Sulatto valimoprosessin osana

Transkriptio

1 Sulatto valimoprosessin osana Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Pentti Toivonen, Teknillinen korkeakoulu Kilpailukykyinen, korkealaatuinen valu on kustannustehokas sekä metallurgisilta ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan optimoitu ja tasalaatuinen. Sulatto pyrkii hyödyntämään edullisimpia mahdollisia raaka aineita, mutta silti tuottamaan parasta mahdollista sulaa. Valuraudan tai teräksen valu voi kuitenkin epäonnistua monessa vaiheessa. Erityisesti sulatus panostuksineen ja sulankäsittelyineen muodostaa valukappaleen tuotannon erään kriittisimmistä vaiheista. Jos sulatus epäonnistuu, tämän aiheuttamia valuvikoja on vaikea ja yleensä mahdotontakin korjata jälkikäteen. Tällöin valos on susi ja kaikki siihen panostettu jatkotuotanto ja jalostus on mennyt hukkaan. Sulatusprosessin optimointi ja sulaperäisten valuvikojen välttäminen on myös taloudellisesti merkittävää. Oikean ja tasaisen sulan laadun saavuttaminen edellyttää sulaton henkilöstöltä korkeaa ammattitaitoa ja huolellisuutta. Raaka aineet Valuraudan ja valuteräksen raaka ainekanta muodostuu metallisista raaka aineista, seosaineista, metallurgista lisäaineista ja metallurgista apuaineista. Metallisia raaka aineita ovat harkkoraudat, valurautaromu ja teräsromu. Seosaineet koostuvat erilaisista runsasprosenttisista ferroseoksista tai teknisesti puhtaista aineista. Metallurgisia lisäaineita ovat hiiletys, ymppäys ja palloutusaineet. Metallurgisia apuaineita ovat mm. kalkkikivi, kalkki, fluorisälpä, sooda ja kalsiumkarbonaatti. Valuraudan sulatuksessa on harkkorauta aikaisemmin ollut tärkein raaka aine. Metallurgisten menetelmien kehittymisen johdosta ovat romun käyttömahdollisuudet lisääntyneet. Toisaalta on kuitenkin todettava myös harkkoraudan aseman selvä vahvistuminen laatuvaatimuksellisten valuseosten, erityisesti pallografiittivaluraudan valmistuksessa. Tämä aiheutuu siitä, että rautametallien romukierto on entistä pahemmin häiriytynyt seosmetallien lisääntyvän käytön johdosta ja muitakin epäpuhtautena seuraavia alkuaineita on yhä vaikeampi välttää. Valuteräksen valmistuksessa on teräsromu perinteisesti ollut tärkein raaka aine. Valuterästen laatuvalikoima edellyttää tiettyjen ohjeanalyysien varsin tarkkaa noudattamista. Valuraudat sen sijaan jaetaan lujuus ja kovuusluokkiin. Valimoille on annettu vapaus peruskoostumuksen valinnassa mm. siksi, että valimot käyttävät erilaisia raaka aineita ja sulanvalmistusmenetelmiä. Halutut ohjeanalyysit toteutetaan usein pääraaka aineiden ja niiden käyttösuhteen valinnalla, mutta tavallista on myös, että turvaudutaan runsaspitoisiin seostusaineisiin tietyn alkuaineen lisäämiseksi koostumukseen. Jotkut alkuaineet voidaan lisätä teknisesti puhtaina kuten hiili grafiittina ja kupari ja nikkeli metalleina, kun taas monet lisätään runsasprosenttisina ferroseoksina. Useiden alkuaineiden, esimerkiksi kromin ja mangaanin, valmistus puhtaana on kallista. Toinen syy rautaseosten käyttöön on niiden helppoliukoisuus sulaan rautaan tai teräkseen. Lisäksi kevyet seosmetallit kuten Mg, Si, B ja Al on helpompi seostaa raskaampina ferroseoksina. Teräsromun käyttö valuraudan raaka aineena on yleistynyt. Sulatuksen yhteydessä on siihen liuotettava hiiltä, niin että saavutetaan valuraudalle ominainen haluttu hiilipitoisuuden taso. Sulatuksen tapahtuessa kupoliuunissa liukenee tarvittava hiili polttoaineena käytettävästä koksista. Sähköuunisulatuksessa lisätään panokseen tai sulaan rautaan tai teräkseen hiiletystä varten grafiittia, koksia tai muuta hiilirikasta tuotetta. Sulatto valimoprosessin osana 1

2 Ymppäysaineet ovat tehoaineita, joiden avulla määrällisesti pienillä lisäyksillä saadaan aikaan ajallisesti rajoitettu vaikutus sulan metallin jähmettymistapahtuman kulkuun. Tuloksena on edullisempi kiderakenne ja paremmat ominaisuudet. Muutos koostumuksessa on yleensä vähäinen. 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. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja raaka aineita (kts. allaoleva esimerkki), jotta palloutumista ehkäiseviä aineita ei tulisi panoksen mukana rautaan. Esimerkiksi induktiouuneissa sulatettavan valuraudan panoskoostumus riippuu valmistettavan valuraudan tyypistä: 1. Suomugrafiittivalurauta GJL: 40 60% teräsromua 20 30% harkkorautaa 10 40% kiertoromua (voi olla sekalaista) 2. Pallografiittivalurauta GJS: 20 40% matalan Mn pitoisuuden teräsromua 20 50% SG harkkoa 20 40% kiertoromua (koostumukseltaan tunnettua) Panoslaskenta ja panostus Sulatuspanoksen suunnittelun ja laskemisen vaiheita ovat: ohjekoostumuksen tai lujuus tai kovuusluokan määrittely panoksen yleissuunnittelu ja ainesosien valinta sekä ainesosien keskinäisen suhteen laskeminen. Standardit voivat määrittää valmistettavan seoksen ohjekoostumuksen sallittuine poikkeamineen. Näin on esimerkiksi seostettujen terästen ja runsaasti seostettujen valurautojen suhteen. Seostamattomat teräkset ja valuraudat on luokiteltu lujuusvaatimusten perusteella ja koostumus on jätetty valimon harkintaan lukuunottamatta teräksissä haitallisten epäpuhtauksien kuten fosforin ja rikin enimmäispitoisuuksia, jotka on määritelty. Standardi SFS EN 1561 jättää seostamattomien ja niukkaseosteisten suomugrafiittivalurautojen valmistusmenetelmän ja kemiallisen koostumuksen valmistajan valittavaksi. Sen sijaan suomugrafiittivaluraudan murtolujuuden tai kovuuden on oltava standardin mukaisia. Standardi SFS EN 1563 esittää, että pallografiittivaluraudan valmistusmenetelmä ja sen kemiallinen koostumus sekä mahdollinen lämpökäsittely on valmistajan valittavissa, ellei toisin ole sovittu ostajan kanssa. Pallografiittivaluraudat jaetaan mekaanisten ominaisuuksien ja kovuuden perusteella luokkiin. Standardin SFS EN 1564 mukaan ADI rautojen valmistusmenetelmä, sen kemiallinen koostumus ja lämpökäsittely on valmistajan valittavissa, ellei ostaja ole niitä määritellyt. ADI raudat jaetaan mekaanisten ominaisuuksien perusteella luokkiin. Samanlainen jako on tehty myös adusoiduille valuraudoille. Standardin SFS EN mukaan kulutusta kestävät valkoiset valuraudat luokitellaan edellisistä poiketen kemiallisen koostumuksen ja kovuuden perusteella. Ellei toisin ole sovittu, on valmistusmenetelmä valimon valittavissa. Runsaasti seostetuille valurautalaaduille on määritel Sulatto valimoprosessin osana 2

