletys. Myös puhallusilman kuumentaminen siirtää kupoliuunin hapetus/pelkistystasetta edulliseen suuntaan, kuten tekee koksipanoksen suurentaminenkin. Piin häviöt raudassa ovat suurimmat puhallusilman lämpötilan ollessa matala, ja pienenevät lämpötilan noustessa. Kuumennettu puhallusilma edistää hiiletystä voimakkaasti, joka mahdollistaa suuremman teräsromumäärän käytön panoksessa. Puhallusilman happipitoisuus, jos happea on lisätty. Korottamalla puhallusilman happipitoisuutta noin 2 % syöttämällä lisähappea puhallusilmaverkostoon voidaan lämpötilaa palamisvyöhykkeessä nostaa ja saavuttaa kylmäilmauunilla joitakin vastaavia etuja kuin kuumailmasulatuksessa. Alkuaineiden vuorovaikutus. Pii ja fosfori alentavat hiilen liukoisuutta rautaan. Jos panoksen piipitoisuutta nostetaan huomattavasti ilman muita muutoksia, alenee sulan raudan hiilipitoisuus, ja päinvastoin. Vastaavasti vaikuttaa hiilen, piin ja fosforin pitoisuuksien alentaminen lisäävästi sulan raudan rikkipitoisuuteen. Runsaasti teräsromua sisältävät panokset happamessa sulatuksessa johtavat helposti runsaisiin rikkipitoisuuksiin. Mangaanin yhtyessä rikkiin muodostuu mangaanisulfidia MnS, jolla on pyrkimys nousta kuonaan varsinkin lämpötilan alentuessa. Mangaani siten jossain määrin alentaa rikkipitoisuuksia. Koska pii on voimakas pelkistin, pienenevät muiden alkuaineiden hapettumishäviöt raudan piipitoisuuden ollessa runsas. Sulatuksen kulun muutosvaiheet. Edullisimmassa tapauksessa jakautuu kupoliuunisulatus kolmeen vaiheeseen: 1) käynnistysvaihe, 2) ajo tasaisella kuormalla ja 3) tyhjäksi ajo. Käytännössä tulee useimmiten lisäksi kaavaamon raudan tarpeesta johtuvia kuormitusmuutoksia tai keskeytyksiä. Näitä tulisi kuitenkin pyrkiä välttämään, sillä kuormitusvaihtelujen vaatimat puhallusilmanmäärän muutokset aiheuttavat muutoksia raudan lämpötilassa ja koostumuksessa. Ensimmäisen raudan hiili ja rikkipitoisuudet ovat korkeat, pii ja mangaanipitoisuudet alhaiset. Jotta heti ensimmäinen rauta saataisiin halutulla koostumuksella, on uunin kuntoonlaitto ja käynnistys suoritettava tarkoin kerrasta toiseen vakioidulla tavalla. Väistämättömät koostumuksen poikkeamat normaalista on pyrittävä kompensoimaan muuttamalla panosten koostumusta sulatuksen alussa. Valittua panoskoksin ja puhallusilman määrää vastaavaan normaaliin asemaan hakeutuu sulamisvyöhyke noin puolen tunnin kuluessa. Tyhjäksi ajossa alenee panospilarin korkeus ja sen läpivirtausvastus pienenee. On tärkeää, että myös tyhjäksisulatus tapahtuu optimi ilmamäärällä. Puhallusilmaläppää on siis kuristettava uunin vastuksen pienenemistä vastaavasti siten, että ilmamäärä pysyy muuttumattomana. Ellei tätä säätöä suoriteta, ryöstäytyy uuni optimialueen yläpuolelle, minkä seurauksena raudan lämpötila sekä hiili, pii ja mangaanipitoisuudet alenevat. Sulatuksen tapahtuessa kuumailmauunilla uunikaasulämmitteisellä rekuperaattorilla joudutaan rekuperaattori sammuttamaan Rautametallien sulametallurgia 12

13 panospilarin alennuttua imurenkaan tasolle. Siitä alkaen puhallusilman lämpötila alenee, mistä on seurauksena hiili, pii ja mangaanipitoisuuden sekä lämpötilan aleneminen. Uunirakenteelliset seikat. Korkea kuiluosa edistää panoksen esikuumenemista ja on eduksi tapahtumille sulamisvyöhykkeessä. Korkea alaosa ja raudan patoaminen edistävät hiiletystä. Kuonan patoutuminen estää hiiletystä, mutta edistää raudan ja mangaanin sekä kuumailmasulatuksessa happamella kuonalla myös piin pelkistymistä kuonasta rautaan, sekä emäksisessä sulatuksessa rikinpoistoreaktioita. Suuri ilman nopeus hormeissa eli ilmamäärään verrattuna pienehkö hormien läpimitta edistää puhallusilman tunkeumaa uunin keskustaa kohden; koksin palamisen painopiste siirtyy silloin lähemmäs uunin keskustaa. Tämä on eduksi raudan lämpötilalle ja sulamisvyöhykkeen metallurgisille tapahtumille. Uunin vuorauksen