GESTEIGERTE PRODUKTIVITÄT BEIM KLASSIEREN DURCH MAßGESCHNEIDERTE HOCHLEISTUNGSSCHICHTEN
GESTEIGERTE PRODUKTIVITÄT BEIM KLASSIEREN DURCH MAßGESCHNEIDERTE HOCHLEISTUNGSSCHICHTEN M. KIRCHGAßNER1, R. KIRCHMAYER1, K. ADAM2, M. VARGA3, L. WIDDER3
KURZFASSUNG Abrasion, Schläge, Oberflächenermüdung und hohe Temperaturen sind die wesentlichen Mechanismen, die, kombiniert in unterschiedlicher Ausprägung, zu Materialverlust und verringerter Produktivität bei Anlagen in der Klassierung von Rohstoffen führen. Im vorliegenden Beitrag wird anhand des Beispiels von Heißsieben in einer Eisenerzsinteranlage erörtert, wie das Verständnis der Schwachstellen im Mikro- und Makrobereich dazu genützt werden kann, maßgeschneiderte Hochleistungsschichten zu entwickeln, um die Lebensdauer und Produktivität von Anlagenteilen steigern zu können. Untersucht wurden in den gegenständlichen Arbeiten einerseits verschiedene Schneidverfahren und ihr Einfluss auf die Siebqualität, andererseits verschiedene Hartauftragungen und ihr Verhalten unter den extremen Einsatzbedingungen in Heißsieben.
1 EINLEITUNG Bei der Siebklassierung, d.h. der mechanischen Trennung von Feststoffen nach der Korngröße, unterliegen die eingesetzten Aggregate einem komplexen Belastungskollektiv. Der Hauptverschleiß tritt bei Lochsieben im Bereich des Siebbodens auf: einerseits an der Sieboberfläche und im Kantenbereich der Sieböffnungen, andererseits auch an den Siebwandungen. Der während des Betriebes an den Sieben auftretende Verschleiß hängt dabei insbesondere von der Korngröße und -form sowie der Beschaffenheit des zu klassierenden Materials, den auftretenden Verschleißarten und der Betriebstemperatur ab. [1,2] Im Sinterbereich von Stahlwerken werden bei den Heißsieben Temperaturen von ca. 250 °C erreicht, wobei lokal an der Oberfläche Spitzen bis zu 700 °C möglich sind [2]. Für die Austauschintervalle der Siebkassetten entscheidend ist der Zustand der Sieböffnungen und der Rückgutanteil, der mit zunehmenden Verschleiß der Sieböffnungen ansteigt. Der abrasive Verschleiß der Siebbelagsoberfläche ist eher gering. Standzeitkritisch ist die geometrische Veränderung der Sieböffnungen: einerseits die Kantenabrundung, andererseits die Erweiterung der Öffnungsweite. Für derart abrasiv belastete Systeme werden oftmals Hartauftragungen eingesetzt, um die erforderlichen Standzeiten zu erreichen [1]. Die komplexe Belastung durch abrasives Gut und erhöhte 1
Castolin GmbH, IZ-NOE SUED, Strasse 14, Objekt M24, 2355 Wiener Neudorf, AUT; mkirchgassner@castolin.at
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Voestalpine Stahl GmbH, Voestalpine-Straße 3, 4020 Linz, AUT; karl.adam@voestalpine.com
3
AC2T research GmbH, Viktor-Kaplan-Straße 2C, 2700 Wiener Neustadt, AUT, markus.varga@ac2t.at
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Temperaturen bewirkt Verschleiß [3-5]. Fe-Basislegierungen werden in derartigen Systemen erfolgreich bis ca. 500-600°C eingesetzt, da sie weit kostengünstiger als vergleichbare Ni- oder Co-Basislegierungen sind [1]. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war, für das Heißsieb möglichst lange einen stabilen Durchsatz zu ermöglichen, was insgesamt zu gesteigerter Produktivität führt. Dazu wurde einerseits der Einfluss des Schneidverfahrens auf die Qualität und Standzeit der Siebe, andererseits das Verschleißverhalten und die Kantenstabilität verschiedener Hartauftragungen, die für Siebe in Frage kommen, untersucht, um daraus neue, verbesserte Schichtsysteme abzuleiten. Neben Laboruntersuchungen und Verschleißprüfungen wurden auch vergleichende Tests im Realsystem einer Siebanlage für Heißsinter durchgeführt.
