EXAMENSARBETE Förstudie av fast ESR-kokill Frieda Ekman 2015 Högskoleexamen Bergsskoletekniker metall- och verkstadsindustri Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Förstudie av fast ESR-kokill A pre-study on fixed ESR-ladle Frieda Ekman EXAMENSARBETE Processutveckling Nr: B0009T 2014
EXAMENSARBETE Grundnivå 2 Metall- och Verkstadsindustri Program Reg nr Omfattning Metall- och Verkstadsindustri 120 hp B0009T 7.5 hp Namn Datum Frieda Ekman 2014-06-02 Handledare Examinator Jörgen Andersson Företag/Institution Uddeholms AB Titel Jörgen Andersson Kontaktperson vid företaget/institutionen Jenny Karlsson Förstudie av fast kokill Nyckelord Elektroslaggraffinering, kokill, verktygsstål, processutveckling Sammanfattning Detta examensarbete har utförts hos Uddeholms AB vid ESR-verket i Kilsta. Uddeholms AB är specialiserat på verktygsstål och i dagsläget producerar företaget 100 000 ton per år varav 40 % omsmälts med ESR. Syftet med studien var att göra en förstudie på investeringen av en fast kokill i ESR. Antalet inneslutningar i olika götstorlekar och under olika omsmältningsförhållanden har studerats samt några olika inneslutningstyper har undersökts. Förstudien visar att götet blir väsentligt renare med fast kokill. Nackdelen är att produktiviteten sjunker signifikant. Vidare har arbetet med förstudien lett till en optimering av götlängden för den fast kokillen. Bergsskolan Telefon: 0590 16260 Box 173 Telefax: 0590 16299 68224 FILIPSTAD URL: http://www.bergsskolan.se
DEGREE PROJECT Metal and material techniques Programme Reg number Extent Metal and material techniques 120 hp B0009T 7.5 ECTS Name of student Year-Month-Day Frieda Ekman 2014-06-02 Supervisor Jörgen Andersson Company/Department Uddeholms AB Examiner Jörgen Andersson Supervisor at the Company/Department Jenny Karlsson Title A pre-study on fixed ESR-ladle Keywords Electroslagg remelting, ladle, tool steel, process development Summary This thesis work was performed at Uddeholms AB at ESR plant in Kilsta. Uddeholms AB is specialised on tool steels and currently the company produces 100 000 metric tonnes per year, of which 40 percent is remelted through the ESR process. The aim of the work was to do a pre-study on the investment of a fixed ladle in the ESR plant. The number of inclusions in different ingot sizes and different remelting conditions has been investigated. Also some different types of inclusions have been studied. The pre-study shows that the ingot becomes much cleaner when using a fixed ladle. The draw-back is that the productivity is significantly lower using a fixed ladle. Furthermore, this pre/study has led to an optimization of the length of the casted ingot prior to the fixed ladle ESR. Bergsskolan Telefon: 0590 16260 Box 173 Telefax: 0590 16299 68224 FILIPSTAD URL: http://www.bergsskolan.se
Förord Som avslutning på min högskoleteknikerutbildning inom Metall och verkstad vid Bergsskolan i Filipstad genomfördes detta examensarbete på 7,5 hp. Detta examensarbete har utförts hos Uddeholms AB vid ESR-verket i Kilsta. Jag vill tacka mina handledare Ewa Sjöqvist Persson och Jenny Karlsson för all hjälp och stöd samt enhetsledare Claes Winnfors i Kista. 1
Innehållsförteckning 1.Inledning... 32 1.1 Bakgrund/Syfte... 32 1.2 Frågeställning... 32 2. Litteraturstudie... 43 2.1 Funktion av ESR... 43 2.2 Definition av ESR-processen... 43 2.3 ESR-varianter... 65 2.4 Slaggens uppgifter... 65 2.5 Styrningen av ESR-processen... 76 2.6 Tidigare studier... 87 3. Metod... 1211 4. Utförande... 1211 4.1 Längdberäkningar... 1211 4.2 Produktivitetsberäkningar... 1514 4.3 Viktberäkningar... 1514 4.4 Kassaktion... 1615 5. Resultat... 1716 6. Diskussion... 1918 7. Slutsats... 2019 8. Fortsatt arbete/forskning/rekommendationer... 2221 9. Referenser... 2321 2
