ROČNÍK/VOL. LXIV
ROK/YEAR 2011
3
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.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Odborný časopis pro hutnictví a materiálové inţenýrství
.
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]
Asistentka redakce
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.
Doc. 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 titulní strany
Miroslav Juřica,
e-mail [email protected]
Tisk
T-print s.r.o., Průmyslová 1003, 739 65
Třinec
Obsah
úvod
prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc.
výroba oceli
prof. Ing. Karel Michalek, CSc., Ing. Karel Gryc, Ph.D., Ing. Markéta
Tkadlečková, Ph.D., prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc., Ing. Bedřich
Smetana, Ph.D., doc. Ing. Rostislav Dudek, Ph.D., Ing. Simona Zlá,
Ph.D., Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D.
Ing. Vladislav Kurka, Ph.D., Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D., prof. Ing. Karel
Michalek, CSc.
12
Hlavní výsledky dosažené na zařízení VPIM a nová
metalurgická výzkumná laboratoř budovaná ve společnosti
MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. v rámci
projektu RMTVC
tváření, tepelné zpracování
doc. Ing. Rudolf Pernis, CSc.
Teoretický dôkaz existencie minima tvárniaceho faktoru
Ing. Petr Kawulok, prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Petr Opěla, Ing.
Stanislav Rusz, Ph.D., Ing. Miroslav Legerski, Ing. Václav Šumšal, Ing.
Josef Bořuta, CSc., Ing. Karel Milan Čmiel, Ph.D.
18
25
Modely deformačních odporů za tepla oceli 42CrMo4
Ing. Stanislav Rusz, Ph.D., prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Bc. Marek
Zogata, Ing. Petr Kawulok, Ing. Miroslav Legerski, Ing. Václav Šumšal,
Ing. Josef Bořuta, CSc., Ing. Janusz Dänemark, Ph.D.
30
Určení středních přirozených odporů nástrojové oceli
různými metodami
Ing. Richard Fabík, Ph.D., Ing. Michal Brodňan, doc. Ing. Václav Nétek,
CSc.
35
Využití matematického modelování při optimalizaci procesu
tažení půlkruhového drátu z hlediska pravděpodobnosti
vzniku lomu při tažení
materiálové inženýrství
Ing. Magdalena Šmátralová, Ph.D., Ing. Šárka Stejskalová, Dr. Ing.
Zdeněk Kuboň, Ing.Václav Kurek
41
Kalicí dilatometr a možnosti jeho aplikace v technické praxi
prof. Ing. Karel Matocha, CSc., Ing. Šárka Stejskalová, Dott.Ing.Andrea
Tonti
47
Stanovení mechanických vlastností svarového spoje oceli
P22 z výsledků penetračních testů
neželezné kovy a slitiny
Ing. Kateřina Skotnicová, Ph.D., Ing. Marie Kursová, prof. Ing. Miroslav
Kursa, CSc., Ing. Petra Bábková
52
Studium vlastností permanentních magnetů na bázi NdFeB
o vysokém energetickém výkonu
MK ČR E 18087
Mezinárodní standardní číslo
Strukturní a korozní vlastnosti ochranného povlaku Al-Zn
pro permanentní magnety Nd-Fe-B
ISSN 0018-8069
6
Výzkumné zaměření a plánované aktivity „Laboratoře
modelování procesů v tekuté a tuhé fázi“ projektu RMTVC
prof. Igor Belyaev, Dr. Natalia Kolchugina, Ing. Georgii Sprygin, prof. Ing.
Miroslav Kursa, CSc., doc. Ing. Stanislav Lasek, CSc., Ing. Kateřina
Konečná
Registrační číslo
4
Operační program Výzkum a vývoj pro inovace, jeho úloha a
cíle v oblasti materiálového a technologického výzkumu
59
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
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.
Odborný časopis pro hutnictví a materiálové inţenýrství
.
zkušebnictví, měřictví,
laboratorní metody
Ing. Bedřich Smetana, Ph.D., Ing. Simona Zlá, Ph.D., Ing. Monika
Ţaludová, doc. Ing. Rostislav Dudek, Ph.D., prof. Ing. Jana Dobrovská,
CSc., Ing. Karel Gryc, Ph.D., Ing. Markéta Tkadlečková, Ph.D., Ing. Silvie
Vitásková, prof. Ing. Karel Michalek, CSc., Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D.
66
Studium materiálových vlastností anorganických systémů
v tuhé i kapalné fázi
Ing. Veronika Szarková, doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D., RNDr. Milena
Kušnerová, Ph.D., Ing. Barbora Haluzíková, Ing. Michal Zeleňák, Ing.
Vlastimil Kuběna
72
Měření topografie povrchu válcovaného plechu optickou
metodou
doc. Dr. Ing. Michal Lesňák, doc. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc., prof. Ing.
Jaromír Pištora, CSc., Ing. Jaroslav Sobota, RNDr. František Staněk,
Ph.D.
76
Senzor magnetického pole na magneto-optickém principu
Ing. Ondřej Ţivotský, Ph. D., RNDr. Ing. Aleš Hendrych, Ph.D.,
Ladislav Klimša, Mgr. Jaroslav Hamrle, Ph. D.
Bc.
80
Využití vibračního magnetometru VSM ke studiu
magnetických vlastností pevných a práškových materiálů
prof. Ing. Karel Matocha, CSc., Ing. Ladislav Kander, PhD.
85
Možnosti hodnocení pevnostních, lomových a únavových
charakteristik kontrolních desek svarových spojů tlustých
plechů
ekonomika, organizace, řízení
Ing. Petr Besta, Ph.D., Ing. Bc. Jindřich Haverland, Ing. Kamila Janovská,
Ph.D.
90
Aplikace principů štíhlé výroby a filosofie Kaizen v hutních
procesech
© OCELOT s.r.o., 2011
ISSN 0018-8069
hutní výroba v ČR a SR
zprávy z podniků, institucí
a řešitelských pracovišť
ze spolkové činnosti a odborných akcí
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 a anglické verzi na webových
stránkách Hutnických listů.
ze života škol
recenze
společenská kronika
výstavy, veletrhy, konference
hutnictví ve světě
94
97
102
111
116
119
121
126
Dodavatelé příspěvků ve všeobecné informační části:
● Hutnictví ţeleza, a.s. ● VŠB – TU Ostrava, Institut environmentálních technologií ● doc.Ing. Václav
Kafka,CSc. ● prof. Ing. Jiří Kliber, CSc., prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc.● Ing. RNDr. Bohumill Tesařík ●
Mgr. Viktor Mácha ● Dopisovatelé ● Redakce
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Odborný časopis pro hutnictví a materiálové inţenýrství
.
C o n t e n t
Steel Making
Michalek,K. - Gryc, K. - Tkadlečková, M. - Dobrovská,J. - Smetana, B. - Dudek, R. - Zlá, S. - Pindor, J.
6
Research Focus and Planned Activities of the "Laboratory for Modelling of Processes in Liquid
and Solid Phase" of the RMSTC Project
Kurka, V. - Pindor, J. - Michalek, K.
12
Main Results Achieved on the Unit VPIM and New Metallurgical Research Laboratory Built within
the Project RMSTC in the Company MATERIAL AND METALLURGICAL RESEARCH Ltd.
Forming, Heat Treatment
Pernis, R.
18
Theoretical Proof of the Existence of a Minimum for a Forming Factor
Kawulok,P. – Schindler,I. - Opěla, P. - Rusz, S. - Legerski,M. - Šumšal, V. - Bořuta, J. - Čmiel, M.
25
Models of Hot Deformation Resistance of Steel 42CrMo4
Rusz, S. - Schindler, I. - Zogata, M. - Kawulok,P. - Legerski M. - Šumšal, V. - Bořuta,J. - Dänemark, J.
30
Determination of Mean Flow Stress of Tool Steel by Various Methods
Fabík, R. - Brodňan, M. - Nétek, V.
35
Use of Mathematical Modelling at Optimisation of Drawing of Semi-circular Wire with Focus on
Probability of Crack Formation During Drawing
Material Engineering
Šmátralová, M. - Stejskalová, Š. - Kuboň, Z. – Kurek, V.
41
Quenching Dilatometer and its Application in Engineering Practice
Matocha, K. - Stejskalová,Š. – Tonti, A.
47
Determination of Mechanical Properties of the Welded Joint of P22 Steel from the Punch Tests
Results
Non-ferrous Metals and Alloys
Skotnicová,K. - Kursová, M. - Kursa,M. – Bábková P.
52
Study of Properties of High-energy NdFeB Permanent Magnets
Belyaev,I. - Kolchugina,N. - Sprygin, G. - Kursa,M. - Lasek, S. – Konečná, K.
59
Structural and Corrosion Properties of Al-Zn Protective Coating for Nd-Fe-B Permanent Magnets
Testing, Messurement, Laboratory Methods
Smetana,B. - Zlá, S. - Ţaludová,M. - Dudek,R. - Dobrovská, J. - Gryc, K. - Tkadlečková,M. - Vitásková, S. - Michalek, K.
- Pindor, J.
66
Study of Material Properties of Selected Inorganic Systems in Solid and Liquid Phase
Szarková, V. - Valíček, J. - Kušnerová, M. - Haluzíková,B. - Zeleňák, M. – Kuběna, V.
72
Measurement of Surface Topography of Rolled Sheets by Optical Method
Lesňák,M. - Vlček, J. - Pištora,J. - Sobota,J. - Staněk,F.
76
Magneto-optical Magnetic Field Sensor
Ţivotský,O. - Hendrych,A. - Klimša, L. - Hamrle, J.
80
Investigation of Magnetic Properties of Solid and Powder Materials Using Vibrating Sample
Magnetometer (VSM)
Matocha,K. - Kander, L.
85
Possibilities of Evaluation of Tensile, Fracture and Fatigue Characteristics of the Testing Plates of
Weld Joints of Thick Plates
Economy, Organization, Management
Besta, P. - Haverland,J. - Janovská,K.
Application of the Lean Manufacturing Principles and of the Kaizen Philosophy in Metallurgical
Processes
90
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Operační program Výzkum a vývoj pro inovace, jeho úloha a cíle
v oblasti materiálového a technologického výzkumu
Česká republika se po vstupu do EU začlenila do procesu integrace národní politiky výzkumu, vývoje a
inovací a souvisejících oblastí, které uvádí Lisabonská strategie. Globálním cílem Operačního programu
Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI) je posilování výzkumného, vývojového a inovačního potenciálu
ČR, který přispěje k růstu konkurenceschopnosti a k vytváření vysoce kvalifikovaných pracovních míst
tak, aby se regiony ČR staly významnými místy koncentrace těchto aktivit v Evropě.
OP VaVpI je jedním z významných operačních programů, které přispívají k naplnění uvedeného cíle.
Společně s Operačním programem Podnikaní a Inovace (dále jen OP PI) a Operačním programem
Vzdělávaní pro konkurenceschopnost (dále jen OP VK) představuje OP VaVpI vzájemně propojený
systém intervencí, které mají za cíl zajistit dlouhodobě udržitelnou konkurenceschopnost české
ekonomiky a cílových regionů v rámci cíle Konvergence.
V rámci ČR zaznamenaly úspěch následující projekty zaměřené do oblasti materiálového výzkumu.
Projekt CEITEC (Central European Institute of Technology) – středoevropský technologický institut
(prioritní osa 1 – Evropská centra excelence, celková předpokládaná dotace 5 240 mil. Kč příjemce – MU
Brno, VUT Brno, Mendelova univerzita v Brně, Veterinární a farmaceutická univerzita Brno, Ústav fyziky
materiálů Akademie věd ČR, Výzkumný ústav veterinárního lékařství Brno). Projekt je zaměřen na
vybudování evropského centra excelence v oblasti věd o živé přírodě, pokročilých materiálů a technologií.
Projekt NETME Centre (New Technologies for Mechanical Engineering) – Nové technologie pro
strojírenství (prioritní osa 2 – Regionální VaV centra, celková dotace 767,5 mil. Kč, příjemce VUT Brno).
Cílem vlastních vědecko-výzkumných aktivit je komplexně pojatý aplikovaný výzkum navazující
na dosavadní spolupráci s průmyslovými partnery.
Západočeské materiálově metalurgické centrum (ZMMC), (prioritní osa 2 – Regionální VaV centra,
celková dotace 350 mil. Kč, příjemce - COMTES FHT a.s.). Cílem projektu je vybudovat prestižní
regionální výzkumné centrum kovových materiálů a technologií.
Centrum nových technologií a materiálů (CENTEM), (prioritní osa 2 – Regionální VaV centra, celková
dotace 324 mil. Kč, příjemce – Západočeská univerzita v Plzni). Hlavním strategickým cílem projektu je
být významným zdrojem výzkumných kapacit vybavených moderní přístrojovou technikou pro potřeby
průmyslových a výzkumných subjektů v regionu i mimo něj za účelem rozvoje nových technologií a
materiálů.
Regionální materiálově technologické výzkumné centrum (RMTVC), (prioritní osa 2 – Regionální
VaV centra, celková dotace 680 mil. Kč, příjemce VŠB-TU Ostrava, MMV s.r.o. Výzkumně vývojová
činnost v rámci tohoto projektu je zaměřena do následujících oblastí:
1. Vývoj a optimalizace nových technologií přípravy vysoce čistých materiálů, speciálních kovových
slitin a intermetalických sloučenin s definovanou strukturou a fyzikálními vlastnostmi pro aplikace
v elektronice, medicíně, strojírenském a chemickém průmyslu. Výzkum kovových materiálů s
ultrajemnozrnnou strukturou (nanostrukturou) a vývoj procesů jejich přípravy.
2. Vývoj a optimalizace procesů práškových technologií pro výrobu vybraných druhů materiálů a
výrobků.
3. Řízení specifických vlastností intenzivně válcovaných a termomechanicky zpracovávaných
materiálů využitím jejich strukturního potenciálu.
4. Nové zdroje pevnosti a houževnatosti materiálů pro náročné technologické aplikace.
5. Výzkum nanostrukturních materiálů.
6. Experimentální ověřování nových technologických postupů u kovových materiálů s vyššími
kvalitativními parametry.
V současné době je tento projekt v polovině řešení etapy pro pořizování a zprovoznění investic. Tomu
také odpovídá jejich čerpání. V rámci řešení projektu byly zprovozněny, jsou smluvně vázané nebojsou
4
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
ve fázi veřejné zakázky investice v hodnotě 296 mil. Kč, což odpovídá 60 % všech investičních
prostředků. Současně se rozbíhá i výzkumně vývojová činnost a příprava návrhů projektů VaV. V rámci
tohoto čísla Hutnických listů jsou presentovány první výsledky řešitelských kolektivů v oblasti působnosti
RMTVC.
Bez podpory výzkumu a vývoje nových materiálů, metod zkoumání jejich vlastností a vývoje nových
technologií jejich výroby není možný dlouhodobě udržitelný rozvoj moderního strojírenství, dopravní
techniky, efektivní energetiky, rychlých a spolehlivých informačních technologií. Nové, v mnoha případech
multifunkční materiály a jejich výrobní technologie jsou základním předpokladem pro konkurenceschopné
výrobky s vysokou užitnou hodnotou a to zejména ve strojírenství, dopravě, elektrotechnice a elektronice,
energetice, v lékařství apod.
Význam OP VaVpI pro českou vědu
Jedním z důležitých cílů projektů OP VaVpI je i vytvoření potřebného technického zázemí pro zvýšení
zájmu mladé generace o studium materiálově technologických oborů. Naplnění těchto cílů však není
možné bez zapojení mladých pracovníků vědy a výzkumu, zejména pak v etapě udržitelnosti. Zde vidíme
značný potenciál v možnosti zapojení mladých výzkumných pracovníků, kteří mohou plynule přecházet
z doktorského studia do nově vzniklých center. Tím budou vytvořeny předpoklady pro udržení špičkových
studentů v oblasti VaV. Možnost získání finanční dotace bude zajisté motivační i pro další studenty
v jejich snaze o zapojení do řešení úkolů vědy a výzkumu.
Na otázku, jaké tedy budou dopady OP VaVpI na českou vědu a jak tuto velmi důležitou oblast promění,
není dle mého názoru, ani za jinak velmi příznivých stávajících okolností, odpověď jednoznačná. Dojde
dozajista k významnému napravení dlouhodobého podfinancování vědeckovýzkumných pracovišť a
pořízení experimentální techniky na solidní, minimálně evropské úrovni. O úrovni jednotlivých vědních
oborů však nerozhoduje jen technické vybavení, ale také zapojení vědy do celospolečenských struktur,
angažování erudovaných a pro vědu zapálených lidí, pro které musí být působení v této oblasti také
ekonomicky výhodné. Tito lidé musí mít možnost si v časově únosných termínech utvářet a realizovat své
představy o osobním životě, rodině apod. Na druhé straně je nezbytné, aby se prostředky vložené do
výzkumu a vývoje vracely nejen podnikům, podnikatelům, ale celé společnosti tak, aby se vytvářely
podmínky pro zvyšování konkurenceschopnosti našeho průmyslu. Mechanismy, které by byly schopny
sladit proporce mezi požadavky vědy, ekonomickými možnostmi společnosti a efektivitou
výstupů výzkumně vývojových činností, prozatím u nás nejsou zcela funkční. Snad k tomu přispěje také
podpůrný materiál „Metodika hodnocení výsledků výzkumných organizací a hodnocení výsledků
ukončených programů“.
Závěrem je možno konstatovat, že OP VaVpI je v současné době nastartován v celé své šíři a je
jedinečnou příležitostí, jak s kvalitou české vědy a výzkumu, její úlohou v rozvoji společnosti a jejím
postavením něco pozitivního udělat. Na materiální podmínky si v této chvíli většina úspěšných příjemců
dotací nemůže stěžovat. Je na nás řešitelích, jak si poradíme s problémy, které se při takto velkých
akcích vždy vyskytují. Při jejich řešení vám všem, řešitelům zmíněných projektů, přeji mnoho úspěchů.
prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc.
ředitel RMTVC
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
5
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
výroba oceli
Výzkumné zaměření a plánované aktivity „Laboratoře modelování procesů
v tekuté a tuhé fázi“ projektu RMTVC
Research Focus and Planned Activities of the "Laboratory for Modelling of
Processes in Liquid and Solid Phase" of the RMSTC Project
prof. Ing. Karel Michalek, CSc., Ing. Karel Gryc, Ph.D., Ing. Markéta Tkadlečková, Ph.D., prof. Ing. Jana
Dobrovská, CSc., Ing. Bedřich Smetana, Ph.D., doc. Ing. Rostislav Dudek, Ph.D., Ing. Simona Zlá, Ph.D.,
Vysoká škola báňská -Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inţenýrství, Ing. Jaroslav
Pindor, Ph.D., MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava-Vítkovice
Znalost procesů souvisejících s technologií výroby oceli je základním předpokladem neustálého zvyšování jakosti
odlévané oceli. Vědecko-technické zázemí Katedry metalurgie a Katedry fyzikální chemie a teorie technologických
pochodů, Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství, Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava
a rozsáhlé zkušenosti nejen z oblasti aplikovaného výzkumu umožnilo těmto pracovištím zapojit se do významného
projektu realizovaného pod názvem „Regionální materiálově technologické výzkumné centrum“ (RMTVC), a to
především formou založení pracoviště „Laboratoře modelování procesů v tekuté a tuhé fázi“.
V příspěvku je prezentována hlavní koncepce a jednotlivé etapy realizace tohoto unikátního pracoviště, které bude
zaměřeno na komplexní studium procesů probíhajících při výrobě a odlévání oceli. V rámci realizace laboratoře
dochází průběžně k pořizování nejmodernějšího přístrojového vybavení pro vysokoteplotní analýzu celé řady
fyzikálních vlastností ocelí, feroslitin, strusek a dalších materiálů. Podařilo se rovněž získat komplexní komerční
i výukovou licenci špičkového programu na numerické modelování procesů probíhajících při lití a tuhnutí nejen
oceli. Tato zařízení budou dále doplněna o fyzikální model umožňující simulaci tavení, lití a tuhnutí oceli v různých
provozních podmínkách. Existuje zde tedy významný vědecko-výzkumný potenciál umožňující spolu s optimálním
personálním obsazením rozvíjet dlouhodobě prospěšnou spolupráci mezi metalurgickými podniky a Fakultou
metalurgie a materiálového inženýrství.
Knowledge of the processes involved in steel production technology is essential for continuous improvement
of quality of cast steel. The scientific and 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 at the VSB - Technical University of Ostrava, as well as the extensive experience of applied research
enabled these workplaces to participate in a major project conducted under the Regional Materials Science and
Technology Centre (RMSTC), particularly through the establishment of the workplace "Laboratory for Modelling
of Processes in the Liquid and Solid Phases”.
The paper presents the main concept and the individual stages of realization of this unique facility that will focus on a
comprehensive study of the processes taking place at steel production and its casting. During the realization of the
laboratory a state of the art instrumentation for high temperature analysis of a wide range of physical properties of
steel, ferro-alloys, slag and other materials is being systematically continuously purchased. It was also possible to
obtain a comprehensive commercial and educational license of top programme for numerical modelling of processes
taking place both during casting and solidification of steel. These facilities are further complemented by the physical
model that allows the simulation of melting, casting and solidification of steel under various operating conditions.
The project No. 6 of the research program RMSTC creates a workplace that will be able to carry out an analysis of
key physical properties of concrete metallic and oxide systems, to determine their temperature and other required
dependencies. In addition to other specialist activities, it will be possible to implement the physical properties into
the numerical and physical model system accurately tailored to the solved problems. The parallel numerical and
physical modelling allows achievement of the optimal operational options of tested versions and their potential
reverse analyses.
6
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
The Laboratory for Modelling of Processes in Liquid and Solid Phase thus represents a unique summary of
equipment and scientific and research potential, allowing together with optimal staffing the study of complex
processes occurring during the production, casting and solidification of metals for the application sphere. This
project should develop long-term fruitful cooperation between the metallurgical industries and the Faculty of
Metallurgy and Materials Engineering.
pochodů FMMI, VŠB-TUO a zkušenosti nejen z oblasti
aplikovaného výzkumu umoţnily těmto pracovištím
zapojit se do projektu RMTVC, a to konkrétně do
výzkumného programu č. 6 (VP6)
s názvem
„Experimentální ověřování nových technologických
postupů u kovových materiálů s vyššími kvalitativními
parametry“. V rámci VP6 bylo zahájeno budování
pracoviště „Laboratoře modelování procesů v tekuté a
tuhé fázi“. Schéma struktury RMTVC a zařazení
pracoviště VP6 je zobrazeno na obr. 3.
1. Struktura RMTVC, zařazení VP6
V roce 2010 byl zahájen rozsáhlý projekt realizovaný
pod názvem Regionální materiálově technologické
výzkumné centrum (RMTVC) financovaný v rámci
strukturálních fondů EU, Operačního programu
Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI), výzva 2.1
Regionální VaV centra. Příjemcem projektu je Vysoká
škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta
metalurgie a materiálového inţenýrství a partnerem
projektu je MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o. Schématické znázornění příjemců
projektu RMTVC a nejdůleţitější časové mezníky
řešení projektu jsou zachyceny na obr. 1.
Obr. 1 Schématické znázornění příjemců projektu RMTVC a
nejdůleţitější časové mezníky řešení projektu
Fig. 1 Schematic representation of beneficiaries of RMSTC project
and most important time milestones of project solution
Obr. 2
Fig. 2
Hlavním cílem projektu RMTVC je vytvořit
infrastrukturu na podporu propojení vzdělávání, výzkumu
a vývoje Vysoké školy báňské – Technické univerzity
Ostrava (VŠB-TUO), Fakulty metalurgie a materiálového
inţenýrství (FMMI) s podnikatelským prostředím.
Projekt je rozdělen do šesti výzkumných programů,
jejichţ úkolem je vybudovat laboratoře a týmy, které
budou pro aplikační sféru vyvíjet, zkoumat
a optimalizovat vlastnosti pokročilých materiálů a
technologie jejich přípravy. Zaměření jednotlivých
laboratoří je naznačeno na obr. 2.
Souhrn vznikajících laboratoří v rámci RMTVC a jejich
výzkumné zaměření
Summary of created laboratories in the frame of RMSTC
and orientation of their research activities
Obr. 3 Zařazení pracoviště VP6 v rámci struktury RMTVC
Fig. 3 Position of the workplace VP6 within the structure of
RMSTC
Součástí cíle je i zvýšení podílu studentů na výzkumu,
vývoji a inovacích prováděných vysokou školou,
zlepšení kvality odborné přípravy budoucích výzkumněvědeckých pracovníků, zlepšení schopností absolventů
s vyuţíváním
pokročilých
technologií,
zvýšení
aplikovatelnosti nejnovějších výsledků vědy do praxe
a podpora potřebného technického zázemí pro zvýšení
zájmu mladé generace o studium materiálově
technologických oborů [1].
2. Koncepce Laboratoře modelování
procesů v tekuté a tuhé fázi
Vzhledem k aktuálním, střednědobým a dlouhodobým
potřebám výrobních podniků bude cílem směřovat
aplikovaný výzkum prováděný v rámci „Laboratoře
modelování procesů v tekuté a tuhé fázi“ do oblasti
výrobků s vysokou přidanou hodnotou, reagovat na
aktuální potřeby trhu a zaměřit se na, v podmínkách
České republiky zatím ne příliš, komplexně řešenou
problematiku technologie výroby, lití a tuhnutí oceli.
Jednotlivé oblasti aktivity budované laboratoře lze
Vědecko-technický potenciál Katedry metalurgie a
Katedry fyzikální chemie a teorie technologických
7
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
definovat následovně:
 optimalizace metalurgických procesů pomocí metod
modelování (fyzikálního i numerického),
 studium termofyzikálních vlastností tavenin kovů
a strusek,
 spolupráce s aplikační sférou při návrhu, testování
a zavádění nových technologií zpracování a odlévání
tekuté oceli.
Konfigurace nově pořízeného software umoţňuje
provádět komplexní analýzy plnění, tuhnutí a
napěťových stavů nejen ocelových ingotů, ale i plynule
litých předlitků, s predikcí vad a zbytkového pnutí.
Souhrnné řešení je zabezpečeno díky modulům pro
výpočet plnění a tuhnutí a modulu predikce
makrosegregace, dále pak modulu pro výpočet
tepelného zpracování a zbytkového pnutí a v neposlední
řadě i modulu plynulého odlévání.
Pro řešení výše uvedené problematiky jsou obě řešitelská
pracoviště velmi dobře připravena a mají jiţ zkušenosti
s úspěšnou provozní aplikací experimentálních výsledků
[2, 3, 4].
V době psaní tohoto článku probíhaly první testovací
výpočty. Ukázka zobrazení vypočítaných objemových
vad ocelového ingotu o hmotnosti 1,9 t je zachycena na
obr. 5. Z levé části obrázku je patrné, ţe numerickým
modelováním byla ve středové oblasti těla ingotu
predikována staţenina a uzavření tekutého jádra. Lze
usuzovat, ţe v této kritické oblasti bude docházet
ke vzniku mikroporozity a případně i makroporozity
v důsledku zamezení doplňování tekuté oceli z nástavce
ingotu. Vznik mikroporozity a makroporozity je pak
potvrzen a zachycen v pravé části obrázku.
2.1 Optimalizace metalurgických procesů pomocí
metod modelování
Na Katedře metalurgie existuje moţnost vyuţití,
v provozních
podmínkách
prověřené
koncepce,
simultánního numerického a fyzikálního modelového
studia doplněného o velmi potřebné provozní verifikace.
V současné době je na VŠB-TUO, FMMI, Katedře
metalurgie k dispozici Laboratoř fyzikálního a
numerického modelování metalurgických procesů, jejíţ
činnost je zaměřena na simulaci procesů probíhajících
při rafinaci a homogenizaci tekuté oceli v licí pánvi,
vakuovací komoře typu RH a na modelování proudění
oceli v mezipánvi, jak lze vidět z ukázky výsledků na
obr. 4.
Obr. 5 Podíl utuhlé frakce – uzavření tekutého jádra v objemu těla
ingotu a zobrazení konečného rozsahu mikroporozity a
makroporozity v objemu těla ingotu
Fig. 5 Solid fraction ratio - the enclosure of the liquid core in the
volume of ingot body and image of the final extent of the
micro- and macro- porosity in the volume of the ingot body
První výsledky simulace lití a tuhnutí oceli v prostředí
nově pořízeného simulačního programu v rámci řešení
projektu RMTVC jasně prokázaly výpočetní sílu
numerického nástroje při řešení a optimalizaci procesů
probíhajících při odlévání a tuhnutí oceli. Pomocí
numerického výpočtu je moţné zjistit v licí soustavě
rozloţení teplotních, tlakových či rychlostních polí,
predikovat velikost středových staţenin, porozity, dutiny
a podobně. Nespornou výhodou numerické simulace je
relativně snadná změna okrajových podmínek.
Obr. 4 Příklady výsledků fyzikálního a numerického modelování
proudění oceli v metalurgických agregátech
Fig. 4 Examples of modelling results of steel flow in ladle, vacuum
degasser of RH type and in tundish of CCM
Rozvoj „Laboratoře modelování v tekuté a tuhé fázi“
bude dále spočívat ve výstavbě fyzikálního modelu pro
modelování metalurgických procesů při výrobě,
zpracování a tuhnutí oceli. Je ţádoucí, aby byl fyzikální
model maximálně podobný reálným taveninám a
případně umoţňoval provádět simulace fyzikálněchemických procesů v co moţná nejširším rozsahu.
Vysokoteplotní fyzikální model zaměřený na studium
fyzikálně-chemických procesů a procesu tuhnutí oceli
V rámci řešení VP6 projektu RMTVC dochází
k rozšíření technického a softwarového vybavení
„Laboratoře modelování procesů v tekuté a tuhé fázi“.
Podařilo se získat komplexní komerční i výukovou
licenci špičkového programu na numerické modelování
procesů probíhajících při lití a tuhnutí nejen oceli.
8
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
bude vykazovat vyšší stupeň provozní aplikovatelnosti,
variability
a
významným
způsobem
přispěje
k udrţitelnosti celého projektu RMTVC.
2.2 Studium termofyzikálních vlastností tavenin
kovů a strusek
Aby výsledky modelového studia byly převeditelné na
reálný provozní systém, je mimo jiné nutné mít
maximálně přesné informace o termofyzikálních a
termodynamických vlastnostech vyráběných materiálů
při daném konkrétním výrobním procesu. Tyto
informace jsou často přebírány z různých externích
zdrojů (z komerčních i nekomerčních databází,
vědeckých a technických publikací) mimo vlastní
řešitelský kolektiv a/nebo jsou fyzikální vlastnosti
určovány na základě nejrůznějších teoretických
výpočtů, např. s vyuţitím software IDS [5, 6, 7], který
ve svých výpočtech zahrnuje vliv mnohých
zjednodušujících předpokladů. Získaná materiálová
data, s vyuţitím tohoto a podobných software, mohou
být následně ne zcela přesná či nereálná.
Obr. 6
Fig. 6
Schéma zařízení STA 449 F3 Jupiter
Scheme of the equipment STA 449 F3 Jupiter
Na pracovišti bude přístroj vyuţit především ke studiu
vlastností ocelí, feroslitin, strusek a licích prášků.
Pořízený přístroj STA 449 F3 Jupiter umoţní měření
tepelných efektů a hmotnostních změn materiálů
v rozmezí teplot RT (Room Temperature) aţ 2000 °C,
přičemţ rychlost ohřevu/ochlazování lze nastavit
v rozmezí 0,01 aţ 50 K.min-1. Hmotnost vzorku můţe
být aţ 30 g (pro ocel). Přístroj umoţňuje práci v inertní
i reaktivní (oxidační, redukční) atmosféře a vakuu
(10-2 mbar). Lze nastavit statickou či dynamickou
atmosféru v okolí vzorku.
Na Katedře fyzikální chemie a teorie technologických
pochodů je jiţ v současné době spolehlivě vyuţíván
experimentální laboratorní systém Setaram SETSYS
18TM (zařízení pro termickou analýzu aţ do teploty
1750 °C, rychlost ohřevu/ochlazování 0,01-100 K.min-1).
Zařízení je vyuţíváno především pro studium teplot a
latentních tepel fázových přeměn kovů [8, 9], tepelných
kapacit a kinetiky fázových přeměn vzorků do velikosti
cca 500 mg. V rámci projektu RMTVC, Laboratoře
modelování procesů v tekuté a tuhé fázi, byla pořízena
další zařízení, která budou schopna s vyuţitím
nejmodernějších analytických metod pro získávání
materiálových vlastností konkrétních studovaných
systémů (různé značky ocelí, strusky, feroslitiny, licí
prášky) podstatným způsobem rozšířit aplikační moţnosti
pracoviště. S vyuţitím výsledků získaných se systémem
Setaram SETSYS 18TM a nově pořízeným systémem
Netzsch STA 449 F3 Jupiter, viz obr. 6, bude moţné
komplexněji studovat materiálové vlastnosti, vytvářet
vlastní databázi a následně implementovat vlastní získaná
materiálová data (např. pro konkrétní značku oceli) do
fyzikálních a numerických modelů. Získaná data
podstatným způsobem přispějí ke zpřesnění výsledků
numerického modelování.
Na pracovišti Katedry fyzikální chemie a teorie
technologických pochodů je rovněţ k dispozici zařízení
pro měření viskozit kovů. V současné době jsou se
zařízením prováděna pilotní ověřovací a metodická
měření. Jedná se o vysokoteplotní viskozimetr firmy
Theta určený pro výzkum viskozit tavenin kovů. Toto
zařízení je určeno ke studiu tavenin do teplot 1700 °C a
pracuje v rotačním modu. Jako základní charakteristiky
lze jmenovat řízenou rychlost ohřevu v rozsahu
0 – 50 °C.min-1 a ochlazování 0 – 20 °C.min-1 při
maximálním měřícím rozsahu 5 mPa.s-1 – 20 Pa.s-1.
Experimenty lze provádět při běţné atmosféře, stejně
jako ve vakuu do hloubky 0,013 Pa, nebo v inertní
atmosféře Ar, He atd. Maximální měřící chyba je
výrobcem definována na 10 %.
Současně se v rámci RMTVC realizuje nákup
vysokoteplotního viskozimetru Anton Paar určeného
pro studium viskozit oxidických roztavených systémů,
resp. metalurgických strusek apod. Toto zařízení bude
schopno určovat viskozitu těchto tavenin v rotačním i
vibračním modu do teplot 1600 °C. Předpokládaný
měřící rozsah bude 3 mPa.s-1 – 200 Pa.s-1 spojený s
velkou variabilitou teplotních reţimů, které lze nastavit
manuálně, nebo lze vyuţít předdefinovaných měřících
cyklů. Přesnost tohoto zařízení je výrobcem
deklarována na 0,5 %. Předností je zejména vibrační
měřící mód, který eliminuje případné ulpívání taveniny
na vřetenu a do jisté míry eliminuje geometrické
nepřesnosti vřetena.
Zařízení Netzsch STA 449 F3 Jupiter je špičkový
přístroj určený ke studiu termofyzikálních a
termodynamických
vlastností
materiálů.
Přístroj
umoţňuje provádět simultánní termickou analýzu (STA),
TG/DSC
(Termogravimetrie/Diferenční
Skenovací
Kalorimetrie) a TG/DTA (Termogravimetrie/Diferenční
Termická Analýza).
9
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
2.3 Spolupráce s aplikační sférou při návrhu,
testování a zavádění nových technologií
zpracování a odlévání tekuté oceli
Výsledky komplexního studia bude moţné vyuţít
zejména k optimalizaci technologie lití a krystalizace
oceli. Vyuţitím moderních nástrojů můţe dojít
k významné optimalizaci plynulého lití v oblasti
stanovení:
 teploty přehřátí oceli,
Obr. 7 Schematické uspořádání příkladů průmyslové aplikace
poznatků z oblasti numerického a fyzikálního modelování lití
a krystalizace oceli a výsledků metod termofyzikální analýzy
vlastností ocelí, strusek či oxidických směsí
Fig. 7 Schematic diagram of examples of industrial application of
knowledge from the research field of numerical and physical
modelling of casting and crystallization of steel and the
results of the analysis of thermo-physical properties of steel,
slag or oxide mixtures.
 vlastností mezipánvové strusky a licích prášků,
 licích rychlostí,
 způsobu sekundárního chlazení,
 upřesnění profilu tekutého jádra – optimalizace
umístění elektromagnetického míchání,
 zlepšení povrchové i vnitřní kvality předlitků,
3. Závěr
 sníţení počtu technologických poruch ZPO ad.
V rámci projektu RMTVC při řešení výzkumného
programu č. 6 vznikne pracoviště, které bude schopno
provádět analýzu klíčových fyzikálních vlastností
konkrétních kovových a oxidických soustav, nalézt
jejich teplotní a jiné poţadované závislosti. Kromě jiné
expertní činnosti je moţné „na míru“ řešenému
problému určené fyzikální vlastnosti implementovat do
systému numerického a fyzikálního modelování.
Současné provedení numerického a fyzikálního
modelování umoţní dosáhnout optimální navrţení
provozně testovaných variant a také jejich případnou
zpětnou analýzu.
Přestoţe je v dnešní době většina oceli odlévaná
plynule, existuje specifický sortiment výrobků, které z
povahy svých rozměrů či jiných uţitných vlastností
vyţadují vyuţít metod odlévání do kokil. Odlévání
oceli do ingotů umoţňuje výrobu i součástí nadměrné
velikosti do hmotnosti aţ stovek tun. Hlavním
předpokladem
konkurenceschopnosti
kterékoliv
ocelárny nejen v rámci evropského prostoru je však
jejich kvalitní a stabilizovaná výroba.
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
tvářením. Řešení materiálových nedostatků výkovků,
potaţmo finálních strojních součástí, spočívá
v komplexní optimalizaci jak procesu odlévání oceli,
tak následného tepelného zpracování aţ po vlastní
tvářecí proces. Jednou z moţností, jak sledovat a
optimalizovat tok výroby materiálu od odlévání aţ po
tvářecí proces, je vyuţití metody numerického
modelování. Přístroj JUPITER pak nalezne především
své vyuţití v aplikovaném výzkumu lití do kokil
zaměřeném na omezení segregačních jevů, vnitřních
a povrchových vad a zvýšení metalografické čistoty
optimalizací zpřesněním teplot „solidu“ a „likvidu“
a ostatních
fyzikálních
vlastností
vsázkových
materiálů, čímţ můţe dojít k optimalizaci procesů
spojených s jejich ohřevem a tavením.
Laboratoř modelování procesů v tekuté a tuhé fázi tedy
představuje unikátní souhrn zařízení a vědeckovýzkumného potenciálu umoţňující spolu s optimálním
personálním obsazením ucelené studium procesů
probíhajících při výrobě, lití a tuhnutí kovů pro
aplikační sféru.
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu
č. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regionální materiálově
technologické výzkumné centrum" (ED0040/01/01),
v rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro
inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU
a ze státního rozpočtu ČR.
Literatura
[1]
http://www.fmmi.vsb.cz/rmtvc/cs/okruhy/uvod/
[2]
MICHALEK, K.; MORÁVKA, J.; GRYC, K.; SZYMANIK,
M.; PINDOR, J. Simulation, Monitoring and Control of
Transition Zone in CC Billets at Steelworks Třinec, In
Materials, Metallurgy and Interdisciplinary Co-working,
Ostrava, VŠB-TU Ostrava, 2008, p. 217-226, ISBN 978-80248-7843-6.
[3]
MICHALEK, K.; MORÁVKA, J.; GRYC, K. Model směsných
oblastí ZPO 1 v TŢ, a.s. In Teorie a praxe výroby a zpracování
oceli. Roţnov pod Radhoštěm, 2008, s. 97-104, ISBN 978-8086840-39-0. (in Czech).
[4]
GRYC K., MICHALEK K., TKADLEČKOVÁ M., SIKORA
V., HUDZIECZEK Z. Effect of the Modification of Perforated
Walls on Steel Flow Pattern in a 5-Strand Asymmetrical
Pro průběh rafinace oceli se mohou ukázat jako velice
uţitečné podrobné informace o reálném chování ocelí,
feroslitin, strusek při různých reţimech sekundárního
zpracování včetně studia vlivu typu pouţité atmosféry.
Schéma příkladů moţné průmyslové aplikace poznatků
metod termofyzikální analýzy vlastností oceli, strusek
či feroslitin a numerického a fyzikálního modelování
lití a krystalizace oceli je zachyceno na obr. 7.
10
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Tundish. Acta Metallurgica Slovaca Conference, Košice,
Vol. 1, 2010, No. 4, p. 143-146. ISSN-1338-1660.
[5]
[6]
BOETTINGER, W.J.; KATTNER, U.R.; MOON, K.-W.;
PEREPEZKO, J.H. Recommended Practice Guide: DTA and
Heat-flux DSC Measurements of Alloy Melting and Freezing.
Washington: National Institute of Standards and Technology,
November 2006. 90 p. e-Book: http://www.nist.gov/
public_affairs /practiceguides/NISTSpecial%20Pub960-15.pdf
SMETANA, B. Thermophysical and thermodynamical
properties study of metallic systems based on Fe-C. Disertační
práce. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, FMMI, Katedra fyzikální
chemie a teorie technologických pochodů, 2006, 97 s., přílohy
113 s..
[7]
MIETTINEN, J. Solidification analysis package for steelsuser´s manual of DOS version. [program on CD-ROM].
Helsinky University of Technology : Laboratory of Metallurgy,
1999.
[8]
SMETANA, B., et al. Application of High Temperature DTA
Technique to Fe Based Systems. In METAL 2010 : proceedings
of 19th INTERNATIONAL METALLURGICAL AND
MATERIALS CONFERENCE, 2010 Roţnov pod Radhoštěm.
Czech Republic. Ostrava : TANGER, spol. s.r.o., 2010. p. 357362. ISBN 978-80-87294-17-8.
[9]
SMETANA, B., et al. Phase transformation temperatures of
pure iron and low alloyed steels in the low temperature region
using DTA. International Journal of Materials Research, 2010,
vol. 101, no. 3, p. 398-408. ISSN 1862-5282.
Recenze: Ing. Jaroslav Březina
prof. Ing. František Kavička, CSc.
____________________________________________________________________________________________________________________
1. Celostátní konference
5. - 6. ŘÍJNA 2011
Hotel Relax,
Rožnov pod Radhoštěm,
Česká Republika, EU
ZAMĚŘENÍ KONFERENCE
Konference se bude zabývat novými teoretickými poznatky v oblasti žárovzdorných materiálů, novými
technologiemi přípravy a údržby vyzdívek pecí a seznámit se s výrobky jednotlivých firem. Jedním z cílů
je podat účastníkům přehled o nových druzích žárovzdorných a izolačních materiálů.
TEMATICKÉ OKRUHY
POŘADATELÉ

použití žárovzdorných materiálů ve vyzdívkách koksárenských baterií

použití žárovzdorných materiálů ve vyzdívkách vysokých pecí

použití žárovzdorných materiálů ve vyzdívkách ocelářských pecí

kontinuální odlévání oceli

sekundární metalurgie

ohřívací pece a pece pro tepelné zpracování

provozní zkušenosti se spotřebou a opotřebením staviv

popř. vyzdívek dalších hutních agregátů.
www.hutnikeramika.cz
11
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Hlavní výsledky dosažené na zařízení VPIM a nová metalurgická výzkumná
laboratoř budovaná ve společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o. v rámci projektu RMTVC
Main Results Achieved on the Unit VPIM and New Metallurgical Research
Laboratory Built within the Project RMSTC in the Company MATERIAL
AND METALLURGICAL RESEARCH Ltd.
Ing. Vladislav Kurka, Ph.D., Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D., MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM
s.r.o., Ostrava-Vítkovice, prof. Ing. Karel Michalek, CSc., Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava,
Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství
Práce se zabývá popisem dosavadních získaných poznatků, dosažených cílů a stávajících možností zařízení
„Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“ (dále jen VPIM). Poznatky byly získávány v průběhu řešení výzkumných
a vývojových úkolů a to jak dotovaných projektů tak i od externích odběratelů. V návaznosti na tyto práce a pro
zachování kontinuity výzkumu bylo zařízení VPIM vloženo do projektu „Regionální materiálově technologické
výzkumné centrum“ č.: CZ.1.05/2.1.00/01.0040, výzkumného programu č.: 6 s názvem „Experimentální ověřování
nových technologických postupů u kovových materiálů s vyššími kvalitativními parametry“ a konkrétně do fyzikální
laboratoře „Laboratoř pro experimentální ověřování technologií výroby nových materiálů“. Laboratoř posílí
metalurgickou základnu společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., jejíž cílem
je sofistikovanější výzkum a vývoj metalurgických procesů. Zařízení VPIM projde rozsáhlou modernizací.
Modernizované zařízení VPIM bude mít vyšší účinnost vakuovacího systému. Dále bude možné měřit on-line teplotu
taveniny v průběhu celého metalurgického procesu. Pro možnost odlévání ocelové taveniny do různých typů a počtů
ingotů, v navolené atmosféře a tlaku, je navržen odlévací keson s rafinačním žlabem. Pro zvýšení reakční účinnosti
strusky a implementace kyslíkových pochodů bude zařízení disponovat kyslíko-argonovou tryskou. Řízení
metalurgických pochodů odplynění a oxidace bude prováděno za pomoci analyzátoru plynů, oxidu uhličitého
a oxidu uhelnatého, v atmosféře kesonu. Programování, archivace a vyhodnocení dat bude realizováno
až po implementaci konstrukčních celků a oživení celého systému. Inovované zařízení VPIM bude sloužit pro výzkum
a vývoj technologií výroby vysoce jakostních ocelových a kovových materiálů. Metalurgické procesy tavení,
rafinace, legování a oxidace bude možno provádět v podmínkách sníženého tlaku - vakua nebo za přetlaku inertní
atmosféry argonu nebo dusíku.
The work describes the existing acquired knowledge, previous lessons learned, achievements and possibilities of the
existing unit, "Vacuum and over-Pressurized Induction Melting furnace" (hereinafter VPIM). Knowledge was
collected during solution of research and development tasks, financed by government grant or by external
customers. Further to the works and for the continuity of the research the VPIM was included into the project
„Regional Materials Science and Technology Centre“ (hereinafter RMSTC) No. CZ.1.05/2.1.00/01.0040, research
program No. 6 entitled „Experimental verification of new technological processes for metallic materials with higher
qualitative parameters“within the new “Laboratory for experimental verification of technologies for production of
new materials“. New physical laboratory will strengthen the metallurgical base of the company MATERIAL
AND METALLURGICAL RESEARCH Ltd., the goal of which is sophisticated research and development of
metallurgical processes. The unit undergoes through extensive modernization of VPIM. The upgraded VPIM will
have higher efficiency of the vacuum system. Moreover, the melt temperature during melting process will be
measured on-line. Casting chamber has been designed for the possibility of casting of molten steel into different
types and numbers of ingots under selected atmosphere and pressure. The unit will have an oxygen jet in order to
increase the efficiency of reaction of slag and to enable oxygen processes. Metallurgical processes of degassing
and oxidation will be controlled by using the gas analyzer for the gases used in the atmosphere of the chamber
(hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide). Programming, archiving and data analyses will be programmed
after the implementation of structural units and putting of the whole system into operation. The innovated unit VPIM
will serve for research and development of production technologies for high quality steels and metallic materials.
Metallurgical processes of smelting, refining, alloying and oxidation can be carried out under conditions of reduced
pressure (vacuum) or overpressure of inert atmosphere of argon or nitrogen.
12
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Úvod
Nejprve je popsán vznik zařízení “Vakuová a přetlaková
indukční tavící pec”, dále jen VPIM a jeho parametry.
V rámci řešení projektu „Výzkum a ověření nových
netradičních postupů výroby kovových materiálů“
Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy č. MSM
2587080701 bylo vybudováno zařízení VPIM, viz.
obr. 1, [1]. Toto zařízení je svou konstrukcí jedinečné
v České republice.
Zařízení VPIM disponuje v současné době níže
uvedenými základními parametry [4]:
 Elektrický tavící výkon
600 kW;
 Hmotnost kovové taveniny
1750 kg;
 Frekvence zdroje
1000 Hz;
 Napětí zdroje
2000 V;
 Dmýchací tvárnice pod výduskou
Ar: 1-50 Nl.min-1, N: 2,4-120 Nl.min-1;
 Rozměry tavícího kelímku Ø 610 mm, výška
1100 mm, pracovní objem 0,245 m3;
 Vakuový a přetlakový keson, objem 26,4 m3;
Ø 3000 mm, výška s víkem 4250 mm;
 Pracovní vakuum 50 Pa (0,5 mbar) abs.;
 Pracovní přetlak (dusík, argon) 0,5 MPa abs.;
 Odlévání do kokilové sestavy o maximální
výšce 2800 mm;
 Odlévání do licí pánve o maximální hmotnosti
taveniny 2100 kg.
Obr. 1
Fig. 1
Obr. 2 Odlévání taveniny do „Oválné licí pánve“ při otevřeném
kesonu zařízení VPIM.
Fig. 2 Casting of the melt into „Oval pouring ladle“with open
chamber of the unit VPIM.
V rámci řešení projektu „Regionální materiálově
technologické
výzkumné
centrum“
č.:
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 [11] a [12] bylo zařízení VPIM
zařazeno do tohoto projektu jakožto součást budované
„Laboratoře pro experimentální ověřování technologií
výroby nových materiálů“ (dále jen „Metalurgická
laboratoř“)
ve
společnosti
MATERIÁLOVÝ
A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o.
Obecně platí, že mají-li výzkumně-vývojové laboratoře
řešit problematiku pro výrobně-průmyslovou praxi,
je zapotřebí, aby jejich výstupní parametry byly o cca
jeden řád lepší. Úpravy zařízení VPIM jsou zaměřeny
na několik hlavních oblastí. V současné době je možné
odlévání při otevřeném kesonu do oválné licí pánve viz
obr. 2 a následně spodní plnění kokil na atmosférickém
licím poli, nebo při zavřeném kesonu „horem“ do
kokilové sestavy viz obr. 3. Stávající výkon vakuovací
stanice je pro plánované výzkumně vývojové
metalurgické operace nedostatečný, taktéž způsob
legování, odběr vzorků kovů a v neposlední řadě
jednorázové měření teploty.
Obr. 3
Zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“,
celkový pohled.
Unit „“Vacuum and over-Pressure Induction Melting
furnace”, general view
Fig. 3
13
Odlévání do kokilové sestavy v zavřeném kesonu zařízení
VPIM. Fotografováno po otevření kesonu.
Casting into ingot mould in the closed chamber of the unit
VPIM. Photo taken after opening of the chamber.
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Technologie odstraňování škodlivých příměsových
prvků z roztavených kovových materiálů byla vyvinuta
a potvrzena na ocelové tavenině legované chrómem
od 0,58 % do 45,00 % a/nebo manganem od 0,42 %
do 2,72 % za pomoci silného redukčního činidla
obsahující vápník v přetlaku argonu 0,5 MPa. Byla
prokázána možnost účinně odstranit škodlivé příměsové
prvky (např. S, P, As, Sb, Zn) za pomoci přísady CaC 2 a
CaFe. Dávkování v množství 17,5 kg.t-1 CaC2 a 4,7
kg.t-1 CaFe vedlo u některých tavenin až k těmto
stupňům odstranění škodlivých prvků ηS 60 %, ηP 40
%, ηAs 55%, ηSb 75 % a ηZn 84 %, viz obr. 4. [8]
Dosažené výsledky - Současný stav
V rámci řešení výzkumných a vývojových projektů byly
vyvinuty technologie výroby nízko i vysocelegovaných
ocelových materiálů, kovových slitin, ale také byla
vyvinuta např. „Technologie odstraňování škodlivých
příměsových prvků z roztavených kovových materiálů“
[2].
Stupeň odstranění vybraných škodlivých prvků z kovové
taveniny η X [%]
V krátkosti jsou níže, na jednotlivých příkladech,
popsány vybrané výsledky z předchozích let získané
na zařízení VPIM.
100
50
0
-50
-100
-150
Obr. 4
Fig. 4
S
P
Cu
As
Sb
Sn
Zn
Vybrané škodlivé prvky [-]
t. 1/8, Cr 6,48 %, Mn 0,42 %
t. 2/8, Cr 0,09 %, Mn 0,66 %
t. 3/8, Cr 12,89 %, Mn 0,68 %
t. 4/8, Cr 12,70 %, Mn 0,72 %
t. 5/8, Cr 16,80 %, Mn 0,70 %
t. 6/8, Cr 20,34 %, Mn 0,58 %
t. 7/8, Cr 0,65 %, Mn 1,9 %
t. 8/8, Cr 12,20 %, Mn 0,81 %
t. 1/4, Cr 4,63 %, Mn 0,55 %
t. 2/4, Cr 4,39 %, Mn 1,05 %
t. 3/4, Cr 45,00 %, Mn 0,45 %
t. 4/4, Cr 0,58 %, Mn 2,72 %
Stupeň odstranění vybraných škodlivých prvků z ocelové taveniny v závislosti na složení kovové taveniny [8]
The degree of removal of detrimental elements from the steel melt, depending on the composition of the steel [8]
Vývoj technologie oduhličení a odvodičení na zařízení
VPIM je v této práci prezentován na materiálu
ze skupiny Ultra Low Carbon, modifikovaná ULC - BH
steel. Pro oduhličení byl v zařízení VPIM použit proces
VCD (Vacuum Carbon Deoxidation), kde nositelem
kyslíku byl Fe2O3, přičemž bylo dosaženo snížení
obsahu C z 0,045 % na 0,006 % a obsahu H z 2,2 ppm
na 0,6 ppm v tavenině oceli viz tab. 1 [3].
Chemické složení jakosti oceli ULC-BH před a po procesu VCD [3]
Chemical composition of the grade ULC-BH steel before and after the VCD process [3]
C
Mn
Si
P
S
ULC-BH steel
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
min.
0,0015
0,05
Standard
[5]
max.
0,0045
0,70
0,40
0,080
0,010
Před Fe2O3, dezox. Al
0,0450
0,03
<0,01
0,013
0,008
Po VCD s Fe2O3
<0,0060
0,02
0,14
0,014
0,008
Tab. 1
Tab. 1
Vývoj technologie nadusičení a případné snížení obsahu
dusíku prezentuje jakost 0CH18N4G11AF. Bylo
potvrzeno, že v zařízení VPIM lze snížit obsah dusíku
z 0,265 % na 0,053 % a následně provést, přes porézní
dmýchací tvárnici zabudovanou pod výdusky ve dně
Al-c
[hm.%]
0,100
0,670
0,007
N
[hm.%]
0,0107
0,0110
H
[ppm]
2,2
0,6
kelímku, nadusičení na hodnotu 0,706 % N. viz tab. 2.
Snižování obsahu dusíku z nataveného obsahu 0,265 %
na 0,053 % N probíhalo během procesu VCD za použití
silně zoxidované legující přísady feromanganu, která
byla také částečně nositelem kyslíku. [7]
14
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Chemické složení jakosti 0CH18N4G11AF, po procesu VCD, nadusičení a ingotu [7]
Chemical composition of the grade 0CH18N4G11AF, after the VCD process, nitrogenation and that of the ingot [7]
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
0CH18N4G11AF
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hmt.%]
[hmt.%]
min.
10,50
18,00
4,00
Standard
[6]
max.
0,08
12,50
0,80
0,045
0,030
19,50
5,00
Po natavení
0,32
0,56
19,7
5,5
Po VCD a Mn (O)
0,15
7,70
0,43
0,028
0,006
18,3
5,1
Ingot cca 1200 kg,
0,05
5,99
0,64
0,038
0,007
18,78
5,5
odlit ve vakuu
Tab. 2
Tab. 2
V neposlední řadě byly na zařízení VPIM vyvíjeny
technologie výroby vysocelegovaných materiálů, např.
austeniticko-feritické super duplexní oceli UNS S32760
viz tab. 3 [9] nebo kovových slitin na bázi niklu, např.
N
[hm.%]
0,480
0,550
0,265
0,053
0,706
Inconel 718 viz tab. 4.Bylo zjištěno, že zařízení VPIM
je plně využitelné pro vývoj technologie výroby jak
nízko tak i vysocelegovaných ocelových i slitinových
materiálů.
Chemické složení super-duplexní oceli jakosti UNS S32760, standardní a odlitého ingotu [9]
Chemical composition of the super-duplex stainless steel quality UNS S32760, standard and of the ingot [9]
C
Si
Mn
Ni
Cr
Mo
N
UNS S32760
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hmt.%]
[hmt.%]
min.
6,00
24,00
3,00
0,2000
Standard
[6]
max.
0,03
1,00
1,00
8,00
26,00
4,00
0,3000
Ingot 1700 kg
0,030
0,74
0,44
7,0
25,2
3,7
0,210
W
[hm.%]
0,50
1,00
0,71
Chemické složení niklové slitiny jakosti Inconel 718, standardní a odlitého ingotu
Chemical composition of the quality Inconel 718, standard and of the ingot
C
Si
Mn
Ni
Cr
Inconel 718
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
[hm.%]
min.
50,00
17,00
Standard
[6]
max.
0,08
0,30
0,30
55,00
21,00
Ingot 750 kg
0,05
0,77
0,29
zbytek
17,70
Nb
[hm.%]
4,80
5,50
5,00
Tab. 3
Tab. 3
Tab. 4
Tab. 4
Mo
[hmt.%]
2,80
3,30
3,1
Fe
[hmt.%]
24,00
17,00
tryska. Tepelné ztráty přes stěnu indukční tavící pece
bude kompenzovat stávající zdroj tavícího proudu.
Metalurgická laboratoř - Plánovaný stav
Pro potřeby plánovaných aktivit Metalurgické
laboratoře budou na zařízení VPIM provedeny zásadní
konstrukční úpravy, jež zajistí možnost odlévání
taveniny spodem do kokil bez otevření kesonu a
narušení jeho atmosféry. Požadované oduhličení,
odplynění a celková dezoxidace taveniny bude
vyžadovat posílení výkonu vakuovacího systému, který
zabezpečí i při vývinu plynů z metalurgického procesu
udržení tlaku v kesonu na minimální úrovni. Tavenina
bude udržována na teplotě indukčním ohřevem a její
teplota
bude
on-line
kontrolována
optickým
dvoubarvým pyrometrem. Pro vyšší stupeň odstranění
uhlíku bude do VPIM implementována kyslíkoargonová tryska se vzájemným volitelným poměrem
dmýchaných plynů 0-100%.
Modernizace zařízení VPIM je rozdělena do několika
základních částí. Jedná se o:
Zařízení pro technologické operace. Zařízení VPIM je
nutno upravit pro nové technologické operace zahrnující
přípravu, zpracování a odlévání tekutého kovu
(kyslíková tryska, korekce chemického složení, odběry
vzorku kovu, jednorázové a on-line měření teploty,
inovované napojení zařízení VPIM na dodávku argonu a
dusíku a software pro sledování, řízení, archivování a
vyhodnocení dat zařízení VPIM).
Zařízení pro technologii odlévání spodem. Je nutno
zabezpečit tzv. odlévání spodem, do různých typů a
počtu ingotů, které je zárukou dosažení požadovaných
povrchových a vnitřních kvalitativních parametrů
materiálu. Toto je nezbytnou podmínkou pro další
technologické a technické operace, směřující k určitému
typu výrobku, na kterém tak bude umožněno studium
vlastností materiálu.
Malá metalurgická zařízení, např. laboratorní elektrické
obloukové pece, nebo kyslíkové konvertory,
se ve srovnání s klasickými průmyslovými agregáty
potýkají s velkými tepelnými ztrátami a to především
přes stěny pece. U indukčních tavících pecí
je nevýhodou nízká teplota strusky, jež se následně
minimální měrou podílí na metalurgických reakcích.
Struskové režimy u indukčních pecí jsou pouze z části
přenositelné na zařízení primární či sekundární
metalurgie. Z tohoto důvodu bude instalována O-Ar
On-line analyzátory procesních plynů a měření teploty.
Je nezbytně nutné znát průběh vývinu procesních plynů
v závislosti na teplotě kovové taveniny pro studium
kinetiky procesu použití vakua. Z tohoto důvodu bude
VPIM dovybaveno o zařízení pro on-line měření obsahu
15
Výroba oceli
Steel Making
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
procesních plynů (CO a CO2) a on line měřením teploty
pevné vsázky a taveniny.
odlévání (licí desky, kokily, licí kůly, mezipánev,
žáruvzdorný materiál, separace strusky od kovové
taveniny, přípravky a zařízení k přípravě odlévání).
Možná nová podoba zařízení VPIM je uvedena
na obr. 5, jež byla navržena společností MMV
a společností PROVITAS a.s. Pro odlévání spodem bylo
navrženo vybudovat nový „odlévací keson“. Tavenina
kovu se z indukční tavící pece odlije do mezipánve, kde
bude rafinována průtokem přes keramické filtry.
Mezipánev je zakreslena pouze schematicky, velikost
a sklon bude dopracována v následující etapě řešení.
V mezipánvi přeteče tavenina z „tavícího kesonu“
do „odlévacího kesonu“ kde je následně odlita spodem
do předem připravené kokilové sestavy. Pro studium
metalurgických procesů oduhličení a oxidace taveniny
bude sloužit nainstalovaná kyslíko/argonová tryska.
Up-grade vývěvového a přetlakového systému. Studium
vlivu “hloubky“ vakua na odplynění tekutého materiálu
a proces oduhličení vyžaduje zabezpečit nižší hodnoty
tlaků, než které jsou běžně používány v pracovní praxi.
Posílení vakuové stanice k dosažení vyššího výkonu
(hlubšího podtlaku) bude realizováno za možné
podmínky zvětšení objemu kesonu. Samozřejmě bude
pro studium procesu nadusičení zachována možnost
přetlaku plynného dusíku a také argonu.
Dodatečné dovybavení. Je zapotřebí z hlediska
komplexnosti nového technického zařízení a zahrnuje
zajištění: pracoviště zařízení VPIM, pracoviště přípravy
odlévání a zajištění potřebných zařízení a součástí pro
Kyslíkoargonová tryska
On-line měření
teploty - dvoubarvý
pyrometr
Tavící Vakuový a
přetlakový keson
Indukční tavící
pec
„Odlévací keson“
Mezipánev
Kokilová sestava
Obr. 5
Fig. 5
Návrh nové podoby zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“. Návrh provedla společnost MATERIÁLOVÝ A
METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. a PROVITAS a.s. pro možnost tavení, rafinace a spodní odlévání kovové taveniny [10]
Project of a new design of the unit “Vacuum and over-Pressure Induction Melting furnace”. It was designed by the companies
MATERIAL AND METALLURGICAL RESEARCH Ltd. and PROVITAS SpA for possibility of melting, refining and bottom
pouring of metallic melt [10]
Modernizované zařízení VPIM je budováno také
za účelem výzkumu, vývoje a fyzikální simulace
technologií výroby ocelových tavenin na velkých
metalurgických agregátech. Předpokládá se, že zařízení
bude schopno simulovat vybrané metalurgické operace
níže uvedených metalurgických zařízení:
16
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Výroba oceli
Steel Making
Procesy zařízení primární metalurgie: BOF - Basic
Oxygen Furnace.
Literatura
[1] KURKA V., Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy.
Vakuová a přetlaková indukční pec. Projekt MSM2587080701 Výzkum a ověření nových netradičních postupů výroby kovových
materiálů,
Poloprovoz,
ověřená
technologie
kód
RIV:
RIV/25870807:_____/06:#0000030.
Procesy zařízení sekundární metalurgie a metalurgické
procesy: VD - Vacuum Degassing a části procesu
zařízení ISSM - Integrated System of Secondary
Metallurgy, LF - Ladle Furnace, RH-OB - Ruhrstahl
Heraeus-Oxygen Blowing, AOD - Argon Oxygen
Decarburization,
VOD
Vacuum
Oxygen
Decarburization, VCD - Vacuum Carbon Deoxidation a
dále metalurgické procesy využívající nízký tlak nebo
přetlak argonu nebo dusíku.
[2] KURKA V., Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy.
Technologie odstraňování škodlivých příměsových prvků z
roztavených kovových materiálů. Projekt
MSM2587080701 Výzkum a ověření nových netradičních postupů výroby kovových
materiálů,
ověřená
technologie,
Kód
RIV:
RIV/25870807:_____/08:#0000107.
[3] KURKA V., MATOCHA K., LIŠKA M. Research, Development
and Verification of New Technologies of Refining of the Molten Steel
in Vacuum and Pressurized Induction Melting Furnace (Výzkum,
vývoj a ověření nových technologií rafinace ocelové taveniny ve
Vakuové a Přetlakové Indukční Metalurgické tavící peci). Hutnické
listy, ročník LXII, č. 5, rok 2010. ISSN 0018-8069.
Zařízení VPIM bude dále umožňovat řízení čistoty
kovové taveniny během jejího odlévání pomocí
instalovaných keramických filtrů.
[4] KURKA V., KRATOCHVÍL I., KRAYZEL M., MRÁČEK J.
Steel Refining in Induction Furnace by Pressure (Rafinace oceli za
přetlaku v indukční tavící peci), In 9th European Electric steeelmaking
conference, Poland, Krakow. Institut of Metallurgy, Poslish Academy
of Sciences: 2008 s. 547-549. ISSN 1733-3490.
Závěr
Práce shrnuje a na konkrétních příkladech prezentuje
oblasti řešené metalurgické problematiky s využitím
zařízení „Vakuová a přetlaková indukční tavící pec“,
tzv. VPIM. Jedná se o výzkum, vývoj a ověření
technologie odstraňování škodlivých příměsových
prvků z ocelových materiálů, oduhličení, odvodičení
a nadusičení ocelové taveniny a výroby niklových slitin.
[5] VANDEPUTTE S., CLAESSENS S. Ultra.Low carbon steel
composition, the process of production of an ULC BH steel product
and the product. United States Patent No.: US US006623691B2.
[6] Verlag Stahlschluessel Wegst GmbH. Stahlschluessel 2007.
Version 5.01.0000.
[7] KURKA V., MICHALEK K.. Research and Development of
Technology for Production of High-alloyed Chromium Steels with
Low Contents of Oxygen and Carbon and High Content of Nitrogen
(Výzkum a vývoj technologie výroby vysocelegovaných chromových
ocelí s nízkými obsahy kyslíku a uhlíku a vysokým obsahem dusíku).
Hutnické listy, ročník LXII, č. 5, rok 2009. ISSN 0018-8069.
Zařízení VPIM se v současné době stalo základním
kamenem budované „Laboratoře pro experimentální
ověřování technologií výroby nových materiálů“
ve společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o. Na zařízení probíhají práce, jež mají
za cíl zvýšit metalurgicko-konstrukční parametry
a to především v oblasti: odlévání spodem do kokil
v kesonu (původně horem), on-line měření teploty
taveniny a on-line měření obsahu CO a CO2, instalace
kyslíko-argonové trysky, filtraci odlévané taveniny
a v neposlední řadě vybudování všech potřebných
obslužných pracovišť.
[8] KURKA V., KRAYZEL M., KRATOCHVÍL I., MACHOVČÁK
P. Detrimental elements discharge from the Cr and/or Mn alloyed
molten steel under reducing conditions and pressurized argon
(Redukční odstranění nežádoucích příměsí z ocelové taveniny
legované chrómem a/nebo manganem za přetlaku argonu). Hutnické
listy, ročník LXI, č. 6, rok 2008, ISSN 0018-8069.
[9] KURKA V., MACHOVČÁK P., MICHALEK K., UNUCKA P.
Evaluation of production and properties of the forged bar made of
super-duplex austenitic-feritic steel. In Metal 2011, Czech republic,
Brno. Tanger: Ostrava, 2011. ISBN 978-80-87294-22-2
Jak už plyne z názvu laboratoře, VPIM bude po své
modernizaci sloužit k výzkumu a vývoji výroby nových
kovových materiálů, technologických postupů výroby
ocelové taveniny a jejího odlévání. Práce dále nastiňuje
jaká metalurgická zařízení a které metalurgické procesy
se předpokládá, že zařízení VPIM bude schopno
fyzikálně simulovat.
[10] KURKA V., PINDOR J., MICHALEK K. New experimental
pilot plant metallurgical laboratory built in the company mmr, within
the research project RMTRC. In Metal 2011, Czech republic, Brno.
Tanger: Ostrava, 2011. ISBN 978-80-87294-22-2
[11] Regionální materiálově technologické výzkumné centrum vydání Rozhodnutí o poskytnutí dotace, Ostrava: 22.2.2010. [cit.
10.10.2010].
Accessible
from
www
<http://www.msmt.cz/strukturalni-fondy/regionalni-materialovetechnologicke-vyzkumne-centrum-vydani?highlightWords=rmtvc>.
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu
č. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově
technologické výzkumné centrum“, v rámci
Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace,
financovaného ze strukturálních fondů EU a ze
státního rozpočtu ČR.
[12] Regionální materiálově technologické výzkumné centrum. [cit.
10.10.
2010].
Accessible
from
www:
<http://www.mmvyzkum.cz/CZ/rmtvc_obecne_informace.html>..
Recenze: Ing. Zdeněk Carbol
Ing. Miroslav Krayzel, Ph.D.
17
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
tváření,
tepelné zpracování
____________________________________________________________________________________________
Teoretický dôkaz existencie minima tvárniaceho faktoru
Theoretical Proof of the Existence of a Minimum for a Forming Factor
doc. Ing. Rudolf Pernis, CSc., Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne, Fakulta špeciálnej techniky,
Slovenská republika
Pre výpočet valcovacieho tlaku existuje mnoho riešení, ktoré vychádzajú z teoretických základov a tiež aj empirické
rovnice. V príspevku sú predložené dve riešenia výpočtu valcovacieho tlaku, ktoré predložil KOROLEV
a CELIKOV. Nedostatky týchto dvoch riešení spočívajú v tom, že pri zostavovaní výpočtových rovníc boli prijaté
určité podstatné zjednodušujúce predpoklady. To znamená, že nie sú v zhode s poznatkami, ktoré boli získané
meraním valcovacieho tlaku na valcovacích stoliciach. Autor príspevku predstavil vlastnú rovnicu pre výpočet
valcovacieho tlaku. Toto riešenie vychádza zo všeobecnej diferenciálnej rovnice rovnováhy síl vo valcovacej
medzere. Zobrazenie pomerného napätia σ (tvárniaci faktor) v závislosti na pomere ld /hs je v súlade s trendom
kriviek získaných praktickým meraním. V príspevku je predložený teoretický dôkaz existencie lokálneho minima
pomerného napätia (tvárniaceho faktoru). Vypočítané hodnoty σ  funkcie z novej rovnice boli porovnané
s nameranými hodnotami pomerného valcovacieho tlaku. Nová σ  funkcia pre výpočet valcovacieho tlaku je
v dobrej zhode s nameranými hodnotami v intervale pomeru ld /hs od 0,4 až po hodnotu 3,5. Nové teoretické
poznatky v oblasti matematickej teórie valcovania prehlbujú znalosti a podstatne sa približujú k poznatkom
získaným laboratórnym meraním.
A number of contact pressure calculation solutions exist, based on theoretical foundations and also on empirical
equations. The paper presents two contact pressure calculation solutions introduced by Korolev and Celikov. The
limitations of these two calculation solutions were caused by the acceptance of certain simplified fundamental
assumptions at equation configuration. This means that they are not identical with the knowledge acquired by the
contact pressure measurement on rolling mills. The author has introduced his own equation for contact pressure
calculation. This solution is derived from a general differential equation for power balance in a rolling zone. The
representation of relative stress σ (forming factor) in dependence on the ratio ld /hs is in coincidence with a curve
trend acquired in applied measurements. Theoretical proof of the existence of the local minimum of relative stress
(of the forming factor) is presented. The calculated values of σ  function from the new equation were compared
with the measured values of relative contact pressure. The new σ  function for calculation of contact pressure is in
good agreement with the measured values in the interval ratio ld /hs from 0.4 up to 3.5. New theoretical
observations in the area of mathematical rolling theory deepen accomplishments and fundamentally advance closer
to the knowledge acquired by laboratory measurements. Theoretical calculation solution of mean contact pressure
disposition on smooth rollers submitted by the author confirmed the following theoretical findings:
- Theoretical proof of existence of the minimum σ  function (of the forming factor)
- Relative stress value in the minimum of σ  function acquires the value σ  1
- The position of the local minimum is not a constant point, but it is also dependent on the values of deformation
and friction coefficient
- Curves of σ  function confirm the existence of inflection point
- Differential equation (10) describes well the 2D deformation in the rolling zone
- The correctness of exponential function used in empirical models of σ  function (of the forming factor) has
been confirmed
- It has been confirmed that the position of neutral point influences the average contact pressure value
18
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Broadening of new knowledge from mathematical theory of rolling has theoretically confirmed and justified
observations acquired by the laboratory measurements On the basis of the equation (21) it will be possible to
implement prediction of the value σ  function (of the forming factor), which might reduce the number of laboratory
measurements.
Úvod
σ  σ n,str /( β  σ a )
Pre zisťovanie deformačného odporu je miesto
absolútnej hodnoty valcovacej sily Fv vhodnejšie
pouţívať pomerné hodnoty, ako je technologický
stredný deformačný odpor D,str. Technologický
deformačný odpor je stredné napätie, vyvolané
valcovacou silou pôsobiacou na horizontálny priemet
dotykovej plochy Sd valca s valcovaným materiálom
kde n,str predstavuje stredné normálové napätie
a koeficient  vyjadruje vplyv druhého
hlavného
napätia, koeficient =1,0 aţ 1,155. Rovnaké označenie
uvádza HENSEN a SPITTEL [6] v prebratých prácach.
Citujú pojem čo zaviedol Sims funkcia QF ,
σ D,str  Fv / Sd
kde pomer R/h1 predstavuje pomer polomeru
splošteného valca ku výstupnej hrúbke vývalku.
V novších publikáciách CELIKOV a kol. [7] zavádzajú
koeficient napätia n , ktorý je určený
σ  QF  QF R/h1 , ε 
(1)
Stredný technologický deformačný odpor je rovný
súčinu
aktuálneho
deformačného
odporu
a
a pomerného (relatívneho) napätia σ ,
σ D,str  σ a  σ
σ  nσ  σ n,str / 2τ p
(2)
(3)
σ  QFv  QFv ld /hs ; b0 /h0 ; Δh/h0 ; f 
je závislý na aktuálnych podmienkach deformácie. Ako
je predchádzajúce spevnenie 0, veľkosť deformácie ,
rýchlosť deformácie ε , teplota deformácie t a podstata
valcovaného materiálu M.
Zisťovaním aktuálneho deformačného odporu a sa
zaoberalo viac autorov SCHINDLER a kol. [1],
PERNIS a kol. [2]. Pomerné napätie, označené ako
σ  funkcia (čítaj: sigma funkcia)
(4)
Základné odvodenie diferenciálnej rovnice rovnováhy
síl vo valcovacej medzere pre ploché valce je moţné
nájsť v knihách, ktorá sa zaoberajú valcovaním PEŠINA
[10], POČTA [11] a PERNIS [12]. Geometria
valcovacej medzery je uvedená na obr. 1, zároveň vo
všeobecnej polohe je nakreslený a zakótovaný element.
Sily pôsobiace na tento element musia byť v rovnováhe.
Popis označenia rozmerov a napätí je nasledovný:
n – normálové tlakové napätie

