ZELEZARSKI ZBORNIK IZDAJAJO ŽELEZARNE JESENICE, RAVNE, ŠTORE IN METALURŠKI INŠTITUT LETO 24 LJUBLJANA SEPTEMBER 1990 Uporaba s CaAI polnjenje žice pri izdelavi jekel za hladno masivno preoblikovanje A. Šteblaj*1; B. Koroušič*2; J. Arh*'; E. Bricelj*1; M. Mencinger*1 Izdelava in vlivanje jekel za hladno masivno preoblikovanje na napravi za kontinuirno vlivanje gredic kv. 135 mm. predstavlja zahtevno tehnološko nalogo. Kemična sestava jekla, glej tabelo 1, je specifična saj so to jekla, ki so pomirjena samo z aluminijem in praktično brez silicija (max. 0.05 %). Zato se občasno pojavljajo aiumi-natni vključki, ki povzročajo probleme pri vlivanju. Po drugi strani je njihov nastop v jeklu nezažeijen, ker se pojavljajo kot gnezda v gredici. Zato, da bi nastale alumi-natne vkijučke modificirati v obliko, ki negativno ne vpliva na vlivanje in kvaliteto vlite gredice, smo obdelali talino s CaAI polnjeno žico. V ta namen smo izdelali šest poiz-kusnih talin na 701 EOP in prve rezultate teh preiskav podajamo v tem članku. UVOD Železarna Jesenice ima poleg ploščatega programa tudi obsežen okrogli program v količini ca. 100.000 t na leto. V tej količini zavzemajo jekla za masivno preoblikovanje s ca. 20.0001 gotove proizvodnje v obliki vlečene žice in palic pomembno mesto. Tovrstna jekla imajo izredno visoko duktilnost, kar omogoča izdelavo končnih izdelkov s hladnim preoblikovanjem. KEMIČNA SESTAVA IN SPECIFIČNE LASTNOSTI IZDELAVE JEKLA ZA MASIVNO PREOBLIKOVANJE Jeklo izdelujemo v treh kvalitetah, ki se med seboj ločijo samo po vsebnosti ogljika. Po sestavi tovrstna jekla UDK: 669.046.558.6:669.14.018.26 ASM/SLA: D8n, D9r, D9q, E25q, CNm, 9—51 spadajo med maloogljična jekla s smerno kemično sestavo, navedeno v tabeli 1. Vsebnost spremljajočih oli-goelementov (po dolgoletnih izkušnjah v Železarni Jesenice) je strogo omejena, saj vsota Cu + Cr + Nl-f- Sn ne sme presegati 0.50 %. Specifika tehnologije izdelave je predvsem v tem, da je jeklo pomirjeno z aluminijem in so predpisane meje 0.025—0.050 %. Pri tem je potrebno poudariti, da se jeklo vliva na napravi za kontinuirno vlivanje, kjer je znano, da visoka vsebnost aluminija v talini običajno predstavlja določene probleme pri vlivanju. Za uspešno vlivanje na kontinuirni napravi je potrebno izdelati čisto jeklo s čim manj nekovinskih vključkov in še ti morajo biti modificirani. Jeklo je izdelano po dupleks postopku EOP — VOD. V EOP opravimo odfosforenje in oksidacijo C, Si in delno Mn in ogrevanje taline na dokaj visoko prebodno temperaturo (ca. 1770°C). Vso nadaljno izdelavo in obdelavo jekla izvedemo v VOD napravi. Kljub temu, da naredimo prebod taline skoraj brez oksidacijske pečne žlindre, imamo talino nepomirjeno in zato pride ob dodatku aluminija v ponovco pri prebodu do močnega odgorevanja aluminija in s tem do tvorbe aluminatnih nekovinskih vključkov. Količine aluminatnih vključkov so tolikšne, da jih tudi z rafinacijsko žlindro in obdelavo v vakuumu ne moremo dovolj odstraniti iz taline jekla. Predvsem neugodna je njihova struktura, gnezda aluminatnih vključkov, katere zasledimo v kontinuirni vliti gredici in tudi v Tabela 1: Smerne kemične sestave jekel za hladno masivno preoblikovanje Table 1: Direction chemical