Analiza Procesului de Obtinere a Otelului X52

Analiza procesului de obtinere a otelului X52

CAP.1. CARACTERIZAREA GENERALĂ A OȚELURILOR PENTRU CONSTRUCȚII

CLASIFICAREA OȚELURILOR

Oțelurile pentru construcții ocupă o gamă largă de domenii de utilizare. Aceste oțeluri pot fi clasificate după următoarele criterii astfel:

Oțeluri pentru construcții:

a) oțeluri de uz general;

b) oțeluri speciale.

Oțeluri pentru tratamente termice în toată masa (oțeluri de îmbunătățire);

Oțeluri pentru tratamente termice (sau termochimice) în stratul superficial (oțeluri de cementare);

Oțeluri de nitrurare;

Oțeluri cu prelucrabilitate ridicată (oțeluri pentru automate).

Domeniul oțelurilor cu prelucrabilitate ridicată este extins în principal asupra următoarelor clase:

Oțeluri pentru construcții mecanice;

Oțeluri moi pentru automate;

Oțeluri inoxidabile;

Oțeluri rapide.

Oțeluri de rulmenți

Domeniul oțelurilor pentru rulmenți prezintă următoarele clase:

Oțeluri pentru cementare destinate rulmenților solicitați la șoc, de exemplu pentru transportul auto sau pe calea ferată, laminoare, etc.;

Oțeluri rapide sau aliate termostabile, pentru rulmenți exploatați în condiții de temperatură ridicată.

Oțeluri rezistente la coroziune, în cazul rulmenților care funcționează în medii agresive.

Oțeluri de scule

Oțelurile de scule se pot grupa în patru categorii:

Oțeluri slab aliate de scule (pentru călire superficială sau adâncime mare de călire);

Oțeluri pentru deformare la rece și deformare la cald;

Oțeluri pentru scule de șoc (STAS 3611-80);

Oțeluri rapide ( STAS 7382-80).

Oțeluri pentru electrotehnică

Oțeluri inoxidabile și refractare

De regulă în grupa oțelurilor inoxidabile sunt cuprinse oțeluri cu un conținut de minim 12% Cr și care prezintă rezistență la coroziune în diverse medii corozive, în condiții de temperatură de până la 300oC. În grupa oțelurilor refractare sunt cuprinse de regulă oțeluri cu un conținut de minim 5-6% Cr și care au rezistență chimică sau mecanică la temperaturi de peste 300oC.

Oțeluri martensitice;

Oțeluri feritice;

Oțeluri austenitice;

Oțeluri austenito-feritice;

Oțeluri cu durificare prin dispersie (tip Maraging).

Oțeluri rezistente la acțiunea fragilizantă a hidrogenului

Oțeluri cu conținut mic de sulf:

Oțeluri cu maxim 0,020% S;

Oțeluri cu maxim 0,010% S;

Oțeluri cu maxim 0,005% S.

1.2. CARACTERISTICILE OȚELURILOR PENTRU CONSTRUCȚII ȘI DOMENIILE LOR DE UTILIZARE

Oțelurile pentru construcții constituie cea mai largă gamă de oțeluri, date fiind domeniile foarte variate de utilizare, fiecare domeniu fiind caracterizat prin solicitări specifice ( statice, dinamice simple sau alternative, de uzură, etc.).

Stabilirea cu precizie a mărcii și prelucrărilor plastice și termice pentru asemenea oțeluri, în vederea comportării satisfăcătoare în serviciu, cere cunoașterea solicitărilor statice și dinamice, condițiile de lucru concrete, pentru a putea stabili forma, dimensiunile și starea suprafeței pe care trebuie să le aibă piesa.

În mod simplificat, aceste oțeluri se pot clasifica în: oțeluri de uz general și oțeluri speciale. Oțelurile de uz general sunt de regulă folosite în construcții mecanice pentru piese cu solicitări moderate sau care pot fi înlocuite ușor în caz de uzură și nu periclitează folosirea utilajului. În majoritatea cazurilor însă, oțelurile de construcții sunt oțeluri aliate, de calitate, asigurând rezistența mecanică necesară solicitărilor la care lucrează și totodată dând posibilitatea micșorării gabaritelor și deci a consumului de oțel și indirect a consumului de energie.

În general, oțelurile de construcții sunt utilizate la temperatura ambiantă, dar sunt situații în care, piesele confecționate din oțel lucrează la temperaturi de sub 0oC sau la câteva zeci sau sute de grade peste 0oC. De regulă, aceste oțeluri sunt tratate termic, deci trebuie asigurată structura care să aibă rezistențele necesare în condițiile de folosire.

De aceea, oțelurile de construcții sunt în mare parte aliate (slab, mijlociu sau bogat aliate), suportând în multiplele trepte de prelucrare prin deformare plastică și mecanică tratamente termice intermediare și finale.

După necesități, alierea oțelurilor de construcții se face cu unul, doua, trei sau mai multe elemente. Pentru a putea răspunde solicitărilor, în condiții de completă securitate.

1.2.1. Caracteristicile mecanice ale oțelurilor pentru construcții

Oțelurile de construcții trebuie să posede o bună îmbinare a caracteristicilor mecanice (rezistența la rupere și tenacitatea) care au o influență directă asupra duratei de funcționare a pieselor de mașini. Nu trebuie neglijate nici alte proprietăți cum sunt limita de curgere și gâtuirea. Scopul final al alierii este îmbunătățirea rezistenței la rupere.

În construcții este important dacă ruperea se produce brusc, fără deformații prelabile (rupere fragilă) sau se produce numai după o prealabilă deformare plastică (rupere ductilă). Deoarece plasticitatea scade cu micșorarea temperaturii face ca un oțel care la temperatura ambiantă prezintă rupere ductilă, la temperaturi sub 0oC să prezinte rupere fragilă. Fiecare oțel ca urmare a modului de elaborare și prelucrare metalurgică și mecanică, are o temperatură critică la care devine fragil.

Rezistența la rupere este influențată și de viteza de deformare astfel încât, la viteze foarte mari, ruperea ductilă se transformă în rupere fragilă. De aceea, în afară de rezistența la rupere prin tracțiune, interesează și ruperea prin șoc (reziliența), care este determinată de temperatură, de omogenitate structurală și de granulație.

Pentru oțelurile care au aceeași compoziție, temperatura critică de trecere din stare plastică în stare fragilă, este cu atât mai joasă cu cât granulația este mai fină, structura mai omogenă și puritatea mai mare.

Rezistența la oboseală, determinată în primul rând de structură (care este funcție de compoziție, puritate, mod de prelucrare prin deformare plastică și tratament termic), este influențată și de gradul de prelucrare mecanică a suprafeței piesei, de prezența unor defecte de suprafață și de forma piesei (schimbări bruște de secțiune, unghiuri ascuțite, filete, rizuri de prelucrare prin așchiere), care pot constitui concentrări de tensiuni, cu consecință directă – rupere la oboseală.

Rezistența la oboseală nu este deci o caracteristică intrinsecă a materialului mecanic, ci consecința mai multor factori: eforturi normale, eforturi anormale, concentrare de tensiuni, coroziune, defecte de suprafață, defecte interne.

Determinarea rezistenței la oboseală este de lungă durată și, cum nu este consecință numai a caracteristicilor materialului metalic, ci și a factorilor constructivi și de corectitudine a prelucrării, aceasta se poate determina orientativ și indirect prin rezistența la rupere. Se pare că această regulă nu este întotdeauna valabilă la rezistențele mari (>120 daN/mm2). Din literatura de specialitate rezultă că rezistența la oboseală este aproximativ 50% din rezistența la rupere (figura 1.1) cu un grad de toleranță mare, în plus și în minus, datorită multitudinii de fractori care concurează la mărimea acestei caracteristici. Măsura în care starea suprafeței piesei influențează rezistența la oboseală se vede în figura 1.2.

Fig. 1.1 Variația rezistenței la oboseală în funcție de rezistența la tracțiune

Fig. 1.2 Variația rezistenței la oboseală în funcție de starea suprafeței probei

Unii cercetători prezintă relațiile între rezistența la rupere (Rm), limita de proporționalitate (Rp) și rezistența la oboseală prin încovoiere (σoboseală î ):

σoboseală î = 0,417 Rp + 17, [daN / mm2]

pentru Rm > 60 – 70 [daN / mm2]

σoboseală î = 0,35 Rm + 12,2 [daN / mm2]

Rezistența la oboseală prin răsucire

τoboseală î = 0,575 · σoboseală î ± 6%

Tratamentele superficiale (termochimice) pot determina creșterea rezistenței la oboseală cu până la 300%.

1.2.2. Caracteristicile tehnologice ale oțelurilor pentru construcții

Datorită diversității condițiilor de exploatare a pieselor construite din astfel de oțeluri, acestea necesită un număr mare de prelucrări plastice, mecanice și termice pentru forma necesară și pentru a conferi proprietățile cerute de utilizatori.

Toate oțelurile de construcții (excepție fac cele turnate sub formă de piese) se prelucrează prin deformare la cald sub forma de profiluri, bare, table și în multe cazuri este necesară și deformarea la rece (laminare, tragere, refulare, ambutisare).

Ca oțelurile să se supună unor asemenea prelucrări păstrându-și integritatea este necesar să posede unele caracteristici, numite tehnologice.

1.2.2.1. Caracteristicile tehnologice pentru deformarea plastică

Deformarea la cald

Caracteristicile tehnologice ale oțelului care permit prelucrarea prin deformare la cald a acestuia sunt plasticitatea și rezistența de deformare.

Plasticitatea constituie capacitatea oțelului de a suferi, sub acțiunea presiunii, deformări permanente, fără să sufere distrugere.

Limita de plasticitate corespunde începutului de distrugere a integrității materialului în condițiile de deformare date.

Plasticitatea este determinată de structura macro și microscopică a oțelului (consecință a compoziției, purității, modului de turnare și de solidificare), dar este influențată și de factori tehnologici ca:

Temperatura de deformare;

Viteza de deformare;

Caracterul stării de tensiune la deformare.

Deformarea plastică se explică prin procesele de alunecare a unor straturi de atomi după anumite direcții cristalografice, procese influențate de imperfecțiunea rețelei cristaline.

Majoritatea oțelurilor aliate fac parte din categoria „cu plasticitate mare și chiar foarte mare”. Limita de platicitate este influențată în mod diferit de temperatură, în funcție de compoziția oțelului. În figura 1.3 se poate observa că în timp ce pentru unele oțeluri plasticitatea crește cu creșterea temperaturii, la altele scade.

Fig. 1.3 Influența temperaturii asupra plasticității

1 – fier tehnic; 2 – majoritatea oțelurilor aliate de construcții; 3 – oțeluri bogat aliate cu crom și nichel.

O influență mare asupra plasticității o are și compoziția oțelului, astfel încât plasticitatea scade cu creșterea conținutului de carbon. Elementele de aliere ( Cr, Mn, Ni, Mo, W) influențează plasticitatea diferit, atât prin conținut cât și prin raportul dintre ele. O deosebită influență asupra plasticității oțelului au impuritățile Sn, Sb, S, Pb, P, As precum și gazele ca N, H, O. Toate aceste elemente (cu rare excepții) sunt insolubile în oțel și la solidificare se separă la limita grăunților (sub formă de eutectice sau combinații).

Deosebit de dăunătoare plasticității sunt sulfurile de fier și unele elemente de aliere (Ni, Mo), sulfuri cu temperatura joasă de topire plasate la limita grăunților.

Elementele de aliere care măresc plasticitatea sunt Ni (în absența sulfului), Ti, iar cele care micșorează plasticitatea sunt Cr, W, Mo.

O diminuare a plasticității se găsește la oțelurile la care sunt prezenți (la temperatura de deformare) compuși intermetalici, chiar la dimensiuni submicroscopice. Plasticitatea se micșorează și atunci când deformarea are loc la temperaturi mai joase decât temperatura de recristalizare.

Rezistența la deformare – este capacitatea materialului metalic de a se deforma plastic în anumite condiții de temperatură și presiune.

Rezistența de deformare depinde de plasticitate, dar și de coeficientul de frecare (dependent de natura oxizilor sau combinațiilor, care se formează la cald pe suprafața oțelului în cursul deformării). Un coeficient de frecare prea mic duce la dificultăți de prindere a lingoului între cilindri, iar un coeficient prea mare de frecare influențează negativ vitezele de deformare. În procesul de deformare la cald o influență mare o au și defectele care pot apare (fulgi, crăpături).

De exemplu, oțelurile crom – nichel au plasticitate ridicată și rezistență mică la deformare, dar au tendință ridicată de formare a fulgilor.

Deformarea la rece

O mare parte din piesele necesare construcțiilor de instalații și utilaje se prelucrează prin deformare la rece (benzi, recipiente, șuruburi, nituri, bolțuri, etc.), prin laminare, ambutisare sau prin refulare. În procesul de deformare la rece oțelul se ecruisează, fenomen însoțit de durificare, deci de micșorare a capacității de deformare în continuare prin aplicarea solicitării în acest sens în care s-a produs ecruisarea.

Calitatea oțelului se apreciază în funcție de gradul de ecruisare care se determină cu ajutorul curbelor de consolidare și de reziliență. Aceste proprietăți sunt puternic influențate de tratamentele termice aplicate oțelurilor.

1.2.2.2. Caracteristicile tehnologice pentru tratamentul termic

Din punct de vedere al tratamentului termic, oțelurile de construcții se împart în două clase:

Oțeluri pentru tratament termic în toată masa (oțeluri de îmbunătățire);

Oțeluri pentru tratament termic (sau termotermic) în strat superficial (oțeluri de cementare).

Oțeluri de îmbunătățire

Această gamă de oțeluri constituie cea mai mare parte din oțelurile destinate construcției de mașini. Oțelurile cele mai solicitate din această categorie, sunt nealiate și aliate, cu carbonul cuprins între 0,25% și 0,65% (de regulă 0,30% și 0,55%).

La aceste oțeluri, de o mare importanță este călibilitatea privită sub două aspecte: intensitatea de durificare și adâncimea de pătrundere a stratului călit.

Viteza critică de călire se micșorează prin creșterea mărimii grăuntelui de austenită, prin aliere și prin creșterea conținutului de carbon (până la 0,9%). Călirea în toată masa oțelului la oțelurile nealiate dă rezultate bune numai la piese de secțiune mică. Pentru mărirea adâncimii de călire se poate face microaliere cu bor, care are efect la adaosuri de 0,0005% – 0,003%, deoarece întârzie transformarea perlitică fără să deplaseze scara temperaturii. Influența borului la normalizare este nulă.

Influența borului asupra adâncimii de călire variază în sens invers creșterii conținutului de carbon devenind neglijabilă la oțelurile cu peste 0,7% C; de aceea, borul se folosește la oțelurile moi și semidure.

Adaosurile de bor mai mari sau cel mult egale cu 0,01% provoacă fragilitate la roșu, ceea ce duce la apariția de crăpături la forjare sau laminare.

Influența elementului de aliere asupra călibilității este diferită, în funcție de natura acestora (figura 1.4).

Fig. 1.4 Influența elementelor de aliere asupra călibilității.

Călibilitatea este dată atât de compoziția oțelului cât și de condițiile de elaborare, de turnare și de încălzire pentru tratament.

Ultima operație a tratamentului termic este revenirea, care de fapt imprimă oțelului proprietăți complexe. Procesele care se produc în cursul revenirii (descompunerea soluțiilor solide – martensită și eventual austenită) sunt puternic influențate de prezența elementelor de aliere. Elementele de aliere favorizează obținerea unui înalt grad de dispersie de revenire ceea ce îmbină avantajos proprietățile de rezistență și tenacitate. Duritatea de revenire nu este funcție de călibilitate. Astfel elementele ca V și Si, care impiedică micșorarea durității la revenire, măresc foarte puțin călibilitatea; B, Mn și Ni care măresc considerabil călibilitatea, influențează puțin asupra micșorării durității, iar Cr și Mo au influență pozitivă atât asupra călibilității cât și asupra păstrării durității secundare.

Elementele care favorizează obținerea durității secundare mari, conferă oțelurilor stabilitate bună la mențineri îndelungate la temperaturi ridicate în condiții de exploatare.

Oțeluri pentru tratament temochimic

Oțelurile pentru tratament termochimic sunt oțeluri cu tenacitate ridicată care, după ce sunt transformate în piese (prin prelucrare plastică și/sau mecanică) sunt supuse unui proces de durificare a suprafeței prin tratament termochimic.

Oțelul pentru tratament termochimic este folosit pentru confecționarea pieselor de secțiuni mici, care trebuie să fie foarte tenace, în același timp în care suprafața lor trebuie să fie dură, să reziste la uzură, la temperaturi ridicate, la oboseală (de exemplu: roți dințate, arbori cotiți mici, cămăși de cilindri, instrumente de măsura, etc.).

Tratamentul termochimic se poate aplica prin îmbogățirea stratului superficial în carbon (cementare), în azot (nitrurare), în azot și carbon (carbo – nitrurare sau cianizare), în crom (cromizare), în siliciu (silicizare), în aluminiu (alitare).

B.1. Oțeluri de cementare

Pentru cementare se folosesc oțeluri moi (0,08% – 0,15% C); însă sunt cazuri mai rare în care se acceptă până la 0,20% – 0,25% C (când este necesară rezistența mare în miez). Oțelul pentru cementare trebuie să fie deosebit de omogen, cu puritate avansată și să conțină cât mai puțin sulf și fosfor. Pentru asigurarea tenacității miezului, conținutul de mangan se limitează la 0,4 – 0,5% (nu însă mai mic de 0,2%).

Prezența elementelor de aliere, chiar în concentrații mici, influențează difuzia carbonului în austenită și prin aceasta și adâncimea stratului cementat (figura 1.5)

Adâncimea stratului cementat este puternic influențată de mărimea grăuntelui de austenită (și mai ales de tendința acestuia de creștere cu temperatura); de aceea, alierea cu V, Ti, Zr, care micșorează mărimea grăuntelui, are influență pozitivă asupra procesului în sensul că se poate ridica temperatura de cementare și prin aceasta se poate mări viteza procesului.

Obținerea proprietăților dorite la piesa cementată (rezistență mare la uzură și tenacitate mare) se realizează după tratamente termice.

B.2. Oțeluri de nitrurare

Nitrurarea se aplică în multe cazuri la oțelurile de construcții, în special pentru mărirea rezistenței la oboseală și a rezistenței la uzură.

Se nitrurează oțelurile aliate, de regulă cu elemente care formează nitruri (Ti, W, Cr, Mn). Influența elementelor de aliere asupra grosimii stratului nitrurat și asupra durității este reprezentat în figura 1.6.

Fig. 1.6 Influența elementelor de aliere asupra stratului nitrurat.

Formarea nitrurilor în stratul superficial al pieselor din oțel pot ridica duritatea la 900 – 1200 HV. Pentru evitarea pătrunderii azotului în profunzime, oțelurile de nitrurare se elaborează cu 0,25 – 0,45 % C, viteza de difuzie a azotului scăzând cu creșterea conținutului de carbon și totodată asigurând rezistența mare a miezului.

Deoarece stratul nitrurat are densitate mai mare decât a miezului, prin acest tratament se realizează forțe de compresiune asupra miezului, ceea ce mărește rezistența la oboseală (ruperea la oboseală se datorește unor forțe de întindere); de aceea nitrurarea se folosește la oțelurile de construcții.

La carbonitrurarea (cianizarea) oțelului, grosimea și conținutul de carbon și de azot al stratului este funcție de temperatură; cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât stratul superficial este mai gros, iar conținutul de azot este mai mic.

La oțelurile de construcții se aplică, de regulă, cianizarea la temperaturi înalte (roți dințate, arbori, tacheți), însă și la temperaturi joase (tije de supape la motoare).

Procesul de saturare cu aluminiu (alitare) a suprafeței pieselor se aplică ca mijloc de mărire a rezistenței la temperaturi înalte, mai ales în atmosfera corozivă (de exemplu, oțelul aliat cu circa 5% Cr).

