Metalurgia oŃelului

OŃelul este un aliaj al fierului cu carbonul având concentraŃia de carbon mai mică de

2,06 % împreună cu alŃi constituenŃi naturali Si, Mn, S, P, O, H sau introduşi ca Ni, Cr, W,

Mo, V. Este cel mai utilizat material metalic.

Procedeele de elaborare ale oŃelului sunt prezentate în fig. 1.

Procedee de

elaborare a

oŃelului

indir

ect

din

fo

nta

alb

ă

de

afi

nare

în convertizor

în cuptor

Siemens-Martin

în cuptor

electric

cu aer

cu O2

Bessemer

acid

Thomas

bazic

L.D.

KALDO

ROTOR

cu arc

cu rezistenŃă

cu inducŃie

cu încălzire

indirectă

cu încălzirea

vetrei

fără încălzirea

vetrei

cu încălzire

indirectă

cu miez de fier

fără miez

de fier

direct din

minereu

Procedeul

BOSSET

Procedeul

VECHIS

Procedeul

KRUPP-RENN

mediefrecvenŃă

joasă frecvenŃă

înaltă frecvenŃă

Fig. 1. Procedee de elaborare a oŃelului

Elaborarea oŃelului în convertizoare

Constă în afinarea (oxidarea) fontei albe lichide cu ajutorul aerului sau oxigenului,

insuflarea oxigenului putându-se face : de jos în sus, de sus în jos, lateral etc.

Prin afinare se îndepărtează carbonul suplimentar (decarburare) şi celelalte elemente

însoŃitoare care trec în zgură.

Sub formă de silicaŃi sau sunt trecute sub formă de CO, CO2.

În timpul decarburării se produce şi o oxidare a fierului, fiind necesară o dezoxidare

realizată cu ajutorul feroaliajelor (ferosilicaŃi, feromangan) formându-se oxizi de siliciu şi

mangan care trec în zgură.

Convertizoarele sunt cuptoare basculante din tablă de oŃel căptuşite cu cărămidă

refractară prevăzute cu dispozitive de rotire şi basculare, orificii de umplere şi galerii.

Schema unui convertizor este redată în figura 2.10.

1-tablă de oŃel; 2- cărămidă refractară; 3- ax de rotire; 4-zgură; 5-fontă; 6-gura convertizorului; 7-gaze.

Fig. 2. Schema unui convertizor

În funcŃie de caracterul materialului refractar al căptuşelii se pot elabora oŃeluri

acide şi bazice.

OŃelul acid este dur, rezistă la uzură, se sudează uşor, se prelucrează uşor pe maşini-

unelte.

Utilizat la fabricarea sârmei şi produselor derivate (cuie, şuruburi, ace, împletituri)

la fabricarea Ńevilor sudate, a tablelor şi materialelor de cale ferată.

OŃelul bazic este moale, se sudează bine se prelucrează uşor prin aşchiere.

Convertizorul cu aer

Poate fi cu căptuşeală refractară acide pe bază de SiO2 (Bessemer-1856), sau bazică

pe bază de CaCO3 (Thomas-1879).

Fig. 3. Convertizorul cu insuflare cu aer

În figura 3. b este prezentată schema simplificată a convertizorului cu aer.

Fig. 3.b. Reprezentarea simplificată a convertizorului cu aer

În prima fază se înclină convertizorul pentru umplere cu fontă lichidă de la melanjor

(10 ÷ 30 t). După revenirea în poziŃie verticală se insuflă aer cu o presiune de 1,5 ÷ 2,5

daN/cm2 prin camera de aer prevăzută cu 120 ÷ 150 orificii de φ 20mm. La cuptorul

Thomas se mai adaugă fontă lichidă, cca. 10% CaO. Începe oxidarea Fe, Si, Mn, C fapt

certificat de mărimea flăcării de la gura convertizorului.

1 - gură

2 - manta de oŃel (10 ÷ 15 mm grosime)

3 - cărămidă refractară

4 - suport

5 - conductă de aer

6 - cameră de aer (vânt)

7 - cremalieră

8 - roată dinŃată

9 - cilindru hidraulic

10 - brâu de susŃinere

La convertizorul Bessemer, datorită căptuşelii acide sulful (S) şi fosforul (P) din

fontă rămân în oŃelul elaborat, iar la convertizorul Thomas, datorită căptuşelii bazice CaO,

S şi P se separă în zgură.