compositions of steels for cold mass forming Vsebnost elementov (%) Kvaliteta C Si Mn P S Cr Cu Al Sn Ni n2 JMP 05 max. 0.20 max. max. max. max. 0.025 max. max. max. 0.06 0.05 0.40 0.020 0.015 0.15 0.20 0.050 0.020 0.020 0.15 JMP 10 0.06 max. 0.20 0.025 0.10 0.10 0.40 0.020 0.015 0.15 0.20 0.050 0.020 0.15 0.010 JMP 15 0.12 max. 0.20 0.025 0.16 0.010 0.40 0.020 0.015 0.15 0.20 0.050 0.020 0.15 0.010 ■' Anton Šteblaj, dipl. ing. met. Železarna Jesenice, 64270 Jesenice *' J. Arh, E Bricelj, M Mencinger — Železarna Jesenice *' B Koroušič — Metalurški inštitut, 61000 Ljubljana, Lepi pot 11 •' Originalno publicirano: ZZB 24(1990)3 Rokopis prejet: maj 1990 predelanem stanju. Tako gnezdo aluminatnih vključkov vidimo iz makro posnetka lužilne ploščice na sliki 1. TH| I T* ( " r A ll -i Slika 1: Gnezda aluminatnih nekovinskih vključkov v kontinuirno vliti gredici kv. 135 mm. Fig. 1 Clusters of aluminate nonmetallic inclusions in continuously čast 135 mm square billet Metalografske preiskave na optičnem in elektronskem mikroskopu so potrdile našo predpostavko, da imamo opravka s čistimi aluminatnimi vključki. Mikro posnetki so vidni na sliki 2 in 3. \fr . /Vif » / Slika 2: Izgled aluminatnih nekovinskih vključkov v kontinuirno vliti gredici kv. 135 mm. (pov. 500 x) Fig. 2 Appearance of aluminate nenmetallic inclusions in continuously čast 135 mm sguare billet (magn. 500 x j Železarna Jesenice je kot prva železarna v Jugoslaviji uvedla v redno proizvodnjo stroj za injektiranje polnjenih žic v tekoče jeklo. Danes modifikacija aluminatnih vključ- Slika 3: a) Elektronska slika in specifični rentgenski posnetki za Al, Fe in Ca (pov. 360 x ) b) Analiza nekovinskih vključkov z EDAX-om Fig. 3 a) Electron image and specific X-ray pictures for Al, Fe, and Ca (magn. 360 x) b) Analysis of nonmetallic inclusions vvith EDAX kov s CaSi polnjeno žico ni tehnološki problem, ampak predstavlja osnovo novo vpeljane tehnologije. Zato smo metodo modifikacije vključkov pri izdelavi jekel za hladno masivno preoblikovanje imeli za že osvojeno tehnologijo. Pa vendarle ni bilo tako. Če se povrnemo nekoliko nazaj in imamo pred očmi kemično sestavo jekla, vidimo, da smo omejeni s silicijem na maks. 0.05 %. Torej uporaba CaSi, ki vsebuje ca. 60—70 % Si, ne pride v poštev. Prav to pa je tisto, kar nas je vodilo, da uporabimo za modifikacijo s CaAI polnjeno žico. JMP05 UVAJANJE TEHNOLOGIJE INJEKTIRANJA Za poizkuse smo uporabili polnjeno žico firme »TROSTBERG«, premera 0 9 mm. Kot polnilo smo imeli CaAI, in sicer je teža polnila 88 g/m polnjene žice. Pri tem je v 1 m polnjene žice delež Ca 27 g in Al 61 g. V enem kolutu je ca. 3 000 m žice, v žici ca. 263 kg polnila. Shematičen prikaz tehnologije izdelave jekla je na sliki 4. Po tej tehnologiji je bilo izdelanih šest poizkusnih talin. C o D,N L1- o -g d) o y c u l/l l/l o — O CL < ElcSB -O C a> cn \ // aj — ta 1800 30 Tabela 3: Tehnološki parametri injektiranja polnjenih žic pri poizkusnih talinah Table 3: Technological parameters of injecting filled vvire into test melts Talina CaAI (m) Polnilo (kg/t) Ca (kg/t) Al (kg/t) Talina (t) 1 625 0.764 0.234 0.529 72 2 650 0.794 0.243 0.550 72 3 500 0.637 0.195 0.442 70 4 370 0.434 0.133 0.300 74 5 680 