syöpyminen sulamisvyöhykkeessä muuttaa olosuhteita sulatuksen kuluessa. Happamen vuorauksen syöpyminen on nopeinta sulatuksen ensimmäisinä tunteina. Vastaavasti on ensimmäisten tuntien kuona happamempaa, mikä vaikuttaa mm. lisäävästi rikkipitoisuuteen. Uunin läpimitan suureneminen aiheuttaa myös puhallusilmamäärän optimin aseman siirtymisen ja sitä vastaavat muutokset sulatuksen kulussa. Kaikki uunirakenteelliset toimenpiteet, esimerkiksi vesijäähdytetyt hormit, vaipan vesijäähdytys, kuilun sulamisvyöhykkeen osuuden muotoilu jne, jotka hidastavat uunin läpimitan muutoksia sulatuspäivän kuluessa, johtavat tasaisempaan tulokseen sulatuksen eri vaiheiden aikana. Seosaineet kupoliuunisulatuksessa Hiilen saanti sulaan rautaan tapahtuu osaksi valuraudan koostumusta läheisesti vastaavista harkkoraudoista ja valurautaromusta, osaksi koksista. Sulan raudan ohitettua hapettavat olosuhteet vyöhykkeen yläosassa alkaa se hiilettyä koksin hiilen liuetessa rautaan, sen koskettaessa sitä. Liukeneminen riippuu kosketuksen tehokkuudesta. Palava koksi peittyy tuhkakerroksella, joka huonontaa kosketusta. Koksin tuhka on koostumukseltaan hapan ja liukenee siksi emäksiseen kuonaan. Mitä emäksisempi kuona on, sitä paremmin rauta hiilettyy. Suoranainen hiilellä seostaminen kupoliuunissa on mahdollista lisäämällä panoksen mukana tarkoin punnittuina annoksina grafiittielektrodijätettä, joka liukenee melkein häviöittä. Sulamisvyöhykkeen korkeasta lämpötilasta johtuen ovat mangaanin välittömät höyrystymishäviöt erittäin suuret. Mangaania lisätään tarvittaessa ferromangaanina joko panoksen mukana tai sulaan rautaan. Suuri osa ferromangaanilisäyksestä kuluu häviöiden kompensointiin. Pääosa piitä saadaan useimmiten harkkoraudan ja romun mukana. Kuonan piioksidin pelkistyminen piiksi koksin hiilen vaikutuksesta tapahtuu vain kuonan ollessa selvästi hapan ja puhallusilman kuumennettua. Mitä emäksisempää kuona on, sitä suuremmat ovat piin häviöt; sulatuksessa erittäin emäksisellä kuonalla jopa niin suuret, että on epätaloudellista panostaa runsaasti piitä sisältäviä raaka aineita. Kupoliuunissa ei tapahdu fosforin hapettumista eikä siinä ole mahdollista poistaa fosforia. Tarvittava fosfori saadaan taloudellisimmin harkkoraudasta ja romusta. Happamessa sulatuksessa panokseen sisältyvästä rikistä tavallisesti noin puolet siirtyy rautaan ja loppu poistuu uunikaasujen mukana. Sulan raudan rikkisisällöstä on n % peräisin koksista ja loput pääasiallisesti panoksen valurautaromusta. Emäksisessä sulatuksessa muodostuu pelkistävissä olosuhteissa hiilen tai piin osallistuessa reaktioon kalsiumsulfidia CaS, joka liukenee emäksiseen kuonaan. Happamen sulatuksen vaikeutena ja romun käytön määrää rajoittavana tekijänä on rikkipitoisuuden nousu, ja ainoana mahdollisuutena todella matalaan rikkipitoisuuteen on uunin ulkopuolella suoritettu rikinpoisto sulasta raudasta. Emäksisessä sulatuksessa kuumalla puhallusilmalla sitävastoin voidaan kuonan emäksisyyden ollessa noin B = 2,0 pysytellä rikkipitoisuudessa 0,02 0,04 % S alueella ilman panoksen rikkipitoisuuden asettamia käytännöllisiä rajoituksia. Rautametallien sulametallurgia 13

14 Sulatusohjelman suunnittelu Jatkuvaluonteisesta toiminnastaan johtuen soveltuu kupoliuuni parhaiten yhden rautalaadun jatkuvaan valmistukseen. Jos samana päivänä on valmistettava useita rautalaatuja, on niiden lukumäärä järjestelytoimenpitein pyrittävä rajoittamaan vähimpään mahdolliseen, ja sijoittamaan ne sellaiseen järjestykseen, että hiiliekvivalentin muutos tapahtuu samansuuntaisesti. Koska hiiletys sulatuksen alussa on voimakasta ja heikkenee erityisesti tyhjäksipuhalluksen aikana, on edullista sijoittaa pehmeät rautalaadut sulatuksen alkuun, kovat sen loppuun. Kovin pieniä rautaeriä ei ole mahdollista valmistaa osumatarkasti. Panosten tiheästä edestakaisin vaihtelemisesta