3 ty kemialliset koostumukset (kuten esimerkiksi standardiehdotuksessa pren ʺAusteniittiset valuraudatʺ). Kun ohjekoostumus tai lujuus tai kovuusluokka on selvillä, voidaan suorittaa yleissuunnittelu ja ainesosien valinta. Tässä vaiheessa vaikuttavat asiaan käytettävissä oleva sulatuskalusto sekä sen ja sulatusmenetelmän käytettäville raaka aineille asettamat vaatimukset ja raaka aineiden hintasuhteet. Kustannusnäkökohtien takia on pyrittävä halpojen raaka aineiden käyttöön, mutta sulatuskalusto ja menetelmä voivat rajoittaa esimerkiksi pienimittaisen romun kuten lastujen tai ohutlevyjätteiden käyttöä, taikka halvat raaka aineet sisältävät epäpuhtauksia, joita käytettävissä olevin keinoin ei voi tai kannata poistaa. Useiden seosten hinnat vaihtelevat läsnäolevien pitoisuuksien mukaan. Niukkahiiliset ferroseokset ovat huomattavasti kalliimpia kuin runsashiiliset, eikä niitä tule käyttää silloin, kun valmistettavan seoksen ohjekoostumus sallii runsashiilisen laadun käyttämisen. Yleissuunnitteluun sisältyvänä voi pitää vielä mm. kiertoromun osuuden määrittelyä. Tasaisen sulatustuloksen saamiseksi ja valvonnan yksinkertaistamiseksi pyritään sen käyttö säännöstelemään siten, ettei panoksiin sisältyvän kiertoromun määrässä esiintyisi jyrkkiä vaihtelua. Panoksen ainesosien keskinäisten määräsuhteiden laskemisessa ohjekoostumusta vastaavan sulatustuloksen saamiseksi on otettava huomioon arvioidut tai kokemusperäisesti tunnetut sulatusuunille ja menetelmälle ominaiset eri alkuaineiden häviöt tai lisääntymiset sulatuksen aikana. Niiden suuruus riippuu myös lisättävän alkuaineen pitoisuudesta valmistettavassa seoksessa sekä myös lisäykseen käytettävässä esiseoksessa, ja lisäyksen suoritustavasta. Mainittujen pitoisuuksien ollessa korkeammat ovat häviöt tavallisesti suuremmat. Panostusalueelle järjestetään tavallisesti vaa an välittömään läheisyyteen ns. päivävarastot kaikille panostettaville raaka aineille. Panoksen kaikki komponentit on tarkoin punnittava, jos sulan koostumus halutaan pitää tasaisena ja lasketun mukaisena. Uunien panostuksen apuna voidaan erilaisia laitteita. Nosturit näyttävät yleensä suoraan siinä olevan romun painon. Romua voidaan siirtää mm. magneettinosturin avulla. Panostettaessa panostusastian avulla käytetään mm. pohjan kautta tyhjennettäviä panostuskoreja. Myös kipattavia panostusastioita käytetään yleisesti, vaikka ne panostavatkin uunin toislaitaisesti ja voivat siten aiheuttaa sulatushäiriöitä. Magneettinosturilla tai ei magneettisten materiaalien (kuten rosterien) tapauksessa materiaalia nostetaan ʺkourillaʺ panostuskoreihin. Koreissa uuniin voidaan panostaa myös harkkorauta ja koksi. Panostuskorin pohjalla olevat teräsliuskat sidotaan yhteen ohuella teräslangalla, joka palaa kuuman uunin päällä pudottaen romun uuniin. Korin aukaisemiseen voidaan myös käyttää alhaalta vaijerilla laukaistavaa sokkaa. Panoksen laskentaesimerkki Panosten laskennassa käytetään tavallisesti apuna lomaketta, jolloin laskutulokset merkitään. Ainesosien laskemisessa edetään suunnitelmallisessa järjestyksessä. Ensin merkitään ennakolta ratkaistut ainesosat kuten kiertoromu ja lasketaan niitä vastaavat alkuaineiden osapitoisuudet panoksessa. Seuraavana järjestyksessä tulevat ainesosat ja esiseokset, joiden mukana tulee jokin ohjeanalyysiin sisältyvä alkuaine kokonaisuudessaan, jos sellaisia on. Niiden tarvittava määrä on helposti laskettavissa ohjekoostumuksessa olevan lisättävän alkuaineen perusteella. Vielä puuttuvan painon jakamisessa jäljellä olevien ainesosien kesken voidaan usein jo joutua kokeilemaan erilaisilla suhteilla. Kokeiltaessa on tavallisesti ohjetta saatavissa saman seoksen valmistuksessa aikaisemmin käytetyistä panoksista. Tarvittaessa useammalla suhteella kokeillen lasketaan eri ainesosien mukana panokseen tulevat eri alkuaineiden osapitoisuudet, kunnes niiden summat riittävällä tarkkuudella vastaavat ohjeanalyysin arvoja. Tapauksissa, joissa sulatuksen loppuvaiheessa suoritetaan etuanalyysi ja poikkeamien korjaus, otetaan laskennassa huomioon todennäköistä hajontaa vastaava korjausvara jättämällä ko. alkuaineiden pitoisuus panoksessa hieman alle ohjearvojen. Seuraavassa taulukossa on panoksen laskentaesimerkki kylmäilmakupoliuunille sylinterirautaa varten. Sulatto valimoprosessin osana 3

4 Taulukko 1. min. +0,25% Panoksen laskentaesimerkki kylmäilmakupoliuunille sylinterirautaa varten. Ohjekoostumus %: C 3,30; Si 1,45; Mn 0,80; P 0,35; S max. 0, 12; CE 4,0; Mn/S tase Raaka aine Nimike Koostumus % Osuus panoksessa % Lasketut osapitoisuudet % C Si Mn P S C Si Mn P S Harkkorauta P 2,0 4,00 2,00 0,75 0,70 0,03 30,0 1,20 0,60 0,23 0,21 0,009 Teräsromu 2,70* 0,20 0,50 0,04 0,04 29,5 0,80 0,06 0,15 0,01 0,012 Kiertoromu 3,30 1,45 0,80 0,35 0,10 40,0 1,32 0,58 0,32 0,14 0,040 Ferromangaani 75 % 75,0 0,3 0,23 Ferropii 75 % 75,0 0,2 0,15 100,0 3,32 1,39 0,93 0,36 0,061 Muutos 10 % 0,14 Muutos 15 % 0,14 Muutos +70% +0,043 + ymppäys 0,4 % ferropiitä (FeSi 75) saannin ollessa 75 % +0,21 3,32 1,46 0,79 0,36 0,104 * näennäinen, hiiletykseen perustuva kokemusperäinen laskenta arvo. Sulatto valimoprosessin osana 4

5 Uunit Induktiouuneissa voidaan sulattaa kaikkia metalleja. Niiden sulatus perustuu upokkaan ympärillä olevassa induktiokelassa kulkevaan keski tai matalataajuuksiseen vaihtovirtaan ja sen sulatettavaan metalliin indusoimiin pyörrevirtoihin. Induktiouunit jaetaan kahteen pääryhmään: induktioupokasuuneihin ja induktiokouru uuneihin. Induktiokouru uuneja käytetään kuparin ja kevytmetallien sulatukseen sekä valuraudan kuumanapitoon. Induktiouunit ovat nykyisin yleisin suomalaisissa valimoissa käytetty uunityyppi. Valurautojen laatuvaatimusten kohoaminen ja induktiouunien tekninen kehitys sekä kupoliuunien aiheuttamat pölypäästöt ovat lisänneet induktiouunien määrää suhteessa kupoliuuneihin. Induktiouunit saavat sulatusenergiansa kokonaan sähköstä, joten sulatukseen ei tarvita fossiilista polttoainetta. Induktiouuneja käytetään paitsi sulatukseen myös metallien kuumanapitoon. Kuva 1. Induktiokouru ja induktioupokasuuni Valokaariuuneissa sulatus tapahtuu grafiittielektrodin ja sulatettavan panoksen välillä palavan valokaaren avulla. Valokaariuuneja käytetään etupäässä teräksen sulatukseen. Valokaariuunit ovat olleet eniten käytettyjä sähkösulatusuuneja. 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. Kuva 2. Valokaariuuni. 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. Sulatto valimoprosessin osana 5

