×

W serwisie stosujemy pliki cookies. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym.
Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce prywatności.

monografie

Marian Niesler

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

Beata Oleksiak

Politechnika Śląska

ODDZIAŁYWANIE PRZEMYSŁU NA ŚRODOWISKO NATURALNE

CZĘŚĆ I

HUTNICTWO ŻELAZA I STALI

Monografia nr 1, 2012

Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie Czytelnikowi charakterystyki oddziaływania na środowisko naturalne wybranych instalacji hutnictwa żelaza i stali. Zaprezentowano nowe podejście do zagadnień ochrony środowiska w hutnictwie, które związane są z nowymi uwarunkowaniami prawnymi. Dotyczą one m.in. wprowadzenia obowiązku posiadania pozwoleń zintegrowanych na korzystanie ze środowiska, czy też zagadnień związanych z emisją dioksyn i furanów. Problematykę emisji do poszczególnych komponentów środowiska oraz sposoby zapobiegania i/lub ograniczania oddziaływania na środowisko przedstawiono w kontekście wytycznych Najlepszej Dostępnej Techniki BAT zgodnych z filozofią Dyrektywy 96/61/WE w sprawie zintegrowanego zapobiegania i ograniczania zanieczyszczeń, zwanej popularnie Dyrektywą IPPC.

 

 

Marian Niesler

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

ROLA ZIARNISTOŚCI KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM

Monografia nr 2, 2012

Przedmiotem pracy były badania wpływu stosowania drobnoziarnistych frakcji koksu, jako zamiennika części koksu wielkopiecowego, na pracę wielkiego pieca. Dla określenia wpływu stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu na parametry procesu wielkopiecowego przeprowadzono szczegółowe badania: wpływu uziarnienia koksu na stopień redukcji różnych tworzyw żelazonośnych w różnych systemach załadunku, reaktywności koksu, przewiewności wsadu wielkopiecowego, rozpadu spieku, właściwości termoplastycznych spieku oraz analizę fazową spieku. Opracowano również program BILANS do obliczania bilansu cieplno-materiałowego wielkiego pieca z uwzględnieniem stosowania w procesie drobnoziarnistych sortymentów koksu. Stwierdzono, że selektywny zasyp do wielkiego pieca zawężonych klas ziarnowych koksu (koks – orzech II, koks – groszek, koksik) może wpływać pozytywnie na przebieg redukcji wsadu wielkopiecowego. W przypadku stosowania dwóch sortymentów koksu (np. koks – orzech i koksik) lepszy stopnień redukcji tworzywa żelazonośnego uzyskuje się przy zastosowaniu mieszanego systemu załadunku, ale przy gorszej przewiewności wsadu. Aby temu zapobiegać należy zmniejszyć zakres ziarnistości koksiku np. poprzez odsianie podziarna. Z obniżeniem wielkości ziarna koksu użytego do redukcji wzrasta ilość tlenków żelaza na niższym stopniu utlenienia, co sugeruje lepsze wykorzystanie energii chemicznej zawartej w stosowanym koksie. Oznacza to, że im mniejsza wielkość ziarna koksu, tym lepszy kontakt koks – tworzywo żelazonośne, co zwiększa możliwość dyfuzji gazu redukcyjnego w głąb ziarna tworzywa i umożliwia lepsze warunki redukcji. Końcowym etapem pracy była weryfi kacja badań laboratoryjnych w warunkach przemysłowych ArcelorMittal Poland S.A., poprzez zastosowanie koksiku, jako zamiennika części stosowanych obecnie sortymentów koksu. Weryfikacja wyników wykazała, że można stosować koksik w ilości do ok. 15 kg/Mg surówki, bez pogorszenia warunków pracy wielkiego pieca. Wdrożona i stosowana na co dzień technologia pozwoliła na uzyskanie wysokiego efektu ekonomicznego, wynikającego z różnicy cen pomiędzy koksikiem a koksem wielkopiecowym oraz z korzystnego współczynnika zamiany tych paliw. Każdy kilogram koksiku zastępuje średnio 1,16 kg pozostałych sortymentów koksu.

 

Dariusz Woźniak

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

WPŁYW STANÓW MECHANICZNYCH W KOTLINIE WALCOWNICZEJ NA ZAMYKANIE I ZGRZEWANIE NIECIĄGŁOŚCI WE WLEWKACH Z COS

Monografia nr 3, 2013

Wlewki z procesu ciągłego odlewania stali (COS) mają strukturę typową dla wyrobów odlewanych, są obarczone wewnętrznymi wadami w postaci nieciągłości materiałowych, tj. pustka środkowa (osiowa), porowatość środkowa (rzadzizna osiowa), pęknięcia środkowe i inne. Dodatkową wadą wlewków z COS są ostre naroża. Walcowanie takiego wsadu w klasycznych systemach kalibrowania, szczególnie przy walcowaniu prętów i walcówki powoduje, że stany naprężeń i odkształceń powstające w kotlinie walcowniczej nie sprzyjają efektywnemu zamykaniu i zgrzewaniu nieciągłości materiału zlokalizowanych w osi wzdłużnej wlewków ciągłych. Zatem poznanie stanów naprężeń i odkształceń w kotlinach walcowniczych o różnych kształtach i umiejętne sterowanie nimi umożliwia wyeliminowanie wielu wad, w tym w szczególności nieciągłości osiowych wyrobów walcowanych.

Celem podjętych badań było określenie wielkości odkształcenia oraz schematów stanu naprężenia w paśmie stalowym odkształcanym w różnych wykrojach walcowniczych stosowanych w układach wstępnych walcowni bruzdowych produkujących pręty lub walcówkę, wyznaczenie stanów mechanicznych sprzyjających zamykaniu i zgrzewaniu wewnętrznych nieciągłości osiowych, znalezienie technologicznego sposobu odkształcania w procesie walcowania wywołującego taki stan naprężeń oraz podanie propozycji kształtu i układu wykrojów umożliwiających uzyskanie pożądanych stanów mechanicznych w kotlinie walcowniczej.

