TURNAREA LINGOURILOR DE OŢEL

I. Introducere

Problemele turnării continue a oţelului interesează de mulţi ani pe lucrătorii din siderurgie.

Avantajele turnării continue s-au conturat în metalurgia neferoasă mult mai devreme decât în siderurgie. În oţelării, utilizarea turnării continue întâmpină multe dificultăţi şi se realizează mult mai încet decât în metalurgia neferoasă, din următoarele cauze:

1. este mai uşor să se dirijeze turnarea metalelor neferoase care au o temperatură de topire relativ mai coborâtă;

2. productivitatea turnării continue se armonizează în prezent mai bine cu capacitatea cuptoarelor de topire din metalurgia neferoaselor decât din siderurgie.

S-a stabilit că, pentru dezvoltarea ulterioară a turnării continue, este necesară rezolvarea următoarelor probleme principale:

1. Cercetarea proceselor care au loc în lingotieră când oţelul care se răceşte înaintează în jos. Aici există fără îndoială un ansamblu mult mai complicat de probleme decât la studierea turnării în lingotieră obişnuită.

2. Rezistenţa oţelului la temperaturi apropriate de temperatura de topire.3. Mecanismul şi condiţiile schimbului de căldură între lingou şi lingotieră şi factorii

de bază care limitează viteza de tragere a lingoului etc.4. Fluiditatea oţelului.5. Cercetarea unor construcţii raţionale la lingotiere.6. Cercetarea unor condiţii şi construcţii raţionale pentru răcirea secundară a

lingoului.7. Mecanismul de formare a tensiunilor interne în lingou şi lupta împotriva lor.

II. Oţelurile Oţelurile sunt aliaje ale fierului cu carbonul, având un conţinut de maximum 2,11% C,

care conţin şi alte elemente precum Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Ti etc. şi careprezintă transformarea eutectoidă în stare solidă. Capacitatea de prelucrare prin deformare plastică şi tratamentul termic depind de proporţia de eutectoid, de compoziţia chimică şi de modul de elaborare.

Oţelurile se pot clasifica în funcţie de criteriile considerate ca fiind cele mai reprezentative şi anume:

- compoziţia chimică;- destinaţia;- diagrama fier – carbon;- agregatul de elaborare.

a. după compoziţia chimică se gasesc oţeluri nealiate şi oţeluri aliateOţelurile nealiate (oţeluri carbon) conţin, pe lângă fier şi carbon, cantităţi 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 impurităţi, fiind nedorite în oţel.

Oţelul carbon cu C < 0,08 % poartă numele de fier tehnic. Oţelurile carbon pot fi necalmate (max. 0,27% C şi 0,05% Si), semicalmate (0,1...0,35% C şi max. 0,17% Si) şi calmate (obişnuit 0,17...0,37% Si şi conţinut scăzut de carbon (≤ 0,3%), mediu (0,3...0,6%) sau înalt (≥0,6 %)).

Oţelurile aliate sunt în totalitate oţeluri calmate care conţin unul sau mai multe dintre elementele obişnuite în concentraţii mai mari decât în oţelurile carbon sau conţin şi alte elemente de aliere, precum: Ni, Cr, Ti, W, V, Nb, Ta, Mo, Co, B etc. În funcţie de conţinutul total al acestor elemente, oţelurile se clasifică în

- oţeluri slab aliate (∑ elementelor de aliere < 5 %);

2

- oţeluri mediu aliate (∑ elementelor de aliere = 5...10 %);- oţeluri înalt aliate (∑ elementelor de aliere > 10 %).

b. după destinaţia şi modul de utilizare oţelurile se clasifică în oţeluri deformabile şi oţeluri turnate

Oţelurile deformabile prezintă sub acoperire oţelurile de uz general (oţeluri carbon de uz general (OL), oţeluri carbon de calitate şi superioare (OLC), oţeluri slab şi înalt aliate, oţeluri inoxidabile şi oţeluri refractare) şi oţelurile cu destinaţie precizată: oţeluri pentru scule, oţeluri pentru construcţii navale, oţeluri pentru rulmenţi, oţeluri pentru şuruburi, oţeluri pentru beton armat, oţeluri pentru recipienţi, oţeluri pentru arcuri, oţeluri pentru ţevi etc.

