ROČNÍK/VOL. LXV
ROK/YEAR 2012
2
METALLURGIC AL
JOURNAL
O D B O R N Ý Č A S O P I S P R O M E TA L U R G I I A M AT E R I Á L O V É I N Ž E N Ý R S T V Í
B R A N C H P E R I O D I C A L F O R M E TA L LU R G Y A N D M AT E R I A L E N G I N E E R I N G
W W W. H U T N I C K E L I S T Y. C Z
ISSN 0018-8069
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Vydavatel
OCELOT s.r.o.
Pohraniční 693/31
706 02 Ostrava-Vítkovice
IČO 49245848, DIČ CZ49245848
Registrace v obchodním rejstříku Krajského
soudu v Ostravě, oddíl C, vloţka 30879
Redakce, kontaktní adresa
OCELOT s.r.o.
Redakce časopisu Hutnické listy
areál VŠB – TU Ostrava, A 534
17. listopadu 15/2127
708 33 Ostrava-Poruba
www.hutnickelisty.cz
www.metallurgicaljournal.eu
Vedoucí redaktor
Ing. Jan Počta, CSc.
 596995156
e-mail: [email protected]
[email protected]
Redaktorka
Jaroslava Pindorová
e-mail: [email protected]
Redakční rada
Předseda:
Prof.Ing. Ľudovít Dobrovský, CSc., Dr.h.c.,
VŠB-TU Ostrava
Členové:
Ing. Michal Baštinský, EVRAZ VÍTKOVICE
STEEL, a.s.
Ing. Karol Hala, U.S. Steel Košice, s.r.o.
Prof. dr. hab. inţ. Leszek Blacha,
Politechnika Šląska
Prof. dr. hab. inţ. Henryk Dyja, Politechnika
Częstochowska
Prof. Ing. Vojtěch Hrubý, CSc. Univerzita
obrany
Ing. Henryk Huczala, TŘINECKÉ
ŢELEZÁRNY, a.s.
Prof. Ing. František Kavička, CSc., VUT
v Brně
Ing. Ludvík Martínek, Ph.D., ŢĎAS, a.s.
Prof. Ing. Karel Matocha, CSc.,
MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o.
Ing. Radim Pachlopník, ArcelorMittal
Ostrava, a.s.
Prof. Ing. Ľudovít Pariľák, CSc., ŢP VVC
s.r.o.
Ing. Jiří Petrţela, Ph.D., VÍTKOVICE
HEAVY MACHINERY, a.s.
Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D., MATERIÁLOVÝ
A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o.
Ing. Vladimír Toman, Hutnictví ţeleza, a.s.
Prof. Ing. Karel Tomášek, CSc., TU
v Košiciach
Grafika záhlaví a podkladu
na titulní straně
Miroslav Juřica,
e-mail [email protected]
Tisk
T-print s.r.o., Průmyslová 1003, 739 65
Třinec
Registrační číslo
MK ČR E 18087
Mezinárodní standardní číslo
ISSN 0018-8069
Odborný časopis pro metalurgii a materiálové inţenýrství
.
Obsah
výroba oceli
Ing. Markéta Tkadlečková, Ph.D., Ing. Karel Gryc, Ph.D., prof. Ing. Karel
Michalek, CSc., Ing. Petr Klus, Ing. Ladislav Socha, Ph.D., Ing. Pavel
Machovčák, Ing. Marek Kováč
Verifikace vlivu okrajových parametrů lití ocelových ingotů na
velikost objemových vad
Ing. Ladislav Socha, Ph.D., prof. Ing. Jiří Bažan, CSc., Ing. Pavel Machovčák,
Ing. Aleš Opler, Ing. Petr Styrnal, Ing. Jan Melecký, CSc.
Vliv briketovaných ztekucovadel na odsíření oceli při mimopecním
zpracování
Ing. Vladislav Kurka, Ph.D., Pavel Machovčák, prof. Ing. Vlastimil
Vodárek, CSc., prof. Ing. Karel Michalek, CSc.
Návrh a ověření výroby a vlastností austeniticko – feritické duplexní
oceli s přísadou W a Cu
3
8
14
povrchová úprava
doc. Dr. Ing. Antonín Kříž
Použitelnost výsledků z laboratorních analýz v praxi
RNDr. Milan Ferdinandy, RNDr. František Lofaj, DrSc., prof. RNDr. Ján
Dusza, DrSc., doc. Ing. Daniel Kottfer, PhD.
Príprava povlakov WC rozkladom W(CO)6 metódou PE CVD
Ing. Jiří Hodač, doc. Dr. Ing. Antonín Kříž, Ing. Petr Beneš Ph.D., Ing.
Jiří Hájek, Ph.D.
Aplikace tenkých vrstev na nástrojích pro řezání pryže
prof. Ing. Miroslav Jelínek, DrSc., prof. Ing. František Uherek, PhD., Ing.
Tomáš Kocourek Ph.D., Ing. Jan Remsa, Ing. Jan Mikšovský, Ing. Petr
Písařík, Ing. Markéta Zezulová, Ing. Jaroslav Bruncko, PhD.
Biokompatibilní anorganické a organické vrstvy připravené laserem
Ing. Martin Sahul, doc. Ing. Ľubomír Čaplovič, PhD., doc. Ing. Martin
Kusý, PhD., Ing. Jozef Sondor
Analýza vybraných typov supertvrdých povlakov vyhotovených
procesom larc®
20
30
34
40
47
automatizace technologických procesů,
počítačová simulace, výpočetní metody
Ing. Ondřej Zimný, Ph.D., Ing. Martin Bogár, Ing. Hana Mazalová, Ing.
Mária Stráňavová
Predikce korozního úbytku materiálu pomocí umělých neuronových
sítí
doc. Ing. Jiří David, Ph.D., Ing. Helena Nováková
Algoritmizace procesu výrobního rozvrhování na ocelárně
52
56
hutní výroba v ČR a SR
62
ze spolkového života a odborných akcí
63
recenze
64
společenská kronika
67
konference
71
hutnictví ve světě
72
redakční pokyny
80
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Hlavní články v časopisu jsou uváděny
v českém, slovenském nebo anglickém
jazyce.
Časopis vychází 6x ročně. Cena
jednotlivého čísla 200,-- Kč. K ceně se
připočítává DPH. Roční předplatné
základní 1190,- Kč, studentské 20 %
sleva proti potvrzení o studiu.
Předplatné se zvyšuje o poštovné
vycházející z dodávek kaţdému
odběrateli. Předplatné se automaticky
prodluţuje na další období, pokud je
odběratel jeden měsíc před uplynutím
abonentního období písemně nezruší.
Objednávky na předplatné přijímá
redakce. Informace o podmínkách
publikace, inzerce a reklamy podává
redakce.
Za původnost příspěvků, jejich věcnou
a jazykovou správnost odpovídají
autoři. Podklady k tisku redakce
přijímá
v elektronické
podobě.
Recenzní posudky jsou uloţeny
v redakci. Ţádná část publikovaného
čísla nesmí být reprodukována,
kopírována nebo elektronicky šířena
bez písemného souhlasu vydavatele.
© OCELOT s.r.o., 2012
ISSN 0018-8069
Odborný časopis pro metalurgii a materiálové inţenýrství
.
C o n t e n t
Steel Making
Tkadlečková, M. - Gryc, K. - Michalek, K. - Klus,P. - Socha, L. Machovčák, P. – Kováč, M.
Verification of the Effect of Boundary Conditions of Steel Ingot
Casting on the Size of their Volume Defects
Socha, L. - Bažan, J. - Machovčák,P. - Opler, A. – Styrnal P. - Melecký, J.
Influence of Briquetting Fluxing Agents on Desulphurization of Steel
during Secondary Metallurgy Treatment
Kurka, V. - Machovčák, P. - Vodárek, V. - Michalek, K.
Proposal and Verification of Production and Properties of
Austenitic-feritic Duplex Stainless Steel with W and Cu Additions
3
8
14
Surface Treatment
Kříž, A.
Applicability of Results from Laboratory Analyses in Practice
Ferdinandy, M. - Lofaj, F. - Dusza, J. - Kottfer,D.
Preparation of WC Coatings by W(CO)6 Decomposition Using PE
CVD Method
Hodač, J. - Kříž, A. - Beneš P. - Hájek,J.
Application of thin Films on Tools for Cutting of Rubber
Jelínek, M. - Uherek, F. – Kocourek, T. - Remsa, J. - Mikšovský, J. Písařík, P. - Zezulová, M. - Bruncko, J.
Biocompatible inorganic and organic layers prepared by laser
Sahul, M. - Čaplovič, Ľ. - Kusý, M. – Sondor, J.
Analysis of Properties of Selected Types of Superhard Layers
Prepared by LARC® process
20
30
34
40
47
Automation Control of Technological Procesess,
Computer Simulation, Computing Methods
Zimný, O. - Bogár, M. - Mazalová, H. – Stráňavová, M.
Prediction of Corrosion Material Loss by Use of Artificial Neural
Networks
David, J. – Nováková, H.
Algorithmization of the Process of Production Scheduling at Steel
Plant
52
56
Časopis zařazen Radou vlády ČR pro
výzkum a vývoj do seznamu recenzovaných
neimpaktovaných
periodik
vydávaných
v ČR.
Hlavní články jsou evidovány v mezinárodní
databázi
METADEX
a
ILLUSTRATA
TECHNOLOGY, obě spravované firmou
ProQuest, USA.
Abstrakty hlavních článků jsou evidovány
v české, slovenské a anglické verzi na
webových stránkách Hutnických listů.
Dodavatelé příspěvků ve všeobecné informační části:
● Hutnictví ţeleza, a.s. ● LISS a.s. ● VŠB-TU Ostrava, kat. metalurgie FMMI ● Ing. Dr. Bohumil Tesařík ● Racio &
Racio ● Ing. Tomáš Kubina, Ph.D. ● Dopisovatelé ● Redakce
Inzerenti a objednatelé reklamy:
● LISS a.s., Roţnov
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
výroba oceli
Verifikace vlivu okrajových parametrů lití ocelových ingotů na velikost
objemových vad
Verification of the Effect of Boundary Conditions of Steel Ingot Casting on
the Size of their Volume Defects
Ing. Markéta Tkadlečková, Ph.D., Ing. Karel Gryc, Ph.D., prof. Ing. Karel Michalek, CSc., Ing. Petr Klus,
Ing. Ladislav Socha, Ph.D., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a
materiálového inženýrství, Ing. Pavel Machovčák, VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY, a.s., Ostrava, Ing.
Marek Kováč, MECAS ESI s.r.o., Plzeň
Předpokladem minimalizace obecně známých vad ocelových ingotů je znalost a optimalizace stávajících parametrů
odlévání, jako je licí rychlost, teplota odlévané taveniny, teplota předehřevu kokily či poměr H/D kokily. Zvláště v
náročných metalurgických podmínkách, kde lze velmi obtížně získat informaci o způsobu plnění kokily taveninou
oceli a makrostruktuře ztuhlého ingotu, je vhodné uplatnit metodu numerického modelování v některém z
dostupných simulačních softwarových produktů. V rámci řešení projektu Regionální materiálově technologické
výzkumné centrum (RMTVC) bylo rozšířeno laboratorní zázemí Katedry metalurgie a slévárenství a Katedry
fyzikální chemie a teorie technologických pochodů Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství (FMMI) Vysoké
školy báňské – Technické univerzity Ostrava o nové pracoviště „Laboratoř modelování procesů v tekuté a tuhé
fázi“. Součástí laboratorního vybavení je i nově pořízený komerční simulační software ProCAST určený především
pro 3D plně prostorový numerický výpočet a simulaci dynamiky proudění taveniny oceli v průběhu plnění kovové
formy (kokily) a následného tuhnutí oceli s predikcí makrosegregací a zbytkového pnutí vedoucího ke vzniku trhlin a
prasklin. Nezbytnou podmínkou získání relevantních výsledků numerického modelování lití a tuhnutí ocelových
ingotů je však korektní nastavení parametrů výpočtu od přípravy geometrie kokily/ingotu/licího systému, hustoty
výpočetní sítě až po zadávání hodnot koeficientů přestupů tepla, materiálových vlastností či definice rychlosti plnění
v zavilosti na čase. Příspěvek se zabývá testováním a optimalizací podmínek nastavení numerického modelu plnění a
tuhnutí ocelových ingotů v prostředí nově pořízeného komerčního simulačního software.
The knowledge of existing casting parameters, such as casting speed, casting temperature of steel or the H/D ingot
ratio, is the main precondition for minimization of the well-known defects of steel ingots. Especially in demanding
metallurgical conditions, it is appropriate to apply the method of numerical modelling using some of the available
simulation softwares. Within the project entitled the Regional Materials Science and Technology Centre, the
technical background of the Department of Metallurgy and Department of Physical Chemistry and Theory of
Technological Processes at the Faculty of Metallurgy and Materials Engineering (FMME) at the VSB - Technical
University of Ostrava was extended by the workplace "Laboratory of Modelling of Processes in the Liquid and Solid
Phases”. The laboratory is equipped with new commercial simulation software ProCAST intended for 3D numerical
simulation of molten steel flow during the filling of a metal mould and subsequent steel solidification with prediction
of macro-segregation and residual stress leading to cracks. The paper deals with testing and optimization of the
conditions of numerical model settings for simulation of 1.9-tons steel ingot casting and solidification in commercial
simulation software ProCAST. The first simulation results of casting and solidification of steel in the environment of
the newly purchased simulation software within the framework of the RMSTC project clearly demonstrated the
power of the numerical tool for design and optimization of processes occurring during casting and solidification of
steel. With the numerical calculation, it is possible to determine the distribution of temperature, pressure and
velocity fields in the casting system, to predict the size of central shrinkage, porosity, cavities etc. The temperature
fields suggest that during the solidification the enclosure of the thermal node in the central area of ingot body
3
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
occurs. It appears that in this critical area micro- and possibly macro-porosity will arise due to prevention of the
molten steel filling from the hot top of the ingot. Closing of the liquid core in the volume of the ingot body was
confirmed by displaying the solid fraction ratio. The actual attention in numerical modelling is focused on the
verification and optimization of production technology of heavy steel ingots produced in VÍTKOVICE HEAVY
MACHINERY a.s.
naopak měly shodnou licí rychlost, ale různé počáteční
teploty lití. Okrajové podmínky však nemusí
představovat jen konstantní veličiny, jako v našem
případě, ale mohou nabývat hodnot definovaných funkcí
či tabulkou atd.
Úvod
Odlévání oceli do ingotů umožňuje výrobu součástí
nadměrné velikosti do hmotnosti až několikaset tun.
Na strojní součásti využívané zejména v energetice jsou
kladeny zvýšené nároky na izotropii jejich vlastností, je
tedy nutné dosáhnout stejných mechanických vlastností
a stejné struktury ve všech třech směrech. Nicméně
i přes značný pokrok v oblasti technologie výroby
ocelových ingotů sledujeme u konečných výkovků
vady, které mohou být důsledkem nejednotné lité
makrostruktury ingotu a makrostruktury, která je
výsledkem plastické deformace při následném procesu
tváření.
Tab. 1 Přehled okrajových podmínek simulovaných variant.
Tab. 1 The list of the boundary conditions of simulated variants.
Varianta
V02
V04
V06
T1525
T1535
T1545
Lití a tuhnutí ocelových ingotů je obvykle doprovázeno
vznikem středových staženin, středové porozity, oblastí
makrosegregací a zbytkových pnutí, která mohou vést
ke vzniku trhlin a prasklin při dalším zpracování [1, 2].
Jednou z možností verifikace výrobního procesu
ocelových
ingotů
je
numerické
modelování
v profesionálních simulačních software.
Licí teplota [°C]
1545
Licí rychlost [m.s-1]
0,2
0,4
0,6
1525
1535
1545
0,4
2. Definice výpočtu modelu
Numerické řešení každé úlohy je obecně rozděleno do
tří etap[2]:
1. pre-processing – modelování geometrie a
generace výpočetní sítě,
definice výpočtu
2. processing
– vlastní výpočet,
3. post-processing – vyhodnocení výsledků.
Cílem autorů příspěvku bylo pomocí numerického
modelování v software ProCAST verifikovat velikost
objemových vad v závislosti na zvolených okrajových
podmínkách odlévání 1,9 tunového ocelového ingotu.
Poznatky a zkušenosti získané při modelovém studiu
budou využívány při verifikaci a optimalizaci výrobní
technologie těžkých kovářských ingotů vyráběných
ve VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s.
2.1 Geometrie a generace výpočetní sítě
Geometrie 1,9 tunového ingotu zobrazená na obr.1a
byla vytvořena v CAD software SolidWorks. Vlastní
výška ingotu bez hlavového nástavce činila 1450 mm,
střední průměr ingotu dosahoval 480 mm. CAD
geometrie ingotu byla poté načtena v modulu tvorby
výpočetní sítě simulačního software VisualMesh
a podrobena analýze topologie. Po kontrole načtených
těles byla vytvořena nejprve povrchová a poté objemová
síť konečných prvků. Objemová síť byla tvořena
463124 čtyřstěny. Hotová použitá síť je zobrazena na
obr.1b.
1. Přehled simulovaných variant
V případě plnění a tuhnutí ocelových ingotů patří mezi
nejvýznamnější a nejsnáze ovlivnitelné technologické
okrajové podmínky teplota odlévané taveniny a licí
rychlost. Naproti tomu podmínky přestupu tepla jsou
určeny tepelnými vlastnostmi definovaného materiálu.
Jakost odlévané oceli je obvykle určena požadavky
zákazníka a technologickými předpisy. Materiál licí
soustavy je většinou volen na základě zkušeností dané
ocelárny. Nelze je tedy libovolně měnit. Z tohoto
důvodu byla pozornost zaměřena především na
verifikaci rozsahu objemových vad ingotů v závislosti
na licí teplotě oceli a rychlosti lití. Celkem bylo
simulováno šest variant. Přehled okrajových podmínek
jednotlivých variant je uveden v tab.1. Simulace lití a
tuhnutí ingotu byla provedena pro ocel X40CrMoV5-1.
Nástroje modulu tvorby sítě umožňují její zhuštění
v libovolně zvoleném místě geometrie, opravu velikosti
a tvaru výpočetní buňky a další užitečné operace.
Rovnoměrné
rozložení
výpočetních
buněk
napříč objemem celého počítaného systému a jejich
zjemnění v proporcionálně k objemu malých
částech je předpokladem získání relevantních výsledků
výpočtu [2].
První tři varianty označené jako V02, V04 a V06 měly
shodnou počáteční teplotu lití 1545 °C a lišily se v
rychlosti lití. Druhé tři varianty T1525, T1535, T1545
4
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Výpočetní čas jedné varianty se pohyboval okolo
48 hodin při použití dvou výpočetních jader procesoru.
K času vlastního výpočtu je však třeba připočítat
i přípravu simulace a vlastní hodnocení dosažených
výsledků.
3. Dosažené výsledky
a)
Výsledky simulace lze rozdělit na výsledky z výpočtu
plnění a výsledky z výpočtu tuhnutí. Aby pro uživatele
bylo snazší získat zvlášť výsledky z fáze plnění a
tuhnutí, je žádoucí rozdělit i vlastní výpočet. To
znamená, že v prvním kroku provedeme pouze výpočet
plnění a v druhém kroku v záložce InicialCondition
načteme pomocí funkce Extract výsledky z kroku jedna.
b)
Na obr. 2 je již zachyceno rozložení teplot v těle ingotu
v okamžiku dolití. Rozsah teplotní stupnice byl zvolen
s ohledem na teplotu lití a teplotu solidu oceli 1366 °C.
Z obrázků je patrné, že nejvyšší teploty dosažené
po dolití odpovídají variantě s nejvyšší rychlostí
plnění 0,6 m.s-1. Naopak nejchladnější teplotní rozložení
bylo získáno pro variantu s teplotou plnění 1525 °C.
Obr. 1 a) 3D geometrie licí soustavy ingotu, b) výpočetní síť
konečných prvků
Fig. 1 a) 3D geometry of the casting system of ingot, b) the finite
element mesh
2.2 Parametry výpočtu
Hotová síť geometrie byla uložena ve formátu *.mesh
a následně načtena v modulu ProCASTu pro zadávání
výpočtu, tzv. PreCASTu. Zde bylo potřeba definovat:
 materiálové vlastnosti jednotlivých částí licí
soustavy,
 přestupy tepla na rozhraní prvků geometrie,
 okrajové podmínky, jako jsou licí teplota, rychlost
lití, podmínky odvodu tepla přes povrch kokily,
 operační podmínky (např. působení gravitace),
 počáteční podmínky výpočtu,
 parametry výpočtu - tzv. RUN PARAMETRS.
Koeficienty přenosu tepla se pohybovaly od 100 do
1000 W.m-2.K-1 v závislosti na použitých materiálech.
Při výpočtech bylo nutné zahrnout i vliv ztráty tepla
přes stěny kokily a přes horní část nástavce, a také
tepelný vliv exotermického prášku a izolace.
T1525
T1535
T1545
V02
V04
V06
Okrajové podmínky, jako licí rychlost a teplota, byly
definovány s ohledem na simulovanou variantu.
Při výpočtech byl zahrnut vliv gravitace a předehřátí
kokily na 60 °C.
RUN PARAMETRS definují mimo jiné podmínky
ukončení výpočtu, tzv. STOP kritéria [3]. Mezi stop
kritéria patří dosažení určité teploty v ingotu nebo
ukončení výpočtu v konkrétním čase po naplnění. Je zde
také specifikován počet kroků výpočtu, velikost
časového kroku a frekvence ukládání výsledků
teplotního pole či tepelného toku.
V RUN PARAMETRECH se také spouští jednotlivé
moduly, pokud je jimi software vybaven. V tom případě
lze volit z modulů pro výpočet působení přirozené
konvekce v průběhu tuhnutí, cyklování (zahrnuje
opakování plnění, tuhnutí a stripování s možností
sledovat namáhání kokily), napěťových stavů,
mikrostruktury či makrosegregace.
Obr. 2 Rozložení teplot v těle ingotu v okamžiku dolití
Fig. 2 The temperature fields in the ingot body immediately after
filling-up of the mould
5
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Kromě teplotních polí lze u výsledků z plnění porovnat
i množství natuhlé frakce, rychlostní pole, tepelný tok či
čas plnění. Taktéž při hodnocení výsledků tuhnutí lze
získat informace o průběhu změny teplot, tepelného
toku, poloze fronty tuhnutí či celkovém čase tuhnutí.
Navíc lze ve fázi post-processingu tuhnutí hodnotit
i velikost objemových vad jako jsou staženiny, porozita
či makrosegregace a podobně.
Pokles licí teploty nad teplotu likvidu měl tedy pozitivní
vliv na snížení velikosti objemových vad. V praxi je
však obvykle minimální teplota lití opět předurčena
technologickými předpisy tak, aby se minimalizovala
možná rizika poruch.
Na obr.3 je již zachycen vývoj tuhé frakce v kritickém
okamžiku, kdy dochází k uzavření tekuté frakce
ve středové oblasti těla ingotu. Lze usuzovat, že v této
kritické oblasti bude docházet ke vzniku mikro- a
makro-porozity v důsledku zamezení doplňování tekuté
oceli z nástavce ingotu. Pro jednotlivé varianty nastal
okamžik uzavření tekutého jádra v různém čase po
naplnění. Zde se jako nedostačující ukázalo nastavení
velikosti kroků ukládání výsledků v RUN
PARAMETRECH (rozdíly mezi jednotlivými hladinami
byly velké), a tak nebylo možné při vzájemném
porovnání určit zcela jednoznačně čas odtržení.
Z obrázků je však možno předpokládat, že nejdelší dobu
doplňování by měly vykazovat varianty T1525 a T1535,
a tedy nakonec i nejmenší objem porozity.
T1525
T1535
T1545
V02
V04
V06
Obr. 4 Zobrazení mikro- a makro-porozity v těle ingotu a pokles
hladiny v nástavci
Fig. 4 The micro- and macro-porosity in the ingot body and the
shrinkage porosity in the hot top
T1525
T1535
T1545
4. Závěr
Numerické simulace plnění a tuhnutí ocelového ingotu
v SW ProCAST prokázaly, že:
 lze relativně snadno měnit okrajové podmínky,
 snížení licí teploty vedlo k zmenšení středové
porozity,
 pro vypovídající zobrazování výsledků je důležitý
způsob nastavení ukládání výsledků v RUN
PARAMETRECH.
V02
V04
Poznatky a zkušenosti získané v průběhu tohoto
modelového studia jsou využívány při verifikaci
a optimalizaci odlévání těžkých kovářských ingotů ve
VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s. (VHM).
V06
Obr. 3 Zobrazení uzavření tekuté frakce v těle ingotu
Fig. 3 The view on the closing of the liquid core in the volume of
the ingot body
Hlavním cílem spolupráce mezi VHM a katedrou
metalurgie a slévárenství je především minimalizace
makrosegregací v ingotech. Experimentální a modelové
studium je prováděno na 90 tunovém ingotu. Geometrie
licí sestavy 90 tunového ingotu vytvořená v CAD
systému SolidWorks ve spolupráci s firmou MECAS
Velikost mikro- a makro- porozity je pak zachycena na
obr. 4. Je zřejmé, že nejmenší oblasti mikro a makro
porozity bylo skutečně dosaženo u varianty T1535.
6
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Literatura
ESI s.r.o. je zobrazena na obr.5a. Na obr.5b je
zachycena skutečná licí sestava ingotu použitá pro
vlastní účely provozního experimentu. Podmínky
výpočtu v SW ProCAST byly definovány na základě
reálných podmínek paralelně experimentálně odlitého
90 tunového ingotu a technologického předpisu.
Koeficienty přestupu tepla byly upraveny dle výsledků
termovizního měření povrchu kokily během odlévání.
V této chvíli probíhá ladění nastavení parametrů
výpočtu a verifikace termodynamických vlastností
materiálů pomocí metody termické analýzy, které
rovněž rozhodují o kvalitě výsledků výpočtu
makrosegregace [4, 5, 6, 7, 8].
[1] TKADLEČKOVÁ, M.; MICHALEK, K.; KLUS, P.; GRYC, K.;
SIKORA, V. Využití numerického modelování při řešení
problematiky lití a krystalizace ocelových ingotů. In Teorie a
praxe výroby a zpracování oceli. Rožnov pod Radhoštěm, 6.- 7.
dubna 2011, TANGER s.r.o. Ostrava, s. 77-82. ISBN 978-8087294-21-5.
[2] TKADLEČKOVÁ, M.; MICHALEK, K.; KLUS, P.; GRYC, K.;
SIKORA, V. Testing of numerical model setting for simulation of
steel ingot casting and solidification. In 20th Anniversary
International Conference of Metallurgy and Materials METAL
2011. May 18ths.r.o. Ostrava. pp.6. ISBN 978-80-87294-24-6.
[3] ProCAST 2009, Release Notes & Installation Guide. 2009 ESI
Group.
[4] TKADLEČKOVÁ, M., GRYC, K., MICHALEK, K., KLUS, P.,
SOCHA,
L.,
MACHOVČÁK,
P.,
KOVÁČ,
M.
Verifikacevlivuokrajovýchparametrůlitíocelovýchingotůnavelikos
tobjemovýchvad. In XXI. International Scientific Conference Iron
and Steelmaking. 19. - 21. října 2011, Horní Bečva, Beskydy,
Česká republika. s.5. ISBN 978-80-248-2484-0
[5] TKADLECKOVA, M., GRYC, K., KLUS, P., MACHOVCAK,
P., MICHALEK, K., SOCHA, L., KOVAC, M. Setting of
Numerical Simulation of Filling and Solidification of Heavy Steel
Ingot based on Real Casting Conditions. In 19th Conference on
Material and Technology. 22th-23th November 2011, Portorož,
Slovenia. pp.4. ISBN 978-961-92518-4-3
[6] Tkadleckova, M., Machovcak, P., Gryc, K., Klus, P., Michalek,
K., Socha, L., Kovac, M. Setting of Numerical Simulation of
Filling and Solidification of Heavy Steel Ingot based on Real
Casting Conditions. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE, 2012,
vol.46, No.3, Slovinsko. pp.7-10. ISSN 1580-2949 (in print)
a)
b)
[7] TKADLEČKOVÁ, M., GRYC, K., MICHALEK, K., FARUZEL,
P., KLUS, P., SOCHA, L., MACHOVČÁK, P.: Verifikace
termodynamických parametrů numerického modelu plnění a
tuhnutí těžkého ocelového ingotu. In 28. Conference o teorii a
praxi výroby a zpracování oceli “Oceláři”. 4.-5.dubna 2012,
Rožnov p. Radhoštěm, Česká republika. (in print)
a) Licí sestava 90 tunového ingotu vytvořená v CAD systému
SolidWorks b) Pohled na skutečnou licí sestavu ingotu před
vlastním experimentálním odléváním ve VÍTKOVICE
HEAVY MACHINERY a.s.
Fig. 5 a) The casting system of 90-ton ingot made in
CADSolidWorks b) The view on the real
casting system in VÍTKOVICE HEAVY MACHINERYa.s.
Obr. 5
[8] TKADLEČKOVÁ, M., GRYC, K, SOCHA, L., MICHALEK, K.,
KLUS, P., MACHOVČÁK, P.: Comparison of numerical results
with thermography measurement. In 21th International
Conference of Metallurgy and Materials METAL 2012. May
23rd-25th 2012, Brno, Czech Republic, EU. ©TANGER s.r.o.
Ostrava. (in print)
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu č.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 (ED0040/01/01) "Regionální
materiálově technologické výzkumné centrum", v
rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro
inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU
a ze státního rozpočtu ČR.A za finanční podpory
programového projektu TIP č: FR-TI3/243
Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky.
Recenze: Ing. Jaroslav Březina
Ing. Miroslav Krayzel, Ph.D.
____________________________________________________________________________________________________________________
7
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Vliv briketovaných ztekucovadel na odsíření oceli při mimopecním
zpracování
Influence of Briquetting Fluxing Agents on Desulphurization of Steel during
Secondary Metallurgy Treatment
Ing. Ladislav Socha, Ph.D., prof. Ing. Jiří Bažan, CSc., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava,
Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Ing. Pavel Machovčák, Ing. Aleš Opler, VÍTKOVICE HEAVY
MACHINERY a.s., Ing. Petr Styrnal, JAP TRADING, s.r.o., Třinec, Ing. Jan Melecký, CSc., Bílovec
V práci jsou uvedeny provozní výsledky vlivu briketovaných a sintrovaných ztekucovadel strusek na bázi Al2O3.
Vlastní provozní tavby byly provedeny při mimopecním zpracování oceli v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE
HEAVY MACHINERY a.s. (VHM a.s.). Cílem taveb bylo posouzení vlivu použití dvou typů ztekucovadel na průběh
odsiřování při mimopecním zpracování oceli. Byly sledovány základní parametry ovlivňující a charakterizující
odsíření oceli: stupeň odsíření, bazicita, obsah lehce redukovatelných oxidů, poměr CaO/Al2O3 a Mannesmanův index.
Získané výsledky umožňují provést základní porovnání odsíření oceli při aplikaci briketovaných nebo standardně
používaných ztekucovadel v provozních podmínkách. Na základě dosažených výsledků bylo prokázáno, že
ztekucovadlo představující briketovanou směs druhotných korundových surovin může plnohodnotně nahradit
ztekucovadlo tvořené sintrovanou směsí přírodních surovin.
Results of the influence of the briquetted and sintered fluxing agents for slags based on Al2O3 obtained at industrial
plant are shown in this paper. Heats were processed by the secondary metallurgy in the conditions of steelwork
VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s. (VHM a.s.). Objective of the heats consisted in assessment of the influence
of utilization of two types of fluxing agents on the course of desulphurization during secondary metallurgy
treatment. Basic parameters influencing and describing the steel desulphurization were observed: degree of
desulphurization, basicity, content of easily reducible oxides, CaO/Al 2O3 ratio, and Mannesmann’s index. Obtained
results allow a basic comparison of steel desulphurization by use of standardly used fluxing agents in the plant
conditions. It was identified from the achieved results of plant experiments that particular desulphurization degrees
ETA S LP, ETA S LF - VD and the total degree of desulphurization ETA S total are practically identical for both
fluxing agents A and B. From the achieved values of basicity it is possible to include the slag mixtures into the
group of high to medium basic slags. The next growth of basicity takes place after the second addition of slagforming additions, which help to achieve a deep desulphurization of steel. According to the content of easily
reducible oxides, minimal penetrations of furnace slag into the ladle were identified. Positive influence of the
mentioned oxides by aluminium additions into the ladle furnace (LF) was confirmed as well. It became evident by
the reduction of content of the monitored oxides. It was identified from the calcium-aluminium ratio that the lower
limit of the optimal C/A ratio was achieved by the first dose of making slag-forming additions. By addition of the
second dose (lime and aluminium) this value was further increased by approx. 20 %. It follows from the values of
Mannesmann’s index that slag mixtures of both fluxing agents vary within the optimal interval from 0.15 to 0.30.
The fluxing agent B presenting briquetting mixture of secondary corundum raw materials can adequately replace
the fluxing agent A formed by sintered mixture of natural raw materials.
1. Úvod
(představující např. struskotvorné přísady, feroslitiny,
nauhličovadla, dezoxidační přísady, přeteklou pecní
strusku atd.) za vzniku směsi oxidů, která vykazuje
obecně nižší teploty tavení než čisté oxidy, až je
dosaženo částečného nebo úplného roztavení strusky.
Po roztavení jednotlivých složek strusky dochází
k úpravě pomocí struskotvorných přísad s cílem
dosažení optimálního chemického složení strusky.
Při mimopecním zpracování oceli hraje důležitou úlohu
struska, která má mimo jiné výrazný vliv na odsíření
oceli. Strusky v licí pánvi jsou tvořeny struskotvornými
přísadami představující vápno a ztekucujícími přísadami
(CaF2 nebo syntetické strusky), dále to jsou produkty
dezoxidace oceli, koroze (opotřebení) vyzdívky licí
pánve a také určité množství proteklé pecní strusky.
Tyto složky mají mj. rozdílné teploty tavení, přičemž
mnohé z nich mají teploty tavení přesahující pracovní
teploty oceli.
Jednou z možností, jak lze ovlivnit vlastnosti strusek při
mimopecním odsíření, představuje použití ztekucujících
přísad, jejichž úkolem je snížit bod tavení a tedy
i viskozitu bazických ocelářských strusek za účelem
zvýšení reaktivity strusky. Tímto způsobem se zvýší
účinnost odsíření a dojde k urychlení fyzikálně
Při mimopecním zpracování dochází k postupnému
promíchávání a rozpouštění jednotlivých složek
8
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
chemických dějů probíhajících na rozhraní struska kov.
V současnosti jsou běžně používány ztekucující přísady
na bázi Al2O3. Vyráběny jsou z přírodních oxidů nebo
různých druhotných surovin, a to buď přetavováním,
sintrováním, peletizováním, briketováním nebo pouhým
smícháním jednotlivých složek [1].
2.
s ocelí a vytvořenou struskou převezena na pánvovou pec
(LF), kde došlo k cílené úpravě strusky přídavkem druhé
části struskotvorných přísad představující vápno,
testované ztekucovadlo, materiál na ochranu struskové
čáry (uvedený materiál obsahuje cca 45 % MgO), hliník
v různých formách (drcený a granulovaný) určený pro
snížení obsahu lehce redukovatelných oxidů a úpravu
strusky. Následně po zpracování oceli na pánvové peci
byla licí pánev převezena na vakuovací stanici (stanice
VD). Na závěr je výrobní proces ukončen odléváním
oceli ingotovou cestou [2].
Charakteristika provozních taveb
v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE
HEAVY MACHINERY a.s.
Provozní experimenty s odlišnými ztekucovadly strusek
byly realizovány v podmínkách ocelárny VHM a.s.
Výrobní proces probíhal tak, že po zpracování tavby
v elektrické obloukové peci (EOP) byl proveden odpich
do licí pánve (LP). Zde byla připravena hlavní část
struskotvorných přísad obsahující směs vápna
a testovaného ztekucovadla. Po odpichu byla licí pánev
Vlastní provozní experimenty byly realizovány při
výrobě oceli o označení 42CrMo4, která je
charakterizována jako nízko legovaná ušlechtilá chrom molybdenová ocel určená k zušlechťování. Její základní
chemické složení je uvedeno v tab. 1.
Tab. 1 Výrobní chemické složení oceli 42CrMo4
Tab. 1 Chemical composition of produced steel 42CrMo4
Jakost
Rozsah
42CrMo4
Min.
Max.
C
0,40
0,44
Mn
0,60
0,70
Základní chemické složení (hm. %)
Si
P
S
Cr
0,20
×××
×××
0,90
0,30
0,012
0,005
1,10
Celkem bylo v provozních podmínkách provedeno cca
155 taveb s oběma typy ztekucovadel. V průběhu
mimopecního zpracování byly odebírány vzorky oceli
a strusky, a to na následujících technologických
místech: v licí pánvi po odpichu z EOP (vzorek LP), na
začátku zpracování na pánvové peci (vzorek LF) a na
konci zpracování na vakuovacím zařízení (vzorek VD).
V případě oceli byla provedena analýza především
z hlediska obsahu síry a u vzorků strusek byla
provedena analýza zaměřená na obsah síry a základní
typy oxidů.
Mo
0,15
0,25
Al
0,015
0,030
vedlejší produkty z výroby elektrotaveného korundu
(jako je např. prach a kal) v kombinaci s dolomitickým
vápencem a různými typy pojiv (vodní sklo nebo
organické pojivo). Hlavní složku tvoří Al2O3
a CaCO3, které slouží jako zdroj CaO. Tento typ je
vyráběn briketací a standardně je dodáván ve formě
briket o rozměrech 60 × 50 × 30 mm.
Fotografie ztekucovadel pro provozní experimenty jsou
uvedeny na obr. 1 a v tab. 2 je uvedeno základní
chemické složení.
3. Parametry ztekucovadel použitých
při mimopecním zpracování oceli
Pro hodnocení odsíření oceli při mimopecním
zpracování byly v rámci provozních experimentů
vybrány dva odlišné typy ztekucovadel na bázi
Al2O3. Tato ztekucovadla se mezi sebou lišila
základními surovinami, použitou technologií výroby,
chemickým složením a granulometrií:
Ztekucovadlo A
Ztekucovadlo B
Obr. 1 Ukázka dvou vybraných ztekucovadel
Fig. 1 Sample of two chosen fluxing agents
o
ztekucovadlo A - je standardní ztekucovadlo
používané v provozních podmínkách VHM a.s. Je
vyráběno z přírodních surovin jako je bauxit, vápenec
nebo dolomit, přičemž hlavní složku představuje Al2O3.
Vlastní výroba je realizována v rotační peci, kde
dochází k sintrování a výsledkem je porézní
granulované ztekucovadlo o zrnitosti 5 až 15 mm,
V průběhu provozních experimentů byly struskotvorné
přísady přidávány ve dvou stejně velkých dávkách,
které se však lišily podílem jednotlivých složek. Hlavní
část testovaných ztekucovadel byla přidána při odpichu
s vápnem v rozdílných poměrech.
o
ztekucovadlo B - představuje ztekucovadlo
vyvinuté firmou JAP TRADING, s.r.o. Je vyráběno
z druhotných korundových surovin, které představují
9
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Tab. 2 Chemické složení použitých ztekucovadel
Tab. 2 Chemical composition of used fluxing agents
Ztekucovadlo
Rozsah
A
B
Základní chemické složení (hm. %)
CaO
Al2O3
SiO2
Fe2O3
TiO2
MgO
Na2O
Min.
33,0
51,0
×××
×××
×××
×××
×××
Max.
35,0
55,0
7,0
2,5
3,0
2,0
×××
Min.
10,0
60,0
3,0
×××
×××
5,0
1,0
Max.
12,0
70,0
4,0
×××
×××
7,0
2,0
Poznámka: ztekucovadlo - A:
ztekucovadlo - B:
standardně používané v podniku VHM a.s.,
vyvíjené firmou JAP TRADING, s.r.o.
na pánvovou pec LF, při mimopecním zpracování (LF
až VD) 81 % a celkový dosažený stupeň odsíření byl
87 %. Porovnáním stupně odsíření ETA S LP lze
konstatovat, že v případě obou typů ztekucovadel došlo
k obdobně nízkému stupni odsíření, což lze vysvětlit
postupným rozpouštěním jednotlivých struskotvorných
přísad (tvořenými především vápnem a ztekucovadlem)
v krátkém časovém intervalu (trvajícím několik minut).
V případě ztekucovadla A byl poměr ztekucovadla
k vápnu 1:1,2 a v případě ztekucovadla B byl poměr
1:1,9. Tyto rozdílné poměry vycházejí z jejich
chemického složení. Ve druhé dávce byla v průběhu
rafinace oceli na pánvové peci LF použita ztekucovadla
minimálně, přičemž došlo k použití především vápna
pro úpravu chemického složení a dále materiálu na
ochranu struskové čáry pro snížení opotřebení vyzdívky
licí pánve (v množství cca 40 kg.tavbu-1). Poslední
přidávaný materiál představuje hliník v různých
formách určený k úpravě chemického složení strusky
(v množství cca 40 kg,tavbu-1).
4.
Hodnocení a diskuze dosažených
výsledků
Hodnocení testovaných ztekucovadel struskových směsí
bylo zaměřeno na schopnosti odsíření oceli. Nejprve byl
vliv testovaných ztekucovadel porovnán pomocí
dosaženého stupně odsíření ηs (ETA S), který je
charakterizován následujícím vztahem:
S 
S   S .
S 
poč .
kon.
100
Obr. 2 Dosažené stupně odsíření
Fig. 2 Achieved degrees of desulphurization
(1)
V následující technologické operaci ETA S LF - VD
(zpracování na LF až VD) dochází k několika násobnému
růstu stupně odsíření. I v případě této operace jsou stupně
odsíření srovnatelné pro obě testovaná ztekucovadla.
Výrazný růst stupně odsíření lze vysvětlit úplným
rozpuštěním struskotvorných přísad a úpravou chemického
složení strusky pomocí druhé dávky struskotvorných přísad
(vápno, ztekucovadlo, materiál ochrany vyzdívky, Al
k redukci a úpravě složení strusky). Vzniklou struskovou
směs u obou ztekucovadel lze charakterizovat jako tekutou
strusku, která se výrazným způsobem podílí na reakcích
mezi struskou a kovem.
poč .
Vlastní hodnocení bylo provedeno pro následující
technologické operace:
o Eta S LP - stupeň odsíření od odpichu do licí pánve
LP až po převoz na pánvovou pec LF,
o Eta S LF-VD - stupeň
odsíření
od
počátku
zpracování na pánvové peci LF až po konec zpracování
na vakuovací stanici VD,
o
Eta S celk. - celkový stupeň odsíření od odpichu
do LP až po konec zpracování na stanici VD.
Porovnáním výsledných stupňů odsíření ETA S celk. je
patrné, že vliv obou ztekucovadel A a B na odsíření
oceli při mimopecním zpracování je prakticky shodný
(90 % a 87 %), i když každý typ ztekucovadla je
vyráběn z rozdílných surovin a odlišnou technologií
zpracování.
Výsledky stupně odsíření jsou uvedeny na obr. 2
a představují hodnoty jednotlivých technologických
operací, které byly zpracovány metodou box plot
a doplněny o průměrné hodnoty. Z obr. 2 je patrné, že
v případě ztekucovadla A bylo dosaženo stupně odsíření
při odpichu a během převozu na pánvovou pec LF 23
%, při mimopecním zpracování (LF až VD) 87 %
a celkový stupeň odsíření dosáhl hodnoty 90 %.
V případě vyvíjeného ztekucovadla B byl v licí pánvi
dosažen stupeň odsíření 29 %, od odpichu až po převoz
Vliv testovaných ztekucovadel na odsiřovací schopnosti
strusek při mimopecním zpracování oceli byl dále
hodnocen analýzou vlivu vybraných parametrů strusky
na stupeň odsíření. Mezi sledované parametry patří:
10
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
bazicita, obsah lehce redukovatelných oxidů, poměr
CaO/Al2O3 a Mannesmanův index. Tyto parametry byly
stanoveny pomocí následujících vztahů [3]:
CaO 
SiO2 
CaO  MgO
B2 
SiO2    Al2 O3 
B1 
LRO  FeO  Fe2 O3   MnO 
Cr2 O3   V2 O5   P2 O5 
CaO 
 Al2 O3 
CaO SiO2 

 Al2 O3 
C/A
MM
Další sledovaný parametr představuje obsah lehce
redukovatelných oxidů. V tomto případě je z obr. 5a
patrný výskyt v obsazích 1,92 a 0,83 hm. % v případě
obou typů ztekucovadel A i B. Lze předpokládat, že
určité množství uvedených oxidů vzniká částečnou
dezoxidací a legováním oceli, přičemž vyšší obsahy
(FeO) nad 3 hm. % naznačují, že došlo k přetoku pecní
strusky do licí pánve. Tyto výjimečné případy byly
zjištěny u obou struskových směsí, jak je vidět na obr. 5a.
Z obr. 5b je však patrný pokles obsahu lehce
redukovatelných oxidů, což lze vysvětlit jejich redukcí
hliníkem přidávaným na pánvové peci LF na počátku
zpracování. V tomto případě redukce uvedených oxidů na
obsahy 0,99 a 0,60 hm. % umožnila dosáhnout vysokého
stupně odsíření (87 % a 81 %) a podpořila hluboké
odsíření oceli při použití obou ztekucovadel A i B.
(2)
(3)
(4)
(5)
Předposlední sledovaný parametr představuje vápenatohlinitanový podíl C/A. Optimální hodnota tohoto
parametru by měla být vyšší než 2,0, protože v rafinační
strusce jsou požadovány vyšší obsahy Al2O3 , a to > 25
hm. %. Z obr. 6a je patrné, že obě struskové směsi
dosahují při odpichu a během převozu na pánvovou pec
LF obdobných hodnot 2,02 a 2,08, což představuje
spodní hranici optimálního podílu (C/A), který byl
vytvořen první dávkou struskotvorných přísad, přičemž
jednotlivé složky nemusí být ještě zcela rozpuštěny. Na
obr. 6b je však zřejmé, že na konci mimopecního
zpracování tyto hodnoty stoupají na 2,54 a 2,26. Tento
nárůst je způsoben druhou dávkou struskotvorných
přísad a rozpuštěním jednotlivých složek strusky na
pánvové peci LF. Z tohoto vývoje je zřejmé, že
v průběhu mimopecního zpracování oceli (na stanici LF
až VD) došlo k cílené úpravě chemického složení
strusek pro dosažení optimálního podílu CaO/Al2O3
(C/A) podporujícího rafinační a odsiřovací schopnosti
struskových směsí.
(6)
Na obr. 3 až obr. 7 jsou uvedeny sledované parametry
strusek, které výrazným způsobem ovlivňují odsiřovací
schopnosti jako: bazicita, obsah lehce redukovatelných
oxidů, poměr CaO/Al2O3 (C/A) a Mannesmanův index.
Bazicitu struskových směsí představuje obr. 3a, přičemž
struskové směsi lze označit za silně zásadité o bazicitě
5,51 a 7,25. V případě široké bazicity B2 obr. 4a lze
hovořit o středně zásaditých struskách o bazicitě 1,63
a 1,8. Z obr. 3a a obr.4a je také patrné, že dochází
k postupnému poklesu stupně odsíření při růstu bazicity.
