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

21 Kuva 9. Vasemmalla: Ymppäysmenetelmiä.Oikealla: Ymppäys käsin valusuihkuun. Kuva 10. Vasemmalla: Automaattinen annostelija. Oikealla: Sauvaymppäys. Kuva 11. Erilaisia muottiymppäystapoja: 1. ymppäysaine kaatokanavan pohjalla 2. nappiymppäys 3. siiviläkeernaymppäys. Rautametallien sulametallurgia 21

22 Kuva 12. Ymppäysnappi kaatokanavan pohjalla. Pallouttaminen Pallografiittivaluraudoissa pyritään grafiitti kiteyttämään pallomaisen muotoon, jolloin raudalle saadaan paremmat lujuusominaisuudet, suurempi vetolujuus ja parempi sitkeys. Korkealaatuisilla pallografiittivaluraudoilla lujuusominaisuudet ovat jopa valuterästä vastaavia. Pallomainen grafiitti rikkoo vähemmän raudan sisäistä rakennetta kuin suomumainen, joten kuormitetussa valukappaleessa pääsevät voimaviivat suorempaa tietä sen lävitse. 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. Kupoliuuniraudasta ei voida valmistaa pallografiittivalurautaa, ellei sille suoriteta rikinpoistoa uunin ulkopuolella, esimerkiksi induktiouunissa. Pallografiittivaluraudan valmistuksessa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja raakaaineita, 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. Palloutumista edistäviä aineita taas ovat kaupallisesti merkittävimmät Mg ja Ca sekä näiden lisäksi Ce, Sr ja Ba. Palloutumista edistäville aineille on yhteistä suuri affiniteetti happeen ja rikkiin. Siten sekä rikki että happi estävät grafiitin palloutumista. Magnesium muodostaa rikin kanssa MgS, joka poistuu kuonan mukana. Mitä enemmän raudassa on rikkiä, sitä enemmän kallista magnesiumia kuluu. Mg pitoisuuden sulassa palloutettavassa raudassa pitäisi olla noin 0,05 %. Liian suuret magnesium pitoisuudet haittaavat palloutumista ja liian pienet pitoisuudet johtavat virheellisiin grafiittirakenteisiin. Koska magnesiumin tiheys on vain 1,7 kg/dm 3, on kehitetty raskaampia ja hitaammin liukenevia NiMg, CuMg ja FeSiMg seoksia, jotka saadaan helpommin upotettua sulaan. Ni ja Cu seosten käyttöä haittaavat niiden kalleuden lisäksi näiden aineiden perlitoiva vaikutus, joten niitä ei voida käyttää pyrittäessä ferriittiseen rakenteeseen. Yleisimmin käytetty seosaine on ferropiimagnesium, joka sisältää keskimäärin 5 % Mg, 45 % Si, 0,3 % Ca ja lisäksi Ce tai muita harvinaisia maametalleja yhteensä noin 0,3 %. 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. Rautametallien sulametallurgia 22

23 Palloutusmenetelmät 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. Kuva 13. Sandwichmenetelmä. Palloutusaineen lisäämistä avonaiseen valusenkkaan käytetään yleisesti menetelmän yksinkertaisuuden vuoksi. Käyttöön liittyy kuitenkin voimakas MgO kaasujen muodostus, kirkas valoilmiö ja huono saantoprosentti. Avosenkkamenetelmistä yleisin on sandwichmenetelmä (Kuva 13). Siinä palloutusaine asetetaan valusenkan pohjalle ja peitetään ohuilla teräslevyn palasilla, jotta palaminen hidastuisi. Ideaalisessa tapauksessa magnesiumin liukeneminen alkaisi vasta kun valusenkka on täyttynyt. Valusenkan pohjalla voi olla syvennys magnesiumia varten tai matala kynnys, joka erottaa osan johon valusuihku osuu osasta johon magnesium on laitettu. Sandwich menetelmää käytetään myös erillisissä korkeissa käsittelysenkoissa, joiden korkeuden suhde leveyteen on ohjeellisesti 2 : 1 ja joista rauta kaadetaan pallouttamisen jälkeen varsinaiseen valusenkkaan. Tämän menetelmän haittana ovat suuret lämpötilahäviöt. Upotinmenetelmässä (Kuva 14) puhdas magnesium tai magnesiumseos upotetaan nopeasti sulan raudan pinnan alle tulenkestävällä vuorauksella varustetun upottimen avulla. Upottimen yläpuolella oleva painava kansi sulkee valusenkan niin, että kiivaan reaktion aiheuttamat räiskeet eivät lennä ympäristöön. Valusenkka siirretään käsittelyn ajaksi imulaitteella varustettuun kaappiin, jolloin syntyvät runsaat MgO kaasut eivät pääse leviämään työpaikalle. Grafiitin pallouttamisaine voidaan lisätä sulaan rautaan myös kiepposangolla tai injektiomenetelmällä. Pulverimaisen magnesiumin lisäys injektiomenetelmällä vaatii voimakkaamman höyryn muodostuksen ja sulan kiertoliikkeen johdosta suuremman sulakorkeuden kuin esim. upotusmenetelmät. Kuva 14. Upotinmenetelmä. Rautametallien sulametallurgia 23

24 Tehokkain magnesiumin seostustapa on konvertterimenetelmä, jossa magnesiumseos laitetaan vaaka asennossa olevan konvertterin pohjalle. Kun konvertteri täytetään valuraudalla ja nostetaan pystyasentoon, saadaan noin 2 metriä korkea sula nopeasti magnesiumin päälle. Pallouttamiskonverttereilla magnesiumin saanti voi olla yli 50 %, kun sandwich menetelmillä se on noin 40 %. Laitteiden kalleuden, lisenssimaksujen sekä jatkuvan sarjavalmistuksen vuoksi on menetelmä sopiva vain keskinkertaista suuremmalle tuotannolle. Kuva 15. Vasemmalla: Konvertteri. Oikealla: Konvertteri esikuumennuksessa. Kuva 16. Konvertteri Rautametallien sulametallurgia 24

25 Kuva 17. Konvertteri viedään kuumanapitouunille, josta sula kaadetaan siihen Kuva 18. Sulan kaato konvertteriin Kuva 19. Konvertteri suljetaan kannella Rautametallien sulametallurgia 25

26 Kuva 20. Sula kaadetaan valusenkkaan Kuva 21. Sula kaadetaan valusenkkaan Tundish kammiosenkkamenetelmän laitteiston muodostaa joko käsin tai koneellisesti kallistettava senkka, jonka alaosa on väliseinällä jaettu kahteen lokeroon. Senkka on suljettu teräslevystä hitsatulla ja tulenkestävällä materiaalilla vuoratulla kannella, jonka pohjassa on kaksi reikää. Ennen käsittelyä pudotetaan reiän 1 kautta palloutusaine senkan pohjalle omaan lokeroonsa. Reikä suljetaan metallitapin avulla. Käsiteltävä rauta kaadetaan senkkaan reiän 2 kautta siten, että se ei suoraan osu palloutusaineeseen. Reaktiot tapahtuvat tällöin rauhallisesti ja kun happea on hyvin rajoitetusti läsnä, jää MgO huurun muodostus vähäiseksi eikä se pääse leviämään ympäristöön. Reaktioiden loputtua tyhjennetään käsittelysenkka kallistamalla reiän 2 kautta valusenkkaan ja suoritetaan samalla ymppäys. Menetelmän muita etuja ovat vähäinen kuonanmuodostus. Lisäksi Rautametallien sulametallurgia 26

27 lämpötilahäviöt ovat C pienemmät kuin avosenkkamenetelmissä. Palloutusaineeksi sopii parhaiten 3 10 % magnesiumia sisältävä FeSiMg seos. Mg:n saantoprosentti on parempi kuin Sandwich menetelmässä. Grafiitin palloutus voidaan tehdä myös lisäämällä magnesiumlankaa käsittelysenkkaan. Langansyöttömenetelmä mahdollistaa pallografiittivaluraudan valmistamisen myös kupoliuuniraudasta. Kuitenkin mitä suurempi rikkipitoisuus raudalla on ennen käsittelyä, sitä enemmän magnesiumia kuluu (= tulee kustannuksia) ja muodostuu kuonaa. Kupoliuuniraudan rikkipitoisuuden tulisikin siksi olla alle 0,08 %. Lankana voidaan käyttää joko puhdasta magnesiumia tai erilaisia magnesiumin seoksia. Käsittelysenkan ideaalinen koko on vähintään 2:1 (korkeuden suhde halkaisijaan). Korkeassa senkassa magnesiumilla on pidempi aika reagoida sulan kanssa ennen kuin se on noussut sulan pinnan. Raudan syvyyden tulisi olla mielellään vähintään 1m. Pienempi pinta johtaa pienempiin lämpötilan häviöihin ja pienempään magnesiumin hapettumiseen MgO:ksi sulan pinnalla. Määrällisenä miniminä voidaan pitää n. 500 kg. Yleisesti voidaan sanoa, että rautamäärän kasvaessa (n. 10 t asti) magnesiumin saanto paranee olettaen, ettei lämpötila kasva. Kuten kaikissa palloutusmenetelmissä, lämpötilan noustessa magnesiumin saanto huononee. Yleisesti kaatolämpötila määrää käsittelylämpötilan. Langansyöttömenetelmän eräs eduista on, ettei lämpötila vähene kuin n. 50 C käsittelyn aikana. Käsittely kestää joitakin minuutteja riippuen langansyöttönopeudesta ja käsiteltävästä rautamäärästä. Menetelmän muita etuja ovat mahdollisuus käsitellä vaihtelevia rikkipitoisuuksia sisältäviä rautasulia, vaihtelevia sulamääriä ja vaihtelevan lämpöisiä sulia. Kuva 22. Langansyöttömenetelmä. Valuteräksen sulatus Induktiouuneissa ei voida käyttää kuonareaktioita hyväksi kuten valokaariuunissa, koska verkkotaajuusuunit aiheuttavat sulaan metalliin voimakkaan pyörteilyn, jolloin metalli ei ole yhtenäisen suojaavan kuonakerroksen peitossa. Keskitaajuusuuneissakaan, joissa kuona pysyy sulaa suojaavana kerroksena, ei kuonareaktioita voida käyttää hyväksi, koska kuonan pinta on pieni ja kylmä. 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 vuorauk Rautametallien sulametallurgia 27

28 silla 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, käsittäen vain uunin panostuksen, sulattamisen, seostamisen ja kaadon sekä loppuseostuksen ja tiivistyksen. Panostukseen on käytettävä analyysiltään tunnettua romua, joka on lähellä valmistettavaa laatua. Panokseen sisällytettävän romun määrää voivat rajoittaa metallurgiset mahdollisuudet mm. kaasuliukoisuuden välttämiseksi. Romun määrä on yleensä enintään 60 %. 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. Kuva 23. Valokaariuuni Yleisesti käytetyissä emäksisissä valokaariuuneissa käytetään kaksikuonamenetelmää, jossa 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 joten nykyaikaisessa teräksen valmistuksessa ollaan sikälikin siirtymässä yhden kuonan käyttöön. Valokaariuunisulatus voidaan jakaa toisiaan seuraaviin osittain limittäisiin jaksoihin: panostus, sulatus, mellotus, kuonan pelkistys sekä seostus, kaato, valusenkkalisäykset ja valu. 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. Happimellotus voidaan aloittaa kun osa romua on vielä sulamatta ja sulan lämpötila on vielä alhainen noin 1500 ºC. Kuonan emäksisyyden, jota merkitään B = CaO/SiO2 on kuitenkin tällöin oltava riittävän suuri noin 3 (kuona on hapanta, jos B=1 2). Malmimellotusta ei saisi aloittaa ennenkuin sulan lämpötila on vähintään 1550 ºC. Hapettava kuona muodostetaan sulan pinnalle lisäämällä panokseen pääasiassa poltettua kalkkia noin 3 %. Mellotusvaiheen aikana on hapettavan kuonan tärkeimpiä tehtäviä fosforin poisto. Fosforinpoistoa edistää kuonan emäksisyys ja kuonan suuri FeO pitoisuus (Hapettavan kuonan FeO pitoisuus on tavallisesti %. Emäksisyyden tulisi olla vähintään 2,5.) Mellotuksessa teräksen hiilipitoisuus alennetaan jonkin verran lopullisen tavoiteanalyysin alapuolelle. Hiilipitoisuus nimittäin nousee myöhemmin, jos pelkistysvaiheessa käytetään hiiltä pelkistykseen. Samoin käy lisättäessä runsaasti hiiltä sisältäviä seosaineita seostusvaiheessa. Jotta riittävä mellotustapahtuma saadaan aikaan, säädetään sulan hiilipitoisuus ennen mellotusta siten, että poistettava hiilimäärä olisi noin 0,3 0,5 % hiiltä. Koska mellotusvaiheen aikana hapettuvat sulassa sekä Mn että Si, on niitä seostettava uuniin tai valusenkkaan tavoiteanalyysin saavuttamiseksi mellotusvaiheen jälkeen. Mellotuksesta jää terässulaan jonkin verran happea, joka aiheuttaisi valukappaleisiin kaasuhuokosia, ellei sitä poistettaisi. Hapenpoistoa kutsutaan pelkistykseksi tai deoksitoinniksi tai Rautametallien sulametallurgia 28