olisi seurauksena, että ʺvälirautaaʺ saataisiin pitkin päivää ja suurin osa sulatuksesta. Kuva 5. Sulan lasku uunista. Valuraudan sulankäsittelyt Valuraudan hiilipitoisuus on korkea, yleensä 2,4 4,0 %, ja se on noin kertainen teräksen hiilipitoisuuteen verrattuna. Jos valuraudan valmistukseen käytettävä romu sisältää niukkahiilistä terästä, niin kuin usein on, jää valmiin valuraudan hiilipitoisuus vähäiseksi, ellei sulaan lisätä hiiltä. Tätä toimenpidettä kutsutaan hiilettämiseksi. Induktiouuneilla valurautaa valmistettaessa käytetään panokseen runsaasti teräsromua sen halvan hinnan vuoksi. Hiilipitoisuus nostetaan toivotulle tasolle käyttämällä sopivia hiiletysaineita kuten grafiittia, petrolikoksia, koksia tai muuta hiilirikasta tuotetta. Pallografiittivalurautaa valmistettaessa ei perusraudan rikki saa ylittää 0,01 %, joten hiiletysaineen rikkipitoisuuden tulee olla pieni. Hiiletysaineiden typestä noin 50 % liukenee rautaan. Petrolikoksia käytettäessä voi eräissä tapauksissa valuraudan typpipitoisuus nousta ppm:n (=0,01 0,015 %:n) tasolle. Joten kappaleeseen voi syntyä mm. kapillaarihuokosia. Typen vaikutusta voidaan eliminoida lisäämällä valurautaan 0,05 0,1 % titaania. Kupoliuunisulatuksessa riittävä hiilimäärä liukenee sulaan rautaan polttoaineena käytettävästä koksista, joten hiiltä ei yleensä tarvitse lisätä. Jos hiilipitoisuutta kuitenkin halutaan nostaa, saadaan se aikaan esimerkiksi käyttämällä romun ohella runsashiilistä harkkorautaa. Pii on hiilen jälkeen valuraudan tärkein seosaine, koska se aiheuttaa grafiitin erottumisen. Jos piitä ei valuraudassa olisi, jähmettyisi se valkoisena valurautana. Piin taipumus yhtyä kemiallisesti rautaan on suurempi kuin hiilen, joten lämpötilan laskiessa hiili ei enää ʺmahdukaanʺ liuenneena sulaan, vaan erottuu siitä grafiittina. Kupoliuunisulatuksessa suuri osa tarvittavasta piistä saadaan tavallisesti harkkoraudasta tai valurautaromusta. Tarvittava lisäys tapahtuu ferropiin avulla panoksen mukana. Myös induktiouuneissa käytetään piipitoisuuden nostamiseen ferropiitä. Hiiletys pitää suorittaa ennen piin lisäystä, koska piin läsnäolo hidastaa hiilen liukenevuutta. Valuraudan rikki on peräisin osaksi rautamalmista ja osaksi kupoliuunin koksista. Rikki voi olla valuraudassa rautasulfidina FeS tai mangaanisulfidina MnS. Rautasulfidina se vastustaa grafiitin muodostumista ja tekee raudan kovaksi ja hauraaksi. Jos valuraudan mangaanipitoisuus on riittävän korkea, esiintyy rikki mangaanisulfidin muodossa, joka on vaarattomampi raerakenteen osa. Rautametallien sulametallurgia 14

15 Kuitenkaan mangaanilla ei korjata kohtuuttoman suuria rikkipitoisuuksia, vaan rikin määrää pyritään vähentämään. Tavallisesti valuraudan rikkipitoisuus on 0,1 0,12 %. Pallografiittivaluraudassa sen pitää olla huomattavasti pienempi, noin kymmenesosa edellisestä eli 0,01 %. Induktioupokasuunilla valurautaa valmistettaessa voidaan valita vähärikkisiä raaka aineita, kuten teräsromua, joten rikinpoistoa harvoin tarvitaan. Tarvittaessa valuraudan rikinpoisto voidaan suorittaa induktiouunissa kalsiumkarbidilla ja myös kalsiumpiillä, jos analyysi sallii piipitoisuuden nousun. Induktioupokasuuneilla päästään erittäin alhaisiin rikkipitoisuuksiin, jopa 0,002 0,003 % rikkipitoisuuksiin. Kupoliuunien verraten happamat kuonat eivät poista rikkiä. Rikinpoistoon soveltuvat aineet, jotka ovat luonteeltaan emäksisiä, syövyttävät voimakkaasti hapanta vuorausta, eikä sulan rikkipitoisuus sanottavammin alene. Jos pitoisuutta pitää alentaa esimerkiksi hyvänlaatuisia valurautoja tai pallografiittivalurautaa valmistettaessa, käytetään duplex sulatusta. Siinä varsinainen sulatus tapahtuu kupoliuunissa, minkä jälkeen sula siirretään esimerkiksi induktioupokasuuniin rikinpoistoa ja sulan seostusta varten. Ymppäyksellä tarkoitetaan sopivien seosaineiden lisäämistä rautasulaan