1. Inledning Företagsbeskrivning Uddeholms AB är specialiserat på verktygsstål och i dagsläget producerar företaget 100 000 ton per år varav 40 % omsmälts med Elektro-Slagg-Raffinering (ESR). Uddeholm producerar ESR-elektroder från 1.5 till 30 ton och göt från 2 till 25 ton. Efter att elektroden har gjutits i stålverket går den vidare till värmebehandlingen där den antingen etappglödgas eller mjukglödgas beroende på storlek och stålsort hos elektroden. Sedan avlägsnas sjunkboxen, som innehåller stora mängder icke-metalliska inneslutningar och porer från stelnandet, och till sist blästras eller ytslipas elektroden. Uddeholms AB har fyra Böhler-ugnar byggda runt 1970. Ugnarna använder sig av rörliga kokiller med växling av elektroder, och blev uppgraderade med automatisk smältkontroll 1995. Sen 1996 har fem nya ugnar installerats. Den Consarc-ugn som installerades 1996 har möjlighet att smälta göt upp till 1400 mm i diameter. Detta var den första ugn som byggdes med skyddande atmosfär. Mellan år 2000 och 2012 installerades fyra trycksatta (pressurized ESR-ugnar (PESR) av märket ALD, i vilka göt upp till 1250 mm kan smältas under ett tryck upp till 3 bar [1]. 1.1 Bakgrund/ syfte Uddeholm planerar att investera i en ny sluten ESR-kokill där omsmältningen sker under skyddsgas istället för luftatmosfär som i de gamla ugnarna. Genom att investera i en ny fast kokill med skyddande atmosfär kommer livslängden på de öppna ugnarna förlängas, d.v.s. de kommer att vara moderna längre än om de inte skulle byggas om, samt att den Aldesoxidation som krävs vid luftatmosfär elimineras. Antalet inneslutningar i olika götstorlekar och under olika omsmältningsförhållanden kommer att studeras, några olika inneslutningstyper kommer också att tas upp. Examensarbetet kommer att bidra till att Uddeholm fortsätter vara den ledande aktören inom ESR-omsmält material. 1.2 Frågeställning Vilka längder och tvärsnitt ska användas på elektroder och göt för att den nya ugnen med fast kokill ska användas så optimalt som möjligt? Hur kommer kapabilitet och produktion förändras med en fast kokill relativt dagens rörliga? Hur kommer den inre kvaliteten att se ut i götet från den fasta kokillen? Kommer den fasta kokillen leda till minskade eller ökade kassaktioner? 3
2. Litteraturstudie 2.1 Elektroslaggraffinering Elektroslaggraffinering (ESR) används i dagsläget för att höja produktkvaliteten, d.v.s. ge en bättre stelningsstruktur, ett homogenare material samt ett renare material med avseende på icke-metalliska inneslutningar [2]. Detta sker dels genom raffinering dels genom att materialet stelnar på korrekt sätt. Egenskaperna materialet får beror främst på analys och föreskriven processgång, men även mycket på andra faktorer så som processlagg, atmosfär, samt kemisk reaktion med infodring i stålverket [2]. Hållfasthetsvärdena i ett ESR-omsmält material är mer lika i både längs- och tvärriktning d.v.s. anisotropin i materialet minskar avsevärt. Den högre kvaliteten på ESR-stål gör att lönsamheten är god och/eller ger en säkrare avsättning för produkterna [3]. Problemet med ESR är att det inte går att reducera bort väte från smältan, men detta kan lösas om vätehalten kan hållas på en låg nivå i föregående processteg eller om lämplig skyddsgas används vid ESR [2]. Vacuumavgasning i stålverket innan ESR-omsmältning ger en låg vätehalt i stålsmältan. Det är också viktigt att lagra elektroderna på ett korrekt sätt i torr miljö, vilket minskar risken för väte. Är vätehalten i götet för hög efter omsmältning måste det väteglödgas i samband med etappglödgningen efter varmbearbetningen. 2.2 Definition av ESR-processen Elektroslaggraffinering är en reningsprocess som med hjälp av elektrodynamiskt smält slagg effektivt renar materialet genom den stora kontaktyta som uppstår mellan slagg och stålbad då elektroden är nedsänkt i slaggen samt då stålet droppar igenom slaggen. Stålet som ska renas är oftast i form av en elektrod som är delvis nedsänkt i slaggbadet i en vattenkyld kopparkokill. Värmen som krävs för processen genereras av ström som flödar mellan elektroden och bottenplattan som kokillen vilar på. Resistansen i slaggen utvecklar tillräckligt med värme och när slaggens temperatur når över smälttemperatur börjar botten av elektroden att smälta och bildar droppar, som blir renade när de kommer i kontakt med slaggen. Ytterligare rening sker när dropparna faller genom slaggen. 4