29 tiivistykseksi. Mellotuksen jälkeen hapettava kuona poistetaan mahdollisimman tarkkaan ja puhtaalle teräspinnalle lisätään kalkkia 1 3 % teräksen painosta ja pelkisteaineita. Sulan esipelkistys voidaan suorittaa heittämällä hiiltä sulan pinnalle. Teräs pelkistetään upottamalla alumiinia sulaan. Teräksen pinnalle muodostettava pelkistävä kuona poistaa sulasta tehokkaasti hapen lisäksi myös rikkiä. Pelkistävän kuonan tarkoituksena on myös estää hapettuvien seosaineiden siirtymistä oksideina kuonaan. Hyvän pelkistävän kuonan FeO + MnO pitoisuus on 1 2 %. Pelkistävää kuonaa ei ole syytä pitää turhan kauan uunissa, koska pelkistysvaiheen aikana teräksen vety ja typpipitoisuus nousevat. Lopuksi teräs vielä seostetaan ja loppupelkistetään. Loppupelkistys suoritetaan kaadossa lisäämällä alumiinia 0,5 0,8kg terästonnia kohden. Hyvin pelkistetyn teräksen happipitoisuus on alle 10ppm. Teräkseen jäävästä happipitoisuudesta riippuu mm. sulfidisulkeumien muoto sekä taipumus kapillaarihuokosten muodostumiseen. Tavoitteena on estää ns. II tyypin sulfidien synty. Jos alumiinia käytetään ylimäärin voi seurauksena olla alumiininitridien syntyminen, jotka aiheuttavat haurautta erkautuessaan raerajoille. Valuteräksen sulatus induktiouunissa Induktioupokasuuni varsinkin verkkotaajuusuuni aiheuttaa sulaan metalliin voimakkaan pyörteilyn, joten metalli ei ole yhtenäisen suojaavan kuonakerroksen peitossa. Tästä syystä induktiouuneissa ei voida käyttää kuonareaktioita hyväksi kuten valokaariuunissa. Keskitaajuusuuneissakaan, joissa kuona pysyy sulaa suojaavana kerroksena, ei kuonareaktioita voida käyttää hyväksi, koska kuonan pinta on pieni ja kylmä. Induktioupokasuunisulatus onkin luonteeltaan ensisijaisesti uudelleensulatusta, tästä syystä sulatettavan romun analyysiin ja puhtauteen on kiinnitettävä suurta huomiota. Teräksen pyörteillessä se myös pääsee tehokkaasti kosketukseen hapettavaan ilmaan sekä upokkaan seinämiin. Ilmaa kosketellessaan lisääntyvät sulan teräksen happi, typpi ja vetypitoisuudet. Jo liuenneiden kaasujen poisto ei ole nopeasti eikä pienin kustannuksin suoritettavassa. Seostamattomien terästen kaasupitoisuus alenee mellotusreaktion aikana, mutta seostetuille teräksille ovat kaasuhuuhtelu puhtaalla, täysin kuivalla argonkaasulla tai tyhjökäsittely melkeinpä ainoat mahdollisuudet. Siksi onkin kiinnitettävä erityistä huomiota ilmakehän ja terässulan vuorovaikutukseen sekä upokasmateriaalin ja terässulan välisiin reaktioihin. Keskitaajuusinduktiouuneja käytetään teräsvalimoissa yleisesti 1 10 tonnin panoskoolla terästen sulattamiseen. Induktiouuneissa käytetään usein hapanta kvartsivuorausta sen halpuuden ja helppokäyttöisyyden johdosta. Hapan vuoraus kestää myös valimoille tyypillistä epäjatkuvaa käyttöä ja sen aiheuttamia lämpötilan vaihteluita paremmin kuin emäksiset vuoraukset. 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. Koska induktiouuneissa ei voida suorittaa tehokasta mellotusta, jäävät typpi ja vetypitoisuudet korkeammiksi kuin valokaariuuneissa. Kaasujen liukenemista edistää myös sulan voimakas kiertoliike. Kaasujen liukenemista voidaan jossain määrin vähentää suojaavien happamien lasikuonien tai emäksisten kalkkikuonien avulla. Induktiouuneilla on kuitenkin omat seuraavat etunsa: Pienet sulan ja seosaineiden hapetushäviöt Sulan hyvä sekoitus nopeuttaa seosaineiden liukenemista Homogeeninen sulan analyysi ja lämpötila Nopeat sulatus ja valmistusajat Lämpötilan säädön helppous Induktiouunin sulatusprosessi on hyvin yksinkertainen verrattuna valokaariuuniprosessiin, käsittäen vain uunin panostuksen, sulattamisen, seostamisen ja kaadon sekä loppuseostuksen ja Rautametallien sulametallurgia 29

30 tiivistyksen. Panostukseen on käytettävä analyysiltään tunnettua romua, joka on lähellä valmistettavaa laatua. (Kun käytetään romua, jonka analyysi tunnetaan, ei uunista oteta kemiallista analyysiä. Loppuanalyysi voidaan ottaa valusenkasta.) Panokseen sisällytettävän romun määrää voivat rajoittaa metallurgiset mahdollisuudet mm. kaasuliukoisuuden välttämiseksi. Romun on oltava puhdasta se ei saa olla ruosteista, öljyistä eikä sinkittyä. Romun määrä on yleensä enintään 60 %. On muistettava, että sulaakseen romun on täytettävä määrätyt uunin jaksoluvusta riippuvat minimimitat. (Näitä asioita käsitellään tarkemmin luvussa ʺSulaton laitteistotʺ ʺInduktiouunitʺ.) Helpommin sulava pienikokoinen romu on panostettava ensin ja huonosti sulava romu, kuten pakettiromu viimeksi. Uuni on panostettava mahdollisimman tiiviisti ja varoen, jotta vuoraus ei rikkoontuisi. Sulatuksen edistyessä lisätään panokseen romua. Kun lämpötila on riittävän korkea, lisätään seosaineet. Niiden liuettua, kun oikea laskulämpötila on saavutettu, kaadetaan sula, jonka pinnalla oleva kuona on poistettava, ja suoritetaan loppuseostus ja tiivistys senkkaan. Valusenkkaan voidaan seostaa 2 4 % seosaineita. Tiivistys suoritetaan alumiinilla ja usein lisäksi vielä CaSi:llä. Tiivistykseen tarvittava alumiinimäärä riippuu hiilipitoisuuden lisäksi muista seosaineista. Keskihiilisillä teräslaaduilla uuniin lisätään noin 1 kg Al/t ja lisäksi sulan kaadossa senkkaan noin 0,5 kg/t. Uuniin lisättävä alumiini on upotettava painamalla sulaan. Kaadon jälkeen on sula suojattava lämpöhäviöiltä kalkilla tai lämpöäeristävillä peitosteilla. Pienet alle 1000kg:n sulatukset valetaan yleensä kallistettavilla valusenkoilla. Isommat sulamäärät voidaan valaa senkan pohjasta suljintankomekanismin avulla ns. pohjavalusenkoilla. (Erityyppisiä senkkoja käsitellään luvussa ʺSulaton laitteistotʺ ʺSenkatʺ.) Ilmakehän ja terässulan reaktiot Happi reagoi teräksen helpommin hapettuvien aineosien, kuten mangaanin, molybdeenin, kromin ja titaanin kanssa, muuttaen ne oksideiksi, jotka voivat sitten reagoida uunin happamen vuorauksen kanssa. Oksidit ovat helposti höyrystyviä, joten näiden metallien hapettuminen aiheuttaa seosainehäviöitä.happi osallistuu mellotusreaktioihin, jotka sinänsä ovat hyödyllisiä myös induktiosulatuksessa edistäen teräksen puhdistumista sekä vedyn poistumista terässulasta. Typpeä liukenee sulaan teräkseen sen sisältäessä typen liukoisuutta lisääviä aineita, kuten kromia tai alumiinia. Suuri typpipitoisuus lisää teräksen kaasuhuokoisuusvaaraa. Alumiinin liikakäyttöä on tarkoin vältettävä myös loppupelkistyksessä, koska ylimäärän muodostama alumiininitridi asettuu teräksen jähmettyessä raerajoille sen lujuutta alentaen. Typen liukenemista voidaan estää mm. välttämällä tarpeetonta ylikuumentamista ja pitkää pitoaikaa korkeassa lämpötilassa. Vetyä siirtyy sulaan teräkseen kostean tai ruosteisen romun mukana sekä myös sitä koskettavan ilman vesihöyrystä. Vety aiheuttaa kaasuhuokoisuutta, jota ilmenee etenkin kromipitoisilla teräksillä. Kromi pelkistää jo 1% pitoisuutenakin teräksessä esiintyessään 1600 C lämpötilassa helposti vetyä ilman vesihöyrystä, mistä johtuen sekä niukka että runsasseosteiset kromiteräkset ja myöskin nikkeliniukat krominikkeliteräkset ovat erittäin alttiita vetyhuokoisuudelle. Kun vedyn liukoisuusraja teräksen jähmettyessä on alitettu, erottuvat muutkin liuenneet kaasut muodostuviin huokosiin. Huokoisuutta voidaan välttää tehokkaalla loppupelkistyksellä, mutta vain sillä edellytyksellä, että typpi ja vetypitoisuudet eivät ylitä liukoisuusrajaa. Vedyn joutumista sulaan teräkseen vältetään käyttämällä ehdottoman kuivaa ja ruosteetonta romua. Myös tarpeetonta ylikuumentamista ja pitkää pitoa korkeassa lämpötilassa on vältettävä. Upokasreaktiot Upokasreaktioista tärkein on happamissa upokkaissa tapahtuva teräksen hiilen ja upokkaan seinämän kvartsin välillä tapahtuva pelkistysreaktio: Rautametallien sulametallurgia 30

31 2 C + SiO2 = Si + 2 CO Vapautuva pii liukenee teräkseen, jonka piipitoisuus tämän johdosta kohoaa hiilipitoisuuden vastaavasti aletessa. Tämän reaktion vaikutus on sitä huomattavampi, mitä korkeampi teräksen lämpötila on. Emäksisissä ja neutraaleissa upokkaissa ei vastaava reaktio ole mahdollinen, koska hiili ei kykene pelkistämään niiden vuorauksen pääaineksia, magnesiittia ja alumiinioksideja. Happamen upokkaan vuorauksen kestävyyttä vaarantavina seosaineina on mainittava varsinkin mangaani ja titaani, joiden oksidit yhtyvät vuorauksen kvartsiin syövyttäen upokasta voimakkaasti. Runsaasti mangaanilla seostetut teräkset tehdään tästä syystä edullisimmin emäksisessä upokkaassa. Austeniittisella 12 % Mn teräksellä nousisivat mangaanin häviöt happamessa upokkaassa jopa 50%:iin ja upokkaan puhkeamisen vaara olisi ilmeinen jo ensimmäisellä sulatuskerralla. Titaania sisältävien terästen uudelleensulatuksessa hapettuu käytännöllisesti katsoen koko läsnäoleva titaanimäärä ja aiheuttaa happamen upokkaan vastaavan syöpymisen. Alumiinin ja kromin oksidit eivät ole upokkaan kestävyydelle niin vaarallisia, mutta huomattavia määriä kromia sitoutuu upokkaan pintakerroksiin, josta sitä voi pelkistymällä siirtyä seuraaviin sulatuksiin aiheuttaen poikkeamia ohjekoostumuksista. Happamessa upokkaassa käynnistyy mellotus itsestään upokasreaktion vaikutuksesta, kun noin 1600 C lämpötila on saavutettu, ja jatkuu vilkkaana ilman hapen avustamana. Emäksisessä upokkaassa sulatettaessa on mellotus käynnistettävä malmilisäyksellä. Hematiittimalmia (Fe2O3) käytettäessä vastaa 0,1 % malmilisäystä noin 0,025 % aleneminen hiilipitoisuudessa. Mellotus pysäytetään näytteenoton ja etuanalyysin odotusajaksi ferropiimangaani ja alumiinilisäyksellä. Lämpötilan aletessa erottuvat pelkistysmetallien oksidit terässulasta. Analyysitulosten saavuttua korjataan hiili ja mangaanipitoisuudet ohjearvoihin sekä seostetun teräksen ollessa kysymyksessä lisätään seosmetallit. Sen jälkeen nostetaan lämpötila valettavien kappaleiden mukaan C seoksen sularajan yläpuolelle ja suoritetaan loppupelkistys. Valuteräksen sulatus valokaariuunissa 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 saadaan tehokkaampi rikin ja fosforinpoisto. Yleisesti käytetyissä emäksisissä valokaariuuneissa käytetään kaksikuonamenetelmää, jossa 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 joten nykyaikaisessa teräksen valmistuksessa ollaan sikälikin siirtymässä yhden kuonan käyttöön. Valokaariuunisulatus voidaan jakaa toisiaan seuraaviin osittain limittäisiin jaksoihin seuraavasti: 1. Panostus 2. Sulatus 3. Mellotus 4. Kuonan pelkistys 5. Seostus, kaato, valusenkkalisäykset ja valu Rautametallien sulametallurgia 31

32 Panostus Romua panostettaessa on vältettävä sellaisten metallien joutumista uuniin, joita ei hapettamalla mellotusvaiheen aikana tai pelkistysvaiheen aikana saada poistumaan sulasta. Tällaisia metalleja ovat esim. kupari ja tina. Ne ovat erityisen haitallisia, koska ne varsin pieninäkin pitoisuuksina aiheuttavat teräkseen kuumahaurautta. Romu ei saa sisältää eristäviä sähköäjohtamattomia aineita, kuten esim. kuonaisia romuja, koska ne aiheuttavat elektrodien eteen osuessaan elektrodien katkoja. Valokaariuunin panostukseen tarvitaan tavallisesti 2 4 romukorillista, uunin ja panostuskorin tilavuudesta ja romun tiheydestä riippuen. Ensimmäisen romukorin pohjalle laitetaan kevyttä romua, joka suojaa uunin pohjaa panostuksen iskuilta. Toisaalta jos elektrodien alle joutuu yksinomaan kevyttä romua, voivat elektrodit porautua romukerroksen läpi hyvin nopeasti ja ylikuumentaa uunin pohjalle sulanutta pientä teräsmäärää niin, että uunin pohja vaurioituu. Siksi isokokoinen romu on laitettava seuraavaksi ja mahdollisimman alas keskelle koria. Myös siksi ettei se sulatuksen aikana pääsisi vierimään ja katkomaan elektrodeja. Uunin keskellä sen kuumimmassa kohdassa isot romukappaleet myös sulavat nopeimmin. Jokaisen romukorin päälle olisi viimeksi laitettava kevyttä romua, joka suojaa sulatuksen alussa uunin holvia ja seinien vuorausta valokaaren säteilyltä, kun elektrodit pääsevät helpommin porautumaan romun läpi. Jos romu sisältää ohutta helposti hapettuvaa ohutlevyä tai sorvin lastua, olisi se panostettava toisen tai seuraavien korien pohjalle, jotta se saataisiin painumaan sulan sisälle, eikä romun hapettumista pääsisi tapahtumaan. Alkupanostuksen lisäksi uunia joudutaan täyttämään jälkipanostuksella yleensä kerran tai kahdesti. Etenkin jälkipanostuksessa tulisi romun olla kuivaa roiskumisen ja räjähdysvaaran välttämiseksi ja teräksen kaasupitoisuuden rajoittamiseksi. Romun lisäksi panostetaan uuniin 3 5 % kalkkia. Kätevintä olisi lisätä kalkki romukoreissa, jos korit ovat riittävän tiiviitä. Kalkki on syytä panostaa uuniin 2 3 erässä romukorien painojen suhteessa. Kalkin liukenemista kuonaan voidaan nopeuttaa panostamalla kalkin mukana % valssihilsettä tai bauksiittia. Erittäin tehokas liukenemista nopeuttava aine on fluorisälpä. Sitä on käytettävä varoen, koska fluorisälpä kuluttaa uunin vuorausta. Kuva 24. Valokaariuuni Sulatuksen hiilettämiseen käytetään grafiittia, koksia tai harkkorautaa. Harkkoraudalla saadaan paras hiilen saanti ja osumistarkkuus. Myös sellaiset seosaineet, jotka eivät hapetu sulassa raudassa ja nouse kuonaan kuten Ni, Mo ja näiden oksidit voidaan panostaa uuniin jo romupanoksen mukana. Edullisempaa on lisätä oksidiset seosaineet mellotusvaiheen aikana, koska näin niiden sisältämä happi voidaan parhaiten Sulatus Sulatus on varsinkin suuritehoisilla uuneilla aloitettava pienemmällä teholla ja jännitteellä, jotta valokaarten säteily ei vahingoittaisi vuorausta. Kun elektrodit ovat porautuneet pienikokoisen romukerroksen läpi, kytketään uuniin täysi teho ja suurin jännite. Kun romu on sulanut, sen varjostava vaikutus lakkaa eikä se enää estä valokaaren säteilyä osumasta uunin seinämiin, tällöin on jälleen vähennettävä uunin tehoa ja jännitettä. Uudenaikaisilla isoilla teräsuuneilla, joilla tulenkes Rautametallien sulametallurgia 32