edistämään valuraudan jähmettymistä harmaana ja pienirakeisena. Ymppäyksessä lisätään sulaan ytimiä, joihin hiili voi kiteytyä grafiitiksi. Happamissa induktiouuneissa yli 1500 ºC:een lämpötiloissa tapahtuu ns. upokasreaktio SiO2 + C = Si + 2 CO, joka pelkistää kvartsia ja poistaa raudasta happea, jolloin se köyhtyy kiteytymisytimistä. Ympättävillä raudoilla on siksi varottava pitkäaikaista kuumentamista korkeissa lämpötiloissa. Tämä ilmiö esiintyy usein rautaa sulatettaessa sähköuuneissa. Yleisin ymppäysaine on 75 %:n FeSi. Aine voidaan lisätä jauheena (valusuihkumenetelmä) tai lankana (lankaymppäysmenetelmä) muottiin kaadettavaan sulaan tai sitten aine sijoitetaan jauheena tai pelletteinä muottiin (muottiymppäys). Ymppäysvaikutus vaimenee nopeasti, joten usein ympätään kahdessa erässä. Perusymppäys suoritetaan tavallisesti laskettaessa rautaa uunista valusenkkaan, jolloin ymppäysaine kaadetaan tasaisena virtana valusuihkuun ja rakeet sekoittautuvat raudan pinnan alle tai ymppäysaine lisätään senkan pohjalle. Koska perusymppäyksen vaikutus vaimenee ajan mukana, olisi valu suoritettava 5 10min. kuluttua ymppäyksestä. Usein joudutaankin tekemään hieman ennen valamista elvytysymppäys, jossa ymppäysainetta lisätään valusuihkuun tai muotin pohjalle. Pallografiittivaluraudoissa pyritään grafiitti kiteyttämään pallomaisen muotoon, jolloin raudalle saadaan paremmat lujuusominaisuudet, suurempi vetolujuus ja parempi sitkeys. Grafiitin palloutuminen saadaan aikaan lisäämällä sulaan rautaan hieman ennen valua palloutusainetta, joka tavallisesti sisältää magnesiumia. Jotta palloutuminen tapahtuisi, pitää raudan rikkipitoisuuden olla pieni. Yleisesti katsotaan että, rikkipitoisuuden tulisi olla alle 0,01%, mutta kuitenkin yli 0,006%, jotta pallouttaminen onnistuisi. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja raaka aineita, jotta palloutumista ehkäiseviä aineita ei tulisi panoksen mukana rautaan. Palloutumista ehkäiseviä aineita ovat primäärikarbideja muodostavat aineet, kuten Cr, Mo, V ja Mn sekä ns. haitta aineet, joita ovat Bi, Te, Sb, Pb, Se, As, Ti ja Al. Koska raudan ja ilman happi aiheuttavat suurimmat magnesiumpalohäviöt, pitää magnesium saada liuotettua sulaan rautaan siten, että siitä palaisi pois mahdollisimman vähän ts. saanto muodostuisi suureksi. Magnesiumin alhainen kiehumispiste ja suuri höyrynpaine vaativat myös lisäyksen suorittamista niin, että magnesium saadaan upotettua mahdollisimman syvälle sulaan. Magnesiumseoksen raekoko on valittava upotussyvyyden mukaan niin että, magnesium ehtii liueta ennen kuin se on noussut senkan pinnalle. Tätä varten on kehitetty erilaisia menetelmiä kuten avosenkka (sandwich ), upotin, kiepposanko, injektio, konvertteri, Tundish kammiosenkka ja langansyöttömenetelmä. Rautametallien sulametallurgia 15

16 Hiilipitoisuuden säätö Valuraudan hiilipitoisuus on korkea, yleensä 2,4 4,0 %, ja se on noin kertainen teräksen hiilipitoisuuteen verrattuna. Jos valuraudan valmistukseen käytettävä romu sisältää niukkahiilistä terästä, niin kuin usein on, jää valmiin valuraudan hiilipitoisuus vähäiseksi, ellei sulaan lisätä hiiltä. Tätä toimenpidettä kutsutaan hiilettämiseksi. Induktiouuneilla valurautaa valmistettaessa käytetään panokseen runsaasti teräsromua sen halvan hinnan vuoksi. Hiilipitoisuus nostetaan toivotulle tasolle käyttämällä sopivia hiiletysaineita. Hiiletysaineista grafiitti liukenee parhaiten rautaan. Se voi olla esimerkiksi valokaariuunien elektrodijätteistä murskattuna 4 5mm:n raekokoon. Myös petrolikoksia, joka on öljynjalostusteollisuuden kuivatislausjäte, käytetään yleisesti hiiletysaineena induktiouunisulatuksessa. Sen hiiletyskyky riippuu lämpötilasta eikä ole niin hyvä kuin grafiitilla. Hiiletysaineen mukana seuraava rikki ei ole vaarallinen suomugrafiittivalurautaa valmistettaessa. Sen sijaan