TURNAREA CONTINUĂ A OŢELULUI. INSTALAŢIA DE TURNARE CONTINUĂ

Progresul extrem de rapid al turnării continue a oţelului atât din punct de vedere metalurgic, cât şi în ceea ce priveşte construcţia instalaţiilor, a permis ca acest procedeu să se răspândească larg în industrie.

În ceea ce priveşte construcţia maşinilor de turnare continuă, în ultima perioadă nu s-au făcut modificări esenţiale, tipul construcţiei utilizat în prezent fiind cel cu cristalizor şi fir curbat după o singură rază.

Preocupările în acest domeniu se referă mai ales la posibilitatea creşterii cantităţii de oţel turnat şi la îmbunătăţirea calităţii acestuia.

Există mai multe posibilităţi de creştere a productivităţii maşinilor de turnare, dintre care:

- creşterea vitezei de turnare;- scurtarea timpilor de schimbare a distribuitoarelor;- scurtarea timpilor de întreţinere şi reparaţii;- creşterea numărului de şarje turnare secvenţial;- creşterea numărului de fire.Pe de altă parte, creşterea vitezei de turnare impune îmbunătăţirea

constructivă a zonei de sub cristalizator printr-o sprijinire mai bună şi mai apropiată.

Creşterea numărului de şarje turnate secvenţial este condiţionată de durabilitatea materialelor refractare, de o mai bună conlucrare între oţelărie şi turnarea continuă, de asigurarea unor parametrii de turnare cât mai constanţi, de respectarea strictă a disciplinei tehnologice.

În ultima perioadă, principalele preocupări în domeniul turnării continue au fost îndreptate însă spre creşterea calităţii semifabricatelor.

În acest sens amintesc extinderea tot mai mult a tehnicii privind metalurgia oţelului în oală, aplicarea agitării electromagnetice pentru îmbunătăţirea structurii, aplicarea sistemului CONSPAL sau a altor sisteme, pentru protejarea jetului de oţel, îmbunătăţirea calităţii prafurilor de turnare, conducerea maşinilor de turnare continuă pe calculator.

Oala de turnareOala de turnare reprezintă elementul de legătură între cuptorul de elaborare a

oţelului şi maşina propriu-zisă de turnare continuă şi trebuie să îndeplinească o serie de funcţii tehnologice, dintre care cele mai importante sunt: menţinerea unei temperaturi cât mai constante a oţelului; separarea cât mai completă a zgurei; curgerea cât mai liniştită a metalului şi debit constant de turnare. În acelaşi timp, oala de turnare trebuie să prezinte o siguranţă cât mai mare în exploatare şi o durabilitate avansată a căptuşelii refractare.

Căptuşeala oalei, care nu este nevoie să difere de cea a oalelor utilizate pentru turnarea convenţională a lingourilor, depinde de cerinţele locale şi de metoda intenţionată de tratament în oală. Căptuşelile bazice ale oalei sunt utilizate

în special pentru turnare continuă a profilelor rotunde deoarece turnarea acestora necesită de obicei tratament intensiv al oţelului în oală.

Fig.1 - Schema instalaţiei de turnare continuă.

Durabilitatea medie este în general de 20-30 şarje (şi peste) pentru pereţii oalei şi 10-15 şarje pentru fund.

Orificiile şi dopurile de turnare sunt elementele cele mai sensibile şi mai importante ale oalelor clasice de turnare, deoarece influenţează direct timpul maxim admisibil de turnare şi puritatea oţelului. Orificiile de turnare sunt confecţionate din şamotă, iar dopurile de turnare din şamotă cu grafit. Durabilitatea orificiului şi în special a dopului de turnare era foarte scăzută iniţial, nedepăşind 1 oră. În prezent durabilitatea s-a mărit considerabil, prin îmbunătăţirea calităţii materialelor refractare şi prin unele măsuri constructive (de exemplu răcirea interioară cu aer a dopurilor). Un sistem mai nou de închidere a orificiului de turnare este sistemul de închidere cu sertar.

În vederea uniformizării temperaturii băii metalice se prevede barbotarea (agitarea) oţelului cu gaze inerte (argon, azot), realizată ori cu lănci de gaz introduse în baia de oţel prin partea de sus sau prin cărămizi poroase amplasate la fundul oalei. Lăncile oferă avantajul că sunt independente de oală, dar efectul de agitare este inferior celui realizat prin introducerea gazului inert pe la partea inferioară a oalei, deoarece reacţia de agitare nu începe de la fundul oalei. Prin urmare, lăncile ar trebui introduse destul de adânc în oală, aproape de fundul ei.

DistribuitorulDistribuitoarele servesc mai multor scopuri în acelaşi timp. Un distribuitor

urmează să distribuie oţel tuturor cristalizoarelor fără pierderi majore de căldură şi trebuie să permită impurităţilor grosiere să se ridice la suprafaţa băii de metal. Distribuitorul trebuie să servească de asemenea ca o capacitate tampon între oală şi cristalizoare, să permită controlul fluxului de oţel în cristalizoare şi trebuie să ofere suficientă capacitate de stocare pentru schimbarea oalei în cazul turnării secvenţiale.