Fig 1. Elektroslaggprocess Kylningsprocessen är minst lika viktig som reningsprocessen då den tillsammans med långsam tillförsel av varmt material bidrar till den snabba kylningen vilken minskar segringar och ger en homogenare struktur. Materielet kyls både via bottenplattan samt via kokillens kylda väggar. För att få rätt stelningsstruktur måste elektroden ha rätt läge i slaggbadet i kokillen; är den för djupt ner blir stelningstiden för lång och oönskad struktur bildas då det blir en djup metallpool, är den högre upp är det risk för att ljusbågar bildas mellan elektrod och slaggbad. Dessa kan ge oönskade kemiska reaktioner, ex. uppgång av kvävehalt. Ju kortare stelningstid (grundarare metallpool) desto mindre hinner materialet segra och variationerna i materialet minskar tvärs götet. Materialet stelnar vinkelrätt mot metallpolen Fig 2. a. Djup metallpool. b. Grund metallpool 5
Däremot finns det förutsättningar för segringar i longitudinellt ledd, det beror främst på att elektroden själv har longitudinella segringar efter gjutningen. Makroinneslutningar i ett stål kan uppkomma då bitar av elektroden faller ner i smältbadet. Detta sker främst vid: 1. Växling 2. vid sprött material 3. vid ej riktigt glödgat material samt 4. vid ej förvärmd elektrod. Bitar från elektroden lossnar och faller ner och hinner inte smältas upp innan de når metallpolen. Detta kan också ske vid provtagning då provstaven doppas för djupt. Ytfel på götet kan bero på olika smälthastigheter, dåligt justerad utrustning, kokillernas hörnradie, stål med litet stelningsitervall skär lätt ut samt stål med stort stelningsitervall som lätt får dragsprickor. 2.3 ESR-varianter - Öppen ESR, kokillen rör sig uppåt eller bottenplattan rör sig nedåt. - Statisk ESR, kokillen är fast i botten plattan och fylls helt. -IESR (Inert ESR), omsmältning under skyddsatmosfär, ex argon och kväve. -PESR (Pressure ESR), omsmältning under förhöjt tryck oftast tillsammans med skyddsatmosfär. 2.4 Slaggens uppgifter ESR-slaggens uppgift är tvåfaldig, dels att alstra värme med hjälp av den höga resistiviteten och överföra samt fördela den jämt över hela göt ytan, och dels för raffinering. Slaggen ska också vara mottagare för olika desoxidationsprodukter, skydda från reoxidation/ gasupptagning, svavelrena samt att behålla stålets låga syrehalt. Den bör också vara kemiskt, termiskt och elektrisk stabil för att dess egenskaper skall vara så lika som möjligt från botten till toppen på ett göt samt mellan olika omsmältningar. Slaggen bidrar också till en bra hot topping, dvs. vara isolerande i omsmältningens slut. CaF 2 är baskomponenten i nästan alla slaggblandningar (mellan 25-90 %). Det är den enda av flouriderna som har tillräckligt lågt ångtryck för att vara stabil vid den höga temperatur som används vid ESR, 1700-1800 C. Slaggreningen sker främst vid elektrodspetsen och i slaggbadet, de primära inneslutningarna smälts upp i slaggen och de sekundära bildas då götet stelnar. Ju längre stelningstid, desto större kan inneslutningarna växta till sig samt agglomerera. På elektrodspetsen bildas en tunn metallfilm som gör att gränsytan mellan metall och slagg blir stor. Tillsammans med den höga temperaturen ger detta att avskiljningen av inneslutningar blir mer gynnsam; ca 80 % av reningen sker här. Då elektroden smälter och droppar ner i slaggbadet sker också slaggavskiljning då ytan mellan slagg och ämne får god kontakt; ca 20 % av reningen sker här. Rening sker också mellan slaggbad och metallbad. Det som främst händer med inneslutningarna är att de nybildade sekundära inneslutningarna är mindre än de primära i elektroden, men även andelen silikater och sulfider minskar. CaO tillsätts huvudsakligen i slaggen för att ge den högbasisk karaktär, detta för att ge gynnsammare termodynamiska förutsättningar. Al 2 O 3 tillsätts för att höja resistiviteten, vilket leder till en ökad värmetveckling och därmed högre produktion och lägre strömförbrukning. 6