– šmykové napätie
x , y – hlavné napätia (3, 1)
a
– aktuálny deformačný odpor
x , y – súradnice elementu
dx , dy – diferenciály súradníc x a y

– uhol záberu
(5)
V starších publikáciách CELIKOV a GRIŠKOV [4],
BRZOBOHATÝ [5] σ  funkciu označujú
σ  σ n,str / σ a
(10)
Diferenciálna rovnica rovnováhy síl
je závislá na geometrii valcovacej medzery
a kontaktnom trení f medzi vývalkom a pracovnými
valcami, kde ld/hs vyjadruje pomer dĺţky horizontálnej
projekcie oblúka záberu k strenej hrúbke vývalku a b0/h0
vyjadruje pomer šírky ku hrúbke pred valcovaním.
σ  funkcia v literatúre je rôzne označovaná. GELEJI
[3] zaviedol koeficient C, ktorý závisí na pomere ld/hs
σ  C  C(ld /hs )
(9)
Pomerné napätie σ je teda ekvivalentom tvárniaceho
faktoru QFv. Motívom pouţitia pojmu σ  funkcia, je
analógia s meraním hodnoty deformácie pri valcovaní.
Ako je absolútny úber h a relatívna (pomerná)
deformácia . Pri napätí, absolútna hodnota stredného
normálového napätia n,str a pomerné (relatívne) napätie
σ ako bez rozmerná hodnota.
Literárny prehľad
σ  σ ε, ld /hs , f, b0 /h0 
(8)
kde p predstavuje aktuálnu medzu klzu v šmyku.
V novšej literatúre HAJDUK a KONVIČNÝ [8],
KOLLEROVÁ a kol. [9] pre σ  funkciu pouţívajú
pojem tvárniaci faktor QFv
Aktuálny deformačný odpor
σ a  σ a σ0 , ε, ε, t, M 
(7)
(6)
alebo tieţ
19
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
ld
– horizontálna projekcia oblúka záberu
h0 , h1 – hrúbka pred a po valcovaní
Korolevove riešenie
Na začiatok poznámka k autorstvu Koroleva k tomuto
riešeniu. Riešenie náhrady kruhového oblúka lomenou
čiarou uţ uvádza BRZOBOHATÝ v [5], ale bez citácie
pôvodcu riešenia. Ruskí autori SMIRJAGIN a kol. [14]
uvádzajú tento spôsob výpočtu ako “metóda
pechovania“, bez priradenia autorstva Korolevovi. Toto
riešenie však KOROLEV [13] vydáva za vlastné
riešenie diferenciálnej rov. (11). Riešenie spočíva v tom,
ţe kruhový oblúk je nahradený za paralelne stupňovité
zápustky (ako pri kovaní), viď obr. 2. Oblúk BA je
nahradený lomenou čiarou. Deliacim bodom je
rozhranie oblastí zaostávania a predbiehania, označené
bodom N. Poloha neutrálneho rezu (bodu) je určená
súradnicou xn
Na základe síl pôsobiacich na vybratý element je
odvodená základná diferenciálna rovnica rozloţenia
tlakov na valce pre ideálny stav, pričom je zohľadnené
pásmo predbiehania a zaostávania
dσ n 1  dy

(11)
   σa  τ   0
dx y  dx

Rovnica plasticity σ n  σ x  σ a predpokladá, ţe hlavné
napätie σ y  σ n a šmykové napätie τ  f  σ n . V rov.
(11) vzťah medzi súradnicou x a y popisuje rovnica
kruţnice. Po dosadení rovnice kruţnice a jej derivácie
Obr. 2 Oblúk záberu podľa Koroleva
Fig. 2 The Contact Arc according to Korolev
Obr. 1 Geometria valcovacej medzery
Fig. 1 Determination of geometric relationships
do diferenciálnej rov. (11), je len funkciou súradnice x
a samotného tlakového napätia, čiţe σ n  f(σ n , x)
dσ n
1

h1
dx
 R  R2  x2
2


x

 σa  f  σn   0


2
2
 R x

(12)
Podstata riešenia spočíva v tom, ako nahradiť rovnicu
kruţnice (oblúk záberu). Z literatúry je známych viacero
riešení a to nepočítam niektoré polo empirické riešenia.
Najjednoduchšie riešenie uvádzajú BRZOBOHATÝ [5],
KOROLEV [13], kde kruţnicový oblúk dotýkajúci sa
valcovaného materiálu je nahradený lomenou čiarou.
Prijateľnejšie riešenie zvolil CELIKOV a kol. [7],
kruţnicový oblúk dotýkajúci sa valcovaného materiálu
je nahradený priamkou. Uskutočnené zjednodušenia
však neumoţňujú verne popísať rozdelenie tlakového
napätia. Tieto nedostatky rieši autor v príspevku.
Riešenie spočíva v náhrade kruţnicového oblúka
dotýkajúceho sa valcovaného materiálu parabolou.
Obr. 3 Závislosť Korolevovej σ  funkcie na hodnote m
Fig. 3 Dependence of Korolev’s σ  function on the value m
xn
h1

ld
h0  h1
(13)
Na základe týchto predpokladov pre
odvodená rovnica
σ


1 m
e 1
m
kde m predstavuje
20
σ  funkciu je
(14)
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
m f 
ld
hs
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
(15)

m 

 h0  
hn  1 
2

  1  1  m  1    
h1  m  1 
 h1  




Označenie hs predstavuje strednú hrúbku vývalku,
pričom pomer ld/hs je určený
1
m

(17)
kde m v Celikovovom riešení predstavuje
ld 2 R  (h0  h1 )

hs
h0  h1
(16)
m
Vizualizácia rov. (14) je uvedená na obr. 3. Z priebehu
Korolevovej σ  funkcie vidieť, ţe exponenciálne rastie
a nemá ţiadne extrémy a inflexné body.
2f  ld
h0  h1
(18)
Za týchto predpokladov Celikov pre
predstavil rovnicu
Celikovové riešenie
21  ε  hn
σ

ε m  1 h1
Riešenie, ktoré predloţil CELIKOV [5] vychádza opäť z
diferenciálnej rovnice (11). Jeho riešenie nahrádza
kruhový oblúk BA priamkou, viď obr. 4. Oblasť BN
predstavuje oblasť zaostávania a oblasť NA je oblasť
predbiehania. Polohu neutrálneho bodu určuje
neutrálnou hrúbkou hn z rovnice
 h  m 
  n   1
 h1 



σ  funkciu
(19)
kde premenná  udáva pomernú deformáciu
ε
h0  h1
h0
Vizualizácia rov. (19) je uvedená na obr. 5.
Z Celikovovej σ  funkcie vidieť, ţe pre m=1 je
σ  funkcia nespojitá. Funkcia pre m>1 rastie a nemá
extrémy a inflexné body.
Autorove riešenie
Nové riešenie, ktoré predkladá autor, vychádza taktieţ z
diferenciálnej rovnice (11). Základným predpokladom je
náhrada kruhového oblúka BA časťou paraboly, obr. 6.
Riešenie vyuţíva doterajšie poznanie, ţe oblasť BN
predstavuje pásmo zaostávania a oblasť NA je oblasť
predbiehania. Poloha neutrálneho bodu je daná
hodnotou un (bez rozmerné číslo). Samotnú hodnotu un
nie je moţné vyjadriť implicitnou funkciou ale len
explicitnou funkciou F(ε, m, un )  0 , pričom konštanta
m je určená vzťahom
Obr. 4 Oblúk záberu podľa Celikova
Fig. 4 The Contact Arc according to Celikov
m
2f  ld
(20)
h1  h0  h1 
Preto pre určenie hodnoty un definujúcej polohu
neutrálneho bodu bol numerickými metódami
spracovaný graf uvedený na obr. 7. Za týchto
predpokladov pre σ  funkciu bola prostredníctvom
integrácie rov. (11) a ďalších úprav získaná rovnica
σ
Obr. 5 Závislosť Celikovovej σ
deformácii
Fig. 5 Dependence of Celikov’s
 funkcie na hodnote m a
2
mu0

2 
  1  2  
m 

e
mu n

1 
u02
2 

 un   un  
2
m 

(21)
kde konštantu m popisuje rov. (20) a konštanta u0 závisí
na pomernej deformácii za prechod valcami
σ  function on the value m
and deformation
21
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment

ε
u0  arctg 
 1 ε





Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Matematické rovnice popisujúce tvárniaci faktor
prehľadne uvádza HAJDUK a KONVIČNÝ [8].
Spravidla tvárniaci faktor popisujú v závislosti na
pomere ld/hs. Doteraz teoretický odvodené rovnice sú
obyčajne platné v obmedzených intervaloch. Pretoţe
tieto rovnice nedávajú uspokojivé výsledky, bolo
v laboratórnych podmienkach pristúpené k stanovenia
funkčných závislosti tvárniaceho faktoru na základe
nameraných dát. Pre hľadanie funkčných závislostí sú
pouţívané výhradne empirické modely. Empirické
funkcie tváriaceho faktoru, teda σ  funkcie sú
navrhované v závislosti σ  σ (ld /hs ,ε) , ale najčastejšie
(22)
v tvare σ  σ (ld /hs ) . Takúto závislosť popisuje RUSZ
a kol. [15], kde z priebehu nameraných dát vidieť, ţe
krivka má lokálne minimum, čo potvrdzuje platnosť rov.
(21). Verifikácia platnosti rov. (21) na bodových
hodnotách bolo uskutočnená na nameraných dátach
z KVAČKAJ a kol. [16], PERNIS a HÍREŠ [17].
Výsledky ukázali na dobrú zhodu. Bola uskutočnená
verifikácia funkčnej závislosti podľa empirickej rovnice
popisujúcej tvárniaci faktor RUSZ a kol. [18]
Obr. 6 Oblúk záberu podľa autora
Fig. 6 The Contact Arc according to Author
Obr. 8 Závislosť σ  funkcie na hodnote m a deformácii
Fig. 8 Dependence of σ  function on value m and deformation
Obr. 7 Závislosť neutrálnej hodnoty un na konštante m a deformácii
Fig. 7 Dependence of the neutral value un on constant m and
deformation
Vizualizácia rov. (21) je uvedená na obr. 8. Funkcia je
nespojitá pre m=0. Zobrazenie je uskutočnené
v závislosti na hodnote m, pričom deformácia  je
parametrom. Ako je vidieť z obr. 8, σ  funkcia má
lokálne minimum. Krivky na obr. 8 sú v oblasti minima
prehustené, preto bola nakreslená zväčšenina tejto
oblasti, ktorá je uvedená na obr. 9. Minimum
jednotlivých kriviek σ min  1 . S rastom deformácie
lokálne minimum σ  funkcie klesá a posúva sa
k vyšším hodnotám m. Krivka σ  funkcie v intervale
m  (0; mmin ) klesá aţ po hodnotu m=mmin, kde
dosahuje minimum. Potom σ  funkcia rastie. Tieto
vlastnosti vhodne popisujú reálne namerané hodnoty
pomerného napätia σ . V rastovej časti σ  funkcie sa
vyskytuje na krivke inflexný bod.
Obr. 9 Detail oblasti lokálneho minima
Fig. 9 Detail of the local minimum
QFv  4,0479  4,70712  e 0,0833ld /hs  e0,2449hs /ld (23)
Verifikácia rovnice σ  funkcie
22
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
s platnosťou pre interval ld /hs  (0,4; 3,0) . Druhou
funkčnou závislosťou, popisujúcou tvárniaci faktor je
rovnica z publikácie KUBINA a kol. [19]
hodnote pomeru b0/h0. Kompletné matematické
odvodenie teoretickej rov. (21) autor uvádza v [20].
Záver
Teoretické riešenie výpočtu rozdelenia stredného
valcovacieho tlaku na hladkých valcoch, ktoré predloţil
autor potvrdilo nasledovné teoretické zistenia:
- teoretický dôkaz existencie minima σ  funkcie
(tvárniaceho faktoru)
- hodnota pomerného napätia v minime σ  funkcie
nadobúda hodnotu σ  1
- poloha minima nie je konštantný bod, ale závisí na
hodnote deformácie a koeficiente trenia
- σ  funkcia potvrdzuje existenciu inflexného bodu
- diferenciálna rovnica (11) dobre popisuje 2D
deformáciu vo valcovacej medzere
- potvrdila sa správnosť pouţívania exponenciálnych
funkcii v empirických modeloch
σ  funkcie
(tvárniaceho faktoru)
- bolo potvrdené, ţe poloha neutrálneho bodu
ovplyvňuje hodnotu stredného valcovacieho tlaku
Rozšírenie nových poznatkov z matematickej teórie
valcovania
teoreticky
potvrdili
a
zdôvodnili
pozorovania, ktoré boli získané laboratórnym meraním.
Na základe rovnice (21) bude moţné uskutočniť
predikciu hodnoty σ  funkcie (tvárniaceho faktoru), čo
dáva predpoklad zníţenia počtu laboratórnych meraní.
Obr. 10 Porovnanie σ  funkcie, teória a namerané hodnoty
Fig. 10 Comparison of σ  function, theory and measured
values
QFv  3,8744  5,8497  e 0,2618ld /hs  e0,521hs /ld
(24)
V práci nie je uvedený interval platnosti rovnice, ale
podľa rozsahu merania je tento interval pravdepodobne
ld /hs  (0,5; 3,0) . Exponent hs/ld=1/(ld/hs), to je
recipročná hodnota, takţe rov. (24) je stále len funkciou
pomeru ld/hs. KUBINA a kol. [19] konštatujú, ţe krivka
σ  funkcie má aj inflexný bod, Táto skutočnosť bola
teoretický potvrdená rov. (21). Výsledky funkčných
závislostí, ktoré popisujú rovnice (23) a (24), porovnané
s rovnicou σ  funkcie (21) sú uvedené v grafe na obr.
10. Pre pouţitie rov. (21) je potrebné poznať koeficient
trenia a odpovedajúcu deformáciu. Odhad f a  je
uvedený na obr. 10 a zároveň farebné párovanie kriviek
nameraných a vypočítaných z matematickej teórie
valcovania. Teoretická krivka porovnaná s krivkou
Rusz, je vo veľmi vysokej zhode v celom sledovanom
intervale ld/hs. Porovnanie páru kriviek Kubina a teória
je zhoda na niţšej úrovni. Existencia minimálnej
hodnoty tvárniaceho faktora za určitých podmienok
valcovania bola experimentálne mnohokrát dokázaná.
Matematický táto skutočnosť bola podporená len
empirickými modelmi na dátach z merania pre
konkrétny materiál a valcovanie. Autor uskutočnil na
základe teórie valcovania stanovenie všeobecnej
rovnice, ktorá popisuje funkčný priebeh tvárniaceho
faktora rov. (21). Táto rovnica vyjadruje funkčnú
závislosť troch premenných
QFv  QFv ld /hs , ε, f 
Literatúra
(25)
Nový prínos spočíva v tom, ţe do tejto závislosti je
zavedený koeficient trenia. Tento vzťah bolo moţné
získať na základe hodnoty m, ktorá je definovaná rov.
(20). Pri porovnaní rov. (25) s rov. (10), je vidieť, ţe
v rov. (25) chýba uţ len závislosť tvárniaceho faktoru na
[1]
SCHINDLER, I., SPYRA, M., HADASIK, E., RUSZ, S.,
JANOŠEC, M. Modely deformačních odporů aplikované při
válcování pásu ze zinkové slitiny za polotepla. In Metal 2006.
Ostrava: Tanger, 2006. 6 s.
[2]
PERNIS, R., KASALA, J., BOŘUTA, J. High Temperature
Plastic Deformation of CuZn30 brass-Calculation of the
activation Energy. KOVOVE MATERIALY-METALLIC
MATERIALS, 2010,Vol. 48, No1, p. 41-46
[3]
GELEJI, A. Bildsame Formung der Metalle in Rechnung und
Versuch. Berlin: Akademie-Verlag, 1961. 754 s.
[4]
CELIKOV, A. I., GRIŠKOV, A. I. Teorija prokatky. Moskva:
Metallurgija, 1970.
[5]
BRZOBOHATÝ, M. Tváření neţelezných kovů. Bratislava:
SVTL, 1963. 414 s.
[6]
HENSEL, A., SPITTEL, T. Kraft- und Arbeitsbedarf bildsamer
Formgebungsverfahren. Leipzig: Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie, 1978. 528 s.
[7]
TSELIKOV, A. I., NIKITIN, G. S., ROKOTYAN, S. E. The
Theory of Lengthwise Rolling. Moscow: MIR Publishers, 1981.
344 p.
[8]
HAJDUK, M., KONVIČNÝ, J. Silové podmínky při válcování
oceli za tepla. Praha: SNTL, 1983. 263 s.
[9]
KOLLEROVÁ, M., ŢÍDEK, M., POČTA, B. DĚDEK, V.
Valcovanie. 1. vyd. Bratislava: ALFA, 1991. 576 s.
[10] PEŠINA, E. Základy uţité teorie plasticity. Praha: SNTL, 1966.
188 s.
[11] POČTA, B. Základy teorie tváření kovů. Praha: SNTL, 1966.
512 s.
23
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
[12] PERNIS, R. Teória tvárnenia kovov. Trenčín: TnUAD Trenčín,
2007. 176 s.
[17] PERNIS, R., HÍREŠ, O. Pretvárny odpor mosadze Ms70 pri
valcovaní za tepla. In Metal 2006. Ostrava: Tanger, 2006. 7 s.
[13] KOROLEV, A. A. Mechaničeskoe oborudovanie prokatnych
cechov černoj i cvetnoj metallurgii. Moskva: Metallurgija. 1976.
[18] RUSZ, S., SCHINDLER, I., BOŘUTA, J., KUBINA, T.
Experimentální
určení tvářecího faktoru a jeho vliv na
predikované válcovací síly. In 7th International Conference
FORM 2004. Brno: Congress Centre Brno, 2004. s. 137-140.
[14] SMIRJAGIN, A. P. i dr. SPRAVOČNIK po obrabotke cvetnych
metallov i splavov. Moskva: Metallurgizdat, 1961. 872 s.
[19] KUBINA, T., SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Příspěvek k
problematice matematického popisu tvářecího faktoru při
válcování. In FORMING 2001. Katowice: Politechnika Śląska,
2001. s. 111-116.
[15] RUSZ, S., SCHINDLER, I., MAREK, M., BOŘUTA, J.,
KUBINA, T. Hot Deformation Resistance Models based on
Measurement of Roll Forces. Acta Metallurgica Slovaka, 2005,
roč. 11, s 265-271.
[20] PERNIS, R. The New Hypothesis of Normal Stress
Distribution for Contact Arc in Rolling. Acta Metallurgica
Slovaca, in print.
[16] KVAČKAJ, T., BACSÓ, J., BIDULSKÁ, J., LUPTÁK, M.,
POKORNÝ, I., KVAČKAJ, M., VLADO, M. Influence of Cryo
and Classic Rolling Conditions on Proccesing Parameters of CSi Steel. Acta Metallurgica Slovaca, 2010, roč. 16, č. 4, s. 268276.
Recenze: prof. Ing. Ivo Schindler, CSc.
doc. Ing. Viktor Tittel,, CSc.
__________________________________________________________________________________________________________________
Strategie konkurenceschopnosti má ČR vyšvihnout na špičku
euro.cz, Tereza Čapková
16.05.2011
Česká republika by se měla zařadit do elitní dvacítky nejvíce konkurenceschopných zemí světa. Ambice
vkládá ministr průmyslu a obchodu Martin Kocourek hlavně do nové strategie konkurenceschopnosti na
léta 2012 až 2020. Jejími hlavními pilíři jsou efektivní instituce, kvalitní infrastruktura a ekonomika
poháněná inovacemi.
K dotažení světové špičky má republice pomoci přes 40 konkrétních projektů zahrnutých do strategie. Na
rozdíl od všech předchozích dokumentů má předkládaná strategie jasně stanovenou cestu, jak této vize
dosáhnout.
Dokument je rozdělen do devíti základních pilířů se zaměřením na instituce, infrastrukturu,
makroekonomiku, zdravotnictví, vzdělanost, trh práce, finanční trhy, trh zboží a služeb, podnikání a
inovace. Rozpracovává zároveň napojení na proexportní strategii v letech 2012 až 2020 a kohezní politiku
po roce 2013. Ministerstvo nyní k materiálu zahájilo veřejnou diskusi a strategii by měla v červnu
projednat vláda.
Ministr Kocourek konstatoval, že přesné pojmenování problémů a slabých stránek je důležité, ale samo o
sobě nic neřeší. Proto byl vypracován dokument s konkrétními cíli i harmonogramem implementace.
Součástí strategie konkurenceschopnosti je například i novela zákona o investičních pobídkách, díky
které by tuto podporu v budoucnu mohly čerpat také projekty zaměřené na výzkum, vývoj a strategické
obchodní služby. Ministerstvo navíc plánuje spustit společný fond státního a soukromého kapitálu, který
by měl podporovat perspektivní projekty tuzemských firem, jejichž standardní financování je obtížné.
V předchozích letech se pozice ČR ve světovém měřítku zhoršovala a loni se na světovém žebříčku
konkurenceschopnosti Světového ekonomického fóra propadlo o pět pozic na 36. místo. Česká republika
má přitom všechny předpoklady usilovat o podstatné zvýšení a dlouhodobé udržení životní úrovně svých
občanů. Ambice posunout se během příští dekády do první dvacítky zemí podle indexu globální
konkurenceschopnosti není podle ministerstva vůbec nereálná. Česká ekonomika se však musí posunout
k systému založenému na kvalitních institucích a infrastruktuře, kde bude možné maximálně využít
potenciál a správné vzdělání obyvatel a ve kterém budou motorem ekonomiky inovace a tvořivé
podnikání. Analýzy zpracované ministerstvem průmyslu a obchodu či Národní ekonomickou radou vlády
ukázaly, že česká ekonomika je stále z velké části založena na levné pracovní síle. Trápí ji neefektivní
veřejné instituce, nadměrná regulace a korupce. Ekonomický růst je z velké části založen na vnějším
dluhu a růst produktivity slábne. Chybí také dokončení páteřních sítí dopravní infrastruktury.
SB
24
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Models of Hot Deformation Resistance of Steel 42CrMo4
Modely deformačních odporů za tepla oceli 42CrMo4
Ing. Petr Kawulok, prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Petr Opěla, Ing. Stanislav Rusz, Ph.D., Ing. Miroslav
Legerski, Ing. Václav Šumšal, VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials
Engineering, Ing. Josef Bořuta, CSc., Material & Metallurgical Research Ltd., Ostrava – Vítkovice, Ing. Karel
Milan Čmiel, Ph.D., Třinecké železárny a.s., Třinec – Staré Město
Laboratory equipment may be used for studying deformation behaviour of metallic materials in hot state without the
limitation of the actual manufacturing process. Implementation of the comprehensive set of hot torsion tests on the
torsion plastometer SETARAM made it possible to examine the deformation behaviour of the low alloyed steel
42CrMo4 in the range of deformation temperatures from 800 to 1100°C. For the description of stress-strain curves
the models of flow stress and mean flow stress, derived before, were used. The data gained by the torsion test were
a basis for determination of material constants in the particular models of deformation resistance by means of the
multiple nonlinear regression within the statistic program Unistat 5.6. The determination coefficients defined for
both models of deformation resistance prove that the accomplished regression analysis was fully successful.
The values of relative deviations were, for both investigated models, in the range of ± 15 %. Considering the wide
range of the chosen deformation parameters, this scattering of deviations may be taken as a comparatively good
result. The obtained models of deformation resistance can serve for a better set up of the production processes
comprising hot forming of steel 42CrMo4.
V poslední době je kladen vysoký důraz na kvalitu a vlastnosti za tepla tvářených materiálů. Využitím laboratorních
zařízení, umožňujících simulaci reálných provozních podmínek, se lze zabývat studiem deformačního chování
kovových materiálů za tepla bez omezení samotného výrobního procesu. Provedením ucelené sady torzních zkoušek
za tepla bylo zkoumáno deformační chování nízkolegované oceli 42CrMo4 v rozsahu deformačních teplot od 800 do
1100°C. Velikosti skutečné (logaritmické) deformace byly v rozmezí od 0.05 do 1, při deformační rychlosti od 0.02
do 2.3 s-1. Krutové zkoušky byly realizovány na torzním plastometru SETARAM v Materiálovém a metalurgickém
výzkumu s.r.o. Matematický popis křivek napětí – deformace je velice důležitý z hlediska úspěšné implementace
nových technologií tváření ocelí za tepla. K popisu křivek napětí – deformace byly využity, v dřívějších pracích
stanovené, modely deformačních odporů. Konkrétně se jednalo model přirozeného deformačního odporu a model
středního přirozeného deformačního odporu. Data získaná torzní zkouškou byly podkladem ke stanovení
materiálových konstant v příslušných modelech deformačních odporů. Materiálové konstanty byly vyčísleny za
pomoci vícenásobné nelineární regrese ve statistickém programu Unistat 5.6. Koeficienty determinace, stanovené
pro oba modely deformačních odporů, dokazují vysokou úspěšnost provedené regresní analýzy. Hodnoty relativních
odchylek se pohybovaly, pro oba zkoumané modely, v rozmezí ± 15 %. S uvážením širokého rozsahu zvolených
deformačních parametrů lze brát tento rozptyl odchylek jako poměrně dobrý výsledek. Získané modely deformačních
odporů mohou posloužit k lepšímu nastavení výrobních procesů tváření oceli 42CrMo4 za tepla.
of the pass schedules in the rolling mills. The range of
products rolled on the continuous fine section mill of
the company Třinecké železárny a.s. is represented
mainly by bars with round and/or hexagonal section,
made from a wide range of steels, to which the low
alloyed steel 42CrMo4 belongs as well.
Introduction
The persistent increase in demands on quality and
properties of hot formed products requires the
accomplishment of series of laboratory experiments,
which make it possible to simulate the real
manufacturing conditions. In this case the torsion
plastometer SETARAM installed in the Material and
Metallurgy Research (Materiálový a metalurgický
výzkum s.r.o.) was used [1]. A series of works, e.g. [25], dealt with the study of deformation behaviour of the
material and its mathematical description in the past.
Currently, the mathematical description of stress-strain
curves is very important from the viewpoint of the
introduction of new up-to-date technologies of hot
forming. The prediction of deformation resistance of
steel at hot forming is very important for determination
Steel 42CrMo4, intended for heat treatment, is a
material largely used in the machinery and the
automotive industries [6, 7]. Its advantage consists in
the fact that it is not susceptible to temper brittleness
and achieves a good ratio of strength, ductility and wear
resistance. Unfortunately, it has predisposition to
formation of internal cracks, mainly during casting [8].
Implementation of the comprehensive set of hot torsion
tests on the torsion plastometer SETARAM made it
25
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
possible to examine the hot deformation behaviour of
low-alloyed steel 42CrMo4. The benefit of the torsion
plastometer consists in gaining a large quantity of
information from the single test. This information
served as input data for determination of the model of
flow stress and mean flow stress.
Also for example the authors Hensel and Spittel
investigated stress-strain curves [12]. Their equation
describing flow stress already contains the member,
which features the dynamic softening:
 FS  e m1  exp  m4  e m5 
(2)
Experiment description
where e is deformation, m1 and m4 are material
constants and m5 is a real positive number.
The authors [13] determined on the basis of results of
the compression test the model for prediction of flow
stress that is based on the hyperbolic law:
From the low-alloyed steel 42CrMo4 the test bars with
diameter of the deformed part of 6 mm and length of
50 mm were prepared for the torsion tests. Chemical
composition of the steel 42CrMo4 was as follows (wt
%): 0.431 C – 0.77 Mn – 0.276 Si – 0.016 P – 0.026 S –
1.14 Cr – 0.175 Mo. The continuous torsion tests to
fracture were performed in the temperature range from
800 to 1100°C. Strain rates were equal to 0.02, 0.1, 0.5
and 2.3 s-1, which corresponds to torsion rates of 8, 40,
200 and 1000 rpm. On the top of that, at deformation
temperature of 1100°C the torsion tests at strain rates of
0.2 and 0.9 s-1 (corresponding to torsion speeds 80 and
400 rpm) were carried out.
 FS
 FS

 Q 
 b1 e  exp 

 R  T 

b2
 b3
b4
 b5
 b6
Te b7
(4)
This model of flow stress contains, as in the previous
case, Zener-Hollomon parameter, b1 – b7 are pertinent
coefficients, Q is activation energy, T is deformation
temperature, R is molar gas constant, e is strain rate
and  is deformation. The model (4) includes influence
of strengthening and softening of ferrite in the twophase region.
Models of deformation resistance
In the framework of the presented experiment, the threestage model was used for the description of flow stress
of steel 42CrMo4. This model takes into account in the
description of the stress-strain curve not only a part of
the curve representing strengthening, but also that part
of the stress-strain curve, which is characterized by
softening of the material by the dynamic
recrystallization [9]:
The internal stress that arises in a body as a reaction to
the action of external forming forces and that tries to
cause a shape change of the formed body is defined as
deformation resistance. In real forming processes this
stress initiates on the surface between the formed body
and the forming tool.
Flow stress FS [MPa] represents stress that is needed
for initiation of plastic deformation of the given material
in the uniaxial stress state under the given thermomechanical conditions. Therefore, it depends on the
deformation temperature, strain rate, amount of
deformation and history of forming.
 FS

e
 A·e ·exp   B·

ep

B
  D  TF 
·e
·exp  G·T  (5)


where e [-] is a quantity of the true (logarithmic)
deformation, ep [-] is a quantity of the peak deformation,
e [s-1] is strain rate and T is deformation temperature
in [K]. The deformation to peak ep may be calculated by
means of Zener-Hollomon parameter Z [s-1]:
By contrast, mean flow stress MFS [MPa] is defined
as [11]:
e
1 1
·  FS e de
e1 0
(3)
This model includes thermo-mechanical parameters of
forming thanks to Zener-Hollomon parameter Z [s-1],
 and A represent material constants. Another approach
to determination of flow stress the authors presented in
[14]:
The obtained plastometric records of the load curves
were successively processed with use of the program
SIGMACON. Thanks to this program, specially
developed under VisualBasic, the original dependence
of torsion torques on number of torsions was possible to
be smoothed and recalculated to the relation between
deformation stress and strain. Subsequently the values
of flow stress (FS) and mean flow stress (MFS), gained
by the hot torsion test and corresponding to the given
deformation temperatures, deformation values and strain
rates, were generated [9, 10].
 MFS 
 Z 1 / n  Z 2 / n 1 / 2 
 

 
 ln       1 
  A 
 A 
 


1
ep  U  Z W
(1)
(6)
where U [-] and W [-] are material constants that were
determined by the regression analysis [10]. ZenerHollomon parameter entirely defines the thermo-
It is obvious from equation (1) that mean flow stress,
unlike flow stress, represents deformation behaviour of
the specific material during the whole draught
(reduction) e1.
26
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
mechanical conditions of forming; it is also known as
thermally compensated strain rate [11]:
 Q 
Z  e  exp 

 R T 
corresponding temperatures and strain rates. An
example of stress-strain curves, established by the
torsion test at the constant deformation temperature of
900°C and at various strain rates, is shown in Fig 1.
(7)
The activation energy of the material Q [kJ.mol-1] at hot
forming represents the material factor, R is molar gas
constant (8.314 J.mol-1.K-1) and T is deformation
temperature [K].
The authors [15] defined in the framework of
investigation of mean flow stress the following
equation:
 MFS   MFS 0  kT  k e  k e
(8)
where MFS0 represents the basic value of MFS at the
temperature of 1000°C, strain 0.1 and strain rate
10 s-1. This equation further contains factors k, which
express the influence of temperature, strain and strain
rate on the value of MFS. Unfortunately, this type of
model does not sufficiently describe the stress-strain
curve and it reacts in a lesser extent to the start of the
dynamic recrystallization. The model presented in [16]
describes sufficiently strengthening of the material, but
it does not take into account softening of the material by
the dynamic recrystallization:
Fig. 1
Stress-strain curves at constant deformation temperature of
900°C
Obr. 1 Napěťové křivky při konstantní teplotě deformace 900°C
Values of the pertinent material constants U (0.00753)
and W (0.114) for steel 42CrMo4 were determined by
the regression analysis in the program ENERGY 4.0 [9].
By the same method the value of the activation energy
of steel 42CrMo4 in hot forming was determined (Q =
344 kJ.mol-1). By expressing the equation (6) using real
numbers the deformations to peak for the given thermomechanical parameters of forming were found out. The
graph in fig. 2 shows the relation between the calculated
peak deformations and the deformation temperature for
the given strain rate.
 Q  m n
  e  e
 R T 
 MFS  A  exp 
(9)
The model (9) includes the deformation temperature in
Kelvin, strain, strain rate and material constants A, m
and n.
For the mathematical description of mean flow stress
the following model [17] was used in the experiment
carried out by ourselves, which is influenced by strain
e [-], strain rate
e [s-1] and deformation
temperature [°C]:
 MFS  A·e B ·exp  D·e·e F ·exp  G·T 
(10)
Fig. 2 Dependence of peak deformation on deformation temperature
Obr. 2 Závislost píkové deformace na teplotě deformace
The advantage of this model is that it contains both the
strengthening and the softening member, which enables
to determine mean flow stress of the hot formed steel in
a wide range of strain, including a possibility of the
action
of
the
dynamic
recrystallization.
By implementation of the model of mean flow stress
into the control systems of rolling mills it is possible to
predict the roll forces, in particular in mill stands in the
course of rolling. For this purpose the numerical
integration of the model of mean flow stress takes too
much time.
Knowledge of the peak deformation is very important,
because it really corresponds to the starting point of the
dynamic recrystallization. From the graph in Fig. 2 it is
evident that the lowest values of the peak deformation
are reached at the deformation temperature around
1100°C. The highest value of the peak deformation was
reached at the deformation temperature of 800°C and
strain rate of 0.02 s-1.
Values of particular material constants A…G,
determined by the multiple nonlinear regression within
the framework of the statistic software Unistat 5.6 for
pertinent models (2) and (5) describing flow stress and
mean flow stress of steel 42CrMo4 are given in Table 1.
Discussion of results
From the results of continuous torsion tests to fracture
the stress-strain curves were determined, always for the
27
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Moreover, Table 1 contains the coefficients of
determination R2 and the square roots of mean square
error (RMSEP). The resulting values of coefficient
determination show high accuracy of the performed
regression analysis.
The amounts of relative deviations determined for the
models of flow stress and mean flow stress vary in the
range of ± 15 %. This scattering may be regarded as a
good result, considering the chosen large scale of the
forming parameters. The greatest scattering of relative
deviations of the calculated and experimentally found
values of flow stress was recorded at the deformation
temperature 900°C and true strain of 0.2. Graphs in Fig.
3 show only a mild dependence of the relative
deviations of the deformation resistance characteristics
on the deformation temperature and strain rate.
Tab. 1
Determined constants for particular models of deformation
resistance
Tab. 1 Zjištěné konstanty pro jednotlivé modely deformačních
odporů
A
B
D
F
G
R2
RMSEP
FS
2126.332
0.2059
0.5039
486.3221
0.0018
0.9757
7.13761
MFS
2657.1878
0.3229
0.3635
0.0767
0.0027
0.9767
6.5522
In the graph in Fig. 4 the comparison of the measured
and calculated deformation resistance characteristics,
detected at deformation temperature of 800°C and strain
rate of 0.5 s-1, is shown. The graph in Fig. 4 shows
a very good conformity between the measured and
calculated
values
of
deformation
resistance
characteristics (blue and pink colour) and mean flow
stress characteristics (green and orange colour) in the
whole range of applied strain values.
Relative deviations of the calculated and experimentally
found values of flow stress, or mean flow stress, in
dependence on the deformation temperature, strain and
strain rate, are shown in graphs in Fig. 3.
Fig. 4 Comparison of measured and calculated values of
hotdeformation resistance of steel 42CrMo4
Obr. 4 Srovnání naměřených a vypočtených hodnot deformačních
odporů za tepla oceli 42CrMo4
Summary
Based on the results of the torsion test, the hot
deformation behaviour of steel 42CrMo4 in the range of
deformation temperatures from 800 to 1100°C was
studied. The strain and strain rate values were chosen in
ranges of 0.05 to 1 and 0.02 to 2.3 s-1.
The value of activation energy Q = 344 kJ.mol-1 for the
low-alloyed steel 42CrMo4 was expressed numerically
using the regression analysis by means of the software
ENERGY 4.0. This value was used for prediction of the
starting point of the dynamic recrystallization. The peak
deformation values, which are really necessary for
initiation of the dynamic recrystallization, were
determined by means of Zener-Hollomon parameter.
The model for prediction of flow stress (5) and the
model for prediction of mean flow stress (10) were
derived. The derived model of mean flow stress is in
comparison with the model of flow stress simpler and it
does not take into account the peak deformation.
Fig. 3 Dependence of relative deviations on temperature, strain and
strain rate for the models of flow stress (FS) and mean flow
stress (MFS)
Obr. 3 Závislosti relativních odchylek na teplotě, velikosti
deformace a deformační rychlosti pro modely přirozeného
deformačního odporu (FS) a středního přirozeného
deformačního odporu (MFS)
28
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Contrary to that, the model of flow stress includes all
possible effects and changes at forming.
[4]
ZENER. C., HOLLOMON, J. H. Problems in Non-Elastic
Deformation of Metals. Journal of Applied Physics, 1946,
vol. 17, no. 2, pp. 69-82.
The material constants for the respective models of
deformation resistance characteristics (i.e. flow stress
and mean flow stress) were determined by the multiple
nonlinear regression with use of the program Unistat
5.6. Based on the found determination coefficients it
may be assumed that the mathematical models with the
determined material constants are sufficiently precise.
[5]
SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Deformační odpory ocelí při
vysoko-redukčním tváření za tepla [Deformation resistances of
steel at high-reduction hot forming], Hutnické listy, 1995,
vol. 50, no. 7-8, pp. 47-50.
[6]
MEYSAMI, A. H., et al. Physical Simulation of Hot
Deformation and Microstructural Evolution for 42CrMo4 Steel
Prior to Direct Quenching. Journal of iron and steel research
international, 2009, vol. 16, no. 6, pp. 47-51.
[7]
NÜRNBERGER, F., et al. Microstructure Transformations in
Tempering Steels during Continuous Cooling from Hot Forging
Temperatures. Steel research international, 2010, vol. 81, no. 3,
pp. 224-233.
[8]
FABÍK, R., et al. Clarification of Causes of Defects in Rolled
42CrMo4 Steel Blooms. Hutnické listy, 2010, vol. 63, no. 4,
pp. 123-126.
[9]
SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Utilization Potentialities of the
Torsion Plastometer. 1st ed. Katowice: Silesian Technical
University, 1998. 104 p.
The determined relative deviations for both models
were up to ± 15 %, which can be taken as a
comparatively good result. Thanks to this fact it is
possible to predict by means of these models the stressstrain curves quite successfully, provided that the
deformation temperature, strain and strain rate are
known.
The designed model (10) was originally intended for the
prediction of mean flow stress at the laboratory rolling.
Nevertheless, low strain rates, achieved during the
performed torsion test, could negatively affect the
accuracy of the used model for calculation of the mean
flow stress of steel 42CrMo4 in hot state.
[10] BOŘUTA, J., et al. Plastometrický výzkum deformačního
chování řízeně tvářených materiálů [Plastometric research of
deformation behaviour of control formed materials]. Hutnické
listy, 2008, vol. 61, no. 1, pp. 80-87.
[11] HAJDUK, M., KONVIČNÝ, J. Silové podmínky při válcování
oceli za tepla [Force conditions at hot rolling of steel]. 1st ed.
Praha: SNTL, 1983. 264 pp.
Acknowledgements
This paper was created in the project
No. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials
Science and Technology Centre" within the frame of
the operation programme "Research and Development
for Innovations" financed by the Structural Funds,
and from the state budget of the Czech Republic, and
within the project MSM6198910015, supported by the
Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech
Republic.
[12] HENSEL, A., SPITTEL, T. Kraft- und Arbeitsbedarf bildsamer
Formgebungsverfahren. 1. vyd. Leipzig: Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie, 1978. 528 pp.
[13] LIN, Y. C., CHEN, M. S., ZHANG, J. Modelling of flow stress
of 42CrMo4 steel under hot compression. Material Science and
Engineering A, 2009, vol. 499, pp. 88-92.
[14] XU, G., XU, CH., ZHAO, J. Flow stress constitutive model of
ultra low carbon steel in warm deformation. ISIJ International,
2006, vol. 46, no. 1, pp. 166-168.
[15] ELFMARK, J. Parametrické vyjádření kinetiky dynamické
rekrystalizace při deformaci za tepla [Parameters expressing the
dynamic recrystallization kinetics in hot deformation]. Hutnické
listy, 1982, vol. 37, no. 8, pp. 564-568.
Literature
[1]
PERNIS, R., KASALA, J., BOŘUTA, J. Hot torsion tests of
cartridge brass MS70. Acta Metallurgica Slovaca, 2009, vol. 15,
no. 1, pp. 4-14.
[2]
ZENER, C., HOLLOMON, J.H. Effect of Strain Rate Upon
Plastic Flow of Steel. Journal of Applied Physics, 1944, vol. 15,
no. 1, pp. 22-32.
[3]
SELLARS, C. M., MCTEGART, W. J. On the mechanism of
hot deformation. Acta Metallurgica, 1966, vol. 14, no. 9,
pp. 1136-1138.
[16]
HADASIK, E., SCHINDLER, I. Plasticity of Metallic
Materials. 1st ed. Gliwice: Silesian University of Technology,
2004. 244 p.
[17] SCHINDLER, I., et al. Simplified models of hot deformation
resistance of HSLA steels. Steel research international, 2008,
vol. 79 Special Edition, no. 2, pp. 288-294.
Recenze: Ing. Janusz Dänemark, Ph.D.
Ing. Ladislav Zela, CSc.
29
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Determination of Mean Flow Stress of Tool Steel by Various Methods
Určení středních přirozených odporů nástrojové oceli různými metodami
Ing. Stanislav Rusz, Ph.D., prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Bc. Marek Zogata, Ing. Petr Kawulok, Ing.
Miroslav Legerski, Ing. Václav Šumšal, VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Metallurgy and
Materials Engineering, Ing. Josef Bořuta, CSc., Material & Metallurgical Research Ltd., Ing. Janusz Dänemark,
Ph.D., Třinecké železárny a.s., Třinec - Staré Město
The main goal of this paper was to compare two ways of gaining the mean flow stress (MFS), namely on the basis of
laboratory rolling of samples with graded thickness, or from evaluation of the torsion tests on plastometer
SETARAM. The experiment was carried out with steel X37CrMoV5-1, which belongs to the most used tool steels
intended for hot working. For obtaining MFS values in a broad range of deformation conditions the flat samples
with graded thickness were used, that were rolled on the laboratory rolling mill Tandem after the unified preheating
to the temperature of 1423 K. Afterwards rolling in the temperature range of 1123 – 1413 K followed. The applied
experimental method is based on recording the roll forces, measured for each thickness step of the rolled stock, and
recalculation of these data to MFS values by means of the previously derived model of the forming factor for the
given mill stand. The model MFS was created using the method of the multiple non-linear regression in the statistic
program Unistat 5.6. Another methodology for determination of MFS started from data obtained by means of the
torsion test.
Hlavním cílem tohoto příspěvku bylo porovnat dva způsoby získávání středního přirozeného deformačního odporu
(SPDO), a to na základě laboratorního válcování vzorků s odstupňovanou tloušťkou respektive vyhodnocováním
krutových zkoušek na plastometru SETARAM. Experiment byl proveden na oceli X37CrMoV5-1, která patří mezi
nejpoužívanější nástrojové oceli určené pro práci za tepla. Tato ocel se vyznačuje vysokou prokalitelností a
houževnatostí, má dobrou tepelnou vodivost, odolnost k tvorbě trhlin za tepla a malou citlivost na prudké změny
teploty. Používá se na nástroje pro lisování za tepla a formy pro tlakové lití, a to zejména v oblasti zpracování
lehkých kovů. K získání hodnot SPDO v širokém rozmezí deformačních podmínek byly použity ploché vzorky s
odstupňovanou tloušťkou, které byly válcovány na laboratorní trati Tandem po jednotném předehřevu na teplotu
1423 K. Poté následovalo válcování v rozmezí teplot 1123 – 1413 °C. Aplikovaná experimentální metoda je
založena na registraci válcovacích sil, měřených pro každý stupeň válcovaného vzorků, a přepočtu těchto dat na
hodnoty SPDO pomocí dříve odvozeného modelu tvářecího faktoru pro danou válcovací stolici. Metodou
vícenásobné nelineární regrese ve statistickém programu Unistat 5.6 byl vytvořen model SPDO. Druhá metodika
určení SPDO vycházela z dat získaných pomocí krutové zkoušky. Byly vytvořeny dva modely popisují střední
přirozený deformační odpor za tepla, a to model pro vysokou teplotu a nízkou teplotu. Při porovnání SPDO
určovanými těmito metodami jsou hodnoty deformačních odporů z válcování za srovnatelných podmínek zhruba o
100 MPa vyšší. To je způsobeno zejména velmi odlišnými deformačními rychlostmi, při nichž byly prováděny
jednotlivé typy experimentů.
the simple, but accurate enough, models are appreciated,
suitable for implementation into control systems of upto-date rolling mills [4].
1. Introduction
The tool steel X37CrMoV5-1 provides, due to its
chemical composition, for customers an optimum
combination of properties, needed for hot working. The
tools withstand well the water cooling and they are used
for achievement of highest performances. They are
steadily used in several fields of industry at the same
time. This concerns especially casting under pressure of
Al alloys, extrusion of Al alloys, die forging and hot
cutting. In these fields a lot of products are
manufactured, including the complex components with
shape and dimensions near to the final product [1-3].
2. Experimental procedures
The comparison of determination of the mean flow
stress values was carried out on the tool steel
X37CrMoV5-1 with the chemical composition given in
Table 1.
Tab. 1 Chemical composition of investigated steel in wt %
Tab. 1 Chemické složení zkoumané oceli v hm. %
C
0.391
Cr
5.05
At the VŠB-TUO a great attention is dedicated to the
development of models of mean flow stress (MFS) at
hot forming. From the point of view of practice mainly
30
Mn
0.38
Ni
0.16
Si
1.03
Al
0.021
P
0.028
Mo
1.13
S
0.009
V
0.332
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Two experiments for obtaining the mean flow stress of
this steel were carried out, namely the laboratory rolling
of samples with graded thickness and the evaluation of
torsion tests on plastometer SETARAM. The advantage
of the torsion plastometer consists in gaining a large
quantity of information from one test only, serving as
the input data for determination of models of mean flow
stress.
and MFS according to the following equation were
calculated:
m 
Fv
Q Fv  l d  Bm
(1)
where F- roll force [kN], QFv - forming factor, ld - length
of contact [mm], Bm- mean width of the rolled stock
[mm].
2.1 Determination of MFS by rolling on laboratory
mill Tandem
For processing of the measured data a simple program
was created in MS Excel on using the macros, which
accelerates significantly the calculations. During
computation of MFS the value of the forming factor QFv
was used. As a matter of fact, this factor transfers the
pertinent deformation resistance characteristics to the
values of the mean flow stress (i.e. to characteristics
corresponding to the defined uniaxial stress state). From
the former research work [7] the values of Q Fv for the
stand A of the rolling mill Tandem were gained and
described in relation to the geometric factor ld/hm by the
equation of the following type:
The methodology of determination of MFS is based on
the laboratory rolling of the flat samples with the graded
thickness [5]. For purposes of the experiment twenty
and more samples are needed. The reason is the pursuit
of gaining the maximum possible quantity of data for
the following mathematical processing. Obviously, the
accuracy of final results is influenced by the quantity of
the obtained data. The rolling took place on the
laboratory mill Tandem in the Institute of Modelling
and Control of Forming Processes at VŠB-TU Ostrava.
Before rolling, for each sample its basic dimensions, i.e.
thickness and width at the particular step were
measured. The dimensions of samples can be seen in
Fig. 1.
 h 

l 
QFv  A  B  exp   C  d   exp  D  m 
h
ld 
m 


(2)
where A - D are the calculated constants, ld/hm –
geometric factor (aspect ratio)
Fig. 1 Shape and dimensions of investigated sample
Obr. 1 Tvar a rozměry zkoumaného vzorku
All samples of the investigated steel were put into the
furnace with the preset temperature of 1423 K for the
dwell time of 8 minutes. Afterwards the heating to the
chosen temperature followed (in the range of
temperatures ranging from 1123 to 1413 K) for a period
of 3 minutes and subsequent rolling by a unified
reduction in the two-high stand A of the rolling mill
Tandem followed. For each sample the roll gap and
different revolutions of rolls were set up (with changing
thickness of the sample a different equivalent strain (0.1
– 0.57) and different equivalent strain rates (10 – 95 s-1)
are gained). During rolling the roll forces and the actual
revolutions of rolls were recorded by means of the
industrial computer. An example of the measured roll
forces can be seen in Fig. 2 [6].
Fig. 2
Example of measured roll forces for a sample rolled at the
temperature of 1123 K, roll revolutions 90 rpm
Obr. 2 Příklad naměřených válcovacích sil pro vzorek válcovaný
při teplotě 1123 K, otáčky válců 90 ot.min-1
2.2 Determination of MFS by means of torsion test
on SETARAM
This equipment makes it possible to carry out two basic
sorts of experiments. A simple continuous test serves
for gaining the basic information about the tested
material, on one hand for determination of the
deformation behaviour – formability, on the other hand
for investigation of the deformation resistance of steels.
With this test it is possible to choose between
continuing the torsion up to a full exhaustion (loss) of
formability – fracture, and stopping this test after the
previously set up number of torsions. The latter type of
experiment is so called “interrupted test”. It consists of
consecutive draughts; in case of each of them it is
possible to change the individual parameters, such as
temperature, torsion speed, deformation time and time
The values obtained in this way and the corresponding
re-measured dimensions of the rolled samples (thickness
and width measured at particular steps) were input into
the table created in Microsoft Office Excel and the
actual values of equivalent strain, equivalent strain rate,
31
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
between particular draughts. These parameters markedly
influence the course of experiments and can be changed
in the progression of testing – either all of them, or only
some of them.
be, and it may be applied for very broad interval of
strains.
The functional dependence m = f (, , T) was
determined on the basis of the experimentally found and
recalculated values by the multiple non-linear regression
by means of the statistic programme UNISTAT 5.6. All
values of MFS were included in the calculations and the
following relation was obtained:
The torsion plastometer SETARAM – VÍTKOVICE
enables changing the strain rate in the range of 4 orders
of magnitude (10-4 to 10 s-1). After completion of the
experiment the tested specimens, regardless of the fact
whether deformation was continuous or interrupted,
may be cooled on free air or water-quenched for the
subsequent metallographic evaluation.
 m  6633   0,023  exp  0,091    0,051  exp  0,0024  T (4)
An analogical procedure was chosen in the formation of
models from the results of torsion tests. It appeared
from the data analysis that the given relationship cannot
be described by a single model. That is why the model
was divided in dependence on temperature into HighTemperature model (temperature range 1273-1413 K)
and Low-Temperature model (temperature range 11231273 K). By recalculation of data in the program
UNISTAT 5.6 the constants were obtained and models
(5) and (6) created. With regard to the used equipment,
the model is valid only for strain rates up to 5 s-1. The
coefficients of determination and the square roots of
mean square error are given in Table 2.
Geometry of the specimen and accuracy of its
preparation have essential influence on the result of the
plastometric test. When higher strain rates are used,
specimens with dimensions of the deformed part
6x10mm, i.e. diameter D = 6mm and length L = 10mm,
may be used. Such specimen can be seen in Fig. 3. In
this experiment the torsion tests were carried out at
temperatures of 1073, 1123, 1173, 1223, 1273, 1323,
1373, 1423 and 1473 K and at strain rates of 0.2, 1.8
and 5 s-1.
Low-Temperature model (5)
 m  36243.3   0,3029  exp  0,4262      0,0448  exp  0,0038  T
High-Temperature model (6)
 m  11662.4   0, 2065  exp  0,3115     0,1648  exp  0,0031 T
Tab. 2 Coefficients of determination R2 and the square roots of mean
square error (RMSEP)
Tab. 2 Koeficienty determinace a odmocniny střední kvadratické
chyby
Fig. 3 Shape of torsion test
Obr. 3 Tvar krutové zkoušky
R2
RMSEP
3. Models of deformation resistance
The resulting equation MFS enables a very fast
prediction of the power/force parameters in adaptive
control of the rolling mill, such a prediction that
manages to eliminate even quite significant differences
between computed and real values of roll forces.
High-Temperature
model (6)
0.9877
4.528
4. Discussion of results
The accuracy of the models mentioned above was
verified by means of the calculated relative
deviation Δ [%]. This represents the deviation between
the real measured and calculated values of MFS σm and
calculated MFS in accordance with the pertinent model
σm-m. The values of the relative error are calculated
according to the following relation:
In the Institute of Modelling and Control of Forming
Processes at the VŠB-TUO various types of equations
for determination of MFS were tested [8]. Currently, the
following equation is successfully used:
 m  A   B  exp  C      D  exp  G  T
Low-Temperature
model (5)
0.9338
19.286

