×

Nr 1/2009
1.jpg

Wojciech Burian, Bogdan Garbarz

Instytut Metalurgii Żelaza

METODY OTRZYMYWANIA NANOSTRUKTUR W METALACH I STOPACH ORAZ MECHANIZMY ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO STOPÓW NANOSTRUKTURALNYCH

Artykuł zawiera krótki opis metod otrzymywania materiałów z metali i stopów o strukturze nanokrystalicznej i ultradrobnoziarnistej, których właściwości zależą decydująco od elementów struktury o wielkości manometrycznej i mikronowej oraz przegląd wyników badań dotyczących mechanizmów odkształcenia plastycznego w tych materiałach, wpływających na możliwy do uzyskania poziom właściwości mechanicznych. Z przeprowadzonej analizy stanu badań i technologii wynika, że materiały nanokrystaliczne i ultradrobnoziarniste charakteryzują się dużymi potencjalnymi możliwościami zastosowań. Ich właściwości mechaniczne przewyższają znacznie właściwości materiałów o strukturze konwencjonalnej. Aby konstrukcyjne materiały nanokrystaliczne i ultradrobnoziarniste zostały wdrożone do produkcji przemysłowej, niezbędne jest opracowanie technologii pozwalających na ich produkcję na skalę masową, przy zapewnieniu standardów przemysłowych takich jak powtarzalność i opłacalność produkcji. W artykule zaproponowano kierunki i tematykę badań z dziedziny konstrukcyjnych materiałów nanokrystalicznych i ultradrobnoziarnistych, które należałoby zaliczyć do priorytetowych, w tym następujące: wpływ rozkładu wielkości ziarna na właściwości mechaniczne, mechanizmy odkształcenia plastycznego, wydajne technologie wytwarzania z zastosowaniem odkształcenia o dużej intensywności, technologie wytwarzania z wykorzystaniem odlewania z dużym stopniem przechłodzenia.

Janusz Dobrzański, Adam Zieliński, Hanna Paszkowska

Instytut Metalurgii Żelaza

WYZNACZANIE TRWAŁOŚCI RESZTKOWEJ I CZASU DALSZEJ BEZPIECZNEJ PRACY NA PRZYKŁADZIE MATERIAŁU RODZIMEGO I ZŁĄCZA SPAWANEGO

Opracowano sposób wyznaczania trwałości resztkowej i resztkowej trwałości rozporządzalnej na podstawie wyników skróconych prób pełzania dla różnych poziomów temperatury wyższej od eksploatacyjnej i przy poziomie naprężenia odpowiadającym eksploatacyjnemu. Zaproponowano sposób wyznaczania udziału trwałości rozporządzalnej w trwałości oraz wyznaczania czasu bezpiecznej eksploatacji poza obliczeniowy. Umożliwia on wyznaczanie trwałości resztkowej tre dla dowolnie wybranych parametrów temperaturowo-naprężeniowych oraz czasu dalszej bezpiecznej pracy poza obliczeniowy, dla wymaganych parametrów dalszej eksploatacji, na podstawie wyników skróconych prób pełzania przeprowadzanych w temperaturze wyższej od eksploatacyjnej.

Znajomość charakterystyki resztkowej wytrzymałości na pełzanie materiału po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania umożliwia dla parametrów dalszej eksploatacji, odpowiadających dotychczasowym ,wyznaczanie stopnia wyczerpania oraz minimalnej wymaganej grubości ścianki elementu niezbędnej do przeniesienia rzeczywistych obciążeń eksploatacyjnych materiału po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania. Zaproponowane procedury omówiono na przykładzie materiałów elementów rurociągu pary świeżej ze stali 13HMF(14MoV63) po 200 000 godzin eksploatacji w temperaturze powyżej granicznej.

Marian Niesler, Czesław Kozik

Instytut Metalurgii Żelaza

BADANIA NAD OGRANICZENIEM EMISJI CO2 Z PROCESU WYTOPU SURÓWKI POPRZEZ WYKORZYSTANIE GAZU WIELKOPIECOWEGO DO REDUKCJI RUDY ŻELAZA

Przedstawiono wstępne badania nad ograniczeniem emisji CO2 z wielkich pieców, poprzez wykorzystanie CO zawartego w gazie wielkopiecowym do redukcji rudy żelaza. Dla wielkiego pieca o wydajności 250 t/h surówki z konwencjonalną utylizacją gazu wielkopiecowego, wykonano symulację procesu w dwóch wariantach bilansowych, polegających na recyrkulacji gazu na początek procesu (wariant R), oraz na szeregowym przepływie gazu w układzie dwóch jednostek (wariant S). W obu przypadkach dla uaktywnienia gazu wielkopiecowego pod względem potencjału redukcyjnego, założono wstępne usunięcie CO2 metodą Bensona-Fielda, polegającą na absorpcji składnika w roztworze węglanu potasowego.