33 tävä vuoraus on korvattu vesijäähdytetyillä paneeleilla, voidaan huipputehoa ylläpitää koko sulatuksen ajan. Seuraavat romukorit on panostettava heti kun uunissa on tilaa riittävästi, vaikka kaikki edellisen korin romu ei vielä olisi ehtinyt sulaa. Mellotus Koska romusta sulatetun terässulan hiilipitoisuus on usein liian korkea, pitää se alentaa toivotulle tasolle joko happikaasun tai rautamalmin avulla. Toimenpidettä kutsutaan mellotukseksi. Mellottaminen suoritetaan puhaltamalla (noin 5 6m 3 n tonnia kohti) happikaasua teräsputken avulla kuonan läpi sulaan tai lapioimalla malmia uuniluukusta uuniin. Sulaan liuennut hiili reagoi hapen kanssa muodostaen hiilimonoksidia, joka poistuu kuplien sulasta. Kuonassa oleva rautaoksidi voi myös reagoida hiilen kanssa muodostaen hiilimonoksidia. Mellotus tapahtuu seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti: C + 1/2O2 = CO Fe + O = FeO FeO + C = CO + Fe Ensimmäinen yhtälö on hallitsevana valokaariuuneissa ja kolmas yhtälö konvertteriprosesseissa sekä malmimellotuksessa. Reaktiossa muodostuva hiilimonoksidi poistuu sulasta kuplina, mikä muistuttaa kiehumista. Tästä syystä mellotusta kutsutaan myös nimellä keitto. Mellotuksessa syntyvät hiilimonoksidi kuplat huuhtelevat ja puhdistavat sulaa, jolloin huokoisuutta ja haurautta aiheuttavien vety ja typpikaasujen pitoisuudet alenevat. Tällöin hiilimäärän on tällöin oltava vähintään 0,2 %. Happimellotus voidaan aloittaa kun osa romua on vielä sulamatta ja sulan lämpötila on vielä alhainen noin 1500 ºC. Kuonan emäksisyyden, jota merkitään B = CaO/SiO2 on kuitenkin tällöin oltava riittävän suuri noin 3. Jos kuona on hapanta mellotuksen alussa (eli B=1 2), on kuona viskoosia. Sulasta nousevat CO kuplat jäävät tällöin loukkuun viskoosin kuonan alle ja nostavat kuonaa. Syntyy hallitsematon kuohuva kuona, joka saattaa nousta jopa uunin holvin ja seinien välistä uunitasolle. Kuohuvan kuonan muodostumista edistävät kuonassa olevat kiinteät hiukkaset kuten kromioksidit. Kuohuva kuona saadaan laskemaan nostamalla sulan ja kuonan lämpötilaa. Malmimellotusta ei saisi aloittaa ennenkuin sulan lämpötila on vähintään 1550 ºC. Alhaisissa lämpötiloissa malmin liukeneminen ja mellotusreaktion alku hidastuu. Lämpötilan kohotessa kiihtyvät mellotusreaktiot lähtevät räjähdysmäisesti liikkeelle aiheuttaen hallitsemattoman kuonan kuohumisen. Kuohuvaa kuonaa käytetään hallitusti hyväksi suuritehoisissa valokaariuuneissa suojaamaan uunin vuorausta valokaaren säteilyltä. Kuohuva kuona tehdään puhaltamalla kuonaan samanaikaisesti hiiltä ja happea. Kuohuva kuona voi nousta noin metrin korkeudelle, jolloin elektrodien päät ja valokaari jäävät suojaavan kuonan sisälle. Kuohuva kuona parantaa uunin sähköistä hyötysuhdetta, joten sitä voitaisiin hyödyntää myös pienitehoisissa valimouuneissa. Happimellotuksella on malmimellotukseen verrattuna monia etuja: Mellotus tapahtuu nopeammin ja perusteellisemmin kuin malmilla. Mellotuksen kulkua on helpompi säätää. Sähkötehoa ja elektrodeja säästyy, koska lisäenergiaa ei mellotuksen aikana tarvita. Happi poistaa teräksestä myös vetyä ja sulkeumia. Happipuhalluksen haittana on siitä muodostuva sankka punertava savu, joka on saatava poistumaan sulattohallista ja on usein myös suodatettava. Tähän tarkoitukseen käytettävät laitteet ovat Rautametallien sulametallurgia 33

34 melko kalliita, koska uunista imettävät kaasut ovat erittäin kuumia. (Sulatonpäästöjä käsitellään kappaleessa Sulatonpäästöt ympäristön ja työsuojelun näkökulmasta.) Kuva 25. Fosforin jakaantuminen kuonan ja teräksen välillä emäksisyyden ja kuonan FeOpitoisuuden funktiona 1600 ºC:n lämpötilassa. Hapettava kuona muodostetaan sulan pinnalle lisäämällä panokseen pääasiassa poltettua kalkkia noin 3 %, mutta usein lisätään myös noin 1% kalkkikiveä sekä alle 0,5% fluorisälpää. Fluorisälvän tehtävänä on parantaa kuonan juoksevuutta. Poltettu kalkki on pahimpia teräksen kaasupitoisuuden aiheuttajia. Koska poltettu kalkki on voimakkaasti hygroskooppinen (kosteutta imevä) aine, lisääntyy teräksen kaasupitoisuus, jos kalkki on huolimattomasti varastoitu. Ilmatiiviisti pakattu poltettu kalkki sisältää kosteutta vain noin 0,15 %, kun taas kauan varastossa seisonut kalkki voi sisältää lähes 20 % vettä. Mellotusvaiheen aikana on hapettavan kuonan tärkeimpiä tehtäviä fosforin poisto. Fosfori hapettuu mellotuksessa fosforihaponanhydriksi (P2O5), joka sitoutuu kuonaan kalkin avulla trikalsiumfosfaatiksi. Fosforinpoistoa edistää kuonan emäksisyys ja kuonan suuri FeO pitoisuus. Hapettavan kuonan FeO pitoisuus on tavallisesti %. Emäksisyyden tulisi olla vähintään 2,5. Jos fosforia on runsaasti ja pyritään pieneen fosforipitoisuuteen, voi joskus olla syytä poistaa fosforipitoinen kuona ennen mellotusvaihetta. Tällöin mellotusvaiheessa on helpompi päästä tavoiteltuun fosforipitoisuuteen. Koska fosfori poistuu tehokkaammin kylmään kuonaan toisin kuin rikki, joka saadaan paremmin siirtymään kuumaan kuonaan, on fosforin poiston kannalta edullista pitää mellotusvaiheen aikana uunia kallistettuna ja antaa hapettavan kuonan valua uunista kuonapyttyihin, kuonan ollessa vielä kylmää. Fosforin poistoa voidaan tehostaa suorittamalla mellotus malmilla, koska malmimellotus ei nosta sulan eikä kuonan lämpötilaa kuten happimellotus ja lisäksi malmimellotus nostaa raudan FeO pitoisuutta. Kuonan rautaoksidipitoisuuden vaikutusta fosforinpoistoon on esitetty edellisessä kuvassa (Kuva 25). Kuvan mukaan fosforinpoiston parhaat tulokset jakaantumiskertoimella (=4CaO*P2O5/[P %] 2 ) 300 saavutetaan, kun emäksisyys on 2,5 3,0 ja kuonan FeO pitoisuus %. Rautametallien sulametallurgia 34

35 Kuva 26. Hiilen, piin, mangaanin, fosforin sekä rikin pitoisuuksien muutokset ajan mukaan sulatettaessa seostamatonta valuterästä valokaariuunissa kaksikuonamenetelmällä. Mellotuksessa teräksen hiilipitoisuus alennetaan jonkin verran lopullisen tavoiteanalyysin alapuolelle. Hiilipitoisuus nimittäin nousee myöhemmin, jos pelkistysvaiheessa käytetään hiiltä pelkistykseen. Samoin käy lisättäessä runsaasti hiiltä sisältäviä seosaineita seostusvaiheessa. Jotta riittävä mellotustapahtuma saadaan aikaan, säädetään sulan hiilipitoisuus ennen mellotusta siten, että poistettava hiilimäärä olisi noin 0,3 0,5 % hiiltä. Mellotusvaiheen aikana hapettuvat sulassa metallit, joiden taipumus yhtyä happeen on suurempi kuin raudalla ja siirtyvät kuonaan, kuten Al, V, Ti, Si, Cr ja osittain Mn. Koska hiilen mellotusreaktio ei käynnisty ennenkuin Sipitoisuus on laskenut lähelle 0,1 %, haitallisia kovia oksideja ja karbideja muodostavat aineet saadaan näin poistettua sulasta. Hiilimonoksidi huuhtoo teräksestä myös vetyä ja typpeä. Vedyn pitoisuus on mellotuksen jälkeen vain muutamia miljoonasosia (ppm). Typen pitoisuus on huomattavasti suurempi kuin vedyn varsinkin silloin, kun panos sisältää teräksiä, joissa on typpeä seosaineena. Koska mellotusvaiheen aikana hapettuvat sulassa sekä Mn että Si, on niitä seostettava uuniin tai valusenkkaan tavoiteanalyysin saavuttamiseksi mellotusvaiheen jälkeen (Kuva 26). Pelkistävä kuona Mellotuksesta jää terässulaan jonkin verran happea, joka aiheuttaisi valukappaleisiin kaasuhuokosia, ellei sitä poistettaisi. Hapenpoistoa kutsutaan pelkistykseksi tai deoksitoinniksi tai tiivistykseksi. Viimeinen sana viittaa hapen aiheuttamien huokosten välttämiseen. Myös yhden kuonan käyttö on mahdollista jolloin pelkistävää kuonaa ei tehdä jos teräksen rikkipitoisuus on riittävän alhainen tai rikki voidaan poistaa senkkakäsittelyllä ja kun teräkseen ei lisätä suuria määriä helposti hapettuvia seosaineita kuten kromia. Mellotuksen jälkeen hapettava kuona poistetaan mahdollisimman tarkkaan uunista kaapimalla kuonakolien avulla ja puhtaalle teräspinnalle lisätään kalkkia 1 3 % teräksen painosta (kalkin liukenemista voidaan nopeuttaa fluorisälpä tai bauksiitti lisäyksillä) ja pelkisteaineita, joilla on suurempi Rautametallien sulametallurgia 35

36 taipumus yhtyä happeen kuin raudalla, ts. ne riistävät hapen raudalta. Jos mellotuskuonaa ei ole riittävästi saatu poistettua, pelkistyy osa fosforista takaisin teräkseen. Pelkistinaineet on syytä lisätä useammassa erässä. Sulan esipelkistys voidaan suorittaa heittämällä hiiltä sulan pinnalle. Teräs pelkistetään upottamalla alumiinia sulaan. Käytettävä alumiinimäärä on sovitettava hiilipitoisuuden mukaan. Keskihiilisillä teräksillä alumiinia käytetään noin 1 kg terästonnia kohden. Sulan happipitoisuus riippuu hiilipitoisuudesta likimain seuraavan kaavan mukaisesti: [C] % x [O] % = 0,0025 Tätä hiili ja happipitoisuuden riippuvuutta valokaariuunissa esittää seuraava kuva (Kuva 27). Kuva 27. Teräksen hiili ja happipitoisuudet valokaariuunissa. Tummat pisteet malmimellotuksen ja vaaleat pisteet happimellotuksen jälkeen. Teräksen pinnalle muodostettava pelkistävä kuona poistaa sulasta tehokkaasti myös hapen lisäksi rikkiä. Puhdistavan vaikutuksen vuoksi puhutaan myös raffinoinnista. Pelkistävän kuonan ja teräksen tiivistämisen tarkoituksena on siis: Tehostaa rikin poistoa. Rikin poisto teräksestä tapahtuu reaktiolla: (CaO) + [S] = (CaS) + [O] Yhtälön mukaisesti kuonassa oleva kalkki reagoi teräksessä olevan rikin kanssa muodostaen kalsiumsulfidia, joka siirtyy kuonaan. Tehokkaan rikin poiston edellytyksenä on kuonan suuri kalkkipitoisuus ts. emäksisyys ja teräksen ja kuonan pieni happipitoisuus. Poistaa teräksestä happea ja estää kaasurakkuloiden syntyä valukappaleeseen. Estää hapettuvien seosaineiden siirtymistä oksideina kuonaan Pelkistävän kuonan valmistaminen kestää min. Hyvän pelkistävän kuonan FeO + MnO pitoisuus on 1 2 %. Rikin poistoa voidaan tehostaa sekoittamalla kuonaa mekaanisesti, mikä lisää kuonan ja teräksen välistä reaktiopintaa. Pelkistävän kuonan avulla voidaan teräksen rikkipitoisuutta alentaa %. Mangaani sitoo teräkseen jäljelle jäävän rikin korkealla sulavaksi mangaanisulfidiksi. Pelkistävää kuonaa ei ole syytä pitää turhan kauan uunissa, koska pelkistysvaiheen aikana teräksen vety ja typpipitoisuus nousevat. Pelkistävän kuonan valmistuksessa käytettävän kalkin täytyy olla kuivaa. Rautametallien sulametallurgia 36

