Gasinnehåll och renhet i stål

(1)

Rapport nr 2012-018

Gasinnehåll och renhet i stål

(2)

(3)

IPK228 Röde Orm: Renhet och inneslutningar i stål Författare Rapport nr Utgåva Datum Åsa Lauenstein 2012-018 2012-11-13

Sammanfattning

Projektet IPK228, Röde Orm, syftar till att ge svenska stålgjuterier förbättrad processtyrning och att öka kunskapen om hur olika processparametrar påverkar stålgjutgodsets kvalitet. Denna rapport är en sammanfattning av tidigare interna projekt inom området kompletterad med en genomgång av aktuell litteratur. Kvaliteten på stålgjutgods är ofta direkt kopplad till halterna av lösta gaser i smältan under gjutprocessen. När lösligheten minskar vid stelningen bildas gasporer i gjutgodset men också inneslutningar och utskiljningar. Kännedom om och kontroll över gashalterna i smältan är därför nyckeln till ett rent gjutstål. Att analysera lösta gaser i en stålsmälta är inte trivialt. I stålverk är det praxis med kontinuerliga kontroller av varje charge men de flesta stålgjuterier saknar analysutrustning och resurser till detta. Kampanjvisa mätningar med exempelvis syre- och vätesonder kan dock ge en grundläggande kännedom om den egna processen och ligga till grund för förbättrade rutiner vad gäller renhet.

Summary

The IPK228 project Röde Orm aims at giving Swedish steel foundries a better process control as well as increasing the knowledge about the connection between process parameters and the final quality of the cast steel. This report summarizes earlier investigations within the area and gives an overview of recent literature. The quality of cast steel is intimately connected to the amount of dissolved gasses in the melt during the casting process. As the solubility of gasses decreases during solidification, pores and inclusions are formed in the casting. The key to producing a clean steel is therefore knowledge about and control of the gas content in the melt.

The analysis of dissolved gasses in the steel melt is by no means a trivial matter. In steel works, continuous control of every charge is a standard procedure, but only few steel foundries have the means or resources for this. However, a series of measurements of oxygen, nitrogen and hydrogen content would result in a deeper understanding of the current processes and form the basis of improved routines with respect to cleanliness.

(4)

Swerea SWECAST AB Rapportnr 2012-018

(5)

Innehållsförteckning

1 TILLKOMST ... 1

2 INLEDNING ... 1

3 GASINNEHÅLL PÅVERKAR STÅLETS RENHET ... 1

3.1 GASJÄMVIKTER I STÅLSMÄLTAN ... 2

3.2 PORER OCH INNESLUTNINGAR ... 3

3.3 PROVNING ... 3

3.3.1 Analys av smälta ... 3

3.3.2 Vanliga gashalter i stålsmälta ... 4

3.3.3 Bedömning av gjutgods ... 4

4 METODER FÖR ATT MINSKA GASHALTER I STÅLSMÄLTAN ... 5

4.1 GJUTPARAMETRARNAS BETYDELSE... 5

4.2 GASSPOLNING ... 5

4.2.1 Uppmätta gashalter efter argonspolning ... 6

4.3 VAKUUMTEKNIK ... 6

4.4 DESOXIDATION ... 7

4.4.1 Desoxidationspraxis vid fem gjuterier ... 7

4.4.2 Försök vid fem gjuterier ... 8

4.5 ÖVRIGA METODER ... 8

5 DISKUSSION ... 8

6 FORTSATT ARBETE ... 9

(6)

Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-018

1

1 Tillkomst

Röde Orm - kartläggning av renhet och inneslutningar vid ståltillverkning är ett

projekt initierat av Forskningsgrupp Stål och pågår under 2012. Det är en del i det fortlöpande arbete kring renhet i stål som bedrivs vid Swerea Swecast. Bland tidigare projekt kan nämnas följande utredningar.

 Desoxidationspraxis studerades 1986-1989 i ett par olika projekt som omfattade litteraturstudier, kartläggning av praxis och försök [1][2].

 Projektet ”Slaggrent segjärn och gjutstål” (1998) behandlade

slagginneslutningar och metoder för slaggavskiljning [3].

 Raffinering har studerats i projekten ”Raffinering av stål i HF-ugn” (1987), som bl a resulterade i en omfattande litteraturstudie [4], samt ”Nitrogen- og svovelraffinering i stålgjuterier” (1992) och ”Raffinering av stål” (2010), där försök gjordes med argonspolning på ett antal gjuterier [5][6][7].

 Avgasning av stål med tonvikt på tillvägagångssätt och gasanalys behandlas i projektet ”Avgasning av stålsmältor” (2011) [8].

