Materii prime si materiale auxiliare utilizate pentru elaborarea otelurilor - fonta lichida si solida, fier vechi

Materiile prime de baza pentru elaborarea otelului in agregatele metalurgice (convertizoare cu oxigen, cuptoare cu arc electric, cuptoare Siemens - Martin) sunt fonta, fierul vechi si feroaliajele.

Ca materiale auxiliare se utilizeaza calcarul si varul metalurgic, minereul, peletele de fier si, uneori, buretele de fier, fluorura de calciu si bauxita.

1. FONTA LICHIDA SI SOLIDA

La elaborarea otelului in convertizoarele cu oxigen se foloseste o cantitate de circa 820 - 850 kg fonta de afinare pe tona de otel elaborat.

Dupa cum se stie, in procesul de elaborare a otelului in convertizoare nu se foloseste nici un fel de combustibil. Caldura necesara pentru topirea incarcaturii si elaborarii otelului se obtine in urma reactiilor de oxidare a elementelor insotitoare din fonta (C, Si, Mn, si P), reactii care au un caracter exoterm.

Prin urmare, consumul necesar de fonta lichida pe tona de otel elaborat este diminuat de bilantul termic al procesului din convertizor. Cu alte cuvinte, consumul specific de fonta lichida este in functie de:

compozitia chimica si temperatura fontei;

compozitia chimica si greutatea specifica a fierului vechi;

starea convertizorului (temperatura si grosimea captuselii refractare), precum si de alte conditii practice de exploatare care au o influenta mai redusa.

Folosirea unei cantitati reduse de fonta lichida, sub cea impusa de bilantul termic, conduce la imposibilitatea obtinerii temperaturii si compozitiei chimice prescrise la sfartsitul suflarii, ceea ce reclama suflari suplimentare de oxigen, cu urmari negative asupra calitatii otelului si durabilitatii convertizorului.

Folosirea unei cantitati mai mari de fonta lichida - peste cea necesara - conduce, de asemenea, la urmari negative in exploatarea convertizorului cu oxigen:

uzura prematura datorata cantitatii mari de zgura si temperaturii ridicate a otelului;

greutati in realizarea procesului ca atare, inclusiv din punctul de vedere al calitatii otelului elaborat.

Prin urmare, dozarea corecta a incarcaturii este una din condittiile importante pentru asigurarea bunei desfasurari a procesului si, prin urmare, folosirea cantitatii optime necesare de fonta lichida este determinata de conditiile reale de lucru si de experienta personalului de exploatare.

In unele otelarii, alaturi de fonta lichida se utilizeaza si fonta solida in calupuri, avand aproximativ o compozitie chimica similara cu a fontei lichide. Folosirea fontei solide urmareste inlocuirea partiala a fontei lichide, care in unele uzine este deficitara. In limita bilantului termic obisnuit, se utilizeaza in unele otelarii o cantitate de fonta solida de 30 - 60 kg pe tona de otel. Se fac incercari in unele otelarii pentru cresterea cantitatii de fonta solida in incarcatura, peste cantitatile aratate. Aceste incercari au aratat ca folosirea unei cantitati prea mari de fonta solida in incarcatura conduce la formarea unei zguri puternic spumoase, urmata de debordari masive in timpul suflarii, ceea ce conturba elaborarea sarjei si are consecinte nefavorabile asupra durabilitatii convertizorului si lancii de suflare a oxigenului, precum si asupra scoaterii de otel.

Compozitia chimica uzala a fontelor folosite la elaborarea otelului in unele convertizoare cu oxigen este prezentata in urmatorul tabel :

Elementele insotitoare au influente puternice, atat pozitive, cat si negative, asupra procesului de elaborare a otelului in convertizor. Astfel, siliciul imbunatateste bilantul termic al procesului, permitand sa se introduca in incarcatura cantitati mai mari de fier vechi. In schimb, un continut prea mare de siliciu in fonta duce la marirea consumului de var si oxigen, mareste durata sarjei, inrautateste procesele de desulfurare si defosforare, precum si durabilitatea captuselii refractare. De aceea, se recomanda limitarea continutului de siliciu din fonta la valori de 0,6 . 0,8 %.

Referat: Structura atomului Proiect: Determinarea cifrei de iod a unui combustibil de aviatie

Manganul din fonta influenteaza favorabil bilantul termic al procesului si permite o micsorare a continutului de sulf din fonta. Cand continutul de mangan din fonta este prea ridicat, se mareste cantitatea de zgura, durata suflarii si pierderile de otel cu zgura. Ca urmare, se recomanda limitarea continutului de mangan la valori de 0,7 . 1,3 %.