pallografiittivalurautaa valmistettaessa ei perusraudan rikki saa ylittää 0,01 %, joten hiiletysaineen rikkipitoisuuden tulee olla pieni. Hiiletysaineiden typestä noin 50 % liukenee rautaan. Petrolikoksia käytettäessä voi eräissä tapauksissa valuraudan typpipitoisuus nousta ppm:n (=0,01 0,015 %:n) tasolle, riippuen kappaleen seinämänpaksuudesta, jäähtymisnopeudesta, sulatustavasta ym. seikoista. Joten kappaleeseen voi syntyä mm. kapillaarihuokosia. Typen vaikutusta voidaan eliminoida lisäämällä valurautaan 0,05 0,1 % titaania. Sulan virtaus uunissa nopeuttaa hiilettymistä. Jos hiiletysaine jäisi sulan panoksen pintaan, olisi hiilettyminen lähes olematonta suuren osan hiilestä palaessa pois. Koska valokaariuuneissa sulan sekoittuminen on puutteellista, käytetään niitä harvoin valuraudan sulatukseen. Kuumanapitouuneiksi ne eivät myöskään sovellu, koska hapettava kuona ja sen suuri pinta johtavat seosaineiden hapettumistappioihin ja valokaariuunien lämpöhäviöt ovat suuria. Kupoliuunisulatuksessa riittävä hiilimäärä liukenee sulaan rautaan polttoaineena käytettävästä koksista, joten hiiltä ei yleensä tarvitse lisätä. Jos hiilipitoisuutta kuitenkin halutaan nostaa, saadaan se aikaan esimerkiksi käyttämällä romun ohella runsashiilistä harkkorautaa. Koska öljy ja kaasukäyttöisistä kupoliuuneista puuttuu hiilettävä koksi, joudutaan rautaa hiilettämään esimerkiksi injektiomenetelmää käyttämällä. Hiilettäminen voidaan suorittaa myös jäljempänä esitetyillä menetelmillä (Gazal, kiepposanko tai injektiomenetelmällä). Piipitoisuuden säätö Pii on hiilen jälkeen valuraudan tärkein seosaine, koska se aiheuttaa grafiitin erottumisen. Jos piitä ei valuraudassa olisi, jähmettyisi se valkoisena valurautana. Piin taipumus yhtyä kemiallisesti rautaan on suurempi kuin hiilen, joten lämpötilan laskiessa hiili ei enää ʺmahdukaanʺ liuenneena sulaan, vaan erottuu siitä grafiittina. Piin määrä valuraudassa on 1 3 %. Piimäärän kasvaessa 2 3 %:iin saavuttaa grafiittipitoisuus maksiminsa. Myös sulan raudan kyky liuottaa hiiltä itseensä laskee piipitoisuuden kasvaessa. Ylimääräinen hiili erottuu sulasta kuohugrafiittina, joka aiheuttaa valuvikoja. Kupoliuunisulatuksessa suuri osa tarvittavasta piistä saadaan tavallisesti harkkoraudasta tai valurautaromusta. Tarvittava lisäys tapahtuu ferropiin avulla panoksen mukana. Myös induktiouuneissa käytetään piipitoisuuden nostamiseen ferropiitä. Tarvittaessa piipitoisuutta voidaan pienentää lisäämällä sulaan teräsromua. Koska piin läsnäolo sulassa raudassa hidastaa hiilen liukenevuutta, lisätään se vasta hiiletyksen jälkeen. Rikinpoisto Valuraudan rikki on peräisin osaksi rautamalmista ja osaksi kupoliuunin koksista. Rikki voi olla valuraudassa rautasulfidina FeS tai mangaanisulfidina MnS. Rautasulfidina se vastustaa grafiitin muodostumista ja tekee raudan kovaksi ja hauraaksi. Lisäksi se erottuu ohuena kalvona rautakitei Rautametallien sulametallurgia 16

17 den rajoille. Koska rautasulfidin sulamispiste on huomattavasti pienempi kuin valuraudan, vain 985 ºC, heikentää se valuraudan lujuutta korkeissa lämpötiloissa. Jos valuraudan mangaanipitoisuus on riittävän korkea, esiintyy rikki mangaanisulfidin muodossa, joka on vaarattomampi raerakenteen osa. Runsaat mangaanisulfidimäärät pyrkivät varsinkin suurissa rautamäärissä ja valukappaleissa nousemaan yläpinnalle, missä ne yhdessä ilman vaikutuksesta raudan pinnalle syntyneiden oksidien kanssa muodostavat herkkäliikkeistä kuonaa. Kappaleen yläosaan pyrkii silloin muodostumaan ʺlikasulkeumiaʺ, joille myös kaasurakkuloiden runsas esiintyminen on ominaista. Siksi mangaanilla ei korjata kohtuuttoman suuria rikkipitoisuuksia, vaan rikin määrää pyritään vähentämään. Tavallisesti valuraudan rikkipitoisuus on 0,1 0,12 %. Pallografiittivaluraudassa sen pitää olla huomattavasti pienempi, noin kymmenesosa edellisestä eli 0,01 %. Induktioupokasuunilla valurautaa valmistettaessa voidaan valita vähärikkisiä raaka aineita, kuten teräsromua, joten rikinpoistoa harvoin tarvitaan. Tarvittaessa valuraudan rikinpoisto voidaan suorittaa induktiouunissa kalsiumkarbidilla ja myös kalsiumpiillä, jos analyysi sallii piipitoisuuden nousun. Valuraudan rikinpoisto on tehtävä ennen mahdollista magnesiumkäsittelyä. Jos magnesium lisätään valusenkassa sandwich menetelmällä, on rikinpoisto edullista suorittaa induktiouunissa. Näin vältytään lämpöhäviöitä lisäävän rikinpoistosenkan käytöltä. Sopiva kalsiumkarbidin raekoko on 0,3 3,0mm. Rikinpoisto perustuu seuraaviin reaktioihin: CaC2 + S = CaS + 2 C CaC2 + FeS = CaS + Fe + 2 C Kalsiumsulfidi muodostaa karbidiylijäämän kanssa kuivaa, helposti poistettavaa kuonaa. Kalsiumkarbidi sisältää noin 37 % hiiltä, mikä on huomioitava hiilipitoisuuden nousuna. Vapautuva hiili erottuu grafiittina tai liukenee sulaan rautaan. Kalsiumkarbidi on lisättävä kuonattoman raudan pinnalle. Lisäykset on suoritettava pienissä erissä. Induktiouunin sulan virtaukset (etenkin verkkotaajuusinduktioupokasuunien metallin pyörteily sekoittaa tehokkaasti rikinpoistoaineen sulan joukkoon) edistävät kalsiumkarbidin liukenemista. Koska kalsiumkarbidi on voimakkaasti emäksinen aine, kuluttaa se voimakkaasti hapanta vuorausta varsinkin yli 1450 ºC:een yläpuolella. Induktioupokasuuneilla päästään erittäin alhaisiin rikkipitoisuuksiin, jopa 0,002 0,003 % rikkipitoisuuksiin. Rikinpoisto on tehokkaampaa korkeissa lämpötiloissa: 1400 ºC:ssa on 75 %:nen rikinpoisto mahdollinen ja 1500 ºC:ssa noin 90 %:nen rikinpoisto. Kuitenkin aloittamista yli 1450 ºC:ssa on vältettävä, koska lämpötilan nousua käsittelyn aikana ei voida välttää, sillä yllämainitut reaktiot ovat lämpöäkehittäviä. Tarvittava karbidimäärä voidaan ohjeellisesti arvioida säännöstä, että 1 kg rikkiä vaatii noin 10kg karbidia. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa saavutetaan rikinpoistolla säästöä magnesiumkustannuksissa sekä lisätään osumavarmuutta ja saadaan puhtaampaa rautaa. Kupoliuunien verraten happamat kuonat eivät poista rikkiä. Rikinpoistoon soveltuvat aineet, jotka ovat luonteeltaan emäksisiä, syövyttävät voimakkaasti hapanta vuorausta, eikä sulan rikkipitoisuus sanottavammin alene. Ohjeellisesti voidaan laskea että, panoksessa olevasta rikistä noin puolet jää rautaan ja puolet palaa rikkidioksidiksi ja poistuu uunista savukaasujen mukana. Jos pitoisuutta pitää alentaa esimerkiksi hyvänlaatuisia valurautoja tai pallografiittivalurautaa valmistettaessa, käytetään duplex sulatusta. Siinä varsinainen sulatus tapahtuu kupoliuunissa, minkä jälkeen sula siirretään esimerkiksi induktioupokasuuniin rikinpoistoa ja sulan seostusta varten. Rautametallien sulametallurgia 17

18 Kuva 6. Gazal menetelmä kupoliuuniraudan rikinpoistoon. Emäksisessä kupoliuunissa saadaan rikkipitoisuus pudotettua melko pieneksi, ei kuitenkaan niin pieneksi, että valmiin pallografiittivaluraudan valmistus olisi sillä mahdollista. Rikinpoisto tapahtuu lisäämällä uuniin emäksistä kalsiumkarbidia, joka sitoo rikkiä itseensä eikä reagoi vuorauksen kanssa. Kupoliuuniraudan jatkuvaan rikinpoistoon soveltuu Gazal menetelmä. Siinä sijoitetaan kuonanerotuskourun jatkoksi erityinen rikinpoistoallas. Kalsiumkarbidijauhe tai hiiletykseen tarkoitettu grafiittijauhe johdetaan syöttöputkilla kuonattoman raudan pintaan ennen sen joutumista rikinpoistoaltaaseen. Sekoittuminen tapahtuu altaan pohjassa olevan huokoisen tiilen lävitse puhallettavan reagoimattoman kaasun, esim. typen avulla. Kaasuvirta saa raudan pyörteilemään, jolloin jauhemaiset seosaineet sekoittautuvat siihen tehokkaasti. Tämä ns. Gazal menetelmä on esitetty kuvassa edellä (Kuva 6). Kiepposankoa käytetään valuraudan rikinpoistoon ja myös muiden seosaineiden, kuten hiilipitoisuuden, lisäämiseen. Kiepposankomenetelmässä