 Inom ramen för Röde Orm har inledande mätningar av syre- och

kvävehalten i stålsmältor utförts [9].

I projektgruppen för Röde Orm representeras CWP, Keycast, Sandvik Svedala, Smålands Stålgjuteri och Österby Gjuteri. Lennart Sibeck från Swerea Swecast är projektledare.

2 Inledning

Projektet Röde Orm syftar till att ge svenska stålgjuterier förbättrad processtyrning och att öka kunskapen om hur olika processparametrar påverkar stålgjutgodsets kvalitet. Viktiga delmoment är kartläggning av processparametrar, särskilt gashalter, och effekten av optimerade ingjut. Denna rapport är en sammanfattning av tidigare interna projekt inom området kompletterad med en genomgång av aktuell litteratur. Områden som inte tas upp i sammanställningen är rening av stålet från andra ämnen än gaser, inneslutningar med annat ursprung än inlösta gaser samt bildning och hantering av slagg.

3 Gasinnehåll påverkar stålets renhet

Ett rent stål karakteriseras enligt AFS Clean Steel Technology Committee av följande [10]:

1. Låga halter av spårelement, t ex svavel, fosfor, koppar och tenn 2. Låga halter av lösta gaser, t ex syre, kväve och väte

3. Små mängder makro- och mikroinneslutningar.

Vid tillverkning av stålgjutgods har renheten stor betydelse för mekaniska egenskaper, främst duktilitet och seghet, men också för skärbarhet och korrosion. Renheten påverkas av hur smältan hanteras från det att materialet smälts i ugn till avgjutning. Exempel på metoder som kan användas för att höja renheten är

raffinering, desoxidation, gasspolning, vakuumteknik och optimerade

ingjutsystem.

Ofta är kvaliteten på det slutliga gjutgodset direkt kopplad till halterna av lösta gaser i smältan under processens gång. De tre vanligaste lösta gaserna är syre, kväve och väte. Lösligheten av gaserna är mycket stor i smältan men minskar

(7)

2

snabbt med temperaturen då smältan stelnar. Då bildas istället gasporer i gjutgodset alternativt olika kemiska föreningar i form av slagger, inneslutningar och utskiljningar. Följden blir att de mekaniska egenskaperna hos det gjutna materialet försämras, framför allt segheten. Även risken för fördröjda brott och svetssprickor ökar.

 Syre finns i den omgivande luften och har hög löslighet i stålsmältan. Syrehalten avgör mängden oxidiska inneslutningar men påverkar också bildningen av sulfider, karbider och nitrider genom kemiska jämvikter [3].

 Kväve tas också upp ur luften. Kväve minskar stålets duktilitet och risken för försprödande nitrider i korngränserna är stor vid höga kvävehalter [3][11]. Å andra sidan kan kväve ibland medvetet användas som legeringsämne eftersom det samtidigt ökar stålets hållfasthet, hårdhet och bearbetbarhet [12].

 Väte bildas då fuktig luft eller fukt i slaggbildare och gjutformar ger vattenånga som i sin tur reagerar kemiskt med kolet i smältan [12]. Väte kan orsaka varmsprickor i det färdiga stålet. Eftersom rörligheten av väte är relativt hög även vid rumstemperatur kan sådan väteförsprödning uppträda efter en tid i den färdiggjutna produkten, särskilt i stål som genomgått värmebehandling [14].

För att dessa ämnen ska kunna avlägsnas ur stålsmältan innan de hinner ställa till skada i det färdiga gjutstålet måste de omvandlas tillbaka till gaser redan i smältan eller till slaggbildande oxider eller nitrider.

3.1 Gasjämvikter i stålsmältan

Någon syrgas, kvävgas eller vätgas finns egentligen aldrig i stål. Ett utbyte sker istället mellan tvåatomiga gasmolekyler i atmosfären och enskilda gasatomer lösta i stålsmältan enligt jämvikten

G2 (g) k 2 G (smälta) (1)

Gasen strömmar alltså in i metallen ända tills jämviktshalten uppnåtts. Även sedan stålet stelnat finns en viss mängd syre, kväve och väte kvar. Stålets atomstruktur är nämligen inte kompakt utan innehåller hålrum där de mycket mindre gasatomerna kan inordnas. De är dock begränsade till mycket lägre halter än i stålsmältan. Lösligheten av en gas kan beskrivas med Sieverts lag

[G] = k • p(G₂) (2)

där [G] är halten gasatomer i stålet, k en konstant som ändras med temperaturen och varierar kraftigt mellan olika gaser och p(G2) slutligen gasens partialtryck i den omgivande atmosfären. Halterna av syrgas, kvävgas, vätgas, vattenånga och koldioxid är dessutom alla kopplade till varandra och till stålsmältans innehåll (legeringsämnen och föroreningar) via ett stort antal kemiska jämviktsreaktioner. Även hur snabbt de olika ämnena rör sig i stålsmältan påverkar slutresultatet. Eftersom man i regel befinner sig långt från de ofta mycket höga jämviktshalterna finns en stark drivkraft för processen. Inlösningen av gaser sker snabbt vid och fortgår under hela gjutprocessen. Gasjämvikter i smältan och hur de påverkas av legeringsämnen och processparametrar behandlas av Fredriksson och Åkerlind [15] samt i rapporterna [2], [4], [8] och [16].