Stwierdzono, że w układzie dwóch wielkich pieców bardziej korzystny jest wariant recyrkulacyjny (R), w którym zawrócenie CO powoduje obniżenie zużycia koksu o 138 kg/t sur. Dla każdego wielkiego pieca powoduje to redukcję emisji CO2 z 1469 kg/t sur. do 1192 kg/t sur. W wariancie szeregowym S obniżenie zużycia koksu powoduje redukcję emisji CO2 do 1270 kg/t sur.

Piotr Różański, Jerzy Pogorzałek, Hanna Krztoń, Bożena Smolec

Instytut Metalurgii Żelaza

Sławomir Stelmach

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu

Józef Barański, Jerzy Witek

Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych - Oddział Materiałów Ogniotrwałych w Gliwicach

BADANIA NAD UTYLIZACJĄ ZUŻYTEGO KATALIZATORA NIKLOWO-MOLIBDENOWEGO

Przedstawiono przebieg i wyniki badań nad opracowaniem kompleksowej technologii utylizacji zużytego katalizatora molibdenowo-niklowego na nośniku z tlenku glinu, który po wykorzystaniu zawiera dodatkowo wanad, siarkę i ciekłą fazę węglowodorową i nie nadaje się do regeneracji. Praca objęła badania procesu wypalania fazy węglowodorowej i siarki ze zużytego katalizatora, odzysku metali w procesie pirometalurgicznym, wpływu na środowisko tych procesów, a także nad doborem sposobu zagospodarowania powstałego stopu metali oraz żużla. Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej, półtechnicznej, a przetapianie katalizatora i przydatność uzyskanego stopu metali dodatkowo sprawdzono w skali przemysłowej. Określono warunki wypalania ciekłej fazy węglowodorowej wraz z usunięciem możliwie dużej ilości siarki ze zużytego katalizatora. Cała zawarta w tym materiale siarka jest palna, ale z powodu specyficznej budowy katalizatora jej całkowite wypalenie wymaga bardzo długotrwałego procesu w atmosferze utleniającej. Opracowano technologię przetapiania w piecu łukowo-oporowym wypalonego katalizatora na stop metali i żużel. Na podstawie przeprowadzonych wytopów przemysłowych potwierdzono przydatność uzyskanego stopu metali w stalownictwie. Ustalono, że faza mineralna powstająca w procesie przetopu katalizatora może być wykorzystana do produkcji polimerobetonów lub kruszyw dla budownictwa.

Artykuł z nieodzownymi skrótami zaprezentowany został w formie referatu na X Konferencji Naukowej "Teoretyczne i praktyczne problemy zagospodarowania odpadów hutniczych i przemysłowych" w Zakopanem w maju 2008.

Michał Kubecki, Waldemar Spiewok

Instytut Metalurgii Żelaza

OPRACOWANIE I WDROŻENIE METOD IDENTYFIKACJI ORAZ OZNACZANIA ZAWARTOŚCI LOTNYCH WĘGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH (BTEX) W ODPADACH HUTNICZYCH, GLEBIE I WODZIE

Celem pracy było opracowanie i wdrożenie w Laboratorium Analiz Chemicznych Instytutu Metalurgii Żelaza metod analitycznych identyfikacji oraz oznaczania zawartości lotnych węglowodorów aromatycznych w odpadach hutniczych, za pomocą chromatografu gazowego sprzężonego ze spektrometrem masowym (HRGC/HRMS). Przedmiotem badań były wzorce z atestowaną zawartością lotnych związków organicznych, rdzenie i formy odlewnicze zarówno przed jak i po procesie odlewania, masy bentonitowe, a także próbki gleby z otoczenia zakładu przemysłowego. Ustalono warunki pracy chromatografu gazowego i spektrometru masowego, opracowano specyficzną metodę przygotowania próbek do oznaczania BTEX oraz sporządzono odpowiednie procedury analityczne.

