|
|
|
METALURGIA OTELULUI
Otelurile sunt aliaje fier-carbon, cu mai putin de 2, 11% C care contin in afara de fier si carbon si alte elemente (Si, Mn. P, S, Cr, Ni, V, Ti, Mo etc). caracteristica principala a otelurilor este deformabilitatea plastica la rece si la cald, prin presare sau tragere.
Varietatea mare de proprietati a otelurilor este determinata de compozitia chimica si de modul de prelucrare ( plastica, termica sau termochimica).
Comportarea otelurilor la deformarea plastica, la tratamentul termic (sau termochimic) sau la prelucrarea mecanica este determinata pe de o parte de compozitia chimica si pe de alta parte de modul de elaborare si turnare - solidificare.
Clasificarea otelurilor
Exista mai multe criterii de clasificare: dupa continutul de carbon, dupa compozitia chimica, dupa destinatie, dupa procedeul de elaborare.
Dupa continutul de carbon otelurile sunt hipoeutectoide cu < 0,77% C, eutectoide cu 0,77% C si hipereutectoide cu > 0,77% C.
Dupa compozitia chimica otelurile se clasifica in oteluri nealiate (sau oteluri carbon) si oteluri aliate.
Otelurile nealiate sunt otelurile care pe langa fier si carbon contin cantitati mici de alte elemente (Mn ≤ 0,8%, Si ≤ 0,5%, P ≤ 0,06%, S ≤ 0,05%). Otelurile cu ≤ 0,3% C se numesc oteluri moi, cu 0,3-0,6% C se numesc oteluri semidure, iar cele cu ≥ 0,8% C se numesc oteluri dure.
Otelul carbon cu ≤ 0,08% C este cunoscut in practica sub denumirea de fier tehnic.
Otelurile aliate contin unul sau mai multe elemente de aliere care pot fi fie unul din elementele obisnuite in proportie mai mare decat in otelul carbon, fie alte elemente: Cr, Ni, V, Ti, W, Mo, Zr, Nb, B, La, etc. In functie de continutul total al acestor elemente otelurile aliate se clasifica in oteluri slab aliate (≤ 5,0% E ) mediu aliate (5-10% E)si oteluri inalt aliate (cu ≥10% E).
Prin compozitia chimica a unui otel nu trebuie sa se inteleaga numai prezenta elementelor mentionate ci analiza integrala, adica si prezenta altor elemente care desi sunt in cantitati foarte mici (de ordinul 10-2 - 10-6%) influenteaza substantial structura si proprietatile otelului atat prin concentratie cat si prin forma sub care se gasesc in otel. Aceste elemente sunt: oxigenul, hidrogenul si azotul. Cantitatea , forma de prezentare si repartitia lor in masa otelului sunt influentate de modul de elaborare.
Dupa destinatie otelurile se clasifica in oteluri de uz general, oteluri cu destinatie precizata si oteluri pentru scule.
Otelurile pentru uz general se impart in oteluri pentru constructii, oteluri de uz general tratate termic, oteluri cu rezistenta mecanica la temperaturi ridicate, oteluri refractare si oteluri rezistente la coroziune (inoxidabile).
Oteluri cu destinatie precizata se impart in oteluri pentru suruburi si piulite, oteluri pentru armarea betonului, oteluri pentru arcuri, oteluri pentru recipienti, oteluri pentru constructii navale, oteluri pentru rulmenti etc.
Otelurile pentru scule se clasifica in: oteluri pentru scule aschietoare, oteluri pentru scule de prelucrare la rece, oteluri pentru scule de prelucrare la cald.
Dupa procedeul (agregatul) de elaborare otelurile se grupeaza in otel electric si otel de convertizor.
Materii prime si auxiliare
1. Materii prime metalice. Incarcatura metalica a agregatelor destinate elaborarii otelului sunt fonta de afinare, fierul vechi, buretele de fier si uneori lupele.
Fonta de afinare. Criteriul de baza la aprecierea calitatii fontei este compozitia chimica.
Continutul de carbon in fonta de afinare nu se prescrie, el fiind determinat de continutul celorlalte elemente. Este mai mic cand continuturile de siliciu si fosfor sunt mai mari ;i mai mare cand continutul de mangan este mai mare.
Siliciul variaza, in general, intre 0,5 - 1,25%. Deoarece la elaborarea otelului siliciul se oxideaza si trece in zgura si deci sunt necesare cantitati mai mari de var pentru formarea zgurii, este recomandat ca siliciul sin fonta de afinare sa nu depaseasca 1% .
Manganul este un element util in fonta de afinare, deoarece pe langa faptul ca impiedica separarea carbonului sub forma de grafit el ajuta procesul de indepartarea sulfului atat inainte de elaborarea otelului cat si in timpul elaborarii. De aceea se admite in fonta de afinare 1 - 2,5% Mn.