Syre kan reagera med kol i det avsvalnade stålet och bilda koloxid som ger

upphov till porer i gjutgodset. Reaktionen gynnas av lågt gastryck och kan därför provoceras fram redan i smältan med hjälp av omrörning och vakuumteknik. Då

(8)

3

avlägsnas alltså syret men metoden är långsam och återoxidation sker vid kontakt med luft. Kvävehalten i stålet sänks vid höga kol- och syrehalter liksom vid tillsats av kisel eller små tillsatser av olika metaller. Tillsats av titan eller zirkonium ger nitrider som kan vara lättare att hantera än gasbubblor. Vätehalten i smältan kan hållas låg om smältan skyddas från vattenånga. Även höga halter kol eller syre minskar vätehalten genom kemiska jämvikter. Omvänt kommer vätehalten i smältan att öka i samband med att syrehalten sjunker vid desoxidationen. [1] [4][8][15][16]

3.2 Porer och inneslutningar

Porer bildas i stål när gas som varit löst i smältan frigörs på grund av minskad löslighet när temperaturen sjunker. Porositeten i färdigt gjutgods är dessutom ofta kopplad till oxidbildning i stålet. Oxiderna har lägre densitet än stålsmältan, vilket minskar trycket; hög syrehalt minskar ytspänningen; instabila järn- eller

manganoxider reagerar med kol och bildar koloxidbubblor; och

oxidinneslutningar utgör den nödvändiga startpunkten för porbildning [17][18]. Samtidig närvaro av flera gaser i stålet ökar den totala risken för gasporer [15]. Ickemetalliska inneslutningar kan bestå av sand och infodringsmaterial eller bildas genom kemiska reaktioner i stålet under gjutprocessen. Samtliga inneslutningar påverkar materialets egenskaper kraftigt. Därför måste uppkomsten minimeras och avskiljningen vara effektiv. [3]

De inneslutningar som bildas under desoxidationen eller genom reoxidation genom kontakt med luftsyre senare i processen består till 95 % av oxider, men också sulfider, karbider och nitrider förekomer. Vilka kemiska föreningar som bildas och i vilken mängd är resultatet av en mängd parametrar: legeringssammansättning, temperatur, hålltider och omrörning, valda processteg och tillsatser samt föroreningshalter, inte minst av lösta gaser. Eftersom oxiderna utgör den största andelen av inneslutningarna är naturligtvis syrehalten i smältan av stor vikt. De kemiska reaktionerna i smältan som har betydelse för bildning av inneslutningar beskrivs utförligt av Fredriksson och Åkerlind [15] liksom av Dahl och Kellgren [3]. Uppkomst och effekter av aluminiumnitrider vid desoxidation behandlas i referens [1] och [11].

3.3 Provning

3.3.1 Analys av smälta

Det är inte helt lätt att analysera mängden lösta gaser i gjutgods. Stålsmältor undersöks visserligen regelmässigt på legeringsinnehåll med gnistspektrometer, men dessa analyser ger oftast inga pålitliga resultat för syre, kväve och väte, i den mån de ens kan detekteras. Syre och kväve förekommer dels som lösta gaser och dels som kemiska föreningar i kombination med andra legeringsämnen och därför kan den totala halten syre och kväve variera kraftigt i olika delar av provet. Väte kan normalt inte analyseras i fasta prover eftersom vätehalten snabbt minskar på grund av diffusion mellan provtagningen och analysen. [8][9][19]

 Kvävehalten kan mätas med gnistspektrometer under vissa

förutsättningar. De flesta stålgjuterier har dock inte den möjligheten.

 Totalhalterna syre och kväve kan utföras med smältextraktion av s k Lollipop-prover. Provet hettas upp tills allt syre och kväve avgetts som gas och gaserna analyseras. Nackdelen med metoden är att såväl provtagningen som analysen kräver specialutrustning samt att

(9)

4

utformningen av provtagaren inverkar på analysresultatet [20]. Försök på ett medlemsgjuteri har nyligen gjorts med denna metod [9].