W monografii zawarto kolejne etapy rozwiązania zagadnienia zamykania i zgrzewania nieciągłości osiowych obejmujące:

  • rozpoznanie stanu wiedzy i stosowanych rozwiązań technicznych oraz technologicznych mających na celu likwidację nieciągłości materiałowych w procesie walcowania,
  • numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach odkształcanych w symulatorze termomechanicznym,
  • numeryczną analizę stanów termomechanicznych w próbkach walcowanych w zespole walcowniczym,
  • analizę zjawiska zamykania i zgrzewania wewnętrznych nieciągłości osiowych na podstawie map stanów mechanicznych uzyskanych z symulacji numerycznej,
  • badania eksperymentalne dla różnych układów i cech geometrycznych wykrojów wykonane metodami odkształcania próbek w symulatorze termomechanicznym i walcowania prętów w zespole walcowniczym ciągłym,
  • badania próbek odkształconych w symulatorze i walcowanych w zespole walcowniczym pod kątem skuteczności zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej wykonane metodami cyfrowej analizy obrazu i mikroskopii elektronowej.

Porównanie wyników symulacji matematycznej i fizycznej wykazuje zgodność w zakresie uzyskanych efektów zamknięcia i zgrzania nieciągłości osiowej. Intensywność zamknięcia i zgrzewania nieciągłości została określona po rozcięciu odkształconej próbki i wykonaniu pomiarów pola powierzchni wady. Stopień zmniejszenia nieciągłości odniesiono do wskaźników odkształcenia i stanów mechanicznych panujących w odkształcanej próbce. Zagadnienie zamykania nieciągłości w odkształcanym plastycznie materiale było przedmiotem analizy polegającej na badaniu wpływu warunków odkształcania, w tym wpływu kształtu wykroju na zmianę geometrii otworu symulującego wadę wewnętrzną i analizy lokalnych stanów mechanicznych w odkształcanym materiale. Metodyka badań wynikała z przyjętej hipotezy, że dominujący wpływ na możliwość zamykania i zgrzewania nieciągłości materiału ma wielkość odkształcenia zastępczego i wartość naprężenia średniego w obszarze wady. Ze względu na wymiary nieciągłości osiowych występujących we wlewkach ciągłych, które są bardzo małe w stosunku do wymiarów wsadu można przyjąć, że analiza lokalnego stanu naprężenia i odkształcenia w miejscu występowania wady umożliwia ocenę warunków sprzyjających likwidacji nieciągłości. Na podstawie wyników badań zjawiska zgrzewania stwierdza się, że trwały efekt zgrzania nieciągłości wystąpi, gdy minimalna wielkość odkształcenia po zamknięciu nieciągłości ma wartość 0,15. Skuteczność zgrzewania nieciągłości jest uzależniona również od temperatury. Ze wzrostem temperatury maleją naprężenia uplastyczniające i zwiększa się szybkość dyfuzji, co ułatwia zgrzewanie powierzchni kontaktowych wady. We wsadach stalowych zgrzewanie nieciągłości następuje w temperaturach > 1050 ºC. Zatem w procesie walcowania zgrzanie wady powinno nastąpić maksymalnie szybko, najlepiej już w przepuście wstępnym.

Przeprowadzone badania i analizy umożliwiły opracowanie nowego typu układu wydłużającego, opartego na złożeniu czterowalcowym. Kolejne wykroje tworzą system wydłużający prostokąt-kwadrat. Możliwość uzyskania stosunkowo dużych gniotów znacznie poprawia warunki zgrzewania materiału pasma, przez zwiększenie naprężenia i prędkości odkształcenia oraz intensyfikuje proces walcowania w stosunku do stanu obecnego. W poszczególnych wykrojach tego systemu przez zastosowanie złożeń czterowalcowych występuje korzystne, z punktu widzenia rozkładu naprężeń i odkształceń, oddziaływanie na pasmo gniotu bocznego.

 

Wojciech Szulc

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

TRANSFORMACJA POLSKIEGO HUTNICTWA ŻELAZA DO GOSPODARKI WOLNORYNKOWEJ

Monografia nr 4, 2013

Przedmiotem monografii jest synteza prac analitycznych i badawczych, które umożliwiły skuteczną restrukturyzację przemysłu hutnictwa żelaza i stali w Polsce.

Przemysł stalowy jest jednym z najważniejszych przemysłów w krajach rozwiniętych przemysłowo, a stal uważana jest za najlepszy materiał konstrukcyjny o bardzo szerokim zakresie właściwości użytkowych, z możliwością pełnego recyklingu. W czerwcu 2013 roku Komisja Europejska opublikowała dokument programowy, w którym podkreśla się znaczenie przemysłu stalowego dla rozwoju gospodarki krajów Unii Europejskiej.

Polska tradycyjnie jest krajem, w którym produkcja hutnicza należy do najważniejszych gałęzi przemysłu. Historyczny rozwój tej branży został zdeformowany w latach gospodarki sterowanej centralnie. Podczas, gdy przemysł ten w krajach o dużych tradycjach hutniczych, jak Niemcy, Wielka Brytania czy Francja, podlegał głębokim procesom restrukturyzacyjnym, w Polsce był rozwijany w kierunku zwiększania zdolności produkcyjnych stali surowej oraz produkcji półwyrobów i nisko przetworzonych wyrobów długich. Mimo, że Polska była prekursorem w rozwoju ciągłego odlewania stali na początku lat 70. ubiegłego stulecia, zaniechano tej technologii wbrew tendencjom światowym.

Hutnictwo polskie w momencie transformacji ustrojowej 1989 roku było zacofane pod każdym względem i wymagało wszechstronnej sanacji. Kolejne rządy demokratyczne były świadome złego stanu nie tylko hutnictwa, ale i innych gałęzi przemysłu. Potrzeba restrukturyzacji praktycznie całej gospodarki wiązała się z wydatkowaniem znacznych kwot, których w budżecie nie było. Z tego powodu podejmowane na początku lat 90. po opracowaniu raportu Konsorcjum Kanadyjskiego37 próby restrukturyzacji sektora nie były koordynowane przez rząd.