2
EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 2.1 Legierungen und Auftragunstechnologie
Stand der Technik zum Aufbringen verschleißbeständiger Siebbeläge sind Open ArcSchweißprozesse, bei denen verschiedene Varianten von FeCrC Werkstoffen, legiert mit Nb, Mo und W zum Einsatz kommen. In den gegenständlichen Versuchen wurde ein häufig eingesetztes Standardlegierungssystem, das sowohl als abrasions- als auch temperaturbeständig einstufbar ist, mit alternativen, komplex legierten Werkstoffen, einerseits auf HSS Basis, andererseits übereutektischen Legierungsvarianten auf FeCrC-Basis verglichen. Tabelle 1: Übersicht der getesteten Verschleißschutzwerkstoffe, Härte, und Verfahrenstechnik No.
Legierung
Härte [HV10]
Verfahren
Zusatzwerkstoff
1
Fe-Cr-Mo-Nb-C
829±67
Open Arc
Draht, Pulver
2
Fe-V-Cr-Mo-C
693±33
PTA, Laser
Pulver
3
Fe-V-Cr-C
781±37
Laser
Pulver
4
Fe-Cr-Co
462±8
MIG Puls
Draht
5
Fe-Cr-V-C
818±11
Open Arc
Draht
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der untersuchten Werkstoffe. Legierung Fe-Cr-Mo-Nb-C und Fe-Cr-V-C wurden mittels Open Arc Schweißprozess verarbeitet. Fe-Cr-Mo-Nb-C wird bereits in Heißsiebanlagen eingesetzt und kann als Referenz dienen. Fe-Cr-Co wurde in MIG Puls Technologie verarbeitet. Die komplexen, mit dem Karbidbildner V legierten Auftragwerkstoffe Fe-V-Cr-Mo-C und Fe-V-Cr-C wurden mittels Laser Technologie (Direct Dioden Laser Prozess, Coherent) aufgeschweißt, insbesondere um homogene Gefüge und eine minimale Aufmischung mit dem Trägermaterial, einem warmfesten niedriglegierten Stahl zu erreichen und so möglichst die Werkstoffeigenschaften der unvermischten Legierungen zu erhalten. Gleichzeitig können mit diesem Verfahren hohe Auftragraten erzielt werden, was für die Wirtschaftlichkeit großflächigen Verschleißschutzes unumgänglich ist. Abbildung 1 zeigt
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die DDL Laseranlage, die zum Laserauftragschweißen eingesetzt wurde sowie den Ausschnitt einer geschweißten Platte vor dem Schneiden.
a)
b)
Abb. 1: a) DDL-Anlage zum Auftragsschweißen und b) resultierende geschweißte Platte
2.2 Schneidverfahren von Sieböffnungen Die korrekte Öffnungsweite von Sieben ist das ausschlaggebende Kriterium, das die Produktivität beeinflusst. Eine Übersicht eines derzeit eingesetzten Siebes für Heißabrasiv ist in Abb. 2a dargestellt. Da unterschiedliche Schneidverfahren in unterschiedlicher geometrischer Genauigkeit und zeitlichem Schnittaufwand resultieren, ist dies ein entscheidender Faktor in der Siebfertigung. Thermische Schneidprozesse können überdies auch das Werkstoffgefüge entlang der Schnittkante beeinflussen. Bei den vorliegenden Untersuchungen wurden die in Tabelle 2 dargestellten Schneidprozesse verglichen. Es wurden die Veränderung der Mikrostruktur im Schnittbereich und der Einfluss auf das Verschleißverhalten des Siebbelages mittels eines zyklischen Schlag-Abrasionstests analysiert [vgl. 3]. Tabelle 1: Übersicht der untersuchten Schneidverfahren Schneidverfahren
Energieeintrag
Freistellwinkel
Plasma
Thermisch
Winkel durch Plasma vorgegeben
Nur ein Schnitt für Sieböffnung
Mikroplasma
Thermisch
Winkel durch Plasma vorgegeben