För att ytterligare minska risken för reoxidation från atmosfär och elektrodytor kan man använda sig av desoxidationsmedel. Detta för att ta bort löst syre från slaggbadet. Desoxidationen hindrar syret från att transporteras in i stålet. Exempel på desoxidationsmedel kan vara Al och CaSi. 2.5 Styrning av ESR-processen Det man önskar styra i ESR-processen är stelningsförloppet. Det görs indirekt via pooldjupet som i sin tur styrs av smälthastigheten och elektrodens doppdjup i slaggbadet. Smälthastigheten styrs via effekten och doppdjupet styrs direkt via resistansen. Ju högre göt desto större resistans finns i det. Detta leder till att den tillförda effekten minskar ju högre götet är, p.g.a. att slaggen kyls mindre underifrån. En längre elektrod ger en större resistans och detta leder till att effekten ökar, dvs. vid varje växling ökar effekten och minskar sedan succesivt allt eftersom elektroden förbrukas och blir kortare. Avståndet mellan elektrodspets och metallbad har stor betydelse för processen. Genom att ändra avståndet kan man påverka värmebalansen som i sin tur påverkar pooldjupet, vilket avgör stelningsprocessen. Det enklaste sätet att ändra metallpoolens djup är att variera spänningen eller strömstyrkan. Avståndet kan sammanfattas i följande formel: L=U * A I p L= Avstånd mellan elektrodspets och metallbad A= Någon deformerad yta mellan elektrod och bad p= Slaggens speciella resistivitet U= Spänning över slaggbadet I= Ström Genom att anta att A och p är konstanta så är det enklaste sättet att variera baddjuper genom I eller U. Som framgår av formeln så är L omvänt proportionell mot strömstyrkan, I, d.v.s. en höjning av strömstyrkan ger en minskning av L, och värmeutvecklingen kommer koncentreras till mitten av götet och metallpoolen blir djupare. Genom att höja spänningen kommer elektroden längre ifrån metallbadet vilket leder till att metallpoolen blir grundare. En hög spänning och låg strömstyrka ger alltså det ideala förhållandet för en metallpool [3]. Fig 3. Samband mellan avstånd mellan elektrod och smälta 7
2.6 Tidigare studier Tidigare studier har kartlagt inneslutningar samt struktur i elektroder från samma moderscharge, och också i göt efter ESR omsmältning [2]. Undersökningarna visar också hur inneslutningarna förändras från elektrod till göt, samt skillnaderna i inneslutningsbild mellan runda och fyrkantiga göt [2]. I denna studie [2] har prov hämtats från ett martensitiskt rostfritt stål efter smide och valsning, från botten, mitten och toppen av götets ursprungs läge. Proven var alla från götets horisontalplan och varje prov har varit runt 6500 mm 2. 28 prov från 9 modercharger resulterade i 9 ESR omsmältningar i 5 olika götstorlekar. Proverna analyserades i svepelektronmikroskop (FEI Quanta 600 Mark II). Antal, storlek och kemisk sammansättning på inneslutningar större än 8 µm analyserades av programvaran Inca features från Oxford Instruments, och delades sedan in i fyra olika storleksklasser. Skillnaden mellan de olika ESR götens storlekar var mycket större än skillnaden mellan olika modercharger. Teoretiskt kan det förutsättas att antalet inneslutningar kommer att minska mot götets vertikala mitt, men genom denna undersökning var det ej möjligt att fastställa detta. Som förväntat fick de större göten större andel inneslutningar (Fig. 4 och 5). Detta överensstämmer med teorin att majoriteten av inneslutningar i ett ESR göt är sekundära från slagg och metalldesoxidation. Det stöds ytterligare av det stora antalet små inneslutningar som bildats under stelningsprocessen [2]. 8
Antal inneslutningar per mm 2 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 400 mm fyrkant ESR, 3 prov -2 göt 600 mm dia. ESR, 3 prov-1 göt 500 mm dia., PESR, 7 prov-3 göt 800 mm dia, PESR, 12 prov-4 göt 1050 mm dia, PESR, 3 prov-1 göt 8-11,2 µm 11,2-22,4 µm 22,4-44,8 µm >=44,8 µm Fig. 4 Antal inneslutningar per mm 2 och göt storlek [2]. Antal inneslutningar per mm 2 0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 400 mm fyrkant ESR, 3 prov -2 göt 600 mm dia. ESR, 3 prov-1 göt 500 mm dia., PESR, 7 prov-3 göt 800 mm dia, PESR, 12 prov- 4 göt 1050 mm dia, PESR, 3 prov-1 göt 8-11,2 µm 11,2-22,4 µm 22,4-44,8 µm >=44,8 µm Fig. 5 Antal inneslutningar per mm 2 och göt storlek, in zoomad version av Fig. 4 [2]. I Hagfors raffineras 510 mm, 800 mm och 1050 mm i PESR med fast kokill och argonskydd. I fasta kokiller är normalt elektrod-/götförhållandet större, vilket leder till en grundare metallpool och en kortare stelningstid. En skyddad atmosfär gör också att syrehalten i götet kan hållas under kontroll på ett bättre sätt än vid en öppen atmosfär och lika mycket aluminium behöver tillsättas som desoxidationsmedel. Göt med dimensionerna 400 mm fyrkant samt 600 mm omsmälts i dagsläget i öppen atmosfär med rörliga kokiller och genom att växla elektroder. Utredningen visar att för lika götstorlekar är antalet och storleken på inneslutningarna större i de göt som är smälta i ugnar med öppen atmosfär. Detta beror på elektrodväxling, det mindre elektrod-/götförhållandet samt den kemiska reaktionen mellan luft, slaggbad och aluminium för desoxidation. 9