Profilul distribuitorului este dictat în principal de aranjamentul firelor. Firele aşezate în linie, necesită fie un distribuitor lung, cu o deschidere centrală a intrării (distribuitor dreptunghiular), fie cu o cutie ataşată de o latură a distribuitorului (distribuitor profil T sau ). Poziţia deschiderii intrării trebuie să fie simetrică între fire pentru a evita distanţe inegale de curgere către cristalizoare. Distribuitorul trebuie să fie suficient de înalt pentru a asigura întotdeauna o adâncime suficientă a băii de oţel, chiar atunci când oalele sunt schimbate astfel încât zgura sau compusul de acoperire să nu poată curge prin orificiile distribuitorului în cristalizoare. Practica a demonstrat că o adâncime adecvată a distribuitorului este de circa 600 mm. pentru distribuitoare controlate cu dispozitive de oprire. Capacitatea distribuitorului trebuie să fie destul de mare pentru a reduce viteza de turnare inutilă când alimentarea acestuia cu oţel este întreruptă în timpul schimbării oalei. În funcţie de viteza de turnare şi numărul de fire, capacitatea distribuitorului poate fi în domeniul 12 - 35 tone.

Debitul de oţel al distribuitorului (pentru un fir) este dat de relaţia din curgerea fluidelor:

, [t/h]

unde d - diametrul orificiului de turnare, în mm; h - înălţimea băii metalice, în mm.

Materialele refractare pentru căptuşirea distribuitorului trebuie să fie de calitate superioară, care să permită o funcţionare cât mai lungă fără întreruperi.

Tipul căptuşelii depinde de mărimea şi forma distribuitorului. Distribuitoarele de dimensiuni mici (pentru maşinile cu 1-2 fire pentru ţagle) se căptuşesc cu materiale amorfe, formate din compuşi acizi, de şamotă sau superaluminoşi, în funcţie de condiţiile locale. Distribuitoarele de dimensiuni mari se căptuşesc cu cărămizi sau blocuri refractare de dimensiuni cât mai mari, pentru a reduce la minimum suprafaţa rosturilor care reprezintă surse de deteriorare a cărămizilor când se îndepărtează resturile de metal. Pentru a înlătura acest dezavantaj şi a mării durabilitatea, se poate folosi acoperirea cărămizilor cu un strat de material refractar placat la cald, format în general din oxid de magneziu şi şamotă.

Durabilitatea medie a căptuşelii este de 10-15 şarje. În cazul distribuitoarelor cu un strat protector (care se înnoieşte după fiecare şarjă), durabilitatea căptuşelii propriu-zise este mult mai mare, ajungând până la 150 şarje.

Orificiile de turnare împreună cu dopurile de turnare reprezintă elementele cele mai importante şi mai sensibile ale distribuitoarelor.

Orificiul de turnare trebuie să asigure o curgere lină şi regulată a metalului (curgere laminară) şi o rezistenţă ridicată la eroziune pentru a menţine forma iniţială şi a evita incluziunile nemetalice din oţel. Pe lângă stabilitatea ridicată, orificiile de turnare trebuie să aibă o conductibilitate termică scăzută, pentru a evita depunerile de metal.

O îmbunătăţire considerabilă a procedeului de turnare continuă s-a obţinut prin introducerea orificiului imersat. La această tehnologie, orificiul de turnare se continuă printr-o ţeavă refractară, până sub nivelul metalului din cristalizor, trecând printr-un strat protector de zgură. În felul acesta se obţine o ghidare perfectă a jetului de metal, o puritate ridicată a oţelului şi un nivel liniştit de turnare şi evitarea stropilor (se evită oxidarea jetului şi a incluziunilor de zgură).

Turnarea continuă cu tuburi de imersie este practica generală pentru toate dimensiunile de fire suficient de mari. Tubul de imersie serveşte unui rol multiplu:

- protejează oţelul lichid împotriva reoxidării de către oxigenul din aer, din mediul înconjurător în drumul său de la distribuitor la cristalizor;

- conduce oţelul prin zgura de turnare care pluteşte pe partea superioară a oţelului în cristalizor, astfel încât nici o particulă de zgură nu este antrenată în oţel.

În cazul orificiilor cu dop se deosebesc două soluţii: dopurile servesc pentru reglarea debitului de metal sau numai pentru închiderea şi deschiderea orificiilor de turnare. În prezent dopurile dintr-o singură bucată sunt utilizate aproape peste tot.

Cristalizorul şi oscilatorulCristalizoarele reprezintă partea cea mai importantă a maşinilor de turnare

continuă. Construcţia lor, conductibilitatea termică, precizia de prelucrare şi de asamblare a cristalizoarelor joacă un rol important pentru obţinerea unei productivităţi maxime şi a unei calităţi superioare a semifabricatelor.

În timpul turnării, cristalizorul primeşte oţelul lichid în partea sa superioară în condiţii precise de temperatură şi debit, iar la partea inferioară se extrage cu viteză constantă un semifabricat având o crustă solidificată şi miezul lichid. În primă fază, datorită contactului direct dintre metal şi cristalizorul răcit cu apă, transmisia de căldură este rapidă şi se formează în scurt timp o crustă solidă de grosime mică. Produsul coborând în cristalizor, crusta solidă se contractă, rezultând un interstiţiu de aer între semifabricat şi cristalizor, ceea ce înrăutăţeşte considerabil transmisia de căldură. În această fază poate să apară străpungerea

Fig. 2. - Orificii de turnare imersate de diverse tipuri.

metalului topit prin crusta subţire, mai ales dacă interstiţiul de aer nu are o grosime constantă pe perimetrul cristalizorului; în acest caz eforturile datorate presiunii ferostatice sunt maxime în regiunea unde crusta are grosime mică, deformările şi rupturile fiind cele mai frecvente în această zonă.

