METALURGIA OŢELULUI

Oţelurile sunt aliaje fier-carbon, cu mai puţin de 2, 11% C care conţin în afară de fier şi carbon şi alte elemente (Si, Mn. P, S, Cr, Ni, V, Ti, Mo etc). caracteristica principală a oţelurilor este deformabilitatea plastică la rece şi la cald, prin presare sau tragere.

Varietatea mare de proprietăţi a oţelurilor este determinată de compoziţia chimică şi de modul de prelucrare ( plastică, termică sau termochimică).

Comportarea oţelurilor la deformarea plastică, la tratamentul termic (sau termochimic) sau la prelucrarea mecanică este determinată pe de o parte de compoziţia chimică şi pe de altă parte de modul de elaborare şi turnare - solidificare.

Clasificarea oţelurilorExistă mai multe criterii de clasificare: după conţinutul de carbon, după compoziţia chimică,

după destinaţie, după procedeul de elaborare.După conţinutul de carbon oţelurile sunt hipoeutectoide cu < 0,77% C, eutectoide cu 0,77%

C şi hipereutectoide cu > 0,77% C.După compoziţia chimică oţelurile se clasifică în oţeluri nealiate (sau oţeluri carbon) şi oţeluri

aliate.Oţelurile nealiate sunt oţelurile care pe lângă fier şi carbon conţin cantităţi mici de alte

elemente (Mn ≤ 0,8%, Si ≤ 0,5%, P ≤ 0,06%, S ≤ 0,05%). Oţelurile cu ≤ 0,3% C se numesc oţeluri moi, cu 0,3-0,6% C se numesc oţeluri semidure, iar cele cu ≥ 0,8% C se numesc oţeluri dure.

Oţelul carbon cu ≤ 0,08% C este cunoscut în practică sub denumirea de fier tehnic.Oţelurile aliate conţin unul sau mai multe elemente de aliere care pot fi fie unul din elementele

obişnuite în proporţie mai mare decât în oţelul carbon, fie alte elemente: Cr, Ni, V, Ti, W, Mo, Zr, Nb, B, La, etc. În funcţie de conţinutul total al acestor elemente oţelurile aliate se clasifică în oţeluri slab aliate (≤ 5,0% E ) mediu aliate (5-10% E)şi oţeluri înalt aliate (cu ≥10% E).

Prin compoziţia chimică a unui oţel nu trebuie să se înţeleagă numai prezenţa elementelor menţionate ci analiza integrală, adică şi prezenţa altor elemente care deşi sunt în cantităţi foarte mici (de ordinul 10-2 – 10-6%) influenţează substanţial structura şi proprietăţile oţelului atât prin concentraţie cât şi prin forma sub care se găsesc în oţel. Aceste elemente sunt: oxigenul, hidrogenul şi azotul. Cantitatea , forma de prezentare şi repartiţia lor în masa oţelului sunt influenţate de modul de elaborare.

După destinaţie oţelurile se clasifică în oţeluri de uz general, oţeluri cu destinaţie precizată şi oţeluri pentru scule.

Oţelurile pentru uz general se împart în oţeluri pentru construcţii, oţeluri de uz general tratate termic, oţeluri cu rezistenţă mecanică la temperaturi ridicate, oţeluri refractare şi oţeluri rezistente la coroziune (inoxidabile).

Oţeluri cu destinaţie precizată se împart în oţeluri pentru şuruburi şi piuliţe, oţeluri pentru armarea betonului, oţeluri pentru arcuri, oţeluri pentru recipienţi, oţeluri pentru construcţii navale, oţeluri pentru rulmenţi etc.

Oţelurile pentru scule se clasifică în: oţeluri pentru scule aşchietoare, oţeluri pentru scule de prelucrare la rece, oţeluri pentru scule de prelucrare la cald.

După procedeul (agregatul) de elaborare oţelurile se grupează în oţel electric şi oţel de convertizor.

Materii prime şi auxiliare

1. Materii prime metalice. Încărcătura metalică a agregatelor destinate elaborării oţelului sunt fonta de afinare, fierul vechi, buretele de fier şi uneori lupele.

Fonta de afinare. Criteriul de bază la aprecierea calităţii fontei este compoziţia chimică.Conţinutul de carbon în fonta de afinare nu se prescrie, el fiind determinat de conţinutul

celorlalte elemente. Este mai mic când conţinuturile de siliciu şi fosfor sunt mai mari ;i mai mare când conţinutul de mangan este mai mare.

Siliciul variază, în general, între 0,5 – 1,25%. Deoarece la elaborarea oţelului siliciul se oxidează şi trece în zgură şi deci sunt necesare cantităţi mai mari de var pentru formarea zgurii, este recomandat ca siliciul sin fonta de afinare să nu depăşească 1% .

Manganul este un element util în fonta de afinare, deoarece pe lângă faptul că împiedică separarea carbonului sub formă de grafit el ajută procesul de îndepărtarea sulfului atât înainte de elaborarea oţelului cât şi în timpul elaborării. De aceea se admite în fonta de afinare 1 – 2,5% Mn.

Fosforul este un element dăunător calităţii oţelului şi necesită cantităţi mari de var pentru defosforare, de aceea conţinutul de fosfor în fonta de afinare se limitează la maxim 0,5%, iar pentru oţelurile de calitate la maxim 0,2-0,3%. Trebuie menţionat că cea mai mare cantitate de fosfor în oţel este adusă de fontă.

Sulful este de asemenea un element dăunător calităţii oţelului, de aceea conţinutul de sulf se limitează în fonte la max. 0,07% pentru procedeele bazice şi la max. 0,035% pentru procedeele acide.

În afară de aceste elemente fonta mai poate conţine arseniu, cupru, etc. care sunt tot elemente dăunătoare oţelului, de aceea este indicat ca ele să nu depăşească 0,02%, dar şi mai bine ar fi dacă ar lipsi din fonta de afinare.

Nici elementele de aliere ale oţelului nu sunt dorite în fontele de afinare, deoarece ele produc perturbaţii în procesul de elaborare, multe dintre ele pierzându-se în timpul afinării.

Fierul vechi. El se poate clasifica după sursa de provenienţă în fier vechi propriu şi fier vechi colectat.Fierul vechi propriu provine din deşeuri şi rebuturi de la elaborarea şi turnarea oţelului sau din

procesul de prelucrare plastică şi mecanică a semifabricatelor din oţel. Fierul vechi colectat provine din bazele de colectare (REMAT) şi anume din: construcţii

metalice şi maşini scoase din uz, piese şi subansambluri scoase din uz la reparaţiile capitale, obiecte de uz casnic achiziţionate de la populaţie.

Având provenienţe atât de diferite, compoziţia şi starea sub care se găseşte fierul vechi sunt foarte variate. De aceea fierul vechi trebuie pregătit înainte de a fi folosit la elaborarea oţelului. Prima operaţie de pregătire este la întreprinderea de colectare şi constă în sortarea lui după compoziţia chimică, în fier vechi aliat şi nealiat, iar cel aliat sortarea pe elemente de aliere. Apoi se sortează pe grupe de mărime: fier vechi greu, mediu, uşor, strunjituri (şpan) etc.

2. Materiale auxiliare. Materialele auxiliare sunt materialele oxidante folosite pentru afinare, materiale necesare pentru formarea zgurii cu bazicitatea (fondanţi) şi fluiditatea cerută (fluidificatori) pentru fiecare fază a procesului de elaborare funcţie de procedeul utilizat şi materiale utilizate pentru dezoxidarea, corecţia compoziţiei chimice sau respectiv pentru alierea oţelului.

Materiale oxidante. Oxigenul necesar afinării ( oxidării carbonului, siliciului, manganului, fosforului etc.) este

furnizat de atmosfera din cuptoarele de elaborare ( O2, CO2 şi H2O din aer), de aer sau oxigen tehnic suflat direct în baia metalică, de rugina fierului vechi (Fe2O3 nH2O), de minereuri oxidice de fier şi mangan, de arsura de fier (ţundăr) sau de zgura sudată de la cuptoarele de încălzire pentru deformarea plastică.

Minereul de fier folosit la elaborarea oţelului trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:- să conţină mult oxid de fier şi daca se poate sub formă de Fe2O3 ( hematită), deoarece conţine

cel mai mult oxigen (0,428 kg O2/kg Fe) faţă de Fe3O4 (magnetită) care conţine 0,38 kg O2/kg Fe).

Limonita şi siderita nu se folosesc la elaborarea oţelului pentru că ele conţin mai puţin oxigen şi se descompun cu consum de căldură ceea ce duce la răcirea zgurii;

- să conţină puţin SiO2 (sub 7%) deoarece la legarea lui în zgură este necesar un aport suplimentar de var, ceea ce duce la creşterea cantităţii de zgură şi la creşterea consumului de combustibil;

- să fie uscat (sub 4% H2O), deoarece apa se evaporă cu consum mare de căldură, iar dacă minereul ud se adaugă pe zgura lichidă, apa se vaporizează violent provocând împroşcări şi chiar explozii;

- să aibă conţinuturi mici de sulf şi de fosfor, deoarece pentru trebuie asigurate condiţii speciale pentru desulfurare, respectiv defosforare ceea ce conduce la prelungirea şarjei şi la creşterea consumului de materiale de adaos, deci de combustibil.

- Să fie sub formă de bucăţi (50-150 mm) pentru a putea trece prin zgură în baia metalică. Dacă minereul este prăfos, rămâne pe zgură, o parte din el este antrenat de gaze iar altă parte care se dizolvă în zgură ajunge greu şi numai parţial în baia metalică. Zgura devine spumoasă şi distruge zidăria refractară a agregatului de elaborare.

Minereul de mangan este un oxidant mai slab decât minereul de fier, însă este indicat atunci când se lucrează cu proporţie mică de fontă pentru aportul de mangan adus. Se foloseşte în special minereu care conţine manganul sub formă de carbonat, MnCO3 (rodocrozit). El trebuie să îndeplinească aceleaşi condiţii ca si minereul de fier.

FondanţiPentru formarea zgurii, la cuptoarele bazice se folosesc fondanţi bazici: calcar şi var. Pentru a

asigura o zgură fluidă se folosesc fluidificatori: bauxita şi fluorina.Calcarul trebuie să conţină mai mult de 94% CaCO3, sun 3% SiO2 şi sub 15 Al2O3. Deoarece

descompunerea calcarului este un proces endoterm el se foloseşte numai când se lucrează cu proporţie mare de fontă lichidă. El se foloseşte în bucăţi de 50-150 mm.

Varul, obţinut prin descompunerea calcarului, trebuie să conţină peste 82% CaO, puţin SiO2 şi MgO. Se foloseşte în bucăţi de 20-100 mm. Varul trebuie să fie proaspăt ars, deoarece în timp se hidratează, CaO trecând în Ca(OH)2 (lapte de var) care în procesul de elaborare se disociază şi produce răcirea zgurii pe de o parte , iar pe de alta conduce la creşterea conţinutului de hidrogen în oţel, un alt element nedorit.

FluidificatoriBauxita este minereul aluminiului care conţine aluminiul sub formă de oxid de aluminiu

hidratat (Al2O3 nH2O). Bauxita pentru oţelărie trebuie să conţină peste 52% Al2O3, sub 10% SiO2, sub 1% CaO şi 8-18% Fe2O3. Al2O3 are caracter amfoter şi în zgurile cu bazicitate mare, se comportă ca un acid, mărind fluiditatea. Dar adausul de bauxită nu trebuie să fie mare, deoarece Al2O3 în exces măreşte vâscozitatea zgurii. Bauxita se foloseşte cu granulaţie peste 20 mm, după ce a fost calcinată la 773-873 K (500-6000C), astfel încât conţinutul de apă să fie sub 0,5%. Deoarece bauxita conţine mult Fe2O3, folosirea ei este permisă numai la începutul perioadei de afinare.

Fluorina are component principal fluorura de calciu (CaF2) şi este fluidifiantul cel mai bun pentru zgurile de oţelărie. Fluorina conţine 85-92% CaF2, 5-8% SiO2 şi sub 0,5% S. Pentru utilizare ea se calcinează la 875 K (600 0C) astfel încât umiditatea să nu depăşească 0,5%. Granulaţia trebuie să fie 10-50 mm. Fluorina este însă scumpă de aceea se foloseşte numai în cazurile în care nu se poate folosi bauxita.

DezoxidanţiCa dezoxidanţi se folosesc feroaliaje cu siliciu, cu mangan, cu vanadiu, cu titan, cu siliciu şi

calciu, cu siliciu şi mangan etc. şi aluminiu metalic. Pentru corecţia compoziţiei chimice şi pentru aliere se folosesc de asemenea feroaliaje sau metale tehnic pure: feroaliaje cu siliciu, cu mangan, cu crom, cu molibden, cu vanadiu, cu titan, cu zirconiu, cu niobiu etc. şi nichel metalic.

Feroaliajele se calcinează la temperaturi de 773- 873 K (500-600 0C) înainte de a fi folosite.

Procedee de elaborare a oţelului

La elaborarea oţelului, indiferent de materia primă utilizată, pentru ca oţelul să fie lichid este necesară o sursă de căldură, care să asigure agregatului de elaborare o temperatură mai mare de 1873 K (1600 0 C).

Din acest punct de vedere procedeele de elaborare se împart în:a). Procedee la care căldura este adusă din exterior unde căldura necesară este obţinută prin

transformarea energiei electrice – cuptoare electrice cu arc sau cuptoare electrice cu inducţie. La aceste cuptoare încărcătura este de regulă solidă, formată in principal din fier vechi, dar se poate folosi şi fontă care poate fi şi lichidă. Procesele de afinare au loc cu ajutorul minereului de fier şi/sau oxigen tehnic.

b). procedee la care căldura este dată de procesele de afinare. Oxidarea elementelor însoţitoare ( siliciu, mangan, fosfor) ca şi oxidarea fierului şi a carbonului, este un proces exoterm. Pentru ca această căldură să poată asigura o temperatură de peste 1873 K, este necesar ca încărcătura să fie preponderent lichidă şi să conţină elementele însoţitoare în cantitate mare. Aceste condiţii se realizează când se lucrează cu fontă lichidă (sau cu proporţie mare de fontă lichidă) iar afinarea se face cu oxigen gazos. Procesul se numeşte afinare prin convertizare.

1. Elaborarea ţelului în cuptorul electric cu arc.

Folosirea arcului electric pentru elaborarea oţelului a fost posibilă numai atunci când s-a putut produce energie electrică multă şi la un preţ convenabil.

În oţelării se folosesc cuptoare electrice cu arc direct, care funcţionează cu curent trifazat. Capacitatea cuptoarelor electrice cu arc variază între 500 kg şi 400 t. Cele mai des întâlnite fiind cuptoarele de 50 şi de 100 t care se găsesc şi la noi în ţară în combinate siderurgice (Galaţi, Hunedoara, Târgovişte, Călăraşi, Balş, Oţelul Roşu, Câmpia Turzii) şi în foarte multe uzine constructoare de maşini (IMG Bucureşti, FORTUS Iaşi, CUG Cluj etc).

Schema de funcţionare a unui cuptor electric cu arc.Cuptorul electric cu arc funcţionează cu curent trifazat având pentru fiecare fază câte un

electrod. Cuptorul propriu zis este format din: 1-cuvă, din tablă de oţel căptuşită cu material refractar; 2- boltă detaşabilă prevăzută cu trei orificii prin care trec cei trei elctrozi-6, susţinuţi de capetele de prindere -7, care au rolul şi de contact electric. Cuva are o deschidere pentru uşa de lucru-5 şi una pentru orificiu şi jgheabul de evacuare a oţelului şi zgurii -4.

Arcul electric se formează între electrozi şi baia metalică-3. Cuptorul poate fi basculat în timpul elaborării cu ajutorul unei instalaţii electrohidraulice-8, spre uşa de lucru cu 150 pentru evacuarea zgurii si cu 45-500 spre jgheabul de evacuare.

Puterea transformatorului se alege funcţie de capacitatea cuptorului şi de energia electrică necesară pentru topirea încărcăturii metalice.

Fig. 1. Schema constructivă a cuptorului electric cu arc

1-cuvă; 2-boltă; 3-baie metalică; 4-jgheab de evacuare; 5- uşă de lucru; 6-electrozi; 7-inele

de prindere; 8-sistem de basculare.

(1)

în care: Pt este puterea transformatorului, în kVA; cosφ este factorul de putere; t t timpul de topire, în ore; P este capacitatea cuptorului, în tone; q, este căldura consumată de reacţiile endoterme, în kWh.

Transformatorul este folosit la puterea maximă numai în perioada de topire. De aceea se alege puterea astfel încât sa se poată lucra cu un factor de putere de 0,8 (130-200 kWh/t capacitate).

In cursul funcţionării, arcurile se întrerup des, mai ales în timpul topirii, datorită fie scurtcircuitării electrozilor prin bucăţile de fier vechi , fie creşterii rezistenţei între electrozi prin pătrunderea unor materiale neconductoare (var, minereu etc.). aceste întreruperi duc la mari şocuri de curent care fac ca electrozii să fie săltaţi din încărcătură. De aceea, cuptorul este prevăzut cu instalaţie de reglare automată a poziţiei electrozilor.

Cuva cuptorului se căptuşeşte cu magnezită (cuptor bazic) sau cu silica (cuptor acid).Electrozii sunt din grafit sau cărbune grafitizat.

a). Elaborarea oţelului în cuptorul electric cu arc cu căptuşeală bazică.

Acesta este cel mai des folosit procedeu de elaborarea oţelurilor (95% din oţelul produs în cuptoare electrice).

La aceste cuptoare cuva la vatră este căptuşită cu magnezită şi la pereţi cu magnezită sau dolomită, iar bolta din cromo-magnezită.

Elaborarea unei şarje de oţel presupune mai multe etape: încărcarea, topirea, afinarea, dezoxidarea şi desulfurarea, corecţia compoziţiei chimice sau alierea, evacuarea.

Datorită condiţiilor mai slab oxidante, la cuptorul electric, încărcătura nu trebuie să conţină elemente care consumă oxigen, ca: siliciu, fosfor etc. Din acest motiv, încărcătura se compune în special din fier vechi şi eventual cantităţi mici de fontă (până la 20% dacă nu conţine fosfor, iar dacă conţine deloc).

Pentru formarea zgurii la topire se foloseşte var proaspăt ars, cu granulaţia de 25-75 mm.1. Încărcarea. La cuptorul electric este important modul de aranjare a încărcăturii în

cuvă, deoarece trebuie asigurată amorsarea rapidă a arcului electric.Pe vatră se aşează materialul mărunt şi greu pentru protejarea zidăriei refractare împotriva

loviturilor produse la încărcarea bucăţilor mari şi împotriva acţiunii arcului electric în perioada de topire. Peste acesta, se încarcă bucăţile mari în mijloc, între electrozi, astfel încât să nu se deplaseze deoarece pot provoca scurtcircuitări sau ruperea electrozilor. Aceste deranjamente conduc la opriri frecvente deci la prelungirea duratei şarjei.

In mijlocul încărcăturii în zona de sub electrozi se aşează carburantul care poate fi cocs sau spărturi de electrozi.

Pentru a asigura o cât mai bună compactitate a încărcăturii între bucăţile mari se încarcă materialul mărunt. Peste acesta se introduce fierul vechi mijlociu şi apoi restul de fier mărunt şi uşor.

Sub fiecare electrod, pentru a favoriza formarea arcului electric, se recomandă aşezarea unor bucăţi de cocs sau spărturi de electrozi.

Carburantul se introduce în mijlocul încărcăturii în zona sub electrozi, iar minereul (în proporţie de 1,0-1,5%) şi varul se aşează în straturi astfel încât să nu împiedice formarea şi menţinerea arcurilor electrice.

Cel mai frecvent încărcarea se face cu benă (coş). Bena are fundul format din segmente ca în figura 2. Bena se încarcă în depozit, se aduce deasupra cuvei cuptorului, se coboară în cuvă până aproape de vatră, se deschid segmenţii şi încărcătura cade în cuptor.

Durata de încărcare este de cel mult 5 minute. Este preferabil să se încarce cuptorul cu o singură benă pentru a nu lungi durata unei şarje de oţel.

2. Încălzirea şi topirea. Pentru începerea topirii se coboară electrozii până deasupra încărcăturii şi se conectează cuptorul la reţea de alimentare cu energie electrică. Pornirea se face cu tensiune redusă (arc scurt). Se reglează la început manual până se sigură stabilitatea arcurilor electrice şi apoi automat. După ce electrozii au pătruns în încărcătură se trece pe treapta maximă de tensiune, ceea ce permite utilizarea întregii puteri a transformatorului.

În timpul topirii reacţiile de oxidare depind de cantitatea de oxigen disponibil. Adausurile de oxidanţi depind de gradul de oxidare dorit, în primul rând pentru carbon. Astfel, topirea se poate face cu oxidare completă, cu oxidare parţială sau fără oxidare. Metoda de topire se alege în funcţie de calitatea încărcăturii şi mai ales de marca de oţel care se elaborează.

a). Metoda de topire cu oxidare completă, se foloseşte când fierul vechi este de calitate inferioară ( ruginit, uşor, cu mult fosfor însă nu mai mult de 0,08 %). Oxigenul din rugina fierului vechi şi din atmosfera cuptorului, este suficient pentru a oxida complet, până la sfârşitul topirii, siliciul, vanadiul şi titanul şi până la 75% manganul. Carbonul se oxidează puţin, 5-10% din carbonul iniţial. Pentru oxidarea avansată a carbonului (mai ales când se lucrează cu adaos de fontă) se introduce în încărcătură oxidanţi în cantităţi calculate astfel încât [C]t≤ 0,10%, iar [P]t~0,01%.

Adausurile de var pot ajunge până la 6%.La sfârşitul topirii zgura bazică oxidantă, bogată în P2O5 şi MnO se îndepărtează (fără a întrerupe curentul electric) prin bascularea în faţă a cuptorului.

b). Metoda de topire cu oxidare parţială, este cea mai răspândită pentru elaborarea ţelurilor d calitate, când fierul vechi este bun (neoxidat şi cu fosfor sub 0,04%).

Cantităţile de materiale se calculează astfel, încât la topire carbonul să fie cu 0,3-0,6% mai mare decât cel necesar la sfârşitul afinării, pentru oţelurile de construcţii şi cu 0,3-0,4% pentru oţelurile nealiate de scule. În aceste condiţii, siliciul, vanadiul şi titanul se oxidează complet, manganul până la 50%, iar fosforul scade la 0,02%.

Când se adaugă minereu, zgura fiind mai activă, pierderile de Mn, Cr, W pot ajunge la 70%. Iar fosforul scade sub 0,02%, dacă se adaugă var (2-4%) în craterele electrozilor. Pentru fluidificarea zgurii se adaugă periodic bauxită sau fluorină.

c) Metoda de topire fără oxidare se foloseşte la elaborarea oţelurilor bogat aliate, din deşeuri neoxidate, cu conţinuturi ridicate de elemente de aliere care trebuie recuperate ( deşeuri de oţeluri rapide, inoxidabile, rulmenţi etc.)

la această metodă topirea trebuie să se facă repede (transformator puternic). În timpul topirii se limitează pătrunderea aerului în cuptor, se împrăştie cocs mărunt peste încărcătură pentru a micşora oxidarea. În aceste condiţii siliciul se oxidează complet, iar restul elementelor rămân în cea mai mare parte în topitură.

Zgura nu se îndepărtează din cuptor deoarece conţine elemente de aliere.Gradul de oxidare al fierului, în timpul topirii, depinde de metoda de lucru şi de durata topirii.

Pentru ca topirea să dureze puţin şi baia metalică rezultată să fie caldă, trebuie: să se folosească încărcătură bună, în greutate de 100-125% din capacitatea nominală a cuptorului, să se evite întreruperea funcţionării cuptorului (deci încărcare cu o singură benă).

Durata topirii este, în general, de 60-180 de minute, funcţie de mărimea cuptorului.

Fig. 2. Benă (coş) de încărcare. a-poziţia închisă; b- poziţia deschisă.

3. Afinarea. Când topirea se face după metoda cu oxidare parţială sau totală, la sfârşitul topirii se controlează compoziţia băii metalice, se evacuează toată zgura la topirea cu oxidare completă şi circa jumătate din zgură la topirea cu oxidare parţială, pentru a îndepărta oxizii de fosfor şi siliciu formaţi în timpul topirii, apoi se adaugă minereu sau se suflă oxigen, pentru oxidarea carbonului (decarburarea). În paralel cu oxidarea carbonului are loc şi oxidarea elementelor însoţitoare (siliciu, mangan fosfor) precum şi a unor elemente de aliere cu afinitate mare faţă de oxigen (crom, vanadiu, titan). În acest timp se micşorează tensiunea pentru a se lucra cu arc scurt şi gros.

Procesele de afinare. Ordinea în care se oxidează elementele din baia metalică este dată de afinitatea lor faţă de oxigen comparativ cu cea a fierului. Chiar dacă afinitatea faţă de oxigen a fierului este mai mică decât a multor elemente din baia metalică, procesele de oxidare au loc prin intermediul FeO deoarece indiferent de modul de alimentare a băii metalice cu oxigen, primul element din baie care se oxidează este fierul, în conformitate cu legea acţiunii maselor, deoarece se află în proporţia cea mai mare, în conformitate cu legea acţiunii maselor.

Astfel, ordinea de oxidare este:[Si] + 2[FeO] = (SiO2) + 2[Fe]; ΔH0 = - 10 316 KJ/kg O2 (1)

[Mn] + [FeO] = (MnO) + [Fe]; ΔH0 = - 8 435 KJ/kg O2 (2)

2[Fe2P] + 5[FeO] = (P2O5) + 9[Fe]; ΔH0 = - 2 499 KJ/kg O2 (3)

[C] + [FeO] = {CO}+ [Fe]; ΔH0 = - 1 283 KJ/kg O2 (4)

Oxidarea carbonului (decarburarea) şi degajarea de CO provoacă agitarea băii metalice, „fierbere” şi favorizează mărirea suprafeţei de contact dintre zgură şi baie metalică, se asigură omogenizarea temperaturii şi compoziţiei băii metalice, se elimină o bună parte din gazele din oţel (hidrogen şi azot) şi dintre incluziunile existente în oţel.

La fierberea cu minereu se realizează viteze de decarburare de ordinul a 0,36-0,48% C/h (la începutul fierberii când conţinutul de carbon şi de oxigen este relativ mare chiar 0,5-0,7% C/h), iar când se foloseşte oxigen se obţin valori de 3..5 ori mai mari (1,8-2,4%C/h). Această perioadă de numeşte fierbere intensă. După încetarea introducerii de oxidanţi în cuptor fierberea continuă dar cu viteze mai mici (0,12 0,27 % C/h) până la atingerea echilibrului între carbon şi oxigen la temperatura de lucru. Această perioadă se numeşte fierbere liniştită.

La temperaturi ridicate se pot produce şi reacţii endoterme, reacţii care au rol secundar, dar care sunt posibile şi care conduc la regenerarea elementelor uneori nedorite (fosfor) din zgură:

5[C] + ([P2O5]) = 5{CO}+2 [P]; ΔH0 = 11 495 KJ/kg O2 (5)

[C] + ([MnO]) = 5{CO}+2 [Mn]; ΔH0 = 16 460 KJ/kg O2 (6)

2[C] + ([SiO2]) = 2{CO}+2 [Si]; ΔH0 = 19 913KJ/kg O2 (7)

În condiţiile de elaborare a oţelului, când temperatura creşte, spre sfârşitul afinării, reacţiile secundare se intensifică, astfel încât, o parte din elementele însoţitoare, care au fost îndepărtate prin oxidare, revin în baie, ca urmare a intensificării reacţiile secundare. Această revenire se numeşte proces de regenerare.

Regenerarea poate avea loc în principiu, la siliciu, mangan, fosfor. Regenerarea siliciului practic este imposibilă deoarece silicea un oxid puternic acid formează silicaţi cu oxizii bazici din zgură (FeO, CaO, MgO) care blochează sicea în zgură. Cea mai periculoasă ar fi regenerarea fosforului care însă nu este posibilă sub zgură bazică, deoarece pentaoxidul de fosfor fiind acid formează cu oxidul de calciu fosfaţi de forma ((CaO)n P2O5), care leagă fosforul în zgură împiedicând revenirea lui în baia metalică. Cu cât zgura este mai bazică cu atât n are o valoare mai mare (n poate lua valori de la 1 la 4).

La carbon nu este posibilă regenerarea, deoarece CO părăseşte baia metalică, deci procesul nu poate fi reversibil. Prin urmare, reacţia de oxidare a carbonului se produce teoretic până la consumarea completă a carbonului din baia metalică. Dar oţelurile sunt aliaje fier carbon iar unele

dintre ele au conţinuturi ridicate de carbon, procesul de decarburare se opreşte la conţinutul dorit. De aceea, momentul la care se întrerupe (se frânează) reacţia de oxidare a carbonului se numeşte punct de oprire.

Îndepărtarea gazelor din baia metalică inclusiv a oxigenului , depinde de viteza de decarburare, de cantitatea de carbon oxidat şi de conţinutul de gaze din oţel. La cuptorul electric cu arc există pericolul să crească conţinutul de azot din baia metalică, deoarece sub acţiunea arcului electric, moleculele de azot se disociază în atomi, iar atomii ionizaţi în arc se dizolvă uşor în baie. Pentru a nu creşte conţinutul de azot se recomandă ca perioada de afinare să nu depăşească in total 55-60 minute, din care 35-45 min. să fie fierbere intensă.

4. Dezoxidarea. La procedeul de elaborare a oţelului în cuptor electric cu arc bazic dezoxidarea se realizează în trei etape: predezoxidare prin precipitare,dezoxidare prin difuziune şi dezoxidarea finală prin precipitare.

Înainte de a începe dezoxidarea se evacuează parţial sau total zgura de afinare dacă aceasta nu conţine elemente de aliere care trebuie recuperate şi se formează o nouă zgură.