Fosforul este un element daunator calitatii otelului si necesita cantitati mari de var pentru defosforare, de aceea continutul de fosfor in fonta de afinare se limiteaza la maxim 0,5%, iar pentru otelurile de calitate la maxim 0,2-0,3%. Trebuie mentionat ca cea mai mare cantitate de fosfor in otel este adusa de fonta.
Sulful este de asemenea un element daunator calitatii otelului, de aceea continutul de sulf se limiteaza in fonte la max. 0,07% pentru procedeele bazice si la max. 0,035% pentru procedeele acide.
In afara de aceste elemente fonta mai poate contine arseniu, cupru, etc. care sunt tot elemente daunatoare otelului, de aceea este indicat ca ele sa nu depaseasca 0,02%, dar si mai bine ar fi daca ar lipsi din fonta de afinare.
Nici elementele de aliere ale otelului nu sunt dorite in fontele de afinare, deoarece ele produc perturbatii in procesul de elaborare, multe dintre ele pierzandu-se in timpul afinarii.
Fierul vechi.
El se poate clasifica dupa sursa de provenienta in fier vechi propriu si fier vechi colectat.
Fierul vechi propriu provine din deseuri si rebuturi de la elaborarea si turnarea otelului sau din procesul de prelucrare plastica si mecanica a semifabricatelor din otel.
Fierul vechi colectat provine din bazele de colectare (REMAT) si anume din: constructii metalice si masini scoase din uz, piese si subansambluri scoase din uz la reparatiile capitale, obiecte de uz casnic achizitionate de la populatie.
Avand proveniente atat de diferite, compozitia si starea sub care se gaseste fierul vechi sunt foarte variate. De aceea fierul vechi trebuie pregatit inainte de a fi folosit la elaborarea otelului. Prima operatie de pregatire este la intreprinderea de colectare si consta in sortarea lui dupa compozitia chimica, in fier vechi aliat si nealiat, iar cel aliat sortarea pe elemente de aliere. Apoi se sorteaza pe grupe de marime: fier vechi greu, mediu, usor, strunjituri (span) etc.
2. Materiale auxiliare. Materialele auxiliare sunt materialele oxidante folosite pentru afinare, materiale necesare pentru formarea zgurii cu bazicitatea (fondanti) si fluiditatea ceruta (fluidificatori) pentru fiecare faza a procesului de elaborare functie de procedeul utilizat si materiale utilizate pentru dezoxidarea, corectia compozitiei chimice sau respectiv pentru alierea otelului.
Materiale oxidante.
Oxigenul necesar afinarii ( oxidarii carbonului, siliciului, manganului, fosforului etc.) este furnizat de atmosfera din cuptoarele de elaborare ( O2, CO2 si H2O din aer), de aer sau oxigen tehnic suflat direct in baia metalica, de rugina fierului vechi (Fe2O3 nH2O), de minereuri oxidice de fier si mangan, de arsura de fier (tundar) sau de zgura sudata de la cuptoarele de incalzire pentru deformarea plastica.
Minereul de fier folosit la elaborarea otelului trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:
sa contina mult oxid de fier si daca se poate sub forma de Fe2O3 ( hematita), deoarece contine cel mai mult oxigen (0,428 kg O2/kg Fe) fata de Fe3O4 (magnetita) care contine 0,38 kg O2/kg Fe). Limonita si siderita nu se folosesc la elaborarea otelului pentru ca ele contin mai putin oxigen si se descompun cu consum de caldura ceea ce duce la racirea zgurii;
sa contina putin SiO2 (sub 7%) deoarece la legarea lui in zgura este necesar un aport suplimentar de var, ceea ce duce la cresterea cantitatii de zgura si la cresterea consumului de combustibil;
sa fie uscat (sub 4% H2O), deoarece apa se evapora cu consum mare de caldura, iar daca minereul ud se adauga pe zgura lichida, apa se vaporizeaza violent provocand improscari si chiar explozii;
sa aiba continuturi mici de sulf si de fosfor, deoarece pentru trebuie asigurate conditii speciale pentru desulfurare, respectiv defosforare ceea ce conduce la prelungirea sarjei si la cresterea consumului de materiale de adaos, deci de combustibil.
Sa fie sub forma de bucati (50-150 mm) pentru a putea trece prin zgura in baia metalica. Daca minereul este prafos, ramane pe zgura, o parte din el este antrenat de gaze iar alta parte care se dizolva in zgura ajunge greu si numai partial in baia metalica. Zgura devine spumoasa si distruge zidaria refractara a agregatului de elaborare.
Minereul de mangan este un oxidant mai slab decat minereul de fier, insa este indicat atunci cand se lucreaza cu proportie mica de fonta pentru aportul de mangan adus. Se foloseste in special minereu care contine manganul sub forma de carbonat, MnCO3 (rodocrozit). El trebuie sa indeplineasca aceleasi conditii ca si minereul de fier.