Datorită faptului că apar deficienŃe legate de insuflarea de aer neputând utiliza fier

vechi, convertizorul cu aer se utilizează tot mai puŃin.

Durata afinării unei şarje la convertizorul Bessemer este de circa 20 ÷ 25 min.,

rezistând la cca. 200 de şarje, iar la cel Thomas de cca. 30 ÷ 40 min., rezistând la 80 şarje.

Convertizor cu oxigen LD (Linz-Donawitz)

Oxigenul este insuflat cu o presiune de 10 ÷ 18 daN/cm2 printr-o lancie de oŃel ce

trebuie răcită în permanenŃă cu apă, aflată la o anumită înălŃime de încărcătură.

Fig. 4. Schema convertizorului cu oxigen

Capacitatea variază între 100 ÷ 300 t/şarjă, procedeul metalurgic fiind cuprinsă între

10-20 min.

Încărcătura este constituită din fonta lichidă la 1250°C, fier vechi până la 25% şi

fondant sub formă de pulbere de oxid de calciu 6 ÷ 10%.

a)excentric b) concentric 1 - lancie din oŃel răcit prin care se insuflă sub presiune oxigenul 2 - gura convertizorului 3 - carcasă din tablă de oŃel 4 - cărămidă refractară din trei straturi (interior, intermediar şi exterior) 5 - încărcătură metalică (fontă topită + fier vechi solid) 6 - gura de evacuare

Procedeul metalurgic cuprinde fazele :

- oxidarea Si, Mn, P, S, C.

- reafinarea realizată prin dezoxidarea şi decarburarea oŃelului cu ajutorul

feroaliajelor.

Fonta lichidă aflată sub curentul de oxigen se transformă prin oxidare în oŃel, care

având greutatea specifică mai mare decât a fontei se scufundă, lăsând locul altor cantităŃi de

fontă, astfel încât se produce o autoagitare permanentă.

Avantajele elaborării în convertizoare sunt: productivitatea mare, construcŃie

simplă, investiŃii reduse şi amortizare rapidă, cheltuieli de exploatare reduse.

Dezavantajele constau în: instalarea convertizoarelor lângă furnale datorită utilizării

fontei lichide, puritate scăzută a oŃelului etc.

În figura 4. c este prezentată schema simplificată a convertizorului cu oxigen.

Fig. 4.c. Reprezentarea simplificată a convertizorului cu oxigen

Timpul de afinare este de 10 ÷ 20 min. degajându-se un gaz bogat în CO şi o

cantitate de cca. 11 kg. praf / tona de oŃel.

Gradul de afinare este controlat cu ajutorul flăcărilor de la gura convertizorului. Se

pot elabora oŃeluri nealiate cu un conŃinut de C cuprins în intervalul 0,01 ÷ 0,75 %.

La suprafaŃa băii, metalul în contact cu oxigenul se oxidează, formând o cantitate

mare de FeO şi mai mică de oxizi ai elementelor însoŃitoare (SiO2, MnO, P2O5, CO).

Presiunea cu care se introduce oxigenul face ca baia metalică să se agite continuu, oxizii de

fier formaŃi se amestecă în toată masa lichidă de fier.

Există două categorii de oxidări:

- directă (contactul Fe şi elementele însoŃitoare cu oxigenul)

- indirectă (contactul dintre elementele însoŃitoare cu FeO de la oxidarea directă)

Elaborarea oŃelului în cuptorul cu vatră (Siemens - Martin)

Procedeul de elaborare Siemens-Martin constă în afinarea fierului vechi cu ajutorul

flăcării de gaz (păcură) într-un cuptor construit din material refractar suspendat pe un

schele metalic la înălŃimea de 5-8 m pentru a permite aşezarea oalelor de turnare sub

jgheabul de evacuare. Cuptorul este prevăzut cu sistemul de preîncălzire inventat de W.

Siemens compus din camere cu grilaje din material refractar încălzite cu ajutorul gazelor de

ardere din cuptor.

Fig. 5. Procedeul de elaborare a oŃelului Siemens-Martin

Procedeul metalurgic cuprinde următoarele faze principale: încărcarea materiei

prime, topirea încărcăturii, afinarea (fierberea) şarjei, evacuarea zgurei, dezoxidarea

(finisarea, alierea), evacuarea oŃelului.

