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.

P

q

P

tPW tt

u

'cos+

⋅⋅=

ϕ (1)

în care: Pt este puterea transformatorului, în kVA; cosφ este factorul de putere; tt 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:

( ) ( ) ( ) [ ] { }COFeCaOCaCFeO 233 2 ++=+ (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:

( ) { } ( ) { }COCaOOCaC 22

322 +=+ (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:[ ] [ ] ( ) [ ]FeDODFeO +=+ 00 <∆H (11)

sau mai simplu:[ ] [ ] ( )DODO =+ ; (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.[ ] [ ] ( )MnOMnO =+ ; 4803500

298 −=∆H [ ]J (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].[ ] [ ] ( )22 SiOSiO =+ ; 5102000

298 −=∆H [ ]J (14)

Fig.3. Variaţia conţinutului de oxigen funcţie de conţinutul

elementelor dezoxidante în oţel

Pentru cantităţi mici de siliciu, produsul de dezoxidare este ( ) 22 SiOFeO , 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].

[ ] [ ] ( )3232 OAlOAl =+ ; 11250000298 −=∆H [ ]J (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:[ ] [ ] ( ) [ ]FeMnSMnFeS +=+ ; TG ⋅+−=∆ 55,801306250

298 [ ]molJ / (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:

[ ] ( ) ( ) ( )FeOCaSCaOFeS +=+ ; TG ⋅−+=∆ 591089840298 [ ]molJ / (17)

Desulfurarea cu calciu este avantajată de temperaturi înalte, reacţia fiind endoterm, de conţinuturi mici de ( )FeO , deci zgură bine dezoxidantă şi de conţinuturi mari de ( )CaO , 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:

( ) ( ) ( ) ( ) [ ] { }COFeCaSCCaOFeS 22 ++=++ ; (18)( ) ( ) ( ) ( ) [ ] { }COFeCaSCaOCaCFeS 2332 ++=++ ; (20)

( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( )22222 SiOFeCaSSiCaOFeS ++=++ ; (21)( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( )42 2222 SiFFeCaSSiCaFFeS ++=++ . (22)

In zgurile bazice, ( )CaO poate reacţiona şi cu ( )MnS sau cu ( )FeSMnS ⋅ conform reacţiilor:( ) ( ) ( ) ( )MnOCaSCaOMnS +=+ ; (23)( ) ( ) ( ) ( ) ( )CaSFeOMnOCaOFeSMnS 22 ++=+⋅ . (24)Desulfurarea în afara cuptorului

Cele 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 ( )FeO , 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:[ ] ( ) [ ]FeOOFe 22 2 =+ ; kgFekcalH /10300

298 −=∆ (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 :

[ ] [ ] ( ) [ ]FeSiOFeOSi 22 2 +=+ (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:

[ ] [ ] ( ) [ ]FeMnOFeOMn +=+ (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:

[ ] [ ] { } [ ]FeCOFeOC +=+ (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:[ ] [ ] ( ) [ ]FeOPFeOPFe 952 522 +=+ (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:

[ ] [ ] [ ]( )em GGD

V

S

dt

Gd −⋅=−δ

; (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

3

32 4

44 om

mo

m

oo

PD

DH

DPV

πγππ

γ=⇒=⋅==

100

5400250

2⋅

−++= o

ms

HDD

100

5

2o

mi

HDD −=

( )400250 −+= oHI

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.

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

Dezavantaje :- temperatura oţelului la evacuare trebuie să fie mai mare deoarece oţelul se răceşte în

pâlnia intermediară;- 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:o

GV

γlg= ,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:( ) mDr 3,01,0 −=

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 , lg

lg

G

G t. 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:

lglg SkS t ⋅= .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:

( )ei TTE −⋅= ασîn 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:

c

ec q

Qh =

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:

Pvk

Qx

tr

e

⋅⋅=

1

1

unde 1eQ 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 T∆ la frontul de solidificare şi de grosimea crustei x, conform relaţiei:

xTq /∆⋅= λ .

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 :22

1 / kxvL trs ⋅=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:

trvkL ⋅= 2

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:

1

1000

tvg

Qn

tr ⋅⋅⋅=

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:

21

24

ttN

+= ,

iar productivitatea unei instalaţii este:QNnP ⋅⋅=24 .

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:

( )ϕηη ⋅+= 5,21o .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:

RTespv

17006

1361,0

10724,1

−⋅=

−

η ,

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, ≤ 0,0

30,03

0,7 0,08

0,5 3 1,5 9 1 18 1 18 3

Temperatura lichidus se poate calcula cu relaţia:

i

n

i iFetopl CTTT ⋅∆−= ∑ =1. ,

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: CTT o

lt 5025 −+= ;

- pentru turnarea prin sifon: CTT lt010050 −+= .

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:

∑∆+= jtev TTT

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,

II

m

Ilg

respectiv de umplere este de a utiliza datele obţinute în practică, pe lingouri de referinţă care au îndeplinit toate condiţiile de calitate.

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

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

I

vIv rr

u = .

Durata medie de umplere a lingotierei, tu este:

uu v

It = .

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

c

c

m

m

u

cu

u

mu v

It

v

It ===

2

1.

mc uuu ttt += .De unde rezultă viteza de umplere a corpului lingoului şi a maselotierei:

I

vIv uc

uc ⋅⋅

=2

3;

I

vIv um

um

⋅⋅=

3.

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:

uoct vSvv ⋅⋅== γ .Viteza de curgere a oţelului din oală se poate calcula şi cu relaţia:

024

gHdQ

v ooc

⋅==

πγτ

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

a oalei, oγ 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 :

o

uoo

gH

vDd

2

2 ⋅= .

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 intermediară

Înălţimea oţelului în pâlnie fiind mică (cca 200 mm) este mică şi viteza de turnare corespunzătoare relaţiei :

n

vgh

k

kdv c

ot

popt == 2

4

2γπ

; [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:2pt kdv = ;

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:

S

vSv rr

u

⋅=

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:

uu v

It = .

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:

u

tc t

nGnvv == .

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

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.

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).

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 γα - , 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:

dx

dtS

Q λτ

−=∂∂=Φ ; [W]

iar fluxul termic unitar pe suprafaţă este:

dx

dt

S

Qqs λ−== ; [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; dx

dt− 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:

p

v

p c

q

z

t

y

t

x

t

c

t

⋅+

∂∂+

∂∂+

∂∂

⋅=

∂∂

ρρλ

τ 2

2

2

2

2

2

;

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

Dacă notăm cu : pc

a⋅

=ρ

λ 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:

x

ttS 21 −=Φ λ .

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:

( )21 tt

xq −= λ

.

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

( )21 ttx

SqS −==Φ λ

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

( )21 ttx

qSQ −==Φ= λττ .

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:

( ) ( )fpfpf ttttq −=−

∂= α

τλ

;

unde tf

∂=

λα 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 τ unei suprafeţe S este:

( )τα fp ttSQ −⋅= ; [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:

−

=

−

=

4

2

4

1

4

2

4

1

100100100100

TTC

TTCq onn α

unde Co este coeficientul de radiaţie a corpului negru, în W/m2 K4; n

nCCo

α= , Co = 5,775 10-8

W/m2K4 pentru corpul negru ; T este temperatura absolută.Transferul global de căldură

tSkQ s ∆= ;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 τ şi temperatura θ se pot exprima

prin ecuaţiile diferenţiale parţiale (Fourier):

xk

Q

∂∂=

∂∂ θ

τ şi

2

2

xa

Q

∂∂=

∂∂ θ

τ(10)

în care:Q – cantitatea de căldură transmisă;τ - timpul cât se produce transferul de căldură;θ - temperatura oţelului într-un punct aflat la distanţa x de lingotieră;x – distanţa de transmitere a căldurii;

a – difuzibilitatea termică: γλ⋅

=pC

a

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

Prin rezolvarea acestor ecuaţii (admiţând funcţia lui Gaus ( )ax

xG

4 pentru aproximarea

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

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: ττ 2

k

d

dx = cu soluţia τkx = 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 ( )θfc = ), relaţia care exprimă variaţia grosimii

stratului solidificat în timp devine: ckx −= τ , 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 c în calcule mai r mân o serie de ipoteze simplificatoare esteă ă necesar ca în interpretarea rezultatelor cercet rii experimentale s se elucidezeă ă efectele abaterilor generate de aceste ipoteze:

1) Ipoteza contactului perfect dintre lingou şi lingotier nu poate fiă valabil dup formarea crustei marginale, când la pu ine minute după ă ţ ă turnare, ca urmare a contrac iei o elului şi dilat rii lingotierei se formeazţ ţ ă ă intersti iul (desprinderea crustei de peretele lingotierei). De aceea trebuieţ stabilit în ce fel influen eaz formarea intersti iului trecerea de c ldur deţ ă ţ ă ă la lingou la lingotier .ă

2) Ipoteza privind transmisia c ldurii spre exterior care s-ar face liniar şiă perpendicular pe peretele lingotierei. Nu poate fi valabil deoarece nu s-aă inut seama de faptul c odat cu evacuarea c ldurii spre exteriorţ ă ă ă

peretele lingotierei se înc lzeşte şi determin o ştrangulare înă ă transmiterea c ldurii spre exterior. De asemenea nu s-a inut cont deă ţ faptul c rotunjirile şi muchiile determin o acumulare a procesului deă ă solidificare. Rela ia ţ τkx = este valabil numai atâta timp cât vitezaă liniar de solidificare este propor ional cu volumul solidificat, lucru ce nuă ţ ă se mai realizeaz la o accelerare a solidific rii când viteza de solidificareă ă creşte (la col uri şi la sfârşitul solidific rii) în timp ce volumul solidificatţ ă r mâne constant sau chiar scade.ă

3) Ipoteza c metalul lichid are un punct de topire bine determinat ară putea fi valabil numai într-o oarecare m sur în cazul o elurilor moi undeă ă ă ţ segregarea nu este prea puternic , iar în calcul se are în vedere numaiă frontul ini ial de solidificare. La o elurile moi, chiar şi la o elurile aliate –ţ ţ ţ ipoteza nu mai este valabil , fronturile de început şi de sfârşit deă solidificare difer mult şi înc destul de devreme.ă ă

4) Trebuie remarcat în fine c datorit nesiguran ei care exist înă ă ţ ă alegerea valorilor conductibilit ii termice, calculele matematice nu potăţ oferi un ajutor prea substan ial în ceea ce priveşte rezolvarea problemelorţ practice.În practic , cunoaşterea vitezei cu care avanseaz frontul de solidificare,ă ă

adic grosimea stratului solidificat – este foarte necesar , deoarece uneoriă ă trebuie ca lingoul s fie atins şi zona din centrul lingoului în care se produc fisuriă intercristaline datorate tensiunilor de contrac ie şi s fie introdus, f r a fiţ ă ă ă r sturnat, în cuptoare adânci la temperatura de 1000 – 1100ă 0C pentru o r cireă dirijat . Alteori este necesar scoaterea lingoului din lingotier pentru scurtareaă ă ă duratei de solidificare (se continu r cirea în aer) şi pentru reglarea segrega ieiă ă ţ

Fig. 3. Compara ii între procesul realţ

de solidificare (a) şi rela ia matematicţ ă

sau pentru scurtarea timpului de men inere în cuptoarele adânci de la laminareţ (solidificare concomitent cu reglarea temperaturii de laminare).

R sturnarea lingourilor înainte de solidificare complet duce la deranjareaă ă amestecului de dendrite neorientate şi de lichid cu temperatur joas de topireă ă din zona central care pot duce la apari ia defectelor interioare în lingou (centruă ţ poros, goluri, solidificare nesimetric ).ă

Faptul c rezolvarea analitic a ecua iei transferului de c ldur în condi iileă ă ţ ă ă ţ ipotezelor simplificatoare f cute nu permite stabilirea unor valori pentruă constantele de solidificare k şi c care s corespund condi iilor reale de laă ă ţ turnarea lingoului, a condus la dezvoltarea unor metode de conectare, atât experimentale cât şi de modelare (fizic sau matematic ) a procesului deă ă solidificare.

Unul din modelele matematice propuse are la baz transformarea ecua iiloră ţ diferen iale a transmiterii c ldurii în ecua ii diferen iale finite.ţ ă ţ ţ

Rezultatele calculelor duce la concluzia c legea r d cinii p trate nu esteă ă ă ă valabil pân la finele solidific rii, viteza de solidificare fiind propor ional cu ă ă ă ţ ă τ numai la începutul solidific rii. Dup un anumit timp care difer cu formatulă ă ă lingoului – viteza de solidificare nu mai este constant . Nici în sec iuni mici peă ţ în l ime, coeficientul ă ţ k nu mai este o constant.

M rirea temperaturii de turnare cu 25ă 0C prelungeşte durata solidific rii cuă 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 practic . De remarcat c şi aceast metod reclam ipotezeă ă ă ă ă simplificatoare (de exemplu neglijarea c ldurii de transformare) şi d numaiă ă rezultate aproximative, dar care sunt probabil mai apropiate de cele reale decât rezultatele ob inute prin calcule analitice.ţ

O alt metod de cercetare const în a deduce varia ia conductibilit iiă ă ă ţ ăţ termice prin analogie cu varia ia conductibilit ii electrice a unui circuit modelţ ăţ (metod de modelare fizic ). Trebuie ca în prealabil s se stabileasc factorii deă ă ă ă contrac ie, iar circuitul electric s fie astfel conceput încât s redea fidelţ ă ă condi iile sistemului lingou – lingotier . Cu ajutorul acestei metode s-au verificatţ ă calculele de solidificare a lingourilor ob inute prin alte metode, dar rezultateleţ nu sunt prea încurajatoare.

Alte cercet ri experimentale se bazeaz pe m sur tori efectuate asupraă ă ă ă lingoului şi lingotierei, dintre care mai importante sunt:

• m sur torile varia iilor de temperatur în diferite puncte din interiorulă ă ţ ă lingoului ( este îns dificil amplasarea termoelemen ilor);ă ă ţ

• m sur tori de temperatur la suprafa a lingoului cu termocuple introduseă ă ă ţ prin pere ii lingotierei sau prin presarea unui poanson gol în crustaţ lingoului când r cirea are loc în afara lingotierei;ăDezavantaje:

De regul m sur torile termoelectrice au fost f cute pe lingouri mici – laă ă ă ă lingourile mari fiind greu de interpretat, nu se ob in inflexiuni clare laţ extremit ile care se m soar . În plus, se folosesc termoelemente diferite înăţ ă ă locuri diferite.

O alt metod care mai poate fi men ionat este metoda golirii o eluluiă ă ţ ă ţ r mas lichid în lingou prin r sturnarea acestuia la diferite intervale de timp şiă ă m surarea grosimii stratului solidificat. Metoda este imprecis deoarece maiă ă ales la sfârşitul solidific rii o elul vâscos ader la stratul solidificat. ă ţ ă

Se m soar stratul solidificat cu ajutorul ultrasunetelor, metoda bazându-seă ă pe diferen a dintre propriet ilor acustice ale fazelor solide şi lichide, ecoul seţ ăţ prinde la limita 5, factor de reflexie (numai pe lingouri <6 t).

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

Concluzii:În general, trebuie p strat o rezerv fa de exactitatea rezultateloră ă ă ţă

experimentale ob inute. Valorile coeficientul ţ k determinate cu diferite metode nu difer mult în func ie de metod , dar au dezavantajul de a cuprinde globală ţ ă ansamblul de factori de care depinde solidificarea.