Tento trend lze vysvětlit vlivem vyšších obsahů CaO ve
strusce, což vede k jejímu zahuštění, snížení rafinační
schopnosti a dosažení nižších stupňů odsíření. Z obr. 3b
a obr.4b je také zřejmé, že zpracováním na pánvové
peci LF došlo k úplnému rozpuštění struskových směsí
spolu s úpravou chemického složení, což se projevilo
nárůstem bazicity B1 na 8,28 a 9,16 a B2 na 2,08 a 1,93
a napomohlo k hlubokému odsíření oceli. Tento trend je
patrný
i z dosaženého
stupně
odsíření
obou
ztekucovadel A a B na obr. 2.
Posledním sledovaným parametrem je Mannesmanův
index (tzv. sulfidický faktor), přičemž optimální
hodnota uvedeného parametru by se měla pohybovat
v rozmezí 0,15 až 0,30.
a) Příjezd LF
b) Konec zpracování VD
Obr. 3 Závislost stupně odsíření na úzké bazicitě - B1
Fig. 3 Dependence of desulphurization degree on narrow basicity - B1
11
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
a) Příjezd LF
b) Konec zpracování VD
Obr. 4 Závislost stupně odsíření na široké bazicitě – B2
Fig. 4 Dependence of desulphurization degree on wide basicity – B2
a) Příjezd LF
b) Konec zpracování VD
Obr. 5 Závislost stupně odsíření na obsahu lehce redukovatelných oxidů - LRO
Fig. 5 Dependence of desulphurization degree on content of easily reducible oxides – ERO
b) Konec zpracování VD
a) Příjezd LF
Obr. 6 Závislost stupně odsíření na vápenato-hlinitanovém podílu – C/A
Fig. 6 Dependence of desulphurization degree on calcium-aluminium ratio – C/A
b) Konec zpracování VD
a) Příjezd LF
Obr. 7 Závislost stupně odsíření na Mannesmanově indexu – MM (sulfidický faktor)
Fig. 7 Dependence of desulphurization degree on Mannesman´s index – MM (sulphide factor)
12
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Z obr. 7a vyplývá, že částečným rozpuštěním první
dávky struskotvorných přísad v licí pánvi dosahují obě
struskové směsi hodnot 0,18 a 0,27, tedy optimálního
rozmezí. Z obr. 7b je však zřejmé, že přídavek dalších
struskotvorných přísad na počátku zpracování na
pánvové peci LF se projevil nárůstem hodnot na 0,34
a 0,35, což představuje optimální horní hranici
uvedeného parametru. I při sledování tohoto parametru
(obr. 7a a obr. 7b) se projevil pokles stupně odsíření
s rostoucím Mannesmanovým indexem, což souvisí se
zvýšeným zahuštěním rafinační strusky.
o na základě výsledků obsahu lehce redukovatelných
oxidů byly zjištěny minimální průniky pecní strusky do
licí pánve. Dále byl potvrzen pozitivní vliv redukce
uvedených oxidů přídavky hliníku na pánvové peci LF,
což se projevilo poklesem obsahů sledovaných oxidů,
o dle výsledků vápenato-hlinitanového podílu bylo
zjištěno, že první dávkou struskotvorných přísad (vápno
a ztekucovadlo) byla dosažena hodnota 0,20, kterou lze
již považovat za spodní hranici optimálního pásma
podílu C/A. Přidáním druhé dávky (vápno a hliník) byla
hodnota dále zvýšena o cca 20 %,
Z dosažených provozních výsledků lze konstatovat, že
vyvíjené ztekucovadlo firmy JAP TRADING, s.r.o. je
srovnatelné se standardně používaným ztekucovadlem A,
a to na základě výsledků odsíření oceli, hodnot stupně
odsíření a dalších sledovaných parametrů. Lze tedy
konstatovat,
že
ztekucovadlo
B
představující
briketovanou směs druhotných korundových surovin
může plnohodnotně nahradit ztekucovadlo A tvořené
sintrovanou směsí přírodních surovin.
o z dosažených hodnot Mannesmanova indexu
vyplývá, že strukové směsi obou ztekucovadel se
pohybují v optimálním rozmezí 0,15 až 0,30, přičemž
druhou dávkou struskotvorných přísad je dosažena horní
hranice 0,35,
o ztekucovadlo B představující briketovanou směs
druhotných korundových surovin může plnohodnotně
nahradit ztekucovadlo A tvořené sintrovanou směsí
přírodních surovin,
5. Závěr
o v další fázi výzkumu briketovaných ztekucovadel
bude pozornost zaměřena na potvrzení těchto
provozních výsledků při výrobě odlišných značek ocelí,
změnou provozních podmínek nebo dávkování
struskotvorných přísad.
V provozních podmínkách ocelárny VHM a.s. byla
provedena série experimentálních taveb s použitím dvou
typů ztekucovadel ocelářských strusek s cílem posoudit
účinnost odsíření oceli při mimopecním zpracování
oceli. Na základě dosažených výsledků provozních
experimentů lze definovat následující poznatky:
Poděkování
Práce vznikla v rámci řešení programu MPO-TIP
projektů reg. číslo FR-TI2/319, FR-TI1/222 a projektu
EUREKA OE 08009.
o
při technologické operaci LP byl zjištěn nízký
stupeň odsíření ETA S LP, a to 23 % (ztekucovadlo A)
a 29 % (ztekucovadlo B). Při následující operaci na
stanici LF až VD byl zjištěn několika násobný nárůst
stupně odsíření ETA S LF - VD vůči odsíření během
odpichu do licí pánve, a to 87 % a 81 %,
Literatura
[1] CHATTERJEE, A., GHOST, A. Ironmaking and Steelmaking:
Theory and Practice. PHI Learning Private limited, 2008, 472 p.
ISBN 978-81-203-3289-8
o celkový stupeň odsíření ETA S celk. pro obě
ztekucovadla dosahoval hodnot 90 % a 87 %,
[2] Firemní stránky VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s.,
poslední
revize
20. 9. 2011.
Dostupný
z
WWW:
<http://www.vitkovicemachinery.com/>
o na základě dosažených hodnot bazicit lze vytvořené
struskové směsi zařadit do skupiny silně až středně
bazických strusek, přičemž druhým přídavkem
struskotvorných přísad dochází k dalšímu růstu bazicity,
což napomáhá k dosažení hlubokého odsíření oceli,
[3] BUĽKO, B., KIJAC, J., DOMOVEC, M. Optimalization Slag
Composition in Ladle Furnace Considering to Effective Steel
Desulfurization. Acta Metallurgica Slovaca, 2009, vol. 15, No. 2, p.
93 – 99. ISSN 1335-1532
Recenze: prof. Ing. Jozef Kijac, CSc.
Ing. Ludvík Martínek, Ph.D.
13
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Návrh a ověření výroby a vlastností austeniticko – feritické duplexní oceli
s přísadou W a Cu
Proposal and Verification of Production and Properties of Austenitic-feritic
Duplex Stainless Steel with W and Cu Additions
Ing. Vladislav Kurka, Ph.D., MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava, Pavel
Machovčák, VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s., Ostrava, prof. Ing. Vlastimil Vodárek, CSc., prof. Ing.
Karel Michalek, CSc., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového
inženýrství
Příspěvek se zabývá problematikou ocelí s dvoufázovou, austeniticko-feritickou strukturou, kde jejich hodnota
odolnosti vůči důlkové korozi (tzv. PREN) je vyšší než 40 a řadí je mezi tzv. superduplexní oceli. Tyto oceli mají
v porovnání s austenitickými ocelemi vyšší odolnost proti korozi. Superduplexní oceli mají velmi vysoký obsah
dusíku, který výrazně ovlivňuje strukturní, korozní a mechanické vlastnosti. Dle navrhnuté technologie výroby byl
v poloprovozních podmínkách společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. (MMV) vyroben
ingot V2A (1700 kg) jakosti UNS S32760, jež byl následně překován na kovárně společnosti VÍTKOVICE HEAVY
MACHINERY a.s. (VHM) do podoby dvou kulatin Ø200 mm a Ø300 mm, tepelně zpracován rozpouštěcím žíháním a
bylo zahájeno hodnocení odebraných vzorků. Provedené práce navazují na předchozí, které se zabývaly ověřením
výroby a vlastností jiné značky superduplexní oceli. Ve výrobě byly prověřovány zejména možnosti nadusičení oceli
na velmi vysoké obsahy, rozmezí možných kovacích teplot a vedení tepelného zpracování tak, abychom se vyhnuli
precipitaci nežádoucích fází. Hlavním cílem těchto zkoušek je ověření a následně zavedení výroby superduplexních
ocelí na ocelárně VHM.
This article deals with duplex steels with austenitic-ferritic structure, in which the value of PREN (Pitting
Resistance Equivalent Number) is higher than 40. These types of steel belong to super duplex stainless steels.
Corrosion resistance of these steel types is higher than corrosion resistance of austenitic stainless steels. Content of
nitrogen in super duplex steels is very high. This high content, in some cases more than 2000 ppm, significantly
affects the structural, corrosion and mechanical properties. Research project, focused on development of
production technology of these super duplex steel grades, started in autumn 2009. Participants in this project are:
VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s. (VHM), Materials and Metallurgical Research llc (MMV) and Technical
University of Mining and Metallurgy in Ostrava (VSB). Steel ingot from super duplex steel grade UNS S32760 was
produced and cast in the unit “Vacuum and over-pressure induction melting furnace” in MMV. The weight of this
ingot, marked as V2A, was approximately 1700 kg. This ingot was forged into round bars with diameters of 200 mm
and 300 mm. Forging was carried out in VHM. Heat treatment and solution annealing followed after the forging.
Possibilities to achieve a very high nitrogen content were tested during production. In addition, attention was paid
to the forging temperature range and heat treatment parameters in order to avoid precipitation of undesirable
minor phases. Round bars were cut and extensive investigations of material properties started. Material testing was
done according to requirements of potential customers. The following analyses were performed: macro- and microstructure investigations, cleanliness evaluation, analysis of minor phases, corrosion resistance and mechanical
properties evaluation. It was proved that heat treatment significantly affects the final properties of products made of
super duplex steel. The main aim of these tests was to verify and then to implement production of super duplex
stainless steel grades at the steel plant VHM.
především o tzv. superduplexní oceli (dále jen SDSS),
jež jsou tvořeny austenitickou a feritickou fází v poměru
50:50, popř. 60:40, a mají odolnost proti důlkové korozi
vyjádřenou hodnotou PREN vyšší než 40, blíže dělení
viz [1].
1. Úvod
Antikorozní oceli mají u svých zákazníků stále vyšší
oblibu nejenom díky svým užitným vlastnostem zejména pak korozivzdornosti, ale také díky možnému
designu - hlavně obrobitelnosti do lesklého či matného
povrchu. Poptávky po antikorozních ocelích,
odolávajících chloridům a oxidickému prostředí, vedly
k tomu, že společnost VÍTKOVICE HEAVY
MACHINERY a.s. (dále jen VHM), ve spolupráci
s firmou MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o. (dále jen MMV), začala pracovat na
vývoji technologie výroby těchto materiálů. Jedná se
Tato práce je pro jakost UNS S32760 úvodní, zabývá se
její výrobou, tvářením a započatým hodnocením
výkovků.
Metodicky
navazuje
na
předchozí
publikované výsledky [1] a [2] jež popisovaly vývoj,
technologii výroby a provedené korozní a mechanické
hodnocení jakosti 1.4477.
14
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
HAMMERING
(VHR)
náležící
do
skupiny
VÍTKOVICE
MACHINERY
GROUP
[4].
Rychlokovací stroj ve VHR umožňuje kování rozměrů v
průřezu 80-550mm a délky až 18m [4]. Z tohoto
pohledu je i odlitý ingot typu V2A vhodný ke kování na
tomto rychlokovacím stroji.
2. Metalurgie výroby ingotu
Návrh výroby ingotu jakosti UNS S32760 a jeho
poloprovozní výroba byla realizována tak, aby se co
nejvíce blížila provozním podmínkám společnosti
VHM, a to s ohledem na to, že v této společnosti bude
podle plánu projektu v roce 2012 realizována výroba
velké tavby SDSS oceli.
V době realizace experimentálního kování nebyl
rychlokovací stroj v provozu a ingot jakosti UNS
S32760 byl překován na kovacím lisu ve společnosti
VHM do podoby dvou kulatin o Ø200 mm (na šest
úběrů) a Ø300 mm (na čtyři úběry). Obr. 1 prezentuje
kování ingotu V2A na Ø200 mm, přičemž na čele
výkovku je patrná počínající tvorba trhlin způsobená
rychlejším chladnutím konce výkovku, tyto trhliny jsou
viditelné i na vychladlém výkovku, viz obr. 2.
Na zařízení „Vakuová a Přetlaková Indukční tavící pec“
(dále jen VPIM) byla na základě navrženého
technologického postupu realizována výzkumná
experimentální tavba jakosti UNS S32760. Po roztavení
vsázky a legujících přísad následovalo doladění
chemického složení, vakuování pomocí procesu VCD
(Vacuum Carbon Deoxidation) a poslední operací bylo
nadusičení taveniny na obsah 0,210 hm.%N, viz tab. 1.
Nadusičení bylo realizováno plynným dusíkem přes
porézní tvárnici ve dně indukční tavící pece, a to při
otevřeném kesonu. Následovalo přelití taveniny do licí
pánve a pod ochrannou atmosférou dusíku bylo
provedeno odlití do kokily V2A. Stejný způsob
nadusičení oceli, tj. pomocí plynného dusíku, bude
realizován i během provozní tavby na ocelárně VHM.
Hodnota odolnosti vůči důlkové korozi vyjádřená
hodnotou PREN (Pitting Resistance Equivalent
Number) dle vztahu (1), který byl zvolen s ohledem na
požadavky potencionálních zákazníků VHM, vychází
pro odlitý ingot 40,77. Požadovaná hodnota byla min.
40.
PREN = Cr + 3,3*Mo + 16*N
Obr. 1 Kování ingotu V2A, jakosti UNS S32760, na Ø200 mm
Fig. 1 Forging of ingot V2A, steel grade UNS S32760 with
Ø200 mm
(1)
Použijeme – li k predikci fázového složení oceli vztah
(2) vychází obsah feritu 56,57 %. Pro výpočet bylo
použito feritické číslo FNA, dle doplněného
Schaefler/de Long diagramu.
Z uvedených údajů
vyplývá, že experimentální ingot lze použít pro
plánované experimenty.
FNA = 4,06*F – 3,23*A – 32,2
(2)
F = 1,5*%Si + %Cr + % Mo + 2*%Ti + 0,5%Nb
(3)
A = 30*%C + 0,5*%Mn + 30*%N + %Ni + 0,5*%Cu +
0,5*%Co
(4)
Tab.1
Tab.1
Obr. 2 Konec výkovku jakosti UNS S32760 Ø200 mm
Fig. 2 The end of the forging, steel grade UNS S32760, Ø200 mm
Normované chemické složení [3] a chemické složení ingotu
jakosti UNS S32760 (hm. %)
Standard chemical composition [3] and chemical composition
of the ingot steel grade UNS S32760 (wt.%)
UNS S32760
Standard
Ingot 1700 kg
d.m.
h.m.
C
0,030
0,030
Si
1,00
0,74
Mn
1,00
0,44
P
0,030
0,014
S
0,010
0,015
Ni Cr Mo
6,0 24,0 3,0
8,0 26,0 4,0
7,0 25,2 3,7
N
0,200
0,300
0,210
4. Tepelné zpracování výkovků
Cu W
0,50 0,50
1,00 1,00
0,82 0,71
Stejně jako kování tak i tepelné zpracování těchto
materiálů vyžaduje vysoké teploty. Pro jakost UNS
S32760 činí 1100-1140°C. Spodní žíhací teplota by se
měla přitom volit s ohledem na rychlost ochlazování
materiálu před ponořením do ochlazovací lázně. Obecně
řečeno, čím kratší je doba přesunu z žíhací pece do
chladící lázně, tím může být i teplota žíhání nižší a
naopak. Bylo totiž zjištěno, že již při otevření žíhací
pece dochází u hodnoceného materiálu o teplotě 1100°C
k chladnutí, jež následně vede k precipitace fází Cr2N
v blízkosti jeho povrchu. Tepelné zpracování bylo
3. Tváření – kování ingotu
SDSS oceli mají své specifikum ve vysokých teplotách
tváření a v malých úběrech přetváření. Z tohoto pohledu
se jedná o materiály vhodné pro zpracování na
rychlokovacím stroji, jež byl v loňském roce
zprovozněn
ve
společnosti
VÍTKOVICE
15
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
realizováno v provozních podmínkách společnosti
VÍTKOVICE GEAR WORKS a.s. (dále jen VGW),
protože mají k dispozici i pece pro malo-objemové
zakázky.
Výkovky byly zahřáty z teploty okolí rychlostí 50 °C
hod-1 na teplotu 1100°C s výdrží na této teplotě 4,5 hod,
vyšší teplotu nebylo technicky možné dosáhnout. Poté
byly výkovky ihned ochlazeny ve vodní lázni, přičemž
od otevření dveří žíhací pece do potopení do lázně
uběhla 1 minuta a 22 sekund. Výjezd výkovků z žíhací
pece prezentuje obr. 3. Oba výkovky byly opatřeny
teplotními čidly na měření teploty povrchu a středu
výkovku.
Obr. 4 Makrostruktura kulatiny Ø200 mm, jakost UNS S32760
Fig. 4 Macrostructure of the round bar Ø200 mm, steel grade UNS
S32760
5.2 Mikrostrukturní rozbor
Mikrostrukturní rozbor byl realizován po tepelném
zpracování vykovaných tyčí, tedy po rozpouštěcím
žíhání. Ve vyleštěném stavu byla u všech vzorků
pozorována relativně vysoká četnost nekovových
vměstků, obr. 5. Převážně se jednalo o komplexní
oxidické vměstky, v menší míře o sulfidy.
Obr. 3 Výkovky jakosti UNS S32760 při vyjetí z ohřívací pece
během tepelného zpracování
Fig. 3 UNS S32760 forgings after their withdrawal from heating
furnace during heat treatment
5. Hodnocení výkovků
S ohledem na požadavky případných zákazníků byl
stanoven následující rozsah zkoušení výkovků:
-
Hodnocení makrostruktury
Mikrostrukturní rozbor
Hodnocení mikročistoty dle ASTM-E45, metoda A
Analýza minoritních fází pod povrchem, v ¼ a ve
středu průřezu výkovku
Chemická analýza po průřezu výkovku
Hodnocení korozní odolnosti
Hodnocení mechanických vlastností
Obr. 5 Nekovové vměstky ze vzorku D1 – střed kulatiny Ø200mm
Fig. 5 Non-metallic inclusions in the sample D1 – center of round
bar Ø200mm
Mikrostruktura vzorků byla vyvolána leptáním jednak
v roztoku NaOH a jednak v leptadle V2A.
Mikrostruktura všech vzorků byla tvořena feritem (šedý
kontrast) a bloky austenitu (světlejší kontrast). Částice
sekundárního austenitu ve formě jehlic vyprecipitovaly
ve feritické matrici během ochlazování z teploty
rozpouštěcího žíhání.
5.1 Hodnocení makrostruktury
Hodnocení makrostruktury bylo realizováno na příčném
řezu výkovkem kulatiny ø200mm po tepelném
zpracování ve VGW. Vzorek pro hodnocení
makrostruktury byl odebrán v půli délky kulatiny.
Makrostruktura vzorku byla vyvolána leptáním
v leptadle Adler-Matting. Obr. 4 dokumentuje hrubou
strukturu po celé ploše makroleptu. Pouze v
podpovrchové oblasti bylo pozorováno úzké pásmo
jemnozrnnější struktury o přibližné šířce 15-20 mm. Pod
jemnozrnným pásmem je patrná oblast hrubších zrn. Na
povrchu výkovku byly detekovány krátké trhlinky,
zasahující do hloubky několika milimetrů.
Typické příklady mikrostruktury hodnocených vzorků
jsou uvedeny na obr. 6 - 9. V případě vzorku
odebraného ze středu průřezu tyče (D1) došlo
k naleptání rozhraní /, ale leptatelnost hranic / byla
velmi malá. U vzorku z povrchu tyče (D3) došlo
k naleptání jak hranic /, tak i hranic /. To
nasvědčuje, že hranice feritických zrn v podpovrchové
vrstvě byly „zcitlivěné“, pravděpodobně precipitačními
procesy (chemická mikroheterogenita podél hranic zrn).
Z makrostrukturního rozboru lze usuzovat, že prokování
ingotu bylo dostatečné. Povrchová vrstva vykazuje větší
prokování než střední část.
16
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Obr. 6 Mikrostruktura vzorku D1 – střed kulatiny Ø200mm
Fig. 6 Microstructure of the sample D1 – center of the round bar
Ø200mm
Obr. 9 Mikrostruktura vzorku D3 – povrch kulatiny Ø200 mm
Fig. 9 Microstructure of the sample D3 – surface of the round bar
Ø200 mm
Obr. 7 Mikrostruktura vzorku D2 – ¼ průřezu kulatiny Ø200 mm
Fig. 7 Microstructure of the sample D2 – ¼ of the cross-section of
the round bar Ø200 mm
Obr. 10 Komplexní oxidický vměstek
Fig. 10 Complex oxide inclusion
Tab. 2 Výsledky semikvantitativní rtg. mikroanalýzy jader
komplexních vměstků, hm.%
Tab. 2 Results of semi-quantitative X-ray microanalysis of the cores
of complex inclusions, wt %
5.3 Rozbor nekovových vměstků
Převážná část nekovových vměstků ve studovaných
vzorcích byla tvořena komplexními oxidy, obr. 10.
Některé z globulárních vměstků dosahovaly velikosti až
40m. Za použití rentgenové spektrální mikroanalýzy
bylo zjištěno, že jádro vměstků je obvykle tvořeno
komplexními oxidy hliníku, chrómu a manganu. Vnější
obálka vměstků byla tvořena oxidy křemíku. Výsledky
semikvantitativní rtg mikroanalýzy středové oblasti pěti
typických komplexních oxidických vměstků jsou
uvedeny v Tabulce 2.
Tyto zjištěné vměstky byly do oceli zaneseny
pravděpodobně během intenzivního nadusičování oceli
přes porézní tvárnici.
5.4 Hodnocení minoritních fází
Z tepelného zpracování duplexní oceli jakosti 1.4477,
prezentovaného v publikacích [1] a [2], byl po
provedení analýz učiněn závěr, že úzkým místem
v konečném výrobním toku je tepelné zpracování, jež
zásadním způsobem ovlivňuje výsledné mechanické a
korozní vlastnosti.
Z výše uvedeného důvodu byly výkovky jakosti UNS
S32760 po rozpouštěcím žíhání rozřezány v polovině
délky a v daném řezu byly po průřezu (střed, ¼ průřezu
a okraj) odebrány vzorky na hodnocení přítomnosti
minoritních fází pomocí techniky prozařovací
elektronové mikroskopie. Studium bylo provedeno za
použití extrakčních uhlíkových replik. Výsledky u obou
výkovků, Ø200 mm a Ø300 mm, byly kvalitativně
totožné, proto je dále diskutováno pouze hodnocení
výkovku Ø300 mm.
Obr. 8 Mikrostruktura vzorku D3 – povrch kulatiny Ø200 mm
Fig. 8 Microstructure of the sample D3 – surface of the round bar
Ø200 mm
17
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Ve středu a v ¼ průřezu výkovku nebyly na hranicích
zrn / ani ve feritické fázi zjištěny žádné precipitáty.
Obr. 11 a 12 dokumentují na snímcích replik
s reverzním kontrastem hranice zrn / bez výskytu
precipitátů. Částice na obr. 11 (světlý kontrast)
představují
nekovové
vměstky.
Výsledky
elektronomikroskopického rozboru jsou v souladu
s výsledky metalografického rozboru, kdy bylo zjištěno,
že leptatelnost hranic zrn, je malá.
polotovaru ohřátého na teplotu 1100°C do chladící lázně
byla příliš dlouhá.
6. Závěr
V poloprovozních podmínkách společnosti MMV byla
navržena a ověřena technologie výroby a odlévání
antikorozní superduplexní oceli jakosti UNS S32760 do
podoby ingotu V2A (1700 kg). Vedení tavby mělo za cíl
přiblížit se provozním podmínkám společnosti VHM.
Důvodem je plánovaná realizace provozní tavby oceli
SDSS, její odlití do ingotů, přetváření a tepelné
zpracování ve společnosti VHM.
U poloprovozní tavby při dmýchání plynného dusíku
dnem indukční tavící pece v podmínkách otevřeného
kesonu docházelo k obnažení taveniny a pravděpodobně
díky velmi dobrému míchání taveniny došlo i k oxidaci
taveniny a zanesení produktů oxidace do taveniny. Po
skončení dmýchání dusíku se tavenina přelila do licí
pánve a následně do kokily, přičemž výsledný ingot
obsahoval zvýšenou četnost oxidických vměstků. Pro
následnou výrobu provozní tavby ve VHM plyne
nutnost zabezpečit hladinu taveniny tak, aby nedošlo ke
styku taveniny s atmosférou. A to buď snížením
dmýchací rychlosti - nutnost příhřevů, nebo „pokrytím“
hladiny inertním plynem, nejlépe dusíkem.
Obr. 11 Extrakční replika, střed kulatiny Ø300 mm
Fig. 11 Extraction replica, center of the round bar Ø300 mm
Předběžné hodnocení kování jakosti UNS S32760
potvrdilo, že kování je v provozních podmínkách VHM
realizovatelné. Kování na šest úběrů se však autorům
předběžně jeví jako velmi časově a energeticky náročné.
Z tohoto pohledu je dobré zvážit zpracování
studovaného materiálu na právě zprovozněném
rychlokovacím stroji.
Obr. 12 Extrakční replika, ¼ průřezu kulatiny Ø300 mm
Fig. 12 Extraction replica, ¼ of the cross-section of the round bar
Ø300 mm
Provozní tepelné zpracování UNS S32760 výkovků
potvrdilo, že je zapotřebí mít ohřívací pece na teploty
minimálně 1200°C. V opačném případě, nelze plně
eliminovat precipitaci Cr2N po hranicích zrn. U nově
otevřeného rychlokovacího stroje ve VH tyto ohřívací
pece budou k dispozici (do 1300°C) a to včetně
chladících polymerových nádrží, avšak v době realizace
tohoto experimentu nebyly ještě v provozu.
Extrakční uhlíkové repliky připravené v podpovrchové
oblasti výkovku Ø300 mm prokázaly, že hranice zrn,
především typu /, jsou lemovány jemnými částicemi,
obr. 13. Za použití rtg spektrální analýzy bylo zjištěno,
že se jedná o chrómem bohaté částice typu Cr2N.
Precipitace těchto částic na hranicích zrn měla za
následek jejich „zcitlivění“, což se projevilo zvýšenou
leptatelností hranic zrn při metalografickém rozboru.
Na závěr lze říci, že díky otevření rychlokovacího stroje
a jeho ohřívacích pecí se jeví v podmínkách skupiny
VÍTKOVICE MACHINERY GROUP jako reálná
výroba superduplexních ocelí. Prakticky se předpokládá
ověření této skutečnosti v následně naplánované
provozní tavbě.
Poděkování
Práce vznikla za finanční podpory Ministerstva
průmyslu a obchodu České republiky v rámci řešení
projektu číslo TIP FR-TI1/351.
Obr. 13 Extrakční replika, povrch kulatiny Ø300 mm
Fig. 13 Extraction replica, surface of the round bar Ø300 mm
Literatura
Přítomnost částic precipitátu pod povrchem kulatiny
nasvědčuje, že manipulační doba před ponořením
[1] Kurka, V., Machovčák, P., Liška, M., Michalek, K. Research
and development of two-phase Cr-Ni-Mo high alloyed stainless
steel. In 19. mezinárodní konference metalurgie a materiálů Metal
18
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
2010. Ostrava: TANGER, 2010, p. 125-129, ISBN 978-80-8729417-8.
[5] Notten, G. Application of duplex stainless steel in the chemical
process industry, Duplex Stainless Steel 97, 5th World
Conference, D97-201,1997, p.15.
[2] Kurka, V., Machovčák, P., Michalek, K., Unucka, P. Evaluation
of production and properties of the forged bar made of superduplex austenitic-ferritic steel. In 20. mezinárodní konference
metalurgie a materiálů METAL 2011, 18.-20.5.2011, Brno.
Ostrava: Tanger, s.r.o., 2011, CD ROM, ISBN 978-80-87294-222.
[6] Fang Y.L., Liu Z.Y., Song H.M., Jiang L.Z. Hot deformation
behaviour of a new austenite-ferrite duplex stainless steel
containing high content of nitrogen. Materials Science and
Engineering: A, Volume 526, Issues 1-2, 25 November 2009, p.
128-133.
[3] Stahlschlussel. Key to Steel 2007. Verlag Stahlschluessel Wegst
GmbH, Marbach: 2007, ver. 5.01.0000.
[7] Nilsson J.O., Kangas P. Influence of phase transformations on
mechanical properties and corrosion properties in duplex stainless
steels. Conf. Stainless Steel World 2007, Maastricht, May, 2007.
[4] Kijonková E. Strojírenské Vítkovice zprovoznily rychlokovárnu,
supermoderní provoz, jaký nemá v Evropě obdoby. Dostupné na
[http://www.vitkovice.cz/news/message/detail/id/608/lang/cs/site/
9], citace 11.10.2011.
[8] Reick W., Pohll M., Padilha A.F. Three types of embrittlement in
ferritic austenitic duplex stainless steels. Metalurgia International
Brazil, vol. 3, no. 8, 1990, p. 46-50.
Recenze: prof. Ing. Karel Stránský, DrSc.
____________________________________________________________________________________________________________________
Stát uleví znečišťovatelům ovzduší a začne kontrolovat domácí kotle
novinky.cz, ČTK
10.2.2012
Poplatky za znečišťování ovzduší mají být v budoucnu zrušeny. Předpokládá to návrh zákona o ochraně
ovzduší, který v únoru schválila Sněmovna Parlamentu ČR. Původní vládní předloha přitom počítala s
poměrně razantním zvyšováním poplatků. Norma, která má platit od září, míří k posouzení senátorům.
Poslanci také schválili návrh, který zavádí povinné pravidelné kontroly kotlů na tuhá paliva v
domácnostech. Podle původního návrhu kabinetu se měly poplatky za znečištění mezi léty 2017 a 2021
postupně zvyšovat až na 3,5násobek současné sazby. Pak se měly z roku na rok zvednout na
dvojnásobek. Poslanci ale navzdory nesouhlasu ministra životního prostředí Tomáše Chalupy přijali
návrh jeho stranického kolegy Jana Bureše, který ustanovení radikálně změnil.
S koncem roku 2015 by firmy neměly platit za vypouštění oxidu siřičitého, oxidů dusíku a těkavých
organických látek. Za tuhé znečišťující látky by měly společnosti platit do konce roku 2021. Už se pak
nehlasovalo o návrhu hospodářského výboru, který navrhoval úplně zrušit platby již s rokem 2015.
Poplatky za znečištění jsou v českém právním řádu od roku 1991.
Vojtěch Kotecký z Hnutí Duha poukázal na to, že poslanci chtějí odpustit poplatky největším viníkům
smogu, například hutím a uhelným elektrárnám.
Zákon už ve vládní podobě zužuje zpoplatnění dvou desítek škodlivých látek na čtyři hlavní. Chalupa se v
rozpravě postavil hlavně proti návrhu hospodářského výboru. „Pokud mám zmínit látku, u které považuji
za důležité, aby zůstala zachována poplatková povinnost, pak jsou to tuhé znečišťující látky,“ řekl.
Ministerstvo životního prostředí nakonec ustoupilo od záměru vložit do zákona pravomoc pro úředníky,
aby mohli kontrolovat přímo v domácnostech, čím lidé topí. Poslanci místo toho schválili návrh skupiny
poslanců v čele s Chalupou, který zavádí povinné revize kotlů na tuhá paliva.
Norma dále předpokládá možnost vymezit nízkoemisní zónu ve znečištěných městech, lázeňských
městech a obcích v chráněných územích. Mohly by být zavedeny v osmi až devíti z 16 největších měst
Moravskoslezského kraje, jehož ovzduší patří k nejvíce znečištěným v Evropě. Norma počítá také s
kompenzačními opatřeními, kdy firma bude muset při zavádění nových provozů odstavit staré tak, aby se
na daném území emise nezvýšily.
V novém zákoně nejsou pravidla pro nakládání s látkami ohrožujícími ozonovou vrstvu Země a klima.
Tuto oblast bude řešit samostatný zákon, jak tomu bylo do roku 2002.
SB
19
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
povrchová
úprava
_____________________________________________________________________________
Použitelnost výsledků z laboratorních analýz v praxi
Applicability of Results from Laboratory Analyses in Practice
doc. Dr. Ing. Antonín Kříž, Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní
Na pracovišti autora se aplikacím tenkých vrstev v řezném procesu věnují odborníci již od začátku devadesátých let.
Od té doby prodělaly laboratorní analýzy celou řadu změn. Tyto změny vycházely nejen z vývoje přístrojového
vybavení, ale rovněž i z rozvoje poznatků a z vytvoření interdisciplinárního přístupu k dané problematice.
V počátcích byla pozornost věnována především měření mikrotvrdosti a adhezivně-kohezivnímu chování vrstev.
Rozvojem přístrojové techniky se začala uplatňovat nanoindentační měření tvrdosti, tribologické zkoušky
a popř. i analýza strukturního stavu vrstev pomocí RTG metod. Další vývoj laboratorních analýz nastal při zjištění,
že teplotní vlivy, které jsou při obrábění dominantní, mají zásadní vliv na chování celého systému tenká vrstvasubstrát. V poslední době je stále větší pozornost laboratorních analýz věnována kontaktním zkouškám s cílem
vytvořit zkušební podmínky blízké reálné aplikaci. I přes velký vývoj přístrojového vybavení a vytvoření
propracovaných metodik testování jsou často v praxi aplikovány velmi jednoduché laboratorní testy, neboť důraz se
často neklade na přesnost výsledku, ale rychlost jeho dosažení. Právě proto je důležité si připomenout jednotlivé
laboratorní analýzy a přínos jejich výsledků pro praxi.
The origins of wear-resistant thin films date back to the late sixties. The first films were simple single-layer TiC or
TiN coatings. In today's industrial applications, complex nano-layer systems or sandwich films are ordinarily used.
In efforts to upgrade these films, the benefits of the innovation for a particular application were assessed. Although
laboratory tests capture only specific properties under precisely defined conditions, they have always been widely
used in developing new films. They also play an important role in verifying the properties of prototypes, validating
the fine-tuned deposition processes and assessing the entire film-substrate system. In specific cases, they are used to
explore the behaviour of films under service conditions. Thin films are typically used for cutting tools, which is why
laboratory testing methods are typically focused on this field. For the laboratory test results to be conclusive, the
processes taking place during machining must be charted with sufficient accuracy and effects of individual
properties must be determined. These properties can be investigated separately or in combinations. This approach
is always more complicated, as the particular cutting process must be well-mapped and its individual factors and
correlations must be known in sufficient depth. Since this approach is demanding and requires that not only the
particular cutting processes but also the impacts of the machine-tool-workpiece system are known, only rather
limited laboratory scale tests are normally carried out, focusing on narrow ranges of properties of thin films. In
terms of a cutting process, it is essential to know the implications of fundamental properties and their relationships
(adhesion, hardness, thermal conductivity, friction coefficient, fracture toughness and others) and complex
properties, the effects of which occur in complex cutting processes. An emerging trend in laboratory testing of thin
films brings contact testing methods, which do not rely on costly instruments but, on the other hand, require
elaborate methodology and assessment procedures.
The potential of analytical methods has been by no means exhausted: the current ones are being continuously
enhanced, new ones emerge with improved instruments and special dedicated methods for particular applications
are developed. Numerous analytical techniques are available for exploring the end-use properties of thin films, e.g.
in cutting processes. In industrial practice, the techniques of choice are those, which can rapidly provide accurate
data, which allow identification of inadequate films or even reveal their new application potential.
20
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Úvod
Tenké vrstvy se v aplikaci na řezných nástrojích
pouţívají jiţ přes čtyři desítky let. Za dobu svojí
existence prošly významným vývojem. Od prvních
jednoduchých vrstev, které byly tvořeny monovrstvou
se vyvinuly aţ do komplexních systémů, vyuţívající
principů nanovrstev nebo sendvičové skladby. Při
inovaci těchto vrstev byl vţdy posuzován jejich přínos
pro danou aplikaci. Přestoţe laboratorní testy postihují
pouze konkrétní definované vlastnosti, byly při vývoji
vrstev vţdy vyuţívány. Jejich význam je i při kontrole
vlastností jiţ vyvinutých vrstev, kdy se vyuţívají
výsledky pro posouzení nejen správnosti odladěných
depozičních procesů tj. technologie vytváření vrstvy, ale
také vyhodnocení celého systému. V některých
specifických případech se vyuţívají výsledky analýz i
pro objasnění chování řezného nástroje opatřeného
tenkou vrstvou v řezném procesu. Pro tuto korelaci je
zapotřebí, aby byly dostatečně přesně zmapovány
procesy, které se při obrábění odehrávají a vliv
jednotlivých vlastností, které lze odděleně popř. i ve
vzájemné kombinaci analyzovat. Tento přístup je vţdy
podstatně těţší, neboť musí být proces konkrétního
druhu obrábění dostatečně zmapován a musí být alespoň
v dostatečné míře poznány jednotlivé faktory a jejich
souvislosti. Protoţe je tento přístup obtíţný a vyţaduje
nejen hluboké poznání konkrétních řezných procesů, ale
i vlivů soustavy stroj-nástroj-obrobek, jsou realizovány
pouze omezené laboratorní analýzy zabývající se
úzkými vlastnostmi tenké vrstvy. V minulosti se
například kladl významný důraz na nano-; mikro-;
makro-tvrdost nadeponované vrstvy. Celá řada autorů
mylně dávala do spojitosti, ţe pouze s tvrdostí je
zásadně spojena otěruvzdornost a tím také odolnost
proti opotřebení v řezném procesu. Byly opomíjeny
další vlastnosti, jejichţ význam se časem ukázal jako
velmi důleţitý a v některých okamţicích i přednější.
Při korelaci výsledků laboratorních testů s chováním
řezných nástrojů v řezném procesu je nezbytné znát
jednotlivé souvislosti vycházející z poznatků a vazeb
mezi základními vlastnostmi (adheze, tvrdost, tepelná
vodivost, koeficient tření, lomová houţevnatost …) a
komplexními vlastnostmi projevujícími se ve sloţitém
procesu obrábění. Jak vyplývá z obr. 1, je třeba najít u
provedených laboratorních testů procesy, které mají
rozhodující vliv při obrábění na mechanismus
opotřebení a hodnoty řezivosti nástroje. Tyto procesy je
třeba nejen definovat, ale také vědět jakou měrou se
mohou v konkrétní aplikaci projevovat. Z tohoto
důvodu je nutné věnovat těmto laboratorním analýzám
dostatečnou pozornost a hledat vzájemnou korelaci mezi
Povrchová úprava
Surface Treatment
dosaţenými
vlastnostmi.
hodnotami
a
výslednými
uţitnými
Celá řada odborníků z průmyslové i akademické sféry
se domnívá, ţe rozhodujícími vlastnostmi jsou hodnoty
mikrotvrdosti a charakteristiky popisující adhezněkohezní chování systému. Z tohoto důvodu byla
v nedávné minulosti snaha o dosaţení co největší
nanotvrdosti (přes 50 GPa) a vysoké adheze (LC ≥ 50N).
Dalším poznatelným vývojem v oblasti laboratorního
testování tenkých vrstev je, ţe se v posledních letech
věnuje velká pozornost celé řadě kontaktních zkoušek,
které pro svoji realizaci nepotřebují nákladné přístrojové
vybavení. Mnohdy vystačí důvtip a konstruktérské
schopnosti, které dovolí zkonstruovat jednoduchý
přístroj poskytující dostatečné informace o důleţitých
vlastnostech tenká vrstva-substrát. V současné době je
na mnoha předních světových pracovištích věnována
laboratorním analýzám velká pozornost se snahou
zdokonalit metodiky, které by dovolily jiţ zmíněnou
korelaci mezi laboratorně získanými vlastnostmi
a praktickými moţnostmi.
Vedle mechanických vlastností je další důleţitou
charakteristikou ovlivňující vlastnosti systému tenká
vrstva-substrát
hloubkový koncentrační průběh
jednotlivých prvků. Znalost této hloubkové závislosti
napomáhá pochopit a určit nejen děje (např. difúze),
které probíhají během depozice ve vznikající vrstvě, ale
odhalují také děje vznikající na rozhraní substrát-vrstva.
Jak bude zachyceno v příslušné kapitole, i zde je nutné
znát limitující faktory, které ovlivňují získané výsledky
a ty při vyhodnocení vzít v úvahu.
Proces obrábění je doprovázen vyššími teplotami, které
se dle druhu obrábění mohou pohybovat i přes 1000°C.
Přesto se hlavní pozornost odborníků zabývající se
testováním tenkých vrstev orientuje na analýzy za
normálních teplot. Přičemţ nástroje, na kterých jsou
vrstvy aplikovány, se během procesu uţívání rychle
ohřívají na vysokou teplotu a opět rychle chladnou. Tato
teplotní změna iniciuje celou řadu procesů, které nemusí
být pokaţdé pouze degradačního charakteru. Nicméně
není těmto dějům prozatím odbornou veřejností
věnována patřičná pozornost. Ačkoliv substrát
(podkladový materiál) nemusí podléhat ţádným
teplotním vlivům, přesto je prokazatelné, ţe tenká
vrstva vytvořena nerovnováţnými procesy prodělává
významné změny. Tyto změny je zapotřebí sledovat
a popsat jejich vliv na uţitné konečné vlastnosti celého
nástroje.
21
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Obr.1 Spojitost mezi laboratorními analýzami a technologickou zkouškou trvanlivosti ostří v procesu obrábění
Fig. 1 Relationships between laboratory tests and technological testing of cutting edge life
Laboratorní analýzy
1. Měření tloušťky tenkých vrstev
Z pohledu dnešních sloţitých analýz a přístrojového
vybavení by se mohlo zdát, ţe měření tloušťky metodou
kalotest je jiţ dávno překonáno. Jestliţe by byla cílem
pouze samotná hodnota, pak by tomu tak bylo.
Vytvořená kalota však poskytuje velmi cenné informace
nejen o tloušťce vrstvy, ale také o její skladbě a adhezi.
Jak dokumentuje obr. 3 je sníţená adheze velmi dobře
rozpoznatelná a lze i na základě těchto snímků přisoudit
adhezivně-kohezivní vlastnosti, aniţ by bylo nutné
realizovat další analýzy. Na uvedeném snímku je
zachycena experimentální vrstva TiAlSiN, u níţ byla
následným měřením adhezivně-kohezivního chování
potvrzena niţší adheze. Kritická síla LC3 zjištěná
metodou scratch test byla 49 ± 3 N.
Obr. 3 Kalota vrstvy TiAlSiN dokumentující horší adhezivněkohezivní vlastnosti
Fig. 3 Ball crater in TiAlSiN film showing evidence of poor
adhesive-cohesive characteristics
Vytvořených vrchlíků kaloty lze vyuţít i při stanovení
mikrotvrdosti
a
dalších
elasticko-plastických
charakteristik vyplývajících z nanoindentačního měření
(kap.2). Mnohdy stav povrchu z hlediska jeho drsnosti a
topografie
nedovoluje
vyuţít
moţnosti
nanoindentačního měření při velmi malých zatíţeních.
Tento eliminační faktor redukuje vyleštěná oblast
kaloty, kde se měření provádí (obr. 4).
Obr. 2 Kalotest se řadí mezi jednoduché přístroje
Fig. 2 Calotest is a simple instrument
Kalotest je velmi nenáročná a rychlá analýza posuzující
vedle tloušťky i další vlastnosti. Jednak lze zachytit i
stav rozhraní a to nejen z hlediska vrstvy, ale i substrátu,
kdy lze zviditelnit strukturu např. leptáním. Další
aplikační vyuţití kalotestu je při popisu hloubky a stavu
povrchového reliéfu, kdy jednotlivé nerovnosti jsou
zachyceny v kontrastu s vytvořenou kalotou.
22
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Obr. 4 Kalota vrstvy TiAlN – ve vyznačené oblasti lze stanovit
mikrotvrdost
Fig. 4 Ball crater in TiAlN film. Micro-hardness can be measured in
the marked location
Obdobně lze kalotu vyuţít i při posuzování tribologické
stopy, kdy lze jednoznačně posoudit, do jaké oblasti
zasahuje a co se na jejím rozhranní odehrávalo.
Kalota vrstvy TiAlN – ve vyznačené oblasti lze stanovit
mikrotvrdost
Fig. 5 Ball crater in TiAlN film. Micro-hardness can be measured in
the marked location
Obr. 5
2. Stanovení mikrotvrdosti
Mikrotvrdost je stále charakteristika systému tenká
vrstva-substrát, které je věnována vysoká pozornost. To
vedlo také k rozvoji přesných přístrojů - nanoindentorů,
které „instrumentovaně“ zaznamenávají hloubku
průniku v závislosti na síle přivedené na indentor.
Záznam je jak ze zatěţovací, tak i odlehčovací křivky.
Z těchto křivek lze vedle celé řady dalších hodnot
charakterizující mikrotvrdost zjistit také energie
plastické a elastické deformace. Podle uznávané normy
ISO 14577-1:2002(E) je jasně stanovena hranice mezi
makro, mikrotvrdost a nanotvrdostí. V rozpětí od 2 N do
30 kN je tvrdost, do 2 N a hloubky průniku indentoru do
0,2 µm se jedná o mikrotvrdost a při hloubce průniku
indentoru menší jak 0,2 µm nese označení jako
nanotvrdost [4]. Měření tvrdosti je rychlá operace,
kterou lze značně zautomatizovat. Její nevýhodou je
vysoká pořizovací cena přístroje a rovněţ to, ţe
interpretace výsledků není tak jednoduchá, jak by se
dalo usuzovat. Jak jiţ bylo uvedeno, vedle samotné
hodnoty tvrdosti je třeba věnovat pozornost také jiným
vlastnostem. Při porovnávání tvrdosti je třeba sledovat
nejen jaký indentor byl pouţit, ale rovněţ jaké bylo jeho
Povrchová úprava
Surface Treatment
zatíţení a v jakých zatěţovacích módech bylo měření
realizováno. Nejčastěji se pouţívá Vickersův indentor a
zatíţení je s ohledem na tloušťku vrstvy (řádově
mikrometry) pouze několik desítek mN. Při volbě
zatíţení je nutné sledovat i stav povrchu. V citované
normě [4] je např. pro slinutý karbid uvedeno, ţe při
drsnosti Ra 0,1µm je nutné pouţít zatíţení 2N. Tato
drsnost je dosahována na počátku metalografického
leštění. Pro pouţití menších zátěţných sil je
bezpodmíněčně nutné pouţít velmi kvalitně vyleštěný
povrch. U slinutého karbidu je povoleno zatíţení 0,1N
při drsnosti povrchu Ra ≤ 0,03 µm. Tento poţadavek má
velké úskalí, neboť na jedné straně by zkušební etalony
měly mít stejný stav podkladového materiálu, jako má
daný nástroj, ale to pak vylučuje dosaţení poţadované
přesnosti u citlivých analýz. Nejen drsnost povrchu, ale
i další vlastnosti charakterizující povrch, které jsou
zahrnuty v pojmu „integrita povrchu“ jsou pro konečné
vlastnosti systému důleţité (povrchová napětí, defekty,
strukturní změny apod.), proto je doporučení, aby
laboratorní vzorky prodělaly shodnou přípravu, jako
nástroje (broušení, čištění a předdepoziční i podepoziční
procesy). Pro potlačení neţádoucího vlivu drsnosti na
rozptyl dosaţených hodnot, lze mikrotvrdost měřit
v mělké kalotě, která je zhotovena na povrchu vrstvy
rotací kuličky za přítomnosti brusné pasty (obr.4).