Fondanti
Pentru formarea zgurii, la cuptoarele bazice se folosesc fondanti bazici: calcar si var. Pentru a asigura o zgura fluida se folosesc fluidificatori: bauxita si fluorina.
Calcarul trebuie sa contina mai mult de 94% CaCO3, sun 3% SiO2 si sub 15 Al2O3. Deoarece descompunerea calcarului este un proces endoterm el se foloseste numai cand se lucreaza cu proportie mare de fonta lichida. El se foloseste in bucati de 50-150 mm.
Varul, obtinut prin descompunerea calcarului, trebuie sa contina peste 82% CaO, putin SiO2 si MgO. Se foloseste in bucati de 20-100 mm. Varul trebuie sa fie proaspat ars, deoarece in timp se hidrateaza, CaO trecand in Ca(OH)2 (lapte de var) care in procesul de elaborare se disociaza si produce racirea zgurii pe de o parte , iar pe de alta conduce la cresterea continutului de hidrogen in otel, un alt element nedorit.
Fluidificatori
Bauxita este minereul aluminiului care contine aluminiul sub forma de oxid de aluminiu hidratat (Al2O3 nH2O). Bauxita pentru otelarie trebuie sa contina peste 52% Al2O3, sub 10% SiO2, sub 1% CaO si 8-18% Fe2O3. Al2O3 are caracter amfoter si in zgurile cu bazicitate mare, se comporta ca un acid, marind fluiditatea. Dar adausul de bauxita nu trebuie sa fie mare, deoarece Al2O3 in exces mareste vascozitatea zgurii. Bauxita se foloseste cu granulatie peste 20 mm, dupa ce a fost calcinata la 773-873 K (500-6000C), astfel incat continutul de apa sa fie sub 0,5%. Deoarece bauxita contine mult Fe2O3, folosirea ei este permisa numai la inceputul perioadei de afinare.
Fluorina are component principal fluorura de calciu (CaF2) si este fluidifiantul cel mai bun pentru zgurile de otelarie. Fluorina contine 85-92% CaF2, 5-8% SiO2 si sub 0,5% S. Pentru utilizare ea se calcineaza la 875 K (600 0C) astfel incat umiditatea sa nu depaseasca 0,5%. Granulatia trebuie sa fie 10-50 mm. Fluorina este insa scumpa de aceea se foloseste numai in cazurile in care nu se poate folosi bauxita.
Ca dezoxidanti se folosesc feroaliaje cu siliciu, cu mangan, cu vanadiu, cu titan, cu siliciu si calciu, cu siliciu si mangan etc. si aluminiu metalic. Pentru corectia compozitiei chimice si 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. si nichel metalic.
Feroaliajele se calcineaza la temperaturi de 773- 873 K (500-600 0C) inainte de a fi folosite.
Procedee de rafinare a otelului.
In prezent se aplica pe scara larga o serie de tehnologii si tehnici de tratare a otelului lichid in afara agregatului de elaborare, dupa operatiile de topire si afinare, care sunt denumite generic metalurgie secundara (sau metalurgia in oala). Metalurgia secundara include procese de decarburare avansata, defosforare suplimentara, dezoxidare si desulfurare, degazare, aliere, procese care pot avea loc in oala de turnare sau in agregate specializate pe un anumit tip de operatii.
O caracteristica deosebita a acestor procedee de tratare a otelului rezida din faptul c in marea majoritate a cazurilor se obtin efecte conjugate (dezoxidare, desulfurare, degazare) soldate in final cu urmatoarele avantaje tehnico-economice:
- cresterea productivitatii agregatelor de elaborare (care devin astfel simple masini de topire, asa cum sunt cuptoarele electrice cu arc care functioneaza in regim UHP si convertizoarele cu oxigen;
- micsorarea consumului de combustibil si de energie electrica ca urmare a reducerii duratei de elaborare a sarjelor;
- imbunatatirea calitatii otelului prin micsorarea continuturilor de gaze si incluziuni nemetalice, obtinerea unei compozitii chimice precise si omogene;
- reducerea consumului de feroaliaje datorita asimilarii mai bune a elementelor de aliere;
- conducerea automata a proceselor:
Procedeele de tratare a otelului in afara agregatului de elaborare pot fi clasificate astfel:
A. barbotarea cu gaze inerte;
B. Tratarea cu zguri sintetice;
C. Injectarea de pulberi reactive in otelul lichid;
D. Tratarea in vid.
A. Barbotarea cu gaze inerte
Procedeul CAB (Capped Argon Bubbling). Insuflarea gazului inert (argon, azot) in otel se poate face cu ajutorul unei lanci metalice (protejata la exterior cu caramizi refractare tubulare) prevazuta la capat cu un dop refractar poros cufundata in oala de turnare sau cu ajutorul uni sistem de insuflare alcatuit dintr-un dop refractar poros, montat in fundul oalei intr-o caseta din tabla de otel.
