MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 7. Luento Ke 18.11.2015 Peitosteet / Valupulverit teräksen valmistuksessa Marko Kekkonen Peitosteet/Valupulverit väliallas kokilli Peitosteita käytetään välialtaassa. Valupulvereita syötetään kokilliin. 2 1
Peitosteet/Valupulverit Peitoste Väliallas Valupulveri Kokilli 3 Väliallas Teräksen laatuvaatimukset kasvavat koko ajan. Väliallasvaihe on teräksen valmistuksen viimeinen prosessivaihe, jossa teräksen laatuun voidaan merkittävästi vaikuttaa - parantamalla sitä - mutta myös huonontamalla sitä Teräksen epäpuhtaudet, ppm Taulukko. L. Holappa, On Physico-Chemical and Technical Limits in Clean Steel Production. Steel research int. 81 (2010) No. 10, pp. 869-874. 4 2
Väliallas Esim. happi vaikuttaa negatiivisesti teräksen valettavuuteen, jatkojalostukseen ja tuoteominaisuuksiin. Mahdollisia reoksidaation lähteitä ovat: - tulenkestävät materiaalit - atmosfäärin happi - mahdollinen senkkauunin kuona jos pääsee välialtaaseen (korkea FeO, SiO 2 ) - peitoste 5 oksidisulkeumia 30 ppm = 0.003% Lähde: Lauri Holappa, Teräksen teko. Tekniikan päivät 14-15.1 2010, Dipoli 6 3
Peitosteen eli väliallaskuonan tehtävät Kyky sitoa teräksen oksidisulkeumat tehokkaasti: fi pintaenergeettiset ominaisuudet kyky liuottaa ko. oksideja (esim. Al 2 O 3 -kapasiteetti), mutta ei itse dispergoidu teräkseen Toimii lämpöeristeenä: estää lämmön säteilyä ja johtumista metallista atmosfääriin Estää atmosfäärin ja metallin välisiä reaktioita: - ilman aiheuttama hapettuminen eli reoksidaatio, - typen ja vedyn liukeneminen Ei saa olla aggressiivinen vuorausmateriaaleja kohtaan 7 Kerroksellinen väliallaskuona Vaadittavista ominaisuuksista johtuen käytetään (tapauksista riippuen) kerroksellista kuonaa. - Aloituspulveri (starting powder) helposti sulava ja nopeasti levittyvä - Peitepulveri (cover powder) Alempi kerros sulaa kuonaa - estää teräksen uudelleenhapettumisen - ottaa vastaan sulkeumia - huono lämpöeriste Päällä kiinteä pulverikerros - toimii lämpöeristeenä 8 4
Kerroksellinen väliallaskuona ~ 2 cm paksu 1550ºC 9 Väliallas 10 5
Väliallaspulvereita Väliallaskuonan koostumus riippuu pääasiassa teräksen laadusta ja välialtaan vuorauksesta. Kuona koostuu Al 2 O 3 CaO MgO SiO 2 -komponenteista Jotkut tehtaat eivät käytä aloituspulveria lainkaan Ovako Bar, Imatra * Ennen: - Aloituspulveri: Ca-aluminaatti, jossa SiO 2 :a noin 23% (emäksinen) - Peitepulveri: SiO 2 -pitoisuus noin 40% (hapan) Nykyään: - Vain yksi peitoste (Ca-aluminaatti, jossa SiO 2 :a noin 5%) *Lähde: Risto Sandholm (Ovako Bar Oy Ab), Kuonapuhtaudeltaan vaativien terästen jatkuvavalu, Moderni teräksen valmistus Prof. Lauri E. Holapan juhlaseminaari, 22-23.10.2008, POHTO, Oulu 11 Teräksen kuonapuhtaus Mahdolliset hapettumismekanismit välialtaassa 12 6
Teräksen kuonapuhtaus Mahdolliset hapettumismekanismit välialtaassa Ilman vaikutuksesta tapahtuva hapettuminen (1) pystytään nykyään minimoimaan hyvin tehokkaasti: - pitkät suukappaleet - liukusuljin - argonsuojaus 13 Teräksen kuonapuhtaus Mahdolliset hapettumismekanismit välialtaassa Ilman vaikutuksesta tapahtuva hapettuminen Ovako Imatran uusi Väliallas varustettu kannella fi lämpöhäviöt pienemmät fi voidaan käyttää korkeammassa lämpötilassa sulavaa emäksistä aktiivista kuonaa Lähde: Risto Sandholm, Kuulalaakeriterästen jatkuvavalu ja kuonapuhtauden mittaus. Vaativien terästen jatkuvavalu, Pohto, Oulu 20-21.9.2011 14 7
