1. No category

Magnesiumbehandlet returjern
bidrager til slid af ovnforet
Slid på kvartsforet i en induktionssmelteovn til smeltning
af SG-jern kan være forårsaget af magnesium, aluminium og
andre reaktive elementer i jernsmelten.
William J. Duca, Duca Manufacturing Inc., Boardman, Ohio
Russ Seider, Pryor Giggey CO., Chilton, Wisconsin
Jerry Beaird, Rochester Metal Products, Rochester, Indiana
Oversat af Herbert Wolthoorn
Den traditionelle forklaring på
slidet i bunden i en digelinduktionsovn til smeltning af gråjern er,
at kvartsen i digelforet reduceres
af smeltens kulstofindhold. Imidlertid er denne forklaring ikke
fyldestgørende, når der tales om
smeltning af SG-jern.
I bunden af diglen optræder ofte
et slidmønster, som kaldes elefantfoden. Diglen er typisk fremstillet af et tørt kvartsmateriale
tilsat et sintringsmiddel til at
binde kornene sammen. Normalt
anvendes borsyre som sintringsmiddel. Ifølge loven om fri energi
(fri energi i et kemisk system er
den energimængde, som kan omdannes til arbejde) vil kulstoffet i
en jernsmelte reagere med kvartsforet (SiO2) og danne kulmonoxid
(CO). I smeltet gråjern indeholdende 3,4% kulstof og 2,4% silicium sker reaktionen ved 1450o C.
På samme måde reagerer kulstof
med kvarts og danner kulmonoxid
ved 1450oC, hvis der smeltes SGbasisjern, indeholdende 3,8% kulstof og1,8% silicium.
Silicium opløses i jernsmelten,
mens kulmonoxiden undslipper
som gas. Reduktionen af kvartsindholdet på grund af kulstoffet
resulterer således i slid på ovnforet. For eksempel skal foret i en
35 tons 7000 kW netfrekvens induktionsovn udskiftes efter smeltning af 8000 tons gråjern. Men
når der smeltes SG-jern i samme
ovn, skal foret allerede udskiftes
efter 2600 tons. Eftersom forskelSTØBERIET nr. 1, 2011
len i fri energi mellem gråjern og
SG-jern ikke kan forklare hele
den nedsatte levetid, må der være
andre forhold, der forøger sliddet
på foret.
En undersøgelse, som blev udført for mindre end 10 år siden,
viste at et kvartsfoer også kan
blive reduceret af magnesium
og magnesiumsulfid, hidrørende
fra magnesiumbehandlet SGreturjern. Hvis ilten i kvartsforet
derimod blev brugt af magnesium
eller magnesiumsulfid under dannelse af magnesiumoxid, optrådte
der så godt som intet slid på foret.
Hvordan magnesium og magnesiumsulfid bedrager til det primære
slid på ovnforet kræver en nærmere forklaring.
Årsagen til slid på
ovnfoer
Undersøgelsen af et udskiftet
kvartsfoer fra en induktionsovn
Fig 1: Ternært fasediagram (Obs. temperatur i °F).
13
til SG-jern afslørede, at foret i den
nedre del af elefantfoden var smeltet, mens den øvre del ikke var. For
at kunne smelte et kvartsfoer ved
en temperatur, som ligger under
kvartsens smeltepunkt kræves tilstedeværelse af andre oxider. Ved
hjælp at scanningelektronmikroskopi påvistes sammensætningen
af 3 varmepåvirkede kvartsfoerprøver fra en 35 tons induktionsovn til smeltning af SG-jern.
De primære oxider som fandtes omfattede kvarts, aluminiumoxid og magnesiumoxid (Tabel
1). Mængderne af SiO2, Al2O3 og
MgO blev omregnet til 100% (Tabel 2), og sammensætning for hver
foerprøve blev plottet i et ternært
fasediagram (Fig.1). Analysen indikerede, at foret smelter og skylles væk af ovnens badbevægelsen,
hvis temperaturen af den varme
foeroverflade bliver 1450o C.