În funcŃie de caracterul materiei prime se deosebesc următoarele variante ale

procedeului :

- fier vechi (40 ÷ 60%) şi fontă albă de afânare, lichidă;

- fier vechi (70 ÷ 75%) şi fontă albă solidă;

- fier vechi (2 ÷ 5%) provenit din deşeuri, rebuturi, fonte de afânare lichidă

(70 ÷ 75%) şi aliaje de fier (20 ÷ 25%).

Elaborarea unei şarje durează 4 ÷ 9 ore.

Avantajele acestui procedeu sunt :

- utilizarea fierului vechi (deşeuri, rebuturi etc.) ;

- posibilitatea folosirii diferitelor calităŃi de fontă ;

- conducerea uşoară a topirii, de exemplu pentru urmărirea procesului de

elaborare se iau probe în diferite momente şi se fac analize rapide de oŃel şi de zgură,

luându-se măsurile corespunzătoare pentru corectarea elaborării.

Dezavantajele procedeului sunt :

- limitarea elaborării oŃelurilor aliate cu elemente uşor oxidabile (titan,

vanadiu etc.) datorită gazelor care participă la procesul metalurgic;

- limitarea elaborării oŃelurilor aliate ce necesită temperaturi înalte de topire,

datorită durabilităŃii reduse a materialelor refractare a căptuşelii cuptorului.

Elaborarea oŃelului în convertizorul KALDO

Convertizorul Kaldo a fost realizat în anul 1956 în Suedia de Kalling la Uzinele

Domnarvete (Suedia). Forma constructivă este prezentată în fig. 2.14, are axa înclinată,

executând o mişcare de rotaŃie (n = 15 ÷ 30 rot/min) în timpul afinării lancea prin care se

introduce oxigenul este înclinată faŃă de axa convertizorului cu 2÷20°.

1 – lancie 2 – orificiu de încărcare 3 – manta metalică 4 – căptuşeală refractară 5 – sistem de antrenare 6 – masă de metal lichid

Fig. 6. Convertizorul KALDO

Amestecarea mai bună a masei lichide şi oxidarea mai rapidă a elementelor

însoŃitoare este o consecinŃă a mişcării de rotaŃie.

Căldura produsă este mai bine utilizată, minereul de fier şi fierul vechi putând

ajunge până la 25-50%.

Procesul metalurgic este asemănător celui din convertizorul cu oxigen.

Pierderile de fier sunt mult mai mici, cantitatea de oŃel elaborată putând ajunge la

92% din încărcătura metalică.

Prezintă unele dezavantaje si anume: are un consum specific de oxigen de 64

Nm3/tonă, mai mare faŃă de convertizorul cu oxigen care consumă numai 40 Nm3/tonă, iar

durabilitatea căptuşelii refractare este mai redusă datorită vibraŃiilor ce apar în timpul

mişcării de rotaŃie şi un consum ridicat de energie la acŃionare.

Elaborarea oŃelului în convertizorul ROTOR

Acest convertizor a fost realizat

de Uzina Oberhausen în Germania în

anul 1958.

Execută o mişcare de rotaŃie cu

n = 0,6 rot/min., insuflarea oxigenului

făcându-se prin doua conducte, una

intrând în baia metalică (O2 primar),

cealaltă în atmosfera cuptorului (O2

secundar).

Oxigenul primar oxidează

elementele însoŃitoare din fonta iar cel secundar CO degajat ducând la o încălzire

suplimentară. Presiunea şi debitul se reglează în funcŃie de regimul metalurgic urmărit.

Fazele procesului metalurgic sunt asemănătoare cu cele de convertizorul cu oxigen

(Linz-Donawitz).

Durata afinării este mai mare 50 ÷ 60 minute datorită cantităŃii mari de deşeuri,

randamentul termic este mai bun permiŃându-se utilizare de fier vechi si minereu până la

50 %.

Dezavantajele pe care le prezintă sunt un consum mai mare de oxigen cca. 90

Nm3/tonă şi durabilitatea lancei (conductelor) şi a căptuşelii refractare mai reduse.

Fig. 7. Convertizorul ROTOR

1 – lance 2 – sistem de antrenare 3 – role de sprijin 4 – orificiu de evacuare 5 – hotă 6 – suport

Procedeul de elaborare electric

Constă în topire oŃelului provenit din piese vechi, rebuturi, deşeuri etc. cu ajutorul

energiei electrice.