Huty, zwłaszcza te zagrożone likwidacją w wyniku rekomendacji konsorcjum kanadyjskiego, podjęły zdecydowane działania restrukturyzacji technicznej części surowcowych. W wyniku tych działań w przeciągu kilku lat zmieniono obraz stalowni wielu hut rezygnując z produkcji stali w procesach martenowskich i wprowadzając na szeroką skalę ciągłe odlewanie stali. Działania te finansowane były ze środków własnych hut, co doprowadziło do nadmiernego ich zadłużenia w bankach. Niekorzystna sytuacja rynkowa tylko pogłębiała ten stan.

Polska od momentu przemiany ustrojowej dążyła do członkostwa w Unii Europejskiej. Wyrazem tego było podpisanie Układu Stowarzyszeniowego, co dawało stosunkowo dobre perspektywy na członkostwo, ale wiązało się z określonymi zobowiązaniami, także w stosunku do hutnictwa żelaza i stali. Jednym z instrumentów, które mogłyby pomóc w transformacji hutnictwa była możliwość nieograniczonego udzielania pomocy na restrukturyzację do końca 1996 roku (tzw. grace period). Ze względu na stan finansów publicznych rząd nie korzystał z tych instrumentów, jednak, widząc bardzo trudną sytuację hutnictwa, podjął działania zmierzające do przedłużenia tego okresu o kolejne 5 lat. Komisja Europejska nie wyraziła na to zgody, ale zaproponowała, by Polska przygotowała program restrukturyzacji hutnictwa według europejskich standardów, z udziałem (i na koszt Komisji) konsultantów Komisji w zakresie analiz rynkowych i restrukturyzacji zatrudnienia.

Dzięki tym działaniom powstał Program zatwierdzony przez Rząd RP 30 czerwca 1998 roku. Realizacja tego programu napotykała na znaczne trudności, gdyż nie przewidziano w nim wykorzystania instrumentów pomocy publicznej, a znaczną część kosztów, przy dość dramatycznej sytuacji finansowej hut, przerzucono na potencjalnych inwestorów strategicznych. Brak tych inwestorów przesądził o niepowodzeniu Programu. Rząd próbował ratować Program aktualizując go w 2001 i 2002 roku ale bez powodzenia. Jedynym sukcesem tego Programu było przeprowadzenie restrukturyzacji zatrudnienia. Ten bolesny dla hutników proces był korzystny dla pracodawców, gdyż wsparto go środkami budżetowymi w ramach Hutniczego Pakietu Socjalnego, a jednocześnie zmniejszenie zatrudnienia prowadziło do obniżania bieżących kosztów funkcjonowania hut.

W 2002 roku, wobec zbliżającej się akcesji Polski do Unii, Komisja Europejska w ramach negocjacji przedakcesyjnych doprowadziła do zintensyfikowania działań restrukturyzacyjnych i powstania Programu ze stycznia 2003 roku, gdzie zapisano znaczne środki publiczne do wykorzystania na restrukturyzację tych hut, które na podstawie wstępnych analiz zostały zakwalifikowane do procesu restrukturyzacji nadzorowanego przez Rząd RP i Komisję Europejską. Konsekwencją możliwości skorzystania z pomocy publicznej były istotne redukcje zdolności produkcyjnych.

Program ten został zrealizowany, a huty które dokonały wymaganych zmian, spełniły wszelkie kryteria wyznaczone przez Komisję.

Planowanie przebiegu procesu restrukturyzacji wspomagane było bardzo intensywnie działalnością badawczą licznych zespołów naukowych, koordynowanych przez specjalistów Instytutu Metalurgii Żelaza, w tym przez autora niniejszej monografii. W latach 1992-2011 zrealizowano w Instytucie kilkadziesiąt prac badawczych, wspomagających proces restrukturyzacji, z tego około 40 na bezpośrednie zlecenie Ministerstwa Gospodarki, a około 40 na bezpośrednie zlecenia hut. Aktywność na tym polu spowodowała, że Instytut stworzył zespół do prowadzenia badań wspomagających restrukturyzację hutnictwa. Zespół ten szeroko współpracował ze środowiskiem hutniczym – wyższymi uczelniami oraz biurami projektowymi, jak również instytucjami centralnymi: Ministerstwem Gospodarki, Ministerstwem Skarbu, Ministerstwem Pracy i Polityki Społecznej, Urzędem Ochrony Konkurencji i Konsumentów, Agencją Rozwoju Przemysłu.

Działalność badawcza obejmowała w pierwszej kolejności wykonywanie analiz rynkowych, technicznych oraz wypracowywanie koncepcji restrukturyzacji, które to opracowania były podstawą rządowych programów restrukturyzacji hutnictwa żelaza i stali z 1998 roku wraz z Aktualizacjami z 2001 i 2002 roku i Modyfikacją z 2002 roku oraz Programu z 2003 roku. Innym ważnym obszarem działań badawczych było przygotowywanie na bieżąco analiz głównie rynkowych i technicznych, wymaganych podczas intensywnych kontaktów przedstawicieli Ministerstwa Gospodarki z przedstawicielami Komisji Europejskiej, co miało miejsce głównie w latach 1998, 2002 i 2003.

Dla Ministerstwa Gospodarki i Komisji Europejskiej bardzo istotne były również informacje dotyczące postępu wdrażania aktualnie realizowanych programów restrukturyzacji. Prace w zakresie analiz monitorujących, łącznie z wypracowywaniem zaleceń i rekomendacji, ułatwiających spółkom hutniczym wypełnienie zobowiązań restrukturyzacyjnych, prowadzone były w latach 1999-2001 według metodyki wypracowanej przez Instytut oraz w latach 2003-2010 według metodyki opartej o zapisy Protokołu nr 8 Traktatu o Przystąpieniu.