 Vätehalten kan analyseras i fasta prover under vissa förutsättningar, till exempel med engångs vakuumprovtagare. Metoderna är dock känsliga och kostnadskrävande [8].

 Samtliga gaser kan mätas direkt i stålsmältan med en mätsond som låter en bärgas stå i jämvikt med smältan tills gashalterna är lika. Samtidigt analyseras innehållet i bärgasen. Till skillnad från vid mätning av totala syrehalten ger enbart det fritt tillgängliga syret utslag i analysen. Metoden är snabb, enkel och pålitlig men kräver en separat mätsond för varje gas [8][21]. Några medlemsgjuterier har redan prövat den.

3.3.2 Vanliga gashalter i stålsmälta

Vilka gashalter som kan tillåtas i stålsmältan varierar givetvis beroende på stålsort och på vilka krav som ställs på det färdiga stålet. Enligt Monroe finns en direkt koppling mellan fria syrehalten i smältan och mängden inneslutningar. En fri syrehalt under 10 ppm liksom en totalsyrehalt på högst 30 ppm ger då ett stål av hög kvalitet, medan syrehalter över 55 ppm ger en oacceptabel mängd inneslutningar [17]. De faktiska gashalterna i ett gjuteri är i sin tur i hög grad beroende av processgången samt av vilken stålsort som gjuts. I Nilssons kartläggning från 1989 [2] bestämdes halten fritt syre med en mätsond direkt i skänken efter desoxidation. Mätvärdena varierade från 5 ppm till 40 ppm i olika smältor med enstaka högre mätvärden (150-180 ppm) för höglegerat stål. Kvävehalterna låg vid samma mättillfälle i vissa gjuterier kring 100 ppm och i andra på 200-250 ppm. Ett antal referenser som anger gashalterna i stålsmältor i skänk har samlats i Tabell 1.

Tabell 1. Gashalter i stålsmältor i skänk enligt olika referenser Referens Fritt syre

[ppm] Totalsyre [ppm] Kväve [ppm] Väte [ppm] Kommentar Nilsson [2] 5−40 150−180 − − 100 200 − 250 − − Låglegerat Höglegerat Dahl & Kellgren [3] 80−120 − − − Allmän rek.

Paulsen [5] − − 95 −115 − Rostfritt Pettersson [6] − 90−100 20−30 − Låglegerat Fourlakidis [9] − 25−40 70−120 − Låglegerat Hillman & Svensson [16] − − 100 230 160−170 400−600 3−4 5−6 Höglegerat Låglegerat Hereaus [21] 60−130 − 20−70 6−10 Typvärden

Lindeborg [22] 8−60 − 150−700 3−8 Flera olika

legeringar 3.3.3 Bedömning av gjutgods

Inneslutningar i stål kan utvärderas på flera sätt, både med direkta och med indirekta metoder. En direkt metod är att bestämma mängden och storleken på inneslutningar i ett metallografiskt prov med mikroskop och sedan antingen bearbeta resultatet med bildanalys eller jämföra med en skala för kvantitativ bedömning. En sådan metod beskrivs detaljerat i referens [7]. Alternativt kan stålet lösas upp elektrolytiskt och de kvarstående inneslutningarna filtreras bort och undersökas med svepelektronmikroskop. Denna metod är dock mycket resurskrävande [20]. En tredje metod är att använda en spektrometer för att bestämma mängden aluminiumoxid i stålet. För bästa resultat måste inneslutningarna då vara av samma storlek och jämnt fördelade i provet [23].

(10)

5

Exempel på indirekta metoder för att uppskatta mängden inneslutningar är mätning av total syrehalt i olika delar av provet, kväveupptag vid gjutning, förlust av löst aluminium samt analys av slaggsammansättning [6][26][20].

4 Metoder för att minska gashalter i stålsmältan

Det finns många sätt att öka renheten i gjutstål och flera är direkt eller indirekt kopplade till gashalterna i smältan. Halterna av lösta gaser i stålsmältan är inte given under gjutprocessen utan kan i mycket hög grad påverkas [15].

 Valet av gjutparametrar i processen har mycket stor inverkan på gashalterna och därmed också på stålets renhet.

 Halterna väte och kväve (men också syrehalten) kan sänkas med flera olika metoder, t ex gasspolning eller vakuumteknik.

 Desoxidation minskar mängden löst syre i stålet. Små mängder av ett ämne tillsätts till smältan. Då bildas en kemisk förening som är mer stabil än den smälta metallens oxider och som lätt kan avskiljas.

