curs 3 metalurgia otelului

8/10/2019 Curs 3 Metalurgia Otelului

1/15

Cap.2 Materiale metalice feroase2.2. Metalurgia Oelului

2.2.1. Materii prime i materiale auxiliare

Materiile prime: fonta, fierul vechi i feroaliajeleMateriale auxiliare sunt:

- Fondanii: calcar, var, fluorura de calciu, bauxita- Oxidanii:minereul de fier, minereul de Mn, aer, oxigen tehnic- Energia electric

Materiile prime se regsesc aproape n ntregime n produsul final (oelul),materiale auxiliare se regsescn produsele secundare (zgura, gaze de ardere)

ncarcatura metalicprin starea fizic i compoziia chimic influeneazan mod direct mersul procesului de elaborare:

-durata de topire-oxidarea-pierderile metalice

Fonta se foloseteatt n stare solidct i n stare lichid.n stare solidse folosete ca font brut n calupuri i ca fontveche (lingotiere, cilindri delaminare, diferite paridin maini).

Compoziiachimica fontei de afnare pentru diferite procedeeProcedeul CompoziiaChimicn Procente ncrcri%

Si Mn P S

LD 0,6-1,25 1,0-2,2 0,08-0,3 Max0,06 30%fier vechi;70% font lichid

Eltectric cu arcsau inducie

Max 0,7 Max 1 Max 0,08 Max 0,04 0-25%fontsolid;100-75%fier vechi

Fierul vechi intr n ncrcturametalic n proporiede pnla 30% laconvertizoarele cu Oxigen i n proporiede 75-100% la cuptoarele electrice cuarc. Este constituit din deeuri metalice feroase (sutaje, capete de profilelaminate, rebuturi) i metale vechi feroase. Pentru a putea fi folosite n

ncrctura, fierul vechi este supus unei operaii de pregtire, care consta nsortare i debitare sau presare.

Feroaliajele se adaug n vederea dezoxidrii i corectrii compoziieichimice a biimetalice. Ele trebuie s:

- nu fie umede- saibgranulaiecorespunztoare- sfie ieftine

1


2/15

- snu impurifice baia metaliccu elemente dunatoareCele mai importante sunt:FeMn; FeSi; FeCr; FeB; FeTi; FeW; FeNi;etc.Se mai folosesc i metale pure: Al; Ni; Ca; Mo

Materiale oxidante : minereul de Fe; aglomeratul; arsuri de fier; minereu

de mangan; oxigenul tehnic gazos

Fondantii se adaug odat cu ncrctura metalic i cu oxidanii nscopul crerii condiiilor pentru formarea unei zguri corespunztoare.Cei maifolosiisunt: calcarul, varul, bauxita, fluorina

2. Proprietile bii metalice

Prin baie metalic n procesul de elaborare a oelulilor se nelegencrctura

metalicadusn stare lichid

Compoziia chimicinndcont de compoziiachimica componentelorncrcturiimetalice,

rezult c baia metaliceste un aliaj lichid al Fe cu C, n care se mai gsescdizolvate i alte elemente cum sunt: Si; Mn; P; S; etc.

Metoda optimde topire se alege n funciede calitatea oeluluicare seelaboreaz.

Temperatura bii metalice. Cnd baia metalic este complet format,

temperatura acesteia este de circa 1500 C, urmnd ca la sfritulperioadei deelaborare, temperatura s varieze ntre 1600-1650 C, n funcie de calitateaoelului.

Densitatea bii metalice depinde de temperatura i compoziiachimicabiii variazntre 6 900 i 7 100 kg/m (6.9-7.1 kg/dm)Elementele de aliere cum sunt: Cu, W, Ca, Ni mrescdensitatea, n timp ce Si, P,S, C, Cr, Ti micoreazdensitatea.

Vscozitatea oelului variazntre 0.003-0.005Ns/m (3-5 CP) i depindeiea de temperaturi compoziiachimica bii metalice

Tensiunea superficial a fierului pur este de circa 1850dyne/cm (1.85N/m) la 1550 grd C, iar cea a oeluluieste de 1250-1350 dyne/cm (1.25-1.35 N/m)Elemente ca Mn si S determino micorarea tensiunii superficiale.