V nedávné minulosti byl v projektu FI-IM2/054 řešen
případ [10], kdy důleţitějšími hodnotami pro trvanlivost
břitu nástroje neţ změřená mikrotvrdost byly jiţ
zmíněné elasticko-plastické charakteristiky systému.
V tomto případě při výběru tenké vrstvy pro nástroje,
které byly díky vysokým rychlostem a malé tuhosti
obrobku (plast) zatěţovány vibracemi, se kladl vysoký
poţadavek na schopnost elastické deformace zajišťující
eliminaci chvění a tím poškození tentké vrstvy.
Následné praktické testy jednoznačně prokázaly
správnost této volby, neboť systémy s vysokou
mikrotvrdostí nedosahovaly takové trvanlivosti, jako
nástroje s měkčí, avšak rázům odolávající vrstvou.
Závěrem této kapitoly je třeba znovu zdůraznit, ţe pro
měření mikrotvrdost, popř. nanotvrdosti je zapotřebí
zajistit povrch měřeného systému
bez výrazných
nerovností s drsností odpovídající dvacetině hloubky
průniku (h ≥ 20 Ra) [4]. Rovněţ se na povrchu nesmí
vyskytovat ţádné defekty a to i makročástice nebo
heterogenity v laterárním rozloţení. Na druhou stranu je
zapotřebí korigovat výsledky získaných na vyleštěném
povrchu s výsledky odpovídající reálné morfologii.
3. Adhezivně-kohezivní vlastnosti systému tenká
vrstva-substrát
Pro laboratorní posouzení jsou popsány dva způsoby
měření. Starší i rozšířenější metodou je vrypová
zkouška – „Scratch test“. Tato metoda vyţaduje
speciální přístroj „scratch tester“. Další moţností je
zjistit adhezivně-kohezivní vlastnosti z iniciace trhlin
vyvolaných vtiskem Rockwellova indentoru.
23
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
„Scratch test“ (vrypová zkouška) našla své uplatnění
jako efektivní metoda kvalitativní kontroly v
průmyslových i vědeckých oblastech. Původně byla
vrypová zkouška „Scratch test“vyuţívána jako
prostředek ke zjišťování tvrdosti na principu Mohsovy
stupnice tvrdosti minerálů.
Principem metody je plynulé zatěţování indentoru,
který se pohybuje rovnoběţně s rozhraním vrstva –
substrát. Indentor je zatěţován konstantní nebo plynule
se zvyšující silou, proniká do povrchu vzorku a vytváří
tak vryp (obr. 6). Tím se na rozhraní vrstva - substrát
generuje pnutí, které při dosaţení kritické hodnoty
způsobí odtrţení vrstvy od substrátu. Zatíţení v místě,
kde dojde k prvnímu porušení vrstvy (trhliny) – je
označeno LC1, porušení vrstvy většího rozsahu označeno LC2 , první adhezivní porušení vrstvy většího
rozsahu (první odhalení substrátu) - označeno LC3,
totální odhalení substrátu označeno LS.
Vedle síly iniciující poškození lze zjišťovat i koeficient
tření, který poskytuje informace o frikčních vlastnostech
povrchu. Získané koeficienty tření nelze bez patřičné
korekce srovnávat s koeficientem tření vyplývající
z tribologické analýzy „PIN-on-DISC“.
U této vrypové zkoušky se velmi často zanedbává stav
povrchu. Jak dokumentuje tab.1, je při metalograficky
vyleštěném povrchu hodnota kritické síly Ls niţší neţ
u vzorků, které měly povrch beze změny popř. jej měly
v předdepozičním procesu upraven. Jak jiţ bylo
uvedeno u měření mikrotvrdosti, většinou je snaha
deponovat etalonové vzorky ve vyleštěném stavu. To
pak vede ke zkreslení výsledků. Na druhou stranu právě
u scratch testu je třeba zajistit, aby drsnost povrchu byla
menší jak Ra = 0,2µm. Toto omezení vede k tomu,
ţe u běţně broušených povrchů, které korespondují se
stavem nástrojů, nelze tuto metodu s dostatečnou
přesností pouţít.
Obr. 6 Porušení asociované silou: (a) LC1 (b) LC2 (c) LC3.
Fig. 6 Failure caused by forces: (a) LC1 (b) LC2 (c) LC3
Tab. 1 Hodnoty jednotlivých sil způsobující definované poškození vrstvy v souvislosti s povrchovou úpravou substrátu před depozicí.
Tab. 1 Magnitudes of forces causing the defined type of film failure and their relationship to a pre-deposition surface treatment of the substrate
Kritické zatíţení Lc [N]
Vzorek
Povrch substrátu beze změny TiAlSiN
Povrch omlet s následující depozicí
TiAlSiN
Povrch otryskán s následující depozicí
TiAlSiN
Povrch metalograficky leštěn
s následující depozicí - TiAlSiN
Předností vnikací metody pro posuzování adhezivněkohezivního chování je rychlost provedení spolu
s minimálními nároky na měřící zařízení a moţnost
sledování chování systému přímo na zkoumaných
řezných nástrojích nebo vzorcích s různou tvarovou
plochou bez jinak nutné destrukce nástroje.
Vyhodnocení je však méně přesné oproti metodě
sledování rozvoje trhlin v závislosti na zatíţení, kdy se
získají přesné hodnoty síly a odpovídající velikosti
trhlin. Stav povrchu, drsnost, neovlivňuje v takové míře
výsledky měření jako v případě vrypové zkoušky, která
kvůli co nejmenšímu ovlivnění výsledků vyţaduje
povrch s nízkou hodnotou drsnosti.
Při sledování rozměru trhlin a rozsahu poškození udává
měřítko adheze odpor proti šíření těchto trhlin.
Lc1 [N]
Lc2 [N]
Lc3 [N]
Ls [N]
17 ± 0
46 ±12
66 ± 6
72 ± 4
15 ± 4
32 ±9
69 ± 5
71 ± 4
31 ± 14
45 ± 9
69 ± 2
72 ± 1
16 ± 5
39 ±10
58 ± 1
62 ± 1
Vyhodnocení vtisků se provádí přiřazením vtisků do
jednotlivých kategorií (tříd) s adhezním číslem HF
[1; 2], které charakterizuje stupeň popraskání či
odloupnutí vrstvy (obr. 7). Tato hodnotící tabulka byla
autorem navrţena v uvedené podobě, neboť hodnocení
dle původní klasifikační stupnice nebylo svojí přesností
vyhovující. V současné době našla tato nová klasifikace
široké uplatnění nejen v České republice, ale i
u zahraničních firem. Dalším rozšířením bylo vyuţití
obrazové analýzy pro přesný popis a kvantifikaci
vzniklých defektů.
Další moţností, jak zjistit pevnost spojení tenké vrstvy a
podkladového materiálu, je provedení vtisků na
příčných výbrusech (obr. 8). Vtisky se provádějí
Vickersovým indentorem do rozhraní tenká vrstva24
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
substrát a zjišťuje se, jak se vrstva chová, popř. jaká je
potřebná síla na odtrţení. Výhodou této metody je, ţe
Povrchová úprava
Surface Treatment
můţe postihnout pevnost vazeb mezi jednotlivými
strukturními fázemi substrátu a tenkou vrstvou.
hranice, dle kterých by byla vrstva povaţována za
jednoznačně vyhovující.
4. Optická emisní spektroskopie GD-OES
Princip metody měření byl jiţ popsán v mnoha
publikacích. V tomto příspěvku bude pozornost
věnována pouze omezením, která jsou aktuální při
analýzách systému tenká vrstva-substrát.
Obr. 7 Hodnocení porušení okolí vtisku vytvořeného Rockwellovým
indentorem při zatíţení 1 500N.
Fig. 7 Assessment of damage in the vicinity of indentation made by
Rockwell indenter with the load of 1500 N
Obr. 8 Pevná vazba mezi vrstvou TiN a karbidy typu M6C, které jsou
součástí struktury nástrojové oceli[5].
Fig. 8 Strong bond between TiN film and M6C-type carbides in the
microstructure of tool [5].
Nevýhodou je její pracnost a také moţnost vnesení
napětí do oblasti rozhraní při přípravě metalografického
výbrusu. Takovým příkladem je zjištění vytvoření
pevné vazby mezi karbidy typu Me6C a vrstvou TiN.
Ačkoliv výrobci tenkých vrstev povaţují vrypovou
zkouškou scratch testu zjištěnou hranici kritického
zatíţení 50 N za zásadní, nelze toto stanovisko
univerzálně doporučit, neboť záleţí rovněţ na
charakteru poškození, na dalších vlastnostech tenké
vrstvy a rovněţ také na průmyslových aplikacích. U
vnikacích zkoušek nebyly prozatím stanoveny ţádné
Při aplikaci metody GD-OES (Glow Discharge Optical
Emission Spectroscopy) lze vyuţít postupného
odprašování vzorku, čímţ je moţné sledovat závislost
koncentrace prvků na analyzované hloubce. Výsledkem
měření je koncentrační profil v závislosti na hloubce
odprášení. Přesnost této analýzy je závislý na správné
kalibraci odprašování materiálu. Přesné stanovení
odprášené hloubky je dáno dobou odprašování. Proto je
třeba provádět kalibraci přístroje na standardech blíţící
se svým sloţením k předpokládanému obsahu prvků
vzorku. Rychlost odprašování je vedle chemického
sloţení vzorku ovlivněna také jeho povrchovým stavem
(drsností,
pnutím,
heterogenitou)
a
orientací
jednotlivých zrn polykrystalického materiálu [3]. Při
analýze tenkých vrstev se ve výsledku koncentračních
křivek můţe negativně projevit vliv kráterového jevu.
V blízkosti stěny Grimmovy lampy je následkem
nehomogenního doutnavého elektrického výboje
nerovnoměrné odprášení. S dobou tj. hloubkou
odprášení se tato heterogenita ještě zvětšuje.
V okamţiku, kdy se část kráteru dostane do oblasti,
která má větší odprašovací rychlost dojde k dalšímu
výraznému prohloubení a zvětší se rozdíl mezi
hloubkou ve středu a na okrajích kráteru. Na obr.9 je
zachycen
hloubkový
koncentrační
profil.
Z dokumentace kaloty vyplývá, ţe skladba vrstvy se
periodicky opakuje, přesto právě díky uváděnému
kráterovému jevu popř. i zmíněné redepozici není tato
skladba v určité hloubce správně zachycena. Tento jev
má pak za následek i to, ţe hloubkovými
koncentračními křivkami dokumentované rozhraní mezi
vrstvou a substrátem nedosahuje ostrého přechodu ani
v okamţiku, kdy tomu tak je skutečně. Na druhou stranu
pouze ve velmi ojedinělých případech způsobí kráterový
jev takové nepřesnosti, ţe by např. nebyla rozpoznatelná
mezivrstva, která se deponuje mezi substrát a vrstvu za
účelem zlepšení adhezivních vlastností.
Negativní účinek kráterového jevu je ještě zesílen
redepozicí odprášeného materiálu v oblasti kráteru.
Na obr. 10 je zachycena redepozice odprašované vrstvy,
která nastala v okamţiku měření jiţ podkladového
materiálu. Následným odprášením titanové „hmoty“
dojde ke zkreslení výsledků, neboť se zvýší obsah Ti
v podkladovém materiálu (ocel 19830), popř. v oblasti
přechodu mezi vrstvou a substrátem, coţ lze mylně
interpretovat jako přítomnost titanové mezivrstvy.
25
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Ti
Al
N
Si
Obr. 9 Vliv kráterového jevu na průběh hloubkových koncentračních křivek analýzy GD-OES u multivrstevného systému s vrstvou TiAlSiN.
Fig. 9 Impact of the crater phenomenon on depth concentration profile curves obtained by GD-OES in TiAlSiN multilayer.
Obr. 10 Redepozice titanu při analýze vrstvy TiN. Redepozice má za
následek ovlivnění výsledných hloubkových
koncentračních křivek[5].
Fig. 10 Titanium re-deposition during the analysis of TiN film. The
re-deposition affects measurement of depth concentration
profiles [5].
5. Tribologické zkoušky
Tribologické zkoušky se zaměřují především na určení
součinitele tření a jeho změny v průběhu zkoušky pro
kombinaci dvou materiálů, hodnoceného substrátu a
tělíska specifických vlastností a rozměrů („PIN“
tělísko), a pouţitého prostředí.
Kromě
součinitele tření lze při tribologickém
hodnocení získat informace o adhezivně-kohezivním
chování sledovaného systému a to i za podmínek vysoké
teploty, simulující podmínky řezného procesu.
Při analýze „PIN on DISC“ je na povrch vzorku ve
tvaru disku přiloţeno „PIN“ tělísko ve formě válečku
nebo nerotující kuličky. V určité zvolené vzdálenosti od
středu vzorku je „PIN“ zatíţen předem definovanou
silou. Disk se začne otáčet zvolenými otáčkami a
vykoná předem stanovený počet kol (cyklů). „PIN“
tělísko vytvoří na povrchu vzorku tribologickou
kontaktní dráhu (stopu), jeţ je analyzována (tvar,
hloubka, okolí apod.). Výsledky testu, rozsahu
opotřebení jsou závislé především na těchto
parametrech: zatěţující síla; počet cyklů; relativní
rychlost; pohybu mezi kuličkou a vzorkem; teplota
povrchu vzorku;
stav a kvalita povrchu vzorku;
mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu vzorku
i kuličky. Pro správné porovnání jednotlivých vrstev,
jednotlivých výstupů a porozumění iniciovaným
procesům v odpovídajících souvislostech (koeficient
tření, poškození tribologické stopy a dalších
doprovodných procesů – chvění, akustický signál …) je
nutné uvádět všechny příslušné parametry testu.
Bohuţel i tento poţadavek je často opomíjen nejen
výrobci tenkých vrstev, kteří v katalozích uvádí
nanejvýš materiál „PIN“ tělíska. Často jsou tyto
upřesňující údaje opomíjeny i vědeckými odborníky,
kteří se podílejí na vývoji a testování nových vrstev.
Tribologická analýza poskytuje rovněţ cenné poznatky
o chování kontaktní dvojice v souvislosti s drsností
a stavem povrchu, ale také lze zachytit vliv pohybu na
iniciované děje. Tyto poznatky vyplývají ze stanovení
tzv. statického koeficientu tření. Tento koeficient tření
je definován jako síla vzdorující pohybu aţ k jistému
maximu, kdy je překonána a začne pohyb (obr. 11).
Kinetický koeficient tření je definován jako odpor
materiálu, který se projeví, kdyţ jsou kontaktní plochy
v pohybu. Obvykle je tato síla niţší neţ statická třecí
síla a je nezávislá na rychlosti.
Velmi
důleţitým
parametrem
tribologických
experimentů je chvění během testu. Vyhodnocení je
prováděno pomocí směrodatné odchylky od průměrné
hodnoty koeficientu tření. Tyto charakteristiky nebývají
běţně zahrnuty, neboť postihnout jejich vliv v řezném
procesu procesu je velmi obtíţné. Tyto poznatky byly
v minulosti s výhodou vyuţity při hodnocení tenkých
vrstev aplikovaných na nástrojích pro obrábění plastů.
Následnými technologickými testy bylo potvrzeno
jejich opodstatnění. Pro analýzy hodnotící vrstvy
(systémy) vhodné pro nástroje obrábějící plasty byla
s výhodou vyuţita následující speciální tribologická
analýza.
26
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Obr. 11 Rozdíl mezi statickým a dynamickým koeficientem tření
Fig. 11 The difference between the static and dynamic friction coefficients
Jak jiţ bylo uvedeno, velmi často je výstupem
tribologické analýzy hodnota koeficientu tření. Jak
dokumentuje obr.12, je nutné k hodnotě koeficientu
tření přidat doplňující informace, neboť během analýzy
lze v mnoha případech dosáhnout velmi odlišných
hodnot. Rovněţ je třeba zachytit jednotlivé procesy,
které mají na koeficient tření vliv a sledovat jejich
souvislost i s rozsahem vzniklého opotřebení. Takovým
příkladem můţe být vytváření velmi frikční vrstvy TiO2
u vrstev TiN. Její vznik je podmíněn teplotou,
přítomností kyslíku a dostatečnou dobou potřebnou
k jejímu vzniku. Při tribologické analýze tato vrstva za
určitých podmínek vzniká, nicméně její přítomnost na
povrchu je rovněţ limitována okamţikem jejího
odstranění. Dalším významným faktorem při
tribologické analýze se ukázal vliv odstranění vzniklých
fragmentů z kontaktní plochy. Následkem soustavného
odstranění se zcela změnil charakter poškození i průběh
koeficientu tření. Z tohoto důvodu je nutné provádět
neustálé korelace zvolených laboratorně nastavených
parametrů s praktickými aplikacemi a sledovat
vzájemné
souvislosti
dosaţených
laboratorních
a aplikačních výsledků.
Obr.12 Proměnlivý průběh koeficientu tření při analýze vrstvy TiAlSiN[6]
Fig. 12 Variation in friction coefficient value in the course of testing of TiAlSiN film [6]
Pro stanovení specifických kontaktních vlastností bylo
vyuţito speciálně zkonstruované zařízení, které
poskytuje pouze vybrané informace o chování daného
systému. Tuto speciální zkoušku lze označit jako
„tribologickou zkoušku za rotace“. Tato zkouška byla
realizována pro zjištění vlivu skleněných vláken
nacházejících se v obráběném polypropylenu na
charakter opotřebení. Podstatou této zkoušky bylo
vtlačování rotujícího polypropylenového tělíska do
zkoumaného vzorku, u kterého se po určitém čase
sledoval stav povrchu.
6. Fretting test
Principem metody je postupné „prolešťování“ vrstvy
kuličkou
nebo
hrotem
pohybujícími
se
nízkofrekvenčními kmity. Opotřebení „frettingem“ je
jev povrchového porušení, který můţe nastat u většiny
průmyslových aplikací, kde je kontakt ovlivněn
mechanickými vibracemi (kmitáním). Tento druh
porušení můţe často vést ke kritickému porušení
součásti. Přímým výstupem měření je průběh
27
Povrchová úprava
Surface Treatment
koeficientu tření (tzv. fretting koeficientu) v závislosti
na počtu cyklů.
Fretting je dynamický proces únavového opotřebení
povrchu. Reciproční třecí zatíţení způsobuje povrchová
pnutí, která mohou vést k tvorbě trhlin a únavě
frettingem. Opotřebení frettingem se projeví, kdyţ
trhliny na povrchu resultují ve fragmenty opotřebení
(tzv. wear debris). Uvolněné produkty opotřebení
zůstávají po určitou dobu v kontaktu a zásadně tím
ovlivňují kontaktní podmínky [3].
Obvykle je při kontaktním namáhání povrchu (např.
oceli) zapotřebí nejprve odtrhnout oxidické povrchové
filmy, které jsou vystaveny chemickým reakcím. Často
zároveň dochází ke zvýšení teploty, která chemické
reakce urychluje [3]. Hlavní roli v degradaci povrchu
hraje smykové napětí. Vzhledem k tomu, ţe tenké
vrstvy mají tloušťku jen několik mikrometrů, je pevnost
na rozhraní tenká vrstva-substrát (adheze) při namáhání
frettingem velmi důleţitá.
Vedle koeficientu tření je vyhodnocována frettingová
stopa a vytvořené defekty. Z charakteru a velikosti
vzniklých defektů lze získat další důleţité poznatky o
adhezivních vlastnostech systému. Při porovnávání
těchto defektů s poškozeními iniciovanými při scratch
testu je zapotřebí zohlednit rozdílnosti obou metod.
Toto zohlednění je zapotřebí uplatnit i při porovnávání
koeficientu tření z tribologické analýzy a fretting testu.
7. Impact test
Impact test umoţňuje testovat vybrané vrstvy a povlaky
na únavovou pevnost, zatímco např. zkoušky zaloţené
na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku
při zvětšujícím se zatíţení) mohou být nedostatečné pro
simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven
zároveň únavovému a erozivnímu opotřebení. Impact
test věrněji napodobuje reálné situace během ţivotnosti
vrstvy (např. rázové účinky mezi deponovaným
obráběcím nástrojem a obrobkem v důsledku chvění).
Navíc, tam kde je obtíţné docílit scratch testem
porušení vrstvy, lze Impact testem tuto vrstvu snadno
porušit a tím ve vrstvě vyvolat krajní podmínky, které
mohou v některých reálných situacích nastat.
Princip Impact testu spočívá v tom, ţe na povrch
materiálu dopadá s pravidelnou frekvencí a pod určitým
zatíţením tělísko. Podle poţadavků testu je toto tělísko
vyrobeno z různých materiálů jako např. z Al2O3, WC,
oceli ČSN 14 109 apod. Frekvence dopadů se pohybuje
v rozmezí 0 aţ 50 Hz a síla zátěţe od 0 do 1500N (tyto
parametry se mohou měnit v závislosti na pouţitém
zařízení). Poškození vzorku je hodnoceno optickým,
elektronovým anebo konfokálním mikroskopem. Je
výhodné, jestliţe je přístroj doplněn o moţnost očištění
povrchu stlačeným vzduchem, neboť tím se docílí toho,
ţe porušené a odstraněné zbytky povrchu nezůstávají
v místě nárazu a tím nezkreslují výsledky měření.
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Pro účely kontaktního namáhání jiţ byly na pracovišti
KMM zkonstruovány tři přístroje. Na základě
realizovaných provedených testů byla vytvořena
spolehlivá metodika umoţňující hodnocení nejen
vzorků s povrchovou tenkou vrstvou, ale i se silnějšími
povlaky popř. jinou povrchovou úpravou (např.
povrchové kalení, nitridování), ale rovněţ zjišťovat
celou řadu vlastností u tzv. objemových materiálů. U
objemových materiálů byly vyhodnoceny testy na
nových ocelích určených pro vysoce zátěţové svršky
kolejnic (vyhybky, srdcovky). Výsledky potvrdily
zkušenosti z praxe a napomohly popsat některé sloţité
procesy, které lze v praxi obtíţně vysledovat [8].
8. Analýzy zachycující tepelné vlastnosti tenkých
vrstev
Jak bylo uvedeno v předchozích kapitolách, je zapotřebí
věnovat pozornost vlastnostem tenkých vrstev nejen při
normální teplotě, ale s ohledem na aplikace v procesu
obrábění je nutné sledovat také změny iniciované při
vyšších teplotách. Uţivatelé tenkých vrstev se mnohdy
domnívají, ţe zvýšená teplota můţe vést pouze
k degradaci uţitných vlastností. Z podstaty technologie
vytváření tenkých vrstev by se tento degradující účinek
mohl očekávat. Vyšší teplota zapříčiní sníţení vnitřního
napětí a tím sníţení tvrdosti, nebo poškození popř.
alespoň oslabení hranic krystalitů následkem vzniku
oxidických filmů vedoucích ke zkřehnutí systému, nebo
difúzními procesy mezi podkladovým materiálem
a vrstvou, nebo následkem neustálých dilatací obou
odlišných materiálů (tenká vrstva-substrát) a vzniku
mikrotrhlin. Toto jsou pouze vybrané, nejčastěji
zmiňované degradační procesy. Na druhou stranu
nemusí vyšší teplota vést k jednoznačnému zhoršení
uţitných vlastností. Jak bylo vlastními experimenty
zjištěno, vyšší teploty (400°C) mohou na povrchu
vrstvy iniciovat vznik oxidických filmů, které mají
podstatně niţší koeficient tření (viz informace o TiO2),
jsou tvrdší, nebo také vytváří účinnou tepelnou bariéru
[9]. Difúzní procesy rovněţ mohou za určitých
podmínek zvýšit adhezi vrstev, nebo sníţením
zbytkového napětí ve vrstvách opět dojde ke zlepšení
adhezivně-kohezivních vlastností.
Vlastnosti tenkých vrstev za vyšších teplot lze sledovat
dle přístrojového vybavení dvěma způsoby. Vzorek lze
definovaně zahřát a po vychladnutí sledovat změnu
vlastností, které mohou být popsány jiţ výše uvedenými
analýzami. Další moţností, která vyţaduje speciální
přístrojové vybavení, je měřit vlastnosti při konkrétní
teplotě. Tím se získají poznatky o aktuální změně, která
se při poklesu teploty nemusí projevit. Při volbě teploty
testu je nutné vědět, jaké teploty předpokládanou
operaci doprovází. Vedle teploty je třeba vědět
i o způsobu přenosu tepla a jeho vzniku. Je nutné mít
definované zdroje tepla a teplotní toky, které se
uplatňují v průběhu procesu. Při obrábění je to teplo,
které je nejvíce iniciováno vzájemným kontaktem mezi
obrobeným povrchem, třískou a nástrojem. Další
moţností napomáhající zvýšit povědomí o chování
28
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
a vlastnostech tenkých vrstev při vyšších teplotách je
zjištění fyzikálních a chemických vlastností, které mají
vliv na iniciované procesy. Na prvním místě je to
tepelná vodivost, dále pak tepelná kapacita a difuzivita
v závislosti na teplotě. Měření těchto veličin i konkrétní
příklady jsou uvedeny v [9]. Tepelné zatíţení systému
tenká vrstva-substrát lze rovněţ vyuţít při kontrole
kvality depozice vyměnitelné břitové destičky (VBD).
Povrchová úprava
Surface Treatment
Na obr. 13 je zachycena VBD destička, která byla po
dobu 20min vystavena oxidické pecní atmosféře při
teplotě 800°C. V místech defektů vrstvy došlo k reakci
mezi wolframem a kyslíkem. Vytvořené oxidy
jednoznačně dokumentují nesouvislost pokrytí VBD
nástroje vrstvou TiAlSiN v místě, kde je při obrábění
nejvíce zatíţen tj. na hraně břitu.
Obr. 13 Povrchové defekty u VBD s vrstvou TiAlSiN při teplotní exploataci800°C.
Fig. 13 Defects in TiAlSiN-coated cutting inserts at the exposure to 800 °C.
Ve výčtu moţností analýz a dokumentace povrchu a
jejich charakteristických znaků by se mohlo pokračovat.
Cílem bylo přiblíţit nejen moţnosti pracoviště, ale také
poukázat na některé spojitosti. Ty je zapotřebí vzít
v úvahu nejen při volbě pouţitých analýz, ale především
při vyhodnocování získaných dat a vytváření ucelených
poznatků.
Závěr
Tenké vrstvy jsou velmi specifické nejen technologií
svého vzniku, rozměrem, ale také svými vlastnostmi.
Jestliţe se tyto vlastnosti mají správně popsat a dát do
vzájemných souvislostí, je zapotřebí znát faktory, které
mohou získaná data ovlivnit, ale také váhu jejich
přínosu k celkovému poznatku a praktickému dopadu.
Dobrým příkladem je jiţ zmíněná mikrotvrdost. Dříve
se této veličině přiřazoval velký význam, přestoţe
nebylo úplně zřejmé, jak konkrétně ovlivňuje výsledné
vlastnosti, které jsou v procesu obrábění z hlediska
zvýšení trvanlivosti ostří rozhodující. Následná měření
prokázala, ţe vedle hodnoty mikrotvrdosti jsou důleţitá
i další, tímto měřením získaná data (elasticko-plastické
charakteristiky). Zároveň byly vyuţity další analýzy,
které komplexně zahrnují nejen mikrotvrdost, ale i další
vlastnosti. Do těchto metod patří tribologické analýzy,
impact test, fretting test a další specifické analýzy, které
jsou realizovány pro zjištění určitých přesně
ohraničených vlastností a prokázání chování
sledovaného systému tenká vrstva-substrát.
Moţnosti analýz nejsou v ţádném případě vyčerpány.
Jednak se neustále zdokonalují a jednak vznikají nové
metody s výkonnějším přístrojovým vybavením.
Vznikají také speciální analýzy postihující pouze
konkrétní aplikace. Moţných analýz, které popisují
uţitné vlastnosti tenkých vrstev, např. v procesu
obrábění, je celá řada. V praxi je třeba zvolit pouze
vybrané analýzy, které umoţní rychle a přesně získat
data popisující stav sledovaných vrstev. Na základě
těchto výsledků budou identifikovány nevhodné vrstvy.
Případně bude moţné ze získaných dat určit, další
moţnosti pro vyuţití tenkých vrstev.
Tento příspěvek vznikl na základě spolupráce
s firmami z České republiky deponujícími
tenké
vrstvy,
dlouhodobou
spoluprací
s firmou
HOFMEISTER s.r.o. a na základě řešení projektu
„Rozvoj oboru materiálové inženýrství a strojírenská
metalurgie“ číslo projektu SGS-2010-021, který byl
realizován v rámci interního projektu na Katedře
materiálů a strojírenské metalurgie ZČU v Plzni.
Literatura
[1] KŘÍŢ, A. Komplexní vlastnosti řezných nástrojů s tenkými
vrstvami nitridů kovů. Habilitační práce, ZČU Plzeň, 2004
[2] KŘÍŢ, A. Vlastnosti řezných nástrojů s tenkými vrstvami TiN,
ZrN. Disertační práce, ZČU Plzeň, 1998
[3] SOSONOVÁ, M. Tribologické vlastnosti kluzných vrstev na bázi
uhlíku. Disertační práce, ZČU Plzeň 2008
[4] Norma ISO14577-1:2002(E)
[5] HÁJEK, J. Tribological behaviour of hard wear resistant layers at
high temperatures. In: Matrib 2005, Vela Luka, Croatia, 23.-25.
6. 2005
[6] KŘÍŢ A., KOŢMÍN P.: Tenké vrstvy na řezných nástrojích pro
těţkoobrobitelné plasty. Acta Mechanica Slovaca 4-A/2006, roč.
10., Košice 2006, s.158-164.
[7] KŘÍŢ, A., BENEŠ, P., ŠIMEČEK, J., URBAN, J. Sledování
kontaktního dynamického namáhání materiálu určeného k výrobě
železničních kol.Experimentální zpráva. (Monitoring the Dynamic
Contact Loading of Materials for Railroad Wheel Production.
Experimental report, University of West Bohemia in Pilsen, 2009
[8] BENEŠ, P., OTTOVÁ, M., KŘÍŢ, A. Účinky teplotního namáhání
na vlastnosti PVD vrstev. In: Vrstvy a Povlaky, 2011
[9] KOŢMÍN, P., KŘÍŢ, A., SYROVÁTKA, J.: Vývoj a zavedení
výroby nových nástrojů s využitím progresivních nanovrstev
a
sendvičových
tenkých
vrstev
pro
obrábění
těžkoobrobitelných
materiálů
[Závěrečná
zpráva
k projektu MPO- FI-IM2/054], HOFMEISTER s.r.o., 2008.
Recenze: doc.Ing. Emil Svoboda, CSc.
Ing. Martin Kraus, Ph.D.
29
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Príprava povlakov WC rozkladom W(CO)6 metódou PE CVD
Preparation of WC Coatings by W(CO)6 Decomposition Using PE CVD
Method
RNDr. Milan Ferdinandy, RNDr. František Lofaj, DrSc., prof. RNDr. Ján Dusza, DrSc., Ústav materiálového
výskumu Slovenskej akadémie vied, Košice, doc. Ing. Daniel Kottfer, PhD., Technická univerzita v Košiciach,
Slovenská republika
WC povlaky boli deponované na oceľovú podložku metódou PE CVD rozkladom hexakarbonylu volfrámu, pri
nízkych tlakoch a nízkoteplotnej plazme. Mikroštruktúra povlaku bola ovplyvňovaná tlakom vo vákuovej komore,
napätím a prúdovou hustotou. Fázové zloženie povlaku bolo skúmané röntgenovou difrakciou a TEM,
mikroštruktúra a chemické zloženie povlakov bolo skúmané metódami SEM/EDX a GDOS. Na hodnotenie
koeficientu trenia bol použitý mikrotribomerter. Sublimáciou a následným rozkladom W(CO)6 je možné pripravovať
povlaky WC. Uhlík pre tvorbu povlakov WC sa získa reakciou 2CO → CO 2 + C a CO rozkladom W(CO)6 → W +
6CO. Z toho vyplýva, že pre prípravu povlakov nie je nutné požiť uhľovodík. Bola preukázaná nanokryštalická fáza
β-WC1-x. v pripravovaných povlakoch. V závislosti na parametroch prípravy možno vytvárať povlaky s rôznou
koncentráciou C a W. Na základe toho možno predpokladať, že metóda umožní pri atomárnych koncentráciách C/W
>1. vytvárať povlaky s nanokompozitnou štruktúrou typu nc-WC/a-C, nc-WC/C:H a nc-C/DLC. WC povlaky s
koeficientom trenia do 0,2 boli pripravené pri tlaku 2 až 4Pa.
Coatings of WC on a steel substrate were prepared using a novel combined plasma enhanced PE CVD/PVD
method. The method is based on the sublimation and decomposition of tungsten hexacarbonyl in low pressure and
low temperature plasma. The coating microstructure was controlled by modification of haxacarbonyl vapor
pressure, bias voltage and current density on the substrate. Phase composition of the coatings was investigated by
X-ray diffraction and TEM, microstructure and local chemical composition by SEM/EDX and GDOS. Microtribotester was used to investigate friction coefficients of the coatings. Optimal conditions for the preparation of the
coatings were determined with respect to the lowest friction coefficient. From this paper the following results can
be drawn:
It is possible to prepare WC coatings applied by novel combined plasma enhanced PE CVD/PVD method. In the
presented WC coatings the phase β-WC1-x is present. It is possible to obtain carbon by chemical reaction 2CO →
CO2 + C. CO is obtained by chemical reaction W(CO)6 → W + 6CO. We can see that for preparation of WC
coatings it is not necessary to use hydrocarbon. With various concentrations of W and C it is possible to prepare
coatings by changing the parameters of preparation of deposition process. On the basis of this it is possible to
prepare nc-WC/a-C, nc-WC/C:H and nc-C/DLC coatings, at concentrations of C/W >1. On the base of
experimental pressure in vacuum chamber in range from 2 to 4 Pa there is used friction coefficient 0.2. The
described method of preparation of WC coating can be used for preparation of coatings based on metals, nitrides,
carbides, silicides and borides by sublimation and decomposition of Cr(CO)6, Mo(CO)6, Os3(CO)12, Rh6(CO)16,
Ru3(CO)12, Re2(CO)10.
Pri metódach CVD (Chemical Vapour Deposition) a PE
CVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)
je ako prekurzor často používaný WF6 s nosným
plynom Ar a uhľovodík. Metódy PVD (Physical Vapour
Deposition) najčastejšie magnetrónové naprašovanie,
využívajú reaktívny spôsob s odprašovaním W z terča
za prítomnosti uhľovodíka, alebo odprašovanie z terča
WC, prípadne odprašovanie z terčov WC a C.
Úvod
Karbid volfrámu je často používaný vo forme povlakov.
Vyznačuje sa vysokou tvrdosťou, stabilitou pri
zvýšených teplotách a vysokou odolnosťou voči
abrazívnemu opotrebeniu. Povlaky WC/C sú známe
nízkym koeficientom trenia. Vzhľadom na vysokú
teplotu topenia WC (2870oC), je preferovaná príprava
povlakov metódami nanášania z pár. [1,2,3].
Nevýhodou CVD a PE CVD metód pri príprave
povlakov WC heterogénnou reakciou
WF6 s
uhľovodíkom je vznik HF ako odpadového produktu,
ktorý môže byť spolu s Ar ako nosným plynom,
zabudovaný do rastúceho povlaku. Takto pripravené
povlaky ďalej obsahujú vodík. Ďalšou nevýhodou
metódy CVD je nutnosť vysokej teploty podložiek
Povlaky WC sú aplikované na súčiastky tribologických
uzlov z konštrukčných ocelí a na nástroje z nástrojových
ocelí a tvrdokovov. Vrstvy WC často bývajú súčasťou
povlakov.
30
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
800oC až 1200oC, čo vylučuje z povlakovania napr.
hliníkové zliatiny. Po povlakovaní ocelí je často nutné
ich následné tepelné spracovanie. Nevýhodou PVD
metód je nízka rýchlosť rastu povlaku, problémy
s homogenitou povlaku na členitých súčiastkach, ako aj
prítomnosť Ar v povlakoch. Pri reaktívnych spôsoboch
PVD s uhľovodíkom povlaky obsahujú vodík.
v zmesi týchto pár s Ar, alebo aj s C2H2, prípadne s N2
vytvára plazma. Je možné použiť aj napätia pulzné
a vysokofrekvenčné. K rozkladu W(CO)6→W + 6 CO
a k reakcii 2 CO → C + CO2 za tvorby WC dochádza
v priestore plazmy a na povrchu podložky. Reálny
mechanizmus rozkladu zrážkami molekúl W(CO)6
s elektrónmi a iónmi je značne zložitejší, a dá sa pri
ňom predpokladať existencia fragmentov rozkladu
W(CO)6 , a to aj v exitovanom a ionizovanom stave.
Z hľadiska prípravy WC, WC/a-C, WC/a-C:H, a
WC/DLC vo forme povlaku, alebo ako vrstvy vo
viacvrstvových povlakoch sa ako vhodná javí
kombinácia
metód PVD a PECVD v jednom
technologickom procese v rámci jedného zariadenia
s použitím prekurzora W(CO)6.
2. Experimentálne overenie sposobu prípravy
povlakov WC
Povlaky WC boli pripravené na zariadení ZIP 12 s
prídavnou sublimačnou komorou. Ako prekurzor bol
použitý hexakarbonyl volfrámu. Boli použité kruhové
podložky z tepelne spracovanej ocele STN 12060
o priemere 50 mm a hrúbke 4 mm. Podložky po čistení
v acetóne v ultrazvukovej čističke boli vložené do
držiaka vákuovej komory. Komora bola odčerpaná na
medzný tlak 5 . 10-3 Pa. Pre odstránenie kontaminácie
povrchu podložiek vo forme adsorbovaných vrstiev,
bolo použité odprašovanie iónmi Ar. Na držiak vzoriek
bol pripojený záporný elektrický potenciál 5 kV oproti
uzemnenej kovovej vákuovej komore a do komory bol
napúšťaný Ar s prietokom 65 cm3.min.-1. Po 15 min.,
bola vákuová komora spätne odčerpaná na medzný tlak
a bol otvorený ventil sublimačnej komory. Boli
pripravené vzorky s povlakmi pre totálne tlaky
z intervalu 0,02 Pa až 4 Pa pri záporných elektrický
potenciáloch na podložkách 0,5 kV a 5 kV pri
prúdových hustotách na podložke 0,8 mA.cm-2 a 1
mA.cm-2. Povlaky boli pripravované v režimoch bez
napúšťania plynu a s napúšťaním Ar, alebo Ar + C2H2,
alebo H2, alebo N2. Parametre pre vybrané vzorky sú
uvedené v tab . 1.
V príspevku je stručne popísaná konštrukcia prídavného
zariadenia sublimátor k PVD zariadeniu, spôsob
prípravy povlakov WC rozkladom W(CO)6 a ich
vlastnosti.
1. Zariadenie a sposob prípravy povlakov WC
Pre prípravu povlakov WC bolo použité PVD zariadenie
vlastnej konštrukcie ku ktorému bolo pripojené prídavné
zariadenie sublimátor schematicky znázornené na obr.
1. Toto prídavné zariadenie sa cez prírubu 2 a doskový
ventil 4 pripája na vákuovú komoru 1 PVD
zariadenia. V sublimačnej komore 3 je ohrievaná
nádoba 5 s W(CO)6. Komora sublimátora 3 je po
vložení karbonylu, čerpaná vákuovým systémom 7 cez
ventil 6. Tok pár karbonylu do komory PVD zariadenia
možno regulovať po uzavretí ventilu 6 a otvorení
ventilu 4 jeho teplotou, od ktorej závisí tlak pár
karbonylu.
Tab. 1 Hlavné podmienky prípravy povlakov WC.
Tab. 1 Main conditions for preparation of WC coatings
Číslo
vzorky
Zloženie atmosféry
v komore
Celkový
tlak [Pa]
Prúdová hustota
i [mA/cm2]
WC 10
W(CO)6 + Ar
0,2
1
WC 11
W(CO)6 + Ar + C2H2
0,2
1
Obr. 1 PVD zariadenie a prídavné zariadenie sublimátor.
Fig. 1 PVD equipment and accessory device - sublimator
WC 12
W(CO)6 + Ar
3
0,8
WC 13
W(CO)6 + Ar + C2H2
3
0,8
Závislosť tlaku pár W(CO)6 na teplote je podľa [4, 5],
daná rovnicou log p = 10,65 -(3872/T), kde p je tlak pár
v kPa a T je absolútna teplota v K. Z rovnice vyplýva,
že tlak pár W(CO)6 pri teplotách 20oC až 40oC je
z intervalu 2,7 Pa až 19 Pa, čo umožňuje pri pracovných
tlakoch v komore PVD zariadenia z intervalu 0,01 Pa až
10 Pa dosahovať pomerne vysoké rýchlosti sublimácie.
Z uvedeného taktiež vyplýva, že nie je nutné použitie
nosného plynu. Teplota rozkladu W(CO)6 je 170o C.
WC 14
W(CO)6
3
0,8
WC 17
W(CO)6 + C2H2
4
1
WC 18
W(CO)6
2
1
WC21
W(CO)6 + H2
3
1
WC22
W(CO)6 + H2
2
1
WC23
W(CO)6 + H2
1
1
WC26
W(CO)6 + N2
2
1
WC27
W(CO)6 + Ar
2
1
Samotné nanášanie povlakov WC prebieha analogicky
ako pri PE CVD metóde s jednosmerným elektrickým
napätím, kde na elektricky vodivé podložky je pripojený
záporný elektrický potenciál oproti kovovej vákuovej
komore PVD zariadenia čím sa v parách W(CO)6, alebo
3. Vastnosti povlakov WC
Chemické zloženie pripravených povlakov bolo určené
metódami EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)
31
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
a meraním hĺbkového koncentračného profilu metódou
GDOS
(Glow
Discharge
Optical
Emission
Spectroscopy). Z meraní vyplynulo, že zmenou
parametrov obzvlášť totálneho tlaku je možno
pripravovať povlaky s pomerom W/C z intervalu 0,43
až 23. Na obr. 2 je dokumentovaný chemický hĺbkový
koncentračný profil povlakov pripravených pri tlakoch
WC 10 – 0.2 Pa a WC14 – 2 Pa.
WC14
WC10
100
100
W
80
80
W
60
O
40
Fe
At. %
At. %
C
60
C
O
40
Fe
N
20
20
0
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
N
0
0,2
Hĺbka [μm]
0,4
0,6
0,8
Hĺbka [μm]
Obr. 2 Chemický hĺbkový koncentračný profil povlakov WC pripravených pri tlakoch 0.2 Pa a 2 Pa meraný metódou GDOS
Fig. 2 Chemical in-depth profile of WC coatings prepared at the pressures of 0.2 Pa and 2 Pa measured by GDOES methode
Fázové zloženie bolo testované metódou XRD. Bola
zistená FCC β - WC1-x fáza, kde 0,2 < x < 0,4. Metódou
TEM bola potvrdená nanokryštalická štruktúra a
elektrónovou difrakciou bola potvrdená fáza β - WC1-x.
x = 0,82.
~500nm
Obr. 3 Mikrodifrakcia z vybranej oblasti povlaku.
Fig. 3 Micro-diffraction from selected area of the coating
Obr. 4 Morfológia povlaku WC na oceľovej podložke
Fig. 4 Morphology of WC coating on steel substrate
Metóda REM (Rastrovacia elektrónová mikroskópia)
bola použitá pre štúdium štruktúr povlakov na lomoch.
Bola zistená jemnozrnná štruktúra povlakov WC, čo
zodpovedá vysokej pohyblivosti častíc na povrchu
povlaku počas jeho rastu. Morfológia povlaku WC
o zložení W 70 at. %, C 30 at. % pripraveného na
oceľovej podložke je dokumentovaná na obr. 4.
Tvrdosť povlakov WC meraná nanoindentačne pri
zaťažení 10 mN v sínusovom móde s amplitúdou 1 mN,
vykazovala hodnoty 8 GPa až 28 GPa.
32
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Povlaky WC pripravené pri tlakoch 2 Pa až 4 Pa
vykazovali pri tribotestoch metódou ball-on-disc oproti
guličke z ložiskovej ocele 100Cr priemeru 6 mm
a rýchlostiach 5 cm.s-1, 10 cm.s-1, a 15
cm.s-1,
koeficienty trenia 0,16 až 0,20.
Na základe realizovaných experimentov je možno
predpokladať, že popísaný spôsob prípravy povlaku WC
rozkladom W(CO)6, kombinovanou metódou PE CVD –
PVD bude možné analogicky použiť pre prípravu
povlakov kovov, nitridov, karbidov, silicidov a boridov,
rozkladom Cr(CO)6, Mo(CO)6, Os3(CO)12, Rh6(CO)16,
Ru3(CO)12, Re2(CO)10, ktoré sú pri izbových teplotách
a atmosferickom tlaku v tuhom stave, majú dostatočne
vysoký tlak nasýtených pár a dostatočne nízku teplotu
rozkladu.
Záver
Z predkladanej práce vyplýva:





Bolo potvrdené, že popísanou metódou založenou
na sublimácii a následnom rozklade W(CO)6 je
možné pripravovať povlaky WC.
Bol potvrdený predpoklad možnosti získavania
uhlíka pre tvorbu povlakov WC reakciou 2CO →
CO2 + C, pričom CO sa získava rozkladom W(CO) 6
→ W + 6CO, z čoho vyplýva, že pre prípravu
povlakov WC nie je nutné požiť uhľovodík.
Bola preukázaná nanokryštalická fáza β-WC1-x.
v pripravovaných povlakov.
Bolo potvrdené, že je možné v závislosti na
parametroch prípravy vytvárať povlaky s rôznou
koncentráciou C a W na základe čoho možno
predpokladať, že metóda umožní pri atomárnych
koncentráciách C/W >1
vytvárať povlaky
s nanokompozitnou štruktúrou typu nc-WC/a-C,
nc-WC/C:H a nc-C/DLC.
Ako hlavný parameter určujúci tribologické
vlastnosti povlakov, v rámci doposiaľ overených
parametrov
prípravy, sa javí celkový tlak
v komore, pričom najnižšie koeficienty trenia 0,16
až 0,20 boli na povlakoch WC pripravených pri
tlakoch 2 Pa až 4 Pa.