Din aceast cauz precum şi a nepreciziei m sur torilor rezultateloră ă ă ă ob inute prin diferite metode difer mult. O încercare de grupare a rezultatelorţ ă ob inute dup metoda prin golire (aplicând rela ia care ine seama deţ ă ţ ţ

supraînc lzire ă ckx −= τ ) la turnarea o elului necalmat în lingotiere cuţ

sec iune p trat sau dreptunghiulara (cu laturile ţ ă ă α si ∆ ) a condus la urm toareaă reprezentarea grafic prezentata în figura 4 unde este reprezentată ă dependen a grosimii stratului solidificat “x” de timpul de solidificare a o eluluiţ ţ necalmat turnat în lingouri p trate şi dreptunghiulare (date ob inute prină ţ metoda golirii).

Toate valorile ob inute se încadreaz bine într-un domeniu de dispersareţ ă limitat de dreptele:

τ24=x şi 1924 −= τxDup un anumit timp de la terminarea turn rii, solidificarea se accelerează ă ă

pân când este complet , când ceficientul ă ă k ajunge egal cu ks de la sfârşitul solidific rii. (fig. 5)ă

Fig. 4. Dependen a grosimiiţ stratului solidificat “x” de durata

solidific rii.ă

Fig. 5. Solidificarea în lingotieră

Valoarea lui k1 difer cu m rimea lingoului şi cu raportul D/d (cu careă ă scade). Valoarea lui τ la care începe accelerarea solidific rii corespundeă sfâr[itului form rii crustei columnare în lingoul de o el calmat (respectiv a zoneiă ţ de fierbere în lingoul de o el necalmat), atunci când pe lâng avansareaţ ă frontului de solidificare are loc şi depunerea de cristale, ceea ce contribuie la micşorarea volumului fazei lichide.

S-a mai observat c şi grosimea stratului solidificat are loc cu aceeaşi viteză ă în toate direc iile numai un timp scurt dup turnare, dup care solidificareaţ ă ă avanseaz mai repede la picior (dup literatur k=30 şi creşte liniar de la cap laă ă ă picior de 2,75 ori) deoarece crusta solid se desprinde mai greu de lingotier laă ă picior (presiunea ferostatic este mai mare), deci nu se formeaz spa iu izolatoră ă ţ şi în plus în aceast zon se depun şi cristalele formate selectiv în masa de o elă ă ţ lichid.

Când solidificarea lingoului este complet nu se mai elibereaz c ldura deă ă ă cristalizare,temperatura trebuie s scad mai repede.ă ă

Deoarece durata pân la solidificarea complet este mare, lingourile – celeă ă mari în primul rând – se scot din lingotier (se stripeaz ) mai repede, nu însă ă ă înainte ca exteriorul s ating temperatura maxim (B). Când desprindereaă ă ă lingoului de lingotiera este complet . Solidificarea complet are loc în timp maiă ă scurt, timpul minim corespunz tor strip rii şi men inerii lingoului în aer pân laă ă ţ ă solidificarea complet variaz cu m rimea lingoului (Figura 5)ă ă ă

Pentru utilizarea c ldurii lingoului în procesul de laminare, se stripează ă imediat dup atingerea temperaturii punctului B şi se introduce lingoul înă picioare în cuptorul adânc, unde solidificarea complet are loc într-un timp maiă lung (de 1,45 ori cât în lingotier dac cuptorul este sub foc şi de 1,3 ori dacă ă ă focul este oprit). Deci centrul lingoului este mai segregat.

Dac lingoul are loc la înc rcare în cuptorul adânc are o entalpie de 206ă ă Kcal/Kg, se men ine un timp f r foc, apoi se înc lzeşte în plin şi la atingereaţ ă ă ă 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 lingotier temperatura o elului lichid este mai înalt decâtă ţ ă temperatura lichidus, temperatura lui se supraînc lzire fiind de 30 ... 80ă 0C, func ie de metoda de turnare folosit .ţ ă

În contact cu pere ii reci ai lingotierei o elul se r ceşte brusc, cedarea deţ ţ ă c ldur fiind intens , deci subr cirea este puternic şi dup 2-3 secunde seă ă ă ă ă ă formeaz un num r mare de germeni de cristalizare, din care se dezvolt rapidă ă ă cristale echiaxiale neorientate. Se formeaz într-un timp scurt, o crustă ă marginal sau zona I de solidificare (fig. 6) care are aceeaşi compozi ie chimică ţ ă cu a o elului de turnare. Aceast crust se contract imediat, deoarece r cireaţ ă ă ă ă ei m reşte for ele de adeziune dintre cristale şi se desprinde de lingotier , maiă ţ ă ales c şi lingotiera se dilat pu in datorit înc lzirii. Presiunea ferostatic aă ă ţ ă ă ă o elului lichid se opune contrac iei şi crusta se va deforma plastic.ţ ţ

În spa iul liber format p trunde aer şi curgerea de c ldur este frânat ,ţ ă ă ă ă transmisia având loc prin radia ie. În aceste condi ii temperatura zonei I creşteţ ţ pu in, creştere care se datoreaz faptului c lingotiera poate transmite maiţ ă ă pu in c ldur decât cea care ar trebui îndep rtat . C ldura care trebuieţ ă ă ă ă ă ă îndep rtat este dat de c ldura de supraînc lzire a o elului, c ldur primită ă ă ă ă ţ ă ă ă

γα → de la o elul mai supraînc lzit din centrul lingoului şi c ldura eliberat laţ ă ă ă transform rile de faz (8 ... 21 KJ/kgFe) a c rei importan este mai însemnată ă ă ţă ă la solidificarea lingourilor mari.

Dac propriet ile o elului sunt sc zute, apare pericolul de formare aă ăţ ţ ă cr p turilor în crust . Pericolul este limitat deoarece lingotiera nu se dilat preaă ă ă ă mult, iar temperatura înalt face ca eventualele fisuri formate s se sudeze prină ă p trundere de o el lichid (zona respectiv nefiind în contact cu aerul).ă ţ ă

Pe m sur ce c ldura se evacueaz spre exterior, grosimea crusteiă ă ă ă solidificate creşte, temperatura sa scade, deci for ele de coeziune între cristaleţ cresc, dep şind for ele de deformare plastic , crusta se desprinde de pereteleă ţ ă lingotierei.

În intersti iul format p trunde aer şi evacuarea c ldurii spre exterior esteţ ă ă frânat . Frânarea transmisiei de c ldur spre exterior mai are loc şi datorită ă ă ă creşterii temperaturii medii a pere ilor lingotierei.ţ

Temperatura medie a crustei solidificate creşte un timp şi crusta înc lzit şiă ă semiplastic se va deforma uşor din cauza presiunii ferostatice a o elului.ă ţ

Deformarea este mai puternic la piciorul lingoului decât la cap şi seă produce la momente diferite pe în l ime.ă ţ

Prin presarea crustei pe pere ii lingotierei se intensific din nou transmisiaţ ă de c ldur spre exterior, fapt ce determin o sc dere a temperaturii medii aă ă ă ă p r ii solidificate, deci o nou contrac ie care din nou prezint varia ii peă ţ ă ţ ă ţ în l ime.ă ţ

În aceast zon , datorit timpului scurt în care are loc solidificarea,ă ă ă segregarea este practic neînsemnat şi compozi ia chimic a o elului poate fiă ţ ă ţ considerat ca fiind identic cu a o elului din oal .ă ă ţ ă

Calitatea suprafe ei lingoului este determinat în primul rând de calitatea şiţ ă condi iile de formare a crustei marginale care trebuie, ca înc de la început sţ ă ă

Fig. 6. Reprezentarea schematica a procesului de solidificare

aib o grosime suficient de mare pentru a nu cr pa sub ac iunea coloanei deă ă ţ o el lichid, mai ales c la temperatur ridicat rezisten a o elului este sc zut .ţ ă ă ă ţ ţ ă ă (fig. 7)

Grosimea crustei marginale este func ie de cantitatea de c ldur primit deţ ă ă ă la masa lichid de o el pe care o transmite spre exterior prin pere ii lingotierei.ă ţ ţ Cu cât aceast c ldur este mai mare cu atât grosimea crustei marginale esteă ă ă mai mic . ă

Cantitatea de c ldur primit de crust în unitatea de timp se poateă ă ă ă determina cu rela ia:ţ

P

S

h

vcQ u

I ⋅∆⋅⋅⋅=0

0 θγ[kcal/min] (11)

unde:- c – c ldura specific a o elului ( 0,21 Kcal/Kg, ă ă ţ 0C pentru supraînc lzire;ă

1,17 Kcal/Kg,0C dup solidificare);ă

- 0γ - greutatea specific (6900Kg/mă 3 pentru o el lichid; 7800 Kg/mţ 3 pentru

o el solid);ţ- Vu – viteza de umplere, m/min;- θ∆ - supraînc lzirea o elului peste lichidus, ă ţ 0C;- h0 - în l imea coloanei de o el (variabil în timp), m;ă ţ ţ ă- S – sec iunea lingoului (variabil ), mţ ă 2;- P – perimetrul lingoului, m;Cantitatea de c ldur scade dac supraînc lzirea şi viteza de umplere scadă ă ă ă

şi creşte suprafa a de schimb de c ldur care depinde de S, P şi hţ ă ă 0.Compozi ia chimic a o elului influen eaz grosimea crustei marginale prinţ ă ţ ţ ă

valorile c şi 0γ .Un alt factor de care depinde grosimea zonei I este grosimea pere ilorţ

lingotierei. Dac aceştia sunt groşi, pot înmagazina o cantitate mai mare deă c ldur şi deci grosimea crustei marginale este mai mare.ă ă

Respectând limitele normale pentru θ∆ şi raportul S/P se poate admite că grosimea crustei marginale variaz cu viteza de umplere dup rela ia:ă ă ţ

5,25,8

1 +=uv

δ [mm] (12)

Dup formarea crustei marginale (zona I) a c rei grosime trebuie s aibă ă ă ă peste 12 – 15 mm la lingouri cu diametrul D=400 – 700mm, solidificarea depinde nu numai de formarea germenilor de cristalizare (de gradul de subr cire), ci şi de starea de agita ie a o elului în lingotier datorit curen iloră ţ ţ ă ă ţ

Fig. 7. Deformara crustei

marginale în timp

de convec ie şi degaj rii de gaz, deci difer dup cum o elul este calmat,ţ ă ă ă ţ semicalmat sau necalmat.

3. 4. Solidificarea o elului calmatţO elurile calmate au un grad avansat de dezoxidare ceea ce excludeţ

posibilitatea deform rii, în timpul solidific rii a reac iei dintre [ă ă ţ 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 marginal care se g sesc în contactul cuă ă o elul lichid, încep s creasc sub form de dendrite columnare. Direc ia deţ ă ă ă ţ creştere este perpendicular pe pere ii lingotierei, adic în direc ia fluxuluiă ţ ă ţ termic. ca urmare a creşterii preferen iale a dendritelor se formeaz zona ţ ă II de cristalizare, cu cristale alungite numit zon de transcristalizare sau zonă ă ă columnar . În timpul form rii zonei ă ă II, o data cu sc derea temperaturii are loc oă sc dere a solubilit ii unor elemente din compozi ia chimic a o elului cum ar fiă ăţ ţ ă ţ S, P, C, elemente care îmbog esc o elul lichid din fa a frontului de solidificare,ăţ ţ ţ fenomen numit segregare. Din acest motiv dendritele din zona II sunt mai pure decât o elul lichid în care cresc.ţ

Formarea zonei de transcristalizare. Suprafa a crustei nu este plan ciţ ă prezint o serie de proeminen e care cresc în mod preferen ial dup o direc ieă ţ ţ ă ţ cristalografic principal şi dac aceast direc ie este orientat în acelaşi sensă ă ă ă ţ ă cu fluxul termic (perpendicular pe pere ii) atunci gr un ii se vor dezvolta în modţ ă ţ deosebit dup aceast direc ie şi se ramific în direc ii de valori egale rezultândă ă ţ ă ţ în final o creştere dendritic .ă

Acest mod de creştere, mai repede dup o direc ie principal şi cu viteză ţ ă ă mai mare decât cea cu care avanseaz frontul de solidificare, se poate realizaă în condi iile existen ei unui lichid subr cit.ţ ţ ă

La solidificarea o elului, datorit faptului c solidificarea elementelorţ ă ă dizolvate în fier este mai mic în faz solid , lichidul de la frontul de solidificareă ă ă se va îmbog i în elementele eliminate de dendritele solidificate producându-seăţ un salt de concentra ii între dou faze.ţ ă

Concentra ia în elemente eliminate scade exponen ial dup expresia:ţ ţ ă

−⋅−+= ξ

D

v

k

kCC cvexp

11

0

00 (13)

unde:C – concentra ia într-un punct în lichidul din fa a frontului;ţ ţC0 – concentra ia ini ial ;ţ ţ ăk0 – coeficientul de reparti ie la echilibru a impurit ilor;ţ ăţvcv – viteza de avansare a frontului de solidificare;D – coeficientul de difuzie a impurit ilor în lichid;ăţξ - distan a la punctul considerat în lichid;ţ

Temperatura de topire a acestui lichid îmbog it scade, în timp ceăţ temperatura sa creşte (ca urmare a c ldurii de cristalizare şi de transformare)ă dep şind pe cea a lichidului învecinat dinspre centrul lingoului, în care ajungă vârfurile dendritelor alungite.

Admi ându-se o dependen liniar între concentra ie şi temperatura deţ ţă ă ţ topire, temperatura va creşte exponen ial de la interfa spre interior,ţ ţă

temperatura de echilibru a lichidului în fa a frontului de solidificare putându-seţ calcula cu rela ia:ţ

Ts = T0 – m*Cl (14)unde:

- T0 – temperatura de cristalizare a aliajului ini ial;ţ- Ts – temperatura de solidificare la echilibru în fa a frontului;ţ- m – unghiul de înclinare al curbei lichidus pe diagrama de echilibru a aliajului;

- Cl – concentra ia din lichid;ţÎn acelaşi timp, elementele concentrate în lichidul dintre dendrite difuzează

spre centrul lingoului (men inându-se totuşi o diferen de concentra ie) şiţ ţă ţ temperatura de topire creşte (supraînc lzirea scade) pe o anumit distan deă ă ţă la frontul de solidificare, având ca efect o creştere lateral a dendriteloră (subr cire constitu ional ). Acest fenomen de difuzie şi deci de sc dere aă ţ ă ă supraînc lzirii avanseaz cu o vitez mai mic decât a dendritelor alungite,ă ă ă ă eliminarea c ldurii spre exterior dintre dendrite fiind mai pu in intens , deciă ţ ă este slab subr cirea şi ca urmare germinarea. De aceea aceste creşteriă ă laterale sunt destul de mici.

În timpul solidific rii se vor forma astfel gr un i lungi şi adânci, uni i la ună ă ţ ţ cap t, în spatele frontului de solidificare şi care cresc ca nişte cristaleă independente în lichid.

În interiorul acestor depresiuni, în interfa , lichidul îmbog it în elementeţă ăţ înso itoare este re inut datorit tensiunii superficiale.ţ ţ ă

Rezultatul creşterii preferen iale a dendritelor şi a tendin ei de omogenizareţ ţ a solu iei dintre dendrite, procese care au loc treptat sub influen a elimin riiţ ţ ă c ldurii, mai accentuat prin dendrite, este formarea zonei a II-a cu dendriteă ă alungite numit ă zon de transcristalizare bazaltică ă 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.

