Universitatea Valahia TargovisteFacultatea de Ingineria Materialelor, Mecatronica si Robotica

TURNAREA LINGOURILOR DE OEL

Masterand :

Dumitru Ionut

IntroducereProblemele turnrii continue a oelului intereseaz de muli ani pe lucrtorii din siderurgie. Avantajele turnrii continue s-au conturat n metalurgia neferoas mult mai devreme dect n siderurgie. n oelrii, utilizarea turnrii continue ntmpin multe dificulti i se realizeaz mult mai ncet dect n metalurgia neferoas, din urmtoarele cauze: 1. este mai uor s se dirijeze turnarea metalelor neferoase care au o temperatur de topire relativ mai cobort; 2. productivitatea turnrii continue se armonizeaz n prezent mai bine cu capacitatea cuptoarelor de topire din metalurgia neferoaselor dect din siderurgie. S-a stabilit c, pentru dezvoltarea ulterioar a turnrii continue, este necesar rezolvarea urmtoarelor probleme principale: 1. Cercetarea proceselor care au loc n lingotier cnd oelul care se rcete nainteaz n jos. Aici exist fr ndoial un ansamblu mult mai complicat de probleme dect la studierea turnrii n lingotier obinuit. 2. Rezistena oelului la temperaturi apropriate de temperatura de topire. 3. Mecanismul i condiiile schimbului de cldur ntre lingou i lingotier i factorii de baz care limiteaz viteza de tragere a lingoului etc. 4. Fluiditatea oelului. 5. Cercetarea unor construcii raionale la lingotiere. 6. Cercetarea unor condiii i construcii raionale pentru rcirea secundar a lingoului. 7. Mecanismul de formare a tensiunilor interne n lingou i lupta mpotriva lor.

OelurileOelurile sunt aliaje ale fierului cu carbonul, avnd un coninut de maximum 2,11% C, care conin i alte elemente precum Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Ti etc. i care prezint transformarea eutectoid n stare solid. Capacitatea de prelucrare prin deformare plastic i tratamentul termic depind de proporia de eutectoid, de compoziia chimic i de modul de elaborare. Oelurile se pot clasifica n funcie de criteriile considerate ca fiind cele mai reprezentative i anume: - compoziia chimic; - destinaia; - diagrama fier carbon; - agregatul de elaborare. a. dup compoziia chimic se gasesc oeluri nealiate i oeluri aliate Oelurile nealiate (oeluri carbon) conin, pe lng fier i carbon, cantiti limitate din alte elemente precum: Mn 0,8%, Si 0,5%, Cr 0,4%, P 0,05 %, S 0,05 %, Cu, Ni, etc. Unele dintre aceste elemente sunt necesare (exemplu: Mn, Si), iar altele sunt considerate impuriti, fiind nedorite n oel. Oelul carbon cu C < 0,08 % poart numele de fier tehnic. Oelurile carbon pot fi necalmate (max. 0,27% C i 0,05% Si), semicalmate (0,1...0,35% C i max. 0,17% Si) i calmate (obinuit 0,17...0,37% Si i coninut sczut de carbon ( 0,3%), mediu (0,3...0,6%) sau nalt (0,6 %)). Oelurile aliate sunt n totalitate oeluri calmate care conin unul sau mai multe dintre elementele obinuite n concentraii mai mari dect n oelurile carbon sau conin i alte elemente de aliere, precum: Ni, Cr, Ti, W, V, Nb, Ta, Mo, Co, B etc. n funcie de coninutul total al acestor elemente, oelurile se clasific n :