În categoria oţelurilor turnate se numără oţelurile carbon, oţelurile aliate inoxidabile şi refractare, oţelurile manganoase.

c. după diagrama fier – carbon (Fe – Fe3C)În conformitate cu diagrama Fe – Fe3C, existenţa în structura oţelului a eutectoidului perlită conduce la clasificarea următoare:- oţeluri hipoeutectoide (C < 0,83);- oţeluri eutectoide (C = 0,83);- oţeluri hipereutectoide (C > 0,83).

d. după agregatul de elaborareÎn funcţie de agregatul în care au fost elaborate oţelurile se clasifică în:- oţeluri de cuptor Siemens – Martin;- oţeluri de convertizor;- oţeluri de cuptor electric (cu arc, cu inducţie).

III. TurnareaTurnarea, ca metodă de obţinere a pieselor turnare, îşi are începuturile cu peste 4000

î.en. Metodele de turnare au cunoscut în ultimul secol o dezvoltare deosebită şi se împart îm metode de turnare a lingourilor, care sunt supuse deformării plastice şi metode de turnare a pieselor.

Turnarea lingourilor cuprinde metode de turnare intermitentă (convenţională) şi metode de turnare semicontinuă şi continuă.

Turnarea intermitentă a lingourilor de oţelÎn funcţie de metoda de turnare adoptată, în vederea obţinerii lingourilor de oţel sunt

necesare unele utilaje specifice cum sunt: oala de turnare, tingotiera, maselotiera, podul de turnare etc.

Procesul de elaborare a oţelului continuă, practic, în oala de turnare, în care este evacuat din cuptorul de elaborare şi unde au loc procese de dezoxidare finală, de ajustare a compoziţiei chimice şi a temperaturii. Din acest motiv, oala de turnare este un utilaj metalurgic de o deosebită importanţă în procesul de obţinere a unor oţeluri cu proprietăţi superioare.

Oţelul se toarnă în principiu, pe la fundul oalei, spre deosebire de fontă care se toarnă pe cioc.

Lingourile sunt semifabricate de forme simple, destinate prelucrării prin deformare plastică sau retopirii pentru elaborarea de aliaje.

Oala de turnare este constituită dintr-o manta metalică, căptuşită cu materiale refractare. Mantaua se execută prin nituie sau sudură şi este înconjurată de un inel din oţel turnat, prevăzut cu două fusuri de prindere în cârligul macaralei. Oala este căptuşită cu cărămizi radiale. De exemplu, grosimea zidăriei va fi de cel puţin 150 mm la pereţi şi atinge

3

375 mm la fundul oalelor de 150t capacitate.La fundul oalei este prevăzut orificiul de turnare. Acesta se fixează într-o cărămidă

suport montată în zidăria de la fundul oalei. Orificiul este închis şi deschis cu ajutorul unui dop din şamotă aluminoasă sau din grafit, fixat la bara port dop. Aceasta din urmă constă dintr-o tijă îmbrăcată în tuburi de şamotă.

Prin manevrarea dopului se poate relga debitul de oţel lichid ce se eveacuează din oala de turnare.

Oala de turnare trebuie să asigure o pierdere cât mai mică de căldură în timpul meţinerii oţelului. Această condiţie este asigurată de corpul cu cea mai mică suprafaţă la acelaşi volum, care este sferă. Din motive practice, oala de turnare are forma unui trunchi de con cu o conicitate de până 5% şi diametrul mediu (Dm) egal cu înălţimea coloanei de oţel I0.

Ştiind că în oală se evacuează o cantitate de oţel P cu densitatea ρoţel, se poate calcula volumul ocupat de oţel în oală şi apoi diametrul mediu:

Cum: se obţine:

.

Înălţimea oalei până la baza ciocului pentru deversarea zgurei (la circa 100 mm sub bordura oalei) se calculează cu relaţia I = I0 + 300 mm, în care 300 mm reprezintă grosimea stratului de zgură.

Orificiul de turnare a oţelului are diametrul d şi se plaseză într-o poziţie ţinând seama de relaţiile:

B = 0,8 Di

Di = a + bb = 1,5 a

Lingotierele. Oţelul lichid este turnat în forme metalice numite lingotiere. Produsul obţinut se numeşte lingou.