Procesul de îmbogățire în crom a stratului superficial (cromizare) se poate aplica atât oțelurilor moi (cu rol de protecție anticorozivă) cât și oțelurilor dure (când îi mărește foarte mult duritatea). Se supun acestei operații piese de pompe, șuruburi, piulițe, roți dințate, etc.

Procesul de saturare cu siliciu (până la 12 – 18%), silicizarea, se aplică în scopul măririi rezistenței la coroziune a unor piese de mașini și instalații folosite în industria chimică (pistoane, robineți, ventile), de regulă însă la oțelurile obișnuite de construcții.

1.2.3. Oțeluri cu prelucrabilitate ridicată (oțeluri pentru automate)

Una din problemele complexe pe care industria construcțiilor de mașini o ridică metalurgiei, constă în realizarea de materiale metalice cu capacitate îmbunătățită de prelucrare prin așchiere, în condiții de productivitate cât mai mare, asigurând în același timp o stare a suprafeței corespunzătoare scopului impus de utilizarea piesei.

În afară de aliere trebuie să se mai aibă în vedere următoarele:

Creșterea conținutului de carbon conduce la micșorarea prelucrabilității, nivelul acestuia în oțel fiind determinat de regulă, de caracteristicile de rezistență ale oțelului, care trebuie asigurate.

Creșterea conținutului de mangan conduce la obținerea unor suprafețe prelucrate de calitate îmbunătățită;

Creșterea conținutului de fosfor contribuie la obținerea unei calități superioare asupra suprafețelor prelucrate și la o desprindere mai ușoară a așchiilor de pe piesa prelucrată; creșterea conținutului de fosfor, împreună cu creșterea conținutului de carbon conferă însă oțelului o anumită fragilitate la rece.

Oțeluri moi pentru automate

Oțelurile moi și extra moi, caracterizate printr-o plasticitate ridicată, se prelucrează nesatisfăcător prin așchiere, ca rezultat al faptului că formarea așchiei și îndepărtarea ei din zona de tăiere este precedată de deformarea și ecruisarea considerabilă a masei de bază feritice, cu influența nefavorabilă asupra uzurii sculei.

Rezolvarea acestui aspect se realizează de obicei prin introducerea în oțel a unor elemente care, fie că formează incluziuni nemetalice neabrazive (întrerupând astfel continuitatea structurii feritice), fie că se dizolvă în ferită, pe care o durifică.

Dintre elementele susceptibile de a forma în structura oțelului incluziuni nemetalice neabrazive cu proprietăți de lubrifiere, fac parte S, Se, Te sau Pb.

Sulful se adaugă de regulă în oțelurile pentru automate până la conținuturi de circa 0,4%. Adăugarea unor conținuturi mai mari, de până la 0,8% nu se practică (fragilitatea la roșu se accentuează la valori ale raportului [Mn]/[S] < 1,7).

În cazul oțelurilor destinate fabricării bloanelor si piulițelor, la care este inclusă ca operație tehnologică refularea la cald, conținutul de sulf se reduce la 0,08 – 0,12%.

Încercările de a aduce la stabilirea unei corelații cantitative între caracteristicile incluziunilor sulfidice (KZMnS) și prelucrabilitatea oțelului sunt sintetizate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1.

Corelația între KZMnS și prelucrabilitate

În oțelurile moi pentru automate conținutul de carbon se situează între 0,04 – 0,15%, creșterea în acest interval va avea o influență pozitivă asupra prelucrabilității. Influența sa devine sensibilă la un adaos de circa 0,05% Pb (de regulă conținutul de Pb al oțelurilor de automate este 0,15 – 0,40%).

Influența favorabilă a plumbului asupra prelucrabilițătii prin așchiere este rezultatul acțiunii sale de întrerupere a continuității structurii de bază cât și datorită faptului că în focarul de tăiere are loc o topire a incluziunilor de plumb care micșorează sensibil rezistența și provoacă fărâmițarea așchiilor.

În general este admis că Pb singur sau în prezența altor elemente participă cu o cotă de 10 – 30% la îmbunătățirea prelucrabilității prin așchiere a oțelurilor respective.

Oțeluri pentru construcții mecanice

Aceste oțeluri fiind destinate executării de piese care lucrează în condiții de șoc, uzură, oboseală, ridică restricții suplimentare în ceea ce privesc mijloacele folosite pentru îmbunătățirea prelucrabilității prin așchiere.

De regulă, la această grupă de oțeluri, se caută a se influența favorabil prelucrabilitatea prin așchiere, prin tipul structurii de bază, care să asigure o duritate relativ scăzută, combinată cu o anumită „fragilizare” a așchiei.

Între elementele de adaos utilizate în vederea îmbunătățirii prelucrabilității continuă să fie S, Pb, Te sau Se, în conținuturi controlate și în general mai mici decât cele practicate la oțelurile moi de automate. În privința conținutului de S în aceste oțeluri, au fost standartizate mărci cu 0,08 – 0,15% sau chiar 0,25%.

In multe din compozițiile chimice ale oțelurilor pentru construcții de mașini este garantată și limita inferioară a conținutului de S la circa 0,02%, pentru cazul compozițiilor considerate normale din punct de vedere al S ( maxim 0,035% sau 0,045%).

Utilizarea acestor oțeluri cu conținut „controlat” de S (0,020 – 0,045%) contribuie la îmbunătățirea stării suprafeței la prelucrarea prin așchiere cu viteză mică.

Adaosul de telur, alături de sulf, la un oțel cu 0,38% C și 1% Cr a condus la o creștere a vitezei de așchiere cu 30% în paralel cu îmbunătățirea suprafeței, menținerea caracteristicilor mecanice și a rezistenței la oboseală.

Plumbul se întâlnește în cantitate de 0,15 – 0,30% fie singur, fie în prezență de sulf, seleniu sau telur. Adaosurile de plumb afectează în măsură mică caracteristicile mecanice la temperatura camerei. Astfel, este admis că adaosul de plumb afectează foarte puțin valoarea rezistenței la rupere, curgere, alungire și reziliență.

Aspecte tehnologice de adăugare a plumbului în oțel

În legatură cu utilizarea plumbului pentru oțelurile de automate, apar câteva probleme specifice, ca:

Nemiscibilitate practic totală a plumbului atât în oțelul lichid cât și în fazele oțelului în stare solidă;

Inactivitatea chimică a plumbului față de elementele prezente în compoziția chimică a oțelului;

Densitate mare în raport cu a oțelului lichid și ca urmare tendința de aglomerare în partea de picior a lingoului;

Presiunea de vapori ridicată în intervalul de temperaturi caracteristice elaborării oțelului; presiunea de vapori a plumbului crește astfel de la 76 mm Hg pentru temperatura de 1500oC la 400 mm Hg la temperatura de 1600oC, ceea ce face să existe pericol de intoxicare cu vapori de plumb în cazul fabricației de oțeluri cu adaos de plumb.

Pe baza particularităților menționate, alierea cu plumb a oțelurilor se execută în perioada de evacuare și/sau de turnare a oțelului, în mai multe variante tehnologice, în funcție de experiența obținută de diverși producători.

CAP. 2. PROCESE FIZICO – CHIMICE CARE AU LOC LA ELABORAREA OȚELURILOR PENTRU CONSTRUCȚII

Oțelurile aliate sunt prin excelență oțeluri de calitate superioară la care pe lângă caracteristicile specifice impuse (fizice, chimice, mecanice, structurale, etc.) se cere asigurarea unor durabilități mari, dat fiind costul ridicat de producție și de prelucrare cât și responsabilitatea deosebită pentru siguranța în exploatare.

Principalele agregate industriale pentru producerea oțelurilor sunt: cuptorul electric (cu arc sau inducție), cuptorul Siemens Martin și convertizorul cu oxigen, în diverse variante constructiv – tehnologice.

Ansamblul complex de procese fizico – chimice și termice care definesc procesele metalurgice și care constituie perioadele de elaborare a oțelului (topirea încărcăturii solide, decarburarea, dezoxidarea, degazarea, alierea și corectarea compoziției chimice și a temperaturii) se regăsesc în ceea ce numim elaborarea oțelului. Procedeele actuale de elaborare a oțelului se practică în agregate metalurgice în care nu se poate depăși un anumit grad de puritate în ceea ce privesc conținuturile de azot și de hidrogen și nu pot asigura un grad de dezoxidare care să conducă la conținuturi foarte scăzute de incluziuni nemetalice, astfel încât să confere oțelurilor proprietățile cerute de tehnicile de vârf din industria aerospațială, energetică, electrotehnică, de transporturi navale, chimică etc. de aceea, tot mai multe tehnologii se ocupă de continuarea unor perioade ale elaborării oțelului în afara agregatelor propriu-zise de elaborare.

DECARBURAREA LA ELABORAREA OȚELULUI

Oxidarea carbonului (decarburarea) constituie procesul metalurgic de cea mai mare complexitate la elaborarea oțelului.

Încercând o sinteză preocupărilor și cercetărilor tot mai elaborioase din acest domeniu, s-ar putea spune că în principal acestea se referă la una din următoarele direcții:

Alimentarea băii metalice cu oxigen;

Explicitarea cât mai fidelă a mecanismului și cineticii reacției carbonului cu oxigenul;

Influența elementelor dizolvate în baia metalică asupra funcțiilor termodinamice și a vitezelor caracteristice ale procesului;

Asimilarea oxigenului la suflarea acestuia în baia metalică;

Definirea corelațiilor factorilor termodinamicii, cineticii și tehnologiei care determină viteza de decarburare;

Implicațiile decarburării asupra altor procese metalurgice: dezoxidarea oțelurilor, defosforarea, desulfurarea etc.

Oțelurile aliate și înalt aliate ridică probleme teoretice și practice specifice fiecărei clase; de aceea, acest capitol va prezenta aspectele fundamentale ale decarburării cu folosirea oxigenului, tehnologie pe cale de a fi generalizată la aceste oțeluri. Se vor da și unele date referitoare la folosirea minereurilor la decarburare, pentru ca unele uzine din țară mai lucrează încă cu această tehnologie.

Trebuie avut în vedere potențialul de oxigen și compoziția chimică a băii metalice la momentul considerat al alimentării acesteia cu oxigen. În condițiile din practica elaborării necesarul de oxigen (calculat din ecuația de bilanț a acestuia) pentru oxidarea tuturor elementelor însoțitoare din baia metalică (1-n) și zgurificarea lor (1-m) rezultă din relația:

(2.1)

unde: Qzg si Qbm – greutatea zgurei și a băii metalice;

(1L n) · [Me]i si (1L m) · (MexOy)i – conținutul inițial al elementelor din baia metalică și a oxizilor acestora din zgură;

(1L n) · [Me]i si (1L m) · (MexOy)0 – compozițiile băii metalice și zgurei la oprirea afinării într-un stadiu intermediar sau final.

Pentru oxidarea fierului în timpul afinării se poate folosi relația:

(2.2)

Gradientul oxigenului dizolvat în baia metalică între cele două stadii ale procesului de afinare este următorul:

(2.3)

Ecuația de bilanț pentru cantitatea totală de oxigen necesară este:

(2.4)

unde: p – este numărul ecuațiilor parțiale de bilanț luate în calcul.

Din ecuația (2.3) și (2.4) rezultă o primă problemă care se pune: reglarea alimentării băii metalice cu oxigen în condițiile respectării stricte a unei valori de restricție pentru oxigenul de la sfârșitul afinării [O]0.

Ipoteza atingerii stării de echilibru, admițând o comportare ideală a carbonului, la conținuturi de cel mult 1,1% și a oxigenului, care în condițiile de la elaborarea oțelului se comportă ca în soluții infinit diluate, precum și la presiunea parțială pCO ~ 1 atm, în reacția de oxidare a carbonului.

[C] + [O] ↔ {CO}; ΔG0 = -8510 – 7,52T, (2.5)

sau:

[C] + [FeO] ↔ [Fe] + {CO}; ΔG0 = 10980 – 3,088 (2.6)

poate fi reprezentată (cu coeficienți de activitate f0 si fc ~ 1) prin constanta de echilibru

KC =

(2.7)

care la 1600oC capătă valorile cu care s-a trasat izoterma de echilibru din figura de mai sus, respectiv:

(2.8)

(2.9)

determinate de H.C. Vacher și E.H. Hamilton și reconfirmate ulterior cu determinări în condiții similare.

Băile metalice de la elaborarea oțelurilor aliate sunt sisteme cu mai multe componente, dacă se lucrează cu încărcătura în care se găsesc elemente de aliere.

La tehnologia cu sulfare de oxigen a băilor de oțel aliat sunt confirmate valorile mai mari ale conținuturilor de oxigen la proporții ridicate de carbon. Aceste valori scad spre sfârșitul afinării când baia metalică începe să se „liniștească”, apropiind conținuturile de oxigen de cele rezultate din ipoteza stabilirii condițiilor de echilibru. La aceste categorii de oțeluri, datorită unei oxidări puternice, la conținuturile de carbon realizate la oprirea suflării [C]0, conținuturile reale de oxigen [O]ro (sau [FeO]ro) sunt mai ridicate, valoarea excesului [O]ro – [O]e variind în funcție de conținutul de carbon. Existența unui exces [O]ro – [O]e diferit în funcție de condițiile de afinare și de compoziția chimică a băii metalice, dar confirmat pentru toate categoriile de oțeluri, susține concluzia că decarburarea nu poate atinge în practică condițiile stării de echilibru.

O conducere corectă a decarburării înseamnă asigurarea condițiilor tehnologice ca la sfârșitul afinării conținutul de oxigen [O]e, excesul [O]ro – [O]e influențând decisiv dezoxidarea și alierea și prin această calitate și costul oțelului elaborat. Este util să se analizeze condițiile practice de elaborare care condiționează valoarea de restricție [O]ro.

Analiza poate pleca de la considerentul că această valoare impune viteza de oxidare a carbonului;

(2.10)

Această relație analitică, explicitează condiția cunoscută pentru viteza de oxidare a carbonului, totdeauna diferită de zero, datorită excesului [O]ro – [O]e din orice moment al decarburării, confirmată în practica elaborării prin existența unei fierberi a băii metalice cu intensitate diferită in orice fază a procesului.

Relația vitezei de reacție la conținuturi ridicate de carbon concordă evaluării procesului de difuziune a oxigenului, conform relației:

(2.11)

iar la conținuturile mari de oxigen și mici de carbon ce caracterizează finalul decarburării, viteza de reacție exprimă evaluarea procesului de difuziune a carbonului conform relației:

(2.12)

unde indicele „m” și „fr” simbolizează valorile medii din baia metalică și cele de la frontul de reacție.

Factorul determinant pentru viteza de decarburare în timpul afinării este în majoritatea cazurilor alimentarea cu oxigen, dacă conținutul de carbon nu a scăzut sub o anumită limită.

Concentrația limită de carbon, sub care viteza de decarburare începe să depindă de conținutul de carbon, se deplasează spre valori mai mari odată cu creșterea oxigenului disponibil. De aceea se admite că se pot accepta limitele vitezei chiar la conținuturi ceva mai ridicate de carbon.

În condițiile acestor limite, factorul decisiv nu mai este alimentarea cu oxigen, ci disponibilitatea de carbon a băii metalice, carbon care sosește prin difuzie în zona de reacție.

De-a lungul afinării scade conținutul de carbon în vecinătatea fazei gazoase, crescând corespunzător conținutul de oxigen. Dacă carbonul atinge o valoare limită în baia metalică, oxigenul de la suprafața de separație ajunge la valoarea lui de saturație în faza oxidică și nu mai poate crește, ceea ce are ca implicație variația gradientului de concentrație din starea staționară (acest gradient se menținea constant prin scăderea carbonului la suprafața de separație). Prin formarea în continuare a bulelor de CO gradientul concentrației de carbon scade mereu și la fel viteza de decarburare. Dacă alimentarea cu oxigen se intensifică, gradientul concentrației de carbon în stare staționară sporește, atingându-se saturația în oxigen la suprafața de separație chiar la conținuturi mai ridicate de carbon ale topiturii. Existența unui maxim al vitezei de decarburare, caracteristic formării intense de bule își găsește explicație în faptul că prin apariția stratului de FeO la saturație în oxigen în zona suprafeței de separație se depășește produsul de solubilitate în baie, mijlocind formarea de bule la vatră și la pereții agregatului și deci o decarburare suplimentară prin mărirea suprafeței de separație.

Este cunoscut faptul că în stadiul actual nu este complet lămurit dacă oxidarea carbonului are loc prin intermediul FeO format inițial sau direct cu oxigenul.

Se cunosc însă cu certitudine efectele tehnologice la folosirea oxigenului la afinarea oțelurilor aliate:

Concentrații locale mari de oxigen;

Temperaturi înalte (până la 2500oC, în zona de impact) care influențează regimul de oxidare al elementelor de aliere aflate în baia metalică în sensul unei mult mai puțin pronunțate oxidări ale acestora;

Disocieri avansate ale disociațiilor carbonului datorită temperaturii înalte;

Grad mare de agitare a băii metalice, care conduce la creșterea suprafețelor de reacție, limitând în bună măsură dependența reacției de oxidare a carbonului de transportul difuzie a reactanților și ajută eliminarea bulelor de CO;

Modificarea proprietăților băii metalice datorită creșterii pronunțate a temperaturii, în principal scăderea tensiunii superficiale și creșterea fluctuațiilor de energie, favorizează germinarea și formarea bulelor de CO, asociindu-se probabilității ca oxigenul molecular suflat în baie să constituie suprafețe anizotrope preexistente pentru formarea bulelor de oxid de carbon în procesul de afinare.

Efectul combinat al tuturor factorilor enumerați mai sus, se regăsește în creșterea considerabilă a vitezei de decarburare care poate să ajungă la 1,8 – 2,4% C/h la conținuturi ridicate de carbon și se menține peste 0,15 – 0,20% C/h și la conținuturi foarte mici de carbon (sub 0,07% sau chiar sub 0,05%). La oțelurile aliate, cu carbon foarte scăzut (mai puțin de 0,05%), folosirea oxigenului la afinare este singura soluție posibilă, cel puțin pentru ultima parte a decarburării.

La elaborarea oțelurilor aliate din încărcături care conțin elemente de aliere (mai ales crom și mangan) pe lângă realizarea unei decarburări în scurt timp, cu viteze mari de oxidare a carbonului în tot volumul băii metalice, se impune recuperarea avansată a elementelor de aliere oxidabile.

În practica elaborării oțelurilor aliate și înalt aliate pornind de la încărcături metalice cu fier vechi aliat (30 – 70% din încărcătura totală), suflarea oxigenului cu debite mari conduce la o dinamică pronunțată a creșterii temperaturii, care într-un foarte scurt interval de timp ajunge la valori care influențează considerabil regenerarea elementelor de aliere.

Recuperarea, desigur, este determinată și de o serie de alți factori tehnologici, dintre care asigurarea unei cantități mari de zgură saturată repede cu oxizii elementelor ce urmează a fi recuperate, reprezintă o condiție esențială pentru frânarea oxidării și favorizarea unei regenerări avansate.

În sistemele pluricomponente Fe-Me-C-O activitațile a[C] și a[O] sunt puternic influențate la concentrații mari de elemente [Me].

a[C] = f[C] · %[C] (2.13)

(2.14)

și

a[O] = f[O] · %[O] (2.15)

(2.16)

În literatura de specialitate se găsesc relații care redau mai mult sau mai puțin exact influența unor elemente asupra coeficienților de activitate ai carbonului și oxigenului (reactanții procesului de decarburare). De exemplu, se cunoaște că siliciul mărește coeficientul de activitate a carbonului, conform relației:

(2.17)

Manganul și cromul micșorează coeficientul de activitate a carbonului, conform relațiilor:

(2.18)

(2.19)

în timp ce carbonul ponderează propriul său coieficient cu:

(2.20)

În aceste relații pentru siliciu, mangan și crom s-au luat în considerare fracțiile molare [Si], [Mn], [Cr] din baia metalică și nu concentrațiile efective ca în cazul carbonului.