Varia ia compozi iei chimice în zona III fat de zona I, este cu atât maiţ ţ ă important cu cât o elul are un con inut mai mare de C şi de elemente deă ţ ţ aliere.

Factori care determin întinderea zonei de transcristalizareăÎntinderea 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, pân în prezent, a efectelor separate şi în comun a acestoră factori ca şi neglijarea în aprecierile f cute pân acum a unor aspecte ca:ă ă

- modificarea de volum la solidificare;- modificarea caracteristicilor fizico-chimice ale fazelor lichid şi solidă ă datorat reac iilor între elementele segregate cu apari ia de noi faze;ă ţ ţ

- 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.Influen a temperaturiiţ .

Dac se consider c viteza de solidificare, respectiv varia ia grosimii “x” aă ă ă ţ stratului de solidificare începând de la pere ii lingotierei, depinde de transferulţ de c ldur la interfa (şi în primul rând de temperatura fazei lichide) ea seă ă ţă poate calcula cu rela ia:ţ

⋅−⋅⋅

⋅==

dl

d

dx

d

wd

dxv l

Ls

scr

θλθλγτ

1[cm/min] (15)

în care:- dx – grosimea stratului solidificat în timpul τd ;- w – c ldura de cristalizare a volumului unitar solidificat;ă- γ - greutatea specific a p r ii solidificate;ă ă ţ- l s λλ si - conductibilit ile termice ale fazelor solid şi lichid ;ăţ ă ă

-dx

d sθ - gradientul de temperatur pe grosimea stratului solidificată

(influen eaz curgerea c ldurii spre exterior);ţ ă ă

-dx

d lθ - gradientul de temperatur în faz lichid (determin curgereaă ă ă ă

c ldurii spre partea solidificat );ă ăCum în domeniul de temperatur considerat w şi ă γ sunt practic constante,

iar λ variaz pu in cu temperatura, rezult c grosimea zonei deă ţ ă ă transcristalizare depinde de:

- temperaturile din stratul solidificat şi din lichid;- grosimea p r ii solidificate şi a celei r mase lichide.ă ţ ă

Pentru a reduce întinderea acestei zone, trebuie ca dx

d sθ s creasc (r cireaă ă ă

s fie întins ) şi ă ădx

d lθ s scad (con inutul de c ldur al o elului s fie mic).ă ă ţ ă ă ţ ă

Concluzii: 1. dac se toarn o elul cu temperatur joas se ajunge rapid în domeniulă ă ţ ă ă subr cirilor mari şi în o elul lichid apare un num r mare de germeni din careă ţ ă cresc repede cristale ce se ating între ele şi se alungesc înainte de a c p taă ă forme bazaltice;2. dac temperatura o elului este înalt , sau dac se toarn cu temperatură ţ ă ă ă ă şi vitez normal dar r cirea este înceat , zona I – crusta este sub ire (caă ă ă ă ţ urmare a germin rii slabe), iar în zona a II-a se vor dezvolta cristaleă columnare lungi ca urmare a duratei lungi de curgere a c ldurii spreă exterior;3. la temperaturi de turnare foarte mari, cristalele în formare în zona II pot fi topite de o elul supraînc lzit şi rezult o structur grosolan , cu num r micţ ă ă ă ă ă de gr un i mari;ă ţInfluen a compozi iei chimice a o elului. ţ ţ ţ Se manifest prin efectulă

segreg rii elementelor la frontul de solidificare care determin sc derea deă ă ă temperatur la interfa şi întinderea domeniului subr cirii constitu ionale.ă ţă ă ţ

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

Influen a configura iei lingotiereiţ ţ . Lingotierele cu pere i sub iri ca şi celeţ ţ cu pere i ondula i înmagazineaz pu in c ldur şi o radiaz puternic spreţ ţ ă ţ ă ă ă ă exterior, deci intensific r cirea şi vor asigura o zon de transcristalizare redusă ă ă ă ca grosime. dar aici trebuie avut în vedere c la lingotierele cu pere i sub iri seă ţ ţ

ob ine o crust marginal sub ire şi deci creşte pericolul de cr pare a ei. Deţ ă ă ţ ă aceea, trebuie g sit grosimea optim pentru pere ii lingotierei.ă ă ă ţ

Formarea celorlalte zone în lingoul de o el calmatţ . Cu creşterea grosimii stratului de o el solidificat creşte efectul de izolare, gradientul deţ temperatur în partea solidificat devine din ce în ce mai mic. O elul lichid cuă ă ţ temperatura sc zut de topire din centrul lingoului se r ceşte din ce în ce maiă ă ă încet, frontul de solidificare avanseaz cu vitez descresc toare de la margineă ă ă spre centru lingoului.

Atunci când temperatura fazei lichide ajunge s fie egal cu temperaturaă ă extremit ilor dendritelor, deci când fluxul termic înceteaz de a mai fi orientat,ăţ ă înceteaz solidificarea sub form de dendrite columnare. Acestui moment îiă ă corespunde punctul B de pe curba de varia ie a temperaturii la exteriorulţ lingoului, dup care curba este tot timpul sc z toare datorit evacu rii în timpă ă ă ă ă a c ldurii spre exterior.ă

Interpretarea varia iei de timp:ţ- timpul t1 corespunde form rii crustei marginale a c rei temperatur esteă ă ă

dat de punctul A;ă- la desprinderea crustei de lingotier are loc o creştere de temperatură ă

pentru c transmiterea de c ldur este frânat şi deci şi temperaturaă ă ă ă creşte cu temperatura t2 (dup ramura AB);ă

- suma (t1+t2) creşte cu creşterea m rimii lingoului dup cum arat diagramaă ă ă din figura 8

O elul lichid din centrul lingoului practic nu mai poate primi elementeleţ eliminate de zona II (segregarea aproape înceteaz ) şi cum c ldura se scurge înă ă continuare spre exterior prin zona columnar se ajunge la o subr cire a o eluluiă ă ţ din fa a frontului de solidificare, în care apar germeni de cristalizare proprii şiţ str ini, în num r restrâns, datorit posibilit ilor restrânse de eliminare aă ă ă ăţ c ldurii. Deci aceşti germeni, grupa i mai ales în fa a zonei ă ţ ţ II şi din ce în ce mai rari spre centrul lingoului unde o elul este înc supraînc lzit în raport cuţ ă ă compozi ia chimic , cresc dendritele echiaxiale, neorientate în jurul c rora seţ ă ă solidific o elul. Aceşti germeni vor creşte radial cu o vitez determinat deă ţ ă ă gradul de subr cire existent.ă

Aceste dendrite care cresc liber în lichid, având greutate specific mai mareă decât a o elului lichid scad spre piciorul lingoului. În c dere, o parte din ele seţ ă

Fig. 8. Varia ia timpului deţ turnare

prind în proeminen ele zonei II (spre sfârşitul form rii acestuia), altele se prindţ ă de cele fixate deja de frontul de solidificare şi astfel în structura lingoului calmat apare zona a III-a, de trecere sau bifazic , faz care se afl cu atât mai înspreă ă ă centrul lingoului cu cât zona a II-a este mai intens .ă

Dendritele care cad spre piciorul lingoului formeaz zona a IV-a deă cristalizare, care are form de piramid sau de con dup cum piciorul lingouluiă ă ă este piramidal sau rotund şi care este cu atât mai înalt cu cât temperaturaă o elului este mai mare şi lichidul din centrul lingoului poate primi o cantitateţ mai mare de elemente segregate.

C derea dendritelor cu greutate specific mare la piciorul lingoului face ca oă ă parte din solu ia lichid din aceast zon s se deplaseze spre capul lingoului şiţ ă ă ă ă în acest mod se intensific solidificarea în zona a IV-a.ă

Cristalizarea selectiv face ca o elul din centrul lingoului s se îmbog ească ţ ă ăţ ă în elemente de segregare care-i scad temperatura de topire, deci o elul esteţ supraînc lzit. Concomitent, încetinirea c derii de cristalizare la formareaă ă dendritelor echiaxe în lichidul vâscos, ca şi faptul c o elul mai cald de la picioră ţ este determinat s se retrag în partea modificat de la centrul lingoului.ă ă ă

De aceea cristalizarea în aceast zon se va produce numai dup ce,ă ă ă datorit ced rii de c ldur spre exterior temperatura scade sub cea de topireă ă ă ă 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 o el impur care se solidific progresiv,ţ ă rezultând în final o structur neorientat , grosolan - zona V de solidificare.ă ă ă

Acest sfârşit de solidificare corespunde punctului C1 pe curba temperaturii suprafe ei curbei. Deoarece dup solidificarea complet nu se elibereazţ ă ă ă c ldura de cristalizare, temperatura scade mai repede şi în punctul C1 apare oă discontinuitate (inflexiune).

Concluzii:În structura lingoului de o el calmat se disting 5 zone caracteristice,ţ

determinate de condi iile de solidificare:ţ1. zona I – crusta marginal format în condi iile unei subr ciri puternice laă ă ţ ă

contactul o elului cu lingotiera rece;ţ2. zona II – de transcristalizare sau a dendritelor columnare – format înă

condi iile unei subr ciri constitu ionale reduse şi a unui flux termic dirijat;ţ ă ţ3. zona III – de trecere sau bifazic - format din cristale echiaxe mariă ă

formate în condi iile de subr cire;ţ ă4. zona IV – a conului de la picior – format prin c derea dendritelor echiaxeă ă

la piciorul lingoului (în aceast zon segregarea este negativ , cristaleleă ă ă pure care se depun înl tur o elul impurificat);ă ă ţ

5. zona V – central - format prin cristalizarea spontan în întregul volumă ă ă de o el impurificat, cu temperatur sc zut de solidificare, în urmaţ ă ă ă evacu rii continue a c ldurii prin stratul solidificat.ă ă

Deoarece prin solidificare scade volumul o elului, în cazul lingoului seţ formeaz un gol de contrac ie numit retasur .ă ţ ă

Dac se toarn rece o elul, zonele II, III, şi IV sunt restrânse şi sunt întinseă ă ţ zonele I şi II.

3. 5. Solidificarea o elului necalmatţOţelul 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:

[ ] [ ] { }COOC →+ { }[ ][ ]OC

COpkc = (16)

El nu fierbe în condi ii normale în oala de turnare din cauza în l imii mari aţ ă ţ coloanei de o el (Kţ c depinde de presiune), cât şi a dificult ilor de formare aăţ germenilor determinate de tensiunea superficial .ă

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:

athCO pr

pp ++> σ2 (17)

unde:- PCO – presiunea în bula de gaz;- Ph – presiunea coloanei de o el lichid (ţ mat /7,0≈ );- σ - tensiunea superficial a o elului lichid.ă ţ

Se poate ar ta c la germinarea omogen a unei bule cu raza de ordinulă ă ă angstromilor, PCO ar trebui s fie de ordinul 10ă 4 at; germinarea unor astfel de presiuni ar necesita concentra ii mari de reactan i, care practic, nu suntţ ţ realizabile.

De aici concluzia c bulele de CO germineaz pe suprafe e preexistenteă ă ţ (incluziuni nemetalice, pere ii agregatului, lingotierei, stratul de o el solidificat).ţ ţ

La solidificarea lingourilor de o el necalmat particularit ile care apar suntţ ăţ determinate de fenomenul de fierbere a o elului în lingotier . În timpulţ ă solidific rii calitatea şi structura lingoului depinzând de intensitatea procesuluiă de autodezoxidare (cu carbon).

Dup turnarea în lingotier , pe m sur ce o elul se r ceşte pân laă ă ă ă ţ ă ă solidificare, excesul de oxigen şi de gaze peste con inutul care poate fi re inutţ ţ în solu ie în echilibru cu carbonul, difuzeaz spre centrul lingoului astfel încât, înţ ă zona lichid care limiteaz frontul de solidificare se acumuleaz cantit iă ă ă ăţ importante de carbon şi mai ales de oxigen, suficiente pentru a crea condi iiţ favorabile form rii şi creşterii bulelor de gaz.ă

Dac formarea bulelor este suficient de rapid , viteza lor de creştereă ă dep şeşte viteza de înaintare a frontului de solidificare, dimensiunile buleiă conduc la o for ascensional care învinge adeziunea cu peretele solidificat deţă ă care bula se desprinde şi degajându-se produce “fierberea” o elului înţ lingotier .ă

Dac bula nu creşte suficient de repede aceasta va r mâne prins deă ă ă peretele solidificat dând naştere la o “suflur ”.ă

Prin urmare, adâncimea amplas rii suflurilor primare în lingou esteă determinat direct de raportul dintre viteza de solidificare şi viteza de creştereă a bulelor, ultima fiind reglat , la rândul ei, de intensitatea fierberii o elului după ţ ă turnare, care se exprim prin cantit ile de gaze care se pot forma în timpulă ăţ solidific rii. M sur tori efectuate au ar tat c gazul de reac ie este format dină ă ă ă ă ţ 80 –85% CO şi restul CO2, propor ia de COţ 2 din gaz depinzând de con inutul deţ [C] si [O] al o elului. Bulele de CO şi COţ 2 formate înglobeaz în ele şi o parte dină hidrogenul şi azotul din o el, dar con inuturile acestora sunt sc zute.ţ ţ ă

Factori care influen eaz intensitatea fierberiiţ ă . 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 diagram rezult c la con inuturi mai mari de C (0,15%C) la începută ă ă ţ fierberea este mai pu in intens decât la con inuturi mici de C (0,06) din cauzaţ ă ţ cantit ii insuficiente de oxigen ăţ ([C]*[O]=ct), deci şi cantitatea de gaze rezultată este mai mic . Intensificarea fierberii având loc pe parcursul solidific rii. Acelaşiă ă lucru se întâmpl şi la o elurile cu con inut foarte sc zut de C (0,02%) undeă ţ ţ ă procesul este îngreunat din cauza con inutului prea mic de carbon.ţ

1. Influen a con inutului de Mnţ ţ . Carbonul din o el poate reac iona laţ ţ temperaturi situate aproape de punctul de topire, numai cu oxigenul dizolvat în o el. El nu poate reduce MnO şi cu atât mai mul i produşi de dezoxidare cum arţ ţ fi SiO2 sau Al2O3. Când produsul [C]*[O] scade (formare de gaze, deci reac ia deţ autodezoxidare cu C) se opreşte total sau par ial. Ac iunea dezoxidant aţ ţ ă manganului se manifest pregnant (scade cu creşterea temperaturii), curba deă echilibru [Mn]-[O] se deplaseaz în jos, ajungând sub curba de echilibru [ă C]-[O]. Deşi manganul nu poate dezoxida singur o elul pentru a nu mai fierbe laţ solidificare – are un rol important deoarece regleaz con inutul de [ă ţ O] pentru a limita reac ia lui cu [ţ C] pentru a se putea ob ine un lingou s n tos. Ac iunea deţ ă ă ţ dezoxidare a manganului poate fi scoas în eviden şi din diagrama deă ţă echilibru [O]-[O] peste care se suprapun liniile diagramei [Mn]-[O].