Predezoxidarea se realizează prin adăugarea FeMn (calculat pentru limita inferioară a manganului prescris) şi FeSi (calculat pentru 0,03-0,07%Si) pe zgura de la afinare dacă aceasta nu a fost evacuată în totalitate din cuptor. Se mai poate adăuga şi aluminiu (circa 0,15 kg/t).

Dezoxidarea prin difuziune. În cuptorul electric cu arc se poate forma zgură dezoxidantă (fără FeO sau cu foarte puţin), deoarece atmosfera în cuptor este reducătoare. Zgura dezoxidantă se poate forma din zgura de afinare, dacă nu conţine P2O5, prin adaos de cocs şi var pe zgură sau se formează o nouă zgură din var, fluorină şi cocs dacă trebuie evacuată zgura de afinare. În loc de cocs se pot folosi: deşeuri de electrozi sau carbid, ferosiliciu cu 75% siliciu sau silico-calciu praf şi granule sau strunjituri de aluminiu.

Funcţie de gradul de dezoxidare dorit şi de marca de oţel se pot folosi două feluri de zguri dezoxidante: zgură albă şi zgură carbidică.

Zgura albă se formează din amestec de var, praf de cocs şi fluorină în proporţie de 5:3:1. Dacă oţelul conţine sub 0,25% C sau oprirea afinării s-a făcut la un conţinut mai mare de carbon, jumătate din cocs se poate înlocui cu praf de ferosiliciu. În zgură sub acţiunea arcurilor electrice se produce reacţia:

3 Ccocs + (CaO) → (CaC2) + {CO} (8)

Carbura de calciu reacţionează cu FeO care iese din baie în zgură prin difuziune conform legii repartiţiei, după reacţia:

(9)în funcţie de conţinutul de CaC2 zgura dezoxidantă poate fi zgură albă cu 0,5-1% CaC2 şi zgură carbidică cu 1-1,5% CaC2 .

Zgura albă se aplică la dezoxidarea oţelurilor cu conţinut mediu şi scăzut de carbon. Durata dezoxidării cu zgură albă este în medie de 40-50 minute. Conţinutul de oxigen din oţel scade la 0,004-0,007% (40-70 ppm).

Zgura carbidică se aplică la dezoxidarea oţelurilor cu conţinut ridicat de carbon, deoarece această zgură carburează oţelul cu 0,03-0,05% C/h.

Zgura carbidică are putere de dezoxidare mai mare decât zgura albă, conţinutul de oxigen din oţel scăzând la 0,003-0,004% (30-40 ppm), dar are dezavantajul că este lipicioasă datorită tensiunii superficiale mici, deci aderă la oţel de care se separă greu, constituind o sursă de impurificare a oţelului. Di aceste motive, la sfârşitul dezoxidării prin difuziune 8cu 20-30 minute înainte de evacuare) zgura carbidică se transformă în zgură albă, prin deschiderea uşii cuptorului timp de câteva minute, când are loc reacţia:

(10)

micşorându-se astfel conţinutul de CaC2 . Durata dezoxidării cu zgură carbidică este de 60-90 minute.

Avantajele şi dezavantajele dezoxidării prin difuziuneAvantajele sunt:- nu impurifică oţelul cu produşi de dezoxidare;- nu necesită dezoxidanţi în bucăţi;- permite recuperarea unor elemente din zgură 8de exemplu cromul).Dezavantajele sunt:- necesită o perioadă mare de timp (zeci chiar sute de minute);- nu asigură dezoxidarea completă a oţelului, deci ea trebuie completată cu dezoxidarea

prin precipitare.Dezoxidarea prin precipitare. Dezoxidarea finală se face în cuptor sau oala de turnare.

Dezoxidanţii se introduc în ordinea creşterii puterii lor dezoxidante: mangan, siliciu, aluminiu. Manganul şi siliciu se folosesc sub formă de feroaliaje simple sau complexe, iar aluminiu ca aluminiu metalic. Manganul sub formă de FeMn sau SiMn se adaugă chiar în timpul dezoxidării prin difuziune. Siliciul, sub formă de FeSi75 sau SiCa se adaugă cu până la 35-45 înainte de evacuarea oţelului din cuptor, la oţelurile nealiate (sau înaintea alierii) şi trebuie să asigure 50-80% din conţinutul prescris, restul se adaugă în oală. Aluminiu se adaugă cu 10…15 min înaintea evacuării. Este preferabil să se introducă toată cantitatea de Al în cuptor pentru ca produşii de dezoxidare să aibă timp să se elimine din oţel.

Feroaliajele trebuie să se calcineze (peste 8000C) înainte de utilizare, pentru a îndepărta umiditatea şi parţial gazele pe care le conţin.

Reacţia de dezoxidare prin precipitare în forma generală este:(11)

sau mai simplu:; (12)

unde D este elementul dezoxidant, iar DO este oxidul elementului dezoxidant.In fig este prezentată relaţia între conţinutul de dezoxidanţi şi conţinutul de oxigen din oţel, la

temperatura de 1600 0C.

Dezoxidarea cu manganManganul este cel mai slab dezoxidant. La temperatura de 1600 0C, în echilibru cu 0,5% Mn se

află 0,1% [O], mult mai mult decât este admis într-un oţel calmat.;

(13)Produşii de dezoxidare sunt soluţii solide sau lichide, nFeO.mMnO. La concentraţii mici de

Mn aceste sluţii sunt sărace în MnO şi uşor fuzibile, îndepărtându-se uşor din baia metalică.Manganul este utilizat singur ca dezoxidant numai la oţelurile necalmate (Si<0,03%).Dezoxidarea cu siliciuSiliciul este un dezoxidant mult mai puternic decât manganul, astfel la 1600 0C, în echilibru cu

0,35% Si se află 0,01% [O].; (14)

Fig.3. Variaţia conţinutului de oxigen funcţie de conţinutul

elementelor dezoxidante în oţel

Pentru cantităţi mici de siliciu, produsul de dezoxidare este , care se topeşte la 1205 0C şi fiind lichid se îndepărtează uşor din baia metalică. Cu creşterea conţinutului de siliciu adăugat, produsele de dezoxidare sunt silicaţii de fier bogaţi în SiO2, greu fuzibili sau chiar SiO2 pur care rămân în cea mai mare parte în oţel, mărind tendinţa de crăpare a oţelului în timpul deformării plastice. De aceea se recomandă o predezoxidare cu siliciu în cuptor (0,03-0,07 Si), iar restul de siliciu se adaugă în oala de turnare care să asigure minim 0,22% Si (0,22-0,35% Si) pentru oţelul calmat şi maxim 0,17% Si în oţelul necalmat.

Dezoxidarea cu aluminiu Aluminiu este un dezoxidant puternic, cu circa 0,01% Al aflându-se în echilibru 0.001% [O].

;

(15)dacă oţelul se dezoxidează numai cu aluminiu, rezultă particule de Al2O3, care sunt solide şi

rămân în oţel sub formă de incluziuni nemetalice conducând la micşorarea deformabilităţii şi a proprietăţilor mecanice ale oţelului. De aceea aluminiu ca dezoxidant se foloseşte numai pentru completarea dezoxidării. In acest caz, baia metalică mai conţine puţin oxigen şi deci se formează puţin Al2O3 care se separă în cea mai mare parte din oţel, iar particulele rămase sunt fin dispersate şi acţionează ca germeni de cristalizare, rezultând grăunţi fini.

Dezoxidarea combinatăDezoxidarea cu un singur element dezoxidant nu dă rezultate bune din cauza produselor de

dezoxidare care nu se por separa de oţel. Dacă se folosesc mai mulţi dezoxidanţi, adăugai în ordinea creşterii puterii lor dezoxidante, rezultă în final combinaţii complexe sub formă de silicaţi de fier şi mangan sau slico-aluminaţi de fier şi mangan, uşor fuzibili, care se îndepărtează uşor din baia metalică. În plus, capacitatea de dezoxidare a fiecărui dezoxidant este mai mare în cazul dezoxidării complexe.

O dezoxidare avansată şi o puritate mare a oţelului se obţine prin utilizarea de dezoxidanţi complecşi conţinând două sau mai multe elemente dezoxidante: FeSiMn, FeSiCa, SiMnAl, AlCaSi, datorită formării unor produşi de dezoxidare uşor fuzibili.

Avantajele şi dezavantajele dezoxidării prin precipitare.Avantajele sunt:- asigură o bună dezoxidare ([O]D este mic în oţel);- se desfăşoară rapid (în câteva minute) şi deci nu afectează productivitatea cuptoarelor;Dezavantaje:- impurifică oţelul cu produse de dezoxidare (incluziuni nemetalice);- necesită dezoxidanţi (feroaliaje) de bună calitate şi în bucăţi mari pentru a ajunge în baie;

5.Desulfurarea oţeluluiSulful este un element dăunător calităţii oţelului, cu excepţia oţelului pentru automate în care

sulful se introduce deliberat ca element de aliere, el mărind prelucrabilitatea oţelului prin aşchiere. Având o solubilitate foarte scăzută în fierul solid (0,015-0,020%) la solidificare sulful în surplus se separă la limita grăunţilor sub formă de sulfuri, eutectice (Fe-FeS) sau oxisulfuri, cu temperaturi joase de topire, provocând fragilitatea le cald a oţelurilor. In încărcătura metalică sulful se găseşte în proporţie de 0,05-0,07% şi provine în cea mai mare parte din fontă.

Desulfurarea se bazează pe folosirea unor elemente cu afinitate mai mare faţă de sulf decât a fierului, cum sunt: Mn, Ca, Ba, Mg, lantanidele etc. Sulfurile rezultate nu sunt solubile în oţel şi trec în zgură.

Desulfurarea cu manganÎn baia metalică, sulful aflat sub formă de sulfură de fier solubilă, reacţionează cu manganul

conform reacţiei: ; (16)

valoarea entalpiei libere de reacţie arată că reacţia este exotermă şi că ea se desfăşoară la temperaturi joase, sub 1893K temperatura de echilibru. Deci, desulfurarea cu mangan este favorizată de temperaturi joase şi de conţinuturi mari de mangan. Sulfura de mangan formează cu sulfura de fier

soluţii solide, până la un conţinut de 40% FeS. De aceea este posibil ca sulfura de mangan care trece în zgură să antreneze cu ea şi sulfură de fier. Sulfurile nu sunt solubile în zgurile acide. Totuşi desulfurarea cu mangan la oţeluri nu are pondere mare deoarece oţelurile, cu excepţia celor aliate cu mangan, conţin puţin mangan. Desulfurarea oţelului cu mangan are loc mai ales la topire şi imediat după topire, când conţinutul de mangan în baie este încă mare şi temperatura este scăzută.

Desulfurarea cu calciuLa contactul zgurii cu baia metalică se poate produce reacţia:

; (17)Desulfurarea cu calciu este avantajată de temperaturi înalte, reacţia fiind endoterm, de

conţinuturi mici de , deci zgură bine dezoxidantă şi de conţinuturi mari de , deci de zgură bazică.

Deci, desulfurarea cu calciu are loc în perioada de dezoxidare a oţelului când sunt întrunite aceste condiţii. Cuptorul electric bazic asigură cele mai bune condiţii de îndepărtare avansată a oţelului în timpul dezoxidării prin difuziune. Desulfurarea este ajutată şi de reacţiile cu crbura de calciu, fluorura de calciu, siliciul şi carbonul din zgură, după cum urmează:

; (18); (20)

; (21)

. (22)In zgurile bazice, poate reacţiona şi cu sau cu conform reacţiilor:

; (23). (24)

Desulfurarea în afara cuptoruluiCele mai utilizate procedee sunt:- injectarea de desulfuranţi ( CaSi, CaC2, Mg, Cao+Mg etc) sub formă de pulbere cu

ajutorul unui gaz purtător (Ar, N2) printr-o lance, în oţelul lichid din oală. Datorită agitării puternice a oţelului se realizează o desulfurare avansată (conţinutul de sulf scade până la 0,001%) într-un timp relativ scurt de 10-25 minute;

- utilizarea de zguri sintetice care conţin elemente cu mare putere de desulfurare, dar lipsite de , ca de exemplu: 30% CaO; 30% Al2O3; 30% CaF2; 10% SiO2. Prin turnarea oţelului de la înălţimea de de 4-6 m în oala de turnare care conţine zgura sintetică, se produce o emulsionare puternică a oţelului cu zgura sintetică, realizându-se o desulfurare şi o dezoxidare avansată a oţelului.

6. Alierea Elementele care nu se oxidează nichel, cobalt, molibden, cupru etc se introduc în încărcătură

sau se adaugă în timpul topirii. Pierderile sunt foarte mici.Elementele care au afinitate faţă de oxigen mai mare decât a fierului se introduc în perioada de

dezoxidare (când conţinutul de oxigen în oţel a scăzut) în următoare ordine: Mn, W, Cr, Si, Ti, Al, V. n şi W se adaugă în prima parte a perioadei de dezoxidare, iar celelalte în a doua parte a dezoxidării prin difuziune; Si se adaugă cu 15-20 minute înainte de evacuare, iar Ti, Al; şi V cu5-10minute înainte de evacuare.

Elementele foarte oxidabile ca Nb, Ta, B, Ca, Zr, Mg se adaugă în jetul de oţel la evacuarea în oala de turnare. Pierderile de elemente prin ardere sunt mici când dezoxidarea este condusă bine, pierderile sunt de: 5% Mn, 5-15% W, 5-10% Cr, 30-50% Ti, 10-15% V etc.

b). Tehnica de elaborare UHPPuterea electrică a cuptoarelor cu arc se exprimă în kWh/m2 suprafaţă de baie sau în kWh/m3

volum de cuptor. Din acest punct de vedere cuptoarele se clasifică în: cuptoare clasice, de mare putere (HP-High Power) şi de foarte mare putere (UHP- Ultra High Power), aşa cum rezultă din tabelul 1.

Clasificarea cuptoarelor electrice cu arc Tabelul 1Cuptoare electrice cu arc Capacitate kWh/t Volum kWh/m3 Suprafaţă kWh/m2

Clasice 130 - 200 180 - 300 650 - 950De mare putere, HP 220- 300 320 - 420 950 - 1200De foarte mare putere, UHP 330 - 500 530 -1200 1400 - 2000

Deoarece transformatorul este utilizat la capacitatea lui maximă numai în perioada de topire pentru ca gradul lui de utilizare să crească (≥0,8), se preferă utilizarea unor transformatoare puternice care sa lucreze în regim HP sau UHP. Datorită acestei puteri mari funcţionarea cuptoarelor UHP este modificată faţă de cuptoarele clasice. În acest caz în cuptor are loc topirea şi afinarea ( se lucrează cu o singură zgură oxidantă), iar dezoxidarea şi alierea se fac în afara cuptorului. Pentru intensificarea proceselor, în cursul afinării se suflă oxigen tehnic în baia metalică, realizându-se valori ale vitezei de decarburare de până la 2,5% C/h. Creşterea puterii transformatorului presupune şi modificări constructive nu numai tehnologice ale cuptorului. Astfel, se măreşte rezistenţa mecanică a instalaţiilor auxiliare, se măreşte diametrul electrozilor şi se îmbunătăţeşte calitatea electrozilor care să admită densităţi mari de curent ≥ 25A/cm2 pentru a nu mării foarte mult diametrul electrozilor. Încărcarea se poate face cu coş(benă) dacă durează doar câteva minute sau continuu printr-o conductă de alimentare. Pentru aceasta, este necesar ca fierul vechi să fie mărunt, sau să se folosească fier preredus (burete de fier) sub formă de pelete sau brichete. Metoda este folosită în principal pentru fabricarea oţelurilor carbon sau a oţelurilor aliate dacă se foloseşte un procedeu combinat, cuptor electric şi un agregat de rafinare: VOD- Vacuum Oxygen Decarburization, ASEA-SKF, CAB- Calcium Argon Blowing, VAD- vacuum Arc Degassing etc.

Aplicându-se asemenea tehnologii creşte foarte mult productivitatea cuptorului şi scad consumurile specifice materiale şi energetice. Astfel, durata şarjei într-un cuptor de 150 t este de circa 2 ore, la un consum de energie electrică de 510kWH/t şi un consum de electrozi de numai 3,7 kg/t oţel.

2. Convertizorul cu oxigenConvertizorul cu oxigen este agregatul de elaborare a oţelului fără sursă exterioară de căldură.

Căldura necesară desfăşurării proceselor este dată numai de reacţiile exoterme acre au loc la afinare.Elaborarea în convertizorul LD (Linz-Donawitz a fost pus la punct în Austria în anul 1952) se

caracterizează prin folosirea fontei lichide ca materie primă de bază (70-80%, restul fier vechi) şi afinarea ei cu oxigen tehnic de mare puritate (99,5-99,8%) insuflat în baia metalică pe partea superioară cu o presiune de 8-18 atm cu ajutorul unei lănci răcită cu apă.

Schema de principiu a convertizorului LD este prezentată în fig.4.

Convertizorul cu oxigen LD este un recipient din tablă de oţel căptuşit cu materiale refractare bazice (cărămizi de magnezită sau dolomito-magnezitice, blocuri de dolomită bătută).

La început se încarcă fierul vechi în două reprize în convertizorul înclinat apoi se introduce fonta lichidă produsă in furnal după care convertizorul se aduce în poziţia verticală de lucru şi se începe suflarea oxigenului.

Oxigenul se suflă în convertizor cu printr-o ţeavă de oţel cu pereţi dubli prin care circulă apa de răcire, numită lance. Pentru protecţie lancea este căptuşită la exterior cu materiale refractare tubulare. Are o lungime de 7-14 m. La partea superioară este susţinută de un cărucior care permite coborârea ei până la 150-200 mm de suprafaţa băii metalice.

Capătul lăncii construit din cupru este prevăzut cu 3-9 duze (orificii) prin care se suflă oxigenul tehnic cu viteza dorită.

Gazele rezultate din procesele de afinare sunt captate de hotă şi transportate la sistemul de epurare.

Datorită presiunii mari cu care jetul loveşte baia , se creează în baie o adâncitură, fonta în zona respectivă fiind împinsă în jos şi înspre pereţi. Se creează astfel o mişcare descendentă în mijlocul băii şi una ascendentă pe pereţi, deci se produce o amestecare puternică a băii care conduce la creşterea vitezei de reacţie şi la omogenizarea băii din punct de vedere al temperaturii şi al compoziţiei chimice.

Oxigenul suflat oxidează fierul din fontă după reacţia exotermă: ; (25)

Cantitatea de căldură care se produce în acest timp face ca temperatura în zona de contact a jetului să crească de la 1200-1250 0C la 2500-3000 0C. Oxidul feros format difuzează repede în baia metalică şi contribuie la oxidarea elementelor însoţitoare, siliciu, mangan, fosfor, sulf si a carbonului.

În primele minute ale suflării oxigenului se adaugă primele cantităţi de var (50% din total) şi de fluorină, CaF2, pentru formarea zgurii. Totodată se adaugă şi minereu de fier sau ţunder pentru creşterea puterii de oxidare a zgurii care are însă şi rol de agent de răcire.

Oxidarea siliciului începe imediat după formarea primelor cantităţi de oxid feros după reacţia exotermă :

(26)Datorită insolubilităţi dioxidului de siliciu, SiO2, în fierul lichid, acesta se ridică la suprafaţa

băii, contribuind alături de FeO la formarea zgurii. Oxidarea siliciului se termină în câteva minute,

Fig.4. Schema convertizorului LD1- convertizor, 2- lance; 3- hotă;4- orificiu de evacuare; 5- baie

metalică.

3…6 minute, datorită excesului de FeO şi faptului că este în cantitate mică în baie, de regulă sub 1%.

Oxidarea manganului se produce cu viteză mare la începutul suflării oxigenului, contribuind la creşterea temperaturii, pentru ca apoi să scadă pe măsură ce se intensifică reacţia de ardere a carbonului. Reacţia după care are loc oxidarea manganului este tot o reacţie exotermă de forma:

(27)Oxidul de mangan format trece în zgură. Pe măsură ce temperatura şi bazicitatea zgurii cresc,

are loc şi regenerarea manganului din zgură.Oxidarea carbonului începe repede, datorită creşterii temperaturii şi are loc după reacţia:

(28) Degajarea oxidului de carbon format produce o amestecare puternică a băii metalice. Când

conţinutul de carbon din baie scade mult, creşte cantitatea de oxid feros în zgură, ceea ce duce la pierderi mari d fier. Procesul de decarburare se termină în circa 18…21 minute. Viteza de decarburare este de 21-24%C/h.

Oxidarea fosforului se produce încă de la început, datorită faptului că zgura bazică se formează timpuriu datorită temperaturii ridicate.

Reacţia de defosforare este puternic exotermă: (29)

Procesul de defosforare este favorizat şi de amestecarea intensă a zgurii oxidante cu baia metalică, ceea ce măreşte viteza reacţiei chimice şi uşurează trecerea oxidului de fosfor în zgură.

Deoarece zgura este puternic bazică oxidul de fosfor este fixat în zgură sub formă de (CaO)3P2O5 şi (CaO)4P2O5.

În general în convertizorul LD se înlătură până la 95% din fosforul iniţial al încărcăturii metalice.

Când conţinutul de fosfor din fontă este mare trebuie să se evacueze odată sau de două ori zgura, deoarece spre sfârşitul afinării creşte temperatura şi are loc regenerarea fosforului din zgură.

Desulfurarea este favorizată de zgură multă, bazică şi reducătoare. Deoarece la convertizor zgura este oxidantă desulfurarea are loc în proporţie de cel mult 45-50%.

Dezoxidarea şi corecţia compoziţiei chimice se face prin precipitare, de regulă în oala de turnare. Dezoxidanţii se introduc în ordinea următoare: 20% din aluminiu, când oţelul a umplut un sfert din oala de turnare, apoi cocsul pentru carburare, feromanganul, ferosiliciul şi restul de aluminiu.

Oţelul elaborat în convertizoarele LD se toarnă de regulă continuu.Avantajele utilizării convertizoarelor cu oxigen sunt:- productivitate foarte mare (200-400 t/h funcţie de mărimea lor);- utilizează fonta de afinare obişnuită;- utilizează fier vechi de până la 30%;- cheltuieli materiale şi de manoperă mai mici;- nu necesită surse exterioare de căldură, deci preţul lor de fabricaţie este sensibil mai mic

decât la cuptorul electric.În convertizorul cu oxigen se elaborează o gamă mare de oţeluri nealiate (necalmate,

semicalmate şi calmate) cu conţinut mic de carbon, maxim 0,20% C şi maxim 0,04% P respectiv sulf şi slab aliate (cu Mn, Cr, Si) conţinând maxim 0,03%C. În ţara noastră există trei oţelării cu convertizoare LD de 160 t fiecare la Galaţi.

Alte procedee de elaborare a oţelului fără aport de căldură din exterior sunt:- procedeul Bessemer (convertizor acid cu suflare de aer);- procedeul Thomas (convertizor bazic cu suflare de aer);- procedeu Kaldo (convertizor rotativ bazic cu suflare de oxigen);- procedeu LDAC sau OLP (convertizor bazic cu suflare, pe jos, combinată de oxigen şi

pulbere de var, specific pentru prelucrarea fontelor fosforoase),- procedeul OBM (Q-BOP), AOD, CLU.

Primele trei se folosesc azi în lume foarte puţin. În procedeul OBM oxigenul şi pulberea de var se suflă pe la partea de jos prin 5.15 duze. Prezintă avantajul că se obţine o scoatere de metal mai mare cu 2,5%, consumuri mici de oxigen şi o durată mai mare de suflare.

Procedeele AOD şi CLU se aplică în special la elaborarea oţelurilor inoxidabile şi se caracterizează prin suflarea de amestecuri de oxigen şi argon (AOD), respectiv de vapori de apă şi hidrocarburi (CLU), prin duze plasate lateral.

Procedee de rafinare a oţelului.

În prezent se aplică pe scară largă o serie de tehnologii şi tehnici de tratare a oţelului lichid în afara agregatului de elaborare, după operaţiile de topire şi afinare, care sunt denumite generic metalurgie secundară (sau metalurgia în oală). Metalurgia secundară include procese de decarburare avansată, defosforare suplimentară, dezoxidare şi desulfurare, degazare, aliere, procese care pot avea loc în oala de turnare sau în agregate specializate pe un anumit tip de operaţii.

O caracteristică deosebită a acestor procedee de tratare a oţelului rezidă din faptul c în marea majoritate a cazurilor se obţin efecte conjugate (dezoxidare, desulfurare, degazare) soldate în final cu următoarele avantaje tehnico-economice:

- creşterea productivităţii agregatelor de elaborare (care devin astfel simple maşini de topire, aşa cum sunt cuptoarele electrice cu arc care funcţionează în regim UHP şi convertizoarele cu oxigen;

- micşorarea consumului de combustibil şi de energie electrică ca urmare a reducerii duratei de elaborare a şarjelor;

- îmbunătăţirea calităţii oţelului prin micşorarea conţinuturilor de gaze şi incluziuni nemetalice, obţinerea unei compoziţii chimice precise şi omogene;

- reducerea consumului de feroaliaje datorită asimilării mai bune a elementelor de aliere;- conducerea automată a proceselor:Procedeele de tratare a oţelului în afara agregatului de elaborare pot fi clasificate astfel:A. barbotarea cu gaze inerte;B. Tratarea cu zguri sintetice;C. Injectarea de pulberi reactive în oţelul lichid;D. Tratarea în vid.

A. Barbotarea cu gaze inerte Procedeul CAB (Capped Argon Bubbling). Insuflarea gazului inert (argon, azot) în oţel se

poate face cu ajutorul unei lănci metalice (protejată la exterior cu cărămizi refractare tubulare) prevăzută la capăt cu un dop refractar poros cufundată în oala de turnare sau cu ajutorul uni sistem de insuflare alcătuit dintr-un dop refractar poros, montat în fundul oalei într-o casetă din tablă de oţel (fig.5 ).

Prin barbotarea oţelului lichid cu argon are loc o accelerare a proceselor de dezoxidare, desulfurare, degazare şi îndepărtare a incluziunilor nemetalice, precum şi omogenizarea compoziţiei chimice şi temperaturii, ca urmare a intensificării de transfer de masă şi de căldură.

Degazarea oţelului are loc pe baza următorului mecanism: în bulele de argon în momentul formării lor presiunea parţială a H2 şi N2 fiind egală cu zero, atomii de hidrogen şi azot difuzează în interiorul lor formând molecule care părăsesc oţelul odată cu argonul.

Incluziunile nemetalice sunt eliminate prin efectul de flotaţie: particulele de suspensii slab umectate de oţelul lichid sunt îndepărtate din acesta datorită forţelor de adeziune la bulele de gaz inert care străbat baia metalică şi datorită agitării puternice a oţelului de către bulele de argon.

Fig.5. Schema instalaţiei de barbotare cu gaze inerte. 1-oala de turnare; 2-capac etanş; 3-jgheab de

alimentare; 4-orificiu pentru lance probe; 5-zgură; 6-baie metalică; 7-dop poros; 8-închizător cu sertar.

B. Tratarea cu zguri sintetice.Zgurile sintetice sunt formate din : CaO, Al2O3, CaF2, SiO2, MgO, FeO etc în combinaţii şi

proporţii diferite funcţie de scopul urmărit (dezoxidare, desulfurare, defosforare, decarburare avansate). Zgura topită se introduce în oala de turnare şi apoi se evacuează oţelul din agregatul de elaborare peste ea. Oţelul care cade de la o înălţime de circa 5-7 m se emulsionează cu zgura foarte fluidă, accelerându-se astfel procesele datorită creşterii puternice a suprafeţei de contact dintre oţel şi zgură.

Exemple de zguri sintetice:- zguri oxidante şi puternic bazice pentru defosforare avansată:

60-65% CaO, 20-35% FeO şi 3-10% SiO2;- zguri bazice dezoxidante şi desulfurante:

-54% CaO, 45% Al2O3, 1% MgO -54% CaO, 25% CaF2, 15% Al2O3, 1% MgO, 5% SiO2.

C. Rafinarea oţelului prin injecţie de pulberi reactive.Procedeul constă în introducerea în oţelul lichid din oală a unor pulberi reactive printr-o lance

prevăzută cu duze, cu ajutorul unui gaz purtător (argon) sub presiune, fig.6.

Pulberile reactive pot fi:- Ca, Si, Mg, (procedeul CAB-Calcium-Argon-Blowing);- Mg-CaF2, CaC2 (procedeul TN- Thyssen-Niederrhein);- CaC2-CaO; CaO-CaF2; CaO-Al2O3-CaF2;

Ele având rolul de a desulfura şi dezoxida avansat oţelul. In plus se mai obţine micşorarea conţinutului şi modificarea incluziunilor nemetalice şi micşorarea conţinutului de gaze.Durata tratamentului este de 10-25 minute. Conţinuturile finale de sulf şi de oxigen depind de conţinuturile iniţiale de sulf şi de oxigen, de cantitatea şi tipul de pulberi utilizate, de durata suflării, de adâncimea la care introduce lancea în oţel, figurile 7 şi 8.

Conţinutul de sulf din oţel poate scădea până la 0,006%.Pe lângă desulfurarea şi dezoxidarea oţelului are loc şi micşorarea şi modificarea morfologiei

incluziunilor nemetalice, care se manifestă prin dispariţia sulfurii de mangan (plastică la temperatura de laminare) şi a îngrămădirilor de Al2O3 şi transformarea oxizilor în aluminaţi de calciu globulari cu dimensiuni reduse (≤ 20 μm), nedeformabili.

Fig. 6. Schema instalaţiei de rafinare prin injecţie de pulberi reactive.

1-oală; 2-lance; 3-capac; 4-oţel lichid; 5-dispersor de pulbere.

Fig. 7. Rezultatele tratării cu SiCa1-consum de siCa, 1 Kg/t, 8 min;2-consum de SiCa, 2 kg/t, 13 min.

