Aspecte Privind Comportarea Arcului Electric la Topirea Oțelului în Cuptoare Electrice

DEPARTAMENTUL DE ELECTROENERGETICĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

Aspecte Privind Comportarea Arcului Electric la Topirea Oțelului în Cuptoare Electrice

2016

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE

Odată cu focul omul a descoperit binefacerile și avantajele pe care le oferă energia termică în realizarea unor procese tehnice, indiferent de scopurile acestora-lucrativ sau de consum.

Cu timpul, a învățat să cerceteze, să descopere și să folosească alte modalități de obținere a căldurii.

Prin descoperirea și optimizarea modalităților de producere a energiei electrice, s-a descoperit o nouă cale de producere a energiei termice necesare.

Prin descoperirea și punerea la punct a modalităților de obținere a energiei electrice s-a deschis o nouă cale, foarte importantă, de producere a energiei termice necesare.

Folosirea energiei electrice pentru ridicarea temperaturii a evidențiat posibilitatea de obținere a unor avantaje nete comparativ cu celelalte sursă căldură folosite atât anterior cât și după introducerea pe scară largă a folosirii

electricității.

Câteva dintre aceste avantaje sunt:

-căldură se poate obține cu un randament bun, pierderile fiind mici;

-căldură se poate obține la locul de consum;

-încălzirea realizată într-un spațiu redus poate fi intensă și rapidă;

-materialele încălzite nu mai sunt impurificate de către produse de ardere care apar în cazul folosirii combustibililor (gaze de ardere, cenușă, etc.);

-procesul de încălzire poate fi dirijat precis, controlat și automatizat;

-spațiul de încălzire poate fi ermetizat, vidat, sau umplut cu gaze nobile

sau reducătoare;

-condițiile în care lucrează operatorul uman se pot îmbunătăți prin limitarea radiațiilor termice la care este expus și curățirea mediului de lucru.

Ca urmare a acestor avantaje și a altora care nu au fost enumerate, domeniile de aplicație a electrotermiei s-au extins permanent, cuprinzând o arie largă de la metalurgie și tratamente termice, până la medicină umană și uz casnic. În industrie utilizarea electrotermiei s-a impus mai ales la realizarea aliajelor feroase și neferoase, a metalelor pure și la tratamente termice.

Acest fapt a fost favorizat de posibilitățile rapide de punere în funcțiune a unei astfel de instalații și de debitul ei relativ constant de metal topit elaborat în unitatea de timp.

De asemenea se poate anticipa necesarul de energie care va fi necesară pentru a obține o anumită cantitate de metal la o temperatura dată. Cuptoarele metalurgice electrice realizează aliaje într-o gamă foarte largă de compoziții, având avantajul unei bune omogenizări datorată proceselor electrodinamice de amestecare continuă a băii de metal topit.

O consecință directă a realizării aliajelor în cuptoare electrice este consumul mai redus de

energie (datorat pierderilor de metal prin ardere mai mici și randamentului termic mai bun) în condițiile în care calitatea metalului topit este superioară.

Primele cuptoare metalurgice s-au realizat în secolul al 19-lea. În 1879 W.Siemens a construit un cuptor cu arc electric având capacitatea creuzetului mică, cu posibilitatea de a elabora 10 kg/ora metal topit.

Primul cuptor cu inducție la frecvența industrială datează din 1891. Treptat cuptoarele cu inducție se dezvoltă cuprinzând și gamele de frecvente mici și înalte.

Punerea la punct a unor procedee de stabilizare a arcului electric a permis dezvoltarea

rapidă a cuptoarelor cu arc. Experimental s-a constatat că din punct de vedere economic cuptoarele cu arc electric sunt rentabile la capacități mari, în timp ce cuptoarele cu inducție sunt rentabile la capacități mici ale creuzetului.

CAPITOLUL 2. ARCUL ELECTRIC.

2.1 Generalități

Arcul electric reprezinta o descarcare electrica autonoma, cu o mare densitate de curent, care se stabileste la valori reduse ale tensiunii electrice. Temperature coloanei de arc electric este de cca. 6000 K si creste cu presiunea, iar temperatura electrozilor atinge 3000 – 5000 K. Caldura dezvoltata de arcul electric este transmisa mediului, preponderent prin radiatie termica si sta la baza functionarii cuptoarelor cu arc electric.

Radiația termică este radiația electromagnetică emisă de toate corpurile aflate în stare condensată, la temperaturi mai mari de zero absolut. Ea este generată de agitația termică a constituenților substanței (atomi, electroni, ioni) care sunt în același timp purtători de sarcini electrice.

2.2 Modelarea caracteristicilor arcului electric

Considerat ca element de circuit, arcul electric are proprietăți de rezistor neliniar, fiind caracterizat printr-o dependență neliniară între tensiune și intensitatea curentului care îl traversează.

Caracteristicile volt-amper ale arcului electric pot fi statice sau dinamice, după cum viteză de variație a intensității curentului prin arc este foarte mică (în particular nulă) sau, dimpotrivă, are valori mari. Arcului electric de curent continuu îi sunt proprii atât caracteristici statice cât și dinamice, în timp ce arcul electric de curent alternativ poate fi modelat doar cu ajutorul caracteristicilor dinamice.

2.3 Caracteristicile arcului electric de curent continuu

În Fig.1.a. sunt reprezentate caracteristicile volt-amper statice ale unui arc electric de curent continuu, obținute pentru diferite lungimi constante ale coloanei. Alura curbelor se explică prin faptul că, la creșterea intensității curentului, se înregistrează o creștere a temperaturii în coloana arcului, determinând o creștere importantă a conductivității gazului, având drept efect scăderea tensiunii de arc.

Fig. 1 Caracteristicile arcului electric de curent continuu : a-statice; b-dinamice

Tabelul 1

Caracteristicile volt-amper dinamice se obțin pentru lungimi constante ale coloanei, dar pentru viteze nenule de variație a intensității curentului care traversează arcul. 

În Fig.1.b. sunt reprezentate caracteristicile volt-amper dinamice ale unui arc electric de curent continuu, obținute pentru diferite viteze, di/dt, de variație a intensității curentului. Arcul electric se amorsează la tensiunea us. Valorile tensiunii de stingere, ust, sunt cu atât mai depărtate de us, cu cât este mai mare viteza de variație a curentului. Fenomenul de histerezis, propriu acestor caracteristici, se explică prin inerția termică a coloanei. Aproximarea analitică a caracteristicilor arcului electric de curent continuu oferă posibilitatea modelării matematice a acestui proces, având drept rezultat obținerea unor relații de calcul utile în tehnica echipamentelor de comutație. În acest sens, este cunoscută funcția de aproximare dată de Herta Ayrton, având expresia:

α,β, γ si δ fiind constante,  lungimea coloanei arcului electric.

In tabelul 1 sunt afisate valorile constantelor din funcția Ayrton, pentru diferite materiale ale contactelor.

Conform relațiilor r.1, r.2, funcția de aproximare Ayrton evidențiază o variație liniară a tensiunii de arc ua, în raport cu lungimea  a coloanei, pentru aceeași intensitate a curentului. Utilizată în calcule este și funcția de aproximare propusă de Nottingham:

unde a, b, c, d sunt constante, iar – lungimea coloanei arcului electric.

Exponentul n se calculează cu relația:

n  2,62.10 4 T, r.4

T fiind temperatura de vaporizare a anodului, în grade absolute.

Tabelul .2

Independența căderilor de tensiune la electrozi în raport cu lungimea  a

coloanei arcului este considerată în funcția lui Rieder, care are expresia:

α,β, γ si δ fiind constante,  lungimea coloanei arcului electric.

Valorile constantelor funcției (1.15) sunt date în Tab.1.3, pentru diferite materiale de contact.

Cap. 2.4 Caracteristicile arcului electric de curent alternativ

Spre deosebire de arcul electric de curent continuu, arcul de curent
alternativ este un proces doar cvasistaționar care, la lungime unitară a coloanei,
este caracterizat printr-o ecuație de bilanț al puterilor având expresia:

Fig. 2.a Fig. 2.b

Coloana arcului electric de lungime Schema electrică echivalentă

unitară: Ea-tensiunea de arc; i-curentul a modelului de conductanță Mayr

prin arc; P-căldura cedată mediului în

unitatea de timp.

r.6

unde Q reprezintă energia din volumul coloanei arcului, Ea, i-gradientul de

potențial respectiv intensitatea curentului, iar p-puterea cedată mediului ambiant

sub formă de căldură în unitatea de timp. Conform ipotezei avansate de Mayr,

dependența conductanței G, a coloanei arcului, în raport cu conținutul Q, de

energie, se poate exprima printr-o relație de forma:

r.7

unde K și Q0 sunt constante. Deoarece, pentru coloana de lungime unitară, se

poate scrie:

r.8

după logaritmare și derivare în raport cu timpul, ținând seama și de r.6, relația r.7 conduce la ecuația:

r.9

ua fiind tensiunea coloanei arcului electric de lungime l. În ipoteza unei valori
constante, P0, pentru puterea disipată pe unitatea de lungime a coloanei și
adoptând notația:

r.10

unde Ta este constanta de timp a arcului electric, ecuația diferențială r.9
devine de forma:

r.11

cunoscută și sub numele de ecuație a arcului electric în regim dinamic.

Considerând că intensitatea curentului prin arc este sinusoidală, de forma:

pentru soluția ecuației diferențiale r.11 se reține expresia:

unde: r.12

r.13

În Fig.3.a sunt reprezentate curbele ua(t) date de relația r.13, pentru
diferite valori atribuite produsului (ωTa). Pentru (ωTa)→0 se obțin caracteristici
apropiate de cele ale arcului de curent continuu, în timp ce, pentru (ωTa)→∞,
tensiunea de arc se apropie de o sinusoidă.

Fig. 3.a Curentul și tensiunea de arc Fig. 3.b Caracteristici volt-amper

În Fig.3.b sunt reprezentate caracteristici volt-amper dinamice ale arcului electric de curent alternativ.