Rezult din figura 11 c la con inuturi mici de C (0,04-0,07%) un con inut deă ă ţ ţ 0,5 Mn poate duce la formarea MnO. Dac se ine cont îns c oxigenul este ună ţ ă ă element care segreg , deci în fa a frontului de solidificare con inutul de [ă ţ ţ O] este

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

Fig. 11. Ac iunea dezoxidant aţ ă Mn şi C

mult mai mare, în timp ce con inutul de [ţ Mn] creşte foarte pu in (Mn nuţ segreg ), rezult c şi con inuturile mici de mangan pot influen a fierbereaă ă ă ţ ţ o elului în lingotier .ţ ă

2. Influen a presiunii.ţ Un factor foarte important pentru fierberea o eluluiţ

în lingotier este presiunea. Produsul ă [ ] [ ]P

CO

K

POC =⋅ care pentru T=16000C şi PCO=1

at are valoare 0,0025. Dar mai corect este [ ] [ ] COPOC ⋅=⋅ 0025,0 deoarece bulele nu se formeaz numai la suprafa a o elului lichid ci şi în adâncime şi trebuieă ţ ţ inut cont de presiunea hidrostatic a coloanei de o el. Astfel la 1m adâncimeţ ă ţ

PCO=1+1*0,7 =1,7 at, iar la 2m adâncime PCO=1+2*0,7 =2,4 at. Cu cât bula se formeaz la o adâncime mai mare, valoarea produsului ă [ ] [ ]OC ⋅ creşte, deci creşte con inutul de [ţ O] în echilibru cu [C], deci reac ia este îngreunat .ţ ă Deoarece MnO rezultat din reac ia de dezoxidare cu Mn nefiind gaz nu esteţ influen at procesul de presiune, rezult c Mn particip mai intens la dezoxidareţ ă ă ă la piciorul lingoului.

Zgura con inut de lingoul de o el este format din materiale refractare cuţ ă ţ ă care o elul vine în contact, zgura din oal , dar mai ales ca rezultat al reac ieiţ ă ţ [Mn] cu [O]. Pentru eliminarea oxizilor care se formeaz în fa a frontului deă ţ solidificare este necesar o agita ie puternic a o elului realizat printr-oă ţ ă ţ ă degajare intens de gaze. Agitarea intens a o elului nesolidificat evit deă ă ţ ă asemenea men inerea în lingou a unor cantit i ridicate de oxigen dizolvat ceeaţ ăţ ce ar duce la o puternic impurificare a o elului cu incluziuni de silica i, oxizi deă ţ ţ crom, de mangan sau aluminiu. De aceea turnarea prin sifon a o elului înţ lingotier la care fierberea o elului este mai pu in intens , este dezavantajoas .ă ţ ţ ă ă

3. Influen a parametrilor turn rii.ţ ă În afar de presiunea bulelor de CO,ă procesul de formare şi îndep rtare a bulelor de CO mai este influen at şi deă ţ presiunea hidrostatic a o elului precum şi de frec rile care au loc între buleleă ţ ă în mişcare şi o el. Aceste dou componente depind de viteza de umplere aţ ă lingotierei. Dac se asigur con inutul de ă ă ţ [O] corespunz tor con inutului de ă ţ [C] şi se toarn o elul cu temperatur joas şi cu vitez de umplere nu prea mare, iară ţ ă ă ă degajarea de bule este timpurie, uniform şi intens . ă ă

Formarea şi îndep rtarea bulelor de CO se produce:ă- la piciorul lingoului în primele minute dup începerea turn rii, dară ă înceteaz repede din cauza creşterii în l imii coloanei de o el;ă ă ţ ţ

- în fa a frontului de solidificare, pe stratul solid cu asperit i, unde o elulţ ăţ ţ este bogat în oxigen şi în elemente care-i scad temperatura de topire, deci unde o elul este lichid, ceea ce uşureaz îndep rtarea;ţ ă ă

Începerea timpurie a fierberii este o condi ie necesar pentru asigurareaţ ă unei zone marginale lipsite de sufluri.

În cazul unei fierberi violente (lingoul spongios ) se poate interveni prin adaos de aluminiu care micşoreaz con inutul de oxigen – practic întâlnit maiă ţ ă ă ales la o elurile moi cu C<0,1% la care baia este de obicei supraoxidat .ţ ă

În cazul o elurilor cu C>0,1% şi cu con inut insuficient de oxigen se folosescţ ţ intensificatori de fierbere ( und r, Naţ ă 2CO3 care prin descompunere pune în libertate CO2 şi fluidificatori pentru zgura format la suprafa a lichidului CaFă ţ 2).

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.

Datorit agit rii (fierberii) o elului în lingotier , ca urmare a degaj rii buleloră ă ţ ă ă de CO, dendritele care tind s creasc sunt f râmi ate şi astfel este împiedicată ă ă ţ ă formarea zonelor II şi III, în locul lor ap rând o zon de fierbere IIă ă f.

Agitarea produs de degajarea de bule de CO produce uniformizareaă temperaturii o elului r mas lichid şi împiedic solidificarea crustei pe capulţ ă ă lingoului. Prin r cirea o elului vâscozitatea acestuia creşte şi degajarea buleloră ţ de CO se face din ce în ce mai greu, ceea ce poate conduce la creşterea o eluluiţ în lingotiere.

Pentru evitarea acestui lucru dup formarea unei cruste suficient de groase,ă lingoul se acoper cu un capac gros de font . În contact cu capacul o elul seă ă ţ solidific brusc oprind degajarea bulelor de gaz. În acelaşi scop se poateă ad uga un capac chimic, format prin ad ugarea pe suprafa a o elului lichid aă ă ţ ţ unui adaos de 0,15 ... 0,20 Kg/t o el de aluminiu pulbere, granule sau lichid. Caţ urmare o elul se calmeaz şi degajarea de bule de CO înceteaz .ţ ă ă

Bulele mici de CO din centrul lingoului se redizolv , iar cele mai mari de laă frontul de solidificare r mân prinse, formând coroana interioar de sufluri.ă ă

În cursul deform rii plastice, suflurile din coroana interioar ca şi cele dină ă coroana exterioar se sudeaz sub presiune, dac crusta marginal are oă ă ă ă grosime suficient de mare (15 ... 20 mm) pentru a nu cr pa. În caz contrar,ă marginile suflurilor ajunse în contact cu aerul se oxideaz şi nu se mai sudeaz ,ă ă indiferent de m rimea for elor de deformare aplicate.ă ţ

3. 6. Solidificarea o elului semicalmatţElaborarea şi dezoxidarea o elului semicalmat trebuie s asigure pentruţ ă

produsul [C]*[O] valori mai mici decât cele corespunz toare echilibrului laă temperatura de solidificare, astfel încât degajarea bulelor de CO s aib locă ă numai în ultima parte a solidific rii, când capul lingoului trebuie închis.ă Degajarea de gaze, astfel limitat , evit formarea golului de contracă ă ţie pe capul lingoului şi permite formarea unui num r mic de sufluri amplasateă preponderent pe capul lingoului. În rest, solidificarea trebuie s aib loc ca laă ă o elul calmat.ţ

Pentru a asigura o structur corespunz toare lingoului este necesar oă ă ă concordan deplin între gradul de dezoxidare, temperatura de turnare şiţă ă viteza de umplere a lingotierei. O dezoxidare prea avansat conduce laă formarea unui gol la cap tul lingoului care nu se sudeaz , iar o dezoxidareă ă insuficient determin defecte de suprafa (solzi) şi defecte interne (sufluriă ă ţă nesudate) care scad calitatea produselor laminate.

Tehnologia de dezoxidarea se adopt func ie de condi iile specifice, dară ţ ţ trebuie inut cont c :ţ ă

1. la con inutul de Mn de 0,40% trebuie avut grij de raportul dintre [ţ ă C] si [Si] pentru c la [ă C]<0,18% dac se asigur [ă ă Si]=0,15-0,17% se ob ine caţ produs de dezoxidare SiO2 şi varia ia con inutului de Mn nu mai conteaz ;ţ ţ ă

2. la con inuturi de Mn cca. 0,5% o varia ie a [Si]=0,10-0,15% este pu inţ ţ ţ mic ;ă

3. la con inuturi de Mn >0,5% varia ia Mn nu mai este critic pentruţ ţ ă dezoxidare – solidificarea fiind influen at numai de [ţ ă C] si [Si].

Dezoxidare corespunz toare se ob ine mai uşor cu aliajul complex SiMnAl.ă ţ

4. Defecte ale semifabricatelor din o elţ4. 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, porozit ile, segrega iile şi incluziunile nemetalice) şi accidentale, care la rândulăţ ţ lor pot fi defecte de suprafa (cr p turile, stropii, scoar ele, înf şur ri aleţă ă ă ţ ă ă crustei) şi defecte interne (liniile de umbr şi fulgii).ă

Cr p turile ă ă apar când solicit rile crustei solidificate dep şesc rezisten a ei.ă ă ţ Principalii factori care influen eaz apari ia cr p turilor sunt: ţ ă ţ ă ă

- construc ia lingotierei – poate provoca accentuarea tensiunilor în crust ;ţ ă- metoda şi parametrii turn rii (vă t , Tt );- propriet ile o elului la temperaturi înalte (contrac ie, plasticitate,ăţ ţ ţ

rezisten ) determinate de compozi ia chimic şi condi iile de turnare.ţă ţ ă ţCr p turile de suprafa sau interne, sunt orientate longitudinal sauă ă ţă

transversal se clasific dup aspect şi condi iile de formare în cr p turi la caldă ă ţ ă ă şi la rece.

Cr p turile la caldă ă – intercristaline - se produc atunci când tensiunile care apar la solidificarea lingoului sunt mai mari decât limita de rupere a o eluluiţ (1350 – 14000C), aproape de punctul solidus sau chiar deasupra punctului real de solidificare, apari ie uşurat de prezen a fazei lichide între ramurileţ ă ţ dendritelor. Ele pot fi orizontale sau verticale.

Cr p turile orizontaleă ă apar dac este frânat contrac ia o elului dup axaă ă ţ ţ ă longitudinal a lingoului. Cauzele frân rii concentra iei frân rii concentra ieiă ă ţ ă ţ zonei I pot fi (Fig. 12):

Fig. 12. Defecte de suprafaţă ale lingoului de oţel

a) defecte ale suprafe ei interioare aţ lingotierei (1);

b) încastrarea lingoului la picior (2), datorită mont rii greşite a pl cii de fund, sauă ă prelucr rii necorespunz toare aă ă suprafe elor de contact;ţ

c) încastrarea lingoului la cap (3) datorită p trunderii o elului lichid între lingotier şiă ţ ă maselotier sau supraturnarea ;ă

d) lovirea violent a crustei de c tre jetul deă ă o el (4);ţ

Cr p turile verticaleă ă (5), se produc de obicei în partea de jos a lingoului şi sunt cauzate de tensiuni produse de presiunea ferostatic aă coloanei de o el lichid în crusta solidificat , de frânarea contrac iei acesteiaţ ă ţ şi de transform rile structurale cu modificare de volum.ă

Probabilitatea de apari ie a cr p turilor este determinat de grosimea peţ ă ă ă care o are crusta marginal în momentul desprinderii ei de pere ii lingotiereiă ţ şi form rii intersti iului. momentul form rii intersti iului este foarte importantă ţ ă ţ deoarece din acest moment transmiterea de c ldur spre exterior se reduceă ă brusc, deci viteza de creştere a crustei solidificate scoate în timp ce

presiunea ferostatic creşte continuu. Tot în acest moment ac ioneaz for eă ţ ă ţ datorit frân rii contrac iei care introduc tensiuni mari în crust .ă ă ţ ă

Dac valoarea tensiunilor din crust este mare şi grosimea crustei esteă ă redus , tensiunile pot dep şi rezisten a o elului la temperatura dată ă ţ ţ ă provocând cr p turi care nu se mai pot suda deoarece suprafa a rupturii seă ă ţ oxideaz în contact cu atmosfera (din intersti iu).ă ţ

Tendin a de deformare a crustei este influen at şi de viteza deţ ţ ă deformare a crustei într-o perioad dat .ă ă

Astfel, dac ăi

si

def

kv

lv

ττ ⋅=>∆=

2 apari ia cr p turilor este uşurat de fazaţ ă ă ă

lichid r mas între cristale care cresc marginile cr p turilor care apar înă ă ă ă ă intervalul de temperatur 1350 – 1400ă 0C sunt rotunjite.

Dac ă sdef vv < , solidificarea cuprinde şi faza interdendritic , iar cr p turileă ă ă pot fi intracristaline – forma cr p turilor este complicat , cu muchii ascu ite.ă ă ă ţ

Deforma ia primelor straturi de metal solidificat nu se realizeazţ ă neuniform pe lungimea acestora, accentuându-se în zonele mai sub iri aleţ crustei. Aceasta explic sensibilitatea lingourilor fa de apari ia cr p turiloră ţă ţ ă ă în func ie de configura ia lingotierei, temperatura o elului, viteza de turnare,ţ ţ ţ hidrodinamica o elului lichid în timpul turn rii (func ie de metoda deţ ă ţ turnare).

La lingourile plate formarea intersti iului are loc mai întâi pe laturile mici,ţ pe laturile mari desprinderea începe de la col uri. La mijlocul laturii crustaţ r mâne un timp mai îndelungat în contact cu lingotiera. Zona de crustă ă desprins este supus la întindere şi încovoiere, care conduce la momenteă ă ce dau tensiuni în crust definite pe sec iune.ă ţ

Dac crusta nu s-a îndep rtat complet de latura mare a lingotierei şi înă ă

intervalul de timp iτ consider ăi

si

d

kv

lv

ττ ⋅=>∆=

2 atunci pe por iunile deţ

crust adiacente col urilor pot ap rea cr p turi. Dup desprinderea completă ţ ă ă ă ă ă a crustei se pot forma cr p turi transversale pe laturile mari ale lingoului înă ă func ie de vţ d şi vs.

Pentru a evita formarea cr p turilor este necesar ca grosimea crustei deă ă o el solidificat la sfârşitul turn rii s fie mai mare decât o valoare critic .ţ ă ă ă

Considerând constanta de solidificare k ca o func ie a raportului întreţ

perimetrul P şi suprafa a sec iunii transversale a lingoului S, ţ ţS

Pkk ⋅= ' şi

timpul de turnare tv

SH γτ ⋅⋅= atunci grosimea stratului solidificat este:

tt v

H

S

Pk

v

SH

S

Pkk ⋅=⋅⋅⋅⋅=⋅= ''0' γτδ [m] (18)

Probabilitatea de apari ie a cr p turilor ţ ă ă 2121 δξ H

kvP

Sk t ⋅=⋅⋅= arat :ă

- influen a formatului lingotierei (probabilitatea creşte odat cuţ ă creşterea sec iunii S şi scade când perimetrul P creşte);ţ

- grosimea crustei marginale δ ;- viteza de turnare;

Concluzii

Pentru a împiedica formarea cr p turilor se urm reşte creştereaă ă ă caracteristicilor mecanice ale o elului la temperaturi mari. Caracteristicileţ depind de marca de o el, tehnologia de elaborare şi turnare, intensitatea deţ r cire. De asemenea sc derea tensiunilor în crusta solidificat prin alegereaă ă ă unei configura ii ra ionale a lingotierei care s asigure creşterea grosimiiţ ţ ă crustei marginale δ la momentul desprinderii şi o anumit succesiune deă desprindere a diferitelor por iuni de creast care asigur momente deţ ă ă încovoiere şi tensiuni sc zute.ă

Deforma ia primelor straturi de o el solidificat se repartizeaz neuniformţ ţ ă pe lungimea acestora, concentrându-se în zonele sub iri ale crustei.ţ

Apar când condi iile de turnare şi solidificare nu asigur formarea uneiţ ă cruste groase şi rezistente, cum ar fi: temperatura de turnare înalt , vitezaă de umplere prea mare, configura ia lingotierei (pere ii lingotierei preaţ ţ sub iri), hidrodinamica jetului, metoda de turnare. Lingourile mari se toarnţ ă de obicei în lingotiere poligonale, care asigur formarea unei crusteă rezistente.

Lingotiere cu sec iune dreptunghiularţ ă - formarea intersti iului areţ loc mai întâi pe laturile mici, iar pe laturile mari desprinderea crustei solidificate începe de la col uri la mijlocul laturii, aceasta r mânând un timpţ ă mai îndelungat în contact cu lingotiera. Cr p turile apar pe por iunile deă ă ţ crust adiacente col urilor.ă ţ

Hidrodinamica mişc rii o elului în lingotier .ă ţ ăStudii pe modele au ar tat c viteza de turnare influen ează ă ţ ă

hidrodinamica mişc rii o elului în lingotier în timpul turn rii, respectiv zonaă ţ ă ă de amplasare şi viteza curen ilor de recircula ie în o el, care sp lând zonaţ ţ ţ ă solidificat şi aducând o el cald în contact cu crusta solidificat fac ca înă ţ ă aceast zon grosimea crustei solidificat s fie minim (difer de metoda deă ă ă ă ă ă turnare).

Fig. 13 Sec iunea critic laţ ă turnarea indirectă

La turnarea indirectă liniile de curent ale jetului îşi p streaz caracterul liniară ă numai pe o por iune aţ traiectoriei pân la o în l ime şiă ă ţ sec iune critic dup care jetulţ ă ă se desface şi formeaz curen iă ţ de recircula ie de sens contrarţ jetului. Distan a pe care auţ intensitatea maxim fiind deă 1/3 din în l imea la care seă ţ formeaz sec iunea critic . (Fig.ă ţ ă 13)

Probabilitatea maxim de apari ie a cr p turilor este zona sec iuniiă ţ ă ă ţ critice unde aceasta este minim . ă

În l imea zonei critice, hă ţ c:

α 20

tg

dDhc ⋅

−= (19)

unde D este diametrul lingotierei;

Viteza curen ilor de recircula ie, Wţ ţ c: (Efimov)

.lg

0035,2

t

cS

WdW

⋅⋅= , m rimea Wă c=f(W0) (20)

La turnarea prin sifon zona de recircula ie intens este fix şi amplasatţ ă ă ă spre piciorul lingoului, crusta marginal este sub ire chiar acolo unde suportă ţ ă presiunile ferostatice cele mai mari.

Fig. 14 Curen ii deţ recircula ie la turnarea de sus aţ o elurilorţ

La turnarea directă primele por ii de o el lichid lovesc la intrarea înţ ţ lingotier placa de baz a acesteia şi în continuare jetul p trunde în stratulă ă ă de o el lichid. Jetul îşi p streaz pe o por iune forma sa conic , sec iuneaţ ă ă ţ ă ţ crescând pân la o valoare critic dup care se reduce treptat. ă ă ă

Din cauza rezisten ei stratului de o el lichid din lingotier liniile de curentţ ţ ă îşi pierd controlul liniar şi primesc o devia ie opus celei ini iale. Astfel seţ ă ţ nasc curen i de recircula ie care spal frontul de solidificare, viteza maximţ ţ ă ă a acestora înregistrându-se în zona diametrului critic al jetului unde sec iunea de circula ie ale curen ilor este minim . Datorit curen ilor deţ ţ ţ ă ă ţ recircula ie se m reşte aportul de c ldur la contactul cu frontul deţ ă ă ă solidificare. (Fig. 14)

În l imea zonei de recircula ie, hă ţ ţ c:

g

Whc ⋅

⋅=

2

20

60

35,0, [m] (21)

Viteza curen ilor de recircula ie, Wţ ţ c:

⋅⋅−⋅

⋅⋅⋅=

t

c

cc

S

had

WhaW

lg

2

0

0

361

44,4

, [m/min] (22)

unde: 034 , 2

3,0 ≅⋅= ααtga

Din aceste rela ii rezult c în condi ii egale de turnare, ac iunea jetuluiţ ă ă ţ ţ asupra crustei este propor ional cu hţ ă c care depinde de W0. Creşterea lui W0

duce la creşterea lui Wc şi a lui hc. Deci va creşte şi por iunea pe care ţ δ este sub ire.ţ

Faptul c zona de maxim turbulen este mobil urcând odat cuă ă ţă ă ă creşterea nivelului o elului din lingotier constituie un avantaj pentruţ ă turnarea direct .ă

Probabilitatea mai mare de apari ie a cr p turilor o întâlnim la o elurileţ ă ă ţ turnate cu temperatur de turnare mare, cu viteza de turnare mare, laă turnarea prin sifon a lingourilor cu sec iune şi în l ime mare şi rotunde sauţ ă ţ cu muchii drepte.

Din punct de vedere al compozi iei chimice o sensibilitate mare laţ cr pare o au o elurile nealiate, calmate, cu ă ţ [C]>0,35%, cu interval mare de solidificare, aliate cu [C] = 0,4 – 0,6%, cu tendin mare de transcristalizareţă (aliate cu Cr, Ni, Si), cu concentra ie mare (Mn, 12 – 14%).ţ

Pentru a combate cr p turile verticale şi orizontale trebuie avute înă ă vedere urm toarele:ă

- creşterea grosimii pentru zona I şi sc dere pentru zona II;ă- sc derea temperaturii de turnare şi a vitezei de umplere;ă- sc derea con inutului de S, P, Hă ţ 2, N2;- sc derea procentului de incluziuni nemetalice, deci sc dereaă ă con inutului de [ţ O], [N], dezoxidarea cu Al, Ti, Zr, V, B pentru a ob ineţ incluziuni de dimensiuni mici şi pu ine;ţ

- folosirea de lingotiere cu pere i groşi, scunde, cu pere i ondula i, laturiţ ţ ţ conexe, corect prelucrate şi unse.

Stropii şi scoar aţ . La turnarea direct apari ia lor este favorizat de un jet înclinat,ă ţ ă

împr ştiat, cu energie cinetic mare, de viteza mare de oxidare a o elului.ă ă ţÎnf şur rile (suduri reci)ă ă Se formeaz de regul la turnarea în sifon şi sunt favorizate deă ă

temperatura joas a o elului lichid, viteza de turnare prea mic , deă ţ ă preg tirea necorespunz toare a lingotierei (necur ate, f r lubrifian i). Peă ă ăţ ă ă ţ suprafa a o elului se formeaz o crust solidificat , bogat în oxizi proveni iţ ţ ă ă ă ă ţ din incluziunile nemetalice decantate, dar mai ales din oxidarea o elului de laţ suprafa , care ader la pere ii lingotierei. Pe m sur ce o elul urc înţă ă ţ ă ă ţ ă lingotier şi preseaz asupra crustei, aceasta se rupe şi este înglobat înă ă ă o elul lichid, r mânând prins în lingou. Crustele fiind oxidate, nu se sudeazţ ă ă ă în timpul deform rii plastice, conducând la cr parea sau chiar rupereaă ă lingoului în timpul lamin rii.ă

Înf şur rile crustei au loc frecvent la o elurile vâscoase (aliate cu Mn, Si,ă ă ţ Cr, Al, Ti). Când viteza de turnare este suficient de mare, crusta va fi presată de pere ii lingotierei. Dac crusta format rezist presiunii o elului lichid f rţ ă ă ă ţ ă ă a se rupe, pe suprafa a lingoului apar „ondula ii”.ţ ţ

Dac viteza de turnare este prea mic , crusta format este ca o carcasă ă ă ă rigid , care nu rezist presiunii o elului, va fi str puns , o elul lichid oă ă ţ ă ă ţ “îmbrac ” formând defectul numit “înf şurare”. Dac temperatura deă ă ă turnare este prea joas , sau intensitatea r cirii oglinzii o elului pă ă ţ rea mare, stratul exterior al meniscului se va durifica rapid, îi scade plasticitatea, crusta se rupe şi o elul lichid p trunde între crust şi peretele lingotierei. ţ ă ă

M surile tehnologice care pot fi adoptate pentru evitarea form rii deă ă înf şur ri sunt:ă ă- turnarea la temperaturi înalte şi viteze suficient de mari, pân la limitaă evit rii apari iei altor defecte cum ar fi cr p turile;ă ţ ă ă

- ungerea cu lubrifian i a pere iţ ţ lor lingotierei;- folosirea unor fondan i şi prafuri termoizolante care s formeze o zgurţ ă ă lichid pe oglinda o elului;ă ţ

- utilizarea unor rame de lucru care s urce odat cu o elul în lingotier şiă ă ţ ă care s nu permit crustei s se apropie de pere ii lingotierei la maiă ă ă ţ pu in de 30 mm;ţ

- ad ugarea de aluminiu pe fundul lingotierei sau imediat după ă deschiderea orificiului oalei la turnarea direct .ă

Bavurile se formeaz de obicei la rostul dintre maselotier şi lingotiereă ă sau lingotiere şi pl cile de fund, fiind favorizate de:ă

- preg tirea acestora necorespunz toare (prelucrare neplan );ă ă ă- o el foarte cald şi cu fluiditate foarte mare.ţ4. 2. Defecte interneDefectele interne ale lingourilor de o el se clasific la rândul lor în defecteţ ă

inerente (retasuri, pentru o elurile calmate şi semicalmate, sufluri pentruţ o elurile necalmate şi semicalmate, segrega ii, incluziuni, nemetalice) şiţ ţ defecte accidentale ( fulgi, porozit i, linii de umbr ).ăţ ă

Retasurile sunt goluri de contrac ie a o elului în stare lichid înţ ţ ă lingotier . Apari ia lor este determinat de diferen a de volum dintre volumulă ţ ă ţ aliajului lichid la turnare şi volumul solidului la temperatura de solidificare.

Contrac ia în stare lichid are loc în timp ce temperatura o elului scadeţ ă ţ de la temperatura de turnare Tt, la temperatura lichidus Tl.

Valoarea contrac iei volumetrice în stare lichid se poate calcula cuţ ă rela ia:ţ

)(T t11 lT−= αε (23)Deoarece temperatura lichidus r mâne aproape constant pentru oă ă

marc de o el, m rimea contrac iei volumetrice în stare lichid depinde deă ţ ă ţ ă

coeficientul de contrac ie ţ 1α şi de temperatura de turnare Tt. Coeficientul de

contrac ie ţ 1α depinde de propor ia de gaze degajate, de compozi ia chimicţ ţ ă a o elului şi de mişc rile o elului lichid în lingotier în timpul r cirii. Varia iaţ ă ţ ă ă ţ coeficientului de contrac ie volumetric în stare lichid ţ ă ă 1α , depinde foarte mult de con inutul de carbon, ţ 1α creşte cu creşterea con inutului de Si, Mn şiţ P şi scade cu creşterea con inutului de Cr şi Al.ţ

Contrac ia volumetric în intervalul de solidificare este determinat deţ ă ă schimbarea st rii de agregare, când atomii se aranjeaz în re ea, deă ă ţ creşterea brusc a con inutului de gaze, de reac ii şi de difuzie.ă ţ ţ

Contrac ia volumetric în intervalul de solidificare ţ ă dε este dat de rela ia:ă ţ)(T l sdd T−= αε (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. Varia ia contrac iei cu con inutul de carbonţ ţ ţ

Pentru diminuarea contrac iei trebuie avute în vedere urm toarele:ţ ă

- folosirea vidului sau barbotarea cu gaze inerte a o elului în oala deţ turnare pentru micşorarea con inutului de gaze;ţ

- conducerea corect a afin rii şi a dezoxid rii;ă ă ăCele dou tipuri de contrac ie determin formarea retasurii la cap tulă ţ ă ă

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

Mecanismul form rii retasurii.ă Modul de formare a retasurii într-un lingou f r maselotier difer de la lingotier invers conic la cea conic (Fig.ă ă ă ă ă ă ă 16)

În cursul r cirii o elului în lingotier , concomitent cu formarea unui strată ţ ă solid dx în timpul τd are loc, datorit contrac iei şi o coborâre a niveluluiă ţ suprafe ei libere a o elului cu o valoare ţ ţ dy, în l imea coloanei de o elă ţ ţ devenind y. Acest proces continu pe m sur ce solidificarea avanseaz spreă ă ă ă centrul lingoului şi de la picior spre cap. La sfârşitul solidific rii rezult un golă ă de contrac ie R – denumit retasura principal pe în l imea h, iar în cazurileţ ă ă ţ lingourilor direct conice cu conicitate mare, apare şi un gol de contrac ieţ secundar r – denumit retasur secundar .ă ă

Apari ia retasurii nu poate fi evitat , dar pot fi influen ate volumul,ţ ă ţ întinderea şi pozi ia acesteia în lingoul de o el. Retasura poate lua în lingouţ ţ forme şi pozi ii variate (Fig. 17).ţ

Volumul retasurii şi adâncimea ei variaz cu dimensiunile lingoului, cuă forma şi configura ia lingotierelor, cu calitatea o elului şi metoda de turnareţ ţ adoptat . Astfel, în lingourile cu raportul H/Dă m mic, retasura este larg şiă pu in adâncit , în timp ce la lingotierele înalte şi cu sec iune mic , retasuraţ ă ţ ă este îngust şi adânc . Lingotierele cu pere i groşi şi calde se r cesc încetă ă ţ ă dup formarea zonei I de solidificare şi deplaseaz retasura spre capulă ă lingoului, în timp ce lingotierele cu pere i sub iri şi reci favorizeaz formareaţ ţ ă retasurii filiforme, îngust şi adânc .ă ă

Creşterea temperaturii de turnare şi a vitezei de umplere m resc volumulă şi adâncimea retasurii aşa cum arat curba 2 din fig. 3 fa de curba 1ă ţă corespunz toare unor valori mici pentru Tă t şi vt.

Fig. 16. Mecanismul form riiă retasurii

Fig. 17. Formarea golurilor de contracţie la solidificare

M surile pentru restrângerea retasurii şi amplasarea ei favorabil înă ă capul lingoului, difer dup cum o elul este calmat sau necalmat. Astfel, laă ă ţ o elul calmat se folosesc lingotiere invers conice, cu maselotiere bine izolateţ termic, uscate şi calde. Se recomand turnare direct , deoarece ultimeleă ă por iuni de o el lichid turnat au posibilitatea complet rii golului de contrac ieţ ţ ă ţ deja format.

În cazul turn rii în sifon, când condi iile sunt mai pu in favorabile şi o elulă ţ ţ ţ cald p trunde la piciorul lingoului, pe lâng m surile men ionate mai înainteă ă ă ţ este necesar pomparea (întreruperea şi reluarea turn rii) pentru a micşoraă ă pericolul form rii retasurii secundare.ă

În lingoul de o el necalmat, retasura poate lipsi în totalitate (fierbereţ slab ) sau se poate forma şi p trunde pân la 10% din în l imea lingouluiă ă ă ă ţ dac fierberea este prea puternic de la început şi cea mai mare parte dină ă bulele de gaz ies din o el.ţ

Dac îns acoperirea cu substan e chimice se face foarte târziu, seă ă ţ adaug Al dup 10 ... 15 min dup terminarea turn rii, când fierbereaă ă ă ă înceteaz brusc, retasura fiind format din goluri izolate care p trund pân laă ă ă ă 50% din în l imea lingoului.ă ţ

Porozit ileăţ apar între grupe de dendrite sau la limita cristalelor primare, unde r mân por iuni de o el lichid care se contract producândă ţ ţ ă goluri mici, înguste, pline cu gaze în care nu mai poate intra o elul lichid. Înţ consecin , porozit ile sunt microretasuri care apar mai frecvent în centrulţă ăţ lingoului şi mai ales în apropierea retasurii.