Fosforul si sulful sunt elemente daunatoare calitatii otelului si se recomanda reducerea cat mai mult posibil a continuturilor acestor elemente, atat in otel, cat si in fonta de afinare. Pentru sulf, limitarea este mai severa decat pentru fosfor, recomandandu-se un continut cat mai mic si intotdeauna sub 0,06 %. De cele mai multe ori se practica in uzine desulfurarea prealabila a fontei. In cazul fosforului, situatia este mai complexa. In cele mai multe otelarii se recomanda limitarea continutului acestui element sub 0,20 %. In alte otelarii, mai putine la numar, se lucreaza insa, cu continuturi mult mai mari de fosfor, ajungandu-se chiar la valoarea de 2,4 % in fontele numite Thomas. Aceste fapte se explica prin posibilitatile deosebite pe care le are convertizorul cu oxigen in ceea ce priveste defosforarea baii metalice. Cu toate acestea, specialistii au in vedere faptul ca, odata cu cresterea continutului de fosfor in fonta, creste consumul de oxigen si var, cantitatea de zgura si durata sarjei. In schimb, la folosirea unor fonte fosforoase, zgura obtinuta poate fi folosita ca excelent ingrasamant agricol.

Pe langa elementele din tabelul anterior, fonta poate sa contina si alte elemente (in continuturi mici) ca: nichel, crom, cupru, arsen, titan, staniu etc. Unele dintre aceste elemente (arsenul si cuprul) inrautatesc calitatea otelului si sunt, ca urmare, nedorite, fiind necesar un control periodic al continutului acestor elemente in fonta.

Fonta lichida este adusa la otelarii in oale, in care patrunde si o cantitate de zgura de furnal. Aceasta are un rol pozitiv, exprimat prin micsorarea pierderilor de caldura in timpul transportului. Ajunsa in melanjor si, cu atat mai rau, in convertizor, zgura de furnal dauneaza mult captuselii refractare, duce la un consum exagerat de var si de caldura, inrautateste calitatea otelului. Urmari nefavorabile are si patrunderea zgurii de melanjor in convertizor. De aceea, in toate otelariile se iau masuri pentru indepartarea cat mai completa a zgurii din oalele de transportat fonta, atat inainte de introducerea acesteia in melanjoare, cat si in convertizoare.

O ultima, dar tot atat de importanta conditie ce se impune fontei lichide la introducerea in convertizor, este sa aiba o temperatura cat mai constanta de la o sarja la alta (pentru a se mentine cat mai constant regimul termic al sarjei). Temperatura trebuie sa fie cat mai ridicata posibil, pentru a se putea utiliza o cantitate cat mai mare de fier vechi si a ieftini astfel, otelul. Pentru aceasta, trebuie sa se asigure o functionare corecta a melanjorului, atat din punct de vedere al arderii combustibilului folosit, cat si al starii captuselii refractare, care sa impiedice pierderile de caldura.De asemenea, se iau masuri pentru a micsora pierderile de caldura ale fontei pe traseul de la melanjor in convertizor, folosind oale bine preincalzite si executand manipularea lor in timp cat mai scurt posibil.

Se recomanda ca la turnarea fontei din melanjor in oala, temperatura acesteia sa fie de 1340 . 1380 C, iar la introducerea in melanjor temperatura sa fie 1300 . 1340 C.

La elaborarea otelului in cuptoarele cu arc electric nu se utilizeaza fonta lichida pentru compunerea incarcaturii. Totusi, pe plan mondial, in conditii cu totul deosebite, se foloseste o cantitate de circa 10 % din incarcatura, cu conditia ca aceasta sa fie saraca in fosfor si sulf. Cantitatea de fonta solida utilizata, in conditii de puritate pentru elementele daunatoare P si S, tot in conditii limita, poate fi de max. 15 % din greutatea totala a incarcaturii metalice.

La elaborarea otelului in cuptoarele Siemens - Martin, cantitatea de fonta lichida, cu compozitie chimica similara cu cea utilizata in convertizoare, poata fi variata extrem de la 0 - 100 % in functie de variata de incarcare.  Totusi, varianta optima din punct de vedere al productivitatii agregatului de elaborare si a calitatii otelului elaborat este aceea a utilizarii unor proportii egale de fonta lichida si fier vechi, adica 50 % fo.l - 50 % f.v.

2. FIER VECHI, LUPE, BURETE DE FIER

Fierul vechi constituie incarcatura metalica in proportie de 85 - 100 % la cuptoarele cu arc electric, intre 30 - 75 % la cuptoarele Siemens - Martin si intre 12 - 40 % la convertizoarele cu oxigen. Fierul vechi este constituit din deseuri de otel proprii (sutaje, lingouri neumplute, rebuturi din sectiile de prelucrare, etc.) si fier vechi colectat (constructii si instalatii, subansamble, piese scoase din uz, etc.). Datorita provenientei lor diferite, fierul vechi are compozitie chimica si stare chimica foarte variata, motive pentru care el se sorteaza dupa compozitie (fier vechi nealiat si aliat - pe elemente de aliere) si marime (fier vechi greu, usor, strunjituri, etc.)