Wśród prac wspomagających proces restrukturyzacji, realizowanych na potrzeby Ministerstwa Gospodarki, były także prace analityczne, dotyczące oceny indywidualnych programów restrukturyzacji poszczególnych hut oraz opracowania diagnozy stanu tych hut, w oparciu o własną metodykę badawczą tej oceny. Realizowano również badania w zakresie analiz rynkowych i prognoz chłonności rynku, stosując głównie metody sektorowe prognozowania oraz bezpośrednie badania rynku, oceny konkurencyjności krajowego hutnictwa, wypracowania koncepcji konsolidacji hut, a także badania z wykorzystaniem testu szkody w celu określenia, czy nadmierny import wyrobów hutniczych na polski obszar celny wyrządził szkodę krajowym producentom.

Drugą, nie mniej istotną część, stanowiły prace badawcze wykonywane na zlecenia poszczególnych hut lub ich konsorcjów. Do ważniejszych prac z tej grupy zaliczyć należy opracowania programów subsektorowych w latach 90. ubiegłego stulecia, analizy w celu opracowania indywidualnych programów restrukturyzacji hut na potrzeby Programu z 1998 roku, jak również zlecane w ostatnim okresie prace zmierzające do wypełnienia przez Hutę Łabędy zobowiązania traktatowego, polegającego na zmniejszeniu uzależnienia od górnictwa węgla kamiennego, w wyniku których Huta jest dzisiaj producentem kształtowników zamkniętych. We wszystkich wymienionych grupach prac jednym z ważniejszych elementów były analizy rynku i analizy prognostyczne zużycia różnych grup asortymentowych wyrobów, często wykonywane z wykorzystaniem bezpośrednich badań rynku.

Z dzisiejszej perspektywy, mimo kryzysu ekonomicznego, który również objął sektor stalowy w Polsce, można pozytywnie ocenić restrukturyzację polskiego hutnictwa. Powodzenie procesu restrukturyzacji wynikało z kilku powodów, z których najważniejsze to: wykorzystanie instrumentów pomocy publicznej, bardzo dobra koniunktura rynkowa w okresie realizacji oraz wsparcie wynikami prac badawczych.

Przedstawiona monografia jest syntezą badań i analiz restrukturyzacyjnych polskiego hutnictwa, przeprowadzonych przez zespoły, którymi kierował lub w których uczestniczył autor.

Proces restrukturyzacji jest procesem ciągłym i powinien być prowadzony nieustannie w celu utrzymania konkurencyjności sektora. Przedstawione badania, analizy i oceny pozwoliły na ustalenie zasadniczych kryteriów, którymi należy się kierować przy projektowaniu i realizacji procesu restrukturyzacji. Są to:

  • znajomość uwarunkowań rynkowych, w jakich proces będzie realizowany,
  • ogólne uwarunkowania gospodarcze,
  • jasno określone cele, koszt ich realizacji i z góry zdefiniowane źródła finansowania.

 

Jerzy Andrzej Stępień

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

TECHNOLOGICZNE I UŻYTKOWE CHARAKTERYSTYKI STALI PRZEZNACZONYCH NA KORPUSY SILNIKÓW RAKIETOWYCH

Monografia nr 5, 2013

Rozwój materiałów stosowanych na urządzenia rakietowe jest motywowany ciągłym wzrostem wymagań ich użytkowników i jakością produktów oferowanych przez konkurencję. Nowe lub ulepszone materiały są opracowywane głównie na podstawie prób eksploatacyjnych rakiet. Korpusy rakiet, których zasadniczą część stanowi silnik, determinują właściwości eksploatacyjne całego układu rakiety. Korpusy rakiet muszą charakteryzować się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi i odpornością na działanie agresywnego środowiska chemicznego paliwa i wysokich temperatur. Na korpusy rakiet stosowane są różne materiały, ale przeważają materiały stalowe, szczególnie na rakiety większych rozmiarów. Bardzo ważne jest by korpus rakiety miał małą masę, a zatem cienką ściankę i jednorodne właściwości na obwodzie i długości. Balistyka rakiety (umiejscowienie środka ciężkości rakiety) wymusza stosowanie korpusów o zmiennych średnicach. Do precyzyjnego nadania kształtów korpusom o cienkich ściankach stosuje się na ogół technologię zgniatania obrotowego (ang. flow forming), która umożliwia realizowanie wymaganych zmian grubości ścianki i zmiennej średnicy korpusu na długości rakiety. Ze względu na duże obciążenie eksploatacyjne rakiety konieczne jest prowadzenie szczegółowych badań właściwości stali stosowanych na korpusy, zarówno pod względem właściwości mechanicznych określanych w standardowej statycznej próbie rozciągania jak i dynamicznych właściwości mechanicznych, które charakteryzują zachowanie się materiału w warunkach dużych i dynamicznych naprężeń.

W monografii przedstawiono wyniki badań nad materiałami opracowanymi i zoptymalizowanymi w Instytucie Metalurgii Żelaza: stalą 15CrMoV6-10-3 do ulepszania cieplnego oraz dwoma gatunkami stali maraging w odmianach superczystych N18K9M5Ts (X2NiCoMoTi18-9-5) i N18K12M4Ts (X2NiCoMoTi18-12-4). Ze względu iż stara symbolika występuje we wszystkich dokumentach technicznych, technologicznych i atestacyjnych w monografii przyjęto pierwotne oznaczenia.

Wymagane właściwości użytkowe korpusów ze stali niskowęglowej, średniostopowej 15CrMoV6-10-3 uzyskano poprzez wytworzenie bardzo drobnej mikrostruktury na drodze zgniatania obrotowego na zimno wypraski o strukturze składającej się z mieszaniny odpuszczonego bainitu i martenzytu. W ten sposób stal, która po ulepszaniu cieplnym posiada wytrzymałość ok. 980 MPa i wydłużenie ok. 20%, po zgniataniu obrotowym osiąga wytrzymałość rzędu 1500 MPa przy wydłużeniu powyżej 8%. W celu uzyskania jeszcze wyższej wytrzymałości korpusów stosuje się stale maraging o strukturze starzonego martenzytu osiągającego wytrzymałość powyżej 2000MPa przy wydłużeniu powyżej 6%. W monografii przedstawiono wpływ parametrów technologicznych wytwarzania stali maraging na uzyskiwane właściwości użytkowe wyrobów po zgniataniu obrotowym poddanych końcowej obróbce cieplnej poprzez starzenie.