Ținând seama de relațiile r.6, r.7, r.10, constanta de timp Ta a arcului electric se definește ca fiind intervalul de timp în care conductanța G scade de e≅2,718 ori, după anularea puterii furnizate arcului de rețeaua de alimentare (i=0). În aceleași condiții, constantele Q0,K
reprezintă conținutul de energie din plasmă, în momentul anulării intensității curentului, respectiv conductanța electrică a arcului, după o durată Ta, considerată din momentul trecerii prin zero a curentului. Valorile constantei de timp Ta, care la întrerupătoarele moderne de înaltă tensiune sunt de ordinul microsecundei, au o importanță hotărâtoare în
procesul stingerii arcului electric de curent alternativ. Astfel, pentru o valoare dată a pulsației, atât din relația r.6 cât și din 3.a,b, rezultă că pentru reamorsarea arcului electric la începutul fiecărei semiperioade sunt necesare tensiuni de arc cu atât mai mari cu cât constanta de timp are valori mai mici; aceasta înseamnă, conform relațiilor r.7, r.10 că, după anularea intensității curentului, puterea P0, evacuată sub formă de căldură în unitatea de timp din coloana arcului, are valori mari și conductanța scade rapid în timp.

În aceste condiții, dacă sursa de alimentare a rețelei nu asigură niveluri suficient de mari ale tensiunii, arcul electric nu se mai reaprinde și se înregistrează stingerea sa definitivă.
Alt model de conductanță are la bază ipotezele lui Cassie, verificabile pentru valori mari ale intensității curentului de arc.
Utilizarea modelelor de conductanță (Mayr, Cassie etc.) permite
efectuarea unei analize corecte, sub raport calitativ, a aplicațiilor în care arcul electric intervine ca element de circuit. Modele de conductanță evoluate, cu mai mulți parametri independenți, sunt utilizate pentru dezvoltarea tehnicilor moderne în comutația de putere.

Capitolul 3. Cuptoarele electrice

Cap 3.1 Clasificarea cuptoarelor cu arc electric.

După domeniul de utilizare, cuptoarele cu arc electric se clasifică în:

• Cuptoare pentru elaborarea oțelurilor – alimentate la curent alternative trifazat, arcul electric stabilindu-se între electrozi și încărcătură formată din bucăți de oțel, fier vechi, deșeuri de fier, etc. ;

• Cuptoare cu arc electric în vid – alimentate, în special, în curent continuu și utilizate pentru obținerea unor metale de mare puritate;

• Cuptoare pentru reducere cu arc și rezistență – alimentate în curent alternativ și utilizate în obținerea fero-aliajelor, materialelor nemetalice greu fuzibile(carbură de siliciu, carbură de calciu, etc.) și pentru elaborarea fontei. La aceste cuptoare arcul electric este acoperit de încărcătură.

• Cuptoare pentru topire sub strat de flux – alimentate în curent alternativ și folosite la obținerea oțelurilor aliate și a altor aliaje metalice de înalta calitate.

Cap. 3.2 Cuptoare cu arc electric pentru elaborarea oțelurilor

Din punct de vedere electric aceste cuptoare reprezintă consumatori trifazați cu conexiunea în stea și neutrul izolat. Arcul electric stabilindu-se între cei 3 electrozi ai fazelor și încărcătură metalică.

Aceste cuptoare se utilizează la elaborarea oțelurilor( în special din fier vechi și deșeuri de fier) prin 2 procedee: de topire și de retopire.

3.2.1 Procedeul de topire cuprinde 3 faze:

– topirea propriu-zisă;

– afânarea;

– reducerea(dezoxidarea sau alierea).

În faza de topire, bucățile de fier vechi și deșeurile de fier sunt topite de căldură radiată de arcul electric, cuptorul funcționând la putere maximă.

În faza de afânare, după topirea completă a încărcăturii se insuflă oxigen sau se adaugă minereu de fier modificându-se conținutul de carbon, mangan și fosfor în funcție de calitatea prescrisă a oțelului. Se produce zgura pe baza de calcar, care se ridică la suprafață băii de metal topit și este evacuată din cuptor prin bascularea cuvei acestuia.

În faza de reducere, care începe după evacuarea zgurei, se procedează la reducerea conținutului de oxigen, de oxizi și de sulf prin adăugarea de siliciu și introducerea elementelor de aliere necesare rețelei oțelului. La atingerea temperaturii de golire se adaugă aluminiu sau siliciu pentru dezoxidarea completă.

3.2.2 Procedeul de retopire – este practicat pentru obținerea oțelurilor înalt aliate. Pentru această se aleg desurile de oțel care să aibă, aproximativ, compoziția finală a oțelului ce urmează a se elabora și se introduc în cuptor. În procesul tehnologic de producere a oțelului se elimina faza de afânare și se scurtează faza de reducere.

Cuptoarele cu arc electric pentru elaborarea oțelurilor au următoarele avantaje față de celelalte tipuri de cuptoare:

• permit utilizarea desurilor de fier vechi;

• se pot obține aliaje speciale de oțeluri cu crom, nichel, vanadiu și wolfram;

• au capacitate foarte mare, de până la 400 t și puteri unitare mari(permit până la 150 MVA);

• permit reglajul automat și conducerea proceselor tehnologice cu calculatorul.

Dezavantajele cuptoarelor cu arc electric:

• solicitare termică foarte puternică a pereților și boltei incintei, datorită radiației arcului electric;

• variații mari de putere între faza de topire și faza de afânare;

• reprezintă un consumator dezechilibrat și o sursă puternică de regim deformant, generând armonicele 3 și 5;

• funcționarea lor este însoțită de zgomot puternic(până la 120 dB) în faza de topire și de producerea și răspândirea unei mari cantități de praf în faza de afânare.

3.3 Elemente constructive ale cuptorului cu arc electric pentru elaborarea oțelurilor.

Principalele elemente constructive ale cuptorului cu arc electric sunt:

• cuva de topire;

• mecanismul de basculare a cuvei;

• electrozii și portelectrozii cu mecanismul de deplasare;

• rețeaua scurtă;

• mecanismul de încărcare al cuptorului.

Cuva cuptorului, 1, are formă cilindrică cu baia de topire de formă sferotronconica, cu pereții din cărămizi de silită sau din magnezită în funcție de procedeul acid , respectiv bazic, în care lucrează cuptorul. Vatra cuptorului este realizată din cărămizi de șamotă sau magnezită peste care se așază un praf stampat și sinterizat de nisip legat cu silită solubilă(la procedeul acid) sau din granule de maagnezita legate cu smoală sau gudron(la procedeul bazic). Cuptorul este învelit la exterior de o carcasa metalică, iar între pereții cuvei și carcasa se intercalează un strat termoizolant din praf de șamotă sau de diatomita sau chiar din foi azbest. Peretele cilindric al cuvei are 2 orificii, unul pentru amplasarea jgheabului de turnare și celălalt, numit “gură de lucru” pentru scoaterea zgurei și asigurarea accesului în cuptor a materialelor de adaus pentru corectarea procesului tehnologic.

Fig. 4. Reprezentare schematică, în secțiune, a elementelor componente ale cuptorului cu arc electric pentru elaborarea oțelurilor.

Boltă cuptorului se realizează din cărămizi fasonate de silită sau de crom-magnezită, fixate pe un inel portant de oțel prin interiorul căruia circulă apă de răcire. Boltă este prevăzută cu patru orificii, din care: trei orificii pentru pătrunderea electrozilor celor trei faze ale rețelei electrice de alimentare și un orificiu pentru evacuarea prafului. Boltă se poate ridică și roți.

Eletrozii, 3, sunt plasați în vârfurile unui triunghi echilateral și străpung boltă prin cele trei orificii ale acesteia. Electrozii sunt confecționați din cărbune sau din grafit. Electrozii de cărbune sunt realizați din antracit, cocs, cocs de petrol și smoală prin presare și sintetizare la 1000 grade C. Electrozii de grafit se obțin prin încălzirea electrozilor de cărbune în cuptoare speciale, la 2500 grade C, ei fiind superiori din punct de vedere mecanic și electric. Ei se consumă mult mai încet. Electrozii au lungimi de 1-3m și diametre de 100-1000mm.

Portelectrozii, 5, fixează electrozii prin suporții de prindere, 4 și îi alimentează cu energie electrică prin intermediul țevilor portelectrod, 6, realizate din țevi de cupru răcite cu apă.

Rețeaua scurtă, 8, asigura legătură între portelectrozii și barele secundare, 10, ale transformatorului de alimentare, fiind realizate din cabluri flexibile din cupru, cu lungimi de 10-30 mm, care sunt parcurse de curenți foarte mari, de peste 100Ka.

Cablurile au o construcție specială din conductoare multifilare de cupru amplasate în jurul unui tub de cauciuc și introduse într-o manta dublă de cauciuc pânzat, între pereții căreia circulă apă de răcire. Cablurile flexibile sunt de secțiuni mari (500-4050mm2) pe faza, utilizându-se maximum câte patru pe faza, în cazul cuptoarelor mari(peste 100t).

Transformatorul, 11, este de construcție specială pentru a permite alimentarea cuptorului cu putere variabilă în limitele (0,25-1)Sn. El se amplasează într-o incinta separă de cuptor printr-un zid de cărămidă sau beton.

Mecanismul de deplasare pe verticală a electrozilor, 7, poate fi de două tipuri: cu acționare electromecanică(un cărucior care se deplasează pe un stâlp fix) sau cu acționare electrohidraulica(un stâlp care poartă portelectrodul și se deplasează pe verticală într-un ghidaj telescopic). Cursa suportului portelectrod poate ajunge până la 2m, fiind limitată de niște limitatoare de cursa.

Mecanismul de basculare a cuvei, 2, poate fi acționat electromecanic sau hidraulic. El permite înclinarea cuptorului cu un unghi de 40-45 grade înspre partea de golire și cu un unghi de 10-12 grade înspre partea de evacuare a zgurei(gură de lucru).

Coloana de pivotare, 9, acționată hidraulic, asigura ridicarea boltei cuptorului împreună cu electrozii, cu cca. 150-200mm și rotirea ansamblului cu cca 80 grade pentru încărcarea cuvei cu material pentru topire.

Echipamentul electric al cuptorului cu arc.

Acesta asigura alimentarea optimă cu energie electrică a cuptorului știind că în faze diferite ale procesului tehnologic(topire, afânare, reducere), dar și în cadrul unei faze, cuptorul necesită puteri diferite.

Schemă electrică monofilară, de principiu, a alimentării a unui cuptor cu arc electric pentru elaborarea oțelului este dată în figura xxxxxx.

Alimentarea cu energie electrică a cuptorului cu arc electric se realizează la rețeaua electrică de medie sau de înalta tensiune (6-22 kV) prin intermediul unui transformator, T, de construcție specială, care are în secundar tensiunea de 65-850 V și curentul de până la 160 kA. Tensiunea în secundar se reglează cu ajutorul a (2-25) prize plasate în înfășurarea primară, cu reglaj sub sarcina.

Bobină, BR, plasată în amonte de transformator, are rolul de a limita valoarea curenților de scurtcirvuit, care apar în faza de topire. Constructiv, bobină se introduce în aceeași cuva cu trasnformatorul. La cuptoarele cu capaticate mai mare de 10 tone, bobină nu mai este necesară.