Grosimea crustei solidificate g creşte în timp, conform relaţiei simplificate: g = k , [mm]

în care: k este constanta de solidificare [mm·min-1/2], având valoarea 30 pentru o răcire foarte intensă şi 28 pentru o răcire mijlocie;

t - timpul, în min.Lungimea cristalizorului este însă limitată în jos de rezistenţa la cald a

crustei solidificate faţă de acţiunea presiunii ferostatice. Limitarea în sus a lungimii este necesară pentru limitarea dezvoltării pe verticală a instalaţiei, ceea ce se reflectă în costul ei, lungimile uzuale ale cristalizoarelor variind între 600 - 800 mm.

Materialul cristalizorului trebuie să facă faţă unor cerinţe foarte diferite: trebuie să aibă o duritate satisfăcătoare, de exemplu, rezistenţă împotriva abraziunii şi a acţiunilor mecanice; totodată, acesta trebuie să aibă de asemenea o conductibilitate termică ridicată, pentru a preveni ca temperatura suprafeţei de lucru a cristalizorului să devină prea ridicată. Doar cuprul şi unele aliaje cu cupru s-au dovedit a fi materiale bune şi utile din punct de vedere tehnic şi economic.

Cristalizorul determină forma secţiunii transversale a unui profil turnat. Solidificarea oţelului lichid începe în cristalizor iar crusta firului se formează şi continuă să crească în timpul procesului de răcire în cristalizor şi în zonele următoare de răcire prin pulverizare. În funcţie de aplicaţia finală a semifabricatelor turnate, pot fi turnate o varietate de profile ale secţiunii transversale de diverse dimensiuni: profile pătrate; profile dreptunghiulare; profile cave; profile poligonale;; profile rotunde.

Constructiv se realizează trei tipuri de cristalizoare şi anume: compacte, tubulare şi cu plăci tubulare.

Fig.3 - Tipuri de cristalizoare: compacte,

tubulare şi compus.Rolele de picior,

conectate strâns de cristalizor, trebuie aliniate astfel încât să ghideze firul central. Acesta urmează să prevină ca, crusta firului să fie presată doar pe o zonă a cristalizorului. Un contact neuniform

ar putea duce la o răcire neuniformă şi la formarea de fisuri longitudinale ca şi la deformarea firului şi o uzură mărită a cristalizorului, ca şi o captare de cupru de către fir şi o fragilitate la cald rezultată (fisuri tip stea).

În timpul turnării întregul ansamblu al cristalizorului execută o mişcare oscilatorie în lungul firului turnat. Această măsură realizează următoarele:

- evitarea gripării crustă - cristalizor, cu câştig dublu pentru suprafaţa de lucru a cristalizorului şi pentru evitarea deteriorărilor suprafeţei metalului supusă tensiunilor de întindere;

- îmbunătăţirea condiţiilor de ungere;- reglarea vitezei şi poziţiei frontului de solidificare prin reglarea cursei şi

frecvenţei de oscilaţie.Prafurile de turnare utilizate la turnarea continuă a oţelurilor, au un rol

complex, ele trebuind să asigure:- prevenirea reoxidării oţelului la turnarea continuă;- captarea şi reţinerea incluziunilor nemetalice din oţelul lichid;- izolarea termică;- asigurarea transferului termic;- lubrefierea între crusta de oţel solidificată şi peretele cristalizorului.

Răcirea secundară. Scopul răcirii secundareScopul răcirii secundare este să continue răcirea firului după ce a ieşit din

cristalizor şi să solidifice complet secţiunea transversală a firului. Totuşi, avansarea solidificării este limitată de anumite restricţii naturale, cum ar fi: conductibilitatea termică în crusta firului, eficienţa de răcire a agentului răcitor şi nu în ultimul rând, consideraţii de calitate a semifabricatului.

Crusta formată în cristalizor conferă forma secţiunii turnate. În majoritatea cazurilor ea nu prezintă însă suficientă rezistenţă mecanică la acţiunea presiunii ferostatice. Pentru desăvârşirea solidificării şi ghidarea în condiţii bune a firului, este amenajată zona de răcire secundară. Această răcire se realizează prin stropire directă cu apă sub presiune, prin diuze, capabilă să străbată stratul de abur format prin evaporare şi să asigure contactul continuu şi permanent apă - metal.

Răcirea secundară poate fi efectuată în diverse medii de răcire. În practică, apa este utilizată în special ca agent de răcire care este pulverizat prin diuze. În cazuri speciale, se adaugă apei aer comprimat pentru a optimiza atomizarea apei pulverizate.

Ghidarea şi extragerea firuluiUn număr de forţe acţionează asupra firului între cristalizor şi capătul

dispozitivului de ghidare la extragere. Aceste forţe creează sarcini asupra crustei firului care variază în funcţie de mărimea firului şi tipul maşinii de turnat.

Iniţial, crusta firului care se formează în cristalizor este subţire şi este presată pe peretele cristalizorului de presiunea ferostatică. În cazul profilelor rotunde, crusta începe curând să se contracte şi pierde contactul cu peretele cristalizorului. Această comportare este contracarată până la un anumit grad de conicitatea cristalizorului, astfel încât crusta firului are un contact mai mult sau

mai puţin strâns cu peretele de cupru pe întreaga lungime a cristalizorului. Aceasta cauzează forţe de frecare când se extrage firul din cristalizor şi duce la tensiuni în crusta firului, putând rezulta fisuri.