6 Kupoliuunien aiheuttamat pölypäästöt ovat valimoiden aiheuttamista ympäristöhaitoista merkittävimmät. Kupoliuuneja on aikaisemmin käytetty paljon valurautojen sulatusuuneina, mutta viime vuosina on yhä enemmän ryhdytty käyttämään induktiouuneja. Kupoliuunien syrjäytymiseen on vaikuttanut niiden ympäristöhaittojen lisäksi sulatettavan raudan metallurgiaan liittyvät vaikeudet, tuotannon ohjaukselliset ongelmat (jatkuva sulatus) ja lisäksi sähkö on Suomessa halpaa verrattuna esimerkiksi Saksaan. Kupoliuuneja on Suomessa käytössä enää muutama kappale ja nekin suhteellisen pienissä valimoissa. Käytännössä induktiouunit ovat syrjäyttäneet ne. Vaikka kupoliuunien käyttö onkin vähentynyt Suomessa, valmistetaan maailman valurautatuotannosta kuitenkin yli 60 % kupoliuuneilla. Eri uunityyppejä käsitellään laajemmin kappaleessa ʺSulaton laitteistotʺ. Valuraudan sulatus Valumetallien sulatusmenettely riippuu sulatettavasta metallista, käytettävistä raaka aineista sekä käytössä olevasta uunityypistä. Sulatus alkaa sulatuspanoksen valmistamisella; käytettävistä raakaaineista kootaan määrältään sopiva ja koostumukseltaan lähellä haluttua sulan metallin koostumusta oleva uuniin sopiva panos. Kun sula on saatu muodostetuksi, voidaan siitä ottaa näyte, analysoida se ja korjata sulan koostumus halutuksi lisäämällä seosaineita sulaan, sillä sulatusuunista saatu metalli ei läheskään aina sellaisenaan johda haluttuihin valujen ominaisuuksiin. Tapauksesta riippuen ovat tarpeen tietyt sulankäsittelytoimenpiteet. Näin voidaan sulan ja siitä syntyvän valumetallin laatua parantaa. Käsittelyt riippuvat metallityypistä ja halutuista vaikutuksista. 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. Induktiouuneista keskitaajuusuuneja käytetään valurautojen sulatuksissa. Verkkotaajuusuunit soveltuvat hyvin valurautojen kuumanapitoon. 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. 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. Valuraudan sulankäsittelyt Sulatusuunista saatu metalli ei läheskään aina sellaisenaan johda haluttuihin valujen ominaisuuksiin. Tapauksesta riippuen ovat tarpeen tietyt sulankäsittelytoimet kuten: Tiettyjen seosaineiden lisääminen ja analyysin tarkennus. Valuraudan hiilipitoisuus on korkea, yleensä 2,4 4,0 %, ja se on noin kertainen teräksen hiilipitoisuuteen verrattuna. Usein valuraudan valmistukseen käytetään runsaasti teräsromua sen halvan hinnan vuoksi, jolloin valmiin valuraudan hiilipitoisuus jää vähäiseksi, ellei sulaan lisätä hiiltä. Hiilipitoisuus nostetaan toivotulle tasolle käyttämällä sopivia hiiletysaineita kuten grafiittia, Sulatto valimoprosessin osana 6

7 petrolikoksia, koksia tai muuta hiilirikasta tuotetta. Pii on hiilen jälkeen valuraudan tärkein seosaine, koska se aiheuttaa grafiitin erottumisen. Jos piitä ei valuraudassa olisi, jähmettyisi se valkoisena valurautana. Induktiouuneissa käytetään piipitoisuuden nostamiseen ferropiitä. Hiiletys pitää suorittaa ennen piin lisäystä, koska piin läsnäolo hidastaa hiilen liukenevuutta. Ei toivottujen seos tai oheisaineiden vähentäminen. 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 pyritään vähentämään. Tavallisesti valuraudan rikkipitoisuus on 0,1 0,12 %. Pallografiittivaluraudassa sen pitää olla huomattavasti pienempi, noin kymmenesosa edellisestä eli 0,01 %. Kiderakenteeseen vaikuttaminen. 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. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja raaka aineita, jotta palloutumista ehkäiseviä aineita ei tulisi panoksen mukana rautaan. Rae tai solukoon pienentäminen. 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. 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. Teräksen sulatus Induktiouuneissa ei voida käyttää kuonareaktioita hyväksi kuten valokaariuunissa. Induktioupokasuunisulatus onkin luonteeltaan ensisijaisesti uudelleensulatusta, tästä syystä sulatettavan romun analyysiin ja puhtauteen on kiinnitettävä suurta huomiota. Keskitaajuusinduktiouuneja käytetään teräsvalimoissa yleisesti 1 10 tonnin panoskoolla terästen sulattamiseen. 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. Hiilen poisto on mahdollista vain rajoitetusti varovaisella malmimellotuksella. Induktiouunin sulatusprosessi on hyvin yksinkertainen verrattuna valokaariuuniprosessiin. Panostukseen on käytettävä analyysiltään tunnettua romua, joka on lähellä valmistettavaa laatua. Valokaariuunit soveltuvat valuterästen sulatuksiin, kun sulatuksen paino on vähintään 10 tonnia. Valokaariuunin etuna induktiouuniin verrattuna on mahdollisuus suorittaa hiilenpoisto happimel Sulatto valimoprosessin osana 7