Legătură electrică dintre transformatorul, T, și cupotorul, CE, este asigurată de rețeaua scurtă, RS, formată dintr-un sistem trifazat de conductoare a căror mod de conectare influențează puternic randamentul și factorul de putere ale cuptorului. Fazele rețelei scurte pot fi legate în stea, în triunghiul nesimetric, sau în triunghi simetric ca în fig.5 .

Fig. 5

Conexiunea în stea se folosește la cuptoarele de mică capacitate (sub 10 tone) având avantajul simplității constructive și consumului redus de cupru, dar are dezavantajul producerii regimurilor nesimetrice, prin încărcarea nesimetrică a fazelor datorită impendatelor diferite ale celor 3 faze. Conexiunea în triunghi nesimetric se utilizează la cuptoare de capacitate medie, de peste 100 tone.

Încărcarea nesimetrică a fazelor rețelei scurte produce dezechilibrul puterilor pe faze astfel încât faza cu impedanta cea mai mică va absorbi putere de la faza cu impedanta cea mai mare. Civrulatia puterilor între faze determina creșterea puterii fazei de impedanta maximă, care va deveni “faza slabă”. Acest fenomen are că efect erodarea mai rapidă a căptușelii peretelui cuvei în dreptul fazei țări și scăderea productivității cuptorului, deoarece micșorarea puterii fazei slabe este mai accentuată decât mărirea puterii fazei tari.

CAPITOLUL 4. CUPTOARE DE TOPIRE

Cuptoarele de topire sunt utilaje utilizate pentru obținerea metalelor și aliajelor din minereuri și pentru topirea acestora în vederea obținerii proprietăților tehnologice necesare. În aceste cuptoare materialele își schimbă starea de agregare.

4.1. FURNALUL

Furnalul este un cuptor vertical tip cuvă pentru obținerea fontei (fontă de primă fuziune) din minereuri de fier, folosind drept combustibil cocs sau mangal. Se folosesc și furnalele electrice în care căldura necesară proceselor de elaborare a fontei este furnizată de arcul electric, iar consumul de cocs sau mangal se limitează la acoperirea necesarului de carbon pentru reducerea oxizilor și carburarea fontei. Primele furnale (Fig.6) datează din sec. XIV și erau zidite din piatră naturală, sub forma unui bloc, cu secțiune pătrată, având aspectul unui trunchi de piramidă, consolidat cu centuri de oțel strânse cu pene sau șuruburi. Creuzetul era deschis, astfel că fonta și zgura curgeau continuu în bazinul deschis, de unde fonta se lua cu o lingură și se turna în blocuri.

Fig.6. Schema primelor furnale.

Încărcarea se făcea manual, iar aerul se sufla cu ajutorul foalelor acționate de forța oamenilor, animalelor sau a apei. Până la mijlocul sec. XVIII drept combustibil era folosit mangalul. În 1735 metalurgul englez A. Darby a înlocuit mangalul cu cocsul. În sec. XIX un rol principal în dezvoltarea furnalului a revenit suflării aerului cald și utilizării gazului de furnal drept combustibil. Profilul interior al furnalului modern (Fig. 6.6.) se compune din cinci părți distincte: gură de încărcare, cuvă, pântec, etalaj și creuzet, în fiecare parte având loc anumite procese fizico-chimice. În creuzetul de formă cilindrică se adună fonta și zgura topită. La partea inferioară a creuzetului se găsesc orificiile de evacuare a fontei și zgurei iar la partea superioară se găsesc gurile de vânt pentru introducerea aerului necesar arderii combustibilului. Aerul insuflat se preîncălzește în prealabil în caupere. În etalajul de formă invers tronconică se desfășoară o parte a proceselor de ardere a combustibilului și de carburare a fierului redus în zonele superioare. În pântecele de formă cilindrică se formează zgura primară și începe topirea fontei.

În cuva de formă tronconică au loc, în principal, procese de reducere indirectă în stare solidă a minereurilor de fier. Materialele solide (minereu, cocs, fondanți) se introduc prin gura de încărcare cu ajutorul aparatului de încărcare care permite încărcarea continuă a furnalului, fără scăparea gazelor în atmosferă. Etanșeitatea aparatului de încărcare este realizată prin deschiderea și închiderea alternativă a conului mare și conului mic.

La gura de încărcare se află conductele de evacuare a gazului de furnal.

Fig. 7 Schema furnalului înalt

Zidăria furnalului se îmbracă cu o manta metalică din tablă de oțel roluită și asamblată prin sudură, aceasta constituind blindajul furnalului. Blindajul, care constă din virole cilindrice sau conice corespunzătoare formei zidăriei, are o grosime minimă de 28…36 mm. Blindajul are rol de etanșare și de rezistență, preluând eforturile determinate de presiunea interioară a gazelor și de dilatarea zidăriei. Deoarece procesul tehnologic ce are loc în furnal este un proces continuu, în orice moment vor exista toate stadiile de transformare a materiilor prime în fontă, zgură și gaz de furnal. Furnalele moderne au volumele utile între 700…2700 m3.

Furnalele mari, în special cele de peste 1000 m3, impun condiții stricte pentru calitatea materialelor din încărcătură (granulație, rezistență, uniformitate etc.). Furnalele electrice pot fi înalte sau cu cuvă scundă. Furnalul electric înalt (Figura 6.7.) este format dintr-o cuvă cilindrică cu o lățime de circa 7…9 m și un creuzet foarte larg în care sunt introduși 6…8 electrozi.

Încărcătura este formată din minereu de calitate superioară și combustibil, de preferință mangal. Pentru a se realiza reducerea în cuvă, se suflă gaz de furnal care conține 50-70% CO, 15-30% 152 CO2 și foarte puțin H2, CH4 și N2. O treime din gazul de furnal rezultat se suflă din nou în furnal pe la partea de jos.

Fig. 8 Furnalul electric înalt [14].

Deși producția acestor furnale este mai mică decât a celor clasice, fontele obținute sunt de foarte bună calitate. Consumul de energie electrică este în medie de 2 400 kWh/t. Furnalul electric cu cuvă scundă, numit și cuptorul Tysland-Hole, s-a dezvoltat mult mai mult decât furnalul electric înalt, realizând producții de 200…300 t fontă /zi. Cuptorul poate avea formă alungită, cu electrozii dispuși în linie de-a lungul axei mari, sau sub formă rotunjită cu electrozii așezați în triunghi.

4.2. CUPTORUL SIEMENS-MARTIN

Cuptorul Siemens-Martin (Figura 6.8.) este utilizat pentru elaborarea oțelurilor. Este un cuptor cu vatră, în care căldura necesară proceselor se produce prin arderea unui combustibil lichid (păcură, motorină) sau gazos (gaz de cocserie, gaz natural) cu aer. Temperatura în cuptor trebuie să fie de circa 1700°C. Întrucât nici unul din combustibilii menționați nu poate asigura prin ardere cu aer rece această temperatură, arderea se face cu aer preîncălzit până la temperatura de 1150-1200°C. Preîncălzirea aerului se realizează prin recuperarea căldurii fizice a gazelor arse care părăsesc cuptorul. Sistemul de preîncălzire a aerului, inventat de frații Fr. si W. Siemens, în 1857-1858, a fost adoptat de P. Martin în 1863 la un cuptor cu vatră, realizându-se astfel cuptorul Siemens-Martin.

Funcționarea cuptorului Siemens-Martin se poate înțelege urmărinduse schema din fig. 8.

Cuptorul Siemens-Martin este format din partea superioară I, aflată deasupra platformei de lucru 1, în care are loc elaborarea oțelului, și partea inferioara II, aflată sub platforma de lucru (parțial deasupra solului, parțial în sol), în care se preîncălzește aerul. Spațiul de lucru sau cuptorul propriu-zis, are lungimea de 2,5…3,0 ori mai mare decât lățimea, mărginit în partea de jos de vatra 9, în partea de sus de bolta 10, lateral de peretele din spate (peretele posterior) și de peretele din față (peretele anterior). În peretele anterior sunt prevăzute ușile de lucru 11 – întotdeauna în număr impar (trei, cinci, șapte), pentru ca ușa din mijloc să se găsească in dreptul orificiului de evacuare a oțelului; orificiul este prevăzut în vatră, în dreptul axei de simetrie a cuptorului, sub peretele posterior. La capete, spațiul de lucru este mărginit de pereții frontali, care fac legătura între peretele anterior, peretele posterior și capetele de ardere 12. Capetele de ardere servesc pentru introducerea în cuptor a combustibilului și a aerului de ardere (cap de ardere de emisie) și pentru evacuarea gazelor de ardere (cap de ardere de admisie). Cele două capete de ardere servesc alternativ drept cap de emisie , respectiv de admisie. Partea inferioară se compune din: – camerele de zgură, câte una la fiecare cap de ardere ; – camerele regeneratoare, în număr egal cu camerele de zgură, care servesc pentru preîncălzirea aerului. Ele sunt umplute cu grătare din cărămidă refractară, care au rolul de a acumula căldura fizică a gazelor arse și de a ceda apoi aerului de ardere; – canalele orizontale 13 prin care se admite aerul în camera regeneratoare de la capătul de emisie și prin care se evacuează gazele arse din camera regeneratoare, de la capul de admisie ; – canalul la coș 14 prin care trec gazele arse la coșul 8;
– canalele verticale 15 care fac legătura între capetele de ardere și
camerele de zgura.

Fig. 9 Schema de funcționare a cuptorului Siemens-Martin, încălzit cu
combustibil superior [12]:1 – spațiul de lucru ; 2 -camera regeneratoare de admisie; 3-
camera regeneratoare de emisie; 4 -ventilator; 5 -supapă de gâtuire; 6-supape de
închidere; 7-aparat de inversare; 8 – coș; 9 – vatră; 10 – boltă; 11 –uși de lucru; 12-capete de
ardere; 13 – canale orizontale; 14 – canal la coș; 15 – canale verticale.

Pe vatra cuptorului se introduce încărcătura metalică. Combustibilul și aerul cald se introduc prin capul de ardere de emisie. Flacăra și gazele arse calde încălzesc încărcătura de pe vatră, precum și zidăria pereților și a bolții și părăsesc apoi spațiul de lucru prin capul de ardere opus, având temperatura de 1650-1670°C, deci conținând o cantitate mare de căldură. O mare parte din aceasta căldură va fi reținută în grătarele camerelor regeneratoare.