Prin barbotarea otelului lichid cu argon are loc o accelerare a proceselor de dezoxidare, desulfurare, degazare si indepartare a incluziunilor nemetalice, precum si omogenizarea compozitiei chimice si temperaturii, ca urmare a intensificarii de transfer de masa si de caldura.
Degazarea otelului are loc pe baza urmatorului mecanism: in bulele de argon in momentul formarii lor presiunea partiala a H2 si N2 fiind egala cu zero, atomii de hidrogen si azot difuzeaza in interiorul lor formand molecule care parasesc otelul odata cu argonul.
Incluziunile nemetalice sunt eliminate prin efectul de flotatie: particulele de suspensii slab umectate de otelul lichid sunt indepartate din acesta datorita fortelor de adeziune la bulele de gaz inert care strabat baia metalica si datorita agitarii puternice a otelului de catre bulele de argon.
B. Tratarea cu zguri sintetice.
Zgurile sintetice sunt formate din : CaO, Al2O3, CaF2, SiO2, MgO, FeO etc in combinatii si proportii diferite functie de scopul urmarit (dezoxidare, desulfurare, defosforare, decarburare avansate). Zgura topita se introduce in oala de turnare si apoi se evacueaza otelul din agregatul de elaborare peste ea. Otelul care cade de la o inaltime de circa 5-7 m se emulsioneaza cu zgura foarte fluida, accelerandu-se astfel procesele datorita cresterii puternice a suprafetei de contact dintre otel si zgura.
Exemple de zguri sintetice:
zguri oxidante si puternic bazice pentru defosforare avansata:
60-65% CaO, 20-35% FeO si 3-10% SiO2;
zguri bazice dezoxidante si desulfurante:
-54% CaO, 45% Al2O3, 1% MgO
-54% CaO, 25% CaF2, 15% Al2O3, 1% MgO, 5% SiO2.
C. Rafinarea otelului prin injectie de pulberi reactive.
Procedeul consta in introducerea in otelul lichid din oala a unor pulberi reactive printr-o lance prevazuta cu duze, cu ajutorul unui gaz purtator (argon) sub presiune.
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 avand rolul de a desulfura si dezoxida avansat otelul. In plus se mai obtine micsorarea continutului si modificarea incluziunilor nemetalice si micsorarea continutului de gaze.
Durata tratamentului este de 10-25 minute. Continuturile finale de sulf si de oxigen depind de continuturile initiale de sulf si de oxigen, de cantitatea si tipul de pulberi utilizate, de durata suflarii, de adancimea la care introduce lancea in otel. Continutul de sulf din otel poate scadea pana la 0,006%.
Pe langa desulfurarea si dezoxidarea otelului are loc si micsorarea si modificarea morfologiei incluziunilor nemetalice, care se manifesta prin disparitia sulfurii de mangan (plastica la temperatura de laminare) si a ingramadirilor de Al2O3 si transformarea oxizilor in aluminati de calciu globulari cu dimensiuni reduse (≤ 20 μm), nedeformabili.
D.Tratarea in vid a otelului.
Scopul principal al tratarii in vid al otelului lichid este de a micsorarea continutul de gaze, azot, hidrogen. In paralel au loc si procese de decarburare, de vaporizare, de reducere a incluziunilor
oxidice, e omogenizare a compozitiei chimice si a temperaturii, precum si cresterea gradului de asimilare a elementelor de aliere, daca se face si o corectie a compozitiei chimice a otelului.
Principalele procedee de tratare a otelului in vid se pot impartii in doua categorii: fara aport de caldura si cu aport de caldura.
Din prima categorie fac parte:
1. Tratarea in camera de vid: La acest procedeu oala cu otel se introduce intr-o incinta etansa in care se face vid (o,5-1 torr) cu ajutorul unor pompe puternice.
Viteza de eliminare a gazelor ([H], [N] ), masurata prin variatia concentratiei de gaz,dG cu timpul, t, este data de relatia:
;
unde: S este suprafata de contact cu vidul; V- volumul de otel; δ- grosimea stratului limita de otel; [Ge] - concentratia gazului la echilibru; [Gm] - concentratia medie a gazului.
Acest procedeu prezinta dezavantajul ca degazarea este slaba deoarece suprafata specifica S/V si δ sunt mici, iar presiunea ferostatica este mare ( coloana de otel este mare). Pentru intensificarea degazarii s-a combinat tratarea in vid cu barbotarea cu argon pe la fundul oalei, prin dop poros.
2. Tratarea in vid a jetului de otel
Procedeul (Bochumer-Verein), consta in turnarea otelului din oala de turnare intr-o alta oala sau direct in lingotiera, aflata intr-o incinta etansa in care se face vid.
Prin acest procedeu se asigura o mai buna degazare a otelului deoarece se asigura o mai mare suprafata de contact a otelului cu vidul, valori mici pentru δ si pentru presiunea ferostatica.