 Raffinering är samlingsnamnet för metoder som i första hand avlägsnar svavel eller fosfor ur smältan men också kan påverka halterna väte och kväve. I en litteraturstudie från 1987 om raffinering av stålsmältor beskriver Jon Nilsson ingående metoder och praxis för raffinering i stålgjuterier [4]. Lars Petterssons behandlar samma tema med utgångspunkt i stålverksmetallurgi [6]. Någon allmän översikt av raffineringsmetoder för stål faller dock utanför ramen för den här rapporten.

4.1 Gjutparametrarnas betydelse

Gjutparametrarnas betydelse för stålets renhet behandlas utförligt av Dahl och Kellgren. Följande med avseende på inlösta gaser är hämtat ur rapporten Slagginneslutningar i gjutstål [3].

 Långa hålltider innebär längre tid för kemiska reaktioner mellan smälta och gas och därmed större risk för inneslutningar.

 Ingjutsystemet ska utformas så att det minimerar uppkomsten av ny slagg. Det ska vara fyllt med smälta under hela förloppet, motverka turbulens och fylla formarna snabbt för att hindra smältan från kontakt med oxiderande atmosfär.

 Råsandsformar ger högre risk för slaggbildning än kallhärdande formar, eftersom fukten i formen kan orsaka oxidation av smältan.

Duncan [14] hävdar att vätehalten i en stålsmälta vanligen är betydligt lägre vid smältning i ljusbågsugn än i induktionsugn. Han anger också luftfuktigheten som den största enskilda källan till väteupptag under gjutprocessen.

4.2 Gasspolning

Det finns flera olika syften med att gasspola en smälta.

1. Att göra smältan homogen. Detta är bland annat en förutsättning för pålitliga resultat vid kemisk analys.

2. Att minska halterna av lösta gaser, särskilt väte och kväve.

3. Att förbättra omrörningen i smältan och därmed påskynda

slaggavskiljningen och öka reaktionshastigheten vid raffinering. Gasspolning används därför gärna som komplement till andra reningsmetoder.

(11)

6

Vanliga spolgaser är argon, koldioxid, kvävgas eller torkad luft. Spolgasen bubblas genom smältan för med sig syre, väte och kväve till smältans överyta. Eftersom argon har högre täthet än luft bildar den använda gasen ett skikt på smältans yta som skyddar den från att åter ta upp gaser från luften. Väte löser sig bäst i spolgasen och på 20 minuter kan vätehalten halveras i en smälta med denna metod. Att minska kvävehalten kräver längre spoltider, särskilt om smältan håller hög kromhalt [6]. Kvävehalten minskar ofta i samma takt som totala syrehalten [27]. En studie i stålverksmiljö fann å andra sidan att redan 4-6 minuters spolning med argongav önskat resultat med avseende på fritt syre [24].

När omrörningen i smältan ökar genom gasspolning flyter små fasta partiklar upp till ytan och slås ihop till större. Därmed blir de lättare att avskilja. Det kan handla om aluminium-, magnesium-, järn- och kiseloxider [6]. Spolningen bör initialt vara kraftig för att få igång processen men i slutfasen bör den vara lugnare för att inte försvåra slaggavskiljningen eller dra ner luft i smältan [24]. Det tryck som krävs varierar dessutom med ugnsstorlek och mängden smälta. Gasflödet måste därför kontrolleras, i det enklaste fallet av en argonflaska med regulator. Gasbubblorna bör vara 0,5 – 2,0 mm stora för bästa effekt [28].

Vissa författare varnar för argonspolning då en dåligt kontrollerad spolgas i värsta fall kan öka vätehalten [14].

4.2.1 Uppmätta gashalter efter argonspolning

En studie på låglegerat stål i stålverksmiljö fann att halten fritt syre uppmätt med syresond efter argonspolning låg stabilt på 3 ppm medan totala syrehalten landade kring 30 ppm [24]. Även kvävehalten i låglegerat stål kan sänkas till 30 ppm med argonspolning medan rostfria stål hamnar på en något högre nivå, 100−150 ppm [5][25]. Duncan [14] anger som mål för vätehalten en nivå på högst 6 ppm i det färdiga stålet, vilket uppnås om utgångssmältan håller 2 ppm och upptaget vid överföring till skänk respektive gjutning är 2 ppm vid vardera operationen. Man hamnar då nära den övre löslighetsgränsen av väte i stål vid rumstemperatur vilket avsevärt minskar risken för porer (pinholes) i gjutgodset [14][12].

Försök med argonspolning utfördes 2009-10 vid två olika svenska stålgjuterier [6][7]. I bägge fallen göts seghärdningsstålet 2225 och vid ett gjuteri även duplext 1.4470. Prover analyserades med avseende på inneslutningar och mekaniska egenskaper. Med argonspolning ökade materialens duktilitet i viss mån. Den slutliga mängden inneslutningar påverkades dock inte nämnvärt. Troligen var inneslutningarna till viss del reoxidationsprodukter, det vill säga att de bildades vid övertappning av smältan och vid gjutningen. Om detta stämmer hade argonspolning senare i processen kunnat ge ett annat resultat.