Kontur im Kreis
Laser
Thermisch
Winkel variabel
Kontur im Kreis
Wasserstrahl
Erosiv
Winkel variabel
Kontur im Kreis
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Geometrieerzeugung
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a)
b)
Abb. 2: a) Übersicht eines Siebes für Heißabrasiv; b) Versuchssieb für den Feldtest
2.3 Verschleißtests im Labor Um die Verschleißbeständigkeit experimentell im Labor zu untersuchen wurden 3 verschiedene Verschleißtests durchgeführt. Damit sollen unterschiedlich starke Belastungen simuliert werden. Schlag-Abrasion wurde im Flügelradtest mit Quarzsand und Stahlkugeln simuliert. Dabei dreht sich ein Schleuderrad mit 3 Werkstoffproben mit hoher Geschwindigkeit und schlägt in einen Abrasivfluss, der von einer Trommel aufrechterhalten wird. Durch Wahl des Abrasivs und der Geschwindigkeit können unterschiedliche Einschlagenergien nachgestellt werden. Geringe Belastung, wie sie in Sieböffnungen hauptsächlich zu erwarten ist wurde mit 1,6-2,2 mm Quarzsand nachgestellt. Dies ergibt eine Auftreffenergie von ca. 1-3 mJ. Um Extrembelastung zu untersuchen wurden zusätzlich noch Tests mit Stahlkugeln durchgeführt (ø=4,8 mm), dies ergibt ~11 mJ Einschlagenergie. Da geringe Verschleißraten auftreten, wurde die Kantengeometrie vor und nach dem Test mittels 3D-Topgraphie aufgenommen (Fokusvariation, Alicona System), und das Differenzvolumen berechnet. Da das Heißsieb bei erhöhten Temperaturen arbeitet, wurden zusätzlich HT-Erosionstests bis 500°C durchgeführt. Dabei wurden Abrasivpartikel von einer Zentrifuge beschleunigt und auf die Probe geschossen. Quarzsand mit 0,6-1,2 mm wurde mit 30 m/s auf reale Schnittkanten, vergleichbar mit einer Sieböffnung, geschossen (Partikelenergie ~0,4 mJ). Die Schnittkante wurde im 45°-Winkel angestrahlt. Die Verschleißcharakterisierung wurde hier ebenfalls mit einer DifferenzTopographiemessung vor und nach dem Test durchgeführt.
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 3.1 Mikrostrukturen nach dem Aufbringen Fe-Cr-Mo-Nb-C ist charakterisiert durch primär ausgeschiedene Hartphasen in einer ledeburitischen Matrix, wobei zwischen feinverteilten primären Karbiden auf Basis MeC und größeren plattenförmige Hartphasen vom Typ Me7C3 unterschieden werden kann. Vereinzelt finden sich herstellungsbedingt nur teilweise aufgelöste Partikel aus der Vorlegierung zum Schweißen (Ferrolegierungen, z.B. Ferrochrom).
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Fe-Cr-V-C, vom Typ her als FeCrVC Hartgusslegierung einzustufen, zeigt keine Primärkarbide und ist offensichtlich durch die Aufmischung mit dem Grundmaterial eutektisch erstarrt. Fe-V-Cr-Mo-C und Fe-V-Cr-C, die als HSS Typen klassifiziert werden können, zeigen feinverteilte primär ausgeschiedene Hartphasen in einer martensitischen Matrix. Fe-V-Cr-C zeigt Hartphasen verschiedener Größe und Morphologie, weil sich durch den B Gehalt dieser Legierung verschiedene Karboboride auf Basis von V und Cr bilden. Fe-Cr-Co ist martensitisch erstarrt und zeigt mangels starker Karbidbildner und geringem C-Gehalt keine Primärkarbide. Hervorzuheben ist die relativ niedrige Härte, was diesen Werkstoff als Weichmartensit ausweist.