0.842 0.258 0.584 71 6 600 0.743 0.228 0.515 71 X = S = 571 116 0.702 0.148 0.215 0.045 0.487 0.103 72 1.4 V tabeli 4 prikazujemo vsebnosti Al, S in podatke o temperaturi taline v odvisnosti od časa injektiranja polnjene žice. Čas injektiranja polnjene žice je bil štiri minute. Tabela 4: Aluminij, žveplo in temperatura taline pred injektira-njem polnjene žice in po njem Table 4: Al, S, and temperature before and after injecting filled Talina Al, (%)''Al2 (»/o)-'' T, CC) T2 ("C) S, (%) S2 (%) 1 0.025 0.037 1634 1609 0.011 0.007 2 0.023 0.045 1642 1615 0.013 0.010 3 0.033 0.048 1630 1610 0.017 0.013 4 0.030 0.040 1627 1610 0.013 0.011 5 0.023 0.045 1642 1604 0.011 0.009 6 0.034 0.048 1640 1610 0.013 0.011 X = S = 0.028 0.005 0.044 0.004 1636 6 1609 4 0.013 0.002 0.010 0.002 *) pred injektiranjem žice **) po injektiranju žice Prirastek aluminija: Količina polnila v mejah 0.4—0.8 kg/t taline je vezana na zelo močno reakcijo v času injektiranja žice. Posledica tega je velika kontaktna površina taline s plinsko fazo, kar vodi do relativno velikega odgora aluminija. Na sliki 5 a vidimo prirastek aluminija med injektiranjem, ki kaže vsebnost aluminija pred injektiranjem in po njem. Povprečni izkoristek Al = 32 ± 7 %, kar je za to tehnologijo relativno malo. DOBLJENI REZULTATI Končne kemične sestave izdelanih poizkusnih talin so vidne iz tabele 2. Tabela 2: Končne kemične sestave poizkusnih talin Table 2: Final chemical compositions of test melts Kemična sestava (%) C Si Mn P S Al 1 0.04 0.01 0.30 0.010 0.007 0.037 2 0.04 0.01 0.29 0.010 0.010 0.045 3 0.04 0.01 0.30 0.011 0.013 0.048 4 0.03 0.02 0.28 0.008 0.011 0.040 5 0.04 0.01 0.21 0.009 0.009 0.045 6 0.04 0.01 0.30 0.013 0.011 0.043 Količine, injektirane CaAI polnjene žice po posameznih talinah, so bile naslednje, tabela 3. Odžveplanje taline Na sliki 5 b je prikazano odžveplanje taline v času injektiranja žice. Količina injektiranega Ča je bila približno enaka vsebnosti žvepla v talini, to je ca. 200 g/t taline. Na osnovi izkušenj drugih raziskovalcev pri jeklih, ki imajo od 100—200 ppm žvepla, ob dodatku take količine Ca lahko pričakujemo, da se bo precejšnja količina Ca vezala na žveplo. Prav zato lahko pričakujemo tudi tvorbo CaS v kombinaciji z Mn, Fe in Al oksidi. Stopnja odžveplanja je precejšnja, 24 ±4%, in je prav gotovo rezultat reakcije žvepla in Ca ter razžvepla-nja preko žlindre zaradi močnega mešanja taline. Padec temperature Na sliki 5c vidimo spremembo temperature taline kot posledico injektiranja polnjene žice. Obdelava podatkov kaže, da gre za padce temperature 6—7 "C/minuto, kar je izredno veliko za tako velike ponovce (cca. 72 t taline). Običajno so pri taki ponovci padci od 1 —1.5°C/mi- c s p ^Temperatura -° Si 20 40 60 00 100 120 KO «0 Cas (min) IV VZOREC _L_ Slika 4: Shematičen prikaz tehnologije izdelave jekla za hladno masivno preoblikovanje Fig. 4 Schematical presentation of steelmaking technology for steels for cold mass forming Slika 6: Izgled preseka kontinuirno vlite gredice po obdelavi taline s CaAI polnjeno žico Fig. 6 Appearance of the cross section of continuously čast billet after the melt treatment by CaAI filled vvire nuto. To samo potrjuje vizuelno ocenitev, da je bila reakcija