saadaan raudan pinnalla olevat rikinpoistoaineet painumaan sulaan. Rikinpoisto voidaan suorittaa esimerkiksi kalsiumkarbidin ja hiilettäminen koksimurskan avulla. Sula valurauta kaadetaan kannelliseen tulenkestävällä vuorauksella varustettuun sankoon, joka laitetaan kiertämään tietyn säteistä ympyrää kieputusalustan päällä. Oikealla pyörimisnopeudella muodostuu sulan raudan pinnalle aaltoliike, joka meren rantahyökyjen tapaan murtuu jatkuvasti sekoittaen pinnalla olevat seosaineet sulaan. Karbidin kulutus on tällä menetelmällä hieman pienempi kuin injektiomenetelmällä. Käsittelyaika on noin 2 4 min. Kun käsittely on suoritettu, siirretään sanko nosturin avulla kieputusalustalta ja rauta tyhjennetään kannessa olevan aukon kautta valusenkkaan. Sankojen vetoisuus vaihtelee 1 ja 15 tonnin välillä. Kuva 7. Kiepposanko ja kiepposangon liike Rautametallien sulametallurgia 18

19 Injektiomenetelmässä puhalletaan sekoitettavat aineet hienona jauheena sulan raudan pinnan alle. Puhalluskaasuna käytetään jotakin reagoimatonta kaasua esim. typpeä. Kaasu ja jauhe johdetaan mahdollisimman syvälle sulan pinnan alle grafiittisen injektioputken avulla. Käsittely voidaan suorittaa kupoliuunin etusäiliössä, sähköuunissa tai valusenkassa. Injektiolaitteissa on säiliöt useampaa eri seosainetta varten. Raudan hiilipitoisuus voidaan ensin nostaa toivotulle tasolle esim. grafiittijauheen avulla, minkä jälkeen suoritetaan rikkipitoisuuden alentaminen kalsiumkarbidijauheella ja lopuksi suoritetaan ymppäys siihen sopivalla jauhemaisella aineella. Laitteen toiminta on usein automatisoitu siten, että rautaan puhallettavat ainemäärät voidaan etukäteen annostella sopiviksi. Kuten uunissa tehtävässä rikinpoistossa, on injektiomenetelmässäkin lämpötilan oltava riittävän korkea, mieluiten noin 1550 ºC. 3 4 minuutin käsittelyajoilla ja noin 1,6 %:n karbidilisäyksillä on mahdollista poistaa noin 90 % rikkiä. Käsittelyn aikana sulan lämpötila laskee noin 50 C. Kuva 8. Useita seosaineita annosteleva injektiolaite. Rikkiä voidaan poistaa myös kaasuhuuhtelumenelmällä. Ymppäys Ymppäyksellä tarkoitetaan sopivien seosaineiden lisäämistä rautasulaan edistämään valuraudan jähmettymistä harmaana ja pienirakeisena. Ymppäyksessä lisätään sulaan ytimiä, joihin hiili voi kiteytyä grafiitiksi. Ymppäysaineet tarvitsevat toimiakseen ainakin SiO2:ksi sitoutunutta happea. Jos jäähtyvässä sulassa metallissa ei ole lainkaan kiinteitä alkeishiukkasia kiteytymisytimiä, jäähtyy se alle jähmettymislämpötilansa ennen kuin jähmettymiseen johtava kiteytyminen alkaa. Metallin sanotaan tällöin alijäähtyvän. Näin muodostuva kiderakenne on usein karkea ja metallin lujuuden kannalta epäedullinen. Valuraudoilla on myös taipumus alijäähdyttyään jähmettyä valkoisena. Happamissa induktiouuneissa yli 1500 ºC:een lämpötiloissa tapahtuu ns. upokasreaktio SiO2 + C = Si + 2 CO, joka pelkistää kvartsia ja poistaa raudasta happea, jolloin se köyhtyy kiteytymisytimistä. Ympättävillä raudoilla on siksi varottava pitkäaikaista kuumentamista korkeissa lämpötiloissa. Tämä ilmiö esiintyy usein rautaa sulatettaessa sähköuuneissa. Jäähtymiskäyrässä ymppäys näkyy pienentyneenä alijäähtymisenä, koska helpottunut ydintyminen merkitsee nopeaa sulamislämmön vapautumista. Ympätyn raudan lämpötila pysyttelee näin eutektisen reaktion aikana paremmin eutektisen lämpötilan tuntumassa. Ensisijaisina saavutuksina suomugrafiittivaluraudan ymppäyksestä ovat grafiitin kiteytyminen pienellä alijäähtymisellä A tyyppinä, eutektisen solukoon pienentyminen ja varsinkin alhaisilla hiiliekvivalenteilla pienempi valkoisena jähmettymisen vaara sekä parempi lujuus. Suurehkoilla hiiliekvivalenttiarvoilla (yli 3,9 %) ei lujuuteen juurikaan voida vaikuttaa, mutta valun erivahvuisten osien rakenteet saadaan samankaltaisemmiksi. Ymppäyksen on kuitenkin sovittava ymppäystarpeeseen. Suuria valunpaksuuksia ja ylieutektisia rautoja valettaessa ymppäys saa helposti aikaan turhan karkeaa Rautametallien sulametallurgia 19