(3)
 m   m  m   100
m
(7)
In case of relative deviations for MFS model-rolling it is
gratifying that the narrow scattering band with
boundaries of max. 7 % was achieved, but also very
good homogeneity of deviations scattering in case of
their dependence on equivalent strain, or equivalent
strain rate. It is not the case of relative deviations gained
for MFS model-Torsion in dependence on deformation
temperature, equivalent strain and equivalent strain rate,
where A, B, C, D, G are the material constants [-].
The equation (3) includes the hardening term and the
softening term, it means that it is able to affect the
course of the dynamic recrystallization, as the case may
32
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
as it is shown in Fig. 4. The relative deviation values for
the High- Temperature model do not exceed 10% and
for the Low-Temperature model 13%; in this case the
homogeneity of deviations scattering is not so good.
different values of strain rate. If we want to extrapolate
the model obtained by rolling also for other strain rates,
then every inaccuracy will essentially come to light. The
fundamental problem consisted in the fact that during
torsion the strain rates were by an order lower than
during rolling. The range of strain rates was small and
so, obviously, every inaccuracy of the gained model
showed itself. If the strain rates had been in a very wide
range, it could have made the results to some extent
even more precise. Besides, the accuracy of torsion tests
is deteriorated by use of the specimen with dimensions
of the deformed part Ø 6x10mm since these tests are
characterised by considerable non-uniformity of
deformation and the results are generally less accurate
than with the specimen that has the deformed part
Ø 6x50 mm [9].
15
Relative Error [%]
10
5
0
-5
-10
-15
1023
1123
1223
1323
1423
1523
Temperature [K]
15
Relative Error [%]
10
5
0
-5
-10
-15
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Equivalent Strain
15
Fig. 5 Comparison of values of models MFS from rolling and from
torsion tests in dependence on temperature for equivalent
strain 0.5 and equivalent strain rate 5 s-1.
Obr. 5 Porovnání hodnot modelů MFS z válcování a získaných
z krutových zkoušek v závisloti na teplotě pro intenzitu
deformace 0.5 a intenzitu deformační rychlosti 5 s-1.
Relative Error [%]
10
5
0
The comparison of models MFS designed for higher
strain rates is of interest, as shown in Fig. 6, where the
results of the High-Temperature model approach the
values of the model from rolling, but the results of the
Low-Temperature model are considerably different.
Here comes forward the issue connected with the
extrapolation of models gained from torsion data into
high-speed processes.
-5
-10
-15
0
1
10
Equivalent Strain Rate [s-1]
Fig. 4
Dependences of relative deviations on temperature,
equivalent strain and equivalent strain rate for HighTemperature model (red squares) and Low-Temperature
model (black diamonds)
Obr. 4 Závislosti relativních odchylek na teplotě a intenzitě
deformace pro vysokoteplotní model (červené čtverce)
a nízkoteplotní model (černé kosočtverce)
It is evident, that the principal problem consists in
description of the influence of strain in the case that the
stress-strain curve shows the noticeable stress peak due
to the effect of dynamic recrystallization at low
deformation values. Model of the type (3) can not
reflect dependence of the peak strain on the temperature
compensated strain rate.
From the comparison of values of models MFS gained
by rolling and by torsion tests result the values MFS Rolling were approx. by 100 MPa higher than the values
determined in the torsion test, as it can be seen in Fig. 5.
The increase of values in the graph in Fig. 5 was caused
by the fact that the models were obtained for absolutely
Fig. 6 Comparison of values of models MFS from rolling and
gained from torsion tests in dependence on temperature for
equivalent strain 0.2 and equivalent strain rate 30 s-1.
Obr. 6 Porovnání hodnot modelů MFS z válcování a získaných
z krutových zkoušek v závisloti na teplotě pro intenzitu
deformace 0.2 a intenzitu deformační rychlosti 30 s-1.
33
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
5.
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Acknowledgements
This paper was created in the project
No. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials
Science and Technology Centre" within the frame of
the operation programme "Research and Development
for Innovations" financed by the Structural Funds
and from the state budget of the Czech Republic, and
within the project MSM6198910015, supported by the
Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech
Republic.
Summary
Based on the laboratory hot rolling of samples with
graded thickness the values of MFS for steel
X37CrMoV5-1 were obtained, after recalculation from
roll forces. Using the method of multiple non-linear
regression in the statistic program Unistat 5.6, the model
MFS was created. It results from the dependence of
relative deviation of MFS values (max. 7%) on thermomechanical conditions that the model exhibits a good
accordance of the MFS prediction in comparison to the
real values.
Literature
From the results of the torsion test two models
describing the hot mean flow stress were created,
specifically the separate models for the high and for the
low deformation temperature. The determined relative
deviations for both models were up to ± 13 %, which
can be considered as a comparatively good result.
When comparing MFS values determined by these
methods, then MFS values determined from rolling are
under comparable conditions approx. by 100 MPs
higher. This is caused especially by considerably
different strain rates, under which the particular types of
experiment were carried out. It has had an essential
influence on the mathematical expression of the
influence of strain rate on deformation resistance and it
complicates mainly an extrapolation of models gained
from the torsion data for high-speed processes. Higher
non-uniformity of deformation during torsion of the
specimen with a short tested part that is chosen for
increase in strain rate on the torsion plastometer can
also play certain role. The torsion tests are beneficial in
the description of activation energy of the investigated
material, but for the fast prediction of the power/force
parameters at hot rolling simple mathematical MFS
models, obtained from the results of the high-speed
laboratory rolling are more advantageous.
[1]
WALLA, V.: Nástrojové oceli [Tool steels]. 1st edition. Praha
1952, p. 467.
[2]
ROBERTS, G., KRAUSS, G., KENNEDY, R.: Tool steels. 5th
edition. ASM International USA 1998, p. 364.
[3]
RASSILI, A., PIERRET, J. C., VANEETVELD, G.:
X38CrMoV5 hot-work tool steel as tool material for
thixoforging of steel: Transactions of Nonferrous. Metals
Society of China Numerical and experimental evaluation. 2010,
roč. 20, pp. 713-718.
[4]
SCHINDLER, I. et al.: Simplified models of hot deformation
resistance of HSLA steels. Metal Forming Conference 2008,
Steel research international, 2008, vol. 79 Special Edition,
No. 2, pp. 288-294.
[5]
LEGERSKI, M. et al.: Mathematical model of the mean flow
stress of magnesium alloy AZ31 obtained by laboratory hot
rolling. Annals of the Faculty of engineering Hunedoara –
journal of engineering, 2008, vol. 6, No. 1, pp. 53-58.
[6]
http://www.fmmi.vsb.cz/model
[7]
RUSZ, S., SCHINDLER, I., BOŘUTA J., KUBINA, T.:
Forming factor at laboratory hot flat rolling. In Forming 2005.
VŠB - TU Ostrava, 2005, pp. 233-238.
[8]
HENSEL, A., SPITTEL, T.: Kraft- und Arbeitsbedarf bildsamer
Formgebungsverfahren. 1. vyd. Leipzig: Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie, 1978, 528 pp.
[9]
SCHINDLER, I., BOŘUTA, J.: Utilization Potentialities of the
Torsion Plastometer. 1st edition Katowice: Silesian Technical
University, 1998,. 104 pp.
Recenze: Ing. Karel Milan Čmiel, Ph.D.
prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc.
___________________________________________________________________________________________
Kunčická huť má nového výrobního ředitele
denik.cz, Břetislav Lapisz
8.6.2011
Novým výrobním ředitelem v ArcelorMittal Ostrava se od počátku června stal Hans-Ludwig Rosenstock. V
této funkci vystřídal Josefa Buryana, který má nově v působnosti řízení dceřiných firem. Nový výrobní
ředitel byl kooptován do představenstva společnosti a byl zvolen místopředsedou představenstva
ArcelorMittal Ostrava. Hans-Ludwig Rosenstock působil před příchodem do Ostravy jako generální ředitel
společnosti ArcelorMittal Duisburg. Josef Buryan se kromě řízení a koordinace činnosti dceřiných
společností stal i poradcem generálního ředitele ArcelorMittal Ostrava Augustina Kochuparampila.
SB
34
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Use of Mathematical Modelling at Optimisation of Drawing of Semi-circular
Wire with Focus on Probability of Crack Formation During Drawing
Využití matematického modelování při optimalizaci procesu tažení
půlkruhového drátu z hlediska pravděpodobnosti vzniku lomu při tažení
Ing. Richard Fabík, Ph.D., Ing. Michal Brodňan, doc. Ing. Václav Nétek, CSc., VŠB – Technical University of
Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials Engineering
The paper deals with the issues of mathematical modelling of drawing of semi-circular wire made of low-carbon
steel. It concerns namely drawing of hot rolled circular wire C9D with radius of 6.5 mm to a semi-circular shape
with the profile height H = 4.025 mm, width D = 5,8 mm and rounding r = 0.2 mm. Drawing process has been
divided into two passes. Shape of the wire after preliminary drawing is characterised by the rounding R and r.
Altogether 15 variants of drawing were investigated, while individual variants differed by the rounding radius R of
the preliminarily drawn wire, and by the value of r both of preliminary and final drawing die. Results of
mathematical modelling were used for evaluation of influence of the shape of preliminary and final drawing die on
final shape of the wire. Moreover distribution of normalised Cockroft-Latham fracture criterion was also observed.
Influence of the radius R and r on final dimensions and properties of the drawn wire was confirmed. Thanks to
modification of drawing parameters it was possible to reduce significantly the maximal values of fracture criterion
at both drawing passes.
V příspěvku je řešena problematika matematického modelování procesu tažení nízkouhlíkového drátu půlkruhového
tvaru pomocí metody konečných prvků. Konkrétně se jedná o tažení za tepla válcovaného kulatého drátu C9D o
poloměru 6,5 mm na půlkruhový tvar o výšce profilu H 2 = 4,025 mm, šířce D2 = 5,8 mm a zaoblení r2 = 0,2 mm.
Proces tažení je rozdělen na dva tahy, přičemž tvar drátu po předtahu je charakterizován zaobleními R1 a r1, které
ovlivňují zatečení materiálu do zaoblení r2 v tahu finálním. Tyto výrobky v praxi nacházejí uplatnění zejména
v automobilovém průmyslu, konkrétně v palubních deskách automobilů jako osy ovládacích knoflíků. K počítačové
simulaci byl použit program Forge 2009® vyvinutý francouzskou firmou Transvalor. Bylo studováno celkem 15
variant tažení půlkruhového drátu, přičemž jednotlivé varianty se lišily poloměrem zaoblení R 1 u předtahového
rozměru a poloměrem zaoblení r jak předtahového tak finálního průvlaku. Hodnoty poloměru zaoblení R nabývaly
hodnot 5,730 mm, 7,540 mm, 11,525 mm, 18,280 mm a poslední velikost zaoblení R byla zvolena jako nekonečně
velká. Z výsledků matematického modelování byl hodnocen vliv tvaru předtahového a finálního průvlaku na
výsledný tvar drátu, dále bylo sledováno normalizované Latham Cockroftovo lomové kritérium, které udává
pravděpodobnost vzniku vad během procesu tváření. Byl potvrzen vliv poloměrů R a r na finální rozměry a
vlastnosti taženého drátu. Úpravou parametrů tažení se podařilo výrazně snížit maximální hodnoty lomového
kritéria v obou tazích.
1. Introduction
Among the first to use mathematical modelling to
simulate drawing of shaped wires were Avitzur and
Boer [1]. They analyzed drawing of a square-section
wire by means of the Upper Bound Method. This
method was also used by Prakash [2], who dealt with
drawing of regular polygon-shaped wires, and Basily
[3], who presented solutions for various incoming and
outcoming cross-sections. This method, however,
lacked the capability to determine internal stresses and
strains during forming. It could only be used for
determining the upper bounds of the examined
parameters. This was useful for dimensioning
drawbenches, but insufficient for obtaining more
accurate results. This fact, combined with the ever
increasing performance of computers, led to transition
to the more advanced finite element method (FEM).
Simulations of drawing shaped wires based on finite
element method were conducted by Kim [4] and Wang
[5]. These authors prepared an analysis of drawing
hexagonal, triangular and rectangular-section wires
from round stock. Analyses of drawing of square wire
and twisted square wire were carried out by Knap [6]
and Suliga [7] as well. Comparison of the analytical
solution for wire drawing and the solution obtained
using FEM was given by Luis in his study [8].
2. Technological Procedure for Production
of Semi-circular Wire
The incoming stock is hot-rolled steel wire C9D with
the radius of 6.5 mm. The chemical composition of C9D
steel used is shown in Tab. 1.
35
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
hours, depending on the type of the problem (predrawing pass/final pass). The mesh is shown in Fig. 2.
3.2 Boundary and Initial Conditions
Models for friction between the drawing die and the
wire are based on either Coulomb approximation or the
Tresca friction law:
Fig. 1 Pre-drawn and final wire dimensions
Obr. 1 Rozměry předtahu a finálního drátu
Tab. 1 Chemical composition of C9D steel [upper limit in wt.%]
Tab. 1 Chemické složení oceli C9D [horní hranice v hm.%]
C
Mn
Si
P
S
0.10
0.60
0.30
0.035
0.035
Cr
Ni
Mo
Cu
Al
0.25
0.25
0.08
0.03
-
The final dimensions of the drawn wire are H2 = 4.025
mm D2 = 5.8 mm and r2 = 0.2 mm. With regard to the
overall reduction, this wire is drawn to the final
dimension in two passes in two straight wire-drawing
machines. No other operations are used between the
passes. The round cross section of the stock is converted
into the pre-drawing form which, in turn, is changed
into a semicircular shape (Fig. 1). The deformation itself
takes place in a tungsten drawing die, i.e. in its reducing
zone with the approach angle of 2α. One of the most
important factors for the resulting shape (particularly
the filling of the r radius in the final shape) and for other
properties of the product is the magnitude of the radius
R in the pre-drawing shape. The speed of movement of
the wire in the pre-drawing and final passes is 3 m.s-1
and 0.8 m.s-1, respectively.
3. FE Analysis
The mathematical analysis was performed with the aid
of the software Forge 2009. As the arrangement is
symmetrical with respect to the x-z plane, only one half
of the wire was considered in the analysis.
3.1 Mesh Element Size
As the problem is symmetrical with respect to x-z plane,
only one half of the stock was considered in the
simulation. The finite elements in the mesh were
assigned non-uniform sizes in order to reduce the
computing time and maintain sufficient precision. In
those locations of the stock, which were only held
between grips and underwent no deformation, the size
of the element was set as 1 (the initially reduced part).
The size of elements on the surface, i.e. the area in
contact with the drawing die, was set at 0.3. In the
rounded spot r, an even lower value of 0.1 was selected
for more accurate description. The mesh in the wire
interior had elements of 0.8 size. This layout of the
mesh allowed sufficient computing precision to be
achieved, while keeping the computing time at
reasonable level. The computing time was up to 16
Fig. 2
Obr. 2
Finite element mesh, before pre-draw
Síť konečných prvků před předtahem
 i    i
(1)
 i  m   i ,max
(2)
where is the shear stress, is shear stress level required to
cause plastic deformation of the material, is the normal
stress, is the friction factor and is the friction
coefficient. The friction factor in this simulation
was = 0.02 and the friction coefficient value was = 0.05.
The flow stress in steel is given by the Spittel equation:
 m4  m3
  e
 e 
  A  exp m1  T   e m  exp 
2
(3)
where A = 701.7, m1 = -0.00124, m2 = 0.22701, m3 =
0.01026, m4 = 0.00196.
The coefficient αc of heat transfer to the drawing die, as
well as the coefficient of heat transfer to the
environment αok were defined as constants (αc = 1,000
W.m-2.K-1, αok = 10 W.m-2.K-1). The initial temperature
of the workpiece was 20°C in all cases.
3.3 Experimental Conditions
Mathematical analysis of the total of 15 variants of cold
drawing of half-round wire was conducted. The
difference between the variants lay in the pre-drawing
radius R1. Rounded corner radii R1 in individual predrawing dies were 5.73 mm, 7.54 mm, 11.525 mm and
18.28 mm. In the last variant, the rounding radius was
infinite R1 = ∞ (i.e. there was no rounding). Furthermore
variants with various size of final rounding r2 were
analysed, larger diameters of 0.3 or 0.4 mm were tested
instead of the original value of 0.2 mm. Finally the
influence of rounding r1 of preliminary drawing was
also analysed for the values of 1.1 mm or 1.4 mm that
were used instead of the original value of 0.2 mm,
always in combination with the final rounding r2 either
0.2 mm or 0.3 mm (see tab. 2).
36
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
The reduction zone angle in pre-drawing pass was 10°.
In final pass, this angle was 22° on the straight side and
18° on the rounded side. The length of the conical
reducing zone was 2.5 mm in both cases.
The obtained results were used for further analysis of
the following parameters: distribution of accumulated
stress intensity, longitudinal stress σl and NCLC given
by the equation [9]:
 eff
 