med talino in polnjeno žico izredno burna. Na slikah 5 a, 5b in 5c so grafično prikazane prej omenjene odvisnosti. Odžveplanje Prirastek Al Padec temperature ZAČETEK INJEKTIRANJA KONEC INJEKTIRANJA Slika 5: Grafičen prikaz sprememb tehnoloških parametrov kot posledica injektiranja polnjene žice Fig. 5 Graphical presentation of changed technological parameters as a conseguence of injecting filled vvire Slika 7: Popolnoma modificirani nekovinski vključki (pov. 200 x) Fig. 7 Completely modified nonmetallic inclusions (magn. 200 x ) METALOGRAFSKE PREISKAVE OBDELANIH TALIN Na sliki 6 je makro posnetek lužilne ploščice, kjer je bila izvršena modifikacija in ni več vidnih gnezd alumina-tnih nekovinskih vključkov. Preiskave na optičnem mikroskopu so pokazale, da smo v nekaterih poizkusnih talinah dosegli popolno, v nekaterih delno modifikacijo, pri eni talini pa modifikacija ni bila uspešna. Mikroposnetki vseh treh tipov so na slikah 7, 8 in 9. Tipi dobljenih nekovinskih vključkov so bili preiskani z vrstičnim elektronskim mikroskopom; rezultati so prikazani na slikah 10, 11 in 12. Slika 8: Delno modificirani nekovinski vključki (pov. 200 x j Fig. 8 Partially modified nonmetallic inclusions (magn. 200 x) Slika 9: Nemodificirani nekovinski vključki (pov. 200 x ) Fig. 9 Not modified nonmetallic inclusions (magn. 200 x) 2500 x I 1ISEC IC/S VS:1III MS: 5ICV/CM b Slika 10: a) Elektronska slika in specifični rentgenski posnetki za Al, S, Fe, Mn in Ca pri popolni modifikaciji b) Analiza nekovinskih vključkov z EDAX-om Fig. 10 a) Electron image and specific X-ray pictures for Al, S, Fe, Mn, and Ca at complete modification b) Analysis of nonmetallic inclusions vvith EDAX b Slika 11: a) Elektronska slika in specifični rentgenski posnetki za Al, S, Fe, Mn in Ca pri delno uspeli modifikaciji b) Analiza nekovinskih vključkov z EDAX-om Fig. 11 a) Electron image and specific X-ray pictures for Al, S, Fe, Mn, and Ca for partially successful modification b) Analysis of nonmetallic inclusions vvith EDAX Ocena čistoče poizkusnih talin Čistoča poizkusnih talin je bila ocenjena po JK skali. Dobljeni rezultati so prikazani v tabeli 5. Tabela 5: Čistoča poizkusnih talin, ocenjena po J K skali Table 5: Purity of test melts estimated by Jernkontoret test Talina Sulfidi A Aluminati B Silikati C Oksidi C I 1 0.20 0.20 0.00 1.80 2.20 2 0.20 0.00 0.00 1.80 2.00 3 0.20 0.00 0.00 1.80 2.00 4 0.20 0.60 0.00 1.40 2.20 5 0.20 0.00 0.00 1.60 1.80 6 0.20 0.20 0.00 1.80 2.20 X = 2.07 S = 0.16 I ISIC K/i »1:1511 MS: lllf/CI b Slika 12: a) Elektronska slika in specifični rentgenski posnetki za Al, S, Fe, Mn in Ca pri neuspeli modifikaciji b) Analiza nekovinskih vključkov z EDAX-om Fig. 12 a) Electron image and specific X-ray pictures for Al, S, Fe, Mn, and Ca in unsuccessful modification b) Analysis of nonmetallic inclusions vvith EDAX ZAKLJUČKI 1. Možnosti uporabe CaAI polnjene žice pri obdelavi jekla v železarni Jesenice in doseženi rezultati kažejo, da je kontrola aluminija v talini možna v predpisanih mejah. Zato se da tudi aluminatne vključke modificirati. V bodoče bo pri nadaljnem razvoju te tehnologije potrebno natančno opredeliti izhodno stanje taline, optimalno sestavo žlindre in izhodne vsebnosti žvepla. 