Cantitatea de căldură necesară topirii oŃelului obŃinută prin :

- arc electric (fig. 6) dezvoltat de efectul Joule-Lenz conform relaŃiei :

Q R I t cal= ⋅ ⋅ ⋅0 24 2, ( )

în care Q este cantitatea de căldură în cal.; R- rezistenŃa curentului electric în Ω; I -

intensitatea curentului electric A; t - timpul de menŃinere a arcului în s.

- curenŃi de inducŃie;

- rezistenŃă electrică.

Pentru a obŃine o cantitate de căldură mai mare în vederea topirii oŃelurilor cu

temperaturi de topire foarte înalte (peste 4000°C), de exemplu oŃeluri aliate cu W se

utilizează cuptorul cu arc electric cu încălzirea vetrei (fig. 6. a). La acest cuptor se dezvoltă

6 arce electrice (trei arce între electrozi şi trei între fiecare electrod şi vatră, conectată la

reŃea) permiŃând astfel topirea wolframului ce se depune pe vatră, fiind mai greu decât

fierul. FuncŃionarea acestui cuptor se face după circuitul : electrod – arc – zgură – metal –

vatră – electrod.

Cele mai utilizate cuptoare electrice în industrie sunt cele cu arc fără încălzirea

vetrei (fig. 6. b şi c) şi cel cu inducŃie (fig. 6. d şi e).

Principalele avantaje ale elaborării oŃelului în cuptoare electrice sunt: putere mare

de topire şi încălzire, construcŃie relativ simplă. SiguranŃă în exploatare, reglare uşoară a

temperaturii, aducerea rapidă în stare de funcŃionare putând lucra cu întreruperi, fiind

basculant zgura se poate evacua uşor; posibilitatea creării în spaŃiul de lucru a unei

atmosfere reducătoare, zgurile fiind dezoxidate; se obŃine oŃel cu o cantitate mică de oxid

feros, datorită lipsei unei flăcări oxidante în spaŃiul din cuptor, se poate utiliza fier vechi şi

deşeuri din oŃel aliat; posibilitatea elaborării oŃelurilor speciale cu un conŃinut mare de

elemente de aliere; se pot utiliza materiale cu un conŃinut maxim de elemente dăunătoare;

baia nu mai este influenŃată chimic de arderea combustibilului; se poate elimina într-un

procent mai mare sulful şi fosforul.

Fig. 8 Procedee de elaborare electrică a oŃelului

a) Cuptoare cu arc cu încălzire directă cu încălzirea vetrei.

Cuptorul se compune dintr-o cuvă din tablă de oŃel, cu vatra tot din tablă de oŃel, ambele

fiind căptuşite la interior cu materiale refractare. Cuptorul este alimentat cu curent

alternativ trifazat. Este prevăzut cu un mecanism de basculare, care permite bascularea cu

până la 45° spre orificiul de evacuare şi cu până la 15° spre uşa de încărcare.

Arcul electric străbate toată coloana încărcăturii, formându-se între electrozii din boltă şi

vatra cuptorului având un randament termic de cca. 50 ÷ 70%. Dintre dezavantaje

menŃionăm: construcŃia greoaie şi deteriorarea frecventă a vetrei în exploatare. Elaborează

oŃeluri aliate cu Wolfram. Faptul că vatra este încălzită face să se topească ferowolframul,

care fiind mai greu decât fierul se lasă pe vatră.

b) Cuptoare cu arc cu încălzire directă fără încălzirea vetrei (tip Herault).

Poate funcŃiona cu 2 ÷ 3 electrozi cu alimentare de la transformatoare bifazate sau trifazate.

Arcul ia naştere prin încărcătură. DistanŃa la topitură se menŃine constantă cu ajutorul unei

scheme electrice. La imersionarea cărbunilor se produce scurtcircuit. Capacitate de

0,6 ÷ 3 tone/şarjă, U = 40 ÷ 200V, I = 300 ÷ 400 A, consum de electrozi de cca. 5 ÷ 10 kg /

tona de oŃel, W = 700 kW⋅H.

Fig. 9. Cuptor cu arc cu acŃiune directă fără încălzirea vetrei (Herault)

c) Cuptoare cu arc cu încălzire indirectă

Electrozii se află deasupra băii, arcul electric se formează deasupra încărcăturii, netrecând

prin baia metalică, căldura transmiŃându-se acesteia prin radiaŃie. Ca dezavantaje

menŃionăm: randamentul scăzut, doar o parte din căldură fiind preluată de încărcătură şi

prezintă o încălzire neuniformă a metalului, iar electrozii rupŃi ce cad în baie decarburează.