W celu opracowania technologii produkcji badanych stali i wskazania możliwości ich stosowania do wytwarzania korpusów rakiet, wykonano badania czterech procesów technologicznych wytwarzania oraz wybranych procesów przetwarzania półwyrobów umożliwiających zgniatanie obrotowe na zimno. Opracowane schematy technologiczne umożliwiają uzyskanie wyrobów o drobnoziarnistej mikrostrukturze w przypadku stali 15CrMoV6-10-3 oraz o mikrostrukturze zawierającej nanowydzielenia faz międzymetalicznych w starzonym martenzycie stali maraging charakteryzujących się właściwościami znacznie wyższymi niż uzyskiwane przy zastosowaniu innych technologii nie wykorzystujących możliwości zgniatania obrotowego. Finalny wyrób uzyskiwano w drodze wstępnego walcowania i wyciskania na gorąco lub na zimno z następującym zgniataniem obrotowym na zimno i końcową obróbką cieplną.

Pełny cykl badawczy obejmował dobór składów chemicznych stali, przygotowanie materiału do badań w postaci wlewków z wytopów próbnych, badania dylatometryczne, ocenę stopnia zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi, badania odkształcalności na gorąco z zastosowaniem testów jednoosiowego ściskania w symulatorze Gleeble 3800, wyznaczenie charakterystyk odpuszczania (dla stali 15CrMoV6-10-3), wyznaczenie charakterystyk starzenia przy zastosowaniu różnych czasów starzenia (dla stali maraging), badania wybranych właściwości mechanicznych, w tym dynamicznej granicy plastyczności i odporności na działanie ciśnienia hydraulicznego, badania umocnienia zachodzącego w wyniku odkształcania na zimno, badania makrostruktury po odlaniu i po obróbce cieplnej ujednorodniania, badania mikrostruktury wyprasek, wytłoczek, tulei po obróbce cieplnej, korpusów po zgniataniu obrotowym na zimno i po odkształceniu dynamicznym.

W kolejnych rozdziałach monografii omówiono metody badań stosowanych dla przeprowadzenia oceny jakości korpusów silników rakietowych wytwarzanych ze stali 15CrMoV6-10-3, X2NiCoMoTi18-9-5 i X2NiCoMoTi18-12-4. Przed prezentacją wyników badań przedstawiono wybrane zagadnienia z teorii i technologii zgniatania obrotowego na zimno korpusów silników rakietowych oraz technologii wytwarzania rakiet. Następnie przedstawiono uzyskane wyniki badań stali stosowanych na korpusy silników rakietowych. W rozdziale podsumowującym omówiono syntetycznie wyniki badań prezentowanych w monografii. Na koniec omówiono optymalne warianty technologii wytwarzania korpusów zapewniające uzyskanie najlepszych właściwości i przy optymalnych kosztach produkcji.

 

Wojciech Szulc

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

TRANSFORMACJA POLSKIEGO HUTNICTWA ŻELAZA DO GOSPODARKI WOLNORYNKOWEJ (z uzupełnieniami)

Monografia nr 6, 2014

Monografia jest uzupełnioną wersja Monografii nr 4 z 2013 r.

Monografia ta została uzupełniona w następujących obszarach:

  • rozdział 1 „Restrukturyzacja: definicje i doświadczenie międzynarodowe” został uzupełniony o analizę literaturowa, dotyczącą planowania strategicznego w przedsiębiorstwie i sektorze
  • w rozdziale 4 „Zasadność restrukturyzacji polskiego hutnictwa – diagnoza stanu przed restrukturyzacją” została przeprowadzona wskaźnikowa diagnoza stanu hutnictwa w roku 1989, tj. przed restrukturyzacją oraz analiza konkurencyjności sektora stalowego w Polsce w roku 1989 metodą punktową, będącą rozszerzoną wersją analizy pięciu sił Portera
  • został dodany rozdział 9 „Model hutnictwa w okresie restrukturyzacji”
  • został dodany rozdział 10 „Uproszczony model cenowy”
  • w rozdziale 11 „Podsumowanie” został wprowadzony podrozdział podsumowujący analizę w rozdziałach 10 i 11, zawierających modele teoretyczne; dokonano podsumowania wyników restrukturyzacji metodą wskaźnikową, porównując diagnozę stanu hutnictwa w roku 1989 (rozdział 4) ze wskaźnikami osiągniętymi w wyniku przeprowadzenia restrukturyzacji; dokonano podsumowania zmian atrakcyjności sektora w wyniku restrukturyzacji metodą punktową, będącą rozszerzoną wersją analizy pięciu sił Portera.

 

 

Adam Zieliński

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

TRWAŁOŚĆ EKSPLOATACYJNA ŻAROWYTRZYMAŁYCH STALI O OSNOWIE FERRYTYCZNEJ W WARUNKACH DŁUGOTRWAŁEGO ODDZIAŁYWANIA TEMPERATURY