Coeficientul de activitate a oxigenului este micșorat de siliciu, crom, vanadiu, fosfor și aluminiu și în general de toate elementele dizolvate în baia metalică care formează oxizi mai stabili decât fierul și este mărit de nichel și sulf, cu coeficienți de pondere K care după Chipman au valorile date în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2

Valoarea coeficienților de pondere K pentru activitatea oxigenului

Reacția propriu-zisă de decarburare nu poate atinge starea de echilibru, rămânînd în afara ei mai mult sau mai puțin în funcție de carbonul existent în baia metalică și oxigenul dizolvat ca urmare a unei anumite tehnici de lucru. Așa se explică și faptul că, constanta de echilibru

KC = (2.21)

care exprimă starea de echilibru a reacției

[C] + {CO2} = 2{CO} (2.22)

din sistemul complex carbon-oxigen nu reprezintă fidel condițiile constantelor de echilibru nici măcar sub aspect termodinamic, variind atât în funcție de temperatură cât și în funcție de conținutul de carbon [C].

Una din condițiile restrictive care trebuie îndeplinită la afinarea cu oxigen este temperatura înaltă (peste 1580oC) la începerea suflării oxigenului pentru a asigura:

Fluiditatea necesară băii metalice pentru a favoriza îndepărtarea avansată a suspensiilor;

Valorificarea mai bună a accelerării proceselor de difuzie în condițiile suflării oxigenului;

Asigurarea creșterii uniforme a temperaturii băii metalice în timp util, pentru conducerea rațională a proceselor de regenerare a elementelor de aliere din zgură.

Pentru fiecare categorie de oțeluri, în funcție de gradul de aliere a băii metalice din perioada afinării, se poate indica temperatura optimă de la sfârșitul afinării efectuând un bilanț termic care să ia în considerare:

Temperatura de la începutul suflării;

Creșterea de temperatură datorită căldurii primită de la arcurile electrice;

Creșterea temperaturii datorită reacțiilor exoterme de oxidare.

Creșterea temperaturii datorită oxidării elementelor din baia metalică se calculează cu relația:

(2.23)

în care:

ΔMe – cantitatea de element Me oxidat, în Kg/100 Kg;

QMeO – cantitatea de căldură rezultată (efectele termice ale reacțiilor de oxidare), în Kcal/Kg Me;

Mm – masa băii metalice, în Kg;

Mzg – masa zgurei, în Kg;

cm – căldura masică medie (circa 0,200-0,300Kcal/Kg· oC în intervalul de temperaturi uzuale din practica eleborării);

czg – căldura masică a zgurei (circa 0,170 – 0,190 Kcal/Kg · oC în intervalul de temperaturi uzuale din practica eleborării).

Determinarea creșterii temperaturii băii metalice în timpul afinării este utilă în practica elaborării deoarece permite să se stabilească durata suflării oxigenului în funcție de creșterea de temperatură impusă pentru un anumit regim dorit de afinare și regenerare a elementelor de aliere. Relațiile de calcul pentru creșterea temperaturii băii din timpul afinării permite efectuarea mai exactă a bilanțului de oxigen necesar afinării, calcul ce se cere a fi foarte riguros dacă se urmărește o decarburare în regim optim.

În același timp, rezolvarea problemei creșterii temperaturii are o mare importanță în cazul analizării proceselor de transmitere a căldurii. De exemplu, la reacțiile de oxidare ale carbonului, relația:

(2.24)

admite o anumită pondere (x) pentru bioxidul de carbon rezultat din reacțiile secundare:

[C] + 2[O] = {CO2} (2.25)

[O] + {CO} = {CO2} (2.26)

care se adaugă reacțiilor considerate importante:

[C] + {CO2} = 2{CO} (2.27)

și mai ales

[C] + [O] = {CO} (2.28)

din sistemul carbon oxigen.

Similar se poate calcula creșterea de temperatură datorată oxidării obligatorii a fierului din baia metalică la suflarea oxigenului, în baza relației:

(2.29)

creșterea temperaturii rezultată din reacția de oxidare a fierului este o relație de interdependență de conținutul de carbon efectiv din baia metalică, cantitatea de fier oxidată fiind:

(2.30)

în care:

%CS – conținutul de carbon în momentul considerat al suflării;

a,b – coeficienți de pondere stabiliți statistic în condițiile experimentale specifice fiecărui agregat de elaborare.

Problema care se pune pentru practica eleborării este legată de valoarea pe care trebuie să o atingă pentru a satisface procese metalurgice complexe, regenerarea avansată a elementelor de aliere din zgură, degazare, dezoxidare și aliere cu consumuri raționale de feroaliaje și eficacitate în realizarea unei calități constant superioare.

O atenție deosebită trebuie acordată începerii afinării imediat după topire. Pentru aceasta este nevoie de a se respecta restricția tehnologică a unei temperaturi înalte a băii metalice topite (peste 1580oC) și a unei zguri timpurii cu temperatura înaltă, bazică, fluidă și activă. În cele mai multe cazuri, ridicarea temperaturii băii metalice se realizează prin suflarea unei cantități de oxigen spre sfârșitul topirii, chiar dacă cuptorul are transformator puternic.

Dacă temperatura este unul din factorii care influențează puternic decarburarea, factorul determinant pentru viteza de decarburare rămâne alimentarea băii metalice cu oxigen și gradul de asimilare a oxigenului în baia metalică. Afinarea oțelului fiind legată de procese de transfer la limita a doua faze. Măsura transferului de masă a reactanților principali, carbonul și oxigenul, (de fapt a fiecărui component) în frazele în contact, la suprafața lor limitrofă este debitul exprimat empiric prin relația:

(2.31)

unde: n – este numărul de moli de element;

t – este timpul;

– coeficientul de transfer de masă;

e – concentrația în element;

A – suprafața.

Această relație satisface descrierea fenomenului. Prin înlocuirea coeficientului de transfer cu numărul adimensional.

Sh = (LD-1 (2.32)

în care: Sh – este numărul Sherwood;

D – coeficientul de difuzie;

L – lungimea caracteristică.

Ecuația 2.31 devine:

(2.33)

Rezultă că transferul de masă (de fapt de reactanți) este direct proporțional cu numărul lui Sherwood și cu coeficientul de difuzie și se intensifică cu creșterea suprafeței de schimb și a diferenței de concentrație, respectiv cu scăderea lungimii caracteristice. Folosirea oxigenului la rafinare conduce tocmai la creșterea considerabilă a suprafeței de contact.

În ceea ce privește folosirea oxigenului la afinarea oțelurilor elaborate în cuptorul electric, literatura de specialitate cuprinde puține referiri.

Se consideră că la cuptorul electric se poate afirma că, în cazul folosirii minereului, la afinare:

În baie (sau cel puțin în zgură) intră oxigenul atmosferic, datorită stropilor de baie metalică;

Picăturile metalice, care formează în zgură o emulsie, reacționează intensiv datorită suprafeței specifice mari;

Prin adaosuri de minereu în bucăți (grele) iau naștere potențiale sporite ale oxigenului la limita de fază cu baia metalică. În acest caz un rol însemnat îl are viteza de dizolvare a minereului și deci transferul de căldură;

În baia metalică ajung și stropi de zgură, mărind (prin formare de emulsie) suprafața de contact zgură – baie metalică în raport cu suprafața geometrică (constructivă) de separație proprie cuptorului.

La afinarea cu minereu, în condiții normale de temperatură și de zgură, cu un adaos rațional de minereu conținutul de minereu se apropie de valoarea de echilibru ca și în cazul folosirii minereului viteza procesului de alimentare a băii metalice cu oxigen este de regulă mai mică în comparație cu viteza reacției dintre carbon și oxigen la frontul de reacție.

Dacă se apelează la teoria lui Nernst asupra difuziei componenților în straturi limitrofe. În aceste straturi limită conținutul de oxigen este mai mare decât cel corespunzător conținutului de carbon și temperaturii, datorită rezistenței pe care insăși reacția de decarburare o opune pătrunderii oxigenului din zgură spre baia metalică. Din aceste considerente nu se poate atinge nici echilibrul dintre oxigenul băii metalice și cel din zgură indicat de relații ca:

(2.34)

(2.35)

Viteza oxidării carbonului, așa cum a demonstrat Darken, poate fi controlată cunoscând fluxul de oxigen prin stratul limită de difuzie în partea de baie metalică și influența zgură-baie metalică, cu care este proporțională, conform relației:

(2.36)

în care:

D0 – este coeficientul de difuzie a oxigenului din baia metalică lichidă;

0 – grosimea efectivă a stratului limită de difuzie la interfața baie metalică – zgură;

– conținutul de oxigen din baia metalică în echilibru cu zgura;

[O] – conținutul mediu de oxigen din baia metalică.

Pentru oțelurile aliate, minereul se folosește eventual împreună cu oxigenul gazos suflat la afinare (și nu singur) datorită dezavantajelor pe care le prezintă, sau mai curând a imposibilității de a se realiza în condiția alimentării băii metalice cu oxigen din minereul introdus în zgură, a restricțiilor tehnologice impuse la afinarea băii metalice aliate. La suflarea oxigenului se pot realiza temperaturi foarte înalte în baia metalică, peste 1950oC considerată orientativ o limită maximă tehnologică pentru a nu depăși valori și așa foarte înalte ale temperaturii, minereul se folosește fie împreună cu oxigenul, fie adăugându-se minereu (calcinat) în porții într-o anumită fază a decarburării. Asimilarea oxigenului din minereu în baia metalică este însoțită de micșorarea temperaturii băii metalice prin suflare de oxigen gazos. Creșterea de vâscozitate duce la micșorarea coeficientului de difuzie o oxigenului conform relațiilor generale:

(2.37)

unde:

– este vâscozitatea dinamică, ;

B – coeficientul care depinde de volumul molar al fluidului;

E – energia de activare a curgerii, ;

R – constanta gazelor,

și

(2.38)

unde:

K – este constanta lui Boltzman, ;

r – raza efectivă a particulei, [m];

Adaosurile de minereu la tehnologia combinată oxigen gazos – minereu trebuie efectuate în baza unor calcule tehnologice, care să țină seamă de scăderea temperaturii băii metalice și de influența bilanțului de oxigen al acesteia. Valoarea alimentării băii metalice cu căldură trebuie să fie determinată experimental prin bilanțuri termice parțiale sau calculul bilanțului termic complet:

QT = Dq (A [Kcal/h] (2.39)

unde:

QT – este fluxul termic spre baie, [Kcal/h];

Dq – asimilarea specifică de căldură, [Kcal/m2];

A – suprafața băii metalice (la cuptorul electric prezintă particularitate datorită transmiterii căldurii prin arcuri electrice).

Bilanțul oxigenului din baia metalică la afinare trebuie să coreleze consumul necesar pentru oxidarea elementelor din baia metalică, pentru formarea zgurii și oxigenul care rămâne dizolvat în baia metalică, cu cel introdus din atmosfera cuptorului, cu oxigenul suflat, cu oxigenul din minereul adăugat.

La procesul de oxidare a băii metalice, aportul oxigenului din minereu depinde de intensitatea de suflare a oxigenului.

De mare importanță este analizarea propriu-zisă a vitezei de oxidare a carbonului pe etape, acest parametru fiind reprezentativ pentru proces, prin sinteza pe care o implică asupra proceselor fizico-chimice și termice de la decarburare. În conformitate cu părerile lui H. Schenk, P. Vallet, F. Oeters, S.I. Filipov, L.D. Darken, L. von Bogdandy, E. Steinmetz, H. Knuppel, T. Fujii, ș.a. decarburarea la suflarea de oxigen în baie poate fi privită ca o problemă de transport cu doi curenți diferiți ai atomilor de carbon și de oxigen, cel mai slab dintre cei doi determinând viteza de decarburare.

Pe suprafața băii se ating conținuturi maxime de oxigen, care conform echilibrului carbon – oxigen sunt posibile cu conținut de carbon stabil aici și cu temperatura “spotului de ardere”. Urmează o porțiune a curbei de forma “căderii liniare”, în care viteza de decarburare este proporțională cu admisia de oxigen W, dar independentă de conținutul de carbon al băii metalice, conform relației:

(2.40)

unde:

I – este frecvența formării de nuclee, ;

V – volumul topiturii, [m3];

0 – raportul dintre oxigenul consumat pentru decarburare și cel introdus în baia metalică.

În această fază decarburarea se produce prin reacția oxigenului cu carbonul pe suprafața băii libere de zgură.

În faza a III-a curba oxidării carbonului prezintă o cădere abruptă în care trebuie să se afle maximul vitezei de decarburare, la o suflare puternică de oxigen. În ultima parte, de regulă, în conținutul numit critic de carbon și urmează formal dependența directă de conținutul de carbon, conform relației:

(2.41)

în care:

A – este suprafața de reacție, [m2];

– este coeficientul de transfer de masă în stratul limită;

– diferența dintre conținutul de carbon mediu din interiorul băii metalice și carbonul de la frontul de reacție.

Variațiile conținutului de carbon și oxigen, în diferite faze (etape) ale decarburării, se pot imagina astfel: la începerea afinării se stabilește o scădere a concentrației carbonului la suprafața băii.

În faza următoare caracterizată prin viteză constantă de decarburare curge din direcția opusă curentului de oxigen (W), care sosește din faza gazoasă, după apariția unei căderi de concentrație, înăuntrul unui strat limită, un curent echivalent de carbon:

(2.42)

Scăderea conținutului de carbon [C] rămâne la începutul acestei faze a decarburării constantă, în timp ce conținuturile medii de carbon din interiorul băii metalice [C]m și de la frontul de reacție scad uniform. Conținutul de oxigen din baia metalică continuă să crească și se formează bule de oxid de carbon. Mecanismul formării acestor bule este controversat, cele două posibilități de germinare omogenă și heterogenă fiind determinate de condițiile practice ale elaborării: temperatura, surplusul de oxigen al băii metalice, proprietățile fizice și superficiale ale fazelor în contact.

Relațiile lucrului mecanic și a intensității de formare a germenilor sunt următoarele:

(2.43)

(2.44)

în care:

– tensiunea superficială limită a băii metalice de metal față de nucleul de oxid de carbon, [N/cm2];

rcr – raza critică a nucleului, [m];

Ff – factorul de frecvență, [m3s].

În partea finală a decarburării, reacția de oxidare a carbonului trece de la o reacție superficială condusă prin debitul de oxigen la o reacție interfazică dirijată de difuzie.

Evoluția vitezei de oxidare a carbonului se poate exprima în funcție de conținut de carbon al băii metalice și în funcție de debitul de oxigen suflat.

[C] + [FeO] ↔ [Fe] + {CO} (2.45)

[Fe] + [O] ↔ (FeO) (2.46)

La conținuturi de carbon mai mari decât acest conținut critic, carbonul asigură o protecție bună contra unei oxidări puternice a fierului. Conținutul critic de carbon [C]cr se poate indica după S. I. Filipov, din egalitatea curenților de carbon și de oxigen conform circulației stoechiometrice din sistemul carbon oxigen:

[C] + [O] → {CO}

[C]cr = (2.47)

Din categoria factorilor fundamentali de semnificație, în interdependență cu temperatura, compoziția chimică efectivă a băii metalice și proprietățile fizice și superficiale din momentul analizat al afinării, se află în afara intensității de suflare (debitului de oxigen suflat) și alți parametri care caracterizează regimul suflării oxigenului și în primul rând gradul de asimilare a acestuia. Este unanim acceptată pentru tehnologiile de suflare a oxigenului în convertizor și în cuptorul Martin că viteza de decarburare este considerabil mai mică decât cea calculată, care corespunde utilizării complete a oxigenului suflat pentru oxidarea carbonului. Aceleași aspecte le întâlnim și la suflarea oxigenului la afinarea în cuptorul electric cu arc.

DEFOSFORAREA LA ELABORAREA OȚELULUI

La procesul de elaborare în convertizor, ca și la celelalte procedee de elaborare a oțelului, interesează, pe lângă procesul de oxidare a carbonului și oxidarea altor elemente însoțitoare, dintre care fosforul pune unele probleme specifice legate de particularitățile acestui procedeu.

Procesul trebuie finalizat odată cu terminarea topirii sau cu sfârșitul afinării în funcție de gradul de aliere a încărcăturii metalice și de metoda de topire și la nivelul recomandării de a se folosi în încărcătură materiale cu fosfor cât mai scăzut.

Fără a detalia mecanismul cunoscut al oxidării și îndepărtării fosforului, se reține ca bază pentru interpretarea factorilor de semnificație constanta de echilibru a reacției rezultantă a procesului de defosforare cu zgurificarea fosforului în combinații stabile, cu oxid de calciu, conform reacției:

(2.48)

pentru x = 3, Kamenski și Abrasimov indică:

(2.49)

Trebuie reținută în primul rând condiția care trebuie asigurată, pentru legarea anhidridei fosforice ((FeO)3 · P2O5) instabilă la temperaturile din practica elaborării cu (CaO) într-o zgură fluidă, oxidantă și bazică.

Pentru zgurele rezultate la elaborarea oțelului folosind încărcături nealiate este cert, că gradul de defosforare crește cu conținutul de (CaO) și de (FeO) din zgură, fară a neglija fluiditatea zgurei, care este funcție de compoziția chimică a acesteia.

Raportul de defosforare exprimat sub forma ( x din relația 2.48 este luat în considerație la valoarea patru, corespunzătoare fosfatului tetracalcic) este influențat și de temperatură, factor aflat în interdependență cu puterea de oxidare a fosforului, după părerea exprimată în mai toate publicațiile are loc în deosebi la limita de fază zgură-baie metalică, rezultă că temperatura influențează direct viteza proceselor de transfer.

La o valoare dată a bazicității raportul de defosforare crește cu creșterea conținutului de (FeO) până la un maxim care diferă în funcție de valoarea bazicității. Scăderea raportului de defosforare după atingerea maximului este pusă pe seama diluării pronunțate a oxidului de calciu din zgură, iar valorile mici ale raportului de defosforare la bazicități reduse (chiar la condițiile unui conținut ridicat de (FeO)) se explică prin efectul defavorabil al creșterii silicei în aceste condiții care pot conduce la refosforare după reacția generală:

(2.50)

(2.51)

Deși efectul varului este favorabil asupra defosforării, stabilitatea combinațiilor cu oxid de calciu crescând cu creșterea coeficientului x de la unul la patru (fosfatul tetracalcic (CaO)4P2O5 fiind cel mai stabil), este cunoscut că ridicarea bazicității peste o anumită valoare face ca zgura să devină foarte vâscoasă și să scadă simțitor activitatea oxidului feros.

Din acest punct de vedere se consideră că este bine ca, concentrația de (CaO) din zgură să corespundă formării fosfatului tricalcic (CaO)3P2O5 și orientativ pentru zgurele băilor metalice nealiate să se asigure un conținut de (FeO) în jurul valorii de 8% și o bazicitate ceva mai mare de 2,2.

La elaborarea oțelurilor aliate din încărcătură care conține elemente de aliere, procesul de defosforare este mai complex, fiind dominat de factorii care influențează concomitent regimul zgurei, activitatea oxigenului din baia metalică, regimul de oxidare – regenerare a elementelor de aliere. Este suficient să se facă referire la un singur factor, temperatura, pentru a avea o primă imagine asupra complexității procesului. Într-adevăr, temperatura înaltă, specifică tehnologiei cu suflare de oxigen, spre sfârșitul topirii are mai multe efecte, dintre care unele sunt contradictorii:

Limitează oxidarea elementelor de aliere din baia metalică, favorizînd recuperarea lor;

Frânează defosforarea ca factor de efect termodinamic;

Favorizează defosforarea prin influență indirectă în sensul creșterii cantității de var asimilat de zgură, deci bazicitate ridicată în condiții de fluiditate satisfăcătoare;

Frânează defosforarea prin scăderea conținutului de oxid feros din zgură (FeO) ca urmare a amorsării timpurii a reacției de decarburare, care chiar în condițiile unor viteze reduse conduce la consum de oxigen prin transfer de la zgură.