Susţinerea şi ghidarea firuluiUrmătoarele cerinţe generale trebuiesc satisfăcute de către componentele de

susţinere:- ele trebuie să-şi menţină forma şi poziţia în timpul operaţiei de turnare.

Această cerinţă nu poate fi întotdeauna întrunită pe deplin, din moment ce atât deformarea mecanică cât şi cea termică nu pot fi prevenite în întregime. Aceste condiţii trebuie luate în considerare in proiect la dimensionarea adecvată, răcirea şi alegerea materialelor adecvate;

- frecarea dintre fir şi componentele (rolele) de susţinere trebuie să fie scăzută;

- trebuie să fir posibil să se alinieze exact rolele de susţinere;- trebuie să fie disponibil suficient spaţiu pentru sistemul de răcire

secundară;- ţunderul şi materialul de etanşare, de exemplu azbestul, aşezat în jurul

capului barei false, trebuie să se acumuleze;- rolele de susţinere ar trebui să permită controlul şi repararea fără a trebui să

fie îndepărtate din maşina de turnare.

Extragerea firuluiForţele de extragere a firului sunt influenţate de următoarele elemente:- frecarea în cristalizor datorită presiunii ferostatice;- frecarea în lagărele cilindrilor de susţinere datorită solicitării cilindrilor;- frecarea dintre fir şi rolele de susţinere datorită îngroşării firului;- greutatea firului la extragere.Componenta de forţă a greutăţii firului depăşeşte toate celelalte forţe şi

rezistenţe în cazul turnării profilelor rotunde, astfel încât firul trebuie mai mult frânat decât tras, aproape tot timpul. Aceasta înseamnă că motoarele de acţionare funcţionează în parte ca generatoare.

Agregatul de extragere - îndreptareCu agregatul de extragere - îndreptare se realizează pe lângă funcţiunile de

extragere şi îndreptare a firului şi operaţia de introducere a barei false. În acest scop el este prevăzut cu role libere, răcite la interior sau stropite cu apă, viteza lor periferică reprezentând propriu-zis viteza de turnare.

Agregatul de debitareDebitarea firului turnat continuu la lungimile de utilizare se execută prin tăiere

mecanică sau cu oxigen. Faţă de tăierea mecanică cu foarfeci sau cu ferăstraie, care produce pierderi mai mici de metal şi necesită o întreţinere mai simplă, dar ocupă un spaţiu mai mare şi reclamă cheltuieli de instalare mai ridicate (în special la secţiunile mari), tăierea cu oxigen s-a impus practic în unanimitate. Ea este

dezavantajată doar de consumul de metal mai mare (fâşia de tăiere - lăţimea flăcării), de obligativitatea întreţinerii curente a arzătoarelor şi de gaze şi de zgură.

Evacuarea semifabricatelor turnate continuu şi tăiate se face cu căi cu role, prin intermediul acestora fiind transportate în secţiile de ajustare.

Turnarea secvenţialăLa începutul folosirii în practica industrială a instalaţiilor de turnare

continuă, acestea se caracterizau printr-un regim discontinuu de lucru, la care după fiecare şarjă, instalaţia se golea şi se pregătea pentru şarja următoare. În acest scop era necesară evacuarea metalului turnat, introducerea barei de pornire şi etanşarea capului acesteia în cristalizor, precum şi pregătirea unui distribuitor cu elemente noi pentru porţiunile solicitate (dop şi orificiul de turnare). În funcţie de tipul acestor instalaţii, durata acestor operaţii era de 15-60 min., ceea ce limita timpul efectiv de lucru la 50% (ţinând cont şi de revizii şi opriri accidentale).

Metoda de turnare discontinuă a fost dictată de durabilitatea oalelor intermediare şi, în special, a orificiilor de turnare care limitau timpul de turnare neîntreruptă la cca. 60 min.

Prin introducerea unor materiale refractare de calitate superioară şi prin unele măsuri constructive şi de exploatare, a devenit posibilă turnarea fără întrerupere a unui număr mai mare de şarje, procedeu denumit turnare secvenţială.

În prezent turnarea secvenţială reprezintă tehnologia standard a tuturor instalaţiilor de turnare continuă (variind însă numărul şarjelor turnate într-o secvenţă şi frecvenţa secvenţelor), care sunt prevăzute cu dispozitive de schimbare rapidă a oalei de turnare şi a distribuitorului. Această largă răspândire a turnării secvenţiale se datorează avantajelor importante ale acestui procedeu, şi anume:

- mărirea productivităţii şi a randamentului în urma reducerii timpilor pauză între şarje;

- micşorarea consumului de metal (respectiv mărirea scoaterii de metal bun) datorită reducerii resturilor de la şarje şi de la capete;

- un echilibru termic mai favorabil al maşinii;- cheltuieli de întreţinere şi exploatare mai mici (în special pentru rolele

intermediare şi manoperă).Trebuie remarcat faptul că, deşi instalaţiile noi sunt prevăzute cu dispozitive

de schimbare rapidă a distribuitorului, se aplică, în general, turnarea neîntreruptă a unui număr mai mare de şarje cu acelaşi distribuitor, pentru a reduce cheltuielile.