Hvor kommer
magnesium fra?
Fig. 2: Badbevægelsen i en digelinduktionsovn
14
Ved smeltning med en flydende
sump består en typisk efterchargering af den omtalte 35 tons induktionsovn af 55 % SG-returjern.
Dette returjern var oprindeligt
behandlet med en magnesiumferrosilicium legering (MgFeSi),
der indeholder 6,25 % magnesium
(Tabel 3).
Ved tilsætning af MgFeSi finder
der en afiltning og en afsvovlning
sted i basisjernet, så dannelsen af
kuglegrafit i stedet for flagegrafit
muliggøres. Da dannelsen af oxider og sulfider finder sted på molekylært niveau, vil ikke al dannet
magnesiumoxid og magnesiumsulfid stige op til overfladen og binde
sig til slaggelaget. Følgelig forbliver noget magnesiumoxid og magnesiumsulfid tilbage i smelten og
indesluttes når smelten størkner.
For at reducere svovl- og iltindholdet til et niveau, som sikrer
dannelse af kuglegrafit tilsættes MgFeSi i overskud. Da magnesium er dårligt opløseligt i en
jernsmelte, findes magnesium
primært som en gas i det flydende
jern. Under størkningen kondenserer disse gasser og størkner i
STØBERIET nr. 1, 2011
Fig. 3: Dannelsen af elefanfoden i en digelinduktionsovn
det behandlede jern. Restmagnesium i en behandlet smelteprøve
blev målt til 0,039 %.
aluminium i SG-returjern. Det aktuelle indhold af aluminium i den
pågældende returjernsprøve var
0,0094 % til 0,0103%.
Hvor kommer
aluminium fra?
Chargering af ovnen
En typisk efterchargering af den
omtalte 35 tons induktionsovn består af 45 % stålskrot. Aluminium
anvendes til af afilte stål, og derfor vil noget af det overskydende
aluminium størkne i stålet, og
noget af aluminiumsoxiden forbliver opblandet i stålet. Stålet, som
tilsættes smelteovnen, indeholder
typisk mellem 0,0199 % og 0,0459
% aluminium. Hvis alt aluminium fra stålskrotet blev tilbage
i basisjernet, ville dette kunne
indeholde 0,008 til 0,021 % aluminium.
Da en efterchargering med 55 %
SG-returjern, som tidligere er blevet behandlet med 1,5 % MgFeSi
indeholdende 0,78% aluminium
(Tabel 3), så bidrager behandlingsprocessen med op til 0,0064%
aluminium. Senpodning af SGjern kunne give yderligere 0,01%
Når
en
induktionssmelteovn
charges med SG-returjern og stålskrot, tilsættes disse materialer i
smeltebadet og smeltes ved hjælp
af induktionsvarme. En digelinduktionssmelteovn er kendetegnet
ved en ikke-symmetrisk belastning. Bunden af smeltebadet er
ved eller lidt over bunden af spolen, mens toppen af smeltebadet
befinder sig over toppen af spolen
(Fig. 2).
Når charge-tilsætningerne sænkes ned i smelten, overføres varme
fra smelten til chargen, hvilket
øger temperaturen i chargematerialerne og reducerer smeltebadets temperatur til cirka 1300oC.
Eftersom charge-tilsætningen
har en tendens til at flyde i den
øverste del af smeltebadet, kan
smelten i netop dette område vanskeligt overophedes, i hvert fald
STØBERIET nr. 1, 2011
ikke før der er tilført energi nok til
at smelte hele charge-tilsætningen. Og fordi temperaturen i smelten nær bunden således er højere
end i den øverste del, strømmer
energien fra bunden til toppen, og
forårsager at det underste af det
tilsatte chargemateriale smelter
først.