Este cunoscut de specialiștii care lucrează în domeniul elaborării oțelului că se poate continua defosforarea și după topire în perioada de afinare, indiferent de varianta tehnologică, dacă se ține seama de:

Tragerea zgurei de topire și asigurarea condițiilor de spumare și debordare a zgurei în timpul afinării;

Condițiile favorabile create spre sfârșitul afinării când consumul de oxigen în reacțiile de oxidare a celorlalte elemente însoțitoare în baia metalică scade făcând din nou posibilă reacția:

2[P] + 5[O] + 3[O-2] ↔ 2(PO4-3), (2.52)

ca și la sfârșitul topirii când este susținută și de temperatura mai joasă din baia metalică.

Conținutul de carbon influențează direct defosforarea în perioada de afinare la suflarea oxigenului. Fiind un consumator intens de oxigen, carbonul afectează direct disponibilul de oxigen frânând oxidarea fosforului. Conform legii repartiției, scade conținutul de (FeO) din zgură și pentru a asigura zgurificarea fosforului trebuie să se mărească adaosul de var pe zgură astfel încât conținutul de (CaO) să crească cu atât mai mult cu cât conținutul de carbon din baia metalică [C] este mai ridicat.

Din elementele băii metalice, manganul micșorează activitatea oxigenului din baia metalică și formează o fosfură Mn2P mai stabilă decât Fe3P, influențând negativ defosforarea.

Procesul de defosforare se realizează preferențial la suprafața de separare dintre zgură și baia metalică, fiind deci puternic influențat de regimul zgurei, de gradul de amestecare dintre cele două faze în contact și de mărirea suprafețelor de contact.

Asigurarea condițiilor unor defosforări avansate nu exclude, ci din contră, impune cu insistență atenția cu care trebuie să se acționeze în general la sortarea și clasarea încărcăturilor folosite la convertizor pentru a se limita conținuturile de fosfor, dar mai ales la încărcăturile aliate, dacă se urmărește realizarea unei fabricații economice de oțeluri aliate.

DESULFURAREA LA ELABORAREA

OȚELULUI

Sulful este un element dăunător calității oțelului. În oțeluri este limitat la 0,03 – 0,05% (la cele speciale până la 0,005 – 0,01%). Numai în oțelurile pentru prelucrarea pe strunguri automate conținutul de sulf este de 0,1 – 0,3% pentru asigurarea unei prelucrabilități superioare prin așchiere.

Efectul dăunător al sulfului în oțeluri se manifestă în fragilitate la roșu (crăparea oțelului în timpul deformării plastice la cald și susceptibilitatea mai mare a oțelului la supraîncălzire). Aceasta se datorește sulfurii de fier care formează cu fierul un eutectic cu temperatura de topire de 985oC. În cursul solidificării oțelului, acest eutectic sau oxisulfurile se separă la limitele grăunților și, când oțelul este încălzit în vederea deformării plastice prin laminare, forjare sau extrudare, se topește, slăbind coeziunea grăunților cristalini și determinând apariția crăpăturilor. Fragilitatea la roșu apare în intervalul 820 – 1200oC. solubilitatea sulfului în fierul lichid este nelimitată. Solubilitatea în fierul solid depinde de prezența diferitelor elemente dizolvate. Acestea pot fi împărțite în următoarele trei grupe:

Elemente ale căror sulfuri sunt mai puțin stabile decât FeS; acestea nu influențează asupra solubilității sulfului decât prin diluarea soluției (Ni, Co, W);

Elemente care micșorează solubilitatea sulfului în fier și măresc asfel activitatea (C, Cu, Si, Al, etc.);

Elemente care micșorează solubilitatea sulfului și ale căror sulfuri sunt mai stabile decât FeS (Mn, Ba, Ca, Na, Mg) și nu sunt solubile în fier.

În agregatele bazice pentru elaborarea oțelurilor, desulfurarea se face cu participarea activă a zgurei, sub formă de anioni (S2-). Solubilitatea sulfurilor în silicați este mare, ajungând la 20 –30% la 1500oC și la 40 – 50% la 1650oC.

Zgurele au capacitatea de a asimila sulful din faza gazoasă cu anumite valori ale presiunilor parțiale ale oxigenului și sulfului. Ea se deduce pe baza reacției:

(2.53)

Capacitatea zgurei de a asimila sulfuri Cs este dată de relația:

(2.54)

Valoarea concretă a indicelui Cs depinde de compoziția zgurei. Ea crește cu creșterea concentrației oxizilor bazici (CaO, MgO) și scade cu creșterea concentrației de oxizi acizi (SiO2, P2O5).

Indicele Cs nu reflectă capacitatea de desulfurare a zgurelor în condițiile reale de desfășurare a proceselor siderurgce prin interacțiunea între zgură și baia metalică. De aceea, pentru studiul echilibrului reacțiilor de desulfurare este preferabil să se folosească o formă modificată a indicelui Cs, bazată pe echilibrul reacției:

[S] + (O2-) = (S2-) + [O];

; (2.55)

(2.56)

(2.57)

Notând raportul de repartiție a sulfului între zgură și baia metalică cu

Ls =

se obține:

(2.58)

Urmarea interacțiunii între zgură și baia metalică este stabilizarea unui echilibru al distribuției sulfului între aceste două faze. Componenții zgurei, care au rolul cel mai important în acest proces, sunt CaO și MgO, care participă la reacții de desulfurare de tipul:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO);

(2.59)

[FeS] + (MgO) = (MgS) + (FeO);

(2.60)

Adoptând pentru analiza termodinamică reacția (2.59) se va scrie în continuare:

;

(2.61)

Expresia (2.61) permite o analiză termodinamică a procesului de desulfurare cu zgură. În principiu se poate conchide că relația de desulfurare (trecerea sulfului din baia metalică în zgură) este favorizată de următorii factori:

Temperatura nu prea înaltă, deoarece reacția (2.59) este ușor exotermă și KS scade cu temperatura;

Zgura bazică (aCaO mare) și cu conținut redus de FeO (aFeO mică).

Din cele de mai sus se desprinde concluzia că pentru o desulfurare bună este necesară menținerea unui potențial scăzut al oxigenului în zgură și în baia metalică. Acest lucru se realizează prin dezoxidarea zgurei și oțelului cu elemente având afinitate mare față de oxigen (C, Mn, Si, Al, etc.).

La convertizoarele cu oxigen (L.D., O.B.M. etc.) procesul de elaborare este foarte rapid și de aceea pentru a se putea face o desulfurare satisfăcătoare prin care să se elimine 30 – 50% din sulful inițial, trebuie să se asigure formarea unei zgure bazice și fluide în primele 3 – 4 minute de sulfurare a oxigenului (timpul total de suflare este de 15 – 18 min.). Acest lucru este posibil numai dacă zgura conține suficient FeO, care are un rol hotărâtor în dizolvarea rapidă a varului și în formarea zgurei. La elaborarea oțelului inoxidabil de tip A.O.D. s-a constatat că, creșterea conținutului de FeO în zgură de la 4 – 8% până la 8 – 12% a determinat scăderea conținuutului de sulf în oțel de la 0,15 – 0,02% până la 0,006 – 0,012%. Întrucât, carbonul mărește activitatea sulfului și favorizează astfel desulfurarea, zgura bazică și omogenă trebuie formată la începutul suflării, când încă conținutul de carbon în oțel este mare.

În cuptoarele de elaborare a oțelului, distribuția sulfului este afectată și de reacția:

[FeS] +[Mn] = (MnS) +[Fe]

(2.62)

La elaborarea oțelului ≈ 0,025 ceea ce corespunde unei valori foarte mici a raportului Ls =; de aceea reacția (1.3.57.) are un aport neînsemnat în desulfurarea oțelului.

Din punct de vedere a teoriei ionice, desulfurarea topiturilor feroase prin interacțiunea cu zgura este un proces electrochimic. La trecerea sulfului din baia metalică în zgură are loc procesul catodic:

[S] + 2e = (S2-) (2.63)

care conduce la încărcarea suprafeței băii metalice cu sarcini pozitive, iar a suprafeței zgurei, în contact cu ea – cu sarcini negative. Dublul strat electric de la interfața metal – zgură ar impiedica trecerea sulfului în zgură prin procesul (2.63) dacă nu ar avea loc în paralel procese anodice ca:

(O2-) – 2e = [O] (2.64)

[C] + (O2-) = {CO} + 2e (2.65)

[Si] + 4e = (S) (2.66)

care anulează potențialul electric creat de procesul (2.63) la interfața zgură-baie metaică. Combinând (2.63) cu (2.64) rezultă schema ionică a reacției de desulfurare:

[S] + (O2-) = (S2-) + [O] (2.67)

S-a constatat experimental că în baia metalică a cuptoarelor de elaborare a oțelului este respectată relația:

[C] · [S] = 0,011 (2.68)

Ținând cont că produsul [C] · [O] = 0,0025 reultă că la echilibru: [S] = 4,4 [O]

Constanta de echilibru a reacției (2.67)este:

;

(2.69)

Din relația (2.69) rezultă că o desulfurare bună se poate realiza numai în condițiile folosirii unei zguri în care activitatea anionilor de oxigen este mare (zgura bazică) și conținutul de FeO este mic, deoarece aO = f[FeO] și în virtutea raportului de repartiție a oxigenului între zgură și baia metalică:

(2.70)

În zgurele acide, activitatea anionilor de oxigen este foarte redusă, datorită unor procese ca:

(SiO2) + 2(O2-) = (SiO44-)

De aceea desulfurarea cu zguri oxidante acide nu este posibilă.

Desulfurarea oțelului prin injectare de pulberi conținând CaO, BaO, Ca, Mg, Lantanide are mare eficiență, dar numai dacă oțelul este în prealabil bine dezoxidat, pentru a i se coborî potențialul de oxigen.

Pe lângă faptul că au afinitate mare față de sulf, calciu și magneziu mai au proprietatea de a fi foarte puțin solubile în oțel (0,02 – 0,03%) și de a avea temperatură joasă de fierbere, ceea ce face ca ele să fie în stare de vapori la temperatura de 1600oC la care se află oțelul în momentul injectării lor. Calculele arată că prin injectarea de calciu sau magneziu se pot atinge concentrații foarte mici de sulf în oțel (0,004%) cu condiția ca potențialul de oxigen al metalului lichid să fie foarte mic (sub 0,002%O).

Pe bază faptului că în zgură sulful se află sub formă de anion (S2-) s-a experimentat desulfurarea prin electroliză, cu dirijarea ionilor (S2-) spre anod. Catodul se introduce în topitura metalică, iar anodul în zgură sau ambii electrozi se introduc în zgură.

S-a constatat că eficiența desulfurării pe cale electrolitică depinde de conținutul de oxigen al topiturii metalice: cu cât el este mai scăzut cu atât desulfurarea este mai avansată, ajungându-se la un grad de desulfurare de 70%. Numai circa 5% din sulful eliminat din metal se depune la anod, restul acumulându-se în jurul catodului, fapt explicat prin deplasarea mai rapidă a cationilor Ca2+ spre catod, unde are loc procesul:

(Ca2+) + (S2-) = (CaS)

la anod are loc procesul:

(S2-) +2(O2-) = {SO2} + 6e

Când anodul este de grafit mai are loc și reacția:

(O2-) + C = {CO} + 2e

prin care se micșorează potențialul de oxigen al metalului, ceea ce facilitează desulfurarea.

Din numeroase date experimentale rezultă că în vid desulfurarea este mai accentuată, fapt explicabil, pentru că reacțiile de desulfurare, având loc cu creștere de volum, sunt favorizate de scăderea presiunii în sistem.

În cazul oțelului produsul [C] · [O] = scade cu scăderea presiunii, potențialul de oxigen în oțel scade și în consecință desulfurarea se îmbunătățește în virtutea relației [S] = 4,4 [O].

2.4. DEZOXIDAREA OȚELULUI

Pe masură ce în oțel conținutul de carbon se micșorează, conținutul de oxigen crește. În felul acesta, la sfârșitul perioadei de afinare în oțel se află o cantitate relativ mare de oxigen dizolvat (0,02 – 0,06%). Deosebit de puternic crește conținutul de oxigen când conținutul de carbon scade sub 0,02%.

Conținuturi atât de mari de oxigen nu sunt admise în oțeluri deoarece oxigenul dăunează calității acestora prin următoarele:

Provoacă fragilitatea la cald a oțelului, care se manifestă în suscebilitate mărită la supraîncalzire și apariția de crăpături în timpul deformării plastice la cald, ca urmare a depunerilor de oxizi și oxisulfuri la limitele grăunților structurali;

Determină formarea suflurilor (golurilor) în timpul solidificării lingourilor ca urmare a segregării oxigenului spre centrul lingoului, determinată de scăderea solubilității lui cu scăderea temperaturii se reactivează reacția [C] + [O] = {CO}, iar bulele de CO care nu reușesc să se degajeze formează defectul numit sufluri.

Din motivele de mai sus, conținutul de oxigen dizolvat în oțelul de tip calmat (complet dezoxidat) nu trebuie să depășească limitele de 0,004 – 0,008%. În cazul oțelurilor semicalmate și necalmate (incomplet dezoxidate), în care suflurile nu sunt considerate ca defecte se admite un conținut mai mare de oxigen dizolvat (150 – 300ppm). La oțelurile necalmate și semicalmate, suflurile nu sunt considerate ca defecte pentru că aceste oțeluri, având conținut scăzut de carbon (până la 0,02%), au sudabilitate mare la cald și în timpul deformării plastice la cald suflurile se închid prin sudarea pereților lor.

Dezoxidarea este operația tehnologică prin care se reduce conținutul de oxigen dizolvat în oțel până la limita admisibilă în fiecare tip de oțel (calmat, necalmat sau semicalmat).

Pentru că dezoxidarea să se desfășoare în condiții bune, la sfârșitul fierberii, baia metalică trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

Conținutul de carbon să fie cu 0,03 – 0,06% sub limita inferioară prescrisă mărcii de oțel ce se elaborează;

Conținutul de fosfor de maxim 0,015%;

Conținutul de sulf de maxim 0,035%;

Conținutul de mangan regenerat minim 0,020%;

Temperatura băii metalice 1590 – 1600oC.

La oțelurile aliate, fiecare baie lichidă constituie un sistem pluricomponent aparte, care impune schema de dezoxidare în funcție de natura și cantitatea elementelor de aliere. Oțelurile aliate și mai ales cele mediu și înalt aliate sunt caracterizate de un grad de calmare a oțelului ridicat (ηc), superior celui indicat de relația de bilanț a dezoxidanților:

(2.71)

unde:

x,y,z, – sunt capacitățile de dezoxidant, [Kg/tonă];

– cifre caracteristice care caracterizează capacitatea de dezoxidare cu dezoxidanți obișnuiți calculate cu relația ponderală

C = % Mn + 3% Si +11% Ca + 18% Al. (2.72)

Depășirea valorii ηc se datorește elementelor de aliere oxidabile, cum sunt: Cr, V, Ti, B, W , ca să numim pe cele mai des utilizate în compoziția chimică a oțelurilor aliate. În același sens trebuie reconstituit și gradul de dezoxidare.

(2.73)

unde:

[O]O – este conținutul de oxigen din baia metalică la oprirea afinării;

[O]tr – este conținutul de oxigen la turnare.

Trebuie avută în vedere și influența elementelor de aliere asupra conținutului de oxigen din baia metalică [O] și a funcțiilor termodinamice, activitatea a[O] și coeficientul de activitate f[O] (y[O]) ponderat de amintiții parametrii de interacțiune cu o relație după F.D. Richardson de tipul:

(2.74)

unde prin x se înțelege orice element diozolvat în baia de oțel, cu specificația că valorile parametrilor de interacțiune de tipul eix sunt variabile cu temperatura, ceea ce face necesară introducerea unor corecții în cazul când temperatura diferă mult față de 1600oC.

Dacă reglarea cât mai precisă și cât mai apropiată de valoarea dorită a conținutului de oxigen din baia metalică inaintea dezoxidării, de fapt oxigenul de la oprirea afinării [O]o, rămâne o problemă particulară a fiecărui oțel aliat determinată de conducerea tehnologică a afinării, reducerea cât mai avansată a conținutului de oxigen (de fapt reglarea diferenței [O]o – [O]tr) cu elementele dezoxidante ai căror oxizi să fie mai stabili decât ai fierului și să se elimine avansat din baia de oțel sau prin acțiunea dezoxidantă a zgurei reducătoare, fară a pierde din particularitatea impusă de oțelul elaborat se supune unor legități generale.

Una dintre legități este cea legată de capacitatea de dezoxidare a dezoxidantului folosit, considerat cu atât mai puternic cu cât cifra caracteristică este mai mare, cu cât efectul tehnologic se traduce într-un conținut mai mic de [O] cu care este în echilibru la o anumită temperatură, respectiv pe plan termodinamic cu cât micșorează mai mult coeficientul f[O] și se realizează o diferență de entalpie liberă standard:

ΔG =

Ordinea crescătoare a capacității de dezoxidare este Cr, Mn, V, Si, Ti, Al, Zr, Mg, Ca.

2.4.1. Noțiuni tehnologice ale dezoxidării prin precipitare

Dezoxidarea prin precipitare se încadrează în așa numita schemă de dezoxidare prin mai mulți factori care sunt interdependenți și care se subordonează pe plan teoretic legilor termodinamicii și cineticii desfașurării procesului. Principal la folosirea unui dezoxidant la dezoxidare relația de bază este:

n[O] + m[Me] = (MemOn);

cu constanta de echilibru

(2.75)

și n[FeO] + m[Me] = (MemOn)+ n[Fe] cu o constantă de echilibru care ia aceeași formă ca relația 2.75 deoarece activitatea fierului poate fi considerată egală cu unitatea.

În condițiile practice de la elaborarea oțelului, oxizii elementelor dezoxidante posedă, în afara disponibilității de interacțiune reciprocă o anumită capacitate de a dizolva oxid feros formându-se combinații de oxizi de tipul MemOn · FeO sau soluții FeO-MemOn. Acest lucru are ca efect îndepărtarea unei părți mai mari de oxigen din topitură decât ar corespunde stării de echilibru conform reacției de dezoxidare cu formare de oxid liber.

Dezoxidarea cu mai mulți dezoxidanți duce la formarea de soluții cu compoziții variabile, legități dificil de exprimat cantitativ și pentru faptul că fazele de oxizi care nu au atins încă concentrația de echilibru raportată la sistemul în ansamblu, se separă parțial, în baza legii transferului de masă, din baia de oțel determinând echilibre parțiale în baie și între baie și zgură, echilibre în continuă modificare în timpul procesului până la atingerea stării finale.

Viteza de îndepărtare din baia metalică a produselor de dezoxidare se reprezintă prin relația lui Stockes și se poate considera că particulele mari de aceeași greutate specifică se îndepărtează mai ușor decât cele mici conform relației simplificate:

(2.76)

unde:

k – coeficient care ține seama de forma geometrică a particulei;

dp – dimensiunea reprezentativă a particulei considerată sferică cu raza rp > 0,001 cm, [m];

ηot – vâscozitatea oțelului, [Kg/m·s];

yot și yp – greutatea specifică a băii de oțel și a particulei de produs de dezoxidare, [Kg/m3].

Numeroasele reconfirmări din acest domeniu de cercetare au condus la completarea bazei teoretice folosite, din care s-a reținut pentru practica elaborării utilitatea micșorării distanțelor parcurse de produșii rezultați, creșterii de temperatură (cu care scade vâscozitatea) și favorizării condițiilor de creștere a particulelor. O serie de noi factori de semnificație ca: starea de agitare a oțelului (rolul curenților ascensionali), proprietățile fizice și superficiale ale oțelului și produselor de dezoxidare, proprietățile suprafețelor fazelor de contact, interacțiunile (adeziunea) dintre oțel și produșii oxidici, vin în considerare cu pondere diferită.