37 Seostus, kaato, valusenkkalisäykset ja valu Sula teräs joudutaan myös seostamaan, jotta saataisiin aikaan erilaisia ominaisuuksia. Se suoritetaan uuniin analyysin mukaan. Seosaineiden lisäysajankohta riippuu niiden hapettumistaipumuksesta. Sellaiset seosaineet, jotka eivät ole helposti hapettuvia, voidaan lisätä uuniin jo ennen mellotusta. Herkästi hapettuvat aineet, kuten mangaani, pii ja kromi, lisätään pelkistyksen yhteydessä. Vielä herkemmin hapettuva on esim. titaani, joka lisätään viimeiseksi joko uuniin tai valusenkkaan. Kuva 28. Ohjediagrammi teräksen loppupelkistykseen tarvittavan alumiinilisäyksen määrittämiseksi. Alle 0,2 % hiilipitoisuuksilla alumiinipelkistystä on vielä täydennettävä kalsiumpii tai kalsiumpiimangaanilisäyksellä, jonka suuruus on 0,1 0,15 %. Valusenkassa suoritetaan myös teräksen loppupelkistys eli lopputiivistys. Loppupelkistyksellä saadaan teräksen happipitoisuus entisestään vähentymään ja valukappaleiden huokoisuusvaara pienenemään. Loppupelkistys suoritetaan kaadossa lisäämällä alumiinia 0,5 0,8 kg terästonnia kohden. Hyvin pelkistetyn teräksen happipitoisuus on alle 10ppm. Loppupelkistyksen suorituksella on suuri vaikutus teräsvalukappaleiden laatuun. Teräkseen jäävästä happipitoisuudesta riippuu mm. sulfidisulkeumien muoto sekä taipumus kapillaarihuokosten muodostumiseen. Tiivistykseen voidaan alumiinin lisäksi käyttää CaSiMn tai CaSi, joilla voidaan vaikuttaa syntyvien alumiinioksidien ja alumiinisulfidien muotoon. Tavoitteena on estää ns. II tyypin sulfidien synty, jotka muodostavat yhtenäisiä kalvoja raerajoille ja voivat aiheuttaa valukappaleisiin kuumarepeämiä. Teräksen alumiinipitoisuuden on tällöin oltava 0,04 %. Pienempi alumiinipitoisuus johtaa II tyypin sulkeumiin. (Asiaa käsitellään tarkemmin luvussa ʺSulaperäiset valuviatʺ ja sivulla kaasuhuuhtelu.) Jos alumiinia käytetään ylimäärin, voi seurauksena olla alumiininitridien syntyminen, jotka aiheuttavat haurautta erkautuessaan raerajoille. Kun valuteräs sulatetaan yhden kuonan menetelmällä, pyritään yleisesti kuonattomaan kaatoon, jolla estetään hapettavan ja SiO2 pitoisen uunikuonan pääsy senkkaan. Jos uunikuonaa tulee senkkaan, pelkistyy kuonassa olevaa fosforia takaisin teräkseen, kun pelkistäviä seosaineita, kuten mangaania, piitä ja alumiinia lisätään kaadossa senkkaan. Hapettava uunikuona huonontaa myös sulan myöhemmissä senkkakäsittelyissä analyysintarkennusta ja rikinpoistoa. Kuonattomassa kaadossa on teräksen lämpöhäviöiden pienentämiseksi senkkaan lisättävä uutta kalkkia noin 1 2% sulapainosta. Kalkki liukenee vaikeasti kuonattoman terässulan pinnalle, kuonan liukenemista edistävien rauta ja mangaanioksidien puuttuessa. Kalkin liukenemista voidaan edistää fluspaatilla tai käyttämällä esisulatettuja kalkin ja bauksiitin seosbrikettejä. Kuonattomassa Rautametallien sulametallurgia 37

38 kaadossa voidaan noin 2 %:n senkkaan lisättävällä kalkkimäärällä poistaa rikkiä jopa 60 %, jos kalkki saadaan fluksiaineiden avulla tehokkaasti liukenemaan ja jo kaadon aikana terässulaa sekoitetaan argonpohjahuuhtelulla. Pelkistävä kuona kaadetaan yleensä teräksen mukana valusenkkaan. Näin menetellen teräksen lämpöhäviöt valusenkassa ovat pienempiä. Senkkakuonan päälle voidaan tarvittaessa laittaa lämpöä eristäviä peitteitä, kuten vermikuliittia. Valusenkasta teräs valetaan muotteihin senkan pohjassa olevan laskureiän kautta. Laskureikä voidaan sulkea ja avata suljintankomekanismilla. Laskureikien koot vaihtelevat 20 mm:stä mm:iin, valettavien kappaleiden koon mukaan. Isoja yli 50 t:n valukappaleita valetaan yhtäaikaisesti kahdella valusenkalla, joissa kummassakin on kaksi 80 mm:n laskureikää. Hyvin pieniä alle 500 kg:n sulamääriä, jotka ovat tyypillisiä induktiouuneilla, ei valeta pohjavalusenkoilla, koska pieni sulamäärä vaatisi tehokkaan senkan esikuumennuksen lisäksi korkeita sulan lämpötiloja. Alumiinideoksidointi Deoksidoinnin eli tiivistyksen tarkoituksena on sitoa sulan vapaa happi ja näin osaltaan ehkäistä kaasuhuokoisuuden muodostumista valuun. Alumiini on voimakkaan hapensitomiskykynsä ja edullisen hintansa ansiosta teräsvalimoissa yleisimmin käytetty deoksidointiaine. Teräksen tiivistyksen ohella alumiini lisäksi estää rakeenkasvua ja raerajasulfidien syntymistä. Suositeltu jäännösalumiinipitoisuus valussa on 0,02 0,05 %. Liian korkean alumiinipitoisuuden haitat: Alumiinitiivistyksen seurauksena valuun syntyy pienikokoisia alumiinioksidisulkeumia. Muodostamalla suurikokoisia sulkeumarykelmiä, kulkeutumalla raerajoille ja ydintämällä huokoisuutta alumiinioksidit heikentävät terästä. Hauraan alumiininitridin muodostuminen teräkseen johtaa helposti teräksen halkeiluun. Alumiininitridin muodostumista edistää korkean alumiini ja typpipitoisuuden lisäksi hidas valun jäähtyminen, ja se onkin tyypillisesti massiivisten valujen ongelma. Iskusauvoissa alumiininitridi johtaa matalaan iskuenergiaan. On kuitenkin mahdollista, että valussa jossa alumiininitridi aiheuttaa halkeilua suurikokoisessa valukappaleessa, sitä ei ole lainkaan muodostunut nopeammin jäähtyneeseen koesauva aihioon. Tarpeettoman runsas tiivistysalumiinin käyttö (ylideoksidointi) myös johtaa sulaan liuenneen alumiinin hapettumiseen valussa (reoksidoitumiseen), mikä osaltaan lisää suurikokoisten kuonien ja erityisesti pintavikojen muodostumista valuun. Alumiinideoksidoinnin käytännön ongelmia: Alumiinin saannon voimakas vaihtelu sulatusten tai senkallisten välillä, mikä saattaa pakottaa käyttämään liian korkeaa alumiinitasoa. Alumiinin riittämätön sekoittuminen sulaan, mikä johtaa epätasaiseen alumiinipitoisuuteen ja paikallisesti liian matalasta tai liian korkeasta alumiinipitoisuudesta johtuviin ongelmiin. Senkassa tehtävänä alumiinin lankainjektoinnilla saadaan parhaiten toistettava alumiinin saanto. Alumiinin lisäys lankana senkkaan edellyttää kuitenkin sulan sekoittamista alumiinisyötön jälkeen esimerkiksi kaasuhuuhtelun avulla. Myös CaSi langan syöttö alumiinilangan jälkeen näyttää sekoittavan alumiinin riittävän hyvin sulaan. Lankainjektointi ei siis välttämättä sovellu prosessiin. Perinteisellä alumiinin palalisäyksellä päästään monessa tapauksessa hyvään tulokseen. Tässäkin tapauksessa lisäystekniikkaa ja alumiinitasoa voidaan optimoida mm. sulan happipitoisuuden (hapen aktiivisuuden) mittausta hyväksi käyttäen. Useissa valimoissa käytetään liian korkeiden alumiinipitoisuuksien välttämiseksi alumiinin ohessa CaSiMn:a tiivistykseen. Rautametallien sulametallurgia 38

39 Valuterästen senkka ja konvertterikäsittelyt 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. Senkkametallurgian piiriin lasketaan usein kuuluvaksi myös erilaiset konvertterimenetelmät, joissa sulaa käsitellään sulatusuunin jälkeen. 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. Seuraavassa on listattu senkka ja konvertterikäsittelymenetelmiä ja niiden vaikutuksia teräkseen: Kaasuhuuhtelu lämpötilan tasaaminen koostumuksen tasaaminen rikinpoisto Kalsiumkäsittely/Senkkainjektointi rikinpoisto sulkeumien muokkaus: sulkeuminen koostumuksen, muodon ja jakautumisen muuttaminen Konvertterikäsittelyt voidaan valmistaa (erittäin) niukkahiilisiä teräksiä suuri kuonapuhtaus ja alhaiset rikki ja kaasupitoisuudet parantuneet mekaaniset ominaisuudet Kaasuhuuhtelu 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 oheisessa kuvassa (Kuva 29). Kaasuhuuhtelulla saavutetaan seuraavat edut: Lämpötilan homogenisointi Seosaineiden nopeampi liukeneminen Analyysin homogenisointi Kuonasulkeumien poistuminen teräksestä kuonaan. Rikinpoisto Kaasuhuuhtelu parantaa valuterästen juoksevuutta Kuva 29. Teräksen kaasuhuuhtelun periaatteet. Kaasuhuuhtelu on suoritettava niin, että teräksen pinnalla oleva kuonapeite ei rikkoudu, eikä teräksen happi ja typpipitoisuus ilman vaikutuksesta nouse. Pohjahuuhtelulla saadaan sulaan tehokkaampi sekoitus kuin lanssihuuhtelulla. Lisäksi pohjahuuhtelussa syntyvät kaasukuplat ovat pienempiä, ja suuremman reaktiopintansa ansiosta niiden vaikutus on tehokkaampaa. Kun seostusta tehdään kaasuhuuhtelun aikana, saadaan pohjahuuhtelulla syntymään senkan pinnalle ohut vain Rautametallien sulametallurgia 39

40 vähän kuonaa sisältävä kerros, jonka kautta seostus voidaan tehdä pienin kuonahäviöin. Samanlaista vaikutusta ei saada lanssihuuhtelulla. Pienillä puhallusmäärillä kaasukuplat nousevat lanssin vierestä kuonaan ja muodostavat siihen ohuemman kuonakerroksen. Lanssin viereen ei voida tilanpuutteen, eikä lanssin rikkoontumisvaaran takia lisätä tehokkaasti seosaineita. Suuremmilla puhallusmäärillä taas lanssin viereen syntyy kuonaköyhä rengas, joka kuitenkin on jatkuvassa liikkeessä niin, että teräspinta on ajoittain paljaana. Myöskään suuremmilla puhallusnopeuksilla ei lanssihuuhtelulla saada aikaan yhtenäistä kuonaköyhää aluetta senkan kuonapinnalle, johon on helppo lisätä seosaineita hyvällä saannilla. Kuva 30. Vasemmalla: Lanssi. Oikealla: Lanssia lasketaan alaspäin Kuva 31. Kaasuhuuhtelu Rautametallien sulametallurgia 40

41 Kuva 32. Vasemmalla: Lanssia nostetaan ylöspäin. Oikealla: Lämpötilanmittaus Kuva 33. Lämpötilanmittaus Pohjahuuhtelussa käytetään joko huokoisia samotti tai aloksimateriaalista valmistettuja senkan pohjaan asennettavia huuhtelutiiliä tai tiiviimmästä aloksi tai magnesiittimateriaalista valmistettuja huuhtelutiiliä, joissa on ohuita tiilen läpi kulkevia huuhtelukanavia, joista käytetään nimitystä suunnattu huokoisuus. Nämä tiilet ovat kestävämpiä kuin huokoisesta materiaalista valmistetut tiilet ja niillä saadaan myös tehokkaampi huuhteluvaikutus. Huuhtelutiilet ovat kartiokkaita ja ne voidaan niiden kuluttua vaihtaa valusenkan ulkopuolelta. Huuhtelukivet muurataan senkan pohjassa olevaan kehystiileen. Huuhtelukivien vaihto helpottuu kun käytetään kehystiilen ja huuhtelutiilen välissä keraamista holkkia, josta huuhtelutiilet on helpompi irrottaa. Huuhtelutiilten kestoikä riippuu huuhteluajoista ja teräksen lämpötiloista. Yleensä suunnatun huokoisuuden huuhtelutiilet kestävät noin huuhtelukertaa. Pohjahuuhtelussa käytettäviä huuhtelutiiliä on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 34). Rautametallien sulametallurgia 41

42 Kuva 34. Teräksen pohjahuuhtelussa käytettäviä huuhtelutiiliä. Puhallusnopeudet ovat korkeintaan 100 Nl/min pienillä noin 10t:n valusenkoilla. Isoilla 50 t:n valusenkoilla puhallusnopeudet voivat olla 200 Nl/min. Lyhyillä alle minuutin puhallusajoilla voidaan valun alkua ja suutiilten avausta helpottaa, kun senkan pohjalla oleva kylmä teräs saadaan kierrätettyä ylöspäin. 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. Senkan päälle lisätään uutta kalkkia ja fluksiaineita ja kalkin annetaan liueta huuhtelun aikana, joka kestää 5 10min. Rikkipitoisuutta voidaan näin alentaa %. Tehokkaampi menetelmä on lisätä uunin kaadossa osa kalkista fluksiaineita sisältävinä briketteinä ja osa senkan päälle kaadon jälkeen. Lyhyemmillä huuhteluajoilla saadaan näin myös peitosteena oleva kalkki liukenemaan ja rikin poistossa päästään jopa yli 60 %:n tehokkuuteen. Kaasuhuuhtelulla ei teräksen vetytai typpipitoisuuksia voida laskea. Jos huuhtelu suoritetaan liian suurilla virtausnopeuksilla niin, että kuonapeite rikkoontuu, voivat teräksen kaasupitoisuudet jopa nousta. Erittäin tehokkaasti terästä voidaan suojata ilmakehän kaasuilta huuhtelun aikana, peittämällä valusenkka keraamisella materiaalilla vuoratulla kannella. Huuhtelussa käytetty kaasu synnyttää näin kuonapinnan yläpuolelle suojaavan kaasukerroksen. Seuraavassa kuvassa esitetään teräksen kaasupitoisuuksien alenemista argonhuuhtelussa. Kuva 35. Teräksen vety ja typpipitoisuuden aleneminen argonhuuhtelussa. Rautametallien sulametallurgia 42

43 Kuvan mukaan vetypitoisuuden alentaminen arvosta 5ppm arvoon 2,5ppm vaatisi argonia 1,3Nm 3 /t. 15 tonnin teräsmäärällä tarvitaan siten argonia 19,5Nm 3, mikä tyypillisellä 100Nl/min puhallusnopeudella vaatisi aikaa 195min. Näin suuret argonmäärät ja pitkät huuhteluajat jähmettäisivät terässulan. CaSi käsittely (senkkainjektointi) 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. Kuva 36. Kuva. CaSi langansyöttö. Seuraavissa kuvissa on esitetty langansyöttölaitteisto, onttoa teräslankaa, alumiinilankaa sekä vaiheita langan syötöstä. Kuva 37. Vasemmalla: Langansyöttölaitteisto. Oikealla: Langansyöttölaitteiston suuttimet Rautametallien sulametallurgia 43

44 Kuva 38. Vasemmalla onttoa teräslankaa ja oikealla alumiinilankaa. Kuva 39. Alumiinilankaa (halkaisija 9,5mm). Kuva 40. Vasemmalla alumiinilankaa ja oikealla onttoa teräslankaa. Rautametallien sulametallurgia 44