3. Tratarea prin recirculare
Procedeul prezinta doua variante: DH ( Dortmund-Hőrde) si RH (Ruhrstahl-Heracus).
La procedeu DH circulatia otelului se realizeaza prin intermediul pulsatiilor pe verticala efectuate de camera de vidare. Otelul lichid, in cantitate de 10-20% din capacitatea oalei, este aspirat in camera de vidare unde se asigura o presiune de 0,01-1 mm Hg. Operatia se repeta pana cand otelul din oala este aspirat in camera de vidare de 3-6 ori.
La procedeul RH otelul este aspirat initial in camera de vidare pe ambele conducte imersate in oala de turnare, iar dupa ce incepe suflarea argonului prin unul din tuburile plonjoare, otelul este aspirat tot timpul prin acel tub si dupa eliminarea gazelor dizolvate si a argonului injectat otelul devine mai greu si coboara e celalalt tub plonjor. Din momentul suflarii argonului otelul circula continuu in camera de vidare pe toata durata tratamentului. Reciclarea otelului se face de 3-5 ori cuo viteza de 10-30 t/min. Procedeul RH este unul dintre cele mai eficace procedee de tratare a otelului in vid.
Durata tratamentului, indiferent de varianta utilizata dureaza circa 20 minute, timp in care otelul pierde din caldura initiala. Pentru a nu fi necesara o temperatura prea mare de evacuare camera de vidare se poate preincalzi pana la circa 1000 0C cu ajutorul unei rezistente electrice sau cu o flacara de gaz.
4.Procedeul VOD (Vacuum Oxygen Decarburization).
Este unul dintre procedeele competitive utilizate la producerea otelurilor inoxidabile (Cr-Ni) cu continuturi foarte scazute de carbon, sulf si gaze. Instalatia VOD poate fi cuplata cu un cuptor electric sau cu un convertizor LD. Oala de turnare se introduce intr-o incinta etansa in care se face vid (1-10 torr). Simultan in otel se introduce oxigen prin intermediul unei lanci amplasata in partea superioara si argon introdus prin partea inferioara printr-un dop poros ceramic amplasat in fundul oalei.
La acest procedeu are loc decarburarea si regenerarea avansata a cromului obtinandu-se oteluri inoxidabile cu 0,015 - 0,010% C, 25-30 ppm [O]t si o recuperare ridicata a cromului (99%). Prin adaugarea de materiale desulfurante continutul de sulf poate scadea sub 0,01%.
Din cea de a doua categorie fac parte:
1. Procedeul ASEA-SKF
Otelul preafinat in cuptorul electric cu arc sau in convertizorul LD se transvazeaza din oala de turnare in cuptorul oala al instalatiei ASEA-SKF unde au loc in ordine, urmatoarele operatii: degazare, si agitarea electromagnetica in vid, incalzirea si agitarea electromagnetico a otelului, dezoxidarea si desulfurarea. Zgura formata din adausurile dezoxidante si desulfurante este incalzita cu ajutorul arcurilor electrice, deci este fluida si reactiva ca si la cuptorul electric. Datorita agitarii electromagnetice otelul vine in contact cu zgura pe o suprafata marita, obtinandu-se o dezoxidare si o desulfurare foarte avansate: sub 0,001% [O] si sub 0,002% [S] mai ales daca se folosesc pamanturile rare.Instalatia este prevazuta si cu posibilitatea barbotarii cu argon a otelului.
2. Procedeul VAD (Vacuum Arc Degassing)
Instalatia VAD este cuplata cu un cuptor electric cu arc sau cu un convertizor LD.Incalzirea otelului se face arcuri electrice iar barbotarea cu argon introdus pe la fundul oalei printr-un dop poros. In cuptorul oala au loc urmatoarele operatii: incalzirea, degazarea in vid (p<0,1 atm), desulfurarea (se formeaza zgura bazica), dezoxidarea (in vid) si alierea.
Otelul contine 0,002 - 0,004% [S]; 10-35 ppm [O].
Turnarea si solidificarea otelurilor
Generalitati
La sfarsitul perioadei de elaborare otelul este evacuat din agregatul de elaborare intr-o oala de turnare care este tinuta in carligul unei macarale, se gaseste pe un postament sub jgheabul de evacuare sau pe o masina de turnare.
In cazul cuptoarelor mari de peste 250 t otelul se evacueaza in doua oale de turnare, folosind un jgheab de evacuare bifurcat.
Pentru manipularea oalei de turnare, in general, se folosesc macarale de turnare, care au avantajul ca acopera intreaga hala de turnare si se adapteaza la diverse alte lucrari. Pisica principala, cu o putere de ridicare de 1,4 ori mai mare decat greutatea otelului, este prevazuta cu doua carlige puternice prinse la un balansoar ridicat si coborat cu cabluri, miscarea facandu-se liber sau cu ghidarea balansoarului intr-o constructie metalica rigida. Macaraua dispune si de o pisica auxiliara pentru bascularea oalei de turnare la turnarea otelului din oala in lingotiera.