Mărimea şi profilul lingotierelor depind de mai mulţi factori, dintre care cei mai importanţi sunt: nevoile şi posibilitatea laminoarelor, capacitatea agregatului de elaborare, calitatea oţelului care se toarnă, modul de turnare, etc.

Lingotierele pot fi normal conice şi invers conice. La rţndul lor cele normal conice pot fi cusau fără maselotieră, în timp ce cele invers conice au întotdeauna maselotieră, care poate fi detaşabilă sau face corp comun cu lingotiera.

La picior lingotierele pot fi deschise sau închise.Secţiunea lingotierelor poate fi pătrată (lingouri pentru laminare şi forjare),

dreptunghiulară (lingouri pentru tablă), poligonală ( lingouri pentru forjă), pereţii putând fi sau ondulaţi (lingouri pentru sârmă, ţevi fără sudură tablă albă, bandaje).

Pentru dimensionoarea lingotierelor se porneşte de la mărimea lingoului (masă şi latura mică). De reţinut că latura mică, adică grosimea lingoului, se păstrează în general în limite înguste, variind latura mare şi înălţimea.

Prin grosimea peretelui, lingotiera trebuie să asigure acumularea foarte rapidă a căldurii la începutul solidificării şi transmiterea acesteia pe tot parcursul procesului de solidificare. Pe aceste considerente se recomandă ca grosimea peretelui lingotierei să fie în limitele:

s = (0,26...0,31)Dm când Dm > 400 mm şis = (0,32...0,50)Dm când Dm < 400 mmLingotierele se toarnă din fontă cenuşie cu grafit lamelar sau nodular şi au conţinuturi

ridicate de carbon (3,5...4,2%) şi siliciu (1,0...2,0%).Consumul specific de lingotiere variază în limite largi, în funcţie de mărime, profil şi

4

condiţiile practice de exploatare şi anume: 8...14 kg/t la lingouri pătrate de 4...6 t; 16...22 kg/t la brame de 9...15 t cu răcire în aer pe grătar.

Podul de turnare este format dintr-o placă masivă din fontă în care sunt prevăzute canale deschise sau din două plăci. În canale se montează tuburi de şamotă, pe care sunt prevăzute orificii de alimentare. Aceste canale converg la o cavitate ecentrală în care se montează o cărămidă stea.

Prin pâlnia centrală oţelul ajunge la cărămida stea, de unde este dirijat prin canale de distribuţie spre lingotiere.

La turnarea individuală directă sunt utilizate plăci pe care se aşază lingotierele deschise jos. Consumul specific de plăci este în medie de 4 kg/t lingou.

Maselotierele se toarnă din fontă şi se căptuşesc prin îndesare sau zidire cu şamotă, cu amestec exoterm întărit cu CO2. Se mai pot căptuşi şi cu plăci de şamotă sau termogene. Dimensiunile maselotelor sunt în funcţie de dimensiunile lingourilor, maselotele reprezentând 13...20% din volumul total al lingoului.

Metode de turnare. Turnarea oţelului în lingotiere se poate face prin două metode clasice: turnarea pe sus, turnarea în sifon, în funcţie de mărimea lingoului, de felul prelucrării prin deformare şi de condiţiile impuse produselor obţinute prin deformarea plastică a lingoului.

Turnarea pe la partea de sus se poate face direct sau cu pâlnie intermediară.Turnarea pe sus (directă) este cea mai simplă metodă de turnare şi prezintă câteva

avantaje importante şi anume, se reduce contactul cu materialele refractare şi ca urmare oţelul are o puritate mai ridicată, grad ridicat de utilizare a oţelului lichid, oţelul se poate turna mai rece.

Faţă de aceste avantaje, metoda prezintă dezavantajul că este indicată numai pentru lingouri mari, durabilitatea lingotierelor este relativ redusă şi prezintă tendinţa mare de fisurare a lingotierelor.