Ďakujeme týmto G. Czempurovi a T. Moskalewiczovi
(AG-UST, Krakow Poland) za analýzy TEM a M..
Mikulovi za analýzy GDOS. Táto práca vznikla za
podpory projektov APVV-0034-07, MNT-ERA.NET
HANCOC, VEGA 2/0108/11, APVV-00520-10, Vega
1/0279/11.
Literatura
[1] Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, 2nd
ed., edited by R. F. Bunshah (Noyes, Park Ridge, NJ, 1994), p.
591, (1994).
[2] Advanced Surface Coatings: A Handbook of Surface Engineering,
edited by D. S. Rickerby and A. Matthews (Chapman and Hall,
New York, 1991), pp. 217 and 244, (1991)
[3] Bhushan B., Gupta B.K., Handbook of Tribology: Materials,
Coatings, and Surface Treatments (McGraw–Hill, New York,
1991), pp. 8.1, 8.3 and 14.4.
[4] Garner M.L., Chandra D., J. Phase Equilibria 16, 24, (1995).
[5]
Chellappa R., Chandra D., The
Thermodynamics 37, 4, (2005), 377
Journal
of
Chemical
Recenze: doc. Ing. Miroslav Pospíchal, CSc.
____________________________________________________________________________________________________________________
33
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Aplikace tenkých vrstev na nástrojích pro řezání pryže
Application of thin Films on Tools for Cutting of Rubber
Ing. Jiří Hodač, doc. Dr. Ing. Antonín Kříž, Ing. Petr Beneš Ph.D., Ing. Jiří Hájek, Ph.D., Západočeská
univerzita v Plzni, Fakulta strojní
Článek se zaměřuje na příčiny krátké životnosti nožů dělících kevlarový kompozit. Problematika vznikla
v průmyslové praxi při dělení kompozitu. Základem pro řešení problému je analýza pracovního prostředí nožů
používaných v praxi. Podrobně se práce zaměřuje na jednotlivé vlastnosti nožů. Zvýšený důraz je kladen na analýzu
povrchové úpravy nožů, která je tvořena tenkými PVD vrstvami. V práci jsou na analýzu problému použity
následující metody: „PIN-ON-DISC“ bylo užito pro komplexní vyhodnocení abrazivního a adhezivního chování
vrstev a jasně ukázalo dobrou odolnost DLC i TiN vrstev proti abrazivnímu opotřebení. Patrné bylo obecné zhoršení
odolnosti vrstev v korozním prostředí. Zde ovšem nastalo menší zhoršení odolnosti u vrstvy TiN a výraznější u vrstvy
DLC. GD-OES analýza ukázala přesné složení jednotlivých vrstev a jejich přechodů. U dvou nožů bylo zjištěno
nevhodné složení vrstvy obsahující podíl kobaltu. Jako doplňkové metody byly použity metoda kalotest (pro zjištění
tloušťek vrstev) a měření na konfokálním mikroskopu (pro analýzu drsnosti povrchu). Měřením byla prokázána
vysoká drsnost povrchu nástroje, která usnadňuje ulpívání zbytků pryže a zvyšuje tření mezi nástrojem a obrobkem.
Výrobcem zvolené oboustranné ostření nožů je nevhodné.
Z práce vyplývá, že hlavním nedostatkem zkoumaných nožů je špatně zvolený typ ostření, který spolu s nevhodnou
volbou druhu PVD vrstvy vede k nižší trvanlivosti a životnosti nožů. Na základě provedených analýz a zjištěných
skutečností o provozu jsou vytvořeny návrhy nových nožů s vhodnější CrN-N duplexní PVD vrstvou a vhodným
broušením pouze z jedné strany. Nové nože budou nasazeny v praxi a pomohou podniku zkvalitnit výrobu.
Nezanedbatelným efektem bude také příznivější ekonomické hodnocení než u stávající varianty.
The present paper provides an analysis of causes of short life of blades with thin films used for shearing of rubber
composites with woven reinforcing material. The paper seeks solutions and suggests appropriate thermo-chemical
treatment, protective coatings and suitable blade geometry.
In the paper 3 similar blades were analyzed, which were used in practice. All of them were disabled due to high
wear and they all had a PVD coating. The blades were marked as “K”, “P” and “V”. At the beginning the whole
cutting process and blades straining were analyzed. The blades were in wet condition during the whole time of
cutting. This wet conditions decreased friction and heat, but also increased the probability of corrosion. Further
analyses were focused on gaining an information about state of blades and theirs surfaces. The surfaces are very
important, because they ensure interaction between blade and its surroundings, especially between the blade and
workpiece. In the paper these four analyses were used: “PIN-ON-DISC”, GD-OES, calotest and roughness
analysis.
The method “PIN-ON-DISC” was used to analyze adhesion and abrasion behavior of PVD coatings. The “PIN-ONDISC” analysis showed higher abrasive resistance of DLC coating in comparison with TiN coating. Tests in wet
condition caused higher wear, but TiN coating proved better behavior in wet condition than DLC coating. Chemical
composition of layers was determined via GD-OES test. The presence of cobalt was discovered in the middle layer
of coating on the blades “K” and “P”, probably as a result of impurity from deposition process. Coating thickness
was determined by the calotest method. High roughness was measured at surfaces of all 3 blades. This roughness
caused sticking impurities and rubber particles on surface, and it increased friction. The blades sharpened from
both sides were evaluated as inappropriate. Sharpening just from one side is better, because coating remains on one
side of the blade. Coatings on the edge of blade enhance considerably the tool life. On the basis of conclusions of
analyses a new blade was designed. This blade will be made from the same material, but with duplex layer of CrN-N
coating. This will extend the tool life in wet condition and will save the costs.
Článek se věnuje řešení problému, který se objevil v
praxi v průmyslovém podniku. Problémem je velmi
nízká životnost nožů z nástrojové oceli, které dělí
pryžový kompozit zpevněný výpletem. O původu nožů
nejsou dostupné bližší informace. O jejich výrobě, ani o
materiálu ze kterého jsou zhotoveny. Analýzami jsou
hledána silná a slabá místa nožů již v praxi použitých.
Článek navrhuje možná zlepšení užitných vlastností
nožů pomocí povrchových úprav a změny geometrie
nožů.
34
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
stabilitu proti stárnutí. Tvrdost EPDM pryží se pohybuje
v rozmezí 40 – 85 Shore a pevnost v tahu mezi 20 a 80
MPa [1, 2].
1. Systém nástroj - obrobek
Obrobek
Analyzované nože z provozu
Obrobkem děleným sledovanými noži jsou pryžové
hadice pro vedení vysokotlakých kapalin. Pro lepší
odolnost proti vnitřnímu přetlaku a udržení tvarové
stability jsou hadice vybaveny vyztužujícím výpletem.
Základní hmotou vyráběných hadic je syntetická pryž
EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer rubber =
Etylen-propylen-dien kaučuk), která má vynikající
Všechny analýzy probíhaly na 3 nožích broušených a
opatřených ochrannými PVD vrstvami z obou stran.
Jedná se o různé nože, které byly používány v praxi pro
dělení pryžových hadic s výztuží a byly z výroby
vyřazeny pro vysoký stupeň opotřebení. Nože byly
pracovně označeny písmeny „K“, „P“ a „V“. (viz. obr. 1
– 3).
Vlevo vzorek „K“ – Nůž s rovným ostřím a kombinovanou ochrannou vrstvou TiN a DLC. Vpravo vzorek Vzorek „V“ – Nůž
s obloukovitým ostřím a deponovanou vrstvou TiN.
Figs. 1 and 2 Left: „K“ – Blade with straight edge and combined TiN and DLC coatings. – Right: „V“ – Blade with arched edge and TiN coating.
Obr. 1 a 2
vyplývajícími vlastnostmi připomíná přírodní diamant.
Výrobcem udávaná tvrdost DLC vrstvy je 18 GPa,
maximální teplota použití je do 400°C a koeficient tření
proti oceli je 0,15.
TiN (titan nitridová vrstva) je zlaté barvy. Výrobcem
udávaná tvrdost TiN vrstvy je 25 GPa, maximální
teplota použití je do 600°C a koeficient tření proti oceli
je 0,55 [4].
Řezné podmínky a prostředí
Obr. 3 „P“ – Nůž s obloukovitým ostří a deponovanou vrstvou DLC.
Fig. 3 “P” Blade with arched edge and DLC coating.
Zkoumané nástroje jsou používány pro dělení
souvislého pásu gumové hadice s výztuží. Konkrétně se
jedná o dělení – rotační sekání. Při práci je nůž chlazen
a mazán vodou přiváděnou do oblasti řezu. Vzniká zde
korozní prostředí, kterému je nůž neustále vystaven.
Proti korozi je nůž chráněn PVD vrstvou, která chrání
pouze boky nože. Je to důsledek častého přebrušování
nože, při kterém dochází k úplnému odstranění
„ochranné povrchové vrstvy“ z břitu nástroje.
Všechny zkoumané nože jsou vyrobeny z oceli DIN
17350 (č. 1.3343), dle původní české normy se jedná o
ocel 19830, tj. molybden-wolframová rychlořezná
nástrojová ocel se sorbitickou strukturou, kde se
vyskytují vedle karbidů oblasti se zbytkovým
austenitem [3].
Na zkoumaných nožích jsou deponovány tenké
ochranné vrstvy, které byly vytvořeny pomocí metody
PVD (bližší specifikace technologie nebyla uživatelem
nožů sdělena).
2. Měření kalotest
Metoda kalotest se používá převážně pro zjišťování
tlouštěk tenkých povrchových vrstev. Průměrná hodnota
provedených měření je uvedena v tab. 1.
Zkoumané vrstvy na nožích
DLC (Diamond Like Carbon = diamantu podobný
uhlík) je vrstva, která svými sp3 vazbami a z toho
35
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Tab. 1 Naměřené hodnoty kalotestu
Tab. 1 Results from calotest measurement
Průměrná tloušťka
vrstvy (µm)
Rozdíl v opotřebení
stran (µm)
Průměrná tloušťka
vrstvy (µm)
Směrodatná
odchylka (µm)
„K“ DLC/TiN
1,8
0,38
1,80
0,25
„V“ TiN
0,38
0,27
0,37
0,13
„P“ DLC
1,35
0,36
1,30
0,29
Nůž
Typ vrstvy
3. Měření drsnosti povrchu
Drsnost povrchu nástrojů má velký význam pro
přilnavost deponovaných vrstev. Také je ukazatelem
vnesené deformace po obrábění a v neposlední řadě
ovlivňuje třecí vlastnosti soustavy nůž – obrobek.
Drsnost byla měřena na všech nožích pomocí
bezdotykové metody měření na konfokálním
mikroskopu a vypočtena příslušným softwarem.
Obr. 4 Koncentrační prvkový profil nože K. Zde lze usuzovat na
vrstvu DLC na povrchu, pod ní se nachází tenká přechodová
vrstva W-Ti-Cr a tlustší vrstva TiN na substrátu.
Fig. 4 Carbon layer probably with DLC structure holds on TiN layer
by W-Ti-Cr interlayer.
Tab. 2 Průměrná plošná drsnost byla vypočtená z 5 měření na
různých místech povrchu
Tab. 2 Average flat roughness, counted from 5 different positions
Nůž
SRa
„K“
1,29
„V“
0,76
„P“
0,83
Z naměřených hodnot jednoznačně vyplývá, že největší
drsnost povrchu je u nože „K“. K takto vysoké drsnosti
pravděpodobně přispělo odlupování části DLC vrstvy,
které se viditelně projevovalo pouze u tohoto nože.
Obr. 5 Koncentrační prvkový profil nože V. Zde je patrná Vrstva TiN na substrátu z oceli. Zvýšené množství uhlíku na povrchu
je pravděpodobně způsobeno přítomností zbytků po rotačním
sekání pryžového kompozitu.
Fig. 5 TiN layer on steel matrix. Higher carbon percentage on
surface is probably caused by impurity.
Relativně vysoká drsnost povrchu všech nožů může mít
negativní vliv na životnost ochranných vrstev, umožňuje
ulpívání pryže v nerovnostech a snazší start korozních a
lomových procesů.
4. Analýza GD-OES
GD-OES (Glow Discharge Optical Emission
Spectroscopy = doutnavým výbojem buzená optická
emisní spektroskopie). Slouží ke kvalitativnímu a
kvantitativnímu
stanovení
chemického
složení
kovových i nekovových prvků v pevných vodivých
vzorcích. Koncentrační profily jednotlivých nožů (viz
obr 4, 5 a 6).
Obr. 6 Koncentrační prvkový profil nože P. Zde je patrná deponovaná
povrchová vrstva na bázi uhlíku (pravděpodobně se jedná o
vrstvu DLC) pojená mezivrstvou W-Ti-Cr na ocelovou
matrici.
Fig. 6 Carbon layer probably with DLC structure and W-Ti-Cr
interlayer which holds on steel matrix.
36
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Tab. 3 Výsledky měření chemického složení povrchových vrstev na
nožích
Tab. 3 Chemical composition of layers on blades
Tab. 4 Parametry a hodnoty z prvního měření. Šířka stopy označená
„x“ je na místech, kde se nepodařilo stopu spolehlivě najít
nebo měla příliš nerovnoměrný charakter
Tab. 4 Parameters and results from the first measurement. “x”
means: No degradation or immeasurable
Chemické složení vrstev deponovaných na nožích
Nůž
Matrice
„K“
DIN S 6-5-2
DLC
W-Ti-Cr-Co TiN
„V“
DIN S 6-5-2
TiN
-
„P“
DIN S 6-5-2
DLC
W-Ti-Cr-Co -
1. vrstva
2. vrstva
3. vrstva
Nůž
-
Materiál
kuličky
WC
390
368
9,8
1000
x
610
PVC
9,8
100
x
1900
WC
9,8
20000
439
458
9,8
1000
485
544
PVC
9,8
100
x
2036
WC
9,8
20000
121
396
9,8
1000
95
554
9,8
100
x
1966
„P“ DIN 100 Cr 6
PVC
Tribologické měření bylo provedeno ve všech případech
bez tzv. „ofuku“ a bez přítomnosti mazadel a je
rozděleno do tří částí. První se zabývalo zjištěním
důsledků vzájemného třecího kontaktu různých
materiálů a povrchu nože. Byly vybrány 3 různé
materiály pro „PIN“ tělísko. „PIN“ tělískem byla
kulička z PVC (alternativa k pryži z provozu), oceli
DIN 100Cr6 a karbidu wolframu (WC). Z důvodu zcela
rozdílných vlastností „PIN“ tělísek byly i počty cyklů
při vytváření tribologické stopy rozdílné. Zátěž „PIN“
tělíska byla zvolena 9,8 N.
Obroušení
kuličky
(průměr
v µm)
20000
„V“ DIN 100 Cr 6
5. Měření metodou „PIN-ON-DISC“
Šířka
Počet
drážky
cyklů
(µm)
9,8
„K“ DIN 100 Cr 6
Nůž „K“ a „P“ mají atypickou mezivrstvu složenou ze
širokého spektra prvků včetně kobaltu. Jelikož se kobalt
v těchto vrstvách vůbec neužívá, lze předpokládat, že se
jedná o znečištění vzniklé při předdepozičním iontovém
bombardu nástrojů ze slinutých karbidů, se kterými byly
zřejmě nože hromadně deponovány.
Zátěž
(N)
Tab. 5 Parametry a hodnoty druhého a třetího měření. Hodnoty šířky
drážky jasně ukazují zhoršení odolnosti vrstvy proti
opotřebení způsobeného zatlačovaným „PIN“ tělískem
v korozním prostředí
Tab. 5 Parameters and results from the second measurement. Results
in wet condition are worse than in dry condition
Nůž
„K“
Druhé měření bylo zaměřeno na zjištění odolnosti
jednotlivých ochranných vrstev. Pro měření bylo
zvoleno odolné„PIN“ tělísko z kuličky karbidu
wolframu (WC) a zátěž „PIN“ tělíska byla navýšena na
24,5 N a počet cyklů na 30 000 pro zvýraznění důsledků
opotřebení.
„V“
„P“
Třetí měření mělo za účel zjistit, zda dojde ke zhoršení
vlastností vrstev v důsledku vystavení koroznímu
prostředí. Nože byly před tímto testem vystaveny po 6
dní koroznímu prostředí vodních par. Parametry měření
zůstaly stejné jako v předchozím měření.
Materiál
kuličky
Zátěž
(N)
Šířka
Počet
drážky
cyklů
(µm)
Obroušen
í kuličky
(průměr
v µm)
WC
24,5
30000
164
458
WC+koroze
24,5
30000
264
529
WC
24,5
30000
553
618
WC+koroze
24,5
30000
609
661
WC
24,5
30000
146
436
WC+koroze
24,5
30000
210
417
dokonalé kruhovité opotřebení. Viz. Obr. 7 a 8. Tento
rozdíl je pravděpodobně dán profilem vznikající stopy.
Zatímco DLC vrstva se vytlačuje do stran a opisuje tak
tvar kuličky, TiN vrstva se rovnoměrně opotřebovává a
profil drážky má rýhované ale „ploché“ dno (viz obr. 9 a
10).
První měření prokázalo, že tření polymeru o povrch
nevytváří měřitelnou stopu. Dochází k opotřebení „PIN“
tělíska a jeho „rozmazávání“ po povrchu nože. Vrstvy
výborně odolávaly i „PIN“ tělísku z oceli DIN 100Cr6.
Vytvořená stopa, byla pravděpodobně způsobena
zbytky „PIN“ tělíska nikoli destrukcí vrstvy. „PIN“
z WC vytvořil zřetelnou pravidelnou stopu s patrným
poškozením vrstvy.
U dvou ze tří měření je větší opotřebení „PIN“ tělíska
na korodovaných vzorcích. Pravděpodobně vznikající
oxidy vytváří silnější abrazivní opotřebení. Měření
potvrdilo vyšší odolnost DLC vrstev proti otěru,
zatímco vrstva TiN vykázala nejmenší zhoršení
vlastností v korozním prostředí oproti nekoroznímu.
Měření opotřebení kuličky jasně ukázalo odlišný
charakter chování vrstev při styku s “PIN“ tělískem.
DLC vrstvy vytvářely na povrchu „PIN“ tělíska
eliptické opotřebení, zatímco TiN vrstva vytvářela téměř
6. Měření profilu drážek
U druhého a třetího měření bylo zařazeno proměření
vzniklých tribologických stop na konfokálním
mikroskopu. Sledován byl charakter opotřebení a
hloubka průniku „PIN“ tělíska či způsobené deformace.
37
Povrchová úprava
Surface Treatment
Obr. 7 a 8
Figs.7 and 8
Obr. 9 a 10
Figs.9 and 10
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Vlevo obrázek typického opotřebení eliptického tvaru z prvního měření WC kulička po kontaktu s nožem „K“ (vrstva DLC).
Vpravo téměř dokonale kruhovité obroušení kuličky z WC po kontaktu s nožem „V“ (vrstva TiN) také z prvního měření. Šipka
vyznačuje směr pohybu kuličky po povrchu nože.
Left: typical ecliptic wear on WC ball from the first tribological measurement on the blade “K” (DLC coating), Right: circle wear
on WC ball from the first tribological measurement on the blade “V” (TiN coating)
Profily drážek vytvořených „PIN“ tělískem ve zkoumaných vrstvách. Nahoře zvrásnění povrchu na noži „V“ s vrstvou TiN, dole
miskovitý tvar drážky na noži „K“ s vrstvou DLC.
Different side faces of “PIN” trail. Top: TiN coating, Down: DLC coating
Tab. 6 Naměřené hodnoty hloubky tribologické stopy vytvořené v ochranných povlacích nožů
Tab. 6 Results from tribological measurement of depth of “PIN” trail
Nůž
„K“normální
„K“korodovaný
„P“normální
„P“-korodovaný
„V“normální
„V“korodovaný
Hloubka
drážky (µm)
10,7
11,0
12,3
12,7
17,3
14,7
Pozn.: U nože „V“ došlo výraznému zvětšení hloubky drážky pravděpodobně v důsledku ulpění nečistoty pod „PIN“ tělískem a vybroušením
rýhy na dne tribologické stopy.
Note.: Knife “V” had larger deepness of tribological trail probably, as a result of impurity under the “PIN” ball. This impurity caused deep scratch
in tribological trail.
Z druhého a třetího měření je patrné mírné zhoršování
odolnosti ochranných vrstev v korozním prostředí. U
nože „V“ v normálním stavu byla naměřena větší
hloubka drážky po „PIN“ tělísku než u korodovaného
vzorku. Ovšem hodnota hloubky drážky v normálním
stavu byla zvýšena o atypickou rýhu uprostřed drážky.
Profily vytvořených drážek se navzájem lišily, zejména
svým
charakterem,
což
odpovídá
rozdílným
povrchovým systémům.
Z prvního měření jasně vyplynulo, že „PIN“ tělísko
z PVC a oceli DIN 100Cr6 se silně opotřebovávalo,
zatímco vrstva zůstala nepoškozená. Zejména pak PVC
tělísko se „rozmazávalo“ po povrchu nože a jeho zbytky
vyplňovaly všechny dutiny a ulpívaly na nerovnostech
povrchu. PVC je stejně jako pryž materiál s dlouhými
polymerními řetězci a lze proto předpokládat, že „PIN“
tělísko z PVC mělo na vrstvu stejný vliv jako v praxi
obráběná pryž.
38
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Celkově lze konstatovat, že nože s DLC vrstvami lépe
odolávaly tvrdému „PIN“ tělísku díky vysoké tvrdosti a
výborným kluzným vlastnostem. Zatímco u vrstvy TiN
na noži „V“ bylo změřeno menší zhoršení odolnosti
vrstvy v korozním prostředí a je tedy vhodnější pro
korozní prostředí.
Úpravy povrchu
Závěr
Pro tento účel byla doporučena duplexní vrstva nitridchromnitrid. Tato vrstva je propojena s matricí
pronikajícími nitridy, které zvyšují adhezi vrstvy
k matrici. Nitridy zvyšují tvrdost povrchové vrstvy nože
a zároveň zvyšují její korozivzdornost a mez únavy.
Chromnitridová vrstva je výhodná také pro její dobré
třecí vlastnosti vzhledem k pryži.
Nože určené pro řezání pryže se nacházejí v korozním
prostředí a nejsou vystaveny výraznějšímu
abrazivnímu opotřebení. Hlavní úlohou deponovaných
vrstev je tedy ochrana proti korozi, zvýšení meze únavy
a snížení tření a nalepování při kontaktu s pryží.
Na zkoumaných nožích byla naměřena vysoká drsnost
povrchu, která vede k ulpívání pryže a zhoršení
frikčních vlastností povrchu nože. U obou DLC vrstev
byla zjištěna přítomnost mezivrstvy složené z mnoha
prvků včetně kobaltu, což je považováno za chybu
snižující životnost vrstev. U tribologických měření byla
zjištěna větší odolnost DLC vrstev, přesto je
pravděpodobné, že vrstva TiN bude v provozu vzhledem
ke koroznímu prostředí a měkkému obrobku vykazovat
delší životnost.
Alternativou může být samotné nitridování, které zlepší
dílčí vlastnosti, avšak nezajistí noži tak kvalitní korozní
ochranu. Hlavním přínosem nitridované vrstvy je
zvýšení tvrdosti, otěruvzdornosti, meze únavy,
korozivzdornosti a snížení třecího koeficientu [5].
Doporučení pro provozovatele nožů
Geometrie nožů
Poděkování
Příspěvek vznikl na základě řešení projektu „Rozvoj
oboru materiálové inženýrství a strojírenská
metalurgie“ číslo projektu SGS-2010-021, který byl
realizován v rámci interního projektu na Katedře
materiálů a strojírenské metalurgie ZČU v Plzni.
Nože
používané
v provozu
byly
pravidelně
přebrušovány z obou stran, což mělo za důsledek jen
částečné využití kladných vlastností deponovaných
vrstev.
Pro správnou funkci nožů a smysluplnost deponovaných
vrstev je doporučeno brousit nože vždy jen z jedné
strany. Důvodem je využití výborných vlastností
deponovaných vrstev a jejich přítomnost na samotném
ostří nože.
Literatura
Obr. 11 Schématický obrázek výhodnosti jednostranného broušení
ostří
Fig. 11 Schematic picture, which shows advantages of one side
sharpening
[1]
FRANTA, I. a kol.: Gumárenská technologie I − Gumárenské
suroviny, SNTL, Praha, 1979
[2]
SUBSTECH: EPDM [online],
<http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=elastomer_e
thylene-propylene_epdm>, [cit. 1.5.2011]
[3]
FREMUNT P., KREJČÍK J., PODRÁBSKÝ T., Nástrojové
oceli, 1994
[4]
LISS: Typy povlaků [online],
<http://www.liss.cz/?page=products&i=kopz2i380m8jhuf5uz90
6xd5lhqkmfwf>, [cit. 5.2.2011]
[5]
JURČI PETR,: Chemicko-tepelné zpracování ledeburitických
nástrojových ocelí pro práci za studena [online], In. Metal
2009,
<http://www.metal2011.com/data/metal2009/sbornik/Lists/Pape
rs/048.pdf>, [cit. 6.2.2011]
Recenze: prof. Ing. Vojtěch Hrubý, CSc.
doc. Ing. Ondrej Híreš, CSc.
____________________________________________________________________________________________________________________
Volkswagen zdvojnásobil čistý zisk
Mladá fronta Dnes, ČTK, iDNES.cz
24.2.2012
Německý automobilový koncern Volkswagen, jehož součástí je česká Škoda Auto, loni více než zdvojnásobil
čistý zisk na 16 mld. €. Vedení firmy navrhne výrazné zvýšení dividendy a závodní rada by pak měla požadovat
větší odměny pro zaměstnance. Společnost už v lednu oznámila, že loni poprvé v historii prodala přes 8 mil.
vozů. Prodej stoupl o 14 % na 8,156 mil. vozů. Čistý zisk za loňský rok se zdvojnásobil na 16 mld. €, což je
zhruba 400 mld. Kč. V roce 2010 byl čistý zisk.
Škoda Auto loni prodala rekordních 875 tis. aut. Meziročně prodej zvýšila o 15 %. Do roku 2018 chce
dosáhnout prodeje přes 1,5 mil. aut ročně. Volkswagen je největší automobilkou v Evropě a do roku 2018 se
hodlá stát největším výrobcem automobilů na světě. Plánuje zvýšit prodej na více než 10 mil. vozů ročně.
Firma v lednu potvrdila, že nadále usiluje o spojení s německým výrobcem sportovních vozů Porsche.
SB
39
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Biokompatibilní anorganické a organické vrstvy připravené laserem
Biocompatible Inorganic and Organic Layers Prepared by Laser
prof. Ing. Miroslav Jelínek, DrSc., Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Praha, ČVUT v Praze, Fakulta
biomedicínského inţenýrství, Kladno, prof. Ing. František Uherek, PhD., Medzinárodné laserové centrum,
Bratislava, Slovenská republika, Ing. Tomáš Kocourek Ph.D., Ing. Jan Remsa, Ing. Jan Mikšovský, Ing. Petr
Písařík, Ing. Markéta Zezulová, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Praha, ČVUT v Praze, Fakulta biomedicínského
inţenýrství, Kladno, Ing. Jaroslav Bruncko, PhD., Medzinárodné laserové centrum, Bratislava, Slovenská
republika
Laser je unikátním zdrojem energie charakterizovaný vysokou spektrální čistotou, časovou a prostorovou koherencí
a vysokou špičkovou intenzitou záření. Každá z těchto vlastností vedla k aplikacím, které využily zmíněné výhody
buď jednotlivě, nebo jako celku. Tato práce je zaměřena do oblasti laserové depozice tenkých vrstev. Při laserovém
vytváření tenkých vrstev se využívá laserového záření pro ohřev, odpaření, pyrolýzu nebo fotodisociaci pevné látky
nebo plynu. Existuje několik základních principů vytváření (depozice) tenkých vrstev: povrchová modifikace
materiálů, laser - CVD (laserem stimulovaná chemická depozice tenkých vrstev), laser PACVD (laserem
stimulovaná plazmochemická depozice tenkých vrstev) a PLD (pulsní laserová depozice). Příspěvek prezentuje
principy laserových metod pro vytváření tenkých vrstev se zřetelem na metodu PLD, hybridní PLD a kryogenní
metodu MAPLE. Prezentuje i konstrukci unikátních aparatur, včetně hybridních depozičních systémů. Dále jsou
uvedeny některé původní aplikační výsledky. Uvedeny jsou výsledky pokrytí DLC vrstvou náhrady kostí, náhrady pro
kardiochirurgii, T- cévní profily, anastomické štíty a textilní cévní implantáty. Byly prokázány výhodné fyzikální,
chemické (vysokou odolnost vůči korozi), mechanické (velmi malý koeficient otěru) a především biologické
(thromboresistentní) vlastnosti DLC vrstev. Dále jsou uvedeny výsledky pokrytí zubních implantátů vrstvami
hydroxyapatitu, jejich úspěšné osseointegrace. Dopovaný hydroxyapatit stříbrem vykazuje antibakteriální účinky
zabraňující vzniku infekce. Stejně tak vrstvy TiO2 zabraňují šíření bakterií svými fotokatalytickými vlastnostmi. U
kryogenní metody MAPLE se potvrdila shoda mezi vlastnostmi terče a vrstev.
The article summarizes the results of experiments of laser deposition of thin layers of biocompatible materials made
in Institute of Physics ASCR and ILC Bratislava. Attention is focused on the layers of diamond-like carbon, on
hydroxyapatite doped with silver, on TiO2 layers and layers of fibrinogen prepared by cryogenic methods. The
application is focused on coverage of vascular prosthesis, stents, dental implants, catheters, and the area of tissue
engineering. Heart valve prostheses were coated with amorphous diamond-like carbon (DLC) layers. These layers
were created by pulsed laser deposition (PLD) in vacuum. Smooth, homogeneous films with good adhesion over the
area of 9 cm2 were prepared. Textile blood vessels with a length of 30 cm were coated with amorphous DLC layers
with thicknesses up to 200 nm. The layers were created by pulsed laser deposition in vacuum or argon environment.
Percentage of sp3 carbon was evaluated using X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray excited Auger electron
spectroscopy and Raman spectroscopy. Depending on the deposition conditions the sp 3 content varied from ~ 40 %
to 60 %. Adhesion of the DLC layers to the textile vessels was checked. In vivo tests were evaluated. Two types of
coated vessels (more graphitic versus more sp3 content) and reference ones were implanted into into arteria carotis
of sheep. Best results were obtained with more “diamond” layers, thickness of 20 nm. Coating dental implants with
HA may offer certain advantages, such as active encouragement of new bone growth, lower rejection rate, and an
improved long-term prosthesis fixation. This study examined the mechanical and biological properties of titanium
alloy implant cores with a coating of HA created using pulsed laser deposition (PLD). The crystallinity,
morphology, wettability, and Ca/P ratio of the HA layer were investigated by electron microscopy, X-ray
diffraction, goniometric measurement of contact angle, and wavelength dispersive X-ray analysis. Cell proliferation
and metabolic activity of human embryonal lung fibroblasts were determined using counting of harvested cells and
providing an MTT assay. It was demonstrated that none of the samples were cytotoxic and their surfaces promoted
cell colonization. PLD was found to be a promising method of applying coatings onto a metal core for dental
implants, and in vitro biological tests suggest that the crystalline HA coating can improve the biological properties
of titanium. Experimental results of study of HA layers doped with silver are presented. Films properties were
characterized using profilometer, SEM, WDX, XRD and optical transmission. Content of silver in layers increased
from 0.06 to 13.7 at %. Antibacterial properties of HA, silver and doped HA layers were studied in vivo using
Escherichia coli cells. Similarly, the TiO2 layer used to prevent the spread of bacteria and their photocatalytic
properties was studied. The cryogenic methods MAPLE confirmed the agreement between the properties of targets
and layers.
40
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
se skládá z látky kterou chceme přenést do vrstvy
(polymeru, organické sloučeniny, atd.) a z rozpouštědla,
které účinně absorbuje danou vlnovou délku
depozičního laseru. Při dopadu laserového záření na terč
je záření absorbováno rozpouštědlem (matricí) a tím
nedochází k poškození organické molekuly [4,5].
Laserová depozice tenkých vrstev
Mechanismus PLD - K základnímu experimentálnímu
uspořádání patří: vakuová depoziční komora, drţák
podloţek umoţňující ohřev podloţek a přesné měření
teploty, materiál terče a laser - obr. 1. Proces přípravy
vrstvy metodou PLD můţe být stručně popsán ve třech
následujících krocích [1-3]:
 absorpce fotonů laserového svazku v terči a vypaření
povrchové vrstvy terče,
 transport vypařených částic, které formují plazmový
obláček, kolmo k povrchu terče směrem k podloţce a
interakce částic s okolním prostředím,
 kondenzace částic na povrchu podloţky a růst
vrstvy.
1
3
2
8
6
4
Obr. 2 Schéma MAPLE depozice tenkých vrstev.
Fig. 2 Scheme of MAPLE deposition of thin films.
9
Experimentální technika
5
PLD - Mezi základními prvky laserové depozice patří
laser a depoziční komora. V posledních letech se
pouţívají převáţně excimerové lasery a to díky
vysokému výstupní energii a krátké vlnové délce
výstupního záření. Absorpční koeficient materiálů
s kratšími vlnovými délkami roste a záření je tedy
absorbováno v tenčí povrchové vrstvě - je odpařena
tenčí vrstva povrchu terče. Vyšší absorpce na kratších
vlnových délkách má dále za následek sníţení ablačního
prahu. Pro depozici je nutná homogenní stopa
laserového záření na terči a je tedy vyţadován kvalitní
výstupní svazek. Laserový svazek musí dopadat přímo,
bez omezení, na terč, umístěný ve vakuové komoře. U
laserové depozice je tok materiálu z terče velmi
směrový podél normály k terči. Nicméně jistá část
materiálu kondenzuje i na ostatním povrchu komory,
včetně vstupního okna. Materiál deponovaný na oknech
sniţuje energii laserového svazku a proto je třeba
vhodně volit geometrické rozměry komor. Snadná
depozice multivrstev je jednou z výhod PLD.
V takovém případě musí terčový karusel obsahovat
několik výměnných terčů. Substrát musí být obvykle při
depozici ohříván. Pro většinu materiálů je běţná
depoziční teplota do ~ 800 oC, přičemţ teplota musí být
regulována s přesností 5 oC. Příklad PLD komory pro
depozici multivrstev je na obr. 3 [3].
7
Schéma laserové depozice (1 - laserový svazek, 2 - odraţeč, 3
- čočka, 4 - vstupní okno, 5 - karusel s terči, 6 - topný stolek
s podloţkou, 7 - vakuový čerpací systém, 8, 9 - vakuové
měrky).
Fig. 1 Scheme of laser deposition (1 - Laser beam, 2 - Reflector, 3 Lens, 4 - Input window, 5 - Carousel with targets, 6 - Heating
holder with sample, 7 - Vacuum pumping system, 8, 9 Vacuum gauge).
Obr. 1
Mechanismus MAPLE - Při PLD dochází po dopadu
laserového svazku na terč k ablaci materiálu a vytváří
se plazmový obláček ve které jsou atomy, molekuly,
ionty, atd., daného materiálu terče. Tento tok částic
dopadá na podloţku a lze vytvořit vrstvu
stechiometricky shodnou s terčem. Tzn., ţe jednotlivé
částice se zase na podloţce „sloţí“ a vytvoří původní (i
vícesloţkový) materiál ve formě tenké vrstvy. Tato
technika je vhodná pro vytváření vrstev anorganických
materiálů, nicméně není pouţitelná pro depozici
tenkých vrstev sloţitých organických molekul (aţ na
několik výjimek - jako polytetrafluoretylén), zvláště
polymerů a biomateriálů (biopolymery a proteiny). Je to
dáno skutečností, ţe interakce UV laserového záření
s polymerem má obvykle za následek fotochemický
rozklad přenášeného materiálu. Po dopadu intenzivního
záření na organický terč se emitovaný materiál totiţ
nesloţí ve vrstvě do původní struktury. Toto úskalí lze
překonat pomocí depoziční technologie MAPLE, která
umoţňuje laserem nanášet vrstvy organických
polymerů, biopolymerů, organik a biomateriálů bez
degradace jejich fyzikálních a chemických vlastností. viz obr. 2. Metoda je zaloţená na selektivní absorpci
laserového záření ve speciálně připraveném terči,
chlazeném na nízké teploty (- 40 °C aţ – 190 °C). Terč
Hybridní PLD - I přesto, ţe moţnosti PLD jsou velmi
široké a PLD umoţňuje vytvářet tenké vrstvy většiny
anorganických materiálů, je v některých případech
výhodné kombinovat PLD s dalšími technikami.
Pomocí radiofrekvenčního výboje bylo moţno zvýšit
v komoře reaktivitu pomocného depozičního a tím
docílit zvýšení jeho koncentrace ve vrstvě [1,2]. Jiným
příkladem hybridního systému je kombinace PLD a
magnetronu. Toky materiálu z obou zdrojů se protínají
41
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
způsobuje odhojování, nebo nevhojení implantátu.
Nejdůleţitějším předpokladem úspěšného vhojení je
biokompatibilita materiálu. U zubních implantátů, které
jsou vystaveny velkým ţvýkacím tlakům a působení
páčivých sil, vyhovují poţadavkům na mechanickou
odolnost zejména kovy. Kovy však většinou nesplňují
podmínky kladené na chemické vlastnosti. Ty splňují
keramické implantáty - jsou však křehké a často dochází
k jejich zlomení. Jednou z moţností jak zkombinovat
výhodné vlastnosti jednotlivých materiálů je pokrytí
kovového implantátu ochrannou vrstvou. Pak jsou
vyuţity výhodné mechanické vlastnosti kovu
s optimálními chemickými vlastnostmi biokeramik.
Jedním z nejznámějších biokeramik je hydroxyapatit
vápenatý - HA (Ca10(PO4)6(OH)2). Je to tzv. biologicky
aktivní materiál, tj. podporuje vytváření kosti mezi tkání
a implantátem. Dalším velmi často pouţívaným
materiálem je uhlík, který je biologicky inertní.
V našich experimentech jsme se soustředili na studium
implantátů pokrytých vrstvou diamantu - podobného
uhlíku (DLC - diamond - like carbon), na protézy
pokryté tenkou vrstvou HA, vrstvy TiO2 a na některé
organické vrstvy.
Obr. 3 Depoziční komora - otevřená
Fig. 3 Deposition chamber - open
na podloţce. Tato kombinace vysoko - energetického
toku částic z PLD a nízko - energetického toku z
magnetronu umoţňuje realizovat materiály nových
vlastností za zcela netypických depozičních podmínek.
Změnou opakovací frekvence laseru a výkonu
magnetronu lze vytvářet gradientní vrstvy s proměnným
materiálovým profilem. Vhodnou volbou depozičních
podmínek lze syntetizovat i nanokrystalické a
nanokompozitní vrstvy za technologicky příznivých
podmínek [3, 6-8].
Protézy a náhrady pokryté vrstvou DLC - diamant je
materiál ţádaný pro mnoho aplikací díky své extrémní
tvrdosti a chemické odolnosti. DLC vrstvy mají
vlastnosti podobné diamantu, ale jsou amorfní. Mají
vysokou odolnost vůči korozi, velmi malý koeficient
otěru a jsou biokompatibilní a thromboresistentní (tj.
DLC je např. pouţíván pro pokrytí ortopedických
kloubních implantátů, umělých srdečních chlopní,
cévních náhrad) [9-12].
MAPLE - Depozice tenkých vrstev organických
materiálů vyţaduje nový přístup k řešení depozičního
systému. Klíčovým prvkem je rotační drţák terče,
umoţňující chlazení připevněného terče na teplotu
kapalného dusíku ( - 196 oC, 77 K), při současné rotaci
terče. Příklad vyvinutého MAPLE systému je na obr. 4
[3].
rotační držák terče
(chlazený tekutým N2)
Náhrada kostí - DLC vrstvy byly deponovány na
válcové titanové implantáty (průměr 2 mm a délka 10
mm). Pokryté implantáty a nepokryté (referenční
titanové a safírové) byly voperovány do stehenních
kostí krys. Po šesti týdnech byly krysy usmrceny,
implantáty
vyoperovány
a
byla
studována
osteointegrace, tj. podíl plochy implantátů, který srostl
s kostní tkání. Poměr mezi integrovanou a
neintegrovanou částí implantátu se pohyboval u
implantátů pokrytých od 56% do 67%. U nepokrytých
titanových a safírových to bylo 45% - 57% a 29% 37%.
držák podložky
(topný stolek)
Náhrady pro kardiochirurgii - byly pokrývány umělé
srdeční chlopně, anastomické štíty a pletené cévní
náhrady. Pro docílení homogenního pokrytí těchto
sloţitých geometrických tvarů bylo nutno prvky během
depozice rotovat a natáčet (obr. 5).
Obr. 4 Kryogenní MAPLE komora
Fig. 4 MAPLE cryogenic chamber
Aplikace
vrstev
laserem
vytvořených
tenkých
Tenké vrstvy v lékařství - Perspektivní oblastí
lékařských tenkovrstvových aplikací je implantologie.
Je známo, ţe lidský organismus obtíţně akceptuje cizí
tělesa a proto je snaha se při náhradách co nejvíce
přiblíţit sloţení původního materiálu. V případě kostí
existuje moţnost vyrobit umělé náhrady a implantovat
je do lidského organismu. Implantát však musí být
vyroben z látky pro tělo přijatelné. Jedním ze závaţných
problémů je imunitní odpověď organismu, která
T- cévní profily a anastomické štíty – byly zhotoveny
z velmi hustě tkaného materiálu ve tvaru T. Pro
zabezpečení pokrytí i uvnitř trubiček byly trubičky
vyztuţeny drátkem. Byla realizována postupně PLD
depozice DLC vrstev do kaţdé trubičky zvlášť a
následně byl celek při depozici rotován. Obdobným
způsobem byly naneseny vrstvy DLC na plastikové
anastomické štíty.
42
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
uhlíkových sp3 vazeb ve vrstvě. Vzhledem k dlouhé
depoziční době (~ 100 000 laserových pulzů) docházelo
k naprašování uhlíku i na vstupní laserové okno, a proto
byla depozice realizována v 0.25 Pa argonu, kterým
bylo okno ofukováno.
Depoziční konfigurace pro pokrytí součástí umělé srdeční
chlopně vrstvou DLC
Fig. 5 Deposition configurations for covering the parts of the
artificial heart valve by DLC layer
Obr. 5
Obr. 7 Cévní náhrada ARTECOR pokrytá 200 nm vrstvou DLC
(délka 60 cm, průměr 7 mm)
Fig. 7 Blood vessel ARTECOR covered with 200 nm DLC layer
(length 60 cm, diameter 7 mm)
Textilní cévní implantáty - další aplikací DLC vrstev
je pokrytí textilních cévních náhrad. Výhodou tohoto
PLD pokrytí, oproti jiným depozičním metodám, je
depozice DLC vrstvy za pokojové teploty implantátu.
Depoziční schéma zařízení pro pokrytí cévních náhrad
je na obr. 6. Céva se vzhledem k plazmovému obláčku
pohybuje nahoru a dolů a zároveň rotuje. Byly pouţity
cévní náhrady typu ARTECOR s řídkým tkaním. Tak
bylo zajištěno, ţe cévní trubice bude pokryta DLC
vrstvou z vnější i z vnitřní strany. S vyvinutým
systémem je moţno pokrývat cévní náhrady
rovnoměrnou vrstvou DLC aţ do délky 60 cm (obr. 7).
Byly připraveny DLC vrstvy s vyšším a s niţším
poměrem
sp2/sp3 („grafitických“/“diamantových“)
vazeb.
In vivo byly testovány cévy pokryté DLC s vyšším
obsahem sp3 vazeb (~ 53 % sp3, hustota energie na terči
22 Jcm-2) a vrstvy spíše grafitické (8 Jcm-2); o tloušťce
DLC vrstvy 20 nm a 200 nm. Pokryté a nepokryté
(referenční) protézy byly voperovány do arteria carotis
(po obou stranách krku) osmi ovcí. Po 100 dnech byly
protézy vyjmuty. Z vizuálního a makroskopického
pozorování lze usoudit, ţe nejlepší průchodnost krve
byla zajištěna pro protézy pokryté DLC vrstvou o
tloušťce 20 nm a s vyšším obsahem sp3 vazeb.
Průchodnost implantátu po jeho vyjmutí z krkavice je
zachycena na obr. 8.
drţák cévy –
rotace a posun
grafitový
terč
fokusující
optika
Protéza po vyjmutí z krkavice ovce č. 1. (s vyšším obsahem
sp3 vazeb - „diamantovější“), tloušťka DLC vrstvy 20 nm).
Fig. 8 Prosthesis after removal from carotid artery of the sheep No.
1 (with higher content of sp3 bonds - "more diamond"), the
DLC layer thickness 20 nm).
Obr. 8
laser KrF
248 nm
plasmový
obláček
vakuová
komora
okno
Zubní protézy pokryté vrstvou HA - byla studována
vhodnost pouţití PLD pro pokrytí zubních protéz
tenkou vrstvou HA [13-15]. Protéza byla uchycena ve
speciálním drţáku, rotovala a během depozice byla
zahřívána na poţadovanou teplotu zářením CO2 laseru
(obr. 9).
céva
Obr. 6 Depoziční schéma PLD systému pro pokrytí textilní cévní
náhrady o délce 60 cm
Fig. 6 Scheme of the deposition PLD system for covering the textile
blood vessels with a length of 60 cm
Pokryté a nepokryté (kontrolní) implantáty byly
voperovány do zubní čelisti miniprasátek. Horní části
implantátů byly zaslepeny (nezatíţená osseointegrace,
pokus bez zubní korunky). V pokusu in - vivo byla
pouţita dvouletá miniprasátka a bylo zavedeno celkem
16 válcových implantátů s vrstvou HA. Po 16 týdnech
hojící fáze byla miniprasátka utracena, čelisti očištěny a
kolem protéz nařezány na tenké segmenty.
Změnu vazeb bylo moţno docílit změnou depozičních
podmínek (různou hustotou laserového záření na terči).
Poměr sp2/sp3 byl stanoven pomocí Ramanovy
spektroskopie, XPS a spektroskopie Augerových
elektronů. Z dekonvoluce XPS spektra a z poměru ploch
pro sp2 a sp3 vazby bylo moţno stanovit 59 % obsah
43
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Mikroskopická vyšetření potvrdila přítomnost nově
vytvořené kosti kolem všech implantátů. U kontrolních
implantátů, byla přítomna vrstva fibrózního vaziva mezi
kostí a implantátem. U vzorků s laserově nanesenou
vrstvou HA byla tato vrstva nalezena pouze zřídka.
Stříbrem dopované vrstvy hydroxyapatitu - HA
vrstvy dopované Ag [16] byly připraveny metodou PLD
s pouţitím excimerového KrF laseru (= 248 nm, = 20
ns, opakovací frekvence 10 Hz). Laserový svazek byl
fokusován na stříbrný a HA terč s hustotou energie 2
Jcm-2. Podloţka (titan, tavený křemen nebo křemík
(111)) byla ve vzdálenosti 5 cm od terče. Substrát měl
buď pokojovou teplotu (RT) nebo byl ohřátý na 600°C,
aby bylo moţné vytvořit amorfní či krystalické vrstvy.