Fig. 8. Corelaţia calculată între conţinuturile de [S] înainte şi după injecţie, pentru diferite adâncimi de injecţie (50; 150; 270 cm).

D.Tratarea în vid a oţelului.

Scopul principal al tratării în vid al oţelului lichid este de a micşorarea conţinutul de gaze, azot, hidrogen. In paralel au loc şi procese de decarburare, de vaporizare, de reducere a incluziunilor oxidice, e omogenizare a compoziţiei chimice şi a temperaturii, precum şi creşterea gradului de asimilare a elementelor de aliere, dacă se face şi o corecţie a compoziţiei chimice a oţelului.

Principalele procedee de tratare a oţelului în vid se pot împărţii în două categorii: fără aport de căldură şi cu aport de căldură.

Din prima categorie fac parte:

1. Tratarea în camera de vid (fig.9 ) La acest procedeu oala cu oţel se introduce într-o incintă etanşă în care se face vid (o,5-1 torr) cu ajutorul unor pompe puternice.

Viteza de eliminare a gazelor ([H], [N] ), măsurată prin variaţia concentraţiei de gaz,dG cu timpul, t, este dată de relaţia:

; (30)

unde: S este suprafaţa de contact cu vidul; V- volumul de oţel; δ- grosimea stratului limită de oţel; [Ge] – concentraţia gazului la echilibru; [Gm] – concentraţia medie a gazului.

Acest procedeu prezintă dezavantajul că degazarea este slabă deoarece suprafaţa specifică S/V şi δ sunt mici, iar presiunea ferostatică este mare ( coloana de oţel este mare). Pentru intensificarea degazării s-a combinat tratarea în vid cu barbotarea cu argon pe la fundul oalei, prin dop poros.

2. Tratarea în vid a jetului de oţel Procedeul (Bochumer-Verein), constă în turnarea oţelului din oala de turnare într-o altă oală

sau direct în lingotieră, aflată într-o incintă etanşă în care se face vid, fig.10.

Prin acest procedeu se asigură o mai bună degazare a oţelului deoarece se asigură o mai mare suprafaţă de contact a oţelului cu vidul, valori mici pentru δ şi pentru presiunea ferostatică.

3. Tratarea prin recirculareProcedeul prezintă două variante: DH ( Dortmund-Hőrde) fig.11şi RH (Ruhrstahl-Heracus)

fig.12.

Fig. 9. Instalaţie de tratare în cameră de vid.1-cameră de vid; 2-oală de turnare; 3-dop poros; 4- racord pompă de vid; 5-orificiu de observaţie;

6-ecluză pentru adausuri.

Fig. 10. Instalaţie de degazare în vid a jetului de oţel.1-cuptorul de elaborare; 2-oala intermediară; 3-oala de

degazare şi turnare; 4-racord la pompa de vid.

La procedeu DH circulaţia oţelului se realizează prin intermediul pulsaţiilor pe verticală efectuate de camera de vidare. Oţelul lichid, în cantitate de 10-20% din capacitatea oalei, este aspirat în camera de vidare unde se asigură o presiune de 0,01-1 mm Hg. Operaţia se repetă până când oţelul din oală este aspirat în camera de vidare de 3-6 ori.

La procedeul RH oţelul este aspirat iniţial în camera de vidare pe ambele conducte imersate în oala de turnare, iar după ce începe suflarea argonului prin unul din tuburile plonjoare, oţelul este aspirat tot timpul prin acel tub şi după eliminarea gazelor dizolvate şi a argonului injectat oţelul devine mai greu şi coboară e celălalt tub plonjor. Din momentul suflării argonului oţelul circulă continuu în camera de vidare pe toată durata tratamentului. Reciclarea oţelului se face de 3-5 ori cuo viteză de 10-30 t/min. Procedeul RH este unul dintre cele mai eficace procedee de tratare a oţelului în vid.

Durata tratamentului, indiferent de varianta utilizată durează circa 20 minute, timp în care oţelul pierde din căldura iniţială. Pentru a nu fi necesară o temperatură prea mare de evacuare camera de vidare se poate preîncălzi până la circa 1000 0C cu ajutorul unei rezistenţe electrice sau cu o flacără de gaz.

4.Procedeul VOD (Vacuum Oxygen Decarburization). Este unul dintre procedeele competitive utilizate la producerea oţelurilor inoxidabile (Cr-Ni)

cu conţinuturi foarte scăzute de carbon, sulf şi gaze. Instalaţia VOD ( fig.13) poate fi cuplată cu un cuptor electric sau cu un convertizor LD. Oala de turnare se introduce într-o incintă etanşă în care se face vid (1-10 torr). Simultan în oţel se introduce oxigen prin intermediul unei lănci amplasată în partea superioară şi argon introdus prin partea inferioară printr-un dop poros ceramic amplasat în fundul oalei.

La acest procedeu are loc decarburarea şi regenerarea avansată a cromului obţinându-se oţeluri inoxidabile cu 0,015 - 0,010% C, 25-30 ppm [O]t şi o recuperare ridicată a cromului (99%). Prin adăugarea de materiale desulfurante conţinutul de sulf poate scădea sub 0,01%.

Fig. 12. Schema instalaţiei RH.1-cameră de vidare; 2,3- tuburi plonjoare; 4-oală

de turnare; 5-ecluză pentru adausuri; 6-racord pompe de vid; 7-rezistenţă de încălzire

Fig. 11. Schema instalaţiei DH.1-cameră de vidare; 2-oală de turnare; 3-

racord pompe de vid; 4-buncăr de adausuri.

Fig. 13. Schema instalaţiei VOD.1-cameră vid; 2-capac cu inchidere etanşă; 3-oală; 4- capac oală; 5-lance pentru oxigen; 6-alimentare adausuri; 7-racord vid; 8-oţel lichid; 9-dop poros.

Din cea de a doua categorie fac parte:

1. Procedeul ASEA-SKFOţelul preafinat în cuptorul electric cu arc sau în convertizorul LD se transvazează din oala de

turnare în cuptorul oală al instalaţiei ASEA-SKF (fig.14) unde au loc în ordine, următoarele operaţii: degazare, şi agitarea electromagnetică în vid, încălzirea şi agitarea electromagnetico a oţelului, dezoxidarea şi desulfurarea. Zgura formată din adausurile dezoxidante şi desulfurante este încălzită cu ajutorul arcurilor electrice, deci este fluidă şi reactivă ca şi la cuptorul electric. Datorită agitării electromagnetice oţelul vine în contact cu zgura pe o suprafaţă mărită, obţinându-se o dezoxidare şi o desulfurare foarte avansate: sub 0,001% [O] şi sub 0,002% [S] mai ales dacă se folosesc pământurile rare.

Instalaţia este prevăzută şi cu posibilitatea barbotării cu argon a oţelului.

2. Procedeul VAD (Vacuum Arc Degassing) Instalaţia VAD (fig.15) este cuplată cu un cuptor electric cu arc sau cu un convertizor

LD.Încălzirea oţelului se face arcuri electrice iar barbotarea cu argon introdus pe la fundul oalei printr-un dop poros. În cuptorul oală au loc următoarele operaţii: încălzirea, degazarea în vid (p<0,1 atm), desulfurarea (se formează zgură bazică), dezoxidarea (in vid) şi alierea.

Oţelul conţine 0,002 – 0,004% [S]; 10-35 ppm [O].

Fig. 14. Schema instalaţiei ASEA/SKF.1-cuptor oală; 2-inductor; 3-electrozi; 4-capac.

Fig. 15. Schema instalaţiei VAD.1-cameră de vid; 2-oală; 3-capac oală; 4-capac cu închidere etanşă; 5-electrozi; 6-racord vid;

7-dop poros; 8-alimentare adausuri.

Turnarea şi solidificarea oţelurilor

GeneralităţiLa sfârşitul perioadei de elaborare oţelul este evacuat din agregatul de elaborare într-o oală de

turnare care este ţinută în cârligul unei macarale, se găseşte pe un postament sub jgheabul de evacuare sau pe o maşină de turnare.

In cazul cuptoarelor mari de peste 250 t oţelul se evacuează în două oale de turnare, folosind un jgheab de evacuare bifurcat.

Pentru manipularea oalei de turnare, în general, se folosesc macarale de turnare, care au avantajul că acoperă întreaga hală de turnare şi se adaptează la diverse alte lucrări. Pisica principală, cu o putere de ridicare de 1,4 ori mai mare decât greutatea oţelului, este prevăzută cu două cârlige puternice prinse la un balansoar ridicat şi coborât cu cabluri, mişcarea făcându-se liber sau cu ghidarea balansoarului într-o construcţie metalică rigidă. Macaraua dispune şi de o pisică auxiliară pentru bascularea oalei de turnare la turnarea oţelului din oală în lingotieră.

In cazul în care din diferite motive nu se pot folosi căi de rulare pentru macarale se folosesc maşini de turnare pivotante.

Din oala de turnare oţelul este turnat în lingotiere, în care se lasă să se solidifice, după care lingourile de oţel sunt scoase din lingotiere (stripate) şi trimise în secţiile de laminare sau forjare.

Pentru operaţiile de turnare se folosesc utilaje care trebuie să prezinte siguranţă în funcţionare, atât macaralele cât ăi oala de turnare ăi ansamblul de turnare.

In ultima perioadă când necesarul de oţeluri speciale a crescut, oala de turnare este de multe ori agregatul în care se efectuează tratamentul oţelului în afara cuptorului. In acest caz oalele de turnare au o construcţie specială.

1. Oala de turnare1.1. Dimensionarea oalei de turnareAre forma invers conică cu o conicitate de 5 % pe fiecare parte, pentru uşurarea îndepărtării

scoarţelor care rămân pe pereţii oalei şi/sau pe fundul ei. Suprafaţa de radiere a oalei trebuie să fie minimă în raport cu volumul ocupat de oţelul lichid,

pentru ca răcirea oţelului să fie cât mai mică. Această condiţie este satisfăcută dacă înălţimea ocupată de oţel este egală cu diametrul mediu al oalei. In aceste condiţii răcirea oţelului lichid este de circa 1 C/min începând di momentul în care oala de turnare este plină. Oala de turnare este prevăzută cu un cioc pentru deversarea zgurii, la circa 100 mm sub bordura oalei. Inălţimea stratului de zgură pentru izolarea oţelului lichid de acţiunea dăunătoare a atmosferei trebuie să fie de 150-300 mm.

Dm =Ho

B = 0,8Di; a + b = Di; b=1,5 a

unde: P este capacitatea cuptorului, t; γo este greutatea specifică, t/m; Dm este diametrul mediu al oalei iar Ho

este înălţimea coloanei de oţel în mm.

Fig. 16. Secţie oala de turnare

Diametrul superior al oalei de turnare, respectiv diametrul inferior se calculează cu relaţiile de mai sus.

Orificiul de evacuare se poziţionează excentric în fundul oalei de turnare pentru a asigura o mai bună centrare pe axa lingotierei,pentru a se evita deformarea tijei de manevrare a dopului din cauza căldurii radiată de suprafaţa oţelului din oală şi pentru a se evita lovirea şi deformarea tijei port-dop de către jetul de oţel.

Centrul orificiului de turnare se poziţionează în fundul oalei la o distanţă B = 0,8 Di de la pereţi şi astfel încât a + b = Di şi b = 1,5a. Distanţa c rezultă din calcul sau din desen.

Orificiul este închis cu un dop montat pe capătul unei bare port-dop care se manevrează cu un sistem de pârghii.

1.2. Construcţia oalei de turnare Oala de turnare se construieşte dintr-o manta metalică confecţionată din tablă sau bandă de oţel

de 15-30mm grosime la pereţi şi de 25-40mm la fundul oalei, căptuşită la interior cu materiale refractare.

Mantaua se execută prin nituire sau sudură şi este susţinută de un inel puternic din oţel prevăzut cu două fusuri de prindere în cârligul macaralei, iar la partea de jos a mantalei se sudează o za pentru bascularea oalei cu ajutorul pisicii auxiliare a macaralei de turnare.

Zidirea căptuşelii începe cu 1..2 rânduri de cărămizi normale sau pătrate aşezate pe lat pe fundul curbat sau drept al mantalei. Urmează un rând de cărămizi radiale, 1sau 2 rânduri la pereţi, lăsând la manta un spaţiu de circa 12mm, care se umple cu argilă, pentru a prelua dilatările mantalei. Se zideşte un al doilea rând de cărămizi pe fund, cu rosturi mici de 1-2mm care se umplu îngrijit cu mortar pentru ca oţelul să nu pătrundă în rosturi.

Grosimea căptuşelii este de cel puţin 150mm la pereţi (mai groşi la partea inferioară unde atacul oţelului este mai puternic) şi ajunge la 375mm la fundul oalei (pentru o oală de circa 150 t).

Materialul refractar se alege funcţie de capacitatea oalei şi de natura tratamentelor aplicate oţelului în oala de turnare. El trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: să fie uşor (pentru a nu îngreuna foarte mult oala de turnare), compact (pentru a nu pătrunde oţelul lichid prin porii cărămizilor şi să le distrugă), să aibă refractaritate mare (să reziste bine la temperatura oţelului lichid), rezistenţă la şoc termic (zidăria se încălzeşte şi se răceşte cu fiecare şarjă de oţel turnată), rezistenţă la coroziune (să reziste atacului oţelului lichid) şi rezistenţă mecanică (să reziste la greutatea coloanei de oţel lichid şi la şocul produs de jetul de oţel la evacuarea lui din cuptor în oală).

In general se folosesc cărămizi silico-aluminoase cu 30-90% Al2O3, cu densitatea de 1,9 – 2 t/m şi care rezistă la 1650-2000 C.

Pentru oalele obişnuite se foloseşte: - şamotă care rezistă la 15-20 turnări;

- şamotă aluminoasă care rezistă la circa 25 turnări - cărămizi grafito-aluminoase care rezistă la 35 – 45 turnări.

Pentru oalele speciale în care se face tratarea oţelului un timp mai îndelungat se folosesc cărămizi multicorimdonice cu 60 – 90% Al2O3.

In zidăria fundului oalei (1) se montează o cărămidă suport din şamotă (2) în locaşul căreia se fixează o cărămidă tubulară, denumită orificiu de turnare sau manşon de turnare) (3) din şamotă, magnezită sau grafit, care se va închide cu ajutorul unui dop (5) din şamotă aluminoasă (65%şamotă şi 65% argilă), din grafit cu 35%C sau din şamotă grafitată (40% argilă, 35% şamotă şi 25% grafit), fixat de o bară port-dop (4) confecţionată dintr-o bară de oţel îmbrăcată în tuburi de şamotă fixate cu o masă formată din 25% argilă sub un 1mm, 75% şamotă sub 1mm, sticlă solubilă şi apă sau 40% argilă sub 1mm, 60% şamotă sub 1mm şi sticlă solubilă şi apă ( Fig. 17, a). Dopul se montează în capătul tijei printr-un sistem pană ( fig. 17, c) sau şurub.

Orificiul de turnare (4)(manşonul) (fig. 17, b) se fixează în cărămida suport din exterior prin conicitate sau cu o placă de fixare (9), rostul din jurul manşonului se umple cu o masă (8) formată din 25% argilă sub 1mm, 50% şamotă sub 1mm, 25% grafit sub 1mm şi sticlă solubilă şi apă.

Manşonul şi dopul cu bara port-dop se schimbă după fiecare turnare.De felul cum sunt confecţionate, montate şi uscate depinde comportarea lor, ele trebuind să

închidă etanş şi să deschidă fără deranjamente orificiul de turnare până la golirea completă a oalei de turnare.

Înainte de întrebuinţare, oala de turnare este uscată cu un arzător cu gaz, iar după fiecare turnare se curăţă de resturile de oţel şi zgură şi i se reface zidăria refractară.

Tija port-dop după confecţionare se usucă într-un cuptor vertical şi apoi se montează în oala de turnare. Oala cu tija montată se preîncălzeşte, cu un arzător cu gaz, înainte de fiecare utilizare la temperaturi de 400-600 C pentru reducerea şocurilor termice şi micşorarea pierderilor de căldură a oţelului.

Modele îmbunătăţite de orificii (manşoane)Folosirea pe scară largă a oalelor de turnare cu capacitate mare care necesită durate mari de

turnare şi/sau tratament în oală şi deci temperaturi mai mari de evacuare şi un număr mare de manevre de închidere ţi deschidere a orificiului de turnare au condus la revizuirea materialelor refractare pentru confecţionarea ansamblului manşon dop, astfel încât acesta să-i sigure o funcţionare normală. Astfel s-a ajuns la manşoane compuse, cu inele sau cu inserţii.

Manşoanele compuse pot fi:a) cu magnezită în partea superioară şi şamotă în rest sau invers. Magnezita cu refractaritate

mare va asigura un locaş nedeformabil pentru dopul din şamotă, care nu se va lipi şi în plus o bună rezistenţă la uzură în zona în care se produce de regulă erodarea orificiului. Şamota având conductibilitate termică scăzută nu se încarcă cu oţel solidificat, ci din potrivă se erodează controlat.

b) manşoanele din şamotă cu inele de magnezită limitează eroziunea în porţiunea unde ea este de regulă pronunţată şi în acest caz se pot folosi dopuri din materiale dure (grafit cu 35% C).

c) manşoanele cu inserţii au inserţia pe toată lungimea jetului. Manşonul se confecţionează din materiale care asigură un locaş nedeformabil pentru dop şi o rezistenţă ridicată la uzură chimică şi fizică în partea interioară. Materialele utilizate sunt şamota pentru manşon şi magnezita pentru inserţii. Conductibilitatea termică scăzută a şamotei face ca orificiul să nu se încarce cu oţel solidificat.

Fig. 17. Oala de turnare (a). Detalii (b, c)

Aceste tipuri de manşoane se folosesc pentru turnarea oţelurilor erozive (manganoase), a oţelurilor înalt aliate şi a celor cu tendinţă mare de oxidare.

Fig. 18. Modele îmbunătăţite de manşoane

Inchizătoarele cu sertarPentru oalele utilizate cu predilecţie la tratarea oţelului în afara cuptorului se folosesc oale cu

dispozitive de închidere cu sertar care asigură o mai mare siguranţă în funcţionare. Siguranţa în funcţionare a sistemului este determinată de precizia execuţiei, de calitatea materialelor refractare şi de modul de deservire a dispozitivului.

Un dispozitiv de acest fel este închizătorul cu sertar de tip INTERSTOP, care constă din:- cărămidă suport, manşon superior, placă refractară fixă, sanie fixă, placă refractară mobilă,

sanie mobilă, suport pentru manşonul inferior, manşonul inferior şi sistemul de închidere hidraulic.Schema funcţională a acestui tip de închizător cu sertar este prezentată în fig.3.

Avantajele utilizării oalelor prevăzute cu închizător cu sertar sunt:-turnarea se face prin comandă de la distanţă,- centrarea corectă a jetului pe axul lingotierei,-oala poate fi preîncălzită la temperaturi mai mari (circa 1000 C);-creşte durabilitatea oalei de turnare,-oţelul poate avea temperaturi de evacuare mai mari (necesare unei durate prelungite de

tratament),se elimină podurile rulante pentru poziţionarea tijelor port-dop şi cuptoarele verticale pentru

uscarea şi preîncălzirea ansamblului tijă port-dop;-economii de materiale refractare.Barbotarea oţelului cu gaze inerte prin dop poros.În volumul oalei de turnare oţelul este neomogen din punct de vedere al compoziţiei chimice şi

al temperaturii. Reglarea şi uniformizarea acestora se poate realiza prin barbotare cu gaze inerte. Gazele inerte se pot introduce printr-un dop poros amplasat fie în fundul oalei de turnare fie la capătul unei tije metalice care se introduce în oţel pe sus.

Fig.3. Închizător cu sertar de tip INTERSTOP1- manşon superior; 2-cărămidă suport; 3-placă

fixă; 4-placă mobilă; 5-manşon inferior; 6-sistem hidraulic cu piston.

2. Metode de turnare

Din oala de turnare, după eventualele tratamente aplicate oţelurilor, oţelul se toarnă în lingotiere în vederea solidificării.

Turnarea oţelului se poate realiza prin două metode: turnarea clasică şi turnarea continuă. Metoda de turnare clasică presupune introducerea oţelului în lingotiere pe sus, direct sau indirect, sau pe jos.

Ansamblul de turnare este diferit funcţie de metoda de turnare utilizată. Astfel:- la turnarea clasică pe sus, direct ansamblul de turnare este format din lingotiere,

maselotiere, plăci de fund pentru lingotierele deschise (fig. 5a) ; - pentru turnarea clasică pe sus, indirect ansamblul de turnare este format din pâlnia

intermediară, lingotiere, maselotiere, plăci de fund;- pentru turnarea clasică pe jos (prin sifon) ansamblul de turnare este format din podul de

turnare (3) pe care se aşează lingotierele (4), maselotiere, pâlnie de alimentare a podului (2), (fig.5b);

- la turnarea continuă ansamblul de turnare este format din distribuitor, cristalizator, instalaţie de tragere şi de răcire secundară, instalaţie de tăiere a semifabricatului.

Fig. 5. Dop poros montat în fundul oalei.

Fig. 4.Sisteme de barbotare cu gaze inerte.

a) prin lance cu dop poros; b) prin dop poros montat în

fundul oalei de turnare.

Turnarea directă este mai cea mai simplă, oţelul curgând din oala de turnare (fig.5, 1) direct în lingotiera (fig.5, 2).

Avantajele metodei sunt:- admite o temperatură de turnare mai mică;- contact redus cu atmosfera şi cu materiale refractare, deci o impurificare scăzută a

oţelului;- Ultima porţiune de oţel turnat se află în capul lingoului (maselotă), deci condiţii de

solidificare mai bune, golul de contracţie este umplut cu oţel lichid (retasura mai mică); - cheltuieli mai reduse pentru manoperă şi materiale;

Dezavantajele sunt:- nu se pot turna lingouri mici din cuptoare de capacitate mare;- lingoul poate prezenta stropi şi scoarţe;- crusta marginală este subţire pentru viteza de turnare este mare,- nu se poate urmări bine umplerea lingotierelor şi deci lingourile pot avea înălţimi

diferite;Metoda este recomandată pentru turnarea lingourilor mari, care admit viteză mare de turnare

(nu sunt susceptibile la crăpături) şi cărora li se impun restricţii de puritate.Turnarea pe sus cu pâlnie intermediarăLa această metodă, între lingotieră şi oala de turnare se intercalează o pâlnie intermediară, care

înainte de turnare se încălzeşte la roşu, iar temperatura oţelului va fi la limita superioară admisă.Avantajele metodei sunt:- permite turnarea mai multor lingouri deodata care au toate aceeaşi înălţime;- se pot turna lingouri mai mici din oale da capacitate mare;- oala de turnare se goleşte într-un timp mai scurt dacă se toarnă mai multe lingouri deodată;- centrarea jetului de oţel în lingotieră se face mai uşor şi durabilitatea lingotierei creşte;- ho fiind mai mică şi înălţimea de cădere a oţelului mai mică, se reduc stropirile, deci suprfaţa

lingoului este mai bună;- viteza de umplere este mai mică şi constantă în condiţiile în care durata de golire a oalei

scade.Dezavantaje :

- temperatura oţelului la evacuare trebuie să fie mai mare deoarece oţelul se răceşte în pâlnia intermediară;

Fig. 5. Metode clasice de turnarea - turnarea directă; b - turnarea prin sifon

- reoxidarea oţelului este mai puternică, contactul cu atmosfera fiind pe o suprafaţă mai mare, de aceea trebuie protejată oglinda oţelului cu zguri de acoperire;

- oţelul conţine mai multe incluziuni nemetalice exogene, de aceea se recomandă utilizarea unor refractare de calitate;

- consumuri mai mari de manoperă, materiale şi energetice;Metoda este recomandată pentru lingouri de calitate, în primul rând pentru produse forjate, cu

prescripţii severe în ceea ce priveşte defectele interne.Turnarea prin sifon Avantaje:

- se pot turna mai multe lingouri deodată reducând durata turnării şi se pot turna lingouri mici din oale mari;

- lingourile au toate aceeaşi înălţime şi structură;Dezavantaje:

- cheltuieli mai mari pentru manoperă şi materiale;- pierderi destul de mari prin reţeaua de turnare (circa 4%);- temperatura de turnare trebuie să fie mai mare, deoarece oţelul se răceşte pe traseu;- se impurifică cu incluziuni nemetalice din zidăria podului;

Metoda este recomandată pentru lingouri mici care se toarnă din cuptoare mari, care necesită viteze mici de turnare (sunt susceptibile la crăpături) fără restricţii deosebite de puritate.

2.2 Dimensionarea şi execuţia ansamblului de turnare.

A. Turnarea clasică .Lingoteirele sunt piese din fontă (rareori din oţel) în care curge oţelul lichid din oală şi în care

se solidifică formând lingoul. În continuare lingoul de oţel merge la deformarea plastică prin forjare sau laminare. Forma lingotierelor trebuie să permită striparea lingoului (scoaterea lui din lingotieră) fără dificultăţi şi fără a distruge lingotiera.

Mărimea şi profilul lingotierelor determină condiţiile de răcire şi deci de solidificare a oţelului. Ele se fixează funcţie de:

- capacitatea agregatului de elaborare;- nevoile şi posibilităţile laminoarelor sa forjelor;- calitatea oţelului care se toarnă.

Tipuri de lingotiere. Lingotierele pot fi:- normal conice cu sau fără maselotiere;- invers conice prevăzute întotdeauna cu maselotiere

De regulă, oţelurile calmate se toarnă în lingotiere invers conice cu maselotiere (fig. 6d), oţelurile necalmate se toarnă în lingotiere direct conice cu sau fără maselotiere (fig. 6a) , iar oţelurile semicalmate se toarnă în lingotiere cu cap-butelie (fig. 6b).

La picior lingotierele pot fi închise (prevăzute sau nu orificiu) sau deschise.

Secţiunea lingotierelor se stabileşte funcţie de destinaţia şi calitatea oţelului. Ea poate fi rotundă (laminare sârmă), pătrată ( forjă sau profile), dreptunghiulară (laminate plate, tablă) sau poligonală (forjă). Laturile lingotierei pot fi plane (lingouri pentru sârmă, ţevi fără sudură etc) curbe sau ondulate pentru un contact mai bun al lingoului cu pereţii lingotierei, în vederea micşorării pericolului de apariţie a crăpăturilor, fig. 8.

Principii de dimensionare a lingotierelor Dimensionarea şi execuţia lingotierelor trebuie să asigure:

- mărimea corespunzătoare obţinerii unui lingou de greutate impusă de calitatea oţelului, mărimea agregatului de elaborare, nevoilor şi posibilităţilor forjelor;

- formă corespunzătoare pentru a permite striparea lingourilor fără dificultate şi un grad de deformare pe lungime cât mai uniform;condiţii de răcire corespunzătoare unei solidificări fără defecte;

- o durabilitate cât mai mare a lingotierelor. Dimensionarea lingotierelorDupă adoptarea formei lingotierei, pentru dimensionarea lingotierelor se are în vedere

greutatea lingoului ce trebuie obţinut Glg, în t, cu ajutorul căreia se determină volumul interior al lingotierei, şi diametrul mediu Dm care este diametrul cercului înscris în secţiunea transversală a lingoului, care depinde de gradul de reducere cerut la deformarea plastică. În general se recomandă ca acest diametru să fie în limite strânse şi să varieze lăţimea L şi eventual înălţimea lingoului, H (fig.7).

Volumul interior al lingotierei este: ,în care: γo este densitatea oţelului lichid (6,9 t/m3).

Fig.6. Tipuri de lingotiere Fig.7. Dimensionarea lingotierelor

Fig. 8. Exemple de lingotiere cu pereţi ondulaţi, curbi şi plani

Principalii parametrii constructivi ai lingotierelor sun: L/Dm, H/Dm, grosimea pereţilor m şi respectiv n ,conicitatea şi raza de curbură a pereţilor pentru lingotierele dreptunghiulare sau pătrate.

Pentru obţinerea unor lingouri cu suprafaţă curată, fără defecte, raporturile L/Dm şi H/Dm au valori diferenţiate funcţie de mărimea lingourilor, de metoda de turnare, de forma şi grosimea pereţilor lingotierei, de viteza de turnare etc.

Pentru lingourile mai mari de 8 tone se recomandă următoarele valori pentru raportul L/Dm :- 1,2…2,2 când se toarnă cu viteză mare în lingotiere cu pereţi ondulaţi;- > 2,2 când se toarnă cu viteză obişnuită în lingotiere cu pereţi plani.

Raportul H/Dm trebuie să asigure o presiune ferostatică specifică cu atât mai mică cu cât oţelul este mai predispus la crăpături. Valorile acestui raport variază în limite largi de 2,5…5, şi ele sunt influenţate de o serie de factori cum ar fi:

- grosimea crustei marginale care trebuie să fie suficient de mare pentru a rezista presiunii hidrostatice a coloanei de oţel. Aceasta depinde şi de parametrii turnării, temperatura de turnare şi de viteza de turnare, precum şi de grosimea pereţilor lingotierei;

- viteza de solidificare ( dacă viteza de solidificare este mare , iar lingoul este înalt şi subţire există pericolul formării unei retasuri adânci şi chiar a formării de retasuri secundare);

- conţinutul de gaze din oţel (dacă este mare există pericolul ca centrul lingoului să fie poros).

Ultimele două defecte se accentuează pentru valori ale raportului H/Dm > 3. Deci se poate spune că cu cât creşte greutatea lingoului cu atât trebuie să scadă valoarea raportului H/Dm.

De aceea, valorile raportului H/Dm recomandate sunt:- 2,3…3,5 pentru lingourile < 8 tone şi Dm < 800 mm indicate pentru oţelurile calmate

destinate forjării;- ~ 3 pentru lingourile de > 8 tone şi Dm > 800 mm;- 2,7…1 pentru lingouri mari şi foarte mari.

