Princip och teori. Patentet SE c2 uppfinnare Henry Bark, Flen

Transkript

1 Den 7 Maj 2015 var jag inbjuden till Svenska Gjuteriföreningens konferens i Jönköping för att mottaga ett av 2015 års stipendier i stiftelsen Sille'ns innovationsfond inom området gjuteriteknik. Min ansökan gällde "fundament för elektriska smältugnar". Samtidigt gav jag en kort information om premisserna för patentansökan och den senaste tidens utveckling på induktionssmältugnar och hur den påverkat dessa. De nya möjligheter som öppnas lovade jag återkomma med i "Gjuteriet", om möjlighet gives. Ide'n till patentansökan dök upp 2012 i tidskriften Gjuteriet nr 1. MEFOS SWEREA och SWECAST SWEREA redovisar där resultatet från ett av delprojekten "Att utveckla en raffineringsteknik baserad på mekanisk omröring för induktionsugnar då smältning i induktionsugnar medger endast marginella möjligheter till raffinering av stålet". "Bland de vanligen kvarstående "problematiska föroreningarna" kan nämnas svavel, fosfor, mangan samt lösta gaser och inneslutningar." "2012 ligger fokus på manganraffinering". En god omröring erhålles med professor Bo Kallings skakmetod, som han utvecklade vid Domnarvets Jernverk. Således, om en induktionsugn kunde skakas löser man det aktuella problemet. Princip och teori Professor Kalling tog fasta på vad som sker när man skakar ett till 2/3 urdrucket grogglas då en s.k. "stående våg" bildas mot glasets vägg, (u.s. pat feb ). Genom modellfösök och matematiska beräkningar har utretts vad som sker, när en vätska på detta sätt bringas i rörelse i ett kärl. En utförlig beskrivning av skakskänkens princip och teori har redovisats av Sven Eketorp, KTH i Jka nr 8/1959. Patentet SE c2 uppfinnare Henry Bark, Flen Uppfinningen innefattar ett tippbart fundament för elektriska smältugnar, skänkar, retortrar, behållare eller annat slag av kärl. Monteringen är enkel och för underhåll kan reservobjekt inkopplas. Om fundamentet förses med excentrar kopplade till exempelvis en smältugn, så fungerar den som en skakugn. Fundamentet kan byggas vippbart kring sin mittaxel om det förses med en motor med vriddon, kopplat i fundamentet. Tippas ugnen bakåt kan slagg lätt dragas av. Med en bottentömmande skänk placerad i ett fundament med tre excentrar kan järn från masugnar och kupolugnar avsvavlas kontinuerligt. I Gjuteriet nr propagerar Raul Carlsson SWEREA SWECAST AB för ny tillväxtpotential med cirkulär ekonomi. Innebär exempelvis att istället för köp av produktionsutrustning, serviceavtal kopplas till leasing av utrustningen. Viktigt att då snabbt kunna byta ut objektet.

2 De senaste årens utveckling av induktionsugnarna ändrar de premisser, som var rådande 2012, då ide'n att skaka ugnen var aktuell. SKF i Katrineholm har installerat 12-tons ugnar som smälter 12 ton på mindre än 1 tim. De uppfyller ställda miljökrav och har ergonometriskt anpassade arbetsplattformar. Ändra en sådan ugn med utrustning med omröring eller skakning är ej realistiskt. Om metallurgiska behandlingar eftersträvas får dessa ske i skänk utanför ugnen, vilket förekommer. Produktion med skakskänk vid A B Järnförädling i Hälleforsnäs på 1960-talet Huvuddelen av produktionen utgjordes av värmebehandlat aducerjärn duplexsmält i kupolugn-flamugn. Basjärn för segjärn samt grovt aducerjärn smältes i induktionsugnar. Kupolugnen smälte ton/tim. och HF-ugnarna ca 1.5 ton/tim, vilket var otillräckligt pga den ökade efterfrågan av segjärn. Efter besök Domnarvet och licensköp av Stora Kopparbergs AB anskaffades en skakanordning från Gesellschaft für Hüttenwerksanlagen m.b.h. Düsseldorf. Bilaga 1, fig.1, 2. Därmed löstes problemet med den höga svavelhalten (0,12 %) från kupolugnen. Dessutom erhölls en snabb uppkolning från 2,7 till 3,9 %kol. Produktionsresultat med 700 kg skakskänk I tabell nr 1, bilaga 2 redovisas det genomsnittliga resultatet från de första skakningarna. 100 konsekutiva skakningar visar att medelvärdet av avsvavlingen är 95 % ± 4 % och en 1 % -ig uppkolning ger 74 % utbyte ± 8 % räknat på totala kolmängden i både kalciumkarbiden och grafiten. Skakningar utförda under de första 4 månaderna 1963 visade i stort sett samma resultat. Försök med korta skaktider Med en speciell provtagningsteknik togs prov varje minut under pågående skakning. Praktiskt taget full uppkolning och fullständig avsvavling uppnåddes efter ett par minuters skakning, se tab. III, IV och fig. 3 i bilaga 2. Erfarenheter För uppkolning provades olika typer av grafit samt koksgrus. Bästa resultat erhölls med 0 0,5 mm grafitsvarvspån (krav på låg svavelhalt). Koksgrus fungerade, men när skakningen började uppstod en kraftig gasutveckling orsakat av fukt. Efter en tids användning bildades det i höjd med vågens topp, tjocka avsättningar av järn och slagg. Orsaken kan vara koksaskans sammansättning. För avsvavling användes 0,1 1 mm gjuterikarbid. 0,5 1 mm är att rekommendera. Den fina fraktionen följer med luftströmmen ur skänken vid tillsättandet och urtappning och var ett miljöproblem.