Menţionez însă că turnarea secvenţială pe o perioadă mai lungă impune şi o serie de condiţii, în special tehnologice, dintre care cele mai importante sunt:

- comenzi mari din aceeaşi marcă de oţel şi dimensiune de semifabricat (problema dimensională este favorizată în cazul instalaţiilor cu mai multe fire - care pot avea dimensiuni diferite - şi, când este cazul, posibilităţi de reglare rapidă a lăţimii sleburilor);

- sincronizarea perfectă între ciclurile de elaborare a cuptoarelor şi ciclurile de turnare continuă;

- corectitudinea şi constanţa compoziţiei chimice şi a temperaturii de turnare a oţelului, pentru a putea fi dirijat mereu la turnarea continuă şi a putea amesteca şarjele;

- funcţionarea corectă a instalaţiei de turnare continuă pentru a reduce la minimum opririle;

- calitatea superioară a cristalizoarelor, care să permită turnarea prelungită, asigurând o transmisie constantă de căldură şi păstrarea formei iniţiale.

Mărcile de oţel care se pretează la turnarea continuăDin punct de vedere al sortimentului, pe instalaţia de turnare continuă se

toarnă semifabricate cu secţiune pătrată, dreptunghiulară, rotundă, hexagonală. Astfel, se toarnă de la pătrat de 50x50mm până la 350x350 mm. În ceea ce

priveşte dimensiunea maximă, nu se depăşeşte de regulă 400x400 şi izolat 450x650 mm2.

Relativ la turnarea bramelor, se toarnă frecvent brame de la 700x100 mm2

până la 2500x300 mm2 şi izolat 2900x350 mm2.În ceea ce priveşte turnarea continuă a profilelor rotunde, se toarnă

semifabricate cu diametrul cuprins între 100 - 300mm.Se pot însă obţine şi produse fasonate (de ex. grinzi) cu dimensiunile

450x350x100 până la 800x350x150 (înălţime x lăţimea tălpii x grosimea inimii).La turnare continuă se pretează aproape întreaga gamă de oţeluri. Astfel se

toarnă foarte bine oţelurile carbon calmate, apărând însă probleme la turnarea oţelurilor necalmate (fierberea nu este corespunzătoare). Rezultate foarte bune s-au obţinut la turnarea continuă a oţelurilor pentru rulmenţi - la care însă trebuie acordată o atenţie deosebită temperaturii de turnare. Probleme mai apar şi la oţelurile inoxidabile (la care este necesară o răcire intensă pentru a se evita separarea carburilor), oţelurile pentru scule inclusiv oţelurile aliate cu până la 12%Cr (la care trebuie obligatoriu utilizate tuburi de imersie). De regulă, la oţelurile aliate trebuie luate măsuri suplimentare de precauţie (temperatura de turnare, viteza de turnare, condiţii de răcire primară şi secundară, etc), în funcţie de gradul de aliere al fiecărui oţel.

Relativ la scoatere, de regulă la turnarea continuă acest indicator admite valori peste 96% (şi este cu atât mai mare cu cât secvenţa de turnare este mai mare).

PARAMETRII TEHNOLOGICI AI PROCESULUI DE TURNARE CONTINUĂ ŞI INFLUENŢA LOR ASUPRA PROCESULUI DE

SOLIDIFICARE

La turnarea continuă a oţelului, formarea semifabricatului este condiţionată de aceleaşi legi fundamentale ca şi formarea lingoului care se obţine în urma solidificării oţelului într-o lingotieră clasică. Totuşi, la turnare continuă, factorii tehnologici au influenţă considerabilă sunt mult mai numeroşi decât la turnarea clasică.

La începerea turnării continue, oţelul este turnat până în momentul în care cristalizorul este umplut (fig.4), după care, fără a se opri turnarea oţelului, bara falsă montată anterior la fundul cristalizorului, împreună cu semifabricatul deja format iese din cristalizor şi îşi continuă traseul în instalaţia de turnare continuă până la zona de răcire secundară şi de acolo mai departe, prin rolele de tragere şi îndreptare, spre instalaţia de debitare şi patul de răcire.

Înainte ca semifabricatul să părăsească cristalizorul are loc un schimb intens de căldură între suprafaţa exterioară a semifabricatului şi pereţii interiori ai

Figura 1.1. – Turnarea oţelului din distribuitor în cristalizator.

cristalizorului, pereţi care sunt puternic răciţi cu apă. Răcirea care are loc în cristalizor ca urmare a schimbului de căldură, trebuie să asigure formarea unei cruste de oţel suficient de groasă, care trebuie să reziste în primul rând la eforturile de tracţiune longitudinală (la deplasarea semifabricatului în raport cu pereţii cristalizorului) şi după ieşirea semifabricatului din cristalizor, crusta trebuie să reziste şi la eforturile de tracţiune transversală (produsă de presiunea din interiorul oţelului).

Principalii factori de influenţă la turnarea continuă îi constituie temperatura, timpul şi viteza de turnare.

Factori de influenţă la turnarea continuă1. Temperatura de turnare.Soluţia ideală ar fi ca metalul lichid să ajungă la cristalizator la o

temperatură constantă în timp, puţin superioară temperaturii de solidificare a oţelului respectiv. Acest lucru nu se poate realiza integral, deoarece pierderile termice în timpul turnării ating valori importante, ceea ce impune o supraîncălzire a oţelului la topire, asigurându-se astfel o temperatură suficientă pe întreaga perioadă a turnării continue. Ţinând seama de specificul procesului tehnologic, temperatura metalului la sfârşitul elaborării este mai ridicată decât în cazul turnării în lingouri.