Grosimea pereţilor lingotierelor este un factor foarte important deoarece determină greutatea lingotierelor şi influenţează durata solidificării, structura lingoului şi durabilitatea lingotierei. Grosimea pereţilor lingotierelor scade cu creşterea mărimii acestora şi are valori diferite la cap şi la picior. De regulă la picior peretele lingotierei este mai gros pentru a permite o răcire mai intensă la începutul solidificări în vederea obţinerii unei cruste marginale groase şi pentru creşterea durabilităţii lingotierelor. De aceea se recomandă ca n să fie cu 10…15% mai mare decât m şi uneori chiar cu 20…35%, deci n = 1,15 – 1,35 m.

Valoarea lui m reprezintă :- 26…30% Dm pentru lingouri cu Dm > 400 mm;- 32…50% Dm pentru lingouri cu Dm < 400 mm.

Conicitatea trebuie să asigure striparea uşoară a lingoului, dar şi condiţii optime pentru deformarea plastică. De asemenea, la lingourile invers conice, conicitatea favorizează formarea şi amplasarea golului de contracţie (retasura) pe capul lingoului. De aceea valorile conicităţii depind de destinaţia lingoului, de mărimea lui şi de gradul de calmare al oţelului. Astfel,conicitatea recomandată este de:

- 0,9…1,2 % pe fiecare latură pentru lingourile direct conice, mici;- 0,7…0,9 % pentru lingourile direct conice, mari;- 2,5…3 % pentru lingourile invers conice destinate laminării;- 3…4 % pentru lingourile invers conice destinate forjării.În cazul lingourilor foarte mari, direct conice, pentru laminare se pot lua conicităţi mai mici

0,5…1%.Raza de curbură a pereţilor lingotierelor, r, dreptunghiulare sau pătrate, este egală cu 10…30%

din diametrul mediu, Dm, adică:

La colţuri pereţii lingotierelor se subţiază, pentru a evita apariţia crăpăturilor, cu circa 20%, adică m1 =0,8 m.

Un factor important de apreciere a consumului de lingotiere este raportul între greutatea

lingotierei, Glgt şi greutatea lingoului Glg , . Valorile acestui raport sunt diferite funcţie de

gradul de calmare al oţelului:- 0,7…1,3 pentru oţel necalmat;- 1,0…1,3 pentru oţel calmat.

Între secţiunea transversală a lingotierei, Slgt şi secţiunea lingoului Slg , trebuie să existe următoarea relaţie:

.Valoarea constantei k este diferită pentru capul şi piciorul lingoului şi depinde de mărimea

acestuia, după cum urmează:- lingouri mari: – pentru capul lingoului: k = 0,65…0,75

- pentru piciorul lingoului: k = 0,9…1,4- lingouri mici: - la capul lingoului: k = 0,6…0,7

- la piciorul lingoului: k = 0,8…0,9.Calitatea lingotierei influenţează calitatea suprafeţei lingoului. Astfel, suprafaţa interioară a

lingotierei trebuie să nu fie fisurată sau cu denivelări, deoarece acestea se „imprimă” pe suprafaţa lingoului, el se poate încastra în lingotieră şi nu mai poate fi extras din ea şi atât lingoul cât şi lingotiera se rebutează, fie la scoaterea lingoului prin forţare lingotiera se poate sparge. Calitatea lingotierei influenţează şi cheltuielile cu obţinerea lingoului prin durabilitatea ei.

În cursul exploatării, lingotiera este supusă la încălziri şi răciri repetate (egal cu numărul de turnări la care rezistă o lingotieră).

Durabilitatea unei lingotiere este de 60…100 de turnări, funcţie de metoda de turnare utilizată, condiţiile de turnare, de grosimea pereţilor lingotierei, de calitatea materialului din care este construită lingotiera, de calitatea oţelului turnat.

Lingotierele se confecţionează de regulă din fontă şi mai rar din oţel, deoarece pentru uşurarea stripării lingoul şi lingotiera trebuie să aibă coeficienţi de dilatare şi respectiv de contracţie diferiţi de cei ai oţelului. Cel mai des se foloseşte fonta cenuşie cu 3,3-3,9% C, 1,0-2,25 Si şi 0,6-1,0% Mn. Conţinuturile de sulf şi fosfor nu trebuie să depăşească 0,1%.

Lingotierele sunt supuse în timpul funcţionării la şocuri termice (datorate încălzirilor şi răcirilor repetate) şi mecanice (în special în timpul stripării şi al manipulării) care le influenţează semnificativ durata de viaţă.

Durabilitatea lingotierelor mai depinde de structura iniţială a fontei şi de modificările structurale care au loc în timpul utilizării lor.

Dacă structura iniţială este feritică sau predominat feritică lingotiera rezistă bine la crăpături, deoarece la încălziri şi răciri repetate nu au loc modificări structurale importante.

Dacă structura iniţială este predominant perlitică fonta rezistă bine procesele de ardere a carbonului (decarburarea fontei) dar suferă o serie de transformări structurale (cu modificare de volum) care pot duce la deteriorarea prematură a lingotierei. Ca remediu se recomandă stabilizarea perlitei cu mangan (element antgrafitizant) în proporţie de peste 1% şi micşorarea siliciului(grafitizant) la circa 1%. In aceste condiţii transformările de faze, care au loc cu modificare de volum, se produc în proporţie mult mai mică.

Tensiunile termice care apar în pereţii lingotierei în timpul utilizării se datorează gradienţilor mari de temperatură pe grosimea peretelui lingotierei şi deformării pereţilor.

La începerea turnării oţelul cu temperatură de 1550-1600 ºC în lingotiera cu temperatură de 50-60 ºC produce o încălzire bruscă a pereţilor interiori ai lingotierei şi deci un gradient foarte mare de temperatură pe grosimea pereţilor. După 10-15 minute când, datorită transmiterii căldurii spre exterior coroborată cu desprinderea crustei marginale formate datorită contracţiei , temperatura pereţilor exteriori creşte la 450-700 ºC iar cea a pereţilor interiori scade la circa 970-1000 ºC

gradienţii de temperatură sunt mai mici, dar rămân încă destul de mari pentru a favoriza apariţia tensiunilor termice, transformărilor de fază cu variaţii de volum şi decarburării fontei, toate având ca rezultat scăderea durabilităţii lingotierelor.

Mărimea tensiunilor termice nu trebuie să depăşească o anumită valoare care se poate calcula cu formula:

în care:- E este modulul de elasticitate al fontei şi are valori de 6000-11000 kgf/mm2 (funcţie de

mărimea lamelelor de grafit; valori mici pentru lamele grosolane şi valori mari pentru lamele fine);

- α este coeficientul de dilataţie al fontei, 12-13.10-6 mm/ºC;- ΔT = Ti-Te este gradientul de temperatură, ºC/mm.

Deci pentru creşterea rezistenţei la şoc termic este indicat ca fonta să conţină mult grafit fin şi uniform distribuit şi să se preîncălzească lingotierele înainte de utilizare sau să nu se folosească cu frecvenţă foarte mare pentru a-i lăsa timp să se răcească.

Consumul specific de lingotiere este de 7-21 kg/t oţel lingou. El depinde de metoda de turnare, de calitatea şi gradul de calmare a oţelului. Astfel este de:

- 14 kg/t oţel calmat turnat în lingotiere normal conice, prin sifon;- 20 kg/t oţel calmat turnat în lingotiere invers conice.

Pentru acelaşi tip de lingotieră şi metodă de turnare, consumul specific de lingotiere este mai mare cu circa 30% dacă lingotiera este răcită prin stropire cu apă pentru a grăbi reutilizarea ei. De asemenea consumul specific este mai mare pentru lingotiere cu pereţi ondulaţi.

Pentru creşterea durabilităţii lingotierelor s-au făcut unele încercări experimentale prin care s-a înlocuit fonta cenuşie cu fontă cu grafit nodular sau cu fonte aliate, cu următoarele avantaje şi dezavantaje:

- fonta cu grafit nodular are valori mai mari pentru rezistenţă, tenacitate şi plasticitate la temperaturi ridicate, dar valori mici pentru conductibilitatea termică, deci măreşte gradientul de temperatură în pereţi şi în plus este greu de realizat o globulizare uniformă a grafitului pe grosimea pereţilor;

- fontele aliate cu elemente care formează carburi (Cr, Ti, Mo) care stabilizează perlita sunt prea scumpe pentru a le folosi pentru oţeluri obişnuite.

Maselotierele Rolul maselotierelor este de a menţine cât mai mult posibil oţelul lichid pentru a umple golul

de contracţie format pe capul lingoului şi de a prelua în maselotieră impurităţile care se ridică din corpul lingoului.

De aceea, ele sunt piese din fontă căptuşite cu materiale refractare prin ştampare, înzidire sau plăci împănate (fig.9a ) care se aşează pe lingotierele invers conice în care se toarnă oţel calmat.

Mărimea maselotierei se stabileşte funcţie de contracţia oţelului la solidificare. Dimensionarea ei se face pornind de la principiul că volumul ei reprezintă 13…20% din

volumul total al lingoului. Diametrul cercului înscris în baza mare a lingotierei se ia mai mic cu circa 20 mm decât diametrul superior al lingotierei iar conicitatea de 10…15%. Maselotierele sunt întotdeauna direct conice pentru ca suprafaţa liberă să fie cât mai mică astfel încât pierderile de căldură prin radiaţie să fie cât mai mici.

Baza maselotierei şi partea de sus a lingotierei se prelucrează plan pentru a se evita pătrunderea oţelului lichid între ele, care prin solidificare dă naştere la bavuri ce pot conduce la apariţia crăpăturilor transversale în lingoul solidificat.

Micşorarea pierderilor de căldură din maselotiere se poate realiza prin căptuşirea maselotierelor cu şamotă, cu amestecuri exoterme formate din aluminiu, clorat sau azotat de potasiu , Al +KClO4 (KNO3), întărit cu CO2, prin ştampare sau sub formă de plăci împănate, sau prin introducerea unor rezistenţe electrice în materialul refractar. În ultimele cazuri, volumul maselotierei se poate reduce la5..11% din volumul total al lingoului.

Placa de fundEste o piesă din fontă prevăzută cu urechi de manevră, care se foloseşte pentru lingotierele

complet deschise. Pentru evitarea formării de bavuri şi deci de crăpături, partea de sus a plăcii şi partea de jos a lingotierei se prelucrează plan.

Pentru reducerea stropilor la turnarea de sus şi a şutajului de picior, plăcile de fund se fac profilate (fig 9b). Prin profilarea plăcilor greutatea acestora se reduce cu 1-2%, sau chiar mai mult.

Plăcile de fund se dimensionează astfel încât să poată fi aşezate pe ele lingotiere de mărimi diferite, asta înseamnă că secţiunea golului să fie mai mică decât cea mai mică secţiune de lingotieră folosită.

Consumul specific de plăci de fund este de circa 4 kg/t oţel.Pâlnia intermediară

Este o construcţie din tablă de oţel căptuşită la interior cu materiale refractare (de regulă şamotă), prevăzută cu urechi de prindere în cârligul macaralei şi reazeme pentru aşezarea pe lingotieră, fig. 9c.

Înainte de folosire ea se încălzeşte la roşu (la circa 1000 0C) pentru a diminua pierderile de căldură.

Pâlniile intermediare se folosesc la turnarea de sus a lingourilor mici din cuptoare mari a oţelurilor de calitate cu restricţii severe de calitatea suprafeţei şi a purităţii.

Pâlnia intermediară de turnare poate avea unul sau mai multe orificii de turnare închise cu dop la fel ca le oala de turnare.

Înălţimea oţelului în pâlnie nu trebuie să depăşească 200-300 mm.Avantajele şi dezavantajele utilizării pâlniei intermediare.

Avantaje:- permite centrarea mai bună a jetului de oţel pe lingotieră;- oala se goleşte mai repede, numărul de manevre cu dopul oalei este mai mic, deci scade

pericolul tăierii sau lipirii dopului;- înălţimea oţelului în pâlnie fiind mai mică şi mult timp constantă şi viteza de turnare este

mai mică şi mai constantă pe toata durata turnării, evitându-se astfel formarea stropilor şi obţinerea unor lingouri cu mai puţine defecte;

- se poate controla mai bine nivelul oţelului în lingotiere si deci se vor obţine lingouri cu aceeaşi înălţime;

- se pot folosi opritoare pentru zgură care împiedică pătrunderea ei în lingotieră.Dezavantaje:

- necesită temperaturi de evacuare şi de turnare mai mari;- dacă oţelul din pâlnie nu este protejat există pericolul reoxidării lui în contact cu aerul;

Fig. 9. Schiţe pentru dimensionarea: a - maselotierelor, b -plăcilor de fund şi

c- pâlniilor intermediare.

- cheltuielile materiale şi cu manopera sunt mai mari.Podul de turnarePodul de turnare, fig.10 şi fig 11, este format din plăci masive din fontă (3) prevăzute pe

grosimea lor cu canale deschise (6) în care se montează cărămizi tubulare din şamotă (6), care converg spre mijlocul podului la o cavitate unde se montează o cărămidă cilindrică sau poligonală numită cărămidă stea (5). Aceasta este prevăzută cu câte un orificiu în dreptul fiecărui canal al podului şi unul în dreptul pâlniei de alimentare a podului.

Pâlnia de alimentare (9) este construită din fontă (4) căptuşită cu cărămizi refractare tubulare din şamotă (8) şi este prevăzută cu urechi pentru a putea fi prinsă în cârligul macaralei.

Pâlnia de alimentare a podului trebuie să fie mai înaltă decât lingotierele (1) cu maselotiere (2) aşezate pe pod, deoarece lingotierele se umplu cu oţel lichid pe principiul vaselor comunicante.

B. Turnarea continuă Instalaţiile de turnare continuă pot fi verticale cu fir drept, cu fir curb, cu cristalizor curb şi

fir drept sau orizontale. Schemele de principiu a cestor tipuri de instalaţii de turnare continuă sunt prezentate în fig.12 şi 13.

Instalaţiile verticale se compun din: distribuitorul rotativ, cristalizor (lingotieră) răcit cu apă, instalaţia de răcire secundară, caja de tragere şi de curbare, îndreptare a firului, instalaţia de tăiere a firului, sistem de basculare a semifabricatelor tăiate şi eventual ascensor pentru semifabricate.

Distribuitorul rotativ este o pâlnie intermediară care are o capacitate de 10-15% din greutatea oţelului din oala de turnare (1) şi este prevăzută cu unul sau mai multe orificii de turnare, funcţie de numărul de fire turnate odată, care se închid şi se deschid cu bare port dop (3).

Cristalizorul (4) se confecţionează din cupru cu pereţi dubli prin care curge apa de răcire. El are profilul semifabricatului şi o conicitate de 0,7…1,1% pe fiecare latură, pentru compensarea contracţiei crustei solidificate şi reducerea efectului de izolaţie datorat pătrunderii aerului în interstiţiul dintre fir şi peretele cristalizorului. Pentru reducerea frecării firului de pereţii cristalizorului, aceştia se ung cu ulei de cânepă sau de rapiţă.

Pentru creşterea durabilităţii cristalizorului acesta se cromează la interior şi se rectifică de câte ori este nevoie dacă el a suferit deformări mai mari de 5 mm în plus sau în minus.

Durabilitatea cristalizorului bine cromat şi rectificat la nevoie poate ajunge la 350-370 turnări.Apa de răcire intră în cristalizor pe la partea de jos (5) şi iese pe la partea de sus (6) a

cristalizorului, cu o presiune de circa 6 atm. Nivelul oţelului lichid în cristalizor este menţinut constant şi se controlează cu ajutorul unui

emiţător radioactiv cu cobalt (8).

Fig. 10. Secţiune prin podul de turnare. Fig. 11. Podul de turnare

Instalaţia de răcire secundară (10) este formată din rolele masive de ghidare (12), din fontă sau din oţel, care au rolul de a evita deformarea semifabricatului până la solidificarea lui completă şi din stropitori cu apă (11) care stropesc atât semifabricatul cât şi rolele de ghidare.

Caja de tragere (7) este foarte asemănătoare cu cajele de tragere de la laminoare. Viteza de tragere a firului este identică cu viteza de turnare a oţelului în cristalizor şi corelată cu viteza de solidificare a oţelului, calculată astfel încât centrul semifabricatului să se solidifice complet imediat după ieşirea firului din răcirea secundară.

Instalaţia de tăiere (14) poate fi o foarfecă volantă pentru tăierea mecanică sau o instalaţie cu flacără oxiacetilenică pentru tăierea chimică a firului. Instalaţia de tăiere se deplasează odată cu semifabricatul şi revine în poziţia iniţială la terminarea operaţiei de tăiere. Viteza de tăiere este corelată cu viteza de tragere şi cu mărimea semifabricatului.

Semifabricatele tăiate la lungimi până la 12-15 m sunt preluate de sistemul de basculare (15) şi depuse pe o cale cu role (16) sau pe un ascensor şi transportate în depozitul de semifabricate.

Instalaţia verticală cu fir drept este o construcţie înaltă, de 16-30 m, incomodă, costisitoare şi greu de întreţinut. De aceea s-a recurs la alte variante, mai puţin înalte şi mai uşor de întreţinut.

In cazul instalaţiilor de turnare cu fir curb (fig 13 a) curbarea şi îndreptarea firului se face după ieşirea din cristalizor, când miezul semifabricatului (13) nu este complet solidificat cu ajutorul rolelor (17) care sunt rolele de ghidare ale răcirii secundare. Înălţimea acestor instalaţii11-20 m sau chiar de 8-18 m dacă raza de curbare a firului, R = 20-30 Dm, se ia la valoarea cea mai mică admisibilă.

La instalaţiile de turnare continuă cu cristalizator curb fig.13b, firul iese drept din cristalizor. Înălţimea ei este de 5-8 m.

Avantajele turnării continue comparativ cu turnarea clasică sunt:- semifabricatele au o suprafaţă curată;- au toate aceeaşi structură şi mai omogenă decât lingourile clasice;- scoaterea de metal este mult mai mare, ajungând la peste 96% in timp ce la turnarea

clasică nu depăşeşte 80-82%;

Fig. 12. Instalaţie de turnare continuă verticală cu fir drept

Fig. 13. Instalaţii de turnare cu fir curb(a) şi cu cristalizor curb (b)

- durata turnării şi solidificării este foarte mică, circa 1 oră faţă de 16-20 ore la cea clasică;- se elimină cel puţin laminoarele primare;- se micşorează mult cheltuielile materiale şi de manoperă.

Dimensionarea instalaţiei de turnare continuăÎnălţimea cristalizorului depinde de secţiunea semifabricatului, de viteza de tragere, natura

materialului din care este construit şi determină timpul cât oţelul cedează căldură cristalizoruluiE poate calcula cu relaţia:

unde Qe este cantitatea de căldură ce trebuie eliminată, iar qc, capacitatea calorică a materialului din care este confecţionat cristalizorul.

Grosimea crustei marginale x la momentul părăsirii cristalizorului se calculează cu relaţia:

unde este cantitatea de căldură efectiv eliminată, k1 coeficient de proporţionalitate (pentru oţel este 11,5) iar P este perimetrul secţiunii. Pentru o înălţime a cristalizorului de 0,6…1,5 m şi pentru o viteză de tragere de 0,5…1,2 m/min grosimea crustei marginale este de 40…50 mm după circa 3 minute de la începerea turnării.

Viteza de tragere vtr care trebuie să fie egală cu viteza de umplere a cristalizorului, vu

depinde de forma şi mărimea semifabricatului, adică de diametru cercului înscris în secţiunea semifabricatului, Dm, de înălţimea cristalizorului, de grosimea crustei marginale dorite şi de durata turnării. Cercetările experimentale şi calculele statistice efectuate au arătat că vtr scade cu creştereaDm (Fig 14a)

Căldura q îndepărtată în răcitorul secundar se exprimă funcţie de conductivitatea termică, de diferenţa dintre temperatura fazei lichide şi a celei solide la frontul de solidificare şi de grosimea crustei x, conform relaţiei:

.

Fig. 14 Variaţia parametrilor caracteristici la turnarea continuă.

Cantitatea de apă Qa se poate determina din diagrama din fig. 14d funcţie de distanţa de la nivelul oţelului în cristalizor pentru o viteză de 1,5 m /min, pentru o anumită temperatură a suprafeţei semifabricatului.

Răcirea secundară se alege, ca şi viteza de tragere vtr , în funcţie de calitatea oţelului şi de secţiunea semifabricatului, ţinând seama de faptul că , cu creşterea intensităţii de răcire creşte siguranţa ca centrul produsului este solidificat compact, dar creşte şi pericolul apariţiei crăpăturilor interne.

Lungimea răcitorului secundar, Ls se calculează cu relaţia :

în care x1 este grosimea crustei de la care este suficientă îndepărtarea căldurii prin radiaţie, iar k este constanta solidificării.

Distanţa L de la nivelul oţelului în cristalizor şi până la locul solidificării complete a cestuia, de regulă imediat după ieşirea din răcitorul secundat, este proporţională cu viteza de tragere:

unde k2 este o constantă de proporţionalitate pentru care se admite o valoare de până la 6.Durata unei turnări este de 60…70 minute, indiferent de cantitatea de oţel Q care trebuie

turnată, pentru a nu se răci oţelul în oala de turnare şi în distribuitorul rotativ. Pentru o cantitate mai mare de oţel trebuie fie un număr mai mare de fire fie un semifabricat mare. Numărul n de fire turnate odată se determină cu relaţia:

în care g greutatea lineară a produsului turnat (kg/m). De regulă n variază între 1…8.Dacă notăm cu t2 durata între două turnări, numărul de turnări N în 24 h este dat de relaţia:

,

iar productivitatea unei instalaţii este:.

Instalaţiile de turnare continuă pot servi orice tip de oţelărie, dar sunt recomandate oţelăriilor cu convertizoare care au durată mică de elaborare (30…50 minute).

Secţiunea semifabricatului trebuie să asigure un coroiaj mare, de cel puţin 5-6, pentru a putea obţine produse laminate sau forjate de bună calitate.

Prin turnarea continuă s-au obţinut brame cu dimensiuni de până la 2100x300 mm din oţel calmat şi necalmat 1300x150 mm pentru oţel inoxidabil, ţagle de 50x50 în cristalizoare simple sau compuse, produse rotunde, hexagonale, profile, flanşe etc.

Nu s-au obţinut rezultate bune la turnarea oţelurilor cu sensibilitate mare la crăpare sau la oxidare secundară, cum sunt oţelurile cu titan.

Parametrii turnăriiPrincipalii factori ai procesului de turnare care împreună cu proprietăţile oţelului influenţează

atât mecanismul solidificării (deci structura) lingourilor cât şi calitatea lor sunt temperatura şi viteza de turnare. La stabilirea lor trebuie să se ţină seama de:

- fluiditatea oţelului, care determină modul în care oţelul lichid urcă în lingotieră şi posibilitatea de îndepărtare a gazelor şi a suspensiilor nemetalice formate în cursul solidificării;

- apariţia defectelor (în primul rând al celor de suprafaţă – crăpături la cald, scoarţe, înfăşurări – dar şi a celor interne - neomogenităţi structurale şi chimice, incluziuni, retasuri etc) care sunt determinate de cantitatea de căldură ce trebuie evacuată în exterior prin pereţii lingotierei într-un anumit timp.

Determinarea domeniului optim al valorilor acestor parametrii - moment deosebit de important în stabilirea tehnologiei de turnare - se face avându-se în vedere:

- calitatea şi caracteristicile oţelului care se toarnă;- mărimea şi destinaţia lingoului;

- metoda de turnare şi calitatea utilajului şi materialelor folosite;- capacitatea şi regimul termic, precum şi tehnologia de elaborare a oţelului.

Odată stabilite valorile acestor parametrii trebuie cât mai riguros respectate.Temperatura de turnareEste un factor foarte important pentru că ea influenţează fluiditatea oţelului, proprietate ce

defineşte proprietatea de curgere a oţelului. Fluiditatea este o consecinţă şi a compoziţiei chimice a oţelului, deci fluiditatea este influenţată în primul rând de elementele însoţitoare şi de aliere.

Astfel, sulful şi fosforul în limite uzuale nu influenţează sensibil fluiditatea, dar la conţinuturi mai mari fosforul o măreşte iar sulful o micşorează.

Fluiditatea este micşorată de prezenţa manganului (chiar la conţinuturi mici), de azot şi de elementele care formează carburi (titan, vanadiu, molibden) sau de elemente care micşorează tensiunea superficială prin formarea de oxizi şi azoturi (crom, siliciu, aluminiu) mai ales la conţinuturi mari, oţeluri inoxidabile şi refractare. Dar compoziţia chimică a oţelului este data de standard şi deci ea trebuie respectată. Singurul lucru care se poate face este să se elaboreze un oţel cu valori minim admise pentru elementele care măresc vâscozitatea oţelului lichid.

Fluiditatea este influenţată de prezenţa, starea de agregare, repartiţia, forma ţi volumul suspensiilor nemetalice.

Suspensiile nemetalice solide (SiO2, MnO, Al2O3) măresc sensibil vâscozitatea oţelului (scad fluiditatea) dacă au dimensiuni apropiate sensibile de dimensiunile elementelor structurale ale oţelului lichid. Influenţa prezenţei incluziunilor nemetalice solide al căror volum total φ raportat la unitatea de volum de oţel lichid asupra vâscozităţii oţelului ηo este dată de relaţia lui Einstein:

.Cele lichide – silicaţii de mangan şi fier - care sunt supraîncălzite la temperatura de turnare

măresc fluiditatea oţelului lichid. Deoarece se urmăreşte ca oţelul turnat să aibă o fluiditate cât mai mare rezultă că dezoxidarea oţelului trebuie să conducă la produse de dezoxidare lichide care se pot şi decanta mai uşor.

Un alt factor important care influenţează substanţial fluiditatea oţelului lichid este temperatura. Cu creşterea temperaturii scad frecările interne şi se măresc gradele de libertate în mişcarea particulelor. O relaţie matematică cu care se poate calcula vâscozitatea oţelurilor nealiate indiferent de conţinutul de carbon este:

,

în care v este volumul specific al oţelului la 1873 K.Fluiditatea aliajelor fier carbon este influenţată de conţinutul de carbon. Astfel fluiditatea este

mare la temperaturi peste linia lichidus care scade cu creşterea conţinutului de carbon şi scade puternic în domeniul de solidificare, devenind practic nulă daca faza solidă atinge cca 20%. Deci din acest punct de vedere ar fi recomandat ca temperatura de turnare să fie cât mai mare. Dar cu cât temperatura oţelului din lingotieră este mai mare cu atât contracţia lui la solidificare este mai mare şi ca urmare creşte volumul retasurii şi creşte pericolul apariţiei crăpăturilor în crusta solidificată. Deci din acest punct de vedere ar trebui ca temperatura de turnare să fie cât mai mică. De asemenea pentru ca timpul de solidificare să fie cât mai scurt, pentru a obţine o structură şi o compoziţie chimică cât mai omogene pentru lingou şi pentru a creşte productivitatea utilajului de turnare, ar trebui ca temperatura de turnare să fie cât mai mică. De aceea, temperatura optimă de turnare se alege funcţie de temperatura lichidus a oţelului respectiv şi de condiţiile concrete de turnare : caracteristicile oţelului, metoda de turnare, mărimea lingoului, viteza de umplere a lingotierei, etc.

Influenţa conţinutului de carbon asupra temperaturii lichidus este redată în tabelul 2. Tabelul 2

C, % 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0

T, 0C 1522 1516 1510 1504 1493 1484 1480 1476 1473 1469 1465 1460

Prezenţa în oţel a unor elemente de aliere determină de asemenea o scădere a temperaturii lichidus a oţelului, după cum se vede în tabelul 3:

Tabelul 3Elem,1% N O P S As Si Mn Ni V Cr Al W MoΔT, 0C 90 80 30 35 14 8 5 4 20 0 3 1 2Dom, ≤ 0,03 0,03 0,7 0,08 0,5 3 1,5 9 1 18 1 18 3

Temperatura lichidus se poate calcula cu relaţia:

,

unde Ttop.Fe este 1535 0C, Ci este concentraţia elementului i, în % iar ΔTi este variaţia temperaturii lichidus la adausul unui % din elementul i.

Temperatura de turnare se poate calcula cu ajutorul relaţiilor:- pentru turnarea directă: ;

- pentru turnarea prin sifon: .Deoarece în timpul evacuării oţelului din cuptor şi în timpul staţionării lui în oala de turnare

mai au loc pierderi de căldură la stabilirea temperaturii de evacuare trebuie să se ţină seama şi de aceste pierderi. Astfel temperatura de evacuare se poare calcula cu relaţia:

unde ΔTj reprezintă pierderea de temperatură:

- la evacuare, 10-40 0C funcţie de mărimea orificiului de evacuare, de lungimea şi temperatura jgheabului de evacuare şi de temperatura oalei de turnare;

- la menţinerea în oală, 5-8 0C/min pentru oale de 50 tone şi de 0,3-0,5 0C/min pentru oale de 200 t. Dacă se face si tratament în oala de turnare atunci temperatura scade şi mai mult.

Orientativ Tev este cu 120-130 0C peste temperatura lichidus.Viteza de turnareViteza de turnare măsurată în t/min sau viteza de umplere măsurată în mm/min se adoptă în

funcţie de temperatura de turnare, Tt, de metoda de turnare, de calitatea oţelului, de mărimea lingotierei, de mărimea orificiului de turnare al oalei, etc.