Vrstvy rostly ve směsi vodních par a argonu o tlaku 40
Pa. Pro depozici Ag + HA vrstev byl HA terč částečně
přikryt Ag destičkou, aby bylo dosaţeno poţadovaného
procentuálního zastoupení Ag v HA vrstvě. In vivo test HA vrstvy dopované s různými koncentrace stříbra
(0,06 at.%, 0,3 at.%, 1,2 at.%, 4,4 at.%, 8,3 at.% a 13,7
at.%) byly testovány na antibakteriální účinnost podle
vzorce:
PBref – PBexp
ABÚ = ---------------------PBref
Depozice tenkých vrstev HA na zubní implantáty (1 - svazek
KrF laseru, 2 - fokusační optika, 3 - vstupní okno, 4 - ZnSe
fokusační optika, 5 - svazek CO2 laseru, 6 - plazmový
obláček, 7 - implantát, 8 - drţák implantátu, 9 homogenizátor, 10 - terč, 11 - napouštění plynů, 12 - vakuový
čerpací systém)
Fig. 9 Deposition of thin films of HA on dental implants (1 - KrF
laser beam, 2 - Focusing optics, 3 - Input window, 4 Focusing Optics ZnSe, 5 - CO2 laser beam, 6 - Plasma plume,
7 - Implant, 8 - Holder of the implant, 9 - Homogenizer, 10 Target, 11 - Filling gases, 12 - Vacuum pumping system)
Obr. 9
ABÚ - Antibakteriální účinnost
PBref - Počet buněk v referenční skupině
PBexp - Počet buněk v experimentální skupině
kde byl zjišťován počet ţivých (přeţivších) buněk) proti
kmenu B. subtilis. Srovnání jejich antibakteriální
účinnosti po 1 hodině a po 24 hodinách kultivace
vyjádřená jako procento usmrcených buněk je uvedena
v tabulce 1. Kromě vrstev s velmi nízkým obsahem
stříbra (Ag 0,06 at.%) všechny analyzované vzorky
vykazují antibakteriální účinky, i po jedné hodině
kultivace s bakteriemi. Po 24 hodinách kultivace se
antibakteriální účinnost zvyšuje postupně aţ na 99,9% u
vzorků s koncetrací stříbra vyšší neţ 4,4 at.%. Počet
kolonií kmenu B. subtilis se sniţuje jak s časem, tak
s rostoucí koncentrací stříbra ve vrstvách HA. Ve
vzorcích s koncentrací stříbra nad 4,4 at.% nejsou
pozorovány ţádné kolonie kmenu B. subtilis. Je zřejmé,
ţe vrstvy HA dopované stříbrem s koncentracemi 4,4
at.%, 8,3 at.% a 13,7 at.% vykazují výborné
antibakteriální schopnosti.
Plocha kontaktu kosti s implantátem se pohybovala u
titanových implantátů okolo 75,5 % a u implantátů
pokrytých HA okolo 77,3 %. Dále byla studována
osseointegrace 24 pokrytých zubních implantátů a 4
nepokrytých implantátů z Ti6Al4V v zatíţeném reţimu.
Pro experiment byla pouţita 4 miniprasátka. Po 16
týdnech nezatíţené osseointegrace byly na implantáty
našroubovány metalokeramické korunky. Příklad sanice
s implantáty a našroubovanými korunkami je na obr. 10.
Jeden rok po tomto úkonu byla prasátka usmrcena.
Kolem pokrytých implantátů byla nalezena nově vrostlá
kost, prakticky bez neţádoucích fibrozních tkání.
Naproti tomu u kontrolní skupiny implantátů
(nepokrytých, titanových) bylo toto fibrozní spojení
nalezeno. Oblast kontaktu kost - implantát byla pro
nepokryté implantáty 62,5 % a u implantátů pokrytých
HA vrstvou 77,5 %.
Tab.1 Antibakteriální účinnost Ag v HA vrstvách proti kmenu B.
subtilis (po 1 hodině a po 24 hodinách).
Tab. 1 Antibacterial efficacy of Ag in HA layers against strain B.
subtilis (after 1 hour and after 24 hours).
koncentrace
Ag [at.%]
0 at.%
0,06 at.%
0,3 at.%
1,2 at.%
4,4 at.%
8,3 at.%
13,7 at.%
ABÚ [%]
1 hodina
0
0
27,3
54,5
90,4
81,3
68,3
ABÚ [%]
24 hodin
0
71,0
71,8
93,4
99,9
99,9
99,9
Vrstvy TiO2 pro uretrální katetr - Pro odvod moči
z močového měchýře se pouţívá systém skládající se
z katetru, hadiček a drenáţního vaku. Pro zabráněni
průniku infekčních bakterií do odvodného systému
Obr. 10 Sanice s implantáty pro studium zatíţené osseointegrace
Fig. 10 Jaw with implants for the study of loaded osseointegration
44
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
katetru a vzniku infekcí v močovém traktu lze pouţít
sterilizační jednotku (viz obr. 11) integrovanou do
uretrálního katetru. Ta sníţí riziko tvorby neţádoucího
biofilmu v odtokovém systému. Je to realizováno
vloţením plastikové cely uvnitř pokryté tenkou vrstvou
TiO2 [17]. Systém je aktivovaný UV LED. UV záření je
efektivní bakteriostatický nástroj. Depozice TiO2 vrstvy
pomocí PLD umoţní docílit vysoké adheze vrstvy k
povrchu plastikové cely, deponovat polykrystalickou
vrstvu za nízké teploty podloţky a maximalizovat
anatasovou fázi TiO2 oproti fázi rutilové a tím zvýšit
fotokatalytické vlastnosti vrstvy.
Závěr
Přednáška prezentuje principy laserových metod pro
vytváření tenkých vrstev se zřetelem na metodu pulsní
laserové depozice a kryogenní metodu MAPLE.
Prezentuje i konstrukci unikátních aparatur, včetně
hybridních depozičních systémů. Dále jsou uvedeny
některé původní aplikační výsledky.
Poděkování
Grant Česko-Slovenské spolupráce: Kontakt – MEB
0810156, grant APVV MŠVVaŠ SR SK-CZ-0174-09,
grant SGS10/222/OHK4/2T/17 a grant GAČR
P108/10/1315.
Literatura
[1]
CHEUNG J.T., SANKUR H.: CRC Critical Reviews in Solid
State and Material Sciences, 1988, 15, 63-109.
[2]
Laser Ablation and Desorption, Edited by J.C.Miller and R.F.
Haglund, Vol. 30, Experimental Methods in the Physical
Sciences, Academic Press, 1998.
[3]
JELÍNEK M., Doktorská disertační práce, Praha 1999.
Obr. 11 Schéma sterilizační urinální jednotky
Fig. 11 Scheme of urinal sterilization unit
[4]
CHRISEY D.B., HUBLER G.K., Pulsed Laser Deposition of
Thin Films, John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Vrstvy deponované MAPLE technologií - Výhody
této unikátní technologie byly testovány na řadě
organických látek jako např.: fibrinogen (obr. 12),
pullulan, polyvinylalkohol, kryoglobulin, InAcAc,
PhNi, CuTTP a PhCo. Při optimálních depozičních
podmínkách bylo docíleno shody mezi terčem a
vlastnostmi vrstev. Pozornost byla zaměřena zejména na
studium povrchu (AFM), FTIR a Ramanovská spektra.
Mnoha experimenty bylo dokázáno, ţe rychlost růstu
vrstev u MAPLE je ve srovnání s PLD menší [18-25].
[5]
PIQUÉ A., MCGILL R.A., CHRISEY D.B., LEONHARDT D.,
MLSNA T.E., SRAPGO B.J., CALLAHAN J.H., VACHET
R.W., CHUNG R., BUCARO M.A., Thin Solid Films, 1999,
355, 536-541.
[6]
JELINEK M., KOCOUREK T., KADLEC J., VORLICEK V.,
CERNANSKY M., STUDNICKA V., SANTONI A., BOHAC
P., UHEREK F., Thin Solid Films, 2006, 506, 101-105.
[7]
KOCOUREK T., JELÍNEK M., KADLEC J., POPOV C.,
SANTONI A., Plasma Process and Polymers, 2007, 4, S651S654.
[8]
JELÍNEK M., KOCOUREK T., ZEMEK J., NOVOTNÝ M.,
KADLEC J., Appl Phys A, 2008, 93, 633-637.
[9]
JELÍNEK M., DOSTÁLOVÁ T., FOTAKIS C., STUDNIČKA
V., JASTRABÍK L., HAVRÁNEK V., GRIVAS C.,
HNATOWICZ V., KADLEC J., PATENTALAKI A., PEŘINA
V., Int. J. Laser Physics, 1996, 5, 143-149.
[10]
POPOV C., KULISH W., BLIZNAKOV S., MEDNIKAROV
B., SPASOV G., PIROV J., JELÍNEK M., KOCOUREK T.,
ZEMEK J., Appl. Phys., 2007, A 89, 209-212.
[11]
KOCOUREK T., JELÍNEK M., VORLÍČEK V., ZEMEK J.,
JANČA T., ŢIŢKOVÁ V., PODLAHA J., POPOV C., Appl
Phys A, 2008, 93, 627-632.
[12]
JELÍNEK M., SMETANA K., KOCOUREK T.,
DVOŘÁNKOVÁ B., ZEMEK J., REMSA J., LUXBACHERE
T., Materials Science and Engineering B, 2010, 169, 89-93.
[13]
SEYDLOVA M., TEUBEROVA Z., DOSTALOVA T.,
DVORANKOVA B., SMETANA K., JELINEK M.,
KOCOUREK T., MROZ W., J. of Applied Physics, 2006, 99,
1, 014905-1-014905-6.
[14]
TEUBEROVA Z., SEYDLOVA M., DOSTALOVA T.,
DVORANKOVA B., SMETANA K., JELINEK M.,
MASINOVA P., KOCOUREK T., KOLAROVA K., WILSON
J., Laser Physics, 2007, 17, 1, 45-49.
[15]
JELINEK M., DOSTALOVA T., TEUBEROVA Z.,
SEYDLOVA M., MASINOVA P., KOCOUREK T., MROZ
W., PROKOPIUK A., SMETANA K., Biomolecular
Engineering, 2007, 24, 1, 103-106.
Obr. 12 Průběh FTIR spekter vrstev fibrinogenu pro různé hustoty
energie laserového záření na terči ve srovnání se základním
materiálem (dropcast)
Fig. 12 FTIR spectra of fibrinogen layers for different energy
densities of laser radiation on the target in comparison with
the basic material (dropcast)
45
Povrchová úprava
Surface Treatment
[16]
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
JELINEK M., WEISEROVA M., KOCOUREK T., JUREK K.,
STRNAD J., Laser Physics, 2010, 20, 3, 562-567.
[21] JELINEK M., KOCOUREK T., REMSA J., CRISTESCU R.,
MIHAILESCU I.N., CHRISEY D.B., Laser Physics, 2007, 17,
2, 66-70.
[17] REMSA J., JELÍNEK M., KOCOUREK T., MIKŠOVSKÝ J.,
STUDNIČKA V., VORLÍČEK V., SVÁTA V.,
VYMĚTALOVÁ V., J. of Optoelectronics and Advanced
Materials, 2010, 12, 3, 754-757.
[18]
FRYČEK R., VYSLOUŢIL F., MYSLÍK V., VRŇATA M.,
KOPECKÝ D., ECKRT O., FITL P., JELÍNEK M.,
KOCOUREK T., ŠIPULA R., Sensors and Actuators B, 2007,
125, 189-194.
[19] CRISTESCU R., KOCOUREK T., MOLDOVAN A.,
STAMATIN L., MIHAIESCU D., JELINEK M., STAMATIN
I., MIHAILESCU I.N., CHRISEY D.B., Applied Surface
Science, 2006, 252, 13, 4652-4655.
[20] CRISTESCU R., DORCIOMAN G., RISTOSCU C., AXENTE
E., GRIGORESCU S., MOLDOVAN A., MIHAILESCU I.N.,
KOCOUREK T., JELINEK M., ALBULESCU M.,
BURUIANA T., MIHAIESCU D., STAMATIN I., CHRISEY
D.B., Applied Surface Science, 2006, 252, 13, 4647-4651.
[22]
JELINEK M., CRISTESCU R., AXENTE E., KOCOUREK T.,
DYBAL J., REMSA J., PLESTIL J., MIHAIESCU D.,
ALBULESCU M., BURUIANA T., STAMATIN I.,
MIHAILESCU I.N., CHRISEY D.B., Applied Surface Science,
2007, 253, 19, 7755-7760.
[23]
JELINEK M., REMSA J., BRYNDA E., HOUSKA A.,
KOCOUREK T., Applied Surface Science, 2007, 254, 4, 12401243.
[24]
JELÍNEK M., CRISTESCU R., KOCOUREK T., VORLÍČEK
V., REMSA J., STAMATIN L., MIHAILESCU D.,
STAMATIN I., MIHAILESCU I.N., CHRISEY D.B., Journal
of Physics, 2007, 59, 22-27.
[25] CRISTESCU R., JELÍNEK M., KOCOUREK T., AXENTE
E., GRIGORESCU S., MOLDOVAN A., MIHAILESCU D.,
ALBULESCU M., BURUIANA T., DYBAL J., STAMATIN
I., MIHAILESCU I.N., CHRISEY D.B., Journal of Physics,
2007, 59, 144.
Recenze: prof. Ing. Jaromír Kadlec, CSc.
_____________________________________________________________________________________________
European Symposium on Atomic Spectrometry ESAS 2012
XXth Slovak - Czech Spectroscopic Conference
Slovak Spectroscopic
Society
member of the
Association of Slovak
Scientific and
Technological
Societies
Ioannes Marcus
Marci
Spectroscopic
Society
European Symposium on Atomic
Spectrometry ESAS 2012
XXth Slovak - Czech Spectroscopic Conference
October 7 – 12, 2012
Grandhotel Praha, Tatranská Lomnica, High Tatras, Slovakia
With special support by:
Atomic and Molecular Spectroscopy Working Group of the Committee of Analytical
Chemistry of Polish Academy of Sciences
DASp, German Working Group for Applied Spectroscopy
Committee of Analytical and Environmental Chemistry of Hungarian Academy of
Sciences
http://www.spektroskopia.sk/esas-scsc/sk
46
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Analýza vybraných typov supertvrdých povlakov vyhotovených procesom
LARC®
Analysis of Properties of Selected Types of Superhard Layers Prepared by
LARC® Process
Ing. Martin Sahul, doc. Ing. Ľubomír Čaplovič, PhD., doc. Ing. Martin Kusý, PhD., Slovenská technická
univerzita v Bratislave, Materiálnotechnologická fakulta, Trnava, Slovenská republika, Ing. Jozef Sondor, LISS,
a.s., Rožnov pod Radhoštěm
Príspevok sa zaoberá analýzou moderných supertvrdých povlakov deponovaných na rôzne typy ocelí. Ako základný
materiál bola zvolená konštrukčná uhlíková oceľ s označením 41CrAlMo7 a martenzitická vytvrdzovateľná oceľ
MAR 200 (HCM 18). Za účelom zlepšenia celkových vlastností boli na obe typy substrátov nanesené povlaky TiCN –
MP, DLC a CrN. Všetky typy povlakov boli deponované pomocou procesu oblúkového naparovania s bočne
umiestnenými rotujúcimi katódami (LARC®). Analýzy boli prednostne zamerané na posúdenie morfológie takto
pripravených povlakov z hľadiska vybraných deklarovaných hodnôt koeficientov trenia. Na charakterizáciu
povlakov bol použitý vysokorozlišovací rastrovací elektrónový mikroskop JEOL JSM 7600F s FEG katódou. Za
účelom detailného sledovania rozhrania PVD povlak – substrát bola vykonaná EDX analýza. Povrchová drsnosť
bola určená pomocou laserovej konfokálnej mikroskopie. Na analýzu fáz prítomných v povlakoch sa použila rtg.
difrakčná analýza, ktorá sa realizovala nielen v klasickom usporiadaní Bragg – Brentano, ale aj metódou kĺzavého
lúča (Grazing Incidence).
The article deals with analysis of advanced superhard coatings deposited onto various types of steels. 41CrAlMo7
structural carbon steel and MAR 200 (HCM 18) martensitic steel were selected as substrates. In order to improve
overall properties of these materials, TiCN – MP, DLC and CrN coatings were evaporated onto mentioned steels.
Latheral Rotating Cathode process (LARC®) was chosen for deposition of individual coatings. The analyses were
preferentially focused on the assessment of morphology of thus prepared coatings according to selected declared
friction coefficient values.
Field emission gun high resolution scanning electron microscope JEOL JSM 7600F was used for characterization
of thin coatings. Morphology of coatings was observed in back scatter electron imaging. EDX analysis was utilized
for more detailed investigation of PVD coating – substrate interface. Laser confocal microscopy was used for
surface roughness determination. Detection of phases present in deposited superhard coatings was carried out with
use of a XRD analysis. In addition to Bragg – Brentano geometry, Grazing incidence (GI) technique allowing
suppressing of diffraction peaks of the substrate was used. The course of LARC® process is characterized by
formation of micro-particles and their condensation in the coating. Presence of these microspheres equivalent to the
chemical composition with the coating was detected in all coatings.
CrN coating contained inter-metallic compound of CrN with slightly reduced lattice parameter. The presence of
diffusion Cr – Fe interlayer in TiCN coating had a beneficial effect on the elimination of internal stresses. The 3D
analysis of deposited coatings surface showed that the smallest surface roughness was detected in the DLC coating
and the highest roughness was measured in TiCN coating. At the same time the presence of micro-particles, the
density of which was the highest in the CrN and TiCN crystallic coatings, was confirmed. Size and distribution of
defects was significantly smaller in the case of DLC coating than in previous coatings.
opotrebeniu [2]. Povlaky TiCN sú často viacvrstvové
štruktúry so striedajúcimi sa vrstvami s rôznymi
pomermi C:N, čo zvyšuje lomovú húževnatosť povlaku
[3]. Povlaky CrN sú charakterizované jemnosťou zrna
a štruktúrou s prítomnosťou nízkych napätí, čo
umožňuje nanášanie povlakov väčších hrúbok, než
konvenčné PVD povlaky s hrúbkou niekoľko µm [4,5].
Výskum v oblasti nanášania PVD povlakov prebieha na
viacerých výskumných pracoviskách [6].
Úvod
Tenké a super tvrdé povlaky deponované na nástrojoch
sa v súčasnosti používajú čoraz častejšie, najmä vďaka
rýchlemu vývoju v oblasti technológií nanášania,
tribologickým vlastnostiam povlakov a možnosťami ich
aplikácie [1]. Existuje viacero typov povlakov, ktoré sa
v závislosti od aplikácie môžu nanášať na rôzne druhy
materiálov (substrátov). Medzi uvedené povlaky sa
zaraďujú aj TiCN, CrN a DLC (Diamond Like Carbon).
DLC je materiál, prevažne s väzbou sp3, ktorá vykazuje
požadované vlastnosti diamantu [3]. DLC povlaky sa
používajú z dôvodu zníženia koeficientu trenia povrchu
(až na hodnotu 0,01) a zlepšenia odolnosti proti
Použitý materiál a experimentálne techniky
V rámci experimentu boli ako základný materiál
(substrát) zvolené dva druhy ocelí v stave po tepelnom
47
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
spracovaní. Prvou z nich je konštrukčná uhlíková oceľ
41CrAlMo7, vhodná najmä ako východisková oceľ pre
procesy nitridácie. Používa sa na výrobu častí parných
armatúr s vysokou únavovou pevnosťou, pracujúcich pri
teplotách 350 až 500 ºC. Ako druhý materiál bola
použitá martenzitická vytvrdzovateľná oceľ MAR 200
(HCM 18), vhodná na výrobu extrémne namáhaných
strojných súčiastok. Výber týchto materiálov bol
zvolený s prihliadnutím na predpokladané použitie v
prevodových mechanizmoch s nízkym koeficientom
trenia.
Chemické zloženie oboch typov ocelí je uvedené v tab.
1 a 2. Na každej vzorke boli pomocou procesu LARC®
(Latheral Rotating Cathodes) – vákuového naparovania
s bočne umiestnenými rotujúcimi katódami deponované
tri rôzne povlaky: CrN, TiCN – MP a DLC.
Rozhodujúcim kritériom pre voľbu povlakov, aj
vzhľadom na predchádzajúci výber substrátov, bol
najnižší koeficient trenia.
Tab. 1 Chemické zloženie ocele 41CrAlMo7
Tab. 1 Chemical composition of 41CrAlMo7 steel
C
0,42
Si
0,42
Chemické zloženie ocele 41CrAlMo7 [hm. %]
Mn
P
S
Cr
Mo
Al
Ti
0,50 0,025 0,013 1,49 0,29 0,869 0,09
W
0,23
Tab. 2 Chemické zloženie ocele MAR 200 (HCM 18)
Tab. 2 Chemical composition of MAR 200 steel
C
0,025
Chemické zloženie ocele MAR 200 (HCM 18) [hm. %]
Si
Mn
P
S
Co
Mo
Ni
Ti
Al
0,08 0,04 0,084 0,010 7,00 4,76 17,65 0,61 0,12
CrN povlak sa vyznačuje vynikajúcou odolnosťou proti
korózii
a výrobca
ho
odporúča
najmä
na výrobu foriem a lisovacích nástrojov. Maximálna
prevádzková teplota povlaku CrN je 700 ºC. Firma
PLATIT AG udáva nanotvrdosť vrstvy do 18 GPa
a koeficient trenia 0,3. Povlak TiCN je charakteristický
kombináciou
vysokej
tvrdosti
karbidu
TiC
a termochemickej stability nitridu TiN. Povlak má
podľa údajov spoločnosti PLATIT koeficient trenia 0,2
s nanotvrdosťou vrstvy až do 32 GPa a maximálnou
prevádzkovou teplotou povlaku 400 ºC. Nanotvrdosť
DLC povlaku dosahuje hodnoty v rozsahu od 25 do 30
GPa s maximálnou prevádzkovou teplotou 700 ºC
a koeficientom trenia 0,1. Proces LARC® bol
realizovaný vo firme LISS a.s. Rožnov pod Radhoštěm.
Jednotlivé PVD povlaky boli deponované na
zariadeniach PLATIT. Vzorky boli pred procesom
evaporácie vyleštené na diamantovej suspenzii
BUEHLER Metadi 1µm a potom odmastené. Na
analýzu tenkých povlakov boli použité vzorky v tvare
diskov s rozmermi Ø 20 mm x 4 mm.
Cr
0,06
použil objektív s numerickou apertúrou 0,95 a
zväčšením 100 x.
Súčasne s charakterizáciou povrchu boli identifikované
aj prítomné fázy vo vrstve pomocou rtg. difrakčnej
analýzy. Na túto analýzu bol použitý difraktometer
Philips PW1710 s Bragg – Brentanovou geometriou,
grafitovým monochromátorom v difraktovanom zväzku
a proporcionálnym detektorom. Parametre snímania boli
zvolené s ohľadom na charakter povlakov, najmä
hrúbku (cca. 2 µm). Preto sme použili okrem Braggovej
– Brentanovej geometrie aj techniku „Grazing
Incidence“ (GI), ktorá umožňuje potlačiť difrakčné
maximá substrátu. Zdrojom rtg. žiarenia bola Co anóda
(K1,2 = 0,178897 nm). Pri snímaní boli použité tieto
parametre: I = 40 kV, U = 30 mA, dĺžka kroku 0,05°/5s.
Dosiahnuté výsledky a diskusia
Morfológia povrchov nanesených povlakov je
dokumentovaná na obr. 1 a až c. Na všetkých povlakoch
bola detekovaná prítomnosť mikročastíc ekvivalentná
chemickým zložením s povlakom. Vznik mikročastíc
pravdepodobne súvisí s priebehom procesu LARC®,
počas ktorého dochádza k tvorbe mikrokvapiek a ich
kondenzácie v povlaku. Tieto sa uvoľňujú z katódy
počas procesu povlakovania a zabudovávajú sa do
vytváraného povlaku. To môže súvisieť s nárastom
drsnosti povlaku, ktorá bola v ďalšej fáze analýzy
tenkých vrstiev dokumentovaná snímkami získanými
konfokálnou laserovou mikroskopiou. Morfológia
jednotlivých povlakov bola pozorovaná pri rovnakom
zväčšení
(10 000x).
Tmavšie
oblasti
môžu
reprezentovať mikropórovitosť povlaku.
Prednostne sme sa zamerali na hodnotenie morfológie
takto pripravených povlakov vzhľadom na vybrané
deklarované hodnoty koeficientov trenia. Na
charakterizáciu
tenkých
vrstiev
bol
použitý
vysokorozlišovací rastrovací elektrónový mikroskop
JEOL JSM 7600F s FEG katódou. Morfológia povlakov
bola pozorovaná v režime spätne odrazených
elektrónov. Všetky vzorky boli pred pozorovaním
očistené v acetóne ultrazvukovou energiou. Drsnosť
povrchu
bola
meraná
pomocou
laserového
konfokálneho mikroskopu ZEISS LSM 700. Zdrojom
žiarenia bol diódový laser s vlnovou dĺžkou λ = 405 nm.
Pri analýze drsnosti povrchov, ako aj topografii sa
48
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
TiCN (41CrAlMo7)
CrN (41CrAlMo7)
a)
b)
DLC (41CrAlMo7)
c)
Obr. 1 a) Morfológia povlaku CrN na oceli 41CrAlMo7, b) Morfológia povlaku TiCN na oceli 41CrAlMo7, c) Morfológia povlaku DLC na
oceli 41CrAlMo7
Fig. 1 a) CrN coating morphology on 41CrAlMo7 steel, b) TiCN coating morphology on 41CrAlMo7 steel, c) DLC coating morphology on
41CrAlMo7 steel
a)
b)
Cr
N
Si
Fe
Al
Obr. 2 a) EDX analýza povlaku CrN na oceli 41CrAlMo7, b) Difrakčné rtg. spektrum povlaku CrN na oceli MAR 200 (GI)
Fig. 2 a) EDX analysis of CrN coating deposited on 41CrAlMo7 steel, b) XRD pattern of CrN coating on MAR 200 steel (GI)
Kvalitatívna fázová analýza povlakov pomocou rtg.
difrakčnej analýzy ukázala, že v prípade povlaku CrN
bola vrstva tvorená intermetalickou fázou CrN s mierne
zmenšeným parametrom mriežky (0,4140/0,4138 nm).
Slabé difrakcie od Fe zodpovedajú príspevku substrátu
do celkového difrakčného obrazu vrstvy. Nebolo
pozorované výrazné rozšírenie difrakčných maxím
jednotlivých kryštalografických rovín (obr. 2b), čo
dokazuje neprítomnosť vnútorných napätí vo vrstve.
Prítomnosť difúznej medzivrstvy Cr – Fe v tomto
povlaku mala teda priaznivý účinok na ich elimináciu.
medzi koncentráciami prvkov Cr a Fe možno považovať
za rozhranie medzi povlakom CrN a Cr-Fe difúznou
medzivrstvou. Prítomnosť fázy CrN bola zistená aj
pomocou rtg. difrakčnej analýzy.
Na obr. 3a je zaznamenaný priebeh zmeny koncentrácie
prvkov cez rozhranie deponovaného TiCN povlaku na
substrát. Bol dokumentovaný konštantný priebeh C v
povlaku. Naopak, obsah prvkov Ti a N klesali smerom k
rozhraniu medzi povlakom TiCN a substrátom. Za
rozhranie medzi povlakom a deponovanou oceľou sa
pokladá priesečník medzi koncentráciami Ti a Fe, čo
potvrdzuje
aj
záznam získaný elektrónovým
mikroskopom JEOL JSM 7600F. Pomocou rtg.
difrakčnej analýzy sa zistila prítomnosť fázy C0,7N0,3Ti
(obr. 3b).
Čiarovým profilom zmeny koncentrácie sledovaných
prvkov cez rozhranie CrN povlak - substrát bol
dokumentovaný pokles obsahu Cr a N smerom z
povlaku do základného materiálu (obr. 2a). Priesečník
49
Povrchová úprava
Surface Treatment
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
a)
b)
Ti
N
Si
C
Fe
Obr. 3 a) EDX analýza povlaku TiCN, b) Difrakčné rtg. spektrum povlaku TiCN na oceli 41CrAlMo7 (GI)
Fig. 3 a) EDX analysis of TiCN coating, b) XRD pattern of TiCN coating on 41CrAlMo7 steel (GI)
Na obr. 4a je zaznamenaný priebeh zmeny koncentrácie
prvkov cez rozhranie deponovaného DLC povlaku na
substrát. Bol dokumentovaný konštantný nárast Si
s lokálnym maximom na rozhraní vrstva-substrát
a konštatntý pokles C vo vrstve smerom k rozhraniu.
Rtg. difrakčnou analýzou nebola registrovaná
prítomnosť kryštalickej fázy v deponovanej vrstve.
Okrem fáz substrátu (ferit a cementit) neboli
identifikované žiadne iné fázy. Toto dokazuje, že
nanesený povlak bol amorfný, aj keď sa žiadna amorfná
fáza na difrakčnom obraze nepotvrdila.
a)
b)
Cr
C
Si
Fe
Obr. 4 a) EDX analýza povlaku DLC, b) Difrakčné rtg. spektrum povlaku DLC na oceli 41CrAlMo7 (GI)
Fig. 4 a) EDX analysis of DLC coating, b) XRD pattern of DLC coating on 41CrAlMo7 (GI)
Výsledky topografie povrchu, ako aj drsnosti povlakov
CrN, TiCN a DLC získané laserovou konfokálnou
mikroskopiou sú dokumentované na obr. 5a až c. Z 3D
analýzy povrchu deponovaných povlakov vyplynulo, že
najmenšia drsnosť povrchu bola detekovaná pri DLC
povlaku a najvyššia pri povlaku TiCN. Výsledky sú
uvedené v tabuľke 3. Súčasne sa potvrdila aj prítomnosť
mikročastíc, ktorých hustota bola najvyššia pri
kryštalických povlakoch CrN a TiCN. V prípade
povlaku DLC bola veľkosť aj rozloženie defektov
výrazne menšia ako pri predchádzajúcich povlakoch.
a)
b)
c)
Obr. 5 Mikrogeometria povlaku a) TiCN – MP, b) CrN, c) DLC
Fig. 5 Micro-geometry of coatings a) TiCN – MP, b) CrN, c) DLC
50
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Povrchová úprava
Surface Treatment
Tab. 3 Hodnoty Ra a Rz všetkých povlakov
Tab. 3 Ra and Rz values of all coatings
povlak
Ra
[µm]
Rz
[µm]
CrN
0,057
0,696
TiCN – MP
0,088
1,064
DLC
0,029
0,366
Poďakovanie
Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP
Výskum a vývoj pre projekt CE pre vývoj a aplikáciu
diagnostických metód pri spracovaní kovových a
nekovových materiálov, ITMS: 26220120048
spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu
regionálneho rozvoja.
Literatúra
[1]
HOLMBERG, K., RONKAINEN, H., LAUKKANEN, A.,
WALLIN, K., HOGMARK, S., JACOBSON, S., WIKLUND,
U., SOUZA, R. M., STÅHLE, P.: Residual Stresses in TiN,
DLC and MoS2 Coated Surfaces with Regard to their
Tribological Fracture Behaviour. In Wear 2009, Vol. 267, Issue
12, p. 2142 - 2156.
[2]
MARTIN, P. M.: Handbook of Deposition Technologies for
Films and Coatings (Third Edition). Elsevier, 2010, ISBN: 9780-8155-2031-3, 936 p.
[3]
MATTOX, D. M.: Handbook of Physical Vapor Deposition
(PVD) Processing. New Jersey: William Andrew
Publishing/Noyes, 1998, ISBN: 978-0-81-552037-5, 917 p.
[4]
PULUGURTHA, S. R.: Chromium Nitride and Chromium
Aluminum Nitride Epitaxial Films for Growth of Alphaalumina by AC Reactive Magnetron Sputtering. ProQuest,
2007, ISBN 9780549361459, 155 p.
[5]
YAO, S. H., SU, Y. L., KAO, W. H.: Effect of Ag/W Addition
on the Wear Performance of CrN Coatings Prepared by RF
Unbalanced Magnetron Sputtering. In Materials Science and
Engineering: A, Vol. 398, Issues 1 - 2, 88 - 92 p.
[6]
KALSS, W., REITER, A., DERFLINGER, V., GEY, C.,
ENDRINO, J.L.: Modern coatings in high performance cutting
applications, Scripta Materialia, Vol.54 (2006) 1847–1851
Záver
Výsledky analýzy super tvrdých a tenkých povlakov
deponovaných metódou LARC® na rôzne druhy
substrátov ukázali na ich rozdielny morfologický
a štruktúrny charakter. Pri výbere kritéria povlakov
s najnižším koeficientom trenia sa preukázalo, že
korešponduje s drsnosťou povrchu, ako potvrdili
výsledky laserovej konfokálnej mikroskopie. Na
všetkých povlakoch bola detekovaná prítomnosť
mikročastíc ekvivalentná chemickým zložením s
povlakom. Kvalitatívna fázová analýza povlakov
pomocou rtg. difrakčnej analýzy ukázala, že v prípade
povlaku CrN bola vrstva tvorená intermetalickou fázou
CrN s mierne zmenšeným parametrom mriežky.
Prítomnosť difúznej medzivrstvy Cr-Fe v povlaku mala
priaznivý vplyv na elimináciu napätí. Z 3D analýzy
laserovou konfokálnou mikroskopiou povrchov
deponovaných povlakov bola zistená najvyššia hodnota
strednej aritmetickej odchýlky profilu Ra a najväčšej
výšky profilu Rz v prípade povlaku TiCN - MP.
Najnižšie hodnoty vykazoval povlak DLC.
Recenze: prof. Ing. Vlastimil Vodárek, CSc.
Ing. David Kusmič, Ph.D.
____________________________________________________________________________________________________________________
Arcelormittal investuje do závodu Florange, ve druhém pololetí je možné znovu zahájit
provoz
SBB
2.3.2012
Arcelormittal má investovat 17 mil. € ve svém integrovaném závodě ve Florange, kde je nyní dočasně
zastavena výroba v primárním úseku. Primární výroba by mohla být znovu zahájena ve druhém pololetí,
ale pouze tehdy, dojde-li k dalšímu zotavení trhu. CEO Lakshmi Mittal se 29.2.2012 sešel s francouzským
presidentem Nikolasem Sarkozym, aby znovu potvrdili závazek firmy k Florange a posílení jeho
konkurenceschopnosti.
Očekává se, že z oznámených 17 mil. € budou asi 2 mil. € investovány do údržby primární části, aby byla
zajištěna její připravenost na obnovení provozu ve druhé polovině roku v případě, že dojde
k ekonomickému zotavení. 7 mil. € bude investováno do nového plynojemu na koksárenský plyn, zatímco
8 mil. € se investuje ve finalizujícím závodě do vývoje nových výrobků využívaných v automobilovém
průmyslu.
Osud hutního závodu Florange se stal předmětem politické debaty před prvním kolem francouzských
prezidentských voleb, které proběhne 22.4.2012. V rozhlasovém rozhovoru dne 1.3.2012 Nikolas
Sarkozy prohlásil, že je přesvědčen o tom, že výroba v primárním úseku závodu Florange bude ve
druhém pololetí obnovena.
LZ
51
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
automatizace, počítačová
simulace, výpočetní metody
Predikce korozního úbytku materiálu pomocí umělých neuronových sítí
Prediction of Corrosion Material Loss by Use of Artificial Neural Networks
Ing. Ondřej Zimný, Ph.D., Ing. Martin Bogár, Ing. Hana Mazalová, Ing. Mária Stráňavová, Vysoká škola
báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství
Umělé neuronové sítě patří do oblasti umělé inteligence a jejich použití nachází uplatnění v široké oblasti různých
oborů jako je například lékařství, vojenství, průmysl a mnohé další. Využívají se především u reálných soustav, které
se vyznačují velkou nelinearitou, značnou složitostí a velkou obtížností svého formálního matematického popisu.
Jednou z oblastí možného využití umělých neuronových sítí je i problematika atmosférické koroze. Atmosférická
koroze je nejběžnější způsob poškození ocelových materiálů. Toto poškození nejvíce zapříčiňují faktory jako je
změna teploty, vlhkost vzduchu, sluneční záření, a chemické látky. Z důvodu nelineárního procesu atmosférické
koroze je tedy vhodné využití umělých neuronových sítí. Umělé neuronové sítě vychází z principu biologických
neuronových systémů. Základem matematického modelu neuronové sítě je formální neuron, který získáme
přeformulováním zjednodušené funkce neurofyziologického neuronu do matematické řeči. Tedy nahradíme chemické
reakce probíhající v biologickém neuronu matematickými funkcemi a daty. V případě atmosférické koroze se jednalo
o data pocházející z měření hlavních faktorů způsobujících korozi. Pro vyhodnocení naučení sítě je nutné zvolit
vhodná srovnávací kritéria. Nejčastěji volenými srovnávacími kritérií jsou například součet čtverců reziduí a střední
kvadratická odchylka. Zpřesněním predikce korozního úbytku materiálu s využitím umělých neuronových sítí se
mohou snížit škody způsobené atmosférickou korozí.
Artificial neural networks belong to the field of artificial intelligence and they are applied in a broad range of
different disciplines, such as medicine, military industry and many others. They are used primarily in real systems,
which are characterized by high nonlinearity, considerable complexity and great difficulty of their formal
mathematical description. One area of possible use of artificial neural networks is the problem of atmospheric
corrosion. Atmospheric corrosion is the most common way of damage of steel materials. Such damage is caused by
the factors as a temperature change, humidity, solar radiation, and chemicals. At atmospheric the corrosion process
leads to anodic and cathodic electrochemical reaction. The electrochemical reactions take place in a thin layer of
electrolyte. Basic condition for the origin and progress of atmospheric corrosion is thus creation of an electrolyte
layer on the metal surface and condensation of atmospheric moisture. Due to the nonlinear process of atmospheric
corrosion it is therefore appropriate to use artificial neural networks. Artificial neural networks are based on the
principle of biological neural system. The basis of a mathematical model of neural network is a formal neuron,
which gives a simplified reformulation of biological neuron function in mathematical language. In artificial neural
networks a structure of distributed data processing could be considered, which consists of certain, usually very
large number of interconnected neurons. Data of the concerned system are necessary for the creation and function
of neural networks. For creation of artificial neural networks the program Statistica was used. This program
includes a module Neural Networks, in which the networks are created. Created models were used for all cases.
This amount was divided so that seventy percent of cases were used for learning and thirty percent for testing and
validation. Neural network with the best results of learning was three-layer perceptron network. The network had
six neurons in the input layer, four in the hidden layer, and one neuron in the output layer. Benchmarks were
selected in order to compare the measured and predicted data. In this case, it was sum of squares of residues and
quadratic mean error. The neural networks were created response graphs indicating the significance of influence of
individual inputs. More accurate prediction of material loss caused by atmospheric corrosion using artificial neural
networks can reduce this damage.
52
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods
Klasifikací korozní agresivity se zabývá ČSN ISO 9223
Koroze kovů a slitin. Klasifikace rozděluje korozní
agresivitu atmosfér do pěti stupňů C1-C5, kde stupeň
C1 představuje velmi nízkou korozní agresivitu a stupeň
C5 velmi vysokou korozní agresivitu. Podle normy
můžeme stupeň korozní agresivity určit dvěma způsoby.
Jednak na základě stanovených ročních korozních
úbytků čtyř standardních kovů a dále podle úrovní
ročních průměrů rozhodujících činitelů koroze (doby
odvlhčení a úrovní znečištění SO2 a aerosolem NaCl) [2,
Úvod
Nejběžnějším
typem
poškození
ocelových
konstrukčních materiálů, z kterých jsou například
vyráběny mostní konstrukce, potrubní rozvody, stroje
a další zařízení, je atmosférická koroze. Toto poškození
konstrukčních částí způsobuje vysoké finanční ztráty,
popřípadě může způsobit škody na životním prostředí
nebo zdraví lidí.
V současnosti se pro predikci životnosti konstrukčních
kovových materiálů využívají klasické matematické
metody. Vzhledem k neustálému rozvoji moderních
technologií, mezi které také patří umělá inteligence, je
snaha tyto technologie využít i v případě predikce
korozního úbytku. Tedy pokusit se zpřesnit predikci
životnosti kovových konstrukčních materiálů. Za tímto
účelem byl zvolen jeden z prostředků umělé inteligence,
a to umělé neuronové sítě.
4].
Umělé neuronové sítě
Vedle konvenčních matematických přístupů pro
predikci korozního úbytku lze využit jednu z možností
umělé inteligence, a to umělých neuronových sítí.
Umělé neuronové sítě vychází z principu biologických
neuronových
systémů.
Základním
výkonným
a stavebním prvkem biologické neuronové sítě je
neuron. Velmi zjednodušeně jeho funkce spočívá
v příjmu signálů ze svého okolí, jejich zpracování,
vytvoření odezvy a přenos této odezvy dále. Vzájemně
propojené neurony vytvářejí neuronovou síť.
Atmosférická koroze
Většina kovových konstrukcí bývá vystavena
negativnímu působení atmosférických vlivů. Jedná se
především o změnu teploty, vlhkost vzduchu, sluneční
záření, popřípadě chemické látky jako například SO2,
H2S, chloridy, dusíkaté sloučeniny a podobně. Z tohoto
důvodu je nutné předměty vystavené atmosférickým
vlivů vhodně chránit. Jedna z ochran, kterou lze použít,
je úprava povrchu materiálů (viz. obr. 1). Další možnou
ochranou je přidání vhodných přísad do materiálu,
provést legování. Při použití jedné nebo více ochran
dojde k výraznému prodloužení odolnosti materiálu
proti působení atmosférických vlivů. Korozi lze
definovat jako znehodnocení kovů chemickými
interakcemi s prostředím. Při atmosférickém korozním
procesu
dochází
k anodické
a
katodické
elektrochemické reakci. Tyto elektrochemické děje
probíhají v tenké vrstvě elektrolytu. Pro vznik a průběh
atmosférické koroze je tedy základní podmínkou
vytvoření vrstvy elektrolytu na povrchu kovu
kondenzací vzdušné vlhkosti. Tloušťka této vrstvy se
pohybuje v rozmezí pěti až stopadesátí mikrometry.
V této vrstvě pak probíhají chemické reakce, v jejich
důsledku dochází ke korozi.
Přirozenou neuronovou sítí je například nervová
soustava člověka. Ta zprostředkovává vazby mezi
vnějším prostředím a organismem i mezi jeho
jednotlivými částmi a zajišťuje příslušnou reakci
na podněty z vnějšku i na vnitřní stavy organismu.
Reakční mechanismus neuronů spočívá v získání
informací (vzruchů) jednotlivými čidly, tzv. receptory,
které umožňují přijímat mechanické, tepelné, světelné
i chemické podněty, jejich šíření směrem k jiným
neuronům, které tyto informace zpracovávají, a nakonec
jsou vzruchy posílány k příslušným výkonným
orgánům, tzv. efektorům.
Výzkum biologických neuronových sítí se stal
podkladem pro vývoj zjednodušených matematických
modelů neuronů [1, 3].
výstup
y
práh
w0 = - h
x0 = 1
w1
vnitřní potenciál
zz
w2
synaptické váhy
wn
x1
x2
xn
vstupy
Obr. 2 Matematický model neuronu
Fig. 2 Mathematical model of neuron
.
Na základě vlastností biologického neuronu respektive
neuronových sítí byl vytvořen zjednodušený
matematický model umělého neuronu, který je
základním prvkem umělé neuronové sítě.
Neuronová buňka se skládá z mnoha části, z nichž čtyři
následující lze považovat za základní. Jedná se o
synapse, soma, dendrity a axon. Neuron má n obecně
reálných vstupů x1,…,xn odpovídající dendritům.
Obr. 1 Vliv atmosférické koroze [5]
Fig. 1 Effect of atmospheric corrosion [5]
53
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods
Všechny vstupy jsou ohodnoceny příslušnými
synaptickými váhami w1,…, wn. Váhy určují míru
propustnosti vstupního signálu. Zvážena suma vstupních
hodnot představuje vnitřní potenciál neuronu. Schéma
matematického modelu neuronu je uvedeno na obr. 2.
Operace probíhající v neuronu můžeme rozdělit
na operace synaptické a somatické.
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Pro tvorbu neuronových sítí je možné si zvolit buď
některý z komerčních softwarů, nebo vytvořit vlastní
software.
Před vlastní tvorbou sítí je nutné provést několik úkonů.
Nejprve musíme upravit data tak, aby vyhovovala
softwaru, který k tvorbě využijeme. Následně je nutné
rozčlenit proměnné na vstupní a výstupní a zvolit
vhodnou architekturu a parametry neuronové sítě.
Do operací synaptických patří konfluence
zi (t) = x i (t)  w i (t)
Data, která jsou nutná k tvorbě sítí, v tomto případě
pocházela z dlouhodobé expozice vzorků konstrukční
uhlíkové oceli atmosférickým vlivům. Měření, z kterých
data pocházejí, byla prováděna na třech různých místech
České republiky. Výsledná databáze obsahovala sedm
vstupních proměnných a padesát devět případů
(měření).
Do operací somatických patří agregace
n
u(t) =  zi (t)
i=1
Prahování
Z těchto sedmi proměnných bylo šest proměnných
určeno jako vstupy a jedna proměnná jako výstup.
Vstupní proměnné byly: doba expozice, teplota,
relativní vlhkost vzduchu, množství srážek, pH srážek a
koncentrace znečišťujících látek SO2.
v(t) = u(t) - w 0
Nelineární zobrazení
y(t) = 1/(1+e v(t) )
Výstup neuronu y modelující elektrický impuls axonu je
dán obecně nelineární přenosovou funkcí, jejímž
argumentem je vnitřní potenciál. Pokud vnitřní
potenciál neuronu překoná prahovou hodnotu, dojde
k excitaci neuronu na hodnotu danou příslušnou
přenosovou funkcí [1, 3].
Za umělou neuronovou síť lze považovat takovou
strukturu distribuovaného zpracování dat, která se
skládá z jistého, obvykle velmi vysokého počtu
vzájemně propojených výkonných prvků. Každý z nich
může současně přijímat libovolný konečný počet
různých vstupních dat. Na další výkonné prvky může
předávat libovolný konečný počet shodných informací
o stavu svého jediného, avšak rozvětveného výstupu.
Každý výkonný prvek transformuje vstupní data
na výstupní podle jisté přenosové funkce. Mezi
podstatné vlastnosti neuronových sítí patří využití
distribuovaného paralelního zpracování informací při
provádění výpočtů ukládání znalostí prostřednictvím
vazeb mezi neurony a učení což je základní a podstatná
jejich vlastnost.
Obr. 3 Struktura umělé neuronové sítě
Fig. 3 Structure of artificial neural networks
Jako výstupní proměnná byla určena
„hmotnostní korozní úbytek materiálu“.
proměnná
Pro tvorbu matematických modelů neuronových sítí byl
zvolen modul Neural Networks programu Statistica 9.0.