Fe-V-Cr-Mo-C
Fe-Cr-Mo-Nb-C
829±67 HV10
693±33 HV10
Fe-V-Cr-C
Fe-Cr-Co
462±8 HV10
781±37 HV10 Fe-Cr-V-C
818±11 HV10 Abb. 3: Mikrostrukturen und Härte der untersuchten Werkstoffe (REM)
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3.2 Einfluss des Schneidverfahrens auf die Verschleißbeständigkeit Bei thermischen Schneidverfahren (Plasma, Mikroplasma, Laser) kommt es zu unterschiedlichen Gefügeveränderungen, Porenbildung und auch Aufmischungseffekten zwischen Grundmaterial und Auftragung im Schnittbereich. Dies führt unter anderem zu untereutektischen Gefügestrukturen und schlechteren Verschleißergebnissen im Schlag-Abrasionstest. Speziell der Laserschnitt führt zu sehr inhomogenen Gefügeausbildungen und hohen Verschleißraten (siehe Abb. 4). Der Wasserstrahlschnitt zeigt sowohl unverändertes Gefüge im Kantenbereich als auch die höchste geometrische Präzision.
Abb. 4: Vergleich der Schneidkanten unterschiedlicher Schneidverfahren nach dem Schlag-Abrasionstest (oben); quantitativer Vergleich der Verschleißraten unter SchlagAbrasion mit Quarzsand (unten)
3.3 Ergebnisse der Verschleißtests Neben der Untersuchung der Härte und Mikrostruktur wurden die eingesetzten Legierungen in einem Partikel-Erosionstest bei verschiedenen Temperaturen und einem Schlag-Abrasionstest mit Quarzsand und Stahlkugeln verglichen und abschließend einem ersten Feldtest unterzogen. Die im übereutektischen Gefüge von Fe-Cr-Mo-Nb-C ausgeschiedenen relativ großen primär ausgeschiedenen Hartstoffe erweisen sich in der Folge beim SchlagAbrasionstest als negativ und führen zu höheren Verschleißraten, teils bedingt durch starke einzelne Ausbrüche an der Kante (siehe. Abb. 5). Ebenso neigt das spröde eutektische Gefüge von Fe-Cr-V-C zu Ausbrüchen, es resultiert erhöhter Verschleiß.
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Schlag-Abrasion (Stahlkugeln)
Partikel-Erosion
Abbildung 5: Ergebnisse der Verschleißprüfungen im Schlag-Abrasionstest mit Stahlkugeln (oben) und Partikel-Erosion bei erhöhter Temperatur (unten). Demgegenüber zeigen die lasergeschweißten HSS-Legierungen Fe-V-Cr-Mo-C und FeV-Cr-C durch ihre homogenere Struktur mit feinverteilten Hartstoffen eine bessere Kantenstabilität und geringeren Verschleiß im Schlag-Abrasionstest mit Stahlkugeln. Fe-Cr-C mit ihrem homogenen martensitischen Gefüge, ist im Schlag-Abrasionstest bei hohem Energieeintrag (Stahlkugeln) zu weich und verformt stark plastisch. Im PartikelErosionstest mit Quarzsand wurden die verglichenen Werkstoffe bei Raumtemperatur, 300 und 500 °C getestet. Hier zeigen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen von 500°C, die Legierungen Fe-V-Cr-Mo-C und Fe-Cr-V-Cgegenüber der Referenzlegierung Fe-Cr-Mo-Nb-C ähnliche und niedrigere Verschleißraten. Fe-Cr-V-C neigt jedoch zu spröden Ausbrüchen.