Viteza de turnare influenţează modul de urcare al oţelului în lingotieră şi condiţiile de formare a crustei marginale, durata turnării şi calitatea lingoului. O viteză de umplere prea mare conduce la formarea unei cruste marginale subţiri care poate crăpa sub acţiunea presiunii ferostatice la fel ca şi în cazul unei temperaturi mari de turnare. De aceea, atunci când, din diferite motive, se toarnă oţelul cu temperatură mare este obligatorie o viteză mică de turnare care va conduce la creşterea duratei de umplere. Viteza de turnare poate varia în limite mai mari decât temperatura de turnare, 2-20 t/min, valoarea medie crescând cu mărimea lingoului. Valoarea vitezei de turnare se asigură prin alegerea corespunzătoare a orificiului de turnare.

In toate cazurile, la turnarea unui lingou se lucrează cu viteză variabilă:- 1/6…1/10 de la picior de se toarnă cu viteză mică pentru a proteja placa de bază şi pereţii

lingotierei contra eroziunii şi a diminua stropirea;- apoi corpul lingoului se toarnă cu viteză maximă;- la sfârşit umplerea maselotierei se face cu viteză redusă.Reglarea vitezei de curgere a oţelului din oală se realizează prin obturarea parţială a orificiului

de turnare cu ajutorul dopului sau plăcii mobile de la închizătorul cu sertar. In afara primelor şi ultimelor porţii de oţel turnat nu este permis să se regleze viteza de turnare

prin obturarea orificiului oalei de turnare deoarece acest lucru conduce la uzarea prematură a dopului şi manşonului, deformarea jetului şi stropirea pereţilor lingotierei şi reoxidarea oţelului.

Valoarea vitezei de turnare, respectiv de umplere se stabileşte după date statistice şi este diferită funcţie de metoda de turnare. Cea mai bună metodă de a stabili valoarea vitezei de turnare, respectiv de umplere este de a utiliza datele obţinute în practică, pe lingouri de referinţă care au îndeplinit toate condiţiile de calitate.

I

Im

Ilg

La turnarea directă pe sus este necesar ca viteza medie de umplere, vu pe înălţimea lingoului, I, să satisfacă relaţia:

unde Ir şi vr sunt înălţimea şi viteza de umplere alingoului de referinţă (fig.15), de unde rezultă:

.

Durata medie de umplere a lingotierei, tu este:

.

Dar ţinând seama de faptul că timpul de umplere a corpului lingotierei este de două ori timpul de umplere al maselotierei:

.

.De unde rezultă viteza de umplere a corpului lingoului şi a maselotierei:

;

.

Cu astfel de relaţii s-au stabilit pentru oţelul calmat vu de 280-300 mm/min, viteze care în timp au trebuit mărite considerabil ca urmare a creşterii capacităţii agregatelor de elaborare şi de prelucrare la cald a lingourilor, ajungându-se la mai mult de 1500 mm/min, corespunzătoare unor viteze de turnare de 7-17 t/min pentru lingouri din oţel necalmat mai mari de 5 tone şi pentru lingouri din oţel calmat mai mari de 8 tone.

Cunoscând secţiunea lingotierei, S şi greutatea specifică a oţelului, se determină viteza de turnare, vt care este egală cu viteza de curgere a oţelului din oală, vc cu relaţia:

.Viteza de curgere a oţelului din oală se poate calcula şi cu relaţia:

unde : Q este cantitatea de oţel din oală, este durata de golire a

oalei, este greutatea specifică a oţelului lichid, do este diametrul orificiului oalei, g acceleraţia gravitaţională iar Ho este înălţimea oţelului din oală.

Cu aceste relaţii se determină diametrul orificiului oalei de turnare :

.

Valori orientative pentru diametrul orificiului de turnare sunt:- 35-45 mm pentru oţeluri necalmate;- 35-50 mm pentru oţeluri calmate şi slab aliate;- cca 60 mm pentru oţeluri vâscoase (aliate cu Cr, Ti, Al)

turnate în lingouri mici (sub 5 tone) cu viteze de umplere de 300-700 mm/min.- 50-140 mm pentru oţeluri turnate cu viteze de umplere de peste 1500 mm/min şi viteze de

curgere de 7-17 t/min pentru lingouri mai mari de 5 tone.Turnarea pe sus cu pâlnie intermediarăÎnălţimea oţelului în pâlnie fiind mică (cca 200 mm) este mică şi viteza de turnare corespunzătoare relaţiei :

; [t/min]

în care: kp este coeficientul de pierdere de presiune (kp =cca 0,7); kt este coeficient de trecere (kp = 0,94-0,96); ho este înălţimea oţelului în pâlnie; dp este diametrul orificiului pâlniei.

Pentru o înălţime a coloanei de oţel constantă viteza de turnare se poate calcula cu relaţia:;

unde k se poate aproxima la 7,5 x 10-4. Avantajul utilizării pâlniei intermediare este dat de faptul că viteza de umplere este constantă, dp se poate alege mai corect funcţie de mărimea lingoului şi se evită mai uşor ajungerea zgurei în lingotieră.

La turnarea indirectă, prin sifon vu se determină în funcţie de secţiunea S a lingoului şi de valorile secţiunii şi viteyei de umplere a unui lingou de referinţă conform principiului:

- Svu = Srvr = ct astfel încât să asigure o urcare liniştită a oţelului în lingotieră. Rezultă că viteza de umplere

este:

Timpul de umplere tu depinde de mărimea lingoului, de calitatea oţelului, de forma secţiunii semifabricatului, de conţinutul de carbon al oţelului şi se poate calcula cu relaţia:

.

Timpul de umplere a lingotierei creşte cu creşterea secţiunii lingoului (fig.16), are valori mai mari pentru oţelul necalmat decât pentru oţelul calmat (fig.17) şi creşte cu scăderea conţinutului de carbon din oţel.

La turnarea indirectă, dacă se toarnă n lingouri deodată cu greutatea G fiecare şi înălţimea I, viteza de curgere a oţelului din oală este dată de relaţia:

.

În condiţii normale valorile vitezei de umplere sunt:- pentru turnarea directă 600-1200 mm/min;- pentru turnarea indirectă 300-600 mm/min.

3 . S O L I D I F I C A R E A O Ţ E L U L U R I L O R

3. 1. Schimbul de căldură în sistemul lingou – lingotierăEvacuarea căldurii în timpul solidificării. La solidificarea oţelurilor se eliberează o cantitate

de căldură care se transmite mediului înconjurător prin intermediul lingotierei care în primă fază a procesului este rece (60 – 800C).

Fig. Dependenţa vitezei de umplere funcţie de secţiunea lingoului şi de

conţinutul de carbon al oţelului.

Fig. Influenţa mărimii şi formei lingoului asupra timpului de umplere pentru oţeluri calmate şi necalmate.

Cantitatea de căldură eliminată la solidificare este determinată de: căldura de supraîncălzire dependentă de căldura specifică medie a oţelului lichid şi de

temperatura de supraîncălzire; La o supraîncălzire cu 100C cantitatea de căldură ce trebuie evacuată va fi de 1,65 kcal/Kg Fe. Având în vedere faptul că întreaga cantitate de căldură de supraîncălzire a întregii mase de oţel lichid se evacuează într-un timp relativ scurt (fapt dovedit prin măsurători de temperatură făcute) aceasta poate influenţa destul de puternic procesul solidificării în acest interval;

căldura latentă de topire – adică căldura consumată pentru scoaterea atomilor din reţeaua solidă a cristalului şi care se eliberează din nou la reintrarea atomilor în reţeaua cristalină, reprezintă cca 64 Kcal/Kg Fe;

căldura de transformare în fază solidă care trebuie luată în considerare în cazul solidificării lingourilor mari de oţel care reprezintă transformarea , deoarece zona solidificată ajunge la temperaturi joase până ce solidifică miezul lichid (2 – 5 Kcal/Kg Fe).

Transmiterea călduriiLa răcirea oţelului lichid în lingotieră, căldura conţinută de acesta se transmite în mediul

ambiant prin: conducţie termică, convecţie şi radiaţie.Conducţia termică este transferul direct de căldură în interiorul aceluiaşi corp, lipsit de mişcări

aparente, în masa căruia există diferenţe de temperatură, sau în corpuri diferite în contact intim şi între care există diferenţe de temperatură.

Pentru calculul conducţiei termice unidimensională este valabilă legea lui Fourier. Fluxul termic (Φ) este cantitatea de căldură (Q) transmisă în unitatea de timp a cărei expresie în regim staţionar este:

; [W]

iar fluxul termic unitar pe suprafaţă este:

; [W/m2]

unde Q este fluxul de căldură transferat prin conducţie, în W; qs este fluxul termic unitar pe suprafaţă, în W/m2; λ este conductibilitatea termică a materialului (sau coeficient de conducţie), în W/m 0C; S este aria suprafeţei izoterme de schimb de căldură, măsurată perpendicular pe direcţia de

propagare a căldurii, în m2; este căderea elementară de temperatură (gradientul de temperatură

cu semn schimbat) în secţiunea considerată, în 0C/m.Expresia generală a câmpului de temperatură sub forma ecuaţiei lui Fourier este:

;

unde este densitatea materialului, kg/m3; este căldura masică, J/kg K; este căldura dezvoltată de surse pe unitatea de volum a corpului, în unitatea de timp (W/m3).

Dacă notăm cu : aceasta este difuzibilitatea termică, în m2/h.

Conducţia termică prin corpuri solide omogene. În cazul unei bare fluxul termic, transmis în lungul barei, între două suprafeţe izoterme cu temperaturile t1 şi t2 la distanţa între ele x este:

.

Pentru un perete plan omogen de grosime x, infinit întins după direcţiile y şi z care are pe cele două feţe ale sale temperaturile t1 şi t2, fluxul termic unitar este constant şi se calculează cu relaţia:

.

Fluxul termic conductiv, transmis prin întreaga suprafaţă S a peretelui este:

iar energia termică transmisă, într-un interval de timp este:

.

Convecţia termică este procesul de transmitere a căldurii sub formă macroscopică pri intermediul unui fluid în mişcare, care vehiculează energia termică din zonele cu temperatură mai mare în cele cu temperatură mai mică. Pentru calculul convecţiei termice este valabilă legea lui Newton. Ecuaţia convecţiei termice ( a fluxului termic unitar )este:

;

unde în W/m2 K, este coeficientul de schimb termic (convecţie termică); tp şi tf sunt

temperaturile peretelui aflat în contact cu fluidul, respectiv temperatura fluidului.Calculul căldurii transferate prin convecţie într-un timp unei suprafeţe S este:

; [J]

Radiaţia termică este modul de transmitere a căldurii sub formă de energie radiantă şi are loc în gaze, la lichide sau solide, realizându-se prin unde electromagnetice. Energia radiată de un corp este independentă de mediul înconjurător, fiind dependentă numai de temperatură, natura şi forma corpului.Fluxul termic unitar, transmis prin radiaţie de suprafaţa 1 suprafeţei 2 (suprafeţe plane, paralele şi infinite) funcţie de temperatură este dată de legea lui Ştefan-Boltzman:

unde Co este coeficientul de radiaţie a corpului negru, în W/m2 K4; , Co = 5,775 10-8 W/m2K4

pentru corpul negru ; T este temperatura absolută.Transferul global de căldură

;Unde ks este coeficientul global de schimb de căldură, în W/m2 0C; Δt este diferenţa de temperatură.

Transferul de căldură în sistemul lingou- lingotieră

Viteza de solidificare. Evoluţia frontului de solidificare în lingouri este determinată în mare măsură de transmiterea căldurii în sistemul format din lingotieră şi fazele metalice lichidă şi solidă; sistem în care fluxul termic este discontinuu. Dacă se cunosc legile conductibilităţii termice şi dacă cu ajutorul lor se pot calcula pierderile de căldură în timp a lingourilor, atunci se poate deduce viteza de solidificare.

În cazul acestui calcul este vorba de un flux termic nestaţionar într-un câmp cu o sursă termică interioară şi cum cantitatea de căldură care se transmite în timp de la un punct la altul al unui corp solid este proporţională cu gradientul de temperatură, problema care se pune este de a determina variaţia în timp a fluxului termic în cazul sistemului lingou – lingotieră.

Problema nu poate fi rezolvată pe cale analitică decât dacă se admit o serie de ipoteze simplificatoare:

1) întinderea semiinfinită a lingoului şi lingotierei, planul de contact fiind o suprafaţă plană;2) contactul lingou – lingotieră este perfect şi pe suprafeţe plane, iar dilatările sunt liniare şi

de acelaşi sens, deci nu influenţează transferul de căldură;3) temperatura oţelului şi lingotierei sunt egale la început;4) oţelul are temperatura de topire (nu este supraîncălzit) mai mică decât căldura latentă de

solidificare;

5) curgerea temperaturii spre interior nu este perturbată de curenţii de convecţie sau de alte fenomene;

6) constantele termice (conductibilitate, căldură specifică) ale fazei metalice şi lingotierei nu variază cu temperatura în domeniul considerat;

7) metalul lichid este pur şi are un punct de topire bine determinat.În aceste ipoteze cantitatea de căldură Q eliminată în timpul  şi temperatura se pot exprima

prin ecuaţiile diferenţiale parţiale (Fourier):

şi (10)

în care:Q – cantitatea de căldură transmisă;

- timpul cât se produce transferul de căldură; - temperatura oţelului într-un punct aflat la distanţa x de lingotieră;

x – distanţa de transmitere a căldurii;

a – difuzibilitatea termică:

în care este conductibilitatea termică, Cp – căldura specifică, - greutatea specifică;k – coeficientul de proporţionalitate;

Prin rezolvarea acestor ecuaţii (admiţând funcţia lui Gaus pentru aproximarea

valorilor erorilor ) se deduce căldura cedată de lingou care este proporţională cu radicalul timpului:.

Dacă se acceptă că grosimea stratului solidificat x este proporţională cu cantitatea de căldură Q, adică unei valori x îi corespunde tot timpul aceluiaşi volum solidificat.

Se poate scrie relaţia: cu soluţia

în care: k – constanta solidificării, depinde de proprietăţile fizice ale metalului, de condiţiile transmisiei căldurii (condiţii care diferă în timp cu variaţia unor factori cum ar fi temperatura externă), temperatura lingotierei, formarea stratului izolator (după desprinderea acestei cruste) – factori care nu au fost luaţi în considerare.

Ipotezele admise reprezintă simplificări importante, dar lipsesc experimentele care ar fi permis apropierea de condiţiile într-adevăr reale. O apropiere de condiţiile reale de solidificare o reprezintă luarea în considerare a supraîncălzirii oţelului la turnare Δθ (minim 200C) şi că trebuie îndepărtată această căldură de supraîncălzire care variază cu valoarea căldurii specifice C, aceasta variind la rândul ei cu temperatura.

Dacă se acceptă că oţelul rămâne lichid în lingotieră până se cedează întreaga cantitate de căldură de supraîncălzire şi se atinge temperatura de topire şi că oţelul are întotdeauna o temperatura uniformă (nu se ia în considerare dependenţa ), relaţia care exprimă variaţia grosimii stratului solidificat în timp devine: , unde c este o funcţie a temperaturii de supraîncălzire. Dar nici această relaţie nu reprezintă procesul real de solidificare în care după câteva secunde de la turnare se formează o crustă solidă a cărei creştere (grosime) este determinată, mai mult sau mai puţin de temperatura de supraîncălzire, fapt ilustrat în figura de mai jos:

Faptul că în calcule mai rămân o serie de ipoteze simplificatoare este necesar ca în interpretarea rezultatelor cercetării experimentale să se elucideze efectele abaterilor generate de aceste ipoteze:

1) Ipoteza contactului perfect dintre lingou şi lingotieră nu poate fi valabilă după formarea crustei marginale, când la puţine minute după turnare, ca urmare a contracţiei oţelului şi dilatării lingotierei se formează interstiţiul (desprinderea crustei de peretele lingotierei). De aceea trebuie stabilit în ce fel influenţează formarea interstiţiului trecerea de căldură de la lingou la lingotieră.

2) Ipoteza privind transmisia căldurii spre exterior care s-ar face liniar şi perpendicular pe peretele lingotierei. Nu poate fi valabilă deoarece nu s-a ţinut seama de faptul că odată cu evacuarea căldurii spre exterior peretele lingotierei se încălzeşte şi determină o ştrangulare în transmiterea căldurii spre exterior. De asemenea nu s-a ţinut cont de faptul că rotunjirile şi muchiile determină o acumulare a procesului de solidificare. Relaţia este valabilă numai atâta timp cât viteza liniară de solidificare este proporţională cu volumul solidificat, lucru ce nu se mai realizează la o accelerare a solidificării când viteza de solidificare creşte (la colţuri şi la sfârşitul solidificării) în timp ce volumul solidificat rămâne constant sau chiar scade.

3) Ipoteza că metalul lichid are un punct de topire bine determinat ar putea fi valabilă numai într-o oarecare măsură în cazul oţelurilor moi unde segregarea nu este prea puternică, iar în calcul se are în vedere numai frontul iniţial de solidificare. La oţelurile moi, chiar şi la oţelurile aliate – ipoteza nu mai este valabilă, fronturile de început şi de sfârşit de solidificare diferă mult şi încă destul de devreme.

4) Trebuie remarcat în fine că datorită nesiguranţei care există în alegerea valorilor conductibilităţii termice, calculele matematice nu pot oferi un ajutor prea substanţial în ceea ce priveşte rezolvarea problemelor practice.În practică, cunoaşterea vitezei cu care avansează frontul de solidificare,

adică grosimea stratului solidificat – este foarte necesară, deoarece uneori trebuie ca lingoul să fie atins şi zona din centrul lingoului în care se produc fisuri intercristaline datorate tensiunilor de contracţie şi să fie introdus, fără a fi răsturnat, în cuptoare adânci la temperatura de 1000 – 11000C pentru o răcire dirijată. Alteori este necesară scoaterea lingoului din lingotieră pentru scurtarea duratei de solidificare (se continuă răcirea în aer) şi pentru reglarea segregaţiei sau pentru scurtarea timpului de menţinere în cuptoarele adânci de la laminare (solidificare concomitent cu reglarea temperaturii de laminare).

Fig. 3. Comparaţii între procesul real

de solidificare (a) şi relaţia matematică

Răsturnarea lingourilor înainte de solidificare completă duce la deranjarea amestecului de dendrite neorientate şi de lichid cu temperatură joasă de topire din zona centrală care pot duce la apariţia defectelor interioare în lingou (centru poros, goluri, solidificare nesimetrică).

Faptul că rezolvarea analitică a ecuaţiei transferului de căldură în condiţiile ipotezelor simplificatoare făcute nu permite stabilirea unor valori pentru constantele de solidificare k şi c care să corespundă condiţiilor reale de la turnarea lingoului, a condus la dezvoltarea unor metode de conectare, atât experimentale cât şi de modelare (fizică sau matematică) a procesului de solidificare.

Unul din modelele matematice propuse are la bază transformarea ecuaţiilor diferenţiale a transmiterii căldurii în ecuaţii diferenţiale finite.

Rezultatele calculelor duce la concluzia că legea rădăcinii pătrate nu este valabilă până la finele solidificării, viteza de solidificare fiind proporţională cu numai la începutul solidificării. După un anumit timp care diferă cu formatul lingoului – viteza de solidificare nu mai este constantă. Nici în secţiuni mici pe înălţime, coeficientul k nu mai este o constant.

Mărirea temperaturii de turnare cu 250C prelungeşte durata solidificării cu 2,25%. Creşterea temperaturii lingotierei de la 100 la 1000C încetineşte viteza de solidificare cu 3 – 5%. Grosimea peretelui lingotierei în domenii de grosimi admise de practică. De remarcat că şi această metodă reclamă ipoteze simplificatoare (de exemplu neglijarea căldurii de transformare) şi dă numai rezultate aproximative, dar care sunt probabil mai apropiate de cele reale decât rezultatele obţinute prin calcule analitice.

O altă metodă de cercetare constă în a deduce variaţia conductibilităţii termice prin analogie cu variaţia conductibilităţii electrice a unui circuit model (metodă de modelare fizică). Trebuie ca în prealabil să se stabilească factorii de contracţie, iar circuitul electric să fie astfel conceput încât să redea fidel condiţiile sistemului lingou – lingotieră. Cu ajutorul acestei metode s-au verificat calculele de solidificare a lingourilor obţinute prin alte metode, dar rezultatele nu sunt prea încurajatoare.

Alte cercetări experimentale se bazează pe măsurători efectuate asupra lingoului şi lingotierei, dintre care mai importante sunt:

măsurătorile variaţiilor de temperatură în diferite puncte din interiorul lingoului ( este însă dificilă amplasarea termoelemenţilor);

măsurători de temperatură la suprafaţa lingoului cu termocuple introduse prin pereţii lingotierei sau prin presarea unui poanson gol în crusta lingoului când răcirea are loc în afara lingotierei;Dezavantaje:

De regulă măsurătorile termoelectrice au fost făcute pe lingouri mici – la lingourile mari fiind greu de interpretat, nu se obţin inflexiuni clare la extremităţile care se măsoară. În plus, se folosesc termoelemente diferite în locuri diferite.

O altă metodă care mai poate fi menţionată este metoda golirii oţelului rămas lichid în lingou prin răsturnarea acestuia la diferite intervale de timp şi măsurarea grosimii stratului solidificat. Metoda este imprecisă deoarece mai ales la sfârşitul solidificării oţelul vâscos aderă la stratul solidificat.

Se măsoară stratul solidificat cu ajutorul ultrasunetelor, metoda bazându-se pe diferenţa dintre proprietăţilor acustice ale fazelor solide şi lichide, ecoul se prinde la limita 5, factor de reflexie (numai pe lingouri <6 t).

Se introduc în oţel la diferite intervale de timp cartuşe (de aluminiu) cu indicatori radioactivi (Fe54, S33 şi mai ales P32).

Concluzii:În general, trebuie păstrată o rezervă faţă de exactitatea rezultatelor

experimentale obţinute. Valorile coeficientul k determinate cu diferite metode nu diferă mult în funcţie de metodă, dar au dezavantajul de a cuprinde global ansamblul de factori de care depinde solidificarea.

Din această cauză precum şi a nepreciziei măsurătorilor rezultatelor obţinute prin diferite metode diferă mult. O încercare de grupare a rezultatelor obţinute după metoda prin golire (aplicând relaţia care ţine seama de supraîncălzire ) la turnarea oţelului necalmat în lingotiere cu secţiune pătrată sau dreptunghiulara (cu laturile ) a condus la următoarea reprezentarea grafică prezentata în figura 4 unde este reprezentată dependenţa grosimii stratului solidificat “x” de timpul de solidificare a oţelului necalmat turnat în lingouri pătrate şi dreptunghiulare (date obţinute prin metoda golirii).

Toate valorile obţinute se încadrează bine într-un domeniu de dispersare limitat de dreptele:

şi După un anumit timp de la terminarea turnării, solidificarea se accelerează

până când este completă, când ceficientul k ajunge egal cu ks de la sfârşitul solidificării. (fig. 5)

Valoarea lui k1 diferă cu mărimea lingoului şi cu raportul D/d (cu care scade). Valoarea lui la care începe accelerarea solidificării corespunde sfâr[itului formării crustei columnare în lingoul de oţel calmat (respectiv a zonei de fierbere în lingoul de oţel necalmat), atunci când pe lângă avansarea frontului de solidificare are loc şi depunerea de cristale, ceea ce contribuie la micşorarea volumului fazei lichide.

Fig. 4. Dependenţa grosimii stratului solidificat “x” de durata

solidificării.

Fig. 5. Solidificarea în lingotieră

S-a mai observat că şi grosimea stratului solidificat are loc cu aceeaşi viteză în toate direcţiile numai un timp scurt după turnare, după care solidificarea avansează mai repede la picior (după literatură k=30 şi creşte liniar de la cap la picior de 2,75 ori) deoarece crusta solidă se desprinde mai greu de lingotieră la picior (presiunea ferostatică este mai mare), deci nu se formează spaţiu izolator şi în plus în această zonă se depun şi cristalele formate selectiv în masa de oţel lichid.

Când solidificarea lingoului este completă nu se mai eliberează căldura de cristalizare,temperatura trebuie să scadă mai repede.

Deoarece durata până la solidificarea completă este mare, lingourile – cele mari în primul rând – se scot din lingotieră (se stripează) mai repede, nu însă înainte ca exteriorul să atingă temperatura maximă (B). Când desprinderea lingoului de lingotiera este completă. Solidificarea completă are loc în timp mai scurt, timpul minim corespunzător stripării şi menţinerii lingoului în aer până la solidificarea completă variază cu mărimea lingoului (Figura 5)

Pentru utilizarea căldurii lingoului în procesul de laminare, se stripează imediat după atingerea temperaturii punctului B şi se introduce lingoul în picioare în cuptorul adânc, unde solidificarea completă are loc într-un timp mai lung (de 1,45 ori cât în lingotieră dacă cuptorul este sub foc şi de 1,3 ori dacă focul este oprit). Deci centrul lingoului este mai segregat.

Dacă lingoul are loc la încărcare în cuptorul adânc are o entalpie de 206 Kcal/Kg, se menţine un timp fără foc, apoi se încălzeşte în plin şi la atingerea curbei ab se simte lingoul (centru este solidificat) şi se trece la laminar, entalpia medie fiind de 220 – 225 Kcal/Kg.

3. 1. 4. Formarea crustei marginale a lingouluiSolidificarea oţelului în lingou are loc în trepte, deci pe zone, pornind de la peretele lingotierei

spre axa lingoului.

La turnarea în lingotieră temperatura oţelului lichid este mai înaltă decât temperatura lichidus, temperatura lui se supraîncălzire fiind de 30 ... 800C, funcţie de metoda de turnare folosită.

În contact cu pereţii reci ai lingotierei oţelul se răceşte brusc, cedarea de căldură fiind intensă, deci subrăcirea este puternică şi după 2-3 secunde se formează un număr mare de germeni de cristalizare, din care se dezvoltă rapid cristale echiaxiale neorientate. Se formează într-un timp scurt, o crustă marginală sau zona I de solidificare (fig. 6) care are aceeaşi compoziţie chimică cu a oţelului de turnare. Această crustă se contractă imediat, deoarece răcirea ei măreşte forţele de adeziune dintre cristale şi se desprinde de lingotieră, mai ales că şi lingotiera se dilată puţin datorită încălzirii. Presiunea ferostatică a oţelului lichid se opune contracţiei şi crusta se va deforma plastic.

În spaţiul liber format pătrunde aer şi curgerea de căldură este frânată, transmisia având loc prin radiaţie. În aceste condiţii temperatura zonei I creşte puţin, creştere care se datorează faptului că lingotiera poate transmite mai puţină căldură decât cea care ar trebui îndepărtată. Căldura care trebuie îndepărtată este dată de căldura de supraîncălzire a oţelului, căldură primită

de la oţelul mai supraîncălzit din centrul lingoului şi căldura eliberată la transformările de fază (8 ... 21 KJ/kgFe) a cărei importanţă este mai însemnată la solidificarea lingourilor mari.

Dacă proprietăţile oţelului sunt scăzute, apare pericolul de formare a crăpăturilor în crustă. Pericolul este limitat deoarece lingotiera nu se dilată prea mult, iar temperatura înaltă face ca eventualele fisuri formate să se sudeze prin pătrundere de oţel lichid (zona respectivă nefiind în contact cu aerul).

Pe măsură ce căldura se evacuează spre exterior, grosimea crustei solidificate creşte, temperatura sa scade, deci forţele de coeziune între cristale cresc, depăşind forţele de deformare plastică, crusta se desprinde de peretele lingotierei.

În interstiţiul format pătrunde aer şi evacuarea căldurii spre exterior este frânată. Frânarea transmisiei de căldură spre exterior mai are loc şi datorită creşterii temperaturii medii a pereţilor lingotierei.

Temperatura medie a crustei solidificate creşte un timp şi crusta încălzită şi semiplastică se va deforma uşor din cauza presiunii ferostatice a oţelului.

Deformarea este mai puternică la piciorul lingoului decât la cap şi se produce la momente diferite pe înălţime.

Prin presarea crustei pe pereţii lingotierei se intensifică din nou transmisia de căldură spre exterior, fapt ce determină o scădere a temperaturii medii a părţii solidificate, deci o nouă contracţie care din nou prezintă variaţii pe înălţime.

În această zonă, datorită timpului scurt în care are loc solidificarea, segregarea este practic neînsemnată şi compoziţia chimică a oţelului poate fi considerată ca fiind identică cu a oţelului din oală.

Calitatea suprafeţei lingoului este determinată în primul rând de calitatea şi condiţiile de formare a crustei marginale care trebuie, ca încă de la început să

Fig. 6. Reprezentarea schematica a procesului de solidificare

aibă o grosime suficient de mare pentru a nu crăpa sub acţiunea coloanei de oţel lichid, mai ales că la temperatură ridicată rezistenţa oţelului este scăzută. (fig. 7)

Grosimea crustei marginale este funcţie de cantitatea de căldură primită de la masa lichidă de oţel pe care o transmite spre exterior prin pereţii lingotierei. Cu cât această căldură este mai mare cu atât grosimea crustei marginale este mai mică.

Cantitatea de căldură primită de crustă în unitatea de timp se poate determina cu relaţia:

[kcal/min] (11)

unde:- c – căldura specifică a oţelului ( 0,21 Kcal/Kg, 0C pentru supraîncălzire;

1,17 Kcal/Kg,0C după solidificare);- - greutatea specifică (6900Kg/m3 pentru oţel lichid; 7800 Kg/m3 pentru

oţel solid);- Vu – viteza de umplere, m/min;- - supraîncălzirea oţelului peste lichidus, 0C;- h0 - înălţimea coloanei de oţel (variabilă în timp), m;- S – secţiunea lingoului (variabilă), m2;- P – perimetrul lingoului, m;Cantitatea de căldură scade dacă supraîncălzirea şi viteza de umplere scad

şi creşte suprafaţa de schimb de căldură care depinde de S, P şi h0.Compoziţia chimică a oţelului influenţează grosimea crustei marginale prin

valorile c şi .Un alt factor de care depinde grosimea zonei I este grosimea pereţilor

lingotierei. Dacă aceştia sunt groşi, pot înmagazina o cantitate mai mare de căldură şi deci grosimea crustei marginale este mai mare.