Pe baza modelului vectorial al tensiunilor superficiale s-a stabilit rolul hotărâtor pentru decantare pe care îl are tensiunea interfazică dintre oțel și particula produsului de dezoxidare (σ23`) în definirea legității care demonstrează că, din punct de vedere termodinamic, pentru ca o particulă oxidică să se elimine din baia de oțel și să treacă în zgură trebuie să aibă loc o micșorare a energiei libere ΔG, după relația:

ΔG = σ3` – σ2 – σ23` = σ2(cosθ – 1) (2.77)

în care:

σ3` – este tensiunea superficială a fazei formată de particulele de produși oxidici de dezoxidare, [erg/cm2];

σ2 – este tensiunea superficială a fazei metalice, [erg/cm2];

σ23` – este tensiunea interfazică la contactul fază metalică-fază nemetalică creată de particulele nemetalice de produși oxidici, care depinde de temperatura și compozitia chimică a fazelor și se determină cu relația: σ23` = σ3` – σ2 cosθ, unde θ este unghiul de racordare (de udare sau umectare).

Rezultă că eliminarea unui proces este cu atât mai ușoară cu cât σ2 este mai mare (σ3` având aproximativ aceeași valoare pentru un produs oxidic dat în același oțel și fiind mai mică decât σ2). Dacă σ23` este mare respectiv unghiul θ de umectare este mai mare de 90o aglomerările cresc odată cu creșterea unghiului θ, produșii nemetalici de dezoxidare nu sunt umectați de oțel și se elimină cu atât mai ușor cu cât baia de oțel este mai agitată mecanic, electroconductiv și dacă se lucrează la temperaturi ridicate pentru a scădea vâscozitatea oțelului și a particulelor de oxizi și prin aceasta forțele de frecare.

În mod obligatoriu trebuie să se aibă în vedere ca la evacuarea oțelului și în procesul de turnare are loc reoxidarea oțelului – oxidarea secundară, proces care determină impurificarea oțelului cu produse ale acestei oxidări secundare de unde rezultă importanța pentru oțelurile calmate, a scăderii conținutului de oxigen la evacuare cât mai mult pentru a se limita efectele nocive ale oxidării secundare.

2.4.2. Principiile dezoxidării prin difuzie

Regimul zgurii la anumite procedee de elaborare poate fi forțat de o manieră care să asigure efect de dezoxidare a zgurei asupra oțelului exprimate prin: a(MeO) < a[MeO] sau a(FeO) < a[FeO].

Cazul tipic este procedeul de elaborare al oțelului în cuptor electric cu arc când utilizând zguri reducătoare dezoxidante, posibil de realizat datorită atmosferei reducătoare pe care o avem numai la acest procedeu în perioada de dezoxidare – aliere, formând zgura albă și zgura carbidică, se poate asigura un anumit nivel de dezoxidare al oțelului numai datorită zgurei.

În cazul folosirii reducătorilor pe bază de carbon (cocs petrol + var, grafit + var, CaC2) produsul rezultat în urma reacțiilor metalurgice fiind CO acesta părăsește avansat faza zgură și în general sisitemul „fază lichidă” zgură – baie metalică, reacțiile fiind în afara echilibrului.

În concluzie, carbonul este un reducător foarte eficient pe zgură, dar zgurele prelucrate cu adaosuri pe bază de carbon carburează baia metalică (mai mult în cazul zgurei carbidice decât la zgura albă, prima având CaC2 peste 1,0%), ceea ce face ca să nu se poată utiliza această tehnologie la oțelurile cu conținut scăzut și foarte scăzut de carbon.

Trebuie acordată atenție deosebită caracteristicilor superficiale ale zgurelor plecând de la expresia lucrului mecanic de adeziune La = σfg-zg + σfg-bm + σzg-bm care arată că La al unei particule rezultate din procesul de dezoxidare din care provine, printr-un proces de oxidare endogen – produs de oxidare endogen, separarea depinde de valoarea parametrului σzg-bm care este un produs de dezoxidare. Cu aceeași relație se poate interpreta adăugând și tensiunea superficială, ca o caracteristică de bază a procesului de transfer de masă, disponibilitatea zgurei de a se separa de baia metalică la evacuarea oțelului și a zgurei din agregatul de elaborare. Zgura carbidică este mai puternic dezoxidantă decât zgura albă (CaC2 mai mare) dar este mai vâscoasă datorită caracteristicilor interfazice și superficiale se separă mai greu de oțel.

Regula practică: nu se evacuează niciodată oțelul din cuptorul electric cu arc sub zgură carbidică; cu această zgură se lucrează 10 – 15 min. La începutul dezoxidării prin difuzie după care se trece la zgura albă prin ridicarea ușii care permite accesul aerului în cuptor.

Zgura reducătoare (dezoxidantă) acționează pe principiul extracției („efect de pompă”) FeO din baia metalică pentru ca la o anumită temperatură raportul de repartiție trebuie să ramână constant, ceea ce conduce pentru refacerea echilibrului la o trecere permanentă a FeO din baia metalică în zgură.

2.4.3. Dezoxidarea cu carbon

Dezoxidarea cu carbon sau decarburarea are o importanță deosebită în cadrul metalurgiei în vid. Dacă se acționează în direcția scăderii parțiale a produsului de dezoxidare a reacției [C] + [O] ↔ {CO} atunci, constanta de echilibru:

(2.77)

este, ca și produsul [%C] [%O], puternic influențată de scăderea presiunii parțiale a {CO} cu care aceste două caracteristici devin foarte mici.

Se pot obține conținuturi foarte mici de oxigen chiar și la conținuturi scăzute de carbon în șarjă conform relației:

(2.78)

unde:

[C]o – reprezintă așa numitul carbon rămas în exces în oțel când pCO = 0

CAP. 3. PROCEDEE DE ELABORARE A OȚELURILOR PENTRU CONSTRUCȚII

Prin oțeluri speciale se pot avea în considerare materialele metalice care se caracterizează prin:

Grad înalt de aliere;

Conținut redus de sulf și fosfor;

Limite restrictive pentru conținutul de carbon (oțeluri inoxidabile cu C < 0,3%);

Limite strânse (domenii de valori) pentru conținutul unor elemente așa – zise de aliere (Mn în oțeluri aliate cu W);

Oțeluri cu restricții severe de puritate în gaze sau/și conținut de incluziuni nemetalice; oțeluri cu caracteristici fizico-mecanice superioare.

În procesul de elaborare, în succesiunea fazelor se pot identifica procese metalurgice care conduc nemijlocit la realizarea unor oțeluri cu caracteristici fizico-mecanice superioare.

Procesele metalurgice trebuiesc analizate individual sau/și în corelație cu alte procese pe care fie că le condiționează, fie că interacționează reciproc.

Procesele metalurgice de la elaborare analizate individual sau în ansamblu cu procesele metalurgice diferite impune realizarea unei optimizări de proces cu model matematic parțial (zonal) ca de exemplu:

model matematic pentru:

Calculul încărcăturii;

Procesul de decarburare;

Procesul de dezoxidare;

sau model matematic global pentru conducerea „asociată” a mai multor procese metalurgice reprezentative de la elaborarea oțelurilor.

3.1. PARTICULARITĂȚILE ELABORĂRII OȚELULUI DE CONSTRUCȚII

La elaborarea acestor oțeluri, datorită diversității lor foarte mari tratarea în mod unitar a elaborării trebuie raportată la evidențierea principiilor de bază și interdependența proceselor analizate în succesiunea fazelor de elaborare.

Principalele direcții de influențare a elaborării sunt:

Extinderea afinării cu oxigen (la toată gama de oțeluri); în funcție de natura încărcăturii (aliată – nealiată) și de categoria de oțeluri, consumul de oxigen variază în limitele 6-30 Nm3/t.

Pregătirea încărcăturii metalice (stare fizică, componența), cu luarea în considerare și a posibilității de preîncălzire, într-una din variantele de exploatare cunoscute.

Utilizarea unor refractare de calitate superioară care să permită a se lucra cu regimuri termice intensive (impuse de recuperarea avansată a elementelor de aliere din încărcăturile metalice aliate).

Creșterea pronunțată a capacității cuptoarelor electrice în strânsă legătura cu corelarea costurilor de exploatare, cu amortizarea instalației.

Adaptarea tehnologiei de lucru la regim termic intensiv U.H.P., cu luarea în considerare a utilizării unor electrozi de calitate superioară.

Perfecționări de tehnologie (utilizarea zgurelor spumante; a tehnologiei cu reținerea de la șarja anterioară a unei cantități de oțel lichid; defosforare adaptată la regimul termic).

Utilizarea tehnologiilor care au în vedere una din variantele metalurgiei secundare (cuptorul electric având în acest caz rolul de agregat de topire și în care au loc unele operații tehnologice preliminare), pentru tratarea topiturii metalice în afara agregatului.

Pentru a realiza corelația factorilor tehnico-economici funcție de performanță trebuie avut în vedere:

Productivitatea;

Consumurile specifice de electrozi și de refractare;

Consumurile de feroaliaje legate de arderea feroaliajului la topire și arderea la afinare;

Scoaterea de oțel lichid la „gura agregatului”- la evacuare atenție deosebită se acordă conducerii topirii, cu influență hotarâtoare asupra majorității parametrilor tehnico-economici pe care îi influențează cu pondere diferită.

Prin conceptul de conducere a topirii trebuie să întelegem:

Pregătirea și compunerea încărcăturii;

Conducerea (optimizarea) regimului electric prin care se acționează asupra regimului termic- alegerea puterii transformatorului, utilizarea unui cosφ amelioarat, alegerea nivelului și a succesiunii treptelor de tensiune, reducerea indicelui de uzură (RE) a căptușelii refractare puternic solicitată în această perioadă.

Compunerea încărcăturii se bazează pe ecuații de bilanț de elemente care stau la baza ecuațiilor de bilanț de materiale. Aceste ecuații trebuie puse în interdependență cu ecuațiile de bilanț termic și cuprind elemente de calcul care intervin în ansamblul procesului de elaborere.

Bilanțul de elemente se compune din bilanțul de oxigen, bilanțul de carbon si bilanțul „Me” care prezintă restricții tehnologice limitative datorită influenței negative pe care o pot avea aceste elemente asupra calității oțelului sau reprezintă element de aliere urmărindu-se recuperarea lui avansată din încărcătura metalică.

Bilanțul oxigenului se bazează pe schema clasică de evaluare a sumei de oxigen disponibil până la sfârșitul topirii și a oxigenului necesar până la terminarea perioadei de topire din care rezultă oxigenul adăugat până la terminarea topiturii.

∑Odt= Org+ Oatm+ Oad.t,

evaluarea primilor doi termeni este direct legată de natura fizică și chimică a încărcăturii metalice.

Org depinde de starea de oxidare a fierului vechi.

CAP. 4. PREZENTAREA MĂRCII DE OȚEL X52

La UOR – Oțelăria LD1, în convertizorul LD cu o capacitate de 180 de tone se elaborează diverse mărci de oțel. Printre acestea se numără și marca de oțel X52.

Oțelul X52 conform API 5L/2000 se identifică cu OL 52.3 conform standardului românesc. În cazul S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați această marcă de oțel este elaborată conform cerințelor clienților.

Compoziția chimică precum și caracteristicile mecanice ale oțelului OL 52 conform STAS 500 – 68 sunt prezentate în tabelul 4.1 și respectiv 4.2

Tabelul 4.1

Tabelul 4.2

*) valorile Rc și KCU sunt funcție de grosimea produsului

Oțelul luat în studiu, X52, face parte din clasa oțelurilor pentru construcții fiind utilizat la sudarea țevilor.

Compoziția chimică a mărcii de oțel X52 conform API 5L/2000 este prezentată în tabelul 4.3.

Observații:

Conținutul de siliciu să fie de 0,20 – 0,40%.

Se admit conținuturile: 0,020 – 0,060% Al, 0,03 – 0,05% V, 0,03 – 0,05% Nb, 0,01 – 0,02% Ti.

Conform instrucțiunilor tehnologice specifice elaborării oțelului X52 analiza acestuia a fost făcută pe un eșantion de 20 de șarje.

Cele 20 de șarje de oțel din marca X52 urmărit au fost elaborate în convertizorul LD din cadrul UOR – Oțelăria LD1 la S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați. Acestea sunt prezentate în tabelul 4.4.

CAP. 5.ANALIZA PROCESULUI DE ELABORARE A OȚELURILOR DE CONSTRUCȚII LA S.C. ISPAT-SIDEX GALAȚI

În cadrul combinatului siderurgic S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați printre elaborarea oțelurilor pentru construcții se numară și marca de otel X 52 elaborată în cadrul UOR Oțelaria LD1.

5.1. COMBINATUL SIDERURGIC S.C. ISPAT-SIDEX S.A. GALAȚI. PRIVIRE DE ANSAMBLU

SIDEX S.A. Galați este cel mai mare combinat siderurgic cu flux integrat din România. El realizează 75% din producția de oțel a României și, în același timp, asigură 95% din necesarul de produse plate de pe piața internă. Peste 40% din producția realizată de SIDEX S.A. este exportată pe plan mondial.

SIDEX S.A. ocupă o suprafață de peste 1600 ha, din care 80% este ocupată de clădiri industriale. Combinatul siderurgic este situat în apropierea orașului Galați, pe malul stâng al fluviului Dunărea, la 80 de mile de Marea Neagră. Datorită poziției sale geografice, orașul Galați este un important centru industrial și comercial, un loc unde se intersectează multe drumuri comerciale care fac legătura între CSI și Europa de Vest, ajungând până în Balcani. În anul 1994 a fost creată zona economică liberă a orașului Galați.

Prin portul Galați trec convoaie de barje care asigură legătura între Marea Neagră și țările riverane: Germania, Austria, Slovacia, Ungaria, Serbia și Ucraina. Până la Galați Dunărea permite accesul navelor maritime de până la 30 000 tdw. De la Galați la Constanța (cel mai mare port românesc) se poate ajunge fie pe Dunăre (350 km), fie pe Canalul Dunăre – Marea Neagră (250 km).

Constanța asigură legătura cu Marea Mediterană prin golful Bosfor (360 km) cu Oceanul Atlantic (3660 km până la Gibraltar) și cu Marea Roșie prin Canalul Suez (1900 km până la port Said).

Construirea combinatului a început în anul 1961 având la bază proiectele realizate de IPROMET București și de către IPROLAM București.

Peste 50% din utilaje în întreaga construcție au fost realizate de către întreprinderi românești. O parte din utilaje specifice au fost realizate de companii străine specializate cum ar fi: Davy, Jeumont – Scheneider, Heurtey, Stein and Rombaix, Demag, AEG, Skoda, Schloemann Siemag.

Complexul este un combinat cu flux integrat având în cadrul său sectoare metalurgice și uzine auxiliare pentru desfășurarea activităților de producție și servicii necesare în vederea asigurării continuității și autonomiei fluxului tehnologic, fiind proiectat pentru realizarea unei producții de maxim 10 mil t/an de oțel concretizat în aproximativ 30 000 de mărci.

Începând cu anul 1992, SIDEX S.A. are propria agenție de comerț exterior – SIDEX Trading ce comercializează o gamă largă de produse metalurgice și reprezintă interesele unui mare număr de producători români de marcă în domeniu.

Legătura dintre metalurgia românească și clienții săi din întreaga lume are la bază politica – de promovare a produselor de înaltă calitate pe piață. În octombrie 1995, SIDEX S.A. a devenit membru asociat al Eurofer, cea mai importantă organizație europeană din domeniul metalurgic.

Începând din 1992 SIDEX S.A. și-a structurat programul de fabricație astfel că din exportul realizat să cumpere materii prime din import pentru asigurarea necesarului de produse siderurgice pentru industria autohtonă.

Dacă SIDEX S.A. și-ar întrerupe activitatea, industria din România ar avea de suferit următorul impact:

asigurare fonduri valutare pentru importul a 2 mil tone produse siderurgice , adică cca. 600 mil USD la prețurile actuale din țară;

diferența de preț dintre prețul mediu de livrare din țară cca. 330 USD/ tonă și prețul pieței externe plus transportul și restul taxelor care conduc la un preț mediu de 420 USD/tonă. Deci o imfluență nefavorabilă de 90 USD/tonă;

pentru asigurarea importului finanțarea în dolari se face în avans cu 45 – 60 de zile.

S.C. SIDEX a fost privatizată în noiembrie 2001 funcționând în continuare sub denumirea de S.C. ISPAT – SIDEX S.A. Galați.

Privatizarea S.C. SIDEX S.A.

1. Situația la data privatizării.

La momentul privatizării SIDEX producea 3,2 milioane tone de oțel, dintr-o capacitate de producție de 10 milioane tone de oțel pe an.

Pierderea înregistrată de SIDEX în anul 2000 se ridică la 7,774 miliarde de lei, iar până în ianuarie 2001 se înregistrează un deficit de 3,658 miliarde lei, ceea ce reprezintă o pierdere de 1 miliard USD pe zi.

S.C. SIDEX S.A. era unul dintre cei mai mari generatori de arierate din economie, datoriile totale la 30 iunie 2001 erau de 35 000 miliarde lei, adică peste 1 miliard USD, aproape în totalitate restante.

2. Momentul privatizării

Rămânerea SIDEX S.A. Galați în proprietatea statului și continuarea activității în aceste condiții nu putea fi o obțiune. Societatea era, practic, insolvabilă. Lipsa de lichiditate și deficiență cronică de capital de lucru determină mărirea arieratelor la valori imposibil de recuperat. Riscul eliminării combinatului de pe piața mondială de profil era evident.

3. Descrierea tranzacției

La depunerea ofertelor din 4.04.2001 s-a prezentat doar LNM HOLDINGS.

Negocierile s-au purtat la sediul APAPS de o comisie de privatizare numită de Guvern prin OUG 34/2001.

Contractul de vânzare – cumpărare a fost semnat între APAPS și firma LNM HOLDINGS N.V. în data de 28.07.2001. Valoarea totală a tranzacției se cifrează la jumătate de miliard USD, din care capital de lucru 100 milioane USD și investiții tehnologice și de mediu pe o perioadă de 10 ani: 351 mil USD. Până în acest moment s-au încasat pe acțiunile vândute 35 mil USD, urmând ca LNM HOLDINGS să efectueze plăți în continuare.

4. Situația la momentul actual

Plata către bugetul consolidat al statului și cel alocat a 43,6 mil USD, reprezentând:

bugetul consolidat al statului 27,4 mil USD;

bugetul local 16,2 mil USD (6 mil USD aferente anului 2002, precum și 10,2 mil USD datorii înregistrate înainte de privatizare).

Plata către furnizorii de utilități și alți furnizori SIDEX a 266 mil USD, reprezentând:

energia electrică 79 mil USD;

gaze naturale 36 mil USD;

transporturi pe calea ferată 36 mil USD;

alți furnizori 115 mil USD.

Investiții în valoare de 35,1 mil USD:

tehnologice 25,5 mil USD;

de mediu 9,6 mil USD.

Implicarea în diferite activități sociale locale:

construcția unei noi biserici;

sponsorizări ale unor școli și sate în dificultate.

Pe parcursul anului 2002, comparativ cu anul privatizării 2001, s-a înregistrat utilizarea la maxim a capacităților de producție, astfel că S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați a ajuns la producția înregistrată înainte de 1989.

5. Aspectul social

Stabilizarea numărului de salariați și asigurarea unor opțiuni pentru cei care au plecat din societate prin disponibilizări voluntare ca urmare a facilităților create prin măsurile cuprinse în ordonanțele guvernamentale.

Plata la timp a salariaților angajaților, precum și plata contribuțiilor de asigurări sociale de stat, de șomaj și de sănătate aferente angajaților, considerate stopaj la sursă, și care nu erau plătite în momentul privatizării.

Îmbunătățirea condițiilor de muncă și viață a salariaților din cadrul societății prin:

asigurarea bonurilor valorice către angajați;

construirea a 150 locuințe;

construirea unui fond pentru sănătatea angajaților;

asigurarea angajaților împotriva accidentelor de muncă.