Monografia nr 7, 2016

Przedmiotem badań były stale niskostopowe o strukturze bainitycznej w gatunkach: 7CrWVMoNb9-6 (T23) i (7CrMoVTiB10-10) T24 oraz stale wysokochromowe o strukturze martenzytycznej w gatunkach: X10CrMoVNb9-1 (P91), X10CrWMoVNb9-2 (P92) i X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) przeznaczone do budowy kotłów nadkrytycznych i ultranadkrytycznych oraz w modernizacji pracujących kotłów o parametrach podkrytycznych. Monografia składa się z dwóch zasadniczych części – przeglądu literaturowego zagadnienia przedstawionego w trzech rozdziałach oraz z części badań własnych zakończonych podsumowaniem. W części literaturowej dokonano analizy aktualnego stanu wiedzy w zakresie rozwoju materiałów dla energetyki, ich podstawowych właściwości użytkowych oraz metod diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej. Zakres badań własnych obejmował kompleksowy opis właściwości mechanicznych, w tym wytrzymałości na pełzanie oraz mikrostruktury badanych stali w stanie wyjściowym i po długotrwałym (30 000÷100 000 godz.) oddziaływaniu podwyższonej temperatury w zakresie 550÷650°C. Uzyskane wyniki badań stanowiły materiał odniesienia do interpretacji zachodzących zmian wpływających bezpośrednio na trwałość eksploatacyjną badanych stali. Analiza ilościowa obrazów mikrostruktury badanych stali w stanie wyjściowym i po długotrwałym oddziaływaniu temperatury, była podstawą do opracowania bazy danych obejmującej statystyczną analizę procesów wydzieleniowych w badanych materiałach. Uzyskane wyniki badań umożliwiły przeprowadzenie analizy statystycznej struktury zbioru. Analiza ta wykazała, że struktura ta zmienia się w czasie. Opisano to zmianami parametrów funkcji gęstości prawdopodobieństwa. Parametry funkcji, czyli średnia logarytmów analizowanych zmiennych (μ) i odchylenie standardowe logarytmów zmiennych (σ) wskazują na możliwość porównywania średnic równoważnych wydzieleń oraz ich parametrów w zależności od temperatury wyżarzania. Porównanie parametrów funkcji dla różnego stanu materiału, daje możliwość zastosowania metod prognozowania przez analogię w ocenie stopnia degradacji eksploatowanych materiałów. W przedstawionej w pracy metodzie oceny stanu materiału i jego trwałości eksploatacyjnej przyjęto, że wpływ wartości temperatury pracy badanych stali jest czynnikiem dominującym w procesie degradacji struktury, a występujące ciśnienie rzeczywiste podczas eksploatacji ten proces jedynie przyspiesza. Przedstawiony w opracowaniu sposób oceny, oparty na klasyfikacji głównych składowych mikrostruktury oraz o analizę pomiaru średniej średnicy wydzielonych cząstek, pozwala na oszacowanie stopnia wyczerpania materiałów pracujących w podwyższonej temperaturze. Jest to podstawą w ocenie stanu materiału po długotrwałej pracy i podejmowaniu decyzji o przedłużaniu czasu bezpiecznej eksploatacji elementów konstrukcyjnych bloków energetycznych.

 

Krzysztof Radwański

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

ZASTOSOWANIE MIKROSKOPII SKANINGOWEJ I DYFRAKCJI ELEKTRONÓW WSTECZNIE ROZPROSZONYCH W BADANIACH STRUKTURY BLACH ZE STALI WIELOFAZOWYCH NA RÓŻNYCH ETAPACH PROCESU CIĄGŁEGO WYŻARZANIA

Monografia nr 8, 2016

Celem pracy było doskonalenie narzędzi do analizy struktury w oparciu o parametry wyznaczane za pomocą metody EBSD oraz scharakteryzowanie wpływu wartości odkształcenia po walcowaniu na zimno,szybkości i temperatury nagrzewania na strukturę i kinetykę zmian w blachach o składzie chemicznym odpowiadającym stali DP. W ramach pracy scharakteryzowano możliwości badawcze struktury blach ze stali wielofazowych na poszczególnych etapach procesu ciągłego wyżarzania za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej FEG SEM z wykorzystaniem metody EBSD. Opisano poszczególne grupy stali wielofazowych stosowane w przemyśle motoryzacyjnym oraz przykładowy proces ciągłego wyżarzania blach. Scharakteryzowano teoretyczne podstawy metody EBSD wraz z wpływem różnych parametrów opisujących ustawienia systemu pomiarowego oraz stanu badanego materiału na uzyskiwane wyniki badań. Na przykładach przedstawiono możliwości wykorzystania oraz interpretacji różnych parametrów wyznaczanych tą metodą w badaniach struktur stali podlegających procesom odbudowy struktury w procesie wyżarzania. Wykazano bardzo dużą użyteczność metody EBSD w badaniach różnych składników struktury stali wielofazowych. W oparciu o dane literaturowe stwierdzono, że brak jest metody pozwalającej na ilościowe wyznaczenie udziału powierzchniowego struktury po zdrowieniu i rekrystalizacji. Brak jest również szczegółowych danych dotyczących wpływu wartości odkształcenia po walcowaniu na zimno na zmiany struktury wywołane nagrzewaniem do temperatury wyżarzania międzykrytycznego oraz następnym chłodzeniem. W wymienionych obszarach badań monografia stanowi oryginalny wkład autora w rozwój inżynierii materiałowej. W ramach pracy wykonano badania struktury blach po walcowaniu na zimno próbek o zróżnicowanych wartościach całkowitego gniotu względnego w zakresie εhc= 0,11÷0,75. Próbki poddano cyklom nagrzewania z szybkościami od 1 do 10°C/s do temperatur w zakresie 600÷800°C z następnym chłodzeniem helem. Następnie przeprowadzono badania struktury próbek, które pozwoliły na określenie wpływu odkształcenia na zimno, szybkości i temperatury nagrzewania na przebieg procesów odbudowy struktury, przemiany podczas nagrzewania i chłodzenia. Wykazano, że metoda EBSD dzięki możliwościom wyznaczania kątów dezorientacji pozwala na odróżnianie ziarn od podziarn. Udowodniono, że równoczesna analiza wartości parametrów KAM ≤ 0,5° i GAM ≤ 1,0°, wyznaczających odpowiednio sumaryczny udział struktury po zdrowieniu i rekrystalizacji oraz po samej rekrystalizacji, pozwala na ilościowy opis procesów odbudowy struktury. Opisano morfologię i zależności krystalograficzne składników struktury stali wielofazowych. Opracowano modele budowy pięciu typów bainitu: ziarnistego, górnego, zdegenerowanego górnego, dolnego i zdegenerowanego dolnego. Wykazano, że zwiększenie odkształcenia na zimno powoduje tworzenie się pasm odkształcenia, oddzielonych granicami wąskokątowymi, w obrębie których ze wzrostem odkształcenia tworzą się granice szerokokątowe. Stwierdzono, że podczas nagrzewania próbek do temperatury poniżej 700°C, w ferrycie następuje tworzenie się podziarn o granicach wąskokątowych, które ze wzrostem temperatury przekształcają się w szerokokątowe granice ziarn. W obszarach perlitu obserwuje się efekty procesu dyfuzji węgla do granic podziarn/ziarn oraz skoagulowane na tych granicach węgliki. Pomiędzy węglikami powstają drobne, zrekrystalizowane ziarna o granicach szerokokątowych. Wykazano, że zwiększenie wartości odkształcenia na zimno, temperatury nagrzewania do 700°C oraz zmniejszenie szybkości nagrzewania powoduje wzrost zaawansowania procesów odbudowy struktury. Nagrzewanie próbek powyżej temperatury AC1 powoduje zarodkowanie austenitu głównie na skoagulowanych cząstkach cementytu i jego wzrost wzdłuż granic ziarn ferrytu. W wyniku chłodzenia austenit podlega przemianie w martenzyt z bainitem. Struktura próbek chłodzonych z temperatury 750°C złożona jest z ferrytu, niewielkich ilości pozostałego perlitu oraz martenzytu z bainitem, podczas gdy po chłodzeniu z temperatury 800°C nie stwierdzono obecności perlitu. Wykazano, że ze wzrostem odkształcenia na zimno w zakresie εhc = 0,25÷0,50 zwiększa się udział powierzchniowy martenzytu z bainitem po nagrzewaniu i chłodzeniu z temperatury 750°C, co powiązane jest ze wzrostem siły napędowej przemiany austenitycznej wywołanej rosnącym odkształceniem. Dalsze zwiększenie wartości odkształcenia powoduje zmniejszanie się udziału tych składników, będące efektem fragmentacji płytek cementytu i zmniejszania się odległości między nimi w obszarach perlitu, a także pochłonięcia skumulowanej energii odkształcenia przez proces rekrystalizacji. Podobną zależność pomiędzy wartością odkształcenia na zimno a udziałem martenzytu z bainitem stwierdzono dla próbek po chłodzeniu z temperatury 800°C. Wykazano, że ze wzrostem odkształcenia w zakresie εhc = 0,25÷0,50 zwiększa się udział bainitu i zmniejsza martenzytu. Dalsze zwiększenie odkształcenia powoduje zmniejszenie sumarycznego udziału tych składników, przy czym zwiększa się udział martenzytu kosztem bainitu. Zwiększanie szybkości nagrzewania próbek z 1 do 10°C/s do temperatury 800°C i chłodzonych helem prowadzi do wzrostu udziału pakietów martenzytu z bainitem. Wykazano, że udział austenitu rośnie ze wzrostem szybkości nagrzewania do 800°C. Zwiększenie udziału austenitu powoduje zwiększenie temperatury Ms i wzrost udziału martenzytu z bainitem.