45 Kuva 41. Lanssi Kuva 42. Injektointikäsittely. Kuva 43. Injektointikäsittely. Rautametallien sulametallurgia 45

46 Teräksen rikki ja happipitoisuuden alentaminen Teräksen injektointikäsittely tapahtuu valusenkassa puhaltamalla kantajakaasun, tavallisesti argonin avulla hienorakeista CaSi jauhetta. Muitakin kalsiumyhdisteitä, kuten CaC2 tai CaO voidaan käyttää, sillä rikinpoistoasteessa ei ole havaittu merkittäviä eroja käytettäessä eri Ca yhdisteitä. Kalsiumin suuresta höyrynpaineesta johtuen olisi lanssin oltava vähintään 1 metrin syvyydellä teräksessä. CaSi voidaan lisätä valusenkkaan myös onton teräslangan sisällä olevana jauheena langansyöttölaitteen avulla. Tällä menetelmällä ei sulaa suojaava kuonakerros rikkoudu kuten lanssia käytettäessä, mutta menetelmällä ei voida seostaa yhtäsuuria CaSi määriä. Langansyötöllä voidaan kalsium seostaa matalampiin senkkoihin kuin injektiotekniikalla. (Pelkästään raffinoivien reaktioiden kannalta on paras senkan muoto korkea ja kapea, jolloin reaktioaika on mahdollisimman pitkä. Toisaalta myös reaktiotuotteiden joutuminen pintakuonaan vaatii enemmän aikaa. Injektoinnin aikana sulan pinta liikkuu melko voimakkaasti, joten senkkoja ei voida käyttää täysinä vaan niihin on jätettävä kuplintavaraa.) Syöttö teräskuorisena kalsiumpii tai kalsiumjauhetta sisältävänä lankana on nykyään eniten käytetty lisäystapa. Langansyötön etuina lanssi injektioon verrattuna ilmoitetaan muun muassa pienemmät investointikustannukset, vähäisempi sulan sekoitus ja jäähtyminen sekä helpompi käyttö. Lisättäessä kalsium terässulaan ongelmia aiheuttavat kalsiumin keveys, matala liukoisuus terässulaan ja höyrystyminen sulan teräksen lämpötilassa. Palamuodossa lisättäessä kalsium helposti palaa teräksen pinnalla kuonassa ja sen saanto jää alhaiseksi. Palalisäyksessä kalsiumin saantoa voidaan kasvattaa käyttämällä raskaampaa bariumia sisältäviä seoksia CaSiBa, CaSiBaAl. Keskimääräinen saanto palalisäyksessä on ainoastaan 3,1 % ja kalsiumlankasyötössä 11 %. Myös tiiviin senkan kannen käytöllä syötön aikana ja jälkeen saantoa saadaan korotettua. 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 %). Pintakuonan tärkein vaatimus on kyky vastaanottaa teräksessä oleva rikki. Senkan vuorauksen on oltava korkealuokkaista mieluiten emäksistä materiaalia. Happamet kvartsivuoraukset pelkistyvät ja luovuttavat happea teräkseen (periaatteessa kaikista vuorausoksideista, jotka ovat epästabiilimpia kuin CaO, liukenee teräkseen happea Ca injektoinnin aikana). Kalsium höyrystyy ja reagoi höyrynä teräksen läpi noustessaan tämän sisältämän hapen ja rikin kanssa. Jälkimmäisessä reaktiossa syntyy kalsiumsulfidia, joka nousee kuonaan: Ca + S = CaS. Saavutettava rikinpoistoaste riippuu injektoidun CaSi:n määrästä ja myös valusenkan vuorauksen laadusta, kuten kuva 44 osoittaa. Rikin poistuma suurenee dolomiitilla vuoratuissa valusenkoissa Ca lisäyksen kasvaessa 1,2 kg/t saakka, mikä vastaa n. 2 kg CaSi/t. Tällöin on kuvan 44 mukaan 80 % rikistä poistunut kuonaan. Näin hyvin onnistuva käsittely pudottaa teräksen rikkipitoisuuden esimerkiksi tasolta 0,02 % S tasolle 0,004 % S. Kuva 44. Rikinpoistoasteen riippuvuus injektoidun kalsiumpiin määrästä. Rautametallien sulametallurgia 46

47 Tehokkaan rikinpoiston edellytyksenä on, että teräksen happipitoisuus on pieni (alle 10 ppm), koska kalsium yhtyy herkemmin happeen kuin rikkiin. Rautaoksidipitoisen kuonan joutuminen käsittelysenkkaan on estettävä. Teräs on myös huolellisesti deoksidoitava alumiinilla ennen injektointia. Valusenkan vuorauksesta ei saisi liueta happea käsiteltävään teräkseen. Parhaiten tämän ehdon täyttää dolomiitti. Teräksen alkuperäinen rikkipitoisuus vaikuttaa injektiolla saavutettavaan lopulliseen rikkipitoisuuteen. Teräkseen jäävä rikkimäärä on sitä suurempi mitä enemmän rikkiä on sulassa ennen injektointia (kun käytetään samaa kalsiummäärää). Yleensä ei myöskään kalsiumin määrän kohottaminen paranna tilannetta, sillä kalsiumylimäärä kuluu hapen sitomiseen. Teräksen rikki ja happipitoisuuden muutokset injektoinnin yhteydessä käyvät ilmi seuraavasta kuvasta. Kuva 45. Teräksen rikki ja happipitoisuuden muutokset injektoinnin yhteydessä. Injektoinnin tärkeimmät edut ovat seuraavat: laitteisto on yksinkertainen ja halpa käsittely on nopea, vain 1 10 minuuttia rikinpoisto ja deoksidointi ovat jokseenkin yhtä tehokkaita kuin kalliimmissa jälkikäsittelylaitteissa sulatusuunien tuotantokyky kasvaa, koska raffinointivaihe voidaan jättää pois valulämpötiloja voidaan alentaa (Vaikka kalsiumkäsittely parantuneen juoksevuuden vuoksi saattaa mahdollistaa valulämpötilan laskun, on kaatolämpötilaa käsittelyn vuoksi yleensä nostettava. Kaatolämpötilan korotustarve vaihtelee riippuen muun muassa sulan määrästä sekä siitä millaisia prosessimuutoksia käsittelyyn liitetään (senkan siirrot, sulan suojaukseen liittyvät toimenpiteet).) teräksen syöttömatkat valukappaleissa pitenevät parempi kuonapuhtaus sulkeumien modifiointi Injektoinnin suurimmista varjopuolista mainittakoon: Lämmönhukka asettaa valusenkan suuruudelle alarajan 5 6t, mieluimmin 10t. Savunmuodostus vaatii hyvän ilmastointiratkaisun. Rautametallien sulametallurgia 47

48 Hyvään tulokseen pääsemisen edellytyksenä on kalliin emäksisen senkkavuorauksen käyttö. Typen (typpilähteenä toimii atmosfääri) ja vedyn (lähteenä pintakuonan ja injektoitavan jauheen kosteus. Jauheen kalkkipitoisuus lisää kosteuden määrää) pitoisuudet teräksessä lisääntyvät. Teräkseen jäävien sulkeumien määrän vähentäminen sekä niiden koostumuksen ja jakauman muuttaminen 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. Mahdollisimman pienen rikkipitoisuuden saavuttaminen on tärkeää etenkin suurissa valukappaleissa. Suotautumisen vaikutuksesta rikin pitoisuus kohoaa viimeksi jähmettyvissä kohdissa keskimääräisestä analyysiarvosta helposti yli kymmenkertaiseksi, jopa paljon suuremmaksikin. Oikealla tiivistystavalla ja CaSi lisäyksellä voidaan estää ns. II tyypin sulfidien syntyminen, jotka kiteytyvät kalvomaisina raerajoille ja aiheuttavat kuumahaurautta. Vaara II tyypin sulfidisulkeumien esiintymisestä vähenee sulfidien määrän vähentyessä. Mutta lisäksi CaSi vaikuttaa teräksen jähmettyessä syntyvien sulfidien muotoon. II tyypin sulfidit muuntuvat CaSi käsittelyssä vaarattomammiksi suurikiteisimmiksi sulfideiksi (Al2O3 sulkeumat keräytyvät pallomaisiksi Al2O3 * CaOsulkeumiksi, joita ympäröi CaS tai (CaMn) S kalvo), jotka eivät muodosta yhtenäisiä kalvoja raerajoille. Injektointikäsittelyllä voidaan muuntaa kovat alumiinioksidisulkeumat (jotka aiheuttavat suutiilten kuroutumista) kalsiumaluminaateiksi, jotka eivät keräydy senkan suutiilen pinnalle ja aiheuta sen kuroutumista. Teräs, joka on CaSi käsiteltyä, on myös paremmin koneistettavaa, koska pehmeämmät sulkeumat eivät kuluta yhtä voimakkaasti koneistusteriä. Kuonapuhtauden kannalta on merkityksellistä kalsiumaluminaattisulkeumien taipumus yhtyä suuremmiksi sulkeumiksi, jotka nousevat sulasta helpommin kuonaan. Sulkeumissa tapahtuu seuraavanlaisia myös valujen ominaisuuksiin vaikuttavia muutoksia: Sulkeumien juoksevuus lisääntyy. Kalsiumaluminaattisulkeumien sulamispiste on selvästi matalampi kuin alumiinioksideilla. Matalalla rikkipitoisuudella kalsiumaluminaattisulkeumat ovat normaaleissa senkkakäsittely ja valulämpötiloissa sulia Ca:Al suhteen ollessa välillä 0,15 0,2 : 1. Alumiinioksidille tyypillinen sulkeumaklusterien syntyminen ja sulkeumien rikastuminen jähmettymisrakenteen raerajoille pystytään estämään tai ainakin vähentämään. Raerajasulfidien muodostumisalttius vähenee rikin sitoutuessa mangaanisulfidien sijasta kalsiumaluminaatteihin. Rikinpoistoa pystytään tehostamaan rikin sitoutuessa korkeammassa lämpötilassa ja suurikokoisemmiksi sulkeumiksi. Kovat alumiinioksidisulkeumat korvautuvat pehmeämmillä sulkeumilla. Kalsiumaluminaattisulkeumien suurempi koko alumiinioksideihin verrattuna nähdään valujen sisäistä puhtautta parantavana tekijänä, koska suuremmat sulkeumat nousevat nopeammin senkan pintakuonaan. Raerajasulkeumien väheneminen kalsiumkäsittelyn seurauksena parantaa teräksen iskusitkeyttä. Rautametallien sulametallurgia 48

49 AOD konvertteri AOD konvertterimenetelmää (Argon Oxygen Decarburization Converter) käytetään sulan teräksen jälkikäsittelyyn. Sitä käytetään varsinkin ruostumattomien terästen valmistukseen, mutta sitä voidaan käyttää myös muiden korkealuokkaisten valuterästen valmistukseen, joilta vaaditaan suurta kuonapuhtautta, ja alhaisia kaasu ja rikkipitoisuuksia. Varsinainen sulatus suoritetaan valokaari tai induktiouuneissa ja samalla tehdään mahdollinen fosforin poisto. Sulatettu teräs, jossa pitää olla riittävästi hiiltä, siirretään kuljetussenkalla konvertteriin. Konvertteri on ylhäältä avoin, tynnyrimäinen, tulenkestävästi emäksisillä magnesiitti tai dolomiittitiilillä vuorattu astia, jota voidaan kallistaa kääntötappien varassa täyttöä, kuonausta ja tyhjennystä varten. Konvertterin alaosassa on kaksi tai useampia suuttimia, joiden kautta sulaan teräkseen puhalletaan prosessikaasu, joka on hapen ja argonin seos. Jos teräkselle ei ole haittaa typpipitoisuuden kasvusta, voidaan kalliin argon kaasun sijasta käyttää myös typpeä tai paineilman typpeä. Kuva 46. Vasemmalla: AOD konvertteri. Oikealla: Mellotuksen vaiheet AOD konvertterissa. Hapen ja argonin tai muun inertin kaasun seossuhdetta muutetaan vaiheittain mellotuksen edistyessä. Inertin kaasun tehtävänä on pienentää CO kaasun osapainetta ja vähentää siten seosaineiden, etenkin kromin hapettumista ja joutumista kuonaan. CO osapaineen pienentyessä hiili ohittaa hapettumisjärjestyksessä monet seosaineet, jotka normaalipaineessa hapettuisivat ennen hiiltä. Mellotus konvertterissa aloitetaan puhtaalla hapella. Happikaasun virratessa sulan teräksen läpi se mellottuu eli siitä palaa pois liika hiili. Hiilen ohella käsittelyssä poistuu myös muita oheisaineita, kuten piitä ja haitallista rikkiä. Hiilen ja piin palaessa vapautuva lämpö nostaa sulan lämpötilaa käsittelyn aikana. Niukkahiilisiä teräksiä valmistettaessa lisätään mellotuksen edistyessä ja hiilipitoisuuden laskiessa argonin osuutta. Argon pienentää mellotuksessa syntyvän CO kaasun osapainetta ja mahdollistaa näin pienten noin 0,03 %:n hiilipitoisuuksien saavuttamisen. Valokaariuunissa on jo 0,05 %:n hiilipitoisuus vaikeasti saavutettava. Erittäin niukkahiilisten ruostumattomien terästen valmistus valokaariuunissa on hyvin vaikeaa, koska joudutaan käyttämään hyvin korkeita lämpötiloja ja kromia siirtyy paljon kuonaan, mikä puolestaan lisää voimakkaasti vuorauksen kulumista. AOD konvertterissa sen sijaan kromia joutuu kuonaan vähän ja sekin osuus voidaan pelkistää melko helposti takaisin teräkseen. Seosaineiden hapettuminen on AODkonvertterissa siis vähäistä esim. kromin saanti on noin 98 %, kun se valokaariuunissa on noin 90 %. Kun oikea hiilipitoisuus on saavutettu, suoritetaan kuonan pelkistys, seostus ja rikin poisto Rautametallien sulametallurgia 49