4.3 Vakuumteknik

Vakuumbehandling (avgasning) av flytande stål är en effektiv och relativt enkel raffineringsmetod som är vanligt förekommande på stålverk. Den anses ofta som mer effektiv för gasrening än argonspolning [14] och minskar även mängden inneslutningar. Även kolhalten sjunker tack vare jämviktsreaktioner med syret i smältan. Med vakuumprocesser finns alltså vissa förutsättningar att använda billigare chargematerial [6]. Ett antal internationella studier som listas i referens [8] visar en positiv inverkan av vakuumteknik på mängden inneslutningar liksom på de mekaniska egenskaperna hos gjutstål.

Det finns många olika kommersiella system för vakuumbehandling av stål. Enklast är att montera en vakuumtät kåpa på en befintlig induktionsugn.

(12)

7

Regelrätta vakuuminduktionsugnar finns i storlekar från 1 kg upp till 30 ton. I referens [8] beskrivs olika vakuumtekniker.

4.4 Desoxidation

Desoxidation eller tätning innebär en minskning av mängden syre i stålsmältan. Det är ett viktigt processteg som syftar till att

1. Få ett tätat stål, det vill säga ett stål fritt från gasblåsor.

2. Minska mängden inneslutningar i det färdiga stålet. Syrehalten avgör mängden oxidiska inneslutningar men påverkar även bildningen av sulfider, karbider och nitrider genom kemiska jämvikter.

3. Ge bättre förutsättningar för svavelrening av stålet.

Ett desoxidationsmedel är ett ämne som bildar en stabil oxid som inte reduceras av kol vid den aktuella behandlingstemperaturen. Produkten avskiljs sedan som slagg. Det mest använda desoxidationsmedlet är aluminium som kan kombineras med andra ämnen, t ex titan, kalcium, zirkonium eller sällsynta jordartsmetaller. Den slutliga desoxidationen av ett stål sker så sent som möjligt, helst i avgjutningsskänken. I vissa fall kan dessutom en inledande desoxidation behövas tidigare i smältprocessen.

Jon Nilsson sammanfattar sin rapport om desoxidationspraxis i svenska stålgjuterier metoden på följande sätt [1].

 Trådinjektion är den metod som ger bäst utbyte vid tillsats av desoxidationsmedel.

 Mängden tillsatt desoxidationsmedel måste anpassas efter smältans

faktiska syrehalt. Underbehandling ger blåsor i gjutgodset.

Överbehandling ökar risken för spröda nitrider i korngränserna, då överblivet aluminium reagerar kemiskt med löst kväve i stålet.

 Förbättrad desoxidationsmetodik ger sänkta kostnader för desoxidation, rensning och reparationer. Dessutom minskas kassationerna orsakade av utskiljningar och gasblåsor samtidigt som gjutgodsets mekaniska egenskaper förbättras, framför allt slagsegheten.

 I rapporten ges också en utförlig beskrivning av olika typer av desoxidationsmedel och exempel på utförande för olika stålsorter.

Valet av desoxidationsmedel påverkar givetvis såväl processen som renheten i det gjutna stålet. Avskiljningsmetoden för de bildade slaggprodukterna måste till exempel avpassas efter storlek, morfologi och kemiska egenskaper; omvänt kan man förändra processen så att den passar den avskiljningsmetod man har tillgång till [1][29]. En åskådlig sammanställning av de kemiska reaktionerna vid desoxidationen återfinns i ref. [29].

4.4.1 Desoxidationspraxis vid fem gjuterier

Fem stora svenska stålgjuterier deltog 1986 i en utvärdering av desoxidationspraxis [1]. Då framkom följande.

 Vid fyra av fem gjuterier gjordes en fördesoxidation i ugn med tillsats av aluminium, aluminium och titan eller ferroaluminium.

 Samtliga gjuterier utförde en slutlig desoxidation i skänk före avgjutning.

Aluminium tillsattes kombinerat med titan eller CaSi och

tillsatsmängderna varierade mellan 100 g och 2 kg per ton smälta.

 Inget av gjuterierna gjorde någon mätning av syre- eller kvävehalt i drift före desoxidationen. Tillsatserna skedde efter givna mallar utan hänsyn till

(13)

8

de variationer i syrehalt som nödvändigtvis uppstår på grund av fuktigt skrot, väderlek etc.

 I utvärderingen rekommenderades dagliga rutinkontroller av syrehalt som

en enkel och effektiv åtgärd för att förbättra desoxidationspraxis.