Cuptoarele se utilizează pentru topirea metalelor neferoase. Avantajul pe care îl prezintă

este că poate fi folosit atât curentul alternativ monofazic, sau curentul trifazic la orice

frecvenŃa, cât şi reglarea precisă a temperaturii.

d) Cuptorul cu inducŃie cu miez de fier

Este prezentat schematic în fig. 6. d. Furnizează căldură necesară topirii oŃelului prin

curenŃii Foucault induşi în masa metalului plasat în câmpul magnetic variabil al unei bobine

prin care trece curent alternativ. Acest cuptor funcŃionează ca un transformator la care rolul

bobinei secundare îl îndeplineşte metalul supus topirii. Bobinajul primar U1, I1, n1 dă

naştere în miezul de fier unui flux magnetic, variabil în timp, care induce în baia metalică

inelară (n2 = 1) o tensiune U2 ( )Ud

dtK n f2 2

810= − = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −ΦΦ , generând un curent I2.

Acesta trecând prin încărcătura metalică de rezistenŃă R, produce o cantitate de căldură

1 – vatră

2 – încărcătura

3 – jgheab de evacuare

4 – bolta

5 – electrozi

6 – gura de vizitare

7 – sistem de basculare

8 – role de basculare

Q2 = I22⋅R⋅t care topeşte încărcătura. Cuptorul este neeconomic datorită volumului mic al

încărcăturii şi pierderilor mari de energie consumată prin încălzirea miezului de fier.

e) Cuptorul de inducŃie fără miez de fier

Este prezentat schematic în fig. 6. e. În încărcătura metalică din creuzet se introduce o

tensiune U2 (prin intermediul unui circuit RLC variabil) care dă naştere curentului turbionar

I2 şi acesta prin efect caloric, căldura necesară procesului metalurgic.

22 β⋅⋅= fKP CTCT

PCT - puterea electrică constituită din curenŃi turbionari

K – constanta de curent turbionar

F – frecvenŃă

B – inducŃia

Puterea totală de absorbŃie de la reŃea

φcos11 ⋅= IUP

unde φ - factor de putere

Aceste cuptoare se utilizează la elaborarea oŃelurilor aliate, inoxidabile, pentru

magneŃi, pentru scule etc.

Durata unei şarje variază între 2…8 ore.

Avantajele acestui procedeu sunt :

- elaborarea oŃelurilor cu conŃinut minim de impurităŃi şi de calitate superioară;

- utilizarea fierului vechi ;

- realizarea temperaturilor foarte înalte ;

- construcŃie simplă ;

- funcŃionare cu întreruperi şi reglare uşoară (punere rapidă în funcŃiune).

Pentru a se obŃine oŃeluri de calitate superioară din fontă de calitate inferioară

(fosforoasă) se utilizează procedee combinate de elaborare.

Aceste procedee constau în transferul oŃelului dintr-un cuptor în altul cu

următoarele scopuri :

- economisirea combustibilului prin folosirea reacŃiilor exoterme din convertizoare;

- evitarea supraîncălzirii reŃelei electrice ;

- reducerea preŃului de cost al oŃelului.

Capacitatea obişnuită este de 0,75 ÷ 5 tone/şarjă.

La producerea aceleiaşi cantităŃi de căldură se poate proceda astfel :

- f mic, I mare – regim joasă frecvenŃă (f = 50Hz)

- f, I mijlociu – regim medie frecvenŃă (f = 2000 Hz)

- f mare, I mic – regim înaltă frecvenŃă (f = 106 Hz), puterea absorbită mică

şi regimul cuptorului economic.

Încărcătura cuptorului se compune din componenta metalică, fondanŃi. Componenta

metalică la rândul ei este formată din :

- fier vechi + fontă

- fier vechi + cărbune + fontă

- fier vechi + minereu + carbură metalică

Fazele transformării sunt : topire, oxidare, reducere, oxizi fier, aliere.

Posibilitatea plasării lor în incinte de atmosferă controlată, vidate, asigură

posibilitatea obŃinerii unor oŃeluri de foarte înaltă calitate.

Durata unei şarje este 1,5+3h iar capacitatea poate varia între 10 kg şi 20 t.