Żeliwo sferoidalne – tworzywo niedoceniane w energetyce?

Dotychczas stosowanie armatury z żeliwa sferoidalnego w branży wodociągowej i nie tylko upowszechniło się na tyle, że nikogo już to nie dziwi. Czy jednak armaturę taką można bezpiecznie stosować przy wyższych parametrach w instalacjach energetycznych? Dotychczas jej zastosowanie w instalacjach o średnich i wyższych parametrach budziło wiele wątpliwości. Czy słusznie?

Główną przyczyną oporów przed stosowaniem armatury z żeliwa sferoidalnego jest tkwiące w nazwie tworzywa określenie „żeliwo”. Intuicyjnie, błędnie łączy się właściwości żeliwa sferoidalnego z wadami żeliwa szarego (kruchością), a nie staliwem, które wydaje się bardziej zasadne. Żeliwo sferoidalne jest tak samo elastyczne, ciągliwe jak stal czy staliwo. Praktycznie wszystkie wytwórnie armatury produkują obecnie armaturę przemysłową z żeliwa sferoidalnego.

Żeliwo

Wg definicji encyklopedycznej żeliwo jest stopem żelaza (pierwiastka chemicznego) z węglem (i innymi mniej istotnymi składnikami) o zawartości węgla od 2,5 do 4,5 %. Żeliwo topi się w stosunkowo niskiej temperaturze ok. 1300 stopni Celsjusza. Umożliwia to przygotowanie w sposób prosty i tani ciekłego żeliwa w piecach do topienia w tzw. żeliwiakach. Żeliwo dobrze i dokładnie wypełnia formy odlewnicze umożliwiając wykonywanie precyzyjnych odlewów. Żeliwo może występować w dwóch postaciach zasadniczych:

  • jako żeliwo białe. W tej postaci węgiel występuje jako cementyt (węglik żelaza). Przełom tego żeliwa jest jasny, prawie biały. Stąd jego nazwa. Posiada dużą wytrzymałość mechaniczną, ale jest bardzo twarde. Z powodu tej właściwości (twardości) nie daje się obrabiać zwykłymi metodami obróbki mechanicznej (wiórowej). Jest tylko surowcem np. do wyrobu elementów z tzw. żeliwa ciągliwego.
  • jako żeliwo szare. W tej postaci węgiel wydziela się w postaci płatków grafitu, czystego węgla bezpostaciowego. Przełom tego żeliwa jest szary, tak jak szary jest grafit. Posiada niezłą wytrzymałość mechaniczną, ale przy rozciąganiu pęka nagle bez uprzedzenia (bez uprzedniego wydłużenia). Płaszczyzny pęknięć przebiegają zawsze wzdłuż płatków grafitu, które bywają tak duże, ze czasami są widoczne na przełomie gołym okiem. Żeliwo szare dobrze wypełnia formy odlewnicze, daje czyste powierzchnie, jest łatwe do obróbki wiórowej pospolitymi narzędziami.
Rys. 1 Mikrofotografia zgładu żeliwa białego. Ziarna cementytu na tle struktury ferrytycznej.

Rys. 1 Mikrofotografia zgładu żeliwa białego. Ziarna cementytu na tle struktury ferrytycznej.

Rys. 2 Mikrofotografia zgładu żeliwa szarego. Płatki grafitu na tle struktury ferrytycznej.

Rys. 2 Mikrofotografia zgładu żeliwa szarego. Płatki grafitu na tle struktury ferrytycznej.

Grafit posiada bardzo małą wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości, który jest przyczyną występowania nieciągłości w sprężystej osnowie metalicznej. Dlatego żeliwo szare posiada dobrą zdolność tłumienia drgań. Ta zaleta wykorzystywana jest w budowie korpusów maszyn. Im więcej grafitu w osnowie i im większe są jego płatki, tym zdolność do tłumienia drgań jest lepsza. Grubopłatkowy grafit powoduje jednak znaczne osłabienie osnowy metalicznej i jest przyczyną niskiej wytrzymałości.