Având în vedere mărimea și importanța societății comerciale, SIDEX a fost privit ca un generator major de viață economică secundară, iar deciziile care s-au luat au avut în vedere impactul macroecoomic și social totodată. SIDEX influențează direct sau indirect existența a circa 150 000 de oameni, din care 60% din Galați și imprejurimi.

Principalele beneficii ale privatizării descrise sunt:

Rezolvarea problemei prețurilor de dumping existente între SIDEX și Uniunea Europeană.

Integrarea combinatului în grupul internațional al LNM HOLDINGS ceea ce a condus la crearea unei piețe stabile interne și internaționale.

Plata la timp a taxelor locale, a celor către bugetul de stat, a asigurărilor sociale de stat, de sănătate și a furnizorilor de utilități, servicii, precum și a clienților (toate datoriile restante către clienți sunt reeșalonate, pe perioade cuprinse între 1 lună și 24 de luni).

Din punct de vedere operațional, creșterea vânzărilor și îmbunătățirea calității și productivității și transformarea SIDEX-ului într-un combinat eficient în comparație cu celelalte combinate și investiții în echipamente și în modernizări pentru producerea în special a produselor cu valoare adăugată mare.

Creșterea producției medii lunare de fontă și de oțel lichid cu 23%.

Dublarea producției medii lunare de bandă laminată și de tablă zincată.

Creșterea cu 45% a vânzărilor pe piața internă și externă, precum și restabilirea poziției pe aceste piețe.

Comerțul prin compensări s-a redus la zero plata realizându-se în numerar, inregistrându-se tranzacții de 85 mil USD lunar.

5.2 OȚELĂRIA LD1 DIN CADRUL COMBINATULUI SIDERURGIC S.C. ISPAT-SIDEX S.A. GALAȚI

În figura 1.7. (a,b) este prezentată secția de elaborare a oțelăriei LD1 Combinatului Siderurgic de la Galați (România).

Oțelăria de la Galați este dotată cu utilaje perfecționate printre care nu lipsesc nici mașini electronice de calcul pentru conducerea procesului.

Concepția de proiectare și construcția oțelăriei de la Galați constituie o sinteză a experienței în acest domeniu din lumea întreagă.

Oțelăria este dotată cu trei convertizoare de 180 t fiecare, aflate în continuă funcționare.

Pregătirea fierului vechi (spargerea, tăierea, presarea, sortrea și depozitarea) se face într-o bază de fier vechi, dotată cu utilaj modern. Din baza de fier vechi, încărcătura gata sortată se transportă pe calea ferată până în hala de încărcături metalice în secția de elaborare. Aici fierul vechi este descărcat în vagoanele uzinale și încărcat în bene de 10,0 m3, care la rândul lor sunt așezate pe mașinile de șarjare. Mașinile de șarjare, autopropulsate, transportă benele cu fierul vechi din hala de încărcături metalice în secția de elaborare. Cu două bene în timp de 3 minute se încarcă în convertizor fierul vechi necesar unei șarje. Hala melanjoarelor este amplasată în incinta secției de elaborare, în extremitatea opusă celui pentru încărcarea fierului vechi. Transportul fontei lichide de la cele două melanjoare de 1500 t capacitate la convertizoare se face în oale de fontă de 140 t, cu ajutorul podurilor rulante de 200/80 t capacitate. Convertizoarele au o capacitate nominală de 130 t, cu un volum specific nominal de 1 m3/t încărcătură.

Recuperarea căldurii gazelor se efectuează prin sistemul cu ardere completă cu ajutorul unui semicazan.

Desprăfuirea gazelor este umedă în sistemul multi-Venturi.

Alimentarea cu materiale de adaos se face cu ajutorul unui sistem complex de benzi, jghiaburi vibratoare și buncăre-cântar care primesc materialele dintr-o hală de adaosuri amplasată în afara incintei secției de elaborare. Alimentarea cu feroaliaje se face în aceiași hală de adaosuri însă cu mijloace rutiere. Aici se face concasarea și depozitarea feroaliajelor. La oțelarie există un depozit de feroaliaje unde acestea sunt calcinate și cântărite, apoi transportate cu mașina de feroaliaje (un autostivuitor cu posibilități de rotire și ridicare) până la jghiabul pentru introducerea feroaliajelor în oala de turnare. Cabinele de comandă de la convertizoare, depozitul de feroaliaje, depozitul materialelor de adaos, precum și restul cabinelor de comandă, sunt dotate cu o aparatură complexă și modernă, inclusiv televiziune industrială, care asigură funcționarea ireproșabilă a instalațiilor și utilajelor din oțelarie.

Turnarea oțelului se face în două hale de turnare paralele, dotate cu poduri rulante de 225/80/16 t capacitate. Într-o extremitate din prima hală se efectuează turnarea oțelurilor, iar în cealaltă extremitate este organizată gospodărirea oalelor de turnare (refacerea și uscarea oalelor de turnare).

Hala de turnare nr. 2 este destinată exclusiv pentru turnarea oțelului. Turnarea oțelului se face prin metodele directă și indirectă (prin sifon).

Turnarea oțelului se face pe vagoneți care sunt pregătiți într-o hală de pregătire a garniturilor de turnare, amplasată separat de secția de elaborare și dotată cu poduri rulante cu clește ghidat.

Striparea lingotierelor se face de asemenea într-o hală separată, dotată cu poduri rulante de stripare universale cu o forță de stipare de 4400 t.

5.3. ANALIZA PROCESULUI DE ELABORARE A OȚELULUI X52 ÎN CONVERTIZORUL LD LA

S.C. ISPAT-SIDEX S.A. GALAȚI

5.3.1. Construcția convertizorului

La convertizoarele de 180 t de la Combinatul Siderurgic Galați, volumul specific este de 1,044 m3/t. La aceiași greutate de șarjă în convertizorul cu diametrul interior mai mic, adâncimea băii metalice este mai mare.

La majoritatea convertizoarelor cu oxigen existente în exploatare, mantaua convertizorului este constituită dintr-o parte tronconică (partea superioară), dintr-o parte cilindrică (partea din mijloc) și din partea de jos sferică (fundul convertizorului).

Vasul propriu-zis al convertizorului este executat din tablă groasă (60 – 80 mm grosime) din oțel cu proprietăți înalte de sudabilitate și caracteristici mecanice ridicate.

Convertizorul este fixat pe un inel independent de o construcție robustă sudată pe care sunt fixate fusurile convertizorului, asigurându-se o mare siguranță în exploatare.

Lancea de oxigen

Introducerea oxigenului tehnic pur în convertizor se face cu ajutorul unei lănci speciale.

Lancea este construită din trei țevi concentrice. Pe țeava interioară, executată din cupru, circulă oxigen, pe cea intermediară intră apa de răcire, iar pe cea exterioară se evacuează apa de răcire. Țeava intermediară și cea exterioară pentru circulația apei de răcire sunt efectuate din oțel.

Partea de jos a lăncii – denumită capul de lance – se execută integral din cupru electrolitic (99,9% Cu pur). Prin duzele capului de lance are loc scurgerea oxigenului în convertizor. Capul de lance reprezintă elementul cheie la procedeul de elaborare a oțelului în convertizorul cu oxigen. Întreaga tehnologie de elaborare a oțelului, economicitatea procedeului și în primul rând scoaterea de oțel bun depinde în mare măsură de construcția capului de lance.

La partea superioară a lăncii (lungimea lăncii 12 – 18 m în funcție de capacitatea convertizorului) se cuplează furtunurile de legatură pentru apă și oxigen.

Furtunurile de oxigen sunt armate (presiunea oxigenului înainte de intrarea în lance este de 13 atm). Fiecare convertizor în funcțiune este de obicei dotat cu două lănci de oxigen. O lance este în funcțiune, iar a doua este pregătită de lucru și poate fi ușor și rapid înlocuită în cazul când se defectează lancea în lucru. Lăncile sunt acționate electric, iar la oțelăriile moderne se prevede și o acțiune de rezervă cu ajutorul aerului comprimat pentru cazul când se decuplează curentul.

Foarte important la acest procedeu de elaborare a oțelului este ca oxigenul să fie suflat absolut vertical în direcția centrului băii metalice. Pentru realizarea acestui lucru lancea culisează pe un mecamism special de ghidare cu precizie mare de funcționare.

5.3.2. Prezentarea șarjelor

În cadrul acestui subcapitol vor fi prezentate principalele aspecte referitoare la procesul de elaborare a mărcii de oțel X52 în cadrul oțelăriei LD1 de la S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați.

Pentru șarjele analizate duratele totale referitoare la procesul de elaborare sunt prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1.

Din acest tabel rezultă că 19 din cele 20 de șarje au o durată efectivă de elaborare cuprinsă între 25 – 27 minute, cu o medie de 26,45 minute, durate care se încadrează în limitele normale. Șarja cu numărul 15 a durat mai mult deoarece s-au întâlnit greutăți la operația de încărcare a convertizorului.

Din grafic reiese că 99% din șarje au un timp normal de elaborare, restul de 1% depășesc acest timp din cauza unor nereguli în funcționare.

5.3.3. Ajustarea convertizorului

Operația de ajustare se execută cu scopul de a remedia uzura produsă în timpul elaborării asupra materialelor refractare. Această operație este necesară pentru menținerea configurației convertizorului cât și pentru preîntâmpinarea unor avarii.

La convertizoarele cu suflare de oxigen protecția căptușelii are loc în afara metodelor clasice (manual sau mecanic cu materiale refractare de același tip cu cele care compun căptușeala refractară) și prin glazurare.

Prin operația de glazurare se înțelege protecția căptușelii convertizorului cu un strat subțire de zgură solidificată rezultată din insuflarea cu presiuni foarte ridicate (cca 100 bari) a zgurei (maxim 15%) ramasă în convertizor după evacuare. Astfel, prin operația de glazurare “durata de viață” a convertizorului crește cu aproximativ 70%.

5.3.4. Încărcarea convertizorului

Materiile prime de bază pentru elaborarea oțelurilor în convertizoarele cu oxigen sunt fonta, fierul vechi și feroaliajele.

Ca materiale auxiliare se utilizează calcarul și varul metalurgic, minereul, pelete de fier și uneori buretele de fier, fluorura de calciu și bauxita.

La elaborarea oțelului în convertizoarele cu oxigen se folosește o cantitate de cca 820 – 850 kg fontă pe tona de oțel elaborat.

După cum se știe în procesul de elaborare a oțelurilor în convertizoare nu se folosește nici un fel de combustibil. Căldura necesară pentru topirea încărcăturii și elaborarea oțelului se obține în urma reacțiilor de oxidare a elementelor însotitoare din fontă (carbon, siliciu, mangan și fosfor) reacții care au un caracter exoterm.

Consumul specific de fontă lichidă este funcție de:

compoziția chimică și temperatura fontei;

compoziția chimică și greutatea specifică a fierului vechi;

starea convertizorului.

Compoziția chimică a fontei folosită pentru obținerea mărcii de oțel X52 la S.C. ISPAT SIDEX S.A. Galați este redată în tabelul 5.2.

Tabelul 5.2

Încărcarea fontei se face cu ajutorul unei oale de transvazare cu zidărie silicoaluminoasă.

Încărcarea fierului vechi în convertizorul cu oxigen se face într-un timp foarte scurt 3 – 5 min., asigurând astfel condițiile necesare pentru elaborarea șarjei la o durată sub 1h, indiferent de capacitatea convertizorului.

Fierul vechi este primul element al încărcăturii el găsindu-se în uzină sub formă de deșeuri rezultate în urma prelucrărilor mecanice din industria constructoare de mașini precum și în urma casării unor utilaje ieșite din uz.

Compoziția fierului vechi utilizată pentru obținerea mărcii de oțel X52 este prezentată în tabelul nr. 5.3.

Tabelul 5.3

Încărcarea convertizorului este prevăzută în tabelul 5.4

Tabelul 5.4

Din tabelul 5.4 se observă că încărcarea cuptorului durează 5 – 10 min ceea ce reprezintă (19,23 – 28)% din durata totală a șarjei cu o medie de 6,25 minute/șarjă.

Graficul incărcăturii convertizorului conținând cantitatea de fontă lichidă, fier viechi greu și fier vechi ușor este reprezentat în următorul grafic:

5.3.5. Formarea și regimul zgurei

Influența puternică pe care o are zgura asupra desfășurării procedeului de elaborare și asupra calității oțelului determină pe oțelar să se preocupe cu atenție de formarea și regimul zgurei, preocupare ce se accentuează în cazul producerii oțelui în convertizoare cu oxigen, ca urmare a duratei totale mici a șarjelor. Oțelarul are sarcina să asigure formarea timpurie a zgurei bazice și active prin dizolvarea rapidă în zgură a varului adăugat înaintea începerii suflării oxigenului.

Cercetările întreprinse în laboratoare și uzine au arătat că dizolvarea varului se face cu atât mai repede cu cât este mai mare temperatura zgurei de unde rezultă că formarea zgurei se accentuează după atingerea temperaturii de 1460 – 1470oC, temperatură care coincide cu temperatura determinată pentru amorsarea procesului de oxidare a fontei cu ajutorul oxigenului gazos.

Deasupra temperaturii de 1460 – 1470oC intensificarea formării zgurei se datorește nu numai creșterii temperaturii ci și formării unei cantități mari de oxizi de fier rezultați din procesul de oxidare.

Cercetările efectuate în diferite țări au dovedit că oxizii de fier, ca și cei de mangan, micșorează temperatura de topire a zgurei, care devine tot mai fluidă pe măsură ce crește conținutul acestor oxizi. Zgura fluidă formată, pătrunde ușor în porii bucăților de var și reacționează intens cu oxidul de calciu, formînd combinații chimice (feriți și manganați de calciu) cu temperatura relativ joasă de topire, care se dizolvă repede în zgură. În acest fel oxizii de fier și de mangan din zgură determină o dizolvare rapidă a varului, deci o creștere însemnată a bazicității zgurei.

Una dintre metodele eficiente pentru mărirea coținutului de oxizi de fier în zgură constă în ridicarea lăncii până la o distanță mai mare de suprafața băii metalice îndată după amorsarea procesului de oxidare și suflarea oxigenului la o presiune mică, regim care se recomandă pentru primele minute ale suflării oxigenului.

În acest regim de suflare, oxigenul pătrunde foarte puțin în interiorul băii metalice, în schimb, suprafața de contact dintre oxigen și baia metalică este mai mare, ceea ce duce la oxidarea intensă de suprafață a topiturii formarea unei cantități mari de oxizi de fier care trec în zgură.

În cazul în care oxigenul se suflă de la o înălțime mai mică și la o presiune mare, jetul de oxigen pătrunde adînc în baia metalică. Oxizii de fier formați în acest caz se consumă în reacțiile produse de îndată cu elementele însoțitoare (siliciu, mangan și mai ales carbon), pe care le oxidează. Ca urmare în zgură nu mai trec oxizi de fier ci oxizii elementelor însoțitoare (SiO2 si MnO, deoarece CO trece în atmosfera convertizorului).

Numai oxidul de mangan ajută intr-o oarecare măsură la dizolvarea varului în zgură, în timp ce oxidul de siliciu îngreunează aceasta dizolvare.

O metodă simplă de asigurare timpurie a unei zgure active constă în păstrarea în convertizor a zgurei finale de la șarja precedentă. Această metodă se practică în toate cazurile când fonta din încărcătură conține elemente deosebite, ce se zgurifică cum sunt vanadiul, fosforul și altele.

În asemenea cazuri, zgura este gata activă încă din primul moment al șarjei.

Cu toate acestea, metoda arătată nu s-a generalizat, deoarece prezintă doua mari dezavantaje:

este necesar să se întrerupă suflarea oxigenului ( de obicei între minutele 12 – 15) pentru evacuarea așa numitei prime zguri;

zgura finală de la șarjele anterioare conținut mic de carbon este prea activă și determină reacții violente cu baia metalică, reacții insoțite de împroșcări puternice, adevărate erupții, din convertizor. Pentru împiedicarea acestui fenomen periculos, înainte de evacuarea șarjei precedente se face un adaos masiv de var cu scopul micșorării activității zgurei prin răcire.

5.3.6. Procesul de afinare din convertizor

Elementele însoțitoare (siliciu, mangan, carbon și fosfor) se oxidează în timpul suflării șarjei fie direct cu oxigen gazos, fie indirect cu atomii de oxigen dizolvați în baia metalică sau cu oxizi de fier din zgură cu care se amestecă intens topitura metalică. Ultima variantă asigură oxidarea celei mai mari părți din elementele însoțitoare.

Pentru insuflarea oxigenului în baia metalică este necesar ca temperatura convertizorului în baia de oțel să fie puțin mai ridicată deoarece în timpul insuflării cu oxigen se pierde din temperatură. Pierderile de temperatură care au loc în timpul barbotării sunt reprezentate grafic în figura nr. 1.8.

La barbotare s-a constatat că temperatura scade în funcție de durata barbotării, fenomen prezentat în tabelul 5.5.

Durata afinării celor 20 de șarje

Tabelul 5.5

Pentru șarjele urmărite, conform tabelului, afinarea durează între 14-18 minute, cu o medie de 16,3 minute/șarjă ceea ce reprezintă (53,84-68)% din durata totală a șarjei. De asemenea, se observă că pentru șarja numărul 15 s-a obținut o durată mai mare de afinare deoarece oțelarul nu a scos la timp lancea.

Reprezentarea grafică este redată în figura 1.9.

Procesele de oxidare ale elementelor însoțitoare din baia metalică, C, Si, Mn, P depind de alimentarea cu oxigen a băii metalice.

Oxidarea băii de oțel are loc pe următoarele căi:

trecerea oxigenului din atmosfera gazoasă a cuptorului în baia metalică prin intermediul zgurei;

suflarea directă a oxigenului în baia metalică;

introducerea minereului de fier în bucăți direct în baia metalică.

La elaborarea oțelului în convertizoare cea mai mare cantitate de oxigen ajunge în baia metalică prin insuflarea directă a oxigenului în baia de oțel.

5.3.7. Trecerea oxigenului din atmosfera gazoasă, prin zgură, în baia metalică

Oxidul feric format la suprafața interfazică atmosferă – zgură difuzează prin stratul de zgură și reacționează cu fierul lichid la suprafața interfazică zgură – metal, unde este redus la FeO. Acesta fiind solubil și în baia metalică se repartizează între cele două faze, conform raportului de repartiție LFeO care depinde de temperatura sistemului.

LFeO =

Oxidul feros rămas în zgură difuzează prin acesta și ajungând la suprafața de separație cu faza gazoasă, se oxidează la Fe2O3 și ciclul se continuă; oxidul feros difuzat în baia de oțel participă la reacțiile de oxidare a elementelor însoțitoare.

Fig. 1.10 Schema trecerii oxigenului din faza gazoasă în baia metalică.

a – din punct de vedere molecular, b – din punct de vedere ionic.

Ajungând în baia metalică, atomii de oxigen cedează electronii suplimentari conform relației:

(O2-) → [O] +2e

Ca urmare, zgura având un plus de sarcini pozitive, la suprafața interfazică zgură – baie metalică se va forma un strat electric dublu, care va împiedica trecerea în continuare a anionul de oxigen. Pentru a se menține posibilitatea acestei treceri, este necesar ca odată cu cationul O2- să treacă în baia metalică și un număr echivalent de electroni conform relației:

(Fe2+) + 2e = [Fe]

Trecerea oxigenului din zgură în baia de oțel se exprimă prin relația:

(Fe2+) + (O2-) = [Fe] + [O]

Viteza de difuzie a oxigenului din zgură este determinată de concentrația oxigenului în atmosfera cuptorului, compoziția chimică și tempertura zgurei.