3.4 Feldtests ausgewählter Legierungen im Heißsieb Es wurde ein Kassettensystem für den Feldtest ausgewählter Legierungen entwickelt (Abb. 2b). Dabei können Versuchssiebe mit alternativen Schneidverfahren und Werkstoffen unter Realbedingungen einfach getestet werden. Der Verschleißabtrag an den Öffnungskanten im laufenden Betrieb wurde im Rahmen der Stillstände mittels Abdruckmethode ermittelt [2]. Die wasserstrahlgeschnittenen Siebe zeigten eine deutliche höhere geometrische Genauigkeit und geringeren Kantenverschleiß, sowie einen deutlich weniger signifikanten Anstieg der Öffnungsweiten mit andauernder ÖTG-Symposium 2016
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Betriebszeit. Speziell in den ersten Einsatzintervallen waren die Wasserstrahlgeschnittenen Lösungen deutlich besser, wohingegen thermisch geschädigte Zonen bei plasma- und lasergeschnittenen Proben deutlich schneller abgetragen werden. Interessant ist auch, dass generell ab einer Tiefe von 0,5 mm in der Sieböffnung bei den wasserstrahlgeschnittenen Testsieben kaum mehr Abtrag messbar ist, was das unbeeinflusste Werkstoffgefüge zurückzuführen sein könnte. Die Kanten der übereutektischen Referenzprobe zeigen im Gegensatz zu den fein strukturierten HSS-Auftragungen deutlich mehr Ausbrüche. Zurückzuführen ist dies auf eine stärkeres Rissnetzwerk dieser Auftragung und unaufgelöste spröde Legierungsbestandteile durch die Open Arc Auftragung mit einem Draht-Pulver Gemisch. Für die Anwendung können daher feinkörnige HSS Werkstoffe mit hoher Härte empfohlen werden. Weiters hat das Schneidverfahren auf die Verschleißausbildung im Öffnungsbereich essentiellen Einfluss. Es sollten nicht-thermische Verfahren bevorzugt werden, um das Gefüge im Kantenbereich nicht zu schädigen und besten Verschleißschutz zu gewährleisten.
4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Hinsichtlich des Schneidverfahrens zeigen sich bei Sieben deutliche Vorteile des Wasserstrahlschnittes, der bei sehr hoher geometrischer Genauigkeit der Sieböffnungen gleichzeitig jede thermische Schädigung der Auftragung, seien es Gefügeveränderungen oder Aufmischungen mit dem Substrat, vermeidet. Das führt zu hoher Kantenstabilität und in Verbindung mit einer verschleißbeständigen Auftragung zu einem sehr stabilen Betrieb ohne unerwünschte Veränderung des Siebergebnisses. Von den getesteten Werkstoffen zeigt die HSS Legierung FeCrVC durch ihr homogenes, sehr feines Gefüge mit feinverteilten Vanadiumkarbiden das günstigste Verhalten. Es kommt zu keinen Ausbrüchen an der Sieböffnungskante und die Verschleißrate in den eingesetzten Verschleißprüfungen als auch im Feldtest waren die niedrigsten. Darüber hinaus konnte auch keine große plastische Verformung an der Siebkante unter extremer Last (Stahlkugeltest) festgestellt werden. Kostenmäßige Nachteile, die durch höhere Schneidkosten beim Wasserstrahlverfahren einerseits, als auch durch die Verwendung komplex legierter Pulver und das DDL Laserauftrag-Schweißverfahren entstehen, können auf Basis der bisherigen Kenntnisse und Voruntersuchungen durch konstante Siebergebnisse, höhere Ausbringung des Siebgutes und längere Standzeiten überkompensiert werden. Deshalb wird in einem weiteren großangelegten Feldtest in den kommenden Monaten das bisherige Ergebnis einer großtechnischen Überprüfung am gesamten Heißsieb unterzogen.
DANKSAGUNG Die präsentierten Forschungsergebnisse wurden aus dem österreichischen COMET-Programm (Projekt XTribology, Nr. 849109) gefördert und sind im „Exzellenzzentrum für Tribologie“ (AC2T research GmbH) entstanden. 8
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REFERENZEN [1]
Verein deutscher Eisenhüttenleute: Gemeinfassliche Darstellung Eisenhüttenwesens, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf (1971) 29-32
[2]
M. Varga, L.Widder, M. Griesinger, K. Adam, E. Badisch, Wear progress and mechanisms in high temperature sieves, Engineering Failure Analysis 61 (2016) 46–53 M. Kirchgaßner, E. Badisch, F. Franek, Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact, Wear 265 (2008) 772–779
[3]
[4]
[5]
des
E. Badisch, M. Kirchgaßner, F. Franek: Continuous impact/abrasion testing: influence of testing parameters on wear behaviour, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part J: Journal of Engineering Tribology 223/5 (2009) 741-750 Zum Gahr: Microstructure and Wear of Materials, Elsevier Science Publishers, Tribology Series 10 (1987)
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