Gazele arse antrenează din spațiul de lucru particule solide și lichide. Pentru ca acestea să nu ajungă la grătarele camerelor regeneratoare și să nu le înfunde, gazele trec mai întâi prin camera de zgură, unde se separă aceste particule. Separarea lor se produce datorită destinderii gazelor la trecerea din canalele verticale (cu secțiune mică) în camera de zgură (cu secțiune mult mai mare) și schimbării direcției provocată de tirajul produs de coș (gazele fiind atrase spre camera
regeneratoare). Particulele solide și lichide aflate în gazele arse, având inerție mare, își păstrează viteza și direcția, depunându-se în camera de zgură, în timp ce gazele arse își continuă drumul spre camera regeneratoare.

În camera regeneratoare, gazele arse cedează căldura lor fizică grătarelor din material refractar.

Prin acest proces de schimb de căldură, gazele arse se răcesc (la ieșirea din camera au numai 600…650°C), iar grătarele se încălzesc (în partea de sus ajungând la temperatura de 1300…1350°C). În timp ce camera regeneratoare de la capul de admisie se încălzește, camera regeneratoare de la capul de emisie se răcește, deoarece prin aceasta trece aerul care preia căldura acumulată în grătare.

Când temperatura grătarelor în camera de emisie scade la circa 1250-1200°C, cu ajutorul aparatelor de inversare, plasate la întâlnirea canalelor orizontale și a canalului la coș, se schimbă direcția aerului de ardere spre camera regeneratoare încălzită. Astfel, capul de ardere de emisie devine cap de admisie, iar capul de ardere de admisie devine cap de emisie. Inversarea arderii se face la interval de 10-20 min.

4.3.CUPTORUL ELECTRIC CU ARC TIP HÉROULT

Cuptorul electric cu arc pentru elaborarea oțelului folosește curent alternativ trifazat, arcul electric formându-se între cei trei electrozi (pentru fiecare fază un electrod), și încărcătura metalică. De aceea, se numește cu
arc cu acțiune directă. Energia electrică o primește de la rețeaua de înaltă tensiune (6-110 MV), prin intermediul unui transformator, care furnizează cuptorului curent la tensiuni variabile – între 90 și 350 V. Cuptorul (Fig. 6.9.) este format din corpul cuptorului 1, bolta 2, dispozitivul de basculare 8. Corpul cuptorului, de formă cilindrică, închis la partea de jos sub formă de calotă sferică sau trunchi de con, este construit dintr-o manta din tablă groasă de oțel, căptușită în interior cu material refractar bazic (cărămizi de magnezită sau blocuri de dolomită stabilizată) sau acid (cărămizi de silica). Pentru reducerea pierderilor de căldură, între mantaua metalică și zidăria refractară se intercalează un strat izolator. În corpul cuptorului sunt prevăzute două orificii : orificiul de evacuare a oțelului, prevăzut cu un jgheab 4 și ușa de lucru 5. Corpul cuptorului este fixat pe o sanie 3, cu ajutorul căreia poate fi basculat spre orificiul de evacuare a oțelului cu până la 45° și spre ușa de lucru cu până la 15°. Pentru ca bascularea să se facă lin, se folosește un dispozitiv electrohidraulic (se pot folosiși dispozitive electromecanice).

Fig. 9 Schița cuptorului cu arc electric
[14]: 1-corpul cuptorului; 2-bolta; 3-sanie;
4-jgheab de evacuare; 5-ușa de lucru;
6-electrozi; 7-inele din cupru răcite cu apă;
8-dispozitiv de basculare.

La partea de sus, corpul cuptorului este închis cu o boltă detașabilă, zidită din cărămidă de silica sau de cromo-magnezită, care se sprijină pe mantaua metalică prin intermediul unui inel. În boltă sunt prevăzute trei orificii, dispuse în vârfurile unui triunghi echilateral. Prin orificiile din bolta trec cei trei electrozi 6. Electrozii sunt susținuți cu ajutorul unor inele 7 din cupru răcite cu apă. Inelele se găsesc la capetele unor brațe orizontale, susținute de stâlpi verticali fixați pe sania de basculare, pentru ca electrozii să se basculeze odată cu cuptorul.

Brațele care susțin electrozii se pot deplasa în sus și în jos pe stâlpii de susținere, deplasare comandată automat în scopul întreținerii arcului electric. Electrozii se execută din grafit sau din cărbune grafitizat, având la capete niște orificii filetate. Electrozii se pot prelungi prin îmbinare cap la cap cu ajutorul unor nipluri de legătura filetate.

Curentul electric este adus de la transformator la brațul de susținere a electrodului cu un cablu flexibil, iar de-a lungul brațului, cu o șina de cupru, la inelul de prindere a electrodului, care îndeplinește și funcția de a transmite energia electrică la electrod.

4.4. CUPTORUL ELECTRIC CU ARC TIP GIROD

Cuptorul electric cu arc tip Girod, (Fig. 10), variantă a cuptorului tip Héroult, este folosit pentru elaborarea metalelor sau aliajelor, în special, pentru elaborarea oțelului, arcul electric formându-se între electrozii montați în boltă și vatra cuptorului. Pentru curentul alternativ monofazat cuptorul era prevăzut cu un electrod de grafit în 157
Capitolul 6:Cuptoare Metalurgice boltă și doi electrozi metalici, răciți cu apă, în vatră. În cazul curentului alternativ trifazat se utilizează trei electrozi de grafit montați în boltă, asemănător cuptorului electric tip Héroult, însă cu vatră bună conducătoare de electricitate. În prezent, asemenea cuptoare se folosesc rar.

Fig. 10 Cuptor electric cu arc tip Girod

4.5. CUPTORUL DE TOPIRE CU PLASMĂ

Cuptorul de topire cu plasmă (Fig. 11.)este o variantă a cuptorului electric cu arc și este folosit pentru elaborarea aliajelor de înaltă calitate. Plasma generată în amestec de argon și hidrogen sau numai în argon, este concentrată în cîmp magnetic pentru creșterea energiei acesteia. Instalația de generare și concentrare a plasmei se numește
plasmotron. Pentru elaborarea aliajelor se poate folosi un plasmotron contraanod, catodul fiind confecționat din wolfram si prevăzut cu o duză de gaz răcită cu apă. Cuptorul este dotat cu trei plasmotroane care intră în cuptor prin boltă, și cu bobine, amplasate sub vatră, pentru agitarea băii metalice în scopul omogenizării acesteia. În perioada de topire plasma e generată în amestec de argon si hidrogen, iar în perioada de afinare numai în argon. În prezent, se pot topi lingouri de 150 kg din aliaje refractare, de 500- 1000 kg din oțeluri de rulmenți și de 3…5 t din oțeluri de construcție speciale sau oțeluri inoxidabile, folosind 4…6 plasmotroane de 160-2800 kW.

Fig. 11 Cuptorul de topire cu
plasmă

4.6.CUPTORUL ELECTRIC CU INDUCȚIE CU CREUZET

Acest tip de cuptor este folosit în general pentru elaborarea metalelor 158
Capitolul 6:Cuptoare Metalurgice sau aliajelor. Operațiile necesare procesului de elaborare au loc într-un creuzet realizat, de obicei, din materiale refractare acide. În acest scop, creuzetul este prevăzut la exterior cu o serpentină din țeavă de cupru, sub formă de solenoid, prin care circulă apa pentru răcire.

Se formează astfel inductorul sau circuitul primar al transformatorului, iar circuitul secundar este reprezentat de încărcătura metalică (indusul). Creuzetul și inductorul sunt montați pe o carcasă metalică pusă în legătură cu un dispozitiv de basculare, în vederea evacuării aliajului în stare lichidă. În cazul elaborării unor oțeluri aliate, creuzetul se confecționează din materiale refractare bazice. Cuptorul poate funcționa cu un curent având frecvența obișnuită de la rețea, la joasă frecvență (100… 150 Hz), la medie frecvența (500și 2000 Hz) sau la înaltă frecvență (10 000- 30 000 Hz). La elaborarea oțelurilor în cuptorul cu inducție de acest tip nu se poate efectua operația de afinare, acesta servind mai mult pentru retopire. În timpul topirii pot avea loc totuși, unele reacții de oxidare, cu ajutorul oxigenului adus de fierul vechi. După topire se îndepărtează zgura și se face dezoxidarea urmată de introducerea feroaliajelor sau a prealiajelor, pentru corectarea compoziției chimice. Se mai menține aliajul în cuptor o perioadă scurtă de timp, pentru corectarea temperaturii, după care se evacuează. Aliajul elaborat conține puține incluziuni nemetalice și este omogen din punct de vedere a compoziției chimice și a structurii. Aceste tipuri de cuptoare ajung la o capacitate de circa 20 t și sunt destul de utilizate în prezent.

Fig. 12 Cuptorul electric cu inducție
cu creuzet

4.7 CUPTORUL ELECTRIC CU INDUCTIE CU MIEZ

Acest cuptor se bazează pe inducția electromagnetică, fiind prevăzut în acest scop cu un miez de oțel moale (Fig. 13). Formarea curentului secundar este ușurată atunci când după fiecare turnare se oprește în cuptor o cantitate de aliaj (până la 50% din capacitatea cuptorului). Are dezavantajul ca funcționează la un factor de putere scăzut (cosφ= 0,3…0,6).

Fig. 13 Cuptorul electric cu inductie cu miez

CAPITOLUL 5 ELABORAREA OȚELULUI ÎN CUPTOARE ELECTRICE

5.1 Elaborarea oțelului în cuptoare electrice cu încălzire prin arc electric, căptușite bazic

5.1.1 Considerații generale

Cuptorul cu arc electric ce se utilizează pentru elaborarea oțelului este același, ca principii constructive, cu cel utilizat la elaborarea fontei. Deosebirile mai importante se referă la capacitatea nominală ce, în cazul elaborării oțelului, poate ajunge la valori cuprinse în intervalul 200 … 300t.
Fluxul tehnologic de elaborare a unui oțel, la modul cel mai general, conține următoarele etape:
1. Pregătirea încărcăturii
2. Ajustarea
3. Încărcarea
4. Topirea
5. Fierberea (afinarea)
6. Dezoxidarea
7. Alierea
8. Evacuarea
Există trei categorii de elaborare a oțelului, dictate, în special,de particularitățile etapei de topire, acestea fiind următoarele: cu oxidare totală, cu oxidare parțială și fără oxidare.