50 kalkkipitoisella kuonalla käyttäen argon puhallusta kuonan ja teräksen sekoittamiseen. AODkonvertterilla käsitellyn teräksen rikkipitoisuus on alhainen, koska kuona ja sula saadaan sekoittumaan tehokkaasti ja näin rikki siirtyy kuonaan. Niukkahiilisillä teräksillä 0,002 %:n rikkipitoisuudet ovat mahdollisia. Kaasupitoisuudet saadaan myös pieniksi sulalle suoritettavan argonkaasuhuuhtelun vuoksi. Kokonaishappipitoisuudet ovat ppm, typpipitoisuudet ppm ja vetypitoisuus 1 3ppm niukkaseosteisten terästen AOD käsittelyn jälkeen. Valmistettaessa haponkestäviä ja ruostumattomia teräksiä saadaan hiilipitoisuus AOD käsittelyllä alennettua helposti näiden terästen vaatimalle alhaiselle tasolle. Kaasupitoisuuden alenemisen ja kuonapuhtauden paranemisen johdosta valettavuus paranee, jolloin valulämpötiloja voidaan pudottaa ºC. Kun käsittely on suoritettu (AOD konvertterikäsittely kestää 1/2 2 tuntia), kaadetaan teräs valusenkkaan ja viedään valettavaksi. Suurimmat AOD konvertterit ovat kooltaan 150 tonnia. Valimoissa käytetään tavallisesti tonnin konverttereita. Hapen kulutus riippuu aloitushiilipitoisuudesta ja vaihtelee m 3 n/t. Argonin kulutus on m 3 n/t. AOD konvertterin käytöllä saavutetaan useita huomattavia etuja: Voidaan käyttää halpoja runsashiilisiä seosaineita. Voidaan valmistaa melko helposti erittäin niukkahiilisiä ruostumattomia teräslaatuja noin 0,015 % C saakka. Voidaan pienentää terästen kaasupitoisuuksia ja etenkin rikkipitoisuutta, jolloin terästen sitkeys paranee ja valuviat vähenevät. Voidaan käyttää sulatusuuneja pelkästään sulaksiajoon, mikä lisää huomattavasti niiden tuotantokykyä. Voidaan saavuttaa hyvä analyysitarkkuus. Valulämpötiloja voidaan alentaa. Teräksen syöttömatkat valukappaleissa pitenevät. Valukappaleiden korjaustyö vähenee huomattavasti. AOD menetelmän suurimpia varjopuolia ovat: Suuri argonin kulutus ja sen kohtuuttoman korkea hinta nimenomaan Suomessa. Suuri tulenkestävien vuorausten kulutus etenkin jaksottaisessa valimokäytössä. Suuri lämmönhukka on korvattava Al lisäyksillä. Konvertterikaasujen poisto vaatii kalliit imu ja suodatuslaitteet. Kalliit lisenssimaksut. VODC konvertteri VODC konvertteri on saanut nimensä englannin kielisen nimensä Vacuum Oxygen Decarburization Converter alkukirjaimista. Konvertterissa voidaan suorittaa happimellotus, tyhjökäsittely ja argonhuuhtelu. VODC konvertterissa käytetään teräkseen liuenneiden kaasujen poistamiseksi apuna alipainetta. Kaasujen poistumisilmiötä voidaan verrata virvoitusjuomapullon avaamiseen. Kun pullo on suljettuna, on hiilihappo liuenneena juomaan eikä pullossa tapahdu minkäänlaista poreilua. Heti pullon avaamisen jälkeen, kun paine alenee, hiilihappo hajaantuu ja syntynyt hiilidioksidikaasu poreilee pullosta pois. Samoin konvertteriin aikaansaatu paineenalennus aiheuttaa sen, että kaasut pyrkivät sulasta teräksestä pois. Tyhjökäsittelyn avulla sulasta teräksestä voidaan poistaa kaasut tarkemmin kuin millään muulla menetelmällä. VODCkonvertterilla voidaan valmistaa erittäin kuonapuhtaita teräksiä, joiden rikki ja kaasupitoisuudet ovat alhaisia. Valuterästen valulämpötiloja voidaan laskea ja terästen valuominaisuudet paranevat. Näiden terästen lujuus ja sitkeysominaisuudet ovat myös erinomaisia. VODC konvertterilla päästään alhaisempiin hiilipitoisuuksiin kuin AOD konvertterilla, kun taas AOD konvertterilla saadaan alhaisempia rikkipitoisuuksia. Rautametallien sulametallurgia 50

51 Kuva 47. VODC konvertteri. Kuva 48. Vasemmalla: VODC konvertteri. Oikealla: VODC konvertteri ja kääntyvä kansi. Kuva 49. VODC konvertteri. Rautametallien sulametallurgia 51

52 Kuva 50. Vasemmalla: VODC konvertteri esikuumennuksessa. Oikealla: ʺPolttoalumiiniaʺ lämpötilan nostoa varten. Kuva 51. ʺPolttoalumiiniaʺ laitetaan konvertteriin esikuumennuksen jälkeen. Kuva 52. Sulan kaato VODC konvertteriin. Rautametallien sulametallurgia 52

53 Kuva 53. VODCkonvertterin ohjaamo. Kuva 54. Kannen siirto VODCkonvertterin päälle. Kuva 55. VODC konvertteri on kallistettu lämpötilan mittausta varten. Rautametallien sulametallurgia 53

54 Kuva 56. VODC konvertterista otettu näyte. Kuva 57. VODC konvertterista otettu näyte. VODC konvertteri on päärynän muotoinen korkealuokkaisella magnesiittisella materiaalilla vuorattu astia. VODC konvertteri eroaa AOC konvertterin rakenteesta mm. siinä, että se on käsittelyn ajaksi suljettu vesijäähdytetyllä kannella, jotta alipaineen syntyminen olisi mahdollista. Alipaine, joka on mbar mutta voi olla jopa vain 0,5 millibaria, kehitetään höyryejektoripumpuilla. Konvertteri on myös tehty laajemmaksi sulan teräksen pinnankorkeudelta kuin AOC konvertteri alipaineen vaikutuksen tehostamiseksi. Konvertterin pohjassa on suutin argonpuhallusta varten. Mellotus tapahtuu puhaltamalla konvertterin yläosasta vesijäähdytetyllä putkella eli lanssilla happikaasua sulan teräksen joukkoon. Happilanssi ei ulotu sulaan vaan sitä pidetään kuonan yläpuolella. Happi tunkeutuu suurella paineella kuonan läpi teräkseen. Puhallus voi tapahtua joko normaalissa ilmanpaineessa tai tyhjössä. Puhalluksella saadaan suurin osa hiilestä poltettua pois. Kun hiilipitoisuus on laskenut 0,2 0,1 %:iin aloitetaan tyhjömellotus ilman happikaasua. Kuten AOD konvertterissakin on sula teräs sulatettava sähköuunissa ennen panostusta VODCkonvertteriin. Sulan hiilipitoisuuden on oltava riittävän korkea prosessilämmön kehittämiseksi. Sulan lämpötilaa saadaan erittäin tehokkaasti nostettua seostamalla sulaan alumiinia, joka mello Rautametallien sulametallurgia 54

55 tuksessa hapettuu alumiinioksidiksi ja kehittää enemmän lämpöä kuin hiili hapettuessaan hiilimonoksidiksi. Tyhjömellotus perustuu CO kaasun osapaineen pienentämiseen, mikä helpottaa CO kaasun muodostusta (kuten argonin käyttö AOD konvertterissa) vieden hiilen mellotusreaktiota eteenpäin. Pelkistysvaiheessa kromia siirtyy kuonasta teräkseen ja rikkiä siirtyy teräksestä kuonaan. Samanaikaisesti puhalletaan konvertterin, pohjan läpi argonkaasua sulan teräksen sekoittamiseksi, mikä sekoittaa terästä ja kuonaa lisäten reaktiopintaa edistäen kaasujen ja rikin erkautumista sulasta. Tyhjömellotuksen aikana ei synny lämpöä, niin kuin puhallusmellotuksen aikana, vaan se on endoterminen lämpöä kuluttava reaktio. Lämpötilan lasku voi olla noin 50 ºC. Koska tyhjöllä on terästä tiivistävä vaikutus, ei pelkistysaineita tarvitse käyttää samassa määrin kuin AOD konvertterissa, mikä parantaa teräksen oksidikuonapuhtautta. VODC konvertterimenetelmän tärkeimmät edut ovat: Voidaan käyttää halpoja runsashiilisiä seosaineita. Voidaan pienentää kaikkien kaasujen, rikin ja sulkeumien pitoisuus teräksessä minimiin. Päästään helposti pienimpiinkin hiilipitoisuuksiin, jopa 0,002% C. Mellotuskaasujen puhdistus tapahtuu prosessin yhteydessä. Voidaan käyttää sulatusuuneja pelkästään sulaksiajoon. Voidaan saavuttaa hyvä analyysitarkkuus. Valulämpötiloja voidaan alentaa. Teräksen syöttömatkat valukappaleissa pitenevät. Valuterästen sitkeys ja väsymisominaisuudet paranevat ja valuviat vähenevät. VODC konvertterimenetelmän suurimpia varjopuolia ovat: Tulenkestävien vuorausten kulutus on suuri etenkin jaksottaisessa valimokäytössä. Lämmönhukka rajoittaa käsiteltävän panoksen minimisuuruuden noin 7 tonniksi. Laiteinvestoinnit kokonaisuudessaan ovat suuret samoin kattilalaitoksen perustamiskustannukset, ellei höyryä ole ennestään käytettävissä. Myös induktioupokasuuneissa voidaan tyhjökäsitellä terästä. Erikoisrakenteisen tyhjöinduktiouunin päälle asetetaan tyhjökansi kuten VODC konvertterissakin, jolloin uunitilaan saadaan pumpattua alipaine. Tyhjökäsittelyn vaikutus valuteräkseen Valuteräksen tyhjökäsittely Käsittelyn vaiheet eri terästyypeillä. Teräs sulatetaan aluksi romusta ja seosaineista lähelle tavoiteanalyysiä valokaariuunilla tai induktiouunilla. Terästyypistä riippuen konvertterilla tehdään kahdenlaisia käsittelyitä. Seostamattomille ja niukkaseosteisille valuteräslaaduille tehdään pelkkä kaasunpoistokäsittely. Siinä sulaa sekoitetaan argonpuhalluksella samalla kun konvertteriin imetään alle 5mbar paine. Käsittelyllä saavutetaan alhaiset kaasumaisten ja muiden epäpuhtauksien pitoisuudet. Kaasukuplituksen ja laajan kuonan ja teräksen välisen kontaktipinnan yhteisvaikutuksesta teräksen sulkeumapitoisuus saadaan varsin alhaiseksi. Runsasseosteisille teräslaaduille tehdään hapetus pelkistys tyhjökäsittely, jossa ensimmäisenä vaiheena on alipainemellotus. Tyhjön vaikutuksesta hapettumisen tasapainokäyrät muuttuvat siten, että hiili saadaan poistettua alle 0,01 Rautametallien sulametallurgia 55

56 % pitoisuuksiin hyvin alhaisilla seosainehäviöillä. Pelkistyksen jälkeen viimeisenä vaiheena on tyhjökäsittely alle 5mbar paineessa. Kaasu ja epäpuhtauspitoisuudet. Tyhjökäsitellyn teräksen kaasumaisista epäpuhtauksista voidaan tiivistetysti sanoa, että vety poistuu ilman vaikeuksia, kun taas typen poistuminen on voimakkaammin lähtötasosta riippuvaista. Tyhjöteräksen vetypitoisuus on konvertterissa alle 1,5ppm. Vetypitoisuutta ei normaalioloissa mitata, sillä vedyn aiheuttamaa haurautta tai huokoisuutta ei tyhjöteräsvaluissa esiinny. Typen haittavaikutuksina valuissa voidaan havaita iskusitkeyden alenemista, hauraita nitridikalvoja ja huokoisuutta. Liuennut happi on konvertterikäsittelyn jälkeen hyvin vakioitu noin 20 ppm tasolle sekä seostamattomissa että runsaasti seostetuissa teräslaaduissa. Valuteräkselle välttämätön tiivistys hapen sitomiseksi suoritetaan alumiinin lankalisäyksenä valusenkkaan. Tiivistyksen jälkeen liuennut happi on tasolla 3 ppm. Valuteräksen rikkipitoisuus rajoitetaan standardeissa usein arvoon 0,025 % sen sitkeyttä alentavan vaikutuksen vuoksi. Rikkipitoisuuden tyypillinen arvo tyhjökäsitellyissä teräksissä on 0,001 0,005 %. Konvertterissa tapahtuva melko voimakas sulan sekoittuminen kuonaan yhdistettynä inerttikaasukuplitukseen näyttää poistavan rikkiä tehokkaasti. Fosforin poistoon ei tyhjökäsittelyllä ole erityisesti pyritty, sillä fosforitaso on poikkeuksetta riittävän alhaisella tasolla ilman erityisiä toimenpiteitä. Sulkeumapuhtaus. Teräksen sulkeumapuhtauden luokittelu ASTM standardin E 45 mukaisesti osoittavat selvästi eron valokaariteräksen ja tyhjöteräksen sulfidi ja oksidipitoisuuksissa. Sekä sulaperäisistä että eksogeenisista sulkeumista pääosa on oksideita. Esimerkiksi ruostumattomissa teräksissä oksidisen hapen pitoisuus on heti konvertterikäsittelyn ja tiivistyksen jälkeen noin ppm. Sulkeumien määrän lisäksi niiden koko ja tyyppi vaikuttavat merkittävästi niiden haitallisuuteen valuteräkselle. Loppukappaleessa tyypillinen sulkeumakoko on alle 5 mikrometriä. Puhdas alumiinioksidisulkeuma on mm. valettavuuden, väsymislujuuden ja koneistettavuuden kannalta harmillisempi kuin kalsiumaluminaatti tai Al2O3/MnS sulkeuma. Näistä syistä valuteräkseen, myös tyhjökäsiteltyyn valuteräkseen, voidaan tarvittaessa lisätä kalsiumia CaSi lankana senkkakäsittelyssä. Tyhjökäsittely ja valukappaleen valmistusprosessi Sulatusprosessin tuottavuus. Ruostumattomat valuteräkset mellotetaan konvertterin alipaineessa. Tällöin raaka aineena voidaan käyttää runsashiilisiä, edullisempia seosaineita, ja silti päästä erittäin alhaisiin hiilipitoisuuksiin lopputuotteessa. Toinen raaka ainevalintoihin liittyvä seikka perustuu valimon sisäisen kiertoromun korkeaan laatuun. Valukappaleiden syöttökuvut ja valukanavistot, joita on yhteensä painoltaan jopa puolet itse valukappaleen painosta, ovat tyhjökäsiteltyä kaasupitoisuuksiltaan alhaista terästä. Sitä voidaan käyttää sekä valokaari että induktiosulatuksissa raakaaineena lähes rajoituksetta, kun normaalisti valimot ovat pakotettuja rajoittamaan kiertoromun käyttöä siihen rikastuvien epäpuhtauksien vuoksi. Valokaariuunin käyttö pelkkään sulaksiajoon antaa lisäksi ainakin teoriassa mahdollisuuden nopeuttaa teräksen valmistusprosessia, sillä mellotus ja sulan käsittely kaksikuonamenetelmällä on aikaa vievä prosessi. Jos vaihtoehtona tälle on sulatus valokaariuunilla ja sulan käsittely konvertterissa, voidaan sulatusten välistä aikaa vähentää jopa neljänneksellä. Tyhjöteräksen puhtauden säilyminen tyhjöstä muottiin. Teräksen laatu heikkenee väistämättä kaadettaessa sitä konvertterista valusenkkaan ja valusenkasta suutiilen kautta muottiin. Jos kaasupitoisuudet kohoavat vain hieman ja kokonaissulkeumapitoisuuden muutos on vähenevä, voidaan sulan siirtoprosessin katsoa olevan hallinnassa. Vedyn pitoisuus normaaliolosuhteissa nousee konvertterista muottiin siirryttäessä enintään puolestatoista ppm:sta noin kahteen ppm:aan. Tätä Rautametallien sulametallurgia 56