5.3.7.1. Oxidarea elementelor dizolvate în baia metalică

Oxidarea siliciului

În primele minute de la începutul suflării se oxidează, practic, complect siliciul după mai multe tipuri de reacții;

Direct cu oxigenul gazos

[Si] + {O2} = (SiO2)

Cu oxigenul dizolvat în fier

[Si] + 2[O] = (SiO2)

Cu oxidul de fier inferior din zgură

[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe]

Consumurile de oxigen și cantitatea de bioxid de siliciu care trece în zgură în cazul ultimelor reacții sunt practic aceleași ca și la prima reacție.

Cercetările efectuate au dovedit că zgura nu are influență cât de cât asupra oxidării siliciului, deoarece în primele minute ale suflării, oxidul de calciu din var nu este activ, nereușind încă să se dizolve în zgură. Abia mai târziu acest oxid se combină cu oxidul de siliciu din zgură, formând silicați de tipul Ca2SiO4. În timpul oxidării siliciului, oxidul produs se combină numai cu oxizii de fier și de mangan, formând silicații respectivi (Fe2SiO4 și Mn2SiO4) care sunt mai slabi decât silicații de calciu și se descompun îndată ce zgura devine mai bazică, lăsând oxidul de siliciu să se combine cu oxidul de calciu.

Oxidarea manganului

Manganul se oxidează tot în primele minute ale insuflării oxigenului, dar mai puțin complet decât siliciul, iar spre sfârșitul șarjei, când temperatura crește suficient, reacția de oxidare a manganului se încetinește și apoi își schimbă sensul, desfășurându-se invers, adică oxidul de mangan din zgură reacționează parțial cu fierul sau cu carbonul și le cedează oxigenul, transformându-se în mangan metalic, care trece înapoi în baia metalică.

Comportarea manganului este mult mai complexă decât a siliciului. În primele minute el se oxidează printr-una din reacțiile de mai jos:

Direct cu oxigenul gazos;

[Mn] + ½ {O2} = (MnO)

Cu oxigenul dizolvat în baia metalică

[Mn] + [O] = (MnO)

Cu oxidul de fier din zgură

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]

Regenerarea manganului din zgură spre sfârșitul insuflării are loc după următoarele reacții cu fierul sau cu carbonul din baia metalică.

(MnO) + [Fe] = [Mn] + (FeO)

(MnO) + [C] = [Mn] +{CO}

Valoarea conținutului remanent al manganului este cu atât mai mare cu cât temperatura șarjei este mai ridicată.(figura 1.11).

Conținutul de mangan la sfârșitul suflării oxigenului este influențat și de variația tehnologică aplicată. În cazul când se practică evacuarea primei zgure, cu aceasta se elimină din convertizor o cantitate însemnată de oxizi de mangan, eliminând asfel procesul de regenerare a manganului. Astfel, conținutul de mangan din baia metalică este mai mic decât în cazul în care nu se practică evacuarea primei zgure.

Oxidarea carbonului

Oxidarea carbonului are loc printr-o mică măsură prin reacția direct cu oxigenul gazos.

[C] + ½ {O2} = {CO}

Cea mai mare parte din carbon se oxidează cu ajutorul oxizilor de fier din zgura amestecată intens cu baia metalică, reacția chimică fiind:

[C] + (FeO) = {CO} + [Fe]

Viteza reacției de decarburare depinde în mare măsură de temperatura procesului și creșterea cu aceasta. De aceea, la începutul suflării când temperatura băii metalice este mai mică, viteza decarburării are valori mici (0,05 – 0,10% C/min), care cresc însă repede atingând valoarea maximă de 0,35 – 0,40% C/min. La un conținut de aproximativ 1,5%C în baia metalică (figura 1.12, 1.13).

Viteza decarburării scade din ce în ce mai mult spre sfârșitul șarjei până se ajunge la valoarea minimă în momentul opririi suflării.

Din reacția de decarburare rezultă oxid de carbon care, străbătând baia metalică, produce barbotarea acesteia, cu următorele efecte:

Provoacă puternici curenți de convecție, uniformizând temperatura și compoziția băii și accelerează reacțiile dintre baia metalică și zgură;

Contribuie la eliminarea gazelor din oțel (azot, hidrogen) și incluziunilor nemetalice din baia metalică;

Bulele de CO reprezintă suprafețe foarte mari de reacție pe care au loc diferite reacții fizico – chinice.

Oxidarea carbonului dizolvat în baia metalică are loc pe baza următoarelor reacții:

[CO] + (FeO) = {CO} + [Fe]

[C] + [O] = {CO}

Valoarea conținutului de oxigen la echilibru variază invers proporțional cu concentrația de carbon, figura nr. 1.14.

Fig. nr. 1.14 Variația conținutului de oxigen din oțel cu carbonul

1 – la echilibru; 2 – în cuptor cu arc electric;

3 – în cuptor Siemens – Martin; 4 – în convertizor LD.

Conținutul real de oxigen din baia metalică a agregatului este mai mare decât cel corespunzător echilibrului reacției de decarburare. Excesul de oxigen dovedește că reacția de decarburare nu-și atinge niciodată echilibrul la elaborarea oțelului.

Pentru ca bula de oxid de carbon să se poată degaja este necesar ca presiunea din interiorul ei, pCO, să fie mai mare decât presiunea totală care acționează asupra bulei, adică:

PCO ≥ Pat + yoho + yzhz + 2σ/r

unde: Pat – presiunea atmosferică, [N /m2];

(o, (z – greutatea specifică a oțelului, respectiv a zgurei, [Kg / m3];

ho, hz – adâncimea băii metalice și grosimea stratului de zgură, [m];

( – tensiunea superficială a oțelului, [J / m2];

r – raza bulei, [m].

Dintre presiunile de mai sus acea care are ponderea mai mare este presiunea capilară (2σ/r); de aceea, bulele de gaz trebuie să aibă de la început o rază mai mare decât o mărime critică, pentru ca presiunea capilară să nu fie prea mare; bulele care au o rază mai mică decât cea critică nu pot învinge presiunile capilare mari și se dizolvă în oțel.

Pentru desfășurarea proceselor de la elaborarea oțelurilor, o importanță deosebită prezintă intensitatea cu care trebuie să aibă loc fierberea băii metalice, redată prin viteza de decarburare, care se exprimă prin cantitatea de carbon oxidată timp de o oră din 100 kg de oțel (% C/h).

Menținerea unei viteze de decarburare mari la concentrații mici de carbon se realizează mărind conținutul de oxigen din baie prin adaos de minereu de fier în zgură sau prin insuflarea de oxigen tehnic în baia metalică.

La elaborarea oțelurilor în convertizoare cu oxigen, viteza de decarburare are valori mult mai mari, vC = 18 – 21 % C/h, ceea ce explică productivitatea foarte ridicată a acestor agregate.

Oxidarea fosforului

Fosforul este un element dăunător calității oțelurilor, deoarece provoacă fragilitatea la rece; la conținuturi de peste 0,02 % fosforul mărește sensibilitatea oțelului la supraîncălzire și fragilitatea de revenire, iar oțelul are o structură grosolană, deci proprietăți mecanice înrăutățite. De aceea, cu excepția câtorva oțeluri aliate cu fosfor, la elaborarea oțelului trebuie să se asigure o îndepărtare cât mai avansată a acestuia.

Îndepărtarea fosforului, dizolvat în baia metalică sub formă de fosfuri, are loc pe baza unui proces de oxidare, al cărui mecanism este următorul:

8 (FeO) ↔ 8 [FeO]

2 [Fe2P] + 5 [FeO] ↔ [P2O5] + 9 [Fe]

[P2O5] + 3 [FeO] ↔ [(FeO)3P2O5]

[(FeO)3P2O5] ↔ ((FeO)3P2O5)

8 (FeO)+2 [Fe2P] ↔ ((FeO)3P2O5) + 9 [Fe] (1)

Fosfatul de fier ajuns în zgură are o comportare diferită în funcție de caracterul zgurei.

În zgurele acide, saturate în SiO2 acesta interacționează cu fosfatul de fier conform reacției:

2 ((FeO)3P2O5) + 3 (SiO2) ↔ 3 ((FeO)2SiO2) + 2 (P2O5)

Pentoxidul de fier liber este redus de fierul din baia de oțel, având loc astfel refosforarea băii conform reacției:

(P2O5) + 9 [Fe] ↔ 5 (FeO) + 2 [Fe2P]

În zgurele bazice, bogate în CaO, acesta interacționează cu fosfatul de fier, formând fosfatul de calciu, stabil, după reacția:

(FeO)3P2O5 + 3 (CaO) = (CaO)3P2O5 + 3 (FeO) (2)

Prin însumarea reacțiilor (1) și (2), se obține reacția rezultantă a procesului de defosforare:

5(FeO)+2[Fe2P]+3(CaO) ↔ ((CaO)3P2O5)+9[Fe]

Pentru ca valoarea raportului de repartiție să fie mare, deci să se realizeze o defosforare avansată, este necesar ca temperatura să fie scăzută (1350 – 1450 C), iar zgura să aibă conținut ridicat de CaO și FeO, adică să fie puternic bazică și să aibă o putere de oxidare mare, figura nr. 1.15.

Fig.1.15 Dependența raportului (P2O5) / [P] față de bazicitatea zgurei, raportul (CaO) / (SiO2) și de conținutul de (FeO).

Defosforarea este cu atât mai bună cu cât cantitatea de zgură este mai mare.

Indepărtarea sulfului

Sulful fiind un element dăunător calității oțelului este îndepărtat din baia metalică nu prin oxidare, așa cum se realizează celelalte reacții de afinare, ci printr-un proces mai comlex dintre zgură și baia metalică în care sulful trece în sulfuri insolubile în oțel.

În convertizor sulful se poate găsi sub forma sulfurilor de fier (FeS, solubilă în baia metalică), de mangan (MnS, puțin solubilă în baia metalică) sau de calciu și magneziu (CaS și MgS, insolubile în baia metalică).

Esența procesului de desfășurare constă, din transformarea sulfurii de fier în sulfuri de mangan, magneziu și mai ales calciu, care trec în zgură având loc următoarele reacții:

[FeS] +(MnO) = (MnS) + (FeO)

[FeS] + (MgO) = (MgS) + (FeO)

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)

Procesul de desulfurare reprezintă o repartizare a diferitelor sulfuri între baia metalică și zgură, cel mai bun criteriu din punct de vedere teoretic pentru aprecierea acestui proces este coieficientul de repartiție a sulfului exprimat prin raportul dintre conținutul de sulf din zgură și din baia metalică.

LS =

După cum rezultă din figura nr. 1.16 acest coieficient de repartiție crește cu bazicitatea zgurei, adică cu conținutul ei de oxid de calciu.

5.3.8. Dezoxidarea oțelului

La sfârșitul perioadei de afinare, oțelul este puternic oxidat, gradul de supraoxidare fiind determinat de un complex de factori, printre care conținutul de carbon, temperatura băii metalice, conținutul oxizilor de fier din zgură și distanța de suflare a oxigenului.

Procesul de dezoxidare este unul dintre procesele metalurgice deosebit de importante în realizarea oțelului de înaltă puritate, având ca scop îndepărtarea oxigenului dizolvat în baia metalică.

Solubilitatea oxigenului în oțelul lichid se micșorează odată cu scăderea temperaturii, când surplusul de oxigen iese din soluție sub forma unor produși oxidici, care pot forma pelicule și granule de faze oxidice la marginea grăunților cristalini. Aceste faze în care se găsesc oxizi și sulfuri de fier pot forma eutectice care determină fragilitatea la roșu a oțelului.

În principiu, scopul dezoxidării, de micșorare a conținutului de oxigen din baia metalică și îndepărtarea avansată a produșilor oxidici se realizează în trei faze distincte:

Predezoxidarea;

Dezoxidarea prin difuzie;

Dezoxidarea prin precipitare.

5.3.9. Evacuarea oțelului. Alierea la oală a oțelului X52

Evacuarea este ultima fază a elaborării oțelului și reprezintă trecerea oțelului lichid din agregatul de elaborare în oala de turnare în vederea rafinării și turnării. Înainte de evacuare, oțelul lichid trebuie să se încadreze în compoziția chimică și să aibă temperatura prescrisă în fișa tehnologică.

Oala de turnare se pregătește din timp asigurându-se o temperatură minimă de 1000oC la evacuare.

Când temperatura oțelului a ajuns la valoarea prescrisă în tehnologia de marcă (X52 PSL 1 conf. API 5L/2000) se aduce convertizorul în poziția de evacuare urmând evacuarea oțelului în oala de turnare. Durata de evacuare pentru cele 20 de șarje analizate este prezentată în tabelul 5.7.

Tabelul 5.7.

În cazul evacuării s-a constatat că timpul necesar pentru definitizarea acestor operații este cuprins în intervalul 3 – 5 minute, ceea ce reprezintă (11,11-19,23)% din durata totală a șarjei cu o medie de 4,05 minute/șarjă, deci se încadrează în prevederile tehnologice. Excepție face șarja numărul 15 la care evacuarea a întârziat deoarece baia de oțel nu avea temperatura necesară evacuării.

CAP. 6. ANALIZA PROCESULUI DE RAFINARE A OȚELURILOR DE CONSTRUCȚII LA S.C. ISPAT-SIDEX S.A. GALAȚI

La S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați, în cadrul UOR Oțelăria LD1, la elaborarea oțelului X 52, pentru o mai buna rafinare unele din cele 20 de șarje au fost tratate în instalația de vidare VAD.

6.1. ANALIZA REGIMULUI DE EVACUARE A OȚELULUI DIN CONVERTIZOR ÎN OALA DE TURNARE ȘI TRATAMENT

Procesul de rafinare a oțelului prin tratarea acestuia cu zguri sintetice și barbotare cu argon, introdus prin dop poros, este influențat de factori care acționează asupra condițiilor termodinamice și cinetice de desfășurare a procesului.

Ca evacuarea oțelului să se facă în condițiile optime ale procesului, aceasta conține trei subperioade:

Subperioada I, corespunde începutului evacuării oțelului, această perioadă trebuie să se facă suficient de repede pentru ca la înclinarea convertizorului, planul de separație între oțel și zgura lichidă din convertizor, să treacă repede prin zona orificiului de evacuare, încât să se evite antrenarea de zgură în oala de turnare;

Subperioada a II-a, care începe practic cu introducerea primelor cantități de dezoxidanți;

Subperioada a III-a, care corespunde turnării ultimelor cantități de oțel. În această perioadă se supravegheză atent jetul de oțel încât să se evite antrenarea de zgură din convertizor în oala de turnare. Odată cu oțelul, în oală trec și câteva sute de kilograme de zgură. Această deficiență se înlătură prin folosirea unui echipament complex format din senzori, aparatură de prelucrare a semnalului și comandă a acționării dispozitivelor speciale de închidere a orificiului de evacuare. În absența acestui tip de echipament există tendința ca spre sfârșitul evacuării, de la un anume moment, viteza de evacuare să fie încetinită pentru a se sesiza, în timp util, apariția zgurei. Creșterea duratei acestei perioade, cu scăderea debitului de oțel evacuat, mărește durata totală a perioadei de evacuare și dăunează calității oțelului prin reoxidare secundară.

Ajuns în oala de turnare otelul este supus operației de barbotare.

Variația de temperatură înainte și după operația de barbotare, pentru cele 20 de șarje este prezentată în figura 1.17.

La insuflarea gazelor în baia de oțel, oxigenul consumat diferă de la o șarjă la alta deoarece pentru fiecare șarjă este respectată fișa tehnologică iar timpul destinat afinării variază.

Consumul de oxigen pentru cele 20 de șarje este reprezentat grafic în figura 1.18.

6.2. ALIEREA OȚELULUI X52

Materialele de adaos pentru formarea zgurei precum și materialele pentru aliere se pregătesc din timp și se adaugă la oală înaintea evacuării a cca. 30% din cantitatea de oțel. Calculul de aliere se face pe limita inferioarăa a compoziției chimice prescrise.

Rafinarea în oală la S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați se practică prin injectarea gazelor inerte având ca scop:

Omogenizarea termică și compozițională;

Degazarea (micșorarea cantității de azot și hidrogen);

Intensificarea procesului de dezoxidare-aliere;

Intensificarea procesului de desulfurare.

Materialele pentru alierea la oală pentru o tonă de oțel sunt: FeMn, AlSlatina, AlS, cocs, Field 35, FeSi, SiCa, SiMn.

Ordinea efectuării dezoxidării și alierii la marca de oțel X52 este următoarea:

La 1/5 din înălțimea oalei, se începe dezoxidarea și alierea oțelului;

10 – 20% din cantitatea de Al primar;

cocs de petrol pentru recarburare;

FeMn, în funcție de situația existentă;

FeSi;

FeV, FeNb; FeTi;

Restul de Al primar;

Amestec dezoxidant la ¾ din înalțimea oalei.

După operația de aliere, oțelul este transportat cu ajutorul oalelor de turnare la turnătorii de unde, după turnare se vor lua probe pentru analiza compoziției oțelului la laborator. După eliminarea rebuturilor, oțelul este dus în secțiile de laminare și supus laminării.

Pentru obținerea unor rezultate favorabile, unele șarje sunt dirijate spre tratamentul secundar în instalația VAD.

6.3. TRATAREA OȚELULUI X52 ÎN INSTALAȚIA VAD

6.3.1. GENERALITĂȚI

Procedeul VAD (Vacuum Arc Degassing) a fost pus la punct la Chicago, în SUA de către firma Finkl & Sons Inc. în anul 1967, fiind modernizat ulterior, în cooperare cu firma Standard Messo din Germania (procedeul se mai numește și VAD – FINKL).

În figura 1.19 este prezentată schema de principiu a unei instalații VAD.

Instalația VAD are în compunere cuptorul-oală pentru tratamentul metalurgic (14) (eventual montat pe un transfecar), prevăzut cu închizător cu sertar și cu sistem de insuflare a argonului prin dop ceramic poros (15) și care se introduce într-un recipient de vid (13). În timpul desfășurării operațiilor specifice procedeului, acest recipient poate fi acoperit cu un capac cu închidere etanșă, capac în care sunt practicate orificii pentru introducerea adaosurilor din alimentator (7), pentru prevelarea probelor și pentru măsurarea temperaturii băii metalice cu ajutorul sistemului (1). Pentru evitarea supraîncălzirii capacului recipientului, oala de tratament este acoperită cu o boltă (11). Toate operațiile tehnologice se pot efectua în timpul funcționării insalației, fără pierderea vidului din recipientul de vid, care este cuplat la sistemul de vidare prin intermediul unui racord (12). Încălzirea băii metalice se asigură pe baza arcului electric.

Căptușeala refractară a recipientului de tratament metalurgic are o construcție specială, date fiind solicitările la care este supus în timpul funcționării.

Astfel, căptușeala de lucru și bolta sunt realizate din materiale superaluminoase, iar zonele intens solicitate – planul zgurei și fundul acestuia – din cromito-magnezit. Pe mantaua de oțel a oalei, după stratul de azbest, se zidește un strat de cărămizi din șamotă.

Cuptorul-oală este prevăzut la partea inferioară cu un sistem de evacuare și închidere cu sertar, iar deasupra are prevăzut un capac cu închidere etanșă. Etanșarea se realizează cu ajutorul unei garnituri protejate împotriva solicitărilor termice printr-un sistem de răcire cu apă. Capacul este legat la instalația de vid, prin intermediul unui racord și al unui manșon cu burduf, care permite deplasarea pe verticală a capacului și totodată desprinderea lui de oală.

Prin dopul refractar poros se injectează argon pentru amestecarea controlată a băii metalice.

În funcție de regimul electric, respectiv termic al instalației VAD, durabilitatea căptușelii refractare confecționată din cromito-magnezit, poate depăși un număr de 50 de șarje.

Alimentarea la curent a instalației VAD se realizează de la rețeaua de înaltă tensiune, prin intermediul unui transformator, a cărui putere aparentă variază în funcție de greutatea șarjei și care poate funcționa cu suprasarcina de 20% timp de 1h.