De inneslutningstyper som huvudsakligen hittades var CaAl-oxider, AlMg-oxider (spinell) och CaS. Den vanligaste typen var AlMg-oxider, som emellertid hade små partiklar: majoriteten låg i intervallet 8-11,2 µm. De största inneslutningarna som hittades i varje prov var huvudsakligen CaAl-oxid; ibland tillsammans med CaS, se Fig och 7 [2]. Fig. 6 a) CaAl, 400 mm fyrkant. ESR. b) AlMg och CaAl, 600 mm diameter, ESR [2] Fig. 7 a) Al och CaS, 800 mm dia. PESR. b) Al och CaS, 800 mm diameter, PESR [2] I utredningen jämfördes två göt från samma moderscharge omsmälta i två olika ugnar. Ett 400 fyrkant göt i en ugn med rörlig kokill och öppen atmosfär, och ett 500 i diameter med fast kokill och sluten atmosfär, PESR. Efter den första utredningen var aluminiumhalten optimerad i moderschargen samt under desoxidationen. Den var även optimerad under elektrodtillverkningen i syfte att minska kemisk reaktion med infodringen. Fig 8 och 9 visar skillnader dels mellan de olika göt storlekarna och dels före och efter aluminiumoptimering [2]. 10
Antal inneslutningar per mm 2 400 mm fyrkant. ESR 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 8-11,2 µm 11,2-22,4 µm 22,4-44,8 µm >=44,8 µm HT2012, 3 prov-2 göt HT2013, 3 prov-1 göt Fig. 8 Antal inneslutningar per mm 2 i ett 400 mm fyrkant ESR göt, före (HT2012) och efter (HT2013) aluminium optimering [2]. Antal inneslutningar per mm 2 500 mm dia. PESR 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 8-11,2 µm 11,2-22,4 µm 22,4-44,8 µm >=44,8 µm HT2012, 7 prov-3 göt HT2013, 3 prov-2 göt Fig. 9 Antal inneslutningar per mm 2 i ett 500 mm i diameter PESR göt, före (HT2012) och efter (HT2013) aluminium optimering [2]. Även om götstorlekarna inte skiljer så mycket så kan det ses en liten skillnad mellan götet omsmält i den öppna ESR-ugnen och det som var omsmält i den slutna PESR-ugnen. Skillnaderna är mindre efter optimeringen av ugnarna, vilket tyder på att de beror mer på de kemiska reaktionerna än på stelningstiden. 11
3. Metod Genom att studera Uddeholms eget framtagna dokument om ESR samt genom intervju med Uddeholms enhetsledare i Kilsta, Claes Winnfors, har fakta om ESR inhämtats. Information har också erhållits genom intervjuer med senior advising engineer Ewa Persson och processutvecklare Jenny Karlsson. Flertalet studiebesök till Uddeholms ESR-verk i Hagfors samt i kilsta har genomförts för att få en bild av hur processen går till. Genom de tidigare utförda studierna erhölls information om hur den inre kvaliteten kan karakteriseras i göten från den nya fasta kokillen. 4. Utförande Förutsättningar: Ingen elektrodväxling. Inget behov av desoxidation under smältning p.g.a. sluten kokill. Befintlig ugnsarm samt om möjligt befintlig götvagn skall användas. Göt dimension 500 mm Ø Göt längd - max 2200 mm. Data för Böhler-ugnarna: Böhler 5-10ME och 2-5ME byggda 1970. Två stationer med rörlig kokill. Position: Ugn 2-5 ME: 5-10 ME: Golv topp av götvagn 0,8 m 1,0 m Golv topp av kokillarm 8,15 m 7,5 m Golv topp av elektrodarm 9,1 m 9,0 m Götvagn golv - 2,5 m Max last [kg] 5000 5000 Slaggbadsdjup 0,2 m 0,2 m Max längd för 30E (elektrod för 400 fyrkant) utan box ca 217 cm. Max längd för 39E (elektrod för 500 runt) utan box ca 525 cm. 4.1 Längdberäkningar Genom att utifrån uppmätta resultat räkna ut maximala längden på elektroden för att få optimal ungskapacitet vid 39E till 500 Ø så- Max längd på elektrod- L=525 cm, Ø=39 cm så blir volymen på götet alltså: 5,25*π*0,39 2 = 2,51 m 3 genom detta kan götets längd tas fram: 2,51 = 3,19 m π*0,5 2 12