In cazul in care din diferite motive nu se pot folosi cai de rulare pentru macarale se folosesc masini de turnare pivotante.
Din oala de turnare otelul este turnat in lingotiere, in care se lasa sa se solidifice, dupa care lingourile de otel sunt scoase din lingotiere (stripate) si trimise in sectiile de laminare sau forjare.
Pentru operatiile de turnare se folosesc utilaje care trebuie sa prezinte siguranta in functionare, atat macaralele cat ai oala de turnare ai ansamblul de turnare.
In ultima perioada cand necesarul de oteluri speciale a crescut, oala de turnare este de multe ori agregatul in care se efectueaza tratamentul otelului in afara cuptorului. In acest caz oalele de turnare au o constructie speciala.
1. Oala de turnare
1.1. Dimensionarea oalei de turnare
Are forma invers conica cu o conicitate de 5 % pe fiecare parte, pentru usurarea indepartarii scoartelor care raman pe peretii oalei si/sau pe fundul ei.
Suprafata de radiere a oalei trebuie sa fie minima in raport cu volumul ocupat de otelul lichid, pentru ca racirea otelului sa fie cat mai mica. Aceasta conditie este satisfacuta daca inaltimea ocupata de otel este egala cu diametrul mediu al oalei. In aceste conditii racirea otelului lichid este de circa 1 C/min incepand di momentul in care oala de turnare este plina. Oala de turnare este prevazuta cu un cioc pentru deversarea zgurii, la circa 100 mm sub bordura oalei. Inaltimea stratului de zgura pentru izolarea otelului lichid de actiunea daunatoare a atmosferei trebuie sa fie de 150-300 mm.
Diametrul superior al oalei de turnare, respectiv diametrul inferior se calculeaza cu relatiile de mai sus.
Orificiul de evacuare se pozitioneaza excentric in fundul oalei de turnare pentru a asigura o mai buna centrare pe axa lingotierei,pentru a se evita deformarea tijei de manevrare a dopului din cauza caldurii radiata de suprafata otelului din oala si pentru a se evita lovirea si deformarea tijei port-dop de catre jetul de otel.
Centrul orificiului de turnare se pozitioneaza in fundul oalei la o distanta B = 0,8 Di de la pereti si astfel incat a + b = Di si b = 1,5a. Distanta c rezulta din calcul sau din desen.
Orificiul este inchis cu un dop montat pe capatul unei bare port-dop care se manevreaza cu un sistem de parghii.
1.2. Constructia oalei de turnare
Oala de turnare se construieste dintr-o manta metalica confectionata din tabla sau banda de otel de 15-30mm grosime la pereti si de 25-40mm la fundul oalei, captusita la interior cu materiale refractare.
Mantaua se executa prin nituire sau sudura si este sustinuta de un inel puternic din otel prevazut cu doua fusuri de prindere in carligul macaralei, iar la partea de jos a mantalei se sudeaza o za pentru bascularea oalei cu ajutorul pisicii auxiliare a macaralei de turnare.
Zidirea captuselii incepe cu 1..2 randuri de caramizi normale sau patrate asezate pe lat pe fundul curbat sau drept al mantalei. Urmeaza un rand de caramizi radiale, 1sau 2 randuri la pereti, lasand la manta un spatiu de circa 12mm, care se umple cu argila, pentru a prelua dilatarile mantalei. Se zideste un al doilea rand de caramizi pe fund, cu rosturi mici de 1-2mm care se umplu ingrijit cu mortar pentru ca otelul sa nu patrunda in rosturi.
Grosimea captuselii este de cel putin 150mm la pereti (mai grosi la partea inferioara unde atacul otelului este mai puternic) si ajunge la 375mm la fundul oalei.
Materialul refractar se alege functie de capacitatea oalei si de natura tratamentelor aplicate otelului in oala de turnare. El trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: sa fie usor (pentru a nu ingreuna foarte mult oala de turnare), compact (pentru a nu patrunde otelul lichid prin porii caramizilor si sa le distruga), sa aiba refractaritate mare (sa reziste bine la temperatura otelului lichid), rezistenta la soc termic (zidaria se incalzeste si se raceste cu fiecare sarja de otel turnata), rezistenta la coroziune (sa reziste atacului otelului lichid) si rezistenta mecanica (sa reziste la greutatea coloanei de otel lichid si la socul produs de jetul de otel la evacuarea lui din cuptor in oala).
In general se folosesc caramizi silico-aluminoase cu 30-90% Al2O3, cu densitatea de 1,9 - 2 t/m si care rezista la 1650-2000 C.
Pentru oalele obisnuite se foloseste:
- samota care rezista la 15-20 turnari;
- samota aluminoasa care rezista la circa 25 turnari
- caramizi grafito-aluminoase care rezista la 35 - 45 turnari.