Pretul fierului vechi este in toate tarile mai mic decat pretul fontei. De aceea, exista tendinta sa se foloseasca o cantitate cat mai mare de fier vechi in incarcatura metalica necesara pentru elaborarea otelului in convertizor. In practica, aceasta cantitate de fier vechi este limitata de bilantul termic al procesului la valori cuprinse intre 15 si 30 % din totalul incarcaturii metalice.

In cazul folosirii unor surse suplimentare de caldura, ca arzatoare oxi-combustibil, preincalzirea fierului vechi sau adaosuri termogene (de exemplu, carbid) in convertizor, se poate mari consumul de fier vechi pina la 40 % din incarcatura metalica.

De asemenea, fierul vechi se reintoarce in uzinele siderurgice sub forma de deseuri rezultate in urma prelucrarilor mecanice din industria constructoare de masini, precum si in urma casarii unor utilaje iesite din uz.

Uzinele siderurgice moderne sunt prevazute cu baze puternice de pregatire a fierului vechi, dotate cu instalatii corespunzatoare de presare a deseurilor in pachete, de taiere si sortare, precum si cu cele de zdrobire a deseurilor mari de fonte si otel si uneori, pentru explodarea acestora.

Fierul vechi reintors din exterior sub forma de deseuri si utilaje casate este, de obicei, impur, avand resturi de metale neferoase care au influenta   negativa asupra calitatii otelului elaborat. Este vorba de elemente ca nichel, staniu, cupru, crom etc. Aceste elemente nu se oxideaza in procesul de elaborare in convertizor si nu pot fi eliminate din baia metalica, ceea ce provoaca greutati la fabricarea otelurilor de calitate, in special a celor destinate fabricarii produselor plate (brame, table, benzi etc.).

In conditiile unei uzine siderurgice cu ciclu integrat, cantitatea de fier vechi rezultata in urma prelucrarii la laminare satisface necesarul de fier vechi pentru convertizoarele cu oxigen.

Important este de asemenea, raportul optim dintre fierul greu (sutaje mari de brame si blumuri) si cel usor (deseuri din profile sau resturi de tabla). De obicei, fierul greu reprezinta 30 . 40 % din intreaga cantitate de fier vechi folosita la convertizor.

Folosirea unei cantitati mai mari de fier vechi greu conduce la o uzura mecanica avansata a captuselii refractare a convertizorului, cat si la greutati in realizarea sortimentului de otel impus.

In unele tari, balanta de fier vechi este deficitara. Folosirea unei cantitati mai mari de fonta lichida conduce insa la cresterea pretului de cost al otelului elaborat. De aceea, in ultimii ani se manifesta tendinta de folosire a lupelor si buretelui de fier, obtinute prin metode de reducere directa a fierului din minereu. In asemenea cazuri se constata un coeficient variabil de inlocuire a fierului vechi, pornind de la valoarea 1Kg/Kg pentru gradul maxim de metalizare a lupelor si buretelui (reducerea oxizilor de fier s-a facut aproape in totalitate), pana la valoarea 1,6Kg fier vechi pentru 1Kg burete, la un grad de metalizare de 50 %.

3. MINEREU DE FIER, PELETE, AGLOMERAT

La convertizoarele cu oxigen este convenabil intotdeauna a se folosi pentru racire fierul vechi. Totusi, in conditii speciale, se poate folosi o cantitate mai mare de fonta lichida. In acest caz, pentru a echilibra bilantul termic, respectiv pentru a obtine temperatura dorita la sfarsitul suflarii, se utilizeaza in calitate de material de racire minereul de fier. Acesta este de tipul minereului de decarburare de la cuptoarele Martin, cu un procent maxim de oxizi de fier si cu un continut foarte redus de steril (pana la maximum 4 . 5 %),avand o granulatie constanta, de obicei 20 . 50 mm.

In ultimul timp, ca inlocuitor al fierului vechi la elaborarea otelurilor se utilizeaza buretele de fier si upele obtinute prin reducerea directa a minereurilor de fier.

Chiar si in cazul folosirii unei cantitati maxime de fier vechi in incarcatura metalica, la convertizoarele cu oxigen este necesar a se folosi pentru racirea suplimentara si pentru corectarea temperaturii cantitatea de circa 3 . 5 kg pe tona otel minereu sau pelete de minereu.

Folosirea minereului de fier in cantitati mari prezinta o serie de greutati care se concretizeaza prin dificultati in stapanirea procesului, rabufnirii de metal peste convertizor si ingreunarea formarii zgurii.