8 lotuksella. Suuremman kuonan reaktiopinnan ja kuuman kuonan avulla saada tehokkaampi rikinja fosforinpoisto. Kaksikuonamenetelmässä sulatuksen alkuvaiheessa kuona on luonteeltaan hapettava ja loppuvaiheessa pelkistävä. Jos sulan fosfori ja rikkipitoisuudet ovat pienet, voidaan sulatus suorittaa myös yhdellä kuonalla. Toisaalta rikinpoisto ja seostus voidaan suorittaa senkkakäsittelyn yhteydessä, jolloin vain teräksen sulatus ja mellotus tehdään valokaariuunissa. Valuterästen konvertterikäsittelyt Valuterästen valmistaminen on enenevässä määrin johtamassa siihen, että sulatusuuneissa tehdään vain sulatus ja mahdollinen mellotus ja fosforin poisto. Kun sulatusuunit toimivat vain sulatuskoneina voidaan niiden tuottavuutta nostaa. Mellotusta, pelkistystä, rikin poistoa sekä analyysin täsmennystä varten sula teräs siirretään kuljetussenkalla konvertteriin. Sulan teräksen hiilipitoisuus ennen mellotusta voi olla varsin korkea, jopa 3%. Seosteräksiä valmistettaessa on siten mahdollista käyttää halpoja runsashiilisiä ferroseoksia. AOD (Argon Oxygen Decarburization) ja VODC (Vacuum Oxygen Decarburization Converter) konverttereita käytetään sulatuksen jälkeen runsaasti seostetuttujen terästen käsittelyyn perinteisen mellotuksen (= happipuhallus, jolla sulan hiilipitoisuutta alennetaan), raffinoinnin (= poistuu haitallisia epäpuhtauksia) ja deoksidoinnin eli pelkistyksen eli tiivistämisen (= alentaa teräksen happipitoisuutta) asemesta. AOD tai VODC konvertterissa sulan sulkeumien määrää, kaasu ja epäpuhtauspitoisuuksia sekä seosainehukkaa voidaan pienentää. Menetelmillä päästään myös pienempään hiilipitoisuuteen kuin perinteisellä mellotuksella. Kuva 3. Vasemmalla VODC ja oikealla AOD konvertteri. AOD konvertterimenetelmässä sulaan teräkseen puhalletaan hapen ja argonin seosta halutuissa seossuhteissa. Käsittely AOD konvertterissa tapahtuu useassa vaiheessa, jolloin hapen ja argonin seossuhdetta muutetaan vaiheittain käsittelyn edetessä. AOD konvertteria käytetään erittäin paljon ruostumattomien terästen valmistukseen. VODC konvertterissa käytetään lisäksi tyhjöä. Aluksi mellotushappi puhalletaan joko vapaasti ilmassa tai tyhjökannen läpi alipaineiseen konvertteriin. VODC konvertterissa argonia käytetään ainoastaan pieniä määriä. Sen tarkoitus on sekoittaa sulaa terästä. Seuraavissa käsittelyvaiheissa käsittely jatkuu tyhjökäsittelynä ilman happea. Inertillä kaasulla (argon tai typpi) ja paineen alentamisella on sama vaikutus prosessin kulkuun konvertterissa. Sulatto valimoprosessin osana 8

9 Valuterästen senkkakäsittelyt Valuterästen valmistaminen on enenevässä määrin johtamassa siihen, että sulatusuuneissa tehdään vain sulatus ja mahdollinen mellotus ja fosforin poisto. Kun sulatusuunit toimivat vain sulatuskoneina voidaan niiden tuottavuutta nostaa. Mellotusta, pelkistystä, rikin poistoa sekä analyysin täsmennystä varten sula teräs siirretään kuljetussenkalla konvertteriin. Metallurgisia toimenpiteitä voidaan tehdä myös senkkakäsittelyiden yhteydessä. Kaasuhuuhtelu suoritetaan puhaltamalla argonia tai typpeä valusenkassa sulaan teräkseen erityisen tulenkestävillä tiilillä suojatun teräsputken eli lanssin avulla tai senkan pohjassa olevan huokoisen huuhtelutiilen kautta. Molemmat periaatteet on esitetty viereisessä kuvassa. Kuva 4. Teräksen kaasuhuuhtelulaitteisto. Kaasuhuuhtelulla saavutettavia etuja ovat mm. lämpötilan ja analyysin homogenisointi sekä kuonasulkeumien poistuminen teräksestä kuonaan. Kaasuhuuhtelua voidaan käyttää myös rikin poistoon. Yhdellä hapettavalla kuonalla valmistettu teräs on kaadettava valusenkkaan niin, että kuona jää uuniin tai hapettava kuona on kaavittava pois senkasta. Rikkipitoisuutta voidaan näin alentaa %. Kaasuhuuhtelulla ei teräksen vety tai typpipitoisuuksia voida laskea. Jos huuhtelu suoritetaan liian suurilla virtausnopeuksilla niin, että kuonapeite rikkoontuu, voivat teräksen kaasupitoisuudet jopa nousta. Kuva 5. Senkkainjektionti. Senkkainjektoinnin tarkoituksena on parantaa teräksen lujuusominaisuuksia, ehkäistä kuumarepeämien ja kapillaarihuokosten syntymistä sekä parantaa teräksen juoksevuutta, muovattavuutta, työstettävyyttä ja hitsattavuutta. Näihin päämääriin päästään: 1)pienentämällä teräksen rikki ja happipitoisuuksia, 2)vähentämällä teräkseen jäävien sulkeumien määrää sekä muuttamalla niiden koostumusta ja jakaumaa. Sulatto valimoprosessin osana 9

10 Teräksen injektointikäsittely tapahtuu valusenkassa puhaltamalla kantajakaasun, tavallisesti argonin avulla hienorakeista CaSi jauhetta. CaSi voidaan lisätä valusenkkaan myös onton teräslangan sisällä olevana jauheena langansyöttölaitteen avulla. Syöttö teräskuorisena kalsiumpii tai kalsiumjauhetta sisältävänä lankana on nykyään eniten käytetty lisäystapa. Langansyötön etuina lanssiinjektioon verrattuna ilmoitetaan muun muassa pienemmät investointikustannukset, vähäisempi sulan sekoitus ja jäähtyminen sekä helpompi käyttö. Sopivan lisäystavan lisäksi kalsiumin saantoa parantaa senkan pintakuona. Koska kalsium reagoi voimakkaasti hapen kanssa, on käsiteltävän teräksen oltava hyvin tiivistettyä ja senkkakuonan pelkistävää (FeO ja MnO yhteismäärän on oltava alle 1 %). Senkan vuorauksen on oltava korkealuokkaista mieluiten emäksistä materiaalia. Vaikka CaSi käsittelyllä alun perin on pyritty vain rikin poistoon, käytetään sitä nykyään lähes yksinomaan sulkeumien modifiointiin ja kuonapuhtauden parantamiseen. Kalsiumilla pystytään vaikuttamaan ratkaisevasti sekä oksidi että suldifisulkeumien haittavaikutuksiin. Injektointiprosessin aikana saadaan suuri osa sulkeumista kohoamaan pintakuonaan, jolloin teräksen kokonaissulkeumamäärä vähenee. Toisaalta kalsium vaikuttaa teräkseen jäävien sulkeumien koostumukseen ja muotoon. Oikealla tiivistystavalla ja CaSi lisäyksellä voidaan estää ns. II tyypin sulfidien syntyminen, jotka kiteytyvät kalvomaisina raerajoille ja aiheuttavat kuumahaurautta. Näytteenotto Valukappaletta tilattaessa on sovittava sille halutusta laadusta (mm. lujuus, kovuus, sitkeys, sallitut viat sekä hyväksymisrajan ylittävien vikojen korjaus) ja laadun varmistamiseksi suoritettavista tarkastuksista. Mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi valetaan yleensä kappaleen yhteyteen koesauva aihiot, jotka työstetään koesauvoiksi ja testataan haluttujen mekaanisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Valumateriaalin analysointi halutun koostumuksen varmistamiseksi suoritetaan nykyisin useimmiten optisen emissiospektrometrin avulla. Kuva 6. Sulanäytettä tuodaan valulinjalta. Sulatto valimoprosessin osana 10

11 Kuva 7. Ylhäällä: Näytekappaleen hiekkamuotti mikrorakennetarkastusta varten. Oikealla: Näytteet valetaan. Kuva 8. Vasemmalla: Vasemmalla puolella analysointinäytteen kokillimuotti, oikealla mikrorakennenäytteen hiekkamuotti. Oikealla: Vastavalettu näyte valualueella. Kuva 9. Vastavaletut näytteet. Sulatto valimoprosessin osana 11