*

(3)
/  ef d ef  C
0
where σef is the effective stress, εef is the effective strain
in the fracture and (σ*/σef) is non-dimensional factor of
the stress concentration, which represents the most
tensile stress influence σ*.
a
4. Discussion of Results
4.1 Influence of mesh density on accuracy
This chapter itself does not provide any concrete
information of properties of wire, but it compares the
outputs (be it wire dimensions or NCLC) from the
viewpoint of their accuracy in dependence on size of the
mesh elements. Due to the fact that non-homogenous
distribution of mesh density was used in this work (see
Fig. 2.), it is possible to compare results from those
parts of the wire, which had different mesh density.
Figure 3 presents a comparison of distribution of NCL
criterion inn individual cross-sections of the final wire
produced by the variant R1 = 11.525 mm at the places
with different mesh size. It can be seen that in case of
coarse mesh description of magnitude and
btoo
c
distribution of NCL criterion is not sufficiently accurate.
Comparison of influence of the size of mesh elements
on the resulting geometry of semi-circular wire of the
variant R1 = 11.525 mm is shown in Fig. 4.
4.2 Influence of the rounding radius R1
Fig. 3 Comparison of NCL criterion of final wire for the variant
R = 11.525 mm in dependence of various size of mesh
elements a) 0.1; b) 0.3; c) 1
Obr. 3 Srovnání velikosti NCL kritéria finálního drátu pro
variantu R = 11,525 mm v závislosti na rozdílné velikosti
prvků sítě a) 0.1; b) 0.3; c) 1
Tab. 2 Overview of parameters of experiment variants (V1-V15)
Tab. 2 Přehled parametrů variant experimentu (V1-V15)
[mm]
R1
r1
5.73
7.54
11.525
18.28
∞
V1 V6 V7
V2
V3 V8 V9
V4
V5 V10 V11
0.2
V12 V13
1.1
V14 V15
1.4
r2,0 = 0.2
●
r2,1 = 0.3
●
r2,2 = 0.4
●
The work [10] gives a detailed discussion of results of
the variants V1 to V5 [10], as it analyses in detail
change of the wire shape at preliminary drawing and at
final drawing pass. Big attention is there paid also to
distribution of thermo-mechanical quantities in the
deformation zone.
We will now focus only on the NCLC values, but we
will compare all 15 variants. Fig. 5. show distribution of
NCLC in the output plane of deformation zone of final
drawing pass in the first five variants of calculation. If
we concentrate on the maximum NCLC values, we see
their clear dependence on the radius R1. It follows from
the situation after preliminary drawing pass that the
NCLC value decreases with decreasing radius R1, the
difference between the variant V1 (NCLC = 0.2) and V5
(NCLC = 0.33) makes 39%. Situation changes
completely after final drawing pass. The variant V1
gives the NCLC value 0.35, which is by 14% more than
in the variant V5 (NCLC = 0.31). Diagram presented in
Fig 6 shows transparently the NCLC values for the
variants V1 to V5.
Fig. 4 Comparison of filling up of material into rounding r of the
final die of the variant R1 = 11.525 mm in dependence on
various size of mesh
Obr. 4 Porovnání zatečení materiálu do zaoblení r finálního průvlaku
varianty R1 = 11,525 mm v závislosti na rozdílné velikosti
sítě
Fig. 6 Values of NCL criterion for all variants of R1
Obr. 6 Hodnoty NCL kritéria pro všechny varianty R1
37
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Despite this, results of the simulation suggested that
variants with lower radii R1 (R1 = 5.73 and 7.54 mm)
offer an indisputable advantage in higher strain
uniformity across the cross-section of the resulting wire.
Their only weakness is the NCLC value being too high
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
in the vicinity of the rounded region (r2) of the final
drawing die. One of the possibilities of influencing the
magnitude and distribution of NCLC criterion consists
in change of the rounding r2. It may be assumed that
Fig. 5 Distribution of normalized Cockroft-Latham fracture criterion NCLC, final pass- input plain
Obr. 5 Rozložení normalizovaného Cockroft-Lathamova lomového kritéria NCLC, finální tah – výstupní rovina
increasing rounding r2 will limit free spreading of
material and will thus influence the strain-stress
characteristics, which should lead to the change
(reduction) of NCLC magnitude. Such an intervention
in to rounding dimensions of the final wire must be,
however, consulted with the customer. Due to the fact
that drawn semi-circular wire presented in this work is
used for manufacture of axes for control buttons on
vehicle dashboards, rounding dimensions r2 of the final
wire need not be required so strictly by the customer,
and it is theoretically possible to modify the rounding
radius r2 of the final wire.
Possibility of further enhancement of final wire
properties may consist in modification of the drawing
die for preliminary drawing in the same manner that we
modified the final drawing die. It means to use such its
rounding r1, which would favourably influence metal
flow and thus also strain-stress characteristics towards
better technological formability.
4.3 Influence of rounding radius r2
We tested two new values of rounding of the final
drawing die r2 = 0.3 and 0.4 mm, for R1 = (5.73 mm;
11.525 mm; ∞). We obtained in this manner 6 new
variants marked as V6 to V11 (see tab. 2).
Results completely confirmed our assumptions. The
maximum NCLC was reduced at the final drawing pass
in all investigated cases. In the variants V7 and V9, i.e.
for the rounding r2 = 0.4 mm and R1 = 5.73 mm or
11.525 mm, this reduction was very significant, i.e. 30%
or 26%. Reduction for the variant V11 (r2 = 0.4 mm,
R1 = ∞) was only 5%. The results are transparently
presented in diagram presented in Fig. 7.
The variant V7 can be assessed as the best one, although
it gives slightly higher NCLC values, but it has
significantly more homogenous distribution of strain
intensity.
However, it must be kept in mind that these results were
achieved by change of final dimensions, which need not
be accepted by the customer.
Fig. 7
Comparison of maximal values of NCL criterion in
dependence on radius of rounding of the final die r2
Obr. 7 Srovnání maximálních hodnot NCL kritéria v závislosti na
poloměru zaoblení finálního průvlaku r2
4.4 Influence of rounding radius r1
On the basis of analysis of the wire shape after
preliminary drawing [10] we suggested two new values
of rounding for the preliminary drawing die in order to
prevent free spreading of material, namely r1 = 1.1 and
1.4 mm, for R1 = 11.525 mm and r2 = 0.2 and 0.3 mm.
We thus obtained 4 new variants marked as V12 to V15
(See tab. 2).
Fig. 8 presents graphical illustration of magnitude of
NCL criterion on the size of rounding r1 and rounding
of the final drawing die r2. It can be seen that rounding
of the preliminary drawing die r1 markedly influenced
the maximum magnitude of NCLC of pre-drawn wire.
38
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
radius R1 of preliminary drawing die, i.e. that radius R1
of the preliminary drawing die has positively influenced
the filling up of material into rounding in final drawing
pass. However, bigger radii R1 were characterised by
considerable non-homogeneity of strain, and lower radii
by worse dimensional accuracy and also by high value
of the normalised Latham-Cockroft’s criterion. It was
therefore impossible to determine unequivocally the
most appropriate variant of drawing.
Fig. 8 Diagram of dependence of NCL criterion on rounding r of
the die
Obr. 8 Graf závislosti NCL kritéria na velikosti zaoblení r
průvlaků
During the final drawing pass the maximum NCLC was
further increased, and these values for all variants varied
in narrow interval (NCLC = 0.273-0.279).
Change of rounding on the preliminary drawing die to
r1 = 1.1 mm influenced the magnitude of longitudinal
stress, which resulted in significant reduction of NCLC
in final wire, even when original rounding of the final
drawing die r2 = 0.2 mm was used. If we compare the
final magnitudes of NCLC values for drawing with
modified (r1 = 1.1 mm) and unmodified (r1 = 0.2 mm)
preliminary drawing die, the variant with r1 = 1.1 mm
appears to be much better due to thermo-mechanical
properties (reduction of NCLC by 15%). In case of
drawing with preliminary drawing die r1 = 1.4 mm the
achieved
thermo-mechanical
properties
were
comparable with those achieved by the variant of
preliminary drawing pass with r1 = 1.1 mm, however,
the final shape of the wire differed significantly.
Material did not have in this case a tendency to run into
the rounding r2 of the final drawing die as was the case
in the variant with r1 = 1.1 mm, i.e. that rounding radius
r1 = 1.4 mm for the preliminary drawing die appeared to
be too big. That’s why it is more appropriate to perform
drawing in the preliminary drawing die with r1 =
1.1 mm followed by final drawing in the final drawing
die with r2 = 0.2 mm. In such case we achieved
significant reduction of the NCLC criterion with
maintaining the required dimensions of the final wire.
That’s why in the next stage of works the possibilities of
further influencing the wire properties by modification
of the rounding r2 of the final drawing die were
assessed. It followed from the results that by increasing
this rounding it is possible to influence strain-stress state
during drawing and thus to reduce significantly
magnitude of the NCL criterion. It must be, however,
kept in mind that this was achieved only at the price of
changing the dimensions required by the customer.
We therefore tried to modify the rounding r1 of the
preliminary drawing die. The results showed that in this
case thermo-mechanical values were improved
(especially reduction of NCLC) and the required
accuracy of the final semi-circular wire was maintained.
It is impossible to decide unequivocally on the basis of
the existing results, which variant is the most suitable.
Due to complexity and time consuming calculations
only several variants of rounding radius of drawing dies
were R1 were assessed. It would be useful to model also
other variants. In spite of that we may pronounce
recommendation for industrial production, namely that
it is possible to achieve considerable improvement of
thermo-mechanical properties of final wire while
maintaining its required dimensions by modification of
the rounding of the preliminary drawing die to
r1 = 1.1 mm.
Acknowledgement
This paper was created in the project No.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials Science
and Technology Centre" within the frame of the
operational programme "Research and Development
for Innovations" financed from the Structural Funds
and from the state budget of the Czech Republic.
Literature
Conclusions
The aim of our work was to analyse with use of the
finite-element method the process of drawing of semicircular wire and to optimise it in such a manner that
probability of rupture of wire during drawing is
reduced. Altogether 15 variants of wire drawing were
examined, while each variant consisted of preliminary
drawing pass and final drawing pass.
All mathematical simulation was based on change of the
rounding radius R1 for the preliminary drawing die. It
was found that it is possible to achieve better
dimensions of final wire with increasing rounding
[1] BOER C.B., SCHNEIDER W.R., AVITZUR B., An upper bound
approach for the direct drawing of square section rod from round
bar. Proceedings of the 29th International Machine Tool Design &
Res., 1979, England, pp. 149–156.
[2] PRAKASH R., KHAN Q.M., An analysis of plastic flow through
polygonal converging dies with generalized boundaries of the
zone of plastic deformation. International Journal of Machine
Tool Design & Res., vol. 19, 1979, pp. 1–19,
[3] BASILY B.B., SANSOME D.H., Some theoretical considerations
for the direct drawing of section rod from round bar. IJMS, vol.
18, 1976, pp. 201-208.
[4] KIM H.C., CHOI Y., KIM B.M., Three-dimensional rigid-plastic
finite element analysis of non-steady-state shaped drawing
process. International Journal of Machine Tools & Manufacture ,
vol. 39 , 1999, pp. 1135–1155.
39
Tváření, tepelné zpracování
Forming, Heat Treatment
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
[5] WANG K.L., ARGYROPOULOS V., Design and analysis of
direct cold drawing of section rods through a single die. JOMPT,
vol. 166, 2005, pp. 345–358.
[8] LUIS C.J., LEÓN J., LURI R., Comparison between element
method and analytical methods. JOMPT, vol. 164-165, 2005,
pp. 164-165
[6] KNAP F., KRUZEL R., CIEŚLAK Ł., Ciągnienie drutów, prętów
i rur. 1st edition. Częstochowa : Częstochowske Základy
Graficzne S. A., 2004. 470 pp
[9] COCKROFT M.G., LATHAM D.J. Ductility and workability of
materials. J. Inst. Met., vol. 96, 1968, pp. 33-39
[7] SULIGA M., SZOTA P., MRÓZ S., Theoretical and experimental
analysis of drawing of square twisted wire. Hutnik Wiadomości
hutnicze, vol. 76, 2009, pp. 103–105.
[10] BRODŇAN, M., FABÍK, R., Optimization of half-round wire
drawing proces by mathematical modelling, In 20th International
Conference on Metallurgy and Materials „Metal 2011“. Brno –
Hotel Voroněž, Tanger Ostrava, 2011
Recenze: Ing. Jiří Somerlík, M.I.M.
_____________________________________________________________________________________________
Mittal chystá miliardové investice. Sníží prašnost, zvýší zaměstnanost
Mladá fronta Dnes
30.5.2011
Blíží se začátek jedné z největších investic v Moravskoslezském kraji za poslední roky. Společnost
ArcelorMittal Ostrava chce postavit novou ocelárnu. Už připravuje studii vlivu na životní prostředí EIA.
V příštích pěti letech chce do modernizace především provozů ocelárny, vysokých pecí a energetiky
investovat 10 mld. Kč. První by měla přijít na řadu ocelárna, kde by současné tandemové pece nahradily
bez navýšení výroby konvertory. Půjde o zcela novou stavbu v sousedství současného provozu, která by
měla výrazně přispět i ke zlepšení životního prostředí. Oproti nynějšímu stavu se prašnost ocelárny sníží
o 50 %. Stejně tak by se na snížení ekologické zátěže měly projevit i investice do energetiky a provozu
vysokých pecí.
Pokud se společnosti ArcelorMittal skutečně podaří slibované investice uskutečnit, měly by mít vliv nejen
na životní prostředí, kdy by se snížila nejen zátěž polétavým prachem a klesly by imise oxidů síry a
dusíku, ale i na zaměstnanost v kraji. Rozsáhlé stavební úpravy si totiž vyžádají nábor nových
zaměstnanců. Půjde jak o vysokoškoláky, tak o středoškoláky od ekonomických profesí přes hutní
odborníky, kteří budou na přípravách a výběru nejmodernějších technologií pracovat, až po členy
administrativního týmu. Rozhodující bude nejen vzdělání a znalosti v oboru, ale také dobrá znalost
angličtiny. Už na úrovni středního managementu je znalost cizích jazyků nezbytná.
SB
Německé servisní centrum doplňuje své zařízení o tahovou rovnačku tlustých
plechů
SBB
27.5.2011
Jihoněmecké servisní centrum vybavilo svou dělicí linku na plechy (resp. tlusté plechy) zařízením na
tahové rovnání, které je podle firmy v Německu ojedinělé. Nová tahová rovnačka v závodě Interfer Stahl
v Nürtingenu, který je součástí skupiny Knauf Interfer, zpracovává plechy o tloušťce 3 – 15 mm, šířce do
2 050 mm a délce do 16 000 mm. Plech je před dělením napínán, což homogenizuje tahová napětí, aniž
je ovlivněna struktura materiálu. Má to příznivý vliv zvláště na následující laserové dělení, protože rovnací
proces napomáhá k zachování rovinnosti plechu během a po laserovém dělení.
Zařízení bylo dodáno španělskou firmou Fagor. Servisní centrum v Nürtingenu bylo koupeno skupinou
Knauf Interfer v polovině roku 2010 od skupiny Gnida, která zbankrotovala. Jeho součástí je také zařízení
na válcování profilů za studena s kapacitou 250 kt/r. V roce 2010 zůstávala výroba v důsledku výše
zmíněných potíží ponížená, ale podle informací firmy v tomto roce vzrůstá. Konkrétní údaje nejsou
uvedeny.
LZ
40
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství
Material Engineering
materiálové inženýrství
Kalicí dilatometr a možnosti jeho aplikace v technické praxi
Quenching Dilatometer and its Application in Engineering Practice
Ing. Magdalena Šmátralová, Ph.D., Ing. Šárka Stejskalová, Dr. Ing. Zdeněk Kuboň, MATERIÁLOVÝ A
METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava-Vítkovice Ing.Václav Kurek, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a.s.,
Třinec
Příspěvek se věnuje možnostem využití moderního zařízení, kalícího dilatometru s označením DIL 805A, výrobce
Bähr Thermoanalyse. Na příkladech provedených měření jsou dokladovány typické aplikace tohoto zařízení nejen
pro inženýrskou praxi, ale i pro řešení úkolů základního výzkumu. Pomocí kalícího dilatometru DIL 805 A lze
stanovit jednak teplotní závislost koeficientu lineární délkové roztažnosti; jednak body přeměn (teploty fázových
transformací) a na jejich základě pak sestrojit ARA diagram příslušné oceli. Kalicí dilatometr DIL 805A má rozsah
pracovních teplot od 20°C až do 1600°C a může dosahovat nejen extrémně vysokých rychlostí ohřevu, ale také
ochlazování. Tyto pracovní parametry umožňují simulovat ochlazování materiálů z austenitizačních teplot při kalení
nebo materiálů malých tloušťek, kdy během tepelného zpracování dochází k ohřevu i ochlazení v extrémně krátkých
časech.
The paper deals with the basic principles and methods of using of the quenching dilatometer DIL 805A produced by
Bähr Thermoanalyse. The examples of typical applications of this device not only for engineering practice but also
for the basic research are documented. Quenching dilatometer DIL 805 can measure the temperature dependence of
the coefficient of linear extension, as well as the transformation points (phase transition temperature), and to
provide data for construction of CCT diagram of steels. The range of working temperatures of the dilatometer is
from 20°C to 1600°C, and it enables reaching extremely high heating rates and especially cooling rates. These
parameters allow simulation of cooling from austenizing temperature during hardening of thin-walled pieces, where
both heating and cooling are realized in extremely short times.
Dilatometrická měření se pak většinou doplňují
metalografickým rozborem, který potvrdí typ a
výsledný produkt fázové transformace, a měřením
tvrdosti, zejména pak při sestrojování diagramu
anizotermického rozpadu austenitu (ARA diagram)
dané oceli.
1. Úvod
Slitiny na bázi železa patřily a stále patří mezi nejvíce
využívané kovové materiály v technické praxi a logicky
tak zároveň patří i mezi nejčastěji studované systémy.
Oceli tvoří jednu z nejdůležitějších skupin materiálů pro
nejrůznější aplikace v automobilovém, loďařském a
železničním průmyslu, pro stavby mostů, konstrukcí,
tlakových zařízení a reaktorových nádob a pro mnoho
dalších aplikací. Každá z aplikací má vlastní požadavky
na užitné vlastnosti materiálu, které mohou být kromě
chemického složení velice významně ovlivněny rovněž
mikrostrukturou. Ta pak může být optimalizována
tepelným zpracováním, které by mělo vycházet ze
znalostí průběhu fázových transformací konkrétního
materiálu. Fázové transformace probíhající v průběhu
ohřevu a ochlazování materiálu během tepelného
zpracování se projevují rozměrovou změnou, k níž
dochází v důsledku změn v krystalové mřížce. Tyto
transformace se pak na dilatometrickém záznamu, tedy
na křivce závislosti délky zkušební tyče na teplotě,
projeví zlomy, z nichž se vyhodnocuje teplota přeměny.
Dilatometry pro analýzu kinetiky fázových trasformací
mohou mít různé provedení podle účelu, kterému mají
sloužit, vždy však sestávají z jednotky ohřevu vzorku,
měřícího a záznamového zařízení a příslušného
software. Ohřev vzorků probíhá zpravidla indukčně
předem zvoleným teplotním režimem v ochranné
atmosféře inertního plynu (Ar, příp. He) nebo ve vakuu.
Teplotní režim lze programově nastavit pro ohřev, výdrž
na teplotě i ochlazování vzorků pro co nejpřesnější
simulaci chování reálných výrobků. [1]
Jeden z takových moderních přístrojů byl pořízen
v rámci projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální
materiálově technologické výzkumné centrum“ do
oddělení 944–Výzkum materiálového inženýrství
41
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o. Jedná se o speciální tzv. kalící
dilatometr DIL 805A firmy Bähr. Tento přístroj měří
absolutní metodou, tj. přímým snímáním délkové
roztažnosti vzorku v závislosti na teplotě. Elektronický
systém přístroje je zcela digitální a vestavěný procesor
ovládá VF generátor, hydraulický systém, záznam
naměřených dat, dodávku plynu, vakuové komponenty a
bezpečnostní prvky.
Dilatomerické analýzy nacházejí široké uplatnění při
studiu vlivu tepelného zpracování na hodnoty
mechanických vlastností výrobků z ocelí.
Termodynamika a kinetika fázových transformací,
určující povahu výsledných produktů při rozpadu
austenitu
během
plynulého
ochlazování
při
normalizačním žíhání nebo kalení, je citlivou funkcí
rychlosti ochlazování z teploty austenitizace.
Teplotně-časové vymezení procesů, probíhajících při
anizotermickém rozpadu austenitu v průběhu
ochlazování, má prvořadý význam pro specifikaci
tepelného režimu a optimálních postupů tepelného
zpracování reálných výrobků z dané oceli, umožňující
spolehlivé dosahování komplexu požadovaných
vlastností, zejména mechanických. K tomuto účelu se
běžně využívá ARA diagram dané jakosti oceli. V něm
lze vymezit teplotně-časové oblasti, ve kterých vznikají
jednotlivé produkty transformace podchlazeného
austenitu (ferit, perlit, bainit, martenzit), a na jeho
základě lze zvolit takové parametry ochlazování
reálných výrobků, které povedou k získání požadované
mikrostruktury, a tedy i výsledných vlastností hotového
výrobku.
Profesionální 32-bitový software Win TA 9.0 pracuje v
prostředí Windows® XP nebo Win7. Kromě široké
škály integrovaných metod zpracování experimentálních
dat včetně derivace záznamu ΔL/Lo=f(T) a jejich
následného vyhodnocení umožňuje dodaný software
také export dat ve formě tabulek ve formátech ASCII a
EXCEL.
Zařízení pracuje v rozmezí teplot +20°C až 1600°C a
dosahuje vysoké rychlosti ohřevu až 4000K/s a rychlosti
ochlazování až 1600 K/s. Vzorky jsou na zvolenou
teplotu ohřívány indukčně v prostředí vakua. Materiál
vzorku tak musí být elektricky vodivé pevné těleso.
Velké rychlosti ohřevu zkoumaných vzorků na vysoké
teploty se dosahuje právě pomocí indukčního ohřevu
proudem o vysokém kmitočtu. Zkušební vzorek
představuje váleček o průměru 4 mm a délky 10 mm,
přičemž pro extrémně vysoké rychlosti ochlazování se
používá vzorek dutý. Rozlišovací schopnost zařízení je
Δl=0,05 mm, ΔT=0,05°C.
Jako příklad jednoho z významných využití kalícího
dilatometru DIL 805 A uvádíme v tomto příspěvku
výsledky studia anizotropického rozpadu austenitu u
baitické oceli.
2.1 Studium anizotopického rozpadu bainitické oceli.
2. Využití kalícího dilatometru v technické
praxi
Pro sestrojení diagramu anizotropického rozpadu byly
použity vzorky bainitické oceli, jejíž chemické složení
je uvedeno v tabulce 1.
Tab. 1 Směrné chemické složení bainitické oceli (hm. %)
Tab. 1 Chemical composition of bainitic steel (mass %)
C
0,28
0,32
Mn
0,60
0,75
Si
0,70
1,00
P
max.
0,015
S
max.
0,015
Cr
2,6
3,0
Mo
0,15
0,20
Na základě provedených měření mohly být v rámci
konstrukce ARA diagramu experimentálně stanoveny
také teploty fázových přeměn Ac1=790°C a Ac3=835°C.
Podle doporučení normy DIN 17014-3 byla použita
rychlost ohřevu a ochlazování měřeného vzorku pro
stanovení teplot fázových přeměn 3°C/min. s výdrží na
austenitizační teplotě po dobu 15 min [2].
H2
O2
Max.
Max.
1,5ppm 20ppm
Al
max.
0,004
Sn
max.
0,020
Cu
max.
0,20
složení studované oceli a dané podmínky austenitizace
(teplota 940°C, doba výdrže na této teplotě 6 minut).
Nedílnou součástí tvorby každého ARA diagramu je
metalografický rozbor mikrostruktury jednotlivých
vzorků, jehož výsledky jsou uváděny v závislosti na
rychlosti ochlazování.
Na obrázku 1 je zobrazen ARA diagram bainitické oceli
sestrojený na základě výsledků provedených
dilatometrických měření, metalografických analýz a
měření tvrdosti. V diagramu jsou vymezeny tři oblasti
teplotně a časově ohraničující oblast výskytu perlitu,
bainitu a martenzitu. Je patrné, že studovaná ocel
získává po ochlazování z teploty austenitizace v
širokém rozmezí rychlostí 30°C/s až 1°C/s plně
martenzitickou strukturu pásovitého charakteru se
středními hodnotami tvrdostí od 549 do 523 HV.
Pro stanovení samotného diagramu anizotermického
rozpadu austenitu této oceli byla zvolena teplota
austenitizace cca 100°C nad teplotu Ac3, tedy 940°C, a
výdrž na teplotě 6 min [v1]. Pro sestrojení jednotlivých
ochlazovacích křivek ARA diagramu byly použity
rychlosti ochlazování v intervalu od 30°C/s do
3,6°C/min. Získané výsledky jsou platné pro dané
podmínky experimentu, tedy pro konkrétní chemické
42
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Dalším zpomalováním rychlosti ochlazování dochází
postupně k nárůstu podílu nejprve bainitu, posléze i
perlitu, a zároveň k poklesu tvrdosti oceli. Při nejnižší
ochlazovací rychlosti 3,6°C/min. vzniká perlitická
struktura s bainitem a zbytkovým austenitem a se
střední hodnotou tvrdosti 264 HV[v2]. Typické příklady
mikrostruktury pro vybrané rychlosti ochlazování z
teploty austenitizace jsou součástí ARA diagramu.
Na obr. 2 jsou pak dokumentovány průběhy
dilatometrických křivek bainitické oceli při ochlazování
z austenitizační teploty, ze kterých jsou dobře patrné
počátky a konce fázových transformací, které se
projevují zlomy na křivce, a jejich posun v závislosti na
rychlosti ochlazování.
ARA diagram bainitické oceli, austenitizace 940°C/6min
1000
900
AC3=835°C
800
AC1 =790°C
teplota [°C]
700
P
600
500
400
B
Ms
300
M
200
Mf
100
v
30°C/s
HV30 554
10°C/s 5°C/s
549
536
1°C/s 30°C/min 12°C/min 6°C/min 3.6°C/min
523
458
426
343
264
0
1
10
100
1000
čas [s]
Pozn.: Teploty Ms a Mf byly vypočteny podle 2 a je nutno považovat je pouze za informativní.
Obr. 1 ARA diagram bainitické oceli
Fig. 1 CCT diagram of bainitic steel
43
10000
100000
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
ochlazování, které je možné na tomto typu dilatometru
snadno simulovat. Jako příklad výše popsaného
problému lze uvést výsledky dilatometrické analýzy
oceli jakosti 55Cr3. Směrné chemické složení této
jakosti je uvedeno v tabulce 2. Je zřejmé, že se jedná o
nízkolegovanou ocel, u které je po tepelném zpracování
požadována bainitická mikrostruktura.
940°C/360s/v=1°C/s
135
940°C/360s/v=30°C/min.
115
940°C/360s/v=12°C/min
940°C/360s/v=6°C/min
prodloužení [°C]
95
940°C/360s/v=3,6°C/min
75
Tab. 2
Tab. 2
Směrné chemické složení oceli jakosti 55Cr3, hm%
Chemical composition of steel 55Cr3, (mass %)
55
C
Mn
0,52- 0,700,59 1,00
35
15
-25
220
420
620
teplota [°C]
P
S
Cr
≤0,030 ≤0,030 0,701,00
Pro dosažení požadovaných mechanických vlastností,
jejichž úroveň se odvíjí od získané struktury oceli, bylo
nutné určit vhodnou teplotu austenitizace. V rámci
experimentálních prací byly vzorky oceli ohřáty na
teploty austenitizace 840°C a 920°C, které jsou
doporučeny danou normou a ochlazeny rychlostí 3°C/s
po výdrži na teplotě austenitizace 3s.
-5
20
Si
0,250,50
820
Obr. 2 Závislost prodloužení na teplotě bainitické oceli
Fig. 2 Measured length change as a function of temperature in
bainitic steel
Z výsledků měření vzorků byly sestrojeny
dilatometrické křivky ohřevu a ochlazování, tj. křivky
závislosti délkové roztažnosti na teplotě, dále
metalograficky
vyhodnocena
mikrostruktura
a
provedeno měření tvrdosti podle Vickerse.
2.2 Optimalizace austenitizační teploty oceli pomocí
kalícího dilatometru
V technické praxi často není nutné sestrojovat celý
ARA digram, pro řešení konkrétního problému mnohdy
postačí vybraná dílčí měření. Příkladem takového úkolu
je následující aplikace.
Záznam průběhu dilatometrických křivek ohřevu i
ochlazování vzorků z teplot austenitizace 840 a 920°C
je dokumentován na obr. 3.
V současnosti mnozí výrobci ve snaze o zvýšení a
zefektivnění produkce např. dlouhých výrobků, jakými
jsou dráty a tyče malých průměrů, mají tendenci
intenzifikovat
výrobní
postupy
snižováním
austenitizačních teplot a zkracováním výdrže na těchto
teplotách na spodní meze doporučovaných rozmezí.
Z formálního hlediska je takovýto postup v pořádku, ve
skutečnosti však může v důsledku těchto změn dojít,
např. u kontinuálního tepelného zpracování výrobků,
k nedokonalé transformaci a úplnému zamezení
stabilizace vzniklého austenitu, což s sebou přináší
posun transformačních křivek vzniku bainitu i perlitu ke
kratším časům (a tedy vyšším rychlostem ochlazování).
Při zachování jinak stejných parametrů tepelného
zpracování, hlavně pak rychlosti ochlazování
z austenitizační teploty, je výsledkem nevhodná
mikrostruktura a z toho vyplývají zhoršené nebo až
nevyhovující mechanické vlastnosti finálního výrobku.
Ke specifikaci ještě akceptovatelných režimů tepelného
zpracování oceli lze opět s výhodou využít výsledků
dilatometrických analýz, zvláště provedených pomocí
kalícího dilatometru, neboť právě kontinuální tepelné
zpracování dlouhých výrobků malých průměru se
vyznačuje extrémně vysokými rychlostmi ohřevu a
Tab. 3 Struktura a výsledky měření tvrdosti HV 10 po austenitizaci
při teplotách 840 a 920°C
Tab. 3 Microstructures and hardness HV10 after austenitization at
temperatures 840 and 920°C
Teplota
austenitizace
840°C
920°c
Rychlost
ochlazování
3C/s
3C/s
Základní
struktura
P
M+B+(P)
Tvrdost
HV10
254
514
Vysvětlivky: P-perlit, M-martenzit, B- bainit
Metalografické šetření vzorků oceli bylo provedeno na
podélně orientovaných výbrusech. Na obr. 4 je
dokumentována struktura vzorku po austenitizaci při
teplotě 840°C. Mikrostruktura byla tvořena lamelárním
perlitem, a ojediněle bloky zákalné jehlicovité složky.
V mikrostruktuře oceli se také vyskytovala drobná zrna
feritu. Naproti tomu základní mikrostruktura vzorku po
austenitizaci při teplotě 920°C byla tvořena perlitem,
martenzitem (světle se leptající oblasti) a bainitem a
byla také silně segregovaná, viz obr. 5. Mikrostruktura
v segregacích pak byla plně martenzitická.
44
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Obr. 3
Fig. 3
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Dilatometrické křivky ohřevu a ochlazování vzorků s teplotami austenitizace 840°C a 920°C
Dilatometric heating and cooling curves obtained on specimens austenized at temperatures of 840 and 920°C
Z provedených experimentálních prací vyplynulo, že u
oceli 55Cr3 při nižší teplotě austenitizace (840°C)
neproběhla fázová transformace dokonale a nedošlo
proto k žádoucí homogenizaci austenitu, hlavně pak
k přerozdělení a rovnoměrné distribuci uhlíku. Při
následném ochlazování se tato skutečnost projevila
preferencí opětovného vzniku perlitu na úkor zákalných
složek (bainitu a martenzitu). Ze záznamu
dilatometrické křivky na obrázku 3 je dobře patrný
průběh austenitizace a rozdíl v průběhu i charakteru
fázových přeměn pro jednotlivé austenitizační teploty.
Je zřejmé, že při teplotě austenitizace 920°C
austenitizace proběhla dokonale a tato vyšší teplota také
umožnila vyrovnání koncentrace uhlíku. Příslušné
transformační křivky tak byly posunuty doprava
k delším časům a během ochlazování mohla být
zaznamenána nejen perlitická přeměna, ale také
transformace na bainit a martenzit, které při aplikaci
nižší teploty austenitizace úplně chyběly.
Obr. 4 Mikrostruktura vzorku po TA =840°C, v=3°C/s,
výdrž 3sec.
200x
Fig. 4 Microstructure of test sample after TA=840°C, v=3°C/s,
dwell time 3sec.
mag. 200x
Na základě uvedených výsledků měření a rozborů bylo
možné učinit závěr, že struktura a s ní související
mechanické vlastnosti oceli 55Cr3, jsou zásadně
ovlivněny použitou teplotou austenitizace a jako
vhodnou lze označit teplotu 920°C, neboť směsná
struktura se z pohledu užitných vlastností této oceli jeví
jako vhodnější.
3. Závěr
Výsledky experimentů, které lze získat pomocí kalicího
dilatometru DIL 805A výrobce Bähr, mají své
nezastupitelné místo pro rozvoj a modernizaci hutní
výroby. Z uvedených příkladů aplikací je zřejmé, že toto
moderní zařízení nachází široké uplatnění pro celou
řadu řešení, a to jak v provozní praxi, tak i jako stěžejní
zařízení pro základní výzkum a studium chování nových
Obr. 5 Mikrostruktura vzorku po TA =920°C, v=3°C/s,
výdrž 3 sec.
200x
Fig. 5 Microstructure of test sample after TA=920°C, v=3°C/s,
dwell time 3sec.
mag. 200x
45
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
nebo modifikovaných ocelí a dalších kovových
materiálů v průběhu tepelného zpracování. Výsledky
takových řešení a výzkumu pak umožňují predikci
vlastností finálních produktů, zejména pak z pohledu
dosažené mikrostruktury a mechanických vlastností.
Acknowledgment
This paper was created in the project No.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials Science
and Technology Centre" within the frame of the
operation programme "Research and Development for
Innovations" financed by the Structural Funds and
from the state budget of the Czech Republic.
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu č.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově
technologické výzkumné centrum“, v rámci Operační
programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného
ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR.
Literatura
[1]
STRÁNSKÝ, L.: Konstrukce diagramu ARA,ZS 09-10 FM 4,
OKM ÚMI VUT v Brně, s.1-4 .
[2]
DIN 17014-3 - Wärnenbehandlung von Eisenwerkstofen
Kurzangabe, 1976
[3]
ANDREWS, K.W. Journal of the Iron and Steel Institute,1956,
s. 414
Recenze: prof. Ing. Miroslav Tvrdý, DrSc.
prof. Ing. Vlastimil Vodárek, CSc.
__________________________________________________________________________________________
Společnost
OCELOVÉ PÁSY
Hlubinská 917/20, 702 00 Moravská Ostrava
připravuje
8. mezinárodní konferenci
OCELOVÉ PÁSY 2011
4. - 6.10.2011
Vysoké Tatry – Stará Lesná
Košice
Slovenská republika
Nad konferencí převzal záštitu
president U. S. STEEL KOŠICE, spol. s r.o.
pan Georgie F. Babcoke
www.ocelovepasy.cz/konference10.php
46
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Stanovení mechanických vlastností svarového spoje oceli P22 z výsledků
penetračních testů
Determination of Mechanical Properties of the Welded Joint of P22 Steel
from the Punch Tests Results
prof. Ing. Karel Matocha, CSc., Ing. Šárka Stejskalová, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM
s.r.o., Ostrava-Vítkovice, Dott. Ing. Andrea Tonti, INAIL, Roma, Italy
Aktuální pevnostní, plastické a křehkolomové charakteristiky jednotlivých oblastí reálných svarových spojů je
v současné době možno stanovit z výsledků penetračních testů prováděných na zkušebních tělesech tvaru disku o
průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm dle CWA 15627. V příspěvku jsou uvedeny výsledky hodnocení základního
materiálu a tepelně ovlivněné oblasti (TOO) svarového spoje výstupní komory přehříváku z elektrárny
Torrevaldaliga Nord (Itálie) vyrobené z kované trubky o tloušťce 150 mm z oceli P22 a provozované po 120 000
hodin na teplotě 540°C . Byl studován vliv orientace zkušebního disku na pevnostní charakteristiky a tranzitní
teplotu TSP základního materiálu. Výsledky penetračních testů základního materiálu byly porovnávány s výsledky
zkoušek prováděných na standardizovaných zkušebních tělesech. U TOO svarového spoje byla zjištěna vyšší mez
kluzu a nižší tranzitní teplota TSP v porovnání se základním materiálem.
The mechanical properties of individual regions of welded joints of the fossil-fuelled plant components subjected to
elevated temperatures can be affected significantly throughout the long-term operation. The actual mechanical
properties (tensile properties, ductile brittle transition temperature (DBTT) can be determined at present from the
results of the penetration tests. This paper comprises the results of mechanical testing using standard (full sized) test
specimens and SP test discs 8 mm in diameter and 0.5 mm in thickness prepared from the parent material and heat
affected zone (HAZ) of the Superheater Outlet Header welded joint of P22 steel after 120 000 hours of exposure at
540°C. Good agreement was found between the results of full sized test specimens and SP Bulge tests in tensile
properties. Transition temperature TSP, determined from the temperature dependence of fracture energy, is
dependent on disc orientation. Transition temperature TSP of HAZ was found lower compared with the TSP of the
parent material for the same orientation of the test discs.
FATT), tak z výsledků penetračních testů, výše uvedené
charakteristiky TOO byly stanoveny z výsledků
penetračních testů.
Úvod
Zatímco mechanické vlastnosti svarového kovu a
základního materiálu svarového spoje je možno
většinou stanovit pomocí standardizovaných postupů, je
téměř nemožné použít tyto postupy pro stanovení
mechanických vlastností TOO. Pevnostní, plastické a
křehkolomové charakteristiky jednotlivých oblastí
reálných svarových spojů je v současné době možno
stanovit pomocí tzv. penetračních testů [1-4]. Tato
metoda umožňuje především spolehlivější způsob
stanovení materiálových vlastností TOO v porovnání
s nepřímými metodami, které jsou založeny na simulaci
pomocí tepelného zpracování.
Zkušební
technika
materiál
a
experimentální
Pro hodnocení mechanických vlastností základního
materiálu a TOO obvodového svarového spoje výstupní
komory přehříváku po 120 000 hodinách provozu na
teplotě 540°C byla k dispozici deska o rozměrech
190x150x11 mm. Svarový spoj byl proveden kombinací
tří postupů svařování a to TIG, ROS a APT s použitím
přídavného materiálu na bázi 2,25%Cr 1 Mo. Komora
byla vyrobena z kované trubky o tloušťce 150 mm
z oceli P22. Makrostruktura svarového spoje je uvedena
na obr. 1.
V předloženém příspěvku jsou uvedeny výsledky
hodnocení svarového spoje výstupní komory přehříváku
z elektrárny Torrevaldaliga Nord (Itálie) vyrobené
z kované trubky o tloušťce 150 mm z oceli P22.
Zatímco mez kluzu, mez pevnosti a FATT (fracture
appearance transition temperature)
základního
materiálu byly stanoveny jak na standardizovaných
zkušebních tělesech (hladká válcová zkušební tělesa pro
zkoušku tahem, zkušební tělesa Charpy pro stanovení
Z desky svarového spoje byla vyrobena zkušební tělesa
Charpy pro stanovení FATT základního materiálu z
teplotní závislosti podílu houževnatého lomu a zkušební
tělesa pro penetrační zkoušky ve tvaru disku o průměru
8 mm a tloušťce 0,5 mm, odebraná z TOO svarového
spoje (viz obr. 2).
47
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Obr. 3 Závislost síla – posunutí razníku s hemisférickou plochou
snímaná v průběhu penetračního testu
Fig. 3 Load punch displacement curve recorded during a small
punch test
Obr. 1 Makrostruktura studovaného svarového spoje
Fig. 1 Macrostructure of the studied welded joint
Pro stanovení Re (Rp,0,2) a Rm při laboratorní teplotě
z výsledků penetračních testů je používán akreditovaný
postup využívající empiricky stanovených korelačních
závislostí mezi výsledky standardizovaných zkoušek
tahem při laboratorní teplotě a parametry získanými ze
závislosti síla-posunutí razníku při penetračním testu.
Mez kluzu Re (Rp,0,2) je korelována s hodnotou Fe/h02 a
mez pevnosti je korelována s hodnotou Fm/(um.h0) [5],
kde (viz obr.3)
Fe [N]
Fm [N]
um [mm]
je síla charakterizující přechod z linearity
do stádia spojovaného s rozvojem plastické
deformace přes tloušťku zkušebního tělesa
je maximální síla zaznamenaná v průběhu
penetračního testu
je posunutí razníku odpovídající síle Fm
Pro stanovení FATT z výsledků penetračních testů je
používán akreditovaný postup využívající empiricky
stanovených korelačních závislostí mezi výsledky
standardizovaných zkoušek rázem v ohybu na
zkušebních tělesech Charpy a tranzitní teplotou T SP
stanovenou na základě výsledků penetračních testů
v rozmezí teplot -193°C ÷ +23°C. Tranzitní teplota T SP
je definována jako teplota odpovídající polovině součtu
nejvyšší a nejnižší lomové energie v tranzitní oblasti
stanovené z experimentálně naměřené teplotní závislosti
lomové energie. Lomová energie E SP se vypočítá
z plochy pod závislostí síla- posunutí razníku až do
okamžiku porušení zkušebního tělesa.
Obr. 2 Schematické znázornění odběru zkušebních těles z desky
svarového spoje
Fig. 2 Schematic illustration of the test specimen sampling from the
welded joint plate
Z porušených těles Charpy byla následně vyrobena
válcová zkušební tělesa pro zkoušku tahem při
laboratorní teplotě o průměru měřené délky 3 mm a
zkušební tělesa tvaru disku orientovaná ve dvou na sebe
kolmých směrech (viz obr.2) pro posouzení vlivu
orientace zkušebního disku na mez kluzu, mez pevnosti
a FATT stanovovanou z výsledků penetračních testů.
Zkoušky tahem a penetrační zkoušky v rozmezí teplot 193°C ÷ +23°C byly prováděny na elektrohydraulickém
zkušebním zařízení LabTest 550SP-1UH. Princip
penetračního testu je detailně popsán v [5,6].
Experimentálně stanovená závislost síla - posunutí
razníku snímaná v průběhu penetračního testu (viz obr.
3) obsahuje informace o elasto-plastickém chování a
pevnostních vlastnostech materiálu.
Experimentální výsledky
V tab. I jsou uvedeny výsledky zkoušek tahem
základního materiálu při laboratorní teplotě stanovené
na válcových tělesech o průměru měřené části 3 mm
spolu s mezemi pevnosti přepočtenými dle [7] z měření
tvrdosti na ploše penetračního testu.
48
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Tab. I Výsledky tahových zkoušek základního materiálu při laboratorní teplotě
Tab. I Results of tensile tests of parent material at laboratory temperature
Oblast
svaru
ZM
ZM
TOO
Orientace
tělesa
L
T
L
Rp,0,2
[MPa]
324 ± 10
-
Rm
[MPa]
507 ± 8
-
Rm z HV10
[MPa]
505
473
465
Tab. II Meze pevnosti a meze kluzu základního materiálu a TOO stanovené z výsledků penetračních testů
Tab. II Tensile strength and yield stress of parent material and HAZ determined from the results of penetration tests
Oblast
svaru
ZM
ZM
TOO
Orientace
tělesa
L
T
L
Fe/h02
[MPa]
739
718
789
Rp,0,2
[MPa]
346
338
367
Fm/(um.h0)
[MPa]
1371
1275
1366
Rm
[MPa]
527
483
525
Na obr. 4 je uvedena teplotní závislost podílu
houževnatého lomu na teplotě zkoušení pro základní
materiál. Teplota FATT je rovna FATT = +40,5°C. Na
obr. 5 jsou uvedeny teplotní závislosti lomové energie
penetračního testu pro základní materiál pro penetrační
disky orientované ve směru L a T. Z obr. 5 je zřejmé, že
teplota TSP závisí na orientaci zkušebního disku. Vyšší
hodnota TSP byla naměřena u zkušebních disků
orientovaných v podélném směru. Stejný trend byl
pozorován v práci [4] u základního materiálu a TOO
obvodového svarového spoje komory přihříváku z oceli
15128.5 po 107500 hodinách provozu na teplotě 540°C.
V tab. II jsou uvedeny meze pevnosti a meze kluzu
základního materiálu a TOO stanovené z výsledků
penetračních testů při laboratorní teplotě. Hodnoty
parametrů Fe/h02 a Fm/(um.h0) jsou průměry ze tří
penetračních zkoušek.
Z výsledků uvedených v tab. I a tab. II vyplývá, že mez
kluzu a mez pevnosti základního materiálu stanovené
z výsledků penetračních testů jsou ve velmi dobré shodě
s výsledky standardizovaných zkoušek tahem. Mez
kluzu TOO je vyšší v porovnání s mezí kluzu
základního materiálu.
Obr. 4 Teplotní závislost podílu houževnatého lomu na teplotě zkoušení pro základní materiál
Fig. 4 Temperature dependence of shear fracture appearance for the parent material
Dle par. B1.3 CWA 15627 má být osa kolmá na rovinu
penetračního disku rovnoběžná se směrem šíření lomu
ve zkušebním tělese Charpy. Zkušebním tělesům
Charpy orientovaným ve směru L-T (viz obr. 2)
odpovídá dle tohoto požadavku orientace penetračního
disku ve směru T. Na obr. 6 jsou uvedeny teplotní
závislosti lomové energie penetračního testu pro
základní materiál a TOO. V obou případech byly
zkušební disky odebrány ve směru L (viz obr. 2). V tab.
III jsou uvedeny pro základní materiál a TOO tranzitní
teploty TSP spolu s teplotou FATT stanovenou na
zkušebních tělesech Charpy s orientací T-L.
Tab. III Teploty TSP a FATT stanovené pro základní materiál a TOO
Tab. III Transition temperatures TSP and FATT determined for parent
material and HAZ
Oblast
svaru
ZM
TOO
49
Orientace
disku
L
T
L
TSP
[K]
140
129
129
FATT
[K]
314
TSP/FATT
[1]
0,45
0,41
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
2000,00
1800,00
1600,00
Energie [N.mm]
1400,00
1200,00
1000,00
podélný směr
800,00
příčný směr
600,00
400,00
200,00
0,00
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320
Teplota [K]
Obr. 5 Vliv orientace zkušebního disku na teplotní závislosti lomové energie pro základní materiál
Fig. 5 The effect of test disc orientation on the temperature dependencies of fracture energy for parent material
2 000
1 800
1 600
Energie [N.mm]
1 400
1 200
1 000
ZM podélný směr
TOO podélný směr
Řady8
800
600
400
200
0
60
80
100
120
140
160
180
200
Teplota [K]
220
240
260
280
300
320
Obr. 6 Teplotní závislost lomové energie pro základní materiál a TOO.
Fig. 6 Temperature dependence of fracture energy for parent material and HAZ
Z tab. III a z obr.6 je zřejmé, že tranzitní teplota T SP
TOO je nižší v porovnání s TSP základního materiálu a
poměr TSP/FATT je při zvolené orientaci zkušebních
těles Charpy závislý na orientaci zkušebních těles pro
penetrační zkoušky.
o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm je možno učinit
následující závěry:
1)
Mez kluzu a mez pevnosti základního materiálu
stanovené z výsledků penetračních testů jsou ve
velmi dobré shodě s výsledky standardizovaných
zkoušek tahem.
2)
Mez kluzu TOO je vyšší v porovnání s mezí
kluzu základního materiálu.
3)
Tranzitní teplota TSP stanovená z teplotní
závislosti lomové energie je závislá na orientaci
zkušebního disku.
Závěr
Z výsledků penetračních testů základního materiálu a
TOO obvodového svarového spoje výstupní komory
přehříváku po 120 000 hodinách provozu na teplotě
540°C prováděných na zkušebních tělesech tvaru disku
50
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
4)
Materiálové inženýrství
Material Engineering
Tranzitní teplota TSP TOO je při stejné orientaci
zkušebních disků nižší v porovnání s tranzitní
teplotou TSP základního materiálu.
[3] test. Science and Technology of Welding and Joining, Vol.7,
No.4, 2002, p. 204-211.
[4] MATOCHA,K.-PURMENSKÝ,J.: Testování provozovaných
svarových spojů ocelových konstrukcí. Hutnické listy č.2/2010,
roč. LXIII, s. 51, ISSN 0018-8069.
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu č.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově
technologické výzkumné centrum“, v rámci Operační
programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného
ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR.
[5] MATOCHA,K.: The Evaluation Of Circumferential Weld Of
Reheater Header Ba Small Punch Tests. COMAT 2010, 25-26
November 2010, Pilsen, Czech Republic.
[6] CEN WORKSHOP AGREEMENT „Small Punch Test Method
for Metallic Materials“ CWA 15627:2007/D/E/F, December
2007.
[7] MATOCHA,K.:
Hodnocení
mechanických
vlastností
konstrukčních ocelí pomocí penetračních testů. Monografie.
Vydala VŠB- TU Ostrava & MATERIÁLOVÝ A
METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., 2010, obálka a tisk GEP
ARTS s.r.o., ISBN 978-80-248-2223-5.
Literatura
[1] KARTHIK,V.-LAHA,K.-KASIVISWANATHAN,K.,V.BALDEV,R.: Determination of Mechanical Property Gradients in
Heat-Affected Zones of Ferritic Steel Weldments by Shear-Punch
Tests. Small Specimen Test Techniques: Fourth Volume, ASTM
STP 1418, M.A. Sokolov, J.D. Landes and G.E. Lucas, Eds.,
ASTM International, West Conshohocken,PA,2002.
[8] ČSN EN ISO 18265 Kovové materiály – Převod hodnot tvrdosti.
[2] GAI,X.-SATO,Y.S.-KOKAWA,H.-ICHIKAWA,K.:
Ductilebrittle transition of steel electron beam weld metal in small punch
Recenze: prof. Ing. Zdeněk Jonšta, CSc.
prof. Ing. Jaroslav Purmenský, DrSc.
____________________________________________________________________________________________
51
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
neželezné kovy
a slitiny
Study of Properties of High-energy NdFeB Permanent Magnets
Studium vlastností permanentních magnetů na bázi NdFeB o vysokém
magnetickém součinu
Ing. Kateřina Skotnicová, Ph.D., VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials
Engineering, Ing. Marie Kursová, VÚHŢ a.s., Dobrá, prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc., Ing. Petra Bábková,
VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials Engineering
The paper deals with the study of properties of supplied high-energy NdFeB permanent magnets (type N35),
equipped with Zn coating to improve their corrosion resistance. Metallographic analysis, the determination of grain
size, phase identification using SEM with EDX micro-analyser, measurements of magnetic characteristics and
corrosion tests were conducted. Basic matrix phase Nd2Fe14B was identified in the structure of the sample, as well
as Nd-rich phase, and structure showed considerable porosity. Furthermore, an oxidic phase Nd(R)0x and
Nd(R)xOyFez were found on the grain boundaries and at the point of intersection of three grains. Grain size
distribution of the matrix was determined using the software Analysis and it ranged between 10 to 25 m. The
measured magnetic characteristics did not entirely correspond to the values indicated by the manufacturer, in
particular magnetic product (BH max, which was approx. by 20% lower. Corrosion tests in neutral salt mist
performed on five pieces of samples from the magnet N35 were carried out according to the standard ČSN EN ISO
9227 (Method NSS - neutral salt spray test) with an exposure period of 240 hours. The first corrosion products of
zinc (rust of coating) occurred in all samples already after 24 hours, which does not meet the requirement for 48
hour exposure without corrosion and the samples from the viewpoint of are unsatisfactory. In three samples first Fe
products (corrosion of magnet body) appeared after 240 hours, while the required time of exposition without
corrosion was 120 hours. Test results show that the quality of the imported magnets from China may be different.
Příspěvek se zabývá studiem vlastností dodaných permanentních magnetů na bázi neodym-železo-bor o vysokém
magnetickém součinu (typ N35), opatřené Zn-povlakem pro zvýšení korozní odolnosti. Permanentní magnety na bázi
NdFeB představují v současné době nejsilnější typy magnetů, což dovoluje minimalizaci rozměrů výrobků a snížení
nákladů. Vzorky magnetů byly vyrobeny standardní technologií, která se v současnosti aplikuje ve výrobě
permanentních magnetů na bázi NdFeB o vvsokém magnetickém součinu, a to zejména v Číně. Tato technologie
spočívá ve vakuovém indukčním tavení matečné slitiny s následným odléváním na vodou chlazený rotující Cu-válec,
čímž se zabrání vzniku dlouhých dendritů fáze-Fe, přičemž fáze bohatá na Nd bude ve struktuře jemně a
homogenně distribuována. Získaný materiál ve formě pásků (strips) o tloušťce 0.3 až 0.5 mm je podroben vodíkové
dekrepitaci, kdy následkem vzniku hydridu dojde ke vzniku řady mikrotrhlin v důsledku expanzního pnutí a rozpadu
materiálu na částice (kousky) o velikosti 10 – 1000 m. Následuje tryskové mletí v dusíku, kompaktizace v ochranné
atmosféře dusíku, slinování a tepelné zpracování ve vakuu. Po úpravě na požadovaný rozměr byl na povrch nanesen
ochranný zinkový povlak. Byla provedena metalografická analýza, stanovení velikosti zrn, identifikace fází pomocí
SEM s EDX mikroanalyzátorem, měření magnetických charakteristik a korozní zkoušky. Ve struktuře vzorku byla
identifikována základní matriční fáze Nd(Dy)2Fe14B a fáze bohatá na neodym, přičemž struktura vykazovala
značnou pórovitost. Dále byla na hranicích zrn a v místě styku tří zrn nalezena oxidická fáze Nd(R)0 x a
Nd(R)xOyFez. Distribuce velikosti zrn matrice Nd(Dy)2Fe14B byla stanovena pomocí softwaru Analysis a pohybovala
se v rozmezí 10 až 25 m. Naměřené magnetické charakteristiky zcela neodpovídaly hodnotám, které udává
výrobce, a to zejména magnetický součin (BH)max, který byl cca o 20 % nižší. Korozní zkoušky v neutrální solné
mlze na pěti kusech vzorků magnetu N35 byly uskutečněny podle normy ČSN EN ISO 9227 (metoda NSS) s dobou
expozice 240 hodin. První korozní zplodiny Zn (koroze povlaku) se u všech vzorků objevily již po 24 hodinách, což
nesplňuje požadavek na 48 hodinovou expozici bez koroze a z tohoto hlediska vzorky nevyhovují. U tří vzorků se
52
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
vyskytly první zplodiny Fe (koroze těla magnetu) po 240 hodinách, přičemž požadovaná doba expozice bez koroze
byla 120 hodin. Výsledky zkoušek poukazují na to, že kvalita magnetů importovaných z Číny může být rozdílná.
called Strip Casting (SC) [2-6]. This technology is
based on the induction melting of the material in
vacuum followed by its pouring on water-cooled
rotating copper cylinder (v = 1.5-2 m/s), thus avoiding
creation of long dendrites of magnetically soft phase
-Fe, and Nd-rich phase is finely and homogeneously
distributed throughout the volume of material. All the
process parameters must be precisely controlled to
achieve an optimum grain size, i.e. temperature of the
molten alloy, the melt flow rate, the shape of the melt
flow, coolant temperature, etc. [7]. The material
obtained in the form of strips with thickness from 0.3 to
0.5 mm was then subjected to hydrogen decrepitation
when due to hydride formation numerous micro-cracks
were formed due to expansion tension and
disintegration of material particles (bits) with size from
10 to 1000 m [8]. Thus prepared material was ground
in a jet mill under protective atmosphere of nitrogen to
the desired particle size of 3-5 m After pressing in a
magnetic field, again under the protective atmosphere of
nitrogen, the pressed pieces were sintered at the
temperature of 1060-1090°C for 2 hours with
subsequent heat treatment.
1. Introduction
Permanent magnets based on NdFeB alloy are currently
the most powerful types of magnets, which allows
minimizing the size of products and reduction of costs.
These magnets are applied particularly in the
automotive, energy and electronics industries or in
medical devices, for example in engines of hybridelectric and electric vehicles, generators for hydro- and
wind power plants, computer hard discs, separators,
MRI, etc. Coercive force of sintered NdFeB magnets is
very high, the BHmax is approx. ten times higher than in
the case of ferrite-based magnets, enabling a reduction
of their weight. The working temperature of these
magnets can be up to 230°C, but the disadvantage is
their lower corrosion resistance, that’s why the surface
of the magnets must be protected with Zn, Ni, Ag or
epoxy resin coating [1].
The oxygen content in the NdFeB magnets is a critical
parameter that affects the achievement of their high
magnetic characteristics. Thorough control of the
oxygen levels promotes the use of alloys with
stoichiometric composition, hence with the maximum
proportion of magnetically hard phase, and thus with
high magnetic product (BH)max. That’s why efforts exist
to reduce the oxygen content during the production of
the alloy and also at various stages of its subsequent
processing by powder metallurgy [1, 2].
3.
Results and discussion
3.1 Micro-structural analysis
The supplied sample of magnet was subjected to
metallographic analysis in order to evaluate its microstructural characteristics. The sample was ground and
polished using diamond pastes, the structure was then
visualised by etching in Vilella´s reagent.
The main producer of NdFeB-based magnets is now
China, which manufactures over 40 types of
commercially available magnets, while in 2009 the
production reached 90,000 tons. The increasing demand
for these magnets caused by transition of manufacturers
to the new advanced manufacturing technologies in
various application areas leads also to an increase in
prices of raw materials by tens of percent each year, and
thus also increase in price of the magnets. Magnets
imported from China, however, tend to be of variable
quality, so there was a request from the application
sphere for control of their properties, which is
conducted within Regional Materials Science and
Technology Centre of the VŠB - Technical University
of Ostrava (VŠB-TU Ostrava).
Structure of the sample shows a significant porosity (in
polished state) - see Figure 1. Microstructure was
observed using Olympus microscope equipped with a
digital camera and a polariser.
The aim of this study was to comprehensively evaluate
and verify the properties of supplied commercially
produced magnet type N35 based on NdFeB with Zn
coating with the dimensions of 5x2x4.5 mm, namely of
structural, magnetic and corrosion characteristics.
Porosity of the sample of the magnet N35 – longitudinal
section
Obr. 1 Pórovitost vzorku magnetu N35 – podélný řez
Fig. 1
2.
Experiment
An alloy with a general nominal composition of Pr-Nd
(Gd) 25-28 wt.%, Dy 5-7 wt.%, Al 0.1-1 wt.%, B from
0.1 to 1.2 wt.%, Cu 0.1-3 wt.%, Nb, 0.1-1 wt.%, Fe bal.,
was prepared by vacuum induction melting with so
There are two types of pores in the microstructure of
NdFeB magnet (see fig. 2): 1. the residual porosity after
53
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
sintering process – pores are mostly spheroidized; 2. the
pores generated during the metallographic preparation
of sample because of the corrosion and/or dissolution of
Nd(R)-rich phase in aqueous media – pores have
irregular shape.
Fig. 4
Distribution of Nd2Fe14B grain size in the sample of magnet
N35
Obr. 4 Distribuce velikosti zrn Nd2Fe14B ve vzorku magnetu N35
Fig. 2 Porosity of the sample of the magnet N35 (SEM) –
longitudinal section
Obr. 2 Pórovitost vzorku magnetu N35 (SEM) – podélný řez
As shown in Figure 3, the microstructure consists of
polygonal grains of the basic phase Nd2Fe14B (phase ),
among which there are Nd-rich phase (phase n) and Brich phase (phase ). Individual phases can be better
discerned under polarised light.
a)
b)
Fig. 5 BSE (a) and SE (b) photos of micro-structure of the sample of
magnet N35 – longitudinal section
Obr. 5 BSE (a) a SE (b) snímky mikrostruktury vzorku magnetu N35
– podélný řez
Fig. 3 Micro-structure of the sample N35 – longitudinal section
Obr. 3 Mikrostruktura vzorku N35 – podélný řez
Grain size (feret max) of the matrix phase Nd 2Fe14B,
which was determined using the software Analysis,
ranges from 10 to 25 m - see Figure 4.
The ideal structure of the NdFeB magnet should contain
small grains of regular Nd(Dy) 2Fe14B phase, which are
isolated at the grain boundaries by a thin layer of the
Nd-rich phase, and also the Nd(Dy)1+Fe4B4 phase [1,
9]. Depending on the type of alloying element, which
can replace by substitution either Fe (T) or Nd (R), also
other non-magnetic or soft-magnetic phase can be
created in this multi-component system. The real
structure, however, vary considerably. Grains of the
phase Nd2Fe14B are irregularly shaped and have
different sizes. The Nd-rich phase was found along the
grain boundaries and at the point of contact of three
grains. This phase, however, may be easily destroyed
during polishing of the samples due to its high chemical
reactivity. Standard alloy can contain also additional
minority phase that is enriched with boron as compared
with the matrix, but is difficult to detect by optical
microscope.
SEM analysis and chemical analysis of phases using
EDX analyzer was performed at the Center for
Advanced Innovation Technology (CPIT) VŠB-TU
Ostrava. This method, however, could not detect boron,
therefore, for the identification of individual phases the
atomic concentration ratio of metallic components was
used, for example phase R2Fe14B (R = Nd, Dy, Pr) 
Fe:R  7.2, phase RFe2  Fe:R  1.7). Figure 5
documents the microstructure of the sample in
secondary (SE) and backscattered electrons (BSE),
which allows to observe the material in the chemical
contrast.
54
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
In addition, oxidic inclusions were identified - the
composition of oval inclusions approaches Nd (Pr, Gd,
Dy) Ox with traces of cobalt (Fig. 6), dark gray areas
then contain moreover Fe. Dispersion of Nd2O3 in the
phase rich in Nd decreases the coercive force of NdFeB
magnets, while NdxFeyOz compounds, which occur at
grain boundaries, increases substantially the value of Hc.
The phases discovered in the sintered structure of the
NdFeB magnet, including the individual spectra, are
shown in Figures 7 and 8. Chemical compositions of
phases are given in table 1.
Tab. 1 Chemical composition of individual phases in NdFeB
magnet (SEM-EDX)
Tab. 1 Chemické sloţení jednotlivých fází v magnetu NdFeB
R2Fe14B
Nd(R)Ox
wt.% at.% wt.% at.%
19.1 67.2
0.3
0.8
73.2 86.9 2.1
2.1
0.2
0.2
5.8
2.7 18.0 7.2
20.4 9.4 52.6 20.5
6.7
2.4
0.3
0.1
1.4
0.5
Element
O
Al
Fe
Cu
Pr
Nd
Tb
Dy
Fig. 6 Particles ROx at the point of contact of three matrix grains
Obr. 6 Částice ROx v místě styku tří zrn matrice
100 µm
Nd(R)xFeyOz
wt.%
19.4
at.%
65.0
7.9
0.2
18.1
53.9
7.6
0.2
6.9
20.1
0.5
0.2
100 µm
Nd(Pr, Dy)xFeyOz
pore
100 µm
100 µm
100 µm
100 µm
Probably
Nd(Pr, Gd)3Fe
R2Fe14B
SE
Nd(Pr, Dy, Gd)O
x
SE
tage = 20.0 kV
SE
ce = 19.3 mm
accelerating voltage = 20.0 kV
0%
accelerating voltage = 20.0 kV
100
working distance = 19.3 mm
27
working distance = 19.1 mm
µm
100 µm
spot size = 25.0%
spot size = 25.0%
live time = 53.21
live time = 61.59
BSE
BSE
BSE
Nd
Nd
O
700
Counts
Nd
400
500
SE
Nd
Fe
300
Fe
Nd
200
Nd
Gd
Nd
Fe
Pr
0
1
2
Gd
3 Fe
3
4
600
Pr
Gd
Dy
Pr
Gd
GdCo
Nd
Gd
0
4
5
keV
Nd
700
2
Co
100
6
7
8
9
Fe
0
10
BSE
1
2
3
4
5
keV
6
7
8
9
10
Nd
5
keV
6
7
Nd(Pr,
Gd)
9
10 3Fe
8
R2Fe14B
500
Counts
1
Pr
Gd
Gd
Pr
live time = 79.27
0
Nd
Pr
300
200
Pr
Gd mm
working distance = 19.3
Dy
100size = 25.0%
spot
Fe
O
400
Pr
accelerating voltage = 20.0 kV
Nd(Pr, Dy, Gd)Ox
Nd
600
Counts
Nd
500
Nd
700
Nd(Pr, Dy)xFeyOz
600
Nd
400
300
Pr
200
Pr
Gd
OFe
100
Fe
Fe
0
0
1
2
3
4
5
keV
6
7
8
9
10
Fig. 8
Identification of individual phases in structure of the sample
of magnet N35
Obr. 8 Identifikace jednotlivých fází ve struktuře vzorku magnetu
N35
Fig. 7
Identification of individual phases in structure of the sample
of magnet N35
Obr. 7 Identifikace jednotlivých fází ve struktuře vzorku magnetu
N35
55
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tab. 2 Magnetic properties of the magnet NdFeB – Type N35
Tab. 2 Magnetické vlastnosti magnetu NdFeB – typ N35
3.2 Magnetic characteristics
It is known that heat treatment of sintered NdFeB
magnets greatly increases the coercivity and it improves
the area of demagnetization curve J/H. The main
magnetically hard component is tetragonal phase
Nd2Fe14B with the direction of easy magnetization along
the axis c. Coercivity of permanent magnets is strongly
related to their micro-structure and it is controlled by
nucleation of reverse domains at grain boundaries of
Nd2Fe14B, while the nucleation field can be reduced by
defects on grain boundaries and by local de-magnetising
field. Due to the fact that smaller grain size reduces the
probability of nucleation of reverse domains at grain
boundaries and at the local demagnetising scattered
fields, coercivity exhibits a negative dependence on the
grain size [7, 10].
Br
(T)
1.10
HcB
(kA/m)
799
HcJ
(kA/m)
1152
(BH)max
(kJ/m3)
217
HS
(kA/m)
1577
JS
(T)
1.14
The determined magnetic product (BH)max is in
comparison with the manufacturer's data approx. by
20% lower, while on the other hand the inner coercivity
is inside is approx. by 17% higher. The working
temperature of these magnets is  80°C, Curie
temperature is 310°C.
3.3 Corrosion tests
Permanent magnets based on NdFeB have low chemical
stability, which is given by the micro-structure of the
material. The Nd-rich phase easily oxidises, leading to
material losses, degradation of the magnetic properties
and destruction of the component. Improvement of the
corrosion resistance of these magnets can be achieved in
two ways: 1. By modification of the micro-structure of
magnets in by alloying by different elements (Mo, Co,
etc.) and by formation of inter-metallic compounds of
these metals with Nd; 2. By use of protective metallic or
non-metallic coatings [11].
Moreover, when the grain size decreases to the size of
the individual (single) magnetic domain, the principle of
reversal of magnetic domain would be changes from the
motion of magnetic domains to a coherent rotation,
provided that the individual grains are magnetically
isolated, which would also result in an increase in
coercivity. Although the coercivity increases with
decreasing grain size in the range from 3.5 to 7.5 m, a
critical value exists here, below which the coercivity
decreases abruptly. This value is by an order of
magnitude higher than the size of individual magnetic
domain of the compound Nd2Fe14B and it is strongly
linked to the oxygen content in the magnet. The main
factors that determine the coercivity of sintered magnets
are the sintering conditions, grain size and oxygen
content [10]. Magnetic characteristics of NdFeB magnet
- type of N35 - were determined at the Department of
Physics, VSB-Technical University in Ostrava.
Demagnetisation curve is shown in Figure 9, the
measured values are summarized in Table 2.
Five pieces of samples of the magnet N35 were
subjected to the corrosion test in a neutral salt mist
according to the standard ČSN EN ISO 9227 (Method
NSS) with 240 hours of exposition, while thickness of
their zinc coating thickness is usually between 15 to 20
m. The test was carried out in corrosion chamber
SKBW 400 A-TR made by the company Liebisch
(Germany) in VÚHŢ Dobrá a.s., under the following
conditions:
 concentration of the sprayed solution of NaCl (50 ±
5) g/l
 testing temperature (35 ± 2)°C
 average quantity of accumulated brine 1.7 ml/(80
cm2.h)
 average pH value of accumulated brine 6.7
 average concentration of NaCl in accumulated brine
52.3 g/l
 inclination of samples approx. 20°±5° from the
vertical
Samples were visually assessed for the occurrence of
corrosion products of zinc coating and corrosion
products of the matrix during the test and after its
completion (see Figure 10). Results of corrosion tests
are given in Table 3. The corrosion of Zn coating was
observed in all the samples already after 24 hours of
exposure, while after completion of the test after 240
hours more than 50% of the exposed surfaces were
attacked by corrosion (with the exception of the sample
4).
Fig. 9 Demagnitising curve of the sample of magnet N35
Obr. 9 Demagnetizační křivka vzorku magnetu N35
On the surface, dark stains were visible, as well as
56
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
isolated corrosion points on the edges. The criterion for
the first occurrence of corrosion products of Zn (KP Zn)
is 48 hours and from this point of view none of the
samples was satisfactory.
the exposed area, and in the sample 5 after 48 hours - 5
to 10 % of the exposed area, while the sample 1 was
after completion of testing without any traces of KPFe.
The criterion for the first occurrence of corrosion
products of iron is 120 hours and only the first three
samples met this criterion. The obtained results
demonstrate the difference in the quality of the imported
magnets from China.
Iron corrosion products (KP Fe), i.e. corrosion of the
magnet itself, were found in the samples 2 and 3 only
after the 240-hour exposure – approx. 1% of the
exposed area, in the sample 4 after 96 hours - <1 % of
Tab. 3 Results of corrosion test of magnets NdFeB – type N35 in neutral salt mist according to the standard ČSN EN ISO 9227, time of
exposition 240 hours
Tab. 3 Výsledky korozní zkoušky magnetů NdFeB – typ N35 v neutrální solné mlze dle normy ČSN EN ISO 9227, doba expozice 240 h
Evaluation
Sample
first occurrence
of Zn corrosion
products KpZn
(requirement:
48 h)
first occurrence
of Fe corrosion
products KpZn
(requirement:
120 h)
1
> 240 h
2
240 h
3
24 h
(10–40 %
of exposed
surface)
240 h
4
96
5
48
state after completion of the test (240 h)
> 50 % of exposed surface KPZn + dark stains, no
occurrence of KPFe.
> 50 % of exposed surface KPZn + dark stains,
isolated corrosion points on the edges
(in total approx. 1 % of exposed surface KPFe).
approx. 50 % of exposed surface KPZn + dark
stains, isolated corrosion point on the edge
(< 1 % of exposed surface KPFe).
approx. 10 % of exposed surface of less
voluminous KPZn, isolated corrosion point on the
edge
(< 1 % of exposed surface KPFe).
> 50 % of exposed surface KPZn + dark stains,
corrosion points and stains
(5 - 10 % of exposed surface KPFe).
a) Sample 1
d) Sample 4
b) Sample 2
e) Sample 5
c) Sample 3
Fig. 10 Samples of the magnet NdFeB – type N35 (both sides) after 240 hours of corrosion test in neutral salt mist
Obr. 10 Vzorky magnetu NdFeB – typ N35 (obě strany) po 240 h korozního testu v neutrální solné mlze
57
Neţelezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
4. Conclusions
Based on the micro-structural analysis of supplied
magnets using light and electron microscopy with
micro-analyser EDX individual phases were identified
in the structure, and occurrence of Nd based oxides and
other rare metal (R), or R and Fe were also detected.
Precise identification of the phases will be realised by
use of X-ray diffraction. The measured magnetic
characteristics indicate that the obtained values are
several percent lower than indicated by the
manufacturer. In terms of corrosion resistance of zinc
coating, where the requirement was a 48-hour exposure
for the first occurrence of zinc corrosion products, none
of the samples was satisfactory furthermore, only three
samples met the criterion for the first appearance of
corrosion products of Fe, which was 120 hours of
exposure. In the frame of the new Regional Materials
Science and Technology Centre at the Technical
University of Ostrava new laboratories are built and
teams created, the aim of which will be research and
development, production, testing and optimisation of
advanced materials and technologies of their preparation
for the application sphere.
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
[2]
LI, W.F., OHKUBO, T., HONO, K., SAGAWA, M. The origin of
coercivity decrease in fine grained Nd–Fe–B sintered magnets.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2009, vol. 321
pp. 1100–1105. ISSN 0304-8853.
[3]
BROWN, D., MA, B. M., CHEN, Z. Developments in the
processing and properties of NdFeb-type permanent magnet.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, vol. 248,
pp. 432–440. ISSN 0304-8853.
[4]
BAI, G., GAO, R.W., SUN, Y., HAN, G. B., WANG, B. Study of
high-coercivity sintered NdFeB magnets. Journal of Magnetism
and Magnetic Materials,2007, vol. 308, pp. 20–23. ISSN 03048853.
[5]
YU, L.Q.,YAN, M., WU, J. M., LUO, W., CUI, X.G., YING,
H.G. On the cooling rate of strip cast ingots for sintered NdFeB
magnets. Physica B, 2007, vol. 393, pp. 1–5. ISSN 0921-4526.
[6]
BERNARDIA, J., FIDLER, J., SAGAWA, M., HIROSE, Y.
Microstructural analysis of strip cast Nd–Fe–B alloys for high
(BH)max magnets. Journal of applied physics, 1998, vol. 83, No.
11, pp. 6396-6398. ISSN 0021-8979.
[7]
KANEKO, Y., KUNIYOSHI, F., ISHIGAKI, N. Proven
technologies on high-performance Nd–Fe–B sintered magnets.
Journal of Alloys and Compounds, 2006, vol. 408–412, pp. 1344–
1349. ISSN 0925-8388.
[8]
RAGG, 0. M., KEEGAN, G., NAGELT, H., HARRIS, I. R. The
HD and HDDR processes in the production of Nd-Fe-B
permanent magnets. International Journal of Hydrogen Energy,
1997, vol. 22, no. 213, pp. 333-342. ISSN 0360-3199.
Acknowledgements
[9] DAVIES, B.E., MOTTRAM, R.S., HARRIS, I.R.. Recent
developments in the sintering of NdFeB. Materials Chemistry and
This paper was created in the project No.
Physics, 2001, vol. 67, pp. 272–281. ISSN 0254-0584.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials Science
and Technology Centre" within the frame of the
[10] LI, W.F., OHKUBO, T., HONO, K. Effect of post-sinter
annealing on the coercivity and microstructure of Nd–Fe–B
operation programme "Research and Development for
permanent magnets. Acta Materialia, 2009, vol. 57, pp. 1337–
Innovations" financed by the Structural Funds and
1346. ISSN 1359-6454.
from the state budget of the Czech Republic.
[11] SALIBA-SILVAA, A., FARIAA, R.N., BAKERB, M.A.,
COSTA, I. Improving the corrosion resistance of NdFeB
magnets: an electrochemical. Surface & Coatings Technology,
2004, vol. 185, pp. 321–328. ISSN 0257-8972.
COEY, J. M. D. Rare-earth Iron Permanent Magnets
(Monographs on the Physics and Chemistry of Materials). 1996,
Recenze: prof. Ing. Vladimír Číhal. DrSc.
Clarendon Press, pp. 542. ISBN 0198517920.
Literature
[1]
Ing. Karel Malaník, CSc.
____________________________________________________________________________________________
Z myšlenkového odkazu Wernera Siemense
V loňském roce jsme si v kalendáři světové vědy a techniky připomněli 120 let zastoupení firmy Siemens
und Halske na území dnešní České republiky (1890) a letos je tomu "nekulatých" 195 let od narození
Ernsta Wernera von Siemens (1816-1892), německého elektroinženýra, vynálezce a průmyslníka.
Vzpomeňme tuto mimořádnou osobnost v oboru elektrotechniky výběrem z jeho myšlenek:
●
●
●
●
●
Za okamžitý zisk neprodám budoucnost (životní krédo).
Výkonnost je projevem lenosti inteligentních lidí.
Nejde o to jít hlavou proti zdi, nýbrž o to najít očima dveře.
Objevitelská práce přináší hodiny největšího požitku, ale také rozčarování a tvrdé i neplodné práce.
Čím hlouběji vnikáme do harmonického působení přírodních sil, tím pokorněji a skromněji se cítíme a
tím více vzrůstá náš obdiv nad nekonečnou Moudrostí, která udržuje pořádek ve světě a proniká celé
stvoření.
● Hledat úspěch ve vynalézání je tvrdá, obtížná práce, která málokoho přivede k cíli, ale mnoho lidí už
zničila.
● Úkolem vědy je rozmnožovat poklad lidského vědění i lidských dovedností a vést lidstvo k vyššímu
stupni kultury.
(tes)
58
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Structural and Corrosion Properties of Al-Zn Protective Coating for Nd-Fe-B
Permanent Magnets
Strukturní a korozní vlastnosti ochranného povlaku Al-Zn pro permanentní
magnety Nd-Fe-B
prof. Igor Belyaev, Vladimir State University, Vladimir, Russia, Dr. Natalia Kolchugina, Ing. Georgii Sprygin,
Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, prof. Ing.
Miroslav Kursa, CSc., doc. Ing. Stanislav Lasek, CSc., Ing. Kateřina Konečná, VŠB - Technical University of
Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials Engineering
The low corrosion resistance of Nd-Fe-B magnets in humid environments determines the necessity for their
protection with anticorrosive coatings. In the present work, the microstructure and compositions of Nd-Fe-B-based
magnet produced by powder-metallurgy and Al-Zn protective coating applied by cold gas-dynamic sputtering on the
magnet surface were studied by optical and electron microscopy and EDS microanalysis. The base material was
formed by sintered (polyhedron) grains of the principal Nd 2Fe14B phase and it contains pores and minority phases.
The fractographic analysis confirmed intercrystalline brittle fracture. The distribution of elements along the coating
thickness was studied by glow-discharge spectroscopy. On the basis of potentiodynamic polarization method, the
corrosion parameters of stated materials, commercially zinc-coated steel, zinc and aluminium were determined and
compared, especially with respect to pitting corrosion in NaCl water solution. Protective coatings were applied on
the surface of Nd2Fe14B-based permanent magnets also by electrochemical deposition (electroplating); the
efficiency of different coatings was estimated under conditions of both high humidity and temperature and salt
vapour (mist) using a standard testing equipment. The corrosion of Russian and Chinese permanent magnets with
various protective coatings was studied. The highest corrosion resistance was found for the Russian permanent
magnets with anticorrosive Al-Zn coating applied by cold gas-dynamic sputtering.
Materiály na bázi NdFeB vykazují výjimečné magnetické vlastnosti s vysokým energetickým součinem (BH)max až
320 kJ/m3 i více. Tyto magnety mají široké použití v automobilovém průmyslu, počítačích a dalších komerčních
produktech. Z důvodu nízké korozní odolnosti ve vlhkém prostředí je nutné magnety na bázi NdFeB chránit
vhodnými antikorozními povlaky, nejčastěji z niklu, zinku a mědi, příp. kombinace těchto kovů. Obvykle jsou tyto
povlaky nanášeny na povrch magnetů elektrochemickou depozicí, které jsou dostačující k jejich ochraně. Zkušenosti
však poukazují na to, že během aplikace magnetů může docházet k odlupování povlaků a tvorbě korozních bodů pod
povlakem. Příspěvek se zabývá studiem mikrostruktury a chemického složení slinutého magnetu na bázi NdFeB
s ochranným povlakem Al-Zn pomocí optického světelného mikroskopu a SEM s mikroanalyzátorem EDX. Povlak
Al-Zn byl připraven metodou naprašování, jejíž princip spočívá v urychlení aplikovaného materiálu povlaku, který
je ve formě prášku a pohybuje se s proudem inertního plynu, na nadzvukovou rychlost a jeho depozicí na povrchu
magnetu. Matrice byla tvořena polyedrickými zrny základní fáze Nd2Fe14B a obsahovala póry a minoritní fáze.
Fraktografická analýza potvrdila křehký lom. Distribuce prvků podél tloušťky povlaku byla studována optickou
emisní spektrometrií GD-OES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy). Parametry koroze daného
materiálu, komerční oceli s Zn-povlakem, zinku a hliníku byly stanoveny metodou potenciodynamické polarizace a
srovnány, zejména s ohledem na vznik důlkové koroze ve vodném roztoku NaCl. Ochranné povlaky byly na povrch
permanentních magnetů NdFeB aplikovány také elektrochemickou depozicí (elektroplátováním); efektivita různých
povlaků byla hodnocena za podmínek vysoké vlhkosti a teploty a v prostředí solné mlhy použitím standardních
testovacích zařízení. Dále byla studována koroze permanentních magnetů s různými ochrannými povlaky, které byly
vyrobeny v Číně a Ruské federaci. Nejvyšší korozní odolnosti byla zjištěna u ruských magnetů s antikorozním
povlakem Zn-Al, která byla připravena dynamickým naprašováním pomocí plynu.
1.
Nd-rich phase) and complex microstructure, NdFeB
magnets exhibit a low corrosion resistance in humid
environments. Nd is an active metal with a standard
electrochemical potential Eo = -2.4 V [2]. It has been
also proved that Nd-rich phase and Nd2Fe14B matrix
absorb hydrogen in humid environments leading to
decrepitation. In aqueous solutions, a preferential
dissolution of the highly reactive intergranular Nd-rich
phase occurs, which is strongly enhanced by the
Introduction
NdFeB base materials have outstanding magnetic
properties with high energy products ((BH) max = 40
MGOe), leading to substantial technical and economic
impact on the permanent industry. These magnets have
found wide use in automobiles, personal computers and
some others commercial products [1]. As it is known,
owing to their highly reactive components (in particular,
59
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
galvanic coupling of the Nd-rich phase to the much
more noble ferromagnetic grains. The ferromagnetic
grains on the bulk magnet surface loose adhesion and
finally detach from the surface [3]. Thus, the Nd-Fe-Bbased magnets cannot operate in technical devices with
the absence of special anticorrosive coatings.
2.
Experimental
We studied sintered Nd-Fe-B-based magnets. In
choosing the anticorrosive coating composition, we took
into account the ability of metals to form galvanic pairs.
No galvanic pairs between the protected material, i.e.,
permanent magnet alloy and coating components must
be formed. Moreover, the coating must be impermeable
for environment gases (oxygen, hydrogen) and gasforming elements (carbon, sulfur) and exclude their
contact with the protected material.
Nickel, zinc, copper, and their various combinations are
most widely used bases for the coatings. Sometimes,
cadmium is used as the coating material. Usually,
coatings are applied on the magnet surface by
electrochemical deposition (electroplating). In many
cases, such a coating is sufficient to realize the
corrosion protection of magnets [4-8]. However, the
experience indicates that, during the magnet operation,
coatings peel off the surface, and corrosion points are
formed under the coating. Cases of complete destruction
of hard magnetic materials under the anticorrosive
coating are also known. All these incidents result in the
degradation of service characteristics of permanent
magnets.
Taking into account the imposed requirements,
a powder material of the grade A-20-11 was used as the
coating material. Its composition is 355 wt% Al, 455
wt% Zn, 255 wt% Al2O3. Fused alumina is added to
the composition to improve the manufacturing
properties of the deposited powder mixture.
The powder mixture was applied on the magnet surface
by cold gas-dynamic sputtering (cold supersonic
plating). The essence of the procedure consists in the
fact that an applied material, which is present in the
form of a powder and moves with air (inert gas) flow, is
accelerated to a supersonic speed, and fed to the
deposition surface. Anticorrosive material particles are
heated in striking against the material surface and, under
the action of kinetic energy, they fix firmly on the
surface having pores and rough edges. To reach the
required surface roughness, the surface is preliminarily
subjected to sand-blasting with fused alumina. The
supersonic nozzle allows heating of the gas flow to 150600C. Schematic diagram of cold gas-dynamic
deposition procedure is given in Fig. 1. This procedure
used for the deposition of protective coatings is free
from the aforementioned disadvantages of electroplating
procedure.
It was found earlier that the lifting and sag of protecting
coating from the permanent magnet surface were caused
by atomic hydrogen, which is formed on the permanent
magnet surface in the course of electroplating before the
deposition of first portions of anticorrosive metallic
coating. Atomic hydrogen initiates the corrosion of hard
magnetic material, i.e., it reacts with the alloy to form
neodymium and rare-earth metal hydrides (rare-earth
metals are components of the hard magnetic alloy).
Moreover, residual electrolyte is present on the magnet
surface under the coating and, subsequently, it can be
the source of hydrogen and oxygen and thus causes the
corrosion.
Another cause for the corrosion of protected material
consists in the insufficient efficiency of the used
anticorrosive-coating material under conditions of high
contents of water vapour, sodium chloride, and other
corrosive reagents in the environment atmosphere and at
high temperatures (+50C). Such conditions can be
realized during the operation of equipment with rareearth permanent magnets afloat, underwater,
underground (mines, oil and gas wells, etc.), in open
moist air, under tropical conditions.
To estimate the efficiency of both anticorrosive-coating
composition used and procedure of its deposition, a lot
(30 magnets) of Nd-Fe-B permanent magnets 30х20х10
mm in size was prepared.
One of the aforementioned magnets with the Al-Zn
coating applied by ultrasonic gas-dynamic sputtering
was used for electrochemical experiments in the form of
two samples: ZnAl coating as working electrode and
sintered NdFeB magnet. The last sample was prepared
by wet grinding to the depth of 0.15 mm under a larger
surface in order to remove ZnAl coating and its surface
was finished by fine grinding (1200 grit SiC paper),
then carefully cleaned in spirit and demineralised water.
A smaller sample (10x7 mm) was prepared for
metallographic study by separation from the received
sample by sawing and brittle fracture. The fractographic
analysis and chemical microanalysis was also performed
for this fracture surface. The mean boron content and
concentration of selected elements (Fe, C, N, Co, Nd,
Zn, Al) was analysed by the glow discharge
spectroscopy (GDS, device GDA750 and SA-2000
(LECO).
The aim of the present work is to study the
microstructure and composition of sintered Nd-Fe-Bbased magnet with the applied protective coating and to
perform comparative investigations of corrosion
resistance of Russian and Chinese magnets with
different anticorrosive coatings. In order to make the
anticorrosive coating more efficient for the prolonged
operation of magnets in equipment exploited under
special conditions (high humidity, salt spray
atmosphere, and other reactive media), the composition
of anticorrosive coating and the technology of its
deposition on the surface of Nd-Fe-B magnets were
improved.
60
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
(determined by linear method) is around 32±9%, the
mean diameter of pores is 7.5±1.7 m (Fig. 2).
Fig. 1 Schematic diagram of equipment for deposition of coatings by
cold gas-dynamic sputtering
Obr. 1 Schématické znázornění zařízení pro depozici povlaků
metodou naprašování pomocí plynu za studena
Microstructure was observed on polished and
subsequently etched metallographic section. Metallographic study was performed by a Neophot 2 optical
microscope and an Intraco Micro stereomicroscope.
Linear method was applied for the determination of
secondary phase ratio, porosity, pores size and grain
(powder) size. Phase microstructure study and chemical
microanalysis were carried out using the scanning
electron microscope JEOL JSM-6490LV equipped with
EDS INCA X–ACT microanalyzer. The point and
surface analyses were performed. The samples were
studied on the electron microscope before
magnetization.
Fig. 2 Structure of base material and coating (polished)
Obr. 2 Struktura základního materiálu a povlaku (leštěno)
The secondary phases and pores in base material
occurred at approximately 27±3% and their average size
was 10.2±1.1 m. Polyhedral equiaxed grains have a
mean diameter dg = 23±2 m (Fig. 3).
Potentiodynamic cyclic polarization technique was
applied for pitting corrosion testing. [9]. Experiments
were performed using computer-controlled PGP-201
Potentiostat/Galvanostat with Voltamaster PC program.
Potentiodynamic polarization tests were preceded by the
determination of corrosion potential (Ecor). The
corrosion rate was determined by the polarization
resistance method. The electrochemical cell consisted of
the standard three electrodes arrangements, NbFeB or
ZnAl working electrode, a reference saturated calomel
electrode (SCE), and platinum counter electrode.
Polarization curves were obtained in neutral 0.1 M NaCl
water solution at room temperature, using a voltage
sweep rate of 1.0 mV/s. For comparison purposes,
samples of carbon steel, commercial zinc coating, zinc
and aluminum were also tested. The exposed surfaces in
electrochemical cell had areas of 0.5 – 2 cm2.
Fig. 3 Structure of base material with different phases and pores
(etched specimen)
Obr. 3 Struktura základního materiál s rozdílnými fázemi a póry
(leptáno)
Comparative tests of these magnets and Chinese
magnets with electroplating anticorrosive Ni-Cu-Ni
three-layered coatings were performed at +50C for 10
days under 98%-humidity-air conditions using a
hygrothermal chamber and at 35C for 3 days using a
salt-spray chamber (salt was sprayed periodically).
3.
The chemical microanalysis of Nd-Fe-B phases was
performed on inter-granular brittle fracture surface (see
Table 1 and Fig. 4.). Two basic phases were identified.
Matrix grains contain approximately (in at.%) 82% Fe,
11,5% Nd, 2% Co, 2%Al, 1,5% Dy and are the principal
(Nd,Dy)2(Fe,Co)14B magnetic. The intergranular phase
(bright areas in Fig. 4) is enriched in Nd (contains small
amounts of Co, Fe, Al and Dy). The oxygen content in
minority phase (30-50% at.) is probably part of
corrosion products (Nd(OH)3). The thermal stability of
NdFeB is enhanced by Dy additions [1] and Co
improves the corrosion resistance [3].
Results and discussion
3.1 Metallography and chemical analysis
Figures 2 and 3 show metallographic sections of base
material with the applied Al-Zn coating and base
material, respectively. A relatively large dispersion of
the coating thickness, in the range of 25-90 m, was
identified. The average porosity ratio of coating
On the surface of ZnAl coating two phases were also
observed (Fig. 5). The light phase contained nearly 90%
Zn and 5% Al, a darker structure contained over 90% Al
and 2% Zn (Table 2). As it can be seen, the coating is
61
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
non-uniform in composition (the surface analysis
identified in average 69% Al, 15% Zn, 15% O).
and nitrogen in the coating, included with air that is the
carrying gas.
Tab. 1 Chemical composition (wt. %) of phases in magnet type
NdFeB
Tab. 1 Chemické složení (hm. %) fází v magnetu na bázi NdFeB
Place
Fe
Nd
Dy
Co
Al
Si
O
light 1
light 1
dark 2
dark 2
3.07
1.62
68.8
68.9
75.3
82.7
24.9
24.7
1.02
1.13
3.64
3.67
8.45
9.07
1.76
1.98
0.88
0.67
0.69
0.32
-
11.4
5.17
-
Fig. 5 Surface of coating (BEC), numbers (1, 2) designate selected
places of analysis
Obr. 5 Povrch povlaku (BSE); čísla 1 a 2 označují místa analýzy
(BSE)boron content - 0,15 % wt. (GDS).
The hydrogen content should be analyzed by a special
method (e.g. infrared spectroscopy). Difficult is also to
determine boron content in different phases.
Fig. 4
Fracture surface of magnet, numbers (1, 2) designate
selected points of analysis (BEC).
Obr. 4 Lomová plocha magnetu; čísla 1 a 2 označují místa
analýzy (BSE)
Tab. 2 Chemical composition of phases on the surface of coating
Tab. 2 Chemické složení fází na povrchu povlaku
ZnAl
wt.% (at.%)
surface
surface
surface
light 1
dark 2
Zn
Al
Fe
O
33.2
(13.9)
30.9
(18.3)
31.8
(14.1)
95.8
(88.1)
4.36
(5.64)
59.2
(69.6)
59.0
(66.9)
60.6
(70.4)
2.45
(5.46)
91.2
(92.4)
0.58
(0.33)
0.48
(0.26)
0.42
(0.23)
-
7.02
(16.1)
9.57
(14.5)
7.21
(15.2)
1.72
(6.47)
3.33
(1.81)
0.32
(0.16)
Fig. 6 Distribution of elements along the thickness of Al-Zn coating
deposited by cold gas-dynamic sputtering
Obr. 6 Rozdělení prvků podél tloušťky povlaku Al-Zn naneseného
metodou naprašování
3.2 Potentiodynamic experiments and corrosion tests
Note: Mean boron content - 0,15 % wt. (GDS).
Typical polarization curves of samples obtained during
the potentio-dynamic measurements are shown in
Fig. 7. Pits and/or spots were observed on exposed
surfaces of tested materials and samples.
The distribution of elements over the Al-Zn coating
thickness was studied using a SA-2000 optical glowdischarge spectrometer (LECO), which allows the layerby-layer analysis of the element composition of
deposited layer. Figure 6 shows the distribution of
coating components over the thickness, which is almost
uniform except the boundary layer, for which the
increase in the zinc content (up to 90 wt%) and,
therefore, the decrease in the aluminium content as
compared to the average contents of the elements was
found. The analysis also shows the presence of oxygen
Values of corrosion potential (Ecor) of tested materials
and layer can provide information on their tendency to
corrode, the differences in corrosion potentials establish
possible galvanic couples in a specific environment
(Table 3 and Fig. 7).
62
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
pitting. The polarization resistance (Rp) and corrosion
rate (rc) were measured and calculated approximately
by Stern method [10] before and after pitting (in
parenthesis).
Zn
ZnAl
Five magnets from the lot produced were coated with
nickel and five magnets were coated with zinc. The
coatings were applied by electroplating. The other
coatings (nickel, zinc, aluminum, and Al+Zn among
them) were applied by gas-dynamic sputtering. The
thickness of all coatings was ~20 μm. Five magnets had
a coating of the same composition. The comparative
corrosion tests included the following procedures: (1)
periodical 1-h immersion (1 time per day) of all
magnets under study into a 3% NaCl solution and (2)
subsequent holding of the magnets above the
aforementioned solution in an exiccator. After each 48-h
holding, the degree of corrosion was determined. We
calculated the corrosion-area percentage with respect to
the total sample area by the simple expression:
Fe
NdFe
(Ecor)
Fig. 7 Comparison of typical cyclic polarization curves for materials
tested in 0.1 M NaCl solution; coordinates: potential E [mV]
SCE – log |i|, i [A/cm2]
Obr. 7 Srovnání typických cyklických polarizačních křivek pro
materiály testované v roztoku 0.1 M NaCl; koordináty: E
[mV] SCE – log |i|, i [A/cm2]
Ds = So/Sn .100 (%)
The depassivation (Ed) and repassivation (Er) potentials
have been determined for conventional current densities
(100 A/cm2; 10 A/cm2). The lower the depassivation
and repassivation potentials, the lower the resistance to
(1)
where So is the total area of corroded sections (mm2), Sn
is the surface area of investigated sample (mm2) and Ds
is the degree of corrosion (%). Results of the
comparative studies are given in Table 4.
Tab. 3 Results of potentiodynamic polarization measurements; 0.1 mol/l NaCl water solution
Tab. 3 Výsledky měření potenciodynamické polarizace; vodní roztok 0,1 mol/l NaCl
ZnAl/FeNd
delivered
1
Ecor
mV
-1030
2
-1067
-1029
-1051
-876
(1.12)
(0.122)
SVUOM cell
ZnAl/FeNd
delivered
1
-1002
-969
-1007
-909
1.01
0.147
1.5 cm2
2
-1013
-977
-1018
-904
(1.0)
(0.26)
immersion
FeNd
deliv. ground
1
-720
-651
-767
-499
2.3
0.15
0.5 cm2
2
-771
-727
-768
-530
(0.97)
(0.26)
Zn/Fe
reference
1
-1016
-954
-1064
-844
2.35
0.047
2
-1053
-1009
-1065
-852
(1.86)
(0.167)
steel C20
reference
1
-473
-412
-523
-262
1.4
0.21
2
-513
-450
-534
-273
(1.2)
(0.37)
Zn
reference
1
-1005
-955
-1037
-833
-
-
1.8 cm2
2
-1020
-977
-1033
-911
-
-
Avesta cell
1
-750
-670
-698
-335
-
-
1.8 cm2
2
-746
-593
-688
-386
-
-
Avesta cell
Material
sample
Al reference
Cycle
No.
Ed
mV
-970
Er
mV
-1052
Ev
mV
-874
Rp
k.cm2
3.7
rc
mm/a
0.024
0.5 cm2
63
notes
0.5 cm2
1.0 cm2
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Tab. 4 Results of comparative corrosion tests (with application of 3% salt solution) of Nd-Fe-B magnets with various protective coatings
Tab. 4 Výsledky srovnávacích korozních testů (použitím 3% solného roztoku) NdFeB magnetů s různými ochrannými povlaky
Degree of surface corrosion,%
Material and
deposition method
Testing time, h
State of sample surface
at a moment of end of
tests
48
96
144
198
240
288
Ni (plating)
5.6
-
-
-
-
-
Continuous corrosion,
coating lifting
Ni (gas-dynamic
sputtering)
3.8
9.7
-
-
-
-
Continuous corrosion
Zn (plating)
0.6
1.6
2.7
6.9
-
-
Continuous corrosion
Zn (gas-dynamic
sputtering)
no
no
no
0.1
0.2
0.5
Al (gas-dynamic
sputtering)
no
no
no
0.2
0.4
1.7
Al+Zn (gas-dynamic
sputtering)
no
no
no
no
0.1
0.2
It is seen from Table 4 that the coatings applied on the
magnet surface by cold gas-dynamic sputtering exhibit
higher corrosion resistance as compared to that of
coatings having the same chemical composition but
applied by electroplating. Among the coatings applied
by gas-dynamic sputtering, the higher corrosion
resistance of Nd-Fe-B magnets was found to be ensured
by the Al-Zn coating. The degree of corrosion of
magnets with the Al-Zn coating is lower than that of
magnets with nickel electroplated coating by an order of
magnitude. Thus, the substantially higher efficiency of
the Al-Zn coating is obvious.
Initial corrosion, white
thin film
White thin film,
9 centers of penetration
corrosion
Traces of pitting (point)
corrosion
We also performed comparative studies of the corrosion
resistance of Russian Nd-Fe-B permanent magnets with
the Al-Zn anticorrosive coating applied by cold gasdynamic sputtering and Chinese Nd-Fe-B magnets
(having the same composition, made by one of leading
manufacturers) with the Ni-Cu-Ni anticorrosive coating
prepared by electroplating. Results of comparative tests
are given in Table 5. As it can be seen, the Al-Zn
anticorrosive coating also exceeds substantially in the
efficiency the electroplated Ni-Cu-Ni coatings of
Chinese magnets.
Tab. 5 Results of comparative corrosion tests of Russian and Chinese Nd-Fe-B magnets with different anticorrosive coatings
Tab. 5 Výsledky srovnávacích korozních testů ruských a čínských magnetů s rozdílnými antikorozními povlaky
Coating composition,
deposition method,
manufacturer
4.
Conditions of corrosion tests
Hygrothermal chamber (98%
Salt-spray chamber (periodical
humidity, temperature +50 °С,
spraying of salt vapor, temperature
test time -10 days (240 h)
- +35°С, test time – 3 days (72 h)
Ni-Cu-Ni, electroplating,
China
Pitting (point) corrosion on all
(100%) samples (the average
density is 1 centre per 1.5-2 cm)
Lifting and complete decomposition
of coating on 100% samples. Rust
traces resulting from the corrosion of
Nd-Fe-B magnet material
Al-Zn, cold gas-dynamic
sputtering, Russia (JSC
MAGNETON)
No traces of corrosion
Dark coating, slight traces of coating
corrosion
characterized by metallographic and EDS analyses
using optical and electron microscopy. The coating is
characterized by non-uniformity in composition and
thickness. The corrosion resistance of the coating was
studied by potentiodynamic polarization technique and
Conclusions
The structure and chemical composition of sintered NdFe-B-based magnet with Al-Zn protective coating
applied by cold gas-dynamic sputtering were
64
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Neželezné kovy a slitiny
Non-ferrous Metals and Alloys
exposition corrosion tests. The results obtained allow us
to recommend the Al-Zn composition as the highefficiency anti-corrosive coating for Nd2Fe14B-based
permanent magnets; the cold gas-dynamic sputtering is
recommended as the procedure for deposition of Al-Zn
coating on the surface of Nd Fe B magnets.
Acknowledgements
This paper was created in the project
No. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional Materials
Science and Technology Centre" within the frame of
the operation programme "Research and Development
for Innovations" financed by the Structural Funds
and from the state budget of the Czech Republic.
[4]
PAVLUKOV, A.A., TSIVILIN, V.Yu., OPANASENKO, O.S.,
Structural Transformations in Nd-Fe-B System Alloys Caused
Their Destruction, Inorganic materials, 1991, vol. 27, no. 4,
page 725.
[5]
KANEKO, Y. Technological Evaluation and Application
Trends of NdFeB Sintered Magnets in Japan. From Proc.18th
International Workshop on High Performance Magnets and
their Applications (НРМА-04) Annecy. France, April 12-16,
2004, p. 40-51.
[6]
FIDLER, J., SCHREFL, T., HOEFINGER, S., HAJDUGA, M.
Recent Developments in Hard Magnetic Bulk Materials,
Journal of Physics: Condensed Matter., 2004, vol. 16, no. 5,
page 455.
[7]
MITCHELL P. Corrosion Protection of NdFeB magnets, JEEE
Transactions on Magnets, 1990, vol. 26, no. 5.-рage 1933.
[8]
WALTON, A., SPEIGHT, J.D., WILLIAMS, A.J., HARRIS,
J.A. A Zinc Coating Method for Fe-Nd-B Magnets, Journal of
Alloys and Compounds, 2000, vol. 306, no. 2, page 253.
[9]
ASTM G-61: Standard Test Method for Cyclic Potentiodynamic Polarization Measurements for Localized Corrosion
Susceptibility of Iron-, Nickel-, or Cobalt-Based Alloys.
Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.02, Metal
Corrosion, 2001, pp. 223-227.
[10]
ASTM G-59: Standard Test Method for Conducting
Potentiodynamic Polarization Resistance Measurements.
Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.02, Metal
Corrosion, 2001, pp. 237-239.
Literature
[1]
[2]
[3]
GUTFLEISC, H O., WILLARD, M. A., BRUCK, E. et.al.
Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger,
Lighter, and More Energy Efficient. Advanced Materials, 2010,
vol. 20, p. 1-22.
ARENAS, M., WARREN, G. W., Aqueous Corrosion Study of
Melt-Spun NdFeB Ribbons with TiC Additions. TMS,
Alabama, 1999, 10 p.
El-MONEIM A. A., GEBERT A., UHLEMANN M. et. al., The
influence of Co and Ga on the corrosion behavior of
nanocrystalline NdFeB magnets. Corrosion Science, 2002, vol.
44, p. 1857-1874.
Recenze: prof. Ing. Vladimír Číhal. DrSc.
doc. Ing. Stanislav Tuleja, CSc.
_________________________________________________________________________________________
V Ostravě začínají testoval akumulátorovou lokomotivu
ekolist.cz, ČTK
5.6.2011
V hutní společnosti ArcelorMittal Ostrava začínají testovat první akumulátorovou lokomotivu. Na rozdíl od
používaných dieselových neprodukuje tato lokomotiva žádné emise a je výrazně tišší. Používání
ekologických lokomotiv má pomoci zlepšit životní prostředí na Ostravsku.
Lokomotiva na akumulátorový pohon je vynálezem ostravských vědců. Je určena hlavně pro vlečky a
logistické dopravní terminály. V ArcelorMittal Ostrava nyní začínají v provozu ověřovat menší,
třínápravový stroj. Na podzim by k němu měla přibýt větší, čtyřnápravová lokomotiva. Akumulátorová
lokomotiva nevypouští žádné emise ani prach. Měla by plně nahradit staré motorové lokomotivy
poháněné naftou. Kromě velkých českých firem se o akumulátorovou lokomotivu zajímají i v zahraničí,
například v Polsku. Náklady na provoz budou desetinové oproti motorové lokomotivě a s narůstající
cenou nafty se tento rozdíl ještě zvýší. Cena akumulátorových a dieselových lokomotiv je srovnatelná.
Využití akumulátorového pohonu ve velkých ostravských firmách by výrazně snížilo emise z dieselových
motorů lokomotiv. "Pro region by to byl opět krok k lepšímu ovzduší.
Akumulátorová lokomotiva má český patent od Úřadu průmyslového vlastnictví, o přidělení evropského
patentu se rozhoduje. Součástí lokomotivy je zařízení, které umí přeměnit stejnosměrný proud z nabité
baterie na proud střídavý, který lokomotivu pohání. Když lokomotiva brzdí, zařízení začne fungovat
opačně a brzdnou energii vrací zpět do akumulátorové baterie. Způsob rekuperace energie si ostravští
vynálezci nechali patentovat.
Lokomotivu vyvinuly firmy sdružené v Technologickém centru Ostrava spolu s Vysokou školou báňskou Technickou univerzitou. Na jejím vývoji se podílela společnost Arrow line. Do její výroby se zapojily
regionální společnosti Dodávky automatizace, Krnovské opravny a strojírny nebo Pneukom.
Na vývoj třínápravové lokomotivy, který přišel zhruba na 20 mil. Kč, přispěla z 60 % Evropská unie.
Stavbu první čtyřosé lokomotivy financuje z 90 % Ministerstvo průmyslu a obchodu.
SB
65
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
zkušebnictví, měřictví,
laboratorní metody
Study of Material Properties of Selected Inorganic Systems in Solid
and Liquid Phase
Studium materiálových vlastností anorganických systémů v tuhé i kapalné
fázi
Ing. Bedřich Smetana, Ph.D., Ing. Simona Zlá, Ph.D., Ing. Monika Žaludová, doc. Ing. Rostislav Dudek,
Ph.D., prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc., Ing. Karel Gryc, Ph.D., Ing. Markéta Tkadlečková, Ph.D., Ing. Silvie
Vitásková, prof. Ing. Karel Michalek, CSc., VŠB – Technical University Ostrava, Faculty of Metallurgy and
Materials Engineering, Ing. Jaroslav Pindor, Ph.D., ResearchDevelopment, Ltd., Ostrava-Vítkovice
The knowledge of proper materials data plays crucial role in the field of materials behaviour. The corresponding
prediction of material behaviour is possible right with use of proper materials data. For obtaining of materials data
(primarily of thermo-physical and thermo-dynamical data) the following experimental equipments are used at our
working site (FMME-Faculty of Metallurgy and Materials Engineering, DFChTTP-Department of Physical
Chemistry and Theory of Technological Processes and DM-Department of Metallurgy): Setaram SETSYS 18TM
thermal analyser, Netzsch STA 449 F3 Jupiter thermal analyser, Theta Industries viscosimeter and equipment for
measurement of surface and interfacial tensions. It is possible with use of these equipments to obtain the following
data: temperatures and latent heats of phase transitions, specific heats, it is also possible to calculate kinetic data,
measure viscosity, surface and interface tensions. The research possibilities were expanded thanks to cooperation
between DFChTTP, DM, ResearchDevelopment (RD) of Třinec steelworks (Třinecké Ţelezárny) and in the frame
of „RMSTC“ project (Regional Materials Science and Technology Centre). New equipments (Netzsch STA 449 F3
Jupiter and equipment for viscosity measurement of oxidic systems Anton Paar) substantially widen the research
possibilities at our working site. Purchase of high temperature calorimeter is planned also in the frame of
decentralised development project at VŠB-Technical University of Ostrava. Primarily, basic and applied research
possibilities are aimed at the research in the field of steels, nickel based super alloys, non-ferrous alloys, other
metallic alloys and oxidic systems (slags). Results obtained with use of the mentioned equipments will be used for
publishing in foreign impacted journals, for creation of our own database, for optimisation of casting and forming
conditions, for implementation into the simulation software at DM. With proper materials data it will be possible to
predict materials behaviour. Secondly, the materials data and their implementation into the simulation software
enable precise optimisation of metallurgical processes in the praxis. That is one of our aims in applied research.
Příspěvek se zabývá především moţnostmi vyuţití experimentálního vybavení dvou pracovišť Fakulty metalurgie
a materiálového inţenýrství (FMMI). Katedra fyzikální chemie a teorie technologických pochodů (KFChTTP)
vyuţívá v současné době pro experimentální (základní i aplikovaný) výzkum řadu zařízení: zařízení pro termickou
analýzu Setaram SETSYS 18TM, viskozimetr proměření viskozit kovových tavenin Theta Industries, zařízení pro
měření povrchového a mezifázového napětí. S vyuţitím tohoto vybavení lze studovat teploty a latentní tepla fázových
transformací, specifická tepla, kinetiku fázových přeměn, viskozitu, povrchová napětí oxidických systémů a kovů,
mezifázová napětí kovová-oxidická tavenina. Příspěvek prezentuje především přehled moţností výzkumného
potenciálu katedry v současnosti a rozšíření aplikačních moţností v budoucnu. Jsou předkládány výsledky
experimentálního výzkumu za několik posledních let. Moţnosti experimentálního výzkumu jsou v současné době
podstatně rozšiřovány. Ve spolupráci s Katedrou metalurgie (KM), Materiálovým a metalurgickým výzkumem, s.r.o.
(MMV) a v rámci projektu „RMTVC“ (Regionální materiálově technologické výzkumné centrum) byl pořízen další
přístroj pro termickou analýzu, Netzsch STA 449 F3 Jupiter, umoţňující analýzy aţ do teploty 2000°C. Dále je
pořizován v rámci projektu RMTVC další viskozimetr (Anton Paar), který bude přednostně vyuţíván pro studium
66
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
viskozit oxidických systémů (strusek a licích prášků). V rámci decentralizovaného rozvojového projektu VŠB-TUO
na tento rok je plánován nákup vysokoteplotního kalorimetru. Přístroj bude umoţňovat měření tepelných kapacit
s vyuţitím 3D senzorů pro velké vzorky (2-40 g) a bude umoţňovat provádět experimenty jak v DSC módu, tak
v módu „DROP“ („vhazovací“ kalorimetrie). Pořízení špičkového experimentálního vybavení (doplnění stávajícího
stavu) pro naše společné pracoviště (KFChTTP a KM), podstatným způsobem rozšíří moţnosti výzkumného
potenciálu v oblasti základního a aplikovaného výzkumu. Výsledky získané na uvedeném experimentálním zařízení
budou publikovány především ve významných vědeckých zahraničních časopisech, budou vyuţity pro tvorbu vlastní
databáze materiálových vlastností. Získaná data lze následně vyuţít také v praxi, a to především k optimálnímu
nastavení licích podmínek a tvářecích pochodů. Data z vytvořených databází budou dále v rámci „Laboratoře
modelování procesů v tekuté a tuhé fázi“ implementovány do výpočtových programů (Calcosoft, Magmasoft, popř.
další software), které jsou k dispozici na KM. Výsledky modelování s vyuţitím zmiňovaných programů a s vyuţitím
přesných vlastních materiálových dat umoţní precizní optimalizaci metalurgických procesů, kterými se naše
pracoviště, v oblasti aplikovaného výzkumu, zabývají.
thermo-gravimetric measurements of TG-analysis (they
are important mainly for materials, in which
decomposition, degradation, oxidation or reduction
processes occur) or simultaneous analyses TG/DTA
(Thermo-gravimetry/Differential Thermal Analysis) and
TG/DSC (Thermo-gravimetry /Differential Scanning
Calorimetry). This device can be furthermore with
appropriate equipment also modified for the TMA
method (Thermo-Mechanical Analysis). This method
enables research of contraction/dilatation of the sample
in dependence on change of temperature.
1. Introduction
The Department of Physical Chemistry and Theory of
Technological Processes (DFChTTP) and the
Department of Metallurgy (DM) currently substantially
expand and complete their experimental background,
which will be used for basic and applied research, as
well as software for simulation of technological
processes. This expansion is realised mainly thanks to
the realised project Regional Materials Science
and Technology Centre (RMSTC) and also thanks to
collaboration
with
the
industrial
partner
ResearchDevelopment (RD) of Třinec steelworks
(Třinecké Ţelezárny).
Another equipment for thermal analysis was purchased
within the project RMSTC, namely Netzsch STA 449
F3 Jupiter, see Figure 2 and Table 2. This instrument
will complete in a suitable manner the existing
equipment of the laboratory of thermal analysis. It
enables performance of analyses at the temperatures up
to 2000°C. Its another advantage consists in possibility
of making analyses of samples (material) with mass up
to 35 g. High mass of the analysed samples will enable
precise measurement namely of solidus and liquidus of
metals, particularly of steel, at precisely defined cooling
rates and to investigate thus dependence of shifting of
temperatures of phase transitions on the controlled rate
of the process. Knowledge of temperatures of solidus
and liquidus at controlled cooling rates is of principal
importance namely for an optimum setting of condition
of pouring at continuous casting. In case of small
samples (under 500 mg), which may be analysed with
use of the system SETSYS 18TM and Netzsch STA F3
Jupiter also, high degree of sample under-cooling (up to
200°C) is achieved at DTA/DSC analyses, which
significantly distorts the results. Degree of undercooling in the case of small samples is always different
for the same samples (same type of steel, same size of
the sample, same experimental conditions). In the case
of large samples an unambiguous trend exists of shifting
e.g. the temperatures of solidus and liquidus (this shift
does not differ for identical conditions and identical
sample). It is possible to investigate dependence of the
temperature shift of phase transformations on cooling
rate with unambiguous trend. The higher the cooling
rate the bigger the shift of temperature of phase
transitions towards the lower values. Use of this