5.1.2 Elaborarea cu oxidare totală
Atmosfera cuptorului, în timpul topirii, are, relativ,
următoarea compoziție chimică: 55% N2, 34% CO, 6% O2, 3% CO2 și
2% H2.
Elaborarea cu oxidare totală se indică în cazul în care fierul
vechi este ruginit, bucățile de fier vechi au dimensiuni mici (ușoare) și
conținutul de fosfor din încărcătura metalică este mare (maximum
0,08%).Încărcătura metalică nu conține deșeuri proprii de oțel aliat. Încărcătura conține și minereu de fier, în cantitate calculată, în așa fel încât, la finalul topirii, conținutul de carbon să fie de maximum 0,1% .
Oxigenul din atmosfera cuptorului, dar și bioxidul de carbon,și din agentul oxidant introdus o dată cu încărcătura, în timpul etapei de topire, oxidează complet siliciul din încărcătura metalică, oxidează maximum 75% din catitatea de mangan din încărcătură, oxideaza fosforul până la 0,01%, oxidează carbonul relativ puțin – 5 … 10% – și nu oxidează sulful.
Conținutul foarte mic de carbon de la finalul etapei de topire arată că fierberea oțelului nu are loc doar ca etapă distinctă în fluxul tehnologic, ci se desfășoară și în timpul topirii – fierberea reprezintă,succint, oxidarea carbonului cu formare de CO, bulele de CO rezultate evacuându-se din baia metalică, părăsirea băii metalice de către respectivele bule justificând denumirea de fierbere.

5.1.3 Elaborarea cu oxidare parțială
Elaborarea cu oxidare parțială se indică în cazul în care încărcătura metalică nu este ruginită în mod avansat și conține sau nu deșeuri de oțel aliat.
Oxigenul din atmosfera cuptorului și cel introdus de încărcătură oxidează siliciul din încărcătură, în timpul topirii, în proporție de 70 … 100%, manganul în proporție de maximum 50%, fosforul în proporție de maximum 60%, fierul în proporție de maximum 2%, carbonul în proporție de maximum 20%, vanadiul și titanul, în totalitate, wolframul și cromul, parțial etc. Dacă se cere o defosforare mai avansată încărcătura trebuie să conțină var în cantitate de 3 … 4% și minereu de fier în cantitate de 1 … 2%, astfel, în timpul topirii, conținutul de fosfor scăzând până la maximum 0,02%, siliciul oxidându-se în totalitate, Mn, Cr și W oxidându-se două treimi. Elaborarea cu oxidare parțială este cea mai răspândită la scară industrială, deoarece este o metodă de elaborare flexibilă, adaptabilă multor regimuri de încărcătură metalică.

5.1.4 Elaborarea fără oxidare
Elaborarea fără oxidare se indică în cazul încărcăturii metalice foarte curate ce conține deșeuri de oțel aliat, în circumstanțele în care se asigură în timpul topirii condiții de oxidare foarte mici – durată mică de topire, utilizare de transformator puternic, absență de minereu de fier în încărcătură, utilizare de 0,5…1,0% var ce se amplasează pe vatră înainte de încărcarea cuptorului, desfășurare a topirii cu ușa închisă și cu orificiul de evacuare a oțelului obturat cu scopul evitării pătrunderii aerului în cuptor, asigurare de atmosferă reducătoare în timpul topirii prin adaos de mangal sau cocs (de granulație mică) –
mangalul sau cocsul generează monooxid de carbon în atmosfera cuptorului, ceea ce diminuează accentuat oxidarea elementelor chimice de aliere din încărcătură – etc.

5.1.5 Pregătirea încărcăturii
Încărcătura se pregătește din următoarele puncte de vedere:dimensional, aranjament spațial, chimic, calitativ și al greutății specifice.
5.1.5.1. Pregătirea dimensională
Există trei categorii de bucăți metalice, de sorturi metalice, sub aspectul dimensiunilor, acestea fiind următoarele:
– sorturi ușoare sau mărunte. Acestea au dimensiuni mici(până la 100x100x100 mm) și corespund grupei de masă 2…7 kg/bucată;
– sorturi mijlocii. Acestea au dimensiuni medii (de la 100x100x100 mm la 250x250x200 mm) și corespund grupei de masă de la 8 kg/bucată până la 40 kg/bucată;
– sorturi grele sau mari. Acestea au dimensiuni mari (de la 250x250x200 mm până la 600x350x250 mm) și corespund grupei de masă de la 40 kg/bucată până la o masă egală cu a cincizecea parte din masa de încărcătură metalică.

Sorturile metalice din încărcătură se pregătesc sub aspect dimensional prin tăiere cu flacără oxiacetilenică, cu foarfece tip ghilotină acționat hidraulic sau tip aligator, prin balotare (șpanul ) etc.
Tipuri de sorturi in functie se masa specifica:
– masa specifică situată în intervalul 800…1.300 kg/m3 (sorturi ușoare) ;
– masa specifică situată în intervalul 1.300…1.700 kg/m3 (sorturi mijlocii);
– masa specifică mai mare de 1.700 kg/m3 (sorturi grele) ;
5.1.5.2 Aranjamentul spațial
Aranjamentul spațial se realizeză direct, în cuptor sau indirect,în bena de încărcare.

În cazul realizării încărcării în bene,aranjamentul din benă se transmite prin descărcarea acesteia în cuptor.Pe vatră se încarcă sorturi metalice ușoare, în acest fel protejându-se vatra, în timpul încărcării, de șocurile mecanice provocate de componentele ascuțite ce pot perfora vatra, astfel,creîndu-se un potențial de străpungere a vetrei cu metal lichid în timpul topirii sau în etapele ulterioare când temperatura oțelului depășește temperatura de 1.600C. Ulterior, peste sorturile ușoare se încarcă sorturile metalice grele, după care se încarcă sorturile metalice mijlocii iar la partea superioară a încărcăturii se încarcă restul de sorturi metalice ușoare.
Partea de deasupra a încărcăturii se recomandă să fie sub formă de semisferă.
Se recomandă să se evite următoarele situații, scopul principal fiind micșorarea duratei de topire :
– amplasarea bucățile mari deasupra încărcăturii, sub electrozi. Astfel, electrozii nu pot pătrunde în încărcătură, fiind nevoie să se lucreze de la început cu tensiune mare, ceea ce înseamnă lungime mare și grosime mică pentru arcul electric, arc descoperit și radiere puternică de căldură de către arcul electric și electrozii incandescenți către boltă și peretele cuvei. Consecința este uzarea căptușelii refractare, pierderi mari de căldură și, astfel, prelungirea nejustificată a duratei de topire – creșterea costului oțelului elaborat;
– încărcătură compactă. În această situație arcul electric se întrerupe mereu, există zgomot puternic, acele indicatoare de la ampermetre săltând mereu;
– în încărcătură există materiale rele conducătoare de electricitate sub formă de strat continuu. Consecința, în acest caz,este întreruperea arcului electric;
– încărcătură necompactă. În acest caz, electrozii pătrund repede prin respectiva încărcătură, ajung la vatră înainte de a se forma baia metalică, riscându-se deterioarea vetrei;
– amplasarea necorespunzătoare a bucăților mari. O asemenea situație conduce la prăvălirea respectivelor bucăți peste electrozi, determinând fie ruperea lor fie dirijarea lor oblic;
– folosirea incorectă a puterii transformatorului – consecința este formarea unor punți (poduri) de către încărcătura metalică, ceea ce poate determina ruperea electrozilor.
Ordinea de încărcare trebuie să asigure o rezistivitate termică a încărcăturii cât mai mică. În consecință, materialele metalice greu fuzibile și cele cu conductivitate termică mică (var, minereu de fier,bauxită, fluorină etc.) nu se încarcă deasupra încărcăturii.
Deasupra stratului de sorturi metalice ușoare, ce se amplasează pe vatra cuptorului, se introduce jumătate din cantitatea de material de carburare, restul de var, adică 70…75% din cantitatea de var necesară pentru formarea zgurii și toată bauxita pentru fluidizarea zgurii (sau fluorina). Ulterior, se continuă cu încărcarea sorturilor metalice grele, așa cum s-a precizat la începutul acestui paragraf.Deasupra încărcăturii metalice, sub electrozi, se amplasează strunjitură de oțel sau cocs de petrol de granulație mică cu scopul stabilizării arcului electric.
În funcție de metoda de elaborare adoptată și de gradul de ruginire al sorturilor metalice, încărcătura conține și minereu de fier care variază între limitele 1…3% și care se introduce deasupra stratului de sorturi metalice ușoare ce s-a amplasat pe vatră. Trebuie acordată atenție ca varul, minereul de fier și agentul de fluidizare (bauxita sau fluorina) să nu formeze un strat continuu.
5.1.5.3. Pregătirea din punct de vedere chimic
Deoarece alierea oțelului se realizează după etapa de dezoxidare, încărcătura metalică suferă defosforarea în timpul topirii și fierberii, desulfurarea în timpul etapei de dezoxidare iar siliciul și manganul se pot corecta după etapa de fierbere, încărcătura metalică are în vedere, în principal, realizarea conținutului de carbon.
Sorturile metalice se aleg, pe cât este posibil, ca să asigure proporția de carbon la calculul căreia contribuie și cantitățile de materiale metalice de aliere împreună cu materialele de dezoxidare – în special materialele pentru formarea zgurii reducătoare..
Materialele nemetalice din încărcătură se referă la cele pentru carburarea încărcăturii metalice și la cele pentru formarea zgurii.
Ca materiale de carburare se utilizează deșeuri de electrozi de grafit și cocsul de petrol (deșeurile de electrozi de grafit și cocsul de petrol se utilizează cu o granulație de maximum 50 mm/buc.), fontă de afinare – fontă albă – etc. Cocsul de petrol trebuie calcinat în prealabil la temperatura de circa 1000C (nu se recomandă utilizarea, ca material de carburare, a cocsului metalurgic). Nu se recomandă carburarea băii metalice prin imersarea electrozilor de grafit în aceasta.
Fonta de afinare trebuie să aibă conținutul de fosfor mic.
Ca materiale pentru formarea zgurii în timpul topirii se utilizează var proaspăt în proporție de 4…6% cu granulația de maximum 50 mm/buc. – deci concasat – dar fără componente prăfoase, preîncălzit la o temperatură de 150…2000C și fluorină cu granulația de 25…30 mm, preîncălzită la o temperatură de 150…2000C, în proporție de circa 1%, fluorina putând fi substituită și de minereu de bauxită, în aceeași proporție și cu aceeași granulație ca și fluorina.
Încărcătura metalică este alcătuită din fierul vechi, ce reprezintă o denumire comercială a deșeurilor de oțel, achiziționat din afara societăților comerciale sau reprezentând și proveniență proprie,fierul vechi propriu reprezentând 22…25% din masa încărcăturii metalice și provenind de la oțelărie, laminoare, forjă, secția de întreținere, din demontări etc.
5.1.5.4 Pregătirea din punct de vedere calitativ Se va avea în vedere că sorturile metalice să nu conțină zăpadă, gheață, apă, materiale nemetalice (materiale plastice, cauciuc,textolit, clingherit, vaseline, uleiuri, vopsele etc.), materiale metalice neferoase, componente de proveniență militară fără certificat ce autorizează utilizarea lor, recipiente închise, nisip, pământ etc.
Încărcătura metalică se poate utiliza și în stare preîncălzită, în instalații consacrate acestui scop, utilizându-se ca sursă de încălzire arderea gazului metan. Temperatura de preîncălzire este de 500…8000C. În felul acesta se micșorează durata de topire, consumul de energie electrică și costul oțelului elaborat, obținându-se oțel de calitate superioară.