 

Marian Niesler

Wojciech Szulc

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

Krzysztof Klejnowski

Polska Akademia Nauk Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska

 

PRAKTYCZNE STOSOWANIE KONKLUZJI DOTYCZĄCYCH NAJLEPSZYCH DOSTĘPNYCH TECHNIK BAT W PRODUKCJI ŻELAZA I STALI

Monografia nr 9, 2016

Celem monografii jest ułatwienie dostosowania pozwoleń zintegrowanych do wymagań zawartych w decyzji wykonawczej Komisji, ustanawiającej Najlepsze Dostępne Techniki BAT do procesów produkcji żelaza i stali, a tym samym skierowana jest do wszystkich zainteresowanych stron, tj. prowadzących instalacje wymagające pozwolenia zintegrowanego, jak i organów  administracyjnych ochrony środowiska. Praktyczne stosowanie konkluzji BAT dotyczących Najlepszych Dostępnych Technik BAT w produkcji żelaza i stali jest dokumentem opisującym konkluzje BAT dla spiekalni, wielkich pieców, dla produkcji stali metodą konwertorowo-tlenową i odlewania stali oraz dla produkcji i odlewania stali przy użyciu elektrycznych pieców łukowych. Konkluzji BAT dotyczących grudkowni nie ujęto w monografii, ze względu na brak tego typu instalacji w hutnictwie krajowym. Monografia składa się z pięciu głównych rozdziałów, które obejmują stan prawny dotyczący konkluzji BAT wraz z definicjami pojęć występujących w konkluzjach, ogólne informacje o produkcji żelaza i stali, interpretację konkluzji BAT o charakterze ogólnym oraz interpretację konkluzji BAT powiązanych z technologią i poziomem emisji dla ww. instalacji. Końcowym rozdziałem są zalecania dotyczące sposobu i częstotliwości monitorowania instalacji w produkcji żelaza i stali. Opis poszczególnych konkluzji obejmuje: oznaczenie treści konkluzji, interpretację zapisu konkluzji, rozwiązania alternatywne (m.in. odstępstwa), zalecany sposób i częstotliwość monitorowania. W monografii podjęto próbę wyjaśnienia wielu wątpliwości interpretacyjnych, które mogą pojawić się podczas implementacji zapisów konkluzji BAT do praktyki przemysłowej. W tym celu dokonano ankietyzacji wszystkich zainteresowanych przedsiębiorstw sektora stalowego, w trakcie której zebrano uwagi do zapisów konkluzji BAT. Ponadto autorzy wyjaśniają w poradniku pewne wątpliwości interpretacyjne, nie zgłoszone przez przedsiębiorstwa hutnicze.

 

Marian Niesler

Wojciech Szulc

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

PROCESY METALURGICZNE W HUTNICTWIE ŻELAZA I STALI

Monografia nr 10, 2016

Celem monografii, mającej charakter poradnika, jest opracowanie właściwej interpretacji pojęcia „procesu metalurgicznego”, a także uporządkowanie innych określeń używanych w publikacjach technicznych, prawnych i innych dokumentach. Dotyczy to takich pojęć, jak: metalurgia, hutnictwo żelaza i stali, sektor stalowy, przemysł stalowy. Do tego celu wykorzystano analizę literaturową (tzw. podejście akademickie), jak mi obowiązujące akty prawne oraz stosowne dokumenty unijne, a także prześledzenie tych kwestii w innych krajach unijnych. Treści zawarte w monografii skierowane są do wszystkich zainteresowanych, tj.: przedsiębiorstw metalurgicznych, zakładów przetwórstwa metali, wykorzystujących wszelkie procesy metalurgiczne, zarówno procesy główne, jak i procesy pomocnicze, służące wytworzeniu z rudy żelaza i/lub złomu stalowego stalowych wyrobów hutniczych. Ponadto krąg zainteresowanych odbiorców monografii obejmuje te organy administracji państwowej, samorządowej i ochrony środowiska, które w swojej działalności muszą podejmować decyzje w odniesieniu do przedsiębiorców stosujących w swej działalności procesy metalurgiczne. Zaproponowane w monografii usystematyzowanie terminologii i konkretnych pojęć z tej bardzo złożonej problematyki ma na celu zwrócenie uwagi na liczne wątpliwości interpretacyjne w aspekcie określenia wysokości podatku akcyzowego od energii elektrycznej i gazu przy wytwarzania wyrobów stalowych z wykorzystaniem procesów metalurgicznych, które są z tego podatku zwolnione. Brak definicji pojęcia „procesy metalurgiczne” w wielu przypadkach nastręcza problemy interpretacyjne, skutkujące w wymiarze finansowym przez konieczność zapłacenia podatku akcyzowego. Te kwestie są niezmiernie ważne, ponieważ decydują o konkurencyjności krajowych stalowych wyrobów hutniczych. Treść monografii przedstawiono w pięciu rozdziałach. Początkowe dwa rozdziały poświęcono wyeksponowaniu metalurgii jako ważnej dziedziny nauki i techniki, akcentując jej rolę zarówno w badaniach metali i stopów, a także procesów technologicznych ich otrzymywania i kształtowania. W obszernym rozdziale trzecim przeprowadzono analizę unijnych aktów prawnych i dokumentów pod kątem definicji sektora metalurgii żelaza. Przegląd wybranych indywidualnych interpretacji Ministra Finansów w odniesieniu do procesów metalurgicznych stanowi treść rozdziału czwartego. W rozdziale piątym, stanowiącym podsumowanie przeprowadzonych analiz, przedstawiono propozycję definicji procesów metalurgicznych:

Procesy metalurgiczne w odniesieniu do sektora stalowego obejmują wszystkie działania od przygotowania wsadu do wytopu stali (tj. rudy żelaza w procesie zintegrowanym i złomu stalowego w procesie elektrycznym i konwertorowym) do wytworzenia stalowych wyrobów hutniczych. Wyroby hutnicze nie są pojęciem jednoznacznym, jednak tradycyjnie w hutnictwie krajowym przetwórstwo hutnicze kończyło się na wyrobach ciągnionych w odniesieniu do wyrobów długich i rur oraz na wyrobach powlekanych w odniesieniu do wyrobów płaskich. Ponadto do stalowych wyrobów hutniczych zalicza się wyroby kute, prasowane, odlewy, wyroby metalurgii proszków. Zatem do procesów metalurgicznych należy zaliczyć wszystkie procesy główne i pomocnicze, mające na celu wytworzenie z rudy żelaza i/lub złomu stalowego wymienionych wyżej stalowych wyrobów hutniczych, tj.:

• przygotowanie wsadów do wszystkich procesów metalurgicznych, m.in. wsadów do procesu spiekania, procesu wielkopiecowego, procesu stalowniczego – w tym złomu – (zarówno  konwertorowo-tlenowego jak i elektrycznego), odlewania stali, podgrzewania/dogrzewania wsadu do procesów przeróbki plastycznej na gorąco; mechaniczne bądź chemiczne przygotowanie wsadów (usunięcie zgorzeliny) do procesów przeróbki plastycznej na zimno, międzyoperacyjne zabiegi obróbek cieplnych podczas procesów przeróbki plastycznej na zimno,

• procesy metalurgii ekstrakcyjnej, tj. proces spiekania, proces wielkopiecowy, proces wytwarzania stali w konwertorze tlenowym, proces wytwarzania stali w procesie elektrycznym, obróbka pozapiecowa stali, ciągłe odlewanie stali, odlewanie stali we wlewki klasyczne (w tym kuzienne),

• procesy przetwórstwa hutniczego: walcowanie na gorąco wyrobów długich, walcowanie na gorąco wyrobów płaskich, wytwarzanie rur, kucie, prasowanie, walcowanie na zimno, ciągnienie drutów i prętów, tłoczenie blach, powlekanie powierzchni powłokami metalicznymi i/lub organicznymi,

• procesy obróbek cieplnych, w tym nagrzewanie, wygrzewanie, normalizowanie, hartowanie, odpuszczanie, odprężanie i obróbki z dyfuzją (np. nawęglanie, azotowanie),

• procesy wykańczania wyrobów, m.in. studzenie, prostowanie, cięcie, zgrzewanie, gięcie, przewijanie,

• procesy wytwarzania żelazostopów,

• procesy wytwarzania odlewów,

• procesy metalurgii proszków,

• ochrona środowiska (w tym: utylizacja odpadów i przerób produktów ubocznych, w tym zawracanie niektórych odpadów do produkcji jako pełnowartościowy wsad żelazonośny i żużlowy lub przekazywanie ich (sprzedaż) np. do przemysłu metali nieżelaznych do odzysku innych metali, np. cynku),

• procesy towarzyszące procesom metalurgicznym, tj. procesy bez których pełny proces metalurgiczny nie mógłby się odbyć, np. odciąg spalin i odpylanie, obiegi chłodnicze urządzeń, wszelkie operacje transportu międzyoperacyjnego, procesy obróbki mechanicznej, pomiary, badanie i monitorowanie procesów metalurgicznych w tym wsadu, półwyrobów i wyrobów powstających w tychże procesach, wytwarzanie sprężonego powietrza, pompownie wody technologicznej, wytwarzanie gazów technicznych, wentylacja, a także zużycie energii elektrycznej przy zasilaniu m.in. oczyszczalni ścieków, dmuchaw, suszenia, odpylania,

• gospodarka cieplno-energetyczna (wykorzystanie gazów procesowych, energii odpadowej do produkcji energii elektrycznej i pary, itd.).

 


Powrótwersja do druku