2


3/15

3. Formarea i rolul zgurei n procesul de elaborare

n majoritatea proceselor metalurgice apar n contact dou faze lichide:metalul sau aliajul lichid i zgura. Zgura este o combinaiede oxizi proveniidinmaterialele din ncrctura, din fondani, din oxidarea bii metalice, a erodrii

materialelor refractare.Zgura trebuie s posede anumite proprieti fizico-chimice cum sunt:

vscozitatea, tensiunea superficial, conductibilitatea termic i electric,temperatura de topire, fluiditatea. Toate aceste proprietisunt determinate decompoziiachimicfunciede care zgurele pot fi: zgure bazicei zgure acide.

1. Elaborarea oelului n convertizor

a. Procedeul Bessemer. Acest procedeu a nceput sfie utilizat n anul1856 n Anglia de ctreHenry Bessemer i n principiu constn insuflarea de

aer n fonta lichidpe la fundul convertizorului.Convertizorul Bessemer este format din trei pridistincte: gura, corpul

cilindric i fundul cu cutia de aer. ntreaga construciese rezeama pe doi umeri njurul crora se poate roti convertizorul. Cptueala este format din crmiziacide (silice) 88-96%SiO2 i are o grosime de 250-400mm i o durabilitate de600-1000 sarje. Aerul se insufla prin 7-30 orificii, dispuse n cercuri concentrice.Fonta se introduce n convertizor la temperatura de 1280-1350 i are ocompoziie chimic: C=3.9-4.2%; Si=0.8-1.4%; Mn=0.6-0.9%; P


4/15

b. Procedeul Thomas.Este o varianta procedeului Bessemer i anumeeste varianta cu cptuealabaziccare permite utilizarea de fonte cu un coninutmai mare de P. Cptueala refractar se execut din dolomita foarte bine

calcinat n amestec cu gudron. Durabilitatea unei cptueli este de 300-400arje.ncrctura metalic constdin fonta fosforoas: C=3.8-4.2%; Si=0.2-0.6%; Mn=0.8-1.3%; P=1.6-2.0%; S=0.08%. La nceputul elaborrii, se aduceconvertizorul n poziie orizontal, se ncarc varul necesar se introduce fontalichidse ddrumul la aer i se aduce convertizorul n poziievertical.Cnd compoziiaoeluluia devenit cea dorit, se nclinconvertizorul cu gura n

jos ise evacueazzgura n oala de zguri apoi oeluln oala pentru oel.

c. Procedeul LD s-a dezvoltat la nceputul anilor 1950 la oelriile Linz-Danowitz din Austria.Astzisunt n exploatare convertizoare LD cu o capacitatede 387 t. La noi, n Galai, sunt convertizoare cu o capacitate de 150 t.Produciade oeln 1957 obinutprin procedeul LD era de 1%, iar n 1980 de 63%

Convertizorul LD se compune dintr-o parte central cilindrica, parteasuperioar tronconic i partea de jos sub forma unei calote sferice. Masaconvertizorului este de circa 4.5 ori mai mare dect masa arjei. Mantauametalic se execut din tabl de oel de 60-80mm grosime. Mantaua esteaezatpe un inel de sprijin independent prevzut cu dou fusuri de rezerv.Dup tipul constructiv, convertizoarele pot fi cu fund fix, cu partea central a

fundului detaabilsau cu fund complet detaabil.Cptueala refractara convertizorului LD este bazici se executdin

magnezit sau dolomit i are o durabilitate variind ntre175 arje n cazuldolomitei pnla 340 arje n cazul magnezitei sinterizate impregnate cu gudron.

4


5/15

Principiul procedeuluiOxigenul se suflcu presiune mare ntre 8 i 18 atmosfere (8*105 - 18*105

N/m2) pe la partea superioar cuajutorul unei lance rcitecu ap. Distanadintrevrful lancei i suprafaabiimetalice variazn timpul suflriintre 2- 0,25 m nfunciede practica de suflare, forma duzei i mrimeaconvertizorului.