4.4.2 Försök vid fem gjuterier

Som en fortsättning på utvärderingen från 1986 [1] utfördes försök med desoxidation i fem stålgjuterier [2]. Syrehalten i stålet följdes under processen med hjälp av en syresond. Även mängderna aluminium respektive titan analyserades under processerna. Undersökningen kan sammanfattas med följande slutsatser.

 För olegerat och låglegerat gjutstål var aluminium tillräckligt som enda desoxidationsmedel.

 För höglegerat gjutstål gavs goda resultat då aluminiumtillsatsen kombinerades med kalcium. Vid höga krav på ytor och bearbetning krävdes en högre kalciumtillsats och aluminiumet uteslöts.

 Desoxidationen var mest effektiv då den utfördes så sent som möjligt före avgjutningen, helst först i avgjutningsskänken. Redan 15 minuters hålltid i HF-ugn medförde att effekten av desoxidationen avklingade.

Kvävehalten studerades under försöken genom provtagning och analys med LECO-utrustning [2].

 Kvävehalten ökade kontinuerligt i smältan vid varmhållning i ugn men också i skänkarna under avgjutningen, trots tillsatser av titan.

 Ökningen i kvävehalt var alltid lika stor oavsett vilken mängd kväve som finns i utgångsmaterialet. Höga andelar återgångsmaterial i chargerna gjorde alltså att kvävehalterna byggs upp successivt från charge till charge.

 Utgångsmaterial av hög kvalitet, minskade hålltider samt skydd mot atmosfären t ex genom täckslagg gav därför lägre kvävehalter i det färdiga gjutgodset.

4.5 Övriga metoder

Historiskt sker ofta tekniköverföring från stålverk till gjuterier. Två exempel är bruket av induktionsugnar och skänkmetallurgi [9][12]. Pettersson beskriver i en litteraturstudie ett antal metoder för rening av stål som är vanliga i stålverk men som av olika skäl mer sällan kommer till användning i gjuterier [6]. Framför allt kan höga investeringskostnader avskräcka om man inte har ett stålverks stora produktionsvolymer. Det kan även vara praktiskt svårgenomförbart att utföra vissa processer i små smältor. Bland annat nämns induktiv omrörning för att snabba på slaggbildning, konvertermetallurgi och vakuumtekniker [6].

5 Diskussion

Kvaliteten på stålgjutgods är ofta direkt kopplad till halterna av lösta gaser under gjutprocessen. När lösligheten minskar vid stelningen bildas gasporer i gjutgodset men också inneslutningar och utskiljningar. Kännedom om och kontroll över gashalterna i smältan är därför nyckeln till ett rent gjutstål.

Att analysera lösta gaser i en stålsmälta är inte trivialt. I stålverk är det praxis med kontinuerliga kontroller av varje charge men många stålgjuterier saknar analysutrustning och resurser till detta. Kampanjvisa mätningar med exempelvis

(14)

9

syre- och vätesonder kan dock ge en grundläggande kännedom om den egna processen och ligga till grund för förbättrade rutiner vad gäller renhet.

 En kartläggning av sambanden mellan gashalter, renhet och

materialegenskaper ger möjligheten till indirekt kontroll. Exempelvis kan en plötslig försämring i duktilitet hos stålet väcka misstanken om att gashalterna blivit för höga.

 Möjligheter finns att med relativt små investeringar förbättra

desoxidationspraxis och gjutparametrar men även att införa

kompletterande metoder som gasspolning eller vakuumbehandling, två metoder hämtade från stålverksmetallurgin.

6 Fortsatt arbete

I och med de projekt som redan genomförts inom området renhet i gjutstål finns en god kunskapsbas för fortsatt arbete. Mycket är känt om desoxidation, slaggavskiljning och raffinering. En uppdatering av praxis på svenska stålgjuterier är dock önskvärd eftersom ett par av utredningarna är gjorda redan under 1980-talet och en hel del teknikutveckling har skett sedan dess.

Försök med argonspolning har påbörjats under de senast åren och även vakuumbehandling av stål är en teknik med stor potential för stålgjuterier. För att kunna utvärdera nyttan av dessa reningsmetoder är det nödvändigt med god kännedom om halterna lösta gaser i olika steg av gjutprocessen. Mätsonder för direkt analys av syre- och vätehalterna i stålsmältan är en högintressant metod som kommer att användas i nästa steg av projektet, en uppdaterad kartläggning av reningsprocesserna i de deltagande stålgjuterierna. Frågeställningar som kommer att behandlas är bland annat följande.

 Utvärdering av mätsonder som ett verktyg för uppföljning av syre- och vätehalter kombinerat med traditionell kvävebestämning.