- oeluri slab aliate ( elementelor de aliere < 5 %); - oeluri mediu aliate ( elementelor de aliere = 5...10 %); - oeluri nalt aliate ( elementelor de aliere > 10 %). b. dup destinaia i modul de utilizare oelurile se clasific n oeluri deformabile i oeluri turnate Oelurile deformabile prezint sub acoperire oelurile de uz general (oeluri carbon de uz general (OL), oeluri carbon de calitate i superioare (OLC), oeluri slab i nalt aliate, oeluri inoxidabile i oeluri refractare) i oelurile cu destinaie precizat: oeluri pentru scule, oeluri pentru construcii navale, oeluri pentru rulmeni, oeluri pentru uruburi, oeluri pentru beton armat, oeluri pentru recipieni, oeluri pentru arcuri, oeluri pentru evi etc. n categoria oelurilor turnate se numr oelurile carbon, oelurile aliate inoxidabile i refractare, oelurile manganoase. c. dup diagrama fier carbon (Fe Fe3C) n conformitate cu diagrama Fe Fe3C, existena n structura oelului a eutectoidului perlit conduce la clasificarea urmtoare: - oeluri hipoeutectoide (C < 0,83); - oeluri eutectoide (C = 0,83); - oeluri hipereutectoide (C > 0,83). d. dup agregatul de elaborare n funcie de agregatul n care au fost elaborate oelurile se clasific n: - oeluri de cuptor Siemens Martin; - oeluri de convertizor; - oeluri de cuptor electric (cu arc, cu inducie).

TurnareaTurnarea, ca metod de obinere a pieselor turnare, i are nceputurile cu peste 4000 ani . en. Metodele de turnare au cunoscut n ultimul secol o dezvoltare deosebit i se mpart n metode de turnare a lingourilor, care sunt supuse deformrii plastice i metode de turnare a pieselor. Turnarea lingourilor cuprinde metode de turnare intermitent (convenional) i metode de turnare semicontinu i continu.

Turnarea intermitent a lingourilor de oeln funcie de metoda de turnare adoptat, n vederea obinerii lingourilor de oel sunt necesare unele utilaje specifice cum sunt: oala de turnare, tingotiera, maselotiera, podul de turnare etc. Procesul de elaborare a oelului continu, practic, n oala de turnare, n care este evacuat din cuptorul de elaborare i unde au loc procese de dezoxidare final, de ajustare a compoziiei

chimice i a temperaturii. Din acest motiv, oala de turnare este un utilaj metalurgic de o deosebit importan n procesul de obinere a unor oeluri cu proprieti superioare. Oelul se toarn n principiu, pe la fundul oalei, spre deosebire de font care se toarn pe cioc. Lingourile sunt semifabricate de forme simple, destinate prelucrrii prin deformare plastic sau retopirii pentru elaborarea de aliaje. Oala de turnare este constituit dintr-o manta metalic, cptuit cu materiale refractare. Mantaua se execut prin nituie sau sudur i este nconjurat de un inel din oel turnat, prevzut cu dou fusuri de prindere n crligul macaralei. Oala este cptuit cu crmizi radiale. De exemplu, grosimea zidriei va fi de cel puin 150 mm la perei i atinge 375 mm la fundul oalelor de 150t capacitate. La fundul oalei este prevzut orificiul de turnare. Acesta se fixeaz ntr-o crmid suport montat n zidria de la fundul oalei. Orificiul este nchis i deschis cu ajutorul unui dop din amot aluminoas sau din grafit, fixat la bara port dop. Aceasta din urm const dintr-o tij mbrcat n tuburi de amot. Prin manevrarea dopului se poate relga debitul de oel lichid ce se eveacueaz din oala de turnare. Oala de turnare trebuie s asigure o pierdere ct mai mic de cldur n timpul meinerii oelului. Aceast condiie este asigurat de corpul cu cea mai mic suprafa la acelai volum, care este sfer. Din motive practice, oala de turnare are forma unui trunchi de con cu o conicitate de pn 5% i diametrul mediu (Dm) egal cu nlimea coloanei de oel I0. tiind c n oal se evacueaz o cantitate de oel P cu densitatea oel, se poate calcula volumul ocupat de oel n oal i apoi diametrul mediu :

Votel =Cum:

Votel *se obine:

2

4

* I0 =

3

4

Dm = I0 =

=

nlimea oalei pn la baza ciocului pentru deversarea zgurei (la circa 100 mm sub bordura oalei) se calculeaz cu relaia I = I0 + 300 mm, n care 300 mm reprezint grosimea stratului de zgur. Orificiul de turnare a oelului are diametrul d i se plasez ntr-o poziie innd seama de relaiile:

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

Lingotierele.Oelul lichid este turnat n forme metalice numite lingotiere. Produsul obinut se numete lingou. Mrimea i profilul lingotierelor depind de mai muli factori, dintre care cei mai importani sunt: nevoile i posibilitatea laminoarelor, capacitatea agregatului de elaborare, calitatea oelului care se toarn, modul de turnare, etc. Lingotierele pot fi normal conice i invers conice. La randul lor cele normal conice pot fi cu sau fr maselotier, n timp ce cele invers conice au ntotdeauna maselotier, care poate fi detaabil sau face corp comun cu lingotiera. La picior lingotierele pot fi deschise sau nchise. Seciunea lingotierelor poate fi ptrat (lingouri pentru laminare i forjare), dreptunghiular (lingouri pentru tabl), poligonal ( lingouri pentru forj), pereii putnd fi sau ondulai (lingouri pentru srm, evi fr sudur tabl alb, bandaje). Pentru dimensionoarea lingotierelor se pornete de la mrimea lingoului (mas i latura mic). De reinut c latura mic, adic grosimea lingoului, se pstreaz n general n limite nguste, variind latura mare i nlimea. Prin grosimea peretelui, lingotiera trebuie s asigure acumularea foarte rapid a cldurii la nceputul solidificrii i transmiterea acesteia pe tot parcursul procesului de solidificare. Pe aceste considerente se recomand ca grosimea peretelui lingotierei s fie n limitele: s = (0,26...0,31)Dm cnd Dm > 400 mm i s = (0,32...0,50)Dm cnd Dm < 400 mm Lingotierele se toarn din font cenuie cu grafit lamelar sau nodular i au coninuturi ridicate de carbon (3,5...4,2%) i siliciu (1,0...2,0%). Consumul specific de lingotiere variaz n limite largi, n funcie de mrime, profil i condiiile practice de exploatare i anume: 8...14 kg/t la lingouri ptrate de 4...6 t; 16...22 kg/t la brame de 9...15 t cu rcire n aer pe grtar. Podul de turnare este format dintr-o plac masiv din font n care sunt prevzute canale deschise sau din dou plci. n canale se monteaz tuburi de amot, pe care sunt prevzute orificii de alimentare. Aceste canale converg la o cavitate ecentral n care se monteaz o crmid stea. Prin plnia central oelul ajunge la crmida stea, de unde este dirijat prin canale de distribuie spre lingotiere. La turnarea individual direct sunt utilizate plci pe care se aaz lingotierele deschise jos. Consumul specific de plci este n medie de 4 kg/t lingou. Maselotierele se toarn din font i se cptuesc prin ndesare sau zidire cu amot, cu amestec exoterm ntrit cu CO2. Se mai pot cptui i cu plci de amot sau termogene. Dimensiunile maselotelor sunt n funcie de dimensiunile lingourilor, maselotele reprezentnd 13...20% din volumul total al lingoului.

Metode de turnare.Turnarea oelului n lingotiere se poate face prin dou metode clasice: turnarea pe sus, turnarea n sifon, n funcie de mrimea lingoului, de felul prelucrrii prin deformare i de condiiile impuse produselor obinute prin deformarea plastic a lingoului. Turnarea pe la partea de sus se poate facedir ect sau cu plnieinter m ediar . Turnarea pe sus (direct) este cea mai simpl metod de turnare i prezint cteva avantaje importante i anume, se reduce contactul cu materialele refractare i ca urmare oelul are o puritate mai ridicat, grad ridicat de utilizare a oelului lichid, oelul se poate turna mai rece. Fa de aceste avantaje, metoda prezint dezavantajul c este indicat numai pentru lingouri mari, durabilitatea lingotierelor este relativ redus i prezint tendina mare de fisurare a lingotierelor.