Ca urmare a vitezei mari a jetului de oxigen acesta ptrundeprin stratul dezgura n metal i reacioneazcu baia metalic, unde temperatura poate ajungela valoarea de 3000C. Agitarea biimetalice pornetedin zona de impact dintre

jetul de oxigen i baie i cretepe msurce reaciaC-O are loc.Lancea constdintr-o eavde cupru cu 250 avnd n captde la 1 la 7 duze.

5


6/15

Printr-un sistem de manevrare i suspendare se poate regla distanadintre lance ibaie.

Materia prim; constdin fonta lichid, fier vechi , var, minereu de fier,oxigen. Cantitilefolosite pe tona de oelsunt n funciede compoziiafonteilichide i condiiileimpuse produsului finit. Fierul vechi se folosetede obicei

pentru rcireabiimetalice, uneori nsse utilizeazi minereu de fier care ajutla fomarea timpurie a zgurii.

O compoziiechimicnormala fontei lichide trebuie sse ncadreze nlimitele : C=4,1 ...4,3% Si= 0,85 ...1%; P=0,1...0,25%; Mn=0,65...0,85%;S=0,03...0,04%

Fazele tehnologice ale procesului de elaborare. Principale faze de elaboraren convertizorul LD sunt: ncarcarea, afnarea, evacuarea zgurii i aoeluluidezoxidarea i alierea (vezi figura).

ncarcarea.ncrcareaconvertizorului se ncepe dupce s-au verificattoate sistemele de comandi mecanismele convertizorului.ncrcareaseefectueaza astfel :

- se nclina convertizorul cu circa 90 spre hala de ncarcare i se goleteprima troacde fier vechi uor; se aduce convertizorul n poziievertical; se nclindin nou convertizorul la 55 i se goleteo a doua troacde fier

vechi

6


7/15

se aduce convertizorul la 35 i se introduce fonta lichid, apoi se aduceconvertizorul n poziieverticali se fac ctevapendulripentru ca fierulvechi sse aezeuniform i se ncepe suflarea cu oxigen.

Afnarea. Jetul de oxigen avnd presiune mare ptrundein baia metalici se fragmenteazntr-o multitudine de bule ceea ce determincreterea

suprafeeide contact dintre oxigen i baie. Decarburarea este ca i n cazulcelorlalte procedee procesul fizico-chimic principal din convertizorul LD. Mersuldecarburriiare o influenta deosebitasupra procesului de elaborare coninutulde carbon sczndde la 3,5 pnla 0,1 n numai 15-18 minute.La nceput pnlajumtateaperioadei se ine lancea la o distande 1.7-1.8mapoi se coboarlancea pnla 1,4 m iar apoi chiar la 1,2m . Suflarea oxigenuluise opretecnd se constatcs-a consumat cantitatea de oxigen programatpentru marca de oelelaborat.

Evacuarea oelului i a zgurii.nainte de evacuarea oeluluise pregtetecorespunztoroala de turnare i se verificorificiul de evacuare. Apoi se

basculeazconvertizorul spre oala de turnare avnd grijca jetul de oelsnuizbeascperetele oalei de turnare. Peste oeluldin oala de turnare se adaugamestecuri sintetice . Zgura este evacuatpe gura convertizorului ntr-o oalspecialiar oeluln oala de turnare.

Elaborarea otelului in cuptorul cu arc

Clasificarea cuptoarelor electrice cu arc

Tipul cuptorului electric Caracteristica n

kW/t otel kW/m3volum de cuptor kW/m3suprafatabaie

ClasicDe mare putereDe foarte mare putere (UHP)

130...200220...300330...500

180...300320...420530...1200

650...950950...13001400...2000

a.Construcia i funcionarea cuptorului electric cu arc.Cuptorul

electric cuarc,cu aciune direct se compune dintr-o cuv din tabl de oel,deform cilindric, care are la partea inferioar un fund tot din tabl de oel.Cuva ifundul cuptorului suntcptuite n interior cu materiale refractate. Spaiul de lucru al cuptorului este acoperit cuo bolt detaabil, executatdintr-o carcas metalic.Cuptorul este alimentat cu curent alternativ trifazat prin

7


8/15

trei electrozi verticali.Cuptorul se sprijina pe dou tlpi i este prevzut cu unmecanism de basculare, care permite bascularea cu pn la 45 spre jgheabul deevacuare a oelului i cu pn la 15spre ua de ncrcare.