Preîncălzirea încărcăturii se poate realiza și în cuptor, apelându-se la combustibili ieftini – gaz metan, păcură etc.
5.1.5.5 Pregătirea din punct de vedere al masei specifice
Încărcătura metalică de pe vatră trebuie să fie compactă iar încărcătura metalică de la suprafață trebuie să fie mai puțin compactă cu scopul pătrunderii ușoare a electrozilor în încărcătură.În medie, se acceptă o masă specifică în vrac de 3,0…4,5 t/m3.

5.1.6 Ajustarea
Ajustarea reprezintă operația de reparare a căptușelii refractare granulare din zona vetrei și peretelui cuvei.Etapa de ajustare durează 5…8% din durata de elaborare în cuptor.Acest procedeu se efectuează cu cuptorul deconectat de la tensiune și imediat după evacuarea oțelului din cuptor.
În funcție de experiența societăților comerciale, posibilitățile de aprovizionare etc., în practică, se utilizează, de exemplu,următoarele mase de ajustare :
– 90% magnezită granulată (mărimea granulației de 4…10 mm) și 10% liant carbonic. Liantul carbonic este format din 85…90% smoală de cărbune deshidratată și 10 … 15% gudron de huilă ;
– dolomită granulată și magnezită granulată, în proporții relative egale, pentru partea inferioară a vetrei ;
– mortar de magnezită granulată preparat cu silicat de sodiu,pentru zonele de vatră cu înclinație mare ;
– mortar de magnezită granulată sau 33,3% dolomite granulată și 66,7% magnezită granulată, în proporție de 90%, pe de o parte, și var stins, pe de altă parte, pentru planul zgurii și zonele din vecinătatea stâlpilor ușii etc.
Masa de ajustare se aruncă pe locurile ce trebuie reparate cu lopata – în cazul cuptoarelor de capacitate mică – sau prin intermediul dispozitivelor de ajustare (torcretare) – în cazul cuptoarelor de capacitate mare. Se recomandă ca grosimea unui strat de masă de ajustare să fie de circa 50 mm. Masa de ajustare, odată amplasată pe căptușeala refractară granulară, trebuie să suporte operația de fritare.
Prin fritare se urmărește ca, printr-un regim termic adecvat,materialele granulare din masa de ajustare să formeze un monolit. În cazul magnezitei, temperatura de fritare este de circa 1.650C. 2.6. Încărcarea
Prin încărcare se înțelege totalitate operațiilor ce se întreprind pentru ca încărcătura metalică și nemetalică să fie amplasată în cuptor în așa fel încât durata de elaborare în cuptor să fie minimă iar oțelul să se obțină cu calitate superioară.

Pentru cuptoarele de capacitate mică (capacitatea mai mică decât o tonă) încărcarea se face manual, prin ușa de lucru, de regulă.
La cea mai mare parte dintre cuptoarele utilizate în industrie încărcarea se face mecanizat, prin ușa de lucru,utilizându-se jgheabul metalic acționat de podul rulant sau vehicule ce se deplasează pe sol și sunt de regulă acționate electric sau pe deasupra cuvei, după ce bolta a fost rabătută în plan orizontalÎnainte de încărcarea cuptorului se verifică, vizual, starea zidăriei, în ceea ce privește următoarele aspecte:
– bolta să fie integrală (să nu aibă cărămizi lipsă);
– peretele cuvei să nu aibă tendință de surpare;
– vatra să nu prezinte denivelări, gropi, resturi de zgură sau oțel de la șarja anterioară ;
– jgheabul de evacuare să fie vopsit cu vopsea refractară și să fie uscat cu un uscător mobil etc.
5.1.7 Topirea
Etapa de topire are în vedere trecerea încărcăturii metalice din starea de agregare solidă în starea de agregare lichidă, formarea zgurii și defosforarea băii metalice, pe măsură ce aceasta se formează.Etapa de topire durează mai mult de jumătate din perioada de elaborare în cuptor, în această etapă consumându-se 60…80% din cantitatea de energie electrică necesară elaborării unei șarje, cu referire la partea din fluxul tehnologic de elaborare a oțelului care are loc în cuptor (nu și tratamentele metalurgice ce au loc în afaracuptorului).

Durata etapei de topire depinde de gradul de pregătire al încărcăturii, aranjamentul spațial al sorturilor din încărcătură, gradul de compactitate al încărcăturii, puterea transformatorului, modul de folosire a transformatorului, evitarea deranjamentelor, compoziția chimică a încărcăturii metalice, gradul de impurificare al încărcăturii (rugină, oxizi, nisip etc.) etc.
Compoziția chimică a încărcăturii metalice are o influență semnificativă asupra duratei etapei de topire. Astfel, majoritatea elementelor chimice micșorează temperatura liniei lichidus, pentru ca un oțel cu grad mare de aliere ce conține până la 50% elemente chimice de aliere, să aibă temperatura liniei lichidus din diagrama de echilibru Fe-C mai mică cu circa 1000C decât cea a unui oțel nealiat.
În vederea topirii, se coboară electrozii până aproape de încărcătură, prin comenzi manuale, se închide ușa, și apoi se conectează cuptorul la rețeaua electrică prin intermediul bobinei de șoc la cuptoarele de capacitate mică și mijlocie și prin intermediul întrerupătorului de tensiune mare, la cuptoarele de capacitate mare.
Dacă arcul electric este stabil chiar de la începutul topirii, se introduce în circuit instalația de reglare automată a electrozilor,utilizându-se o tensiune mijlocie. Se mărește apoi, treptat, puterea activă până la două treimi din puterea transformatorului.Dacă arcul electric nu este stabil la începutul topirii, se utilizează o tensiune mică, reglându-se poziția fiecărui electrod prin intermediul comenzilor manuale.

Se poate interveni, în acest caz, și prin introducerea cu lopata de strunjitură sau cocs de petrol de granulație mică – se influențează pozitiv ionizarea particulelor gazoase din zona arcelor electrice – sau var de granulație mică – se mărește rezistivitatea zgurii. Pe măsură ce topirea avansează, arcele electrice devin mai stabile și după 10 … 20 min se pune în funcțiune instalația de reglare automată, mărindu-se tensiunea la valori mijlocii – se leagă bobinajul primar al transformatorului în triunghi (puterea activă se mărește treptat).
După 15…20 min de reglare automată, electrozii ajung la baia metalică ce a prins contur pe vatră, arcele electrice nu se mai înrerup,astfel, putându-se trece pe treapta de tensiune maximă.

Astfel,intensitatea curentului se mărește corespunzător unei puteri active apropiate de puterea transformatorului, bobina de șoc fiind scoasă din circuit. În această perioadă arcele electrice sunt acoperite.Atunci când nivelul băii metalice ajunge la circa o jumătate din nivelul final, influența băii metalice asupra topiturii (topirii prin dizolvare a bucăților de metal) devine semnificativă.O dată cu creșterea nivelului băii metalice, electrozii se ridică automat iar arcele electrice devin treptat descoperite. În felul acesta se mărește riscul de supraîncălzire a zidăriei cuvei și bolții, acest fenomen contracarându-se prin amplasarea de var pe zgură, var ce micșorează capacitatea de radiere de căldură a băii metalice.
Atunci când se constată că încărcătura este topită în mod avansat, se micșorează tensiunea la valori de 75…80% din cea maximă (la o tensiune mare, arcul electric este lung și subțire iar la o tensiune mică, arcul electric este gros și scurt).

Spre finalul topirii, dacă este cazul, se deconectează cuptorul de la rețeaua electrică, se împinge încărcătura netopită de la marginea băii metalice în baia metalică, apoi se reia topirea, apelându-se și la amestecarea băii metalice cu scule consacrate acestui scop.

În ultima parte a topirii, se recomandă să se reducă tensiunea până la valori ce reprezintă 60% din valoarea maximă, dar nu mai mici de 115 V, din cauza riscului de imersie a electrozilor în zgură, deci de scurtcircuitare a lor și, astfel, de mers neuniform.Durata de topire se micșorează semnificiativ dacă se insuflă oxigen în baia metalică, începând din perioada în care încărcătura metalică s-a topit în proporție de 75% sau chiar mai devreme.
Dacă masa specifică a încărcăturii este foarte mică, după ce s-a topit 80…90% din încărcătura metalică, se efectuează a doua încărcare, iar dacă este cazul, după topirea celei de a doua încărcături,de asemenea, în proporție de 80…90%, se efectuează a treia încărcare. Etapa de topire se conduce în mod diferit, după cum topirea se realizează fără oxidare, cu oxidare completă sau cu oxidare parțială. 2.8. Fierberea
Scopul fierberii este micșorarea conținuturilor de hidrogen, azot și incluziuni nemetalice și omogenizarea chimico-termică, în principal, și desfășurarea unor procese de reducere a elementelor de aliere din zgură cu reducători din baia metalică, continuarea procesului de defosforare început în timpul etapei de topire, reglarea conținutului de carbon, demararea procesului de desulfurare etc., în plan secundar.
Pentru ca fierberea să se declanșeze trebuie ca temperature băii metalice să fie de minimum 1.5800C. După terminarea topirii se lucrează cu arc electric scurt și gros (tensiune mică), în felul acesta fiind protejată căptușeala cuptorului și dizolvându-se o cantitate mai mică de azot în baia metalică (moleculele de azot se disociază în zona arcului electric puternic, azotul atomar dizolvându-se ușor în oțelul lichid). Fierberea se conduce în mod diferit, în funcție de metoda de elaborare adoptată – cu oxidare completă, cu oxidare parțială și fără oxidare.