Pentru oalele speciale in care se face tratarea otelului un timp mai indelungat se folosesc caramizi multicorimdonice cu 60 - 90% Al2O3.
In zidaria fundului oalei se monteaza o caramida suport din samota in locasul careia se fixeaza o caramida tubulara, denumita orificiu de turnare sau manson de turnare) din samota, magnezita sau grafit, care se va inchide cu ajutorul unui dop din samota aluminoasa (65%samota si 65% argila), din grafit cu 35%C sau din samota grafitata (40% argila, 35% samota si 25% grafit), fixat de o bara port-dop confectionata dintr-o bara de otel imbracata in tuburi de samota fixate cu o masa formata din 25% argila sub un 1mm, 75% samota sub 1mm, sticla solubila si apa sau 40% argila sub 1mm, 60% samota sub 1mm si sticla solubila si apa. Dopul se monteaza in capatul tijei printr-un sistem pana sau surub.
Orificiul de turnare(mansonul) se fixeaza in caramida suport din exterior prin conicitate sau cu o placa de fixare, rostul din jurul mansonului se umple cu o masa formata din 25% argila sub 1mm, 50% samota sub 1mm, 25% grafit sub 1mm si sticla solubila si apa.
Mansonul si dopul cu bara port-dop se schimba dupa fiecare turnare.
De felul cum sunt confectionate, montate si uscate depinde comportarea lor, ele trebuind sa inchida etans si sa deschida fara deranjamente orificiul de turnare pana la golirea completa a oalei de turnare.
Inainte de intrebuintare, oala de turnare este uscata cu un arzator cu gaz, iar dupa fiecare turnare se curata de resturile de otel si zgura si i se reface zidaria refractara.
Tija port-dop dupa confectionare se usuca intr-un cuptor vertical si apoi se monteaza in oala de turnare. Oala cu tija montata se preincalzeste, cu un arzator cu gaz, inainte de fiecare utilizare la temperaturi de 400-600 C pentru reducerea socurilor termice si micsorarea pierderilor de caldura a otelului.
Modele imbunatatite de orificii (mansoane)
Folosirea pe scara larga a oalelor de turnare cu capacitate mare care necesita durate mari de turnare si/sau tratament in oala si deci temperaturi mai mari de evacuare si un numar mare de manevre de inchidere ti deschidere a orificiului de turnare au condus la revizuirea materialelor refractare pentru confectionarea ansamblului manson dop, astfel incat acesta sa-i sigure o functionare normala. Astfel s-a ajuns la mansoane compuse, cu inele sau cu insertii.
Mansoanele compuse pot fi:
a) cu magnezita in partea superioara si samota in rest sau invers. Magnezita cu refractaritate mare va asigura un locas nedeformabil pentru dopul din samota, care nu se va lipi si in plus o buna rezistenta la uzura in zona in care se produce de regula erodarea orificiului. Samota avand conductibilitate termica scazuta nu se incarca cu otel solidificat, ci din potriva se erodeaza controlat.
b) mansoanele din samota cu inele de magnezita limiteaza eroziunea in portiunea unde ea este de regula pronuntata si in acest caz se pot folosi dopuri din materiale dure (grafit cu 35% C).
c) mansoanele cu insertii au insertia pe toata lungimea jetului. Mansonul se confectioneaza din materiale care asigura un locas nedeformabil pentru dop si o rezistenta ridicata la uzura chimica si fizica in partea interioara. Materialele utilizate sunt samota pentru manson si magnezita pentru insertii. Conductibilitatea termica scazuta a samotei face ca orificiul sa nu se incarce cu otel solidificat.
Aceste tipuri de mansoane se folosesc pentru turnarea otelurilor erozive (manganoase), a otelurilor inalt aliate si a celor cu tendinta mare de oxidare.
Inchizatoarele cu sertar
Pentru oalele utilizate cu predilectie la tratarea otelului in afara cuptorului se folosesc oale cu dispozitive de inchidere cu sertar care asigura o mai mare siguranta in functionare. Siguranta in functionare a sistemului este determinata de precizia executiei, de calitatea materialelor refractare si de modul de deservire a dispozitivului.
Un dispozitiv de acest fel este inchizatorul cu sertar de tip INTERSTOP, care consta din:
caramida suport, manson superior, placa refractara fixa, sanie fixa, placa refractara mobila, sanie mobila, suport pentru mansonul inferior, mansonul inferior si sistemul de inchidere hidraulic.
Avantajele utilizarii oalelor prevazute cu inchizator cu sertar sunt:
-turnarea se face prin comanda de la distanta,
- centrarea corecta a jetului pe axul lingotierei,
-oala poate fi preincalzita la temperaturi mai mari (circa 1000 C);
-creste durabilitatea oalei de turnare,
-otelul poate avea temperaturi de evacuare mai mari (necesare unei durate prelungite de tratament), se elimina podurile rulante pentru pozitionarea tijelor port-dop si cuptoarele verticale pentru uscarea si preincalzirea ansamblului tija port-dop;
-economii de materiale refractare.