Alimentarea cuptorului cu energie electric se face de la reeaua de nalttensiune,prin intermediul unui transformator de putere.Puterea transformatorului

se alege n funcie de energia necesar pentru topirea ncrcturii metalice:

n care:Pt= puterea transformatorului n kVA;cos= factorul de putere;tt= capacitatea cuptorului n t;q'= caldura necesar pentru reaciile endoterme, n kWh;

Cuptorul electric cu arc este un agregat tipic pentru topire,transformatorulputnd fi folosit la putereasa maxim numai n cursul topirii.

8

Wu=

Picos tt

P

q'

P,


9/15

Durata de topire ttse poate calcula cu relaia:

n care:340 este energia teoretic necesar nclzirii unei tone de oel n kWh/t ;e-randamentul electric;W' p - pierderile de energie n timpul topiri, kWh.Din cele dou relaii de mai sus se obine:

n tabelul 7.4 se dau cteva date caracteristice pentru cuptoarele electrice

cu arc cu diferite capacitati.

Date caracteristice pentru cuptoarele electrice cu arc

Capacitate,n t Diametrulinterior alcuvei,in m

Diametrulelectro-

zilor, n mm

Transformator

Puterea,nMVA

Tensiune,nV

1 2 3 4 5

19

2632415460667796

126

3,7

4,04,34,65,05,15,25,45,86,4

0,355

0,3550,4570,4570,5080,5080,5080,5590,5590,610

7,6/6,3

19,2/1619,2/1624/20

38/31,543,2/3636/3048/4048/4060/50

200...74

300...115300...115350...120450...147519...122430...144490...158490...158590...164

n timpul funcionrii, arcurile electrice se ntrerup des, ca urmare ascurtcircuitrii electroyilor prin bucaile de fier vechi, fie creterii rezistenei ntreelectrozi prin ptrunderea unor materiale neconductoare (var,minereu). Aceste

ntreruperi conduc la ocuri puternice n instalaia electrica.n vederae asigurriiunei funcionri normale a instalaiei electrice, cuptoruleste prevzut cu instalaie

9

tt=340P

PtcoseW'p

,

Wu=340

e

W'p

Ptcos

q'

P


10/15

de reglare automat a poziiei electrozilor.n vederea asigurrii unei temperaturi uniforme i a omogenitii

compoziiei chimice a oelurilor nalt aliate, cuptoarele electrice snt prevzute cuagitatoare electromagnetice, montate sub fundul cuptorului. Agitatorul constdintr-o bobin de joas frecven (95...2 Hz). Curentul circul prin bobin i

produce un cmp electromagnetic care ptrunde n baia metalic i o antreneazcu viteze de 1 m/min la vatr i 9,5 m/min suprafaa bii.

Cuva cuptorului electric se cptuete cu materiale refractare a crornatur este funcie de natura procesului tehnologic aplicat: bazic sau acid.

n cazul cuptoarelor electrice bazice, vatra se execut din crmizi demagnezit (fig.7,51), iar la cuptoare acide din silic. Deasupra zidriei vetrei setampeaz un strat de monolit de magnezit sau dolomit granulat, respectiv,de cuarit. Pereii cuptoarelor electrice bazice se execut din crmizi demagnezit, din amestec de magnezit granulat, gudron i smoal printampare; din blocuri fasonate executate din magneyit sau dolomit granulat i

gudron sau smoal. La cuptoarele electrice acide, pereii se execut din silic. Boltacuptoarelor electrice se execut din crmizi de silic sau cromito-magnezit.

La noi n ar funcioneaz cuptoarele elecrice cu arc n mai multe-uzinesiderurgice i constructoare de maini, cele mai mari fiind la Combinatul deoeluri speciale Trgovite(100t) i ntreprinderea de maini grele Bucureti (50t).