equipment will therefore make it possible to investigate
The article presents review about the current state in
experimental equipment of our working sites
(DFChTTP, DM), as well as selected results published
in foreign peer-reviewed journals during past few years.
It presents orientation of our working sites in the area of
research, particularly in the field of metallic and oxidic
materials. The paper gives basic characteristics of
experimental equipment. The authors present
possibilities of basic and applied research, their mutual
inter-connection and namely substantial expansion of
possibilities of research thanks to the instruments newly
purchased within RMSTC and within the decentralised
development project of MŠMT for the year 2011.
2. Research in the field of thermo-physical
and thermo-dynamical properties of
metals and oxidic systems, thermal
analysis
The Department of Physical Chemistry and Theory of
Technological Processes has at present at its disposal an
unique equipment for thermal analysis Setaram
SETSYS 18TM. Figure 1 and Table 1 present basic
characteristics of this instrument. This experimental
system makes it possible to obtain temperatures of
phase transitions, latent heats of phase transitions,
specific heats (excellence precision is achieved for
heating process). It enables also obtaining of data on
phase transformations kinetics. The device is equipped
with weighing system and it can make either only
67
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
very precisely namely the area of liquidus and solidus of
steels at cooling.
analyses of the samples with max. mass of approx.
500 mg). Application of 3D DSC sensors
(thermocouples are situated around the whole sample)
and use of substantially larger quantity of samples will
make it possible to obtain much more precise values of
specific heats in comparison with the classical 2D DSC
method. The equipment will enable also measurement
of latent heats of phase transitions both in DSC and in
DROP modes, as well as measurement of heats of
dissolution of metals (oxidic mixtures) in melts, and
mixing enthalpies. High-temperature calorimeter will
substantially complement the equipment STA 449 F3
Jupiter, as well as possibilities of our working site in the
area of basic and applied research in the field of
investigation of metals and oxidic systems.
The laboratory of thermal analysis will be moreover
equipped this year also with high-temperature
calorimeter. This equipment will be unique particularly
thanks to its 3D DSC sensor and extensive measurement
temperature range from 20 to 1600°C, which is not
usual in calorimeters. The equipment will enable
obtaining of the values of specific heats and their
dependencies on temperature within the range from
20 to 1600°C in DSC and DROP modes. The DSC
mode (principle of classical 2D DSC method) will make
it possible to perform measurements of specific heats of
samples with masses up to 2.5 g (classical DSC enables
Obr. 1 Setaram SETSYS 18TM
Fig. 1 Setaram SETSYS 18TM
Obr. 2 Netzsch STA 449 F3 Jupiter
Fig. 2 Netzsch STA 449 F3 Jupiter
Tab. 1 Charakteristické parametry experimentálních systémů Setaram a Netzsch
Tab. 1 Specifications of available experimental laboratory systems Setaram and Netzsch
Setaram SETSYS 18TM
Experimental possibilities
TG/DTA; TG/DSC; TG; TMA
experimental methods
+ 20°C to + 1750°C
0.01 to 100 K/min
linear heating/cooling; isothermal
holding; cycling
up to 500 mg
vacuum; inert; reactive
temperature range
heating/cooling rate
temperature programs
sample mass
atmosphere
3. Research in the field of surface and
interfacial tension, experimental
equipment
Netzsch STA 449 F3 Jupiter
c-DTA – „calculated DTA curve“;
TG/DTA; TG/DSC; TG
+ 20°C to + 2000°C
0.01 to 50 K/min
linear heating/cooling; isothermal
holding; cycling
up to 30 g (35 g)
vacuum; inert; reactive
applied research the surface properties of steels and
slags represent an important parameter (criterion),
which influences significantly their service properties.
Knowledge of surface properties contributes to learning
of mechanism of technologically important physicalchemical processes at inter-phase boundary metal–slag,
metal–inclusion–slag, slag–refractory material, etc.
Another area of research at the DFChTTP is
investigation of surface properties of oxidic systems
(slags), and in smaller extent also of metallic materials
(particularly of steels). Both basic and applied
researches are carried out. From the viewpoint of
68
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Determination of surface tensions of oxidic and metallic
materials (it is very difficult to resolve the issues of
sample oxidation in metallic materials) is made with use
of sessile drop method. Investigated material is studied
on a non-wetting bed in horizontal Tamman furnace
with an eye-sight, diagram of the measurement
apparatus is given in Figure 3. Molten sample at the
given temperature will form a regular geometric shape
formed by surface tension and gravitation, which is read
by an optical system. The obtained image is afterwards
automatically evaluated by computer software
developed specially for these purposes, using the
Laplace-Young equation. In this manner it is possible to
obtain temperature dependencies of surface properties
of materials (oxidic mixtures and metals), as well as
dependencies of surface tension on chemical
composition, dependence of changes of densities and
wetting angles of investigated systems. Tamman
furnace makes it possible to perform experiments in the
temperature range from 25 to 1700°C.
investigated materials is usually 1 g.
Mass
of
Interfacial tension metal-slag plays also significant role
at metallurgical processes. Values of interfacial tension
determine development of reactions at their boundary
and at the same time they have considerable influence
on efficient floating of inclusions. Our working site uses
research of interfacial tension also the equipment shown
in Figure 3. Successful solution of experimental
determination of wetting angles of both liquid systems
required solution of the issue of reading the contact
places of individual molten phases. For this purpose an
original methodology of their anchoring in horizontal
positions was used, schematic diagram of which is
shown in Figure 4. The experiment can be again
performed in the temperature range from 25 to 1700°C,
and mass of the metallic phase is approx. 100 g and
mass of the slag phase is approx. 1 g.
Obr. 3 Experimentální aparatura pro studium povrchových a mezifázových napětí
Fig. 3 Experimental arrangement for measurement of surface and interfacial tensions
Obr. 4 Snímek roztaveného systému ocel – struska s klíčovými liniemi, základní uspořádání měřeného systému
Fig. 4 The photograph of re-melted steel – slag system with highlighted crucial lines, arrangement of measured system
Investigation of changes of phases (phase
composition) of slags uses equipment of shock
cooling. The samples are heated to the required
temperature and afterwards they are rapidly cooled
down (by shock cooling in liquid nitrogen). In this
manner the state of the sample (phases) at the
investigated temperature is fixed. The sample is then
investigated at room temperature by usual
methodologies. Afterwards an X-ray diffraction analysis
of thus “frozen” samples is made in collaboration with
other working sites.
4. Research in the field of phase
transformations, quenching experiments
Oxidic systems (slags) pass under certain conditions
(temperature,
chemical
composition)
from
homogeneous into heterogeneous state with
subsequent changes of phase composition. These
changes can in great extent be projected into numerous
physical-chemical properties, among others into
temperature dependencies of surface tension.
69
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
We have developed our own proprietary equipment for
identification of phases at given temperature, which
enables “freezing” of up to five samples with the
volume of 1 ml. This equipment can operate up to the
temperature of 1700°C. Reduction atmosphere is
maintained in the environment of the samples.
fulfilling the requirements for investigation of metals
viscosities and pilot trial measurements were performed.
In this year we plan further testing of this instrument.
We presume that beginning from 2012 the equipment
will already be fully used for basic and applied research.
Within the frame of RMSTC a competitive tendering
took place in 2011 for purchase of another hightemperature viscosimeter suitable for investigation of
viscosities of oxidic melts (slags). On the basis of
selective procedure equipment manufactured by Anton
Paar was purchased. Characteristics of high-temperature
viscosimeter are given also in Table 2. The equipment
enables work in rotation and vibration modes.
Purchase of these two viscosimeters will expand
significantly possibilities of research of metallic melts
and of oxidic systems in liquid phase at high
temperatures.
5. Research in the field of metallic and
oxidic melts viscosity, high temperature
viscosimeters
Research in the field of viscosities of metallic and
oxidic melts is at present at the very beginning. Hightemperature viscosimeter (Theta Industries, 25
to 1700°C) was put into operation last year for
investigation of viscosity of metals, see Table 2. The
equipment enables measurement in a rotation mode.
Necessary modifications of the device were made
Tab 2 Základní experimentální parametry viskozimetrů
Tab. 2 Basic experimental parameters of viscosimeters
Theta Industries
Experimental possibilities
Anton Paar
metallic melt
25 to 1700°C
0 to 50 K/min
0 to 20 K/min
70 000 mm3
Ar; He; N2; H2 and their mixtures
5 mPa/s to 20 Pa/s
10 %
0.013 Pa
measured materials
temperature range
control ed he ting rate
controlled cooling rate
sample volume in molten state
atmosphere
maximum measuring range
maximum measuring error
vacuum
number of adjustable temperature
steps
measuring mode
oxidic melt
300 to 1600°C
0 to 56 K/min
0 to 24 K/min
35 000 mm3
Ar; He; N2 and their mixtures
3 mPa/s to 20 Pa/s
0.5 %
not
100
rotating
unlimited
rotating; oscillating
6. Presentation of selected results, selected
results obtained at our working site
impacted journals and at renowned world conferences.
These works comprise for example: [1-7].
Figures 5 and 6 present results of DTA analyses of real
samples of steels obtained with use of the device
Setaram SETSYS 18TM. Figure 5 shows evaluated
DTA-curve of real sample of steel (STEEL grade
16MCrS5AlN) with marking of characteristic
temperatures of phase transformations and thermal
effect of melting (latent heat of melting–grey surface).
Comparison of temperatures of liquidus, solidus and –
transition of real samples of steel (Mn–steel) with
binary equilibrium diagram Fe–Mn is shown in
Figure 6.
7. Conclusions
Extensive experimental basis of the Department of
Physical Chemistry and Theory of Technological
Processes and Department of Metallurgy together
with collaboration with the industrial partner
ResearchDevelopment of the Třinec steelworks
within the project RMSTC and Decentralised
development project will enable more significant
participation of our working sites in the fields of basic
and particularly applied research oriented namely on the
processes connected with steelmaking. Purchase of top
class experimental equipments will has substantially
expanded (and after purchases of other devices will
further expand) possibilities of involvement of our
working sites in research activities.
Results of works of authors in the field of material,
thermo–physical and thermo-dynamic properties of
metallic and oxidic materials were published in foreign
70
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Obr. 5 Vyhodnocená DTA-křivka, ocel, Setaram
Fig. 5 Evaluated DTA-curve, steel, Setaram
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Teploty solidu, likvidu a přeměny , Mn-ocel, srovnání s
rovnováţným fázovým diagramem Fe-Mn, Setaram
Fig. 6 Temperatures of solidus, liquidus and  transition, Mn-steel,
comparison with equilibrium Fe-Mn diagram, Setaram
Obr. 6
Precise and reliable material, thermo–physical and
thermo–dynamical data (of steels, slags) are highly
appreciated especially in the area of industrial
applications. In the area of steelmaking several selected
data (temperatures of phase transitions) are necessary
for optimum setting of casting conditions, as well as
conditions of subsequent heat and mechanical treatment.
Although it is possible to find many data also in
literature (in scientific and technical publications), in
commercial and non-commercial databases, only rarely
all the necessary data can be found, or the data for the
given specific steel (oxidic system). Notwithstanding
that special software exists for calculation of these data,
very often does not enable calculation of all the data
necessary for the specific steel (oxidic system).
Calculations using these software packages are based on
many simplifications, which may lead to calculation of
not quite precise data, and in some cases even to
calculation of unrealistic values.
contribute also to more precise physical modelling. The
data can also be used for simulation software, such as
Thermocalc, Pandat and others. The obtained data will
be confronted with the data published in available
literature, as well as with calculations selected
programs. The obtained data will complete the existing
databases and will improve their precision.
This work was compiled in the framework of the
project No. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 "Regional
Materials Science and Technology Centre" and
projects of the Czech Science Foundation,
Nos. 106/08/0606, 106/09/0370 and P107/11/1566
Literature
With the experimental equipment of our common
working site we will be able to obtain comprehensive
data on investigated systems both in solidus and
liquidus phases. It will be possible to obtain data for
concrete steel grades (oxidic system) under precisely
defined experimental conditions. Our own proprietary
database containing the obtained data will be created at
our working site, which could be used for practical
applications. The obtained data could be furthermore
implemented into the simulation software packages,
such as Calcosoft or Magmasoft. In this way
calculations of numerical models (simulations) will thus
be made much more precise. The obtained data will
[1]
SMETANA, B. et al. Int. J. Mat. Res. (formerly Z. Metallkd.),
2010, vol. 101, no. 3, p. 398-408.
[2]
DUDEK, R. et al. Metalurgiya, 2009, vol. 48, no. 4, p. 239242.
[3]
DUDEK, R. et al. Int. J. Mat. Res. (formerly Z. Metallkd.),
2008, vol. 99, no. 12, p. 1369-1374.
[4]
ZLÁ, S. et al. Proceedings of 19th International Metallurgical
and Materials Conference, Metal 2010. Tanger s.r.o., 2010,
Czech Republic, p. 790-795.
[5]
SMETANA, B. et al. Proceedings of 19th International
Metallurgical and Materials Conference, Metal 2010. Tanger
s.r.o., 2010, Czech Republic, p. 357-362.
[6]
ŢALUDOVÁ, M. et al. Proceedings of 19th International
Metallurgical and Materials Conference, Metal. Tanger s.r.o.,
2010, Czech Republic, p. 350-356.
[7]
SMETANA, B. et al. Hutnické listy, 2010, vol. 63, no. 1, p. 3237.
Recenze: prof. Ing. Jozef Kijac, CSc.
prof. Ing. Karel Stránský, DrSc.
71
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Měření topografie povrchu válcovaného plechu optickou metodou
Measurement of Surface Topography of Rolled Sheets by Optical Method
Ing. Veronika Szarková, doc. Ing. Jan Valíček, Ph.D., RNDr. Milena Kušnerová, Ph.D., Ing. Barbora
Haluzíková, Ing. Michal Zeleňák, Ing. Vlastimil Kuběna, Vysoká škola báňská -Technická univerzita Ostrava,
Hornicko-geologická fakulta
Válcování za studena je důležitý proces v hutním průmyslu, který přímo ovlivňuje kvalitu konečného produktu. Tento
proces je velmi složitý systém, v němž je zastoupena řada multidisciplín, jako jsou: výpočetní technika, automatické
řízení, mechanika, materiálové inženýrství a další. Správně navržené renovace systému mohou přinést velký finanční
zisk pro podnik ve zvýšení výkonu, jakosti a v celkové podnikatelské konkurenceschopnosti [7]. Proto se příspěvek
zaměřuje na způsob hodnocení kvality povrchu plechů vytvořených podélným válcováním za studena. Jedná se o
způsob hodnocení topografie povrchů plechů z hlubokotažné oceli řady KOHAL o jakosti 697. Topografie povrchu
válcovaných plechů byla měřena optickým profilometrem Talysurf CCI (Coherence Correlation Interferometry) Lite
od firmy Taylor & Hobson. Způsob hodnocení je založen na porovnání výškových parametrů profilu
s technologickými parametry laboratorní válcovací stolice DUO 210 SVa, jako jsou válcovací síla F roll a absolutní
úběr materiálu h. Tyto technologické parametry ovlivňují válcovací proces a rovněž i kvalitu povrchu válcovaného
plechu. Kvalita povrchu je velmi důležitá jak pro výrobce, tak i pro zákazníka. Je tudíž důležité mít dobrou znalost
vztahu mezi kvalitativním stavem válcovaného materiálu a parametry technologie.
Currently, approximately 90 to 95% of materials are being processed by rolling process. There is an increasing
demand for improving quality of the rolled products [8]. Maintaining a high quality material requires a good
knowledge of instantaneous qualitative state of the rolled material and technology parameters [2-4, 6, 7, 9]. The
final quality of the rolled product formed by longitudinal cold rolling depends on many factors, which are actively
or passively involved in the forming process [11]. Therefore, this paper focuses on measuring the surface
topography of the rolled deep–drawing steel sheets of type KOHAL 697 by using an optical profilometer Talysurf
CCI (Coherence Correlation Interferometry) Lite from Taylor & Hobson Company, which is an automatic optical
measurement system with a small scanning track [1]. A goal is to find out relations between technological
parameters of the rolling mill DUO 210 SVa and surface topography. Primarily we are focused on examining the
relationship between height parameters and technological parameters of the rolling mill (rolling force, rolling
reduction). The presented results obtained from this experiment are demonstrated by the correctness of the
assumption that with the increase in rolling force F roll, rolling reduction h, the quality of the rolled surface can be
improved. It is obvious that the surface quality is very important for manufacturing companies, because the
requirements on the quality during cold rolling steadily increase. Understanding the surface quality can affect the
technological process of cold rolling in any manufacturing company. Further research within this issue is moving to
a comprehensive assessment of the complex process conditions, surface quality and also economy and optimization
of technological production cycle for products obtained by cold rolling.
Finální kvalita vývalku vytvořená prostřednictvím
podélného válcování za studena závisí na řadě faktorů,
které se aktivně nebo pasivně účastní tvářecího procesu.
Cílem je určit výslednou kvalitu povrchu, která je
funkcí geometrických charakteristik a vstupních faktorů
u pouţité technologie. Hodnocení kvality vytvořených
povrchů je moţné posuzovat na základě mikro geometrických charakteristik. Parametry, které nejvíce
ovlivňují drsnost povrchu při válcování za studena a na
které se tato práce zaměřuje, jsou absolutní úběr h
a válcovací síla Froll [11].
Úvod
Válcováním rozumíme kontinuální proces, při kterém se
tvářený materiál deformuje mezi otáčejícími se
pracovními válci za podmínek působení především
všestranného tlaku v celém objemu. Válcovaný materiál
se mezi válci deformuje, výška se sniţuje, materiál se
prodluţuje a současně rozšiřuje a mění se i rychlost,
kterou válcovaný materiál z válcovací stolice vystupuje.
Válcování se provádí hlavně za tepla, ale i za studena
[8, 13].
Při kaţdé změně některého z hlavních technologických
parametrů se válcovaný materiál přizpůsobuje a mění
svoje původní strukturně deformační vlastnosti. K
takovým změnám technologických parametrů dochází
při potřebě zvyšování výkonu výroby. Není-li vliv
zvýšení válcovací rychlosti, válcovacího tlaku nebo
Zachování vysoké kvality materiálu vyţaduje dobrou
znalost vztahu mezi okamţitým kvalitativním stavem
válcovaného materiálu a parametry technologie [2-4, 6,
7, 9].
72
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
úběru materiálu dostatečně respektován, můţe docházet
k narušení struktury materiálu na výstupu. Zajištěním
kontinuální kontroly kvality materiálu a jakosti povrchu
v průběhu procesu válcování v reálném čase, ale taktéţ
vyuţitím verifikované teoretické predikce v návrhu
technologie, lze předcházet i při vysokých nárocích na
kvantitativní ukazatele výroby případným negativním
dopadům na kvalitu finálního produktu [2-4, 6, 7, 9].
Experimentální část
Pro realizaci experimentu, tj. za účelem sledování vlivu
technologických parametrů na topografii povrchu, byly
voleny mořené plechy z hlubokotaţné oceli řady
KOHAL o jakosti 697 a o rozměrech 150 x 31 x 2,52
mm, jejichţ chemické sloţení je prezentováno v tab. 1
Tab. 1 Chemické sloţení plechů s hlubokotaţné oceli řady KOHAL o jakosti 697[%]
Tab. 1 Chemical composition of deep drawing steel [%]
Fe
C
Mn
Si
P
S
Al
N2
99,5327
0,037
0,251
0,007
0,007
0,007
0,051
0,0031
Cu
Ni
Cr
As
Ti
V
Nb
Mo
0,021
0,009
0,014
0,001
0,001
0,001
0,002
0,002
Procesem válcování a následným vznikem plastické
deformace byly vytvořeny ze vzorku o výchozích
rozměrech vývalky s pěti různými úběry h. V tab. 2
jsou uvedeny parametry tloušťky plechů, kde h0 je
původní tloušťka vzorku a h1 je výsledná tloušťka
vývalku po příslušném úběru při válcování. Tloušťky
plechů byly měřeny mikrometrem s přesností měření ±
0,01 mm.
Měření optickým profilometrem spočívá v tom, ţe
světlo zdroje je horním rozdělovačem paprsku
usměrňováno do objektivu. Dolní rozdělovač v systému
objektivu rozdělí světlo do dvou samostatných svazků.
Jeden svazek je směrován na povrch měřeného objektu
a druhý je veden na vnitřní referenční zrcadlo. Poté co
se oba svazky znovu setkají, je smíšené světlo vedeno
do detektoru. Jsou-li optické délky - ke vzorku a
referenční - stejné, vzniká interference. Při skenování
objektivu interferometru v ose Z detektor měří intenzitu.
Při měření povrchu detektor zaznamenává sérii map
intenzity světla odraţeného od povrchu. Přitom plocha
měření je přímo interferenční plochou. Získaná
zobrazení intenzity jsou základem k vytvoření 3D
obrazu kontrolovaného povrchu. K řízení posuvu
interferometru i ke stanovení parametrů jsou pouţívány
různé techniky. Přesnost a opakovatelnost měření
skenováním bílého světla závisí na řízení skenovacího
mechanismu a stanovení vlastností povrchu z
interferenčních dat. Na obr. 1 je vyobrazen princip
optické metody [10].
Tab. 2 Parametry vytvořených vzorků z hlubokotaţné oceli
Tab. 2 Parameters of the samples created from deep-drawing steel
Vzorek h0[mm] h1[mm] h[mm]
0C
2,52
-
-
1C
2,52
2,14
0,38
2C
2,52
1,57
0,96
3C
2,54
1,27
1,27
4C
2,52
0,96
1,56
5C
2,52
0,79
1,73
Foto
Plechy označené 1C, 2C, 3C, 4C, 5C byly válcovací
stolici DUO 210 SVa na Technické univerzitě
v Košicích 2-7x proválcované při rychlosti válců vroll =
0,7 m.s-1. Čím větší jsme poţadovali úběr h, tím
vícekrát musel plech projít válcovací stolicí. Původní
vzorek s označením 0C, neprošel válcovací stolicí
z důvodu vzájemné komparace vzorků.
Měření topografie povrchu
Plechy, vytvořené podélným válcováním za studena,
byly měřeny optickým profilometrem Talysurf CCI Lite
na Politechnice Świętokrzyska v Kielcích. Talysurf CCI
(Coherence Correlation Interferometry) Lite od firmy
Taylor & Hobson je automatický optický měřici systém
s malou snímací stopou [1].
Obr. 1 Princip optické metody [1]
Fig. 1 Principle of optical method
Na obr. 2 je prezentováno, ve kterých místech byla
měřena topografie povrchu plechů.
73
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
2C
0,96
3C
1,25
4C
1,56
5C
1,73
Obr. 2 Schéma vzorku 1C s úběrem 0,4 mm s vyznačenou měřenou
oblastí 1,65x1,65 mm
Fig. 2 Sample of 1C with a reduction in thickness of 0.4 mm with
the measuring area of 1.65x1.65 mm
Vzorky byly umístěny na skenovacím stolku
a nepohyblivým senzorem byla snímaná plocha vzorku
o rozměru 1,65x1,65 mm objektivem interferometru při
zvětšení 10x se standardní kamerou 1024 x 1024 pixelů
s přesností měření v ose Z ± 0,05 m. Osou Z rozumíme
osu kolmou k snímanému povrchu.
Prostřednictvím programu TalyMap, který zajišťuje
plnou shodu s novým 3D standardem ISO 25178,
úplnou metrologickou reprodukovatelnost a rychlejší
vytvářeni dokumentů, byla analyzována data naměřená
optickým profilometrem Talysurf CCI Lite. Pomocí
tohoto programu byly získány údaje o nerovnosti
povrchu plechů v proměřených oblastech. V tab. 3 jsou
detailně zobrazeny 3D plochy vzorků z hlubokotaţné
oceli.
Série 3D zobrazení stejného povrchu umoţňuje
posouzení změny jeho textury v závislosti na velikosti
úběru h. Topografické parametry, které byly získány
z 3D ploch povrchu, jsou výškové parametry střední
aritmetická výška povrchu Sa, střední kvadratická výška
povrchu Sq a maximální výška povrchu Sz podle normy
ISO 25178. Výškové parametry jsou 3D ekvivalenty
parametrů definovaných pro jeden profil, tj. střední
aritmetické odchylky profilu povrchu Ra (nejuţívanější
parametr 2D), střední kvadratické odchylky profilu Rq
a největší výšky nerovnosti profilu Rz podle normy ČSN
EN ISO 4287 (viz tab. 4) [5].
Tab. 4
Příslušné parametry hodnocení textury povrchu u
jednotlivých vzorků z hlubokotaţné oceli
Tab. 4 Appropriate parameters of the surface topography evaluation
demonstrated for each sample from deep-drawing steel
Tab. 3 Detailní zobrazení 3D topografie povrchu z hlubokotaţné oceli
Tab. 3 Detailed 3D surface topography of deep drawing steel
Označení
h[mm]
plechu
0C
Označení
plechu
0C
1C
2C
3C
4C
5C
h[mm]
Sa[μm]
Sq[μm]
Sz[μm]
Ra[μm]
Rq[μm]
Rz[μm]
0
1,91
2,43
24,4
2,09
2,59
13,4
0,38
0,73
0,94
7,99
0,95
1,15
5,55
0,96
0,26
0,38
12,9
0,25
0,33
2,18
1,27
0,19
0,28
8,91
0,16
0,19
1,16
1,56
0,28
0,39
17,9
0,21
0,27
1,70
1,73
0,16
0,23
5,99
0,16
0,21
1,21
Profily 2D, z kterých byly určeny parametry drsnosti,
byly získány z prostřední linie z 3D zobrazení měřeného
povrchu. Z tab. 4 je patrné, ţe se hodnoty 3D výškových
parametrů neliší řádové od 2D výškových parametrů
profilu.
3D topografie povrchu
-
Závislost topografie povrchu na válcovací
síle
1C
Kvalitu povrchu lze také demonstrovat na pouţité síle
při válcování Froll, která se definuje jako vertikální
sloţka výsledné síly válcovaného kovu na pracovní
válec [12].
0,38
Válcovací síla byla měřena při válcovací rychlosti vroll
0,7 m.s-1 u všech plechů z hlubokotaţné oceli, kdy se
válcovací síla pohybovala od 67,9 do 145,1 kN. Ve
74
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
válcovnách plechu platí, ţe čím větší pouţijeme úběr,
tím bude větší válcovací síla, ale naopak bude drsnější
povrch daného provalku a válcovací rychlost bude
klesat. Protoţe jsme experiment provedli na laboratorní
válcovací stolici DUO 210 SVa, která nemá parametry
velkých válcovacích stolic, a také zde nejsou takové
podmínky, protoţe na této válcovací stolici DUO210
SVa je moţno provádět pouze nekontinuální technologii
oproti válcovně s kontinuálním úběrem na jednom
plechu v několika stupních na válcovacích tratích,
získané výškové parametry profilu se maličko odchylují
od závislosti, jak je znázorněno v tab. 5.
Poděkování
Příspěvek byl podpořen projekty RMTVC No.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040, SGS No. SP2011/76, GA ČR
No. 101/09/0650, MŠMT No. MSM6198910016, a
MEB051021. Poděkovaní také patří
Moravskoslezskému kraji 01737/2010/RRC za finanční
podporu a programu CEEPUS CII-PL-0007-05-0910
na Politechnice Świętokrzyska v Kielcích v Polsku za
možnost měření topografie povrchu.
Literatura
Závislost úběru materiálu a výškových parametrů profilu
povrchu na válcovací síle
Tab. 5 Dependence of the rolling reduction and of the height
parameters of surface profile on the rolling force
[1]
ADAMCZAK, S; MAKRENEK, M; SUCHAŃSKA, M;
ŚWIDERSKI, J. Possibility of Applications of CSI Methods in
studies C-Pd films. Poster
[2]
BIDULSKÁ, J; KVAČKAJ, T; BODÁK, V; BIDULSKÝ, R.
The microgeometry parameters of uncoated and zinc-coated
cold rolled steel strips. Journal of Metals, Materials and
Minerals, 2007, Vol. 17, No. 2, p. 1-7. ISSN 0857-6149
[3]
BIDULSKÁ, J; KVAČKAJ, T; BODÁK, V; RAKUČIAK, R;
BIDULSKÝ, R. Mikrogeometria povrchu pozinkovaných
karosárskych plechov. Hutnícke listy, 2002, Vol. 57, No. 1-3, p.
8-10. ISSN 0018-8069
[4]
BUMBÁLEK, B., ODVODY, V., OŠŤÁDAL, B. Drsnost
povrchu. Praha, SNTL, 1989. ISBN 04-252-89
[5]
ČSN EN ISO 4287 – Geometrické poţadavky na výrobky
(GPS) – Struktura povrchu: Profilová metoda. Termíny,
definice a parametry struktury povrchu, Praha, ČNI, 1999
[6]
FOREJT, M; PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje.
Brno. Akademické nakladatelství CERM, 2006. ISBN 80-2142374
[7]
KENMOCHI, K; YARITA, I; ABE, H; FUKUHARA, A;
KOMATU, T; KAITO, H. Effect of micro-defects on the
surface brightness of cold-rolled stainless-steel strip. Journal of
Materials Processing Technology 69, Elsevier, 1997, p. 106111. ISSN 0924-0136
[8]
KOLLEROVÁ, M; ŢÍDEK, M; POČTA, B; DĚDEK V.
Valcovanie. Bratislava. Alfa, 1991. ISBN 80-05-00729-9
[9]
KRSEK, A; OSANA, H. P; KURIC, I; PROSTREDNÍK, D.
Strojárská metrológia a riadenie kvality. Bratislava. STU,
1998. ISBN 80-227-1025-3
Tab. 5
Označení
h[mm] Sa[μm]
plechu
0C
0
1,913
Ra[μm] Froll[kN]
2,091
0
1C
0,38
0,733
0,952
67,8861
2C
0,96
0,257
0,252
82,5948
3C
1,27
0,193
0,156
96,3955
4C
1,56
0,279
0,212
110,9628
5C
1,73
0,164
0,160
145,1399
V tab. 5 zastupují výškové parametry profilu 3D
výškové parametry střední aritmetické výšky povrchu
Sa a výškové parametry profilu 2D střední aritmetické
odchylky profilu povrchu Ra z důvodu, ţe nejvěrněji
zastupují kvalitu povrchu a jsou nejvíce uţívané. Z této
tabulky je patrné, ţe se zvyšujícím se úběrem materiálu,
roste válcovací síla a vytváří se tak kvalitnější povrch
vývalku (klesají hodnoty výškových parametrů profilu).
Závěr
V příspěvku jsou prezentovány výsledky získané
z topografie povrchu vytvořené válcováním za studena
na mořených pleších z hlubokotaţné oceli řady KOHAL
o jakosti 697. Předkládané výsledky dokladují vazbu
mezi jednotlivými absolutními úběry h materiálu,
válcovací silou Froll a výškovými parametry profilu na
válcovací stolici DUO 210 SVa.
[10] NOVÁK, Z. Interferometrická měření v nanometrologie. MM
Průmyslové spektrum. 2010, No. 10, p. 20. ISSN 1212-2572
[11] ODUGUWA, V; ROY, R. A Review of Rolling Systém Design
Optimisation. International Journal of Machine Tools and
Manufacture. Elsevier, 2006, Vol. 46, No. 7-8, p. 912-928.
ISSN 0890-6955
[12] UNDERWOOD, L. R. The rolling of metals. London. Chapman
& Hall LTD., 1952.
Prostřednictvím středního napětí, které působí na
stykové ploše válcovaného kovu s válcem v pásmu
deformace, ovlivňuje velikost válcovací síly Froll. Čím
bude větší válcovací síla, tím také bude hladší povrch
daného provalku. Ale na druhou stranu zvýšení velikosti
válcovací síly Froll vede ke zvýšení třecí síly mezi
válcovaným plechem a válci. Tato skutečnost vede ke
zvýšením spotřeby energie a sníţení ţivotnosti válců.
[13] ZRNÍK, J., DOBATKIN, S. V., MAMUZIČ, I. Processing of
metals by severe plastic deformation (SPD) – structure and
mechanical properties respond. Metalurgija 47 (2008) 3, p. 211
– 216. ISSN 0543-5846
Recenze: doc. RNDr. Miloslav Ohlídal, CSc.
doc. Ing. Martin Vlado, CSc.
75
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Senzor magnetického pole na magneto-optickém principu
Magneto-optical Magnetic Field Sensor
doc. Dr. Ing. Michal Lesňák, doc. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc., prof. Ing. Jaromír Pištora, CSc., Vysoká škola
báňská -Technická univerzita Ostrava, Hornicko-geologická fakulta, Ing. Jaroslav Sobota, Ústav přístrojové
techniky ČAU, Brno, RNDr. František Staněk, Ph.D., Vysoká škola báňská -Technická univerzita Ostrava,
Hornicko-geologická fakulta
Příspěvek se zabývá vývojem senzoru magnetického pole na magneto-optickém principu. V současné době je velký
zájem o studium spolupůsobení plasmonických a magneto-optických jevů v optických nanostrukturách (MO SPR
struktury). Vývoj magnetického senzoru v této oblasti se zdá velmi perspektivní. Na základě teoretických výpočtů
byly navrženy planární struktury (tenká vrstva železa nebo kobaltu v kombinaci se zlatou vrstvou), které lze použít
při vývoji MO SPR senzoru magnetického pole. Experimentální měření byla realizována v Ottově konfiguraci, kdy
byl aplikován SiO2 vazební hranol a nanovrstvy železa a zlata byly deponovány na SiO 2 podložku. Experimentální
sestava využívá He-Ne laseru (vlnová délka 632.8 nm) s proměnným úhlem dopadu. Detekuje se intenzita svazku
odraženého na hranolové základně v intervalu úhlů dopadu blízkých podmínce generace plazmonových vln. Měřicí
sestava pro generaci plazmonových vln (Multiskop – fa Optrel) byla doplněna originálním generátorem
magnetického pole pro vybuzení indukované anizotropie. Vlivy indukované anizotropie byly studovány v transverzní
geometrii, která umožňuje separaci s a p polarizovaných vln. Změna orientace vnějšího magnetického pole bylo
realizováno přepínáním polarity napětí na budicích cívkách.
The paper deals with the development of sensors of magnetic field on magneto-optical principle. Currently great
interest exists in studying the interaction of plasmonic and magneto-optical phenomena in optical nano-structures.
The development of magnetic sensors in this field seems very promising. Based on theoretical calculations the
planar structures have been proposed (thin films of iron or cobalt combined with golden layer), which can be used
for development of MO SPR magnetic field sensor. The experimental arrangement has been realized in Otto
configuration with SiO2 prism. The thin films of iron and gold have been deposited on SiO 2 substrate. The set-up
used the monochromatic beam (He-Ne laser at 632.8 nm wavelength) and the variable angle of incidence. The
reflected light intensity at the angle interval close to the condition of plasmon waves generation was detected. The
experimental arrangement for SPR measurements (Multiscope from Optrel) has been completed by the original
magnetic field source for the induced anisotropy creation. The induced anisotropy effects have been studied in
transverse geometry, which enables separation of s- and p- polarized waves. Switching of external magnetic field
orientation has been realized by the alteration of voltage polarity on magnetic coils.
The 4x4 matrix algebra has been used for the description of electromagnetic waves interaction with surface
plasmon magneto-optic system. The achieved outcomes confirm the suitability of this theoretical model. The results
show that the maximal response of MO-SPR sensor strongly depends on the thin films thicknesses of layers forming
the sensor unit. Our magnetic source design makes it possible to generate the external magnetic field up to 0.2 T.
The experimental results indicate the shift of angle dependence reflected by intensity of approx. 0.07 degree in the
frame of incidence angles from 45 to 46 degrees. These results bring new possibilities for vector magnetic field
sensors construction. The next research in this area should concentrate on dynamic parameters specification of
MO-SPR sensor. The achieved results give new approaches in the material research. On the base of reflection
spectra we can analyze the anisotropy in ferromagnetic layers and specify the permittivity tensor elements of these
layers. The future research will be oriented on the modelling and construction of stripe and dots periodical surface
plasmon resonance structures combined with magneto-optical thin films.
Magnetické pole modifikuje vazební podmínky při
plasmonové rezonanci [1]. To se projeví změnami tvaru
a polohy rezonančního minima při použití magnetického
pole, což jsou atributy hrající klíčovou roli
v senzorových
aplikacích.
Na
tento
aspekt
magnetoplasmoniky se zaměřujeme podrobněji s cílem
představit úvodní měření na nově připravených
vzorcích.
V oblasti senzoriky nás zajímá především co možná
největší citlivost na změnu magnetického pole.
1. Úvod
V současné době se projevuje velký zájem o studium
spolupůsobení plasmonických a magneto-optických
jevů v optických nanostrukturách. Tento zájem lze
dokumentovat například na [1]. Je známo, že
plasmonová rezonance zesiluje magneto-optickou
odezvu při Kerrově, resp, Faradayově jevu, vyjádřenou
jako rotace a elipticita výstupního optického svazku [2].
76
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Omezíme-li se na planárně uspořádané nanostruktury,
lze citlivost ovlivnit několika způsoby, případně jejich
kombinací. Vedle apriorní volby ušlechtilého kovu
(obvykle Au nebo Ag) a feromagnetika (Fe, Co, Ni) se
jedná o různé kombinace vrstev těchto materiálů. Mezi
často studované patří trojvrstvy Au-Co-Au [3], [4], AgCo-Ag [5] nebo Au-Fe-Au [6], případně složitější
multivrstvy [7-11]. Ve všech případech hraje jednu z
klíčových rolí volba tlouštěk kovových vrstev, a proto je
této otázce věnována zvýšená pozornost.
2. Motivace
Fyzikální princip plazmonových vln má rozsáhlé využití
při konstrukci sensorů ve fyzice, chemii, materiálovém
inženýrství, v biologii i v medicíně. Vývoj přinesl celou
řadu koncepcí s cílem zvýšit citlivost detekčních
jednotek na bázi SPR (např. sensory s úhlovou,
intenzitní, fázovou a polarizační modulací a modulací
vlnové délky). Relativně novým přístupem je
kombinace
magnetooptické
(MO)
aktivity
magnetických materiálů a principu SPR (terminologicky
se hovoří o MO-SPR senzorech).
Fotografie měřicího zařízení (Optrel) se zdrojem
magnetického pole
Fig. 1 Photos of the measuring device (Optrel) with the generator of
magnetic fields
Obr. 1
Pro studium magnetoplasmoniky jsme použili zařízení
Multiskop (fa Optrel), původně určené na měření SPR
(surface plasmon resonance). Jedná se o zařízení, které
měří intenzitu odraženého světla v závislosti na úhlu
dopadu (v našem případě při jediné vlnové délce 632.8
nm). Zařízení jsme rozšířili o elektromagnet schopný
vytvářet definované magnetické pole až do hodnoty
magnetické indukce 300 mT. Je použita transverzální
konfigurace měření. Na obr. 1. je fotografie
experimentální sestavy.
SiO2
Imerzní kapalina
Při měření používáme Ottovu konfiguraci, kdy hranol
(SiO2) má vrcholový úhel 90°. Mezi hranolem a
měřeným vzorkem je umístěna imerzní kapalina o
velikosti indexu lomu stejné jakou má použitý hranol.
Schéma struktury je schematicky znázorněno na obr. 2.
SiO2
Fe
Au
vzduch
Jako podložky byly použity podložní sklíčka o tloušťce
1.1 mm. Před depozicí byla nařezána na rozměr vhodný
pro aplikovaný elektromagnet (10 x 80 mm) a následně
očištěna v alkoholu. Po založení do komory depozičního
zařízení Leybold Heraeus Z550 bylo toto vyčerpáno na
tlak 4 x 10-4 Pa, poté čištěno 3 minuty v argonové
plazmě při tlaku 0,3 Pa při výkonu 150 W. Následovala
depozice železa při tlaku 0,2 Pa a výkonu 150W. Poté
ihned bez přerušení vakua bylo deponováno zlato při
stejném tlaku a výkonu 75W. Depozice probíhala v
oscilačním režimu u obou materiálů tak, aby při každém
průchodu pod terčem bylo naneseno přesně 0,5 nm. Při
depozici Fe/Au systému byly využity zkušenosti z
výroby rtg. optiky, kterou je nutno deponovat s
přesností 0,2 nm, aby byla funkční.
Obr. 2 Používaná sestava
Fig. 2 Used set
Materiálové charakteristiky použitých materiálů pro
vlnovou délku 632.8 nm jsou následující [12]:
sklo (SiO2)
ng =
1.4571,
Fe
Fe = -3.7347 - 19.8604i,
qFe = 0.0386+0.0034i,
Au
nAu = 0.1838 - 3.4310i,
Vzduch na = 1.
Ve výše uvedené charakteristice  značí permitivitu
příslušného materiálu a q Voigtův parametr.
Vlastnosti této optické struktury ilustruje obr. 3 pro
typické případy tlouštěk kovových vrstev. Jako výchozí
se jeví totální bezztrátová reflexe pro jednoduché
rozhraní sklo-vzduch (varianta 0/0 výchozí poměr
tloušťek železo/zlato). Dále jde o standardní SPR křivku
77
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
s ostrým rezonančním minimem (0/44). V dalších dvou
případech se již uplatňuje vliv feromagnetické složky
(zatím bez indukované anizotropie). Vzhledem k její
vysoké ztrátovosti plasmonový efekt v podstatě vymizí.
Film tvořený zlatem hraje v těchto případech roli
ochranné antioxidační vrstvy, několikanásobné zvětšení
jeho tloušťky nemá významný vliv. Výsledný efekt
představuje porušený úplný odraz (ATR – attenuated
total reflection) pro úhly dopadu větší než kritický úhel
43.34 (pro rozhraní sklo-vzduch).
Obr. 4 Měření MO-SPR vzorku č. 1
Fig. 4 MO-SPR measurements of the sample No. 1
1
0.8
0/0 nm
25/2 nm
0/44 nm
30/15 nm
0.6
Rpp
0.4
Fe/Au
0.2
0
35
40
45
50
angle of incidence [deg]
55
60
Obr. 3 Reflexní odezva pro různé kombinace tlouštěk metalických
vrstev
Fig. 3 Reflex response for different combinations of thickness of
metallic layers
Obr. 5 Měření MO-SPR vzorku č. 2
Fig. 5 MO-SPR measurements of the sample No. 2
Na základě provedené analýzy a na základě možností
výroby jsme se rozhodli pro několik tloušťkových
poměrů mezi Fe a Au vrstvami.
3. Měření
Pro měření jsme připravili tři sady vzorků. Sady se mezi
sebou liší poměry tlouštěk železa a zlata. Parametry jsou
shrnuty v tabulce 1. Výběr byl proveden na základě
technologických možností a teoretických výpočtů.
Měření jsme prováděli v intervalu úhlu dopadu 45° až
70°. Na obr. 4. až 6. je výsledek měření vzorků 1. až 3.
v magnetickém poli. Reverzace magnetického pole byla
realizována přepínáním polarity napětí budicího zdroje.
Na obrázcích je modře zobrazen jeden směr
magnetického pole a červeně je zachycen výsledek
měření při antiparalelním směru magnetického pole.
Obr. 6 Měření MO-SPR vzorku č. 3
Fig. 6 MO-SPR measurements of the sample No. 3
Tab. 1 Parametry měřených vzorků
Tab. 1 Parameters of the measured samples
Vzorek
1.
2.
3.
Fe
7 nm
12.5 nm
11 nm
Au
31.5 nm
6.5 nm
11 nm
Obr. 7 Detail měření vzorku č. 1
Fig. 7 Detail of the measurement sample No. 1
78
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
4. Závěr
Poděkování
Příspěvek byl podpořen projektem RMTVC No.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040.
Ukazuje se, že maximální citlivost MO-SPR senzoru
kriticky závisí na tloušťkách jednotlivých vrstev dané
struktury diskutovaného systému. Vliv tlouštěk
jednotlivých tenkých vrstev na magnetickou odezvu
systému (v uspořádání s transverzní magnetizací) se
standardně studuje pomocí úhlové závislosti parametru
Literatura
[1] G. ARMELLES et al., Magnetoplasmonic nanostructures: systems
supporting both plasmonic and magnetic properties, J. Opt. A: Pure
Appl. Opt. 11, 114023 (2009)
ΔRpp/Rpp = [ Rpp(M) – Rpp(0)] / Rpp(0),
[2] E. FEREIRO-VILA et al., Intertwined magneto-optical and
plasmonic effects in Ag/Co/Ag layered structures, Phys. Rev. B 80,
125132 (2009)
kde Rpp(M) a Rpp(0) jsou odrazivosti systému v případě
prvním za působení vnějšího magnetického pole,
v případě druhém bez pole.
[3] J. B. GONZÁLEZ-DÍAZ et al., Surface-magnetoplasmon nonreciprocity effects in noble-metal/ferromagnetic heterostructures,
Phys. Rev. B 76, 153402 (2007)
[4] J. PIŠTORA et al., Surface Plasmon resonance sensor with
magneto-optical structure, Opt. Applicata 40, No. 4 (2010), 883-895
Z obrázků 4 až 7 je zřejmý vliv otáčení orientace
magnetizace na intenzitu reflektovaného svazku.
Konstrukce generátoru magnetického pole umožňuje
provádět experimenty s vnějším polem až do hodnot 0.2
T. Z detailního záznamu (obr. 7) vyplývá, že změna
orientace vnějšího magnetického pole budí posuv mezi
křivkami reflexních intenzit přibližně 0.07o v intervalu
dopadajících úhlů 45 až 46 stupňů. Tato hodnota otevírá
nové možnosti při konstrukci nových typů senzorů
magnetického pole včetně senzorů vektorových.
Významným úkolem pro aplikační představy je také
stanovení dynamických parametrů uvažované senzorové
jednotky. Pro materiálový výzkum dosažené výsledky
přinášejí i zájem z druhé strany pohledu – na základě
experimentálních dat uvedeného měření specifikovat
anizotropii magneticky aktivních vrstev a výsledky
korelovat s daty, která byla dosažena klasickými
magneto-optickými měřeními [13-14].
[5] E. FEREIRO-VILA et al., Surface plasmon resonance effects in
the magneto-optical activity of Ag-Co-Ag trilayers, IEEE Trans.
Magn. 44 (2008), 3303-3306
[6] D. REGATOS et al., Au/Fe/Au multilayer transducers for
magneto-optic surface plasmon resonance sensing, J. Appl. Phys. 108,
054502 (2010)
[7] J. VLČEK, J. PIŠTORA, M. LESŇÁK, Sensitivity enhancement
in surface plasmon resonance sensors: theoretical modelling, Proc.
SPIE, Vol. 7356 (May. 18, 2009), 735622
[8] M. L. PROTOPAPA, Surface plasmon resonance of metal
nanoparticles sandwiched between dielectric layers: theoretical
modelling, Appl Opt. 48, 778-785, 2009
[9] J. Toudert, L. SIMONOT, S. CAMELIO, D. BABONNEAU,
Comments on “Surface plasmon resonance of metal nanoparticles
sandwiched between dielectric layers: theoretical modelling”, Appl.
Opt. 49, 3630-3633, 2010
[10] B. S. LUK’YANCHUK, V. TERNOVSKY, Light scattering by a
thin wire with a surface-plasmon resonance: Bifurcations of the
Pointing vector field, Phys. Rev. B 73, 235432-1–235432 -12, 2006
Maticová algebra 4x4 byla využita při interpretaci
experimentálních dat u MO SPR planárních struktur Au
– Fe včetně studia vlivu externího magnetického pole.
Výsledky ukázaly významnou shodu mezi teorií a
experimentem a potvrdily tak oprávněnost modelu.
Námi zavedený aparát maticové algebry umožňuje i
řešení situací, kdy kovová oblast pro vybuzení
plasmonové vlny není ve tvaru tenké vrstvy, ale tvoří
páskovou, případně ostrůvkovou strukturu. Tyto
struktury (zatím bez magneto-optického materiálu)
nacházejí uplatnění například v medicíně při diagnostice
tělních tekutin. Doplnění páskových (maticových)
plasmonických struktur magneto-opticky aktivní
strukturou slibují jednak zvýšení limitních citlivostí,
jednak otevírají prostor pro návrhy vektorových
senzorů.
[11] Y.-L. GENG, CH.-W. QIU, S. ZOUHDI, Full-wave analysis of
extraordinary backscattering by a layered plasmonic Nanosphere, J.
Appl. Phys. 104, 034909-1–034909-10, 2008
[12] E. D. PALIK Handbook of Optical constants of Solids. Orlando,
Florida: Academic Press, Inc., 1985. 804 p. ISBN 0-12-544420-6.
[13] K. POSTAVA, J. PIŠTORA, D. CIPRIAN, P. HLUBINA
Measurement of the magnetization in thin films using magneto-optical
effects. Proceedings of SPIE, ISSN 0277-786X,Vol. 3823, 1999, pp.
281 - 288
[14] A. LESUFFLER, M. VANWOLLEGHEM, P. GOGOL, B.
BARTENLIAN, P. BEAUVILLAIN, J. HAMRLE, L. LAGAE, J.
PIŠTORA, K. POSTAVA, Š. VIŠŇOVSKÝ, R. WIRIX-SPEETJENS
Magneto-optical parameters of Co90Fe10 and Co50Fe50
ferromagnetic thin films for 1.3 μm integrated isolator. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials 305, 2006, pp. 284-290
Recenze: doc. Ing. Vladimír Tomášek, CSc.
79
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Vyuţití vibračního magnetometru VSM ke studiu magnetických vlastností
pevných a práškových materiálů
Investigation of Magnetic Properties of Solid and Powder Materials Using
Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
Ing. Ondřej Ţivotský, Ph. D., RNDr. Ing. Aleš Hendrych, Ph.D., Bc. Ladislav Klimša, Mgr. Jaroslav Hamrle,
Ph. D., Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Hornicko-geologická fakulta
Příspěvek prezentuje výsledky získané měřením pevných a práškových magnetických materiálů pomocí vibračního
magnetometru VSM. Možnosti přístroje pro studium objemových magnetických vlastností jsou ukázány na několika
typech v současnosti frekventovaně zkoumaných materiálů. Zaměřili jsme se na Heuslerovy slitiny typu NiMnGa,
rychle ztuhlé slitiny na bázi FeSiB a nanopráškové materiály na bázi oxidů niklu (NiO). Prezentované výsledky
dobře dokumentují univerzálnost a využitelnost metody založené na vibrační magnetometrii, přičemž u
Heuslerových slitin byla takto studována zejména možnost kontroly anizotropie vlivem měnícího se gradientu
teploty. U kovových skel na bázi FeSiB byla dokumentována rozdílnost mezi objemovými a povrchovými
magnetickými vlastnostmi. Metoda VSM nedetekovala žádné výrazné rozdíly v chování hysterézních smyček u
měřených vzorků Fe80Si4B16 a Fe80Si10B10 na rozdíl od magnetooptické metody, která poukázala na výrazné rozdíly
zejména ve velikosti koercitivních polí související s povrchovou krystalizací. Z naměřených magnetických závislostí
nanoprášků na bázi oxidu niklu vyplývá jejich vysoká magnetická tvrdost. Nanočástice s vhodnými magnetickými
vlastnostmi jsou pak implementovány do matric na bázi polymeru nebo jílu a výrazným způsobem ovlivňují chování
takto vzniklého nanokompozitního materiálu.
Magnetic properties of solid and powder materials recently used in industrial applications are often investigated by
means of vibration sample magnetometer (VSM). This experimental technique is based on method, when vibration
sample, placed inside the external magnetic field generated by electromagnet, induces voltage directly proportional
to the magnetic moment m or magnetization M of the measured sample. Depicting of magnetic moment as a function
of magnetic field, time, temperature, and angle of sample rotation forms the basic characterizations of studied
materials. Different types of materials, namely NiMnGa Heusler compounds (HS), amorphous and nanocrystalline
FeSiB-based ribbons and nickel oxide (NiO) nanoparticles, are presented to demonstrate the capability of VSM. The
Heusler compounds were examined due to the possibility of anisotropy control with respect to temperature gradient.
We have shown that if the HS is heated from room temperature the structural changes are observed in the
temperature range from 65°C to 90°C. However, if the HS is first cooled down and then heated, the origin of
transformation can be shifted towards the room temperature. Further we presented how MgO substrate can affect
the VSM measurement of NiMnGa hysteresis loops. Elimination of the substrate influence is important especially
for the VSM experiments with thin films. We have confirmed that amorphous Fe80Si4B16 and surface-nanocrystalline
Fe80Si10B10 ribbons exhibit different magnetic properties from the view of volume and surface sensitive magnetic
methods. While the VSM does not detect any differences between denoted samples, according to magneto-optical
methods the shapes and magnitudes of coercive field are not similar. Results of additional micro structured
techniques are also implemented to support the fact, that the surface of Fe80Si10B10 alloy is crystallized. Lastly we
showed the magnetic characteristics of nickel oxide-based nanoparticles in terms of high magnetic hardness. Their
magnetic activity plays an important role during implementation of nickel nano-particles into the polymer or clay
matrices. Nano-composites prepared in this way are valuable for correct mechano-chemical optimization during
fabrication. The mentioned results confirm the applicability of Vibration Sample Magnetometer technique to
different types of magnetic materials.
vibrující vzorek umístěný do externího magnetického
pole generovaného elektromagnetem indukuje napětí,
které je snímáno detekčními cívkami a jehoţ velikost je
přímo úměrná magnetickému momentu m, respektive
magnetizaci M, měřeného vzorku. Vykreslení
magnetického momentu jako funkci magnetického pole,
času, teploty nebo úhlu natočení vzorku tedy tvoří
základní charakteristiky zkoumaného magnetického
materiálu.
Úvod
Vibrační magnetometr (VSM) je široce pouţívaným
experimentálním zařízením ke stanovení magnetických
vlastností nejrůznějších typů materiálů (digitální
paměťová média [1], tenké magnetické materiály [2],
magnetooptické materiály, multivrstvy, nanoprášky [3],
kapaliny, vysokoteplotní supravodiče, magneticky
měkké materiály [4]). Tato experimentální technika,
která byla vědecké veřejnosti představena v roce 1956
Simonem Fonerem [5], je zaloţena na principu, kdy
80
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Úvod - principy a moţnosti
vibračního magnetometru VSM
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
prvkového sloţení, přičemţ důleţitou roli hraje počet
valenčních elektronů ve struktuře, často vykazují
vysoké hodnoty magnetického momentu a Curieho
teplotu vyšší neţ 720°C.
měření
Zakoupený vibrační magnetometr firmy MicroSense je
tvořen základním modulem, který zahrnuje vše potřebné
pro jeho automatický provoz a skládá se z
elektromagnetu s proměnným prostorem pro vzorek s
maximálním magnetickým polem 26 000 Oe při
pokojové teplotě a mezeře mezi pólovými nadstavci
5 mm. Další jeho součástí je modul s nezbytnou
elektrotechnikou (vzduchem chlazený zdroj pro magnet,
gaussmetr, vibrátor) a chladič magnetu. Základní
technický popis magnetometru včetně nejčastěji
měřených parametrů magnetických materiálů je
přehledně shrnut v Tabulce 1. Magnetometr je dále
rozšířen o automatickou rotaci vzorku v rozsahu 400° a
systém řízení teploty umoţňující spojité ochlazování a
ohřívání vzorku v rozsahu od -170°C do 720°C. Sníţení
teploty vzorku pod 0C je realizováno pomocí par
kapalného dusíku, přičemţ vzorek je umístěn
v ochranné atmosféře plynného dusíku. Nad pokojovou
teplotou je vzorek měřen v atmosféře plynného dusíku
nebo argonu a jeho ohřev je zajištěn topným elementem.
Další výhodou magnetometru je aplikace tzv.
vektorově-citlivých detekčních cívek, které dokáţí při
jednom experimentu s velkou citlivostí stanovit
komponenty magnetického momentu v rovině vzorku,
které jsou rovnoběţné (longitudinální) a kolmé
(transverzální) na směr magnetického pole. Takto lze
jednoduše najít snadné osy a zobrazit celkový vektor
magnetizace v rovině zkoumaného materiálu. Posledním
přídavným modulem je systém pro měření magnetické
rezistence (MR), který vyuţívá spinového rozptylu
elektronů při průchodu elektrického proudu vzorkem a
umoţňuje měřit jeho odpor v závislosti na magnetickém
poli, teplotě nebo úhlu natočení. Všechna naměřená data
jsou zpracována a vyhodnocena komerčním softwarem
dodaným společně se systémem.
Tab. 1 Technické parametry vibračního magnetometru VSM
Tab. 1 Technical parameters of vibrating sample magnetometer
Maximální
magnetické pole
Rozlišení pole a
šum
Magnetický
moment
Rozměry
měřených vzorků
Teplotní měření
Měření
magnetické
rezistence
Cílem příspěvku je ukázat vyuţití přístroje VSM ke
studiu magnetických materiálů, které jsou v současné
době široce zkoumány zejména díky svým
průmyslovým aplikacím. Zaměříme se na Heuslerovy
slitiny (HS) typu NiMnGa a jejich zajímavé chování na
nízkých a vysokých teplotách, poté se podíváme na
srovnání povrchových a objemových magnetických
vlastností amorfních a nanokrystalických FeSiB pásků a
na závěr si ukáţeme magnetické vlastnosti nanoprášků
na bázi oxidu niklu (NiO).
Základní měřené
parametry
Výsledky a diskuze
26 000 Oe při mezeře 5 mm mezi
pólovými nástavci
24 000 Oe při mezeře 10 mm
mezi pólovými nástavci
Rozsah Rozlišení
Šum
(Oe)
(rms, Oe)
32 kOe
1
0,050
3,2 kOe
0,1
0,015
320 Oe
0,01
0,010
32 Oe
0,001
0,004
Dynamický rozsah
0,1 emu – 100 emu
Šum (bez středování smyček)
1 emu při mezeře 5 mm mezi
pólovými nástavci
1,5 emu při mezeře 10 mm
mezi pólovými nástavci
Omezeny pouze v jedné ose
mezerou pólových nástavců
(min. 5 mm, max. 85 mm),
ostatní rozměry neomezeny
Rozsah teplot
-170C aţ 720C, rozlišení 0,1C
Maximální magnetické pole
21 000 Oe
Rozměry vzorků
Teplotní komora má tvar válce
s vnitřním průměrem 10 mm a
výškou 50 mm
Rozsah odporů
1m aţ 1M
Rozsah teplot
-150C aţ 400C
Rozměry vzorků
Kvádr o šířce 3 mm, min. délce
10 mm a max. výšce 3 cm
Koercitivní pole, pole v nasycení,
magnetický moment v nasycení,
magnetický moment v
remanenci, relativní permeabilita,
směry snadných os, Curieho
teplota, remanentní křivky
Zkoumaná Heuslerova slitina Ni2MnGa (HS) byla
připravena ve formě 50-ti nanometrové vrstvy nanesené
na substrát MgO magnetronovým naprášením a je
vyuţívána hlavně jako materiál s tvarovou pamětí
(shape memory) [7].
A) Heuslerovy slitiny
Tyto slitiny tvoří dnes velmi důleţitou skupinu
intermetalických sloučenin [6]. Je velmi překvapivé, ţe
tyto materiály jsou povahou feromagnetické, přestoţe
jsou připraveny kombinací nemagnetických prvků jako
např. Mn, Si, In, Ga. Za hlavní výhody lze povaţovat
jejich snadnou přípravu a nízkou pořizovací cenu,
přizpůsobení dané aplikaci lze dosáhnout změnou
Na obr. 1 jsou ukázány longitudinální hysterézní
smyčky naměřené magnetometrem na Heuslerově
slitině NiMnGa při pokojové teplotě (20°C). Z
vytečkované smyčky je patrné, ţe v rozsahu
81
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
magnetických polí 0 aţ ± 2500 Oe magnetický moment
narůstá (feromagnetická oblast), zatímco při překročení
této hranice začíná zvolna klesat, coţ je typické pro
chování diamagnetických látek. VSM totiţ zkoumá
magnetické vlastnosti v celém objemu slitiny, takţe
teplotu kapalného dusíku ( -170°C) a následném
ohřátí na pokojovou teplotu je moţné posunout počátek
přeměny aţ na 30°C, strmost přechodu však zůstává
nezměněna, coţ můţe být vysvětleno vzájemným
působením mezi energií potřebnou k pohybu dvojčat a
energií magnetické rotace. Dále je z obr. 2 patrné, ţe
průběh magnetického momentu je totoţný při rostoucí i
klesající teplotě. Výraznější rozdíly jsou pozorovány
pouze při změně rychlosti ohřevu vzorku.
B) Amorfní a povrchově-krystalické FeSiB pásky
Jde o magneticky měkké materiály, které jsou
připravovány ve formě tenkých pásků planárním
nástřikem taveniny na rotující válec. Jejich magnetické
vlastnosti mohou být laděny buď vhodným poměrem
přídavných prvků nebo následným tepelným
zpracováním
při
přítomnosti
nebo
absenci
magnetického pole. V současné době jsou zkoumány
zejména díky svým povrchovým vlastnostem, kdy
kontrola vzniku nanokrystalů, jejich postupného
zvětšování a pronikání do objemu pásku umoţňuje
výrazně vylepšovat magnetickou měkkost těchto
amorfních materiálů [9].
Longitudinální hysterézní smyčky získané magnetometrem
VSM na systému Ni2MnGa (50 nm)/MgO při pokojové
teplotě.
Fig. 1 VSM longitudinal hysteresis loops of Ni2MnGa
(50 nm)/MgO system measured at room temperature.
Obr.1
detekuje nejen samotnou vrstvu Ni2MnGa, ale i její
substrát. Vliv substrátu lze však odstranit odečtením
hysterézní smyčky samotného MgO, který však musí
mít stejné rozměry jako měřený vzorek. Výsledkem je
smyčka (černá křivka na obr. 1), z níţ je vidět, ţe ani
pole 10 000 Oe nestačí k úplnému nasycení slitiny při
pokojové teplotě. Magnetický moment v nasycení se
blíţí hodnotě 4,5.10-4 emu a koercitivní pole Hc je asi
100 Oe.
Na obr. 3A, B, C jsou porovnány objemové a povrchové
magnetické vlastnosti neţíhaných Fe80Si4B16 a
Fe80Si10B10 pásků. Zatímco VSM (obr. 3A) ukazuje v
podstatě identické longitudinální smyčky s malým
koercitivním polem okolo 2 Oe, magnetooptické (MO)
smyčky (obr. 3B, C) získané na vlnové délce 670 nm
potvrzují výrazné odlišnosti na povrchu (měřeno z tzv.
"shiny" strany pásku - strana v kontaktu se vzduchem
během přípravy). Magnetooptika totiţ většinou pracuje
s viditelným světlem, které u kovů proniká do hloubky
pouze několika desítek nanometrů, na rozdíl od
objemové metody VSM.
V případě vzorku Fe80Si4B16 je MO smyčka (obr. 3B)
sloţena ze dvou podsmyček a tudíţ detekuje dvě
magneticky odlišné fáze v blízké povrchové oblasti.
Provedená XRD (rentgenová difrakce) a CEMS
(konverzní elektronová Mössbauerova spektroskopie)
analýza potvrdily ryzí amorfnost struktury a dvoufázové
chování bylo vysvětleno existencí povrchových oblastí,
kde převaţují atomy Si resp. B vázané na Fe (tzv. FeSi a
FeB klastry), s velikostmi okolo jednotek nanometrů.
Schopnost MO metod detekovat tak malé struktury
poukazuje na jejich velkou povrchovou citlivost.
Zvýšení procentuálního zastoupení křemíku ve slitině
(vzorek Fe80Si10B10) má za následek výrazné povrchové
magnetické změny, které se nejvíce projevují nárůstem
koercitivního pole (ze 4 Oe aţ na 30 Oe). Bylo
prokázáno, ţe FeSi klastry se jiţ transformovaly na
nanokrystaly o velikostech 200-500 nm, zatímco fáze
FeB zůstává amorfní ve formě klastru. Obě fáze jsou
opět patrné z naměřené MO smyčky (obr. 3C).
Teplotní závislost Heuslerovy slitiny Ni2MnGa/MgO při
konstantním magnetickém poli 2500 Oe.
Fig. 2 Temperature dependence of Ni2MnGa/MgO system
measured at magnetic field of 2500 Oe.
Obr.2
Nápadným rysem tohoto typu HS je fázová přeměna,
kdy vrstva, nacházející se při pokojové teplotě ve stavu
feromagnetického martenzitu, přechází změnou teploty
do kubického austenitu, který je paramagnetický. Obě
krystalografické struktury jsou odděleny hranicí
dvojčete [8]. Tyto hranice jsou v krystalu velmi
pohyblivé a mohou být usměrňovány např. externím
magnetickým polem. Popsané strukturní změny jsou
dobře pozorovatelné na teplotních charakteristikách
získaných z VSM, viz obr 2. Měření proběhlo v rozsahu
teplot 25°C  140°C rychlostí 2,5°C/min. při
aplikovaném konstantním poli 2500 Oe. Je vidět, ţe
zmíněná fázová transformace začíná na teplotě 65°C a
je zcela dokončena při 90°C. Našim výzkumem jsme
prokázali, ţe oblasti teplot, ve kterých dochází k
přeměně fází, a tudíţ změnám v anizotropii struktury, je
moţné kontrolovat ochlazením slitiny. Při ochlazení na
Na závěr můţeme říci, ţe ke komplexnímu studiu
magnetických vlastností těchto nanokompozitních
materiálů je potřeba kombinovat nejen magnetické
metody objemově a povrchově citlivé (velmi často se
82
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
jejich výsledky liší), ale je nutné přidat také informace o
mikrostruktuře.
saturace je dosaţena aţ při magnetickém poli o velikosti
21 000 Oe. Dalšími důleţitými sledovanými parametry
jsou hodnoty koercitivního pole (asi 180 Oe) a
magnetického momentu v saturaci (1,47.10-2 emu).
Objemová longitudinální hysterézní smyčka nanopráškového
materiálů na bázi NiO.
Fig. 4 VSM longitudinal hysteresis loop of nickel oxide-based
nanoparticles.
Obr. 4
Magnetické vlastnosti (zejména byla pozorována
citlivost na velikost magnetického momentu v saturaci)
se dají také měnit v závislosti na pouţitých
prekurzorech, které při výrobě ovlivňují podmínky
tepelně krystalizačního procesu. U oxidu niklu se jako
prekurzory často pouţívají soli jako octan nebo chlorid.
Detekované magnetické parametry pak hrají klíčovou
roli při implementaci nanočástic NiO např. do
polymerních matric [11], vylepšují tak vlastnosti těchto
nanokompozitů a poskytují zpětnou vazbu pro
optimalizaci mechanochemického procesu výroby.
Závěr
Longitudinální hysterézní smyčky naměřené objemovou
metodou VSM (A) a povrchově citlivými magnetooptickými
metodami u metalických skel Fe80Si4B16 (B) a Fe80Si10B10 (C).
Fig. 3 Longitudinal hysteresis loops measured by VSM (subplot A)
and by surface sensitive magneto-optical method (subplots B,
C - Fe80Si4B16, Fe80Si10B10).
Obr. 3
V článku jsou prezentovány výsledky měření pomocí
vibračního magnetometru VSM na třech odlišných
typech magnetických materiálů. U Heuslerových slitin
typu Ni2MnGa byla ukázána moţnost kontroly
anizotropie změnou teploty. Nevýhoda VSM spojená
s detekcí substrátu u vzorků tenkých vrstev můţe být
odstraněna odečtením smyčky samotného substrátu,
substrát však musí mít stejné rozměry jako na měřeném
vzorku. V případě amorfních Fe80Si4B16 a povrchově
nanokrystalických Fe80Si10B10 pásků je dokumentován
rozdíl mezi objemovými a povrchovými magnetickými
metodami. Zatímco objemová metoda VSM nedetekuje
výrazné rozdíly mezi vzorky, v magnetooptických
měřeních byl pozorován výrazný rozdíl ve velikosti
koercitivního pole. Doplňujícími mikrostrukturními
metodami byl tento fakt vysvětlen povrchovou
krystalizací vzorku Fe80Si10B10. Na závěr byly ukázány
magnetické charakteristiky nanočástic oxidu niklu.
Jejich magnetická aktivita hraje důleţitou roli při
implementování do nanokompozitních materiálů na bázi
polymerů a jílů.
C) Nanopráškové materiály na bázi NiO
Nanočástice oxidu niklu s velikostí zrn přibliţně 300 nm
byly připraveny mechanochemickým procesem
(kalcinace při 1000°C). Při technologických aplikacích
těchto materiálů, jako jsou anody lithiových baterií,
solární články nebo elektrochromové povlakování, se
vyuţívá jejich jedinečných elektronických, optických a
magnetických charakteristik. Zmíněná různorodost
aplikací klade nemalé nároky na procesy přípravy, které
musí být schopny zajistit dostatečnou průmyslovou
výrobu těchto materiálů s dobře definovanými
parametry jako jsou velikost částic nebo morfologie
[10].
Vyuţití MO metod k charakterizaci povrchových
vlastností těchto typů nanomateriálů není příliš vhodné.
Nanočástice by v tomto případě musely být rozptýleny v
matrici tak, aby světlo po odrazu od povrchu matrice
mělo dostatečnou intenzitu. Tuto podmínku lze v praxi
však jen velmi obtíţně dosáhnout, proto je vyuţití VSM
metody v tomto případě vhodnější. Výsledky našeho
měření jsou ukázány na obr. 4. Je patrné, ţe tento typ
oxidu patří mezi magneticky tvrdé materiály, jehoţ
Autoři by rádi poděkovali Dr. Karle Barabaszové za
přípravu nanoprášků NiO a Dr. Dušanu Janičkovičovi
za přípravu pásků na bázi FeSiB. Práce byla částečně
podpořena granty SP2011/26, P205/11/2137,
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 a MSM6198910016.
83
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
[6] HEUSLER, F., Verh. Dtsch. Phys. Ges., 12, 219, 1903.
Literatura
[7] DUNAND, D. C., MULLNER, P., Siye effect on magnetic
actuation in NiMnGa shape-memory alloys, Advanced Materials,
23(2), 216, 2011.
[1] HU, S. B., HU, B. X., Laser irradiation and its effects on heat
transfer in heat assisted magnetic recording, Review of Scientific
Instruments, 77(3), 034703, 2006.
[8] EICHHORN, T., JAKOB, G., Structural and magnetic properties
of epitaxial Ni2MnGa thin films, Materials Science Forum, 635, 155,
2010.
[2] SELVAKUMARI, T. M., EMERSON, R. N., GANESAN, S.,
Effect of organic additives on the magnetic properties of
nanocrystalline hard
magnetic films, Digest Journal Of
Nanomaterials and Biostructures, 6(1), 9, 2011.
[9] SHALYGUINA, E. E., MOLOKANOV, V. V., KOMAROVA, M.
A., MELNIKOV, B. A., SHALYGIN, A. N., Abnormal near-surface
magnetic properties of heterogeneous (amorphous/nanocrystalline)
Fe80,5Nb7B12,5 ribbons, Thin Solid Films, 505(1-2), 161, 2006.
[3] BEHVANDI, A., SHOKROLLAHI, H., CHITSAZAN, B.,
GHAFFARI, M., Magnetic and structural studies of mechanically
alloyed nanostructured Fe49Co49V2 powders, Journal of Magnetism
and Magnetic Materials, 322(24), 3932, 2010.
[10] KALIŠOVÁ, A., BARABASZOVÁ, K., Příprava a
charakterizace částic oxidů kovů pro keramické matrice, Diplomová
práce, FMMI, VŠB-TUO, 2009.
[4] ŢIVOTSKÝ, O., POSTAVA, K., KRAUS, L., JIRÁSKOVÁ, Y.,
JURASZEK, J., TEILLET, J., BARČOVÁ, K., ŠVEC, P.,
JANIČKOVIČ, D., PIŠTORA, J., Surface and bulk magnetic
properties of as-quenched FeNbB ribbons, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 320(8), 1535, 2008.
[11] ŠUPOVÁ, M., MARTYNKOVÁ, G. S., BARABASZOVÁ, K.,
Effect of nanofillers dispersion in polymer matrices: A review,
Science of Advanced Materials, 3(1), 1, 2011.
[5] FONER, S., Vibrating sample magnetometer, Review of Scientific
Instruments, 27(7), 548, 1956.
Recenze: Ing. Yvonna Jirásková, Ph.D.
_____________________________________________________________________________________________
Prognóza dodávek koksovatelného uhlí zůstává napjatá
SBB
30.5.2011
Trh s koksovatelným uhlím zůstává pravděpodobně i v dalším období nedostatkový. Sdělil to koncem
května 2011 na konferenci Steel Markets Europe ředitel analytiků Raw Materials Group.
I když u železné rudy jsou stále možnosti dalších nálezů, dodávky koksovatelného uhlí pravděpodobně
porostou pomaleji než poptávka. Ve srovnání s železnou rudou bylo pro koksovatelné uhlí ve stadiu
vývoje mnohem méně projektů. Ze 170 projektů v oblasti koksovatelného uhlí, které jsou ve výstavbě,
nebo se o ní uvažuje, se ve většině případů nejedná o nové doly, ale o rozšíření těžební stávající
kapacity. To není pravděpodobně dostatečné pro uspokojení předpokládaného růstu poptávky po oceli
v nadcházejících letech. Indická poptávka po oceli pravděpodobně začne vzrůstat a čínská poptávka asi
zůstane silná ještě nejméně dalších 5 let.
Pro ceny oceli bude mnohem důležitější koksovatelné uhlí, než železná ruda. Průměrná cena
koksovatelného uhlí na spotovém trhu vzrostla v 1. čtvrtletí 2011 téměř na 400 USD/t a ve 2. čtvrtletí
2011 nepoklesla pod 300 USD/t , z velké části kvůli povodním v Queenslandu, které přerušily produkci
koksovatelného uhlí.
Očekávalo se, že omezení dodávek bude hrát roli až v delším časovém horizontu. Poptávka po
koksovatelném uhlí vzroste asi o 114 až 400 mil. t, přičemž se předpokládá instalovat kapacitu celkem
pouze na 500 mil. t koksovatelného uhlí. V příštích 3 letech by mohlo být z této kapacity instalováno asi
270 mil. t, čímž by se zvyšovalo riziko pozdějšího nedostatku dodávek této vsázky.
LZ
84
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Možnosti hodnocení pevnostních, lomových a únavových charakteristik
kontrolních desek svarových spojů tlustých plechů
Possibilities of Evaluation of Tensile, Fracture and Fatigue Characteristics of
the Testing Plates of Weld Joints of Thick Plates
prof. Ing. Karel Matocha, CSc., Ing. Ladislav Kander, PhD., MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ
VÝZKUM s.r.o., Ostrava - Vítkovice
Mechanické vlastnosti jednotlivých oblastí svarového spoje (základní materiál, tepelně ovlivněná oblast (TOO),
svarový kov) se mohou mezi sebou významně lišit. V případě omezeného množství zkušebního materiálu je pro
hodnocení mechanických vlastností TOO svarového spoje možno použít malých standardizovaných zkušebních těles.
Pevnostní a lomové charakteristiky je možno stanovit rovněž pomocí penetračních testů. V předloženém příspěvku je
uveden příklad hodnocení mechanických vlastností TOO kontrolní desky svarového spoje lamelové pásnice o
rozměrech 400 x 90 x 55 mm pomocí penetračních testů a standardizovaných postupů na malých zkušebních
tělesech. Mez kluzu a mez pevnosti TOO byla stanovena z výsledků penetračních testů na zkušebních tělesech tvaru
disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm, kinetika růstu únavových trhlin a prahová hodnota rozkmitu faktoru
intenzity byla stanovena na zkušebních tělesech1/2 CT o tloušťce B = 4 mm a pro stanovení teplotní závislosti
lomové houževnatosti byla použita zkušební tělesa Charpy s únavovou trhlinou.
Mechanical properties of individual regions of the welded joint (parent material, heat-affected zone (HAZ), weld
metal) can differ significantly. In case of a small amount of testing material, it is possible to determine mechanical
properties of the HAZ by using small standardized test specimens. Tensile and fracture characteristics of HAZ can
be also determined using Small Punch tests. The present paper shows the example of the evaluation of mechanical
properties of HAZ of the control plate of the multi-plate welded joint 400 x 90 x 55 mm in dimensions using
penetration tests and standardized test procedures based on small test specimens. Yield stress and tensile strength of
HAZ were determined from the results of penetration tests, 1/2CT test specimens, 4 mm in thickness, were used for
evaluation of fatigue crack growth behaviour in air environment and fatigue pre-cracked Charpy test specimens
were used for determination of the temperature dependence of fracture toughness.
[4] byl k dispozici zbytek kontrolní desky o rozměrech
400x90x55mm.
1. Úvod
Mechanické vlastnosti jednotlivých oblastí svarového
spoje (základní materiál, tepelně ovlivněná oblast
(TOO), svarový kov) se mohou mezi sebou významně
lišit [1]. Pro hodnocení základních mechanických
vlastností montážních svarových spojů ocelových
konstrukcí vyrobených z tlustých plechů jsou používány
kontrolní nebo výběhové desky odříznuté po jejich
vychladnutí. U nežíhaných montážních svarových spojů
jsou pro potřeby následných výpočtů rozhodující
především pevnostní, křehkolomové a únavové
charakteristiky TOO. V případě omezeného množství
zkušebního materiálu je nezbytné použít malých
standardizovaných zkušebních těles, nebo je možno
stanovit pevnostní a lomové charakteristiky pomocí
penetračních testů [2]. V předloženém příspěvku je
uveden příklad hodnocení mechanických vlastností
TOO kontrolní desky svarového spoje lamelové pásnice
o tloušťce 90 mm. Pro stanovení meze kluzu a meze
pevnosti TOO z výsledků penetračních testů, stanovení
kinetiky růstu únavových trhlin na vzduchu dle [3] a
stanovení teplotní závislosti lomové houževnatosti dle
2. Zkušební materiál
Kontrolní deska svarového spoje byla vyrobena ze 3
plechů z oceli S355 o tloušťce 90 (1), 65 (2) a 25 mm
(3) (obr.1).
Plech o tloušťce 25 mm byl vyroben z oceli S 355J2,
plechy o tloušťce 65 mm a 90 mm z oceli S355NL.
Makrostruktura příčného řezu svarového spoje byla
vyvolána leptáním v 10% kyselině dusičné (viz obr.1).
Je zde patrná licí struktura svarového kovu, výrazná
struktura tepelně ovlivněné oblasti a základního
materiálu plechů. Celková šířka tepelně ovlivněné
oblasti svarového spoje je cca 3 mm. Mikrostruktura
hrubozrnné TOO u hranice ztavení je tvořena čistě
bainitickou strukturou, TOO jemnozrnná je tvořena
bainitem s menším množstvím feritu. Mikrostruktura
základního materiálu je řádkovitá, feriticko-perlitická
s místním výskytem zákalné složky ve středové
segregaci použitých plechů.
85
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
2
1
3
Obr. 1 Makro lept svarového spoje
Fig. 1 Macro etching of weld joint
Po zdokumentování makrostruktury svarového spoje
byla z desky vyrobena zkušební tělesa pro stanovení
teplotní závislosti lomové houževnatosti v TOO a
stanovení kinetiky růstu únavových trhlin v tepelně
ovlivněné oblasti včetně prahové hodnoty. Na obr.2 je
schematicky uvedeno umístění zkušebních těles ve
svarovém spoji.
válcová zkušební tělesa o průměru měřené části 6 mm
pro zkoušku tahem. Zkušební tělesa byla odebrána z 1/3
tloušťky plechu. Výsledky tahových zkoušek při
laboratorní teplotě jsou shrnuty v tab.I. Hodnoty
uvedené v tab.I jsou průměry ze dvou zkoušek.
Pevnostní a plastické vlastnosti stanovené zkouškou
tahem při laboratorní teplotě splňují pro všechny tři
hodnocené lamely požadavky pro ocel S355 uvedené v
[5,6].
Z každého plechu byla dále vyrobena dvě hladká
Obr. 2 Umístění zkušebních těles ve svarovém spoji
Fig. 2 Location of test specimens in the weld joint|
86
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Tab. I Výsledky zkoušek tahem při laboratorní teplotě základních materiálů sledovaného svarového spoje
Tab. I Results of tensile tests performed at laboratory temperature of basic materials of the weld joint
Označení
plechu
3
2
1
Tloušťka
plechu
25 mm
65 mm
90 mm
Re
[MPa]
435
360
339
Rm
[MPa]
612
516
494
Mez kluzu a mez pevnosti TOO montážního svarového
spoje při pokojové teplotě byla stanovena z výsledků
penetračních testů na zkušebních tělesech tvaru disku o
průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm. Postup pro stanovení
těchto materiálových charakteristik je detailně popsán v
[7,8]. V tab.II jsou uvedeny naměřené hodnoty spolu s
mezí pevnosti stanovenou z výsledků měření tvrdosti
HV10 dle ČSN EN ISO 18265.
Referenční teplota T0 stanovená víceteplotním
přístupem: T0 = 87°C. Referenční teplot T0 stanovená
z výsledků zkoušek provedených při –120 °C:
T0 = -88 °C.
Hodnota
lomové
houževnatosti
při
nejnižší
předpokládané provozní teplotě – 35 °C: Medián
KJC(med) = 218,0 MPa.m0,5.
Tab. II Meze kluzu a meze pevnosti TOO montážních svarů při
laboratorní teplotě
Tab. II Yield strengths and ultimate strengths of site welds HAZ at
laboratory temperature
Rm
[MPa]
638
Rp,0,2/Rm
0,86
Z
[%]
69
78
79
Teplota byla měřena termočlánkem přibodovaným v
blízkosti špice únavové trhliny (viz obr.3). Po ukončení
zkoušky byla u každého zkušebního tělesa změřena
délka trhliny a poté metalograficky ověřena lokalita
lomu. Pro výpočet referenční teploty T 0 byl použit čl.
10.2.2 této normy. Výsledky zkoušek jsou graficky
znázorněny na obr. 4.
3. Mez kluzu a mez pevnosti TOO
svarového spoje při laboratorní teplotě
Rp,0,2
[MPa]
551
A5
[%]
30,0
35,0
36,6
Hodnota
lomové
houževnatosti
odpovídající
pravděpodobnosti porušení 2 % KJC(0,02) = 102,1
MPa.m0,5
Rm z
HV10
648
MPa
Mez kluzu TOO svarového spoje je významně vyšší než
mez kluzu základního materiálu S355.
4. Teplotní závislost lomové houževnatosti
KJC TOO
Pro stanovení teplotní závislosti lomové houževnatosti
TOO montážního svaru byla použita zkušební tělesa
Charpy s počáteční únavovou trhlinou ( B = 10 mm, W
= 10 mm, a/W≈ 0,5) umístěnou v TOO v blízkosti linie
ztavení.
Zkoušky lomové houževnatosti byly prováděny dle
ASTM E 1921-10 [4] při teplotách -130oC a -120oC v
parách tekutého dusíku na servohydraulickém
zkušebním zařízení MTS 100kN. Rozevření vrubu bylo
v průběhu experimentu snímáno sponovým snímačem.
Obr. 3 Experimentální uspořádání zkoušek lomové houževnatosti
Fig. 3 Experimental arrangement of fracture toughness tests
87
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Obr. 4 Teplotní závislost lomové houževnatosti KJC pro TOO montážního svarového spoje
Fig. 4 Temperature dependence of fracture toughness KJC for site weld HAZ
5. Stanovení prahové hodnoty ∆Kth
a kinetiky růstu únavových trhlin
v TOO
svarové spoje odvozen vztah pro stanovení závislosti
∆Kth na asymetrii cyklu ve tvaru
Pro stanovení prahové hodnoty ∆Kth a kinetiky růstu
únavových trhlin v TOO montážních svarových spojů
byla použita zkušební tělesa ½ CT o tloušťce 4 mm.
Pro R = 0,3 dostáváme dosazením do tohoto vztahu
hodnotu ∆Kth = 4,8 MPa.m1/2, tedy hodnotu, která byla
naměřena v TOO svarového spoje. V práci [9] byla pro
výše uvedenou nízkolegovanou bainitickou ocel
naměřena při asymetrii cyklu R = 0,5 hodnota ∆Kth =
3,5 MPa.m1/2. Dosazením do rovnice (1) R = 0,5,
dostáváme hodnotu ∆Kth = 3,7 MPa.m1/2 . Rovnici (1) je
tedy možno pokládat za vhodný nástroj pro stanovení
hodnoty ∆Kth v závislosti na asymetrii cyklu R.
∆Kth = 6,4( 1 – 0,85.R) (1)
Únavové
zkoušky
byly
prováděny
na
servohydraulickém zkušebním zařízení MTS 100 kN dle
ASTM E647- 08 [3] sinusovým tvarem cyklu při
frekvenci 15 Hz. Prahová hodnota byla stanovena
metodou postupného snižování ∆K. Délky únavových
trhlin byly měřeny pomocí měřícího mikroskopu
s přesností 0,01 mm. Získané závislosti délka trhliny a –
počet cyklů N byly transformovány do závislosti da/dN
vs. ∆K.
S ohledem na velikost zkušebních těles musela být
kinetika růstu únavových trhlin měřena při nízké
asymetrii cyklu (R = 0,2 a R = 0,3). Prahová hodnota
byla stanovena při asymetrii cyklu R =0,3. Po ukončení
zkoušky bylo každé zkušební těleso dolomeno
v tekutém dusíku a metalograficky ověřena lokalita
růstu trhliny. Na obr.5 je znázorněna závislost získaná
při růstu únavových trhlin v TOO svarového spoje při
asymetrii cyklu R = 0,2 a R = 0,3.
Ze získané závislosti da/dN vs. ∆K je zřejmé, že ve
sledovaném rozsahu ∆K je kinetika růstu únavových
trhlin v TOO nezávislá na asymetrii cyklu R. V práci [9]
bylo pro nízkolegovanou bainitickou ocel s mezí na
úrovni meze kluzu TOO montážních svarových spojů
prokázáno, že v oblasti platnosti Parisova zákona da/dN
= C.( ∆K)n je kinetika růstu nezávislá na asymetrii cyklu
v rozmezí R = 0,2 ÷ 0,7. Asymetrie cyklu R však
významně ovlivňuje prahovou hodnotu ∆Kth. Pro TOO
montážního svarového spoje byla při R = 0,3 naměřena
hodnota ∆Kth = 5 MPa.m1/2. V práci [11] byla pro
konstrukční oceli používané pro stavbu mostů a jejich
Obr. 5 Kinetika růstu únavových trhlin v TOO montážního
svarového spoje při asymetrii cyklu R = 0,2 a R = 0,3
Fig. 5 Kinetics of fatigue cracks growth in site weld HAZ at cycle
asymmetry R = 0.2 and R = 0.3
6. Závěr
Na základě prezentovaných výsledků je možno
konstatovat, že i v případě omezeného množství
zkušebního materiálu je možno při vhodně zvolených
zkušebních metodách a postupech stanovit pevnostní,
88
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Zkušebnictví, měřictví, laboratorní metody
Testing, Measurement, Laboratory Methods
nelegované konstrukční oceli. Český normalizační institut,
září 2005.
únavové a lomové charakteristiky TOO svarových spojů
tlustých plechů.
Poděkování
Tato práce vznikla při řešení projektu č.
CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově
technologické výzkumné centrum“, v rámci Operační
programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného
ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR.
Literatura
[1]
MATOCHA, K., PURMENSKÝ,J.: Testing of the Exploited
Weld Joints of Steel Structures, METALLURGICAL
JOURNAL No.2/2010, Vol.LXIII, pp.51-56. ISSN 00188069.
[2]
Small Punch Test Method for Metallic Materials. CEN
WORKSHOP AGREEMENT CWA 15627, December 2007.
[3]
ASTM E647-08 Standard Test Method for Measurement of
Fatigue Crack Growth Rates. Annual Book of ASTM
Standards 2010, Vol. 03.01 Metals-Mechanical Testing;
Elevated and Low-temperature Tests; Metallography, p.689.
[4]
ASTM E 1921-10 Standard Test Method for Determination of
Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the
Transition Range. Annual Book of ASTM Standards 2010,
Vol. 03.01 Metals-Mechanical Testing; Elevated and Lowtemperature Tests; Metallography, p.1195.
[5]
[6]
ČSN EN 10025-3 Výrobky válcované za tepla
z konstrukčních ocelí- Část 3: technické dodací podmínky pro
normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné
jemnozrnné konstrukční oceli. Český normalizační institut,
září 2005.
[7]
MATOCHA, K.: Hodnocení mechanických vlastností
konstrukčních ocelí pomocí penetračních testů. Monografie,
vydala VŠB TU-Ostrava v roce 2010, ISBN 978-80-2482223-5.
[8]
MATOCHA,K., PURMENSKÝ, J.:Testování provozovaných
svarových spojů ocelových konstrukcí. Hutnické listy
č.2/2010, roč.LXIII, s. 51-56, ISSN 0018-8069.
[9]
MATOCHA,K.: Stanovení citlivosti oceli 10GN2MFA
k šíření únavových trhlin ve vodním prostředí při
stacionárním provozu PG. Závěrečná zpráva etapy 3.3.6
úkolu „Průkaz bezpečnosti a dlouhodobé životnosti PG a KO
VVER 1000/320 JE Temelín.
[10]
BARSOM, J. M.: Fatigue Consideration for Steel Bridges.
Fatigue Crack Growth Measurement and Data Analysis.
ASTM STP 738. S.J. Hudak, Jr., and R.J. Bucci, Eds.,
American Society for Testing and Materials, 1981, pp. 300318.
Recenze: prof. Ing. Zdeněk Jonšta, CSc.
prof. Ing. Jaroslav Purmenský, DrSc.
ČSN EN 10025-2 Výrobky válcované za tepla
z konstrukčních ocelí- Část 2: technické dodací podmínky pro
____________________________________________________________________________________________
OKD vidí i kvůli problémům s jádrem šanci k dalšímu dobývání černého uhlí
denik.cz, ČTK
22.5.2011
Největší tuzemská černouhelná společnost OKD vidí kvůli současným problémům s jadernou energetikou
po havárii atomové elektrárny v Japonsku velkou perspektivu v další těžbě uhlí. Podle firmy bude uhlí
nadále důležitou součástí energetického mixu. Pokud bude vývoj ceny uhlí příznivý, OKD je připraveno
rozšířit těžbu. Uhlí se navíc na Karvinsku může těžit daleko déle než nyní plánovaných dvacet let.
OKD ročně vytěží zhruba 11 mil. t uhlí. Přitom geologické zásoby jsou v moravskoslezských dolech 4
mld. t. Z nich je 567 mil. t vytěžitelných pomocí současných technologií. Nyní má OKD zpracován plán
těžby na dvacet let. Již nyní si Evropa podle OKD začíná uvědomovat své chyby v oblasti energetiky,
například mimořádnou a systémově nepromyšlenou podporu obnovitelných zdrojů. Podobně zřejmě
časem pomine současná hysterie kolem jaderných elektráren.
Černé uhlí se podle OKD jeví jako stabilní komodita, při těžbě nehrozí ekologické havárie a jeho těžba
není závislá na nestabilních politických poměrech v rozvojových zemích jako například těžba ropy. Proto
uhlí zůstane součástí energetického mixu i těžko nahraditelnou surovinou při výrobě oceli. Pokud bude
uhlí potřebné a jeho cena pokryje náklady na výzkum modernějších těžebních technologií, které umožní
například těžbu ve větších hloubkách, může se firma dostat k dalším zásobám. Na severu Moravy v ve
Slezsku se těží uhlí už zhruba dvě stě let a podle OKD je možné, že těžba bude ještě stejně dlouhou
dobu pokračovat. Další vývoj záleží zejména na cenách uhlí a vědeckotechnickém rozvoji.
OKD těží ve čtyřech dolech na Karvinsku a Frýdecko-Místecku. V Evropě je jednou z pětice největších
společností podle objemu těžby. Klíčovými zákazníky jsou zejména ocelárny a energetické společnosti ve
středoevropském regionu – tuzemský ČEZ, Dalkia, ArcelorMittal, rakouský Voestalpine nebo US Steel
Košice. Má 13 700 zaměstnanců.
SB
89
Ekonomika, organizace, řízení
Economy, Organization, Management
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
ekonomika,
organizace, řízení
_____________________________________________________________________________________________
Aplikace principů štíhlé výroby a filosofie Kaizen v hutních procesech
Application of the Lean Manufacturing Principles and of the Kaizen
Philosophy in Metallurgical Processes
Ing. Petr Besta, Ph.D., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového
inženýrství, Ing. Bc. Jindřich Haverland, Magistrát města Ostravy, Ing. Kamila Janovská, Ph.D., Vysoká škola
báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství
Celosvětová ekonomická krize zásadním způsobem ovlivnila výrobu železa a oceli. Dramatický nárůst cen všech
energetických zdrojů znamenal zásadní zásah do nákladových složek výrobních procesů. Vysokopecní pochod patří
mezi nejnáročnější výrobní procesy. Velké požadavky klade jak na vstupní suroviny, regulaci průběhu procesu, ale
také na množství využité lidské kapacity pro zajištění efektivního průběhu. Neustálý nárůst cen všech vstupních
surovin nutí také hutní podniky ke zvyšování efektivity celého procesu. Zvyšování konkurenceschopnosti výrobního
systému lze realizovat řadou moderních přístupů. Koncept štíhlé výroby byl nejprve aplikován v oblasti hromadné
produkce osobních automobilů. Jeho univerzálnost a efektivnost však znamenala rozšíření do dalších oblastí
průmyslu. Využití konceptu štíhlé výroby může v oblasti hutního průmyslu přinést značné úspory, které pomohou
podnikům kompenzovat rostoucí ceny surovin. Štíhlá výroba využívá řadu technik, které se snaží především o
odstranění všech potenciálních zdrojů plýtvání. Mezi nejuniverzálnější patří filosofie Kaizen, která je zaměřena na
neustálé zlepšování.
Global economic crisis has significantly affected the production of iron and steel. The large increase in prices of all
energy sources brought radical intervention in the cost elements of production processes. Blast-furnace procedure
belongs to the most demanding manufacturing processes. It poses great requirements on the input raw materials,
process regulation, as well as on the utilized volume of human capacity ensuring the process is running efficiently.
Continuous increase of prices of all input materials forces the metallurgical companies to increase the efficiency of
the entire process. The competitive power of the manufacturing system can be realized using a number of modern
approaches. Initially, the lean manufacturing concept was applied in mass production of automobiles. However, its
versatility and efficiency meant it has expanded to other industrial branches. Utilization of lean manufacturing
concept can bring significant savings in the metallurgical industry branch, which will help the companies to
compensate for the increasing prices of raw-materials. The lean manufacturing uses a variety of techniques, which
primarily aim to eliminate all potential resources of waste. The Kaizen philosophy, which is focused on continuous
improvement, is one of the most versatile techniques. The Kaizen sees the improvement as a continuous process,
which concerns all employees. The effort associated with change of minds of the employees is the main aim of this
philosophy. It is not a short-term process, but it is a long-term development of creative and innovative thinking.
Improvement within the scope of Kaizen is seen as continuous process consisting of small steps. Small changes can
be found and realized in every sphere, in every department, and they aim at improving the current situation. The
effort to do things in a better way is the main driving power of the Kaizen strategy. The scheme of continuous
improvement by means of small steps is basically the opposite of improvements achieved by large investments and
costly projects. These processes formulated in reengineering philosophy are typical for western approach to
improvement. Continuous improvement processes, with regards to their universal character, may be applied in all
industrial branches. It does not require demanding and expensive changes, but rather tiny improvements, which can
be found in metallurgical and foundry industry as well.
90
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Ekonomika, organizace, řízení
Economy, Organization, Management
provozní náklady. Jsou-li její ceny nebo její provozní
náklady příliš vysoké, může organizace ztratit podíl na
trhu nebo zisky. Aby štíhlý podnik snížil své celkové
náklady, musí eliminovat ztráty a redukovat doby
potřebné k realizaci.
1. Koncept štíhlé výroby
Výroba železa a oceli patří mezi nejnáročnější výrobní
postupy. Složitost je dána především technologickou
náročností, ale také množstvím potřebných vstupních
materiálů. Stejně jako u dalších navazujících výrobních
odvětví jako jsou: tvářecí procesy, slévárenství, a
strojnictví je kladen v současné době velký důraz na
ekonomickou stránku výrobních procesů. Často dochází
k aplikaci metod a postupů, které se osvědčily v jiných
oblastech. Jedním z příkladů může být využití konceptu
štíhlé výroby, která byla s úspěchem aplikována
především v oblasti automobilového průmyslu. Hutní
výroba, která má spojitý charakter, má však zcela
odlišné specifika než výrobní procesy v automobilovém
průmyslu.
2. Kaizen a štíhlá výroba
Kaizen znamená kontinuální zlepšování v rámci všech
podnikových úrovní. Při aplikaci ve výrobní společnosti
znamená Kaizen kontinuální zlepšování postihující
každého - od manažerů po řadové zaměstnance [1].
Zlepšení je v intencích Kaizenu vnímáno jako neustálý
proces, stávající se z drobných kroků. V každé oblasti,
na každém úseku, lze neustále hledat a provádět drobné
změny, které povedou ke zlepšení současného stavu.
Jedná se tedy o sekvence malých, ale neustálých
zlepšení, které budou realizovány kontinuálně v rámci
všech podnikových procesů. Schéma neustálého
zlepšování pomocí drobných kroků je v podstatě
protikladem
ke
zlepšením,
realizovaným
prostřednictvím velkých investic a nákladných projektů.
Tyto procesy jsou základem filosofie reengineeringu.
Zavedení principů Kaizen nevyžaduje žádné speciální
techniky, ale využívá osvědčené metody, které jsou
známé a v řadě případů používané dlouhou dobu:
orientace na zákazníky, absolutní kontrola kvality,
automatizace procesů, kroužky kontroly kvality, systém
zlepšovacích návrhů, disciplína na pracovišti, just – in –
time, hnutí nulových vad, vývoj nových produktů.
Štíhlá výroba neznamená samoúčelné redukování
nákladů. Jde především o maximalizaci přidané hodnoty
pro zákazníka [3]. Zeštíhlování je cesta k tomu, aby
podnik vyráběl více, měl nižší režijní náklady,
efektivněji využíval své plochy a výrobní zdroje. Štíhlá
výroba by měla vést především k eliminaci
následujících forem plýtvání:
- nadvýroba
- zbytečná práce (činnosti nad rámec definované
specifikace)
- zbytečný pohyb (pohyb který nepřidává
hodnotu)
- zásoby (množství které přesahují potřebné
minimum na splnění výrobních úkolů)
- čekání (na součástky, materiál, informace,
nebo skončení strojového cyklu)
- opravování (snižování nekvality)
- doprava (každá nadbytečná doprava
a manipulace)
- nevyužité schopnosti pracovníků [5]
Kaizen je stěžejním prvkem konceptu štíhlé výroby
především pro identifikaci toho co pro výrobní podnik
představuje hodnotu a plýtvání [2]. Věci, které
nepřinášejí podniku pozitivní efekt, znamenají nebo
v budoucnu mohu znamenat potenciální zdroj plýtvání.
Hlavní příčiny plýtvání lze obecně rozdělit do třech
základních kategorií: Muda – ztráta, neužitečnost; Mura
– nepravidelný, nestejný; Muri – nepřiměřený, napnutý.
Ve výrobních podnicích můžeme identifikovat tyto
potenciální zdroje plýtvání: nepotřebné výrobní procesy,
vysoké zásoby, špatně organizované pracoviště, výroba
nejakostní produkce.
Chce-li výrobní podnik eliminovat možné plýtvání v
rámci podnikových procesů, je nutné je především
správně identifikovat a měřit. V obecné rovině lze
chápat štíhlou výrobu jako filosofii, která usiluje o
zkrácení času mezi zákazníkem a dodavatelem,
prostřednictvím odstranění plýtvání v řetězci nebo mezi
nimi.
Implementace filosofie Kaizen v rámci výrobních
podniků v České republice je založena na čtyřech
důležitých předpokladech. Mezi klíčové pak patří
především motivovat zaměstnance k tvořivému myšlení,
které odhaluje potenciální zdroje plýtvání. Vzhledem
k tomu je důležité podporovat ve výrobní organizaci
vzdělávání pracovníků a jejich motivaci, správně
nastavit cíle celého procesu implementace a především
budovat aktivní úroveň komunikace napříč celou
hierarchií firmy.
Mezi základní nástroje štíhlé výroby lze zařadit tyto
techniky a metody: Kaizen, TPM, štíhlé pracoviště,
Kanban,
týmová
práce,
procesy
kvality
a
standardizované postupy, management toku hodnot [7].
Počáteční kroky k zeštíhlení procesů mají tyto čtyři
hlavní cíle: zlepšení kvality, eliminace ztrát, zkrácení
doby realizace výroby, snížení celkových nákladů.
Ztráta znamená v podniku jakoukoli činnost, která
vyžaduje čas, zdroje nebo prostor, avšak nepřináší
hodnotu výrobku nebo celému výrobnímu procesu.
Některé činnosti jako je například přemísťování
materiálů v průběhu výroby, jsou nezbytné, ale
nepřidávají hodnotu. Celkovými náklady jsou přímé i
nepřímé, náklady související s výrobou výrobku nebo
s přípravou služby. Aby organizace byla úspěšná, musí
neustále porovnávat ceny svých výrobků a služeb a své
V konečném důsledku je Kaizen založen na dvoustranné
orientaci, kdy je maximální pozornost věnována
zákazníkům a také zaměstnancům společnosti, jak
ukazuje obr.1. V našich podmínkách se ukazuje jako
nejefektivnější, začít neustálé zlepšování v oblasti
odstraňování plýtvání. Proto tento prvek tvoří základnu
pyramidy, na jejímž vrcholu stojí právě Kaizen.
91
Ekonomika, organizace, řízení
Economy, Organization, Management
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Čtyři oblasti důležité pro úspěšnou implementaci
filosofie Kaizen v rámci štíhlé výroby jsou:
1.
2.
3.
4.
Při implementaci filosofie Kaizen v rámci konceptu
štíhlé výroby je vhodné začít s využíváním systému
dobrého hospodaření - 5S. Tato technika se orientuje
především na pořádek a preventivní činnosti na
pracovišti. Její aplikace je nenáročná z hlediska
organizačního i nároků na další vzdělání pracovníků.
Komunikace – Neefektivní komunikační
procesy brzdí nebo dokonce znemožňují
úspěšný průběh procesů neustálého zlepšování.
Podcenění této oblasti může mít pro společnost
snažící se o implementaci Kaizenu negativní
důsledky.
Cíle – Jednoznačně a transparentně definované
cíle na všech stupních řízení umožňují
nastolení „viditelného managementu“.
Motivace – Klíčovým faktorem je to, aby
zaměstnanci měli sami zájem se podílet na
procesu neustálého zlepšování.
Vzdělávání – Jako hlavní nástroj rozvoje a
zdokonalování zaměstnanců a celé společnosti.
3. Metoda 5S
5S se vztahuje k počátečnímu písmenu pěti japonských
slov, která popisují správné hospodaření. Nepřítomnost
5S znamená plýtvání, nevýkonnost, nedostatek
sebedisciplíny, nízkou pracovní morálku, špatnou
kvalitu, vysoké náklady a neschopnost plnit dodávky
[4]. Pět kroků dobrého hospodaření: Seiri (roztřídit),
Seiton
(srovnat),
Seiso
(vyčistit),
Seiketsu
(systematizovat), Shitsuke (standardizovat). Systém 5S
se týká především pořádku a disciplíny na pracovišti.
Důležité je optimalizovat počet položek na pracovišti a
vyřadit ty, které pracovníci dlouhodobě nepoužívají.
Systém 5S se také týká organizace pracovního prostoru
a jeho označení. Obr. 2 ukazuje označení pracovních
ploch v podniku zabývajícím se tvářením a těžkým
strojírenstvím. V hutním průmyslu lze vidět největší
uplatnění v kontrole a dodržování pořádku na pracovišti,
ale také v oblasti budování zásad bezpečnosti práce a
jejího zajištění. Tvářecí, slévárenské a strojní podniky
mohou vzhledem k velkému počtu pracovních nástrojů
nutných pro realizaci pracovních činností využít tento
systém pro jejich lepší správu a údržbu. Systém 5S
může v těchto organizacích výrazným způsobem zvýšit
efektivitu oprav a systémů údržby.
Kaizen je jako systém podmíněn spoluúčastí nejširšího
spektra zaměstnanců podniku. Toto je možné jen
v případech efektivního fungování komunikace ve
společnosti [6]. Jak ve smyslu interpersonální
komunikace, tak komunikace veřejné. Aby toto bylo
umožněno, je nutné rovněž nastavit systém „viditelného
managementu“, kdy budou zaměstnanci o dění
v podniku jednoznačně a přesně informováni. Efektivní
komunikace není jen nutným předpokladem pro
využívání principů neustálého zlepšování, ale obecně
usnadňuje a urychluje všechny firemní procesy. V rámci
rozvoje komunikace je pak nutné především podporovat
všechny její vertikální formy.
Obr. 1 Předpoklady pro zavádění filosofie Kaizen v rámci štíhlé výroby
Fig. 1 Prerequisites for implementation of the Kaizen philosophy into the lean manufacturing
Principy dobrého hospodaření 5S lze aplikovat ve všech
výrobních odvětvích. Tato metoda výrazným způsobem
přispívá k redukci potenciálních zdrojů plýtvání. Mezi
nejčastěji očekávané přínosy lze zařadit především:
- vytvoření čistého a bezpečného pracovního prostředí
- zlepšení pracovní morálky a motivace zaměstnanců
- odstranění různých druhů plýtvání díky lepšímu
přístupu k nástrojům a nářadím
- změna postojů pracovníků k pracovištím a strojům
- vytvoření organizovaného pracoviště
- zlepšení pracovní morálky, lepší disciplína pracovníků
- redukce zdržování a ztrát, zvýšení produktivity
ve výrobním procesu
- redukce omylů a chyb
- vyšší kvalita
- lepší kontrola procesů
- ovlivnění a upoutání zájmu zákazníka
- budování spolehlivé konkurenceschopné firmy
92
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ISSN 0018-8069
Ekonomika, organizace, řízení
Economy, Organization, Management
- zavedení systematické prevence pracovních úrazů
Například v oblasti těžkého strojírenství můžou být
v rámci zavádění konceptu 5S posouzena jednotlivá
zařízení podle těchto kritérií:
- vytíženost
- funkčnost
- prováděné operace
- technický stav
Systém dobrého hospodaření ve své podstatě souvisí s
konceptem údržby. Největší uplatnění nachází
v procesech, kde je využívána preventivní údržba.
V těchto systémech je možné drobnými zásahy neustále
zlepšovat současný stav.
V rámci implementace pěti kroků dobrého hospodaření
může dojít také k zásadní změně v uspořádání
výrobních zařízení. V prvních etapách systému 5S
mohou být mimo nepotřebných nástrojů také odstraněna
přebytečná nebo nepoužívaná výrobní zařízení.
Na základě této analýzy pak dochází k vyřazování nebo
přemísťování strojů. Často se zjišťuje, že řada zařízení
je využívána spíše nepravidelně a některé činnosti
prováděné na těchto zařízeních mohou převzít jiné
stroje. Tyto stroje jsou poté z výrobní plochy odstraněny
a může dojít k celkové změně uspořádání výrobních
agregátů. Příklad změny ukazuje obr. 3, kdy původní
technologické uspořádání výroby, bylo nahrazeno
výrobkovým. Tmavě označené výrobní buňky (stroje)
jsou vyřazená zařízení
Barevné
označení
pracovních
ploch
4. Závěr
Štíhlá výroba a filosofie Kaizen jsou koncepty, které je
možné aplikovat v řadě průmyslových oblastí. Neustále
rostoucí výrobní náklady budou nutit hutní podniky
využívat tyto metody. Odstraňování činností a procesů,
které nepřinášejí podniku ekonomický efekt, bude stále
naléhavější. V rámci implementace filosofie Kaizen je
možné celý proces nastartovat zavedením systému
dobrého hospodaření 5S, který je možné provázat
s využívaným systémem údržby. Hutní podniky v rámci
České republiky navíc již delší dobu zvažují využívání
externích služeb pro zajištění svých systémů údržby.
Spojitý charakter výrobního procesu a jeho
technologická náročnost však budou vyžadovat změnu
systému údržby v několika etapách. Zároveň bude vždy
nutné zohlednit v konečném řešení konkrétní specifika
daného výrobního podniku.
Obr. 2 Barevné označení pracovních prostor
Fig. 2 Colour coding of workplaces
Poděkování
Práce vznikla za podpory specifického univerzitního
výzkumu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy
České republiky č. SP2011/27.
Literatura
[1] BESTA, P. Aplikace principů Kaizen v průmyslových podnicích
České republiky. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická
univerzita Ostrava, 2007.
[2] BESTA, P.; Lenort, R. Kaizen – Right Management.
Contemporary Economics, 2008, no. 4, s. 99-106, ISSN 18979254.
[3] HIRNEISEN, J. S. Lean manufacturing: principles, practices and
application. Bucknell University, 2002.
[4] IMAI, M. Gemba Kaizen. Brno: Computer Press, a.s., 2005.
[5] KOŠTURIAK, J.; FROLÍK, Z. Štíhlý a inovativní podnik. Praha:
Alfa Publishing, s.r.o., 2006.
Obr. 3 Technologické a výrobkové uspořádání výrobních prostor
Fig. 3 Technological and product layout of production areas
[6] PERINIC, M.; IKONNIC, M.; MARICIC, D. Die casting process
assessment using single minute exchange of dies (SMED) metod.
Metalurgija. 2009, Vol. 48, No. 3, pp. 199-202.
V rámci implementace pěti kroků dobrého hospodaření
může dojít také k zásadní změně v uspořádání
výrobních zařízení. V prvních etapách systému 5S
mohou být mimo nepotřebných nástrojů také odstraněny
přebytečné nebo nepoužívané výrobní zařízení.
[7] WILSON, L. How to Implement Lean Manufacturing. McGraw
Hill Professional, 2009.
Recenze: Ing. Jaroslav Bazala, Ph.D.
doc. Ing. Stanislav Ptáček, CSc.
93
Zprávy HŽ, a.s.
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
hutní výroba v ČR a SR
_____________________________________________________________________________________________
Porovnání měsíčních a postupných hutních výrob roku 2011 s rokem 2010
únor
2011
Výroba *)
Výroba
Index
březen leden-březen
únor
2011
2011
2010
2011/10
tis.t
tis.t
%
KOKS
CELKEM
262,23
295,75
836,60
z toho (HŽ) ČR
136,08
157,44
430,05
(HŽ) SR
126,15
138,30
406,55
AGLOMERÁT
CELKEM
578,51
650,76
1856,54
z toho ČR
352,61
423,96
1173,44
SR
225,90
226,80
683,10
SUROVÉ ŽELEZO
CELKEM
616,38
679,73
1989,88
z toho ČR
328,15
360,84
1057,15
SR
288,24
318,89
932,72
SUROVÁ OCEL
CELKEM
804,73
881,65
2606,73
z toho ČR
442,89
483,32
1421,98
SR
361,84
398,33
1184,75
KONTISLITKY
CELKEM
757,89
826,41
2456,32
z toho ČR
397,10
429,12
1274,72
SR
360,79
397,28
1181,60
BLOKOVNY
CELKEM
45,23
52,71
152,14
z toho ČR
45,23
52,71
152,14
SR
0,00
0,00
0,00
VÁLCOVANÝ MATERIÁL
CELKEM
730,50
828,81
2408,61
z toho ČR
433,24
461,20
1372,15
SR
297,26
367,61
1036,46
TRUBKY
CELKEM
66,19
73,30
205,62
z toho ČR
46,09
50,83
141,11
SR
20,09
22,47
64,51
TAŽENÁ, LOUPANÁ, BROUŠENÁ OCEL
CELKEM= (HŽ)ČR 12,83
13,81
40,39
STUDENÁ PÁSKA KLASICKÁ
CELKEM= (HŽ)ČR
3,28
3,81
10,05
POZNÁMKA: *) Za poslední měsíc jsou údaje předběžné
Zpracoval: Hutnictví železa, a.s. - ing. Vala
Výroba
Index
březen
2010
2011/10
tis.t
%
Výroba
Index
leden-březen
2010
2011/10
tis.t
%
247,97
118,67
129,30
105,75
114,67
97,56
270,52
127,99
142,53
109,33
123,02
97,03
787,66
372,27
415,39
106,21
115,52
97,87
586,13
378,43
207,70
98,70
93,18
108,76
648,92
429,22
219,70
100,28
98,77
103,23
1765,79
1158,39
607,40
105,14
101,30
112,46
611,68
318,01
293,67
100,77
103,19
98,15
717,76
363,68
354,09
94,70
99,22
90,06
1915,38
1001,11
914,27
103,89
105,60
102,02
784,48
419,12
365,36
102,58
105,67
99,04
931,43
489,25
442,18
94,66
98,79
90,08
2467,79
1320,10
1147,68
105,63
107,72
103,23
742,69
378,33
364,36
102,05
104,96
99,02
882,12
440,94
441,18
93,68
97,32
90,05
2336,69
1192,01
1144,68
105,12
106,94
103,22
49,18
49,18
0,00
91,97
91,97
0,00
51,29
51,29
0,00
102,77
102,77
0,00
149,56
149,56
0,00
101,73
101,73
0,00
726,80
401,56
325,24
100,51
107,89
91,40
842,87
454,16
388,71
98,33
101,55
94,57
2367,66
1303,12
1064,54
101,73
105,30
97,36
59,27
39,73
19,54
111,67
116,02
102,81
65,51
45,76
19,75
111,90
111,08
113,80
176,13
121,84
54,29
116,74
115,82
118,81
10,03
127,90
10,97
125,87
32,41
124,62
2,24
146,71
2,14
177,82
6,46
155,62
94
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Zprávy HŽ, a.s.
Porovnání měsíčních a postupných hutních výrob roku 2011 s rokem 2010
březen
2011
Výroba *)
duben leden-duben
2011
2011
tis.t
KOKS
CELKEM
295,75
291,19
1127,79
z toho (HŽ) ČR
157,44
156,04
586,09
(HŽ) SR
138,30
135,15
541,70
AGLOMERÁT
CELKEM
650,76
618,63
2475,17
z toho ČR
423,96
413,43
1586,87
SR
226,80
205,20
888,30
SUROVÉ ŽELEZO
CELKEM
679,73
622,01
2611,89
z toho ČR
360,84
338,55
1395,70
SR
318,89
283,46
1216,19
SUROVÁ OCEL
CELKEM
881,65
811,36
3418,09
z toho ČR
483,32
461,01
1882,99
SR
398,33
350,35
1535,10
KONTISLITKY
CELKEM
826,41
757,09
3213,41
z toho ČR
429,12
407,79
1682,52
SR
397,28
349,30
1530,90
BLOKOVNY
CELKEM
52,71
46,74
198,88
z toho ČR
52,71
46,74
198,88
SR
0,00
0,00
0,00
VÁLCOVANÝ MATERIÁL
CELKEM
832,22
696,18
3113,71
z toho ČR
464,61
415,17
1796,25
SR
367,61
281,01
1317,47
TRUBKY
CELKEM
73,21
56,72
261,13
z toho ČR
50,74
44,60
184,50
SR
22,47
12,13
76,63
TAŽENÁ, LOUPANÁ, BROUŠENÁ OCEL
CELKEM= (HŽ)ČR 13,81
12,92
53,31
STUDENÁ PÁSKA KLASICKÁ
CELKEM= (HŽ)ČR
3,81
3,02
13,07
POZNÁMKA: *) Za poslední měsíc jsou údaje předběžné
Zpracoval: Hutnictví železa, a.s. - ing. Vala
Výroba
Index
březen
2010
2011/10
tis.t
%
Výroba
Index
duben
2010
2011/10
tis.t
%
Výroba
Index
leden-duben
2010
2011/10
tis.t
%
270,52
127,99
142,53
109,33
123,02
97,03
262,22
128,75
133,47
111,05
121,20
101,26
1049,88
501,02
548,86
107,42
116,98
98,70
648,92
429,22
219,70
100,28
98,77
103,23
616,03
417,93
198,10
100,42
98,92
103,58
2381,82
1576,32
805,50
103,92
100,67
110,28
717,76
363,68
354,09
94,70
99,22
90,06
690,33
351,96
338,37
90,10
96,19
83,77
2605,71
1353,07
1252,64
100,24
103,15
97,09
931,43
489,25
442,18
94,66
98,79
90,08
906,60
475,90
430,70
89,49
96,87
81,34
3374,39
1796,00
1578,38
101,30
104,84
97,26
882,12
440,94
441,18
93,68
97,32
90,05
860,77
431,07
429,70
87,96
94,60
81,29
3197,47
1623,08
1574,38
100,50
103,66
97,24
51,29
51,29
0,00
102,77
102,77
0,00
48,36
48,36
0,00
96,65
96,65
0,00
197,93
197,93
0,00
100,48
100,48
0,00
842,87
454,16
388,71
98,74
102,30
94,57
852,58
457,27
395,31
81,66
90,79
71,09
3220,25
1760,39
1459,85
96,69
102,04
90,25
65,51
45,76
19,75
111,77
110,89
113,80
62,83
41,68
21,15
90,28
107,01
57,33
238,96
163,51
75,44
109,28
112,84
101,57
10,97
125,87
10,71
120,68
43,12
123,64
2,14
177,82
2,49
120,93
8,95
145,96
95
Zprávy HŽ, a.s.
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Porovnání měsíčních a postupných hutních výrob roku 2011 s rokem 2010
duben
2011
Výroba *)
Výroba
Index
květen leden-květen
duben
2011
2011
2010
2011/10
tis.t
tis.t
%
KOKS
CELKEM
291,19
293,13
1420,91
z toho (HŽ) ČR
156,04
160,56
746,65
(HŽ) SR
135,15
132,57
674,27
AGLOMERÁT
CELKEM
618,63
665,30
3140,47
z toho ČR
413,43
436,10
2022,97
SR
205,20
229,20
1117,50
SUROVÉ ŽELEZO
CELKEM
622,01
625,25
3237,14
z toho ČR
338,55
371,22
1766,92
SR
283,46
254,03
1470,22
SUROVÁ OCEL
CELKEM
811,36
833,08
4251,17
z toho ČR
461,01
508,22
2391,21
SR
350,35
324,86
1859,96
KONTISLITKY
CELKEM
757,09
780,70
3994,12
z toho ČR
407,79
456,89
2139,41
SR
349,30
323,81
1854,71
BLOKOVNY
CELKEM
46,74
50,28
249,17
z toho ČR
46,74
50,28
249,17
SR
0,00
0,00
0,00
VÁLCOVANÝ MATERIÁL
CELKEM
695,81
714,20
3827,54
z toho ČR
414,80
438,92
2234,80
SR
281,01
275,28
1592,74
TRUBKY
CELKEM
56,76
71,47
332,64
z toho ČR
44,64
48,63
233,17
SR
12,13
22,84
99,47
TAŽENÁ, LOUPANÁ, BROUŠENÁ OCEL
CELKEM= (HŽ)ČR 12,92
13,16
66,47
STUDENÁ PÁSKA KLASICKÁ
CELKEM= (HŽ)ČR
3,02
2,91
15,98
POZNÁMKA: *) Za poslední měsíc jsou údaje předběžné
Zpracoval: Hutnictví železa, a.s. - ing. Vala
Výroba
Index
květen
2010
2011/10
tis.t
%
Výroba
Index
leden-květen
2010
2011/10
tis.t
%
262,22
128,75
133,47
111,05
121,20
101,26
275,64
131,27
144,38
106,34
122,32
91,82
1325,52
632,29
693,24
107,20
118,09
97,26
616,03
417,93
198,10
100,42
98,92
103,58
606,51
392,21
214,30
109,69
111,19
106,95
2988,33
1968,53
1019,80
105,09
102,77
109,58
690,33
351,96
338,37
90,10
96,19
83,77
707,65
349,05
358,60
88,36
106,35
70,84
3313,36
1702,12
1611,24
97,70
103,81
91,25
906,60
475,90
430,70
89,49
96,87
81,34
915,06
461,00
454,06
91,04
110,24
71,55
4289,45
2257,01
2032,44
99,11
105,95
91,51
860,77
431,07
429,70
87,96
94,60
81,29
867,22
414,17
453,06
90,02
110,32
71,47
4064,69
2037,25
2027,44
98,26
105,01
91,48
48,36
48,36
0,00
96,65
96,65
0,00
53,30
53,30
0,00
94,35
94,35
0,00
251,22
251,22
0,00
99,18
99,18
0,00
852,58
457,27
395,31
81,61
90,71
71,09
864,82
443,74
421,07
82,58
98,91
65,37
4085,06
2204,14
1880,93
93,70
101,39
84,68
62,83
41,68
21,15
90,34
107,10
57,33
68,46
45,94
22,51
104,41
105,85
101,47
307,41
209,46
97,96
108,21
111,32
101,55
10,71
120,68
11,83
111,27
54,95
120,98
2,49
120,93
2,78
104,53
11,74
136,14
96
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
zprávy z podniků, institucí
a řešitelských pracovišť
Efektivní ohřev a vysoušení pánví – kyslíkopalivové hořáky od Linde Gas a.s.
jsou řešením
Ing. Vladimír Žilka, Linde Gas a.s., Metalurgie a tepelné zpracování, Brno
V posledních letech je stále více kladen důraz na optimální vysušování a ohřev pánví, a to především z důvodu nově
používaných materiálů (žárobetony). Dodržení přesné křivky vysušování a ohřevu u těchto materiálů má vliv na
celkovou životnost vyzdívky. Dalším důvodem je snížení nákladů na přehřátí tekutého kovu, resp. poklesu teploty
kovu v pánvi, kterého docílíme ohřevem pánve na vyšší teploty (1000 – 1200 °C). Všechny výše uvedené
požadavky včetně zkrácení doby ohřevu o 50 % lze efektivně řešit pomocí kyslíkopalivových hořáků.
Kyslíkopalivové spalování
Kyslíkopalivové spalování znamená, že vzduch jako zdroj oxidace pro spalování je zcela nahrazen technickým
kyslíkem. Technickým kyslíkem se rozumí buď přiváděný kapalný kyslík, který je odpařen na plyn, nebo plynný
kyslík vyráběný on-site. Kapalný kyslík má obecně čistotu vyšší než 99,5 %, zatímco kyslík vyráběný on-site má
obvykle čistotu v rozmezí 90 % až 93 %.
Neon
Helium
Krypton
Xenon
Argon
0,93%
0,0029%
Kyslík
20,95%
Dusík
78,09%
Obr. 1 Složení vzduchu
Obecnou výhodou náhrady vzduchu kyslíkem technické čistoty je, že je z procesu spalování téměř nebo úplně
vyloučen balastní dusík, který je do procesu vnášen jako součást vzduchu. Snížení obsahu dusíku při spalování
umožňuje dosáhnout vyšší teploty plamene i účinnosti spalování, neboť nižší objem spalin snižuje množství tepla,
které je odebráno z plamene a odvedeno do spalin.
Rozdíl mezi vzduchovým a kyslíkovým plamenem lze tedy shrnout do tří bodů :

kyslíkový plamen neobsahuje žádný dusík ze vzduchu

kyslíkový plamen má podstatně méně odpadních plynů

kyslíkový plamen má vyšší teplotu ( Δ t  1000 oC)
Čím vyšší je požadovaná teplota ohřevu, tím větší je rozdíl v účinnosti mezi spalováním se vzduchem a kyslíkem
ve prospěch kyslíkopalivového spalování.
97
Zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
C H4
CO2 + 2H2O + 8N2 + TEPLO
CH4 + 2O2 + 8N2
O2
N2
•
Spalování se vzduchem se účastní jako příměs značné množství dusíku
C H4
CH4 + 2O2
O2
•
CO2 + 2H2O + TEPLO
Spalování s kyslíkem se dusík neúčastní
Obr. 2 Porovnání spalování se vzduchem a kyslíkem
8 molekul dusíkového
balastu!
Obr. 3 Kyslíkopalivové spalování = Zlepšení tepelné účinnosti v důsledku snížení ztrát energie ve spalinách
98
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Spalovací poměr:
Palivo:
Zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
stechiometrický
zemní plyn
Tepelná účinnost
Kyslíkový hořák
Vzduchový hořák
Teplota spalin [°C]
Obr. 4 Tepelná účinnost spalování se vzduchem a kyslíkem
Používání kyslíkopalivového spalování ve srovnání se spalováním se vzduchem přináší následující výhody při
ohřevu pánví:

zkrácení doby ohřevu pánve – o více než 50 %

spolehlivé dosažení teploty pánve až 1200 °C – díky zvýšené teplotě plamene – o cca 1000 °C