Respectând limitele normale pentru şi raportul S/P se poate admite că grosimea crustei marginale variază cu viteza de umplere după relaţia:

[mm] (12)

După formarea crustei marginale (zona I) a cărei grosime trebuie să aibă peste 12 – 15 mm la lingouri cu diametrul D=400 – 700mm, solidificarea depinde nu numai de formarea germenilor de cristalizare (de gradul de subrăcire), ci şi de starea de agitaţie a oţelului în lingotieră datorită curenţilor de convecţie şi degajării de gaz, deci diferă după cum oţelul este calmat, semicalmat sau necalmat.

Fig. 7. Deformara crustei

marginale în timp

3. 4. Solidificarea oţelului calmatOţelurile calmate au un grad avansat de dezoxidare ceea ce exclude

posibilitatea deformării, în timpul solidificării a reacţiei dintre [C] şi [O].Datorită încălzirii pereţilor lingotierei, creşterii grosimii crustei marginale şi formării

stratului izolator de aer dintre crustă şi lingotieră (interstiţii) viteza de răcire a oţelului din lingotieră se micşorează sensibil. Din acest motiv se micşorează mult numărul de noi germeni de cristalizare, deci şi viteza de cristalizare.

În acest caz cristalele din crusta marginală care se găsesc în contactul cu oţelul lichid, încep să crească sub formă de dendrite columnare. Direcţia de creştere este perpendiculară pe pereţii lingotierei, adică în direcţia fluxului termic. ca urmare a creşterii preferenţiale a dendritelor se formează zona II de cristalizare, cu cristale alungite numită zonă de transcristalizare sau zonă columnară. În timpul formării zonei II, o data cu scăderea temperaturii are loc o scădere a solubilităţii unor elemente din compoziţia chimică a oţelului cum ar fi S, P, C, elemente care îmbogăţesc oţelul lichid din faţa frontului de solidificare, fenomen numit segregare. Din acest motiv dendritele din zona II sunt mai pure decât oţelul lichid în care cresc.

Formarea zonei de transcristalizare. Suprafaţa crustei nu este plană ci prezintă o serie de proeminenţe care cresc în mod preferenţial după o direcţie cristalografică principală şi dacă această direcţie este orientată în acelaşi sens cu fluxul termic (perpendicular pe pereţii) atunci grăunţii se vor dezvolta în mod deosebit după această direcţie şi se ramifică în direcţii de valori egale rezultând în final o creştere dendritică.

Acest mod de creştere, mai repede după o direcţie principală şi cu viteză mai mare decât cea cu care avansează frontul de solidificare, se poate realiza în condiţiile existenţei unui lichid subrăcit.

La solidificarea oţelului, datorită faptului că solidificarea elementelor dizolvate în fier este mai mică în fază solidă, lichidul de la frontul de solidificare se va îmbogăţi în elementele eliminate de dendritele solidificate producându-se un salt de concentraţii între două faze.

Concentraţia în elemente eliminate scade exponenţial după expresia:

(13)

unde:C – concentraţia într-un punct în lichidul din faţa frontului;C0 – concentraţia iniţială;k0 – coeficientul de repartiţie la echilibru a impurităţilor;vcv – viteza de avansare a frontului de solidificare;D – coeficientul de difuzie a impurităţilor în lichid; - distanţa la punctul considerat în lichid;

Temperatura de topire a acestui lichid îmbogăţit scade, în timp ce temperatura sa creşte (ca urmare a căldurii de cristalizare şi de transformare) depăşind pe cea a lichidului învecinat dinspre centrul lingoului, în care ajung vârfurile dendritelor alungite.

Admiţându-se o dependenţă liniară între concentraţie şi temperatura de topire, temperatura va creşte exponenţial de la interfaţă spre interior, temperatura de echilibru a lichidului în faţa frontului de solidificare putându-se calcula cu relaţia:

Ts = T0 – m*Cl (14)

unde:- T0 – temperatura de cristalizare a aliajului iniţial;- Ts – temperatura de solidificare la echilibru în faţa frontului;- m – unghiul de înclinare al curbei lichidus pe diagrama de echilibru a aliajului;

- Cl – concentraţia din lichid;În acelaşi timp, elementele concentrate în lichidul dintre dendrite difuzează

spre centrul lingoului (menţinându-se totuşi o diferenţă de concentraţie) şi temperatura de topire creşte (supraîncălzirea scade) pe o anumită distanţă de la frontul de solidificare, având ca efect o creştere laterală a dendritelor (subrăcire constituţională). Acest fenomen de difuzie şi deci de scădere a supraîncălzirii avansează cu o viteză mai mică decât a dendritelor alungite, eliminarea căldurii spre exterior dintre dendrite fiind mai puţin intensă, deci este slabă subrăcirea şi ca urmare germinarea. De aceea aceste creşteri laterale sunt destul de mici.

În timpul solidificării se vor forma astfel grăunţi lungi şi adânci, uniţi la un capăt, în spatele frontului de solidificare şi care cresc ca nişte cristale independente în lichid.

În interiorul acestor depresiuni, în interfaţă, lichidul îmbogăţit în elemente însoţitoare este reţinut datorită tensiunii superficiale.

Rezultatul creşterii preferenţiale a dendritelor şi a tendinţei de omogenizare a soluţiei dintre dendrite, procese care au loc treptat sub influenţa eliminării căldurii, mai accentuată prin dendrite, este formarea zonei a II-a cu dendrite alungite numită zonă de transcristalizare bazaltică sau cu cristale columnare.

Aceste dendrite formate sub influenţa unui flux termic puternic orientat, cresc aproape perpendicular pe pereţii lingotierei (puţin înclinate în sus) şi sunt mai pure decât soluţia metalică înconjurătoare.

Variaţia compoziţiei chimice în zona III fată de zona I, este cu atât mai importantă cu cât oţelul are un conţinut mai mare de C şi de elemente de aliere.

Factori care determină întinderea zonei de transcristalizareÎntinderea zonei de cristalizare diferă mult de o serie de factori cum ar fi:

-oţelul care se toarnă;- temperatura de supraîncălzire;- viteza de umplere;- intensitatea răcirii;- conductibilitatea termică a sistemului lingou – lingotieră;- grosimea şi temperatura iniţială a pereţilor lingotierei;

Necunoaşterea, până în prezent, a efectelor separate şi în comun a acestor factori ca şi neglijarea în aprecierile făcute până acum a unor aspecte ca:

- modificarea de volum la solidificare;- modificarea caracteristicilor fizico-chimice ale fazelor lichidă şi solidă datorată reacţiilor între elementele segregate cu apariţia de noi faze;

- formarea de curenţi de convecţie ca urmare a variaţiilor de temperatură cauzată de manifestarea concentraţiilor în elemente care segregă, nu a dat posibilitatea explicării avansării frontului de solidificare şi extinderii zonei de transcristalizare.Influenţa temperaturii.

Dacă se consideră că viteza de solidificare, respectiv variaţia grosimii “x” a stratului de solidificare începând de la pereţii lingotierei, depinde de transferul

de căldură la interfaţă (şi în primul rând de temperatura fazei lichide) ea se poate calcula cu relaţia:

[cm/min] (15)

în care:- dx – grosimea stratului solidificat în timpul ;- w – căldura de cristalizare a volumului unitar solidificat;- - greutatea specifică a părţii solidificate;- - conductibilităţile termice ale fazelor solidă şi lichidă;

- - gradientul de temperatură pe grosimea stratului solidificat

(influenţează curgerea căldurii spre exterior);

- - gradientul de temperatură în fază lichidă (determină curgerea

căldurii spre partea solidificată);Cum în domeniul de temperatură considerat w şi γ sunt practic constante,

iar λ variază puţin cu temperatura, rezultă că grosimea zonei de transcristalizare depinde de:

- temperaturile din stratul solidificat şi din lichid;- grosimea părţii solidificate şi a celei rămase lichide.

Pentru a reduce întinderea acestei zone, trebuie ca să crească (răcirea

să fie întinsă) şi să scadă (conţinutul de căldură al oţelului să fie mic).

Concluzii: 1. dacă se toarnă oţelul cu temperatură joasă se ajunge rapid în domeniul subrăcirilor mari şi în oţelul lichid apare un număr mare de germeni din care cresc repede cristale ce se ating între ele şi se alungesc înainte de a căpăta forme bazaltice;2. dacă temperatura oţelului este înaltă, sau dacă se toarnă cu temperatură şi viteză normală dar răcirea este înceată, zona I – crusta este subţire (ca urmare a germinării slabe), iar în zona a II-a se vor dezvolta cristale columnare lungi ca urmare a duratei lungi de curgere a căldurii spre exterior;3. la temperaturi de turnare foarte mari, cristalele în formare în zona II pot fi topite de oţelul supraîncălzit şi rezultă o structură grosolană, cu număr mic de grăunţi mari;Influenţa compoziţiei chimice a oţelului. Se manifestă prin efectul

segregării elementelor la frontul de solidificare care determină scăderea de temperatură la interfaţă şi întinderea domeniului subrăcirii constituţionale.

De asemenea elementele care măresc solubilitatea hidrogenului cum sunt: Cr, Ni, Si sau elementele care măresc solubilitatea azotului (Cr, Mn, V, Nb) măresc transcristalizarea.

Influenţa configuraţiei lingotierei. Lingotierele cu pereţi subţiri ca şi cele cu pereţi ondulaţi înmagazinează puţină căldură şi o radiază puternic spre exterior, deci intensifică răcirea şi vor asigura o zonă de transcristalizare redusă ca grosime. dar aici trebuie avut în vedere că la lingotierele cu pereţi subţiri se obţine o crustă marginală subţire şi deci creşte pericolul de crăpare a ei. De aceea, trebuie găsită grosimea optimă pentru pereţii lingotierei.

Formarea celorlalte zone în lingoul de oţel calmat. Cu creşterea grosimii stratului de oţel solidificat creşte efectul de izolare, gradientul de temperatură în partea solidificată devine din ce în ce mai mic. Oţelul lichid cu temperatura scăzută de topire din centrul lingoului se răceşte din ce în ce mai încet, frontul de solidificare avansează cu viteză descrescătoare de la margine spre centru lingoului.

Atunci când temperatura fazei lichide ajunge să fie egală cu temperatura extremităţilor dendritelor, deci când fluxul termic încetează de a mai fi orientat, încetează solidificarea sub formă de dendrite columnare. Acestui moment îi corespunde punctul B de pe curba de variaţie a temperaturii la exteriorul lingoului, după care curba este tot timpul scăzătoare datorită evacuării în timp a căldurii spre exterior.

Interpretarea variaţiei de timp:- timpul t1 corespunde formării crustei marginale a cărei temperatură este

dată de punctul A;- la desprinderea crustei de lingotieră are loc o creştere de temperatură

pentru că transmiterea de căldură este frânată şi deci şi temperatura creşte cu temperatura t2 (după ramura AB);

- suma (t1+t2) creşte cu creşterea mărimii lingoului după cum arată diagrama din figura 8

Oţelul lichid din centrul lingoului practic nu mai poate primi elementele eliminate de zona II (segregarea aproape încetează) şi cum căldura se scurge în continuare spre exterior prin zona columnară se ajunge la o subrăcire a oţelului din faţa frontului de solidificare, în care apar germeni de cristalizare proprii şi străini, în număr restrâns, datorită posibilităţilor restrânse de eliminare a căldurii. Deci aceşti germeni, grupaţi mai ales în faţa zonei II şi din ce în ce mai rari spre centrul lingoului unde oţelul este încă supraîncălzit în raport cu compoziţia chimică, cresc dendritele echiaxiale, neorientate în jurul cărora se solidifică oţelul. Aceşti germeni vor creşte radial cu o viteză determinată de gradul de subrăcire existent.

Aceste dendrite care cresc liber în lichid, având greutate specifică mai mare decât a oţelului lichid scad spre piciorul lingoului. În cădere, o parte din ele se prind în proeminenţele zonei II (spre sfârşitul formării acestuia), altele se prind de cele fixate deja de frontul de solidificare şi astfel în structura lingoului calmat

Fig. 8. Variaţia timpului de turnare

apare zona a III-a, de trecere sau bifazică, fază care se află cu atât mai înspre centrul lingoului cu cât zona a II-a este mai intensă.

Dendritele care cad spre piciorul lingoului formează zona a IV-a de cristalizare, care are formă de piramidă sau de con după cum piciorul lingoului este piramidal sau rotund şi care este cu atât mai înaltă cu cât temperatura oţelului este mai mare şi lichidul din centrul lingoului poate primi o cantitate mai mare de elemente segregate.

Căderea dendritelor cu greutate specifică mare la piciorul lingoului face ca o parte din soluţia lichidă din această zonă să se deplaseze spre capul lingoului şi în acest mod se intensifică solidificarea în zona a IV-a.

Cristalizarea selectivă face ca oţelul din centrul lingoului să se îmbogăţească în elemente de segregare care-i scad temperatura de topire, deci oţelul este supraîncălzit. Concomitent, încetinirea căderii de cristalizare la formarea dendritelor echiaxe în lichidul vâscos, ca şi faptul că oţelul mai cald de la picior este determinat să se retragă în partea modificată de la centrul lingoului.

De aceea cristalizarea în această zonă se va produce numai după ce, datorită cedării de căldură spre exterior temperatura scade sub cea de topire luând astfel naştere germeni proprii în întregul volum de lichid.

În acest fel cristalizarea se va produce spontan, dendritele cresc liber până se stingheresc reciproc, prind între ele oţel impur care se solidifică progresiv, rezultând în final o structură neorientată, grosolană - zona V de solidificare.

Acest sfârşit de solidificare corespunde punctului C1 pe curba temperaturii suprafeţei curbei. Deoarece după solidificarea completă nu se eliberează căldura de cristalizare, temperatura scade mai repede şi în punctul C1 apare o discontinuitate (inflexiune).

Concluzii:În structura lingoului de oţel calmat se disting 5 zone caracteristice,

determinate de condiţiile de solidificare:1. zona I – crusta marginală formată în condiţiile unei subrăciri puternice la

contactul oţelului cu lingotiera rece;2. zona II – de transcristalizare sau a dendritelor columnare – formată în

condiţiile unei subrăciri constituţionale reduse şi a unui flux termic dirijat;3. zona III – de trecere sau bifazică - formată din cristale echiaxe mari

formate în condiţiile de subrăcire;4. zona IV – a conului de la picior – formată prin căderea dendritelor echiaxe

la piciorul lingoului (în această zonă segregarea este negativă, cristalele pure care se depun înlătură oţelul impurificat);

5. zona V – centrală - formată prin cristalizarea spontană în întregul volum de oţel impurificat, cu temperatură scăzută de solidificare, în urma evacuării continue a căldurii prin stratul solidificat.

Deoarece prin solidificare scade volumul oţelului, în cazul lingoului se formează un gol de contracţie numit retasură.

Dacă se toarnă rece oţelul, zonele II, III, şi IV sunt restrânse şi sunt întinse zonele I şi II.

3. 5. Solidificarea oţelului necalmatOţelul necalmat este oţelul căruia la evacuare nu i se adaugă alt dezoxidant în afară de FeMn,

este suprasaturat la turnare în carbon şi oxigen. El se defineşte ca fiind oţelul la care dezoxidarea se continuă, fără sa se termine în lingotieră prin reacţia:

(16)

El nu fierbe în condiţii normale în oala de turnare din cauza înălţimii mari a coloanei de oţel (Kc depinde de presiune), cât şi a dificultăţilor de formare a germenilor determinate de tensiunea superficială.

Este ştiut faptul că pentru ca o bulă de gaz de rază r să poată germina omogen într-o baie de oţel trebuie ca în interiorul bulei să existe o presiune definită prin relaţia:

(17)

unde:- PCO – presiunea în bula de gaz;- Ph – presiunea coloanei de oţel lichid ( );- - tensiunea superficială a oţelului lichid.Se poate arăta că la germinarea omogenă a unei bule cu raza de ordinul

angstromilor, PCO ar trebui să fie de ordinul 104 at; germinarea unor astfel de presiuni ar necesita concentraţii mari de reactanţi, care practic, nu sunt realizabile.

De aici concluzia că bulele de CO germinează pe suprafeţe preexistente (incluziuni nemetalice, pereţii agregatului, lingotierei, stratul de oţel solidificat).

La solidificarea lingourilor de oţel necalmat particularităţile care apar sunt determinate de fenomenul de fierbere a oţelului în lingotieră. În timpul solidificării calitatea şi structura lingoului depinzând de intensitatea procesului de autodezoxidare (cu carbon).

După turnarea în lingotieră, pe măsură ce oţelul se răceşte până la solidificare, excesul de oxigen şi de gaze peste conţinutul care poate fi reţinut în soluţie în echilibru cu carbonul, difuzează spre centrul lingoului astfel încât, în zona lichidă care limitează frontul de solidificare se acumulează cantităţi importante de carbon şi mai ales de oxigen, suficiente pentru a crea condiţii favorabile formării şi creşterii bulelor de gaz.

Dacă formarea bulelor este suficient de rapidă, viteza lor de creştere depăşeşte viteza de înaintare a frontului de solidificare, dimensiunile bulei conduc la o forţă ascensională care învinge adeziunea cu peretele solidificat de care bula se desprinde şi degajându-se produce “fierberea” oţelului în lingotieră.

Dacă bula nu creşte suficient de repede aceasta va rămâne prinsă de peretele solidificat dând naştere la o “suflură”.

Prin urmare, adâncimea amplasării suflurilor primare în lingou este determinată direct de raportul dintre viteza de solidificare şi viteza de creştere a bulelor, ultima fiind reglată, la rândul ei, de intensitatea fierberii oţelului după turnare, care se exprimă prin cantităţile de gaze care se pot forma în timpul solidificării. Măsurători efectuate au arătat că gazul de reacţie este format din 80 –85% CO şi restul CO2, proporţia de CO2 din gaz depinzând de conţinutul de [C] si [O] al oţelului. Bulele de CO şi CO2 formate înglobează în ele şi o parte din hidrogenul şi azotul din oţel, dar conţinuturile acestora sunt scăzute.

Factori care influenţează intensitatea fierberii. Influenţa conţinutului de [C] şi [O]. Odată cu formarea intensă a bulelor de gaze în oţelul

lichid scade concentraţia de [C] si [O], deci suprasaturarea dispare foarte repede. Dacă compoziţia atinge limita miscibilităţii oţelului lichid conţinutul de oxigen scade în timp ce conţinutul de carbon creşte. În cazul lingourilor unde carbonul şi oxigenul se află în echilibru stoechiometric, restul de oţel lichid nu-şi mai schimbă starea până la sfârşitul solidificării. Deci conţinutul de carbon şi oxigen

din oţel depinde de cantitatea de gaze formate la solidificare precum şi de variaţia în timp a gazului la solidificare. Cantitatea maximă de gaz se formează când raportul dintre C/O este corespunzător echilibrului stoechiometric. Formarea gazului în cantităţi mari presupune o suprasaturare în C şi O, o temperatură joasă de turnare. La început are loc o formare abundentă de gaze, care se continuă în aceeaşi proporţie numai dacă în oţel se menţine acelaşi raport între C şi O ca şi în gazul care se degajă.

Din diagramă rezultă că la conţinuturi mai mari de C (0,15%C) la început fierberea este mai puţin intensă decât la conţinuturi mici de C (0,06) din cauza cantităţii insuficiente de oxigen ([C]*[O]=ct), deci şi cantitatea de gaze rezultată este mai mică. Intensificarea fierberii având loc pe parcursul solidificării. Acelaşi lucru se întâmplă şi la oţelurile cu conţinut foarte scăzut de C (0,02%) unde procesul este îngreunat din cauza conţinutului prea mic de carbon.

1. Influenţa conţinutului de Mn. Carbonul din oţel poate reacţiona la temperaturi situate aproape de punctul de topire, numai cu oxigenul dizolvat în oţel. El nu poate reduce MnO şi cu atât mai mulţi produşi de dezoxidare cum ar fi SiO2 sau Al2O3. Când produsul [C]*[O] scade (formare de gaze, deci reacţia de autodezoxidare cu C) se opreşte total sau parţial. Acţiunea dezoxidantă a manganului se manifestă pregnant (scade cu creşterea temperaturii), curba de echilibru [Mn]-[O] se deplasează în jos, ajungând sub curba de echilibru [C]-[O]. Deşi manganul nu poate dezoxida singur oţelul pentru a nu mai fierbe la solidificare – are un rol important deoarece reglează conţinutul de [O] pentru a limita reacţia lui cu [C] pentru a se putea obţine un lingou sănătos. Acţiunea de dezoxidare a manganului poate fi scoasă în evidenţă şi din diagrama de echilibru [O]-[O] peste care se suprapun liniile diagramei [Mn]-[O].

Rezultă din figura 11 că la conţinuturi mici de C (0,04-0,07%) un conţinut de 0,5 Mn poate duce la formarea MnO. Dacă se ţine cont însă că oxigenul este un element care segregă, deci în faţa frontului de solidificare conţinutul de [O] este

Fig. 10. Variaţia în timp a conţinutului de gaz pentru diferite conţinuturi de carbon

Fig. 11. Acţiunea dezoxidantă a Mn şi C

mult mai mare, în timp ce conţinutul de [Mn] creşte foarte puţin (Mn nu segregă), rezultă că şi conţinuturile mici de mangan pot influenţa fierberea oţelului în lingotieră.

2. Influenţa presiunii. Un factor foarte important pentru fierberea oţelului

în lingotieră este presiunea. Produsul care pentru T=16000C şi

PCO=1 at are valoare 0,0025. Dar mai corect este deoarece bulele nu se formează numai la suprafaţa oţelului lichid ci şi în adâncime şi trebuie ţinut cont de presiunea hidrostatică a coloanei de oţel. Astfel la 1m adâncime PCO=1+1*0,7 =1,7 at, iar la 2m adâncime PCO=1+2*0,7 =2,4 at. Cu cât bula se formează la o adâncime mai mare, valoarea produsului creşte, deci creşte conţinutul de [O] în echilibru cu [C], deci reacţia este îngreunată. Deoarece MnO rezultat din reacţia de dezoxidare cu Mn nefiind gaz nu este influenţat procesul de presiune, rezultă că Mn participă mai intens la dezoxidare la piciorul lingoului.

Zgura conţinută de lingoul de oţel este formată din materiale refractare cu care oţelul vine în contact, zgura din oală, dar mai ales ca rezultat al reacţiei [Mn] cu [O]. Pentru eliminarea oxizilor care se formează în faţa frontului de solidificare este necesară o agitaţie puternică a oţelului realizată printr-o degajare intensă de gaze. Agitarea intensă a oţelului nesolidificat evită de asemenea menţinerea în lingou a unor cantităţi ridicate de oxigen dizolvat ceea ce ar duce la o puternică impurificare a oţelului cu incluziuni de silicaţi, oxizi de crom, de mangan sau aluminiu. De aceea turnarea prin sifon a oţelului în lingotieră la care fierberea oţelului este mai puţin intensă, este dezavantajoasă.

3. Influenţa parametrilor turnării. În afară de presiunea bulelor de CO, procesul de formare şi îndepărtare a bulelor de CO mai este influenţat şi de presiunea hidrostatică a oţelului precum şi de frecările care au loc între bulele în mişcare şi oţel. Aceste două componente depind de viteza de umplere a lingotierei. Dacă se asigură conţinutul de [O] corespunzător conţinutului de [C] şi se toarnă oţelul cu temperatură joasă şi cu viteză de umplere nu prea mare, iar degajarea de bule este timpurie, uniformă şi intensă.

Formarea şi îndepărtarea bulelor de CO se produce:- la piciorul lingoului în primele minute după începerea turnării, dar încetează repede din cauza creşterii înălţimii coloanei de oţel;

- în faţa frontului de solidificare, pe stratul solid cu asperităţi, unde oţelul este bogat în oxigen şi în elemente care-i scad temperatura de topire, deci unde oţelul este lichid, ceea ce uşurează îndepărtarea;

Începerea timpurie a fierberii este o condiţie necesară pentru asigurarea unei zone marginale lipsite de sufluri.

În cazul unei fierberi violente (lingoul spongios ) se poate interveni prin adaos de aluminiu care micşorează conţinutul de oxigen – practică întâlnită mai ales la oţelurile moi cu C<0,1% la care baia este de obicei supraoxidată.

În cazul oţelurilor cu C>0,1% şi cu conţinut insuficient de oxigen se folosesc intensificatori de fierbere (ţundăr, Na2CO3 care prin descompunere pune în libertate CO2 şi fluidificatori pentru zgura formată la suprafaţa lichidului CaF2).

Mecanismul solidificării.

În timpul fierberii bulele de CO antrenează oţel spre capul lingoului, oţel care apoi coboară spre partea centrală a lingoului unde are loc contracţia în faza lichidă.

Datorită agitării (fierberii) oţelului în lingotieră, ca urmare a degajării bulelor de CO, dendritele care tind să crească sunt fărâmiţate şi astfel este împiedicată formarea zonelor II şi III, în locul lor apărând o zonă de fierbere IIf.

Agitarea produsă de degajarea de bule de CO produce uniformizarea temperaturii oţelului rămas lichid şi împiedică solidificarea crustei pe capul lingoului. Prin răcirea oţelului vâscozitatea acestuia creşte şi degajarea bulelor de CO se face din ce în ce mai greu, ceea ce poate conduce la creşterea oţelului în lingotiere.

Pentru evitarea acestui lucru după formarea unei cruste suficient de groase, lingoul se acoperă cu un capac gros de fontă. În contact cu capacul oţelul se solidifică brusc oprind degajarea bulelor de gaz. În acelaşi scop se poate adăuga un capac chimic, format prin adăugarea pe suprafaţa oţelului lichid a unui adaos de 0,15 ... 0,20 Kg/t oţel de aluminiu pulbere, granule sau lichid. Ca urmare oţelul se calmează şi degajarea de bule de CO încetează.

Bulele mici de CO din centrul lingoului se redizolvă, iar cele mai mari de la frontul de solidificare rămân prinse, formând coroana interioară de sufluri.

În cursul deformării plastice, suflurile din coroana interioară ca şi cele din coroana exterioară se sudează sub presiune, dacă crusta marginală are o grosime suficient de mare (15 ... 20 mm) pentru a nu crăpa. În caz contrar, marginile suflurilor ajunse în contact cu aerul se oxidează şi nu se mai sudează, indiferent de mărimea forţelor de deformare aplicate.

3. 6. Solidificarea oţelului semicalmatElaborarea şi dezoxidarea oţelului semicalmat trebuie să asigure pentru

produsul [C]*[O] valori mai mici decât cele corespunzătoare echilibrului la temperatura de solidificare, astfel încât degajarea bulelor de CO să aibă loc numai în ultima parte a solidificării, când capul lingoului trebuie închis. Degajarea de gaze, astfel limitată, evită formarea golului de contracţie pe capul lingoului şi permite formarea unui număr mic de sufluri amplasate preponderent pe capul lingoului. În rest, solidificarea trebuie să aibă loc ca la oţelul calmat.

Pentru a asigura o structură corespunzătoare lingoului este necesară o concordanţă deplină între gradul de dezoxidare, temperatura de turnare şi viteza de umplere a lingotierei. O dezoxidare prea avansată conduce la formarea unui gol la capătul lingoului care nu se sudează, iar o dezoxidare insuficientă determină defecte de suprafaţă (solzi) şi defecte interne (sufluri nesudate) care scad calitatea produselor laminate.

Tehnologia de dezoxidarea se adoptă funcţie de condiţiile specifice, dar trebuie ţinut cont că:

1. la conţinutul de Mn de 0,40% trebuie avut grijă de raportul dintre [C] si [Si] pentru că la [C]<0,18% dacă se asigură [Si]=0,15-0,17% se obţine ca produs de dezoxidare SiO2 şi variaţia conţinutului de Mn nu mai contează;

2. la conţinuturi de Mn cca. 0,5% o variaţie a [Si]=0,10-0,15% este puţin mică;

3. la conţinuturi de Mn >0,5% variaţia Mn nu mai este critică pentru dezoxidare – solidificarea fiind influenţată numai de [C] si [Si].

Dezoxidare corespunzătoare se obţine mai uşor cu aliajul complex SiMnAl.

4. Defecte ale semifabricatelor din oţel4. 1. Defecte de suprafaţă

La solidificarea lingourilor de oţel structura şi compoziţia acestora este neomogenă, apar goluri de contracţie la oţelul calmat, sufluri la cel necalmat. Astfel apar defecte în lingourile de oţel. Ele se pot elimina prin mijloace tehnologice astfel încât lingoul să fie utilizabil.

Defectele se pot clasifica în defecte inerente (retasurile, suflurile, porozităţile, segregaţiile şi incluziunile nemetalice) şi accidentale, care la rândul lor pot fi defecte de suprafaţă (crăpăturile, stropii, scoarţele, înfăşurări ale crustei) şi defecte interne (liniile de umbră şi fulgii).

Crăpăturile apar când solicitările crustei solidificate depăşesc rezistenţa ei. Principalii factori care influenţează apariţia crăpăturilor sunt:

- construcţia lingotierei – poate provoca accentuarea tensiunilor în crustă;- metoda şi parametrii turnării (vt , Tt );- proprietăţile oţelului la temperaturi înalte (contracţie, plasticitate,

rezistenţă) determinate de compoziţia chimică şi condiţiile de turnare.Crăpăturile de suprafaţă sau interne, sunt orientate longitudinal sau

transversal se clasifică după aspect şi condiţiile de formare în crăpături la cald şi la rece.

Crăpăturile la cald – intercristaline - se produc atunci când tensiunile care apar la solidificarea lingoului sunt mai mari decât limita de rupere a oţelului (1350 – 14000C), aproape de punctul solidus sau chiar deasupra punctului real de solidificare, apariţie uşurată de prezenţa fazei lichide între ramurile dendritelor. Ele pot fi orizontale sau verticale.