10


11/15

b.Procesul tehnologic de elaborare n cuptoarele electrice cuarc bazic e .Principalele faze tehnologice ale procesului de elaborare n cuptorulelectric cu arc snt: ajustarea, ncrcarea,topirea, afnarea, dezoxidarea,desulfurarea, dezoxidarea final, alierea i evacuarea arjei. Ajustarea.Dupa evacuarea arjei, se nclina cuptorul nainte, pentru catoat zgura s se scurg de pe vatr.Se examineaz cu atenie vatra i se ncepe operaia se ajustare.Ajustarea seface cu magnezit sau cu dolomit granulat, uscat sau amestecat cu zgursau cu magnezit mcinat amestecat cu silicat de sodiu.La formarea zgurii sefolosete i un amestec de 60% magnezita, 30 % dolomita si 10% var stins.

Ajustarea dureaz 5...30 min, n funcie de capacitatea cuptorului i gradul demecanizare a acestei operaii.

ncarcarea.ncarctura cuptoarelor electrice cu arc bazice const n celemai multe cazuri din fier vechi, n urmatoarele proporii: - fier vechi greu 20... 50% - fier vechi mijlociu 25... 35% - fier vechi mrunt 15... 35%

ncrcarea. Cuptoarele mici i mijlocii se ncarc pe ua de ncrcare, iarcele mari, pe sus, cu ajutorul benei de ncrcare (fig.7,52). Operaia se poateface manual la cuptoarele sub 10 tone mecanizat la cuptoarele mari. n vedere executrii corecte a ncrcrii cuptoarelor este necesat s serepecte cteva reguli de baz:

- pe vatr (respectiv pe fundul benei) se aaz jumtate din cantitatea de

11


12/15

fier vechi mrunt, apoi n zona arcurilor buci mari, umplndu-se spaiile dintreele cu buci mici sau cu calupuri din font; deasupra se aaz un nou strat defier mrunt;

- n partea de jos ncrctura trebuie s fie mai compact (dectdeasupra)

- ncrctura se aaz in aa fel nct n centru s fie mai nalt dect laperiferie.

-sub fiecare electrod se aaz buci de cocs pentru a se uuta formareaarcului eleatric.

ncrctura trebuie s fie aezat astfel nct la nceputul topirii electroziis ptrund repede n ea i apoi s fie ngropai n interior, sub stratul superiormrunt. n felul acesta se protejeaz pereii mpotriva aciunii directe a aerului ise mrete durabilitatea acestora.

Topirea. Cuptorul electric cu arc este agregatul cel mai potrivit pentrutopirea fierului vechi. Durata topirii este determinat de gradul de pregtire a

ncrcturii, compactitatea ncrcturii, puterea transformatorului, conducereatopirii.

n funcie de gradul de oxidare urmrit pentru sfritul topirii, n primul rndpentru carbon, metoda de topire poate fi cu oxidare complet, oxidare parialsau fr oxidare.

Metoda de topire cu oxidare complet se aplic atunci cnd fierulvechi din ncrctur este ruginit uor, cu coninut mare de fosfor (


13/15

este necesar a se lua o prob din baia metalic atunci cnd mai snt de topit doarbuci mari de fier vechi i asa se aprecia compoziia chimic medie a bii nmomentul cnd toat ncrctura este topit. Dac carbonul la topire C teste micse va carbura baia metalic sau se va sulfa oxigen dac C teste prea mare.

Cnd topirea se face dup metoda cu oxidare parial sau total,se ia o

prob la sfritul topirii,stabilindu-se cantitatea de minereu de fier sau de oxigeni de fondani care trebuie s se adauge.

Se evacueaz ntreaga cantitate de zgur la topire cu oxidare complet i1/2 din cantitatea de zgur la topirea cu oxidare parial. Dup acesta se adaugminereul de fier sau se sufl oxigen. n acest mod ncep reaciile de oxidare aelementelor din baie.n continuare ncepe,aa-numita,perioad de fierbereintens.Bulele de CO formate ca urmare a reaciei dintre carbonul si oxigenprovoac agitarea bii (fierberea) i favorizeaz un contact mai intim ntre zguri baie,i omogenizeaz compoziia chimic i temperatura bii metalice.Are loc

ndeprtarea hidrogenului, azotului i a incluziunilor nemetalice.

Bulele de CO se pot forma, n principiu,n orice punct din baie,dar rolulhotrtor l au porii din vatra cuptorului.

Viteza de decarburare sau de oxidare a carbonului Vc, in subperioada defierbere intens cu mineru, variaz n medie ntre 0,36...0,48% C/h, n timp ce nsubperioada de fierbere linitit variaz ntre 0,27...0,12 C/h.