Genom denna beräkning samt underlag från Götverket så måste götet delas så vardera bit blir: 3,19/2= 1,595 m På grund av att elektrodarmen inte kan höjas till mer än 9 m samt att golvnivån i Kilsta är 2,5 m över götvagnen så är det inte möjligt att föra in en 5,25 m lång elektrod i den fasta kokillen, utan maximala längden för en elektrod blir 3,8 m. För att minimera spill på elektroden bör den kapas på mitten: 5,25/2= 2,625 m Detta leder till att 2,625* π*0,39 2 = 1,25 m 3 Och götets längd blir då: 1,25 = 1,60 m π*0,5 2 Genom denna beräkning samt underlag från Götverket så är optimal höjd utan att kassera någon del från elektroden 2,652 m. Skaftet på denna elektrod bör då vara: För att skaftet ska komma över kokillen som i detta fall bör vara 2,852, samt att ha slaggbadet i åtanke måste skaftet vara: 2,852-1,6-0,2=1,052 m Om elektroderna kan smältas med nya mått eller kapas så en del av elektroden kasseras och smälts om, så kan ugnen i Kilsta optimeras ytterligare genom att använda sig av Götverkets förutsättningar: Längd på göt: 2,2 m Volymen blir då: 2,2* π*0,5 2 =1,728 m 3 1,728 = 3,62 m π*0,39 2 Elektrodens längd blir då 3,62 m vilket utan problem går in i den fasta kokillen. Skaftet på denna elektrod bör då vara: För att skaftet ska komma över kokillen som i detta fall bör vara 3,8, samt att ha slaggbadet i åtanke måste skaftet vara: 3,8-2,2-0,2= 1,4 m 13
Fig 10. Mått på ugn och elektrod. Fig 11. Befintligt rörlig, öppen ESR-ugn. 14
4.2 Produktivitetsberäkningar Optimal smälthastighet för 500 Ø är 450 kg/ h, stålet väger 8,34 kg/ cm elektrod så ger det: Ett 500Ø göt i fast ugn med elektrod längden 2,625 m skulle väga: 262,5*8,34=2 189,2 kg genom detta skulle omsmältningstiden vara: 2 189,2 = 4,86 h = 4 h 52 minuter 450 Tiden för slaggsmältning för 500 Ø är ca 75 minuter, för hot topping ca 60 minuter samt omställningstid på ca 50 minuter, vilket ger en total tid på 7 h och 57 minuter för 2 189,2 kg stål. D.v.s. per h produceras 275,37 kg stål. Per år produceras då 8036 h*285,37 kg= 2 293 233.32 kg= 2 293, 23 ton Ett 500 Ø göt i fast ugn med elektrod längden 3,62 m skulle väga: 362*8,34=3 019,1 kg genom detta skulle omsmältningstiden vara: 3 019,1 = 6,71 h = 6 h 43 minuter 450 Tiden för slaggsmältning för 500 Ø är ca 75 minuter, för hot topping ca 60 minuter samt omställningstid på ca 50 minuter, vilket ger en total tid på 9 h och 48 minuter för 3 019,1 kg stål. D.v.s. per h produceras 308,07 kg stål. Per år produceras då 8036 h*308,07 kg= 2 475 650, 52 kg= 2 475, 65 ton Optimal smälthastighet för 400 fyrkant är 450 kg/ h, det väger 6,64 kg/ cm elektrod så ger det: Ett 400 fyrkant göt i öppen ugn med elektrod längden 2,17 m skulle väga: 217*6,64= 1 440,88 kg I dagens öppna ugnar används 4 elektroder till ett göt vilket ger: 1440,88*4=5 763,52 kg genom detta skulle omsmältningstiden vara: 5 763,52 = 12,81 h = 12 h 48 minuter 450 Tiden för slaggsmältning för 400 fyrkant är ca 30 minuter, för hot topping ca 45 minuter samt omställningstid på ca 50 minuter, vilket ger en total tid på 14 h och 53 minuter för 5 763,52 kg stål. D.v.s. per h produceras 387,24 kg stål. Per år produceras då 8036 h*387,24= 3 111 860, 64 kg= 3 111, 86 ton 4.3 Viktberäkningar Vikten är inte begränsande då elektrodarmen kan bära 5000 kg och elektrodernas maximala vikt är inte mer än 3 019,1 kg. Därför behövs inga vidare viktberäkningar. 15
4.4 Kassaktioner och reklamation 2013 var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt över hela året: 63,0 % för 400 fyrkant. 67,1 % för 500 Ø. D.v.s. år 2013 var utbytet 4,1 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. Observera att det inte är fastställt hur utbytet är kopplat till ESR-processen! 2014 var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt från Jan-Apr: 67,3 % för 400 fyrkant. 69,8 % för 500 Ø. D.v.s. år 2014 var utbytet 2,5 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. 2013 var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt över hela året: 69,4 % för 400 fyrkant. 72,6 % för 500 Ø. D.v.s. år 2013 var utbytet 3,2 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. 2014 var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt från Jan-Apr: 69,6 % för 400 fyrkant. 69,6 % för 500 Ø. D.v.s. år 2014 var utbytet 0,0 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. Från och med 2004 har det varit 14 godkända reklamationer varav 12 har varit från de öppna ugnarna utan skyddsgas. Det är heller inte fastställt om dessa reklamationer kunde härledas till ESR, eller om felet uppstått i något annat processteg! 16