Sistemul de vidare la instalația VAD constă din pompe cu ejecție de abur și cu inel de apă, care pot asigura obținerea unui nivel de vid de 0,5…1mm Hg. Pentru asigurarea epurării și răcirii gazelor rezultate și aspirate din cuptorul-oală, înainte de sistemul de pompare, conducta de vid este conectată la un sistem de desprăfuire – epurare umedă, constând dintr-un ciclon și un răcitor cu apă.

6.3.2. Modalități de desfășurare a procesului tehnologic

Instalația VAD având capacitatea de până la 140 t, lucrează în tandem cu agregatul de elaborare primară, cuptor cu arc electric sau convertizor cu suflare de oxigen. Modul de desfășurare a procesului de rafinare în instalația VAD depinde de calitatea oțelului și de obiectivele urmărite.

Astfel, la rafinarea unui oțel aliat de construcții, conform figurii 1.20, procesul tehnologic este caracterizat de următoarele etape:

Evacuarea șarjei brute din agregatul primar de elaborare, cu un conținut de carbon de cca. 0,1% și o temperatură de 1650 – 1670oC, în oala de tratament a instalației de rafinare, în care se introduce și adaosul de FeMn;

Transpotul la instalația de rafinare, îndepărtarea zgurei, introducerea oalei în recipientul de vid, racordarea la instalația de vid și la sistemul de injectare a gazelor inerte;

Degazarea inițială care durează cca. 10 min., la o presiune mai mică de 50 Torr, introducerea adaosurilor de var, fluorina, carburanți și FeSi. Degazarea inițială necesită o agitare puternică a băii metalice pentru formarea zgurei și reglarea conținuturilor de carbon și siliciu;

Încălzirea băii metalice sub acțiunea arcului electric la o presiune de cca. 300 Torr, timp de 40 – 60 min., până la atingerea temperaturii prescrise. În timpul încălzirii se adaugă pentru aliere FeCr, FeMo și Ni;

Degazarea finală la presiune scăzută, de cca. 1 Torr, timp de 20 – 30 min. și introducerea adaosului de aluminiu pentru dezoxidarea fină; prelevarea probelor pentru analiza chimică și de temperatură;

Transportul oalei și evacuarea oțelului.

În funcție de greutatea șarjei, ciclul de tratament durează 70 – 90 min.

Succesiunea etapelor procesului tehnologic la rafinarea unui oțel inoxidabil cu conținut foarte scăzut de carbon este prezentată în figura 1.21.

În acest caz, procesul de obținere a șarjei primare este similar celui precedent, excepție făcând conținutul de carbon care, la evacuarea din cuptorul primar de elaborare se limitează la 0,04%. Procesul de rafinare în instalația VAD se desfășoară astfel:

Transportul oalei la instalația de rafinare, îndepărtarea zgurei, introducerea în recipientul de vid, adăugarea materialelor pentru formarea zgurei (var, fluorină);

Încălzirea băii metalice, la o presiune de 400 – 500 Torr;

Degazarea în vid timp de 30 min. prin reducerea treptată a presiunii până la o valoare mai mică de 10 Torr, pentru a evita o fierbere prea intensă a băii metalice, datorită decarburării în vid;

Introducerea adaosului de aluminiu pentru dezoxidarea finală, insuflarea argonului timp de cca. 5 min. pentru dizolvarea aluminiului și decantarea produșilor de dezoxidare, prelevarea probelor pentru analiza chimică și de temperatură;

Transportul oalei și evacuarea oțelului;

Transportul oalei și evacuarea oțelului rafinat.

6.3.3. Procese metalurgice specifice rafinării prin procedeul VAD

Rafinarea oțelului în instalația VAD se realizează prin desfășurarea următoarelor procese metalurgice:

Decarburare și dezoxidare;

Degazare;

Desulfurare;

Îndepărtare incluziunilor nemetalice.

Un rol deosebit de important în derularea corespunzătoare a acestora este reprezentat de zgură. Cantitățile de adaosuri introduse pentru formarea zgurei trebuie să fie riguros calculate, pentru a evita apariția unor efecte nedorite în desfățurarea procesului VAD, cum ar fi:

Formarea unei cantități mari de zgură, care face nesigură conducerea procesului tehnologic și creșterea riscului debordărilor;

Mărirea conținuturilor de mangan, crom și fosfor din oțel ca urmare a reducerii oxizilor lor din zgură în condițiile reducătoare existente;

Micșorarea randamentului de asimilare a elementelor de aliere ușor oxidabile;

Creșterea gradului de uzură a oalei de turnare, mai ales în planul zgurei.

Zgura are următoarele roluri: reține incluziunile nemetalice, desulfurează baia metalică, contribuie la reglarea liniștită a funcționării electrozilor și protejează partea superioară a oalei de radiația arcului electric în timpul încălzirii. Stratul de zgură trebuie să aibă o anumită înălțime, iar zgura să fie fluidă și bogată în CaO.

În procesul de decarburare, scăderea conținutului de carbon, în etapa finală procesului de rafinare decurge pe baza transferului de oxigen din zgură în baia metalică. În procesul de dezoxidare, care este în stransă legătură cu cel de decarburare, conținutul de oxigen scade treptat, odată cu reducerea nivelului de vid.

Eficiența economică a procedeului VAD rezultă din bilanțul avantajelor reflectate prin reducerea duratei totale de elaborare – rafinare a oțelului, creșterea productivității agregatului primar de elaborare și al dezavantajului legat de consumul mare de materiale refractare și implicit prețul de cost a acestora.

6.4. TRATAREA OȚELULUI X52 ÎN INSTALAȚIA VAD

LA S.C. ISPAT-SIDEX S.A. GALAȚI

6.4.1. Instrucțiuni tehnologice

Elaborarea oțelului în convertizorul cu suflare de oxigen se face conform instrucțiunilor tehnologice și conform fișelor tehnologice pentru fiecare marcă de oțel în parte, pentru următoarele faze: dozarea încărcăturii metalice, ajustarea, încărcarea, formarea zgurei, afinarea și predezoxidarea.

Temperatura oțelului înainte de evacuare va fi în funcție de marca de oțel ce trebuie elaborată și de calitatea de materiale de adaos și de aliere administrate la oală. Evacuarea oțelului se face într-un timp scurt cu jet compact pentru a evita oxidarea secundară și pierderea exagerată de temperatură.

6.4.2. Pregătirea oalei pentru evacuare

Oala de tratament se pregătește din timp și se menține la arzător pentru a se asigura o temperatură de circa 1000oC.

Înainte de evacuarea oțelului se verifică, obligatoriu, funcționarea dopului de barbotare.

6.4.3. Materiale de adaos la oală și pentru aliere

Pentru formarea zgurei, înainte de evacuare, în oală se introduce varul metalurgic.

Se admit următoarele materiale pentru aliere și dezoxidare la oală: FeMn 76; FeTi 71; FeV 80; FeNb; FeMn 88; FeSi 67; AlSlatina.

Materialele de adaos pentru formarea zgurei precum și materialele pentru aliere se pregătesc din timp și se adaugă la oală înainte de evacuarea oțelului din convertizor, sau în timpul evacuării, când oțelul din oală a ajuns la 1/3 din cantitatea totală.

6.4.4. Evacuarea oțelului de construcții

După ce oțelul din convertizor a ajuns la temperatura de evacuare, se efectuează predezoxidare cu tub de SiCa conform fișei tehnologice de marcă. Temperatura oțelului în convertizor, înainte de evacuare, va fi în funcție de marca de oțel elaborată, de materialele de aliere adăugate și trebuie să asigure o temperatură la oală de minim 1630oC.

Evacuarea se efectuează rapid și cu jet compact pentru a se evita reoxidarea oțelului și pentru a reține zgura în cuptor. Pe toată durata evacuării, oțelul din oală se barbotează cu argon.

6.5. TRATAMENTUL OȚELULUI X52 ÎN

INSTALAȚIA VAD

După evacuarea oțelului, oala cu oțel se transportă la instalația VAD și se așează pe transfecar. Durata de tratament în instalația VAD pentru marca de oțel X52 este de 35 de minute, vidarea făcându-se timp de 10 minute la 15 Torr.

Se îndepărtează zgura, iar oala este introdusă în recipientul de vid. Instalația de vid este racordată la sistemul de injectare a gazelor inerte. Durata de barbotare în instalația VAD este de 31 minute.

Degazarea oțelului în timpul rafinării în instalația VAD prezintă o variație continuă pe etape, tinzând către o stabilizare la o valoare minimă. În perioada degazării inițiale datorită introducerii diferitelor adaosuri, conținuturile de [N] și [H] cresc simțitor. Prin aplicarea procedeului VAD de rafinare se obțin conținuturi reduse de hidrogen de ordinul a 1 – 2 ppm.

În prezența zgurei bazice, datorită amestecării continue a băii metalice sub influența injecției de argon sunt create condiții favorabile pentru desulfurarea avansată a băii metalice după reacția:

(O2-) +[S] ↔ (S2-) + [O]

Gradul de desulfurare depinde de conținutul de sulf al băii metalice la evacuarea din agregatul primar, de cantitatea de zgură rămasă în oala de tratament, de cantitatea de adaosuri introduse în oală în timpul tratamentului, precum și de gradul de amestecare a topiturii metalice cu zgura desulfurată care determină mărimea suprafeței de contact dintre baia metalică și zgură.

Desfășurarea reacțiilor de dezoxidare și desulfurare implică apariția incluziunilor nemetalice care datorită procesului mecanic de amestecare a băii metalice, sunt transportate avansat în stratul de zgură, oțelul prezentând un conținut foarte scăzut în acestea.

Evoluția compoziției chimice pentru cele 20 de șarje elaborate la combinatului siderurgic S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați este prezentată în anexă. În anexă se mai află și schița convertizorului LD, a oalei de turnare, precum și schița oalei de transvazare a fontei din cadrul UOR Oțelăria LD1 de la S.C. ISPAT-SIDEX S.A. Galați.

CAP. 7. TEHNICA SECURITĂȚII ȘI PROTECȚIA MUNCII ÎN OȚELĂRIILE CU CONVERTIZOARE DE OXIGEN

Ca și la celelalte procedee de elaborare a oțelului, în cazul procedeului cu convertizoare cu oxigen sunt necesare a fi luate o serie de măsuri care să asigure tehnica securității și protecția muncii în oțelărie; organizarea rațională a activității în oțelărie constituie premiza de bază în organizarea unor condiții optime de lucru.

Deoarece activitatea în oțelărie este continuă, în trei schimburi, în condiții grele de exploatare la cald, este necesar a se lua o serie de măsuri care să evite la maximum producerea accidentelor tehnice și de muncă.

În condițiile de exploatare a oțelurilor cu convertizoare a dispărut multitudinea de agregate de elaborare, care generează prin existența lor și prin agentul de combustie (gaz de furnal, gaz metan) un pericol permanent de accidente. În schimb, la oțelăriile cu convertizoare se remarcă un ritm intens de elaborare și de turnare a șarjelor, cu o repetare matematică a operațiilor de elaborare și în mod deosebit de suflare a oxigenului, într-un interval scurt de timp și, ceea ce este caracteristic, toate aceste activități sunt concentrate pe o suprafață relativ mică de lucru. De aceea, la oțelăriile cu convertizoare trebuie acordată o atenție deosebită condițiilor de funcționare ireproșabilă a instalațiilor de alimentare cu oxigen. Aceasta se referă în primul rând la condițiile de etanșeitate a conductelor, a vanelor și a furtunelor flexibile de alimentare a lăncilor cu oxigen.

Incendiile și uneori chiar exploziile legate de funcționarea defectuoasă a instalațiilor de alimentare a lăncilor de oxigen constituie cele mai mari pericole în activitatea oțelăriilor cu convertizoare moderne.

Un pericol iminent în oțelăriile cu convertizoare îl constituie scurgerile necontrolate de apă de la lănci, de la cazanele recuperatoare și de la instalațiile de desprăfuire a gazelor care sunt amplasate deasupra convertizorului propriu-zis. Pe de o parte apa degradează căptușeala refractară, ceea ce poate genera accidente tehnice în muncă. Pe de altă parte, existența surselor necontrolate de apă pe platforma de lucru constituie un pericol iminent de explozie, în cazul debordărilor de oțel și zgură, produse în timpul suflării oxigenului. De aceea, o măsură preventivă de bază la oțelăriile cu convertizoare este amplasarea instalațiilor de alimentare cu oxigen și apă pe o platformă separată de lucru. Prin aceasta se crează cele mai bune condiții de întreținere a acestor instalații.

Câteva măsuri de securitatea muncii în oțelăriile cu convertizoare sunt prezentate în cele ce urmează.

Benele de fier vechi și fontă solidă sunt prevăzute cu găuri în partea de jos, pentru a se creea condiții de evacuare a apei ce s-ar putea înmagazina în condiții de intemperii (ploaie, zăpadă).

Locurile de traversare a mașinilor de șarjare, a locomotivelor tehnologice și a mijloacelor rutiere, precum și zonele din apropierea convertizorului, sunt prevăzute cu o serie de instalații speciale de semnalizare acustică și optică.

Folosirea tuburilor de oxigen este aproape complet exclusă (se utilizează de obicei numai în atelierele de întreținere) prin existența unei rețele de alimentare cu oxigen, care înlătură dezavantajele întâlnite în cazul folosirii tuburilor de oxigen.

Toate podurile sunt prevăzute lateral cu bacuri semnalizatoare (verde-roșu) care se aprind cu intermitență, în funcție de starea de lucru a podului rulant.

Cabinele de comandă și de aparataj sunt prevăzute cu instalații speciale de climatizare. Toate arzătoarele de gaz (la melanjoare, la uscarea oalelor, cuptoare de calcinare a feroaliajelor) sunt prevăzute pe circuitul de alimentare cu un sistem special de interblocare aer-gaz.

Folosirea căștilor de protecție a intrat de mult în uzanța de lucru a oțelarilor. De asemenea, folosirea hainelor și încălțămintei de protecție (costume de azbest, bocanci cu bombeuri metalice, mănuși) se impune ca o necesitate de activitate fără accidente în muncă.

Muncitorii din halele de pregătire a lingotierelor poartă pe lângă hainele și încălțămintea de protecție obișnuită, bluze de culori deschise, de preferință roșii, pentru a putea fi observați ușor de macaragiii de pe podurile rulante.

În oțelăriile cu convertizoare moderne sunt aplicate de asemenea celelalte măsuri și reguli de protecție a muncii, întâlnite în diferite tipuri de oțelării.

CONCLUZII

Stabilirea cu precizie a mărcii și prelucrărilor plastice și termice pentru oțelurile de construcții, în vederea comportării satisfăcătoare în serviciu, cere cunoașterea solicitărilor statice și dinamice, a condițiilor de lucru concrete pentru a putea stabili forma, dimensiunile și starea suprafeței pe care trebuie să le aibă piesa.

Oțelurile de construții trebuie să posede o bună combinare a caracteristicilor mecanice (rezistența la rupere și tenacitatea), care au o influență directă asupra duratei de funcționare a pieselor de mașini.

Oțelurile de construcții (excepție fac cele de turnare sub formă de piese) se prelucrează prin deformare la cald sub formă de profiluri, bare, table și, în multe cazuri, este necesară și deformarea la rece (laminare, tragere, refulare, ambutisare).

Calitatea oțelului se apreciază în funcție de gradul de ecruisare și de reziliență.

Procesele fizico-chimice și termice, care definesc procesele metalurgice, și care constituie perioadele de elaborare a oțelului (topirea încărcăturii solide, decarburarea, dezoxidarea, degazarea, alierea și corectarea compoziției chimice și a temperaturii), se regăsesc în ceea ce numim elaborarea oțelului.

Decarburarea constituie procesul metalurgic de cea mai mare complexitate la elaborarea oțelului.

Determinarea creșterii temperaturii băii metalice în timpul afinării este utilă în practica elaborării, deoarece permite să se stabilească durata suflării oxigenului în funcție de creșterea temperaturii impuse pentru un anumit regim de afinare și regenerare a elementelor de aliere.

O atenție deosebită trebuie acordată începerii afinării imediat după topire.

La procesul de oxidare a băii metalice, aportul oxigenului din minereu depinde de intensitatea de suflare a oxigenului.

La conținuturi mari ale carbonului, acesta asigură o protecție bună contra unei oxidări puternice a fierului.

Procesul de oxidare a fosforului trebuie finalizat o dată cu terminarea topirii sau cu sfârșitul afinării în funcție de gradul de aliere a încărcăturii metalice și de metoda de topire.

La elaborarea oțelurilor aliate din încărcătură, care conțin elemente de aliere, procesul de defosforare este mai complex, fiind dominat de factorii care influențează concomitent regimul zgurei, activitatea oxigenului din baia metalică, regimul de oxidare-regenerare a elementelor de aliere.

Defosforarea se poate continua și după topire, în perioada de afinare, indiferent de varianta tehnologică, dacă se ține sema de:

tragerea zgurei de topire și asigurarea condițiilor de spumare și debordare a zgurei în timpul afinării;

condițiile favorabile create spre sfârșitul afinării, când consumul de oxigen în reacțiile de oxidare a celorlalte elemente însoțitoare în baia metalică scade.

Procesul de defosforare se realizează preferențial la suprafața de separare dintre zgură și baia metalică, fiind puternic influențat de regimul zgurei, de gradul de amestecare dintre cele două faze în contact și de mărirea suprafeței de contact.

În agregatele bazice pentru elaborarea oțelului, desulfurarea se face cu participarea activă a zgurei sub formă de anioni (S2-).

Pentru a se putea face o desulfurare satisfăcătoare trebuie să se asigure formarea unei zguri bazice și fluide în primele 3-4 minute de suflare a oxigenului.

Deoarece în zgurice acide activitatea anionilor de oxigen e foarte redusă, desulfurarea cu zguri oxidante acide nu este posibilă.

Eficiența desulfurării pe cale electrolotică depinde de conținutul de oxigen al topituii mecanice. Cu cât oxigenul este mai scăzut, cu atât desulfurarea este mai avansată.

Rămânerea SIDEX S. A. Galați în proprietatea statului și continuarea activității în aceste condiții nu putea fi o opțiune. Societatea era practic insolvabilă. Lipsa de lichiditate și deficiența cronică de capital de lucru determină mărirea arieratelor la valori imposibil de recuperat. Riscul eliminării combinatului de pe pia]a mondială de profil era evident.

La UOR Oțelăria LD 1, în convertizorul LD, cu o capacitate de 180 de tone, se elaborează diverse mărci de oțel pentru construcții printre care și marca de oțel X52, conform API 5L/2000.

La convertizoarele cu suflare de oxigen, protecția căptușelii are loc în afara metodelor clasice (manual sau mecanic, cu materiale refractare, de același tip cu cele care compun căptușeala refracară) și anume prin glazurare.

Prin glazurare, “durata de viață” a convertizorului crește cu aproximativ 70%.

Pentru insuflarea oxigenului în baia metalică, este necesar ca temperatura băii de oțel în convertizor să fie puțin mai ridicată deoarece în timpul insuflării cu oxigen se pierde din temperatură.

Pentru desfășurarea proceselor de la elaborarea oțelurilor, o importanță deosebită prezintă intensitatea cu care terbuie să aibă loc fierberea băii metalice, redată prin viteza de decarburare.

Menținerea unei viteze de decarburare mari la concentrații mici de carbon se realizează mărind conținutul de oxigen din baie prin adaos de minereu de fier în zgură sau prin insuflarea de oxigen tehnic în baia metalică.

Procesul de desulfurare reprezintă o repartizare a diferitelor sulfuri între baia metalică și zgură.

Procesul de dezoxidare este unul dintre procesele metalurgice deosebit de importante în realizarea oțelurilor de înaltă puritate având ca scop îndepărtarea oxigenului dizolvat în baia metalică.

Ca și la celelalte procedee de elaborare a oțelului, în cazul procedeului cu convertizor cu oxigen sunt necesare a fi luate o serie de măsuri care să asigure tehnica securității și protecția muncii în oțelărie.

ANEXE