Barbotarea otelului cu gaze inerte prin dop poros.
In volumul oalei de turnare otelul este neomogen din punct de vedere al compozitiei chimice si al temperaturii. Reglarea si uniformizarea acestora se poate realiza prin barbotare cu gaze inerte. Gazele inerte se pot introduce printr-un dop poros amplasat fie in fundul oalei de turnare fie la capatul unei tije
metalice care se introduce in otel pe sus.
2. Metode de turnare
Din oala de turnare, dupa eventualele tratamente aplicate otelurilor, otelul se toarna in lingotiere in vederea solidificarii.
Turnarea otelului se poate realiza prin doua metode: turnarea clasica si turnarea continua. Metoda de turnare clasica presupune introducerea otelului in lingotiere pe sus, direct sau indirect, sau pe jos.
Ansamblul de turnare este diferit functie de metoda de turnare utilizata. Astfel:
la turnarea clasica pe sus, direct ansamblul de turnare este format din lingotiere, maselotiere, placi de fund pentru lingotierele deschise;
pentru turnarea clasica pe sus, indirect ansamblul de turnare este format din palnia intermediara, lingotiere, maselotiere, placi de fund;
pentru turnarea clasica pe jos (prin sifon) ansamblul de turnare este format din podul de turnare pe care se aseaza lingotierele , maselotiere, palnie de alimentare a podului;
la turnarea continua ansamblul de turnare este format din distribuitor, cristalizator, instalatie de tragere si de racire secundara, instalatie de taiere a semifabricatului.
Turnarea directa este mai cea mai simpla, otelul curgand din oala de turnare direct in lingotiera;
Avantajele metodei sunt:
admite o temperatura de turnare mai mica;
contact redus cu atmosfera si cu materiale refractare, deci o impurificare scazuta a otelului;
Ultima portiune de otel turnat se afla in capul lingoului (maselota), deci conditii de solidificare mai bune, golul de contractie este umplut cu otel lichid (retasura mai mica);
cheltuieli mai reduse pentru manopera si materiale;
Dezavantajele sunt:
nu se pot turna lingouri mici din cuptoare de capacitate mare;
lingoul poate prezenta stropi si scoarte;
crusta marginala este subtire pentru viteza de turnare este mare,
nu se poate urmari bine umplerea lingotierelor si deci lingourile pot avea inaltimi diferite;
Metoda este recomandata pentru turnarea lingourilor mari, care admit viteza mare de turnare (nu sunt susceptibile la crapaturi) si carora li se impun restrictii de puritate.
Turnarea pe sus cu palnie intermediara
La aceasta metoda, intre lingotiera si oala de turnare se intercaleaza o palnie intermediara, care inainte de turnare se incalzeste la rosu, iar temperatura otelului va fi la limita superioara admisa.
Avantajele metodei sunt:
- permite turnarea mai multor lingouri deodata care au toate aceeasi inaltime;
- se pot turna lingouri mai mici din oale da capacitate mare;
- oala de turnare se goleste intr-un timp mai scurt daca se toarna mai multe lingouri deodata;
- centrarea jetului de otel in lingotiera se face mai usor si durabilitatea lingotierei creste;
- ho fiind mai mica si inaltimea de cadere a otelului mai mica, se reduc stropirile, deci suprfata lingoului este mai buna;
- viteza de umplere este mai mica si constanta in conditiile in care durata de golire a oalei scade.
Dezavantaje
temperatura otelului la evacuare trebuie sa fie mai mare deoarece otelul se raceste in palnia intermediara;
reoxidarea otelului este mai puternica, contactul cu atmosfera fiind pe o suprafata mai mare, de aceea trebuie protejata oglinda otelului cu zguri de acoperire;
otelul contine mai multe incluziuni nemetalice exogene, de aceea se recomanda utilizarea unor refractare de calitate;
consumuri mai mari de manopera, materiale si energetice;
Metoda este recomandata pentru lingouri de calitate, in primul rand pentru produse forjate, cu prescriptii severe in ceea ce priveste defectele interne.
Turnarea prin sifon
Avantaje
se pot turna mai multe lingouri deodata reducand durata turnarii si se pot turna lingouri mici din oale mari;
lingourile au toate aceeasi inaltime si structura;
Dezavantaje
cheltuieli mai mari pentru manopera si materiale;
pierderi destul de mari prin reteaua de turnare (circa 4%);
temperatura de turnare trebuie sa fie mai mare, deoarece otelul se raceste pe traseu;
se impurifica cu incluziuni nemetalice din zidaria podului;
Metoda este recomandata pentru lingouri mici care se toarna din cuptoare mari, care necesita viteze mici de turnare (sunt susceptibile la crapaturi) fara restrictii deosebite de puritate.
Bibliografie:
