ELABORAREA OŢELULUI

Oţelul = aliaj (Fe + max 2,06 % C)

- din procesul de elaborare şi din materia primă folosită – elemente însoţitoare: Si, Mn, S, P, O şi H. - elemente de aliere - în funcţie de cerinţele impuse compoziţiei oţelului:

Ni, Cr, W, V

Este cel mai utilizat material metalic – se obţine prin metode piro şi electrometalurgice Procedee de elaborare a oţelului

Variante de elaborare: REDUCERE INDIRECTǍ – din fonta brută, minereu de fier şi fier vechi REDUCERE DIRECTǍ – din minereu de fier + fier vechi Etapele elaborării:

1. trebuie micşorat conţinutul de C şi redus % de elemente însoţitoare în limitele admise în oţeluri – prin procese de oxidare = AFINAREA;

2. RAFINAREA – îndepărtarea P şi S din topitura metalică; 3. DEZOXIDAREA – reducerea oxigenului din baia metalică şi eliminarea gazelor; 4. ALIEREA - se realizează compoziţia prescrisă mărcii respective de oţel.

REDUCEREA INDIRECTǍ

1. AFINAREA

Scop: micşorarea conţinutului de C şi reducerea % de elemente însoţitoare; O2

- Primele elemente care se oxidează: Si şi Mn; necesar proceselor de oxidare – din aer şi din oxizii aflaţi în materia primă

Produsele oxidării elementelor nedorite trec în zgură sub formă de diferiţi compuşi, sau se evacuează din cuptor sub formă de gaze sau vapori: CO, CO2

etc.

2. RAFINAREA Scop: îndepărtarea P şi S din topitura metalică - P produce fragilitatea la rece a oţelurilor (apar fisuri la temperaturi joase); - se oxidează şi trece în zgură – se va îndepărta - S produce fragilitatea la cald a oţelurilor (apar fisuri la piesele turnate sau deformate plastic la cald); P şi S se pot îndepărta numai din agregate căptuşite cu material refractar cu caracter bazic. La cele cu caracter acid încărcătura va conţine cantităţi reduse de P şi S.

3. DEZOXIDAREA Scop: îndepărtarea FeO din baia metalică – dăunător – face oţelul casant la cald

- Pentru îndepărtare se introduc în baia metalică - în oala de turnare dezoxidanţi de tipul feroaliajelor Fe-Mn, Fe-Si, Fe-Al etc., cu afinitate mai mare faţă de O2

decât Fe; oxizii formaţi – insolubili în Fe – vor trece în zgură. După dezoxidare rămâne aprox. 0,1 %FeO.

Dezoxidarea cu Al → apare Al2O3

– în topitură formează noi centre de cristalizare → structură fină

4. ALIEREA

Scop: corectarea compozitiei chimice a oţelului elaborat • Elementele care nu se oxidează - Ni, Co, Mo, Cu - 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 următoarea ordine: • Mn, W, Cr, Si, Ti, Al.

V şi W se adaugă în prima parte a perioadei de dezoxidare, iar celelalte în a doua parte a dezoxidării prin difuzie; Si se adaugă cu 15-20 minute înainte de evacuare, iar Ti, Al şi V cu

5-10 minute înainte de evacuare. • Elementele foarte oxidabile ca Nb, Ta, B, Ca, Zr, Mg se adaugă în jetul de oţel la evacuare

în oala de turnare. • Pierderile de elemente prin ardere sunt mici : 5% Mn, 5-15% W, 5-10% Cr, 30-50%

Ti, 10-15% V etc.

Elaborarea oţelului prin convertizare

Convertizorul = agregat în care are loc elaborarea oţelului prin afinarea (oxidarea) fontei albe lichide cu aer sau oxigen; sunt cuptoare basculante din tablă de oţel căptuşite cu cărămidă refractară, prevăzute cu dispozitive de rotire şi basculare, orificii de umplere şi galerii. La aliajele Fe-C temperatura de topire creşte odată cu scăderea conţinutului de carbon → în timpul elaborării oţelului, temperatura băii metalice ajunge la 1550...1600 0C → trebuie să crească de la 1150...1200 0

C = temperatura de topire a fontelor

Căldura necesară pentru ridicarea temperaturii băii metalice se obţine din reacţiile exoterme de oxidare - se asigură şi căldura necesară pentru realizarea tuturor proceselor necesare în cursul elaborării oţelului, nemaifiind nevoie de folosirea vreunui combustibil. În plus, aerul sau oxigenul agită puternic baia metalică, prin care afinarea are loc rapid, obţinându-se o şarjă de oţel omogenă. Încărcătura convertizorului:

- fontă lichidă; - deşeuri de oţel; - fontă solidă; - minereu de Fe; - fondanţi şi - feroaliaje.

În funcţie de caracterul materialului refractar al căptuşelii se pot elabora: - oţeluri acide şi - oţeluri bazice. Agregatele au productivitate ridicată şi o bună ritmicitate în elaborarea şarjelor

Convertizoare cu O

2

Încărcătură: - fontă lichidă – 820…850 kg / t de oţel; - deşeuri de oţel – 15…30 % din încărcătură; - minereu de Fe – 3…5 kg/t de oţel; - pentru formarea zgurii: calcar şi var; - feroaliajele – se adaugă în oala de turnare O2

- creşte temperatura băii metalice la 2500…3000 ºC → prin lance: - oxidarea parţială a Fe la FeO

- curenţi termici ce agită baia; Elaborarea este condusă prin variaţia: - debitului de O - presiunii;

2

- distanţei dintre ajutajul lancei şi suprafaţa băii; - durata insuflării.

Tipuri de convertizoare cu O2

– Convertizorul STATOR (LD) :

– Convertizorul ROTATIV (KALDO) – Convertizorul ROTOR (OBERHAUSEN)

Convertizorul STATOR (LD)

O2

• puritate O

este suflat deasupra băii metalice lichide printr-o lance de cupru cu pereţi dubli → apă de răcire.

2

• presiunea = 80…180 N/cm².

= 97…99,5 % - deasupra fontei lichide de la o distanţă de aproximativ 200 -250 mm;

→ temperatura creşte peste 2000 °C → cantităţi mari de Fe vechi - peste 25 %.

→ Fe → FeO → oxidează celelalte elemente însoţitoare.

• viteza foarte mare de suflare a O2

→ amestecarea băii metalice; :

→ viteza reacţiilor de oxidare → foarte mare; • durata de suflare a O2

• timpul elaborării unei şarje - 30…40 min. - circa 17 - 22 min;

• în timpul elaborării oţelului se degajă o mare cantitate de praf si vapori → captarea şi epurarea gazelor

Oţelurile obţinute sunt:

• de calitate foarte bună; • cu un conţinut mic de N, P şi S; • sunt maleabile şi ductile; • au o bună sudabilitate.

Înlăturându-se zgura de afinare, oţelul poate fi aliat în convertizor în condiţii avantajoase, temperatura înaltă permiţând acest lucru. Avantaje:

• Productivitate ridicată • Construcţie simplă; • Oţel de calitate bună; • Costuri de producţie mai mici

Dezavantaje: - Consum mare de O2

- Hale înalte. ;

Convertizorul ROTATIV (KALDO)

- funcţionează în poziţie înclinată cu 15...20° faţă de orizontală şi se roteşte în jurul axei sale longitudinale cu circa 20...30 rot/min.

O2

- presiune de 30...40 N/cm²; se insuflă cu:

- direcţia de insuflare fiind oblică pe suprafaţa fontei lichide → nu agită baia - va fi menţinută în mişcare prin rotirea convertizorului → realizează o încălzire suplimentară a băii → permite folosirea unei cantităţi de peste 45 % Fe vechi în încărcătură.

Convertizorul ROTOR (OBERHAUSEN) - cuptor rotativ lung de circa 15 m, cu diametrul interior de 3…4 m, care se roteşte cu 0,5…1

rot/min; - O2 se introduce atât în baia metalică (60…75 % - O2 primar), cât şi deasupra băii (40…25 % -

O2

Capacitatea unui rotor orizontal poate ajunge până la 150 t. secundar).

Se obţine oţel de calitate superioară.

• Oţelul acid este dur, rezistent la uzură, se sudează uşor, se prelucrează uşor pe maşini-unelte. Se utilizează la fabricarea sârmei şi a produselor derivate (cuie, şuruburi, ace, împletituri), la fabricarea ţevilor sudate, a tablelor şi a pieselor destinate a fi folosite la calea ferată.

• Oţelurile bazice sunt moi, se sudează bine şi se prelucreză uşor prin aşchiere.

• Zgura are un rol foarte important în procesul de elaborare al oţelului, influenţând direct

toate procesele fizico-chimice care au loc. Cu cât zgura are o bazicitate mai mare, cu atât se poate realiza o îndepărtare mai avansată a sulfului şi a fosforului dăunător din baia lichidă de oţel.

ELABORAREA OŢELULUI ÎN CUPTOARE ELECTRICE

Metoda electrometalurgică - foloseşte ca sursă de căldură electricitatea; (aplicată numai după anul 1920, când energia electrică a început să fie produsă în cantităţi mari şi la un cost din ce în ce mai redus);

Principiul elaborării

• etapele elaborării oţelului:

topirea încărcăturii - oxidarea elementelor însoţitoare - dezoxidarea Fe - alierea şi evacuarea oţelului

Cuptoarele electrice folosesc căldura produsă prin transformarea energiei electrice fie sub formă de efect caloric Joule, fie prin arc electric. - încălzirea se realizează prin intermediul curentului electric şi nu al arderii unui

combustibil - oţelul produs este de calitate superioară datorită lipsei cenuşii şi a impurităţilor existente în combustibilii solizi

Cuptoarele electrice folosite în electrometalurgie

La scară industrială cele mai utilizate cuptoare electrice sunt cele cu arc cu încălzire directă şi cele cu inducţie fără miez de fier. Cuptoarele cu rezistenţă electrică - doar în metalurgia aliajelor uşor fuzibile şi la tratamente termice. Avantajele folosirii cuptoarelor electrice în metalurgie:

– construcţie simplă şi siguranţă în funcţionare; – posibilitatea de a putea fi puse în funcţiune în orice moment; – posibilitatea de a putea fi reparate uşor; – posibilitatea folosirii fierului vechi sub formă de deşeuri în orice proporţie; – funcţionare economică chiar şi în condiţiile în care regimul de alimentare cu energie

electrică este intermitent; – posibilitatea reglării uşoare şi precise în limite largi a temperaturii; – posibilitatea obţinerii temperaturilor ridicate necesare la elaborarea oţelurilor înalt aliate; – posibilitatea obţinerii diferitelor calităţi de oţeluri superioare şi aliate cu un conţinut minim

de impurităţi; – randament termic ridicat.

Dezavantaje ale folosirii cuptoarelor electrice la elaborarea oţelurilor: – consum mare de energie electrică, relativ scumpă; – posibilitatea limitată de folosire a fontei de afinare; – capacitate limitată comparativ cu alte tipuri de cuptoare.

Procesul metalurgic din cuptoarele electrice la elaborarea oţelului

Încărcătura cuptorului electric = componenta metalică + fondanţi.

Componenta metalică poate fi:

• fier vechi şi fontă; • fier vechi şi carburant (cocs); • fontă, fier vechi, minereu de fier şi arsură (pentru încărcături bogate în carbon).

Fonta utilizată poate să fie lichidă sau solidă. În funcţie de calitatea încărcăturii şi a oţelului elaborat procesul metalurgic se poate desfăşura în trei variante:

• cu oxidare completă - pentru încărcătură cu mult P, adică fier vechi de calitate inferioară; • cu oxidare parţială - cea mai folosită variantă pentru obţinerea oţelurilor superioare; • fără oxidare - pentru obţinerea oţelurilor aliate şi înalt aliate; fierul vechi folosit este de

calitate superioară, fără P şi cu puţin C 1. Cuptoarele electrice cu arc

Căldura necesară proceselor metalurgice este furnizată de arcul electric ce ia naştere între electrozii de grafit sau de cărbune ai cuptorului (doi sau mai mulţi). Alimentarea electrozilor cu energie electrică se face de la un transformator cu tensiune de mers în gol suficientă amorsării arcului -100...300 V şi putere necesară topirii întregii încărcături a cuptorului. Temperatura arcului electric de 3300...3800 °K face ca, practic, toate elementele încărcăturii să se topească. 1.1. Cuptoarele electrice cu arc cu încălzire indirectă

Prevăzute cu trei electrozi aşezaţi la 120° unul faţă de altul, legaţi la un transformator trifazic. Arcul electric produs între electrozi încălzeşte baia metalică indirect → cuptorul are un randament redus; căldura radiată de arcurile electrice are acţiune distrugătoare asupra bolţii şi a pereţilor cuptorului.

1.2. Cuptoarele electrice cu arc cu încălzire directă pot fi cu vatră conducătoare sau cu vatră neconducătoare.

La scară industrială cel mai folosit cuptor la elaborarea oţelurilor este cuptorul electric cu arc cu încălzire directă cu vatră neconducătoare (tip Heroult).

Cuptoarele funcţionează cu 2 sau 3 electrozi verticali, la care alimentarea se face de la un transformator bifazic, respectiv trifazic. Electrozii se pot deplasa vertical prin bolta cuptorului, poziţia fiecăruia fiind reglată de către un servomotor comandat de sistemul electronic de reglare automată a lungimii arcului electric; ei se pot coborî până la o distanţă contolată faţă de nivelul încărcăturii. Arcele formate între electrozi se închid după circuitul:

electrod-arc-zgură-baie metalică-zgură-arc-electrod vecin.

Secţiune printr-un cuptor de tip Heroult Cuptorul are formă cilindrică cu fund sferic, adaptat mecanismului de basculare cu care este pre-văzut cuptorul pentru evacuare. Construit din tablă de oţel de 10...30 mm este căptuşit cu material refractar - din punct de vedere chimic poate să aibă caracter acid sau bazic. Capacitatea lor variază între 0,6 şi 300 t.

Cuptorul electric cu arc cu încălzire directă cu vatră conducătoare - arcul electric se formează între cei 3 electrozi şi baia metalică, legată şi ea la sursa de curent prin vatra conducătoare. Trecerea curentului electric se face conform circuitului: electrod-arc-zgură-baie metalică-vatră. Construcţie mai complicată → au fost aproape integral înlocuit cu cuptoarele cu vatră neconducătoare.

2. Cuptoarele electrice cu inducţie

Căldura necesară desfăşurării proceselor metalurgice - produsă prin efectul caloric al curentului electric ce ia naştere în încărcătura metalică a cuptorului datorită inducţiei electromagnetice → cuptorul este, de fapt, un transformator electric la care rolul bobinei secundar îl îndeplineşte chiar metalul ce trebuie topit şi apoi menţinut la temperaturi ridicate timp îndelungat. La cuptoarele cu inducţie zgura care acoperă baia metalică este mult mai rece decât aceasta, ea nemaifiind încălzită decât indirect, de baie - constituie un strat protector, incapabil de a reacţiona cu baia şi de a servi ca fază intermediară între atmosfera cuptorului şi baia metalică în reacţiile fizico-chimice care au loc în timpul elaborării, aşa cum se întâmplă la alte tipuri de cuptoare.

2.1. Cuptorul electric cu inducţie cu miez de fier (de joasă frecvenţă)

- alimentat cu curent alternativ de joasă frecvenţă, între 50 şi 500 Hz.

- bobină primar - înfăşurată în jurul unui miez de fier moale care va genera în acesta un flux magnetic variabil în timp → induce în baia metalică inelară o tensiune ce va da naştere unui curent; - bobina secundar - are o singură spiră, formată de însăşi baia metalică = jgheab inelar, construit din material refractar.