5.1.7.1 Fierberea după topirea cu oxidare totală
În cazul elaborării cu oxidare totală, după terminarea topirii, se elimină din cuptor circa jumătate din cantitatea de zgură. Cantitatea de zgură care rămâne în cuptor se corectează, astfel ca la finalul etapei de fierbere, zgura să conțină 10…24% SiO2, 40…60% CaO, 6…8% MgO, maximum 35% oxizi de fier (maximum 20% FeO), maximum 5% Al2O3 și maximum 2% P2O5. Raportul %CaO/%SiO2 trebuie să aibă valoarea de circa 3,4.
Dacă oțelul propus să fie elaborat are un conținut de carbon mai mare, se realizează carburarea prin introducerea în baia metalică de materiale de carburare (deșeuri de electrozi de grafit – conțin cantități mici de sulf, cenușă și substanțe volatile –, cocs de petrol, antracit, mangal etc).

5.1.7.2 Fierberea după topirea cu oxidare parțială
În cazul în care se prelevează o probă din baia de oțel înainte ca bucățile mari de metal din încărcătură să fi fost topite și dacă se “anunță” un carbon la topire mare, în circumstanțele în care temperatura este mare, se declanșează fierberea oțelului prin introducerea de agent oxidant în baia metalică (minereu de fier sau oxigen). Astfel, se micșorează durata de fierbere. Dacă temperature este mică, nu se introduce agent oxidant în baia metalică fiindcă fierberea are randament mic – se produce și o supraoxidare a oțelului.

Dacă temperatura și carbonul la topire sunt bune și nu există restricții severe pentru conținutul de fosfor, se elimină din cuptor circa jumătate din zgura existentă în cuptor după topire. Dacă se cere un conținut de fosfor mic, se elimină zgura în totalitate din cuptor și apoi se formează o nouă zgură din var și fluorină cu raportul var:fluorină = 4,00…4,75:1, sau din var, fluorine și șamotă (sau silica) cu raportul var:fluorină:șamotă = 6:1,5:1. Stratul de zgură ce se obține, trebuie să aibă grosimea de 30 mm, ceea ce corespunde la un amestec de var, fluorină și șamotă de 2,3…2,5%.

Ulterior, pe zgura nouă se adaugă, minereu de fier calcinat, de exemplu, 0,5%, cu scopul accelerării procesului de defosforare,lucrându-se cu o tensiune mică (127 V, de exemplu) și intensitate a curentului mare, pentru ca baia metalică să aibă temperatură mare.După 10…15 min de la adăugarea celor 0,5% de minereu de fier, baia metalică începe să fiarbă, timp în care se prelevează o probă pentru determinarea conținuturilor de carbon și oxigen și, de asemenea, se determină și temperatura. Dacă se constată că proporția de carbon este cea corespunzătoare, se adaugă agent oxidant în oțel cu scopul intensificării reacției de oxidare a carbonului – cu scopul intensificării fierberii (nu trebuie să se neglijeze nici temperatura, care,așa cum s-a mai menționat trebuie să fie de minimum 1.580C). Așa începe oxidarea intensă a surplusului de carbon, dar și a fosforului. Așa se declanșează subperioada de fierbere intensă, care, dacă se realizează prin adaos de minereu de fire, asigură o viteză de oxidare a carbonului de 0,36…0,48% C/h, în medie, viteza de oxidare a carbonului având inițial valori de 0,5…0,7% C/h. Minereul de fier calculat se adaugă pe suprafața zgurii sub formă de porții. Subperioada de fierbere intensă durează circa 35…45 min.
După subperioada de fierbere intensă, nu se mai adaugă minereu de fier sau nu se mai insuflă oxigen în baia metalică, viteza de oxidare a carbonului scăzând sub 0,27%C/h, influență asupra scăderii vitezei de oxidare a carbonului având și micșorarea conținutului de carbon din baia metalică, în special sub 0,20%. Dacă viteza de oxidare a carbonului scade sub 0,12%C/h, fierberea are randament mic.
Viteza de oxidare a carbonului foarte mare provoacă eroziunea vetrei. În timpul subperioadei de fierbere intensă, pe lângă carbon se oxidează și manganul, tehnologiile de elaborare impunând un raport între viteza de oxidare a manganului și viteza de oxidare a carbonului de 1,00…1,25 ceea ce impune ca baia de oțel să aibă un conținut de mangan mai mare de 0,20% cât timp conținutul de carbon este mai mare de 0,15%.
Subperioada de fierbere liniștită durează 15…25 min.La finalul fierberii raportul dintre conținuturile de CaO și SiO2 ale zgurii trebuie să se situeze în intervalul 2,0…2,6.

Durata fierberii este în funcție și de calitatea oțelului propus a fi elaborat. Astfel, dacă se cere un conținut de azot mai mic în oțel, durata etapei de fierbere trebuie să fie de 55…65 min. Dacă zgura ce se formează în perioada de fierbere este de la început fluidă și cu bazicitatea de 2,0…2,6, se realizează în mod eficient defosforare, o desulfurare de 50% dacă se asigură un conținut mare de MnO în zgură și o micșorare accentuată a conținutului de hidrogen – acesta scade liniar o dată cu creșterea vitezei de oxidare a carbonului (se subliniază importanța calcinării adaosurilor și a eliminării umidității din încărcătura metalică, surse importante de hidrogen în oțelul lichid).Însă, dacă se urmărește eliminarea avansată a incluziunilor nemetalice, este nevoie de o durată mai mare de fierbere, de o viteză de oxidare a carbonului mai mare și de o cantitate mai mare de carbon care să se oxideze în timpul fierberii – 75 minute durată de fierbere, 0,2…0,4%C/h viteză de oxidare a carbonului și o cantitate de carbon oxidată de 0,3…0,4%., dacă proporțiile de fosfor și mangan la topire sunt relativ mici (dacă proporțiile de P și Mn sunt mari, durata de fierbere trebuie prelungită la 80…90 min. iar cantitatea de carbon ce trebuie oxidată ajunge până la 0,6%; în plus, pentru a decarbura baia de oțel de la 0,55% C la 0,07% C și pentru a se obține în oțel un conținut de fosfor de 0,015%, trebuie să se elimine din cuptor de mai multe ori zgura de afinare – de fiecare dată, după evacuare, zgurile se refac).

Eficiența mică a fierberii are în vedere obținerea în oțel a unor conținuturi mari de gaze și incluziuni nemetalice, afectând în special proprietățile de plasticitate. Eficiența mică a fierberii este întâlnită și atunci când lipsește subetapa de fierbere intensă iar în timpul subperioadei de fierbere liniștită, viteza de oxidare a carbonului scade sub valoarea de 0,12%C/h.
Semnificativ pentru eficiența fierberii, în cazul oțelurilor nealiate, este conținutul de mangan la oprire – la finalul fierberii – ce trebuie să fie cu cel puțin 0,10% sub limita inferioară a conținutului de mangan din oțelul propus să fie elaborat, în caz contrar, un conținut mare de mangan mărind viscozitatea oțelului lichid și determinând, în oțelul lichid, un conținut mare de incluziuni nemetalice și gaze iar în oțelul solid o austenită cu grăunți metalografici de dimensiuni mari, adică oțeluri susceptibile de crăpături la cald, de fulgi, cu călibilitate redusă etc.
O metodă de diminuare a efectelor negative ale unei fierberi intense, însă, cu viteză de oxidare a carbonului mică, este imersarea electrozilor, deconectați de la tensiune, în baia de oțel și menținerea în oțelul lichid timp de 45…90 s. Astfel, se produce o oxidare intensă a carbonului de la suprafața electrozilor, adică o fierbere violentă, ceea ce are ca rezultat degazarea și eliminarea incluziunilor nemetalice întro măsură semnificativă, însă, cu consum mare de electrozi.În momentul în care s-a obținut carbonul de la oprire iar fierberea este liniștită și uniformă, se elimină zgura din cuptor 60…70% sau în totalitate, după cum se urmăresc conținuturi mici de fosfor și mangan, respectiv foarte mici.
Eliminarea zgurii, în totalitate, din cuptor, se realizează prin bascularea cuptorului, nedeconectat de sub tensiune, înspre ușa de lucru, zgura debordându-se peste pragul de lucru într-o cochilă metalică consacrată pentru manipularea zgurii, debordarea având loc până când oțelul atinge pragul ușii de lucru.

Urmează întreruperea alimentării la tensiune a cuptorului, ridicarea electrozilor și apoi eliminarea zgurii prin intermediul sculelor acționate manual.

Unele elemente precum Cr, W, V, Mn, Nb și Si se oxidează parțial în timpul topirii, oxizii lor din zgură având posibilitatea să se regenereze parțial la temperaturi mari. În plus, are importanță natura oxizilor, care, în cazul Cr2O3, determină mărirea viscozității zgurii – scăderea activității ei metalurgice. Prin urmare, se recomandă evitarea utilizării în încărcătură de deșeuri aliate cu crom, de exemplu.

5.1.7.3 Fierberea după topire fără oxidare
După topirea fără oxidare nu se realizează fierbere cu minereu de fier și, de asemenea, nu se elimină zgura din cuptor deoarece este rentabil ca să se reducă și cantitatea mică de oxizi care se formează și sunt în zgură, în timpul etapei de dezoxidare.
Lipsa etapei de fierbere impune ca proporția de carbon din încărcătură să fie cu circa 0,10% mai mică decât limita inferioară a conținutului de carbon din oțelul propus să fie elaborat – cele circa 0,10% de carbon vor proveni din zgura reducătoare, în timpul etapei de dezoxidare și din materialele de aliere.

În cazul în care conținutul de carbon din încărcătură este mai mare decât conținutul de carbon din oțelul propus să fie elaborat, trebuie să se facă diluarea cu deșeuri de oțel cu conținut de carbon foarte mic, iar dacă este cu mult mai mic decăt conținutul de carbon din oțelul propus să fie elaborat se impune carburarea cu fontă de afinare.
Pentru ca proporția de gaze și de incluziuni nemetalice să scadă semnificativ, se poate face o fierbere de scurtă durată, utilizându-se ca agent oxidant oxigenul.