 Kartläggning av gjutprocesserna. Var sker förändring av gashalter?

 Gashalter i befintliga processer kopplat till renhet med avseende på porer och inneslutningar i det färdiga stålet.

 Kan processteg justeras eller byta plats för ett bättre resultat?

Därefter går projektet vidare med försök med optimerade ingjut och eventuellt andra gjutparametrar för att undersöka inverkan på gashalter och renhet i gjutstålet.

7 Referenser

[1] J Nilsson, Desoxidationspraxis vid gjutstålsframställning: en litteraturstudie, Svenska Gjuteriföreningen, rapport 861020 (1986).

[2] J Nilsson, Desoxidationspraxis för några olika gjutstålskvaliteter: resultat av driftsförsök, Svenska Gjuteriföreningen, rapport 890420 (1989).

[3] L Dahl och P Kellgren, Slagginneslutningar i gjutstål, Svenska

Gjuteriföreningen, rapport 981222 (1998).

[4] J Nilsson, Raffinering av stålsmältor i stålgjuterier, Svenska

Gjuteriföreningen, rapport 870415 (1987).

[5] S W Paulsen, Nitrogen- och svovelraffinering i stålgjuterier, Svenska Gjuteriföreningen, rapport 920403 (1992).

(15)

10

[6] L Pettersson, Raffinering av stål, Swerea Swecast, rapport 091216 (2009). [7] L Pettersson, Raffinering av stål, Swerea Swecast, rapport 2010-013 (2010). [8] L Pettersson, Avgasning av stålsmältor, Swerea Swecast, rapport 2011-007

(2011)

[9] V Fourlakidis: Nitrogen and oxygen content in steel, Swerea Swecast, kommande rapport, 2012.

[10] J M Svoboda, Advanced Melting and Refining Technology for Steel Foundries – An International Overview, AFS Transactions 87 (1998) 521-3. [11] L H D Alves och J Finardi, Control of Intergranular Fracture in Steel

Castings, AFS Transactions 43 (1998) 453-9.

[12] Jernkontorets utbildningspaket del 4, Skänkmetallurgi och gjutning,

www.jernkontoret.se.

[13] Studier på gråjärn visar att vätehalten kan fördubblas vid avgjutning i sandform. A Diòszegi, Jönköpings Tekniska Högskola, muntlig information, november 2012.

[14] R Duncan, Hydrogen assisted cracking in steel castings, SFSA T&O Conference (1998).

[15] H Fredriksson och U Åkerlind: Gjutningens processteknologi del II, Institutionen för materialens processteknologi, KTH (1995).

[16] A Hillman och I Svensson, Stickblåsors bildningsförlopp i järn- och stålgjutgods, Svenska Gjuteriföreningen, rapport 800519 (1980).

[17] R. Monroe, Porosity in castings, AFS Transactions 05-245 (2005) 1-28. [18] T S Piwonka et al., Shrinkage-related Porosity in Steel Castings: A

State-of-the-Art Review, AFS Transactions 113 (2002) 1-15.

[19] Jernkontorets utbildningspaket del 6, Analytisk kemi, www.jernkontoret.se. [20] O Ericsson, An Experimental Study of Liquid Steel Sampling,

licentiatavhandling, Kungliga tekniska högskolan, Stockholm (2009).

[21] Information om Heraeus mätsonder Nitris, Celox och Hydris finns bland annat på företagets websida:

http://heraeus-electro-nite.com/en/sensorsformoltenmetals/steel/steel_1.aspx

[22] B Lindeborg, Keycast, muntlig information, september 2012.

[23] J Björklund, A Study of Slag-Steel-Inclusion Interaction During Ladle

Treatment, licentiatavhandling, Kungliga tekniska högskolan, Stockholm

(2006).

[24] Johanna Elfversson, Optimering av spolning vid efterbehandling av stål, examensarbete, Luleå Tekniska Universitet, Luleå (2007).

[25] Stainless Steels, ASM Specialty Handbook. Ed. J R Davis, ASM International (1994).

[26] L Zhang et al., Evaluation and control of steal cleanliness – review. 85th

Steelmaking Conference Proceedings (2002) 431-52.

[27] C Wang et al., Reducing Oxygen and Nitrogen Content in Liquid Steel Through Argon Stirring – Steel Foundry Practice, 1996 Electric Furnace

(16)

11

[28] L Wang, H G Lee, P Hayes, Prediction of the optimal bubble size for inclusion removal from molten steel by flotation, ISIJ International, 36:1 (1996) 7-16.

[29] J J Moore och G A K Bodor, Steel Desoxidation Practice: Special Emphasis on Heavy Section Steel Castings, AFS Transactions 12 (1985) 99-114.