V této aplikaci bylo vytvořeno několik modelů s různou
strukturou a parametry sítě. K tvorbě modelů bylo
využito všech případů. Toto množství bylo rozděleno
tak, že sedmdesát procent případů bylo využito k učení
a třicet procent případů k testování a validaci. Síť, jejíž
srovnávací kritéria vykazovala nejlepší výsledky, byla
vybrána. Struktura umělé neuronové sítě je uvedena na
obr. 3. Jednalo se o perceptronovou síť se šesti neurony
ve vstupní vrstvě, čtyřmi ve skryté vrstvě a jedním ve
výstupní vrstvě.
Využití
umělých
neuronových
sítí
k predikci korozního úbytku materiálu
Přednosti neuronových sítí spočívají v tom, že jsou
schopny učit se na příkladech a dále pak zobecňovat nad
naučeným materiálem, tedy usuzovat na jevy, které
nebyly součásti učení.
Jako základní srovnávacího kritéria jednotlivých
modelů neuronových sítí lze využít například součet
čtverců reziduí nebo střední kvadratickou odchylku.
V tomto případě byla pro porovnání modelů zvolena
jako srovnávací kritérium střední kvadratická odchylka.
Vzhledem k výše popsaným výhodám, byly umělé
neuronové sítě využity pro predikci korozního úbytku
materiálu.
54
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods
Závěr
Součet čtverců reziduí (Sum of Squared Error)
n
SSE   (yi  oi ) 2
Neuronové sítě se ukázaly být nejlepší možnou
aproximací vztahů mezi různými procesními daty, což
je výhodné zejména tehdy, máme-li co činit
s modelováním takových reálných soustav, které se
vyznačují značnou složitostí, velkou obtížností svého
formálního matematického popisu, které jsou těžko
poznatelné a provozně problematicky měřitelné.
Neuronové sítě jsou zvlášť vhodné pro „samoučení“
nestrukturovaných dat s vysokým stupněm nelinearity
a velkou mírou nejistoty. Další výhodou neuronových
sítí je jejich schopnost zpracovat data vyšší rychlostí,
než to umožňují konvenční modelovací techniky.
Neuronové sítě nabízejí zajímavý alternativní přístup
vůči klasickým způsobům vyhodnocování statistických
dat.
i 0
Střední kvadratická chyba (Root Mean Squared)
n
RMS 



 (y
i 0
i
 oi ) 2
n 1
n - počet vzorů trénovací nebo testovací
množiny
oi - skutečné (měřené) hodnoty výstupu objektu
yi - predikované hodnoty výstupu neuronové
sítě [1]
Výsledky z porovnání změřených hodnot a hodnot
predikovaných umělou neuronovou sítí jsou uvedeny na
obr. 4. Dále byla u vybraných sítí provedena citlivostní
analýza, která vyjadřuje významnost vlivu jednotlivých
vstupů. V tomto případě se jako nejvýznamnější vstupní
proměnná jevila proměnná SO2, doba expozice, pH
srážek. Nejméně významné vstupní proměnné byla
teplota a relativní vlhkost vzduchu.
Tento článek je součástí řešení projektu projekt
SP2011/50
"Využití prostředků umělé inteligence pro predikci
rychlosti atmosférické koroze." a projektu SP 2011/85
"Moderní přístupy a nástroje řízení průmyslových
systémů".
Literatura
[1] JANČÍKOVÁ, Z.: Umělé neuronové sítě v materiálovém
inženýrství. Ostrava: GEP ARTS, 2006. ISBN 80-248-1174-X
[2] KREISLOVÁ, K., KNOTKOVÁ, D.: Korozní agresivita
atmosféry jako podklad pro odvození životnosti konstrukčních
materiálů a povrchových úprav. SVÚOM Praha, 2010, ISBN
978-80-87444-03-0
[3] JANČÍKOVÁ, Z., ROUBÍČEK, V., JUCHELKOVÁ, D.:
Application of Artifical Inteligence Methods for Prediction of
Steel Mechanical Properties. Metalurgija, 2008, č. 4., roč. 47, s.
339-342. ISSN 0543-5846
[4] ŠIDLA, J.: Diplomová práce, 2010, VŠB-TU Ostrava, FMMI
Obr. 4 Porovnání predikovaného a měřeného množství korozního
úbytku
Fig. 4 Comparison of predicted and measured quantities of corrosion
loss
Recenze: doc. Ing. František Dušek, CSc.
Ing. Jolana Škutová, Ph.D.
_____________________________________________________________________________________________
Hyundai je už v ČR druhým nejprodávanějším autem
Mladá fronta Dnes, Jan Sůra
5.3.2012
Cenová válka automobilek drží ČR stále mezi několika málo evropskými zeměmi, kde prodeje nových aut
stoupají. Za první dva měsíce zaregistrovaly úřady téměř o 8 % více prodaných aut, než před rokem.
Podle statistik Svazu dovozců automobilů jsou nejprodávanější značky Škoda, Hyundai a Volkswagen.
Úřady za první dva měsíce zaregistrovaly 26 465 vozů, o necelé dvě tisícovky více, než před rokem. "Jde
o pokračování trendu z minulého roku," řekl tajemník svazu Pavel Tunkl. Českým prodejům vévodí stále s
více než třicetiprocentním podílem Škoda Auto. Na pozici dvojky se za první dva měsíce dostal Hyundai,
který za toto období vyrostl v meziročním srovnání o 37 %. "Naším cílem je být letos druhou
nejprodávanější značkou," potvrdil mluvčí Hyundai Miloš Adámek. Třetí Volkswagen zaostal jen o 10
vozů. Hyundai ale zatím může zapomenout na smělé plány předstihnout v prodejích se svým vozem i30
oktávie. Škoda letos prodala v Česku 4 408 oktávií, Hyundai svých nošovických aut i30 jen 521.
Podle statistik meziročně dvojnásobně stouply prodeje nejmenších aut. Klesl naopak prodej malých aut a
vozů nižší střední třídy. V prvních dvou měsících se daří i prodejům nákladních aut a autobusů. Klesl
naopak zájem o motocykly.
SB
55
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Algoritmizace procesu výrobního rozvrhování na ocelárně
Algorithmization of the Process of Production Scheduling at Steel Plant
doc. Ing. Jiří David, Ph.D., Ing. Helena Nováková, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta
metalurgie a materiálového inženýrství
Příspěvek se zabývá výrobním rozvrhováním sekvencí taveb při odlévání značek ocelí na zařízení plynulého odlévání
oceli (ZPO) s využitím shlukovačích metod - metodou K- Means a metodou fuzzy shlukování.
Při výrobě oceli na zařízení plynulého odlévání se postupně odlévají různé značky oceli. Liší se svým složením a pro
efektivitu výroby je třeba určit vhodnou posloupnost odlévání značek a také počet taveb odlévaných v jedné
sekvenci.
V průběhu změny značky oceli dochází při plynulém odlévání ke vzájemnému smíchávání po sobě následujících
ocelí, což vede ke vzniku takové oceli, která svým složením neodpovídá ani předchozí značce a ani následně
odlévané značce. Aby tyto rozdíly byly co nejmenší, je příhodné řešení v seskupení výrobních značek ocelí do skupin
neboli shluků, podle podobných vlastností a chemického složení a následné zařazení do sekvence taveb.
Jako parametry pro shlukovou analýzu jsou použity chemické složení, teplota likvidu, teplota přehřátí a další
technologické veličiny. Výpočet je proveden ve vytvořené softwarové aplikaci SAZO (Shlukovací Algoritmus Značek
Oceli), kde jsou pomocí shlukovací metody rozděleny značky ocelí do shluků. Tyto výsledné shluky jsou použity při
návrhu algoritmu pro plánování sekvencí taveb.
The paper deals with production scheduling of heat sequences when various grades of steel are cast on continuouse
casting machine. For production scheduling k-means clustering and fuzzy clustering methods are used. At steel
production on continuouse casting machine different grades of steel types are gradually cast one after another.
Grades of steel types differ by their chemical composition and for efficient production it is necessary to define the
right procedure for casting of individual grades of steel and also number of heats, which will be cast in one
sequence.
During change of steel grade during continuous casting the previously cast steel mixes with the next cast steel,
which leads to creation of a steel, the composition of which does not correspond to any of these two steel grades.
For minimisation of these differences, it is advantageous to arrange individual steel grades into groups or clusters
with similar properties and chemical composition and their subsequent inclusion into the casting sequence.
The parameters used for cluster analysis are - chemical composition, liquidus temperature, temperature of
overheating and some other technological values. Calculation is performed in the developed application SAZO
(clustering algorithm of steel grades), where steel grades are arranged into clusters are with use of the clustering
method. These resulting clusters are used for preparation of algorithm for planning of smelting sequences.
v úvahu organizační strukturu podniku a organizační
strukturu informačních toků.
Úvod
Při vytváření logistických vztahů ve výrobních
podnicích je nutné vyhodnotit typ výroby. Hutní výroba
ocelárny má svůj specifický typ u něhož vstupní
případně i další návazné technologie – tavba, má
charakter kusové výroby, výstupní technologie je
výrobou kontinuální. Přechod mezi vstupní kusovou a
výstupní kontinuální technologií představuje seskupení
taveb do sekvence. Sekvence sdružuje tavby stejných
nebo velmi blízkých vlastností chemických a
fyzikálních. Ideálem je výroba sekvencí – taveb se
všemi výslednými vlastnostmi stejnými. Takové
sekvence by měly tvořit podstatný podíl výroby
ocelárny.
Přímá návaznost modelu toku na organizační strukturu
podniku začíná v zakázkovém oddělení. Zakázka je
charakterizována svou úplností, tj. všemi požadavky
zákazníka na výsledný produkt (množství, norma,
chemické složení, fyzikální požadavky, časové údaje o
dodávce). Pokud nejsou požadavky úplné musí je
zakázkové oddělení doplnit. Zakázkové oddělení má
stanoveny některé limity pro dodávku (minimální
množství pro dodávku – tavbu – sekvenci), zná
strukturu výrobního zařízení svého podniku, tzn. zda
požadovaný produkt je vyrobitelný na těchto zařízeních.
Na základě výše uvedených údajů může zakázkové
oddělení vytvořit sestavu taveb – sekvencí
v dlouhodobém plánu výroby. Již při sestavování tohoto
dlouhodobého plánu je možno využít teoretický model
toku, který v sobě zahrnuje technologické nároky na
Pro vytvoření modelu toku materiálu – průchodu
taveniny ocelárnou (dále model toku) je nutné brát
56
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
jednotlivých výrobních agregátech a stav ocelárny
k danému termínu provedení (plánované odstávky
agregátů a dopravních prostředků). Tím dlouhodobý
plán získá podklady pro upřesnění, vyrobitelnost
v daném termínu. Výpočet modelu toku v období
vytváření dlouhodobého lze kdykoliv opakovat pro
různé verze sestav taveb, technologických postupů
výroby a stavů ocelárny. Užití modelu je zpětnou
vazbou při vytváření dlouhodobého plánu. Vlastní
vytváření sestav taveb a sekvencí je obvykle dána
metodikou a zkušenostmi zakázkového oddělení.
Statistický technologický model je shrnutím
předchozích výsledků a zkušeností. Je však nutno
stanovit, které předchozí výsledky do statistického
zpracování zahrnout- správný výběr dat a jejich
rozptylu. Pro aktualizaci dat technologického modelu
stačí doplnit několik tabulkových hodnot.
Plánování sekvencí výroby
Současné způsoby plánování jsou většinou založeny na
tvorbě „plánů časů odpichů“, které jsou stanoveny na
základě technického stavu agregátů, disponibilního
času, stavu zásob vsázkových materiálů, smluvených
odběrů kyslíku, elektrické energie, množství oceli, atd.
Následně jsou vypočítány časy přistavení na následující
technologické agregáty a vytvořen plán sekvencí
odlévání. Z logistického hlediska představuje tento
postup tzv. push princip (push = tlačit, strkat), jehož
cílem je co nejrychleji „protlačit“ materiál celým
výrobním řetězcem.
Dlouhodobý plán výroby je možno upřesňovat až do
postoupení sekvencí (případně jednotlivých taveb) do
operativního denního plánu. Denní plán je předán
dispečerskému řízení a poslední možné zásahy do
sestavy jsou možné jen do doby, než je odstartována
realizace – výroby. V oblasti dispečerského řízení se
provádí výroba sekvencí a taveb dekompozicí denního
plánu na jednotlivé agregáty a dopravní prostředky.
Celou úlohu výroby sekvence je možno sledovat a řídit
pomocí reálného modelu toku. [6]
Teoretický a reálný model toku materiálu
Oba modely vytvářejí obdobu „jízdního řádu“ taveniny
přes jednotlivé posty technologie. Zahrnují v sobě dvě
roviny:
- rovina technologie;
- rovina agregátů a prostředků, stav ocelárny.
V obou rovinách je společnou proměnnou čas.
Rovina technologie. Řeší časové nároky pro dosažení
požadovaných vlastností produktu na daném agregátu
(chemické složení, teplota, jiné parametry). Pokud
informace není dosažitelná v reálném čase, je ji možno
nahradit časovou konstantou prodlevy taveniny na
příslušném agregátu. V této rovině jsou určeny vstupní
časové body pro následující tavbu – uvolnění agregátu.
Pro řešení úlohy v rovině technologie je nutná znalost
technologických modelů zpracování na daném
výrobním prostředku (pec, agregát sekundární
metalurgie,…).
Obr. 1 Licí proudy plynulého odlévání oceli
Fig. 1 Strands of continuously cast steel
Avšak reálná situace na ocelárně z hlediska
materiálových toků je řízena tzv. z logistického pohledu
pull principem (pull = táhnout), při které je materiál
„tažen“ proudem vyvolávající koncový článek řetězce,
než aby byl tlačen dopředu podle příkazů plánu.
Z hlediska reálné situace na ocelárně to znamená, že tok
materiálu (taveb) je řízen potřebami plynulého odlévání
oceli (viz. Obr. 1). Základem tohoto přístupu bude tedy
vytvoření „plánů sekvencí“.
Rovina agregátů a prostředků. – řeší časové obsazení
technologických agregátů a prostředků ocelárny
(dopravní trasy, dopravní cesty a vlastní prostředky).
Protože je obvykle složité v reálném čase získat
informace o dosaženém chemickém složení taveniny,
nahrazuje se tento údaj výpočtem teploty resp. času.
K tomuto výpočtu slouží technologické modely
příslušející k danému výrobnímu prostředku. Tyto
modely mohou být výpočtové nebo statistické.
Výpočtový technologický model bývá obvykle velmi
rozsáhlý, náročný na vstupní údaje a matematický
složitý. Pokud je vytvořen zdatným technologem, který
dobře rozumí technologii i možnostem příslušného
agregátu, lze jím dosáhnout dostatečnou přesnost, a
dobrou reakci na změnu vstupních dat. Úprava
výpočtového modelu bývá obvykle složitá, je nutné
analyzovat všechny případné dopady na výpočet.
Z výše uvedeného vyplývá, že výrobní rozvrhování na
zařízení plynulého odlévání představuje složitou
problematiku, která zahrnuje spoustu vlivů, které jsou
dány jak technologickými parametry, tak i parametry
obchodního charakteru.
Základním pojmem je Zakázka určující značku oceli,
rozměry a tvar konečného výrobku, množství a datum
dodávky. Cílem výrobního rozvrhování je sestavit
rozvrh výrobních úkolů, tedy dosáhnout shody mezi
požadavky zakázky a možnostmi výroby v daném
období, aby platilo, že v jedné sekvenci jsou odlévány
tavby s ohledem na datum dohotovení zakázky, stejného
57
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
formátu a stejných nebo podobných značek, tak, aby
byla minimalizována směsná oblast.
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
možno použít jako doplněk, expertního systému. Údaje
pro modifikaci sekvencí v atlasu by se měly
shromažďovat a vyhodnocovat tak, aby nedocházelo
k zásadním změnám (změny evoluční). Při statistických
vyhodnocováních jednotlivých operací a parametrů
modelu toku je nutno stanovit rozptyly a meze časových
a jiných parametrů. Je vhodné stanovit meze dvojí: mez
výstrahy a mez havárie. Mez výstrahy - při dosažení
tohoto parametru je obsluha upozorněna, že probíhající
operace může narušit plánovaný tok materiálu a výroba
vyžaduje zvýšenou pozornost, mez havárie výroba
vybočila již z plánovaných mezí a je nutno tento stav
řešit. Obou případech model toku může nabídnout
řešení. I takové tavby a sekvence vybočující z normálu
být zahrnuty do statistického vyhodnoceni pro atlas
taveb, pro stanovení mezí, nabídky řešení při jejich
překročení. [6]
Pro výpočet sekvence bývá obvykle určen jen jeden
pevný časový údaj – zahájení lití první tavby v sekvenci
na licím stroji. Určení vstupních časových bodů pro
následující tavbu sekvence se odvozují od tohoto
časového údaje. Aby nedošlo k přerušení sekvence –
resp. lití, musí se stanovit dostatečný časový předstih
pro přistavení plné pánve na vstupní stranu otočného
stojanu. Předstih musí zahrnovat i časy potřené pro
nastrojení a přípravu tavby pro lití a vlastní otočení
stojanu. Uvedený předstih musí brát ohled na objem
mezipánve licí profil a licí rychlost pro taveninu na
výstupní straně otočného stojanu. Licí rychlost a formát
mají úzkou vazbu na chemické složení a teplotu. Tyto
parametry souvisí s predikcí vad – pravděpodobností
výskytu vad při nedodržení parametrů lití.
Velmi důležitou součástí modelu toku je návaznost na
datovou základnu informačního a technologického
systému výroby, a distribuci výsledků a komunikaci
mezi jednotlivými posty výrobního procesu. Důležitou
věcí je organizace údržby celého tohoto informačního
systému.
Již při sestavení dlouhodobého plánu stanovuje
technolog podle zadaných požadavků průchod taveniny
přes jednotlivé výrobní agregáty ocelárny. Tím také
stanovuje trasu průchodu což je spojnice dvou po sobě
následujících následujíc výrobních prostředků. Protože
trasa nemusí být vždy jen jedinou spojnicí těchto dvou
bodů stanovuje se cesta dopravy. Cesta dopravy se
dekomponuje na dopravní prostředky (jeřáby,
převážecí vozy), které zahrnují rozklad na znásobené
dopravní prostředky v jedné dopravní cestě. Pro
dopravní cesty je možno stanovit priority použití.
Zvláštností dopravních prostředků je to, že pokud
agregát vyžaduje jejich přítomnost pro vlastní
technologii resp. její dokončovací fázi (např. převážecí
vůz u konvertoru), je tento dopravní prostředek
vyčleněn jako součást agregátu, a je nutno stanovit
předávací body (základě časové ) mezi agregátem a
dopravní cestou. Řešení dopravy je velmi složitou
součástí modelu toku. Je nutno si uvědomit teplotní
dopady – poklesy - při přepravách (souvisí s objemem
pánve ). Doprava se zobrazuje především v rovině
prostředků a agregátů.
Shlukování značek ocelí
Shlukem rozumíme skupinu prostorově blízkých
objektů. Pro lepší představu - typicky se hustota objektů
s rostoucí vzdáleností od středu námi identifikovaného
shluku zmenšuje.
Metody shlukové analýzy se zabývají jednak
identifikací a rozborem jednotlivých shluků, a zejména
také postupy vedoucími ke zobrazení nepřehledné či
složité množiny vstupních dat do vhodnějších prostorů,
kde je snazší shluky nalézt a analyzovat. Význam
shlukové analýzy spočívá v usnadnění vyhledávání
informací, které je potřebné ve všech oblastech.
Základním cílem shlukové analýzy je zařadit objekty do
skupin (shluků), a to především tak, aby dva objekty
stejného shluku si byly více podobné, než dva objekty z
různých shluků. Přitom objekty mohou být různého
charakteru. Aby bylo dosaženo uvedeného cíle, je
potřeba vyřešit celou řadu dílčích úkolů [3].
Při výpočtu modelu toku na základě pouze statických
údajů, bez návaznosti na výrobu, - zpětných informací
z výrobního procesu, tj. v období přípravy sekvence až
do jejího spuštění se používá teoretický model. Teprve v
průběhu výroby sekvence – taveb je možno korigovat
výsledky výpočtu s ohledem na skutečný průběh výroby
vznikne tak reálný model toku. Pomocí ukládání
průběžných výsledků a korekcí, jejich statistickým
vyhodnocování s příslušným výběrem je možno oba
modely upřesňovat.
Prvním problémem je stanovení podobnosti dvou
objektů. Aby mohla být podobnost změřena, musí být
každý objekt charakterizován pomocí svých vlastností.
Shlukování založené na měření podobnosti se nazývá
konvenční. Dva objekty označené A a B. Symbolicky
můžeme zapsat, že
Podobnost (A,B) = f (vlastnosti(A), (vlastnosti(B) ),
tedy podobnost dvou objektů je funkcí jejich vlastností.
Kromě konvenčního shlukování se používá též
shlukování konceptuální. Vytvářené shluky jsou
založeny na konceptuální soudržnosti, která je funkcí
jednak vlastností objektů, jednak popisného jazyka L a
okolí E. Popisný jazyk je způsob, jakým jsou popsány
Protože sekvence se stejnými parametry taveb se často
opakují není nutné provádět opakovaně celý výpočet.
Pro urychlení výpočtu modelu toku je vhodné vytvořit
tzv. atlas sekvencí, ve kterém se ukládají již jednou
vypočtené a provedené sekvence i se statistickými
korekcemi. Tento atlas je možno požívat pro teoretický
model v přípravě výroby i pokud jsou vněm zahrnuty
údaje podle kterých byly řešeny konfliktní stavy, je jej
58
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
třídy (skupiny) objektů, a okolí je množina sousedících
vzorů. [2,4]
v případě nedosažení denní výrobní kapacity lze do
řešení zahrnout i další (budoucí) tavby (zakázky). Celé
řešení, pak probíhá ve třech úrovních.
K řešení problematiky plánování sekvencí taveb byla
použita metoda K-Means. Jde o jeden z neřízených
učících algoritmů určených k řešení problémů
shlukování dat. Jeho efektivita spočívá zejména ve
využití jednoduché klasifikace skupin dat do
jednotlivých shluků. K-Means je shlukovací iterační
algoritmus. Algoritmus je založen na vzdálenosti bodů
v mnoha rozměrném prostoru. Každý hodnocený objekt
je reprezentován právě jedním bodem, každý sledovaný
atribut pak jednou souřadnicí. Metoda k-Means je
vhodná zejména na velké množiny dat, které mají být
roztříděny do malého počtu shluků. [5]
V inicializační části nastavíme počet shluků k, které na
výstupu požadujeme (odtud k-Means). Je vytvořeno k
bodů s náhodnými souřadnicemi (budoucí středy shluků
- tzv. Centroidy). Objekt je přiřazen k nejbližšímu
počátečnímu centroidu, (zjištěná vzdálenost od tohoto
centroidu je menší než vzdálenosti od ostatních
centroidů) shluk je tedy reprezentován všemi body,
které jsou nejblíže stejnému centroidu.
Obr. 2 Hierarchie atributů zakázek při rozvrhování sekvencí
Fig. 2 Hierarchy of attributes of orders for scheduling of sequences
V úrovni jedna je vyhodnocována priorita dodávky,
tedy tavbám vtaženým k plánovanému dni je přiřazen
atribut Vysoká priorita, ostatní tavby mají atribut Nízká
priorita.
Pro každý shluk je spočten nový centroid, kterým je mrozměrný vektor průměrných hodnot jednotlivých
proměnných. Opět se postupně zkoumají vzdálenosti
každého objektu od každého centroidu. V případě, že
má objekt blíže k centroidu jiného shluku, je objekt do
tohoto shluku přesunut. Celý postup je opakován tak
dlouho, dokud dochází k přesunům. Je dokázáno, že
algoritmus je konečný. [1]
V druhé úrovni je hodnocen rozměr a tvar konečného
výrobku a tedy je přiřazen typ krystalizátoru a formát.
Na obrázku 2 je tato skutečnost zjednodušena na
základní dvě skupiny Termínem Kruh jsou označeny
kruhové průřezy různých rozměrů, termínem 4 –
úhelník jsou označeny
na pravoúhlé formáty.
Algoritmus však pracuje s jednotlivými konkrétními
odlévanými formáty.
Pro stanovení počátečních centroidů existují různé
přístupy, může to být například k-prvních objektů
souboru. Poté se postupně zkoumají vzdálenosti
každého objektu od každého počátečního centroidu tak,
že se pro každou takovou dvojici spočte euklidovská
vzdálenost, daná následujícím vztahem:
DE  ( xi , x j ) 
m
 (x
ij 
Třetí úroveň je úroveň značek ocelí. Na obrázku 1 je
opět problematika zjednodušena na 10 značek, avšak
algoritmus není omezen množstvím značek, které lze do
řešení libovolně přidávat dle vyráběného sortimentu.
Stejná situace je i u odlévaných formátů.
V rámci řešení dané problematiky byla na Katedře
automatizace a počítačové techniky v metalurgii, VŠB –
TU Ostrava vytvořena softwarová aplikace SAZO Shlukovací Algoritmus Značek Ocelí (viz. Obr. 4, 5),
umožňující vytvoření shluků dle výše uvedeného
algoritmu. Aplikace byla testována na 152 značkách
ocelí (pozn. značky oceli jsou značeny čísly od jedné do
sto padesáti dvou.), přičemž každá značka byla
charakterizována 27-mi parametry.
xjl ) 2  xi  xj
l 1
(1)
kde DE – Euklidovská vzdálenost; xi , xj – souřadnice v
matici; xij, xjl - elementy matice.
Algoritmizace rozvrhování sekvencí
Základem řešení je setřídění jednotlivých zakázek dle
termínu dohotovení. Do řešení, pak vstupují zakázky
přepočítané na tavby vztažené k plánovanému dnu,
59
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Obr. 5 Soubor značek ocelí a jejich parametrů
Fig. 5 Set of steel brands grades and their parameters
Aplikace je vyvíjena jako univerzální, tedy pro
libovolné zařízení plynulého odlévání a libovolný
výrobní sortiment. V současné době je algoritmus
zdokonalován implementování přídavného algoritmu
pro fuzzy shlukování, jehož cílem je spojení
jednotlivých,
již
naplánovaných
sekvencí,
prostřednictvím „příbuzné“ značky.
Základem tohoto přístupu je přiřazení jednotlivým
tavbám tzv. stupeň příslušnosti v rozmezí 0,1. Stupeň
příslušnosti 0 říká, že tavba určitě neleží v daném
shluku, naopak 1 jednoznačně určuje přiřazení k dané
sekvenci. Pokud je tavba do určitého shluku přiřazena
jednoznačně, je v příslušném řádku uvedena jedenkrát
hodnota 1 a ostatní hodnoty jsou 0. Může-li být tavba
přiřazen do více shluků (překrývající se shluky), pak je
stanovena příslušnost dané tavby k jednotlivým
shlukům. [4] Tyto překrývající se shluky, pak dávají
možnost spojování jednotlivých shluků (sekvencí) do
delších sekvencí přes značky obsažené v obou shlucích.
Obr. 3 Algoritmus výrobního rozvrhování na ocelárně
Fig. 3 Algorithm for production scheduling in steel shop
V prezentované, zjednodušené verzi aplikace SAZO, po
startu aplikace uživatel načte vstupní požadavky, které
se zobrazí v prvním sloupci. Po stisku tlačítka
Shlukování se spustí algoritmus, který vstupní data
rozdělí na 4 skupiny s odkazem na úrovně v výše
navrženém algoritmu (viz. Obr. 3), jejíž výsledky se
zobrazí ve druhém až pátém sloupci na výstupní
obrazovce. Aplikace SAZO je apriorně nastavena na
tvorbu 3 variant řešení pro jednotlivé skupiny, tzn.
značky jsou rozděleny na 2 až 4 shluky. To umožňuje
uživateli optimálně navrhnout skladbu sekvence např.
dle aktuálních podmínek.
Závěr
Příspěvek se zabývá problematikou výrobního
rozvrhování taveb na technologii plynulého odlévání
oceli s využitím metod shlukové analýzy a fuzzy logiky
reprezentující moderní přístupy a nástroje řízení
průmyslových systémů. Je navržen a popsán shlukovací
algoritmus značek ocelí, jehož cílem je sestavit rozvrh
taveb tak, aby v jedné sekvenci se odlilo co nejvíce
taveb jedné značky resp. více druhů značek ocelí, které
jsou si chemickým složení a teplotně velmi blízké.
Základem algoritmu je seskupení výrobních značek
ocelí do skupin s využitím jak tradičních tak i fuzzy
metod shlukové analýzy, tzn. že značky ocelí, které mají
podobné parametry se po provedení analýzy dat
nacházejí ve stejném shluku. Jeden shluk představuje
sekvenci taveb.
Obr. 4 Zobrazení výsledků shlukování v SAZO
Fig. 4 Display of results of clustering in SAZO
Výpočet je proveden ve vytvořené softwarové aplikaci
SAZO (Shlukovací Algoritmus Značek Oceli), kde jsou
pomocí shlukovací metody rozděleny značky ocelí do
shluků. Tyto výsledné shluky jsou použity při návrhu
algoritmu pro plánování sekvencí taveb a dále
přehodnoceny pomocí fuzzy shlukovačích metod, pro
zajištění co nejvyššího využití kapacity jedné sekvence.
Aplikace rovněž nabízí uživateli možnost zobrazení
všech značek ocelí a jejich parametrů, které jsou užity
pro shlukovací algoritmus (viz. Obr. 4), dále zobrazení
jednotlivých odlévaných formátů a výběr data, pro který
se má rozvrh sekvencí vytvořit.
60
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody
Automation Control, Computer Simulation , Computing Methods
[3] ŘEZANKOVÁ, H., HÚSEK, D., SNÁŠEL, D. Shluková analýza
dat. Praha: Professional Publishing, 2009
Článek vznikl díky finanční podpoře Ministerstva
školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci projektu
SP 2011/85 „Moderní přístupy a nástroje řízení
průmyslových systémů“.
[4] PARKER, R. G. Deterministic scheduling theory. London:
Chapman & Hall, 1995. ISBN 0-412-99681-2
[5] LENORT, R.; STAŠ, D.; SAMOLEJOVÁ, A. Capacity Planning
in Operations Producing Heavy Plate Cut Shapes. Metalurgija,
July-September 2009, vol. 48, no. 3, s. 209-211. ISSN 0543-5846
Literatura
[1] MORÁVKA, J., MICHALEK, K. Identification of Phenomena in
Tundish by Means of Nonstandard Model, Instruments and
Control Ostrava, 2005, str. 331 – 343
[6] HRUBÝ, Z. Model ZPO. Technické podklady. VŠB-TU Ostrava,
2000
Recenze: doc. Ing. Václav Kafka, CSc.
Ing. Jan Morávka, Ph.D.
[2] ABONYI, J. FEIL, B. Cluster analysis for data mining and system
identification. Basel: Birkhäuser, 2007. ISBN 978-3-7643-7987-2
____________________________________________________________________________________________________________________
Budoucí sloučené ostravské univerzity už plánují společný výzkum
novinky.cz, pro, Novinky
16.2.2012
Jde především o oblast biomedicíny a vývoj zdravotnických aplikací vybraných technologií. Vysoká škola
báňská – Technická univerzita (VŠB-TU) disponuje týmy, které už dnes mají v této oblasti hmatatelné
výsledky. Ostravská univerzita vede projekty jak v oblasti přírodních věd, tak medicíny a navíc má přímou
vazbu na ostravskou Fakultní nemocnici. „Spojení medicíny s technikou bude naprosto unikátní. Bude to
přínos, který bude moci hodnotit i laická veřejnost, protože výsledky společných výzkumů pozná v léčbě
nejrůznějších typů onemocnění,“ uvedl rektor VŠB-TU Ivo Vondrák.
Spolupráce s Fakultní nemocnicí Ostrava
Příkladem je podle něj už existující zařízení RONJA – radiofrekvenční operační nástroj jaterní ablace
sloužící k odstranění rakovinou postižených částí jaterní tkáně. Tento přístroj, který využívá tepelného
účinku procházejícího elektrického proudu, umožňuje díky novému, speciálnímu tvaru a typu proudového
buzení elektrody dokonaleji než dosud odstraňovat nádorovou tkáň. Prototyp vznikl ve spolupráci s
Fakultní nemocnicí Ostrava. V tuto chvíli má zařízení již za sebou úspěšné patentové zařízení u Úřadu
průmyslového vlastnictví. Po nezbytných testech bude přístroj certifikován a dostane se do nemocnic,
kde na něj čekají lékaři, aby ho využili pro radikální léčbu vážně nemocných pacientů.
Rovněž na Ostravské univerzitě je prováděn unikátní výzkum s multidisciplinárním přesahem. Ústav pro
výzkum a aplikace fuzzy modelování Ostravské univerzity vyvíjí originální matematické modely, které
umožňují předvídat vývoj složitých systémů, jejichž chování se mění s časem. Modely tohoto typu jsou
založeny na vyhodnocování časových řad, přičemž počítač je schopen sám vygenerovat detailní popis
budoucího chování řady v běžném jazyce. S použitím různých originálních technik zpracování obrazu lze
snímat a sledovat rakovinný nádor a následně přesně předvídat jeho další vývoj. Dosavadní výsledky
Ostravské univerzity na tomto poli jsou vynikající a v současné době se připravuje jejich zkušební využití
ve vybraných zdravotnických zařízeních. Jiné původní metody, vyvinuté v Ústavu, umožňují naučit
počítač řídit složitý systém jen na základě popisu jeho chování v přirozeném jazyce. Počítač nejen
rozumí, jak má řídit, ale navíc je schopen se řízení naučit a sám automaticky vygenerovat popis chování,
který může být použit i pro řízení jiných podobných systémů.
„Proces slučování našich univerzit běží právě proto, abychom využili šanci k přirozenému spojení oborů a
získali statut výzkumné univerzity. V mnohém to bude naprosto unikátní příležitost pro vědeckovýzkumné projekty. Zmíněné spojení medicínských, přírodovědných a technických oborů vnímáme jako
velkou šanci. Takové spojení v jediné univerzitě zatím v ČR nenajdete,“ uvedl rektor Ostravské univerzity
Jiří Močkoř. Největším dosud existujícím společným projektem obou univerzit se sídlem v Ostravě je
budování superpočítače a centra excelentního výzkumu a počítání IT4Innovations. Na tento projekt, do
něhož jsou zapojena i další špičková pracoviště, poskytla Evropská unie dvoumiliardovou dotaci.
SB
61
Zprávy HŽ, a.s.
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
hutní výroba v ČR a SR
_____________________________________________________________________________________________
Meziroční porovnání měsíčních a postupných hutních výrob roku 2011 a 2012
leden
2012
Výroba *)
únor
leden-únor
2012
2012
tis.t
(upřesněn)
KOKS
CELKEM
292,98
268,00
560,97
z toho (HŽ) ČR
157,02
145,22
302,24
(HŽ) SR
135,96
122,78
258,74
AGLOMERÁT
CELKEM
689,00
565,08
1 254,07
z toho ČR
449,70
365,98
815,67
SR
239,30
199,10
438,40
SUROVÉ ŽELEZO
CELKEM
608,99
624,87
1 233,85
z toho ČR
350,38
314,00
664,38
SR
258,60
310,86
569,47
SUROVÁ OCEL
CELKEM
786,75
799,13
1 585,88
z toho ČR
457,28
424,67
881,95
SR
329,47
374,46
703,93
KONTISLITKY
CELKEM
748,29
756,43
1 504,72
z toho ČR
419,81
382,97
802,78
SR
328,47
373,46
701,93
BLOKOVNY
CELKEM
49,69
47,61
97,30
z toho ČR
49,69
47,61
97,30
SR
0,00
0,00
0,00
VÁLCOVANÝ MATERIÁL
CELKEM
742,22
748,72
1 490,94
z toho ČR
445,77
413,00
858,77
SR
296,45
335,72
632,17
TRUBKY
CELKEM
65,50
68,09
133,59
z toho ČR
44,43
46,75
91,19
SR
21,06
21,34
42,40
TAŽENÁ, LOUPANÁ, BROUŠENÁ OCEL
CELKEM= (HŽ)ČR 15,86
14,28
30,14
STUDENÁ PÁSKA KLASICKÁ
CELKEM= (HŽ)ČR
2,67
2,49
5,16
POZNÁMKA: *) Za poslední měsíc jsou údaje předběžné
Zpracoval: Hutnictví železa, a.s. - ing. Vala
Výroba
Index
leden
2011
2012/11
tis.t
%
Výroba
Index
únor
2011
2012/11
tis.t
%
Výroba
Index
leden-únor
2011
2012/11
tis.t
%
278,62
136,52
142,10
105,15
115,01
95,68
262,23
136,08
126,15
102,20
106,72
97,33
540,85
272,60
268,25
103,72
110,87
96,45
627,27
396,87
230,40
109,84
113,31
103,86
578,51
352,61
225,90
97,68
103,79
88,14
1 205,78
749,48
456,30
104,01
108,83
96,08
693,76
368,16
325,60
87,78
95,17
79,42
616,38
328,15
288,24
101,38
95,69
107,85
1 310,14
696,31
613,84
94,18
95,42
92,77
920,35
495,77
424,58
85,48
92,24
77,60
804,73
442,89
361,84
99,30
95,89
103,49
1 725,08
938,66
786,41
91,93
93,96
89,51
872,03
448,50
423,53
85,81
93,60
77,56
757,89
397,10
360,79
99,81
96,44
103,51
1 629,91
845,60
784,31
92,32
94,94
89,50
54,21
54,21
0,00
91,67
91,67
0,00
45,23
45,23
0,00
105,26
105,26
0,00
99,43
99,43
0,00
97,85
97,85
0,00
843,36
471,78
371,58
88,01
94,49
79,78
727,38
430,12
297,26
102,93
96,02
112,94
1 570,74
901,89
668,84
94,92
95,22
94,52
66,13
44,19
21,94
99,04
100,55
96,00
65,06
44,97
20,09
104,65
103,96
106,20
131,19
89,16
42,03
101,82
102,27
100,87
13,75
115,31
12,83
111,28
26,58
113,37
2,96
90,14
3,28
75,87
6,24
82,64
62
Ze spolkového života a odborných akcí
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ze spolkového života
a odborných akcí
Konference Vrstvy a povrchy 2011
Konference vrstvy a povlaky 2011 byla tradičním setkáním odborníků v oblasti tenkých vrstev a povlaků. Tento
obor které zejména v oblasti tvrdých vrstev zažívá velký rozmach a v četnosti patentových přihlášek tvoří více než
třetinu inovací, které výrazně zvyšují přidanou hodnotu obráběcích nástrojů. Křivka tohoto trendu se také výrazně
uplatňuje i u tvářecích nástrojů.
Jubielní 10. ročník konference Vrstvy a povlaky byl opět jedním z nezvratných důkazů, že v České republice a na
Slovensku existuje stabilní základna vědy, výzkumu, odborných pracovišť vysokých škol a průmyslových podniků
rozvijejících oblast high-tech povrchových úprav. Konference se účastnilo více než 12 akademických pracovišť a
zástupci výzkumu, vývoje a technologických úseků 10 firem. Celkem přes 70 účastníků se vyslechlo 40 příspěvků.
Možná ještě více než v předchozích letech přinesla konference nejen mnoho velmi zajímavých příspěvků a tím
možnost nezbytného transferu znalostí, ale zejména příležitost
na tolik potřebné zefektivnění procesu
komercializace vědeckých objevů a technologických vynálezů. Globalizace a také nedávné i současné krizové
otřesy v ekonomice a finančnictví výrazně vyostřily konkurenční boj. Schopnost vyrábět levněji, kvalitněji, či
přinášet novou přidanou hodnotu, rychle zastarává. Jedinou možností je neustále ji obnovovat inovacemi. Ten
nejspolehlivější systém je opřený o aplikaci nových poznatků vědy. Je sice drahý, ale nelze jej ničím dlouhodobě
nahradit. Spolupráce vysokých škol a komerčních subjektů je tedy nezbytná a jsme rádi, že i v tomto směru se
filozofie této konference definovaná při zahájení těchto akcí před deseti lety naplňuje.
Velmi si vážíme autorů příspěvků, a i když žádný sborník či odborná publikace nedokáže demonstrovat obrovskou
pracovitost a nasazení autorů a už vůbec ne nadšení z objeveného, přesto jako malý výraz ocenění všech autorů
vybrala odborná komise několik příspěvků, které jsou publikovány v Hutnických listech. Tyto příspěvky byly
vybrány spíše jako ukázka spektra témat konference a aktuálnosti problematiky aplikací vrstev a povlaků a snad
také jako povzbuzení pro prezentaci nových poznatků pro 11. ročník, který se uskuteční 8. – 9. 10. 2012 v horském
hotelu Soláň nedaleko Rožnova pod Radhoštěm.
Za organizátory konference
Ing. Robert Lovecký
ředitel společnosti LISS a.s.
_____________________________________________________________________________________________
Závod ArcelorMittalu v Sestao ještě neobnoví provoz, nenakupuje se žádný šrot
SBB
24.2.2012
Závod ArcelorMittalu v Sestao v severním Španělsku, který pro výrobu svitků využívá elektrickou
obloukovou pec, je ještě v březnu podle očekávání nadále uzavřen. Zdroj přímo ze závodu uvádí, že
skládka surovin je téměř prázdná. Během posledních dvou týdnů února přijely do závodu pouze dva
kamiony se šrotem. Materiál přitom pocházel jen z dělicích linek skupiny v jiných provozech. Skládky
šrotu a jiných surovin jsou v současné době téměř prázdné a to je známkou, že obnovení provozu se
neočekává brzy.
Odbory nepřestávají důvěřovat, že závod je konkurenceschpný a další racionalizace pracovní síly mu
zabezpečí budoucnost. ArcelorMittal zastavil provoz závodu o výrobní kapacitě 1,8 mil. t/r v listopadu
2011 kvůli oslabené poptávce ve Španělsku a zbytku Evropy.
LZ
63
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Recenze
recenze
___________________________________________________________________
Jaroslav Nenadál, David Vykydal, Petra Halfarová
Benchmarking - mýty a skutečnost
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
S pojmem, resp. s metodou benchmarkingu se v české podnikové praxi dosud spojuje
mnoho nedorozumění, nejasností, omylů, falešných představ, dezinterpretací a
opakovaného zpochybňování. To vede k tomu, ţe je v našem současném prostředí
tato problematika spíše popelkou neţ rutinně zvládnutou formou učení. Lapidárně
řečeno, benchmarking se prozatím v ČR příliš neujal. Svým způsobem se na tomto
stavu podepisuje i nedostatek specializované literatury, která by se na tuto oblast
orientovala. Prakticky jedinou komplexnější kniţní monografií, která o
benchmarkingu vyšla v češtině, je překlad práce zahraničních autorů, vydaný ovšem
jiţ před šestnácti lety. Nyní novou a v našem mileniu dosud stále ojedinělou publikaci
"Benchmarking - Mýty a skutečnosti" s podtitulem "Model efektivního učení se a
zlepšování" vydalo nakladatelství Management Press (Praha 2011, 1. vyd., 266 s.,
ISBN 978-80-7261-224-6) a podařilo se mu tak alespoň zčásti zaplnit mezeru v
dostupném odborném písemnictví. Jde o společnou původní práci
vědeckopedagogických pracovníků Katedry kontroly a řízení jakosti Fakulty
metalurgie a materiálového inţenýrství VŠB-TU Ostrava prof. Ing. Jaroslava Nenadála, CSc., Ing. Mgr. Petry
Halfarové a Ing. Davida Vykydala, Ph. D. Autoři si v ní kladou za cíl zcela vyvrátit nebo alespoň významně
rozptýlit všechny mýty a pochybnosti spojované s benchmarkingem a představit jej jako vysoce efektivní formu
učení z "lepší praxe", která organizacím působícím prakticky ve všech odvětvích a vystavovaným neustálým tlakům
na zlepšování, inovace a změny pomáhá dosahovat trvalé konkurenceschopnosti, a to díky účinnému a včasnému
uspokojování nároků a potřeb jednotlivých zainteresovaných stran, při dosaţení optimální jakosti výkonů a s co
nejmenší spotřebou zdrojů a nejniţšími náklady.
Kniha ukazuje podstatu benchmarkingu. Z nejrůznějších definic uveďme, ţe je to "proces identifikování, poznání,
převzetí a přizpůsobení vynikající praxe a procesů jakékoliv organizace na světě, jenţ pomáhá zlepšovat vlastní
výkonnost" či "technika, v jejíţ rámci organizace měří svou výkonnost v porovnání s organizacemi, které
představují světovou špičku, poznávají, jak tyto organizace světovou výkonnost dosáhly, a vyuţívají získané
informace ke zlepšování své vlastní výkonnosti" či ţe jde o "analytický a plánovací nástroj pro srovnávání vlastní
firmy s nejlepším konkurentem v odvětví, resp. i s podniky z jiných odvětví". Publikace seznamuje s jeho historií,
formami a typy (modely), shrnuje jeho význam, přínosy, objekty (výrobky, sluţby, procesy i celé organizace), etické
zásady-kodexy (devět základních principů jako návod k dodrţování určitých pravidel fair play, bez právního
charakteru) a představuje i reprezentativní zkušenosti s ním. Přesvědčivě dokládá, proč bychom měli benchmarking
povaţovat za standardní metodu řízení z úrovně strategického managementu organizací a přináší doporučení, jak
benchmarking iniciovat, plánovat, provádět, jak přezkoumávat jeho výsledky a zjištění a jak jej dále rozvíjet, a to
tak, aby mohl přispívat jak k postupným změnám a zlepšením, tak i k radikální transformaci výkonnosti,
organizačních struktur, produktových portfolií apod. Těţištěm knihy je autorský návrh původního pětifázového
modelu benchmarkingu, který zahrnuje iniciační, plánovací, analytickou, integrační a realizační fázi
benchmarkingového projektu. V duchu tohoto navrţeného univerzálního algoritmu je také členěn text celé
publikace. Jednotlivým fázím jsou pak věnovány samostatné kapitoly. Zároveň upozorňují na rizika a omezení
benchmarkingu, zejména pak na to, čeho se vyvarovat, a dokládají, proč musí být vlastní proces provázán s realizací
změn a se zlepšováním.
V závěru knihy je na příkladu středně velké firmy strojírenského zaměření uvedena případová studie uskutečněného
benchmarkingového projektu zaloţená na zkušenostech autorů. Přílohu knihy tvoří slovník nejdůleţitějších pojmů,
které jsou s benchmarkingem bezprostředně spojeny. Nechybí ani seznam pouţité literatury a vybraných www
stránek. Tvůrcům tohoto komplexního díla se podařilo odkrýt nebo alespoň poodkrýt odborné veřejnosti "tajemný"
obsah benchmarkingu, přiblíţit jeho pozitivní rysy i úskalí. Svým obsahem, ale i přehledností a přístupností celého
textu oslovuje kniha manaţery všech typů organizací. Značný uţitek můţe přinést také studentům vysokých škol
ekonomického a technického zaměření.
64
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Recenze
Milan Myška a kol.
Historická encyklopedie podnikatelů
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
"Musíme prověřovat staré ideje, ač patří minulosti, neboť je to jediný prostředek k
pochopení důležitosti nových idejí a hranic jejich správnosti"
Albert Einstein
Pokud se zamyslíme nad historií dnešních globálně známých firem, které mají díky
neustálých procesů fúzí a akvizicí ve svém odvětví výsadní postavení, často zjistíme
velmi zajímavé skutečnosti a souvislosti. Totiţ právě v dějinách podniků je skryta
nesmírně cenná hodnota, především pak v jejich značce. Vznik a rozvoj firemních
značek spadá do druhé poloviny 19. století, lépe řečeno do jeho poslední třetiny a byl
podmíněn rychlými změnami v celém hospodářském sektoru. Na propagaci a
prezentaci firemní značky závisí v mnoha ohledech chápání firemní identity. V
současném konkurenčním prostředí přeţijí jen ty kapitálově nejvybavenější a
technologicky nejprogresivnější korporace. Proto se trh neustále mění a vyvíjí a s tím
jsou spojené i nároky na kvalitu. Zákazníci se stále intenzívněji zajímají o to, co se za
značkou skrývá, jaké má firma postavení na domácím a zahraničním trhu. Značka firmy sice v zásadě nenese
ţádnou výpověď o kvalitě výrobků, ale místo toho definuje obecné hodnoty; má zprostředkovávat určitý ţivotní
pocit, vymezovat spojení mezi obecně ceněnými kulturními atributy a konkrétní firmou. Úspěšně etablovaná firemní
značka funguje nezávisle na určitých produktech. Strategie jejího budování má vytvořit mytologii firmy, která bude
mít nakonec takovou moc, ţe jméno firmy dokonce propůjčí význam běţným věcem - a stává se tak sama o sobě
produktem. Firemní značky také usilují o to, aby se těsně napojily na ţivotní prostor člověka nebo alespoň určité
cílové skupiny. Stávají se tak kulturním symbolem. K tomu, aby firemní značka dokázala prosazovat určité hodnoty,
musí se při jejím budování vyuţít dvou společenských trendů. Jedním z nich je touha lidí po orientaci, stabilitě a
spolehlivosti, druhým jsou rostoucí nároky na společenskou (sociální) odpovědnost firmy.
Ze studia firemních značek lze získat mnohé důleţité informace, které lze zařadit buď do oblasti tzv. historické
emblematiky nebo do určitého úseku hospodářských dějin. Jedním z produktů výzkumu v rámci projektu GA ČR
"Moderní dějiny podnikání a podnikatelé v Evropě ve 2. pol. 19. a 1. pol. 20. století" je historická encyklopedie
podnikatelů "Co se skrývá za značkou?" (Kamil Mařík-Professional Publishing, Praha 2011, 1. vyd., 376 s., ISBN
978-80-7431-O41-6), dílo prof. PhDr. Jany Geršlové, CSc., která se vedle své rozsáhlé vysokoškolské pedagogické
činnosti odborně věnuje hospodářským dějinám 19. a 20. století, zejména vývoji podnikání, profilům firem a
podnikatelů, podnikatelské etice a otázkám transformací hospodářství ve 20. století.
Ačkoliv v zahraničí existuje poměrně rozsáhlá literatura, věnovaná této specifické problematice hospodářských
dějin světa, představuje tato nová původní práce vyplnění prozatím prázdného místa u nás dostupných studijních
pramenů. Encyklopedie přináší ţivě a přístupně zpracovaný pohled na 111 abecedně uspořádaných známých značek
ze všech oblastí lidské činnosti. Kromě osudů významných podnikatelských osobností obsahuje kniha historii firem
od jejich zaloţení aţ do současnosti. Jmenujme zde například automobilový, elektrotechnický, chemický a
potravinářský průmysl či obchodní a cestovní korporace, počínaje Adidasem, AUG nebo AGFOU a konče Volvem,
Zeissem a Zwillingrem. Celková zdařilá grafická úprava, jak jsme nakonec u tohoto editora jiţ zvyklí, a četná
dobová barevná i černobílá vyobrazení dodávají knize reprezentativní vzhled. Seznam pouţitých a dalších zdrojů
poznatků ze světové literatury a odborného tisku, zařazených jednotlivě u kaţdého hesla a na závěr publikace,
celkově zvyšují její informační hodnotu.
Osudy firem, podnikatelů, kteří je zaloţili, a vývoj značek sice potvrzují obecné teorie, jsou však mnohem pestřejší
a přinášejí příběhy, které jsou často neuvěřitelné. Velkou skupinu značek tvoří ty, za kterými stojí jméno zakladatele
firmy. Dnes jsou to mnohdy koncerny obrovských rozměrů a celosvětového dosahu. Další skupinu značek tvoří
sloţeniny či zkratky apod. Podnikatelé byli často vynálezci a novátory. Celá řada objevů však, jak je vidět na
konkrétních příkladech, vděčí náhodě, která ovšem přeje připraveným. Pokud dali podnikatelé k dispozici podnikání
své jméno (Bosch, Campari, Oetker, Dunlop, Gilette, Chanel, Nestlé, Maggi, Philips, Meinl, Dior, Honda, Grundig,
Schwarzkopf, Royce, Suchard, Citroën a mnoho dalších), kaţdý jejich krok tak přestal být anonymní. Svým jménem
ručili za úspěch; často však nejen svým jménem, ale i osudem celé své rodiny.
Vedle jiţ zmíněného přínosu pro historickou vědu můţe být encyklopedie moţným zdrojem poučení z minulosti, její
aplikace na současné podmínky trţní ekonomiky ČR a také rozvoje ekonomických věd. Pro širokou manaţerskou
veřejnost mohou tvořit osudy 111 firem a značek zdroj informací o vzniku a vývoji velkých zahraničních
společností a podnikatelských osobností, o kterých u nás stále ještě chybějí informace. Pro studentskou veřejnost
65
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Recenze
budou dějiny značek, firem a jejich zakladatelů na pozadí dějin podnikání inspirací a doplněním znalostí z více
vědních oborů. Pro laickou veřejnost můţe přinést historická encyklopedie zajímavé informace o osudech jmen a
názvů firem, za kterými v řadě případů dodnes stojí jméno jejího zakladatele. Lze se prozatím jen těšit, ţe v brzké
budoucnosti vyjde podobně zaměřená a zpracovaná historická encyklopedie českých podnikatelů, jejichţ jména
(kdyţ vyjmeme Škodu, Křiţíka či Baťu) jsou dnes jiţ ve stínu zapomnění (Sigmund, Opper, Macháček, Melichar,
Pilnáček, Uhlík, Husník, Otta, Kavalír, Janeček aj.). Jak píše autorka v úvodu svého obsáhlého díla, "podnikatelské
aktivity v hospodářských dějinách jsou aktuální především pro současnou podnikatelskou sféru a jsou téměř
bezedným zdrojem inspirace pro budování nové tradice, postavené na kvalitě výrobku i jménu firmy. Bohuţel, tento
zdroj inspirace dosud příliš objeven nebyl."
Dr. Lawrence M. Krauss
Jsou tři prostorové rozměry opravdu vše, co existuje?
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
Vesmír stále skrývá mnohá tajemství. Kromě tří známých prostorových rozměrů moţná zahrnuje i další dimenze.
Ţádná známá fyzikální teorie totiţ netvrdí, ţe bychom se měli nutně omezit jen na tři rozměry prostoru. Naopak,
různé obory moderní fyziky napovídají, ţe pravděpodobně existuje více prostorových rozměrů neţ ty, které běţně
vnímáme. Například teorie strun běţně pracuje s dalšími dimenzemi časoprostoru. Jestliţe skutečně existují, pak je
vesmír pečlivě skrývá a chrání před naším poznáním. Jeho dezinformační kampaň začala ihned po našem narození,
v dětské postýlce, v níţ byl kaţdý z nás uveden do třírozměrného světa. Zatím nevíme, zda-li tyto extradimenze mají
rozměry zlomku milimetrů či jsou naopak nekonečné, jestli vůbec existují nebo neexistují, nebo zda neexistuje vedle
našeho vesmíru jiný, prozatím neviditelný a nedosaţitelný.
Poslední pokroky ve výzkumu naznačují, ţe extradimenze, jimţ samozřejmě zatím zcela nerozumíme a s nimiţ
nemáme ţádnou přímou zkušenost, nám mohou najít odpověď na některé z nejzásadovějších otázek, které si o
našem vesmíru klademe. Mohou mít totiţ významné důsledky i pro dnes pozorovaný svět. Přemýšlením o přidaných
dimenzích třeba odhalíme i dosud netušené souvislosti ve známém třírozměrném světě. Přidané rozměry prostoru
mohou například ozřejmit některé otázky částicové fyziky, na něţ jiţ desítky let hledají vědci odpovědi. Vztahy
mezi vlastnostmi částic a interakcí, které vypadají ve třech dimenzích nevysvětlitelné, do sebe začínají krásně
zapadat ve světě s více prostorovými rozměry.
Významný americký teoretický fyzik, bádající na rozhraní fyziky elementárních částic a kosmologie, profesor na
Arizonské státní univerzitě, brilantní popularizátor vědy (do češtiny byla jiţ přeloţena jeho kniha Proměny vesmíru)
a veřejně činná osobnost s širokými kulturními zájmy (bývalý poradce pro vědecké otázky v presidentské kampani
Baracka Obamy) Dr. Lawrence M. Krauss je také autorem bestselleru "Skryté za zrcadlem", jehoţ překlad s
podtitulem "Pátrání po extradimenzích: od Platona ke strunové teorii a ještě dále" vydalo jako 29. svazek Edice
Fénix nakladatelství Ladislav Horáček-Paseka (Praha a Litomyšl, 1. vyd., 296 s., ISBN 978-80-7332-085-9).
Velmi přístupnou formou a s mnoha originálními a vtipnými paralelami a odkazy na svět umění a literatury, nás
provází fyzikou od časů jedné z nejslavnějších postav západní filozofie - Platona - aţ na samou hranici současného
poznání. Seznamuje čtenáře i s těmi nejobtíţnějšími problémy, které trápí badatele v oboru teorie relativity,
kvantové teorie a gravitace, a naznačuje moţná řešení klíčových otázek fyziky a objevy nové reality, leţící prozatím
za hranicemi našeho dohledu. Dnes však řada učenců předpokládá, ţe ještě v letech do konce svého ţivota bude
prokázána existence dalších dimenzí a moţná i dalších vesmírů. Kniha se zabývá různými oblastmi a problémy, jak
naznačuje jejich heslovitý výčet: Úsvit zájmu o vyšší dimenze; Historie elektromagnetismu; Faraday, Maxwell a
Einstein; Čtvrtá dimenze a duchové; Smrt éteru a speciální teorie relativity; Čtyřrozměrný prostoročas; Zakřivený
prostor a moderní kosmologie; Čtvrtá dimenze v umění a sci-fi; Kubisté a pohled ze čtvrté dimenze; Čtvrtá
prostorová dimenze a jednotná teorie gravitace a elektromagnetismu; Proč není čtvrtá dimenze vidět? Lavinovitý
nárůst počtu částic; Bootstrap; Struny objeveny a zavrţeny; Kvarky a standardní model elementárních částic; Velké
sjednocení; Superstruny znovu na scéně; Superstrunová revoluce; Jak počítat s nekonečny; Svůdná a záhadná Mteorie; D-brány a bránové kosmologie; Proč je kosmologická konstanta tak malá? Problém temné hmoty a temné
energie; Co je to realita...
Jiţ na prvních stránkách svých úvah připomíná autor čtenářům opatrnou radu jednoho z největších vědců 18. století
Antoine-Laureat de Lavoisiera. Tento otec moderní chemie a ředitel Francouzské akademie věd byl popraven
gilotinou (1794) za Velké francouzské revoluce, jeţ sama vycházela z chybně pochopeného pojmu "vědecký" jako
základu lidských záleţitostí. Snad nejlépe charakterizovaného známými slovy předsedy soudního tribunálu:
"Republika ţádné vědce nepotřebuje!". Lavoisier je nejznámější pro svůj objev neviditelného plynu, kyslíku, mající
základní důleţitost v chemii našeho světa. Na adresu rodící se tehdy exotické vědy, u jejíţ kolébky stál, poznamenal:
"U věci, jeţ nejsou ani vidět, ani cítit, je důleţité nenechat se unést úlety představivosti."
66
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Společenská kronika
společenská kronika
Připomínáme si páté výročí úmrtí prof. Ing. Zdeňka Bůžka, CSc.
Prof. Ing. Zdeněk Bůţek, CSc. zemřel před pěti lety, dne 25. 4. 2007 (Hutnické listy,
2008, roč. LXI, č. 1, s. 101). Vymezené řádky zde umoţňují pouze připomenout
některé hlavní rysy, kterými se profesor Bůţek vyznačoval či spíše odlišoval od
průměru v technické obci. Byla to vysoká snaha o komplexní a interdisciplinární
přístup při řešení snad všech úkolů, kterým se v metalurgii jak pro tvářené, tak pro
lité oceli a litiny věnoval. K tomu si cíleně budoval tým mladých a zapálených
spolupracovníků: specialisty v metalurgii, elektrotechnice, automatizaci, logistice i
ekonomii.
Podporoval iniciativu a nové nápady. Snad ţádnou novou myšlenku nikdy neodmítl.
Snaţil se, aby výsledky řešení měly vţdy přínos pro praxi v ocelárnách a slévárnách.
Inicioval a organizoval nepřebernou řadu dříve často pořádaných Dnů nové techniky,
seminářů, konferencí a kritických diskusí, jejichţ cílem bylo rychle zavádět nové
zkušenosti do praxe. To se mimo jiné projevilo v jeho vřelém vztahu k lidem z praxe,
k tavičům a mistrům. Pravidelně přednášel na jejich školeních. Ke svým ţákům a
aspirantům byl vţdy náročný, skutečně jim nic neslevil, ale na druhé straně se za ně dovedl postavit. Prof. Bůţek
vynikal obrovskou pracovitostí, kterou přenášel i na své mladé kolegy.
Nenechal se zviklat ani politickou nepohodou v 70. a 80. letech minulého století a vytrval v tvůrčí činnosti ve svém
oboru. Po svém nuceném odchodu z Hutní fakulty VŠB po r. 1968 do ocelárny ve Vítkovických ţelezárnách
pokračoval dále ve své práci (samozřejmě na jiné společenské úrovni). K vytrvalosti v oboru také nabádal všechny
ostatní členy Ústavu elektrometalurgie na Hutní fakultě, kteří jej v odchodu museli následovat. Udělal vše, aby jim
bylo opoţděně po dvaceti letech umoţněno úspěšně obhájit jejich kandidátské disertační práce.
Proto právem po něm ČSS nazvala svou cenu, kterou uděluje pracovníkům v oboru s nejlepšími vědecko-technickými
a pedagogickými výsledky. Významnou aktivitou, kterou prof. Bůţek přispěl k povznesení úrovně oboru metalurgie, je
jeho působení v redakční radě Hutnických listů. Prakticky hned po rozpadu zavedeného systému ve vydávání
Hutnických listů, ke kterému došlo v průběhu r. 1990 (Hutnické listy, 2008, roč. LXI, č. 5, s. 92 – 94, Hutnické listy,
2008, roč. LXI, č. 6. s. 61 – 64) začal pracovat v nové redakční radě časopisu a tím se významnou měrou zaslouţil o
nepřerušení oborové publikační činnosti v té době.
prof. Ing. Karel Michalek, CSc.
katedra metalurgie FFMI, VŠB – TU Ostrava
doc. Ing. Václav Kafka, CSc.
Ing. Jan Počta, CSc., red.
O neobvyklé tvůrčí plodnosti prof. Ing. Zdeňka Bůţka, CSc. vypovídá následující přehled jeho publikační a
řešitelské činnosti. Ve snaze zhuštění informací redakce neuvádí publikace v normované podobě a ani u nich
neuvádí autory, kteří spolu s prof. Bůţkem na článcích spolupracovali. Značná část uvedených publikací je
společným dílem skupiny autorů. Autorská spolupráce svědčí o tom, ţe prof. Bůţek byl typický týmový hráč a
uplatňoval zásady kolektivní spolupráce. Spojovat tak činnost vlastního pracoviště s řešitelskými pracovišti na
jiných fakultách, institucích a ve výrobních podnicích.
Články v zahraničních odborných časopisech
[3] Aktuálne problémy filtrácie ocele v Českej republike. Akta
Metallurgica Slovaca, 3/1997
[4] Tvorba vmestkov v sústave Fe-O-Ti a Fe-O-N-Ti. Akta
Metallurgica Slovaca, 3/1997
[5] Pánvová pec - prostriedok k zvyšovaniu čistoty ocele. Akta
Metallurgica Slovaca, 3/1997
[1] Parowanie domieszek šladowych ze stali w procesie proţniowej
rafinacji. Hutnik, 4/1994
[2] Removal of arsenic and bismuth from steel by vaporization.
Hutnik-Wiadomości Hutnice, 12/1996
67
Společenská kronika
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
[5] Moţnosti sniţování obsahu manganu a mědi v oceli. Hutnické
listy, č.11, 1994
[6] Moţnosti sniţování obsahu cínu a antimonu v oceli. Hutnické listy,
č. 12, 1994
[7] Místo a význam pánvových pecí při výrobě oceli. In. Sborník
vědeckých prací VŠB. 1994, roč. XL
[8] Moţnosti odstraňování arsenu a vismutu z oceli vypařováním.
Hutnické listy, č. 3, 1995, roč. L
[9] Moţnosti přídavků odprašků z hutí do betonových směsí a vliv na
jejich kvalitu, I. část. Stavební a investorské noviny, květen 1995
[10] Moţnosti přídavků odprašků z hutí do betonových směsí a vliv
na jejich kvalitu, II. část. Stavební a investorské noviny, červen 1995
[11] Význam optimalizace proudění lázně v mezipánvi a zvyšování
jakosti plynule odlévané oceli její filtrací. Hutnické listy, 1995, č. 7-8
[12] Příspěvek k mechanismu filtrace oceli keramickými filtry.
Hutnické listy, č. 7/8, 1995
[13] Vypařování ţeleza při odstraňování neţádoucích prvků.
Hutnické listy, č. 11, 1995
[14] Moţnosti inovace hydraulických regulátorů elektrod
obloukových pecí. Hutnické listy, 1996, č. 1
[15] Moţnost uplatnění metody určování vlastních nákladů výroby
oceli pouţívané ve slévárnách pro ocelárny. Hutnické listy, 1996, č.2
[16] Některé současné problémy supertěţkých ocelových odlitků v
a.s. VÍTKOVICE. Hutnické listy, 19 XY, č. 7,/8
[17] Zvyšování kvality plynule odlévané oceli dmýcháním argonu
dnem mezipánve v Třineckých ţelezárnách. Hutnické listy, 1997, č.1
[18] Studie mechanismu odstraňování doprovodných prvků z tavenin
ocelí jejich vypařováním. Hutnické listy, 1997, č. 3
[19] Vyuţití vápníku a jeho slitin ke zvyšování čistoty oceli. Hutnické
listy, 1997, č. 4
[20] Moţnosti intenzifikace našich obloukových pecí s vyuţitím
plynného kyslíku. Hutnické listy, 1997, č. 5
[21] Periodicita interakčních koeficientu (  j j =H, C, N) v systémech
j
Fe-i-j v austenitu a v tavenině ţeleza a její uţití v ocelářství a
v tepelném zpracování. Hutnické listy, 1997, č.5 [22] Technickoekonomické podmínky substituce oceli litinou s kuličkovým
grafitem. Slévárenství, 1997, č. 8-9
[23] K mechanizmu filtrace ocelí a grafitických litin keramickými
filtry. Slévárenství, č. 8-9, 1997
[24] Příspěvek k fyzikálně-metalurgickému rozboru příčin podélných
povrchových trhlin při plynulém odlévání oceli. Hutnické listy, 1997,
č. 12
[25] Hodnocení vlivu reziduálních obsahů neţelezných kovů na
strukturně metalurgické vlastnosti ocelí. Hutnické listy, č.2, 1998
[26] Lasturové lomy těţkých ocelových odlitků. Hutnické listy, 1998,
č. 11
[27] Zvyšování čistoty oceli metodami sekundární metalurgie.
Hutnické listy, 1999, č. 7/8
[28] Strukturní a metalurgická podstata vzniku příčných trhlin u
plynule odlévaných ocelí. Hutnické listy, 1999, č. 7/8
[29] Některé nové poznatky o vlivu čistoty ocelí na jejich uţitné
vlastnosti. Hutnické listy, 1999, č. 7/8
[30] Mechanizmy filtrace litin s kuličkovým grafitem keramickými
filtry. Slévárenství, 1999), č. 6-7
[31] O filtraci tekuté oceli různými typy keramických filtrů. Hutnické
listy, 2000, č. 1-3
[6] Minderung des Stickstoffgehalts im Stahl bei Stahlfiltration mit
den Keramischen Filtern. Berg-und Hüttenmännische Monatshefte,
Wien, 1998
[7] Beseitigung von Oxidischen und Sulfideneinschlüssen mit
keramischen Filtern. Berg-und Hüttenmännische Monatshefte,
Wien, 1998
[8] Wyniki badań filtracji cieklej stałi. Hutnik-Wiadomości Hutnicze,
4/1999
[9] Possible WaysS of Plasma Heating for Processing the Metalvearing Oxidic Wastes. Acta Metallurgica Slovaca, 4/2000
[10] Current state exploitation method cost accounts check
production steel in oxygen converter steelworks VÍTKOVICE
STEEL, jsc. Acta Metallurgica Slovaca, 5/2001
[11] Operating experience of utilization of knowledge of costs of
single melts in operative control of electric ARC furnaces of the steel
works of ŢĎAS, a.s. Acta Metallurgica Slovaca, 5/2001
[12] The contribution to the slag refining ability in a coarse of the
outside furnace treatment. Acta Metalurgica Slovaca, 5/2001
[13] Problems of operational monitoring of costs for casting
production in conditions of NH a.s. Ostrava foundries. Acta
Metallurgica Slovaca, 5/2001
[14] Influence of Production Technologies of Secondary Metalurgy
on Contents of some Harmful Elements and Gates in Steel.
Materials Engineering. Ţilina, 3/2003.
[15] Physical Metalurgy Analysis of Acicular Ferrite Nucleation
Parameters in Low-carbon Steels. Acta Metallurgica Slovaca,
3/2003
[16] Chemical-metallurgy Characteristics of Non-metallic Inclusions
and thein Influence on Acicular Ferrite Nucleation Aktivity. In. XIV.
International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“. Acta
Metallurgica Slovaca, 3/2004
[17] Problems Connected with the Application of Expert Systems by
the Steel Production in Converters. In. XIV. International Scientific
Conference „Iron and Steelmaking“. Acta Metallurgica Slovaca,
3/2004
[18] Possibilities of Application Expert Systems at Steelmaking in
Electrical Arc Turbace. In. XIV. International Scientific Conference
„Iron and Steelmaking“. Acta Metallurgica Slovaca, 3/2004
[19] The Effect of Graphite Nodule on Fracture Processes Initiation
in Cast Iron. In. XIV. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking“. Acta Metallurgica Slovaca, 3/2004
[20] Zagadnie związane z przepływem stali przez filtry ceramiczne.
Hutnik, Wiadomości Hutnicze, 11/2006
[21] To the flow of liquid steel through the ceramic filters).
Transactions of the Institute for Ferrouc Metallurgy, No. 4, 2006.
Články v domácích odborných časopisech
[1] Jednoduché kontrolní a řídící systémy pro malokapacitní
obloukové pece. Hutnické listy, 1993, č. 2
[2] Zpracování hutních odpadů. Technický týdeník, č. 19, roč. XLII,
10.5.1994
[3] Reinheitsgradverbesserung der Stahlschmelze durch Filtration
Nichtmetallischer Einschlüsse. In. Sborník vědeckých prací VŠB.
1994, roč. XL
[4] Příspěvek k periodicitě interakčních součinitelů dusíku v ţeleze.
Hutnické listy, č. 6, 1994
68
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Společenská kronika
[32] Vyuţití poznatků chemicko-metalurgické analýzy povrchové
segregace neţádoucích reziduálních prvků při omezení jejich
záporného účinku v ocelích. Hutnické listy, 2000, č. 1-3
[33] Laboratorní studium vlivu některých faktorů na obrobitelnost
měkké automatové oceli. Hutnické listy, 2001, č. 4-5
[34] Vzájemný vztah mezi vznikem intragranulárního acikulárního
feritu a nekovovými inkluzemi v nízkouhlíkových konstrukčních
ocelích. Hutnické listy, 2001, č. 6-7
[35] Zkoumání odolnosti korundo-baddeleyitové keramiky vůči
působení roztavené oceli a strusek. Hutnické listy, 2001, č. 6-7
[36] Current state exploitation method cost accounts check production
steel in oxygen converter steelworks VÍTKOVICE STEEL, jsc. Acta
Metallurgica Slovaca, roč. 5/2001 (1/3), [37] Moţnosti vyuţívania
plazmovej technológie při spracovávaní odpadov. Hutnické listy,
2002, č. 4-5
[38] Moţnosti oxidačního přetavování vratného odpadu
z Hadfieldovy oceli. Hutnické listy, 2002, č. 6-8
[39] Chemická metalurgie dynamické povrchové segregace mědi v
ocelích. Hutnické listy, 2002, č. 6-8
[40] Provozní zkušenosti kyslíkové konvertorové ocelárny Vítkovice
Steel, a.s. se zavedením průběţného sledování nákladů. Hutnické listy,
2002, č. 6-8
[41] Problémy operativního sledování a řízení nákladů v českých
ocelárnách a slévárnách. Hutnické listy, 2002, č. 6–8.
[42] Elektrické obloukové pece a jejich moţný další vývoj. Hutnické
listy, 2003, č. 1-2
[43] Termické zpracování odpadů – PET lahví a pneumatik –
s vyuţitím plazmového rozkladu. Hutnické listy, 2003, č. 1-2
[44] Vliv strukturních a metalurgických charakteristik ocelí na
mikromechanizmus jejich vysokoteplotní odezvy. Hutnické listy,
2003, č. 3-4
[45] Problematika mikročistoty konstrukčních ocelí určených pro
náročné technické aplikace. Hutnické listy, 2003, č. 12
[46] Některé moţnosti uplatnění expertních systémů při výrobě oceli
v elektrických obloukových pecích. Hutnické listy, 2005, č. 1-4
[7] Moţnosti aplikace neuronových sítí v inteligentní automatické
regulaci pohybu elektrod. In. Modelling of the Metallurgical
Processes and Their Industrial Applications. Szczyrk, Polsko, 1994
[8] Změny celkového obsahukyslíku při odlévání filtrovacné oceli. In.
Modelling of theMetallurgical Processes and Their Industrial
Applications. Szczyrk, Polsko, 1994
[9] Fyzikálně chemický model tvorby sulfidu v ocelích. In. Modelling
of theMetallurgical Processes and Their Industrial Applications.
Szczyrk, Polsko, 1994
[10] Evaporation of non-ferrous metals from steel. In. Nowe
technologie i materialy w metalurgii i inzynierii materialowej.
III. seminarium naukowe, Katowice, Polsko, 19.5.1995
[12] Keramické filtry - účinný nástroj ke zvýšení jakosti oceli a litin.
In. Příprava keramických materiálov, Herl´any, Slovensko, 13.15.6.1995
[13] Vyuţití keramických filtrů při výrobě a odlévání oceli. In.
SIMAG 95. Košice, 27.-28.9.1995
[14] Diminishing of Fe-Content at Evaporation of Non-Ferrous
Metals from Steel. In: Nowe technologie i materialy w metalurgii i
inzynierii materialowej. IV. seminarium naukowe, Katowice, Polsko,
17.51996
[15] K mechanismu vypařování neţelezných kovů z oceli. In. IV.
medzinárodné metalurgické sympózium, Rajecké Teplice, 5.6.6.1996
[16] Současná problematika výroby oceli v České republice. In. VI.
International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“, sekce I,
Malá Lučivná, 11.-13.9.1996
[17] Termodynamický model tvorby komplexních vměstků v oceli.
In. VI. International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“,
sekce II, Malá Lučivná, 11.-13.9. 1996
[18] Příspěvek k problematice mechanismu filtrace ocelí a
grafitických litin keramickými filtry. In. Filtrácia tekutých kovov.
Terchová, 24.-25.4.1997
[19] Současné problémy filtrace taveniny a oceli v České republice.
In. Filtrácia tekutých kovov. Terchová, 24.-25.4.1997
[20] Vliv filtrace na zvyšování čistoty oceli. In. Filtrácia tekutých
kovov. Terchová, 24.-25.4.1997
[21] Funkce pěnového filtru při plynulém a ingotovém lití. In.
Filtrácia tekutých kovov. Terchová, 24.-25.4.1997
[22] Problematika mechanizmu filtrace ocelí a grafitických litin
keramickými filtry. In. II. seminárium „Příprava keramických
materiálov“. Herlany, 10.-12.6.1997
[23] Ceramics filters at the metallurgy steels and část iron. In.
Energooszczedne procesy technologiczne w hutnictie, XVII
konferencja naukowo-techniczna, Huta Katovice, Rogoźnik, Polsko,
11/1997
[24] Význam a moţnosti omezení nárůstu obsahu neţádoucích prvků
při výrobě superčistých ocelí. In. VII. International Scientific
Conference „Iron and Steelmaking“, 1997, Szczyrk, Polsko
[25] Utilization of Ceramic Filters for a Reduktion of impuritics at the
Steel. In. VII. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking“, 1997, Szczyrk, Polsko
[26] Reduction in the content of nitrides in steel by steel filtering. In.
Nowe technologie i materiały w metalurgii i inżynierii materiałowej,
VI. seminarium naukowe, Katowice, 22.5.1998
[27] Sniţování obsahu síry a výskytu sulfidů pomocí keramických
filtrů. In. VIII. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking“, Malá Lučivná, 23.-25.9.1998
Publikace ve sbornících zahraničních konferencí
[1] Zvyšování čistoty roztavené oceli filtrací nekovových vměstků. In.
Metalurgické možnosti zvyšovania užitkovej hodnoty ocele. Tále,
1994.
[2] Neţádoucí kovové příměsi v oceli a moţnosti jejich odstraňování.
In.Metalurgické možnosti zvyšovania užitkovej hodnoty ocele. Tále,
1994
[3] Vyuţití metalurgických agregátů při recyklaci vybraných
kovonosných odpadů. In. Modelling of the Metallurgical Processes
and Their Industrial Applications. Szczyrk, Polsko, 1994
[4] Moţnosti a mechanismy odstraňování neţelezných kovů při
výrobě oceli. In. Modelling of the Metallurgical Processes and Their
Industrial Applications. Szczyrk, Polsko, 1994
[5] Místo a význam pánvových pecípři výrobě oceli. In. Modelling of
the Metallurgical Processesand Their Industrial Applications.
Szczyrk, Polsko, 1994
[6] Vliv vápníku na houţevnatost oceli. In. Modelling of the
Metallurgical Processes and Their Industrial Applications. Szczyrk,
Polsko, 1994
69
Společenská kronika
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
[28] O mechanizmu filtrace tvárné litiny ceditkovými a pěnovými
filtry. In. VIII. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking“, Malá Lučivná, Slovensko, 23.-25.9.1998
[29] Příspěvek k moţnostem vyuţití korundo-baddeleyitové
keramiky. In: III. seminárium „Príprava keramických materiálov“.
Herlany, Slovensko, 9.-11.6.1999Stránský, K.- Baţan, J.- [30]
Mechanismy filtrace ocelí a litin. In. Filtrácia tekutých kovov. Rajecké
Teplice, 6.-7.9.1999
[31] K současnému stavu a perspektivám filtrace ocelí a litin v České
republice. In. Filtrácia tekutých kovov. Rajecké Teplice, 6.-7.9.1999
[32] Další moţnosti filtrace oceli a její metalurgické účinky. In.
Filtrácia tekutých kovov. Rajecké Teplice, 6.-7.9.1999, s.45-51
[33] Study of Influence of some Factores to Mild Free-cutting Steel
Workability. In. X. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking. Szczyrk, Polsko, 18.-20.10. 2000
[34] Familiarity with Cista for a Melte Steel –
Indispensable
Condition
for
Effective
Control
Steelmaking. In. X. International Scientific Conference
„Iron and Steelmaking..Szczyrk, Polsko, 18.-20.10.2000
[35] Evaluation of the Efficiency of Processing of the Oxidic Metalbearing Waste with Usaje of Plasma Heating. In. X. International
Scientific Conference „Iron and Steelmaking.. Szczyrk, Polsko, 18.20.10.2000
[36] Korundo-baddeleytiová keramika – perspektivní litý
ţáruvzdorný materiál. In: Priemyselné pece a žiaruvzdorné materiály.
Košice, 7.-8.11.2000
[37] System Monitoring and Control of Electric Arc Furnace Using
Artificial Intelligence. In: 10th International Students Day of
Metallurgy „Proceedings“, 3-5.4.2003, Montanuniversität Leoben,
Austria
[38] Moţnosti plazmového ohřevu při zpracování odpadů - PET
lahví a pneumatik. In. IV. Mięzdynarodowa sesja naukowa „Nowe
technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii metariałowej“.
Częstochowa, Polsko, 2003
[39] Plazmové zapracování odpadního polyethylenterftalátu a
pneumatik. In. XIII. International Scientific Konference „Iron and
Steelmaking“. Szczyrk, Polsko, 9.-10.10.2003
[40] Alternativní materiály pro vyzdívku ocelářských zařízení. In.
XIII. International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“.
Szczyrk, Polsko, 9.-10.10.2003
[41] Hodnocení vlivu nekovových inkluzí na modyfikaci feritické
mikrostruktury. In. XIII. International Scientific Conference „Iron and
Steelmaking“. Szczyrk, Polsko, 9.-10.10.2003
[42] O intenzifikaci tavby a o zvyšování čistoty elektrooceli. In. XIII.
International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“. Szczyrk,
Polsko, 9.-10.10.2003
[43] Řízení nákladovosti v ocelárně VÍTKOVICE STEEL, a.s.
s vyuţitím metody průběţného sledování nákladů jednotlivých taveb.
In. XIII. International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“.
Szczyrk, Polsko, 9.-10.10.2003
[44] Systém monitorování a řízení průběhu tavby v elektrické
obloukové peci s vyuţitím metod umělé inteligence. In. XIII.
International Scientific Conference „Iron and Steelmaking“. Szczyrk,
Polsko, 9.-10.10.2003
[45] Nákladovost výroby litiny v plamenné rotační peci
v podmínkách slévárny Strojtex, a.s. In. XIII. International Scientific
Conference „Iron and Steelmaking“. Szczyrk, Polsko, 9.-10.10.2003
[46] Production costs of the liquid metal melted by oxy-fuel rotary
batch melting furnace. In. 11th International Students Day of
Metallurgy.1.–3.4.2004, Aachen, Germany
[47] Determination of influence of selected technology on the
producton costs in electric furnace.. In. 11th International Students Day
of Metallurgy.1.–3.4.2004, Aachen, Germany
[48] Vévodová, J.- Bůţek, Z.: Formation of costs monitoring and
modelling systém at foundries. In. 11th International Students Day of
Metallurgy.1.–3.4.2004, Aachen, Germany [49] K nákladovému
porovnání zpracování odpadů ve spalovnách procesem termolýzy. In.
V. Mięzdynarodowa sesja naukowa „Nowe technologie i osiągnięcia
w metalurgii i inżynierii materiałowej“. Czestochowa, Polsko, 2004
[50] Posile Wals of Plasma Heating for Processing the Metal-beating
Osiris Wastes. In. V. Mięzdynarodowa sesja naukowa „Nowe
technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej“
.Czestochowa, Polsko, 2005
Publikace ve sbornících domácích
konferencí
Následující tabulka ukazuje přehled publikací prof.
Bůţka ve sbornících členěných dle hlavních tématických
okruhů v oboru výroby oceli a slévárenství. Je to přehled
jen od r. 1976. Redakce však našla ve starších
Hutnických listech řadu odvolávek na jeho vlastní
publikace ve sbornících jiţ v 60. letech minulého století,
stejně tak jako jeho publikace v tomto časopisu rovněţ jiţ
v 60. letech minulého století.
Tématické okruhy
Fyzikálně-chemické pochody, teorie tavenin,
aktivity prvků v tavenině
Výroba oceli na odlitky, odlévání oceli
Provoz elektrických obloukových pecí, řícení
technologického pochodu *
Koncepce oceláren a sléváren
Kyslíkové procesy
Nákladovost v ocelárnách a slévárnách
Sekundární a mezipánvová metalurgie
Krycí a rafinační strusky
Zvyšování jakosti oceli, vliv příměsí a legur,
nerezavějící oceli, speciální litiny
Vliv metalurgických činitelů na mechanické
vlastnosti oceli
Čistota oceli, filtrace
Hutní keramika
Ocelářské odpady, technologický výskyt
Druhotnézpracování odpadů, vč. aplikace plasmové
technologie
Historie výroby oceli a pamětní články
k osobnostem oboru
Počet
publikací ve
sbornících
20
12
25
16
2
34
10
4
40
23
55
10
4
7
6
* Publikace v oboru řízení technologického pochodu jsou vesměs spojená s vyuţitím
nákladových modelů
70
Konference, výstavy, veletrhy
Hutnické list y č.2/2012, roč. LXV
konference, výstavy,
veletrhy
EuroBLECH 2012
22. mezinárodní veletrh technologie zpracování plechu EuroBLECH 2012 se koná ve
dnech 23. – 27.10.2012.v Hannoveru. Veletrh je přední obchodní akcí v daném
průmyslovém odvětví. Počet aktuálních rezervací výstavních stánků (1 235
vystavovatelů ze 38 zemí) svědčí o značné stabilizaci průmyslu zpracování plechu.
Tento průmyslový sektor začal po uplynulé finančně-hospodářské krizi opět investovat a
zasluhuje se o další růst rozvoje oboru.
Letošní veletrh nabídne vysoký podíl expozic zahraničních vystavovatelů. Zhruba
polovina vystavovatelů je z Německa, ostatní vystavovatelé jsou z dalších zemí.
K největším vystavovatelům ze zahraničí patří Itálie, Turecko a Švýcarsko. Oproti
minulým ročníkům zvyšuje svůj podíl na expozicích USA a Čína. Exponáty zaujmou
veškeré plochy v celkem v 8 výstavních halách výstaviště Hannover Exhibition
Grounds.
Profil veletrhu EuroBLECH 2012 je charakterizován sektory: plech, polotovary,
manipulace, separace, lisování, ohraňování a ohýbání, prostřihování, spojování vč.
svařování, povrchová úprava, zpracování hybridních struktur, nástroje, kontrola jakosti,
systémy CAD/CAM, výzkum a vývoj. Pořadatelé očekávají, že bude překročena loňská
návštěvnost 61 500 účastníků z celého světa.
red.
(podle zdroje: Susanna Neuner, PR Manager
EuroBLECH Press Office, Mack Brooks Exhibition
St. Albans – Herts, UnitedKingdom
www.mackbrooks.co.uk)
_____________________________________________________________________________________________
Sept. 24 - 26
Beijing, China
71
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
hutnictví ve světě
Čtyřválcová redukční a hotovní stolice pro výrobu bezešvých trubek
Firma Danieli Centro Tube uvedla na trh novou technologii válcování bezešvých trubek, označenou jako
TM
FRT
(four roll technology), představovanou novým typem válcovací stolice pro redukci a hotovní
zpracování. První funkční prototyp instalovala v podobě třístolicového pořadí ve své R&D laboratoři v
italském ustředí firmy Danieli ve městě Buttrio.
Hlavní prvkem v nové válcovací stolici je použití čtyř poháněných válců. Redukce vnějšího průměru
trubky je prováděna změnou tloušťky stěny. Hlavními oblastmi využití v produkci bezešvých trubek jsou:
●
●
●
●
redukovna (4 - 16stolicová)
redukovna s prodlužováním (16 - 30stolicová)
válcovna pro rozšiřování s trnem (3stolicová)
kalibrující válcovna (3 - 5stolicová)
Ve všech těchto oblastech byla FRT vyvinuta jako alternativa k tradiční dvouválcové a osvědčené
tříválcové technologii, přičemž překonává technologické limity jednotlivých řešení.
Do inovace technologií FRT příspívá následujícími výhodami:
●
●
●
●
menší tolerance (vnějšího průřezu, tloušťky stěny)
lepší možnost válcování vysokopevných materiálů
minimalizace efektu polygonizace vnějšího tvaru trubky
významné snížení ceny nástrojů díky zmenšení opotřebení válců
Použitím čtyř válců se dociluje lepší tváření trubky ve válcovací mezeře. Detailněji, obvodová rychlost je
mnohem rovnoměrnější, efekt protažení materiálu vzrůstá. Povrch trubek je tak hladší a opotřebení válců
menší. Také přeplnění válcovací mezery je menší a snižuje se riziko vzniku přeložky. Ovalizace vlivem
otevření/uzavření válcovací mezery se také snižuje. Díky lepším podmínkám válcování, které jsou
uvedeny výše, je možno zvětšit mezistolicový tah a dosáhnout tak větší redukce vnějšího průměru na
stolici.
Jednotlivé stolice jsou navrženy jako kazety o stejném vnějším rozměru. Následující stolice jsou vždy
radiálně pootočeny o 45° kolem osy válcování. Stolice na sudých a lichých pozicích jsou stejné
konstrukce. Mohou tak být použity v rozdílných pozicích válcovny jednoduchým otočením kolem vertikální
osy.
FRT válcovna nepřináši jenom vyšší kvalitu trubek. Také snižuje počet potřebných stolic ke stejné redukci
než tratě s tříválcovými stolicemi. Méně změn v nastavení stolic se projeví ve větší produktivitě válcovny
a ve větší flexibilitě výroby.
Ing. Tomáš Kubina, Ph.D.
(podle zdroje: MPT International 6/2011, s. 54)
72
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Hutnictví ve světě
ArcelorMittal ve čtvrtém čtvrtletí prodělal
miliardu dolarů
Financninoviny.cz,(ČTK)
hnutí Occupy a postavit na místě stanový tábor.
„Naším deadlinem je 6. květen, datum
prezidentských voleb,“ říká delegát odborů CFDT
Jean-Marc Vecrin agentuře Reuters.
7.2.2012
Protest
podle
agentury
nepřichází
vhod
prezidentovi Nicolasi Sarkozymu, který slíbil oživit
průmyslový život země, ale zatím se mu to nedaří.
Zatímco Sarkozy soupeří se socialistickým
kandidátem Francoisem Hollandem, odbory
doufají, že se jim během boje podaří kapitalizovat
své zájmy.
Nadnárodní koncern ArcelorMittal utrpěl ve čtvrtém
čtvrtletí 2011 ztrátu 1 mld. USD (více než 19 mld.
Kč). Za špatným hospodařením se odráží hlavně
daňové platby a také náklady na restrukturalizaci.
Začátek letošního roku už firma vidí příznivěji.
Management upozornil, že poptávku negativně
poznamenaly obavy o evropskou ekonomiku.
Navzdory potížím se ale firma v celoroční bilanci
dokázala udržet v zisku. Za celý loňský rok
ArcelorMittal vytvořil čistý zisk 2,26 mld. USD (asi
43,3 mld. Kč), což je proti roku 2010 pokles více
než o 22 %.
Dvě pece závodu Arcelor Mittal byly uzavřeny v
červenci a říjnu roku 2011 kvůli slabší poptávce.
Dělníci se obávají, že čím déle to bude trvat, tím
větší bude pravděpodobnost, že se uzavře
nadobro celá továrna. Polovina z pěti tisícovek
tamních dělníků pracuje na poloviční pracovní
týden, přičemž na mzdy přispívá vláda.
ArcelorMittal je největším výrobcem oceli na světě,
působí v řadě zemí, včetně České republiky. Firma
koncem loňského roku oznámila, že ve svých
ostravských hutích propustí více než 600 lidí, což
je zhruba 10 % zaměstnanců. Velká část jich
mohla odejít s nadprůměrným odstupným, což se
rovněž přechodně negativně odráží v hospodaření
podniku.
Podnik ve Florange je posledním pozůstalým po
kdysi kvetoucím ocelářském regionu. Navzdory
Sarkozyho slibu padl v roce 2008 sousední závod
ArcelorMittalu v Gandrange. Hollande na zavírání
továren během Sarkozyho pětiletého období často
upozorňoval. Za posledních deset let přišla Francie
o 763 tisíc průmyslových pracovních míst, 355 tisíc
z nich zmizelo poté, co se Sarkozy chopil v roce
2007 prezidentského křesla. Sarkozy byl zvolen
díky svým slibům, že oživí ekonomiku země a
zajistí plnou zaměstnanost. Za neúspěch viní
globální ekonomickou krizi a do čela své
předvolební propagandy si vytkl obnovení
konkurenceschopnosti
země
a
boj
proti
nezaměstnanosti.
ArcelorMittal tak v závěru loňského roku hospodařil
s větší ztrátou než o rok dříve. Ve čtvrtém čtvrtletí
2010 totiž ztráta dosáhla 780 mil. USD. V průběhu
loňského roku se ale firma dostala i do zisku,
například za první pololetí vydělala 2,6 mld. USD.
Celkové tržby ve čtvrtém čtvrtletí vzrostly o 8,5 %
na 22,45 mld. USD (asi 430 mld. Kč). Snížily se
ale ve srovnání se třetím čtvrtletím. Za celý rok
ArcelorMittal utržil 93,97 mld USD (zhruba 1,8 bil.
Kč), což znamená proti roku 2010 nárůst více než
o 20 %.
„Máme dost zakázek, abychom provozovali aspoň
jednu pec. Každý měsíc dostáváme zakázky na
150 – 200 tis. t,“ uvedl k situaci v podniku ve
Florange Edouard Martin, zástupce odborů CFDT
v evropském vedení ArcelorMittal. Firma se ale
podle něj rozhodla podnik neprovozovat. „Aby
zvýšila zisky, rozhodla se firma ArcelorMittal
přesunout zakázky pro Florange do Dunkirku,“
uvedl dále s poukazem na moderní ocelárnu na
francouzském severovýchodním pobřeží.
SB
SB
Odborové představení: francouzští oceláři
okupují ArcelorMittal
part.cz, jas/reuters.com
21.2.2012
Francouzské odbory se rozhodly vsadit na
předvolební divadlo a před prezidentskými volbami
obsadit
vedení
závodu
ArcelorMittal
v
severovýchodní Francii ve Florange. Důvodem je,
že podnik sídlící u hranic s Belgií a Německem
ohlásil, že prodlužuje dočasnou odstávku dvou
pecí. Protest je spektakulárním aktem, který věří,
že uprostřed předvolební kampaně, v níž je
ústřední otázkou průmyslový propad země, se
zaměstnanců některý z kandidátů zastane. O
představení se jedná již proto, že odbory okupaci
ohlásily předem, ještě předtím, než dvě stě dělníků
do kanceláří v pondělí 20. února nastoupilo – aby
je tak našli prázdné. Teď odbory plánují imitovat
Akcionáři finského Outokumpu podpořili
spojení s Inoxum
SBB
2.3.2012
Na
mimořádném
generálním
shromáždění
v Helsinkách dne 1.3.2012 schválili akcionáři
Outokumpu koupi útvaru nerezavějících ocelí
německé firmy ThyssenKrupp za 2,7 mld. €.
Předseda představenstva firmy Outokumpu Mika
Seitovirta řekl na shromáždění, že tento obchod
73
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
povýší skupinu transformovat na globálního hráče.
Oznámil akcionářům že jeho skupina, která je
v současnosti
čtvrtým
největším
výrobcem
v Evropě, byla příliš dlouho závislá na obchodech
v Evropě a nyní jako výsledek synergií a
finančních přínosů se stává společností globální.
Outokumpu zaplatí za akvizici hlavně kombinací 1
mld. € v hotovosti z nové (povinné) emise akcií a
platby za akcie ThyssenKrupp, který po
uskutečnění obchodu bude mít ve finské skupině
kapitálový podíl maximálně ve výši 29,9 %.
Jan zdůrazňuje společnost, kvalitativní možnosti
komplexu
jsou
v souladu
s nejnovějšími
technologickými a ekologickými standardy, jako
výsledku vysokých kvalitativních požadavků na
vyráběné kolejnice o délce 100 m s vysokou
otěruvzdorností, kontaktní únavou a spolehlivostí
za nízkých teplot. Tyto parametry jsou zvlášť
důležité s ohledem na klimatická specifika při
používání kolejnic na většině území Ruska.
Finské noviny Kauppalehti uvádějí, že ukončení
fúze nelze očekávat dříve než začátkem příštího
roku, protože se k tomu potřebuje svolení
relevantních úřadů pro hospodářskou soutěž.
Přístav v Mobile zvětšuje skladovací
kapacity pro místní hutní průmysl
Nové Outokumpu bude mít jako výsledek obchodu
výrobní závody v USA, Číně, a Mexiku i stávající
závody v Evropě. Podle společnosti by akvizice
mohla vytvořit významné nákladové synergie,
které se projeví v roce 2014 a podle odhadu by
mohly ročně dosahovat
225 až 250 mil. €
nejpozději do roku 2017.
Přístav v Alabamském městě Mobile začal dne
1.3.2012 s renovací za 7 mil. USD, aby pomohl
přizpůsobit přístav rostoucím potřebám místního
hutního průmyslu.
Za šest měsíců bude mít
molo o 20 % více venkovního skladovacího
prostoru pro ocelové nosníky, svitky válcované za
tepla a za studena, tlusté plechy, válcovaný drát a
trubky. V přístavu se také manipuluje s ocelovými
polotovary. Přístavní úřady budou demolovat staré
sklady, odstraňovat nepoužívané koleje a celou
plochu dláždit, aby se stala vhodnější pro své
exponované použití. Přístav se značně zabývá
obchodem s ocelí, přičemž jeho valná část zaujímá
export, kterému se dnes daří. Proto je potřeba více
plochy.
LZ
SBB
LZ
Mechel uvádí ve svém Čeljabinském
závodě do provozu univerzální válcovnu
SBB
2.3.2012
Ruská těžební a ocelářská společnost Mechel
uvedla ve svém základním ocelářském závodě
v Čeljabinsku do provozu univerzální válcovnu.
Válcovna je v Rusku první, která může válcovat
kolejnice a profily v délce 100 m a zahrnuje
blokové kontilití s kapacitou 1 mil. t/r, pánvovou
pec na 1,2 mil. t/r a dvoukomorové vakuování na
650 kt/r. Tato zařízení byla připravena k teplým
zkouškám v prosinci 2011. Další zařízení (vlastní
univerzální
válcovací
trať,
ohřívací
pec,
úpravárenský úsek a zařízení na svařování
kolejnic) bylo uvedeno do provozu dne 1.3.2012.
2.3.2012
Ročně přístav manipuloval s 600 kt oceli, ale vloni
to již bylo 3,2 mil. t importované a exportované
oceli. Se 3 mil.t bram, jejichž dovoz se letos
předpokládá, přístav očekává v roce 2012
přebytek zpracovávané oceli ve výši 4 mil. t.
Expanze, která je plně financovaná přístavem,
pomůže vyrovnat se s požadavky závodu
ThyssenKrupp Steel USA, který byl v regionu
otevřen v roce 2010. (Pozn. dopisovatele: Všechny
hmotnostní údaje jsou v tzv. „short ton“).
LZ
Do projektu, který byl oznámen v únoru 2008,
společnost investovala 854 mil. USD. Bylo to jen
několik měsíců před ekonomickým krachem
v druhé polovině roku 2008. Společnost podle toho
upravila svůj investiční program a výrobu, ale
udržela si dva strategické projekty – válcovnu
kolejnic a uhelný těžební komplex v ruské Tuvě.
Ruská společnost OMK získala závod na
výrobu trubek v Texasu
SBB
2.3.2012
Ruský výrobce trubek OMK dokončil akvizici
závodu TTS na výrobu trubek v Texasu. Je to jeho
první výrobní zařízení v zahraničí. TTS je
projektován na zpracování až 150 kt/r olejářských
trubek (OCTG) a mohl by pomoci OMK rozvíjet
výrobu trubek tak, aby byla komplementární
k výrobnímu programu Vyksa Steel Works, což je
hlavní válcovna trubek OMK v Rusku, a zaplnila
jeho sortimentní mezery. Mohl by též pomoci zvýšit
Od samého začátku podporovaly projekt Ruské
železnice, které v listopadu 2008 podepsaly
s Mechelem
Memorandum
o
porozumění.
Partnerství těchto dvou společností bylo také
krokem vpřed k rozvoji celé ruské ekonomiky.
74
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Hutnictví ve světě
prodej výrobků společnosti v USA až na 200 kt/r
v roce 2014.
u Steel Europe a Materials
výraznější na příjmové straně.
OMK také připravila půdu pro stavbu zařízení na
výrobu OCTG trubek v TTS. Předpokládá se
výroba 200 kt/r svařovaných trubek. Zahájení
provozu se plánuje v roce 2013. Linka bude
dostávat pás ze závodu OMK Vyksa ve středním
Rusku v Nižně Novgorodském regionu. Závod u
Vyksy má kapacitu 1,5 mil. t/r pásu a pracuje
s technologií kontilití tenké bramy s následným
válcováním v jednom komplexu.
byly
LZ
SSAB Oxelösund dále využívá jednu
vysokou pec, výroba je o 25% vyšší
SBB
17.2.2012
Švédský výrobce plochých ocelí SSAB oznámil
záměr zvýšit výrobu bram o 25 % tak, že ve svém
závodě v Oxelösundu znovu zapálí větší vysokou
pec č. 4 a dočasně odstaví vysokou pec č. 2. Toto
řešení bylo přijato v reakci na zlepšenou poptávku
po tepelně zpracované oceli, zvláště v americké
jednotce SSAB. Vysoká pec č. 4, která je schopna
vyrobit 60 % celkové instalované kapacity závodu,
byla v reakci na oslabený trh dočasně zastavena
v červenci 2011. Společnost nyní očekává, že se
týdně vyrobí o 4000 t surové oceli více, ve
srovnání
s úrovní
výroby,
která
byla
zaregistrována ve 4. čtvrtletí. Vysoká pec č. 2 bude
odstavená, dokud se poptávka po surové oceli a
tudíž i po surovém železe nezlepší.
OMK může vyrábět přes 2 mil. t/r trubek o průměru
od 15 do 1420 mm. Většinu tohoto objemu dodává
Vyksa. Další válcovna trubek OMK – Almetjevsk
v ruské republice Tatarstan – může vyrábět 300
kt/r trubek středního průměru.
TTS má také obecně podporovat výrobu a prodej
OMK. Výroba trubek v OMK poklesla v roce 2011
meziročně o 12 % na 1,89 mil. t. Společnost tento
pokles vysvětluje tím, že v roce 2010 ruské ropné
a plynařské společnosti dokončily několik velkých
projektů, kde se používaly velkoprůměrové trubky.
Důsledkem ukončení staveb pro těžbu a rozvody
byl pak pokles poptávky v následujícím roce.
Podle vedoucího pracovníka SSAB EMEA jsme
svědky silnější poptávky po tepelně zpracovaných
ocelích v Latinské Americe. To také znamená
zvýšenou výrobu na válcovací trati a v dalších
operacích výrobního procesu. Dalším důvodem
pro zvýšení výroby bram v Oxelösundu je nové
zařízení na chlazení v Borlänge, které bude během
1. čtvrtletí uvedeno do běžného provozu.
LZ
ThyssenKrupp
plánuje
významnou
restrukturalizaci po regionálních liniích
SBB
Services
2.3.2012
Podle zdroje ze společnosti plánuje německý
průmyslový gigant ThyssenKrupp významnou
restrukturalizaci svých činností. Může to znamenat
větší
autonomii
pro
regionální
kanceláře
společnosti na celém světě. Skupina plánuje
opustit dva pilíře své obchodní struktury, jmenovitě
svou materiálovou divizi a technologickou divizi.
Materiálová divize zahrnuje Steel Europe, Steel
Americas a Materials Services, technologická
divize pokrývá výtahy, stavbu zařízení a
investičních celků, komponenty a námořní
systémy.
Oxelösund může vyrobit až 1,7 mil. t bram ročně.
Vysoká pec č. 4 se podílí 60 % na výrobě bram
v závodě, zatímco vysoká pec č. 2 se podílí na
zbývajících 40 % výroby.
Podle obchodních novin Handelsblatt na začátku
posílí ThyssenKrupp svá zastoupení v USA,
Turecku, Indii a Japonsku. V únoru oznámil úřad
starosty v americkém Chicagu, že koncem
letošního léta otevře ThyssenKrupp v Chicagu
regionální ředitelství pro severní Ameriku.
Podle Handelsblattu je cílem restrukturalizace
posílení prodeje a zisku. Společnost uveřejnila
neuspokojivé výsledky za říjen – prosinec 2011,
což je první čtvrtletí jejího finančního roku.
Ekonomické zpomalení a zvláště klesající objemy
V roce 2011 se zvyšoval dovoz dělených
tlustých plechů do USA
Provoz v dalším švédském výrobním místě SSAB
v Luleå nemá být změnou v Oxelösundu nijak
ovlivněn. Společnost zdůrazňuje, že výroba
v tomto závodě pokračuje za normálního využití
kapacity, které bylo vloni plánováno na 80 %.
LZ
SBB
24.2.2012
Ve srovnání s rokem 2010 vzrostl v roce 2011
dovoz dělených tlustých plechů do USA o 56 %,
protože během prvních dvou čtvrtletí 2011 stále
rostly ceny domácích tlustých plechů a zákazníci
v USA využili agresivních nabídek na dovoz
běžných jakostí. V roce 2011 USA importovaly 1,1
mil. t tlustého plechu ve srovnání s 679 805 t
75
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
v roce 2010. Téměř čtvrtina všech tlustých plechů
importovaných do USA pocházela z Kanady, která
v roce 2011 dodala do USA 248 809 t. Kanadský
výrobce
tlustých
plechů
Essar
Algoma
přesměroval ve 2. čtvrtletí část výroby plechů na
sortiment tlustých plechů. Většina takto navíc
vyrobeného tlustého plechu v Essar Algoma byla
exportována na středozápad USA.
označení vycházející ze stupně prouhelnění a
parametrů uhlí).
Vzhledem ke zvýšeným cenám koksovatelného a
energetického uhlí vzrostly celkové tržby
společnosti v roce 2011 o 3 % na 1,6 mld. EUR i
přes 2% pokles produkce obou typů uhlí. Čistý zisk
dosažený v roce 2011 byl 130 mil. €, jen nepatrně
pod hodnotou z roku 2010.
Rusko exportovalo vloni do USA 139 098 t
děleného tlustého plechu, čímž se stalo v roce
2011 druhým největším exportérem. U většiny
tlustých plechů z Ruska se jedná o běžné jakosti.
LZ
Tenaris vidí v roce 2012 solidní dodávky
pro významné ropné a plynárenské
projekty
V lednu 2012 dovozy děleného tlustého plechu
zůstaly na významné úrovni. V únoru bylo podle
předběžných statistických dat dovezeno do USA
99 789 t děleného tlustého plechu. Očekávaná
konkurence importu v prvním pololetí tohoto roku
způsobila, že domácí válcovny tlustých plechů pro
únorové a březnové dodávky běžných jakostí
vyhlásily jednotné ceny, a to i přesto, že ve stejné
době rostou ceny tepelně zpracovaných tlustých
plechů.
SBB
Poté, co největší světový výrobce bezešvých
trubek Tenaris informoval o skokovém meziročním
zvýšení čistého zisku ve 4. čtvrtletí o 23 % na 400
mil. USD při vyšším prodeji za 2,75 mld. USD,
očekává že také v roce 2012 bude růst prodeje a
provozního zisku pokračovat. Firma však ve svém
prohlášení řekla, že postupný růst se neočekává
v 1. čtvrtletí, kdy je prodej ovlivněn sezónními
údržbářskými
přestávkami.
Podle
Tenarisu
navzdory ekonomickým strastem Evropy bude
pokračovat růst globální poptávky po energii a
energetické firmy budou posilovat investice.
Očekává se, že poptávka po trubkových výrobcích
pro komplexní aplikace poroste rychleji než u
výrobků pro standardní aplikace, kde investice
probíhá v obtížnějším provozním prostředí.
LZ
NWR omezuje koks a přizpůsobuje se
nižší výrobě v ocelárnách
SBB
24.2.2012
24.2.2012
V předběžné zprávě o svých výsledcích uvádí
společnost New World Resources (NWR),
středoevropský producent uhlí a koksu, že na
pozadí poklesu ocelářských kapacit v regionu a
nejistého krátkodobého výhledu se v roce 2012
zaměří na nižší produkci ve srovnání s úrovní
dosaženou v roce 2011. NWR plánuje v tomto roce
vyrobit 700 kt koksu, což je o 70 kt méně než
v roce 2011. Ve stejném období zamýšlí zvýšit svůj
prodej na 600 kt z 555 kt v roce 2011. Prodej
koksu v roce 2011 tvořil ze 67 % slévárenský koks,
z 23 % vysokopecní koks a 10 % byly jiné typy
koksu. Přes rostoucí ceny koksu v loňském roce
poklesly NWR tržby za koks o 31 % oproti roku
2010 v důsledku 50% propadu prodaných objemů.
Prodej koksu doplatil na nízký stupeň využití
kapacit u zákazníků v hutích.
V roce 2012 se v Severní Americe očekává, že
vrtací činnost zůstane na stejné úrovni. Jinde se
očekává rozmach vrtací činnosti podporované
současnými cenami ropy a plynu, přípravou zásob
v hlubokých vodách a nekonvenčních zásob k
využívání
a
také
přípravou
komplexního
konvenčního vrtání plynu.
Tenaris předpokládá ve všech regionech růst
prodeje zákazníkům z oblasti ropy a plynu a to
zvláště výrobků premium. V Evropě bude nižší
prodej do HPI, výroby energie a průmyslovým
zákazníkům. Velká pobřežní potrubí v Brazílii
budou posilovat dodávky ve druhé polovině roku
2012.
Při nejistém krátkodobém marketinkovém výhledu
předpokládá NWR v tomto roce mírný pokles
produkce a prodeje uhlí, které by měly dosáhnout
nejvýše 11 mil. t u výroby a 10,5 mil.t u prodeje.
V roce 2011 poklesla produkce koksovatelného
uhlí meziročně o 16 % na 4,415 mil.t. Externí
prodej koksovatelného uhlí v roce 2011 sestával
přibližně z 53 % tvrdého (hard) koksovatelného
uhlí a 47 % poloměkkého (semi – soft)
koksovatelného uhlí (red. pozn.: obchodní
V celoročním měřítku se čistý prodej Tenarisu
zvýšil od roku 2010 o 29 % na téměř 10 mld. USD
v roce 2011. Zvýšené vrtací činnosti v Severní
Americe a ve většině regionů s výjimkou Severní
Afriky vedly k vyšším dodávkám trubek. Objem
prodeje ve 4. čtvrtletí byl 1,01 mil. t, za celý rok
pak 3,76 mil.t, což je zvýšení o 21 %.
LZ
76
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Hutnictví ve světě
Zvýšení dovozu OCTG do USA
SBB
USD, zkušební provoz by měl být zahájen v r.
2014 a plný provoz 150 plně automaticky řízených
lokomotiv začne o rok později. Řízení tratě bude
z jednoho místa v Perthu. Automatizací se ušetří
500 pracovníků.
Rudné doly Pilbara vlastní anglo-australský
těžební gigant, který zajišťuje velké dodávky do
Asie. Současná roční těžba rudy z dosavadních
230 mil. t vzroste v r. 2015 na 283 mil. t.
24.2.2012
Lednové dovozy OCTG se zvýšily o 48 % ve
srovnání s koncem roku 2011 a to na 270 955 t. Je
to největší množství na trhu USA za více než rok.
V lednu importovaly USA z Koreje více OCTG než
z kterékoliv jiné země – 79 927 t, nebo 29 %
z celkového importu OCTG. Vietnam se ukázal
jako významný exportér OCTG do USA
s dodanými 31 235 t. Kanada dodala v lednu
28 313 t a Turecko exportovalo 24 888 t.
LJ
Největší vysoká pec v Evropě vyrobila 70
milionů tun železa
Lednový import trubek kategorie standard pipe byl
67 159 t, což je o 41 % více, než konečné číslo za
prosinec, ale pouze 91 % z dovozního povolení.
Úřední data USA ukazují dovoz 17 252 t standard
pipe z Kanady.
http://worldsteel.org/dms/internetDocumentList/me
mbernews/ThyssenKrupp03022012/document/Crew%2
0celebrates%20milestone%20Thyssen Krupp.pdf
1.3.2012
Dovoz trubek kategorie mechanical tubing poklesl
v lednu o 4 %, přestože licence na dovoz byly o 9
% vyšší než dovoz v prosinci. Lednové dovozy
mechanical tubing
poklesly na 47 574 t
z prosincových 49 348 t.
Největší vysoká pec v Evropě pracuje v závodě
Schwelgern 2 společnosti ThyssenKrupp Steel
v Duisburgu. Vysoká pec č. 2 byla uvedena do
provozu na podzim 1993. Je to tedy její první
kampaň, ve které již vyrobila 70 mil. t surového
železa. Pec pracuje velmi ekonomicky a navíc je u
ní zajištěna ochrana životního prostředí. Pec
zásobuje dvě konvertorové ocelárny, jednu v
Bruckhausen a druhou v Beeckerwerth. Denně
spotřebuje 19 000 t rudy, 4 000 t koksu a vyrobí
12 000 tun železa. Dmýchaný vzduch má teplotu
1200 °C a přidává se do něho uhelný prach.
Odpich se provádí dvěma nebo čtyřmi otvory.
Mexiko začalo nový rok 2012 na vrcholu exportu
mechanical tubing do USA s dodanými 8 197 t.
Kanada exportovala 6 117 t a Čína prodala v lednu
5 938 t.
LZ
Doprava
železné
strojvedoucího
rudy
vlaky
bez
Společnost ThyssenKrupp Steel Europe provozuje
v Duisburg čtyři vysoké pece, závod má plochu 9
2
km . Zaměstnává 540 pracovníků a vyrábí se
v něm asi 11,5 mil. t surového železa za rok. Pec
má velmi dobře navrženou vyzdívku a chladicí
systém, a proto se bude prvé přezdívání provádět
až v příštím roce. Objem pece je 5513 m³ a průměr
nístěje činí 14,9 m. Denně vzniká 3300 tun
granulované
strusky,
která
se
využívá
v cementárně. Vysokopecní plyn o objemu 12 mil.
m³ se využívá v podnikové elektrárně.
http://uk.news.yahoo.com/rio-tinto-plans-world-firstdriverless-rail-network-022507470.html
http://www.news.com.au/business/breakingnews/rio-tinto039s-driverless-trains-set-forwa/story-e6frfkur-1226276266766?from=public_rss
1.3.2012
Společnost Rio Tinto těží v Austrálii v oblasti
Pilbara, která je bohatá na nerostné suroviny,
železnou rudu, kterou přepravuje vlaky do přístavu
na
západním
pobřeží
Austrálie.
V blízké
budoucnosti chce přejít na vlaky bez lidské
obsluhy. Automatické vlaky dnes obstarávají
LJ
Světová ocelářská
bezpečnost práce
pracovníků v hutích
například přepravu cestujících mezi terminály na
velkých mezinárodních letištích. Přeprava rudy
však bude prvá plně automatizovaná přeprava
těžkých vlaků na velké vzdálenosti, v tomto
případě na vzdálenost 1500 km. V současné době
je na této trati v provozu 148 lokomotiv a 9400
vagonů pro přepravu rudy. Denně se vypravuje 41
souprav.
Investiční
náklady
na
plně
automatizovanou dopravu budou činit 518 mil.
asociace podporuje
a ochranu zdraví
http://worldsteel.org/steel-by-topic/safety-andhealth.html
1.3.2012
Světová ocelářská asociace (World Steel
Association)
považuje
ochranu
zdraví
a
bezpečnost
práce
ve
svých
členských
organizacích za jednu ze svých priorit a v tomto
77
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
směru vynakládá nemalé úsilí. Cílem je, aby
všechna pracovní místa u jejích členů mohla být
označena jako místa, na nichž nehrozí nebezpečí
úrazu. Historicky byla práce v hutích vždy
nebezpečná a často ohrožovala zdraví. Dnes však
již jsou prostředky k tomu, aby žádné pracoviště a
žádná technologie v hutích nemusela být
označována jako riziková nebo zdraví poškozující.
Prioritním zájmem každého vedoucího pracovníka
je, aby všichni zaměstnanci znali pravidla
bezpečnosti a ochrany zdraví. Mnohé ocelárenské
společnosti již dosáhly takové úrovně, že v jejich
provozech se již po mnoho let neobjevil vážný
pracovní úraz ani nemoc z povolání. Je to
důsledek precizního řízení na všech stupních. Tyto
společnosti zároveň dosahují výborné ekonomické
výsledky. To dokazuje, že zvyšování bezpečnosti
není v rozporu s ostatními zájmy vedení.
Statistické šetření mezi členskými podniky
ukázalo, že ukazatele úrazovosti, jako je počet
vážných úrazů nebo doba léčení, vykazují
v posledních letech pokles. Některé ukazatele
klesly za sedm let o 40 %. V roce 1999 vydala
asociace zprávu, ve které stanovila hlavní zásady,
které stále zůstávají v platnosti, a proto je zde
uvádíme:
Agency hutnictví železa vyprodukuje 4 až 5 %
z celkového množství emisí CO2.
Roční výroba oceli dnes činí 1390 mil. t a stále
stoupá. Je tedy odůvodněná snaha omezit emise
skleníkových plynů i v hutnictví železa. Situaci
však komplikuje několik skutečností. Více než 60
% oceli se spotřebovává v oblastech rozvíjejících
se ekonomik a slouží k vytváření základní
infrastruktury. To znamená, že tato ocel
nenahrazuje stávající zařízení z něhož by se
získalo ekvivalentní množství šrotu. Podíl oceli
vyrobený ze železné rudy je tedy stále vysoký a
právě při tomto způsobu výroby oceli se uvolňuje
nejvíce CO2. Technologie výroby oceli se za
posledních 30 let natolik zlepšily, že spotřeba
energie na tunu vyrobené oceli poklesla o 30 %.
Další výrazné snížení energetické náročnosti nelze
v dohledné době očekávat.
Při hodnocení ekologické stránky výroby oceli je
třeba mít na zřeteli, že tato výroba má i některé
přínosy. Při výrobě oceli vznikají vedlejší produkty,
které se uplatňují v jiných odvětvích a tam
přispívají ke snížení spotřeby energie. Především
je to struska, která se využívá v cementárnách a
ve stavebnictví a tím odpadá potřeba těžby a
zpracování surovin. Rovněž je třeba vzít v úvahu,
že nové oceli na transformátory a elektromotory
umožnily zvýšit jejich účinnost a tím přispěly ke
snížení ztrát energie. Jiné oceli umožňují snížit
významnou měrou hmotnost vyráběných zařízení
a tím opět vedou k úsporám energie. Konečně
platí, že ocel je 100% recyklovatelná, což
představuje
snížení
spotřeby
energie
v
budoucnosti. Komplexní přístup, při kterém se
zahrnují všechny související záležitosti, je při
ekologickém hodnocení vždy nutný. Například
pokud se ekologicky posuzuje výroba automobilů a
přitom se nehledí na to, co předchází a následuje,
pak vychází, že mnohé části automobilu by měly
být z umělých hmot. Snížila by se tím jejich
hmotnost a klesla spotřeba paliva, tedy
jednoznačný přínos. Pokud se však vezme
spotřeba energie na výrobu těchto plastů a na
jejich recyklaci, pak vychází, že použití oceli je
výhodnější.
LJ
1. Všechny úrazy a nemoci z povolání mohou a
musí být odvráceny.
2. Vedoucí pracovníci jsou
ochranu bezpečnosti a zdraví.
zodpovědní
za
3. Školení zaměstnanců a jejich angažovanost
jsou nutné.
4. Bezpečnost práce je podmínkou pro vznik
zaměstnaneckého vztahu.
5. Ochrana zdraví a bezpečnosti práce musí být
nedílnou součástí práce řídicích pracovníků.
Na základě těchto jednoduchých obecných zásad
byla vytvořena brožura, která je stále platná.
Členové asociace seznamují ostatní instituce a
podniky s realizovanými projekty zaměřenými na
bezpečnost práce a s jejich výsledky. Odborná
komise je posuzuje a na výročních konferencích
jsou vyhlašovány nejúspěšnější projekty.
LJ
Výroba oceli a vypouštění skleníkových
plynů
Jsou vysoké ceny surovin pro hutě
nutné?
http://worldsteel.org/publications/positionpapers/Steel-s-contribution-to-a-low-carbonfuture.html
1.3.2012
http://worldsteel.org/media-centre/speeches-andpresentations/basson-raw-materials.html
1.3.2012
Hlavním plynem vyvolávajícím skleníkový efekt je
CO2. Udává se, že při výrobě jedné tuny oceli
vznikne 1,9 t CO2. Podle International Energy
Globální trh s ocelí je velmi rozsáhlý. V loňském
roce celosvětově činil 1 390 mil. t. V Evropě to bylo
155 mil. t. K tomu bylo nutné ve světě přemístit
78
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
Hutnictví ve světě
3 120 mil. t surovin z dolů a lomů do hutí. Ve
27 zemích EU to bylo dohromady 340 mil. t.
Jelikož Evropa má nedostatek surovin, většina
z tohoto množství byla dopravována na velké
vzdálenosti.
Znamenalo
to
2 400
plaveb
velkokapacitních lodí ročně, to je přibližně 9 plaveb
denně a 136 000 nákladních vlaků ročně, čili 520
vlaků denně, a to vše jen v Evropě. Tento enormní
průmysl tvoří základ pro mnohé další obory naší
průmyslové společnosti.
růst spotřeby železné rudy, což umožnilo jejím
dodavatelům zvyšovat ceny a být při tom
agresivnější než kdykoliv před tím. V nejbližší
budoucnosti však v rozvoji čínského průmyslu
nastanou změny. Omezí se investice do primární
sféry a bude se rozvíjet spotřební průmysl. Zatím
však není jasné, zda to povede k růstu exportu
čínské oceli. V každém případě však dojde
k určitému zlomu. Co to udělá s poptávkou po
železné rudě, je nejasné. Stejně tak je otevřená
otázka, jak se projeví začínající rychlý růst výroby
oceli v Indii. Je celkem jisté, že to bude mít
z dlouhodobého hlediska významný dopad na trh
s ocelí. V každém případě dále poroste poptávka
po rudách. Oživí to snahu využívat nová ložiska
v blízkosti nových hutí. To je však spojeno spíše
s dlouhodobými investicemi. Lze proto očekávat,
že nepříjemný tlak, vyvolaný rostoucími cenami
rud na jedné straně a stagnujícími cenami oceli na
straně druhé, bude přetrvávat.
LJ
Navzdory své velikosti je hutnictví fragmentováno.
Největší globální výrobce, firma ArcelorMittal,
představuje méně než 8 % světové produkce.
Souhrnná kapacita deseti největších výrobců je
méně než 400 000 t/rok neboli 20,7 % celosvětové
výroby. Naproti
tomu těžba železné rudy je
globalizovaná, poněvadž je v podstatě v rukou tří
rozsáhlých společností. Čtvrtá největší těžební
firma je daleko za nimi. Od roku 2002 sledujeme
strmý nárůst výroby v Číně a nyní jsme svědky
podobného probouzení v Indii. Vyvolává to velký
____________________________________________________________________________________
79
Odborný časopis pro metalurgii a materiálové inženýrství
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Hlavní zásady pro publikování v Hutnických listech
Hutnické listy jsou strukturovány do dvou částí: do části
recenzovaných tzv. hlavních článků a do všeobecně
informační části, která obsahuje vedlejší články.
1.2 Původnost
Články určené pro Hutnické listy nesmějí být předem
uveřejněné v doslovném znění v jiném časopisu nebo
sborníku, pokud si to redakce sama u autora a prvního
vydavatele nevyžádá.
1. Hlavní články
Část hlavních článků je dále rozčleněná na obory, jak uvádí
[1]:
- paliva, koksárenství
- výroba surového železa
- výroba oceli
- výroba feroslitin
- tváření, tepelné zpracování
- výroba trubek
- materiálové inženýrství
- neželezné kovy a slitiny
- zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
- tepelná technika, pece, žárovzdorný materiál
- hutní energetika
- slévárenství
- koroze
- povrchová úprava
- ekologie, recyklace, druhotné zpracování odpadů
- strojírenské dohotovení hutních výrobků
- údržba
- automatizace technologických procesů, počítačová
simulace, výpočetní metody
- řízení jakosti
- ekonomika, organizace a řízení
1.3 Koncepce článku
Hlavní články zaujímají v časopiseckém tisku zhruba 5 až
6 stran s případnou odchylkou 1 strany v obou směrech.
Jedna strana autorského konceptu na formátu A4
psaného typem písma Times New Roman o velikosti 12
bodů vychází v časopiseckém tisku s menším písmem a ve
sloupcovém uspořádání zhruba na 0.65 časopisecké strany.
Redakce si vymiňuje po dohodě s autory změnit počet
stran, většinou zkrátit články, s cílem příliš nezvyšovat
rozsah Hutnických listů při větším počtu zařazených
publikací. Na skutečném počtu stran se však redakce
většinou dohodne s autorem individuálně.
Autorské články obsahují tři části:
- Úvod, který se nenadepisuje žádným dílčím nadpisem.
- Hlavní stať, kterou je účelné členit na dílčí
kapitoly. Číselné označení nadpisů těchto dílčích kapitol
nebo nadpisy bez číslování ponechává redakce na uvážení
autorů dle složitosti článku.
- Závěr, který obsahuje stručný a výstižný souhrn
poznatků z hlavní stati. Shrnutí v závěru slouží také pro
doplnění rozšířeného abstraktu. Nadpis závěru není vhodné
číslovat.
Paleta tématických okruhů není tímto uzavřena. Je možno
ji rozšířit podle toho, jaký oborový záběr budou mít
příspěvky k publikaci. Kromě dvojího recenzování
podléhají hlavní články jazykové korektuře v angličtině.
O případném nezařazení hlavních článků do Hutnických
listů rozhoduje redakce na základě negativního posouzení
recenzentů, dále v případě, že se téma článku neslučuje se
zaměřením časopisu, že mají články nízkou odbornou
úroveň nebo jsou beznadějně, neopravitelně napsány a
nebyly u nich provedeny autorské opravy na základě
recenzních posudků nebo redakčních pokynů.
Za závěrem se umísťuje citace výzkumného projektu,
z jehož řešení článek vychází.
Na samém konci článku autor provede citaci literárních
zdrojů. Uvádějí se ty literární prameny, na které je v textu
uveden odkaz, a v tom pořadí, v jakém jsou v textu
zmiňovány. Literární odkazy je nutno důsledně uvádět
v souladu s normou ČSN ISO 690:1987, resp. ČSN ISO
690-2:2000. Tato norma doplněná o řadu praktických
příkladů bývá uváděna na různých webových stránkách.
Prezentují je např. universitní knihovny. Redakce
upozorňuje na uvádění správného pořadí údajů
v bibliografických citacích, na správné psaní textových
částí citací velkým a malým písmem, stejně tak stojatým
písmem a kurzívou, na správné vyznačení sborníků (In) a
na interpunkční znaménka mezi jednotlivými textovými
částmi citací. Za citací jednotlivých položek literárních
zdrojů [1, 2, 3 atd.], pokud jsou tyto zdroje napsány vždy
na samostatných řádcích, se nepíší tečky. Pokud autor
napíše jednotlivé položky literárních zdrojů [1, 2, 3 atd.]
v řádcích za sebou, oddělují se citace těchto zdrojů mezi
sebou tečkami. Číselné odkazy na literaturu v textu se
provádějí v hranatých závorkách a se stejným označením
se pak tyto literární zdroje citují na konci článku. Hutnické
listy upouštějí od dřívějšího značení literatury vyjádřeného
horním indexem před kulatou závorkou, na kterou si
možná pamatují starší autoři z 80. a dřívějších let minulého
století. Odvolává-li se autor na více zdrojů, pak je možné v
1.1 Odborná úroveň
Hlavní články musí mít dostatečnou odbornou úroveň.
Úkolem časopisu je uveřejňovat původní práce vědeckovýzkumné povahy z výzkumných pracovišť, akademické
sféry, podniků a institucí, a to z okruhu teorie a technologie
hutnických pochodů, materiálového inženýrství a
příbuzných nebo navazujících oborů, z okruhu výrobního
zařízení, vývojových směrů ve výrobě, zhospodárňování a
řízení výroby, zvyšování jakosti hutních materiálů a
výrobků. Hlavní články mají vědecko-výzkumnou povahu,
přinášejí nové myšlenky nebo doplňují a rozvíjejí
dosavadní platné oborové názory. Mohou vycházet
z laboratorního výzkumu, provozního sledování či
z teoretického studia. V této části není účelné uveřejňovat
články pouze
popisné
a pojednávající o věcech
v technické praxi již známých a dostatečně popsaných.
80
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
Odborný časopis pro metalurgii a materiálové inženýrství
.
textu tato jejich číselná označení uvádět ve společné
závorce (např. [1, 2], [1 až 5], [1, 2 – 5] ). U citace
literárních zdrojů je možno tolerovat některé drobné
odchylky. V každém případě však musí autoři dodržet ve
své publikaci jednotný systém u všech svých uvedených
citací.
pro označování tabulek (česky, slovensky nebo anglicky
redakce doporučuje sjednotit na tab.), avšak s tím, že jejich
nadepisování se provádí nad tabulkami. Obrázky i tabulky
se popisují arabskými číslicemi. U obrázků a tabulek
přejatých z literatury je nutno v názvu uvést jejich původ
(literární zdroj). Za názvy obrázků a tabulek se nepíší
tečky.
1.4 Úprava textu
1.4.6 V textu pokud možno využívat výlučně
normalizované označování fyzikálních veličin a
technických parametrů. Odlišování označení fyzikálních
veličin a technických parametrů od ostatního textu se
provádí šikmým písmem – kurzívou. Při textaci pokud
možno dávat přednost českým nebo slovenským výrazům
před cizojazyčnými ekvivalenty. Vyhnout se zbytečným
závorkám a pomlčkám, které vesměs zhoršují přehlednost
textu.
Psaní autorských článků se řídí pravidly uvedenými na
webových
stránkách
Hutnických
listů:
www.hutnickelisty.cz. Zde redakce vyjímá některé hlavní
zásady při psaní publikací. Vychází z nejčastějších chyb, ať
už to je nedodržování redakčních pokynů nebo obecně
platných norem či zvyklostí respektujících přehlednost a
srozumitelnost odborných textů.
1.4.1 Veškeré textové části se píší ve formátu word.
1.4.7 Matematické rovnice se do textu píší s využitím
funkce editor rovnic. Číslují se základními číslovkami,
psanými arabskými číslicemi, uvedenými v kulatých
závorkách, a toto označení se provádí na stejném řádku při
samém okraji na pravé straně.
1.4.2 Nadpisy článků jsou dvojjazyčné. Mají být
srozumitelné a stručné, nikoliv dlouhé, nemají obsahovat
zkratky. Pokud je text článku napsán v českém nebo
slovenském jazyce, je tento nadpis napsán jako první.
Druhý v řadě je anglický nadpis. Pokud je text článku
napsán anglicky, pak anglický nadpis je uvedený jako
první a druhý v řadě je český nebo slovenský nadpis.
1.4.8 Je nutno rozlišovat psaní číslovek v anglickém a
českém textu. V českém textu mají číslovky desetinné
čárky, v anglickém textu desetinné tečky. Řády 10 3 redakce
doporučuje v českém, slovenském i anglickém textu
vyznačit v číslech jednotně jen mezerníkem, nikoliv
použitím teček či čárek (např. 10 000).
1.4.3 U autorů se uvádějí plná jména a všechny tituly,
adresa organizace, kterou autor v Hutnických listech svou
publikací reprezentuje, a jeho e-mailová adresa. Ta je
využívaná pro budování archivu autorů na webových
stránkách Hutnických listů a u prvního autora ji navíc
redakce využívá pro korespondenci v etapě přípravy článku
pro tisk.
2. Vedlejší články
Všeobecně informační část obsahuje vedlejší články
zařazované do těchto oddílů, jak uvádí [1]:
- informace HŽ, a.s.
- zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
- informace z odborných společností, vykonaných
konferencí a ukončených veletrhů
- zprávy z vysokých škol, výchovy technického dorostu
a celoživotního vzdělávání
- historie hutnictví
- recenze odborných publikací
- společenská kronika
- připravované konference, veletrhy a výstavy
- zprávy z hutnictví ve světě
1.4.4 Hutnické listy publikují články v jazyce českém,
slovenském nebo anglickém, a to podle toho, jak je autoři
redakci dodávají. K hlavním, recenzovaným článkům je
nutno dodávat dvojjazyčné abstrakty. V případě českého
nebo slovenského textu článku má český nebo slovenský
abstrakt minimálně 12 řádků a anglický abstrakt má
minimálně 22 řádků, a to tak, aby obsahoval i hlavní
závěry publikace. V případě anglického textu článku má
český nebo slovenský abstrakt minimálně 22 řádků, a to
tak, aby obsahoval i hlavní závěry publikace, a anglický
abstrakt má minimálně 12 řádků. V abstraktech se
neuvádějí odvolávky na obrázky, tabulky, rovnice, ani
číslované literární zdroje.
Chybné je označení obrázku např.:
Obr. č. 1 „Název ….. “
Obr. 1- „Název ….. “
Obr. 1: „Název ….. “
Povaha článků z této všeobecně informační části nutně
nevyžaduje recenzování, pokud si to autor sám nevyžádá.
Články podléhají redakční jazykové korektuře. Vedlejší
články jsou zpravidla výrazně kratší než hlavní články.
Nemusí mít abstrakty dle bodu 1.4.4 a nemusí být ani
strukturovány tak, jak uvádí bod 1.3. Pokud je však
vedlejší článek napsán jako výsledek řešení výzkumného
projektu, pak musí mít všechny parametry jako hlavní
článek podle bodu 1.1 – 1.4. Pro způsob psaní vedlejších
článků však platí pravidla z bodu 1.4, vyjma
dvojjazyčnosti. V případě, že je vedlejší článek
recenzovaný, redakce doporučuje publikovat jeho
dvojjazyčnou modifikaci stejně, jako je tomu u hlavních
článků.
nebo jakékoliv další modifikace. Obrázky se v textu
uvádějí s malým počátečním písmenem (obr. 1), pokud
toto označení nestojí na začátku věty nebo pokud není
součástí názvu pod daným obrázkem. Stejná pravidla platí
Hlavní články jsou v každém čísle Hutnických listů
uvedeny v obsahu. Všechny vedlejší články, spolu se
všemi hlavními články, kromě aktualit z oddílu „hutnictví
ve světě“ a příspěvků z oddílu „připravované konference,
1.4.5 Názvy obrázků a tabulek jsou dvojjazyčné, jednak
české nebo slovenské a jednak anglické. Označování
obrázků se provádí pod obrázky, a to ve struktuře:
Obr. (mezerník) „číslo obrázku“ (mezerník) „český nebo
slovenský název obrázku“
Fig. (mezerník) „číslo obrázku“ (mezerník) „anglický
název obrázku“
81
Odborný časopis pro metalurgii a materiálové inženýrství
výstavy a veletrhy“, jsou uvedeny v celoročním
obsahu předešlého ročníku, který je uváděn vždy v prvním
čísle časopisu následujícího roku.
Hutnické listy č.2/2012, roč. LXV
ISSN 0018-8069
evidenci publikační činnosti, jakožto výsledku v řešení
výzkumných a vývojových projektů.
Literatura
Redakce vždy jen prvnímu autorovi hlavních článků posílá
recenzní posudky za účelem provedení případných
autorských změn a dále posílá také tzv. autorský separát
článku, který slouží k potřebě celého autorského kolektivu.
Je věcí autorů, jak si mezi sebou poskytnou tento doklad k
[1] POČTA, J. Redakční článek. Hutnické listy, 2008, roč. LXI, č. 1, s.
8–9, ISSN 0018-8069
[2] POČTA, J. Redakční článek. Hutnické listy, 2010, roč. LXIII, č. 6,
obal, ISSN 0018-8069
red.
Zásady pro recenzování hlavních článků v Hutnických listech
Před publikací v Hutnických listech se odborná úroveň
hlavních článků posuzuje dvěma nezávislými recenzními
posudky. Recenzovány mohou být případně též vedlejší
články zásadního významu ze všeobecně informační
části, a to v tom případě, že ony vedlejší články jsou
výsledkem řešení výzkumného projektu. Styk recenzentů
a autorů zprostředkovává redakce. Recenzní posudky
mají důvěrnou povahu. Jsou archivovány v elektronické
nebo listinné podobě v redakci, a to podle toho, jak je
recenzenti do redakce dodávají.
6. Vyjádření k jazykové a stylizační úrovni českých
nebo slovenských částí textu, úrovni obrázků, tabulek a
fotografií, jejich vhodnosti pro tisk, přiměřenosti jejich
počtu a odkazů na jejich původ, správnosti literárních
odkazů a způsobu jejich uvádění, příp. k dalším
formálním stránkám článku.
7.
-
Recenzní posudky hlavních článků uvádějí název článku,
autory článku a dále vyjádření recenzenta podle této
osnovy:
Doporučení k:
publikování
nepublikování
publikování po úpravách.
V tom případě recenzenti do svého posudku napíší
doporučované úpravy vyžadující zásah autora, jako např.
dopracování závěru nebo abstraktu, věcných údajů
v textu, odkazy na literaturu v textu, vysvětlení nejasných
částí, požadované zkrácení textových pasáží či posílení
jiných, důležitých pasáží. V případě drobných úprav
formálního nebo jazykového rázu mohou recenzenti
přímo v textu článku odlišnou barvou vyznačit
doporučované úpravy. Recenzní úpravy nesmějí změnit
původní smysl a záměr autorského příspěvku.Takto
označený a upravený text pošlou redakci jako přílohu
recenzního posudku. V textu obdrženém z redakce
přitom ponechají již vyznačené redakční poznámky, se
kterými se v redakci souběžně pracuje při přípravě
článků pro tisk..
1. Vyjádření ke vhodnosti publikace s ohledem na
oborové zaměření časopisu ve smyslu redakčního článku
„Hlavní zásady pro publikování v Hutnických listech“,
bod 1, uvedeném v tomto čísle Hutnických listů, 2012,
roč. LXV, s. 80-82.
2. Vyjádření k původnosti článku, zda jsou jednoznačně
odděleny autorské poznatky od poznatků z literárních
zdrojů.
3. Vyjádření k vědecké nebo jiné odborné úrovni článku.
4. Vyjádření k věcné správnosti článku. Zde recenzenti
posoudí, zda a jak byly uvedeny počáteční podmínky
autorských úvah a experimentů, správnost terminologie a
označování technických parametrů a fyzikálních veličin.
Dále posoudí vhodnost textů z hlediska jejich délky a
nevyhnutelnosti nebo neopakování při zachování
srozumitelnosti a zda článek přináší nové poznatky.
8. Případné další důležité posouzení recenzovaného
článku.
Na závěr posudku uvedou recenzenti den vypracování
posudku, své plné jméno se všemi tituly a kontakt
zahrnující korespondenční adresu, e-mailovou adresu,
příp. tel. číslo.
5. Vyjádření k možnosti využití poznatků z článku
v technické praxi (provozní, laboratorní) či v následném
teoretickém nebo experimentálním bádání.
Za článkem publikovaným v Hutnických listech jsou
otištěna jména recenzentů, pokud recenzenti výslovně
nevznesou námitku k tomuto jmennému zveřejnění.
red
82
Vítkovický vysokopecní
závod v pohledu z r. 2009
a 11/2011, pohled na vysokou pec č. 4 a 6 a vlevo
na
ko k s o v n u . P r o vo z
vysokých pecí, aglomerace
a koksovny byl postupně
utlumován a zcela uzavřen
byl v září 1998. Veškeré
hlavní technologické zařízení a budovy stále
v objektu stojí (Hutnické
listy, 2011, roč. LXV, č. 1)
a historicky nejcennější
z nich jsou v současné
době opravovány nebo
přestavovány pro nové
užití. Starý vysokopecní
závod je situován v tzv.
Dolní oblasti Vítkovic, která je z podstatné části revitalizována pro společenské, kulturní, muzejní a vzdělávací účely.
Na vysoké peci č. 1 je tak stavebně připravována prohlídková trasa zahrnující celý vysokopecní komplex
vč. vnitřního prostoru pece a licí plošiny efektně upravené jak pro prohlídky, tak pro pořádání kulturních
akcí. Pro návštěvníky bude jistě atraktivní jejich přeprava až do sazebny v upraveném provozním skipu
a vstup do nitra pece. Zprovoznění prohlídkové trasy je naplánováno na 20.3.2012. Historický plynojem, původně sloužící pro jímání kychtového plynu, je přestavován podle unikátního projektu architekta
Josefa Pleskota na vysokokapacitní kongresovou budovu zahrnující sál pro 1500 lidí a menší sál pro 400
lidí. Již dnes v době přestavby impozantně působí kombinace ocelových konstrukcí s novými, velkoplošně prosklenými částmi pláště. Kongresové centrum v plynojemu bude dokončeno 1.5.2012. Třetí
objekt, který je, stejně jako předešlé zmíněné dva, zařazen mezi kulturní památky, je VI. energetická
ústředna. V ní je podle požadavků památkářů in situ zachována a opravována technologie, vyzdívky
i rozvody. Centrem objektu jsou dvě pístová dmychadla pro dodávku vysokopecního větru, první
z. r. 1938 a druhé z r. 1948, obě o hmotnosti 900 t.
Revitalizovaná Dolní oblast
Vítkovic sousedí s rozšířeným centrem Moravské
Ostravy, kde je spojovacím stavebním článkem
obou území tzv. vítkovické
dvojhalí a bezprostředně
vedle sousedící historická
budova bývalé elektrocentrály koksovny Karolina.
Blízkost obou objektů vede
tisková média i současné
provozovatele k pojmenování „trojhalí“. To je však
nesprávné, protože oba
objekty stavebně nesouvisejí, vznikly v jiné době,
k jinému účelu a patřily jiným závodům, byť stejnému majiteli (Vítkovické
horní a hutní těžířstvo).
Rozsáhlé stavby v Dolní
oblasti Vítkovic a rozšířeném centru Moravské Ostravy svědčí o životaschopnosti města v nové době.
VM a red.
Download

Číslo 2/2012 - Hutnické listy