Crăpăturile orizontale apar dacă este frânată contracţia oţelului după axa longitudinală a lingoului. Cauzele frânării concentraţiei frânării concentraţiei zonei I pot fi (Fig. 12):

Fig. 12. Defecte de suprafaţă ale lingoului de oţel

a) defecte ale suprafeţei interioare a lingotierei (1);

b) încastrarea lingoului la picior (2), datorită montării greşite a plăcii de fund, sau prelucrării necorespunzătoare a suprafeţelor de contact;

c) încastrarea lingoului la cap (3) datorită pătrunderii oţelului lichid între lingotieră şi maselotieră sau supraturnarea ;

d) lovirea violentă a crustei de către jetul de oţel (4);

Crăpăturile verticale (5), se produc de obicei în partea de jos a lingoului şi sunt cauzate de tensiuni produse de presiunea ferostatică a coloanei de oţel lichid în crusta solidificată, de frânarea contracţiei acesteia şi de transformările structurale cu modificare de volum.

Probabilitatea de apariţie a crăpăturilor este determinată de grosimea pe care o are crusta marginală în momentul desprinderii ei de pereţii lingotierei şi formării interstiţiului. momentul formării interstiţiului este foarte important deoarece din acest moment transmiterea de căldură spre exterior se reduce brusc, deci viteza de creştere a crustei solidificate scoate în timp ce presiunea ferostatică creşte continuu. Tot în acest moment acţionează forţe datorită frânării contracţiei care introduc tensiuni mari în crustă.

Dacă valoarea tensiunilor din crustă este mare şi grosimea crustei este redusă, tensiunile pot depăşi rezistenţa oţelului la temperatura dată provocând crăpături care nu se mai pot suda deoarece suprafaţa rupturii se oxidează în contact cu atmosfera (din interstiţiu).

Tendinţa de deformare a crustei este influenţată şi de viteza de deformare a crustei într-o perioadă dată.

Astfel, dacă apariţia crăpăturilor este uşurată de faza

lichidă rămasă între cristale care cresc marginile crăpăturilor care apar în intervalul de temperatură 1350 – 14000C sunt rotunjite.

Dacă , solidificarea cuprinde şi faza interdendritică, iar crăpăturile pot fi intracristaline – forma crăpăturilor este complicată, cu muchii ascuţite.

Deformaţia primelor straturi de metal solidificat nu se realizează neuniform pe lungimea acestora, accentuându-se în zonele mai subţiri ale crustei. Aceasta explică sensibilitatea lingourilor faţă de apariţia crăpăturilor în funcţie de configuraţia lingotierei, temperatura oţelului, viteza de turnare, hidrodinamica oţelului lichid în timpul turnării (funcţie de metoda de turnare).

La lingourile plate formarea interstiţiului are loc mai întâi pe laturile mici, pe laturile mari desprinderea începe de la colţuri. La mijlocul laturii crusta rămâne un timp mai îndelungat în contact cu lingotiera. Zona de crustă desprinsă este supusă la întindere şi încovoiere, care conduce la momente ce dau tensiuni în crustă definite pe secţiune.

Dacă crusta nu s-a îndepărtat complet de latura mare a lingotierei şi în

intervalul de timp consideră atunci pe porţiunile de crustă

adiacente colţurilor pot apărea crăpături. După desprinderea completă a crustei se pot forma crăpături transversale pe laturile mari ale lingoului în funcţie de vd şi vs.

Pentru a evita formarea crăpăturilor este necesar ca grosimea crustei de oţel solidificat la sfârşitul turnării să fie mai mare decât o valoare critică.

Considerând constanta de solidificare k ca o funcţie a raportului între

perimetrul P şi suprafaţa secţiunii transversale a lingoului S, şi timpul

de turnare atunci grosimea stratului solidificat este:

[m] (18)

Probabilitatea de apariţie a crăpăturilor arată:

- influenţa formatului lingotierei (probabilitatea creşte odată cu creşterea secţiunii S şi scade când perimetrul P creşte);

- grosimea crustei marginale ;- viteza de turnare;

Concluzii Pentru a împiedica formarea crăpăturilor se urmăreşte creşterea

caracteristicilor mecanice ale oţelului la temperaturi mari. Caracteristicile depind de marca de oţel, tehnologia de elaborare şi turnare, intensitatea de răcire. De asemenea scăderea tensiunilor în crusta solidificată prin alegerea unei configuraţii raţionale a lingotierei care să asigure creşterea grosimii crustei marginale la momentul desprinderii şi o anumită succesiune de desprindere a diferitelor porţiuni de creastă care asigură momente de încovoiere şi tensiuni scăzute.

Deformaţia primelor straturi de oţel solidificat se repartizează neuniform pe lungimea acestora, concentrându-se în zonele subţiri ale crustei.

Apar când condiţiile de turnare şi solidificare nu asigură formarea unei cruste groase şi rezistente, cum ar fi: temperatura de turnare înaltă, viteza de umplere prea mare, configuraţia lingotierei (pereţii lingotierei prea subţiri), hidrodinamica jetului, metoda de turnare. Lingourile mari se toarnă de obicei în lingotiere poligonale, care asigură formarea unei cruste rezistente.

Lingotiere cu secţiune dreptunghiulară - formarea interstiţiului are loc mai întâi pe laturile mici, iar pe laturile mari desprinderea crustei solidificate începe de la colţuri la mijlocul laturii, aceasta rămânând un timp mai îndelungat în contact cu lingotiera. Crăpăturile apar pe porţiunile de crustă adiacente colţurilor.

Hidrodinamica mişcării oţelului în lingotieră.Studii pe modele au arătat că viteza de turnare influenţează

hidrodinamica mişcării oţelului în lingotieră în timpul turnării, respectiv zona de amplasare şi viteza curenţilor de recirculaţie în oţel, care spălând zona solidificată şi aducând oţel cald în contact cu crusta solidificată fac ca în

această zonă grosimea crustei solidificată să fie minimă (diferă de metoda de turnare).

Fig. 13 Secţiunea critică la turnarea indirectă

La turnarea indirectă liniile de curent ale jetului îşi păstrează caracterul liniar numai pe o porţiune a traiectoriei până la o înălţime şi secţiune critică după care jetul se desface şi formează curenţi de recirculaţie de sens contrar jetului. Distanţa pe care au intensitatea maximă fiind de 1/3 din înălţimea la care se formează secţiunea critică. (Fig. 13)

Probabilitatea maximă de apariţie a crăpăturilor este zona secţiunii critice unde aceasta este minimă.

Înălţimea zonei critice, hc:

(19)

unde D este diametrul lingotierei;Viteza curenţilor de recirculaţie, Wc: (Efimov)

, mărimea Wc=f(W0) (20)

La turnarea prin sifon zona de recirculaţie intensă este fixă şi amplasată spre piciorul lingoului, crusta marginală este subţire chiar acolo unde suportă presiunile ferostatice cele mai mari.

Fig. 14 Curenţii de recirculaţie la turnarea de sus a oţelurilor

La turnarea directă primele porţii de oţel lichid lovesc la intrarea în lingotieră placa de bază a acesteia şi în continuare jetul pătrunde în stratul de oţel lichid. Jetul îşi păstrează pe o porţiune forma sa conică, secţiunea crescând până la o valoare critică după care se reduce treptat.

Din cauza rezistenţei stratului de oţel lichid din lingotieră liniile de curent îşi pierd controlul liniar şi primesc o deviaţie opusă celei iniţiale. Astfel se nasc curenţi de recirculaţie care spală frontul de solidificare, viteza maximă a acestora înregistrându-se în zona diametrului critic al jetului unde

secţiunea de circulaţie ale curenţilor este minimă. Datorită curenţilor de recirculaţie se măreşte aportul de căldură la contactul cu frontul de solidificare. (Fig. 14)

Înălţimea zonei de recirculaţie, hc:

, [m] (21)

Viteza curenţilor de recirculaţie, Wc:

, [m/min] (22)

unde:

Din aceste relaţii rezultă că în condiţii egale de turnare, acţiunea jetului asupra crustei este proporţională cu hc care depinde de W0. Creşterea lui W0

duce la creşterea lui Wc şi a lui hc. Deci va creşte şi porţiunea pe care este subţire.

Faptul că zona de maximă turbulenţă este mobilă urcând odată cu creşterea nivelului oţelului din lingotieră constituie un avantaj pentru turnarea directă.

Probabilitatea mai mare de apariţie a crăpăturilor o întâlnim la oţelurile turnate cu temperatură de turnare mare, cu viteza de turnare mare, la turnarea prin sifon a lingourilor cu secţiune şi înălţime mare şi rotunde sau cu muchii drepte.

Din punct de vedere al compoziţiei chimice o sensibilitate mare la crăpare o au oţelurile nealiate, calmate, cu [C]>0,35%, cu interval mare de solidificare, aliate cu [C] = 0,4 – 0,6%, cu tendinţă mare de transcristalizare (aliate cu Cr, Ni, Si), cu concentraţie mare (Mn, 12 – 14%).

Pentru a combate crăpăturile verticale şi orizontale trebuie avute în vedere următoarele:

- creşterea grosimii pentru zona I şi scădere pentru zona II;- scăderea temperaturii de turnare şi a vitezei de umplere;- scăderea conţinutului de S, P, H2, N2;- scăderea procentului de incluziuni nemetalice, deci scăderea conţinutului de [O], [N], dezoxidarea cu Al, Ti, Zr, V, B pentru a obţine incluziuni de dimensiuni mici şi puţine;

- folosirea de lingotiere cu pereţi groşi, scunde, cu pereţi ondulaţi, laturi conexe, corect prelucrate şi unse.

Stropii şi scoarţa. La turnarea directă apariţia lor este favorizată de un jet înclinat,

împrăştiat, cu energie cinetică mare, de viteza mare de oxidare a oţelului.Înfăşurările (suduri reci) Se formează de regulă la turnarea în sifon şi sunt favorizate de

temperatura joasă a oţelului lichid, viteza de turnare prea mică, de pregătirea necorespunzătoare a lingotierei (necurăţate, fără lubrifianţi). Pe suprafaţa oţelului se formează o crustă solidificată, bogată în oxizi proveniţi din incluziunile nemetalice decantate, dar mai ales din oxidarea oţelului de la suprafaţă, care aderă la pereţii lingotierei. Pe măsură ce oţelul urcă în lingotieră şi presează asupra crustei, aceasta se rupe şi este înglobată în oţelul lichid, rămânând prinsă în lingou. Crustele fiind oxidate, nu se sudează

în timpul deformării plastice, conducând la crăparea sau chiar ruperea lingoului în timpul laminării.

Înfăşurările crustei au loc frecvent la oţelurile vâscoase (aliate cu Mn, Si, Cr, Al, Ti). Când viteza de turnare este suficient de mare, crusta va fi presată de pereţii lingotierei. Dacă crusta formată rezistă presiunii oţelului lichid fără a se rupe, pe suprafaţa lingoului apar „ondulaţii”.

Dacă viteza de turnare este prea mică, crusta formată este ca o carcasă rigidă, care nu rezistă presiunii oţelului, va fi străpunsă, oţelul lichid o “îmbracă” formând defectul numit “înfăşurare”. Dacă temperatura de turnare este prea joasă, sau intensitatea răcirii oglinzii oţelului prea mare, stratul exterior al meniscului se va durifica rapid, îi scade plasticitatea, crusta se rupe şi oţelul lichid pătrunde între crustă şi peretele lingotierei.

Măsurile tehnologice care pot fi adoptate pentru evitarea formării de înfăşurări sunt:- turnarea la temperaturi înalte şi viteze suficient de mari, până la limita evitării apariţiei altor defecte cum ar fi crăpăturile;

- ungerea cu lubrifianţi a pereţilor lingotierei;- folosirea unor fondanţi şi prafuri termoizolante care să formeze o zgură lichidă pe oglinda oţelului;

- utilizarea unor rame de lucru care să urce odată cu oţelul în lingotieră şi care să nu permită crustei să se apropie de pereţii lingotierei la mai puţin de 30 mm;

- adăugarea de aluminiu pe fundul lingotierei sau imediat după deschiderea orificiului oalei la turnarea directă.

Bavurile se formează de obicei la rostul dintre maselotieră şi lingotiere sau lingotiere şi plăcile de fund, fiind favorizate de:

- pregătirea acestora necorespunzătoare (prelucrare neplană);- oţel foarte cald şi cu fluiditate foarte mare.4. 2. Defecte interneDefectele interne ale lingourilor de oţel se clasifică la rândul lor în defecte

inerente (retasuri, pentru oţelurile calmate şi semicalmate, sufluri pentru oţelurile necalmate şi semicalmate, segregaţii, incluziuni, nemetalice) şi defecte accidentale ( fulgi, porozităţi, linii de umbră).

Retasurile sunt goluri de contracţie a oţelului în stare lichidă în lingotieră. Apariţia lor este determinată de diferenţa de volum dintre volumul aliajului lichid la turnare şi volumul solidului la temperatura de solidificare.

Contracţia în stare lichidă are loc în timp ce temperatura oţelului scade de la temperatura de turnare Tt, la temperatura lichidus Tl.

Valoarea contracţiei volumetrice în stare lichidă se poate calcula cu relaţia:

(23)Deoarece temperatura lichidus rămâne aproape constantă pentru o

marcă de oţel, mărimea contracţiei volumetrice în stare lichidă depinde de coeficientul de contracţie şi de temperatura de turnare T . Coeficientul de contracţie depinde de proporţia de gaze degajate, de compoziţia chimică a oţelului şi de mişcările oţelului lichid în lingotieră în timpul răcirii. Variaţia coeficientului de contracţie volumetrică în stare lichidă , depinde foarte mult de conţinutul de carbon, creşte cu creşterea conţinutului de Si, Mn şi P şi scade cu creşterea conţinutului de Cr şi Al.

Contracţia volumetrică în intervalul de solidificare este determinată de schimbarea stării de agregare, când atomii se aranjează în reţea, de creşterea bruscă a conţinutului de gaze, de reacţii şi de difuzie.

Contracţia volumetrică în intervalul de solidificare este dată de relaţia: (24)

Valoarea contracţiei volumetrice creşte cu creşterea intervalului de solidificare, cu creşterea conţinutului de carbon, este influenţată şi de elementele care lărgesc intervalul de solidificare. (Fig. 15)

Fig. 15. Variaţia contracţiei cu conţinutul de carbon

Pentru diminuarea contracţiei trebuie avute în vedere următoarele:- folosirea vidului sau barbotarea cu gaze inerte a oţelului în oala de

turnare pentru micşorarea conţinutului de gaze;- conducerea corectă a afinării şi a dezoxidării;Cele două tipuri de contracţie determină formarea retasurii la capătul

lingoului şi mărimea şutajului de cap, care poate ajunge la 10 ... 15%. (Fig. 16)

Mecanismul formării retasurii. Modul de formare a retasurii într-un lingou fără maselotieră diferă de la lingotieră invers conică la cea conică (Fig. 16)

În cursul răcirii oţelului în lingotieră, concomitent cu formarea unui strat solid dx în timpul are loc, datorită contracţiei şi o coborâre a nivelului suprafeţei libere a oţelului cu o valoare dy, înălţimea coloanei de oţel devenind y. Acest proces continuă pe măsură ce solidificarea avansează spre centrul lingoului şi de la picior spre cap. La sfârşitul solidificării rezultă un gol de contracţie R – denumit retasura principală pe înălţimea h, iar în cazurile

Fig. 16. Mecanismul formării retasurii

lingourilor direct conice cu conicitate mare, apare şi un gol de contracţie secundar r – denumit retasură secundară.

Apariţia retasurii nu poate fi evitată, dar pot fi influenţate volumul, întinderea şi poziţia acesteia în lingoul de oţel. Retasura poate lua în lingou forme şi poziţii variate (Fig. 17).

Volumul retasurii şi adâncimea ei variază cu dimensiunile lingoului, cu forma şi configuraţia lingotierelor, cu calitatea oţelului şi metoda de turnare adoptată. Astfel, în lingourile cu raportul H/Dm mic, retasura este largă şi puţin adâncită, în timp ce la lingotierele înalte şi cu secţiune mică, retasura este îngustă şi adâncă. Lingotierele cu pereţi groşi şi calde se răcesc încet după formarea zonei I de solidificare şi deplasează retasura spre capul lingoului, în timp ce lingotierele cu pereţi subţiri şi reci favorizează formarea retasurii filiforme, îngustă şi adâncă.

Creşterea temperaturii de turnare şi a vitezei de umplere măresc volumul şi adâncimea retasurii aşa cum arată curba 2 din fig. 3 faţă de curba 1 corespunzătoare unor valori mici pentru Tt şi vt.

Măsurile pentru restrângerea retasurii şi amplasarea ei favorabilă în capul lingoului, diferă după cum oţelul este calmat sau necalmat. Astfel, la oţelul calmat se folosesc lingotiere invers conice, cu maselotiere bine izolate termic, uscate şi calde. Se recomandă turnare directă, deoarece ultimele porţiuni de oţel lichid turnat au posibilitatea completării golului de contracţie deja format.

În cazul turnării în sifon, când condiţiile sunt mai puţin favorabile şi oţelul cald pătrunde la piciorul lingoului, pe lângă măsurile menţionate mai înainte este necesară pomparea (întreruperea şi reluarea turnării) pentru a micşora pericolul formării retasurii secundare.

În lingoul de oţel necalmat, retasura poate lipsi în totalitate (fierbere slabă) sau se poate forma şi pătrunde până la 10% din înălţimea lingoului dacă fierberea este prea puternică de la început şi cea mai mare parte din bulele de gaz ies din oţel.

Dacă însă acoperirea cu substanţe chimice se face foarte târziu, se adaugă Al după 10 ... 15 min după terminarea turnării, când fierberea încetează brusc, retasura fiind formată din goluri izolate care pătrund până la 50% din înălţimea lingoului.

Porozităţile apar între grupe de dendrite sau la limita cristalelor primare, unde rămân porţiuni de oţel lichid care se contractă producând goluri mici, înguste, pline cu gaze în care nu mai poate intra oţelul lichid. În consecinţă, porozităţile sunt microretasuri care apar mai frecvent în centrul lingoului şi mai ales în apropierea retasurii.

Porozitatea din centrul lingoului este mai pronunţată dacă raportul H/Dm

este mare, dacă temperatura de turnare este înaltă, dacă oţelul conţine

Fig. 17. Formarea golurilor de contracţie la solidificare

elemente care măresc domeniul de solidificare şi dacă se îndepărtează prea repede maselotiera (atunci centrul lingoului se solidifică brusc, nu succesiv).

În procesul de deformare plastică la cald, golurile din centrul lingoului se sudează total sau în mare parte la oţelul necalmat. Cele care nu se sudează reprezintă un defect care înrăutăţeşte proprietăţile oţelului.

Suflurile sunt goluri datorate degajării gazelor în timpul solidificării, fiind inerente la lingoul de oţel necalmat şi reprezintă discontinuităţi în masa lingoului. Poziţia şi repartizarea lor este strâns legată de modul cum decurge degazarea ca şi de raportul care există între vitezele de solidificare şi de formare a bulelor de CO.

Primele bule de CO apar pe suprafaţa interioară a crustei care se formează la începutul procesului de solidificare, aici existând condiţiile optime pentru germinare şi anume, suprafaţă neregulată şi subrăcire locală. Aceasta se ridică spre capul lingoului contribuind la uniformizarea temperaturii în lingou şi la îndepărtarea excesului de H2 şi N2 peste cel care poate fi reţinut în soluţie în echilibru la temperatura respectivă.

Dacă degajarea bulelor este intensă şi oţelul se mişcă pe verticală cu viteză mare, bulele vor fi antrenate de-a lungul stratului solidificat şi eliminate.

Dacă degajarea de bule este mai slabă, dar bulele cresc ceva mai repede decât grosimea stratului solidificat, periodic acestea se pot sparge şi în mersul lor ascendent, atâta timp cât oţelul este fluid vor antrena şi o parte a gazului din golul înconjurat de oţel solidificat.

Când viteza de avansare a frontului de solidificare este mai mare decât viteza de formare şi creştere a bulelor, acestea vor rămâne prinse sub formă de sufluri în oţelul lichid.

Secţionând un lingou de oţel necalmat, în structura acestuia se disting următoarele zone caracteristice:

a) crusta marginală care cuprinde:zona cu grosimea de 1 – 2 mm conţinând sufluri şi fisuri

superficiale datorate defectelor locale ale pereţilor lingotierei;zona fără sufluri, densă, a cărei grosime variază în funcţie de

condiţiile de solidificare şi de degajare a gazelor, la o fabricaţie normală această grosime fiind de ordinul a 15 mm;

b) zona suflurilor marginale, alungite sau coroana exterioară de sufluri, cu o grosime de 30 – 70 mm, formate în urma înrăutăţirii condiţiilor de degajare ca urmare a creşterii vâscozităţii oţelului şi presiunii ferostatice, bulele de CO a căror formare slăbeşte rămânând prinse de proeminenţele de la frontul de solidificare şi crescând odată cu avansarea acestuia;

c) zona suflurilor secundare, de formă globulară sau coroana interioară de sufluri care marchează limita dintre zona de fierbere şi miezul lingoului fiind amplasate de regula în apropierea centrului lingoului spre partea superioară.

d) zona centrală care conţine sufluri rotunde, mari şi mici, răspândite neregulat, mai puţin în partea de mijloc şi mai mult de capătul lingoului, sufluri care se produc din momentul punerii sau formării capacului;Pentru a nu se transforma în defecte care să conducă la rebutarea

produsului deformat plastic, coroana exterioară de sufluri trebuie să se formeze sub o crustă marginală compactă cu o grosime de cel puţin 25 mm. Dacă crusta marginală este prea subţire, există pericolul ca în timpul deformării plastice acesta să crape, marginile suflurilor se oxidează în

contact cu aerul şi ele nu se mai sudează şi produsele prezintă la suprafaţă exfolieri, rupturi sau crăpături. Sunt periculoase şi suflurile din centrul lingoului, care pot rămâne nesudate mai ales dacă coroiajul este mai mic sau laminorul, presa sau ciocanul de forjă sunt prea slabe.

Poziţia suflurilor în lingou şi comportarea lor la laminare şi forjare influenţează proporţia de produse bune şi comportarea pieselor fabricate din acestea. Dacă suflurile marginale se găsesc la o adâncime mică faţă de suprafaţă, crusta care le acoperă se poate rupe la prelucrarea prin deformare a lingoului, pereţii suflurilor se oxidează şi deci nu se mai sudează iar piesele vor prezenta la suprafaţă defecte grave (exfolieri, ruperi, crăpături).

De asemenea, dacă laminorul, presa sau ciocanul sunt slabe sau coroiajul este mic, suflurile din interiorul lingoului pot rămâne nesudate reprezentând discontinuităţi în produs. Dacă prin aşchiere vor fi scoase la suprafaţă, ele vor acţiona ca amorse la ruperea pieselor.

Unul din obiectivele principale ce trebuie urmărite în cursul elaborării şi turnării este asigurarea unei zone lipsită de sufluri de o grosime suficientă, grosime care trebuie să fie cu atât mai mare cu cât lingoul este mai mare, valoarea minimă fiind de cca 10 mm.

Amplasarea coroanei marginale de sufluri depinde de condiţiile de elaborare, turnare şi solidificare, deci de conţinutul de carbon, de gradul de calmare (dezoxidare) a oţelului, de valorile parametrilor turnării, temperatura de turnare Tt şi viteza de umplere vu şi de raportul H/Dm al lingotierei.

Modul în care este condusă elaborarea influenţează în mare măsură procesul de fierbere a oţelului în lingotieră şi degajarea de gaze care practic este controlată în întregime de desfăşurarea reacţiei dintre şi din oţel (analizele de gaz prelevat în timpul fierberii oţelului în lingotieră au arătat că ponderea CO+CO2 în acestea este de peste 90%, conţinuturile de N2 şi H2

reprezentând < 5% şi respectiv < 2,5%).De aceea, la evacuarea din cuptor oţelul trebuie să aibă un anumit grad

de oxidare care se asigură atât prin conţinutul de carbon, cât şi prin compoziţia zgurii (conţinutul de (FeO) şi bazicitate).

Astfel, la o bazicitate a zgurii CaO/SiO2 >=2,5 se recomandă la oţelurile necalmate ca să fie:

=15 – 21% când > 0,10%

=17 – 21% când <0,10%Deoarece în condiţii normale de elaborare creşterea conţinutului de

este însoţită de scăderea conţinutului de , pentru a se asigura condiţiile de fierbere, conţinutul de în oţelul necalmat se limitează la 0,25%, însă foarte rar el depăşeşte 0,20%.

De asemenea, s-a arătat că în afară de o dezoxidare prea avansată (conţinut prea mic de şi o decarburare prea avansată conduce la formarea unei cantităţi mici de gaze (este insuficient carbonul), deci o fierbere insuficientă şi la o amplasare nefavorabilă a suflurilor marginale. De aceea, oţelurile necalmate trebuie să aibă conţinutul de >=0,04%.

Factorul principal pentru formarea şi amplasarea suflurilor rămâne gradul de calmare a oţelului exprimat de relaţia:

Valoarea lui se fixează funcţie de oţel şi de diametrul înscris al secţiunii lingoului. Gradul de calmare trebuie să crească liniar cu suprafaţa lingoului. Astfel, pentru un oţel necalmat conţinând < 0,15%, = 0 şi = 0,0015%, gradul de calmare trebuie să crescă puţin cu mărimea lingoului şi să aibă valori între liniile 1 şi 2, ceea ce constată prin varierea conţinutului de mangan în limitele admise pentru acest oţel. (figura 18, b)

Dacă prin elaborare s-a realizat un raport corect între conţinuturile de şi şi supraîncălzirea corespunde limitei inferioare, iar mediei liniilor 1 şi 2, degajarea de gaze începe intens imediat după formarea zonei I (care este groasă) şi continuă uniform un timp destul de lung până la aşezarea capacului pe capul lingoului (figura 18, a) unde presiunea ferostatică este mai mică, deci degajarea de bule este uşurată.

Volumul oţelului creşte puţin până la sfârşitul solidificării, contracţia oţelului este compensată de suflurile interioare şi capul lingoului este drept.

Dacă supraîncărcarea la turnare este mare, fierberea oţelului devine din ce în ce mai agitată, zona I şi stratul solidificat până la coroana marginală de sufluri sunt subţiri, iar închiderea capului lingoului cu capac este dificilă. În acest caz, capul lingoului este crescut şi deci şutajul la laminare este mai mare. Dacă gradul de supraîncălzire este la limita superioară, fierberea este prea puternică şi chiar dacă se adaugă aluminiu de la început, adâncimea la care se află suflurile este atât de mică (7 ... 15mm) încât la deformarea plastică suflurile se deschid, dând naştere la fisuri longitudinale. Dacă supraîncălzirea depăşeşte limita superioară, oţelul începe să fiarbă puternic încă din timpul turnării, când oţelul a atins 35 ... 50% din înălţimea lingotierei. În acest caz, capul lingoului nu mai poate fi închis cu capac de fontă, zona IV se întinde până aproape de capul lingoului, zona V este restrânsă, zona II-f este întinsă, zona I este foarte subţire, încât se produc crăpături longitudinale la cald foarte uşor şi lingourile sunt considerate rebut.

Dacă valoarea gradului de calmare, , se apropie de linia 2 (figura 18, b), datorită unui adaos prea mare de aluminiu, sau când feromanganul pentru

Fig. 18. Amplasarea suflurilor în lingoul de oţel necalmat

predezoxidare se adaugă în vasul de turnare şi conţine peste 1% Si, fierberea începe târziu şi cu o slabă degajare de bule, uniformizarea temperaturii este insuficientă şi oţelul este vâscos mai ales dacă şi conţinutul de mangan este mare. În acest caz, coroana marginală de sufluri este aproape de suprafaţă şi se întinde până la capătul lingoului (figura 18, c). Degajarea de gaze urcă greu în oţel, al căror volum creşte şi deci şi capul lingoului este bombat, iar zona de la coroana interioară de sufluri până în centrul lingoului este plină de sufluri. Acelaşi lucru se întâmplă şi când este insuficient oxigen în comparaţie cu conţinutul de , conţinut care trebuie reglat prin adaos de intensificatori de fierbere, adică materiale cu purtători de oxigen.

Pentru valori ale gradului de calmare, , în lungul liniei 1 şi puţin deasupra acesteia, fierberea este intensă de la început şi se menţine intensă timp îndelungat. În acest caz, coroana marginală practic lipseşte, ea aflându-se doar la piciorul lingoului, coroana interioară de sufluri este amplasată adânc sub suprafaţa lingoului, iar în centru se găsesc puţine sufluri rotunde spre capătul lingoului, formate după acoperirea cu capac (figura 18, d).

Dacă nu se acoperă cu capac, capul lingoului creşte ca o conopidă şi centrul este plin de sufluri (figura 18, d1 – acoperit, d2 – neacoperit).

Pentru valori ale gradului de calmare, , sub linia 1, conţinutul de oxigen, , este foarte mare în raport cu cel de carbon, , supraoxidarea este

puternică, încât raportul / se apropie de cel stoechiometric din CO. În acest caz se formează bule de CO în tot volumul lichid, fierberea începe vehement, temperatura este aproximativ egală continuu, volumul oţelului creşte mult, solidificarea nu mai are loc progresiv şi capul lingoului nu poate fi închis cu capac. Oţelul fierbe până când atinge temperatura de solidificare, când acesta are loc brusc, formându-se sufluri rotunde în toată masa lingoului, care este ca un fagure, cu o crustă marginală foarte subţire (figura 18, e). Înaintea terminării solidificării, din partea superioară a lingoului scapă brusc bule de gaze, oţelul lichid coboară puternic şi se solidifică, lingoul având capul în formă de carâmb. Astfel de lingouri sunt rebutate.