57 suuremman vetypitoisuuden nousun voi aiheuttaa kosteus muotissa tai senkassa tai muottiaineiden ja sulan väliset reaktiot. Kuten edellä todettiin, tyhjöteräksen sulfidisulkeumien määrä on hyvin alhainen, joten kokonaissulkeumapitoisuutta edustaa parhaiten kokonaishappipitoisuus. Valusenkan vuorauksen ja kuonan toimiessa halutulla tavalla kokonaishappipitoisuus alenee konvertterikäsittelyn jälkeen, kun sulkeumia poistuu sulasta kuonarajapinnalle. Teräksen valettavuus ja pinnanlaatu. Valettavuus kuvaa teräsvalussa sulan syöttömatkaa, sulan homogeenisuutta ja valukappaleen imuvirheettömyyttä. Valettavuutta mitataan mm. matkana, jonka sula täyttää poikkileikkaukseltaan vakiomittaisessa pitkänomaisessa muotissa. Vain vakiolaatuinen ja puhdas terässula käyttäytyy laskennallisten mallien mukaisesti. Syöttömatka on tyhjöteräksellä pidempi kuin epäpuhtaammalla valuteräksellä. Sulkeumapuhtaus on valukappaleilla tavoiteltavaa erityisesti siksi, että oksidiset sulkeumat toimivat luontevana ydintymiskohtina kaasuhuokosille. Valukanavistosta muottiin menevän sulan pyörteisyyttä ei täysin pystytä poistamaan, jolloin sulaan voi sekoittua kaasuja ympäröivästä ilmasta tai suojakaasusta. Samoin ns. muottireaktiot sulan ja muottiaineiden välillä voivat aiheuttaa kaasukuplien muodostusta teräkseen muotissa. Kaasuhuokoset nousevat tyypillisesti valumuotin yläpintaan ja niiden määrä on sitä pienempi, mitä vähemmän sulassa on oksidisia sulkeumia ja liuenneita kaasuja. Tyhjökäsittely ja valuteräksen ominaisuudet Mekaaniset ominaisuudet. Verrattaessa analyysiltään täysin vastaavaa valuterästä tyhjökäsiteltyyn valuteräkseen on useimmissa tapauksissa havaittu noin 10 %:n ero sekä staattisissa että dynaamisissa mekaanisissa kokeissa. Eroa on selitetty sekä vähäisemmillä sulkeumilla että pienemmillä liuenneiden epäpuhtauksien määrillä. Sekä murtokurouma että murtovenymä ovat tyhjöteräksellä usein korkeammat kuin tyhjökäsittelemättömällä vastaavalla teräksellä, vaikka ero ei ole yksiselitteinen. Erityisesti iskuenergia matalissa lämpötiloissa on huomattavan korkea. Vedyn aiheuttamia haurausilmiöitä ei tyhjökäsitellyissä valuteräksissä esiinny käytännössä lainkaan. Hitsattavuus. Teräsvalukappaleiden valmistuksessa ja käytössä hitsattavuudella on hyvin suuri merkitys. On tavoiteltavaa, että teräsvalua voidaan valmiina hitsata ilman esilämmitystä ja ilman tarvetta jälkilämpökäsittelyyn. Teräksen matala vetypitoisuus ja hiilipitoisuus parantavat hitsattavuutta. Ensisijaisen tärkeää hyvä hitsattavuus ilman esilämmitystä ja ilman tarvetta jälkilämpökäsittelylle on offshorevaluille, joita hitsataan esimerkiksi öljynporauslautan runkorakenteisiin tai vedenalaisiin kaasulinjoihin käyttökohteessaan. Samasta syystä myös suurissa vesiturbiinivaluissa, joissa käytetään martensiittisia ruostumattomia teräksiä, pyritään hitsattavuutta lisäämään alhaisella hiilipitoisuudella. 13Cr 4Ni ja 16Cr 5Ni Mo terästen hiilipitoisuus on standardeissa tyypillisesti rajoitettu alle 0,06 %:iin tai 0,03 %:iin, mutta käytännössä mm. hitsattavuuden vuoksi tavoitellaan arvoa 0,01 % C. Koneistettavuus. Tyhjöterästä koneistettaessa terän kestoikä on samoilla asetuksilla suurempi kuin valokaariuunissa sulatetun teräksen. Ero johtuu lähinnä valokaariteräksen suuremmasta alumiinioksidisulkeumien määrästä. Vielä suurempi on ero tavallisen valokaariuunisulatetun teräksen ja senkkakäsitellyn tyhjöteräksen välillä. Korroosionkesto. Esimerkkejä valuteräksistä, joissa matala hiilipitoisuus on ominaisuuksien kannalta erittäin suotavaa, ovat austeniittiset ja austeniittisferriittiset duplex teräkset. Valetut duplexteräkset ovat raerajojen herkistymiselle käytännössä immuuneja, jos hiilipitoisuus saadaan rajoitettua alle 0,01 %:n. Rautametallien sulametallurgia 57

58 Raekoko. Raekokoon ei sulan puhtaudella ole todettu olevan suoranaista merkitystä. Välillinen positiivinen vaikutus mm. sitkeyteen on eräissä tapauksissa havaittavissa, sillä parempi sulan juoksevuus (valettavuus) antaa mahdollisuuden käyttää alempaa valulämpötilaa. Valulämpötilan alentaminen on sulamisalueen laajuudesta riippuen tehokas keino pienentää valukappaleen raekokoa ja siten parantaa aineen mekaanisia ominaisuuksia. Hiilenpoisto Hiilenpoisto tapahtuu seuraavan reaktion mukaisesti: C + O = CO Alentamalla painetta pienenee CO:n osapaine, jolloin reaktio saadaan kulkemaan pidemmälle ja teräksen hiili ja happitaso laskevat. Hiilenpoisto tapahtuu kahdessa vaiheessa: 1. Paineen laskiessa alle 0,6bar aikaa muodostua CO kuplia, jotka nousevat nopeasti pintaan. Tällöin C pitoisuus laskee jyrkästi. 2. C pitoisuuden laskiessa sulassa alle 0,007% hiili poistuu Ar kuplien mukana. Reaktio ei ole niin voimakas kuin ensimmäisessä kohdassa. Hiilenpoisto paranee nostamalla pohjahuuhtelun virtausnopeutta. Tehokkaan hiilenpoiston edellytykset Sulassa tai kuonassa tulee olla riittävästi happea, n ppm. Hiilenpoistokäsittelyn kesto riippuu halutusta loppuhiilipitoisuudesta. Tyhjökäsittelyssä saavutettavaan hiilipitoisuuteen vaikuttaa teräksen hiilipitoisuus ennen käsittelyä, joten hiili on puhallettava jo ennen sitä mahdollisimman alas eli tasolle 0,02 0,03 %. Huuhteluvirtauksen tulee olla riittävän voimakas. Hiilenpoistoa vakumoinnin aikana voidaan lisätä erityisesti kasvattamalla aineensiirtopinta alaa sulassa eli muodostamalla paljon pieniä kaasukuplia suurilla huuhtelukaasun virtausnopeuksilla. Teräksen lämpötila ennen käsittelyä on n ºC. Lämpötilan ja paineen vaikutus reaktioon on samansuuntainen, mutta paineena huomattavasti suurempi. Hiilenpoisto käynnistyy heti paineen laskiessa alle ilmanpaineen, mutta kuluu jonkin aikaan ennenkuin reaktionopeus saavuttaa maksiminsa. Lopuksi reaktio hidastuu ja jatkuu esim. vain voimakkaan Ar huuhtelun ansiosta. Käsittelyn kestoa ja voimakkuutta ohjataan seuraamalla poistokaasun CO pitoisuutta ja säätämällä pohjahuuhtelun virtausnopeutta. Reaktio on alussa niin voimakas, että huuhtelu pidetään mahdollisimman pienenä. CO pitoisuuden kääntyessä laskuun reaktion kestoa pidennetään kasvattamalla huuhteluvirtausta. Vedynpoisto Vetyä pidetään nykytietämyksellä teräksen epäpuhtautena. Syy tähän on vedyn aiheuttamat sisärakenneviat teräksessä. Huomattavaa kuitenkin on, että vetypitoisuudelle on olemassa kriittisiä rajoja, jotka määräytyvät monen tekijän yhteisvaikutusten kautta. Yksi tärkeimmistä on teräksen rakenne jähmeässä tilassa. Teräksen rakenteen määräävät tekijät (mm. seostus) asettavat ʺyleiset rajatʺ vety Rautametallien sulametallurgia 58

59 pitoisuudelle. Lisäksi on muistettava, että kunkin tuotantolaitoksen paikalliset prosessiolosuhteet muokkaavat vedynpoiston tarvetta. Vedynpoistoa teräksestä voidaan tehdä sekä kiinteästä että sulasta tilasta. Kiinteästä teräksestä vetyä voidaan poistaa hehkuttamalla terästä. Vedynpoistoa sulasta on tehty monenlaisilla keinoilla, mutta nykyään vedynpoisto suoritetaan pääasiassa tyhjökäsittelyssä. Tehokkaan vedynpoiston edellytykset. Valokaariuunilta tulevalla sulalla on oleellinen merkitys tyhjökäsittelylle. Riittävä lämpö, sopiva tiivistys ja kuonaton kaato ovat perusedellytykset hallittavissa olevalle tyhjökäsittelylle. Huonosti hallittu kaato (uunikuona) ja tiivistämätön teräs asettavat vakumointiolosuhteet äärettömän kriittisiksi ja siksipä usein näitten seurauksena teräs kuohuu vakuumissa senkasta ulos aiheuttaen häiriöitä prosessille. Tyhjökäsittelyssä tapahtuvia kuohumisreaktioita kontrolloidaan alipaineen avulla. Argon kaasun tehtävänä on sekoittaa sulaa ja saada vety nopeammin rajapinnalle atmosfääriä vastaan. Huuhtelun avulla pystytään sulan pinta pitämään avonaisena ja tehostamaan myös näin vedynpoistoa. Vedynpoistolle on käytännössä rajoittavana tekijänä vakuumiprosessiin käytettävissä oleva aika, jonka määräävät tuotannolliset tekijät sekä sulan lämpöhäviöt. Lämpötilan merkitys tulee esiin myös seostuksen yhteydessä. Riittämätön lämpötila ja suuri määrä seostettavia aineita saavat vakuumiprosessin ʺkeitonʺ hyytymään ja tuolloin vedynpoisto lakkaa tyystin. Typenpoisto Riippuen teräslaadusta ja sen käyttötarkoituksesta typpi käsitetään joko seosaineeksi tai epäpuhtaudeksi. (Lisätietoa typen erilaisista vaikutuksista teräkseen saat edempää.) Se kuitenkin käsittelee typpeä epäpuhtautena. Typen poistoa tarkasteltaessa sen oletetaan tapahtuvan sulasta teräksestä suoraan kaasufaasiin. (Poikkeuksena tästä on nitridinmuodostuminen). Typen pitoisuuden alentamiseen käytetään tyhjökäsittelyä. Typenpoisto on periaatteessa mahdollista myös seostamalla teräkseen voimakkaita nitridin muodostajia, jolloin prosessitapahtuma on verrattavissa saostusdeoksidaatioon. Typen liukoisuutta sulaan teräkseen pienentävät matala lämpötila ja alhainen atmosfäärisen typen osapaine sekä seosaineista esimerkiksi C ja Si. Typen liukoisuutta kasvattavat esimerkiksi Cr ja Mn. Typpi voi liueta huuhtelukaasuun tai esimerkiksi sulaan ydintyneeseen CO kaasuun. Typenvaihto voi tapahtua myös suoraan sulan ja atmosfäärin välillä, kun ne ovat kosketuksissa toisiinsa. Normaalipaineessa ilman typpi pyrkii liukenemaan sulaan, mutta riittävän alhaisissa paineissa suunta kääntyy toisin päin. Typpeä ja muita kaasuja (vety, CO) poistetaan käsittelemällä teräs tyhjössä. Tyhjökonvertteriprosessia pidetään selvästi tehokkaampana liuenneiden kaasujen poistajana kuin inerttiä kaasukuplitusta tai hiilen normaalipaineessa tapahtuvaa mellotusta. Eri menetelmien vertailua vaikeuttaa prosessien erilaisuus, sillä käsittelyajat, kaasumäärät ja sulakäsittelyerän koko vaihtelevat. Karkea arvio on, että tyypillisen tyhjökäsittelyn aikana tiivistämättömästä sulasta poistuu parhaimmillaan 90% vedystä ja hiilestä, mutta vain 10% typestä. Typenpoiston tehostamiseksi käytetään normaalia pidempää tyhjökäsittelyä yhdessä voimakkaan Ar huuhtelun kanssa sekä nitridinmuodostajien seostamista teräkseen. Typpimäärän vähetessä ero tasapainoon kasvaa. Jos alkupitoisuus on korkea, ei kovin alhaisiin typpipitoisuuksiin päästä normaalin käsittelyajan puitteissa. Tyhjökäsittelyllä osa typen liukenemisesta saadaan kompensoitua, mutta käsittelyn jälkeen typettyminen jatkuu. Mitä suurempi on alkuperäinen valokaariuunisulan typpipitoisuus, sitä enemmän typpipitoisuus vähenee tyhjökäsittelyssä. Toisin sanoen mitä vähemmän typpeä on sulassa jäljellä, sen vaikeampi sitä on poistaa. Normaaliatmosfäärissä typen liukenemiselle on yleensä olemassa ajava voima. Sen tähden liukenemista takaisin sulaan teräkseen tapahtuu, kun teräs on suorassa kosketuksessa ilman kanssa. Varsinkin hyvin onnistuneen poistokäsittelyn jälkeen liukeneminen on voimakasta. Yksi tyhjökonvertterilla sulaa käsittelevän valimon suurimmista haasteista onkin sulan pitäminen puhtaana ja epäpuhtauskaasuista vapaana myös käsittelyn jälkeen. Esim. CaSi injektio saa aikaan sulan sekoi Rautametallien sulametallurgia 59