Żeliwo ciągliwe

Dla zmniejszenia wady żeliwa, jaką jest kruchość powodowana obecnością grafitu płatkowego od dawna poszukiwano metody usuwania tego grafitu. Zaowocowało to powstaniem, jeszcze w początkach ub. wieku żeliwa ciągliwego, w którym grafit zostaje albo wypalony albo rozdrobniony. Wszystkie te metody opierają się na długotrwałym wygrzewaniu gotowych odlewów żeliwnych w różnych warunkach (obróbka termiczna). Przez długi czas była to podstawowa metoda wytwarzania drobnych elementów żeliwnych, np. dla przemysłu samochodowego czy drobnych złączek, kolan, trójników rurociągowych. Jedną z cech żeliwa ciągliwego jest możliwość jego cynkowania ogniowego. Żeliwo szare nie daje się cynkować ogniowo. Przyjęta w języku polskim nazwa żeliwo ciągliwe jest trochę myląca. W innych krajach przyjęły się nazwy związane z procesem technologicznym, w rodzaju „termicznie przetworzone”. Np. w języku niemieckim stosowana jest nazwa „Temperguss”.

Rys. 3 Mikrofotografia zgładu żeliwa ciagliwego szarego. Skupiska węgla żarzenia na tle struktury ferrytu.

Rys. 3 Mikrofotografia zgładu żeliwa ciagliwego szarego. Skupiska węgla żarzenia na tle struktury ferrytu.

Żeliwo modyfikowane

W latach 50-tych ub. wieku wypracowano metody odlewnicze, w których udało się uzyskać struktury żeliwa z rozdrobnionymi płatkami grafitu wprost z odlewu, bez żadnej dodatkowej obróbki termicznej. Istniało wiele opatentowanych metod wytwarzania takiego żeliwa. Nazywa się go żeliwem modyfikowanym lub żeliwem drobnopłatkowym. Rozdrobnienie płatków grafitu bardzo korzystnie wpływa na własności mechaniczne. Żeliwa te uzyskują znaczną elastyczność, zmniejsza się ich kruchość, zanika zagrożenie przełomem kruchym. W latach 70-tych modyfikacja udała się tak dalece, iż grafit wydzielał się w postaci drobnych kuleczek, sfer. Znacznie poprawiły się własności – do tego stopnia, że wydzielono to tworzywo jako odrębną grupę żeliwa sferoidalnego.

Żeliwo sferoidalne

Nazwa „żeliwo sferoidalne” przyjęła się w Polsce dlatego, aby odróżnić go od żeliwa ciągliwego. Również w większości innych języków przyjęto tą zasadę. W Niemczech jest to Duktiles Gusseisen = żeliwo ciągliwe, elastyczne (w nazwie dodano przymiotnik określający jego podstawową własność mechaniczną). Grafit w tym tworzywie wydziela się w postaci drobnych kuleczek rozmieszczonych w osnowie ferrytu czy perlitu i nie wpływa przez to istotnie na własności mechaniczne tych struktur, zachowując m.in. ich elastyczność i zdolność do dużego wydłużania. Żeliwo to uzyskuje się przez dodanie do płynnego wytopu – na rynnie spustowej lub do mieszalnika – odpowiednich dodatków stopowych. Zdolność sferotyzacji utrzymuje się przez kilkanaście minut. W tym krótkim czasie musi nastąpić zalanie formy. Czasami tylko, dla polepszenia elastyczności (wydłużenia) stosuje się dodatkowe wyżarzanie wykonanego odlewu.

Rys. 4 Mikrofotografia zgładu żeliwa sferoidalnego. Widoczne sfery węglowe w strukturze ferrytu.

Rys. 4 Mikrofotografia zgładu żeliwa sferoidalnego. Widoczne sfery węglowe w strukturze ferrytu.

Porównanie żeliwa sferoidalnego i stali

Oceniając armaturę z żeliwa sferoidalnego można spotkać się z sakramentalnym pytaniem: jaka jest podatność tej armatury na odkształcenie? Należy domniemywać, że chodzi o obawę przed przełomem kruchym. W praktyce ocenia się zdolność do odkształcania przed zupełnym zniszczeniem tzw. wydłużeniem. Określa się to podczas próby rozciągania statycznego na maszynie wytrzymałościowej. Poniżej: wygląd próbek (zazwyczaj toczonych) przed i po próbie na rozciąganie:

Rys. 5 Próbki do badań wytrzymałościowych (toczone).

Rys. 5 Próbki do badań wytrzymałościowych (toczone).