Pentru oţeluri cu acelaşi grad de calmare şi conţinut scăzut de , adâncimea la care se formează coroana marginală de sufluri creşte cu scăderea vitezei de umplere (figura 19).

Bulele de gaz care formează suflurile conţin circa 80% CO şi 20% CO2 şi H2.

În cazul oţelurilor semicalmat, dacă gradul de calmare, , corespunde liniei 2 (figura 18, b) lingoul prezintă o coroană marginală de sufluri aproape de suprafaţă (figura 18, a) şi capul lingoului este bombat.

Fig. 19. Variaţia grosimii crustei marginale funcţie de viteza de

umplere

Dacă gradul de calmare este puţin peste linia 2, în locul suflurilor marginale apar numai mici pori, la adâncime destul de mare, încât produsele laminate au suprafaţă netedă.

Când gradul de calmare se apropie de linia 3 (oţel prea dezoxidat), se formează sufluri numai pe capul lingoului în jurul retasurii care este incomplet formată (figura 18, b) dacă dezoxidarea se face cu Si şi Al sau este bine formată (figura 18, c) dacă se dezoxidează numai cu Al. În ambele cazuri capul lingoului este drept.

Pentru oţelurile semicalmate se recomandă un grad de calmare cu valori medii între liniile 2 şi 3 (figura 20), o răcire rapidă (lingouri mici) sau solidificare sub presiune (lingotiere cu cap butelie).

Influenţa conţinutului de mangan. Influenţează negativ intensitatea de fierbere a oţelului nu numai prin faptul că elimină o cotă de oxigen de la reacţia cu carbonul ci şi prin faptul că prin oxidarea sa se formează pe capul lingoului o zgură vâscoasă, cu temperatură înaltă de topire (40 – 70% MnO) care frânează eliberarea bulelor de gaz şi trebuie să fie fluidificată sau îndepărtată în timpul fierberii (situaţia este cu atât mai dezavantajoasă la turnarea pe jos, în zgură fiind antrenate şi cantităţi de SiO2 din refractare).

De aceea şi conţinutul de în oţelul necalmat se limitează la 0,50%, de regulă nedepăşind 0,40%.

Influenţa conţinuturilor de şi asupra amplasării coroanei marginale de sufluri – exprimată prin grosimea crustei fără sufluri este arătată în figurile 20.

Fig. 20. Amplasarea suflurilor în lingoul de oţel semicalmat

Influenţa conţinutului de sulf. Influenţează negativ intensitatea fierberii prin aceea că măreşte vâscozitatea oţelului. Totodată fiind un element superficial activ se concentrează la zonele unde ar trebui să aibă loc reacţia de decarburare. Influenţa sulfului este mai importantă pentru segregare.

Influenţa temperaturii de turnare ca factor separat este greu de scos în evidenţă experimental deoarece antrenează o serie de factori contradictorii, influenţa fiecăruia dintre aceştia putând fi preponderentă într-un caz particular. De exemplu creşterea temperaturii de turnare măreşte solubilitatea oxigenului şi gazelor în oţel, dar în acelaşi timp scade numărul germenilor de cristalizare ceea ce determină întârzierea solidificării şi reducerea posibilităţilor de generare a bulelor de gaz.

Influenţa vitezei de umplere a lingotierei. Creşterea ei determină crşterea rapidă a presiunii ferostatice exercitată de coloana de oţel lichid şi deci atingerea

mai devreme a valorii presiunii critice la care nu se mai poate forma

nici o bulă de gaz.Înlocuind în relaţia lui Field care dă grosimea stratului de oţel solidificat în

funcţie de timp: valoarea timpului scoasă din expresia care dă creşterea presiunii statice a oţelului în lingotieră în funcţie de vu:

în care , adică .

Se poate pune în evidenţă dependenţa care există între grosimea stratului fără

sufluri şi viteza de urcare a oţelului în lingotieră: (mm)

Din mai multe cercetări s-a dedus o corelaţie între grosimea stratului fără

sufluri şi viteza de umplere, dat de expresia: (mm)

În funcţie de aceasta se recomandă practicarea la turnarea indirectă o viteză de umplere de 200 – 300 mm/min, iar la turnarea directă pe sus o viteză de 500 – 600 mm/min. Atunci când se toarnă cu viteze mari se impune folosirea intensificatorilor de fierbere.

Fig. 21. Influenţa şi asupra amplasării coroanei marginale de sufluri

Lingou – 2,5 t; Viteza de umplere = 0,15 – 0,30m/minOţel cu 0,06 – 0,08%. Lingotieră butelie(a) cu adaos de Al

Oţel cu 0,30 – 0,40 %Mn (b) fără adaos de Al;

Temperatura de turnare şi viteza de umplere influenţează atât reacţia carbonului cu oxigenul cât şi viteza de solidificare care va influenţa şi amplasarea zonei sulfurilor marginale care se va gasi cu atât mai adânc în corpul lingoului, cu cât temperatura de turnare şi viteza de umplere au valori mai scăzute.

Influenţa formatului lingoului. Formatul lingoului influenţează considerabil intensitatea fierberii şi macrosegregaţia elementelor însoţitoare, problema alegerii unui format optim fiind foarte important în condiţiile actuale de creştere a greutăţii lingoului.

Cu creşterea greutăţii lingoului se dizolvă macrosegregaţia elementelor însoţitoare şi pentru a reduce amploarea acesteia se impune reducerea dimensiunii secţiunii transversale. Dar creşterea înălţimii corespunzătoare reducerii secţiunii transversale determină o înrăutăţire a condiţiilor de fierbere, zona de sufluri se extinde pe înălţime şi lingourile folosite în prezent sunt limitate la 2000 – 2200mm.

Utilizarea lingotierelor cu cap în formă de butelie pentru turnarea oţelului necalmat cu 0,10 – 0,15%C se impune mai ales pentru efectul pozitiv asupra macrosegregaţiei suflurilor marginale ca urmare a unei intensităţi de fierbere mai scăzută provocată de o pătrundere mai slabă a oxigenului o din atmosferă în lingotieră.

Segregaţiile. Prin segregaţie se înţelege neuniformitatea compoziţiei chimice a oţelului solidificat datorită scăderii solubilităţii elementelor însoţitoare (S, P, O, C), depunerii selective de cristale şi vitezei mici de difuzie a elementelor în cristalele depuse. Acest fenomen se numeşte microsegregare.

Microsegregarea este cu atât mai accentuată cu cât domeniul de solidificare este mai mare şi cu cât viteza de răcire la solidificare este mai mică. Ea diferă de la un element la altul fiind mai puternică pentru S şi P şi slabă pentru C.

Solubilitatea diferită a elementelor în fază lichidă şi solidă conduce la concentrarea acelor elemente în faza lichidă, în faţa frontului de solidificare, unde se pot forma faze nemiscibile (eutectice Fe-Mn-S, Fe-C-S, Fe-P-S, Fe-Mn-P-S) determinând fenomenul de macrosegregare.

Accentuarea macrosegregării cu scăderea temperaturii precum şi modul cum avansează frontul de solidificare face ca în lingou să existe o segregare zonală, adică o macrosegregare diferită în zonele caracteristice.

Astfel în lingou apar zone în care conţinutul de elemente însoţitoare este mai mare decât concentraţia elementelor respective este mai mică decât conţinutul mediu.

Pentru aprecierea cantitativă a variaţiei compoziţiei chimice în lingou se compară conţinutul de element X în punctul analizat cu conţinutul de element XL

din oţelul lichid.

Gradul de segregare se defineşte prin raportul: (25)

Pentru definirea neomogenităţii generale a lingoului se folosesc valorile maxime Xmax şi minime Xmin ale concentraţiei elementelor respective.

Gradul maxim de segregare pozitivă: (26)

Gradul maxim de segregare negativă: (27)

Gradul de segregare totală: (28)

Deoarece variaţia compoziţiei chimice pentru elementele care segregă au acelaşi sens indiferent de element, se poate examina neomogenitatea chimică generală a lingoului fără a face specificaţie la un element sau altul.

Segregaţii în lingoul de oţel necalmat. Segregaţia zonală pronunţată a elementelor însoţitoare în lingoul de oţel necalmat este determinată de circulaţia oţelului în lingotieră, deci de intensitatea fierberii.

Fierberea intensă a oţelului în lingotieră imediat după formarea crustei marginale şi depunerea de cristale în zona IV face ca pe secţiunea lingoului să apară o zonă centrală puternic impurificată şi o zonă marginală cu segregaţii reduse, întinderea acestor zone fiind funcţie de intensitatea fierberii şi de durata ei.

Segregarea zonei centrale nu este uniformă nici pe secţiune şi nici pe înălţimea lingoului.

Diferenţa de segregaţie între zona marginală si cea centrală este mai puţin marcată la piciorul lingoului datorită fierberii mai puţin intense a oţelului, iar modul de formare a zonei IV face ca aici să existe o macrosegregaţie negativă.

Spre capul lingoului se obţin două zone puternic segregate, una imediat sub capac şi alta sub golul central (format de oţelul antrenat de gaze) înainte şi după formarea capacului. Aceste segregaţii pozitive au formă de .

Spre sfârşitul solidificării în centrul lingoului se formează mici segregaţii filiforme în formă de (segregare totală pozitivă).

Factorii care influenţează segregaţiile în lingoul de oţel necalmat:a) natura elementelor – se disting trei grupe:

1. S, P au putere minimă de segregare, se concentrează în centrul lingoului;2. C şi O au putere mare de segregare, dar reacţionează chimic, deci

segregarea lor este împiedicată de fierberea oţelului cu bule;3. elemente cu putere mică de segregare - Mn – aproape nu segregă;

b) condiţiile de turnare şi fierbere;1. Intensitatea fierberii până la o anumită limită duce la creşterea

segregării chimice peste care are loc o omogenizare înaintată a compuşilor chimici în toată masa lichidă şi nu mai influenţează segregarea elementelor care nu reacţionează chimic (S, P). În cazul C, creşterea intensităţii fierberii duce la oxidarea lui avansată şi deci scăderea gradului de segregare.

2. Durata fierberii. Prelungirea duratei duce la creşterea segregării deoarece avansarea simultană a frontului de solidificare micşorează cantitatea de oţel lichid în care creşte segregaţia. Dacă se interzice formarea capacului segregarea S se poate dubla.

3. Temperatura şi viteza de turnare. Creşterea temperaturii şi a vitezei de turnare duce la creşterea segregaţiei. Macrosegregaţia este pronunţată, iar macrosegregaţia nu apare (zona IV ajunge aproape până la retasură). La temperatură şi viteză de turnare medie zona IV este scundă, scade zona segregaţiilor negative, segregaţiile şi vor fi reduse.

c) influenţa mărimii lingoului;La lingourile mari segregaţia este pronunţată deoarece fierberea durează mai mult, iar solidificarea

este lentă.

Segregaţii în lingoul de oţel calmat. În lingoul de oţel calmat lipseşte fierberea, nu există curenţi ascendenţi. Curenţii descendenţi determinaţi de căderea oţelului rece şi urcarea celui mai cald împreună cu avansarea frontului de solidificare determină macrosegregaţia care durează până la formarea zonei II şi IV. După aceea coborârea oţelului din zona V determină formarea macrosegregaţia .

Variaţia de concentraţie a elementelor diferă pe secţiunea şi înălţimea lingoului şi sunt mai mici decât la oţelul necalmat, S - puternic, iar P lipseşte la lingourile mici.

Întinderea şi prezentarea zonei segregate. Întinderea este influenţată de : întinderea zonei II care creşte cu creşterea secţiunii lingoului; dezoxidanţii folosiţi care fac ca întinderea să fie puternică la dezoxidarea

cu Si, slabă în cazul SiCa, FeTi şi puternic pozitivă la cap , respectiv negativă la picior cu Al.

Dezavantaje: favorizează ruperea pieselor la deformare, şoc şi oboseală. ConcluziiPentru a reduce segregaţia trebuie luate o serie de măsuri:turnarea cu temperatură şi viteză de umplere mici (răcire rapidă);dezoxidare corespunzătoare cu feroaliaje calcinate;reducerea conţinutului de elemente cu putere mare de segregare (S, P);reglarea intensităţii de fierbere la oţelurile necalmate şi semicalmate;răcire înceată a lingoului după solidificare şi aplicarea tratamentului de recoacere de omogenizare timp îndelungat între 1350 – 13750C.

Incluziunile nemetalice. Incluziunile nemetalice sunt particule de oxizi, silicaţi, sulfuri, carburi, nitruri, rezultate din procesele fizico-chimice care au loc la elaborare, turnare şi solidificare, numite incluziuni endogene şi particule din materiale refractare provenite din zidăria refractară a agregatului de elaborare, jgheabului de evacuare, oalei de turnare, podului de turnare şi particule de zgură care rămân înglobate în masa de oţel solidificat, numite incluziuni exogene.

Oricare ar fi natura şi originea lor, incluziunile nemetalice dăunează calităţii oţelului, înrăutăţesc mai ales plasticitatea, tenacitatea, rezistenţa la oboseală, sudabilitatea, proprietăţile electrice şi magnetice ale oţelurilor.

Îndepărtarea lor prin decantare are loc după legea lui Stokes:

(29)

(30)

Influenţa condiţiilor de dezoxidare:1.pentru oţelul necalmat.

Predezoxidarea are loc fie în cuptor, jgheab sau în oala de turnare cu FeMn sau cu FeMn şi fontă oglindă. Se asigură un timp lung pentru decantarea incluziunilor. Dezoxidarea se face cu Mn în cuptor sau în oală. În oală se adaugă şi puţin Al pentru reglarea [O], deci are loc o fierbere în lingotieră. Produsele de dezoxidare sunt: FeO, MnO şi Mn*nFeO lichid sau solid f(%FeO), puţin SiO2 şi Al2O3. Produsele au capacitate mare de coalescenţă şi îndepărtarea acestora este favorizată de agitarea oţelului în oală.

2.pentru oţelul calmat.Predezoxidarea are loc în cuptor pentru a asigura scăderea [O], se dezoxidează

pe jgheab sau în oală. Particulele cu r<10 nu ating viteze suficient de mari pentru a le permite îndepărtarea lor, ele rămân practic în oţel. Dacă r<rcr sunt

împinse în spaţiile dintre grăunţi împreună cu cele care au scăzut, deci nu au coagulat şi formează pelicule intercristaline. Distrugerea peliculei continue de oxizi se poate realiza prin creşterea temperaturii de omogenizare, care formează incluziuni sferice (formă mai avantajoasă pentru proprietăţile oţelului).

Influenţa condiţiilor de turnareCreşterea temperaturii de turnare duce la creşterea [O], deci rezultă o durată

de turnare foarte mică pentru a scurta contactul cu atmosfera.La turnarea directă incluziunile ajung la partea superioară a lingoului şi

având în vedere şi agitaţia oţelului ele se decantează în mare parte în timpul umplerii lingotierei (sunt mai ales silicaţi lichizi).

La turnarea prin sifon reoxidarea este importantă în aer şi în canalele de turnare, lingoul obţinut este impur.

În lingotieră decantarea incluziunilor depinde de vâscozitatea oţelului, de timpul de incluziuni rezultate, de timpul până la solidificare, de distanţele pe care trebuie să le parcurgă şi de agitaţia oţelului.

Incluziuni nemetalice în oţelul necalmat.Scăderea temperaturii duce la segregarea elementelor în centru lingoului (C,

Mn, S, O). Mn se concentrează la limita dintre incluziune şi oţel. Puterea lui de dezoxidare creşte cu scăderea temperaturii, deci cu creşterea [%Mn] are loc autodezoxidarea oţelului cu Mn, rezultând MnO care fie formează soluţie cu FeO, fie se depune pe silicaţi. De asemenea reacţionează cu [FeS] şi rezultă (MnS) deoarece solubilitatea [FeS] scade cu creşterea temperaturii.

Schimbările pe care le suferă suspensiile nemetalice în lingotieră depind în mare măsură de agitaţia oţelului, care ajută creşterea particulelor nemetalice prin coalescenţă şi deci decantarea lor. Lingourile care fierb prea puternic sau prea slab au conţinut mare de incluziuni nemetalice.

Incluziunile nemetalice din oţelul necalmat:produşi oxidici endogeni (Fe, Mn)O şi silicaţii de Mn şi Al rezultaţi fie din dezoxidare primară, fie din autodezoxidare;

sufluri şi oxisufluri;produse exogene – (refractare, zguri, spuma lingoului); incluziuni oxidice –0,052 – 0,66% la oţelurile elaborate în cuptoarele Siemens Martin, 0,042 – 0,062% în convertizor; Particulele mari oxidice provenite din spuma lingoului care conţine mult %FeO şi mai puţin MnO sunt prinse la frontul de solidificare cu cele exogene, în diferite părţi ale lingoului, la întâmplare. Procentul de Al2O3 (ca silicat) este mai mare şi mai uniform în zona marginală şi zero spre centrul acestuia.

incluziuni sulfidice – variază funcţie de [%S] si [%Mn], de mărimea lingoului şi de condiţiile de solidificare; În zona sulfurilor marginale se găsesc sulfuri (Mn,Fe)S, iar în partea centrală oxisufluri (Mn,Fe)S, (Mn,Fe)O.

Forma de prezentare, conţinutul şi faze incluziunilorIncluziuni oxidice sunt particule mici globulare, dacă fierberea este normală

sunt în cantitate mică în afara zonei de fierbere. Cresc în zona intermediară (între coroanele de sufluri) şi rămân aproximativ constant în zona centrală. Dacă fierberea este slabă sunt multe chiar de la coroana esterioară de sufluri.

Incluziuni de silicaţi – cresc în zona exterioară şi în partea centrală de la picior.

Concluzii:Datorită agitaţiei oţelului şi greutăţii specifice mici, suspensiile sunt deplasate

spre centrul jumătăţii superioare a lingoului. Cele rămase de la dezoxidarea

primară rămân prinse între dendrite la piciorul lingoului. Lingoul este deci mai impurificat la picior şi la cap (cca 20% din înălţime), la margine fiind mai curat.

Incluziuni nemetalice în oţelul calmat.Se disting două zone şi anume: zona I - produşii oxidici rămân prinşi; zona II - îndepărtarea este mai uşoară, dendritele columnare imping

suspensiile spre centrul şi capul lingoului, iar o parte mai rămân prinse între ramificaţiile dendritelor;

Cantitatea şi compoziţia lor depind de temperatura de turnare, viteza de umplere, viteza de solidificare, timp.

Incluziunile oxidice sunt produşi primari, o parte se găsesc în centrul cristalelor liniare pentru care au servit drept centrii de cristalizare, a altă parte se decantează în maselotieră sau rămân în centrul lingoului. Produşii de autodezoxidare rămân în cea mai mare parte în lingou, mai ales cei uşor fuzibili care precipită la sfârşitul solidificării. Dendritele care cad la piciorul lingoului antrenează cu ele o parte din incluziunile exidice. Mărimea atinsă prin coalescenţă de particule depinde de viteza de solidificare, dacă creşte r este mic, iar dacă scade r este mare.

Incluziunile sulfidice o parte rămân prinse între dendritele columnare, iar altă parte sunt impinse spre centrul lingoului. [MnS] şi oxosulfurile formează pelicule pe particulele mari de silicaţi greu fuzibili sau precipită eterogen pe particule mici de oxizi. Sulfurile se găsesc în cea mai mare parte în centrul lingoului.

Procedee de micşorare a conţinutului de incluziuni nemetalice: dezoxidarea cu zguri sintetice, barbotarea cu argon, protejarea jetului şi a oglinzii oţelului în oală şi lingotieră, rafinarea cu pulberi reactive, tratarea în vid, decarburarea în vid, agitarea electromagnetică.

3. 3. Particularitatile procesului de solidificare a otelului la turnarea continuă.

În contact cu pereţii reci ai cristalizatorului are loc o răcire puternică a oţelului pe o înălţime de 140 ... 200 mm sub nivelul oţelului lichid, când are loc creşterea rapidă a crustei marginale cu cristale fine, uniforme şi echiaxe, care formează zona I de solidificare. După această distanţă crusta se desprinde de pereţii cristalizatorului şi până la ieşirea din acesta are loc o răcire încetinită, datorită spaţiului izolator de aer. Se formează zona a II-a de solidificare sau zona intermediară cu cristale columnare.

Această zonă este mult mai puţin întinsă, comparativ cu cea de la turnarea clasică, deoarece viteza de solidificare este mult mai mare şi cristalele nu au timp să creasă pe axele preferenţiale de transmitere a căldurii.

Urmează răcirea în răcitorul secundar, prin stropire cu apă şi prin contact direct cu rolele masive de ghidare, când are loc solidificarea centrului lingoului. Această zonă este formată din cristale echiaxiale şi neorientate de dimensiune medie. Ea reprezintă zona a V-a de solidificare. Comparativ cu turnarea clasică, zona a V-a de solidificare conţine mult mai puţine impurităţi deoarece o bună parte din ele se decanteză în cristalizor.

După ieşirea din răcitorul secundar are loc uniformizarea temperaturii pe toată secţiunea semifabricatului.

Temperatura exterioară a semifabrictului trebuie să fie de circa 12000C la ieşirea din cristalizor şi de 900-11000C după răcitorul secundar, respectiv între rolele de îndreptare sau de tragere. Temperatura bucăţilor tăiate este de 800-8500C, când ajung în depozit.

Pentru a realiza o solidificare corespunzătoare compoziţiei chimice a oţelului trebuie avuţi în vedere o serie de factori, cum ar fi:

Compoziţia chimică a oţelului , determină viteza de tragere a semifabricatului, trebuie să se încadreze în limite precise. Este necesară o dezoxidare avansată cu siliciu, o limitare a conţinutului de aluminiu (<=0,007%, altfel se depune Al2O3 pe orificiul pâlniei, obturându-l), de elemente care măresc tendinţa de a forma fisuri (P<0,02%, S<0.02%, As<0,03, Cu<0,3% sau P+S+As<0,065).

Grosimea crustei marginale x, se calculează cu relaţia:

(31)

unde: Q’e – cantitatea de căldură efectiv eliminată; k’ – coeficientul de

proporţionalitate; P – perimetrul secţiunii.Pentru o înălţime a cristalizorului de 0,6...1,5 m şi pentru o viteză de tragere de

0,5...1,2m/min grosimea crustei marginale ajunge la 40...50 mm după circa 3 min.Răcirea secundară se alege în funcţie de oţel şi de secţiunea

semifabricatului, creşterea intensităţii de răcire duce la creşterea compactităţii în centrul produsului, dar pot apărea crăpături interioare. Căldura q îndepărtată în răcitorul secundar poate fi determinată mai exact decât în cristalizor. Se poate exprima în funcţie de conductivitatea termică, de diferenţa dintre temperatura fazei lichide şi a celei solide la frontul de solidificare şi de grosimea crustei x, prin relaţia:

(32)

Lungimea răcitorului secundar L s se exprimă prin relaţia:

(33)

unde: x1 – grosimea crustei de la care este suficientă îndepărtarea căldurii prin radiaţie;

k – constanta solidificării.Distanţa L de la nivelul intrării oţelului în cristalizor şi până la locul solidificării complete (după

răcitorul secundar) este proporţională cu viteza de tragere:

(34)

unde: K – constantă de proporţionalitate, Durata unei operaţii de turnare t 1 este limitată la 60 ... 70 min,

indiferent de cantitatea de oţel P care trebuie turnată, pentru a nu se răci oţelul prea mult în oala de turnare şi în pâlnia intermediară. Pentru o cantitate mai mare de oţel este necesar un număr mai mare de fire (de cristalizatoare în care se toarnă concomitent). Numărul m de fire se determină cu relaţia:

(35)

unde: g – greutatea liniară a produsului turnat (Kg/m);Dacă se notează cu t2 durata între două turnări, numărul de turnări în 24h este

dat de relaţia:

, (36)

iar productivitatea unei instalaţii este : (37)

Instalaţiile de turnare continuă pot deservi orice tip de oţelărie, dar ele sunt recomandate oţelăriilor cu convertizoare care au durată scurtă de elaborare.

Secţiunea semifabricatelor trebuie să asigure un coroiaj de cel puţin 5 ... 6, pentru a putea obţine produse laminate sau forjate de bună calitate. De asemenea trebuie să asigure suprafeţe de răcire mari.

Prin turnarea continuă s-au obţinut brame cu dimensiuni de până la 2100*300 pentru oţel calmat, 1300*150 pentru oţeluri inoxidabile, ţigle de 50*50 în cristalizoare simple sau compuse, produse rotunde, hexagonale, octogonale, profile. Nu s-au obţinut rezultate satisfăcătoare pentru oţelurile cu sensibilitate mare la fisurare sau la oxidare secundară, cum ar fi oţelurile aliate cu titan.

În practică este necesar să se ştie cum progresează solidificarea oţelului lichid, când şi unde se solidifică complet un fir. Doar cunoscându-se progresul solidificării se pot lua decizii cu privire la viteza de turnare sau ale debitului apei de răcire (pulverizare).

Solidificarea oţelului lichid într-un cristalizator de turnare continua este funcţie de fluxul de căldură din firul care emite căldură la apa de răcire (care absoarbe căldura). Acest fenomen depinde de un număr mare de factori şi variază în funcţie de condiţiile de turnare, în special de viteza de turnare, de răcirea oţelului lichid şi de geometria firului. Balanţa de căldură în cristalizator este influenţată de reducerea supraîncălzirii, grosimea crustei firului şi gradientul de temperatură în crusta firului şi de-a lungul suprafeţei firului.

Calculul lungimii miezului lichid la un fir turnat la o viteză dată de turnare necesită informaţii cu privire la creşterea crustei firului. Transferul total de căldură Q între fir şi cristalizator depinde de rezistenţa termică a crustei solidificate RFe, de rezistenţa de tranziţie de la suprafaţa de tranziţie de la suprafaţa firului la peretele de răcire a cristalizatorului RFeCu, de rezistenţa în peretele cristalizatorului RCu şi de rezistenţa de tranziţie a suprafeţei dintre peretele de cupru şi apa de răcire RCuH2O. Presupunând temperatura uniformă în fir şi sristalizator şi luând în considerare căldura de solidificare ca singura sursă de căldură, fluxul total de căldură poate fi exprimat cu relaţia:

(38)

şi după transformare:

(39)

unde:TL- temperatura lichidului;T0 - temperatura suprafeţei firului;TH2O - temperatura medie a apei de răcire;

- temperatura peretelui de cupru la suprafaţa de separaţie perete-spaţiu;Al – ariile suprafeţelor care participă la transferul de căldură;Ri – rezistenţele termice asociate;Termenii RFe şi RCu sunt daţi de relaţiile:

(40)

(41)

unde:s – grosimea solidificată;d – grosimea peretelui de cupru;

- coeficientul conductibilităţii termice;

RFeCu este rezistenţa de contact care ia în consideraţie condiţiile din spaţiul dintre suprafaţa firului şi peretele cristalizorului. Acest spaţiu se formează deoarece firul se contractă de la peretele cristalizorului în timpul răcirii. Spaţiul format poate conţine zgură, fondant de turnare, gaze etc. Această rezistenţă de contact RFeCu este influenţată de asemenea de rugozitatea suprafeţei şi este cea mai mare dintre toate rezistenţele termice din sistem.

Îndepărtarea căldurii din cristalizor este influenţată în mod direct de viteza de turnare, aşa cum rezultă din figura 22.

Fig. 22. Îndepărtarea căldurii din cristalizorSe observă că vitezele mai mari de turnare conduc la o scădere uniformă a cantităţii de căldură

distribuite. Această scădere se explică prin faptul că firele turnate rapid sunt în contact cu peretele răcit al cristalizorului o perioadă scurtă de timp şi prin urmare o cantitate mai mică de căldură poate fi îndepărtată pe unitatea de volum sau greutate de oţel dintr-un fir care este turnat cu o viteză mai mică şi care este mai mult timp în contact cu cristalizorul.

Căldura îndepărtată din cristalizor împreună cu temperatura medie a crustei firului la capătul cristalizorului permite o estimare a grosimii medii a crustei conform relaţiei:

(42)

unde:S – grosimea crustei firului;Gw – proporţia debitului de apă al cristalizorului pe unitatea de timp;Cw – capacitatea termică specifică a apei;cs – capacitatea termică specifică oţelului;

- creşterea temperaturii apei cristalizorului;Ts – reducerea temperaturii medii în crusta firului;b – circumferinţa firului care parcipă la transferul de căldură;Vg – viteza de turnare;

- densitatea oţelului;qs – căldura de topire a oţelului.

Variaţia grosimii crustei firului în funcţie de lungimea cristalizorului este prezentată în figura 23:

Fig. 23. Variaţia grosimii crustei firului în funcţie de lungimea cristalizorului.Se observă din figură o descreştere a grosimii crustei pe măsură ce viteza de

turnare creşte.Concluzii

Turnarea continuă prezintă importante avantaje metalurgice în comparaţie cu turnarea clasică, cum ar fi:

- micşorează substanţial neomogenitatea chimică şi structurală a produsului datorită răcirii rapide (zona II este puţin extinsă, elementele nu au timp să segrege);

- se controlează uşor mărimea grăunţilor (se obţin grăunţi primari relativi mici);

- incluziunile nemetalice sunt mai puţine, mai mici şi mai uniform distribuite în semifabricat (datorită vitezei mari de răcire ele nu au timp să coaguleze sau să se aglomereze);

- scoaterea de metal este mare, ajungând la peste 96%, datorită faptului că se formează o singură dată retasură la sfârşitul turnării;

- suprafaţa semifabricatelor este bună (curată), eliminându-se în cea mai mare parte defectele de suprafaţă;

De asemenea, prezintă şi avantaje de ordin economic, cum ar fi: instalaţiile sunt mai intens utilizate, asigură o deservire ritmică a laminoarelor, se elimină laminoarele primare, se micşorează cheltuielile materiale şi de manoperă, se pretează la o completă mecanizare şi automatizare.