5.1.7.4 Fierberea oțelului cu minereu
Cantitatea de minereu de fier se calculează ținând cont de necesarul de FeO pentru oxidarea elementelor chimice din baia metalică în timpul etapei de fierbere, apoi necesarul de Fe2O3 care interacționează cu fierul din baia metalică și în final ținând cont de concentrația de Fe2O3 din minereul de hematită.
Sursa indică pentru elaborarea unui oțel nealiat un necesar de minereu de fier de 0,8 kg/t pentru fiecare 0,01% C ce trebuie oxidat în timpul etapei de fierbere și mai precizează că necesarul de var din perioada de afinare este egal cu necesarul de minereu de fier.În timpul fierberii cu minereu de fier, în baia metalică pătrunde – se absoarbe – oxigen din atmosfera cuptorului datorită prezenței stropilor de oțel, are loc un transfer direct de oxigen de la bucățile mari de minereu de fier la baia de oțel, suprafața de contact dintre zgură și baia metalică crește semnificativ datorită prezenței stropilor de oțel iar în baia metalică ajung și stropi de zgură – zgura formează o emulsie în baia metalică – iar arcul electric, prin temperatura mare, creează condiții specifice pentru ca oxigenul din atmosfera cuptorului să ajungă în baia metalică. La începutul fierberii, când conținutul de carbon este mare, oxidarea carbonului are la bază difuzia oxigenului prin baia metalică iar la finalul fierberii, când conținutul de carbon este mic, oxidarea carbonului are la bază difuzia carbonului.
Pentru elaborarea oțelurilor aliate se recomandă utilizarea minereului de fier împreună cu insuflarea oxigenului gazos, ceea ce determină o temperatură mai mică a oțelului – în cazul fierberii oțelului cu oxigen gazos, temperatura maximă a băii metalice ajunge până la 1.9500C (minereu de fier se folosește împreună cu oxigenul, fie se alternează adaosul de minereu de fier cu insuflarea oxigenului gazos). În cazul utilizării minereului de fier are loc micșorarea moderată a temperaturii băii metalice și creșterea, în aceeași măsură a viscozității ei. De aici rezultă și că adaosul de minereu de fier la temperaturi mai mici de 1.5800C ale băii metalice și, în egală măsură, în cantități mari – sub formă de porții mari – nu determină mărirea vitezei de oxidare a carbonului.

În cazul elaborării oțelurilor aliate, la afinarea mixtă cu minereu de fier și oxigen gazos se utilizează nomograme de dependență a consumului de minereu de fier de intensitatea de insuflare a oxigenului, temperatura băii metalice, puritatea oxigenului gazos și valoarea fluxului termic.

Minereul de fier se utilizează pentru fierbere cu granulația de 40…150 mm și calcinat și la temperaturi de 300…5000C.
În timpul fierberii se prelevează câteva probe prin turnarea oțelului în cochilă metalică, în vederea controlului evoluției procesului de oxidare a carbonului. O determinare relativă a conținutului de carbon se poate realiza prin turnarea a circa un kilogram de oțel lichid, pe o placă de oțel, de la înălțime mică, obținându-se o „scoarță” de oțel cu grosimea de 3…5 mm, scoarță ce se desprinde imediat de pe placă, se răcește în apă și apoi se îndoaie pe muchia unei plăci de oțel cu ajutorul unui ciocan, manual.

În funcție de mărimea unghiului de îndoire înainte de rupere și de forța cu care se lovește cu ciocanul, se poate aprecia conținutul de carbon din oțel. De exemplu, dacă unghiul de îndoire este 0, adică scoarța de oțel se rupe prin simpla lovire, conținutul de carbon este de circa 0,35%, pentru ca scoarța de oțel să se îndoaie la rupere cu alte unghiuri și în funcție de conținutul de carbon, prezentându-se în continuare câteva „asocieri” unghi de îndoire înainte de rupere – conținut de carbon: 200 – circa 0,30% C; 450 – circa 0,25% C ; 600 – circa 0,23% C ; 900 – circa 0,20% C; 1200 – circa 0,17% C ; 1350 – circa 0,15% C ; 1800 și început de ruptură – circa 0,12% C ; 1800 și ruptură incompletă – circa 0,10% C.

O asemenea metodă este relativă, depinde de experiența oțelarului, depinde de compoziția chimică a oțelului, însă, cu certitudine poate decide momentul oportun de prelevare a probei din cuptor în vederea determinării compoziției chimice – se elimină prelevările din timpul perioadei de fierbere (exemplul dat este absolut orientativ și a fost dat cu titlu informativ).

5.1.7.5 Fierberea oțelului cu oxigen

Folosirea oxigenului determină următoarele efecte: concentrații locale mari de oxigen, temperaturi foarte mari în zona de impact (maximum 2.5000C) ceea ce protejează elementele de aliere de o oxidare puternică, disocierea carburilor din baia metalică, grad mare de agitare a băii metalice, ceea ce conduce la creșterea suprafeței de reacție dintre carbon și oxigen (viteza de oxidare a carbonului depinde mai puțin de difuzia reactanților spre suprafața de reacție), micșorarea tensiunii interfazice oțel lichid-aer, creșterea fluctuațiilor de energie,
accelerearea fenomenului de germinare a bulelor de CO pe suprafața oxigenului molecular etc.
Viteza de oxidare a carbonului variază de la 1,8…2,4%C/h, cât se constată la concentrații mari de carbon, la 0,15…0,20%C/h, cât se constată la conținuturi foarte mici de carbon – sub 0,05%C (cu minereu de fier nu se poate face fierberea oțelului până la conținuturi de carbon mai mici de 0,05%).
Începând de la temperaturi de 1.580…1.5900C, adică de la începutul insuflării oxigenului în baia metalică, începe procesul de regenerare a elementelor de aliere din zgură în baia metalică, viteze mari de regenerare constatându-se în cazul cromului și manganului. Durata de fierbere a oțelului este de circa 10 min. Fierberea oțelului cu oxigen determină continuarea procesului de defosforare care s-a desfășurat cu o viteză maximă în timpul topirii. Presiunea de insuflare a oxigenului în baia metalică este 8…10 at.
În timpul insuflării oxigenului, cuptorul este decuplat de la rețeaua electrică, electrozii sunt ridicați iar zgura se menține fluidă și cu bazicitate mare (se adaugă pe suprafața zgurii var și fluorină).

5.1.8 Dezoxidarea oțelului
Dezoxidarea reprezintă micșorarea conținutului de oxigen, din oțelul lichid, rămas după etapa de fierbere, până la concentrații care să nu mai permită formarea bulelor de monooxid de carbon în intervalul de solidificare și până la concentrații ce să confere oțelului proprietăți de plasticitate mari (eliminarea cât mai avansată a oxizilor ce se formează în timpul dezoxidării).
Dezoxidarea se realizează în trei subetape, acestea fiind predezoxidarea, dezoxidarea prin difuzie și dezoxidarea prin precipitare.
5.1.9 Evacuarea
Evacuarea se realizează prin bascularea cuptorului înspre orificiul de evacuare, în mod continuu, urmărindu-se ca jetul de oțel să nu cadă peste bara port-dop.
În perioada de supraîncălzire a băii metalice în vederea obținerii temperaturii de evacuare, se verifică jgheabul de evacuare dacă este în stare bună, dacă orificiul de evacuare este bine curățat și
dacă mecanismul de obturare-dezobturare al orificiului oalei de turnare funcționează. Temperatura de preîncălzire a oalei de turnare trebuie să fie de minimum 7000C.

Oțelul se evacuează din cuptor numai dacă s-a confirmat compoziția chimică corespunzătoare a oțelului lichid și dacă temperatura de evacuare este cea prescrisă.
Temperatura de evacuare, măsurată cu termocuplul de imersie, trebuie să aibă, de exemplu, următoarele valori pentru câteva categorii de oțeluri:
– 1.6800C pentru oțelurile nealiate ce conțin 0,10…0,30%C;
– 1.6500C pentru oțeluri nealiate ce conțin 0,30…0,45% C;
– 1.6400C pentru oțeluri nealiate ce conțin 0,40…0,60% C;
– 1.680…16900C pentru oțeluri slab aliate cu mangan;
– 1.6500C pentru oțeluri aliate complex cu Cr, Ni și Mo, cu grad de aliere mic, ce urmează să fie tratate în atmosferă depresurizată, sau de 1.6000C, dacă același oțel nu se tratează ulterior în atmosferă depresurizată;
– 1.510…1.5200C pentru oțeluri rapide aliate cu Cr, Mo, W, V și Co, cu grad de aliere mare;
– 1.6100C pentru oțeluri de rulmenți – RUL-1 – ce urmează să se trateze în atmosferă depresurizată sau 1.5600C dacă oțelul nu se tratează ulterior;
– 1.675…1.6800C pentru oțeluri silicioase (transformatoare electrice) ce se tratează ulterior în atmosferă depresurizată sau 1.600…1.6150C dacă oțelul nu se tratează ulterior;
– 1.480…1.4900C pentru oțelurile austenitice manganoase cu grad de aliere mare;
– 1.530…1.5400C pentru oțeluri inoxidabile 18/8 etc.

5.2 Elaborarea oțelului în cuptoare electrice cu încălzire prin arc electric, căptușite acid

5.2.1 Considerații generale
Cuptoarele electrice cu arc căptușite cu material refractar de natură chimică acidă au aceeași construcție ca și cuptoarele cu arc electric căptușite bazic.
Fluxul tehnologic de elaborare a oțelului este identic cu cel prezentat la lucrarea O1.
În turnătorii, se utilizează cuptoare de capacitate mică – în mod curent, 3 și 5 t –, dotate cu transformatoare cu puteri, de
exemplu, de 1.500 kVA și 2.250 kVA, ce asigură cel puțin două trepte de tensiune – de exemplu, 220V pentru topire și 120 V pentru fierbere și dezoxidare.

Procedeele acide de elaborare sunt destinate pentru elaborarea oțelului nealiat și cu grad de aliere mic (aliate cu Cr, Ni, Mo etc.).
Se apreciază următoarele avantaje ale procedeului acid de elaborare a oțelului, în comparație cu procedeul bazic de elaborare:
– durata de elaborare este mai mică;
– consumul specific de energie electrică este mai mic;
– costul oțelului elaborat este mai mic;
– oțelul elaborat are fluiditate mai mare;
– zgura are rezistența electrică mai mare, rezultând un oțel cu
temperatura mai mare;
– conținutul de gaze din oțel este mai mic;
– nu se efectuează dezoxidare prin difuzie;
– costul căptușelii refractare este mai mic;
– căptușeala refractară este mai ușor de întreținut;
– durabilitatea zidăriei peretelui cuvei și a bolții este mai mare
etc.
Procedeul acid de elaborare, însă, impune niște restricții, care, în principal, se referă la următoarele aspecte:
– încărcătura metalică nu trebuie să fie ruginită;
– nu se poate conduce un proces de defosforare;
– nu se poate desfășura desulfurarea băii metalice;
– încărcătura metalică trebuie să aibă conținuturile de sulf și fosfor mai mici decât cele prescrise pentru oțelul propus să se elaboreze;
– elaborarea impune o atenție mărită în respectarea instrucțiunilor tehnologice etc.