3 Kalk fordrar längre skaktid och det är svårt att hålla den torr, samt bildades lågor och rök vid reaktion med kol, dessutom kräver kalkanvändning mer värme. Inlegering av FeSi-legeringar och FeMn var inga problem. Från början rekommenderades att tillsätta glas eller kryolit, men var inte till någon fördel, tvärtom. Vid vårt besök i Domnarvet demonstrerades hur man höll temperaturen uppe genom att blåsa syrgas på badytan. I Hälleforsnäsa förvärmdes skakskänkarna med gasolbrännare eller med smält järn. Temperaturförluster uppstår vid ihällning, skakning och överhällning. Återuppvärmning i induktionsugnen var obligatoriskt. Slitage i 3-tonsskänken följdes upp. Den höll för 491 skakningar under tiden 19/1-62 till 5/3-63 då totalt ton passerat igenom skänken. Slaggbildning under skakning var aldrig något problem. Med ett litet lock på skänken förhindrades lufttillträde och med närvaron av grafit var det en icke oxiderande atmosfär i skänken. Någon "seg" slagg erhölls ej. Kalciumsulfiden är amorf, solid och grynig. Två skänkar finns kvar och skakanordningen ligger i malpåse. Kan enkelt skruvas bort. Bo Kallings skakskänksmetod till heders igen? Problemet är värmeförlusten. Kan detta lösas, föreligger nya möjligheter på det metallurgiska området. En tänkbar lösning är en hybridskänk med en konisk överdel som håller den stående vågen på plats och en underdel med en värmekälla. Ett alternativ är en liten induktor, som skall tåla att skänken tömmes helt, rensas ur och fylles på nytt. Vid korta stopp värmas med gasol och vid längre, fyllas med "sump". Ett annat alternativ är att montera en skakskänks överdel på en liten induktionsugn. Ett alternativ som är mycket lockande och ligger inom möjligheternas gräns (om någon ugnstillverkare ser potentialen). Tegelinfodring borde prövas med tanke på de goda driftresultaten vid A B Järnförädling i Hälleforsnäs. Enligt muntlig uppgift från en ugnstillverkare borde uppvärmningen med tegelinfodring fungera lika bra som instampad och sintrad kvartsitmassa. Måste dock verifieras i en mindre ugn. Möjligheter med en hybridskänk Vid A B Järnförädling i Hälleforsnäs har avsvavling, uppkolning och inlegering av de vanligaste ferrolegeringarna redovisats, även segjärnsbehandling med de vanligaste magnesiumlegeringarna har utförts. I det följande redovisas olika behandlingar med skakskänk utförda under 1960-talet. I samtliga fall har det behandlade järnet temperaturjusterats genom syrgasblåsning. Problemet med skakskänken är således temperaturförlusten.

4 Erfarenheter med 5-tons skakskänk Stora Kopparbergs Bergslag A B, pat Förfarande för framställning av fosforfattigt tackjärn ur en fosforhaltig tackjärnssmälta. Slaggbildare: Kalk < 4 mm Färskningsmedel: Magnetitslig < 3 mm Reduktionsmedel: Koks < 20 mm Syre: 90 mm³/ton Försök II Före Efter Kg järn Temp C C C % 3,93 3,73 Si % 0,68 - Mn % 0,53 0,02 P % 0,837 0,052 Ex. 1 7 Japanska uppfinnare. Patentspecifikation London Skakskänk för 5 ton, diam. 1,1 m, excentr. 90 mm, baddjup 0,7 m, rotation varv/min. Ex. 1 Avsvavling: Järn: 5 ton tackjärn CaC2 6 kg/ton Efter skak. 10 min. Temp.förlust C % 3,17 3,20 20 C Si % 1,85 1,85 Mn % 0,36 0,36 S % 0,122 0,012 Ex. 2 Uppkolning och legering järn: 5 ton tackjärn Efter skak. 5 min. C % 2, kg grafit 3,45 Si % 0, kg 75 % Fe Si 1,37 Mn % 0, kg FeMn 0,72 S % 0,02 0,018

5 Ex. 3 Oxidation av fosfor Tillsatser Efter skakning Järn 5 ton tackjärn kg Temp C C C % 4, kg järnsand 3,90 Si % 0, kg bränd kalk 0,01 Mn % 0,10 15 kg fluorspad 0,077 P % 0,30 15 kg soda 0,015 S % 0,042 syrgas 13 Nm³ /T 0,018 Behandlingstid 3,3 min./ton Utbyte 96 % Defosforiseringsgrad 95 % Ex. 4 Oxidation av Si, Ti och V och uppgradering av kisel och mangan Ex. 5 Oxidation av krom till 0,06 % Ex. 6 Oxidation av kol till 0,01 % Ex. 7 Avsvavling, defosforisering och uppgradering kisel och mangan Ex. 8 Sätt att framställa rostfritt krom- eller nickelstål, vid vilket sätt en charge smältes i en smältugn och från denna tappas i en skakskänk Uppfinnare T. Akita, M. Imatomi och H. Shinde. Se PRV utläggningsskrift nr V 1968 "Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett sätt att på kort tid framställa rostfritt stål med ytterst högt kromutbyte och en hög avsvavlingshastighet." "Ett annat ändamål med uppfinningen är att en stor mängd kromit användes." Sammanfattning I de redovisade exemplen är syrgasblåsning ett måste för att hålla uppe temperaturen. Med en hybridskänk monterad i ett fundament med excentrar kan de flesta operationer utföras utan syrgasblåsning och det behandlade

6 järnet levereras till gjutplats eller varmhållningsugn. Slutord Det har under 3 år varit en omständlig resa med PRV, som även fördröjde möjligheten att söka utländskt patent. Utan hjälp av sonen Anders, med utskrivning och it-support, har resan inte varit möjlig.

7

8