Teräksen kuonapuhtaus Mahdolliset hapettumismekanismit välialtaassa Väliallaskuonasta tapahtuva hapettuminen Happaman kuonan happipotentiaali on suuri fi sula teräs hapettuu (2) käytettävä emäksistä kuonaa - alhaiset FeO, MnO, SiO 2 pitoisuudet 15 Teräksen kuonapuhtaus Sulkeumien poisto Sulkeumien poisto Kuonalta vaaditaan kykyä sitoa teräksen oksidisulkeumat tehokkaasti (2) esim. aloksin absorbointi sulasta (kuonalla alhainen Al 2 O 3 pitoisuus alussa fi kyllästyy) Kuonan (peitosteen) lisäksi välialtaan muoto ja sen virtaukset (4) vaikuttavat suuresti teräksen puhtauteen. 16 8
Sulkeumien poisto Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Teräksen analyysi (p-%) Väliallaskuonien analyysi (p-%) Code A = tehtaan nykykäytäntö, kiinteä pulverikerros (toimii lämpöeristeenä) Lähde: Kekkonen, M., Leuverink, D. and Holappa, L. Active tundish metallurgy. Scanmet IV, 4th International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking, June 10-13, 2012, Luleå, Sweden. Vol. 1, pp. 407-416. 17 Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Tutkittavien kuonien sulamispisteet Lähde: Kekkonen, M., Leuverink, D. and Holappa, L. Active tundish metallurgy. Scanmet IV, 4th International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking, June 10-13, 2012, Luleå, Sweden. Vol. 1, pp. 407-416. 18 9
Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Näytteiden otto teräsaihiosta inclusion easier detected inclusions small sample 100x265 mm rolled sample in in two directions Lähde: Kekkonen, M., Leuverink, D. and Holappa, L. Active tundish metallurgy. Scanmet IV, 4th International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking, June 10-13, 2012, Luleå, Sweden. Vol. 1, pp. 407-416. 19 Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Vaativien terästen jatkuvavalu, Pohto, Oulu 20-21.9.2011 20 10
Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Keskiviivan huokoisuutta ja makrokuonia sisäsäteen puolella Lähde: Laakeriteräkset Heli Kytönen, Metallurgia, 8.4.2010 21 Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Results - Ultrasonic immersion analysis The bars represent minimum-maximum range of detected inclusions, numbers average values. Lähde: Kekkonen, M., Leuverink, D. and Holappa, L. Active tundish metallurgy. Scanmet IV, 4th International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking, June 10-13, 2012, Luleå, Sweden. Vol. 1, pp. 407-416. 22 11
Case: Väliallaskuonan vaikutus teräksen sulkeumapuhtauteen Termodynaaminen tasapainolasku sulan teräksen ja kuonan välillä C Kuona B: - Ei pysty liuottamaan spinelli sulkeumia (Al 2 O 3 MgO) Kylläinen niiden suhteen. Kuona C: - Näyttää pystyvän liuottamaan sekä spinelli että Al 2 O 3 sulkeumia Ei kylläinen niiden suhteen. Lähde: Kekkonen, M., Leuverink, D. and Holappa, L. Active tundish metallurgy. ScanmetIV, 4th International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking, June 10-13, 2012, Luleå, Sweden. Vol. 1, pp. 407-416. 23 Teräksen kuonapuhtaus Virtaukset ja sulkeumien poisto välialtaassa Pääosa epäpuhtausoksideista (sulkeumista) saadaan erotettua sulasta jo senkassa. Loput oksidiset epäpuhtaudet pyritään poistamaan välialtaassa. Väliallaskuonan (peitosteen) lisäksi välialtaan muoto ja sen virtaukset vaikuttavat suuresti teräksen puhtauteen. Välialtaassa pitäisi olla sellainen virtaus, joka edistää oksidipartikkelien nousemista pintaan. - vesimallinnus - tietokonesimulointi 24 12
Väliallas Ovako Bar Oy Ab, Imatra* Välialtaan koko 12.5 tonnia* Syvyys 900 mm Sulan viipymäaika altaassa 12 min.** Välialtaan kesto keskimäärin 5 sulatusta Nykyään suljettu väliallas ja argon suojaus. * Uusi väliallas 14 t ** Viipymäaika uudessa välialtaassa hieman pidempi fi sulkeumille lisää aikaa erottua *Lähde: Risto Sandholm (Ovako Bar Oy Ab), Kuonapuhtaudeltaan vaativien terästen jatkuvavalu, Moderni teräksen valmistus Prof. Lauri E. Holapan juhlaseminaari, 22-23.10.2008, POHTO, Oulu 25 Teräksen kuonapuhtaus Virtaukset ja sulkeumien poisto välialtaassa Vesimallinnus 26 13