Temperatura oţelului în diverse faze ale procesului tehnologic depinde de următorii factori: calitatea oţelului (temperatura liquidus şi solidus), mărimea şarjei şi condiţiile de amplasare a halei (care determină pierderile de căldură a metalului din oala de turnare, până la poziţionarea acesteia deasupra instalaţiei de turnare continuă).

Temperatura oţelului la începutul turnării din cuptorul de elaborare poate varia în limite largi (1600 – 1700°C), în funcţie de factorii menţionaţi anterior; la majoritatea instalaţiilor moderne, această temperatură este însă cuprinsă între 1620 – 1650 °C.

Temperatura din oala de turnare a metalului în timpul turnării continue trebuie să fie pe toată perioada cu 30 – 60°C peste temperatura de topire, fiind cuprinsă în general între 1570 şi 1620 °C. Temperatura din distribuitor trebuie să fie cu 15 – 40 °C deasupra temperaturii de topire, fiind în general cuprinsă între 1550 – 1580 °C.

Pentru o funcţionare corectă a instalaţiei de turnare continuă, trebuie asigurat un control riguros asupra temperaturii oţelului. Precizia necesară faţă de temperatura prescrisă la intrarea în cristalizator trebuie să fie de ± 5...10°C.

Dacă temperatura de turnare este prea ridicată, este necesară micşorarea sensibilă a vitezei de turnare şi o răcire secundară foarte intensă, având ca şi consecinţă defecte interne şi de suprafaţă, datorate tensiunilor termice; de asemenea, temperatura prea înaltă a oţelului măreşte pericolul străpungerii sub cristalizator. O temperatură de turnare prea scăzută poate duce la astuparea orificiilor de turnare ale distribuitorului, în special în cazul sleburilor subţiri sau a ţaglelor de secţiune mică, precum şi la defecte de suprafaţă.

2. Timpul de turnare.Timpul de turnare a unei şarje rezultă din capacitatea oalei şi viteza de

turnare. Timpul maxim de turnare depinde în primul rând de scăderea maxim admisă de temperatură, deoarece, după cum s-a arătat anterior, considerente metalurgice impun menţinerea temperaturii de turnare între limite precise, în scopul obţinerii unei calităţi corespunzătoare a produselor şi al unei funcţionări sigure a instalaţiei.

De asemenea, tot un factor limitativ pentru timpul maxim de turnare al unei şarje îl constituie şi durabilitatea materialelor refractare, în special pentru orificiile şi dopurile de turnare. În ultimul timp s-au făcut progrese importante în ceea ce priveşte durabilitatea, iar sisteme noi (cum ar fi sisteme de închidere cu clapă, răcirea cu aer a dopurilor, etc), permit perioade lungi de turnare fără întrerupere (turnare secvenţială).

Ţinând seama de cele arătate mai sus, timpul maxim de turnare depinde de calitatea oţelului, metodele adoptate pentru micşorarea pierderilor de căldură în oală, capacitatea oalei şi domeniul admis de temperatură pentru o funcţionare sigură şi o calitate bună a semifabricatelor.

Timpul maxim de turnare este de 50 – 80 min pentru oale de 100 t şi 60 – 100 min pentru cele de 300 t. În practică, deseori se consideră că pentru majoritatea sortimentelor uzuale de oţeluri şi oale de capacitate mai mare de 100 t, se poate adopta un timp maxim de turnare de 60 min.

3. Viteza de turnare.Viteza de turnare este factorul determinant pentru dimensionarea instalaţiei

de turnare continuă, deoarece influenţează sensibil productivitatea, numărul necesar de fire (pentru a putea goli în timpul maxim admisibil oala de turnare de o anumită capacitate la turnarea unui semifabricat de secţiune dată) şi secţiunea minimă a semifabricatului turnat.

În practică se alege viteza maximă admisă de turnare, în funcţie de calitatea oţelului, secţiunea semifabricatului (şi în special raportul dintre suprafaţa de cedare a căldurii şi volum), timpul de solidificare şi distanţa dintre cristalizator şi dispozitivul de debitare.

O valoare prea mare a vitezei de turnare conduce la formarea unei cruste prea subţiri în cristalizator, fără o rezistenţă suficientă la presiunea ferostatică a miezului lichid, ceea ce are ca efect pericolul străpungerilor. De asemenea, viteza prea mare măreşte porozitatea axială , facilitează formarea fisurilor longitudinale şi necesită o înălţime mare a instalaţiei datorita creşterii adâncimii zonei lichide, respectiv a lungimii metalurgice.

O valoare prea mică a vitezei de turnare influenţează negativ structura semifabricatului, produce suduri reci şi alte defecte de suprafaţă, poate duce la răcirea excesivă a oţelului în oala de turnare şi limitează debitul de metal care la rândul lui determină productivitatea instalaţiei. De asemenea, vitezele mici de turnare limitează capacitatea oalei de turnare sau secţiunea minimă a semifabricatului şi necesită un număr mărit de fire.

Datorită progreselor realizate în timp, vitezele de turnare au fost considerabil mărite la instalaţiile noi, în special la instalaţiile de turnare continuă a sleburilor. Astfel, dacă la primele instalaţii de turnare a sleburilor mari, viteza de turnare era în general de 0,5 m/min şi nu depăşea 0,7 m/min, la instalaţiile mai recente, vitezele de turnare pentru sleburile de acceaşi grosime sunt de circa 2,0 – 2,5 m/min, cu tendinţa de a se mării şi mai mult.