5. Resultat Utifrån beräkningar samt tidigare studier på ESR samt PESR så har nedstående resultat framkommit: Vilka längder och tvärsnitt ska användas på elektroder och göt för att ugnen ska användas så optimalt som möjligt? För att optimera ugnen utan att använda sig av nya elektroder vid 500 mm Ø så kommer elektrod 39E dvs. 390 mm Ø att användas med längden 2,625 m, vilket ger ett göt med längden 1,60 m. För att optimera ugnen genom att använda sig av nya elektroder vid 500 mm Ø så kommer elektrod E39 dvs. 390 mm Ø att användas med längden 3,62 m vilket ger ett göt med längden 2,2 m. Hur kommer kapabilitet och produktion förändras med en fast kokill relativt dagens rörliga? Genom att använda sig av 2,625 m 39E till 500 Ø kommer produktiviteten gå ner från dagens 387,24 kg/ h till 275,37 kg/ h. Detta ger 2 293, 23 ton/ år istället för 3 111, 86 ton/ år. D.v.s. en minskning med 818,63 ton/år. Genom att använda sig av 3,62 m 39E till 500 Ø kommer produktiviteten gå ner från dagens 387,24 kg/ h till 308,07 kg/ h. Detta ger 2 475, 65 ton/ år istället för 3 111, 86 ton/ år. D.v.s. en minskning med 636,21 ton/ år. 17
Kommer den fasta kokillen leda till minskade kassaktioner? 2013 var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt över hela året: 63,0 % för 400 fyrkant. 67,1 % för 500 Ø. D.v.s. år 2013 var utbytet 4,1 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. 2014 var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt från Jan-Apr: 67,3 % för 400 fyrkant. 69,8 % för 500 Ø. D.v.s. år 2014 var utbytet 2,5 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. 2013 var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt över hela året: 69,4 % för 400 fyrkant. 72,6 % för 500 Ø. D.v.s. år 2013 var utbytet 3,2 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. 2014 var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål i genomsnitt från Jan-Apr: 69,6 % för 400 fyrkant. 69,6 % för 500 Ø. D.v.s. år 2014 var utbytet 0,0 % -enheter högre vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. Från och med 2004 har det varit 14 godkända reklamationer varav 12 har varit från de öppna ugnarna utan skyddsgas. 18
6. Diskussion Vilka längder och tvärsnitt ska användas på elektroder och göt för att ungen ska användas så optimalt som möjligt? Längden 3,62 m bör användas på elektroden för att optimera ugnen så mycket som möjligt. Används längden 2,625 kommer ugnen ej användas optimalt och Götverket får ej de längder som de eftersträvar. Skaftet på elektroden bör vara 1,4 m för att kunna sänka elektroden tillräckligt utan att elektrodarmen tar i kokillen. Runda elektroder och göt kommer att användas då dess stelningsstruktur är att föredra framför fyrkantiga göt. Hur kommer kapabilitet och produktion förändras med en fast kokill relativt dagens rörliga? Produktiviteten kommer gå ner från 387,24 kg/ h till 308,07 kg/ h. Detta ger 2 475, 65 ton/ år istället för 3 111, 86 ton/ år. D.v.s. en minskning med 636,21 ton/ år. Detta är en stor nedgång men detta är ett måste för att ugnarna ska överleva utan allt för stora ombyggnadskostnader. Med den nya fasta ugnen kommer det ske fler omställningar per dygn men å andra sidan försvinner elektrodväxlingarna. Hur kommer den inre kvaliteten i götet från den fasta kokillen se ut? Man kan anta att den inre kvaliteten i stålet från den nya ugnen kommer att förbättras då tidigare studier visat att inneslutningar minskat i dels runda göt och dels i slutna ugnar med skyddsatmosfär. Skillnaderna mellan göten från de fasta PESR ugnarna med skyddsatmosfär och göten från den framtida ugnen med en fast kokill och enbart skyddsatmosfär tros vara minimala. Kommer den fasta kokillen leda till minskade kassaktioner? År 2013 var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål 4,1 % -enheter mer vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. År 2014 (Jan-Apr) var utbytet för smidd stång i