După terminarea unei şarje jgheabul circular nu se goleşte complet pentru ca metalul rămas să poată conduce curentul până la încălzirea şi topirea şarjei următoare (la prima pornire se folosesc inele metalice închise prin sudură). Cuptorul cu miez de fier este neeconomic datorită volumului mic al încărcăturii şi al pierderilor mari de energie consumată prin încălzirea miezului de fier → sunt folosite mai mult la corectarea compoziţiei chimice a oţelurilor sau pentru topirea aliajelor neferoase.

2.2. Cuptorul electric cu inducţie fără miez de fier (de înaltă sau medie frecvenţă)

- creuzet din material refractar acid (pentru oţeluri aliate - material refractar bazic), înconjurat la exterior cu ţeavă de cupru sub formă de spire (apă pentru răcire) - se pune încărcătura metalică = inductorul sau circuitul primar al transformatorului;

- încărcătura metalică = circuitul secundar sau indusul.

Alimentare: curent cu frecvenţa: - între 500 şi 2000 Hz - cuptoare de medie frecvenţă; - între 10000 şi 30000 Hz - cuptoarele cu înaltă frecvenţă.

Curenţii turbionari de înaltă frecvenţă → în încărcătuta din creuzet - vor realiza încălzirea şi topirea acesteia mai rapid şi vor provoca agitarea continuă a metalului lichid - favorizează omogenizarea băii.

Avantaje: - construcţia mult simplificată, nemaifiind nevoie de miez de fier; - volumul util mai mare;

- temperatura cuptorului poate fi reglată foarte precis, în limite largi, limita superioară fiind limitată numai de refractaritatea materialului creuzetului

La elaborarea oţelurilor în aceste cuptoare nu se poate face operaţia de afinare → încărcătura trebuie să fie deosebit de curată, sortată cu mare atenţie, astfel încât prin topire să rezulte direct compoziţia dorită a oţelului. În timpul topirii pot să aibă loc unele reacţii de oxidare, cu oxigenul adus de fierul vechi. După topire se îndepărtează zgura şi se face dezoxidarea mai întîi cu fero-siliciu, urmată de introducerea fero-aliajelor. Oţelul elaborat în acest tip de cuptoare conţine puţine incluziuni nemetalice şi are o compoziţie chimică şi o structură omogene.

Clasificarea oţelurilor Proprietăţile oţelurilor sunt influenţate de conţinutul de C, deci de variaţia cantitativă a constituenţilor lor structurali - caracteristicile lor de rezistenţă mecanică cresc, iar cele de plasticitate scad cu creşterea conţinutului de C.

Criteriul de clasificare

Clasificarea

Compoziţia chimică (% C)

Oţeluri carbon

hipoeutectoide cu 0…0,77 % C

eutectoide cu 0,77 % C

hipereutectoide cu 0,77…2,11 % C

Metoda de elaborare

Oţeluri pudlate (care nu au ajuns în stare lichidă)

Oţeluri omogene, acide şi bazice

de convertizor Bessemer, Thomas, Cu insuflare de O2

cuptor Martin

cuptoare electrice Cuptor cu arc

Cuptor cu inducţie

De joasă frecvenţă

De înaltă frecvenţă

Gradul de dezoxidare şi conţinutul de Si

Oţeluri

necalmate sub 0,02 %Si

semicalmate cu 0,1 %Si

calmate cu 0,2...0,5 %Si

Tehnologia de prelucrare

Oţeluri prelucrate la cald Turnate, Forjate, Matriţate, Laminate

Oţeluri prelucrate la rece Trefilate, Laminate Prelucrate prin aşchiere

Domeniul de utilizare

Oţeluri de construcţie cu 0...0,65 %C

Cu destinatie generală

Oţeluri carbon obişnuite Oţeluri carbon de calitate Oţeluri carbon superioare

Oţeluri de scule cu 0,65…1,4%C

Cu destinatie generală

Cu destinatie precizată