Porozitatea din centrul lingoului este mai pronun at dac raportul H/Dţ ă ă m

este mare, dac temperatura de turnare este înalt , dac o elul con ineă ă ă ţ ţ elemente care m resc domeniul de solidificare şi dac se îndep rteaz preaă ă ă ă repede maselotiera (atunci centrul lingoului se solidific brusc, nu succesiv).ă

În procesul de deformare plastic la cald, golurile din centrul lingoului seă sudeaz total sau în mare parte la o elul necalmat. Cele care nu se sudează ţ ă reprezint un defect care înr ut eşte propriet ile o elului.ă ă ăţ ăţ ţ

Suflurile sunt goluri datorate degaj rii gazelor în timpul solidific rii, fiindă ă inerente la lingoul de o el necalmat şi reprezint discontinuit i în masaţ ă ăţ lingoului. Pozi ia şi repartizarea lor este strâns legat de modul cum decurgeţ ă degazarea ca şi de raportul care exist între vitezele de solidificare şi deă formare a bulelor de CO.

Primele bule de CO apar pe suprafa a interioar a crustei care seţ ă formeaz la începutul procesului de solidificare, aici existând condi iileă ţ optime pentru germinare şi anume, suprafa neregulat şi subr cire local .ţă ă ă ă Aceasta se ridic spre capul lingoului contribuind la uniformizareaă temperaturii în lingou şi la îndep rtarea excesului de Hă 2 şi N2 peste cel care poate fi re inut în solu ie în echilibru la temperatura respectiv .ţ ţ ă

Dac degajarea bulelor este intens şi o elul se mişc pe vertical cuă ă ţ ă ă vitez mare, bulele vor fi antrenate de-a lungul stratului solidificat şiă eliminate.

Dac degajarea de bule este mai slab , dar bulele cresc ceva mai repedeă ă decât grosimea stratului solidificat, periodic acestea se pot sparge şi în mersul lor ascendent, atâta timp cât o elul este fluid vor antrena şi o parte aţ gazului din golul înconjurat de o el solidificat.ţ

Când viteza de avansare a frontului de solidificare este mai mare decât viteza de formare şi creştere a bulelor, acestea vor r mâne prinse sub formă ă de sufluri în o elul lichid.ţ

Sec ionând un lingou de o el necalmat, în structura acestuia se distingţ ţ urm toarele zone caracteristice:ă

a) crusta marginal care cuprinde:ă•zona cu grosimea de 1 – 2 mm con inând sufluri şi fisuriţ

superficiale datorate defectelor locale ale pere ilor lingotierei;ţ•zona f r sufluri, dens , a c rei grosime variaz în func ie deă ă ă ă ă ţ

condi iile de solidificare şi de degajare a gazelor, la o fabrica ieţ ţ normal aceast grosime fiind de ordinul a 15 mm;ă ă

b) zona suflurilor marginale, alungite sau coroana exterioar deă sufluri, cu o grosime de 30 – 70 mm, formate în urma înr ut iriiă ăţ condi iilor de degajare ca urmare a creşterii vâscozit ii o elului şiţ ăţ ţ presiunii ferostatice, bulele de CO a c ror formare sl beşte r mânândă ă ă prinse de proeminen ele de la frontul de solidificare şi crescând odat cuţ ă avansarea acestuia;

c) zona suflurilor secundare, de form globular sau coroanaă ă interioar de sufluri care marcheaz limita dintre zona de fierbere şiă ă miezul lingoului fiind amplasate de regula în apropierea centrului lingoului spre partea superioar .ă

d) zona central care con ine sufluri rotunde, mari şi mici,ă ţ r spândite neregulat, mai pu in în partea de mijloc şi mai mult de cap tulă ţ ă lingoului, sufluri care se produc din momentul punerii sau form riiă capacului;Pentru a nu se transforma în defecte care s conduc la rebutareaă ă

produsului deformat plastic, coroana exterioar de sufluri trebuie s seă ă formeze sub o crust marginal compact cu o grosime de cel pu in 25 mm.ă ă ă ţ Dac crusta marginal este prea sub ire, exist pericolul ca în timpulă ă ţ ă deform rii plastice acesta s crape, marginile suflurilor se oxideaz înă ă ă contact cu aerul şi ele nu se mai sudeaz şi produsele prezint la suprafaă ă ţă exfolieri, rupturi sau cr p turi. Sunt periculoase şi suflurile din centrulă ă lingoului, care pot r mâne nesudate mai ales dac coroiajul este mai mic sauă ă laminorul, presa sau ciocanul de forj sunt prea slabe.ă

Pozi ia suflurilor în lingou şi comportarea lor la laminare şi forjareţ influen eaz propor ia de produse bune şi comportarea pieselor fabricate dinţ ă ţ acestea. Dac suflurile marginale se g sesc la o adâncime mic fa deă ă ă ţă suprafa , crusta care le acoper se poate rupe la prelucrarea prinţă ă deformare a lingoului, pere ii suflurilor se oxideaz şi deci nu se mai sudeazţ ă ă iar piesele vor prezenta la suprafa defecte grave (exfolieri, ruperi,ţă cr p turi).ă ă

De asemenea, dac laminorul, presa sau ciocanul sunt slabe sau coroiajulă este mic, suflurile din interiorul lingoului pot r mâne nesudate reprezentândă discontinuit i în produs. Dac prin aşchiere vor fi scoase la suprafa , eleăţ ă ţă vor ac iona ca amorse la ruperea pieselor.ţ

Unul din obiectivele principale ce trebuie urm rite în cursul elabor rii şiă ă turn rii este asigurarea unei zone lipsit de sufluri de o grosime suficient ,ă ă ă grosime care trebuie s fie cu atât mai mare cu cât lingoul este mai mare,ă valoarea minim fiind de cca 10 mm.ă

Amplasarea coroanei marginale de sufluri depinde de condi iile deţ elaborare, turnare şi solidificare, deci de con inutul de carbon, de gradul deţ calmare (dezoxidare) a o elului, de valorile parametrilor turn rii,ţ ă

temperatura de turnare Tt şi viteza de umplere vu şi de raportul H/Dm al lingotierei.

Modul în care este condus elaborarea influen eaz în mare m sură ţ ă ă ă procesul de fierbere a o elului în lingotier şi degajarea de gaze care practicţ ă este controlat în întregime de desf şurarea reac iei dintre ă ă ţ [ ]C şi [ ]O din o elţ (analizele de gaz prelevat în timpul fierberii o elului în lingotier au ar tat cţ ă ă ă ponderea CO+CO2 în acestea este de peste 90%, con inuturile de Nţ 2 şi H2

reprezentând < 5% şi respectiv < 2,5%).De aceea, la evacuarea din cuptor o elul trebuie s aib un anumit gradţ ă ă

de oxidare care se asigur atât prin con inutul de carbon, cât şi prină ţ compozi ia zgurii (con inutul de (FeO) şi bazicitate). ţ ţ

Astfel, la o bazicitate a zgurii CaO/SiO2 >=2,5 se recomand la o elurileă ţ necalmate ca ∑ tFeO)( s fie:ă

∑ tFeO)( =15 – 21% când [ ]C > 0,10%

∑ tFeO)( =17 – 21% când [ ]C <0,10%

Deoarece în condi ii normale de elaborare creşterea con inutului de ţ ţ [ ]C este înso it de sc derea con inutului de ţ ă ă ţ [ ]O , pentru a se asigura condi iileţ de fierbere, con inutul de ţ [ ]C în o elul necalmat se limiteaz la 0,25%, însţ ă ă foarte rar el dep şeşte 0,20%.ă

De asemenea, s-a ar tat c în afar de o dezoxidare prea avansată ă ă ă (con inut prea mic de ţ [ ]O şi o decarburare prea avansat conduce laă formarea unei cantit i mici de gaze (este insuficient carbonul), deci oăţ fierbere insuficient şi la o amplasare nefavorabil a suflurilor marginale. Deă ă aceea, o elurile necalmate trebuie s aib con inutul de ţ ă ă ţ [ ]C >=0,04%.

Factorul principal pentru formarea şi amplasarea suflurilor r mâne gradulă de calmare a o elului ţ cη exprimat de rela ia:ţ

[ ] [ ] [ ]AlSiMnc %90%2,5% ++=ηValoarea lui se fixeaz func ie de o el şi de diametrul înscris al sec iuniiă ţ ţ ţ

lingoului. Gradul de calmare trebuie s creasc liniar cu suprafa a lingoului.ă ă ţ Astfel, pentru un o el necalmat con inând ţ ţ [ ]C < 0,15%, [ ]Si = 0 şi [ ]Al = 0,0015%, gradul de calmare trebuie s cresc pu in cu m rimea lingoului şiă ă ţ ă s aib valori între liniile 1 şi 2, ceea ce constat prin varierea con inutuluiă ă ă ţ de mangan în limitele admise pentru acest o el. (figura 18, b)ţ

Dac prin elaborare s-a realizat un raport corect între con inuturile deă ţ [ ]C şi [ ]O şi supraînc lzirea ă ( )T∆ corespunde limitei inferioare, iar cη mediei liniilor 1 şi 2, degajarea de gaze începe intens imediat dup formarea zonei Iă (care este groas ) şi continu uniform un timp destul de lung pân laă ă ă aşezarea capacului pe capul lingoului (figura 18, a) unde presiunea ferostatic este mai mic , deci degajarea de bule este uşurat .ă ă ă

Volumul o elului creşte pu in pân la sfârşitul solidific rii, contrac iaţ ţ ă ă ţ o elului este compensat de suflurile interioare şi capul lingoului este drept.ţ ă

Dac supraînc rcarea la turnare este mare, fierberea o elului devine dină ă ţ ce în ce mai agitat , zona I şi stratul solidificat pân la coroana marginal deă ă ă sufluri sunt sub iri, iar închiderea capului lingoului cu capac este dificil . Înţ ă acest caz, capul lingoului este crescut şi deci şutajul la laminare este mai mare. Dac gradul de supraînc lzire este la limita superioar , fierberea esteă ă ă prea puternic şi chiar dac se adaug aluminiu de la început, adâncimea laă ă ă care se afl suflurile este atât de mic (7 ... 15mm) încât la deformareaă ă plastic suflurile se deschid, dând naştere la fisuri longitudinale. Dacă ă supraînc lzirea dep şeşte limita superioar , o elul începe s fiarb puternică ă ă ţ ă ă înc din timpul turn rii, când o elul a atins 35 ... 50% din în l imeaă ă ţ ă ţ lingotierei. În acest caz, capul lingoului nu mai poate fi închis cu capac de font , zona IV se întinde pân aproape de capul lingoului, zona V esteă ă restrâns , zona II-f este întins , zona I este foarte sub ire, încât se producă ă ţ cr p turi longitudinale la cald foarte uşor şi lingourile sunt considerate rebut.ă ă

Dac valoarea gradului de calmare, ă cη , se apropie de linia 2 (figura 18, b), datorit unui adaos prea mare de aluminiu, sau când feromanganulă pentru predezoxidare se adaug în vasul de turnare şi con ine peste 1% Si,ă ţ fierberea începe târziu şi cu o slab degajare de bule, uniformizareaă temperaturii este insuficient şi o elul este vâscos mai ales dac şi con inutulă ţ ă ţ de mangan este mare. În acest caz, coroana marginal de sufluri esteă aproape de suprafa şi se întinde pân la cap tul lingoului (figura 18, c).ţă ă ă Degajarea de gaze urc greu în o el, al c ror volum creşte şi deci şi capulă ţ ă

Fig. 18. Amplasarea suflurilor în lingoul de oţel necalmat

lingoului este bombat, iar zona de la coroana interioar de sufluri pân înă ă centrul lingoului este plin de sufluri. Acelaşi lucru se întâmpl şi când esteă ă insuficient oxigen în compara ie cu con inutul de ţ ţ [ ]C , con inut care trebuieţ reglat prin adaos de intensificatori de fierbere, adic materiale cu purt toriă ă de oxigen.

Pentru valori ale gradului de calmare, cη , în lungul liniei 1 şi pu inţ deasupra acesteia, fierberea este intens de la început şi se men ine intensă ţ ă timp îndelungat. În acest caz, coroana marginal practic lipseşte, ea aflându-ăse doar la piciorul lingoului, coroana interioar de sufluri este amplasată ă adânc sub suprafa a lingoului, iar în centru se g sesc pu ine sufluri rotundeţ ă ţ spre cap tul lingoului, formate dup acoperirea cu capac (figura 18, d).ă ă

Dac nu se acoper cu capac, capul lingoului creşte ca o conopid şiă ă ă centrul este plin de sufluri (figura 18, d1 – acoperit, d2 – neacoperit).

Pentru valori ale gradului de calmare, cη , sub linia 1, con inutul de oxigen,ţ [ ]O , este foarte mare în raport cu cel de carbon, [ ]C , supraoxidarea este puternic , încât raportul ă [ ]C / [ ]O se apropie de cel stoechiometric din CO. În acest caz se formeaz bule de CO în tot volumul lichid, fierberea începeă vehement, temperatura este aproximativ egal continuu, volumul o eluluiă ţ creşte mult, solidificarea nu mai are loc progresiv şi capul lingoului nu poate fi închis cu capac. O elul fierbe pân când atinge temperatura de solidificare,ţ ă când acesta are loc brusc, formându-se sufluri rotunde în toat masaă lingoului, care este ca un fagure, cu o crust marginal foarte sub ire (figuraă ă ţ 18, e). Înaintea termin rii solidific rii, din partea superioar a lingoului scapă ă ă ă brusc bule de gaze, o elul lichid coboar puternic şi se solidific , lingoulţ ă ă având capul în form de carâmb. Astfel de lingouri sunt rebutate.ă

Pentru o eluri cu acelaşi grad de calmare şi con inut sc zut de ţ ţ ă [ ]C , adâncimea la care se formeaz coroana marginal de sufluri creşte cuă ă sc derea vitezei de umplere (figura 19).ă

Bulele de gaz care formeaz suflurile con in circa 80% CO şi 20% COă ţ 2 şi H2.

În cazul o elurilor semicalmat, dac gradul de calmare, ţ ă cη , corespunde liniei 2 (figura 18, b) lingoul prezint o coroan marginal de sufluri aproapeă ă ă de suprafa (figura 18, a) şi capul lingoului este bombat.ţă

Dac gradul de calmare este pu in peste linia 2, în locul sufluriloră ţ marginale apar numai mici pori, la adâncime destul de mare, încât produsele laminate au suprafa neted .ţă ă

Când gradul de calmare se apropie de linia 3 (o el prea dezoxidat), seţ formeaz sufluri numai pe capul lingoului în jurul retasurii care esteă

Fig. 19. Varia ia grosimii crusteiţ marginale func ie de viteza deţ

umplere

incomplet format (figura 18, b) dac dezoxidarea se face cu Si şi Al sau esteă ă bine format (figura 18, c) dac se dezoxideaz numai cu Al. În ambeleă ă ă cazuri capul lingoului este drept.

Pentru o elurile semicalmate se recomand un grad de calmare cu valoriţ ă medii între liniile 2 şi 3 (figura 20), o r cire rapid (lingouri mici) sauă ă solidificare sub presiune (lingotiere cu cap butelie).