12 Kuva 10. varastoidaan. Vasemmalla: Vastavalettu näyte Oikealla: Systemaattisesti otetut näytteet tutkitaan ja Mekaanisten ominaisuuksien testaaminen Vetokokeet Valumetallien mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi suoritettavista kokeista tärkein on vetokoe, jolla tutkitaan jännityksen ja venymän välistä riippuvuutta. Vetokokeella määritetään mm. murtolujuus ja myötöraja. Vetokokeet tehdään standardin SFS EN mukaisesti. Kokeessa tutkittavasta materiaalista valmistettuun sauvaan kohdistetaan voima, jonka suuruutta lisätään aina sauvan katkeamiseen asti. Vetovoiman ja sauvan pituuden kasvun muutoksia mitataan kokeen kuluessa samanaikaisesti. Vetokokeen tulokset esitetään jännitysvenymäpiirroksena. Josta esimerkkinä kuvassa 3 on tyypillisen sitkeän teräksen jännitysvenymäpiirros. Useiden materiaalien jännitysvenymäpiirroksen alussa on lineaarinen osa (kuvassa 3 OA), jossa jännitys on suoraanverrannollinen venymään kaavan =Ee mukaisesti. Tällä kimmoisella alueella (kimmokerroin on E) venymä on täysin palautuva eli elastinen, kun jännitys poistetaan. Jos jännitys kasvaa em. alueen rajaa suuremmaksi, venymä ei täysin palaudu vaikka jännitys poistetaan vaan sauvaan jää pysyvä eli plastinen venymä. Kuva 11. Teräksen jännitysvenymäpiirros. Sulatto valimoprosessin osana 12

13 Lineaarisen osan päättymisen jälkeen venymä alkaa kasvaa voimakkaammin (väli AB). Sitä jännitysvenymäpiirrustuksen jännityksen arvoa, jossa käyrän nousu pysähtyy sanotaan myötörajaksi. Välillä BC käyrässä on myötöalue eli täysin plastinen alue, jolla venymä kasvaa, vaikka jännitys pysyy muuttumattomana tai jopa laskee. Myötöalueelta erotetaan jännityksen suurin ja pienin arvo, joita kutsutaan vastaavasti nimillä ylempi myötöraja ReH ja alempi myötöraja ReL. Myötöalueen jälkeen jännitystä täytyy taas suurentaa (vaikkakin huomattavasti vähemmän kuin ennen myötöaluetta), jotta venymä kasvaisi. Pisteessä D jännitys saavuttaa maksimiarvonsa, jota kutsutaan murtolujuudeksi Rm. Jos venymää edelleen kasvatetaan, alkaa kuroutuminen (=venyminen keskittyy pienelle alueelle sauvassa) ja lopulta sauva murtuu. Materiaaleja, jotka käyttäytyvät edellä kuvatulla tavalla, kutsutaan sitkeiksi. Sitkeille materiaaleille on tunnusomaista voimakas venyminen ennen murtumista. Materiaaleja, joilla tällaista venymistä ei esiinny, kutsutaan hauraiksi. Ne murtuvat jo pienillä venymän arvoilla. Josta esimerkkinä kuvassa 5 on tyypillinen hauraan materiaalin jännitysvenymäpiirros. Myötörajaa vastaavaksi arvoksi otetaan näissä tapauksissa venymisrajaa Rp 0,2 eli 0,2-rajaa. Kaikilla sitkeilläkään materiaaleilla ei ole selvästi erottuvaa myötörajaa. Myös tällöin myötörajan sijasta käytetään 0,2 rajaa, joka ilmoittaa arvon, jolla on syntynyt pysyvä 0,2% venymä. Kuva 12. Hauraan materiaalin jännitysvenymäpiirros. Kovuuskokeet Kovuusmittauksissa mittakärjellä painetaan jälki tutkittavaan materiaaliin. Mitä pienempi jälki sitä kovempi materiaali. Eri menetelmissä käytetään erimuotoisia ja kokoisia mittakärkiä. Brinell kovuuskoe on määritelty standardissa SFS EN Kokeessa painetaan mitattavan kappaleen pintaan kovametalli tai karkaistu teräspallo tietyllä kuormituksella. Kuormituksen jälkeen mitataan syntyneen painuman halkaisija kahdessa kohtisuorassa suunnassa ja lasketaan niiden keskiarvo, jonka avulla kovuus saadaan taulukoista. Kun kokeessa käytetään karkaistua teräskuulaa merkitään kovuutta HBS ja kovametallikuulalla merkintänä on HBW. Brinellkovuuskoetta käytetään pehmeän teräksen ja valuraudan kovuusmittauksissa. Rockwell C kovuuskokeessa painimena on timanttikartio. Kokeessa mitataan painimen tunkeumasyvyys, joka määrää kovuuden. Rockwell kovuusmittareista saadaan kovuus kalibroidulta asteikolta ilman optisia mittauksia, toisin kuin Brinell mittauksissa. Rockwell B kokeessa painimena on karkaistu teräspallo. Rockwell C koetta käytetään koville karkaistuille teräksille ja Rockwell B koetta pehmeimmille materiaaleille. Vastaavia kovuuksia merkitään HRC ja HRB. Vickers kovuuskokeissa käytetään painimena timanttipyramidia. Kuorman poiston jälkeen mitataan painuman lävistäjät, jonka jälkeen kovuus saadaan taulukoista lävistäjien keskiarvon perusteella. Kovuus merkitään lukuarvona HV tunnuksen eteen. Kuormitus kilopondeina on merkittävä HV tunnuksen jälkeen. Vickersin kovuuskoe soveltuu kaikkien metallien kovuusmittauksiin. Sitä käytetään erityisesti kovien pintakarkaistujen metallien kovuusmittauksiin. Iskusitkeyskokeet Metallien käyttäytymistä iskumaisessa kuormituksessa tutkitaan iskusitkeyskokeissa. Yleisimmin käytetään ns. Charpyn heilurivasaraa, jonka asteikolta saadaan vasaran nousun perusteella luettua suoraan standardisauvan katkaisemiseen tarvittava energia. Suomessa on standardoitu Charpy Usauva ja Charpy V sauva. Vastaavat iskusitkeydet ilmoitetaan tunnuksilla KU ja KV. Iskusitkeys ilmoitetaan jouleina J. Sulatto valimoprosessin osana 13

14 Jos iskusitkeyskokeita tehdään eri lämpötiloissa, saadaan oheisen kuvan mukainen käyrä, jossa voidaan erottaa kolme lämpötilasta riippuvaa aluetta: Ylä alue: Korkeissa lämpötiloissa iskusitkeysarvot ovat parhaat ja lämpötilasta riippumattomia. Murtumaa edeltää aina selvä plastinen muodonmuutos 1. Murtopinta on hienorakeinen ja samettimainen. Murtumatyyppiä sanotaan sitkeämurtumaksi. Välialue eli siirtymäalue (transitioalue): Tällä alueella iskusitkeys laskee jyrkästi lämpötilan alentuessa. Murtuma on sekamurtuma, jossa on sekä ylä että ala alueen piirteitä. Siirtymäalueen puolivälissä on ns. transitiolämpötila Ttr. Ala alue: Käyrä kulkee lähes vaakasuoraan ja iskusitkeysarvot ovat hyvin pieniä. Murtuma tapahtuu ns. haurasmurtumana (lohkomurtuma) rakeiden läpi. Sille on tunnusomaista plastisen muodonmuutoksen puuttuminen ja karkea murtopinta. Kuva 13. Teräksen iskusitkeys lämpötilakäyrä. Metallit, joissa on siirtymävyöhyke ja jotka ovat taipuvaisia haurasmurtumaan 2 ovat hilarakenteeltaan tilakeskisiä tai heksagonisia. Hitsattavien terästen laatuluokitus määritetään transitiolämpötilan perusteella. Iskusitkeyskokeilla saadaan esille myös vanheneminen ja päästöhauraus. Murtuminen voidaan jakaa kahteen eri tapaukseen: sitkeä murtuminen hauras murtuminen. Kun rakennetta kuormitetaan, sen käyttäytymiseen vaikuttavat oleellisimmin rakennemateriaali, ympäristötekijät (mm. lämpötila), jännitystila (kaksi tai kolmiaksiaalinen), kuormituksen laatu (staattinen/dynaaminen) ja mahdolliset vanhenemisilmiöt. Murtumaa voidaan usein käsitellä kaksivaiheisena tapahtumana: 1 Plastinen deformaatio: Kun kiteeseen vaikuttaa ulkoinen voima, tapahtuu siinä muodonmuutos eli deformaatio. Kun muodonmuutos on puhtaasti elastinen eli palautuva, häviää se niin pian kuin sen aiheuttanut voima poistuu. Kun materiaalia kuormitetaan yli elastisen eli palautuvan muodonmuutoksen rajan, alkaa tapahtua plastista eli pysyvää muodonmuutosta, joka ei peruudu voiman poistuessa. Muodonmuutos tapahtuu useimmiten dislokaatioiden välityksellä. Yksi dislokaatio aiheuttaa yhden atomivälin suuruisen muodonmuutoksen, joten plastisessa muodonmuutoksessa liikkuu suuri määrä dislokaatioita. Kylmämuokkaus lisää dislokaatiotiheyttä muodostaen ns. dislokaatiometsää ja dislokaatiosolmuja, jotka estävät niiden liikkeen ja lujittavat metallia. 2 Murtuminen Sulatto valimoprosessin osana 14