Turnarea pe sus cu plnie intermediar se realizeaz prin intercalarea ntre lingotier i oala de turnare a unei plnii intermediare cu mai multe orificii, care ajut la alimentarea n acelai timp a mai multor lingotiere. Se utilizeaz n cazul turnrii lingourilor pentru forj, cu condiii severe privind calitatea oelului. n general prezint cteva avantaje i anume: se scurteaz timpul de turnare, nu se manevreaz mult dopul de nchidere a orificiului de turnare, se poate reine n plnie o cantitate important de zgur. Turnarea n sifon este cea mai rspndit metod de turnare a lingourilor, cu toate c necesit utilaje suplimentare de turnare ca poduri de turnare i plnii. Metoda prezint cteva anataje care fac ca ea s aib o utilizare larg i anume: - durabilitatea lingotierelor este mai mare fa de turnarea direct; - lingoruile au suprafee mai curate - timpul de golire a oalei de turnare este sczut. Dintre dezavanzajele mai importane ale turnrii n sifon se amintesc: - necesit un volum mare de munc necesar pentru pregtirea turnrii i un consum ridicat de materiale; - ca urmare a unui contact mai ndelungat cu materialel refractare, puritatea oelului este mai sczut; - gradul de utilizare a oelului lichid este mai sczut. Metoda se recomand pentru turnarea oelului necalmat i semicalmat, precum i a celui calmat cu coninut mediu i mic de carbon.

Parametrii turnrii.Parametrii de turnare se aleg n funcie de calitatea oelului i metoda de turnare utilizat. Parametrii de turnare mai importani suntn viteza de curgere a oelului din oal (viteza de golire a oalei) i temperatura de turnare. Viteza de golire a oalei este funcie de diamentrul d al orificiului de turnare i de nlimea ocupat de oel n oal conform relaiei:

vc = Kp * otel *n care:

Kp - este coeficientul de pierdere de presiune; otel - densitatea otelului, n kg/m3; D - diametrul orificiului de turnare, n m; H - nlimea coloanei de oel n oal la un moment dat, n m. Dup cum se constat din relaia de mai sus, viteza vc se micoreaz ca urmare a coborrii nivelului oelului n oal. Pe de alt parte, datorit uzurii n timpul turnrii a orificiului de turnare acesta se mrete i n consecin vc crete. n acelai timp n cazul oelurilor puternic dezoxidate, au loc depuneri de oxizi pe pereii orificiului de turnare, ceea ce determin o micorare a dimetrului acestuia i deci o micorare a lui vc. Temperatura de turnare a oelului n lingotiere trebuie s fie, n general, cu 30...50 oC mai mare fa de temperatura de nceput de solidificare i se stabilete n funcie de compoziia chimic a oelului, de mrimea lingoului i a lingotierei i de viteza de umplere. Temperatura de turnare se ia n considerare la stabilirea temperaturii de evacuare a oelului, tinnd seama de pierderile de cldur ce au loc n timpul evacurii (10...40 oC) i meninerii (1,5...2oC/min) oelului n oal. De asemenea, se au n vedere scderile de temperatur ce au loc n timpul turnrii: 10...30 oC la turnarea pe sus i 100...120 oC la turnarea n sifon.

Rezult deci, c pentru asigurarea unor condiii optime n procesul de solidificare este necesar ca temperatura de turnare, a oelului s fie cu 100...170 oC mai mare dect temperatura de nceput de solidificare n cazul turnrii pe sus i cu 185...200 oC n cazul turnrii n sifon. Se constat c pe msur ce crete coninutul de carbon se micoreaz temperatura de nceput de solidificare i deci i temperatura optim de turnare. Acelai fenomen se petrece i prin alierea oelului cu diferite elemente de aliere.

