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.