Det magnesium, som fandtes i
fast form i omgangsjernet, smelter, fordamper og forbliver svævende som magnesiumgasser i
det flydende basisjern. Det aluminium, som var opløst i stålskrottet
og i det behandlede SG-returjern
forbliver i opløsning i det flydende
basisjern. Magnesiumsulfid, som
stammer fra returjernet, holder
sig svævende i det flydende basisjern. Oxiderne, der stammer
fra returjern og stålskrot holder
sig også svævende i det flydende
basisjern. Det udskildte magnesium, aluminium, sulfider og oxider cirkuleres rundt i smeltebadets nedre område.
Kilden til slid på
ovnfoer
Når magnesium, aluminium og
magnesiumsulfid fra returjern og
stålskrot udskilles i den flydende
smelte, har de mest tilbøjelighed
til at reagere med ilt for at danne
oxider. Eftersom iltindholdet i
både basisjernet, stålskrotet og
behandlet omgangsjern er lavt,
bliver den nærmeste kilde til ilt
diglens kvartsfoer.
For at kunne afgøre, hvorvidt
disse reaktive elementer og deres sulfider kan optage ilt fra et
kvartsfoer, blev de reaktioner, som
fandt sted umiddelbart i forlængelse af en efterchargering studeret nærmere mens smelten var
1315 o C
Magnesiumgasserne i returjernet reagerede med kvartsforet og
dannede magnesiumsilikater, hvis
smeltebadet indeholder 1,8% Si.
Magnesiumsulfiderne reagerede
med kvartsforet og dannede magnesiumsilikater, hvis smeltebadet
indeholder 1,8% Si og svovlgassernes partielle tryk er tæt på nul
i grænselaget mellem smelte og
15
foer; denne tilstand forekommer
lige før en efterchargering.
Magnesiumoxiderne, som frigives fra basisjernet reagerede med
kvartsforet og dannede magnesiumsilkater.
Aluminiummet, som er opløst
i både stålskrottet og returjernet reagerede med kvartsforet og
dannede et aluminiumsilkat, når
smeltebadet indeholder 1,8 % Si
og 0,016% Al.
Aluminiumoxiderne, som er opløst i både stålskrotet og returjernet reagerede med kvartsforet og
dannede aluminiumsilikater.
Da disse reaktioner fandt sted
under
størkningstemperaturen
for MgO-SiO2 og Al2O3-SiO2,
henholdsvis 1543 oC og 1590 oC,
blev der dannet en ikke-smeltet
blanding af MgO, Al2O3 og SiO2.
Derfor, hvis et kvartsfoer udsæt-
16
tes for enten magnesium eller aluminium ved 1315oC, så vil forets
varme overflade ikke smelte fordi
temperaturen er lavere end smeltetemperaturen for kvarts.
Hvis et kvartfoer derimod udsættes for oxiderne af magnesium
og aluminium samtidigt, så ville
smeltepunktet for den ternære
blanding falde til den ternære
eutektiske temperatur på 1365
oC.
Sammensætningen af det ternære eutektiske blanding var
20,73 % MgO, 17,48 % Al2O3 og
61,79 % SiO2, hvilket svarer til
3MgO, Al2O3 og 6SiO2. Hvis et
kvartsfoer således reagerer med
tilstrækkelige mængder magnesium- og aluminiumoxider og dermed reducerer sit smeltepunkt til
under støbetemperaturen, så vil
ovnforet slides, og dette slid vil
være begrænset til bunden af ovnen (Fig. 3).
Kvartsforet reduktion af magnesium, aluminium eller andre
reaktive elementer i jernsmelten finder sted fordi smelten er i
en afiltet tilstand. Følgelig bliver
kvartsforet hovedkilden for ilttilførsel til disse reaktive elementer.
En mulige løsning til at øge levetiden for et kvartsfoer er under
chargeringen at ilte smelten ved
at tilføre materialer såsom jernoxider eller magnesiumkarbonat,
der kan levere den ønskede ilt til
de reaktive elementer.
Artiklen er oversat fra Modern
Castings August 2010.
Yderligere information:
the American Foundry Society
www.moderncasting.com
STØBERIET nr. 1, 2011