Turnarea pe sus cu pâlnie intermediară se realizează prin intercalarea între lingotieră şi oala de turnare a unei pâlnii intermediare cu mai multe orificii, care ajută la alimentarea în acelaşi timp a mai multor lingotiere. Se utilizează în cazul turnării lingourilor pentru forjă, cu condiţii severe privind calitatea oţelului. În gneeral prezintă câteva avantaje şi anume: se scurtează timpul de turnare, nu se manevrează mult dopul de închidere a orificiului de turnare, se poate reţine în pâlnie o cantitate importantă de zgură.

Turnarea în sifon este cea mai răspândită metodă de turnare a lingourilor, cu toate că necesită utilaje suplimentare de turnare ca poduri de turnare şi pâlnii.

Metoda prezintă câteva anataje care fac ca ea să aibă o utilizare largă şi anume:- durabilitatea lingotierelor este mai mare faţă de turnarea directă;- lingoruile au suprafeţe mai curateş- timpul de golire a oalei de turnare este scăzut.Dintre dezavanzajele mai importane ale turnării în sifon se amintesc:- necesită un volum mare de muncă necesară pentru pregătirea turnării şi un consum

ridicat de materiale;- ca urmare a unui contact mai îndelungat cu materialel refractare, puritatea oţelului

este mai scăzută;- gradul de utilizare a oţelului lichid este mai scăzut.Metoda se recomandă pentru turnarea oţelului necalmat şi semicalmat, precum şi a

celui calmat cu conţinut mediu şi mic de carbon.Parametrii turnării. Parametrii de turnare se aleg în funcţie de calitatea oţelului şi

metoda de turnare utilizată. Parametrii de turnare mai importanţi suntn viteza de curgere a oţelului din oală (vteza de golire a oalei) şi temperatura de turnare.

Viteza de golire a oalei este funcţie de diamentrul d al orificiului de turnare şi de înălţimea ocupaăt de oţel în oală conform relaţiei:

5

în care:Kp este coeficientul de pierdere de presiune;ρotel – densitatea otelului, în kg/m3;d – diametrul orificiului de turnare, în m;H – înălţimea coloanei de oţel în oală la un moment dat, în m.

După cum se constată din relaţia de mai sus, viteza vc se micşorează ca urmare a coborârii nivelului oţelului în oală. Pe de altă parte, datorită uzurii în timpul turnării a orificiului de turnare acesta se măreşte şi în consecinţă vc creşte. În acelaşi timp în cazul oţelurilor puternic dezoxidate, au loc depuneri de oxizi pe pereţii orificiului de turnare, ceea ce determină o micşorare a dimetrului acestuia şi deci o micşorare a lui vc.

Temperatura de turnare a oţelului în lingotiere trebuie să fie, în general, cu 30...50oC mai mare faţă de temperatura de început de solidificare şi se stabileşte în funcţie de compoziţia chimică a oţelului, de mărimea lingoului şi a lingotierei şi de viteza de umplere. Temperatura de turnare se ia în considerare la stabilirea temperaturii de evacuare a oţelului, tinând seama de pierderile de căldură ce au loc în timpul evacuării (10...40oC) şi menţinerii (1,5...2oC/min) oţelului în oală.

De asemenea, se au în vedere scăderile de temperatură ce au loc în timpul turnării: 10...30oC la turnarea pe sus şi 100...120 oC la turnarea în sifon.

Rezultă deci, că pentru asigurarea unor condiţii optime în procesul de solidificare este necesar ca temperatura de turnare, a oţelului să fie cu 100...170 oC mai mare decât temperatura de început de solidificare în cazul turnării pe sus şi cu 185...200 oC în cazul turnării în sifon.

Se constată că pe măsură ce creşte conţinutul de carbon se micşorează temperatura de început de solidificare şi deci şi temperatura optimă de turnare.

Acelaşi fenomen se petrece şi prin alierea oţelului cu diferite elemente de aliere.

Turnarea continuă a oţeluluiDintre procedeele de turnare continuă, turnarea continuă verticală a cunoscut cea mai

mare răspândire în cazul turnării oţelului. În practică au apărut mai multe variante:- instalaţii cu fir vertical;- instalaţii cu fir curb, după zona de răcire secundară;- instalaţii cu cristalizator curb, în formă de arc de cerc.În general, se toarnă continuu o varietate foarte mare de oţeluri calmate, inclusiv

inoxidabile.Sortimentul dimensional este şi el variat putându-se obţine secţiune pătrată şi

dreptunghiulară cu raportul laturilor până la 2...3 (ţagle, blumuri). Bramele turnate continuu au 700 × 100...2500 × 300 mm3. secţiunile rotunde, hexagonale, octogonale se toarnă în cantităţi mici în gama Ø 100...300 mm.