Materiały plastyczne, nim ulegną zniszczeniu (zerwaniu) charakteryzują się tworzeniem przewężenia tzw. szyjki. Tego objawu praktycznie nie ma przy materiałach kruchych, np. żeliwie szarym, które pękają nagle bez uprzedzenia. Ten wzrost długości próbki określa się fachowo jako wydłużenie i oznaczane jest symbolem „a” lub „A”. W zależności od odcinka, na jakim dokonuje się porównania, określa się wydłużeniem np. a5 . Oznacza to, że pomiaru dokonano na odcinku 5-krotnej średnicy próbki. Normy przewidują również pomiar na odcinkach 10-cio i 20-krotnej średnicy próbki, rzadko jednak stosowane w metodach badań wytrzymałościowych. W obrębie przewężenia, materiał ulega tzw. umocnieniu. Wytrzymałość materiału (naprężenie zrywające) liczy się zawsze do początkowego, pełnego przekroju (do) próbki. Naprężenie wyliczone z przekroju zerwania (d1 na rysunku) byłoby znacznie wyższe. Zależność pomiędzy wydłużeniem a siłą rozciągającą widać najlepiej na wykresach. Pozwala to na wizualną ocenę, a właściwie – porównanie właściwości różnych materiałów.

Rys. 6 Wykresy rozciągania różnych materiałów gdzie: GG-25 – żeliwo szare, GGG-50 – żeliwo sferoidalne, RSt 37-2 – stal, GGG-40 – żeliwo sferoidalne stosowane przez VAG do produkcji armatury.

Rys. 6 Wykresy rozciągania różnych materiałów gdzie:
GG-25 – żeliwo szare,
GGG-50 – żeliwo sferoidalne,
RSt 37-2 – stal,
GGG-40 – żeliwo sferoidalne stosowane przez VAG do produkcji armatury.

Innym zarzutem z jakim można spotkać się w ocenie armatury z żeliwa sferoidalnego jest to, iż jest ona za mało sztywna. Trudno znaleźć precyzyjną definicję tego określenia. Wydaje się, że mała sztywność, a więc elastyczność (?) powinna być dodatnią cechą materiałową. Można wnioskować, że armatura z żeliwa sferoidalnego jest lżejsza, wygląda „słabiej” aniżeli armatura ze staliwa na te same parametry. Ten paradoks można wytłumaczyć następująco:

„żeliwo sferoidalne i staliwo mają podobną wytrzymałość na rozerwanie.

Przy konstrukcji odlewów ze staliwa obowiązują stosunkowo wysokie współczynniki bezpieczeństwa, rzędu 4. Związane jest to ze skłonnością tworzenia się w odlewach staliwnych tzw. jam usadowych i pęcherzy, osłabiających w sposób niekontrolowany strukturę odlewu. Odlewy z żeliwa sferoidalnego, tak jak wszystkie odlewy żeliwne, nie wykazują skłonności do tworzenia jam usadowych, dlatego dopuszcza się stosowanie niższych współczynników bezpieczeństwa, rzędu 2. Dzięki temu

„odlewy korpusów armatury z żeliwa sferoidalnego są lżejsze i wyglądają „zgrabniej” aniżeli odlewy ze staliwa.

Wartości współczynnika Younga (patrz tabela) dla staliwa i żeliwa sferoidalnego są podobne i nie mogą mieć istotnego wpływu na sztywność.

Problemy stosowania 

Często poruszanym problemem jest to, czy „żeliwo” w ogóle może być stosowane na „odpowiedzialne elementy ciśnieniowe”? Oprócz osobistego przekonania konstruktora czy projektanta istnieją regulacje prawne, wytyczne, wyjaśniające tę kwestię. Znane Autorowi są np. wytyczne „Warunki Urzędu Dozoru Technicznego” WUDT-UC WO-M/05 „Urządzenia ciśnieniowe. Wymagania Ogólne” – Materiały – Żeliwa” (wydanie 10.2003), gdzie dosyć szczegółowo opisuje się zakresy stosowania. Wynika z nich , że:

„elementy ciśnieniowe z żeliwa sferoidalnego mogą być wykonywane do średnicy zewnętrznej 2000 mm i na ciśnienie nominalne 10 MPa i do temperatury stosowania 350 stopni Celsjusza.