snížení množství odpadních plynů – až o 85 %

úspora nákladů – není třeba rekuperátory a dmýchací zařízení vzduchu

snížení nákladů použitím nízkoenergetických paliv

snížení hlučnosti provozu – není balastní dusík
Konstrukce hořáků
Kyslíkopalivové hořáky jsou výkonné a kompaktní. Výkon hořáků může být 100 kW nebo i několik MW. Například
vodou chlazený hořák o výkonu 5 MW má průměr menší než 15 cm a váží méně než 20 kg. Ocelářský průmysl
rovněž požaduje, aby bylo možno spalovat stále větší podíl nízkovýhřevných paliv. Pro paliva o výhřevnosti pod 2
kWh/m3 je použití kyslíku absolutně nutné.
Kyslíkopalivové hořáky jsou převážně konstruovány tak, že k promíchávání paliva a kyslíku dochází až na výstupu
z hořáku (hořák s vnějším směšováním). Chlazení hořáků je buď samovolné proudícím plynem (pro teploty ohřevu
do 1200 °C) nebo jsou napojeny na samostatný chladicí okruh a jsou chlazeny vodou. Hořák je obsluhován většinou
od elektrického řídicího panelu, kde jsou instalovány základní prvky pro správný chod hořáku (zapalování hořáku
přes zapalovací elektrodu integrovanou v hořáku, hlídání plamene UV sondou apod.), ale i další prvky dle přání
zákazníka (programovací jednotka pro sušení a stupňovitý ohřev, dotyková obrazovka s vizualizací pracoviště
apod.).
Regulace hořáků při sušení a ohřevu pánví
Výkon hořáků může být regulován:
skokově
plynulou regulací
99
Zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Pokud není použit pro řízení výkonu hořáku termočlánek, je jeho výkon nastaven obsluhou zařízení. Tento systém
se používá většinou u menších pánví do kapacity 3 t. U větších pánví, zejména pak při sušení a ohřevu nových
vyzdívek, kdy je třeba dodržovat teplotní křivku v poměrně přesném rozmezí, je výkon hořáku regulován podle
termočlánku, který je umístněn obvykle ve víku pánve a snímá teplotu spalin v pánvi. Na základě této teploty řídicí
počítač snižuje nebo zvyšuje výkon hořáku přes regulační řadu kyslíku a paliva tak, aby byla dodržena
přednastavená teplotní křivka.
Při sušení pánví, kdy je na začátku procesu nutné udržovat teplotu v pánvi na nízkých hodnotách (150 - 200 °C), se
využívá pro přesné udržení žádané teploty hořák typu AIROX. To je hořák, který může pracovat v režimu 100%
vzduch + palivo, 100% kyslík + palivo nebo v libovolné kombinaci. Přidáváním vzduchu provádíme zchlazování
kyslíkového plamene a současně zvyšujeme množství spalin, které nám při nízkých teplotách, a tedy i nízkém
výkonu kyslíkového hořáku, zajišťují rovnoměrnou teplotu v celé pánvi a dobře odvádějí vlhkost z vyzdívky. Se
zvyšující se požadovanou teplotou se snižuje podíl vzduchu a roste výkon hořáku. Od teploty cca 500 °C pracuje
AIROX hořák v režimu 100% kyslík + palivo.
Obr. 5 Horizontální ohřev 25t pánve kyslíkopalivovým hořákem
Obr. 6 Dotyková obrazovka s vizualizací pro řízení 3 horizontálních ohřevů pánví
100
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Zprávy z podniků, institucí a řešitelských pracovišť
Obr. 7 Víko s hořákem AIROX pro sušení a ohřev 150t nádoby
Obr. 8 Regulační řada s plynulou regulací hořáku AIROX
Závěr
Kyslíkový plamen neobsahuje žádný dusík ze vzduchu a má vyšší teplotu (Δ t  1000 oC). Kyslíkopalivové
spalování má až o 85 % méně odpadních plynů a lepší tepelnou účinnosti v důsledku snížení ztrát energie ve
spalinách.
Kyslíkopalivové hořáky jsou výkonné a kompaktní – 100 kW nebo i několik MW. Kyslíkopalivové hořáky zajistí
rychlé a spolehlivé dosažení teploty pánve i nad 1000 °C. Hořáky AIROX/kyslík-vzduch-palivo/ jsou vhodné pro
vysoušení vyzdívky od nízkých teplot až po teploty nad 1000 °C.
101
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
ze spolkové činnosti
a odborných akcí
27. ročník ocelářské konference
„Teorie a praxe výroby a zpracování oceli“
Ve dnech 6. aţ 7. dubna 2011 se konal v hotelu Relax v Roţnově pod Radhoštěm jiţ 27. ročník tradiční ocelářské
konference „Teorie a praxe výroby a zpracování oceli“. Jedná se o návaznost na jiţ proběhlé setkání ocelářů
v příjemném prostředí Beskyd. Témata konference byla následující:
 teoretické základy výroby a zpracování oceli,
 výroba oceli kyslíkovými pochody a v EOP,
 nové technologie výroby oceli,
 mimopecní zpracování oceli,
 odlévání oceli,
 ekonomické a ekologické problémy při výrobě oceli,
 ţárovzdorné materiály při výrobě a zpracování oceli.
Celkem bylo předneseno 31 odborných referátů a dva příspěvky byly prezentovány formou posterů.
Konference se zúčastnilo 108 odborníků, z toho 93 z České republiky, 7 ze Slovenské republiky, 6 z Polska a 2
z Japonska. Autoři příspěvků pocházeli ze 3 vysokých škol, 2 výzkumných ústavů a 36 výrobních podniků. Závěrem
vyjádřili účastníci velké poděkování Ing. Jaromíru Kupkovi – Tanger, s.r.o. za dlouholetou aktivní činnost v
pořádání a organizaci těchto tradičních konferencí.
Příští 28. ročník konference se bude konat rovněţ na stejném místě, a to ve dnech 4. aţ 5. dubna 2012.
Organizační výbor
V programu 27. ročníku ocelářské konference „Teorie a praxe výroby a zpracování oceli“ v Roţnově odezněla
přednáška doc. Ing. Václava Kafky, CSc., která měla mezi posluchači natolik velký ohlas, ţe ji redakce otiskuje
v tomto oddíle Hutnických listů s drobnými redakčními úpravami formálního rázu v plném znění.
red.
Doznívání světové finanční a hospodářské krize
v našich slévárnách a ocelárnách
doc.Ing.Václav Kafka, CSc., , RACIO & RACIO, Orlová - Lutyně
Úvod
V současné době doznívající světové a hospodářské
krize se ve zvýšené míře objevují spíše optimističtější
informace. Německo [1] vykázalo v r. 2010 růst
reálného hrubého domácího produktu (HDP) 3,6 %, coţ
je nejlepší výsledek od roku 1991. Česká republika ve
stejném období měla růst 2,3 %. Předpokládá se, ţe
tendence růstu bude pokračovat (v r. 2011 - 2 %, v r.
2012 dokonce 3 %). Díky vzniklému oţivení snad
překoná řada zemí střední a severní Evropy předkrizové
hodnoty v ekonomice jiţ v průběhu let 2011- 2012.
Většina firem jiţ skutečně pociťuje reálný nárůst
poptávek a zvyšuje svou výrobu. Pokládáme si tedy
oprávněně otázku, zda krize skutečně definitivně
skončila a zda tedy můţeme být klidní. Odpověď patrně
nebude jednoznačná a jednoduchá.
1. Krize – hledání příčin a cesty k jejich překonání
Období světové globální finanční a hospodářské krize
přimělo řadu ekonomů a politiků hledat příčiny jejího
vzniku. Na jednoznačném závěru se spíše neshodují.
Ekonomická věda rozlišuje především dva základní
druhy krizí - finanční a reálnou. Praxe nás přesvědčuje
v tom, ţe drtivá většina krizí vycházela z finanční
politiky [2]. Dále, ţe ve všech případech přichází
nákaza krize z finanční ekonomiky, teprve následně je
zasaţena reálná ekonomika v hospodářské sféře. To
102
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
názorně dokládá vznik velké hospodářské krize
v třicátých letech
minulého století. Po zhroucení
newyorského akciového trhu v říjnu (mluví se o černém
pátku byl to však čtvrtek 24.10.1929), došlo prakticky
k okamţitému pádu tisíců bank. Tím nastal zásadní
pokles kupní síly středních vrstev a dramaticky se
oslabily tisíce malých podniků a ţivnostníků.To logicky
vedlo k obrovské nezaměstnanosti s příslušnými dopady
[2].
Při první globální krizi v 21. století prakticky všechny
vlády zemí, jichţ se krize týkala (aţ na vzácné výjimky)
své banky „podrţely“ obrovskými úvěry (nebo je
dokonce i znárodnily) a to i za cenu, ţe tím své země
silně zadluţily.
Podle Mezinárodního měnového fondu [2] čelilo
světové hospodářství v posledních 39 letech (19692008) celkem 124 krizím finančního charakteru.
Skutečností však je, ţe ţádná z nich neměla takový
rozsah jako velká světová hospodářská krize z třicátých
let minulého století nebo finanční a hospodářská krize,
která začala v r. 2008 v USA. V čem však nachází
teoretická fronta ekonomů společný jazyk je, ţe nová
světová krize se bude opakovat. Mark Mobius tvrdí, ţe
se zopakuje za 5 -7 let. A tedy všechny podniky musí
změnit své chování, přístup k realitě a na tuto situaci se
připravit.
2. Podmínky přežití krize
Na průběh krize u výrobních společností v ČR měly
nepříznivý vliv dva základní aspekty, které
v podmínkách EU a tedy i ČR nastaly. Byly to jednak
silně zpoţděné reakce na její vznik (silné podcenění) a
nepřipravenost podniků [2].
3. Silné podceňování vzniku krize
V ČR tato podcenění umocňovala i falešná tvrzení, ţe
„přece nejsme v Eurozoně a tím se nás světová krize
vůbec nedotkne“. Dále v okamţiku, kdy v USA tak zvané
„hedgové
fondy“
(původně
dle
anglického
„zabezpečený, chráněný“, ale nově spíše „pokoutný,
pochybný“) „padly“ a jejich majetek poklesl na několik
desetin původní úrovně, se tvrdilo, ţe „české banky jsou
přece zdravé“! Dále se objevily informace, ţe průměrné
zadluţení americké rodiny je rovno jejímu celoročnímu
čistému přijmu a ve Velké Británii dokonce 124 %
ročního příjmu. Na to se (s jistým uspokojením)
reagovalo, ţe české rodiny jsou v průměru zadluţeny
méně. Oficiální vystoupení politiků jenom nereálnou
euforii umocňovalo. Viz památná reakce profesora
Klause z 9.2.2009 [3] o tom, ţe “neléčené nachlazení
trvá sedm dnů a léčené týden”! Do jisté míry tato
tvrzení podporovala skutečnost, ţe zpoţdění krize v ČR
a EU oproti USA bylo 6 aţ 12 měsíců. Tedy reálná
skutečnost byla obecně taková, ţe většina českých firem
přecházela na krizové řízení pozdě. Kupříkladu v březnu
2009 pokles výroby o 10 % očekávalo pouze 28 %
českých firem a pokles do 10 % celkem jen 17 % firem.
Dále růst prodejů o 10 % a více očekávalo dokonce 20
% organizací. A ještě 31 % podniků zvyšovalo výrobu.
Dokonce ještě v červenci 2009 celých 12 % firem
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
zvyšovalo výrobu. Podniky tedy vyráběly na sklad.
Přitom skutečnost byla taková, ţe v prvním a druhém
čtvrtletí r. 2009 klesla poţadovaná produkce oproti r.
2008 o čtvrtinu a v některých oborech dokonce o 50 %.
A úroveň nových zakázek byla pouze 30 % oproti stavu
v r.2008 [2].
Budeme zde citovat dvě výjimky z tohoto pravidla, které
reagovaly na vznik krize relativně včas. První je
zkušenost odbočky americké firmy v ČR, která nasadila
krizové řízení jiţ v říjnu 2008. To konkrétně znamenalo
sníţení stavu z jejich 350 zaměstnanců na 230 a sníţení
platů od 5 aţ do 20 %. Druhý vzácný příklad je přístup
zesnulého Přemysla Lva z KERAMTECH, Ţacléř, s.r.o.,
který nasadil ve své firmě pravidla krizového řízení jiţ
v prosinci 2008 [4]. Obdobně se projevovalo i několik
málo dalších společností. Nasazení krizového řízení u
českých firem vesměs začínalo minimálně se čtyř aţ
šestiměsíčním zpoţděním. To samozřejmě mělo za
následek, ţe s radikálními úsporami se začínalo pozdě.
A to mohlo u některých firem znamenat, ţe nemusely
krizi přeţít.
4. Nepřipravenost výrobních společností na světovou
krizi
První globální krize v 21. století, která ještě neskončila,
jednoznačně prokázala, ţe po období růstu a vysoké
ziskovosti (v létech 2001-2007) by měla být standardní
úspěšná firma vybavena dostatečnými rezervami na to,
aby přeţila krátké období recese [2]. Období 2 - 4 let je
povaţováno za krátké období.
Pokusme se naznačit oblasti, ve kterých české firmy
vesměs nebyly na krizi připraveny:
Krize vyvolávala efekt „hozeného kamene do vody“.
Primárně zasáhla relativně úzkou skupinu lehce
zranitelných podniků a následně se šířila dál. Byly tedy
zasaţeny firmy s nízkou marţí, nízkou technickou
úrovní, většinově závislé na cizích zdrojích. Při sníţení
stávajících poptávek a zásadním poklesu nových
objednávek se začala prodluţovat splatnost faktur. Pro
ilustraci si uveďme, ţe koncem r. 2007 byla průměrná
splatnost faktur 35 dnů. V závěru r. 2008 jiţ 60 dnů. To
platilo i v okolních státech. Vyvolalo to zvýšenou
potřebu pracovního kapitálu. Kupříkladu v únoru 2009
byly jiţ problémy s pozdními platbami u 75 % případů.
Kupodivu největším dluţníkem byl stát (u nás např.
Ředitelství silnic a dálnic). U stavebních společností
byla splatnost jiţ 240 dnů [2]. Významně se zhoršila
platební kázeň a navíc se absolutně sníţila výroba.
Podniky měly problém v nedostatku přítoku volných
peněz - nastaly váţné problémy s cash flow. Za
normálních okolností společnost poţádá o úvěr banku a
obvykle ho dostává. V tomto okamţiku se projevil první
základní problém v hospodaření řady podniků. Řada
společností byla jiţ z dřívějška zadluţena, jak na
pořízení investic, tak i na běţné zajištění výroby (tedy
provozními úvěry). Banky se samozřejmě zdráhaly
(navíc v době krize) takovým subjektům půjčovat. Pokud
výrobní jednotka neměla dostatek vlastního kapitálu,
tak i kdyţ měla smluvně zajištěnou zakázku, nemohla si
ji profinancovat, tj. nemohla pro její realizaci nakoupit
103
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
suroviny, energie atd. Tedy první hlavní problém řady
společností byl vstup do krizových podmínek s vysokým
dluhem.
Další významný problém spočíval v chybném řízení
výrobních společností. Problémový management není
pouze problém v ČR, ale má globální charakter.
Přetrvání chyb a amatérismu
v řízení není
charakteristické pouze
pro některé spíše menší
společnost. Je to bohuţel chybné nastavení motivace
manaţerů a jejich výběru. Nemalým problémem je
velice nízká, někdy dokonce prakticky ţádná analýza
rizik podnikání. Jedná se jak o analýzu rizik u nově
pořizovaných investic nebo fúzi společností, tak i u
sestavování standardních podnikatelských plánů a
záměrů. Za velmi významný problém povaţujeme také
podceňování výkonných pracovníků a pracovníků na
nižší řídicí úrovni vrcholovým managementem
společností. Tento jev má pro výrobní společnosti
dalekosáhlé dopady [2].
5. Nedostatek vlastního kapitálu českých společností
Uvádí se, ţe například v USA narostl podíl „dluhů“
vůči celkovým aktivům z 35 % (po 2. světové válce) na
60 % (v začátku 90. let). Máme zato, ţe u investic by
podíl cizího kapitálu měl být niţší neţ 20 % (spíše 10 %)
[2]. Tedy investice by měla být zajišťována zejména
většinou vlastními prostředky. Důleţitý je údaj, kolik
přinese 1 Kč úvěrů ve vzrůstu přidané hodnoty.
Postupně se sniţovalo toto průměrné číslo (z 3,13 Kč/1
Kč v roce 2005 na 2,44 Kč v r. 2008). Znamená to, že
se naše podniky silně spoléhaly na cizí peníze a dostaly
se do dluhové pasti. Aktiva českých bank byla koncem
roku 2008 o 12 % vyšší neţ celý HDP. Přeúvěrovanost
české ekonomiky byla 68 %. Klasifikovaných
(rizikových) úvěrů bylo asi 7,5 %. Česká ekonomika by
tedy v r. 2009 klesala i bez vzniku krize[2].
Velká zadluţenost byla v době krize a i nyní vraţedná.
Uvedené skutečnosti dokumentuje stoupající počet
bankrotů. Podle analýzy společnosti CCB- Czech Credit
Burelu v roce 2010 [5] stoupl počet firemních bankrotů
vůči r. 2009 o 159 na 1615. Počet insolvenčních návrhů
týkajících se podnikatelů se zvýšil ze 4425 na 4910. Ve
slévárenství se v insolvenčním procesu nalézá asi 20
sléváren [7].
Je tedy zřejmé, ţe pro zvýšení „bezpečí“ výrobních
společností je třeba jednoznačně zajistit jejich trvalou
odpovídající ziskovost. Ta by se měla blíţit k 10 %.
Společnosti by se v období boomu neměly pohybovat
okolo tak zvané „černé nuly“, jak se to často dělo. Je
zajímavé, ţe výrobním společnostem se připomíná [2],
ţe plně nevyuţily výsledky obrovského (bezpříkladného)
rozvoje počítačových technologií v létech 1995 - 2005 a
později. Tento rozvoj - vpravdě revoluce - se přirovnává
k technickému rozvoji v aplikaci spalovacích motorů,
které od vyuţití paliva 4 % (z teoretické základny) by se
během 10 - 15 let (ve skutečnosti to bylo v desítkách let)
dostaly na neuvěřitelných 90 %. Kdyţ si to převedeme
do praxe našich oceláren a sléváren tak kupříkladu by
snad jiţ prakticky neměla být vedena ţádná „papírová“
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
prvotní evidence! Téměř veškerá data by měla být přímo
vkládaná do počítače. A ta by měla být následně
„okamţitě automaticky“ zpracována tak, aby
poskytovala osádkám agregátů expertní doporučení
apod. Připomeňme si, ţe s rozšířeným programem Excel
dokáţe pracovat drtivá většina našich zaměstnanců. A
jak umoţňuje tento relativně jednoduchý systém prvotní
výsledky zpracovat, je také dostatečně známé.
6. Problémy řízení společností managementem
V prvé řadě se bohuţel ještě setkáváme doslovně
s amatérským přístupem k řízení zejména u menších
výrobních jednotek. Ţivnou půdou pro tento stav je
situace, kde společnost vlastní skupina vlastníků, kteří
prakticky „rotují“ ve vedení společnosti. Obdobná
situace někdy nastává i v rodinných firmách. Amatérský
přístup se projevuje v nerespektování základních
pravidel řízení, obrovskou improvizací a příklonu
k nezdravé a neodůvodněné operativě. Společnost
někdy dokonce nepracuje ani s finančním plánem.
Pokud ho má sestavený, tak pouze jako doklad pro
banky. Obvykle
nemá ani formálně zpracovaný
strategický plán. Košturiak tento stav nazývá „taková
normální česká firma“ [8]. Bohuţel tyto přístupy v ČR
nejsou ojedinělé.
Je zde ještě druhý závaţný problém, který se nazývá
riziko manažerské neodpovědnosti. „Najatý“ manaţer
v některých případech bohuţel neřídí podnik k jeho
dlouhodobé a stabilní prosperitě, ale k rychlému plnění
kritérií ziskovosti. Jeho snahou je, aby svěřený podnik
plnil zejména podmínky bonusových přístupů a
znásoboval svoje příjmy. Pro to je výstiţný pojem „cost
killer“. Ten je definován jako manaţer, kterému se
„lehce řeţe“ do „neznámých“ lidí a poloţek, a tak
sniţuje náklady a zvyšuje produktivitu práce na období
své smlouvy. Děje se to obvykle za cenu neúměrného
vyuţití cizího kapitálu. Další obvykle velice nepříznivou
skutečností bývá, ţe členové představenstev nebo
dozorčích rad, kteří mají „najaté“ manaţery
kontrolovat bývají odměňováni na základě obdobných
pravidel jako management.
Management společnosti by se měl vrátit do pozice,
která mu přísluší vzhledem k majitelům a
zaměstnancům, to je vytváření převodové páky mezi
vůlí majitelů a ekonomickým systémem“ [2].
7. Analýza rizik v podnikání
Tento nástroj je v ČR, a taktéţ v oboru metalurgie,
vyuţíván velmi sporadicky. Výsledky rozborů a
konkrétní vzniklé problémy jsou v ČR zřídka kdy
(prakticky vůbec) zveřejňovány. Je rozdíl v analýzách
rizik u společností vlastněných zahraničními a českými
vlastníky. Při řešení analýzy rizik se musíme v prvním
přiblíţení pokusit vyhledat nejistoty, které posuzovaný
záměr (plán, investice, atd.) mohou doprovázet. Dále
stanovit u zjištěných nejistot vzniklá (moţná) rizika:
a) nejistota je označení faktu, ţe prognózy budoucích
faktorů, které ovlivňují hodnotu plánu (záměru,
investice, opatření, určitého projektu, ale i celého
104
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
podniku, atd.) jsou čímsi nejistým a nemusí odpovídat
realitě. To můţe zásadně ovlivnit celkový výsledek.
b) riziko je pak (pokud moţno) statisticky vyjádřitelná
variabilita výsledků ocenění a je spojeno s kladnými
nebo zápornými dopady na podnik.
K vyhledávání „nejistot“ slouţí tvorba scénářů různých obrazů budoucnosti. Pro ně jsou následně
rozhodující propojení trendů budoucnosti a klíčových
nejistot [2]. Kupříkladu při budování nové investice je
naprosto nezbytné vytvořit zejména pesimistické
scénáře, které se jak při výstavbě, tak i při jejím náběhu
reálně mohou vyskytnout. U kaţdého scénáře stanovit
(hledat) moţnou optimální reakci a reálně posoudit
pravděpodobnost jejího vzniku. Čím více těchto
moţných (problémových, pesimistických) scénářů se
stanoví, tím lépe.
Nejprve se zaměříme na relativně nejjednodušší situaci
- plnění přijatých plánů společností. U nich se často
projevuje podceňování konkurence. Při tvorbě plánů se
spíše preferují optimistické prognózy. Pochybovači o
plánovaných údajích bývají označování za „nepřátele“.
Z toho vyplývá, ţe tvořené plány jsou velice často
nadhodnocovány. Navíc je prokázáno (z výzkumu v r.
2005), ţe pouze 15 % společností pravidelně kontroluje
a srovnává minulé, skutečně dosaţené výsledky
s plánovanými. U nových investic v průměru bývají
investiční náklady na jejich vybudování obvykle
významně vyšší (i dvojnásobné) než činily původní
odhady. Z výzkumu v r. 1999 se prokázalo, ţe nové
kapacity do jednoho roku pracovaly na 75 % výkonu a
čtvrtina dokonce na 50 % namísto očekávaných 100 %.
Například u 23 projektů těţby ropy v Anglii byly
investiční náklady dvojnásobné. Těţba byla o 40 %
niţší. Vezmeme-li příklady světových investic, pak u
tunelu pod La Manche bylo ve skutečnosti v době
náběhu přepraveno o 50 % osob méně. V direktivně
plánované ekonomice v Číně - elektrárna Tři soutěsky
byly v r. 1992 předpokládané investice 8,35 mld. USD.
V r. 2001 ve skutečnosti dosáhly hodnoty 37,23 mld.
USD, tedy více neţ čtyřnásobné.
Velice pesimisticky podobně vyznívají výsledky
plánovaných fúzí podniků nebo zakládaní nových
společností. Výzkum ze 197 velkých firem ve světě
ukázal, ţe skutečná výkonnost byla v průměru pouze 63
% plánované hodnoty (strategické finanční plány) a u
třetiny z nich byla dokonce 50 %. Více neţ 70 %
nových závodů v USA končí podle statistiky v r. 2003
svoji činnost do 10 let a 75 % fúzí se nikdy nevyplatí.
Podle výzkumu ve 44 chemických závodech 80 %
nových firem nedosáhlo předpokládaného podílu na
trhu. Prokázalo se však, ţe výjimkou jsou investiční
projekty na obnovu nebo zvýšení kapacit a získání
zjevné konkurenční výhody (sníţení nákladů, ztrát
z výroby a růst produktivity práce) [2].
Naprosto stejná, ne-li horší je situace u metalurgických
společností. Jak se těmto vesměs nepříznivým
zkušenostem vyvarovat? V prvé řadě se musíme
vyvarovat megalománství. Dále je důleţité vycházet
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
z výsledků minulých projektů každé firmy. Doslovně
nejen projektů, ale i plnění běţných plánů, záměrů,
nových investic apod. Ale „ruku na srdce“, která česká
metalurgická firma tuto analýzu důsledně provádí?
McKinsey (1997) předpokládá budoucí vývoj v těchto
směrech:
a) stabilní vývoj (úplná jistota) je typická pro 30 - 40 %
problémů strategického rozhodování,
b) úplná nejistota - ne více neţ 10 % problémů,
c) cca 50 % problémů strategického rozhodování má
buď diskrétní charakter a lze je popsat pomocí scénářů
nebo spojitý charakter s moţností uplatnění simulačních
přístupů.
Je tedy zřejmé, že při maximálním uplatnění principu
obezřetnosti se výsledné riziko přijímání záměrů
významně snižuje. Výzkum z r. 2008 však zjišťuje, ţe
z 252 podniků jich uplatňuje scénáře pouze 45 % a
metodu Monte Carlo pouze 1 % (v zahraničí okolo
70 %) [2].
8. Podceňování pracovníků
Managementu se často vytýká, ţe dlouhodobě
zanedbává komunikaci s vlastními zaměstnanci. Dále, ţe
nechává růst rozpor mezi vedením firmy a jejími
zaměstnanci. Ţe vedení často zaměstnance podceňuje.
Management zaměstnance často klasifikuje, ţe „je jím
všechno jedno“, ţe jde o lidi „bez zájmu“, bez vztahu
k práci. Zaměstnance podle manaţerů často „zajímá jen
jejich plat a neudělají nic navíc“. Průzkumy VŠE v
Praze, potvrzují, ţe manaţeři českých podniků opravdu
často podceňují své zaměstnance, zpochybňují význam
jejich vzdělání, pracovitost a loajalitu. Situace pak vede
k tomu, ţe v čase krizových rozhodnutí nemají manaţeři
dostatečnou důvěru svých pracovníků. To můţe mít za
následek nepřijetí restrukturalizačních a dalších
postupů ze strany zaměstnanců za vlastní. Rozhodnutí
nejsou akceptována, plán je vědomě nebo nevědomě
sabotován.
U malé nebo nulové schopnosti vedení získat
zaměstnance pro svoje vize a představy je náprava těžší
než vyměnit nekvalitní manažery. Zaměstnanci mohou
těţko pociťovat sounáleţitost se společností, která si
svoje vedení najímá na personálním trhu. Zaměstnanec
se s „těmi nahoře“ identifikuje
velice obtíţně i
v případě, ţe vedení je sloţeno z lidí dlouhodobě
angaţovaných ve společnosti. Jestliţe však pracovníci
na výkonných pozicích a na pozicích niţší a střední
řídicí úrovně nemohou najít identifikační znaky
s nejvyšším vedením, pak společnost přichází o část
jejich tvůrčího potenciálu, o jejich loajalitu a zaujetí.
Tento stav je ještě více devastující ve vztahu k celkové
prosperitě společnosti neţ problém manaţerský.
Zaměstnanci a vedoucí na středních pozicích jenom
kopírují pohled a styl jejich vrcholového managementu.
Z celého modelu vztahu ke značce, firmě a
zaměstnavateli nezůstává často na obou stranách nic.
Vztahy se zredukují na otázku ceny práce, ať dělnické,
technické nebo manaţerské. Připomeňme si přístupy
guru českých manaţerů Tomáše Bati ve smutečních
projevech ke svým zaměstnancům. Ten pouţíval slova
105
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
„padl, oběť práce, pracovní rodina apod.“. U nás dnes
často slýcháváme „kdyţ jsem nastupoval, stejně si se
mnou nikdo ani ruku nepodal“. „Hrdost na značku“ je
brána trochu jako relikt dávných časů. Kdyţ jde o
situace krizové, pak „většina“ s jistým spíše mírným
zájmem sleduje záchranářské práce „menšiny“ [2].
Kdyţ Thomas Alva Edison, autor více neţ 1000
vynálezů, dokončoval jeden svůj projekt, neměl jiţ ţádné
prostředky na platy. Jeho zaměstnanci pak dobrovolně
pracovali zdarma. Prostě byli s panem majitelem zcela
ztotoţněni ve společné vizi. Naproti tomu, kdyţ Lee
Iacocca přišel zachraňovat „na smrt nemocný“
Chrysler, vyplácel si roční plat ve výši 1 USD.
Ţe však lze i v krizové situaci leccos úspěšně dělat,
dokazuje zkušenost Sléváren Třinec, a.s. [10]. Tam
v rámci velice úspěšného pilotního projektu vsadili na
vytváření ekonomického povědomí u svých formířů.
Výsledek všechny velice překvapil, jaké jsou potenciální
moţnosti v aktivitě pracovníků, kdyţ se s nimi
odpovídajícím přístupem komunikuje. Zkušenost ze
Sléváren Třinec pouze názorně dokumentuje známý citát
Napoleona Bonaparte „nejsou špatní vojáci, jsou pouze
špatní důstojníci“.
9. Nové kritické faktory, které aktuálně nastávají
Je reálnou skutečností, ţe ceny základních surovin
stoupají. Jedná se v prvé řadě o ţeleznou rudu a uhlí.
Následují i další komodity, především ocelový odpad.
Čína bude i nadále pokračovat ve svém průmyslovém
rozvoji, který bude mít za následek růst jejího HDP. Ten
se bude blíţit 10 %. Vzhledem k tomu, ţe je v současné
době i druhou nejvyšší průmyslovou velmocí (měřeno
hodnotou HDP), jí to dává reálnou moţnost prakticky
do značné míry určovat ceny většiny vstupních surovin.
To samozřejmě není pro evropské země a tedy ani pro
ČR nijak příznivá zpráva. Další skutečností je, ţe se
postupně přechází na zkracování doby kontraktů na
dodávky surovin [9]. Z původních ročních se prakticky
přešlo na kvartální doby smluv. A dnes se dokonce
přechází na měsíční smluvní období. To významně
sniţuje stabilitu v podnikání všech metalurgických
podniků a zvyšuje zejména ekonomickou turbulenci.
Je zde dále ještě jedna velice váţná skutečnost, která se
nám patrně začíná vymykat z rukou. Profesor Robert
Kitgaard z kalifornské Claremont Univerzity tvrdí, ţe
50 % ekonomického potenciálu ČR má na svědomí
korupce [6]. Přitom podle kalifornských vědců český
HDP má moţnosti Norska. Jenţe vyspělost českých
úřadů a politiků je na úrovni Senegalu, coţ moţný růst
české ekonomiky sráţí. V aktuální správě Světového
ekonomického fóra o konkurenceschopnosti pro r. 2011
jsou Češi 36. zemí ze 139 hodnocených. Podle
Gallupova institutu věří Češi svým institucím stejně
jako obyvatelé v rozvojových afrických zemích.
Norsko bylo v r. 2009 na 2. místě s výši HDP na
obyvatele (72.306 USD). ČR zaujímalo 29. místo s
23.399 USD. Norové tedy mají třikrát vyšší účinnost
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
své práce. Toto zjištění je natolik ohromující, ţe
pátráme po věrohodnosti závěrů kalifornských vědců.
J.A. Jirásek [11] uvádí, ţe kolem čtvrtiny společenského
produktu bylo rozkradeno. Problém korupce, je-li
skutečně v ČR takto váţný, by mohl zcela jednoznačně
přehlušit jiné zcela pozitivní tendence.
Závěr
Prezentované informace mají za úkol naznačit reálnou
situaci, ve které se české metalurgické podniky
nacházejí. Tedy zejména varovat před nezdůvodněným
optimismem, který začíná být charakterizován
zjednodušeným sloganem „krize odezněla - karavana
jde dál“. Příspěvek se snaţí pojmenovat přetrvávající
vybrané problémy české metalurgie (vysoké zadluţení,
problémy managementu a podceňování schopností a
potenciální úrovně zaměstnanců). Současně naznačuje
ověřené cesty řešení uvedených problémů. Tyto
problémy jsou, i kdyţ ne lehce, ale přece jenom
řešitelné. Článek upozorňuje na nové rizikové faktory,
které naši metalurgii očekávají: zásadní zkrácení doby
kontraktů, pokračující nárůst cen surovin a váţný
problém s korupcí. Řešení prvních dvou problémů je
jednoznačně v rigorózním a operativním řízení
nákladové spotřeby v české metalurgii. Bohuţel řízení
nákladů nemá česká metalurgie zcela zvládnuto.
Problém korupce je především důsledek morální
devastace společnosti a její řešení je v prvé řadě
záleţitost politická.
Literatura
[1] SOBÍŠEK, P. Česká ekonomika - periferie EU, či satelit
Německa?, Přednáška na 37. zasedání odborné komise ekonomické
ČSS dne 24.3.2011 ve Vranově u Brna.
[2] KISNILGEROVÁ, E. Podnik v časech krize. Praha: Grapa
Publisching, a.s., 2010, 204 s. ISBN 978-80-247-3136-0.
[3] KLAUS, V. Stanovisko, dne 9.2.2009.
[4] LEV, P. Osobní sdělení, březen 2009.
[5] Loni bylo vyhlášeno 1615 firemních bankrotů. Moderní řízení,
2011, č. 1, s.10.
[6] 50 % ekonomického potenciálu Česka má na svědomí korupce.
Moderní řízení, 2011, č. 1, s.5.
[7] Ekonomické problémy českého slévárenství v období doznívání
světové finanční a hospodářské krize. In VI. Ekonomická konference.
Roudnice nad Labem, 2.- 3.2010, informace sdělené v diskusi.
[8] KAFKA, V. Poučení ze světové finanční a hospodářské krize pro
české slévárny. In XIX. celostátní konference Výroba a vlastnosti
oceli na odlitky a litiny s kuličkovým grafitem. 22. - 24.9.2010, s. 16.
ISBN 978-80-02-02264-0.
[9] Evropští výrobci oceli se potýkají s dlouhodobými kontrakty.
Steel Business Briefing, 14. října 2010.
[10] KAFKA, V. aj. Zkušenosti s vytvářením ekonomického
povědomí v metalurgii, In Oceláři - 27. ročník ocelářské konference.
Teorie a praxe výroby a zpracování oceli. Roţnov pod Radhoštěm, 6.7.4.2011, s. 235-239ISBN 978-80-87-294-21-5. [11] JIRÁSEK, J. A.
Malá korupce. Moderní řízení, 2011, č. 2, s. 40
[11] Jirásek J.A. Malá korupce, Moderní řízení, únor 2011, s. 40.
106
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
METAL 2011
20. mezinárodní konference metalurgie a materiálů
Metalurgická sympozia a konference si vydobyla za
posledních téměř 20 let významné postavení mezi
českou a zahraniční odbornou veřejností. Kaţdoročně se
na nich v květnu setkávají vědečtí a výzkumní
pracovníci s pracovníky výrobní praxe, aby prezentovali
své přednášky, sestavili a ukázali poster a následně
diskutovali o perspektivách rozvoje výroby a pouţívání
kovů. Tradiční akce, zaloţená v roce 1992 především za
účelem prezentace výsledků ocelářského průmyslu, se
postupně vyvíjela a v současné době je významně
zaměřena také na moderní materiály a technologie jejich
výroby a zpracování.
20. jubilejní ročník konference METAL 2011 se konal
ve dnech 18. - 20. května 2011. Organizátoři
konference, zejména s ohledem na rostoucí zájem v
posledních dvou letech, přešli od desetiletého pobytu v
hotelu Atom ve Vítkovicích, přes šestileté působiště
v Hradci nad Moravicí, jeden rok v hotelu Relax v
Roţnově pod Radhoštěm do brněnského hotelu Voroněţ
pro rok 2011.
Představme nyní členy programového a organizačního
výboru.
Programový, organizační výbor a čestné
předsednictvo:
Odborní garanti konference
Prof. Ing. Jiří Kliber, CSc. VŠB-TU Ostrava
Prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc. VŠB-TU Ostrava
Programový výbor konference
Ing. Jaroslav Březina Česká hutnická společnost
Doc. Ing. Libor Čamek, Ph.D. VŠB - TU Ostrava
Ing. Richard Fabík, Ph.D. VŠB-TU Ostrava
Prof. Ing. Jiří Kliber, CSc. VŠB-TU Ostrava
Doc. Ing. Radim Lenort, Ph.D. VŠB - TU Ostrava
Prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc. VŠB-TU Ostrava
Doc. Eva Mazancová, CSc. VŠB-TU Ostrava
Doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc. VŠB-TU Ostrava
Organizační výbor
Eva Hůlová TANGER, spol. s r.o.
Bohumil Nejedlý TANGER, spol. s r.o.
Ing. Kateřina Sanetrníková TANGER, spol. s r.o.
Organizační výpomoc
Ing. Karel Gryc, Ph.D., VŠB - TU Ostrava
Ing. Zbyněk Hudzieczek, VŠB - TU Ostrava
Kateřina Bubelová, TANGER spol. s r.o.
Helena Kempná, TANGER spol. s r.o.
Ing. Miroslav Kupka, TANGER spol. s r.o.
Ing. Ladislav Socha, Ph.D., VŠB - TU Ostrava
Ing. Markéta Tkadlečková Ph.D., VŠB - TU Ostrava
Čestné předsednictvo
Prof. Ing. Ľudovít DOBROVSKÝ, CSc., Dr.h.c., VŠB TU -děkan FMMI
Ing. Henryk HUCZALA, Třinecké ţelezárny, a.s.
technický ředitel
Ing. Jiří PETRŢELA Ph.D., VÍTKOVICE HEAVY
MACHINERY a.s.,
Ing. Jaroslav PINDOR Ph.D., MATERIÁLOVÝ A
METALURGICKÝ VÝZKUM, s.r.o. ředitel
RNDr. Jaroslav RAAB, CSc, Hutnictví ţeleza, a. s.
ředitel
Ing. Ludvík STRAKOŠ, EVRAZ Vítkovice Steel a.s.
technický ředitel
Doc. Ing. Karel ŠPERLINK, CSc.,ČSNMT prezident
Prof. Ing. Ivo VONDRÁK, CSc.,VŠB - TU rektor VŠB
– TU
Na přípravě konference se podílely firma TANGER,
spol. s r.o. spolu s VŠB - TU Ostrava., protoţe drtivá
většina garantů symposií jsou z VŠB -TU Ostrava.
Další partnerské organizace:
Česká společnost pro nové materiály a technologie
ASM International
Inţenýrská akademie České republiky
Materials Research Society of Serbia
Norsk Materialteknisk Selskap
Societe Francaise de Metallurgie et de Materiaux
Associazione Italiana di Metallurgia
Austrian Society for Metallurgy and Materials
Sociedade Portuguesa de Materiais
Sponzoři konference:
MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM
s.r.o.
RMTVC
ŢĎAS, a.s.
Comtes FHT a.s.
Linde Gas a.s.
Carl Zeiss spol. s r.o.
ČSNMT
Bodycote HT, s.r.o.
ArcelorMittal Ostrava a.s.
Regionální inovační strategie Jihomoravského kraje
EVRAZ Vítkovice Steel, a.s.
MIKRO, spol. s r.o.
Veletrhy Brno, a.s.
V programu plenárního zasedání byly připraveny a
odezněly 3 přednášky.
Plenární zasedání
JANÍK Ivo Prof. Ing. CSc., VŠB - TU, Ostrava, Czech
Republic, EU
Steel and its substitute materials: competition and
cooperation
Ocel a substituční materiály: konkurence a
kooperace
107
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
RAAB Jaroslav RNDr., The Steel Federation, Inc,
Ostrava, Czech Republic, EU
Focused on steel
Kam kráčí světové ocelářství ?
KURSA Miroslav Prof. Ing. CSc., VŠB - TU, Ostrava,
Czech Republic, EU
Operational programme Research and development
for innovations (OP VaVpI), its role and objectives
in the field of material research
Operační program Výzkum a vývoj pro inovace (OP
VaVpI), jeho úloha a cíle v oblasti materiálového
výzkumu
Komerční prezentace
KRAUS Libor Ing., COMTES FHT a.s., Dobřany,
Czech Republic, EU
West-Bohemian centre of materials and metalurgy
Západočeské materiálově metalurgické centrum
PETRÁŠEK Ondřej, Regionální inovační strategie JM
kraje, Brno, Czech Republic, EU
JIC - support of innovative technolgies
JIC - podpora inovativních technologií
Po úvodních plenárních přednáškách nastala jednání v
5ti symposiích. Všechna sympozia se konala 3 půldny
mimo Symposium D, které bylo pro niţší počet
přednášek zkráceno o 1 půlden.
Symposium A - Pokroková výroba železa a oceli
Odborní garanti sympozia
Ing. Jaroslav Březina, Česká hutnická společnost
Doc. Ing. Libor Čamek, Ph.D., VŠB – TU Ostrava
Prof. Ing. Karel Michálek, CSc., VŠB – TU Ostrava
Bylo předneseno celkem 31 prezentací z původně
plánovaných 33 ve třech půldnech, z toho 8 prezentací
bylo zahraničních (Polsko, Španělsko, Slovensko a
jedna komerční přednáška zahraniční firmy působící v
ČR). Odborně na dobré úrovni, časový prostor 15 minut
dostačující, prakticky u kaţdého příspěvku následná
diskuze a doplňující otázky. Tématická prioritní oblast
příspěvků byla oblast výzkumu a vývoje problematiky
plynulého lití oceli (téma mezipánve, fyzikální a
numerické modelování teplotních polí při procesu,
řešení směsných oblastí při sekvenčním lití, kvalita
produkce), dále problematika rafinačních procesů při
výrobě oceli a fyzikálně chemických vlastností tavenin
ţeleza a oceli (oceli pro speciální pouţití, vlastnosti
oceli – plyny v oceli a jejich stanovení, organické
taveniny a jejich sloţení, rafinační strusky), vyuţívání
odpadů a jejich recyklace při výrobě ţeleza a oceli,
vnitřní čistota oceli a metalurgické strusky. Kladem byl
zvýšený podíl příspěvků mladší generace odborníků z
akademické a výzkumné sféry a prezentace některých
příspěvků tuzemských odborníků v angličtině.
Symposium B - Tváření kovů
Odborní garanti sympozia
Ing. Richard Fabík, Ph.D., VŠB – TU Ostrava
Prof. Ing. Jiří Kliber, CSc., VŠB-TU Ostrava
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Celkem bylo přijato 40 referátů, rozdělených do 3
půldnů. Čtyři referáty nebyly předneseny a navíc přibyl
jeden. Struktura účastníků symposia byla následující
(členěno podle přednášek): země zaměstnavatele
hlavního autora ČR 29, Ruská federace 5, Kazachstán,
Slovensko, Polsko po 1; podle typu organizace: vysoké
školy 27 (z toho VŠB-TU 17), výzkumné organizace 8,
průmysl 2. Z těchto čísel vyplývají ale pro další ročníky
konference směry: zvýšit počet účastníků ze zahraničí
(Polsko, Slovensko) a zaměřit se na někoho ze
„západní“ Evropy (např. jako vyţádaná přednáška),
přitáhnout více zástupců průmyslu z ČR, ale i
z okolních států.
Problematika Tváření se soustředila na témata spojená
s tvářením neţelezných kovů, příp. zvláštní způsoby
tváření ve stavu tixoformingu a další ne sice okrajové,
ale jiné technologie, jako je válcování trubek, taţení
drátu apod. Další skupinou byly přednášky na téma
počítačová simulace různými softwary a na to pak
navázaly přednášky s tématikou protlačování ECAP.
Několik přednášek se také zabývalo teoretickou
problematikou zpevňování a uzdravování materiálu jak
oceli tak slitin neţelezných kovů. Zazněly rovněţ
přednášky na téma plastometrických zkoušek. Oproti
předcházejícím letům byl počet přednášek prakticky
dvojnásobný. Zatím se nepodařilo dosáhnout toho, aby
ústně prezentované přednášky byly předvedeny jenom
v angličtině (někteří hosté ze zahraničí navíc měli
s angličtinou výrazné problémy) i kdyţ odevzdané a
publikované přednášky na CD v angličtině v převáţné
většině jsou.
Symposium C - Výrobky z oceli a jejich vlastnosti
Odborní garanti sympozia
Doc. Ing. Eva Mazancová, CSc., VŠB-TU Ostrava
Prof. Ing. Vlastimil Vodárek, CSc., VŠB-TU Ostrava
V rámci symposia bylo předneseno celkem 41
příspěvků z oblasti creepu, tepelného zpracování,
koroze (zahrnuta i vodíková odezva), vysoko pevných
ocelí i slitin, včetně hodnocení vlastností kovových
materiálů. Bohatá byla i diskuse. Kromě dvou prací
(jedna rumunská se špatnou angličtinou), proběhla ke
všem přednáškám diskuse, resp. byla práce doplněna
nějakou připomínkou anebo jinými zkušenostmi, coţ
bylo zásluhou dodrţování 10minutového limitu na ústní
projev. Případné změny v programu byly včas dořešeny,
takţe bylo moţno zachovat časový harmonogram
průběhu konference. Na sekci docházeli také účastníci
jiných symposií. První a druhý den byla přednášková
místnost prakticky plná. Třetí den, kdy někteří hosté jiţ
odjíţděli, bylo v sále okolo 20 lidí.
Dané symposium mělo v rámci prezentovaných
příspěvků pouze 5 zahraničních hostů (Polsko,
Rumunsko, Mexiko, Irán). Z nedostatku časového
prostoru bylo 8 příspěvků přesunuto do posterové sekce.
V posterové sekci bylo prezentováno 20 příspěvků
z celkových 22.
108
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Symposium D - Povrchové inženýrství
Odborní garanti sympozia
Doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc., VŠB-TU Ostrava
RNDr. Ivo Štěpánek, Západočeská universita v Plzni
Přihlášeno celkem 37 přednášek a 4 postery, z toho 8
zahraničních přednášek a 1 poster. Odpřednášeno
celkem 36 příspěvků. Přednášky a postery byly ze států:
Česká republika, Slovenská republika, Irán, Polsko,
Rumunsko.
Úroveň přednášek byla na velmi dobré úrovni
s následnou bohatou diskusí. Náplň přednášek byla
z oblasti moderních technologií povrchových úprav
materiálů – PVD technologie, tenké vrstvy, indentační
zkoušky tenkých vrstev, vývoj v oblasti nanovrstev a
povlaků, vliv tepelného zpracování na povlaky, koroze
povlaků, vliv předúpravy substrátu na kvalitu povlaků,
povrchové úpravy iontovou nitridací. Počet účastníků
byl v kaţdém půldnu mezi 35 aţ 40. Atmosféra
v symposiu byla po celou dobu konání konference velmi
příjemná a přátelská.
Symposium E - Neželezné kovy a slitiny
Odborní garanti sympozia
Prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc., VŠB-TU Ostrava
Doc. Dr. Ing. Dalibor Vojtěch, VŠCHT Praha
Prof. Ing. Jaromír Drápala, CSc., VŠB-TU Ostrava
Jednání symposia E proběhlo ve dnech 18. aţ 20. 5.
2010 v souladu s upřesněným programem, který
předpokládal přednesení 56 příspěvků. V rámci jednání
v jednotlivých programových blocích bylo předneseno
celkem 48 přednášek (8 přihlášených přednášejících se
nedostavilo), z toho bylo 6 přednášek zahraničních (1x
Polsko, 1x Slovensko, 4x Rusko). Zahraničních
účastníků bylo celkem 11.
Do oblasti obecných neţelezných kovů, slitin a jejich
charakteristik
bylo
zaměřeno
19
přednášek,
problematice lehkých kovů a jejich slitin na bázi hliníku
bylo věnováno 6 přednášek, hořčíkem a jeho slitinami
se zabývalo 8 přednášek, problematika intermetalických
materiálů byla námětem dalších 5 přednášek.
Druhý den jednání bylo předneseno celkem 14
přednášek. Celý blok navazoval na problematiku
intermetalických sloučenin, která byla otevřena jiţ
předchozí den. 5 přednášek bylo věnováno materiálům
na bázi TiAl, 4 přednášky se zabývaly paměťovými
materiály na bázi NiTi a 5 přednášek bylo zaměřeno na
přípravu a vlastnosti superslitin niklu. Tato část
představovala ucelenou problematiku materiálů
určených pro vysokoteplotní aplikace, zejména pak pro
oxidační prostředí.
Třetí jednací den bylo předneseno 15 příspěvků, které
byly zaměřené do oblasti teorie krystalizačních procesů
vícesloţkových tavenin, hodnocení reálných slitin pro
aplikace jako bezolovnaté pájky, magnetické materiály
a některé další aplikace neţelezných kovů a jejich slitin.
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
Přednášky měly v převládající většině vysokou
odbornou úroveň, prezentace byly připraveny
v angličtině a vlastní ústní přednes byl z 50 %
v angličtině a z 50 % v češtině, případně slovenštině.
V rámci posterové sekce bylo přihlášeno celkem 18
příspěvků, odpresentováno bylo 14. Dva postery
Symposia E byly oceněny. Z hlediska počtu účastníků a
počtu přednášek je pro daný čas (3x půlden) 50
přednášek maximum. Při větším počtu přednášek bude
nutno uvaţovat o paralelním průběhu dvou podsekcí.
Oproti roku 2010 byl zaznamenán výrazný pokles
účastníků ze zahraničí. Byli přítomni jen účastníci ze
Slovenska, Ruska a Polska.
Symposium F - Ekonomika a řízení metalurgické
výroby
Odborní garanti sympozia
Doc. Ing. Radim Lenort, Ph.D., VŠB-TU Ostrava
Prof. Ing. Emilie Krausová, CSc., VŠB-TU Ostrava
Doc. Ing. Iveta Vozňáková, Ph.D., VŠB-TU Ostrava
Prof. Ing. Darja Noskievičová, CSc., VŠB-TU Ostrava
Symposium F se na letošním ročníku konference
objevilo vůbec poprvé. I přes tuto skutečnost se těšilo
zájmu řady účastníků. Celkem bylo přijato 40 referátů,
předneseno bylo 36 referátů, z toho 4 v posterové sekci.
Mile překvapila účast 14 zahraničních účastníků (10
z Polska a 2 z Jiţní Koreje a Slovenska). Z hlediska
typu organizací převládali referující z univerzitních
pracovišť (36 z vysokých škol, 1 z výzkumné
organizace a 3 z firemní praxe).
Jednání symposia bylo rozděleno do tří tématických
bloků. První z nich se věnoval technicko-ekonomickým
aspektům
variability
a
konkurenceschopnosti
metalurgické výroby a byl zahájen vyţádanou
přednáškou Dr.h.c. Prof. Ing. Dušana Malindţáka, CSc.
z Technickej univerzity v Košiciach na téma
logistického řízení hutní výroby. Další tématické bloky
představovaly exaktní prvky a metody umělé inteligence
v řídicích a informačních systémech a inovační
potenciál a podporu růstu efektivnosti metalurgické
výroby. Jednání probíhalo ve velmi přátelské atmosféře,
referáty byly doprovázeny zajímavou odbornou diskusí.
Posterová sekce
Od 18 h. se konala v hotelové hale posterová sekce, kde
bylo představeno 53 posterů. Poté následovala beer
party. V rámci posterové sekce byla vyhlášena Cena za
3 nejlepší postery a 5 dalších čestných uznání:
KLIMEŠ Lubomír, University of Technology, Brno,
Czech Republic, Stochastic approach and optimal
control of continuous steel casting process by
using progressive hedging algorithm
STANEKOVÁ Hana Ing., IMMM SAS, Bratislava,
Slovakia, Analysis of creep deformation and creep
damage of intermetallic Ti-46Al-8Ta alloy
PITAKKORRARAS Sorachai,
Sahaviriya
Steel
Industries
Public
Company
Ltd.,
Prachuapkirikhan,
Thailand,
Microstructure
109
Ze spolkové činnosti a odborných akcí
observation and mechanical properties of hot
rolled low carbon steel strip with boron addition
Vítězové byli odměněni věcnými dary.
Součástí konference bylo 5 výstav firem Comtes FHT
a.s., Linde Gas a.s., Carl Zeiss spol. s r.o., Regionální
inovační strategie Jihomoravského kraje a MIKRO,
spol. s r.o.
Hodnotíme-li ze statistického hlediska celkový průběh
konference, tak by se dalo říci, ţe v uplynulých dvou
letech došlo k nárůstu příspěvků na dvojnásobek. Je to
způsobeno tím, ţe se podařilo jiţ v roce 2009 a
opakovaně i v roce 2010 sestavit sborník s anglickými
příspěvky a zařadit ho do Conference Proceedings
v Thomson Reuters (TR), tedy do databáze Web of
Knowledge. Do budoucna by se ale nemělo jít jen
cestou zvyšování počtu příspěvků, ale také cestou
zlepšování kvality, aby příspěvky, které se budou
ucházet o TR, reprezentovaly: 1. ucelený (ukončený)
výzkum nebo jeho etapu, 2. aby nedocházelo k recyklaci
starších článků, kde se vyskytují notoricky známé
obrázky a grafy, 3. aby v případě matematického
modelování byl konkrétní předpoklad nebo jiţ provozní
či laboratorní ověření, pokud se nejedná o čistě
teoretický příspěvek.
Úroveň všech tří prezentací plenární sekce povaţujeme
jako velmi dobrou. Pro příští ročník doporučujeme
minimálně jednu prezentaci jako vyţádanou ze
zahraničí.
České či na našem území působící firmy si však zatím
bohuţel neuvědomují, ţe neúčast jejich odborníků na
konferenci vede k uzavírání se do ulity vlastního
podniku, protoţe jejich odborníci nevyuţijí moţnost
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
získat cenné informace prostřednictvím METALu a
nezískají představu, co se v jiných podnicích děje, co je
přínosného na zahraničních příspěvcích, a tak uţitečné
informace neproudí směrem do praxe v průmyslové
sféře. Na druhé straně zostřující se konkurence zřejmě
nenahrává velkému zviditelňování výsledků.
20. jubilejní konference METAL byla významná také
tím, ţe se na ní uţ potřetí udělovala Cena Konference
Metalu, tentokrát členům programového výboru.
V rámci konference se také druhý den konaly
doprovodné exkurze, které byly účastníky hodnoceny
pozitivně. Letos byla pro exkurze vybrána místa:
1) Exkurse do firmy Bodycote HT.s.r.o.
2) Exkurse do pivovaru Starobrno
3) Plavba po Brněnské přehradě + hrad Veveří
4) zámek Slavkov
5) Labyrint pod Zelným trhem
K organizaci celé konference se účastníci vyjadřovali
vesměs pozitivně, včetně doprovodného programu a
moţnosti zveřejnění prací v Thomson Reuters. Některé
kritické připomínky byly organizačním výborem řešeny
operativně a bude k nim přihlíţeno při organizaci
konference v roce 2012. Po vědecké stránce byla
konference účastníky hodnocena jako zdařilá.
S přihlédnutím k příznivým ohlasům, které průběh
konference METAL 2011 zanechal v jejích účastnících,
také s ohledem na nutný počet šesti místností pro
přednášení symposií, rozhodl se přípravný výbor
uspořádat 21. ročník rovněţ v hotelu Voroněţ v Brně od
23. do 25.5.2012.
prof. Ing. Jiří Kliber, CSc.
prof. Ing. Miroslav Kursa, CSc.
_____________________________________________________________________________________________
53. mezinárodní strojírenský veletrh
3. – 7. 10. 2011 Brno - Výstaviště
110
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Ze života škol
ze života škol
Institut environmentálních technologií – nové vědeckovýzkumné centrum na
VŠB – Technické univerzitě Ostrava a Ostravské univerzitě v Ostravě
Institute of Environmental Technologies – New Research Institute in the VŠB
– Technical University of Ostrava and University of Ostrava
prof. Ing. Karel Obroučka, CSc., Ing. Roman Kuča, Ph.D., Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava,
Centrum environmentálních technologií, doc. RNDr. Kateřina Malachová, CSc., Ostravská univerzita,
Přírodovědecká fakulta
Článek uvádí základní informace o nově vznikajícím výzkumném centru na VŠB – Technické univerzitě Ostrava a
Ostravské univerzitě v Ostravě. Výzkumné centrum je budováno za podpory EU v rámci řešení projektu č.
CZ.1.05/2.1.00/03.0100 s názvem „Institut environmentálních technologií“. Cílem projektu je vybudovat výzkumný
pavilon, vybavené laboratoře a vědecké týmy, které budou připravovat, vyvíjet, zkoumat a optimalizovat pokročilé
experimentální metody a technologie pro aplikační sféru. Výstupem bude vznik výzkumného pracoviště, které by se
mělo stát vedoucím ekologickým výzkumným centrem pro transfer technologií v oblasti energetického využití odpadů
vč. odstraňování produktů a hodnocení dopadů těchto technologií na prostředí.
This paper presents basic information about incipient research centre in VŠB – Technical University of Ostrava and
University of Ostrava. Research centre is built by financial support of EU within the project no.
CZ.1.05/2.1.00/03.0100 called „Institute of Environmental Technologies“. The specific objective of the project is to
build research pavilion and equipped laboratories and research teams that will prepare, develop, explore and
optimize advanced experimental methods and technologies for the application sphere. The output it will be the
creation of a research workplace, which should become a leading environmental research center for technologies
transfer in the field of waste energy recovery inc. products removal and evaluation of these technologies impact on
the environment.
a vybavování nového centra potrvá až do roku 2013.
Zahájení provozu je plánováno na začátek roku 2014.
1. Úvod
Moderní výzkumné pracoviště, první svého druhu
v České republice, vznikne v průběhu let 2011 – 2013
v Ostravě. Vysoká škola báňská – Technická univerzita
(VŠB-TUO) společně s partnerem projektu Ostravskou
univerzitou (OU) vybuduje v rámci Operačního
programu Výzkum a vývoj pro inovace výzkumné
centrum
s názvem
„Institut
environmentálních
technologií (IET)“, které se bude zabývat energetickým
využitím odpadů a studiem možného dopadu použitých
technologií na prostředí. V areálech VŠB-TUO a OU
vyroste výzkumný pavilon a další pracoviště pro
přibližně 50 specialistů. Významnou součástí činnosti
IET bude výchova nových vědeckých pracovníků
v rámci studia v souvisejících doktorských studijních
oborech na VŠB-TUO a OU. Studenti budou přímo
zapojeni do řešení konkrétních projektů a problémů
aplikovaného a průmyslového výzkumu.
Na celkové náklady projektu ve výši 270 mil. Kč
poskytla dotaci takřka 230 mil. Kč Evropská unie,
40 mil. Kč je dotací ze státního rozpočtu ČR. Výstavba
Obr. 1 Vizualizace výzkumného pavilonu IET
Fig. 1 Visualization of research pavilion IET
2. Cíle projektu
Cílem projektu je vznik výzkumného pracoviště, které
by se mělo stát vedoucím ekologickým výzkumným
111
Ze života škol
Hut nické listy č.3/2011, roč. LXIV
centrem nejen v Moravskoslezském kraji a ostravském
regionu pro transfer technologií v oblasti energetického
využití odpadů vč. odstraňování produktů a hodnocení
dopadů těchto technologií na prostředí. Dalším cílem je
také zvýšit podíl studentů na výzkumu a inovacích
zajišťovaných vysokými školami, zlepšit úroveň
odborné přípravy budoucích VaV pracovníků, zlepšit
schopnost absolventů využívat pokročilé technologie a
aplikovat nejnovější výsledky vědy do praxe.
technologií jsou členěny i příslušná pracoviště
(laboratoře) a na ně navázané lidské zdroje.
Jejich zařazení do jedné výzkumné aktivity není
samoúčelné, neboť se jedná o příbuzné technologie
vázané na jeden úzce profilovaný obor. Kumulace v
jedné aktivitě zároveň přesně vyjadřuje i budoucí úzkou
spolupráci všech pracovišť, která přinese mnoho
synergických efektů a je jednou z významných
konkurenčních výhod navrhovaného centra.
3. Náplň projektu
V rámci výzkumného programu 1 vzniknou laboratoře:
spalování odpadů, plazmového zpracování, vč. pyrolýzy
a zplyňování odpadů a laboratoř anaerobní digesce.
Činnost výzkumného centra IET bude zaměřena
zejména na:
 vytvoření podmínek pro širší energetické
využití odpadů (omezení skládkování),
 zdokonalení a zvýšení účinnosti technologií
energetického využití odpadů a to jak metod
termických (spalování, plazmové technologie,
zplyňování, pyrolýza), tak i technologií
anaerobních,
 zdokonalení, zvýšení účinnosti respektive
vývoj nových technologií čištění plynných
produktů z termického zpracování odpadu,
zdokonalení
případně
vývoj
nových
technologií čištění odpadních a zasolených
vod,
 návrh a ověření biodegradačních procesů pro
odstraňování
obtížně
rozložitelných
kontaminantů
kumulujících
se
v prostředí,
 hodnocení charakteru a rozsahu nežádoucích
dopadů průmyslového znečištění, zejména
energetického využití odpadů na jednotlivé
složky prostředí, ekosystémy a zdraví
obyvatel.
Klíčové
vybavení
výzkumného
programu 1:
poloprovozní komorová pec na odpad, poloprovozní
redukčně plazmová termická jednotka, poloprovozní
anaerobní fermentor, poloautomatický laboratorní
fermentor pro anaerobní i aerobní procesy, laboratorní
modelové
fermentory,
elementární
analyzátor,
termogravimetrické analyzátory, kalorimetr atd.
Cíle výzkumného programu 1:








3.1 Výzkumné programy
Výzkumná činnost centra je rozdělena do tří
výzkumných programů. První dva výzkumné programy
budou spadat do náplně hlavního řešitele projektu, tzn.
VŠB-TUO, řešení třetího výzkumného programu bude
úkolem partnera projektu Ostravské univerzity.
3.1.1


Výzkum energetického využití odpadů
(výzkumný program 1)
Aktivita je zaměřena na studium technologií
odstraňování dále nerecyklovatelných směsných odpadů
s energetickým využitím jejich tepelného obsahu, a to
nejen na termické procesy (spalování odpadů, plazmové
procesy, zplyňování či pyrolýzu - ve všech případech s
využitím získané energie), ale rovněž postupů
„studených“ čímž máme na mysli anaerobní procesy
fermentace či kofermentace odpadů zemědělských a
jiných s dalšími, zejména jinak obtížně využitelnými
organickými odpady, s následným kogeneračním
využitím vznikajícího bioplynu k výrobě elektrické
energie a tepla. V návaznosti na členění studovaných

3.1.2
Minimalizace negativního dopadu procesu
odstraňování odpadů na složky životního
prostředí,
minimalizace
spotřeby
podpůrného
a
dodatečného paliva,
snižování obsahu škodlivin v surových
spalinách, snižování produkce škváry a obsahu
škodlivin v ní, kontrolovaná produkce popílku
zvýšení energetické účinnosti procesu,
optimalizace bilančních energetických toků
procesu,
navržení optimálních výkonových parametrů
zařízení,
zlepšení podmínek pro produkci admisní páry,
využití
mikrovlnného
záření
v oblasti
environmentálních technologií,
optimalizace procesů anaerobní digesce z
hlediska výroby energeticky bohatého bioplynu
a materiálově i energeticky využitelného
digestátu (kapalného či tuhého zbytku),
minimalizace znečištění ovzduší, vod, případně
půdy z procesu anaerobní kofermentace
problematických biologických odpadů s
běžnými bioplynovými substráty,
minimalizace koncentrací nerozpuštěných
látek, minimalizace koncentrací rozpuštěných
látek,
minimalizace
prchavých
složek
kapalných a tuhých produktů kofermentace.
Výzkum a vývoj nových technologií zpracování
odpadních produktů z energetického využití
odpadů (výzkumný program 2)
Aktivita je zaměřena na studium technologií zpracování
popř. odstraňování odpadních produktů z energetického
využití odpadů. Z hlediska skupenství se jedná zejména
o plyny (jimž bude v rámci výzkumné aktivity věnována
112
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Ze života škol
největší pozornost), dále tuhé zbytky po spalování
a různě znečištěné kapaliny.
Výzkumná aktivita přímo navazuje na výsledky
výzkumné aktivity „Výzkum energetického využití
odpadů“ a zároveň zajišťuje této výzkumné aktivitě
podpůrnou a zpětnovazebnou činnost.
Realizací aktivity budou vybudovány speciální
výzkumné laboratoře vybavené moderní špičkovou
instrumentální technikou, které zajistí kvalitní
provozně-technické laboratorní zázemí a umožní tak
zavedení nových progresivních výzkumných metod a
nových aplikačních technologií.
V rámci výzkumného programu 2 vzniknou laboratoře:
pro čištění a analýzu spalin a odpadních plynů, pevných
látek (tuhých zbytků), čištění vod a chemických analýz,
modelování procesů a informačních technologií.
Klíčové vybavení výzkumného programu 2: plynový
chromatograf s hmotnostním detektorem, FT-IR
spektrometr, atomový absorpční spektrofotometr, UVVIS spektrofotometr, kontinuální monitoring spalin,
kontinuální monitoring pyrolýzního plynu, filtrační
jednotka pro spalovnu, zařízení na čištění emisí mokrou
metodou, zařízení pro mobilní imisní monitoring a
analýzu prachu, SW pro modelování hlukové zátěže
z dopravy a průmyslových zdrojů, SW pro dopravní
plánování a řízení dopravy atd.
Cíle výzkumného programu 2:




Výzkum a optimalizace technologií čištění
odpadních plynů, vod a zpracování pevných
zbytků vystupujících z procesů termického
zpracování odpadů (spalování, zplyňování,
pyrolýza)
a
anaerobního
zpracování
organických
odpadů
tak,
aby
byly
minimalizovány ekologické dopady provozu
daných technologií, případně bylo možné tyto
produkty dále využít,
optimalizace provozu technologií pro redukci
emisí s cílem zvýšení jejich účinnosti. Detailně
budou zkoumány technologie adsorpce plynů a
par na pevný adsorbent, absorpce zapáchajících
a dalších látek do roztoků vhodných účinných
látek, katalytická a termická destrukce. Dále
budou zkoumány emisně – imisní vztahy a
jejich optimalizace a řízení v oblasti
znečišťujících látek, zápachu a hlukové zátěže,
minimalizace znečištění vod z procesu
spalování odpadů, minimalizace koncentrace
nerozpuštěných
látek,
minimalizace
koncentrace rozpuštěných látek, kontrola
teploty odpadní vody,
posouzení možností využití nanočástic
v oblasti čištění odpadních vod.
V rámci tohoto vědeckého programu budou studovány
dopady průmyslových odpadových technologií na
přírodní prostředí. Aktivity budou navazovat na aktivity
hlavního řešitele, tj. na VŠB-TUO. Budou řešeny
možnosti environmentálně přijatelného energetického
využívání odpadů a získané poznatky budou
zakomponovány do technologií navrhovaných a
ověřovaných výzkumnými programy VŠB-TUO.
Hlavním předmětem studia budou technologie
zpracování nerecyklovatelných odpadů, u kterých je
reálné energetické využití jejich tepelného obsahu.
Problémy, které přináší znečišťování ovzduší, vody i
půdy a negativní dopad vznikajících odpadů, budou
sledovány komplexně a v jednotlivých aktivitách tohoto
projektu se na nich budou podílet biologové, chemici a
biofyzici. Tento unikátní přístup vytvoří teoretickou
základnu pro aplikaci k prostředí a člověku šetrných
environmentálních technologií.
Přínosem uvedeného přístupu bude, že umožní studovat
vlivy technologií na všech úrovních od molekulární,
mikroorganismové až po ovlivnění fyziologických
procesů rostlin a živočichů a dopady na celé biocenózy.
Výzkum bude spočívat ve fyzikálních, chemických,
ekotoxikologických a genotoxikologických analýzách
složek životního prostředí, především ovzduší, vody i
půdy. Projekt se skládá z navzájem navazujících a
propojených etap, které jsou podrobně rozpracovány.
Výstupem projektu bude kvalitativní i kvantitativní
popis dopadu xenobiotik na složky životního prostředí a
návrhy na možná opatření ke zmírnění negativních
dopadů s ohledem na trvalou udržitelnost.
V rámci výzkumného programu 3 vzniknou laboratoře:
biochemických a biofyzikálních analýz a spektrálně
optických
metod,
ekofyziologie
fotosyntézy,
molekulární biologie, mikrobiologie a toxikologie,
ekologie živočichů a rostlin, fyzikální chemie povrchu.
Klíčové vybavení výzkumného programu 3: analyzátor
pro měření sorpce plynů a par, laserový analyzátor
velikosti částic, elektronový skenovací mikroskop,
fluorescenční mikroskop, přístroj pro amplifikaci DNA
a sekvenátor nukleových kyselin, CD spektrometr,
termický analyzátor s hmotnostním spektrometrem,
hmotnostní detektor pro HPLC systém atd.
Cíle výzkumného programu 3:
3.1.3 Výzkum dopadů environmentálních technologií
na životní prostředí (výzkumný program 3)
113