Influen a con inutului de mangan.ţ ţ Influen eaz negativ intensitateaţ ă de fierbere a o elului nu numai prin faptul c elimin o cot de oxigen de laţ ă ă ă reac ia cu carbonul ci şi prin faptul c prin oxidarea sa se formeaz pe capulţ ă ă lingoului o zgur vâscoas , cu temperatur înalt de topire (40 – 70% MnO)ă ă ă ă care frâneaz eliberarea bulelor de gaz şi trebuie s fie fluidificat sauă ă ă îndep rtat în timpul fierberii (situa ia este cu atât mai dezavantajoas laă ă ţ ă turnarea pe jos, în zgur fiind antrenate şi cantit i de SiOă ăţ 2 din refractare).

De aceea şi con inutul de ţ [ ]Mn în o elul necalmat se limiteaz la 0,50%,ţ ă de regul nedep şind 0,40%.ă ă

Influen a con inuturilor de ţ ţ [ ]C şi [ ]Mn asupra amplas rii coroaneiă marginale de sufluri – exprimat prin grosimea crustei ă δ f r sufluri esteă ă ar tat în figurile 20.ă ă

Fig. 20. Amplasarea suflurilor în lingoul de o el semicalmatţ

Influen a con inutului de sulf. ţ ţ Influen eaz negativ intensitatea fierberii prinţ ă aceea c m reşte vâscozitatea o elului. Totodat fiind un element superficial activă ă ţ ă se concentreaz la zonele unde ar trebui s aib loc reac ia de decarburare.ă ă ă ţ Influen a sulfului este mai important pentru segregare.ţ ă

Influen a temperaturii de turnareţ ca factor separat este greu de scos în eviden experimental deoarece antreneaz o serie de factori contradictorii,ţă ă influen a fiec ruia dintre aceştia putând fi preponderent într-un caz particular. Deţ ă ă exemplu creşterea temperaturii de turnare m reşte solubilitatea oxigenului şiă gazelor în o el, dar în acelaşi timp scade num rul germenilor de cristalizare ceeaţ ă ce determin întârzierea solidific rii şi reducerea posibilit ilor de generare aă ă ăţ bulelor de gaz.

Influen a vitezei de umplere a lingotierei. ţ Creşterea ei determin crştereaă rapid a presiunii ferostatice exercitat de coloana de o el lichid şi deci atingereaă ă ţ

mai devreme a valorii presiunii critice (γσ2

+= hcr pP ) la care nu se mai poate

forma nici o bul de gaz.ăÎnlocuind în rela ia lui Field care d grosimea stratului de o el solidificat înţ ă ţ

func ie de timp: ţ τδ ⋅= k valoarea timpului scoas din expresia care d creştereaă ă presiunii statice a o elului în lingotier în func ie de vţ ă ţ u:

τ⋅= uh vP în care min m/min, == τuv , adic ău

h

v

P=τ .

Se poate pune în eviden dependen a care exist între grosimea stratului f rţă ţ ă ă ă

sufluri şi viteza de urcare a o elului în lingotier : ţ ău

h

v

Pk=δ (mm)

Din mai multe cercet ri s-a dedus o corela ie între grosimea stratului f ră ţ ă ă

sufluri şi viteza de umplere, dat de expresia: 5,25,8 +=uv

δ (mm)

În func ie de aceasta se recomand practicarea la turnarea indirect o vitezţ ă ă ă de umplere de 200 – 300 mm/min, iar la turnarea direct pe sus o vitez de 500 –ă ă 600 mm/min. Atunci când se toarn cu viteze mari se impune folosireaă intensificatorilor de fierbere.

Fig. 21. Influen a ţ [ ]C şi [ ]Mn asupra amplas rii coroaneiă marginale de sufluri

Lingou – 2,5 t; Viteza de umplere = 0,15 – 0,30m/minO el cu 0,06 – 0,08%. ţ Lingotier butelie(a) cu adaos de Ală

O el cu 0,30 – 0,40 %Mnţ (b) f r adaos de Al; ă ă

Temperatura de turnare şi viteza de umplere influen eaz atât reac iaţ ă ţ carbonului cu oxigenul cât şi viteza de solidificare care va influen a şi amplasareaţ 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 sc zute.ă

Influen a formatului lingoului. ţ Formatul lingoului influen eaz considerabilţ ă intensitatea fierberii şi macrosegrega ia elementelor înso itoare, problema alegeriiţ ţ unui format optim fiind foarte important în condi iile actuale de creştere a greut iiţ ăţ lingoului.

Cu creşterea greut ii lingoului se dizolv macrosegrega ia elementelorăţ ă ţ înso itoare şi pentru a reduce amploarea acesteia se impune reducereaţ dimensiunii sec iunii transversale. Dar creşterea în l imii corespunz toareţ ă ţ ă reducerii sec iunii transversale determin o înr ut ire a condi iilor de fierbere,ţ ă ă ăţ ţ zona de sufluri se extinde pe în l ime şi lingourile folosite în prezent sunt limitateă ţ la 2000 – 2200mm.

Utilizarea lingotierelor cu cap în form de butelie pentru turnarea o eluluiă ţ necalmat cu 0,10 – 0,15%C se impune mai ales pentru efectul pozitiv asupra macrosegrega iei suflurilor marginale ca urmare a unei intensit i de fierbere maiţ ăţ sc zut provocat de o p trundere mai slab a oxigenului o din atmosfer înă ă ă ă ă ă lingotier .ă

Segrega iileţ . Prin segrega ie se în elege neuniformitatea compozi iei chimiceţ ţ ţ a o elului solidificat datorit sc derii solubilit ii elementelor înso itoare (S, P, O,ţ ă ă ăţ ţ 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 accentuat cu cât domeniul de solidificareă este mai mare şi cu cât viteza de r cire la solidificare este mai mic . Ea difer deă ă ă la un element la altul fiind mai puternic pentru S şi P şi slab pentru C.ă ă

Solubilitatea diferit a elementelor în faz lichid şi solid conduce laă ă ă ă concentrarea acelor elemente în faza lichid , în fa a frontului de solidificare, undeă ţ se pot forma faze nemiscibile (eutectice Fe-Mn-S, Fe-C-S, Fe-P-S, Fe-Mn-P-S) determinând fenomenul de macrosegregare.

Accentuarea macrosegreg rii cu sc derea temperaturii precum şi modul cumă ă avanseaz frontul de solidificare face ca în lingou s existe o segregare zonal ,ă ă ă adic o macrosegregare diferit în zonele caracteristice.ă ă

Astfel în lingou apar zone în care con inutul de elemente înso itoare este maiţ ţ mare decât concentra ia elementelor respective este mai mic decât con inutulţ ă ţ mediu.

Pentru aprecierea cantitativ a varia iei compozi iei chimice în lingou seă ţ ţ compar con inutul de element X în punctul analizat cu con inutul de element Xă ţ ţ L

din o elul lichid.ţ

Gradul de segregare se defineşte prin raportul: [ ]% 100⋅−=L

L

X

XXS (25)

Pentru definirea neomogenit ii generale a lingoului se folosesc valorileăţ maxime Xmax şi minime Xmin ale concentra iei elementelor respective.ţ

Gradul maxim de segregare pozitiv : ă [ ] % 100maxmax ⋅−=L

Lpoz X

XXS (26)

Gradul maxim de segregare negativ : ă [ ] % 100minmax ⋅−=L

Lpoz X

XXS (27)

Gradul de segregare total : ă [ ] % 100minmax ⋅−=L

tot X

XXS (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.

Segrega ii în lingoul de o el necalmat. ţ ţ Segrega ia zonal pronun at aţ ă ţ ă elementelor înso itoare în lingoul de o el necalmat este determinat de circula iaţ ţ ă ţ o elului în lingotier , deci de intensitatea fierberii.ţ ă

Fierberea intens a o elului în lingotier imediat dup formarea crusteiă ţ ă ă marginale şi depunerea de cristale în zona IV face ca pe sec iunea lingoului sţ ă apar o zon central puternic impurificat şi o zon marginal cu segrega iiă ă ă ă ă ă ţ reduse, întinderea acestor zone fiind func ie de intensitatea fierberii şi de durataţ ei.

Segregarea zonei centrale nu este uniformă nici pe secţiune şi nici pe înălţimea lingoului.

Diferen a de segrega ie între zona marginal si cea central este mai pu inţ ţ ă ă ţ marcat la piciorul lingoului datorit fierberii mai pu in intense a o elului, iar modulă ă ţ ţ de formare a zonei IV face ca aici s existe o macrosegrega ie negativ .ă ţ ă

Spre capul lingoului se ob in dou zone puternic segregate, una imediat subţ ă capac şi alta sub golul central (format de o elul antrenat de gaze) înainte şi dupţ ă formarea capacului. Aceste segrega ii pozitive au form de ţ ă ∧ .

Spre sfârşitul solidific rii în centrul lingoului se formeaz mici segrega iiă ă ţ filiforme în form de ă ∨ (segregare total pozitiv ).ă ă

Factorii care influen eaz segrega iile în lingoul de o el necalmat:ţ ă ţ ţa) natura elementelor – se disting trei grupe: 1. S, P au putere minim de segregare, se concentreaz în centrul lingoului;ă ă2. C şi O au putere mare de segregare, dar reac ioneaz chimic, deciţ ă

segregarea lor este împiedicat de fierberea o elului cu bule;ă ţ3. elemente cu putere mic de segregare - Mn – aproape nu segreg ;ă ă

b) condi iile de turnare şi fierbere;ţ1. Intensitatea fierberii pân la o anumit limit duce la creştereaă ă ă

segreg rii chimice peste care are loc o omogenizare înaintat aă ă compuşilor chimici în toat masa lichid şi nu mai influen ează ă ţ ă segregarea elementelor care nu reac ioneaz chimic (S, P). În cazul C,ţ ă creşterea intensit ii fierberii duce la oxidarea lui avansat şi deciăţ ă sc derea gradului de segregare.ă

2. Durata fierberii. Prelungirea duratei duce la creşterea segreg riiă deoarece avansarea simultan a frontului de solidificare micşorează ă cantitatea de o el lichid în care creşte segrega ia. Dac se interziceţ ţ ă formarea capacului segregarea S se poate dubla.

3. Temperatura şi viteza de turnare. Creşterea temperaturii şi a vitezei de turnare duce la creşterea segrega iei. Macrosegrega ia ţ ţ ∧ este pronun at , iar macrosegrega ia ţ ă ţ ∨ nu apare (zona IV ajunge aproape pân la retasur ). La temperatur şi vitez de turnare medie zona IV esteă ă ă ă scund , scade zona segrega iilor negative, segrega iile ă ţ ţ ∧ şi ∨ vor fi reduse.

c) influen a m rimii lingoului;ţ ăLa lingourile mari segregaţia este pronunţată deoarece fierberea durează mai mult, iar solidificarea

este lentă.

Segrega ii în lingoul de o el calmat. ţ ţ În lingoul de o el calmat lipseşteţ fierberea, nu exist curen i ascenden i. Curen ii descenden i determina i deă ţ ţ ţ ţ ţ c derea o elului rece şi urcarea celui mai cald împreun cu avansarea frontului deă ţ ă solidificare determin macrosegrega ia ă ţ ∧ care dureaz pân la formarea zonei IIă ă şi IV. Dup aceea coborârea o elului din zona V determin formareaă ţ ă macrosegrega ia ţ ∨ .

Varia ia de concentra ie a elementelor difer pe sec iunea şi în l imea lingouluiţ ţ ă ţ ă ţ şi sunt mai mici decât la o elul necalmat, S - puternic, iar P lipseşte la lingourileţ mici.

Întinderea şi prezentarea zonei segregate. Întinderea este influen at de :ţ ă• întinderea zonei II care creşte cu creşterea sec iunii lingoului;ţ• dezoxidan ii folosi i care fac ca întinderea s fie puternic la dezoxidareaţ ţ ă ă

cu Si, slab în cazul SiCa, FeTi şi puternic pozitiv la cap , respectivă ă negativ la picior cu Al.ă

Dezavantaje: favorizeaz ruperea pieselor la deformare, şoc şi oboseal . ă ăConcluziiPentru a reduce segrega ia trebuie luate o serie de m suri:ţ ă

•turnarea cu temperatur şi vitez de umplere mici (r cire rapid );ă ă ă ă•dezoxidare corespunz toare cu feroaliaje calcinate;ă•reducerea con inutului de elemente cu putere mare de segregare (S, P);ţ•reglarea intensit ii de fierbere la o elurile necalmate şi semicalmate;ăţ ţ•r cire înceat a lingoului dup solidificare şi aplicarea tratamentului deă ă ă recoacere de omogenizare timp îndelungat între 1350 – 13750C.

Incluziunile nemetalice. Incluziunile nemetalice sunt particule de oxizi, silica i, sulfuri, carburi, nitruri, rezultate din procesele fizico-chimice care au loc laţ elaborare, turnare şi solidificare, numite incluziuni endogene şi particule din materiale refractare provenite din zid ria refractar a agregatului de elaborare,ă ă jgheabului de evacuare, oalei de turnare, podului de turnare şi particule de zgură care r mân înglobate în masa de o el solidificat, numite incluziuni exogene.ă ţ

Oricare ar fi natura şi originea lor, incluziunile nemetalice d uneaz calit iiă ă ăţ o elului, înr ut esc mai ales plasticitatea, tenacitatea, rezisten a la oboseal ,ţ ă ăţ ţ ă sudabilitatea, propriet ile electrice şi magnetice ale o elurilor.ăţ ţ

Îndep rtarea lor prin decantare are loc dup legea lui Stokes:ă ă( )

2

9

2

0

0

ηγγ igr

v−⋅⋅⋅= (29)

( )igr

h

v

ht

γγη

−⋅⋅⋅⋅⋅==

02

0

2

9 (30)

Influen a condi iilor de dezoxidare:ţ ţ1. pentru o elul necalmat.ţ

Predezoxidarea are loc fie în cuptor, jgheab sau în oala de turnare cu FeMn sau cu FeMn şi font oglind . Se asigur un timp lung pentru decantarea incluziunilor.ă ă ă Dezoxidarea se face cu Mn în cuptor sau în oal . În oal se adaug şi pu in Ală ă ă ţ pentru reglarea [O], deci are loc o fierbere în lingotier . Produsele de dezoxidareă sunt: FeO, MnO şi Mn*nFeO lichid sau solid f(%FeO), pu in SiOţ 2 şi Al2O3. Produsele au capacitate mare de coalescen şi îndep rtarea acestora este favorizat deţă ă ă agitarea o elului în oal .ţ ă

2. pentru o elul calmat.ţPredezoxidarea are loc în cuptor pentru a asigura sc derea [ă O], se dezoxidează

pe jgheab sau în oal . Particulele cu r<10ă mµ nu ating viteze suficient de mari

pentru a le permite îndep rtarea lor, ele r mân practic în o el. Dac r<ră ă ţ ă cr sunt împinse în spa iile dintre gr un i împreun cu cele care au ţ ă ţ ă σ sc zut, deci nu auă coagulat şi formeaz pelicule intercristaline. Distrugerea peliculei continue de oxiziă se poate realiza prin creşterea temperaturii de omogenizare, care formează incluziuni sferice (form mai avantajoas pentru propriet ile o elului).ă ă ăţ ţ

Influen a condi iilor de turnareţ ţCreşterea temperaturii de turnare duce la creşterea [O], deci rezult o durată ă

de turnare foarte mic pentru a scurta contactul cu atmosfera.ăLa turnarea direct ă incluziunile ajung la partea superioar a lingoului şiă

având în vedere şi agita ia o elului ele se decanteaz în mare parte în timpulţ ţ ă umplerii lingotierei (sunt mai ales silica i lichizi).ţ

La turnarea prin sifon reoxidarea este important în aer şi în canalele deă turnare, lingoul ob inut este impur.ţ

În lingotieră decantarea incluziunilor depinde de vâscozitatea o elului, deţ timpul de incluziuni rezultate, de timpul pân la solidificare, de distan ele pe careă ţ trebuie s le parcurg şi de agita ia o elului.ă ă ţ ţ

Incluziuni nemetalice în o elul necalmat.ţSc derea temperaturii duce la segregarea elementelor în centru lingoului (C,ă

Mn, S, O). Mn se concentreaz la limita dintre incluziune şi o el. Puterea lui deă ţ dezoxidare creşte cu sc derea temperaturii, deci cu creşterea ă [%Mn] are loc autodezoxidarea o elului cu Mn, rezultând MnO care fie formeaz solu ie cu FeO,ţ ă ţ fie se depune pe silica i. De asemenea reac ioneaz cu [ţ ţ ă FeS] şi rezult (MnS)ă deoarece solubilitatea [FeS] scade cu creşterea temperaturii.