 

Projekty badawcze sfinansowane z dotacji na działalność statutową

Władysław Zalecki, Roman Kuziak, Maciej Pietrzyk, Łukasz Rauch

MATEMATYCZNE MODELOWANIE I ANALIZA PRZEMIAN FAZOWYCH ZACHODZĄCYCH W STRUKTURZE PODCZAS CHŁODZENIA PO WALCOWANIU NA GORĄCO

Celem pracy było opracowanie programu pozwalającego na przeprowadzenie symulacji numerycznej przebiegu chłodzenia z uwzględnieniem przemian fazowych w prętach stalowych. Główny cel pracy wynikał z zapotrzebowania ze strony przemysłu jak i konieczności pozyskiwania narzędzi pomocnych przy analizie takich procesów jak np. chłodzenia w linii STELMOR. Podjęto również próbę zwiększenia możliwości analitycznych opracowanego własnego programu do analizy wyników badań dylatometrycznych, a w szczególności opracowania modułu pozwalającego na dopasowanie modeli przemian dla analizowanej krzywej dylatometrycznej.

Valeriy Pidvysotskyy, Władysław Zalecki, Ryszard Molenda, Roman Kuziak

MODELOWANIE ROZWOJU MIKROSTRUKTURY W PROCESIE WALCOWANIA BLACH

Celem pracy było opracowanie makropoleceń, umożliwiających wykonywanie obliczeń rozwoju mikrostruktury w procesie walcowania blach, z wykorzystaniem programu Microsoft Excel. Niniejsza praca jest kontynuacją tematyki badawczej prowadzonej w Laboratorium Symulacji Procesów Technologicznych Instytutu, dotyczącej rozwoju mikrostruktury. W ramach części doświadczalnej wykonano szereg testów plastometrycznych oraz symulacji numerycznych w celu weryfikacji poprawności kodu przewidywania wielkości ziarna w procesie walcowania blach.

Jarosław Marcisz, Artur Mazur, Bogdan Zdonek, Wojciech Burian, Wacław Wittchen

OPRACOWANIE PÓŁPRZEMYSŁOWEJ TECHNOLOGII CHŁODZENIA NATRYSKOWEGO, W OPARCIU O SYMULACJE LABORATORYJNE I PRÓBY PRZEMYSŁOWE W CELU OGRANICZENIA PĘKNIĘĆ POWIERZCHNIOWYCH NA WLEWKACH COS

Celem pracy było określenie możliwości uzyskania zmodyfikowanej strukturalnie warstwy przypowierzchniowej o odpowiednich właściwościach plastycznych na skutek dodatkowego chłodzenia wlewków ciągłych podczas ich odlewania przed klatką odginającą oraz opracowanie wytycznych do technologii chłodzenia wlewków po wyjściu z pierwszej klatki odginającej. Na podstawie prób przemysłowych, symulacji numerycznych i prób laboratoryjnych chłodzenia natryskowego opracowano półprzemysłową technologię dodatkowego chłodzenia podczas ciągłego odlewania przed odginaniem pasma w zakresie: rodzaju dysz chłodzących, liczby dysz chłodzących, parametrów mediów chłodzących, odległości dysz od ścian wlewka dla wytypowanego gatunku stali i parametrów odlewania. Istotnym elementem technologii chłodzenia jest uzyskanie zmodyfikowanej mikrostrukturalnie warstwy o odpowiedniej grubości na obwodzie wlewka.

W wyniku realizacji pracy opracowano konstrukcję prototypu urządzenia do chłodzenia wlewków ciągłych przed odginaniem pasma oraz koncepcję urządzenia do dodatkowego chłodzenia wlewków pomiędzy klatkami odginająco-prostującymi II i III. Umiejscowienie dodatkowego chłodzenia w tym miejscu stwarza możliwości uzyskania warstwy o zmodyfikowanej mikrostrukturze o znacznie większej grubości w porównaniu do możliwości układu zainstalowanego przed odginaniem.

Józef Gawor, Jarosław Marcisz, Wojciech Burian, Władysław Zalecki, Artur Mazur

OPRACOWANIE PODSTAW TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ BLACH GRUBYCH KONSTRUKCYJNYCH I ODPORNYCH NA ŚCIERANIE METODĄ CHŁODZENIA NATRYSKOWEGO BEZPOŚREDNIO PO WALCOWANIU NA GORĄCO

Celem pracy było opracowanie podstaw technologii obróbki cieplnej blach grubych metodą chłodzenia natryskowego i przygotowanie wniosku na projekt celowy dotyczący bezpośredniego hartowania i przyspieszonego chłodzenia blach po walcowaniu na gorąco w warunkach przemysłowych.

Wykonano badania struktury i właściwości mechanicznych blach w stanie wyjściowym (dostarczonym do badań), charakterystyki przemian fazowych przy chłodzeniu ciągłym (wykresy CTPc) oraz laboratoryjne próby chłodzenia natryskowego blach za pomocą dysz wodnych i wodno-powietrznych. Za pomocą komputerowego programu CalcoSoft obliczono rozkłady temperatur na przekroju poprzecznym hartowanego odcinka blachy i wartości współczynnika przewodzenia ciepła stali trudnościeralnej. Za pomocą dylatometru odkształceniowego DIL 805 wykonano symulacje fizyczne obróbki cieplno-plastycznej stali konstrukcyjnej niskowęglowej. W wyniku chłodzenia natryskowego za pomocą dysz wodnych i dysz wodno-powietrznych uzyskano martenzytyczną strukturę próbek ze stali trudnościeralnej o twardości spełniającej wymagania dla blach chłodzonych w prasie hartowniczej. W wyniku symulacji obróbki cieplno-plastycznej stali niskowęglowej konstrukcyjnej stwierdzono, że odkształcenie realizowane przy temperaturze 850oC zachodzi jeszcze w fazie austenitycznej, a odkształcenie realizowane przy niższej temperaturze (800-700oC) zachodzi już w zakresie dwufazowym austenityczno-ferrytycznym.

Bogdan Garbarz, Wojciech Burian

OPRACOWANIE PODSTAW PÓŁPRZEMYSŁOWEJ TECHNOLOGII WYTWARZANIA BLACH Z SUPERTWARDEJ STALI BAINITYCZNEJ NOWEJ GENERACJI

Celem projektu było opracowanie podstaw technologii wytwarzania wyrobów z nowej grupy gatunkowej stali o strukturze mikrokompozytowej (lub nanokompozytowej) składającej się z bezwęglikowego bainitu i wysokowęglowego resztkowego austenitu, charakteryzującej się bardzo wysoką twardością z zakresu 600 - 700 HV i jednocześnie dobrą ciągliwością. Zaprojektowano składy chemiczne eksperymentalnych wysokowęglowych stali bainitycznych oraz opracowano proces obróbki cieplnej umożliwiający otrzymanie struktury mikrokompozytowej bainitycznej z austenitem resztkowym o oczekiwanych właściwościach mechanicznych. W wyniku zrealizowania niniejszego projektu opracowano wstępne parametry półprzemysłowej technologii wytwarzania blach z supertwardej stali bainitycznej nowej generacji charakteryzujących się wysoką twardością (650HV) i wytrzymałością (1900MPa).

Wojciech Burian, Artur Żak, Hanna Krztoń

ZBADANIE PODSTAW FIZYCZNYCH WYBRANYCH METOD OTRZYMYWANIA ULTRADROBNOZIARNISTEJ, NANOZIARNISTEJ I AMORFICZNEJ STRUKTURY STALI I OKREŚLENIE MOŻLIWOŚCI I UWARUNKOWAŃ ZASTOSOWANIA TYCH METOD W SKALI PRZEMYSŁOWEJ

Celem projektu było opracowanie podstaw technologii przechładzania stopów na bazie żelaza umożliwiającej otrzymanie materiału amorficznego. Praca stanowi pierwszy etap badań zmierzających do opracowania naukowych podstaw sterowania właściwościami stopów na bazie żelaza i stali o strukturze nanokrystalicznej i amorficznej, poprzez modyfikacje składu chemicznego, zmianę warunków krzepnięcia fazy ciekłej w wyniku zastosowania dużych szybkości ochładzania oraz dalszą obróbkę zestalonych stopów. Masywne materiały amorficzne ze względu na właściwości mechaniczne (duża twardość i granica plastyczności) są materiałami o szerokim potencjale aplikacyjnym. Dla tego typu materiałów prognozowana twardość wynosi około 1400 HV, a wytrzymałość 3-4 GPa. W projekcie zaproponowano składy chemiczne masywnych stopów amorficznych na bazie żelaza. Przeprowadzono szczegółowe badania struktury otrzymanych mini-wlewków celem zbadania wpływu stopnia przechłodzenia i składu chemicznego na możliwości otrzymania materiału amorficznego.