60 tuksen ja kosketuksen ilman kanssa, joten takaisinliukeneminen on käsittelyn aikana voimakasta. Erinäisillä toimenpiteillä, kuten valusenkan materiaalivalinnoilla, kuonan hallinnalla sekä valusuihkun ja muotin suojaamisella pystytään terässulan typettymistä eli tyhjökäsittelyn jälkeisistä valmistusvaiheista aiheutuvaa sulan typpipitoisuuden kasvua pitämään kohtuullisen pienenä, mutta tyystin ei ilmiötä voida nykytekniikalla poistaa. Typpi voi muodostaa nitridejä korkeissakin lämpötiloissa. Nitridien erkautuminen laskee liuenneen typen määrää. Nitridisulkeuman nousu kuonaan on kuitenkin hitaampaa kuin esimerkiksi oksidisulkeuman johtuen mm. nitridien suuremmasta tiheydestä. Kun typen konsentraatio on alhainen, sula pyrkii suorastaan imemään typpeä ilmasta. On siis hyvin tärkeää estää sulan kontakti ilman kanssa typenpoiston jälkeisissä prosesseissa. Nitridinmuodostajia voidaan käyttää typen erkauttamiseen kiinteästä liuoksesta. Titaani on voimakas nitridinmuodostaja. Riittävän suurilla titaaniseostuksilla typpeä voi erkautua jo sulasta liuoksestakin. Esimerkiksi 0,1 %:n Ti pitoisuutta vastaava liuenneen typen tasapainopitoisuus 1550 ºC:ssa niukkaseosteisiin teräksiin on n. 80 ppm ja ruostumattomiin n. 500 ppm. Muiden aineiden (V, Nb, Al, B) nitridinmuodostuskyky on sulan teräksen lämpötiloissa mahdollista ainoastaan suurilla seosmäärillä. Lisäksi lähes kaikki nitridinmuodostajat kasvattavat teräksen typenliuotuskykyä. Typpi muistuttaa kemialliselta käyttäytymisellään vetyä. Typenpoistoon vaikuttavat kuitenkin vetyä enemmän sulassa olevat pinta aktiiviset aineet. Tiukimmat typpivaatimukset ovat melko ankarat, jos niitä verrataan tasapainopitoisuuksiin. Esimerkiksi tietyillä teräksillä liuenneen typen tulisi olla alle 30ppm:aa, joka on noin 7/100 tasapainopitoisuudesta normaalipaineessa, kun tiukimmat vetyrajat (~1ppm) ovat vain noin 1/3 tasapainopitoisuudesta. Typen poistamiseen teräksestä käytetään suuria huuhtelukaasumääriä. Lisäksi atmosfäärin paineen alentaminen tehostaa huuhtelukaasun vaikutusta, ja mahdollistaa typenpoiston myös suoraan sulasta tyhjöön. Typen poistuminen teräksestä tapahtuu huomattavasti hitaammin kuin esimerkiksi vedyn. Yksi syy tähän eroon on jo edellä mainitut pinta aktiiviset aineet. Lisäksi typen diffuusio sulassa teräksessä on huomattavasti hitaampaa kuin vedyn (se on noin kymmenesosa vedyn vastaavasta nopeudesta). Toisaalta verrattaessa typen diffuusiokerrointa hiilen ja hapen vastaaviin kertoimiin huomataan, että typen diffuusio on kuitenkin nopeampaa kuin hiilen ja hapen. Käytännössä teräksen typpipitoisuudet ovat yleensä huomattavasti tasapainopitoisuuksia alhaisemmat. Koska niukkaseosteisen teräksen typen tasapainopitoisuus on normaaliolosuhteissa n. 410ppm, on olemassa koko ajan ajava voima teräksen typettymiselle. Typen vaikutus teräksen ominaisuuksiin Typpi vaikuttaa teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin, ruostumattomissa teräksissä myös korroosio ominaisuuksiin. Liuennut typpi lujittaa teräksen mikrorakennetta. Se aiheuttaa ferriitissä myötövanhenemista sekä nostaa iskusitkeyden transitiolämpötilaa. Kylmämuokkauksen jälkeisessä panoshehkutuksessa nitridejä erkauttamalla voidaan alumiinitiivistetyn teräksen kylmämuokattavuutta lisätä, mutta jatkuvan hehkutuksen aikana nitridejä ei ehdi erkautua, ja kylmämuokkautuvuus jää heikommaksi. Typpi lisää ferriittisten ruostumattomien terästen riskiä raerajakorroosioon, mutta vähentää pistekorroosiota austeniittisissa teräksissä. Typpi stabiloi austeniittista rakennetta, mikä on ferriittisessä ruostumattomassa teräksessä haitallista, mutta edullinen ominaisuus austeniittisessa ruostumattomassa. Austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä typpi on kaikkein tehokkain kiinteää liuosta lujittava aine, 0,1 %:n typen lisäyksellä saadaan aikaan n. 200 MPa:n lujuuden kasvu. Typpi lisää myös austeniittisen ruostumattoman teräksen lujuutta hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Typpi sekä hiilipitoisuudet vaikuttavat martensiittisten ruostumattomien terästen (12Cr MoV) päästökäyttäytymiseen. Typpi ja hiilimäärän lisäys kasvattaa teräksen päästönjälkeistä kovuutta. Sekä typpi että hiili ovat austeniittia stabiloivia aineita, eivätkä siten vaadi kompensoivia seostuksia säilyttämään haluttu austeniitti martensiitti rakenne, kuten esim. Mo ja V, jotka vaativat lisäksi Ni seostuksen. Rautametallien sulametallurgia 60

61 Välisija atomeista vapaat teräslaadut ovat pehmeitä, hyvin kylmämuokkautuvia teräksiä, joissa liuenneen typen pitoisuus pyritään saamaan mahdollisimman alhaiseksi. Tähän tarkoitukseen käytetään tyhjökäsittelyä. Typenpoisto on periaatteessa mahdollista myös seostamalla teräkseen voimakkaita nitridin muodostajia, jolloin prosessitapahtuma on verrattavissa saostusdeoksidaatioon. Myös teräksissä, joissa boorin mikroseostuksella haetaan teräkseen voimakasta karkenevuutta, on typpi epäpuhtaus, koska boori on pidettävä teräkseen liuenneena. Boorinitridin muodostus estettään pitämällä typpitaso riittävän alhaisena, ja saostamalla teräkseen voimakkaita nitridinmuodostajia kuten titaania. Typpeä lisätään myös hienoraeteräksiin, joissa se sidotaan stabiileiksi nitrideiksi alumiinilla, titaanilla tai niobilla. Nämä nitridit estävät rakeenkasvua lämpökäsittelyjen yhteydessä. Rikinpoisto Rikki on yksi tärkeimmistä teräksen epäpuhtauksista. Teräslajista riippuen vaatimukset rikkipitoisuudelle ovat nykyisin huomattavia. Kuitenkin teräksen valmistusprosessit ja niiden hallinta ovat vuosien kuluessa kehittyneet siinä määrin, että on mahdollista toistettavasti tuottaa erittäin matalia teräksen rikkipitoisuuksia. Avainasemassa ovat nykyiset senkkakäsittelyprosessit, joilla on mahdollista päästä vain muutamien miljoonasosien rikkipitoisuuteen. Teräksen rikinpoiston edellytykset. Teräksen rikinpoisto tapahtuu teräksen ja kuonan välisenä reaktiona: CaO + S = CaS + O Tavallisesti kuonan peruskomponenttina on kalkki (CaO). Rikinpoisto edellyttää kuonalta ja teräkseltä seuraavia ominaisuuksia: emäksinen kuona kuonan korkea rikkikapasiteetti eli kyky sitoa rikkiä riittävä kuonamäärä matala teräksen happipitoisuus, eli tiivistetty teräs (Al, Si) matala kuona (FeO, MnO) pitoisuus, jotta rikinpoiston aikana kuona ei syötä happea teräkseen (kuonanpidätys!) teräksen korkea lämpötila edistää rikinpoistoreaktiota. Rikinpoistossa on siis tärkeää hallita kuonan koostumus ja teräksen tiivistys. Tyypillinen rikinpoistokuona on mahdollisimman emäksinen, mutta kuitenkin sula. Seuraavassa taulukossa on esitetty esimerkki sopivasta kuonan koostumuksesta. Taulukko 2. Ainesosa Sopiva rikinpoistokuonan koostumut Pitoisuus CaO % SiO % Al2O % FeO, MnO < 0,5 % (CaF2, MgO 0 10 %) Rautametallien sulametallurgia 61

62 Kalkin liukenemista ja siten emäksisyyttä voidaan kasvattaa lisäämällä kuonaan flukseja, tavallisimmin fluspaattia CaF2. MgO lisäyksellä on myös kuonaa fluksaavan vaikutuksen lisäksi senkkavuorausta suojaava ominaisuus. Koska rikinpoistoreaktio tapahtuu kuonan ja teräksen rajapinnalla, on kontaktipinnan oltava mahdollisimman suuri. Hyvälläkään kuonalla ei rikkiä saada poistettua, ellei teräksen ja kuonan sekoitus ole riittävä. Ainoa keino riittävän sekoituksen aikaansaamiseksi on sulan voimakas kaasuhuuhtelu. Teräksen tyhjökäsittelyssä tyhjö lisää sulaan purkautuvan kaasun sekoitustehoa. Rikinpoistokuonan on oltava mahdollisimman sula, jotta reaktionopeus on mahdollisimman suuri. Kuonan emäksisyyttä ei voida kasvattaa rajattomasti, koska osa kalkista jää tällöin liukenematta ja lisää kuonan viskositeettia. Jos kuona on alikyllästeinen kalkin suhteen, ei se pysty poistamaan rikkiä tehokkaasti vaikka olisikin täysin sulaa. Korkea lämpötila parantaa rikinpoistoa. Lämpötila sekä nopeuttaa reaktioita että lisää kalkin liukoisuutta kuonaan. Neljäs tekijä rikinpoistossa on aika. Oikeissa olosuhteissa heikollakin sekoituksella on mahdollista poistaa rikkiä, jos käsittelyaikaa olisi käytettävissä rajattomasti. Happi ja kuonapuhtaus Pelkistävän senkkakäsittelyvaiheen onnistuminen teräksen sulatuksessa on perusedellytys matalan happitason ja hyvän kuonapuhtauden saavuttamiselle. Toisaalta senkkakäsittelyn onnistuminen ei vielä takaa hyvää lopputuotteen kuonapuhtautta: valuvaiheessa on pystyttävä estämään myös puhtaan sulan uudelleen hapettuminen. Periaatteena teräksen tiivistyksessä on siihen hapettavassa vaiheessa liuenneen hapen poistaminen. Aluksi lisätty deoksidaatioaine reagoi liuenneen hapen kanssa ja syntyy oksideja, joiden poistamisesta on senkkakäsittelyssä huolehdittava. Mitä voimakkaampaa hapen sitoja ainetta eli deoksidanttia käytetään, sitä matalampaan liuenneen hapen pitoisuuteen voidaan päästä. Senkkakäsittelyvaiheessa on otettava tiivistysaineen lisäyksen lisäksi huomioon syntyneiden sulkeumien poistaminen ja reoksidaation eli uusien sulkeumien syntymisen estäminen. Vakuumissa hiili toimii jopa alumiinia tehokkaampana deoksidanttina. Hiilideoksidaation reaktiotuotehan on kaasu, jolloin kiinteitä oksidisulkeumia ei lainkaan synny. Tyhjötiivistyksellä onkin helppo hallita liuennutta happitasoa ja sillä saadaan vastaavasti säästöjä esimerkiksi käytetyissä alumiinimäärissä. Toisaalta täysin tiivistämättömän sulan vakuumikäsittelyä on vaikea hallita voimakkaan mellotusreaktion vuoksi. Yleisesti ollaan yksimielisiä seuraavista periaatteista, kun on kyse oksidisulkeumien poistamisesta ja reoksidaation estosta senkkakäsittelyssä: Tiivistysaineen pitoisuuden ja sitä kautta liuenneen happipitoisuuden hallinta. Hapettavan uunikuonan mukaantulon estäminen. Atmosfäärisen hapettumisen estäminen suojaamalla sulan pinta koko käsittelyn ajan. Pelkistävän sulan sulkeumia sitovan pintakuonan muodostaminen. Riittävän sekoituksen ja kierrätyksen saaminen sulaan. Termodynaamisesti stabiili senkkavuoraus. Käytännössä ei kuitenkaan päästä niin matalaan kokonaishappitasoon eli oksidisulkeumapitoisuuteen, ettei sulkeumilla olisi merkitystä. Lisäksi matalahappinen teräs aina enemmän tai vähemmän reoksidoituu sekä senkkakäsittelyssä että valuvaiheessa. Teräksen sulkeumakoostumus määräytyy periaatteessa sulan deoksidaatioaineiden pitoisuuksien perusteella. Esimerkiksi alumiinitiivistetyllä teräksellä oksidisulkeumat ovat alumiinioksideja. Käytännössä deoksidaatio ja reoksidaatioreaktioihin osallistuvat useat alkuaineet, jolloin sulkeumien tasapainokoostumus on vastaavasti usean komponentin yhdistelmä. Vaikka alumiinitiivistyksellä päästäänkin matalaan kokonaishappitasoon ja hyvään kuonapuhtauteen, sillä on myös haittoja. Alumiinitiivistetyssä teräksessä olevat alumiinioksidit ovat hauraita Rautametallien sulametallurgia 62

63 kovia sulkeumia. Lisäksi alumiinioksidit pyrkivät takertumaan ja kasvamaan senkkojen suutiiliin vaikeuttaen valamista. Jos alumiinitiivistettyyn terässulaan syötetään kalsiumia, muuttuvat alumiinioksidit matalammalla sulaviksi kalsiumaluminaateiksi. Kalsium reagoi helposti myös rikin kanssa, jolloin muodostuu kalsiumsulfidia tai kalsiummangaanisulfidia. Sulfidi taas erkautuu oksidin yhteyteen omana faasinaan ainakin korkeammalla rikkitasoilla, jolloin sulkeumarakenne on kalsiumkäsitellyssä teräksessä aina monimuotoinen. Jos rikkipitoisuus on matala (0,010 %), ei kalsiumsulfidin muodostumisella ole käytännössä merkitystä. Alumiinioksideista päästään helposti eroon sopivalla kalsiumin syöttömäärällä. Jos sula sitä vastoin sisältää suurempia määriä rikkiä, voi kalsiumsulfidin muodostuminen tehdä uuden ongelman. Kalsiumsulfidi on teräksen valulämpötiloissa kiinteä ja muodostaa alumiinioksidin tavoin helposti valukanavistoon ja senkkojen suutiiliin ahtautumia. Kalsiumkäsittelyssä onkin löydettävä sopiva tasapaino reaktiossa kaksi: 3Ca + (Al2O3)sulk = 2Al + 3(CaO)sulk (1) 3(CaO)sulk + 2Al + 3S = 3(CaS)sulk + (Al2O3)sulk (2) Mitä enemmän teräksessä on rikkiä sekä alumiinia ja sitä kautta vähemmän happea sitä helpommin kalsiumsulfidia alkaa muodostua. Alumiinitiivistettyä korkearikkistä terästä ei siis kannata kalsiumkäsitellä valettavuuden parantamiseksi. Rikkipitoisuuden noustessa kannattaa usein myös pienentää kalsiumin syöttömäärää. Kalsiumsulfidia saattaa syntyä reaktioyhtälön (2) mukaan myös ilman varsinaista kalsiumkäsittelyä, esimerkiksi runsaasti CaO:ta sisältävänä pintakuonalla tai dolomasenkoilla. Lähteet: Autere E., Ingman Y. & Tennilä P. ʺValimotekniikka Iʺ Arola Raimo ʺTeräsvalun kuonapuhtauden ja mekaanisten ominaisuuksien kehittäminen sulakäsittelyjä hyväksi käyttäenʺ Jonuleit M. & Ebert B. ʺDuctile Iron Production with cored wireʺ Keskinen Raimo ʺValumetallien sulatusʺ Toivonen Pentti ʺSulatustekniikka ja materiaalioppiʺ Lindstedt Anja ʺHiilenpoistoʺ Muranen Antti ʺVedynpoistoʺ Niini Eero ʺValuraudatʺ Pekuri Janne & Virtanen Pirjo ʺTypenpoistoʺ Lilja Jarmo ʺRikinpoistoʺ Virtanen Pirjo ʺTyhjökäsittelyn vaikutus valuteräkseenʺ Väinölä Reima ʺHappi ja kuonapuhtausʺ Ranta Tapio ʺSenkkainjektoinnin käyttömahdollisuudet teräsvalimoissaʺ Rautametallien sulametallurgia 63