Popsat dopady průmyslových odpadových
technologií na modelové zástupce biosféry,
studovat nejzávažnější typy polutantů (plynné
zplodiny, odpadní voda, pevné zbytky), které
vznikají při spalovacích, zplyňovacích,
pyrolýzních a anaerobních procesech a mohou
nežádoucím způsobem zasáhnout biosféru,
navrhnout a ověřit vybrané remediační postupy
pro
zmírnění
negativních
dopadů
průmyslových technologií.
Ze života škol
Hut nické listy č.3/2011, roč. LXIV
3.2 Současné vědeckovýzkumné aktivity IET
Od konce roku 2012 je plánováno postupné zahájení
provozu jednotlivých laboratoří IET. Přestože výstavba
pavilonu IET je momentálně ve fázi příprav, je již v
současnosti v rámci IET zaměstnána řada
vědeckovýzkumných pracovníků, kteří se soustředí na
vědu a výzkum zejména v oblasti environmentálních
technologií. Tito zaměstnanci již nyní pracují na
naplnění stanovených cílů jednotlivých výzkumných
programů, jednak s využitím stávajících laboratorních a
poloprovozních zařízení, tak s využitím postupně
pořizovaného vybavení v rámci projektu IET. Rovněž
probíhá příprava VaV projektů ve spolupráci s aplikační
sférou. Dále v rámci smluvního výzkumu realizujeme
zakázky využívající technologického zázemí a kapacit
výzkumných týmů IET na základě objednávky třetí
strany, nejčastěji průmyslového partnera. Jedná se
zejména o aktivity v oblasti biotechnologií (anaerobní
digesce), adsorpcí plynů a par na pevný adsorbent,
environmentální katalýzy, geografických informačních
systémů, redukčních termických procesů, materiálového
využití tuhých odpadů (zejména odpadních produktů z
výroby energie, spalování odpadů apod.), atd.
Obr. 2 Laboratoř anaerobní digesce (vlevo), poloprovozní fermentor (vpravo)
Fig. 2 Laboratory of anaerobic digestion (left), pilot fermenter (right)
Obr. 3 Laboratorní aparatura pro měření adsorpce VOC a NOx (vlevo), laboratorní aparatura pro pyrolýzu a zplyňování odpadů (vpravo)
Fig. 3 Laboratory apparatus for measuring adsorption of VOC and NOx (left), laboratory apparatus for pyrolysis and gasification (right)
4. Závěr
Ostravsko je oblast, která dlouhodobě trpí nepříznivými
podmínkami v oblasti životního prostředí. Jedním
z hlavních úkolů centra bude řešení problematiky
energetického využití odpadů, jež by vedlo k omezení
jejich skládkování. Nově vznikající výzkumné centrum
by tak mohlo výrazně pomoci k řešení narůstajících
problémů s nakládáním s odpady a s kontaminací
prostředí a svými výzkumnými výsledky by mohlo
přispět ke zlepšení stavu životního prostředí.
114
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Poděkování
Výzkumné centrum vzniká za podpory EU v rámci
řešení projektu č. CZ.1.05/2.1.00/03.0100 s názvem
„Institut environmentálních technologií“.
Základní údaje o projektu:
Název projektu:
Institut environmentálních technologií
Příjemce projektu:
VŠB – Technická univerzita Ostrava
Partner projektu:
Ostravská Univerzita v Ostravě
Místo realizace:
17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba
Ze života škol
Ředitel výzkumného institutu:
prof. Ing. Karel Obroučka, CSc.
Zahájení projektu:
1.1. 2011
Ukončení projektu:
prosinec 2013
Zahájení provozu:
leden 2014
Celkové způsobilé výdaje projektu:
270 564 199 Kč
Dotace poskytnutá EU:
229 979 569 Kč
Dotace ze státního rozpočtu ČR:
40 584 630 Kč
____________________________________________________________________________________________
Česká republika má v regionu největší konkurenční schopnost
Lidové noviny, ČTK
18. 5.2011
Česká republika v letošním žebříčku konkurenceschopnosti švýcarského International Institute for
Management Development (IMD) klesla o jedno místo na 30. pozici z 59 států. Proti loňsku si pohoršila
kvůli zařazení Spojených arabských emirátů, které dříve hodnoceny nebyly. Mezi postkomunistickými
zeměmi je však nadále nejlepší. Vyplývá to z ročenky, kterou vydává IMD. O první místo se dělí USA s
Hongkongem, loni vítězný Singapur je třetí.
Silnou stránkou české ekonomiky podle studie zůstává základní infrastruktura a otevřenost ekonomiky
nejen z pohledu obchodní výměny. ČR zůstává dobře hodnocena pro svou otevřenost vůči zahraničním
investorům. Nicméně i v tomto kritériu se již začíná posouvat směrem dolů. Ekonomika ČR už ale v
některých parametrech není hodnocena tak pozitivně jako v minulosti. V dílčím indexu celkové
ekonomické výkonnosti si dokonce pohoršila o dalších pět míst, a pokračuje tak pokles, který začal v roce
2009. Relativně dobrou zprávou je zlepšení vnímání vládní efektivity a efektivity business sektoru.
Z hlediska atraktivity jsou jako tři nejsilnější kritéria uvedeny kvalifikovaná pracovní síla, spolehlivá
infrastruktura a nízké operační náklady spolu se vzdělanostní strukturou. Nejhůře je naopak vnímána
oblast korupce, regulatorní zátěž a efektivita právního prostředí.
Ekonomické problémy vyspělého světa prověřují připravenost zemí čelit dlouhodobým problémům.
Pohled investorů v dotazníku tak odhaluje, že ČR je vnímána jako atraktivní zejména z hlediska cenové
konkurence a otevřenosti, nikoliv pro kvalitu podnikatelského prostředí. Cenová výhoda spolu s reálnou
konvergencí se časem vyčerpá a ČR bude muset stavět na jiných základech.
Kromě změny na čele, kde rozdíly zůstávají minimální, nastaly v žebříčku posuny i v dalším pořadí.
Švýcarsko si pohoršilo o jedno místo na pátou příčku, čtvrté je Švédsko. Ekonomické problémy zapříčinily
propad Řecka o deset míst na 56. příčku mezi Bulharsko a Ukrajinu. Po loňském propadu si o šest míst
polepšilo Finsko na 15. pozici, největší český obchodní partner Německo se posunulo také o šest míst
vzhůru a uzavírá první desítku. Jen o jednu příčku před ČR je Francie.
V jiném hodnocení konkurenceschopnosti, které loni v září zveřejnilo Světové ekonomické fórum (WEF),
Česká republika klesla na 36. pozici z předchozího 31. místa. Podle tohoto žebříčku má
nejkonkurenceschopnější ekonomiku na světě Švýcarsko. Ministerstvo průmyslu a obchodu představilo
novou strategii konkurenceschopnosti na roky 2012 až 2020, která má Česko dostat do elitní dvacítky
nejvíce konkurenceschopných zemí světa. Jejími hlavními pilíři jsou efektivní instituce, kvalitní
infrastruktura a ekonomika poháněná inovacemi.
SB
115
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Recenze
recenze
Jaroslav Nenadál, David Vykydal, Petra Halfarová
Model efektivního učení se a zlepšování
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
Několik posledních desetiletí se prakticky všechny organizace bez ohledu na
odvětví a velikost musí vyrovnávat s neustálými tlaky na zlepšování, inovace a
změny - od těch drobných (např. změny v používaných materiálech) až po ty
přelomové, jež mohou vést i k radikálním transformacím organizačních struktur,
informačních systémů, vytváření sítí s dodavateli apod. Na světě už to tak chodí,
že impulsy ke změnám a reformám pocházejí většinou z potíží, do kterých se
dostaneme. Také zrod benchmarkingu jako metody strategického managementu
byl takovým převratem. Podle Amerického centra pro produktivitu a jakost
(APQC) je benchmarking proces identifikování, poznání, převzetí a přizpůsobení
vynikající praxe a procesů z jakékoliv organizace ve světě. Benchmarking
pomáhá zlepšovat vlastní výkonnost. V oficiálním slovníku Americké
společnosti pro jakost (ASQ) je benchmarking definován jako technika, v jejíž
rámci organizace měří svou výkonnost v porovnání s organizacemi, které
představují světovou špičku, poznávají, jak tyto organizace světové výkonnosti
dosáhly, a využívají získaných informací ke zlepšování své vlastní výkonnosti.
Slovník controllingu (Praha 2007) uvádí, že benchmarking je analytický a
plánovací nástroj pro srovnávání vlastní firmy s nejlepším konkurentem v odvětví, resp. i s podniky z jiných
odvětví. Z obsahové analýzy ve světě respektovaných definic bechmarkingu vyplývá, že prakticky všechny jsou
spojeny s procesy zvyšování efektivity a většina z nich pak akcentuje i to, že jde o nepřetržitý proces s cílem získání
nových informací v rámci učení.
S metodou benchmarkingu se v české podnikové praxi dosud spojuje mnoho nedorozumění (ovlivněných silně
direktivním stylem řízení, absencí efektivního dialogu se zaměstnanci aj.), nejasností, omylů ("teď není vhodná doba
k bechmarkingu, teď musíme dělat jiné věci"), pochybností (např., že je vhodný pouze pro anglosaské prostředí a že
do střední Evropy nepatří), zkreslených představ a dezinterpretací. Nová a v našem prostředí dosud stále ojedinělá
monografie "Benchmarking - Mýty a skutečnost/Model efektivního učení se a zlepšování" (Management Press,
Praha 2011, 1. vyd., 266 s.) předního domácího odborníka prof. Ing. Jaroslava Nenadála, CSc. a jeho
spolupracovníků Ing. Davida Vykydala, Ph.D. a Ing. Mgr. Petry Halfarové z katedry kontroly a řízení jakosti
Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TU Ostrava si klade za cíl rozptýlit tyto asociované mýty a
představit benchmarking jako vysoce efektivní formu učení z "lepší praxe", která organizacím působícím prakticky
ve všech odvětvích a vystavovaným neustálým tlakem na zlepšování, inovace a změny pomáhá dosahovat trvalé
konkurenceschopnosti, a to díky účinnému a včasnému uspokojování nároků a potřeb jednotlivých zainteresovaných
stran, při dosažení optimální jakosti výkonů, s co nejmenší spotřebou zdrojů a s co nejnižšími náklady.
Publikace objasňuje podstatu benchmarkingu, jeho formy a typy (modely), shrnuje jeho význam, přínosy, etické
zásady (kodexy) a představuje i reprezentativní zkušenosti s ním. Přesvědčivě dokládá, že bychom měli
benchmarking považovat za metodu strategického managementu; přináší doporučení, jak benchmarking iniciovat,
plánovat a provádět, jak přezkoumávat jeho výsledky a jak jej dále rozvíjet. Autoři současně předkládají návrh
původního pětifázového modelu bechmarkingu, který počítá s iniciační, plánovací, analytickou, integrační a
realizační fází benchmarkingového projektu. V duchu tohoto navrženého univerzálního algoritmu je také členěn text
celé publikace. Autoři však zároveň také upozorňují na rizika a omezení benchmarkingu, na to, čeho se v zájmu
efektivního řízení celého projektu vyvarovat, a dovozují, proč musí být vlastní bechmarking provázen s realizací
změn a se zlepšováním.
Důležitou součástí knihy je případová studie uskutečněného benchmarkingového projektu založená na praktických
zkušenostech autorů; přílohu knihy pak tvoří slovník nejdůležitějších pojmů, které jsou s řešenou problematikou
bezprostředně spojeny.
116
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Recenze
Svým obsahem, ale i přehledným a přístupným způsobem zpracování by publikace měla oslovit široký okruh
manažerů všech typů organizací, poslouží také studentům vysokých škol technického a ekonomického zaměření.
Podle výsledků rozsáhlého průzkumu v britských organizacích, organizovaného v roce 2009, uvedlo 56 %
respondentů, že benchmarking přispěl v jejich podnicích ke zvýšení produktivity; 75 % respondentů by doporučilo
aplikovat benchmarking i těm organizacím, které jej zatím neprováděly; 77 % respondentů deklarovalo, že právě
benchmarking je dovedl k zásadním inovacím a změnám.
Don Tapscott, Anthony D. Williams
Wikinomie, aneb jak masová spolupráce mění svět a obchod
(Jak využít současné internetové trendy pro byznys)
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
Svět se mění... Už nikdy nebude takový jako dřív... To, co vypadalo před lety
jako bláznovství, je dnes realitou... V době masivního nástupu informačních a
komunikačních technologií, internetu a sociálních sítí se mění způsob organizace
a spolupráce lidí i organizací. Budoucnost spolupráce je odlišná a má jméno
Wikinomie. Je to rodící se vědecká disciplína na pomezí ekonomie, IT a
sociologie, která se zabývá "wikinomickými" principy masové intenzivní
spolupráce v internetovém prostředí měnícího se světa, obchodu a podnikání, ale
i v médiích, vědě, kultuře a státní správě. Díky internetu mohou lidé po celém
světě zavádět nové strategie v oblasti výroby zboží i služeb bez ohledu na zajeté
hierarchické struktury, malé i větší společnosti úspěšně přežívat v prostředí
ovládaném zákazníky, zaměstnanci a nízkonákladovými výrobci. Samotný
termín zavedli Kanaďané Don Tapscott a Anthony D. Williams, kteří jsou také
autory výjimečně užitečné, jasně formulované a názornými příklady obohacené
publikace "Wikinomie - Jak masová spolupráce mění svět a obchod", jejíž český
překlad (D. Franc, ředitel e-learningové společnosti Unison Studio, O. Zumrová)
z anglického originálu v prvním vydání připravilo pražské nakladatelství
FRAGMENT (2011).
V tomto podnětném průvodci jsou popisovány dosud největší změny v principech týmové práce v historii lidstva,
které právě probíhají nejen ve světě byznysu; můžeme je pozorovat na trzích na celém světě: čím více
spolupracujeme, tím více toho získáme. Wikinomie znamená:
1.
2.
3.
4.
Rovnocenné propojování (Peering) - způsob spolupráce lidí a organizací nepřímo, sebeorganizovaně a síťově
(rovnocenná spolutvorba nahrazuje dosavadní hierarchické formy spolupráce daleko kolaborativnějším
modelem).
Sdílení (Sharing) - princip, který posouvá dosavadní proprietární uvažování o výrobcích, duševním vlastnictví
a vědeckých znalostech směrem k jejich sdílení a společnému rozvíjení.
Otevřenost (Openness) - otevřené přístupy týkající se nejen standardů a obsahu, ale i finanční transparentnosti a
otevřené mysli vůči externím idejím a zdrojům.
Globální jednání (Acting Globally) - působení na globální úrovni i ve smyslu překonávání fyzických a
geografických bariér na úrovni korporace, firmy i jednotlivce.
Vedle dvou úvodních kapitol (Wikipedie-umění a věda rovnocenné spolutvorby, Dokonalá bouře - jak propojená
technologie, demografie a globální ekonomika vytváří v byznysu zemětřesení na 10. stupni Richterovy škály) a
závěrečných pasáží (Podnik druhé generace, Kolaborativní mozky) je text uspořádán do sedmi přehledných statí
podle modelů, na kterých Wikipedie staví:
I. Rovnocenná spolutvorba: spolutvořící lidé využívají principy open source (počítačový program s přístupným
zdrojovým kódem) a rovnocenného propojování pro vytváření produktů vyrobených z bitů - od operačních systémů
po encyklopedie.
II. Ideagory (novotvar - složenina "idea" = myšlenka a "agora" = místo pro sromažďování davu v Athénách):
globální trh myšlenek, inovací a specificky talentovaných lidí, který mohou využít firmy, organizace i jednotlivci k
rozšíření své schopnosti řešit různé problémy.
III. Prozumenti (prozumer - zkrácenina slov "professional" nebo "producer" a "consumer"): prozumentské komunity
mohou být neuvěřitelným zdrojem inovací, pokud společnosti svým zákazníkům poskytnou nástroje, které potřebují
117
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Recenze
pro tvorbu hodnot.
IV. Noví Alexandriáni: přicházejí s novým modelem kolaborativní vědy, který sníží náklady a zvýší tempo
technologického pokroku v jejich vědeckých a výzkumných ústavech.
V. Participační platformy: vytvářejí globální pódium, na kterém rozsáhlé partnerské komunity vytvářejí hodnotu a v
mnoha případech i nové firmy.
VI. Globální tovární haly: spoutávají a využívají sílu lidského kapitálu, procházejícího napříč hranicemi států a
firem, pro návrh a konstrukci hmotných věcí.
VII. Wiki pracoviště: zvyšují tvorbu inovací a jdou napříč organizačními hierarchiemi.
Hans G. Dosch
Za hranicemi nanosvěta
(Recenze Ing. RNDr. Bohumil Tesařík)
Snad nejvíce Nobelových cen za fyziku bylo uděleno za pochopení světa
elementárních částic, do kterého pronikají vědci od poloviny minulého století
pomocí stále rozsáhlejších experimentů a stále velkolepějších teorií. Legendární
spoluzakladatel kvantové elektrodynamiky americký profesor Richard Philips
Feynman již v roce 1959 ve své nobelovské přednášce řekl: "Příroda již miliony
let pracuje na úrovni atomů a molekul, proč to nemůžeme dělat my?" s vtipným
dodatkem "Tam dole je spousta místa". Když mluvíme o nanosvětě ("nanos" v
řečtině znamená "trpaslík") - říši atomů a molekul, máme na mysli útvary, které
jsou menší než 100 nanometrů (nm), přičemž jeden milion nanometrů tvoří pouhý
milimetr (jeden nano-prvek je ve srovnání s fotbalovým míčem tak malý, jako
fotbalový míč oproti zeměkouli). Na této úrovni vykazuje hmota nové a často
překvapivé vlastnosti a mizí hlediska mezi zavedenými vědeckými a technickými
obory. Nanotechnologie již dnes ovlivňují medicínu a farmacii, informační
technologie a elektronický průmysl, strojírenství, stavebnictví aj. Mnohým z nás
slovo "nano" (přitom neznamená nic jiného, než miliardtinu) asociuje budoucnost,
převratné objevy, těm zasvěceným i dobrodružství ve světě vědy.
Vynikající úvod do velmi napínavé oblasti fyziky částic představuje kniha emeritního profesora teoretické fyziky na
univerzitě v Heidelbergu Hanse G. Dosche "Za hranicemi nanosvěta", jejíž překlad z německého originálu (Jenseits
der Nanowelt) s podtitulem "Leptomy, kvarky, kalibrační bosomy" vydalo ve své oblíbené edici Gerstner (přináší
nejnovější práce českých i zahraničních vědců z oboru matematiky, fyziky a techniky, splňující požadavek vysoké
odborné úrovně a netradičního přístupu k řešení tématu) nakladatelství Academia (Praha 2011, 1. vyd., 264 s., ISBN
978-80-200-181-7).
Jako vodítko slouží autorovi historický vývoj, přičemž vždy zdůrazňuje souhru mezi teorií a experimentem.
Počínaje kvantovou fyzikou je čtenář seznamován s důležitými stupni, které nakonec vedly k dnešnímu
standardnímu modelu fyziky elementárních částic. Tato cesta vede přes kvantovou elektrodynamiku, symetrii,
"zoologickou zahradu" částic, kvarkový model, sjednocenou elektroslabou interakci až ke kvantové
chromodynamice (teorii silných interakcí). Ve zvláštní kapitole je Hansem G. Doschem pojednán i zcela aktuální
vývoj standardního modelu, jako např. diskuse oscilací neutrin, supersymetrie nebo teorie strun. Celý text zaujme
svým svěžím, jasným jazykem, názornými výklady a zajímavými analogiemi i filozofickými poznámkami. Malé
anekdoty z vědeckého života odlehčují výklad některých jinak obtížných témat. Autor se vyhýbá matematickým
vzorcům, poskytuje je však na webové stránce knihy čtenáři, který se zajímá o látku hlouběji.
Kniha je ideální četbou pro vysokoškolské studenty v prvních semestrech a pro pokročilé studenty nejvyšších
ročníků středních škol, pro opakování před zkouškami, pro učitele na gymnáziích a všechny ostatní zájemce o tento
speciální obor. Potěšení v knize najdou však jistě i "lidé praxe" a zainteresování laici.
118
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Společenská kronika
společenská kronika
Ing. Jaromír Kupka se rozloučil s hutnickou obcí
Ing. Jaromír Kupka se s hutnickou veřejností rozloučil na 27. konferenci
Ocelářů v Roţnově [1], která proběhla ve dnech 6. – 7.4.2011 v hotelu
RELAX v Roţnově pod Radhoštěm.
Kaţdé fotbalové muţstvo má své útočníky, obránce, brankáře, ale i manaţéra
a člověka, který vše z povzdálí zajišťuje a řídí. Obdobné je to i u naších
konferencí, které pořádáme. I pro jejich zdárný průběh je nezbytná osobnost,
která zdánlivě není v prvním pohledu vidět, ale bez ní by nemohly řádně
probíhat. A tou je (vlastně byl) Ing. Jaromír Kupka. My účastníci konferencí,
přednášející nebo moderátoři konferenčních sekcí přijdeme obrazně řečeno
„k hotovému“. Prostě se dostavíme a na příslušné konferenci jsou jiţ
shromáţděni účastníci, kteří dostali pěkně uspořádané sborníky, je zajištěna
potřebná technika atd. A o tom, kdo obstaral všechny náleţitosti od místa
pořádání semináře nebo konference, pozvánek atd. se mnohdy ani neví. Navíc
kdyţ vznikne (nebo my účastnici konference zapříčiníme) nějaký problém,
tak jeho vyřešení převádíme na tyto osoby v pozadí.
Podívejme se alespoň v krátkosti na čtyřicetiletou obětavou práci pana Ing. Jaromíra Kupky pro organizaci
konferenci a seminářů v oblasti hutnictví. Jaromír Kupka se narodil 23.4.1937 v Opavě. Absolvoval hutnickou
fakultu n VŠB v Ostravě, kterou úspěšně zakončil inţenýrským titulem v roce 1960. Poté pracoval aţ do roku 1964
v tehdejší Nové huti v Ostravě na kontidrátové trati. V roce 1965 nastoupil do Domu techniky Československé
vědeckotechnické společnost (ČSVTS) jako oborový inţenýr pro hutnictví a strojírenství. Tam prakticky začala
jeho práce v oblasti organizace a zajišťování konferencí a seminářů v hutnictví. Od r. 1995 pokračoval ve stejné
činnosti u společností TANGER, s.r.o.
Podívejme se alespoň přehledně na konference, které náš kolega Ing. Jaromír Kupka organizoval:
Úvodní byly známé „Konference elektroocelářů“. Jejich odbornými garanty byli Ing. Jan Chvojka, CSc. a zesnulý
prof. Ing. Zdeněk Bůţek, CSc. Ty byly pořádány ČSVTS od roku 1965 většinou s dvouletou periodou. Bylo tak
uspořádáno celkem 12 těchto konferencí.
Další z konferencí byla „Výroba oceli kyslíkovými pochody“. Tu odborně garantoval opět Ing. Jan Chvojka CSc.
Jejich začátek se datuje do roku 1975. Bylo jich uskutečněno celkem šest.
Nemůţeme opomenout spíše teoretické konference „Fyzikálně- chemické pochody při výrobě oceli“. Ty odborně
zaštiťoval jiţ dávno zesnulý prof. Ing. Teodor Myslivec, DrSc. Jejich počátek byl v r. 1972 a bylo jich deset.
Náš výčet konferencí, které organizačně zajišťoval Ing. Jaromír Kupka, by nebyl úplný, kdybychom nepřipomněli
„Ţárovzdorné materiály“. Prof. Ing. Pavel Hašek, CSc. u nich garantoval jejich odbornou úroveň. Začaly být
organizovány v roce 1995. A bylo jich uspořádáno celkem osm.
Kromě konferencí, které se zaměřovaly na ocelářství Ing. Kupka také organizačně zajišťoval celou řadu dalších
mezinárodních konferencí. Jmenujme "Taţírenské konference" ve spolupráci s ŢDB Bohumín, s.p. Těch bylo osm.
Ve spolupráci s VÍTKOVICEMI, s. p. připomeňme známé mezinárodní konference vysokopecařů. Jejich počet
dosáhl devíti. Nemůţeme opomenout konference "Tvařitelnost ocelí" (k nim se také řadí velice úspěšný
několikadílný „Kurz tvařitelnosti“ pro pracovníky z praxe i akademickou sféru – pozn. red.) a konference "CREEP".
Bohuţel většina z nich zánikem ČSVTS nenašla pokračovatele a zanikla.
Po roce 1989 s poklesem hutní výroby jak v Československu tak i následně v České republice se projevila nutnost
s ohledem na účast sníţit počet konferencí s ocelářskou tématikou. Tak vznikla konference „Teorie a praxe výroby a
zpracování oceli“ s poněkud univerzálním zaměřením, která pokračuje dodnes. Z počátku byl odborným garantem
119
Společenská kronika
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
těchto konferencí Ing. Jan Chvojka, CSc. Po jeho odchodu do důchodu se ujal této úlohy prof. Ing. Jiří Baţan, CSc.
Konference si udrţuje jiţ delší dobu stálou tématickou náplň, která zahrnuje skoro celou škálu témat oboru výroby a
zpracování oceli.
Kupodivu i přes různé krizové situace si konference udrţela svoji dobrou odbornou úroveň díky dobré spolupráci
s odborníky našich oceláren a vysokých škol. Co je však nejvíce potěšitelné, konference se v průběhu let výrazně
omladila. A to je i zárukou jejího dalšího pokračování. Příznačné pro tuto konferenci je tradičně i vysoká účast
výrobních podniků. Zúčastňují se jí prakticky odborníci ze všech našich oceláren, sléváren, vysokých škol a
výzkumných ústavů. A to jak z České a Slovenské republiky tak i z Polska a dalších zemí.
My přenášející jsme Ing.Kupkovi situaci mnohdy nijak neulehčovali. V přípravě konferencí musel Ing. Kupka často
řešit nenadálé situace se zpoţděnými termíny dodání příspěvků tak, aby vše pro konference bylo včas a pořádku
připraveno. Nezřídka musel suplovat i autora, který nedostatečným soustředěním nebo omylem dodal text
příspěvků s chybami. K těmto jeho hlavním pracovním aktivitám můţeme připočítat jeho další aktivity v metalurgii.
Za to patří Ing. Jaromíru Kupkovi poděkování.
Své pomyslné ţezlo na zmíněné 27. konferenci Ing. Kupka předal Ing. Kateřině Sanetrníkové. Věříme, ţe i nadále
budou konference slouţit ocelářům a dalším oborům v hutnictví jako v předcházejících 40 letech. Takţe Jaromíre,
děkujeme ti za Tvou obětavou práci pro obor a věříme, ţe Tvoje nástupkyně bude úspěšně pokračovat v Tvé cestě.
Literatura
[1] Oceláři, 27. ročník ocelářské konference Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, 6.-7. 4. 2011. s.1 - 252, ISBN 978-80-87294-21-5
Za kolegy oceláře doc. Ing. Václav Kafka, CSc.
_____________________________________________________________________________________________
MMK čelí antimonopolnímu šetření cen tlustých plechů
SBB
30.5.2011
Ruská federální antimonopolní služba (FAS) zahájila šetření cen účtovaných MMK (Magnitogorsk Iron &
Steel), který je obviněn z porušení federálního zákona o korektní soutěži. Podle FAS šetření následuje po
stížnosti ruských výrobců velkoprůměrových trubek ChelPipe a TMK.
MMK jako jedna ze dvou ruských oceláren vyrábějících tlusté plechy větších šířek (Severstal je další)
údajně v prvním čtvrtletí 2011 zvedla ceny svých tlustých plechů, protože se jí zvýšily výrobní náklady
v důsledku zvýšení surovinových nákladů. Podle výrobců trubek je to porušení dohody o udržení pevně
stanovených cen do 31. března 2011. Pozorovatel trhu říká, že TMK a ChelPipe nebyly schopny přenést
toto zvýšení na svého největšího zákazníka – energetického giganta Gazprom, protože plynárenské
společnosti prodávají na základě dlouhodobých kontraktů.
Šetření má být pravděpodobně uzavřeno do tří měsíců. Podle pozorovatelů v průmyslu FAS
pravděpodobně doporučí výrobcům trubek, aby ve svých kontraktech s odběrateli používali pro výpočet
ceny rovnici, která bere v úvahu surovinové náklady, přestože málokdo věří, že naftařské a plynárenské
společnosti by k takové podmínce přistoupily.
LZ
120
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Výstavy, veletrhy, konference
výstavy, veletrhy,
konference
Mezinárodní veletrh HANNOVER MESSE 2011
Jedna z nejvýznamnějších přehlídek techniky a
technologií HANNOVER MESSE 2011, která
proběhla ve dnech 4. – 8.4.2011 v německém
Hannoveru,
byla
před
jejím
uskutečněním
komentována v Hutnických listech č. 2/2011, roč.
LXIV, s. 101 – 103. Nyní je zde podán přehled
prezentovaných inovací v dalších oborech, jejichž
obsah je součástí komplexního veletrhu:
Smart-Grid a mají být mimo jiné používány
k energeticky úspornému spojení mezi výrobci energie
a provozovateli sítí.
Supravodiče
Jako inovační stavební prvek zásobování a distribuce
energie mají supravodiče na předním veletrhu Energy své
pevné místo. Supravodiče samotné oslaví v roce 2011
hned dvě výročí. Jednak letos patří sté jubileum objevení
fenoménu supravodivosti a jednak byla před 25 lety
objevena
třída
vysokoteplotních
supravodivých
materiálů. Na veletrhu HANNOVER MESSE byl oslavou
těchto výročí stánek SuperConductingCity, na kterém se
podílí Průmyslový svaz supravodičů, Technologické
centrum VDI a společnost Conectus. "Technologické
centrum VDI se zabývá tématem supravodivosti od
samého začátku, protože tento obor bude do budoucna
jako klíčová technologie hrát v energetice rozhodující
úlohu při bezpečném zásobování energií.
K demonstraci aktuálních aplikací a nových vizí stánek
SuperConductingCity
letos
poprvé
prezentoval
animovaný interaktivní názorný model "supravodivého
města". Technologická stezka znázorňuje v něm koncepci
a produkty na bázi supravodičů a jejich hlavní oblasti
využití. Vystavovatelé představily inovační postupy a
produkty – od technologií pro výrobu materiálů, přes
supravodivé kabely, omezovače proudu a transformátory
až po generátory a motory.
Společnost Bruker Energy & Supercon Technologies
(BEST)
společně
se
společností
AREVA
Energietechnik, která je dceřinou firmou společnosti
Schneider Electric und Alstom Grid, a městskými
podniky Augsburg představila nový typ rychlých
omezovačů proudu (iSFCL) na ochranu sítě, které se
samy aktivují a - typicky pro supravodiče automaticky regenerují při každém nedostatečném
proudu. Rychlé omezovače proudu iSFCL jsou
koncipovány pro budoucí vývoj inteligentních sítí
Leibnitzův ústav pro výzkum pevných látek a materiálů
Leibniz-Institut
für
Festkörperund
Werkstoffforschung Dresden (IFW) - vystavil
supravodivou visutou dráhu Supratrans, která využívá
současně několik vlastností supravodičů. Jednak
zchlazené pod kritickou teplotu vedou elektrický proud
bez ztrát a jednak mohou v zadané pozici zmrazit
magnetické pole. Tím bude možné, aby se magnetické
smýkadlo, které spočívá na cca 15 kilogramech
supravodiče YBCO chlazeného dusíkem, pohybovalo
na magnetické kolejnici, a to ve stejné vzdálenosti, aniž
by se posunovalo do strany. Ústav IFW realizoval na
tomto principu zařízení dlouhé dokonce 80 m
s dvojmístným magnetickým smýkadlem.
Společnost Nexans SuperConductors GmbH (NSC)
předvedla materiály, komponenty a systémy na bázi
vysokoteplotních supravodičů (HTS). Firma uvedla do
provozu v německé elektrárně poprvé na světě
rezistivní supravodivý omezovač proudu (SSB) a tímto
přístrojem na konci roku 2010 úspěšně završila rok
trvající test. Mimo to realizovala první supravodivý
kabel pro přenosová napětí a v poslední době úspěšně
vyzkoušela kabel 200-kV-HTS-DC. Do portfolia firmy
dále patří flexibilní kryostaty pro velmi chladné
kapalné plyny. V rámci stánku SuperConductingCity
podnik předvedl modely supravodivých kabelů a
omezovačů proudu, na kterých je zřejmá struktura a
fungování, jakož i výhody této velmi účinné
technologie.
Společnost Zenergy Power má ve svém programu
omezovače chybného proudu a generátory na bázi
supravodiče pro větrné a vodní elektrárny. Induktivní
omezovače chybného proudu firmy Zenergy Power
omezují chybné proudy, aniž by došlo k přerušení
zásobování energií. Tím nejen přispívají k bezpečnosti
technického vybavení energetické sítě, ale rovněž
k bezpečnosti dodávek zákazníkům. Generátory pro
supravodiče mají v oblasti obnovitelných energií oproti
konvenčním generátorům na bázi mědi a generátorům
s permanentním magnetem významné výhody z
121
Výstavy, veletrhy, konference
hlediska hmotnosti a velikosti. Pro výrobu jednoho
méně vzácných zemin než pro výrobu generátorů
s permanentními magnety. Generátory pro supravodiče
jsou kromě toho v provozu s částečným zatížením
podstatně účinnější než jiné typy generátorů.
Společnost American Superconductor (AMSC)
představila svůj nový vysokoteplotní supravodivý
kabel Amperium. Tento kabel jako jediný dokáže ve
vysokonapěťové elektrické síti přepravit tolik proudu,
kolik potřebuje 10 000 domácností. Díky vysoké
hustotě proudu na malém prostoru umožňují
supravodiče hospodárnou realizaci celé řady
progresivních technologií, jako jsou například vysoce
účinné inteligentní sítě Smart Grids nebo turbiny
větrných elektráren, které mohou při stejné velikosti a
hmotnosti vyrábět dvojnásobné množství proudu než
konvenční technologie. Vedle probíhající instalace v
elektrické síti v USA se nyní nový supravodič HTS
instaluje i v Jižní Koreji.
Společnost
SuperPower
se
specializuje
na
vysokoteplotní
supravodiče
a
stánek
SuperConductingCity prezentoval kabel SuperPower
2G HTS, který je k dostání v různých šířkách a
tloušťkách a může být používán v různých aplikacích.
Speciální výrobní procesy umožňují společnosti
SuperPower dodávat řadu variant kastomizace.
Strukturu supravodičů lze díky různému složení
materiálu přizpůsobovat rozmanitým požadavkům.
Volitelný je rovněž výběr izolace a spojovacích prvků.
Mimoto nabízí firma SuperPower nové složení kabelů
pod názvem Advanced Pinning (AP-Kabel), které
dosahuje dobrého výkonu při různých teplotách
v různých magnetických polích. Takto lze snižovat
náklady při využívání supravodičů, protože téhož
výkonu lze dosáhnout s menším množstvím materiálu.
Galvanotechnika
Mimořádná přehlídka „Svět povrchu“, kterou
organizuje Ústřední svaz povrchové techniky ZVO
v rámci veletrhu
SurfaceTechnology, představila
kompletní proces povrchové úpravy od předúpravy
přes galvanizaci, chemické inženýrství a strojní
vybavení až po řízení kvality.
Společnost AHC Oberflächentechnik GmbH ve svém
závodě v Kerpenu uvedla do provozu nové zařízení na
úpravu povrchu.
Rozměrné díly z hliníku
přesahujících délku 7 m zde mohou procházet
povrchovou úpravou technologií HART-COAT®.
Metodou tvrdého eloxování se elektrolyticky vytváří na
povrchu obrobku ochranná vrstva AL2O3. U
nejrůznějších druhů dílů je tak zajištěna ochrana
například proti opotřebení a korozi. Variantou postupu
DNC 771 bez využití olova rozšiřuje společnost AHC
Oberflächentechnik paletu svých chemických postupů
s využitím niklu, které jsou známé pod značkou
DURNI-COAT®. Metoda DNC 771 patří k postupům
niklování chemickým niklem. Vytvářejí se povrchy,
které jsou velmi odolné proti opotřebení. Nanášením
směsného oxidu chromu bez mikrotrhlin se vytvoří
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
generátoru pro supravodiče je zapotřebí významně
černá vrstva s vysokým stupněm absorpce světla,
nízkým koeficientem tření a lepší odolností proti
korozi.
Společnost Atotech Deutschland GmbH představila
proces tvrdého chromování GravurChrom® pro
hlubokotiskové válce, kterým se vytvářejí extrémně
tvrdé hladké povrchy. Konverzní vrstvou Interlox
5705 mimo to společnost Atotech vytváří alternativu
běžného zinkování a fosfátování, které neobsahuje
těžké kovy a vyžaduje nižší počet technologických
kroků. Technologií povlakování zinkovými lamelami
Zintek® Black společnost Atotech nyní nabízí systém
úpravy povrchu, který je jako jediný schválený ve
společnosti Volkswagen a který odpovídá požadavkům
specifikace TL 180 na černé povrchy. Kombinace
jedinečného černého postupu Basecoats Zintek® 300 B
se speciálně uzpůsobeným postupem Topcoat
Techseal® Black utváří mimořádně rovnoměrný tmavě
černý vzhled.
Poradenská a obchodní agentura Yuri Hering
představila na veletrhu SurfaceTechnology titanové
produkty, přístroje na měření tloušťky vrstev,
energetickou účinnost v technice odpadního vzduchu,
filtrovací techniku, jako jsou anodové sáčky nebo
tkaniny pro komorové kalolisy, pomocné prostředky
k vločkování a filtrová čerpadla. Mimo to byla paleta
produktů rozšířena o nové filtry z různých materiálů.
Jedním z vrcholů veletrhu byl postup EnviralloyNiFlex™-12 společnosti MacDermid GmbH. Díky
přesně stanovenému podílu niklu a struktuře vrstev
s mikrotrhlinami jsou snadno umožněny rovněž
deformace vrstev o tloušťce 10 – 15 µm. Novými
inovovanými postupy Iridite-NR4-T a Iridite-EXD lze
ekologicky a bez použití chromu před práškovou
povrchovou úpravou předupravovat hliníkové povrchy,
povrchy hliníkových odlitků a žárově zinkované
povrchy. Oba procesy se vyznačují výbornou ochranou
před korozí, optimální přilnavostí a vysokou
hospodárností.
Společnost MTV Metallveredlung GmbH & Co. KG
spolu se svými partnery poprvé představila postup
povlakování NiL35® s odolností proti mořské vodě se
zvýšenou tvrdostí povrchu 750 HV0,1 a inovační
postup NICABOR® zajišťující vynikající odolnost
proti opotřebení. Metoda povrchové úpravy NiL35® se
nyní stále více využívá na volném moři a na pobřeží u
palubních a pontonových jeřábů nebo také u armatur a
vybavení lodí, které se dosud vyrábělo z masivního
bronzu nebo z drahé ušlechtilé oceli.
Společnost MUNK GmbH představila svou koncepci
přístrojů PowerRack, která umožňuje uspokojení
požadavků v galvanotechnice. Integrativní inteligentní
koncepce PowerRack cíleně odhaluje
modulární
funkční poruchy a tím minimalizuje odstávky provozu.
Společnost Raschig GmbH vyrábí speciální organické
chemikálie do galvanických lázní a surovinu pro
122
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
přípravu zesvětlovačů pro leskle niklovací lázně,
kyselé mědění, kyselé zinkování, alkalické zinkování a
ušlechtilé kovy.
Metalurgický a strojírenský závod Ernst Reinhardt
GmbH dodává zařízení na úpravu povrchu sypkého
materiálu a zařízení na povrchovou úpravu dlouhých
dílů ponorem. Pro úpravu povrchu šroubů, matic a
jiných závitových dílů firma Reinhardt vyvinula své
patentově chráněné zařízení s dvoukomorovým
bubnovým systémem, šetrné k závitům. Tento
technologický systém je spojením velmi vysokého
výkonu s dosud nebývalou kvalitou povrchu rovněž u
problémových dílů s vnitřní korozí a jemných závitů.
Pro povrchovou úpravu dlouhých dílů dodává firma
Reinhardt nejmodernější zařízení na předúpravu a
úpravu povrchu různými metodami.
Firma Franz Rieger Metallveredlung vystavila vysoce
moderní bubnové zařízení na galvanizaci sypkých
materiálů, obzvláště pro úpravu základních materiálů
jako je hliník, měď, mosaz a železo, a pro povrchovou
úpravu niklu, cínu a mědi. Na příkladu
pochromovaných vstupních lišt pro vozidla výrobce
automobilů Rolls-Royce firma předvedla úpravu
vysoce kvalitních povrchů u luxusních automobilů.
Společnost SurTec Deutschland GmbH představila
technologii SurTec 650 chromitAL® k práškové
úpravě povrchu hliníku, kterou lze jednoduchými
titrimetrickými metodami dosáhnout mimořádné
bezpečnosti
procesu
prostřednictvím
kontroly
hmotnosti vrstev. Představila tři nové postupy pro
dekorativní pochromování trojmocným chromem na
bázi sulfátu: metodu SurTec 881 ACL Shield k úpravě
povrchu zvláště tlustých vrstev proti korozi CaCl2,
metodu SurTec 882 BK Shadow na úpravu povrchu
tmavých působivých chromových vrstev s rhuteniovým
vzhledem a metodu SurTec 883 EX White k povrchové
úpravě velmi bílých vrstev. Všechny tři postupy
přinášejí uživatelům ekologické i ekonomické výhody.
Příprava lázně i úprava odpadní vody je snadná. Firma
SurTec se specializuje na recyklovatelné modulární
čisticí systémy. V Hannoveru ukázala několik příkladů
z praxe. Metoda SurTec-609 bez využití fosfátu
dosahuje minimálně kvality fosfátování železem. U
speciálních aplikací lze dokonce dosáhnout standardu
kvality fosfátování zinkem. Byla zde představena také
nová
metoda
pasivace
tlustých
vrstev
s optimalizovanou strukturou nákladů na proces.
Pod názvem produktu TIB Corrotest nabízí společnost
TIB Chemicals AG svým zákazníkům řešení určené ke
kontrole, které je již možno aplikovat. Tím uživatel
ušetří nejen vícenáklady na drahý nákup jednotlivých
surovin a přípravu řešení. Oběma komponentami TIB
Corrotest A a B zajišťuje společnost TIB Chemicals
AG také jednotnou materiálovou bázi pro kontroly a
tím lepší srovnatelnost výsledků.
Nová elektrolytická metoda s využitím černého
rhutenia RUTHUNA 490 společnosti Umicore Galvanotechnik GmbH přináší hned dvě významné
Výstavy, veletrhy, konference
výhody: Jednak může povrchová úprava probíhat
přímo na bronzových nebo niklových vrstvách, protože
drahé paladiové nebo zlaté mezivrstvy odpadají, a
jednak se vyznačuje rhuteniová vrstva vysokou
odolností proti otěru, což je výhodou obzvláště
v oděvním průmyslu. Metoda RUTHUNA 490 je pro
svou vysokou odolnost proti otěru vhodná k použití bez
následného uzavíracího nátěru a přináší proto velkou
úsporu nákladů.
Společnost Vopelius Chemie AG využívá roztok
zinečnatanu sodného místo zinku, který se sám
rozpouští v rozpouštěcí nádrži. Příprava roztoku,
regenerace a řízení probíhají rychle a bez velké
pracnosti. Firma již léta prodává fosfornan sodný
speciálně pro využití u chemického niklu. Po rozšíření
palety produktů nyní firma nabízí síran nikelnatý, který
odpovídá vysokým požadavkům na chemický nikl.
Aby snížila závislost na surovinovém trhu, vyvinula
společnost Zeschky Oberflächen metodu ZPROTECTION®, která zajišťuje náhradu niklu.
Alternativy firmy Zeschky se vyznačují nezávadností
při otěru. Případy alergických reakcí vzniklých
kontaktem nejsou známé. V řadě případů je možno
ušlechtilou ocel nahrazovat s využitím metody ZPROTECTION®. Pro šrouby, malé ohýbané výlisky a
díly z ohýbaných drátů pro nábytkářský průmysl,
spotřební a automobilový průmysl vyvinula firma
Zeschky nový výkonný povrch. Dodává v sériích
tmavě černé systémy povrchů ze série ZPROTECTION® s extrémně vysokou ochranou proti
korozi. Matný i lesklý povrch je odolný proti
poškrábání a jeho barvy jsou v ultrafialovém světle
stabilní.
SurfaceTechnology
Technika povrchových úprav a potahování se prosazuje
stále více jako významná průřezová technologie, která
spojuje nejrůznější odvětví a řetězce tvorby hodnot.
Veletrh SurfaceTechnology pokrývá celé spektrum od
předúpravy a čištění přes lakování a galvanotechniku
až po plazmovou technologii a nanotechnologie
Od čištění dílů
nanotechnologií:
až
po
potahování
pomocí
C oboru povrchové techniky stoupají na celém světě
nároky na technologie a hospodárnost. Inovační cykly
se zkracují a jsou motorem průmyslové výroby. Staré
známé materiály nabývají současně s funkcionalizací
na významu, nové materiály přinášejí nové vlastnosti
povrchů. Ať při vývoji nových laků na bázi vody, resp.
systémů potahování s vysokým podílem pevných látek
a nízkým podílem ředidel, nebo při výrobě nových
fotonických pamětí pomocí plazmové technologie –
všude je velmi patrné těsné spojení mezi povrchovou
technikou a oblastí nových materiálů. Styčné body má
SurfaceTechnology
mimo
jiné
s předním
mezinárodním veletrhem průmyslových subdodávek a
lehkých konstrukcí Industrial Supply. Povrchová
úprava lehkých stavebních materiálů, jako jsou kovy
123
Výstavy, veletrhy, konference
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
(slitiny hořčíku a hliníku) a polymery (například
sklolamináty), je oblast s rostoucím významem,
protože se tyto materiály stále více využívají i
v leteckém průmyslu kosmickém průzkumu.
Na společném stánku SurfPlaNet byla v centru
pozornosti plazmová technika. Věda, výzkum a
průmysl představují inovační produkty a aplikace
plazmové povrchové techniky.
Firma CemeCon
z Würselenu
(Nordrhein
Westfalen)
předvedla
technologie potahování, které je možno zavést do
praxe. Technickými úpravami a přizpůsobováním
substrátu, geometrie a potahování pro dané využití
vzniká vysoce kvalitní povrchová úprava přesných
nástrojů a dílů. Využívání technologie PVD
(sputtering) a technologie s nasazením diamantu
vytváří maximálně tvrdé, rovné a přilnavé povrchy,
které zvyšují výkon nářadí a umožňují hospodárné
zpracování moderních materiálů. Totéž platí i pro
postupy plazmové úpravy atmosférickým tlakem
metodou
corona,
kterou
na
veletrhu
SurfaceTechnology nabídne a předvede firma Tigres
Dr. Gerstenberg GmbH. Zařízení se využívá pro
předúpravu při potisku a lepení umělých hmot, kovů,
skla, keramických materiálů a dřeva.
Stejně jako v oblasti lehkých konstrukcí hraje i
v procesovém řetězci techniky povrchové úpravy
rozhodující úlohu využívání energie. To platí
především pro lakovací linky. Toto odvětví se
v minulých letech vzhledem ke stoupajícím cenám za
energie možnostmi úspor intenzívně zabývalo. Svaz
německých výrobců strojů a zařízení (VDMA) vyvinul
prognostický model, který umožňuje provádět analýzy
spotřeby energie na míru u nabídek pro zákazníky,
kteří kupují novou lakovací linku nebo si dávají
přestavět stávající linku.
Také Ústřední svaz povrchové techniky (ZVO) byl
zastoupen
na
veletrhu
SurfaceTechnology
mimořádnou přehlídkou „Svět povrchu“, která pokrývá
celý procesový řetězec úpravy povrchů. Odvětví se
nepochybně stále více zaměřuje na ekologické procesy,
přičemž převládají výroba a úspory energie. Nadále
pokračuje trend technologií galvanických lázní, které
zajišťují po delší dobu stálé vlastnosti vrstev a přitom
vzniká poměrně malé množství odpadu. I tímto
způsobem dochází k úspoře zdrojů.
Fenomény a strukturami z nanosvěta se zabývá
platforma B2B SchauPlatz NANO. Mimořádná
přehlídka prezentoval řešení, která se již mohou
uplatnit na trhu, a aplikace využívající produkty
s vylepšenými vlastnostmi. Nanotechnologie nabízejí
nová řešení pro řadu průmyslových aplikací a postupů.
V převážné většině případů konkrétního využívání
dnes „nano“ znamená technologie pro úpravu povrchů
Plazmová předúprava nejrozmanitějších materiálů:
red.
(podle Deutsche Messe AG)
STAINLESS 2011 potvrdil velký zájem ze zahraničí
Krátce po prvním oznámení termínu konání 6th
International Stainless Steel Congress - Stainless 2011,
se opět přihlásilo k účasti na tomto specifickém veletrhu
ocelářského průmyslu mnoho firem. Ve dnech 17. - 18.
května 2011 tak již podruhé v prostorách brněnského
výstaviště více než tisícovka návštěvníků viděla
expozice, které z více než 80 % tvořili zahraniční
vystavovatelé.
Potvrdil se tak fakt, že český trh se surovinami a
materiály pro výrobu korozivzdorných ocelí, hutními
polotovary, výrobky z nerezavějících ocelí a výrobky
sléváren, kováren a lisoven je pro zahraniční partnery
více než zajímavý. Nechyběla ani výpočetní, zkušební a
měřicí technika pro korozivzdorné oceli nebo expozice
určené pro oborový výzkum, služby a instituce. Součástí
veletrhu byl již tradičně rozsáhlý kongresový program,
který zajistil souběžně probíhající Stainless Steel
Congress. Mezinárodní kongres korozivzdorných ocelí,
který se koná v České republice každé dva roky, se již
zařadil
mezi
nejdůležitější
události
branže
korozivzdorných ocelí, a to ve světovém měřítku.
Kongres Stainless 2011 přinesl i v letošním roce mnoho
nového.
Mezinárodní setkání odborníků z oboru nabízí
vystavovatelům i návštěvníkům, kteří se zajímají nejen
o český a polský trh s korozivzdornou ocelí, ale i o trhy
okolních států, ideální prezentační a komunikační
platformu. Tento veletrh je ideálním prostředím pro
navázání kontaktů a pro poskytování servisu
potenciálním kooperačním partnerům, protože právě v
Brně se v květnu 2011 setkali nejvýznamnější
producenti a obchodníci tohoto průmyslového odvětví z
Německa, Itálie, Polska, Nizozemí, Rakouska,
Švýcarska nebo Belgie.
124
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Výstavy, veletrhy, konference
Zajímavosti v nabídce vystavovatelů
Veletrh je ideálním místem pro seznámení odborné
veřejnosti s inovacemi ve výrobním sortimentu i s
rozšířenou nabídkou služeb. Například průmyslový
gigant ThyssenKrupp na veletrhu STAINLESS 2011
představil produktovou řadu ocelí THERMAX
odolných proti vysokým teplotám, které se používají pro
konce výfukových zařízení v automobilovém průmyslu.
Jejich odolnost proti vysokým teplotám je
několikanásobně vyšší a podstatně méně podléhají
tepelné degradaci.
Se zajímavou nabídkou přišla česká společnost
Comforta, která se orientuje především na nejnáročnější
korozivzdorné oceli, často se speciálním, velmi
náročným chemickým složením a přísnými požadavky
na mechanické hodnoty. Jedná se o oceli určené k
použití v jaderné energetice nebo ve velmi agresivním
chemickém prostředí.
Společnost CRONIMET Ostrava působí na trzích
střední Evropy v oblasti nákupu, recyklace a prodeje
kovového odpadu a specializuje se na zpracování
odpadu z nerezových a jiných legovaných ocelí.
K vystavovatelům zvučných jmen patřila německá
společnost Schmolz+Bickenbach Edelstahl, jeden z
největších světových dodavatelů speciálních ocelí a
světová jednička v produkci dlouhých výrobků z
nerezové a nástrojové oceli. Tento ocelářský koncern s
pobočkami na pěti kontinentech kombinuje schopnosti
výrobce, zpracovatele a distributora oceli, což mu
umožňuje nacházet nové aplikace a individuální řešení s
vysokým stupněm specializace.
Rostoucí indická ocelářská produkce byla zastoupena
společností Panchmahal Steel Limited, která má již více
než 35 let zkušeností s výrobou speciálních ocelí. Jde o
předního dodavatele produktů z nerezové oceli, který
disponuje plně integrovanými provozy počínaje tavením
oceli až po dokončovací úpravy. Může tak nabídnout
komplexní paletu nerezových ocelí v podobě za tepla
válcovaných drátů a tyčí včetně dokončovacích úprav za
studena.
Mezi vystavovateli nechyběla společnost Industeel
ArcelorMittal Belgium, která vystavila nerezové
kvatroplechy speciální jakosti válcované za tepla do
tloušťky 5 - 200 mm.
Čínská společnost Stellar Tube & Pipe Group byla
založena teprve v roce 2006, ale již dnes je největším
čínským výrobcem bezešvých trubek z nerezové oceli.
Cílem této rychle rostoucí firmy je vycházet vstříc
potřebám zákazníků, které hledá i na dalších trzích.
Opět se představil také italský ocelářský gigant
Marcegaglia – přední světový výrobce nerezových
svařovaných trubek a dalšího sortimentu mj. i ze slitin
niklu, super austenitických a duplexových materiálů.
Po premiérové účasti na minulém ročníku se do Brna
vrátila rovněž švýcarská společnost Centravis Sales
Switzerland, jejíž historie sahá až do roku 1935. Dnes
tato společnost nabízí zákazníkům ideální mix lokálního
partnerství a globální kompetence při propojování
západních technologií s nově vznikajícími firmami z
Asie. Centravis představuje vysoce kvalitní řešení v
oblasti
trubek
z nerezové
oceli
při
konkurenceschopných cenách a vysoké úrovni servisu.
Účast na brněnském veletrhu si nenechala ujít ani
rakouská společnost Bogner Edelstahl, která byla
zastoupena svou českou pobočkou. Svým zákazníkům
nabídla jedinečný výběr prvotřídních ocelí včetně široce
pojatého servisu zejména v oblasti zpracování a
logistiky – tzv. Unique Steel Proposition.
Na armatury z nerezové oceli se specializuje německá
společnost EXMAR. Přesvědčivými argumenty pro
odběratele z celého světa jsou široký výrobní sortiment,
kvalita a schopnost pohotových dodávek.
Svou expozici na veletrhu STANLESS 2011 otevřela
také německá společnost ATI (Allegheny Technologies
Incorporated), která je globálním výrobcem speciálních
kovů pro letecký a obraný průmysl, chemický průmysl,
elektrotechniku, zdravotnictví a další odvětví. Zaměřuje
se na titan a jeho slitiny, slitiny a superslitiny na bázi
niklu, nerezové a speciální oceli, zirkonium, hafnium a
niob, moderní práškové kovy, materiály s wolframem a
ocel pro elektrotechnické účely s orientovaným zrnem.
V oblasti zpracování výrobků z nerezové oceli působí
italská společnost IMEAS s pobočkami na čtyřech
kontinentech. Tato firma dodává na klíč závody na
broušení a leštění nerezové oceli a speciálních slitin
titanu, hliníku a niklu s vyšším než 95% obsahem.
Brousicí a lešticí techniku vyrábí a dodává švýcarská
společnost DEMIS, která je známá stabilní a modulární
metodou konstrukce svých strojů. Výsledkem je stálá
povrchová kvalita a vysoká efektivita výroby z nerezové
oceli a hliníku.
Česká společnost ITALINOX vyrábí linky na úpravu
povrchů a již na minulém ročníku veletrhu STAINLESS
zaujala novým zařízením na broušení a kartáčování
svitků z nerezové oceli, prvním svého druhu ve střední a
východní Evropě. Zařízení využívá nové technologie
vysokorychlostní úpravy povrchu svitku.
Německá
společnost
Henkel
Beizund
Elektropolitiertechnik se již přes třicet let zabývá
vysoce náročnými postupy chemické a elektrochemické
úpravy povrchů komponentů z nerezové oceli. Výrobní
spektrum
pokrývá
obory
farmaceutického,
biochemického,
chemického,
kosmického,
potravinářského a elektrotechnického průmyslu.
Se zajímavou nabídkou přišla také česká společnost
ALFA IN, která se zabývá výrobou, prodejem a
pronájmem zařízení na orbitální svařování výrobků
určených pro oblasti farmaceutického průmyslu,
energetiky, pivovarnictví, biotechnologií, leteckého
průmyslu a pro výrobu polovodičů.
red.
(podle konstrukce .cz, 25.5.2011)
125
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
hutnictví ve světě
Mittal vypouští po 33 letech o 97 % méně
prachu, lidé se dusí dál
Mladá fronta Dnes, Markéta Radová
se i na tyto nízké zdroje znečištění. Tým
jmenovaný ministerstvem s tím počítá a má
připravený projekt, v němž chce zjišťovat dopady
konkrétních zdrojů znečištění ovzduší na konkrétní
území.
18.5.2011
Největší ostravská huť ArcelorMittal Ostrava
oznámila, že ve srovnání s rokem 1978, tedy po
dobou, kdy se podnik jmenoval Nová huť Klementa
Gottwalda, snížila prašnost o 97 %. Proč se tedy
lidé zejména v ostravském obvodu Radvanice a
Bartovice nadále často dusí?
V minulosti silné kafe, dnes už jen slabý odvar.
Tak si lze představit množství jedů, které huť
vypouštěla do ovzduší v 70. letech 20. století a
nyní. Zástupci podniku upozorňují na to, že v
průběhu pár desetiletí množství jedů do ovzduší
značně omezili.
Tato slova lze doložit výčtem opatření na
nejprašnějších provozech, z nichž nejefektivnější
byla provedena do roku 1998 - tedy do doby, než
podnik koupil Mittal Steel. Zatímco v roce 1978 huť
do ovzduší vypouštěla 39 715 t prachu, v roce
2009 to bylo jen 1 086 t. Huť výrazně snížila i
množství látky, která je pro zdraví lidí v
Radvanicích
asi
nejnebezpečnější
benzo(a)pyrenu. V roce 2002 činily emise
benzo(a)pyrenu 1 784,3 kg/r, do roku 2009
poklesly na 6,9 kg/r. To je pokles o 99,6 %.
Přes všechna slova o zlepšení se lidé v OstravěRadvanicích a Bartovicích, obvodu, který je přímo
zasažen jedy z huti, dusí dál. V posledních letech
tam pravidelně dýchají nejvíc benzo(a)pyrenu,
který má prokazatelně karcinogenní účinky. Více
než třetina tamních dětí podle informací lékařky
Evy Schallerové trpí astmatem. To je asi
čtyřnásobně víc, než je celorepublikový průměr.
Vědci z Akademie věd ČR, kteří na Ostravsku
zkoumali dopady jedů v ovzduší na zdraví lidí,
navíc upozorňují na to, že vysoké koncentrace
benzo(a)pyrenu souvisí hlavně s místním
průmyslem. A v Radvanicích tedy hlavně s hutí.
Jak je tedy možné, že ačkoli huť deklaruje výrazné
omezení emisí z posledních desetiletí, dýchají
Radvaničtí pořád nadlimitní množství jedů? "Podle
mě to souvisí s tím, že celkové emise prachu,
jejichž snížení huť zmiňuje, se počítají hlavně z
měřitelných zdrojů znečištění. Především z velkých
komínů. Dominantními zdroji znečištění v
Radvanicích a Bartovicích ale jsou takzvané
nízkoemitující zdroje z huti, například výduchy z
továrních hal," myslí si Lukáš Ženatý, vedoucí
realizačního týmu pro akční plán, jímž chce
ministerstvo životního prostředí zajistit čistší
vzduch na Ostravsku. Podle něj je nutné zaměřit
Podle některých expertů je také možné, že huť
sice výrazně omezila emise v podobě hrubých
prachových částic. Otázkou ale je, zda se jí to
podařilo i u zcela jemného prachu. Ten je pro
zdraví lidí nejrizikovější – putuje totiž hluboko do
těla.
Problémem je, že česká legislativa zatím
nenařizuje, aby úřady nebo znečišťovatelé
sledovali
zvlášť
různé
velikostní
skupiny
prachových částic, takzvané frakce, ale stačí jí,
aby do registrů nahlásili celkový objem
vypuštěného prachu. A z něj nelze přesně
rozeznat podíl hrubších a velmi jemných částic.
Podle odborníků je však zřejmé, že velmi jemného
prachu se dnes z průmyslu dostává do ovzduší
výrazně víc než v minulosti.
Kromě prachu obyvatelé Ostravě a nejvíc v
Radvanicích
tíží
například
karcinogenní
benzo(a)pyren. Jeho vypouštění huť výrazně
omezila. Radvaničtí ho ale dýchají pořád hodně.
Zákonný roční limit je 1 nanogram na metr
krychlový vzduchu. Průměrná roční koncentrace v
ovzduší Radvanic loni činila 7,2 nanogramů na
metr krychlový vzduchu.
Podle Zdravotního
ústavu v Ostravě se snížení emisí benzo(a)pyrenu
na jednom zdroji nemusí projevit snížením roční
koncentrace o 90 %, ale třeba jen o 1 nanogram. A
toho si člověk ani nemusí všimnout.
SB
Nejčastější sankce ČIŽP v roce 2010
EKOnoviny
4/2011
Česká inspekce životního prostředí (ČIŽP) je
odborný orgán státní správy, který je pověřen
dozorem nad respektováním zákonných norem v
oblasti životního prostředí včetně zákona č.
76/2002 Sb., o integrované prevenci a omezování
znečištění. Pro nejširší informovanost podnikové a
další sféry vydala rozsáhlý dokument (přístupný na
www.cizp.cz)
přinášející
podrobný
výčet
nejrůznějších subjektů – hříšníků a důvodů, proč
byli v roce 2010 pokutováni za provoz v rozporu s
podmínkami integrovaného povolení. Podívejme
se na nejčastější důvody, proč byly firmy
sankcionovány.
Skládky:
- neprovádění pravidelných denních zápisů do
126
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Hutnictví ve světě
provozního deníku - specifikace místa uložení
odpadu v tělese skládky, množství srážek, směr a
síla větru, školení pracovníků skládky a
provedených kontrolách na skládce.
neprovádění
zapracování
odpadů
do
skládkového tělesa, rozhrnování odpadů či
hutnění.
- neuzavření odplyňovací studny, při monitoringu
skládkového plynu, neměření povrchové migrace
plynu a dalších údajů.
- nezaznamenání havarijní situace do provozního
deníku.
- nezaslání technické zprávy z měření jakosti a
množství skládkového plynu.
- nedostatečná rekultivace a překrytí skládky.
- nevybavení míst příslušnými značkami.
- nezjišťování měsíčního množství průsakových
vod.
- nedostatečné vedení evidence přijímaných
odpadů.
- ukládání nepovolených věcí: biologicky
rozložitelných odpadů, pneumatik, lednic apod.
- soustřeďování odpadních plastových obalů a
biologicky rozložitelného odpadu (zeleň) na
nezpevněné ploše.
- uzavírání přítoku průsakových vod do jímky a
zadržování vody ve skládce.
- převzetí odpadů, které je dle provozního řádu
skládky možné převzít do zařízení pouze na
základě rozboru odpadu (chybí)
Jiné provozy:
- opakované předávání nebezpečných odpadů
neoprávněné fyzické osobě.
- provozování zařízení v rozporu s podmínkami
integrovaného povolení, případně bez tohoto
povolení.
- nedodržení závazných emisních limitů pro
vypouštění odpadních vod, pro průsakové vody při
jejich odvozu na ČOV apod.
- nenainstalování zařízení na měření množství
vody a monitoring.
- neohlášení přenosu nebezpečných odpadů do
IRZ.
- neshromažďování odpadů podle druhů a
kategorií.
- stáčení olejů mimo místa k tomu určená.
- nežádoucí únik závadných látek do geologického
prostředí nebo nežádoucí smísení se srážkovými
vodami.
- nebyla provedena kontrola a autorizovaná měření
stanovená v integrovaném povolení.
- nepředložena provozní evidence.
- nezasláno hlášení o produkci a nakládání s
odpady, chybí průběžná evidence.
- chybí doklady o oprávněnosti osob, jimž byly
odpady předávány.
- nedodržování závazných podmínek provozu
(měření, shromažďování odpadů aj.)
tes
Supravodivé
teploty
germanium
Computerworld.cz/technologie
za
pokojové
25.4.2011
V 19. století objevil německý fyzik Geor Simon
Ohm zákonitost, že odpor elektrického proudu
závisí na délce, průměru a materiálu použitého
vodiče. Od této doby se proto elektrotechnici snaží
minimalizovat ztráty způsobené odporem. K
prvnímu vědeckému zlomu došlo v této oblasti
před sto lety v roce 1911, kdy nizozemský fyzik,
"gentleman absolutní nuly", Heike Kamerlingh
Onnes, objevil jev známý jako supravodivost. V
okamžiku, kdy teplota určitých vodičů klesne pod
přechodovou (kritickou) teplotu, klesne jejich
elektrický odpor náhle k nule. Mezi 26 prvků, které
se vyznačují takovými vlastnostmi, patří například
rtuť, cín, olovo aj. Použití supravodičů však není
nijak snadnou záležitostí; aby bylo dosaženo
zamýšleného účinku, musí se teplota materiálu
blížit hodnotě absolutní nuly (0 Kelvinů/ -273,15
stupňů Celsia). A aby se požadované hodnoty
podařilo docílit, musí být vodič chlazen heliem
nebo u nově vyvinutých keramických materiálů i
pomocí zkapalněného dusíku (teploty kolem -200
stupňů Celsia). Při samotném chlazení je však
zapotřebí více energie než při použití běžných
vodičů. Dalším problémem se stala skutečnost, že
supravodiče jsou velmi citlivé na okolní elektrický
proud.
Snem již několika generací fyziků je dosažení
stavu supravodivosti vyznačujícího se nulovým
elektrickým odporem za pokojové teploty. Ačkoliv
již bylo docílení tohoto stavu několikrát ohlášené,
je zatím podle všeho stále v nedohlednu. Na
novém objevu vědců z čínských a amerických
výzkumných organizací (Carnegie Institution) je
zajímavé, že když už se podařilo supravodivosti
dosáhnout, tak ne u čistého kovu, ale u
polovodičového prvku germania (jak v krystalické,
tak v amorfní fázi), nacházejícího se v periodické
tabulce hned pod křemíkem, s nimž sdílí řadu
vlastností. Dnes se tento polovodič používá např. v
optických vláknech, čočkách mikroskopů, diodách
a solárních článcích; uplatnění nachází i jeho
sloučenina s křemíkem SiGe. Oproti křemíku je
germanium ovšem stále dražší, protože se v
zemské kůře vyskytuje v podstatně menším
množství.
S využitím objevu supravodivosti germania za
pokojové teploty to ovšem tak snadné nebude,
protože postup bohužel vyžaduje pro změnu
extrémní tlak. Sdělení ve Physical Rewiew Letters
uvádí, že v prvním kroku jde o 66 GPa (tj. 650 000
atmosfér). Tehdy germanium získá vlastnosti kovu
a stane se vodivým, ovšem "normálně". Po dalším
zvýšení tlaku na 90 GPa (890 000 atmosfér) pak
dojde k další změně struktury vlivem fázovému
přechodu a materiál ztratí elektrický odpor.
Supravodivost za těchto podmínek způsobují
127
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
fonony, tj. kolektivní vibrace v krystalové struktuře
materiálu. Fon je tzv. kvazičástice, pomocí které se
v krystalu mimo jiné šíří i zvuk. Obrovský tlak byl
dosažen pomocí vodíku. Supravodivá fáze má
oproti normálnímu germaniu jiné fyzikální
vlastnosti, mj. větší hustotu. Zajímavé je, že
většinu vlastností stlačeného germania se podařilo
odvodit už pomocí teoretických předpokladů a
počítačových
simulací,
zatímco
fyzikální
experimenty je potvrdily až dodatečně.
Vzhledem k potřebě obrovského tlaku (podmínky
jsou ještě extrémnější než jakákoliv nízká teplota)
se bezprostředního využití objevu v praxi dočkáme
v brzké době jen stěží. Proto také tento zajímavý
objev víceméně přešel bez zájmu médií i odborné
veřejnosti. Nicméně germanium zřejmě neřeklo v
elektrotechnice své poslední slovo, i když v
posledních desetiletích jeho využití postupně
klesalo na úkor křemíku. Objev supravodivosti u
germania při pokojové teplotě by mohl nejen
změnit
konstrukci
budoucích
počítačů
a
elektronických zařízení, ale má i značný význam
pro základní výzkum v teoretické fyzice.
tes
Čínský export bezešvých trubek je stále na
vzestupu
SBB
27.5.2011
Podle nejnovějších údajů čínského celního úřadu
vzrostly v dubnu 2011 dodávky ve srovnání
s březnem o 21 % a čínští výrobci bezešvých
trubek tak vidí zlepšení situace v exportu. Tržní
zdroje uvádějí, že se květnová exportní poptávka
drží vysoko, takže pomůže snížit tlak dodavatelů
na bezvýrazný domácí trh.
V dubnu dosáhl celkový export bezešvých trubek
z Číny 397 788 t, což ve srovnání se stejným
měsícem roku 2010 představuje nárůst o 43 %.
Celkové čínské exportní dodávky za první čtyři
měsíce letošního roku v meziročním srovnání
narostly o 32 %. Čínský export bezešvých trubek
se začal zotavovat asi v polovině loňského roku,
když se začala zvedat poptávka ze zámoří.
Nejdůležitějšími destinacemi pro čínské bezešvé
výrobky jsou v současné době zámořské trhy
zahrnující Indii, Koreu, Irán a Venezuelu. Exportéři
však říkají, že jsou obezřetní při přijímání
objednávek z některých zemí Středního Východu a
Severní Afriky (jako je Libye, Egypt, Alžír a
Nigerie), které prodělávají přechodné politické
nepokoje.
Co se týče kategorie, dva nejoblíbenější čínské
exportní trubkové výrobky jsou bezešvé trubky pro
ropovody & plynovody (zemní plyn) a bezešvé
vrtné trubky. Hlavní hnací silou dodávek je
celosvětové obnovení průzkumu ložisek ropy a
plynu.
LZ
Brazilský CSA předpokládá dosažení plné
výrobní kapacity
SBB
30.5.2011
Brazilská ocelárna na výrobu bram CSA v Santa
Cruz, Rio de Janeiro, pokračuje podle plánu
v náběhu výroby a očekává, že závod dosáhne
v září 2011 plné výrobní kapacity 15 000 t/den.
Závod je joint venture společností Vale a
ThyssenKrupp, který začal vyrábět v červenci 2010
a nyní pracuje na dvě třetiny své kapacity s denní
výrobou 10 000 t.. Za období od loňského října do
letošního září očekává CSA, že závod vyrobí okolo
3 mil. t bram. Pro rok 2012 předpovídá výrobu 5
mil. t/r. Již dříve bylo oznámeno, že závod je
exportně orientovaný a v současné době neplánuje
v Brazílii výrobu válcované oceli.
Vyrobené bramy se dopravují do závodů
ThyssenKrupp Group v zahraničí. Většina (60 %)
směřuje do závodu ThyssenKrupp Steel USA
v Alabamě. Velkým odběratelem bram z CSA je
také hlavní závod v Německu.
LZ
Flexiblní capacity jsou pro výrobce EU
cestou kupředu
SBB
30.5.2011
Podle
Edwida
Bassona,
víceprezidenta
ArcelorMittalu a budoucího šéfa World Steel
Association musí mít evropské hutě flexibilní
přístup, mají-li dosahovat marží. Řekl to na konci
května 2011 na konferenci Steel Markets Europe
v Barceloně. Před krizí si výrobci vždy mysleli, že
kapacity mohou pouze růst, nebo alespoň
neklesat. Během poslední finanční krize si ale
uvědomili, že mohou kapacity přizpůsobit tak, aby
pružně vyvažovaly poptávku a dodávky a uměly se
tak vypořádat s klesající evropskou poptávkou po
oceli. Zdůrazňuje se, že v posledních letech je
možné v důsledku tohoto přístupu provozovat
kyslíkový konvertor na 50 %, aby se přizpůsobil
slabší poptávce. Evropské hutě pracují v současné
době průměrně na 75 % své kapacity a
předpokládá se, že tomu tak bude i v blízké
budoucnosti. Budoucnost evropských hutí je ve
specializaci a rozvoji jejich technologií, aby zůstaly
konkurenceschopné vůči zbytku světa. Vyšší
materiálové náklady snižují hutím marže, a ty proto
musí růst proti i po směru technologického toku.
ArcelorMittal je vůdčím výrobcem v tomto hnutí ke
zpětné integraci. Basson také vyzdvihuje, že
evropské hutě, zvláště výrobci dlouhých výrobků,
se spojili, aby zůstali konkurenceschopní. V tomto
128
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Hutnictví ve světě
ohledu musí pomoci instituce a vlády Evropské
Unie, jako to udělala čínská vláda podporou
konsolidace průmyslu.
LZ
Rozvojové
trhy
betonářských ocelí
SBB
dynamizují
potřebu
30.5.2011
Spotřeba betonářských ocelí dlouhodobě migruje
do rozvojových zemí, kde je silnější poptávka. Na
konferenci Steel Markets Europe v Barceloně o
tom koncem května 2011 informoval obchodní
ředitel španělského výrobce Celsa. V roce 2010
se světová spotřeba betonářských ocelí významně
zotavila a dosáhla rekordní úrovně přes 260 mil. t.
Asie realizovala 60 % celkové spotřeby
betonářských ocelí, což ve srovnání s rokem 2008
odpovídá 5 % růst a ve srovnání s rokem 1992
představuje 12 %. Spotřeba betonářských ocelí se
přesouvá do rozvojových ekonomik. Spotřeba
v Evropě je pod úrovní předkrizového stavu. Vloni
se v Evropě spotřebovalo kolem 13 mil. t, což se
blíží hodnotám z let 1994 – 1996.
Výhled pro betonářské oceli je velkou výzvou, a
evropské hutní závody se proto soustřeďují na
diversifikaci. Výroba betonářských ocelí potřebuje
být umístěna tam, kde je trh, a tak v Celse chápou,
že potřebují diversifikovat svou výrobu, aby mohli
nadále být na globálním trhu konkurenceschopní.
Ceny betonářských ocelí a válcovaného drátu pro
sítě mají tendenci progresivně stoupat. Výrobci
však potřebují prostůj rozvoj jejich další zvyšování.
V co nejkratší době musí podniknout kroky ke
zlepšení marží. Zisky jsou snižovány v důsledku
nákladů na šrot, které jsou ve srovnání
s prodejními cenami vysoké. Marže se zúžily na 36
%, což je od roku 2008 o 14 procentních bodů
méně (podle průměrné mezinárodní ceny
betonářské oceli 700 USD/t).
LZ
Německé šroubárny jsou v roce 2011 lačné
po válcovaném drátu pro tváření za
studena
SBB
30.5.2011
Němečtí výrobci šroubů a spojovacího materiálu
se v loňském roce dostali na tonáže blízké
předkrizovému stavu. Podle jejich asociace
Schraubenverband zvýší tento rok své vstupy i
výstupy ještě o něco více. Vloni měli výrobu okolo
670 kt, což indikuje o něco větší vstupní tonáž
válcovaného drátu v jakosti pro tváření za studena.
Na základě současné ekonomické aktivity
v Německu
předpovídá
ředitel
asociace
Schraubenverband, že letošní objemy mohou být o
10 – 15% vyšší.
Asociace v současné době reviduje svůj cenový
informační systém s tím, že dodavatelské
kontrakty s hutěmi jsou nyní na čtvrtletní bázi,
zatímco pololetní a roční byly zrušeny. Usiluje také
o odstranění cenového rozdílu, který se vytvářel
v průběhu let mezi výrobci, kteří mají vlastní
zařízení na tažení, a mezi zpracovateli, kteří
tažení objednávají externě.
Ceny za válcovaný drát legovaný bórem se do
konce 2.čtvrtletí 2011 zvýšily na 650 EUR/t. Ceny
za tažený drát došly až na 684 EUR/t a detaily
ukazují, že cena v tomto segmentu je o 10 – 20
EUR/t vyšší, než byla na sklonku roku 2010.
Přirážka za tažení by měla být zahrnuta v základní
ceně tak, aby křivky cenových změn probíhaly
shodně. O to usiluje přes 50 členů asociace.
LZ
V Maďarsku
klesá
poptávka
po
betonářských ocelích, do září nedojde
k žádnému obratu
SBB
30.5.2011
Podle místních obchodníků poklesla v Maďarsku
poptávka po betonářských ocelích ve srovnání
s rokem 2010 o 40 %. Také představitelé průmyslu
potvrdili prudký pokles letošních objednávek.
Příčinou slabé poptávky je velmi špatný rok pro
infrastukturní investice a obecně menší aktivita ve
stavebnictví. V Maďarsku jsou letos jako dva
největší
spotřebitelé
betonářských
ocelí
označovány projekty na rozšíření závodů
automobilek Audi a Opel. Místní zdroje však
uvádějí, že ani ty nespotřebují více než 20 – 30 kt
betonářských ocelí.
Za poslední dva týdny vysoká cena šrotu vyhnala
ceny betonářských ocelí vzhůru o 10 – 15 EUR/t.
Reprezentanti průmyslu uvádějí, že v současnosti
dosahované ceny, které se platí výrobcům se
pohybují v rozsahu 500 – 520 EUR/t ex-works.
Průměrná cena, kterou nabízejí velkoobchodníci
maloobchodníkům je podle místních obchodníků
530 EUR/t.
Je nepravděpodobné, že by letní období přineslo
nějaké zlepšení situace. Určitý vzrůst poptávky se
očekává až od září – října. Místní zdroje uvádějí,
že by to mohlo vyústit ve zvýšení cen (odhadované
zvýšení je 10 EUR/t). Současný objem materiálu
na skladě je nízký a banky nejsou ochotné
financovat skladování.
Mezi hlavní dodavatele betonářských ocelí v
Maďarsku patří italský Pittini, rakouský AVI, polská
Celsa, rumunské ocelárny patřící Mechelu a
domácí válcovna OAM.
129
LZ
Hutnictví ve světě
Hutnické listy č.3/2011, roč. LXIV
Připomínka a doklady historie hutnictví
Odborný časopis Hutnické listy má letitou historii. První číslo vyšlo v červenci 1946 a od té doby
časopis nepřetržitě vycházel každý měsíc. Přestávku ve vydávání měly Hutnické listy jen ve
druhé polovině roku 1947 z důvodu sjednocení číslování jednotlivých vydání s číslováním
kalendářních měsíců a pak v letech 2006 a 2007 z důvodu nevyjasněné koncepce statutu
tohoto časopisu a jeho vztahu k praxi. Dnes v novelizované podobě vycházejí Hutnické listy
rovněž pravidelně, jako dvouměsíčník. Geneze Hutnických listů sahá však do daleko starší
doby. Jejich původ tkví v odborném měsíčníku Hornické a hutnické listy. Byl to český časopis
vydávaný již v hlubokém dávnověku Rakouska-Uherska. První číslo vyšlo dne 10.1.1900.
Redakční radu tvořili tři významní odborníci a manažeři, kteří se zasloužili o dosažení vysokého
potenciálu české průmyslové obce: Dr. Vilém Jičínský, generální ředitel Vítkovického horního a
hutního těžířstva, důlní ředitel Ing. Václav Stieber, který se zasloužil i o technický rozvoj v
koksárenství, a významný podnikatel v těžařství Karel Svoboda. Při zakládání tohoto časopisu
stál i profesor Josef Hrabák, báňský specialista a podvakrát rektor Vysoké školy báňské
v Příbrami v 70. a 80. letech 19. století, a další odborníci, kteří postupně rozšířili redakční radu,
tehdy nazývanou redakční výbor.
Rozhodnutí o vydávání českého odborného periodika pro montánní obor padlo na Českém
sjezdu montanistickém pořádaném při příležitosti pražské výstavy architektury a inženýrství v r.
1898. Přípravy k tomuto rozhodnutí, tedy i k založení onoho historického časopisu, lze však
datovat do ještě starších dob. V letech 1870 – 1880 totiž vycházel časopis Horník pod vedením
českého inženýra s montanistickým vzděláním, a dnes bychom řekli s metalurgickou
specializací, Aloise Irmlera. Časopis sice neměl hutnictví ve svém názvu, avšak v podtextu
názvu stálo upřesnění „Časopis pro hornictví a hutnictví“. K tomu je ještě nutno pamatovat na
to, že oba montánní obory, hornictví a hutnictví, nebyly ani ve studiích, ani v praxi tak
specializované a od sebe tak vzdálené, jako je tomu dnes.
Tradici Hutnických listů a metalurgického oboru bude redakce svým čtenářům pravidelně
připomínat uváděním seriálu historických fotografií hutních staveb a agregátů, a to především
těch objektů, které již ukončily svou původní výrobu a které jsou dnes upraveny jako muzejní
exponáty anebo stále chátrají a na svou záchranu ještě čekají. Fotografický seriál s případným
stručným komentářem bude publikován vždy na třetí straně obálky Hutnických listů. Zdrojem
seriálu jsou fotografické a textové podklady autora Mgr. Viktora Máchy.
Mgr. Viktor Mácha studoval obor religionistiky a teologie na Husitské teologické fakultě Karlovy
univerzity v Praze. Jeho dovednosti ve fotografování a první návštěva průmyslových center
v Ostravě se staly šťastným pojítkem vedoucím k jeho dokumentaristické orientaci na
historickou průmyslovou fotografii v báňském a hutním oboru a v navazujících nebo
souvisejících oborech. Autor dnes pracuje v řadě projektů souvisejících s dokumentací a
záchranou technického a průmyslového dědictví doma i v zahraničí. Více z jeho dosavadní
fotografické práce lze shlédnout na osobních stránkách www.viktormacha.com.
red.
130
red. podle Viktora Máchy
Skelet dřevouhelné vysoké pece postavené mezi léty 1846 – 1847 najdeme nedaleko obce Adamov. Výroba železa se v Josefovském údolí datuje zpět již
v 15. a 16. století, samotná huť Františka byla založena v roce 1746. V roce 1852 byly přistavěny dvě menší pece na výrobu vápna. Provoz byl definitivně
ukončen v roce 1877. Je s podivem, že na seznam technických památek byl objekt zařazen až o celých sto let později, tedy v roce 1971. Dnes je součástí
expozice železárenství pod správou technického muzea v Brně.
Download

Číslo 3/2011 - Hutnické listy