Teräksen kuonapuhtaus Virtaukset ja sulkeumien poisto välialtaassa Tietokonesimulointi 27 Teräksen kuonapuhtaus Virtaukset ja sulkeumien poisto välialtaassa Tietokonesimulointi 28 14
Teräksen kuonapuhtaus Virtaukset ja sulkeumien poisto välialtaassa Active slag Standard cover Porous plug 29 Teräksen kuonapuhtaus Mahdolliset hapettumismekanismit välialtaassa Vuorauksen aiheuttama reoksidaatio Vuorauksen eroosio Vuorauksen ja kuonan oltava kemiallisesti yhteensopivia. Kuonan kyllästäminen MgO:lla - liukenemisen ajavan voiman pienentäminen Vuorauksen ja sulan teräksen oltava kemiallisesti yhteensopivia. - liukenemisen ajavan voiman pienentäminen Voimakkaiden virtausten välttäminen seinien läheisyydessä (eroosio) 30 15
Suljintangon ja välialtaan vuorauksen kuluminen Lähde: Kekkonen, M., Holappa, L., Louhenkilpi, S., Schröder, C., Rodríguez Durán, T., Ciriza Corcuera, J., Serna, M., Välimaa K., Law W. and Leuverink D. Active Tundish Metallurgy - Final report. EUROPEAN COMMISSION, Research Fund for Coal and Steel - RFSR-CT-2008-00006, EUR 25875 EN. ISBN 978-92-79-29039-8. Luxembourg, 2013. 31 Lahde: Holappa, L., Kekkonen, M., Louhenkilpi, S., Scheller, P., Hagemann, R. and Schröder, C. Active Tundish Slag. Steel Research International 2013, Vol. 84, No 7, pp. 638-648. 32 16
Jatkuvavalu - Valupulveri Jatkuvavalussa sula teräs lasketaan välialtaasta vesijäähdytteiseen kokilliin. Kokillissa vain aihion pintakerros ehtii jähmettyä. Lopullinen jähmettyminen tapahtuu kokillin alapuolella olevassa toisiojäähdytysvyöhykkeessä. Aihiota vedettäessä kokilli on edestakaisessa liikkeessä, jotta aihio ei tarttuisi kokilliin. Kokillissa käytetään voiteluaineena ja lämmönsiirron tasaamiseen valupulveria. Valupulverilla on suuri vaikutus sekä valun onnistumiseen että tuotteen laatuun. 33 Valupulveri Syötetään kokilliin terässulan pinnalle fi sulaa ja tunkeutuu kokillin ja jähmettyvän kuoren väliseen rakoon. 34 17
Valupulverien koostumus Pulverit sisältävät tyypillisesti - CaO, MgO, SiO 2, Al 2 O 3,... - Flukseja: Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, CaF 2,... - Hiiltä Emäksisyys (CaO/SiO 2, p-%) tyypillisesti 0.7-1.35 TKK 35 Valupulverien koostumus Flukseilla alennetaan valupulverin sulamispistettä - niillä on myös taipumus alentaa viskositeettia Valupulverien sisältämä hiili reagoi hapen kanssa muodostaen pelkistävän atmosfäärin (CO) - estää teräksen pinnan hapettumisen Hiili estää myös pulverin sisältämien oksidipartikkelien sintraantumisen ennen sulan kuonan muodostumista. TKK 36 18
Valupulverin käyttäytyminen kokillissa Valupulveri syötetään kokilliin terässulan pinnalle, jossa se muodostaa 4 kerrosta - pulverikerros - sintraantunut kerros - puuromainen kerros - sula kuonakerros Teräksen pinalla olevan sulan kuonakerroksen (liquid slag) on oltava vähintään 10 mm riittävän voitelun takaamiseksi. (~10 mm) Sula kuona tunkeutuu kokillin ja jähmettyvän kuoren väliseen rakoon. Kuonakerros koostuu kiinteästä ja sulasta kerroksesta Kiinteä kuonakerros ~1-2 mm Sula kuonakerros ~0.1 mm 37 Valupulverin tehtävät Jähmettyvän teräskuoren ja kokillin välinen voitelu (sula kuonakerros) Lämmönsiirto sulasta kokilliin (kiinteä kuonakerros) Lämmöneriste kokillin yläpinnalla Suojaa terästä hapettumiselta Liuottaa nousevat sulkeumat (~10 mm) Kiinteä kuonakerros ~1-2 mm Sula kuonakerros ~0.1 mm 38 19