martensitiskt rostfritt stål 2,5 % -enheter mer vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. Man kan då anta att kassaktionerna kommer minska då utbytet är större vid omsmältning av 500 Ø-göt än vid 400 fyrkant-göt. År 2013 var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål 3,2 % -enheter mer vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. År 2014 (Jan-Apr) var utbytet för valsad stång i martensitiskt rostfritt stål 0,0 % -enheter mer vid omsmältning i de fasta kokillerna än i de öppna. Man kan då anta att kassaktionerna kommer minska då utbytet är större vid omsmältning av 500 Ø-göt än vid 400 fyrkant-göt. Från och med 2004 har det varit 14 godkända reklamationer varav 12 har varit från de öppna ugnarna utan skyddsgas. D.v.s. genom att investera i en ny kokill kommer förmodligen detta leda till minskade reklamationer. 19
7. Slutsats Fördelarna med att införskaffa en ny fast kokill är att antalet inneslutningar i materialet blir mindre samt att inneslutningarna får en jämnare fördelning över götet. Risken för nedfallande material från elektroden vid växling samt att provskopan doppas ned i smältan elimineras också vid sluten ugn. Nackdelarna är att produktiviteten kommer gå ner väsentligt, men detta krävs för att dessa ugnar ska överleva utan allt för stora omkostnader vid ombyggnationer. Provtagning kommer heller inte att vara möjlig vid detta skede och måste således göras länge fram i produktionskedjan. Vid ombyggnation kan inte den nya fasta kokillen ha en ytterdiameter som överskrider 1460 mm (Fig 12.) då kokillarmen inte går att rotera utan måste vara i sitt ursprungsläge. Befintlig kokill måste avlägsnas innan den fasta kokillen kan placeras på götvagnen. Götvagnen måste ses över så denna är helt vågrät innan bottenplatta och kokill placeras på denna så felaktig lutning elimineras. Fig 12. Kokillarm och kokill. Befintlig kalott (Fig 13.) kan användas utan låsning på grund av att det inte finns någon risk att elektroden ska glida in i kokillväggen. Det finns nämligen ett 110 mm stort spelrum runt om elektroden till kokillväggarna. 20
Fig 13. Befintlig kalott. Ny kylningsanordning eller adapter till befintlig måste införskaffas för kylning av den nya ugnen. Genom sänka ner kokillarmen till bottenläge och sedan använda sig av en rund 500 Ø kokill (Fig 14 och 15.) fast 3600 mm, i den befintliga kokillarmen, elimineras den kostnad av ett nytt kylningssystem då det gamla kan användas. Tätas denna och argon tillförs, blir detta liknade som den fasta ugn som var tänkt från början. Fig 14. 500 Ø kokill. 21
Fig 15. 500 Ø kokill, kylnings inlopp. Kokillslitaget blir inte förändrat genom införande av den nya ugnen på grund av att den inte sliter ut kopparfodret lika fort då den är fast. Men slitaget i den rörliga ugnen i Kista är förvisso minimerad genom ett eget tillverkat doppdjupsmätningsystem, som troligen inte går att använda i fast kokill med skyddad atmosfär. Styrsystem måste anpassas till den nya kokillen. Styrningen på den fasta kokillen bör ske genom samverkan mellan resistans, smälthastighet och elektrodens vikt; eller med hjälp av ett märke på skaftet som indikerar när hela elektroden är smält. 8. Fortsatt arbete/forskning/rekommendationer För framtida arbete bör nya elektrodkokiller köpas in till stålverket för att optimera götlängd och minimera elektrodspill. Till en början går det att kapa elektroderna i rätt längd, men för fortsatt arbete bör nya elektrodkokiller införskaffas. Måste det investeras i en ny svetsbox, eller fungerar den gamla? Vidare utredning av styrning för den nya kokillen. 22
9. Referenser [1] Hoyle, G. Electroslag processes: principles and practice, Applied Science Publishers, ISBN: 0853341648. 1983. [2] Kovacevic, K. Martinovic, D. Chemical Nonhomogeity of the Electro-Slag Remelting Sttel Measured by EPMA. Microchimica Acta. Vol. 110, issue 4-6, pp 237-240. SpringerLink. 1993. [3] Beeley, P. The Hatfield Memorial Lectures. Woodhead Publishing Limited ISBN: 9781845691011. pp 45. 2005. [2] Sjöqvist Persson E, Fredriksson H, Mitchell A, The behavior of inclusions during ESR remeltning[3] Sjöqvist Persson E., ESR Utbildning, speciell process 2006-09-01-03 23