Turnarea continu a oeluluiDintre procedeele de turnare continu,turnarea continu vertical a cunoscut cea mai mare rspndire n cazul turnrii oelului. n practic au aprut mai multe variante: - instalaii cu fir vertical; - instalaii cu fir curb, dup zona de rcire secundar; - instalaii cu cristalizator curb, n form de arc de cerc. n general, se toarn continuu o varietate foarte mare de oeluri calmate, inclusiv inoxidabile. Sortimentul dimensional este i el variat putndu-se obine seciune ptrat i dreptunghiular cu raportul laturilor pn la 2...3 (agle, blumuri). Bramele turnate continuu au 700 100...2500 300 mm3. seciunile rotunde, hexagonale, octogonale se toarn n cantiti mici n gama 100...300 mm. De o deosebit importan n procesul de turnare continu este protecia oelului lichid contra reoxidrii n aer. n acest sens au aprut mai multe metode i anume protecia jetului de oel cu argon sau alte gaze reductoare, protejarea jetului de oel prin utilizarea unor tuburi ceramice i combinri ntre acestea. n vederea creterii calitii produselor turnare continuu au aprut noi instalaii de turnare continu dotate cu cuptoare de tratament sub vid sau cu cuptoare de meninere a oelului la temperaturi constante.

SolidificareaSolidificare lingourilor de oel. La contactul cu lingotiera, ca urmare a gradientului mare de temperatur, se formeaz un numr mare de cristale globulare foarte fine, ntre care se solidific n timp foarte scurt oelul dintre ele, rezultnd o crust. Ca urmare a contractrii crustei, aceasta se dezlipete de lingotier, aprnd un spaiu ntre acestea. Aerul care ptrunde ntre ele conduce la micorarea vitezei de rcire. Grosimea crustei formate iniial trebuie s fie suficient de mare pentru a nu fisura. n funcie de gradul de agitare a bii metalice din lingotier, ca urmare a formrii de oxid de carbon, se obin mai mult tipuri de structuri ale lingourilor: calmate, semicalmate, necalmate. n cazul oelului calmat dup formarea crustei marginale, continu rcirea lingoului dar cristalele care se gsesc la contactul cu lichiul ncep s creasc sub form de dendrite, formnduse zona de cristale columnare sau de transcristalizare. Ca urmare a cristalizrii selective, dendritele conin mai puin carbon, sulf, fosfor dect compoziia medie a oelurilor. Pe msur ce foruntul de solidificare avanseaz, se micoreaz viteza de solidificare i apar condiii n centrul lingoului de formare a unor cristale echiaxiale, care au tendina de a se acumula la baza lingoului sau de a rmne n vrfurile dendritelor mari, formndu-se zona de trecere. Ultimul lichid se solidific vrusc formnd zona central. La solidificarea oelului semicalmat ca urmare a prezenei unei cantiti mai mari de

oxiden n oel, are loc formarea i degajarea de CO n ultima parte a solidificrii. Degazarea de CO trebuie s conduc la mpiedicarea formrii retasurii i segregaiei n centrul lingoului. n rest, procesul de solidificare decurge ca i la oelul calmat. n cazul oelului necalmat, care conien o cantitate de oxigen dizolvat mai mare dect oelul semicalmat, n timpul formrii zonei de cristale fine (26...20 mm grosime) are loc o imbogire n oxigen a lichidului din imediata apropiere a zonei formate, intrnd n reacia cu carbonul i formnd CO, care produce fierberea oelului n lingotier. Ca urmare nu se mai formeaz zona de cristale columnare. Bulele de CO formare n partea de sus a lingotierei nving presiunea i se elimin n atmosfer, iar cele din partea de jos rmn n lingou formnd o coroan de sufluri. (Defect de turnare a lingourilor sau al pieselor metalice turnate, constnd din mici goluri produse de gazele degajate din metal n urma unor reacii chimice.) Pe msur ce oelul se rcete, bulele de CO se degaj tot mai greu i oelul ncepe s creasc n lingotier. Pentru a mpiedica acest lucru (defect) se acoper lingoul cu un capac din font ceea ce determin solidificarea lingoului la partea superioar. Rezult deci c lingoul de oel necalmat are o structur cu multe goluri cu suprafaa neoxidat, care se sudeaz n procesul de deformare prin laminare.

Bibliografie: 1. Tehnologii metalurgice Petru Moldovan (1979) 2. Turnarea continu a oelului M. S. Boicenko (1958) 3. Ingineria producerii oelului Victor Geant, Radu tefnoiu (2008)