De o deosebită importanţă în procesul de turnare continuă este protecţia oţelului lichid contra reoxidării în aer. În acest sens au apărut mai multe metode şi anume protecţia jetului de oţel cu argon sau alte gaze reducătoare, protejarea jetului de oţel prin utilizarea unor tuburi ceramice şi combinări între acestea.

În vederea creşterii calităţii produselor turnare continuu au apărut noi instalaţii de turnare continuă dotate cu cuptoare de tratament sub vid sau cu cuptoare de menţinere a oţelului la temperaturi constante.

IV. SolidificareaSolidificare lingourilor de oţel. La contactul cu lingotiera, ca urmare a gradientului

mare de temperatură, se formează un număr mare de cristale globulare foarte fine, între care

6

se solidifică în timp foarte scurt oţelul dintre ele, rezultând o crustă. Ca urmare a contractării crustei, aceasta se dezlipeşte de lingotieră, apărând un spaţiu între acestea. Aerul care pătrunde între ele conduce la micşorarea vitezei de răcire. Grosimea crustei formate iniţial trebuie să fie suficient de mare pentru a nu fisura.

În funcţie de gradul de agitare a băii metalice din lingotieră, ca urmare a formării de oxid de carbon, se obţin mai mult tipuri de structuri ale lingourilor: calmate, semicalmate, necalmate.

În cazul oţelului calmat după formarea crustei marginale, continuă răcirea lingoului dar cristalele care se găsesc la contactul cu lichiul încep să crească sub formă de dendrite, formându-se zona de cristale columnare sau de transcristalizare.

Ca urmare a cristalizării selective, dendritele conţin mai puţin carbon, sulf, fosfor decât compoziţia medie a oţelurilor.

Pe măsură ce foruntul de solidificare avansează, se micşorează viteza de solidificare şi apar condiţii în centrul lingoului de formare a unor cristale echiaxiale, care au tendinţa de a se acumula la baza lingoului sau de a rămâne în vârfurile dendritelor mari, formându-se zona de trecere. Ultimul lichid se solidifică vrusc formând zona centrală.

La solidificarea oţelului semicalmat ca urmare a prezenţei unei cantităţi mai mari de oxiden în oţel, are loc formarea şi degajarea de CO în ultima parte a solidificării. Degazarea de CO trebuie să conducă la împiedicarea formării retasurii şi segregaţiei în centrul lingoului. În rest, procesul de solidificare decurge ca şi la oţelul calmat.

În cazul oţelului necalmat, care conţien o cantitate de oxigen dizolvat mai mare decât oţelul semicalmat, în timpul formării zonei de cristale fine (26...20 mm grosime) are loc o îmbogăţire în oxigen a lichidului din imediata apropiere a zonei formate, intrând în reacţia cu carbonul şi formând CO, care produce fierberea oţelului în lingotieră. Ca urmare nu se mai formează zona de cristale columnare. Bulele de CO formare în partea de sus a lingotierei înving presiunea şi se elimină în atmosferă, iar cele din partea de jos rămân în lingou formând o coroană de sufluri. (Defect de turnare a lingourilor sau al pieselor metalice turnate, constând din mici goluri produse de gazele degajate din metal în urma unor reacţii chimice.)

Pe măsură ce oţelul se răceşte, bulele de CO se degajă tot mai greu şi oţelul începe să crească în lingotieră. Pentru a împiedica acest lucru (defect) se acoperă lingoul cu un capac din fontă ceea ce determină solidificarea lingoului la partea superioară. Rezultă deci că lingoul de oţel necalmat are o structură cu multe goluri cu suprafaţa neoxidată, care se sudează în procesul de deformare prin laminare.

Bibliografie:1. Tehnologii metalurgice – Petru Moldovan (1979)2. Turnarea continuă a oţelului – M. S. Boicenko (1958)3. Ingineria producerii oţelului – Victor Geantă, Radu Ştefănoiu (2008)

7