Valupulveri Jähmettyvän teräskuoren ja kokillin välinen voitelu Estää kiinnitarttumisesta aiheutuvaa läpijuoksua. Valupulverin ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus valunopeuteen ja aihion pinnanlaatuun. Tunnettava: - viskositeetti - jähmettymis- / sulamislämpötila - pintajännitys Valupulveri, jonka viskositeetti ja sulamispiste ovat matalat, on tehokas säilyttämään hyvän voitelun teräskuoren ja kokillin välillä. Kiinnitarttumisesta aiheutuvaan läpijuoksuun voidaan vaikuttaa lisäämällä lämmönsiirtoa kuoresta kokilliin fi paksumpi kuori 39 Valupulveri Lämmönsiirto sulasta kokilliin ilmarako 40 20
Valupulveri Lämmönsiirto sulasta kokilliin Lämmön siirtyminen rajapinnan yli vaikuttaa huomattavasti teräksen laatuun. Lämmönsiirtonopeus vähenee valupulverin jähmettymislämpötilan kasvaessa fi parempi pinnanlaatu fi vähemmän halkeamia Epätasainen lämmönsiirto aiheuttaa termisiä jännityksiä jähmettyvään kuoreen fi epätasainen kuoren kasvu fi halkeamia 41 Valupulveri Sulkeumien liuottaminen Virtaus, joka edistää oksidipartikkelien nousemista pintaan (kuonaan) Sulkeumien poistumisen ajavana voimana: (C sat C kuona ) - C = komponentin konsentraatio (esim. Al 2 O 3 ) - sat = kyllästymispitoisuus - kuona = pitoisuus kuonassa (valupulverissa) 42 21
Valupulveri Sulkeumien liuottaminen FLUENT-virtausmallinnus...valuputki-kokilli/Ruukki 43 Valupulverin kulutus mm. valunopeudesta riippuvainen tekijä - suurilla valunopeuksilla viskositeetin on oltava alhainen Tyypillinen kulutus: 0.48 kg/t terästä Valupulverin kulutus valunopeuden funktiona. 44 22
Valupulverin valinta Monimutkainen prosessi Optimaalisen valupulverin valintaan vaikuttavia tekijöitä mm. - Valettava teräslaatu - Valunopeus - Kokilli (konstruktio, oskilointi) Perustuu kokemuksiin, valmistajien suosituksiin ja ennen kaikkea eri pulvereiden kokeiluihin ja tulosten analysointiin 45 Valupulvereita Outokumpu Stainless Lähde: Paavo Hooli, Doctoral Thesis, 2007, TKK-MT-195 Study on the layers in the film originating from the casting powder between steel shell and mould and associated phenomena in continuous casting of stainless steel. 46 23
Valupulvereita Ovako Bar, Imatra Käytössä kolme erilaista valupulveria teräksen eri hiilipitoisuuden mukaan; C < 0.30%, C > 0.30% sekä oma pulveri laakeriteräkselle C = 1%. Lähde: Risto Sandholm (Ovako Bar Oy Ab), Kuonapuhtaudeltaan vaativien terästen jatkuvavalu, Moderni teräksen valmistus Prof. Lauri E. Holapan juhlaseminaari, 22-23.10.2008, POHTO, Oulu 47 MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Ydinainesanalyysi Ydinaines Must know Aina välttämätöntä Täydentävä tietous Should know Usein tarpeellista Erityistietämys Nice to know Joskus hyödyllistä Tietäminen Tuntee tärkeimmät tulenkestävät materiaalit, niiden rakenteen ja ominaisuudet sekä kulumismekanismit materiaalien valmistusprosesseissa. Tiilien ja massojen ominaispiirteet Tulenkestävien materiaalien raakaaineet ja valmistusmenetelmät Ymmärtäminen Ymmärtää keraamisten materiaalien ja metallisulien, kivien ja kuonien väliset reaktiot ja vuorovaikutusilmiöt. Erikoiskeraamien rakenne ja ominaisuudet Materiaalien testaus Kulumisen seurantamenetelmät Soveltaminen Osaa soveltaa tietoja metallurgisten reaktoreiden materiaalivalinnassa. Yleiskäsitys vuoraustekniikoista Taloudelliset aspektit Materiaalien kierrätys 48 24
MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Luentoaikataulu Syksy 2015 - Ti 27.10 Johdanto tulenkestäviin materiaaleihin - Ke 28.10 Tulenkestävät materiaalit - Ti 3.11 Tulenkestävien materiaalien käyttömuodot ja ominaisuudet - Ke 4.11 Vuorauksiin kohdistuvat rasitukset - Ti 10.11 Tulenkestävien materiaalien käyttö Case esimerkkejä - Ke 11.11 Reaktiotermodynamiikan käyttö materiaalivalinnassa - Ti 17.11 Ei luentoa - Ke 18.11 Peitosteet/Valupulverit - Ti 1.12 Tentti klo 12-15, MTG:n sem.huone B329 49 25