DEFECTELE PRODUSELOR TURNATE CONTINUU

La semifabricatele turnate continuu, se disting următoarele tipuri de defecte: defecte superficiale; defecte de formă; defecte interne.

Defecte superficiale (de suprafaţă)Defectele de turnare prezente la semifabricatele de oţel turnate continuu, apar

în timpul solidificării şi răcirii acestora şi conduc adeseori la importante pierderi metalice. În majoritatea cazurilor, defectele sunt generate de nerespectarea tehnologicei de elaborare şi turnare. Evident prin respectarea acestor tehnologii nu pot fi evitate în totalitate defectele, dar unele pot fi atenuante.

Defectele de suprafaţă după cum le spune şi numele sunt localizate pe suprafaţa semifabricatelor. În practica curentă se întâlnesc următoarele defecte de suprafaţă: fisuri transversale de colţ, fisuri longitudinale de colţ, fisuri transversale, fisuri longitudinale, fisuri stelare, mărci şi oscilaţii adânci, sufluri, macroincluziuni.

Fisurile longitudinale se formează, în general în cristalizor, iar în zona de răcire secundara ele se pot deschide în continuare, putând rezulta chiar rupturi. Tendinţa de apariţie a fisurilor longitudinale creşte odată cu creşterea vitezelor de turnare şi a temperaturilor de turnare. Ca aspect, fisurile longitudinale apar rar ca defectele izolate, ele putându-se extinde pe lungimi mari ale profilului şi frecvent şi în adâncime. Nu sunt întotdeauna drepte, ci deseori sunt întrerupte şi continuă în zig-zag.

Cauzele acestor defecte rezidă într-o răcire neuniformă (o îndepărtare neuniformă a căldurii) creşterea neuniformă a crustei care se solidifică pe circumferinţa profilului cu diferenţe în grosime de mai mulţi milimetrii. Aceasta cauzează tensiunile transversale, având ca rezultat fisuri longitudinale atunci când crusta semifabricatului nu este suficient de tare.

Pentru evitarea apariţiei fisurilor longitudinale, se recomandă a se efectua o desulfurare şi dezoxidare cu zguri sintetice, ceea ce ar permite o reducere a conţinutului de S cu circa 20% şi un control mai atent al procesului de dezoxidare cu Mn. Se impune de asemenea, un control mai atent al circuitului de răcire.

Fisuri datorită tensiunilor termice sunt fisuri fine în forma de stea şi pot fi vizibile pe toată suprafaţa curăţată de ţunder, iar cauza ce le generează constă într-o suprarăcire locală, aceste defecte putând fi prevenite printr-o reglare corectă a orificiilor duzelor de pulverizare a apei şi printr-o distribuţie uniformă a pulverizării.

S-a constatat că în timpul răcirii au apărut pe suprafaţa semifabricatului unele zone mai întunecate, fapt datorat variaţiei debitului apei de răcire.

Fisurile transversale pe suprafaţa profilului sunt cauzate de tensiunea pe direcţie longitudinală a profilului.

Tensiunile longitudinale pot avea mai multe cauze: tensiunea termică datorită solidificării neuniforme, frecarea profilului în cristalizor sau în segmentele cilindrilor şi deformarea crustei profilului în timpul îndoirii sau îndreptării acestuia.

Efectul crestăturii semnelor de oscilaţie pe profil, pot favoriza de asemenea fisurarea transversală. În general fisurile transversale nu sunt obişnuite la profilele rotunde, ele găsindu-se mai frecvent la profilele pătrate şi dreptunghiulare.

Sufluri şi incluziuni de zgură apar frecvent împreună pe suprafeţele profilelor turnate continuu atât la cele rotunde cât şi la cele pătrate sau dreptunghiulare. Acest defect este cauzat de formarea unei zguri de lubrifiere cu vâscozitate mai mare.

Suprapunerile uşoare au aspectul de suprapunere circumferenţială uşoară şi cauza o constituie o scurtă întrerupere a turnării ceea ce înseamnă că acestea constituie defecte care pot fi preîntâmpinate.

Suprapunerile accentuate au aspectul unor crestături adânci circulare şi cauza apariţiei este ca urmare a opririi a mai mult timp a turnării (firului) şi repornirea sau schimbarea distribuitorului.

Defecte de formăCând se toarnă bare pătrate, o imprecizie dimensională a secţiunii lor poate fi

provocată chiar de cristalizor după un anumit număr de turnări. De asemenea, răciri neuniforme ale oţelului în cristalizor sau în zona de răcire secundară pot da ţaglelor secţiune deformată.

Pentru a avea o răcire uniformă trebuie ca jetul de turnare să fie centrat exact în cristalizor, mai ales în cazul secţiunilor mici. Cele 4 feţe interne ale cristalizorului trebuie să fie răcite cu acelaşi debit de apă sau cu aceeaşi viteză de circulaţie pentru apă.

Coeficientul de conductibilitate termică al cristalizorului trebuie să aibă aceeaşi valoare pe cele 4 feţe. O montare şi o aliniere corectă a rolelor de prindere, asigură o extragere corectă a barei din cristalizor. Întrebuinţarea cristalizoarelor sub formă de trunchi de con poate, într-o largă măsură, să împiedice formarea straturilor de aer între bară şi lingotieră şi să permită o ghidare perfectă.