Schimb rile pe care le sufer suspensiile nemetalice în lingotier depind înă ă ă mare m sur de agita ia o elului, care ajut creşterea particulelor nemetalice prină ă ţ ţ ă coalescen şi deci decantarea lor. Lingourile care fierb prea puternic sau prea slabţă au con inut mare de incluziuni nemetalice.ţ

Incluziunile nemetalice din o elul necalmat:ţ•produşi oxidici endogeni (Fe, Mn)O şi silica ii de Mn şi Al rezulta i fie dinţ ţ dezoxidare primar , fie din autodezoxidare;ă

•sufluri şi oxisufluri;•produse exogene – (refractare, zguri, spuma lingoului);•incluziuni oxidice –0,052 – 0,66% la o elurile elaborate în cuptoarele Siemensţ Martin, 0,042 – 0,062% în convertizor; Particulele mari oxidice provenite din spuma lingoului care con ine mult %FeO şi mai pu in MnO sunt prinse laţ ţ frontul de solidificare cu cele exogene, în diferite p r i ale lingoului, laă ţ întâmplare. Procentul de Al2O3 (ca silicat) este mai mare şi mai uniform în zona marginal şi zero spre centrul acestuia.ă

•incluziuni sulfidice – variaz func ie de [ă ţ %S] si [%Mn], de m rimea lingoului şiă de condi iile de solidificare; În zona sulfurilor marginale se g sesc sulfuriţ ă (Mn,Fe)S, iar în partea central oxisufluri (Mn,Fe)S, (Mn,Fe)O.ă

Forma de prezentare, con inutul şi faze incluziunilorţIncluziuni oxidice sunt particule mici globulare, dac fierberea este normală ă

sunt în cantitate mic în afara zonei de fierbere. Cresc în zona intermediar (întreă ă coroanele de sufluri) şi r mân aproximativ constant în zona central . Dacă ă ă fierberea este slab sunt multe chiar de la coroana esterioar de sufluri.ă ă

Incluziuni de silicaţi – cresc în zona exterioară şi în partea centrală de la picior.

Concluzii:

Datorit agita iei o elului şi greut ii specifice mici, suspensiile sunt deplasateă ţ ţ ăţ spre centrul jum t ii superioare a lingoului. Cele r mase de la dezoxidareaă ăţ ă primar r mân prinse între dendrite la piciorul lingoului. Lingoul este deci maiă ă impurificat la picior şi la cap (cca 20% din în l ime), la margine fiind mai curat.ă ţ

Incluziuni nemetalice în o elul calmat.ţSe disting dou zone şi anume:ă• zona I - produşii oxidici r mân prinşi;ă• zona II - îndep rtarea este mai uşoar , dendritele columnare impingă ă

suspensiile spre centrul şi capul lingoului, iar o parte mai r mân prinseă între ramifica iile dendritelor;ţ

Cantitatea şi compozi ia lor depind de temperatura de turnare, viteza deţ umplere, viteza de solidificare, timp.

Incluziunile oxidice sunt produşi primari, o parte se g sesc în centrulă cristalelor liniare pentru care au servit drept centrii de cristalizare, a alt parte seă decanteaz în maselotier sau r mân în centrul lingoului. Produşii deă ă ă autodezoxidare r mân în cea mai mare parte în lingou, mai ales cei uşor fuzibiliă care precipit la sfârşitul solidific rii. Dendritele care cad la piciorul lingouluiă ă antreneaz cu ele o parte din incluziunile exidice. M rimea atins prin coalescenă ă ă ţă de particule depinde de viteza de solidificare, dac creşte r este mic, iar dacă ă scade r este mare.

Incluziunile sulfidice o parte r mân prinse între dendritele columnare, iară alt parte sunt impinse spre centrul lingoului. [ă MnS] şi oxosulfurile formează pelicule pe particulele mari de silica i greu fuzibili sau precipit eterogen peţ ă particule mici de oxizi. Sulfurile se g sesc în cea mai mare parte în centrulă lingoului.

Procedee de micşorare a con inutului de incluziuni nemetalice: dezoxidarea cuţ zguri sintetice, barbotarea cu argon, protejarea jetului şi a oglinzii o elului în oal şiţ ă lingotier , rafinarea cu pulberi reactive, tratarea în vid, decarburarea în vid,ă agitarea electromagnetic . ă

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 corespunz toare compozi iei chimice a o eluluiă ţ ţ trebuie avu i în vedere o serie de factori, cum ar fi:ţ

Compozi ia chimic a o eluluiţ ă ţ , determin viteza de tragere aă semifabricatului, trebuie s se încadreze în limite precise. Este necesar oă ă dezoxidare avansat cu siliciu, o limitare a con inutului de aluminiu (<=0,007%,ă ţ altfel se depune Al2O3 pe orificiul pâlniei, obturându-l), de elemente care m rescă tendin a de a forma fisuri (P<0,02%, S<0.02%, As<0,03, Cu<0,3% sauţ P+S+As<0,065).

Grosimea crustei marginale x, se calculeaz cu rela ia:ă ţ

Pvk

Qx

tr

e

⋅⋅=

'

'

(31)

unde: Q’e – cantitatea de c ldur efectiv eliminat ; kă ă ă ’ – coeficientul de

propor ionalitate; P – perimetrul sec iunii.ţ ţPentru o în l ime a cristalizorului de 0,6...1,5 m şi pentru o vitez de tragere deă ţ ă

0,5...1,2m/min grosimea crustei marginale ajunge la 40...50 mm dup circa 3 min.ăR cirea secundară ă se alege în func ie de o el şi de sec iuneaţ ţ ţ

semifabricatului, creşterea intensit ii de r cire duce la creşterea compactit ii înăţ ă ăţ centrul produsului, dar pot ap rea cr p turi interioare. C ldura q îndep rtat înă ă ă ă ă ă r citorul secundar poate fi determinat mai exact decât în cristalizor. Se poateă ă exprima în func ie de conductivitatea termic , de diferen a dintre temperaturaţ ă ţ fazei lichide şi a celei solide T∆ la frontul de solidificare şi de grosimea crustei x, prin rela ia: ţ

x

Tq

∆⋅= λ (32)

Lungimea r citorului secundar Lă s se exprim prin rela ia: ă ţ

2

2

1

k

xvL tr

s

⋅= (33)

unde: x1 – grosimea crustei de la care este suficient îndep rtarea c ldurii prină ă ă radia ie;ţ

k – constanta solidific rii.ăDistanţa L de la nivelul intrării oţelului în cristalizor şi până la locul solidificării complete (după

răcitorul secundar) este proporţională cu viteza de tragere:

trvKL ⋅= (34)

unde: K – constant de propor ionalitate, ă ţ 6≈Durata unei opera ii de turnare tţ 1 este limitat la 60 ... 70 min,ă

indiferent de cantitatea de o el P care trebuie turnat , pentru a nu se r ci o elulţ ă ă ţ prea mult în oala de turnare şi în pâlnia intermediar . Pentru o cantitate mai mareă de o el este necesar un num r mai mare de fire (de cristalizatoare în care seţ ă toarn concomitent). ă Num rul ă m de fire se determin cu rela ia:ă ţ

1

1000

tvg

Pm

tr⋅⋅⋅= (35)

unde: g – greutatea liniar a produsului turnat (Kg/m);ăDac se noteaz cu ă ă t2 durata între dou turn ri, num rul de turn ri în 24h esteă ă ă ă

dat de rela ia:ţ

2tt

N+

=1

24, (36)

iar productivitatea unei instala ii esteţ :

PNP ⋅⋅= η24

(37)

Instala iile de turnare continu pot deservi orice tip de o el rie, dar ele suntţ ă ţ ă recomandate o el riilor cu convertizoare care au durat scurt de elaborare.ţ ă ă ă

Sec iunea semifabricatelor trebuie s asigure un coroiaj de cel pu in 5 ... 6,ţ ă ţ pentru a putea ob ine produse laminate sau forjate de bun calitate. De asemeneaţ ă trebuie s asigure suprafe e de r cire mari.ă ţ ă

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 practic este necesar s se ştie cum progreseaz solidificarea o elului lichid,ă ă ă ţ când şi unde se solidific complet un fir. Doar cunoscându-se progresul solidific riiă ă se pot lua decizii cu privire la viteza de turnare sau ale debitului apei de r cireă (pulverizare).

Solidificarea o elului lichid într-un cristalizator de turnare continua este func ieţ ţ de fluxul de c ldur din firul care emite c ldur la apa de r cire (care absoarbeă ă ă ă ă c ldura). Acest fenomen depinde de un num r mare de factori şi variaz în func ieă ă ă ţ de condi iile de turnare, în special de viteza de turnare, de r cirea o elului lichid şiţ ă ţ de geometria firului. Balan a de c ldur în cristalizator este influen at deţ ă ă ţ ă reducerea supraînc lzirii, grosimea crustei firului şi gradientul de temperatur înă ă crusta firului şi de-a lungul suprafe ei firului.ţ

Calculul lungimii miezului lichid la un fir turnat la o vitez dat de turnareă ă necesit informa ii cu privire la creşterea crustei firului. Transferul total de c ldură ţ ă ă Q între fir şi cristalizator depinde de rezisten a termic a crustei solidificate Rţ ă Fe, de rezisten a de tranzi ie de la suprafa a de tranzi ie de la suprafa a firului la pereteleţ ţ ţ ţ ţ de r cire a cristalizatorului Ră FeCu, de rezisten a în peretele cristalizatorului Rţ Cu şi de rezisten a de tranzi ie a suprafe ei dintre peretele de cupru şi apa de r cire Rţ ţ ţ ă CuH2O. Presupunând temperatura uniform în fir şi sristalizator şi luând în considerareă c ldura de solidificare ca singura surs de c ldur , fluxul total de c ldur poate fiă ă ă ă ă ă exprimat cu rela ia:ţ

OCuH

OHCu

OCuH

Cu

CuCu

Cu

FeCu

Cu

FeCu

Fe

L

Fe R

TTA

R

TTA

R

TTA

R

TTAQ

2

2

2

'''''

00−

=−=−=−= (38)

şi dup transformare:ă

OCuH

OCuH

Cu

Cu

FeCu

FeCu

Fe

Fe

OHL

A

R

A

R

A

R

A

R

TTQ

2

2

2

+++

−=

(39)

unde:TL- temperatura lichidului;T0 - temperatura suprafe ei firului;ţTH2O - temperatura medie a apei de r cire;ă

'

CuT - temperatura peretelui de cupru la suprafa a de separa ie perete-spa iu;ţ ţ ţ

Al – ariile suprafe elor care particip la transferul de c ldur ;ţ ă ă ă

Ri – rezisten ele termice asociate;ţTermenii RFe şi RCu sunt da i de rela iile:ţ ţ

Fe

Fe

sR

λ= (40)

Cu

Cu

dR

λ= (41)

unde:s – grosimea solidificat ;ăd – grosimea peretelui de cupru;

λ - coeficientul conductibilit ii termice;ăţRFeCu este rezisten a de contact care ia în considera ie condi iile din spa iulţ ţ ţ ţ

dintre suprafa a firului şi peretele cristalizorului. Acest spa iu se formeazţ ţ ă deoarece firul se contract de la peretele cristalizorului în timpul r cirii. Spa iulă ă ţ format poate con ine zgur , fondant de turnare, gaze etc. Aceast rezisten deţ ă ă ţă contact RFeCu este influen at de asemenea de rugozitatea suprafe ei şi este ceaţ ă ţ mai mare dintre toate rezisten ele termice din sistem.ţ

Îndep rtarea c ldurii din cristalizor este influen at în mod direct de viteza deă ă ţ ă turnare, aşa cum rezult din figura 22.ă

Fig. 22. Îndep rtarea c ldurii din cristalizoră ăSe 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:

( )SssSS

WWW

TcqVb

TCGS

∗+∗∗∗∆∗∗

=ρ (42)

unde:S – grosimea crustei firului;Gw – propor ia debitului de ap al cristalizorului pe unitatea de timp;ţ ăCw – capacitatea termic specific a apei;ă ăcs – capacitatea termic specific o elului;ă ă ţ

wT∆ - creşterea temperaturii apei cristalizorului;

Ts – reducerea temperaturii medii în crusta firului;b – circumferin a firului care parcip la transferul de c ldur ;ţ ă ă ăVg – viteza de turnare;

sρ - densitatea o elului;ţ

qs – c ldura de topire a o elului.ă ţVaria ia grosimii crustei firului în func ie de lungimea cristalizorului esteţ ţ

prezentat în figura 23:ă

Fig. 23. Varia ia grosimii crustei firului în func ie de lungimea cristalizorului.ţ ţSe observ din figur o descreştere a grosimii crustei pe m sur ce viteza deă ă ă ă

turnare creşte.Concluzii

Turnarea continu prezint importante avantaje metalurgice în compara ie cuă ă ţ turnarea clasic , cum ar fi:ă

- micşoreaz substan ial neomogenitatea chimic şi structural aă ţ ă ă produsului datorit r cirii rapide (zona II este pu in extins , elementele nu auă ă ţ ă timp s segrege);ă

- se controleaz uşor m rimea gr un ilor (se ob in gr un i primari relativiă ă ă ţ ţ ă ţ mici);

- incluziunile nemetalice sunt mai pu ine, mai mici şi mai uniform distribuiteţ în semifabricat (datorit vitezei mari de r cire ele nu au timp s coagulezeă ă ă sau s se aglomereze);ă

- scoaterea de metal este mare, ajungând la peste 96%, datorit faptului că ă se formeaz o singur dat retasur la sfârşitul turn rii;ă ă ă ă ă

- suprafa a semifabricatelor este bun (curat ), eliminându-se în cea maiţ ă ă mare parte defectele de suprafa ;ţă

De asemenea, prezint şi avantaje de ordin economic, cum ar fi: instala iileă ţ sunt mai intens utilizate, asigur o deservire ritmic a laminoarelor, se elimină ă ă laminoarele primare, se micşoreaz cheltuielile materiale şi de manoper , seă ă preteaz la o complet mecanizare şi automatizare.ă ă