15 särön ydintyminen särön kasvu. Materiaalista ja kuormituksesta riippuen murtumista voi edeltää merkittävä plastinen muodonmuutos. Tällöin kyseessä on sitkeä murtuminen. Mikäli murtumalle on oleellista hyvin pieni tai havaitsematon plastinen muodonmuutos (ʺei varoita etukäteenʺ), on kyseessä hauras murtuma. Sitkeäksi luokitellullakin materiaalilla on taipumus käyttäytyä hauraasti matalissa lämpötiloissa (Transitiolämpötilan yläpuolella metalli käyttäytyy sitkeällä tavalla ja alapuolella valtaosalta hauraalla tavalla.) ja iskumaisilla kuormituksilla. Myöskin erilaiset lovivaikutukset edesauttavat haurasmurtumatapahtumaa. Hauras murtuma on selvästi vaarallisempi vaurioilmiö kuin sitkeä murtuma. Hauraista murtumista rajuin on lohkomurtuma, jonka etenemisnopeus voi olla tuhansia metrejä sekunnissa. Murtumissitkeyskokeet Murtumissitkeyttä merkitään KIC ja se on vain aineesta riippuva suure, johon rakenteen mitat eivät vaikuta. Se on näin ollen tärkeä tekijä rakenteiden ainevalinnoissa. Sitä voidaan käyttää erilaisten rakenteiden haurasmurtuman arvioinnissa. Vakion mittaaminen on esitetty ASTM:n standardeissa ja se perustuu koekappaleisiin väsyttämällä tehdyn särön laajenemismittauksiin. Vakion mittaaminen vaatii monimutkaiset laitteet ja siksi sitä käytetään vain erityisen kalliiden ja vaativien kohteiden suunnittelussa. Väsytyskokeet Kun metalli joutuu toistuvan vaihto tai tykytysrasituksen alaiseksi se voi murtua, vaikka yhden jännitysjakson aikainen maksimijännitys on huomattavasti vetokokeessa määrättyä murtolujuutta pienempi. Tällaista murtumaa sanotaan väsymismurtumaksi. Arvioiden mukaan 90 % kaikista vaurioitumisista johtuu väsymisestä. Väsymismurtumassa ei esiinny plastista muodonmuutosta, joka varoittaisi murtumasta etukäteen, kuten vetokokeessa. Metalleissa on paikallisia jännityshuippuja, epäpuhtaussulkeumia, erkaumia ja hilavikoja, joista väsymismurtuma voi saada alkunsa. Teräskonstruktioissa väsymismurtuma alkaa usein terävistä kulmista ja nurkista. Oikeilla konstruktiomuutoksilla voidaan väsymismurtumataipumusta vähentää. Väsymislujuutta voidaan parantaa myös kappaleen pintaan kohdistuvilla puristusjännityksillä, joita voidaan kehittää hiekkapuhalluksella ja pintakarkaisumenetelmillä. Väsymismurtumalle voivat tyypillisesti joutua alttiiksi jouset ja voimansiirtoakselit sekä iskumaiselle rasitukselle kohdistuvat työkalut esim. takomuotit ja tyssäystyökalut. Tyypillinen väsymismurtuma on esitetty seuraavassa kuvassa 7. Kuvassa voidaan havaita särön alkamiskohta eli lähde, josta murtuma etenee aaltomaisesti kappaleen poikki. Väsymismurtuma on pinnaltaan hienorakeinen ja sileä. Murtumassa voi usein erottaa aaltomaisia viivoja, joissa kohdissa murtuman eteneminen on pysähtynyt hetkellisesti. Kun murtuma on edennyt niin pitkälle ettei metalli enää pysty ylläpitämään rasituskuormaa, lopullinen murtuminen tapahtuu nopeasti yhdellä kertaa, mikä näkyy jäännösmurtuma alueena. Murtumapintojen suhteesta voidaan päätellä, onko osan nimellisjännitys ollut suuri vai pieni. Jännitys on ollut suuri, jos jäännösmurtuma alue on suuri verrattuna väsymismurtuma alueeseen. Väsytyskokeet on standardisoitu SFS 3039 standardissa. Kuva 14. Väsymismurtuma. Sulatto valimoprosessin osana 15

16 Virumiskokeet Virumiseksi kutsutaan ilmiötä, jossa metalli ajan myötä alkaa venyä myötörajaa pienemmillä vetojännityksillä. Lyijy venyy jo huoneenlämpötilassa, mutta teräkset taas normaalisti vasta yli 500 C:een lämpötiloissa. Viruminen tapahtuu oheisen kuvan mukaisesti. Viruminen on sitä nopeampaa, mitä suurempi on jännitys ja mitä korkeampi lämpötila on. Aluksi tapahtuu kimmoinen muodonmuutos A B. Sen jälkeen virumistapahtuma voidaan jakaa kolmeen eri vaiheeseen: Ohimenevä eli primäärinen vaihe, jossa välillä B C muodonmuutosnopeus pienenee kohti vakioarvoa. Vakaantuneessa eli sekundäärisessä vaiheessa C D virumisnopeus säilyy lähes vakiona. Viimeisessä eli tertiäärisessa vaiheessa D E virumisnopeus kasvaa ja viruminen johtaa lopulta aineen murtumiseen. Virumiskokeet ovat hyvin pitkäaikaisia, h. Koesauvaa pidetään uunissa, jossa sen venymää ja kuormitusta voidaan jatkuvasti seurata. Kokeissa määrätään ns. virumisraja, jolla tarkoitetaan tietyn sekundäärivaiheen virumisnopeuden saavuttamista esim. 0,1 % / 1000 h, tietyllä jännityksellä esim. 100 N/mm 2 / 550 ºC. Korkeissa lämpötiloissa toimivien laitteiden suunnittelussa, kuten turbiinien siivissä, on otettava huomioon virumisvara ja määriteltävä vaihtoaika. Kuva 15. Virumiskäyrä. Kulutuskokeet Metallien kuluminen voi tapahtua useilla eri mekanismeilla, joihin vaikuttavat metallien ominaisuuksien lisäksi kuluttavan pinnan ominaisuudet ja toimintaolosuhteet. Sallittu kuluminen on eri kohteissa hyvin erilainen. Tiehöylän terissä tai murskaimissa sallitaan suurempi kuluminen kuin esim. liukupinnoissa tai takomuoteissa, joissa pienikin kuluminen voi aiheuttaa toimintahäiriöitä tai virheitä valmiin kappaleen mittoihin. Yleisimmät kulumismekanismit ovat adhesiivinen eli tartuntakuluminen, johon usein liittyy kappaleiden yhteen hitsautumista kitkalämmön vaikutuksesta ja abrasiivinen eli hiontakuluminen. Kuluminen voi olla myös näiden molempien mekanismien yhteisvaikutuksesta johtuvaa. Tyypillistä abrasiivista kulumista on esim lietepumpuissa, murskaimissa ja tiehöylien terissä. Kulutuskokeita voidaan tehdä ns. tappikulutuskokeissa, jotka on määritelty standardissa ASTM G99. Siinä koekappaleita painetaan pyörivää laikkaa vasten ja se on alunperin suunniteltu adhesiivisen kulumisen tutkimiseen. Abrasiivista kulumista tutkitaan usein laitteella, jossa hiekalla kulutetaan pyörivällä laikalla olevia koekappaleita. Yleensä teräksen kulumiskestävyys on parhaimmillaan, kun kovaan martensiittiseen matriisiin on seostettu kulumista kestäviä kovia karbideja. Sulatto valimoprosessin osana 16

17 Valu Sula metalli kuljetetaan sulatusuuneilta valupaikalle kuljetus tai valusenkoilla. Kuljetus voi tapahtua joko trukilla, riippuradalla tai siltanosturilla. Jos valettavat kappaleet ovat suuria, valu tapahtuu suoraan kuljetussenkasta. Pieniä kappaleita valettaessa voidaan metalli kaataa kuljetussenkasta erilliseen valusenkkaan. Yksittäistuotannossa muottien valu tehdään valualueella joko käsikupilla tai kahden miehen kannettavalla valusenkalla (pienet valut) tai siltanosturista riippuvalla, käsin kallistettavalla valusenkalla (isot valut). Valu tapahtuu käsin usein myös kokilli ja kuorimuottivalussa. Automaattikaavauslinjalla valetaan muotit yleisimmin kattokiskon varassa liikkuvalla osittain automatisoidulla valulaitteella. Myös täysin automaattisia valu uuneja käytetään mm. pullakaavaus (Disamatic) linjoilla. Kallistettavalla valusenkalla valettaessa on kuonan pääsy valukappaleeseen estettävä tehokkaalla senkan kuonauksella. Kuonauksen helpottamiseksi lisätään usein sulan pinnalle erilaisia kuonaa sitovia aineita. Lisäksi valujärjestelmään päässyt kuona erotellaan mm. kuonaloukkujen, kanaviston suunnittelun ja suodattimien avulla. Teräsvalussa käytetään yleisimmin pohjasta tyhjennettäviä valusenkkoja. Niitä käytettäessä kuona ei pääse metallin mukana muottiin ja toisaalta valutapahtuma on huomattavasti rauhallisempi nokkasenkkaan verrattuna. Valusenkan sulan lämpötila mitataan ennen valun alkamista. Yleisimmin lämpötilan mittaamiseen käytetään uppopyrometreja. Menetelmässä sulaan metalliin upotetaan lämpösähköpari eli termoelementti, joka muodostuu kahta eri metallia olevasta langasta. Lankojen liitoskohtaan syntyy heikko jännite ero, joka on suoraan verrannollinen sulan lämpötilaan. Valun yhteydessä valetaan yleensä myös valun laadun tarkastamiseksi tarvittavia näytteitä. Näytteiden avulla voidaan tarkastella (rikkovasti) valumateriaalin ominaisuuksia tai esim. kemiallista koostumusta (analyysi). Valutapahtuman yhteydessä voidaan vielä tehdä erilaisia sulankäsittelyjä. Valuraudalla on yleistä tehdä ns. elvytysymppäys joko jauheella tai langalla valusuihkuun tai käyttää ns. muottiymppäystä, jossa ymppäysaine sijaitsee valukanavistossa. Teräsvalussa herkimmin hapettuvat seosaineet, kuten titaani, lisätään vasta valusenkkaan. Teräsvalussa myös sulan loppupelkistys tehdään senkkaan esim. alumiinilla tai kalsiumpiimangaanilla. Ei rautametalleilla on tärkeää poistaa sulassa olevat kaasut erilaisilla kaasunhuuhtelumenetelmillä. Käytettäessä ns. avosyöttökupuja, pitää niiden tehon lisäämiseksi valun jälkeen kuvut peittää lämpöä eristävillä aineilla. Isoilla muoteilla ja valukappaleilla on erittäin tärkeää, että muotti tyhjennetään vasta riittävän jäähtymisajan jälkeen. Tämän vuoksi valetun muotin valupäivä ja kellonaika on merkittävä muotin kylkeen. Valutapahtuman yhteydessä mitataan muotin täyttymisaikaa ja myös muottiin valetun metallin määrä kirjataan ylös. Näitä tietoja tarvitaan mm. valujärjestelmän optimoinnissa seuraavia valukertoja silmälläpitäen. Senkat Sula metalli kuljetetaan sulatusuuneilta valupaikalle kuljetus ja valusenkoilla. Kuljetus voi tapahtua joko trukilla, riippuradalla tai siltanosturilla. Jos valettavat kappaleet ovat suuria, valu tapahtuu suoraan kuljetussenkasta. Pieniä kappaleita valettaessa voidaan metalli kaataa kuljetussenkasta erilliseen valusenkkaan. Yksittäistuotannossa muottien valu tehdään valualueella joko käsikupilla tai kahden miehen kannettavalla valusenkalla (pienet valut) tai siltanosturista riippuvalla, käsin kallistettavalla valusenkalla (isot valut). Sulatto valimoprosessin osana 17

18 Kuva 16. Iso senkka Senkkojen muodon perusteella ne voidaan jakaa kolmeen ryhmään nokka ja teekannusenkkoihin, pohjavalusenkkoihin ja rumpusenkkoihin. Nokkasenkat ovat yleisin senkkatyyppi. Nokkasenkat ovat halpoja, helppoja käyttää ja ne ovat heti valmiita uudelleenkäytettäviksi. Ne ovat sopivia myös pienten metallimäärien valamiseen. Näiden senkkojen haittapuolena ovat melko suuret lämpöhäviöt, siirrossa ja kaadossa syntyvät emissiot ja kuonasulkeumien syntymismahdollisuus. Tällaisilla kallistettavilla valusenkoilla valettaessa on kuonan pääsy valukappaleeseen estettävä tehokkaalla senkan kuonauksella. Kuonauksen helpottamiseksi lisätään usein sulan pinnalle erilaisia kuonaa sitovia aineita. Lisäksi valujärjestelmään päässyt kuona erotellaan mm. kuonaloukkujen, kanaviston suunnittelun ja suodattimien avulla. Teekannusenkkaa voidaan pitää modifikaationa nokkasenkasta. Teekannusenkat on varustettu pitkällä lähes senkan pohjaan asti ulottuvalla nokalla (=putkella), jotta metallin pinnalla kelluva kuona ei pääsisi muottiin. Teräsvalussa käytetään yleisimmin pohjasta tyhjennettäviä valusenkkoja. Pohjavalusenkkoja käytettäessä kuona ei pääse metallin mukana muottiin (koska kuona metallia kevyempänä nousee pintaan). Pohjavalusenkoilla sula metalli kaadetaan muottiin sen pohjassa olevan reikä eli suutiilen kautta. Suutiili suljetaan stopparilla, jota voidaan nostaa ja laskea vivulla. Pohjavalusenkkojen haittoja ovat suuret huoltokustannukset, senkkakierto on pitkä, sillä suutiili ja stoppari on vaihdettava joka käyttökerran jälkeen. Kuva 17. Senkka Senkkojen vuorauksilta vaaditaan mm. riittävää tulenkestävyyttä, matalaa lämmönjohtokykyä, hyvää kemiallista kestävyyttä kuonaa ja metallisulaa vastaan sekä hyvää hankauskestävyyttä, sillä eroosion seurauksena irtoavat partikkelit ovat potentiaalinen sulkeumien lähde. Uusi vuoraus on kuivattava huolellisesti kosteuden poistamiseksi, koska vesi voi toimia vedyn lähteenä ja lisäksi vesi aiheuttaa räjähdysvaaran joutuessaan kosketuksiin sulan metallin kanssa. Ennen käyttöä vuoraus peitostetaan huolella. Valusenkat ja astiat on myös aina huolellisesti kuivattava ennen käyttöön ottoa. Pienet senkat voidaan kuivata kuivausuunissa. Isot senkat kuivataan tavallisesti öljy tai Sulatto valimoprosessin osana 18

19 kaasupolttimilla. Lisäksi riittävä senkan esikuumennus vähentää sulan metallin ylikuumennustarvetta ja kompensoi lämpöhäviöitä. Tulenkestävät aineet Uunit ja senkat, joissa vallitsee korkea lämpötila ja joissa metalliset rakenteet eivät pelkästään kestä näissä olosuhteissa, vuorataan tulenkestävillä keraamisilla materiaaleilla. Näitä ovat mm. erilaiset tiilet ja massat. Kuitenkin kaikkein korkeimmissa käyttölämpötiloissa parhaidenkin aineiden käyttöaika on rajoitettu. Käytön jatkuvuuden ylläpitämiseksi on suoritettava huoltoa. Tulenkestäviä aineita valittaessa pitää ottaa huomioon muitakin seikkoja kuin korkea tulenkestävyys. Esimerkiksi mekaaninen lujuus, jota vaaditaan esim. valokaariuunin vuoraukselta, joka on romunpanostuksen vuoksi altis vaurioille, sekä pienet mittamuutokset lämpötilan vaihdellessa. Vuorauksiin kohdistuvia rasituksia ovat mm.: Kemialliset: vuorausmateriaalin ja sulan kuonan väliset reaktiot, vuorausmateriaalin ja sulan metallin väliset reaktiot ja vuorausmateriaalin ja atmosfäärin väliset reaktiot. (Tulenkestävän vuorausmateriaalin ja kuonan/sulan metallin reagointitavat: vuorausmateriaali liukenee kuonaan/sulaan metalliin, sula metalli/kuona tunkeutuu vuorauksen huokosiin sekä vuorauksen kasvaminen sulasta tapahtuvan erkautumisen seurauksena.) Termiset: korkea lämpötila, lämpölaajentuminen, kutistuminen sekä viruminen, lämpötilan vaihtelut (lämmitys ja jäähdytys) ja sulan metallin tunkeutuminen vuorausmateriaaliin. Mekaaniset: staattinen ja dynaaminen kuormitus ja metallin kuluttava vaikutus (eroosio). Alkuaineiden oksidit voidaan jakaa kemiallisen käyttäytymisensä perusteella luonteeltaan happamiin, emäksisiin ja neutraaleihin oksideihin. Luonteenomaisin hapan oksidi on piidioksidi SiO2, joka esiintyy luonnossa kvartsina. Emäksisiä oksideja ovat useimmat metallioksidit, kuten natriumin, kaliumin, kalsiumin ja magnesiumin oksidit. Happamien ja emäksisten oksidien välillä on neutraalien oksidien ryhmä. Kun hapan ja emäksinen oksidi joutuvat korkeassa lämpötilassa keskenään kosketukseen, muodostavat ne yhdisteitä, joiden sulamispiste on alempi kuin näiden oksidien. Sulatuksessa muodostettu kuona voi olla myös hapan tai emäksinen. Jos emäksinen kuona joutuu kosketukseen happamen, SiO2:ta sisältävän vuorauksen kanssa, tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa vuoraus syöpyy voimakkaasti. Metallurgisiin menetelmiin, joissa esiintyy hapan kuona, on siksi valittava myös hapan vuoraus, sekä vastaavasti emäksistä kuonaa varten emäksinen vuoraus. Tulenkestäviä aineita käytetään eri muodoissa, kuten tiilinä ja massoina. Tiilien muuraukseen käytetään tulenkestäviä laasteja ja sementtejä. Tulenkestävän muurauksen laastikerros on pyrittävä saamaan mahdollisimman ohueksi. Lisäksi vuoraukseen on suunniteltava paisuntasaumoja. Erityisesti uunien kattorakenteissa ja valusenkoissa on siirrytty käyttämään tiilien sijaan tulenkestäviä massoja. Massaus voidaan suorittaa valamalla, sullomalla tai ruiskuttamalla. Etuina tiiliin nähden ovat massojen halpuus, saumojen puuttuminen (saumat ovat yleensä vuorauksen heikoin kohta), vuorattavan kohteen muoto voi olla monimutkainen sekä korjausten yksinkertaisuus. Tulenkestävät massat koostuvat runkoaineesta, sideaineesta ja lisäaineista. Runkoaine on massojen perusosa. Se koostuu useammasta eri raekoosta. Sideaineiden avulla massat pysyvät koossa. Sideaineet ovat massojen heikoin lenkki, sillä ne eivät kestä yhtä korkeita lämpötiloja kuin runkoaineet. Lisäksi eri sideainetyyppien kestävyydessä huoneenlämpötilassa ja korkeissa lämpötiloissa on eroja. Lisäaineilla haetaan massoille erilaisia ominaisuuksia, kuten parempaa kuonankestoa. Sulatto valimoprosessin osana 19

20 Taulukko 2. Taulukko: Tulenkestävien aineiden ominaisuuksista. Aine Kemiallinen koostumus Pehmenemisen alkulämpötila ( C) Kuonankestävyys Muuta Shamotti (hapan) SiO % Al2O % C:ssa riippuu koostumuksesta Shamottitiilet eivät ole yhtä herkkiä lämpötilan vaihteluille kuin silikatiilet. Mitä suurempi Al2O3 pitoisuus sitä parempi tulenkestävyys. Kvartsi (Silika) (hapan) SiO2 95 % yli 1600 (sulaa 1700) 1500 C:ssa hyvä happamilla kuonilla Kuumennettava erittäin hitaasti 600 C:een. Tapahtuu suuri tilavuuden muutos 573 C:ssa Piikarbidi (hapan) SiC % (hajoaa 2200) 1100 C:ssa hyvä happamien rautaköyhien kuonien suhteen Piikarbidi voi liueta sulaan valurautaan tai teräkseen. Kromiitti (neutraali) Cr2O3 yli 40 % 1450 (sulaa 2180) Hyvä rautaoksidirikkaiden kuonien suhteen Aloksi (neutraali) Al2O3 > 45 % Magnesiitti (emäksinen) MgO % Fe2O % * (sulaa 2800) 1100 C:ssa erittäin hyvä emäksisillä kuonilla * = Puhtaiden magnesiittitiilien pehmeneminen alkaa vasta yli 1750 C:ssa Dolomiitti (emäksinen) CaCO3*MgCO3 Tulenkestävät valmisteet ovat tavallisesti aineseoksia. Niillä ei siksi ole sulamispistettä vaan sulamisalue. Sulamista edeltää pehmeneminen, jolloin niiden kyky kantaa kuormitusta pienenee asteittain. Sulatto valimoprosessin osana 20