De dorit ca durata total a perioadei de fierbere s nu depeasc 55-60minute, deoarece la cuptorul electric cu arc exist pericolul dizolvrii azotului dinatmosfera cuptorului.

Dezoxidarea. n cazul procedeului electric cu arc, cu cptueal bazicase ntlnesc, n principiu dou metode de dezoxidare: prin precipitare i prin

difuzie.Dezoxidarea prin difuzie. ndeprtarea oxigenului din baia metalica la

sfritul perioadeide decarburare se poate face i prin crearea condiiilor caoxigenul din baie s difuzeze n zgur. Cuptorul electric cu arc este un agregattipic, care permite obinerea unei zguri cu coninut sczut de FeO, o zgurareductoare. Principiul const n aceea c zgura oxidant obinut se nlocuietecu una reductoare, care are un procent de FeO foarte sczut 0,5 1,5% FeO.

n cazul cnd zgura de afanare conine P2O5 i trebuie evacuat seformeaz o zgur nou prin adaos de var, fluorur i praf de cocs sau deeuri deelectrozi, ferosiliciu sau silico-calciu praf. Dac zgura de afnare nu conine

P2O5 atunci se formeaz zgur reductoare prin adaos de cocs i var pe zguraexistent n cuptor.

La elaborarea oelurilor cu coninut sczut de carbon se utilizeaz metodadezoxidarii prin difuzie cu zgura alb. Pe zgura format din var si fluoror decalciu se adaug circa 0,9% amestec var proaspt, cocs mcinat i fluorur de

13


14/15

calciu n proporiile 5:3:1.Funcie de coninutul final de carbon al oelului se vanlocui cocsul cu FeSi, cu CaSi sau Al. Aceast cantitate de amestec se adaugin decurs de 35 min, n timp n care zgura capt o culoare deschis i n finaldevine alb, cnd se ia prob de oel se determin C i Mn. n continuare seadaug amestec din var, FeSi 75% si fluorur de calciu.

La elaborarea oelurilor cu coninut ridicat de C pe zgura format din var ifluorur de calciu se adauga o cantitate mai mare (2...3%) amestec de varprospt, cocs mcinat, fuorura de calciu. Aceasta vafi uniform rspndit pesuprafaa bii pentru a nu veni n contact direct cu oelul. Ua cuptorului va fibine nchis pentru a evita ptrunderea aerului.

Compoziia chimic a unei asemenea zguri va fi :CaO=60...65%; SiO2 = 18...22%; Al2O3 < 4%; MgO


15/15

zgura bazic si slab oxidant. Desulfurarea este ajutat de reaciile cu carburade calciu, flurura de calciu.

Alierea. Elementele de aliere se pot introduce fie odat cu ncrcturametalic, fie n perioada de elaborare. Funcie de afinitatea lor fa de oxigenelementele care nu oxideaz (Ni, CO, Mo) se introduc odat cu ncrctura.

Elementele care se oxideaz se introduc n timpul perioadei de dezoxidare, dupcum urmeaz: Mn, W, Cr, Si ,Ti, Al ,V.

Elementele Ce, B, Ca, Zr, Nb, Ta se folosesc n cantiti mici i se introducn oala de turnare.

Evacuarea.Oelul se evacueaz n oala de turnare unde poate fi supusunui tratament cu gaze inerte sau n vid.

Turnarea. Din oala de turnare oelul este turnat n lingotiere, n instalaiide turnare continu sau n piese. Turnarea se poate face n atmosfer controlatsau n aer.

Avantajele i dezavantajele elaborrii oelului n cuptoarele electrice cucptueal bazic constau n urmtoarele:

-reglarea uoar a compoziiei chimice a bii metalice;-condiii bune pentru defosforare, desulfurare, dezoxidare;-puritate avansat a oelului;-posibiliti bune de recuperare a elementelor de aliere;-costul investiiilor mai mic fa de celelalte procedee.Dezavantajele constau n aceea c oelul conine o cantitate mare de

gaze, iar durata perioadei de afnare este mai lung, ceea ce lungete duratatotal de elaborare.

15

curs 3 metalurgia otelului

Documents