20 grafiittirakennetta. Pallografiittivaluraudoilla ymppäys on välttämätön, sillä Mg karbidoi voimakkaasti. Käytännön valimotoiminnassa ymppäys kuuluu tärkeimpiin laadunhallintakeinoihin sekä suomuettä pallografiittivalurautoja valmistettaessa. Ymppäys katsotaan välttämättömäksi kun: valetaan alhaisen CE:n (lujia) rautalaatuja valetaan pallografiittivalurautoja (Mg käsittelyn jälkeen) käytetään sähköuunia käytetään pitkiä kuumanapitoaikoja (ymppäys mahdollistaa myös halvempien raaka aineiden käytön ja laajentaa yhden perussulan käyttöaluetta eri valutarkoituksiin.) Yleisin ymppäysaine on 75 %:n FeSi, jonka raekoko valamiseen käytettävästä rautamäärästä riippuen on 1 6mm. Puhtaan ferropiin ymppäysvaikutus on heikko. Sen ymppäystehoa voidaan parantaa pelkistävillä aineilla (Al, Ca, Ba, Zr, Ce jne), jotka hapettuvat oksideiksi sekä muodostavat karbideja, jotka toimivat ymppäysytiminä. Oksidit taas katalysoivat varsinaisten kiteytymisytimien syntymistä. Ca ja Al lisäyksen yhteinen pitoisuus on tavallisesti alle 2 %. Kalsiumpiitä (CaSi) käytetään myös ymppäysaineena noin 30 % seoksena. Kalsiumpii on tehokkaampi alieutektisten valurautojen ymppäyksessä ja FeSi ylieutektisten valurautojen ymppäyksessä. Vaikka ymppäysprosessin onnistuminen edellyttää, että raudassa on tietty määrä happea, on ymppäysaineiden teho suurin ymppäyksen tapahtuessa pinnan alaisena, jolloin ilman happi ei pääse vaikuttamaan itse ymppäysaineeseen. Tehokkaimpia ymppäystapoja ovat tämän johdosta injektioja muottiymppäysmenetelmät. (Ymppäysmenetelmiä käsitellään seuraavalla sivulla.) Ymppäysmenetelmät Käytössä ja saatavilla on suuret määrät eri ymppäysaineita ja menetelmiä. Yhdessä valutapahtuman kanssa ne määrittävät ymppäysvaikutuksen, jonka on sitten oltava sopusoinnussa ymppäystarpeen ja halutun rakenteen kanssa. Ymppäysaineet jaotellaan ns. grafitoiviin ja (perliittiä) stabiloiviin niiden oheisvaikutusten perusteella. Aine voidaan lisätä jauheena (valusuihkumenetelmä) tai lankana (lankaymppäysmenetelmä) muottiin kaadettavaan sulaan tai sitten aine sijoitetaan jauheena tai pelletteinä muottiin (muottiymppäys). Ymppäysvaikutus vaimenee nopeasti, joten usein ympätään kahdessa erässä. Perusymppäys suoritetaan tavallisesti laskettaessa rautaa uunista valusenkkaan, jolloin ymppäysaine kaadetaan tasaisena virtana valusuihkuun ja rakeet sekoittautuvat raudan pinnan alle tai ymppäysaine lisätään senkan pohjalle. Jos ymppäystä joudutaan tekemään usein, on edullista käyttää automaattista annostelijaa (Kuva 10). Laite sopii käytettäväksi esim. kaadettaessa rautaa induktiouunista valusenkkaan. Automaattisella annostelijalla saadaan tasaisempi tulos kuin käsin kaadettaessa. Ymppäysaine voidaan myös injektoida joko uuniin tai valusenkkaan. Senkkaymppäyksessä lisätään ferropiitä noin 0,3 % sulan määrästä. Koska perusymppäyksen vaikutus vaimenee ajan mukana, olisi valu suoritettava 5 10min. kuluttua ymppäyksestä. Usein joudutaankin tekemään hieman ennen valamista elvytysymppäys, jossa ymppäysainetta lisätään valusuihkuun tai muotin pohjalle (Kuva 9 ja Kuva 10). Elvytysymppäyksessä tarvittava ferropiin määrä on noin 0,1 % sulamäärästä. Elvytysymppäys voidaan toteuttaa joko kaatamalla aine käsin valusuihkuun tai käyttämällä automaattista annostelijaa, joiden avulla ymppäysaine saadaan syötettyä tasaisena virtana valusuihkuun. Sauvaymppäyksessä (Kuva 10) kiinnitetään ymppäysaineesta valmistettu sauva valusenkkaan kiinni siten, että sauvan ohi virtaava sula liuottaa ainetta mukaansa. Ymppäys voidaan suorittaa myös muotissa. Tällöin sijoitetaan ymppäysaine valukanavistoon siten, että virtaava rauta liuottaa aineen mukaansa. Rautametallien sulametallurgia 20