Wynikiem projektu są opracowane podstawy otrzymywania masywnych materiałów amorficznych (tj. o grubości powyżej około 1mm) metodą odlewania odśrodkowego stopów wieloskładnikowych na bazie żelaza. Otrzymane wyniki potwierdziły możliwość wytwarzania masywnych materiałów amorficznych o twardości około 1160 HV.

Andrzej Maciosowski, Krzysztof Radwański

BADANIA WPŁYWU RODZAJU PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ NA ANIZOTROPIĘ MIKROSTRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁU WSADOWEGO NA KOŁA ZĘBATE

Celem pracy była ocena możliwości zastosowania na koła zębate przedkuwek uzyskiwanych metodą spęczania z prętów walcowanych na gorąco. Wykonano badania wpływu przeróbki plastycznej na gorąco elementów zbliżonych kształtem do gotowego koła zębatego na makrostrukturę, anizotropię właściwości mechanicznych i strukturę po końcowych zabiegach obróbki cieplnej. Wykonane próby spęczania mające na celu uniknięcie pasmowości w kierunku prostopadłym do obciążeń zginających zęba, wskazują na możliwość stosowania tego rodzaju przeróbki plastycznej do wykonywania przedkuwek o kształcie zbliżonym do gotowego koła zębatego.

Krzysztof Radwański, Hanna Krztoń, Jarosław Gazdowicz

BADANIA PORÓWNAWCZE TEKSTURY MATERIAŁÓW POLIKRYSTALICZNYCH Z WYKORZYSTANIEM DETEKTORA EBSD ORAZ OTWARTEGO KOŁA EULERA

Celem pracy było przeprowadzenie badań porównawczych tekstury materiałów uzyskanych metodą EBSD za pomocą mikroskopu skaningowego INSPECT F z wynikami otrzymanymi z wykorzystaniem otwartego koła Eulera za pomocą dyfraktometru Siemens D5005. Wykonano badania na próbkach ze stali austenitycznej po ściskaniu oraz na próbce ze stali IF po walcowaniu. Wyniki badań otrzymane obiema metodami dla materiału jednorodnie odkształconego w objętości, wykazują dużą zgodność w rozmieszczeniu maksimów na figurach biegunowych (próbka ze stali IF).

Bożena Smolec, Grażyna Stankiewicz

OPRACOWANIE METOD ANALITYCZNYCH DLA STOPÓW AMORFICZNYCH NA OSNOWIE ŻELAZA

Opracowano metodę spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem ICP oznaczania składu chemicznego stopów amorficznych na bazie żelaza. Metoda pozwala na oznaczanie w stopach amorficznych następujących pierwiastków: Al, B, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, La, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, P, Si, Ta, Ti, W, Y i Zr. W wyniku realizacji projektu powstała procedura badawcza oznaczania składu chemicznego stopów amorficznych na bazie żelaza, a Laboratorium Analiz Chemicznych IMŻ jest przygotowane do rutynowych badań składu chemicznego stopów amorficznych.

Bogdan Zdonek, Janusz Stecko, Ireneusz Szypuła

BADANIE SPOSOBÓW OGRANICZENIA EMISJI CO2 W PROCESIE ELEKTROSTALOWNICZYM W ZAKRESIE KRÓTKO - I DŁUGOTERMINOWYM

Celem pracy było określenie, w oparciu o światowe i własne doświadczenia, możliwości i sposobów ciągłego zmniejszania emisji CO2 w procesie wytapiania stali w piecu łukowym w bliższej i dalszej perspektywie czasowej. Wyniki badań w zakresie działań krótkoterminowych wykazały, że:

  • zastąpienie drobnokawałkowego węgla alternatywnym kompozytem gumowo-stalowym, powstającym przy produkcji opon wpływa na zmniejszenie jednostkowego zużycia węgla o 1,5 kg/t stali, co odpowiada ograniczeniu emisji CO2 o 5,5 kg/t stali,
  • stosowanie dodatków żużlotwórczych i spieniających zawierających MgO wpływa na zmniejszenie ilości węgla wdmuchiwanego do spieniania o 1-3 kg/t stali, co odpowiada ograniczeniu emisji CO2 o 3,7-11 kg/t stali.

W zakresie działań długoterminowych, zmierzających do ograniczenia emisji CO2, zachęcające wydają się wyniki badań pochłaniania CO2 ze spalin odciąganych z pieca za pomocą żużli z tego samego procesu, co według wyników przedstawionych w literaturze może doprowadzić do ograniczenia emisji CO2 o ok. 35%.

2012-10-21


Powrótwersja do druku