2. Tehnologija je primerna za železarno Jesenice, in sicer za jekla z nizko vsebnostjo silicija, pri katerih je uporaba CaSi polnjene žice popolnoma izključena. 3. Ker so to prvi rezultati injektiranja z žico, polnjeno s CaAI, menimo, da je potrebno količino dodatka še optimizirati. V žici se nahaja Ca in Al v čistem elementarnem stanju (ni spojine med Ca in Al) in zato prehod Ca iz taline v plinsko stanje spremlja burna reakcija, kar vodi do močnih temperaturnih padcev. 4. Čistoča jekla po obdelavi s CaAI polnjeno žico povsem ustreza zahtevam tujega in domačega trga. ZUSAMMENFASSUNG Erzeugung und Giessen von Stahlen fur die Kaltmassivum-formung an der Knuppelstranggiessanlage ist eine anspruchs-volle technologische Aufgabe. Aus der chemischen Zusam-mensetzung, siehe Tofel 1, ist ersichtlich, dass diese Stahle nur mit Aluminium beruhigt sind (Si = max 0,05%). Aluminatein-schlusse sind eine Begleiterscheinung bei dieser Erzeugung und damit verbundene Schvvierigkeiten beim Giessen. Ander-seits sind diese im Stahl unerwunscht da sie in Form von Ne- stern in Knuppeln auftretten. Um die entstehenden Aluminatein-schlusse in eine fur das Giessen und die Stahlqualitat selbst unschladliche Form zu bringen sind die Schmelzen mit CaAI Fulldraht behandelt vvorden. Es sind sechs Versuchsschmelzen in einem 70 t Lichtbo-genofen erzeugt worden und die Ergebnisse sind in diesem Artikel dargestellt. SUMMARY Making and casting steel for cold mass forming in the set-up for continuous casting of 135 mm square billets represents a demanding technological task. Chemical composition of steel (Table 1) is a specific one since those steels are killed only by aiuminium, containing practically no silicon (max. 0.05 %). Thus periodically aluminate inclusions appear vvhich cause problems in casting. On the other hand, their presence in steel is unde- sired since they form clusters in the billets. In order to trans-form the formed aluminate inclusions into the shape vvhich has no negative influence on the casting process and on the quality of čast billet the melt vvas treated by the CaAI filled wire. For this purpose six test melts vvere prepared in the 70 t EAF and the first obtained results of this investigation are presented in this paper. 3AKJ1IOMEHME M3rOTOB/ieHMe h /lMTbe CTa/lH fl/lfl X0/10flH0(i MaCCHBHOki fle-cJjopMauuM c noMOLUbtc ycTpoticTBa HenpepbiBHoro riMTbH saro-tobok kb. 135 mm, npe^cTaB/inet co6oii cno>KHyto TexHo;iorMMe-ckyk) 3aaany. XnMHHecKkm cocTaB CTa/iM (cm. Ta6. 1) cneunanb-HblM, TaK KaK 3tm BHflbl CTa/lkl CTaČMnMSOBaHbl toflčko a/llommhh- eM m c^aKTMHecKM He coflepwaT cm/imlikh (He 6o/iee neM 0,05 %). ri03T0My MHoraa o6pa3yioTcn a/iiOMMHaTHbie BK/ito^eHun, BC/ieflCTBne Mero yc/io>KHfleTcn npouecc /lMTbfl. Mx Ha/iMHMe b CTa/in Hewe/iaTe/ibHO, TaK Kan ohm b 3ar0T0BKe o6pa3yioTCR KaK rHe3/ja. toto hto6h 06pa30BaBwnecfl a/iiOMMHaTHbie bk/ik> MeHMfl MOflM(J)ML4MpOBa/lHCb t3kmm 06pa30M, 4To6bl OHM OTpULia-Te^bHo He bj1mrj1m Ha npouecc /imtbh m KanecTBo /ihtom 3ar0T0B-km, pacnnaB o6pa6aTbiBaeTCH np0B0;i0K0Pi, 3ano/iHeHHOfl CaAI. B 3thx i4ennx M3roTaB/inBaeTCfl 6 McnbrraTe/ibHbix pacn/iaBOB Ha 70 t EOP — nepBbie pe3ynbtatbi yKasaHbi b HacTopmePi CTaTbe.