Defecte interneFisurile transversale interne se datoresc tensiunilor transversale faţă de

direcţia de turnare şi se formează în crusta solidificată a profilului. Cauza acestora o constituie suprarăcirea locală a profilului care se solidifică precum şi grosimea excesivă de contact a cilindrilor de acţionare când miezul semifabricatului este încă lichid.

Fisuri longitudinale interne pot fi considerate ca separaţii interdentritice şi sunt de două tipuri: de suprafaţă şi centrale.

Primele sunt scurte şi situate aproape de suprafaţă şi se datoresc tensiunii de contracţie în zona de trecere de la cristalizor la răcirea secundară atunci când oţelul

este supraîncălzit sau viteza de turnare este mare. La şarjele la care s-a constatat fisuri transversale s-a constatat şi fisuri longitudinale interne aproape de suprafaţă, cauzele fiind cele amintite anterior.

Cele din a doua categorie se extind în miezul profilului. Aceste fisuri se formează la suprafaţa de separaţie solid-lichid şi au tendinţa de a se extinde spre exterior. În acest caz, temperatura de turnare are o mare influenţă, însă acestea apar şi dacă presiunea de contact a cilindrilor este prea mare când profilul nu este complet solidificat. De asemenea, aceste defecte sunt cauzate şi de valoarea mică a raportului Mn/S sau pur şi simplu de conţinutul mare de sulf.

Structura necorespunzătoare a miezului are aspect de porozitate mai mult sau mai puţin pronunţată în miezul profilului dar poate apare şi ca goluri deschise. Defectele apar ca urmare a formării retasurii în timpul solidificării finale şi, de regulă, se datoresc temperaturii mari de turnare. O atenuare a acestui tip de defect are loc prin respectarea parametrilor vidării (presiune argon, durată vidare, etc) sau, dacă nu este posibilă vidarea, efectuarea unei barbotări corespunzătoare.

Segregaţia centrală apare, de regulă, datorită segregării sulfului şi poate fi prevenită sau diminuată, dacă structura echiaxială ocupă o mare suprafaţă în aria secţiunii transversale a profilului. Aceasta se poate realiza dacă se respectă o temperatură scăzută de turnare astfel încât să nu fie nevoie de o răcire secundară intensă.

La oţelurile obişnuite, segregaţiile nu deranjează şi nu pot fi întinse în lungul profilului printr-un coroiaj mai mare decât normal.

Incluziunile nemetalice din semifabricatele turnate continuu, sunt, în principal, de origine endogenă şi reprezintă oxizi, silicaţi, nitruri; pot fi însă şi de origine exogenă provenind din prafurile de turnare sau căptuşeala refractară a oalei, distribuitorului sau a tuburilor de imersie.

Incluziunile nemetalice exogene (din prafurile de turnare) au o formă sferică şi o distribuţie neuniformă din punct de vedere cantitativ în semifabricatul turnat continuu. Apar ca urmare a antrenării prafului de turnare datorită turbulenţei excesive a nivelului oţelului în cristalizor, iar apariţia lor datorită acestei cauze poate fi evitată dacă se respectă adâncimea de pătrundere a tubului de imersie sub nivelul oţelului şi dacă praful de turnare utilizat este corespunzător.

Incluziunile nemetalice endogene (tip pată) constau în incluziuni sub formă de pată datorită silicaţilor şi oxizilor complecşi, mai ales în oţeluri cu conţinut ridicat de siliciu şi mangan. Cauzele apariţiei lor se datoresc reacţiilor oţelului cu materialul refractar dar şi ca urmare a unei dezoxidări necorespunzătoare sau a procesului de reoxidare a oţelului. Prevenirea acestora se poate realiza utilizând tuburi de imersie din material refractar corespunzător, îmbunătăţind metoda de dezoxidare prin tratare în oală cu calciu, şi protejând jetul împotriva reoxidării.

Incluziunile aglomerate (de tip nori) sunt distribuite sub formă de nori şi apar în special la oţelurile calmate cu aluminiu. Ele sunt incluziuni de alumină şi cresc odată cu creşterea conţinutului de oxigen rezidual din oţel. Sunt reduse sau nu apar deloc la oţelurile calmate cu Si şi Al.

Incluziuni de suprafaţă sunt de mărime mică şi apar la cca. 10-15 mm sub suprafaţa profilului turnat continuu. Ele se formează ca urmare a antrenării

prafurilor de turnare sau a unor oxizi care se ridică în cristalizor şi se lipesc de crusta profilului din interior. Apariţia lor poate fi stopată printr-o corectă acoperire a oţelului în distribuitor, protejarea jetului atât de la oala de turnare la distribuitor cât şi din distribuitor în cristalizor, precum şi prin tratarea oţelului cu calciu în oală.

Pentru evitarea respectiv atenuarea defectelor interne, din cele studiate rezultă că un rol deosebit îl au parametrii turnării (viteza de turnare, temperatura de turnare a oţelului, viteza de răcire, temperatura şi debitul apei de răcire) dar şi de parametrii elaborării (raportul Mn/S, parametrii barbotării şi respectiv vidării).

Se poate concluziona că există trei categorii de cauze care duc la apariţia defectelor în profilele turnate continuu care la rândul lor determină consumul de metal:

- defecte inerente procesului (temperatură de turnare mare sau protecţie insuficientă împotriva reoxidării);

- defecte operaţionale (fluctuaţii excesive a nivelului oţelului în cristalizor);- defecte datorate întreţinerii incorecte a maşinii de turnare.