W przytoczonych warunkach WUDT-UC WO-M/05 „Urządzenia ciśnieniowe. Wymagania Ogólne” zagmatwano problem, gdyż przytaczając normy żeliw sferoidalnych zatytułowano rozdział „żeliwa ciągliwe” co jest niejednoznaczne, a wręcz wprowadza w błąd czytelników mniej biegłych w dziedzinie materiałoznawstwa. W Niemczech istnieją podobne regulacje prawne. Istnieją Wytyczne AD 2000 wydane przez tzw. zespół ds. naczyń ciśnieniowych (w swobodnym tłumaczeniu). Wytyczne AD 2000 W 3/2 z października 2000 traktują o stosowaniu żeliwa sferoidalnego do budowy naczyń ciśnieniowych. Zależnie od gatunku żeliwa sferoidalnego dopuszcza się stosowanie również do ciśnienia nominalnego 100 bar, temperatury roboczej do 350 stopni Celsjusza, określając wielkość elementów tzw. iloczynem pojemnościowym = iloczynem ciśnienie (bar) x objętość (litr) nawet do 100000.

W oparciu o te wytyczne firma VAG Armaturen GmbH w Mannheim produkuje i oferuje armaturę przemysłową wykonaną z żeliwa sferoidalnego na ciśnienie nominalne 64 bary i na temperaturę roboczą do 300 stopni Celsjusza dla energetyki konwencjonalnej jak i jądrowej. Łatwość wykonywania odlewów z żeliwa (też sferoidalnego) umożliwia wykonywanie odlewów korpusów armatury wielkości, które do niedawna były domeną tylko konstrukcji spawanych. Największe odlewane obecnie przez firmę VAG elementy armatury to korpusy przepustnic typu VAG EKN średnicy nominalnej DN 4000 mm. Ciężar tego odlewu wynosi ok. 50 ton. (zdjęcia poniżej).

Fot. 1 Przepustnica  VAG typ EKN DN 4000, PN 6 wykonanie materiałowe: korpus/dysk żeliwo sferoidalne GGG 40.

Fot. 1 Przepustnica VAG typ EKN DN 4000, PN 6 wykonanie materiałowe: korpus/dysk żeliwo sferoidalne GGG 40.

Fot. 2 Zawór regulacyjny VAG RIKO DN 1600, PN 10 wykonanie materiałowe: korpus- żeliwo sferoidalne GGG-40.

Fot. 2 Zawór regulacyjny VAG RIKO DN 1600, PN 10 wykonanie materiałowe: korpus- żeliwo sferoidalne GGG-40.

Tworzywo w pełni sprawdzone

Analizując powyższe dane nie ma powodu uważać, że żeliwo sferoidalne jest czymś gorszym, zastępczym w porównaniu do staliwa czy nawet stali. Jest to tworzywo w pełni sprawdzone, co potwierdzają odpowiednie warunki dopuszczeń technicznych. Wyroby z żeliwa sferoidalnego są lżejsze i tym samym tańsze od wyrobów ze staliwa czy stali. Praktyka wykazała pełną przydatność w sieciach wody ciepłowniczej 200 stopni Celsjusza i 25 bar oraz w sieciach tzw. średnioprężnych pary i wody w elektrowniach. Żeliwo sferoidalne nie ma podstawowej wady żeliwa szarego – kruchości, ma natomiast wiele zalet porównywalnych z zaletami staliwa czy stali. Podstawową zaletą jest dobra lejność tego tworzywa, umożliwiająca uzyskiwanie precyzyjnych, lekkich odlewów, co w aspekcie wykorzystania tego materiału do budowy nowych bloków energetycznych w Polsce staje się ekonomiczne i racjonalne pod względem technicznym.

kliknij w tabelkę, aby powiększyć

Tabela 1 Zestawienie porównawcze materiałów konstrukcyjnych korpusów armatury przemysłowej . Źródło: VAG Armatura Polska sp. z o. o. Doradztwo Techniczne.

Tabela 1 Zestawienie porównawcze materiałów konstrukcyjnych korpusów armatury przemysłowej
. Źródło: VAG Armatura Polska sp. z o. o. Doradztwo Techniczne.

Autorzy: Tadeusz Grabiński, Leszek Pudełko, VAG Armatura Polska sp. z o. o. Doradztwo Techniczne

fot.: VAG Armatura Polska sp. z o. o. Doradztwo Techniczne