Prin folosirea in ultimul timp a peletelor de minereu cu 60 . 65 % fier si 12 . 40 mm diametru se asigura posibilitatea de conducere precisa a procesului de elaborare a otelului in convertizor, evitandu-se dificultatile intampinate la folosirea minereului de fier pentru racirea baii metalice.

In ultimul timp s-au facut, de asemenea, incercari de folosire in calitate de agent de racire a aglomeratului de minereu. S-a constatat insa, ca aglomeratul nu are rezistenta suficienta la sfaramare. Formarea unei cantitati mari de praf creeaza greutati deosebite in procesul de elaborare cat si in intretinerea in bune conditii a instalatiilor de desprafuire si a gospodariilor de namol, greutati ce nu se intampla la folosirea peletelor.

Cel mai bine se comporta peletele de minereu. De aceea, in majoritatea otelariilor s-a trecut la folosirea peletelor de minereu in calitate de agent de racire a baii metalice, cat si pentru corectarea temperaturii pe parcursul elaborarii.

In tabelul urmator sunt prezentate compozitiile chimice a trei tipuri de minereu folosit ca agent de racire la convertizoarele cu oxigen.

Compozitia chimica (%) a unor minereuri la convertizoarele cu oxigen

4. CALCARUL SI VARUL

Ca si in celelalte procedee de elaborare a otelului, pentru formarea zgurii se folosesc ca fondant calcarul si varul.

Dupa cum spun otelarii, sub o zgura buna se elaboreaza un otel de calitate. Drept zgura buna este apreciata aceea cu un continut marit de oxid de calciu (CaO) si cu o valoare ridicata a bazicitatii.

La procedeul de elaborare a otelului in convertizor sunt conditii prielnice de obtinere a unor zguri cu o bazicitate de peste 3.

Cu cat zgurile sunt mai bazice si mai active, cu atat sunt conditiile mai prielnice de indepartare a elementelor daunatoare din incarcatura metalica a convertizorului si obtinerea unui otel mai pur, mai plastic, cu proprietati fizico-mecanice inalte.

Consumul de var ese determinat de cantitatea de fonta lichida folosita in incarcatura metalica si de compozitia ei chimica. Astfel, la un continut de siliciu sub 1,0 % sunt necesare circa 70 . 80 kg var metalurgic bun pentru fiecare tona de fonta utilizata.

Calcarul la procedeul LD este folosit in cantitati reduse (1 . 1,5 kg/t fonta) si nu atat pentru corectarea bazicitatii zgurii, cat mai ales pentru racirea baii metalice si evitarea procesului de spumare abundenta a zgurii.

Calcarul metalurgic trebuie sa contina o cantitate cat mai redusa de impuritati de natura acida si sa fie deosebit de omogen in structura. Fiecare procent de silice (SiO ) in calcar reduce continutul componentilor bazici activi cu cca. 2,5 %. De aceea, calitatea calcarului este determinata de continutul de componenti bazici liberi. Un calcar metalurgic bun se considera atunci cand 98 % din compozitia lui chimica o reprezinta carbonatul de calciu. In acelasi timp, calcarul metalurgic trebuie sa contina un procent redus de magnezie. Cu cat continutul de magnezie este mai redus, cu atat calcarul se asimileaza mai usor de zgura din convertizor. Continutul de sulf in calcarul metalurgic este, de obicei, redus. Un calcar bun pentru convertizorul cu oxigen contine 0,05 . 0,1 % S.

Calcarul se utilizeaza la o granulatie de 20 . 50 mm. Granulatia peste 50 mm conduce la dificultati in asimilarea calcarului de catre zgura. Pe de alta parte, folosirea unui calcar cu o granulatie prea fina (sub 20 mm) conduce la aspirarea acestuia de catre exhaustor si ingreuneaza exploatarea instalatiilor de epurare a gazelor si a gospodariei de namol (in cazul epurarii umede).

Varul metalurgic se obtine prin arderea calcarului, care trebuie sa fie cat mai curat, in special in ceea ce priveste continutul de sulf, silice si magnezie. Varul de calitate are un rol deosebit in formarea unei zguri bazice, omogene, active in convertizoarele cu oxigen in care procesele sunt rapide. Prin var de calitate se intelege un var ars uniform, rezistent, cu o reactivitate maxima la probele de laborator cu acid clorhidric si cu un continut redus de sulf, magnezie si silice.

Cu toate ca in procesul de fabricare a varului calcarul se descompune aproape in totalitate, parte din umezeala si din dioxidul de carbon se absoarbe de catre var. Varul este higroscopic, adica este avid pentru umezeala din aerul atmosferic. In contact mai indelungat cu atmosfera, varul se descompune, deoarece se hidrateaza. Dupa aceasta nu mai poate fi folosit in procesul de elaborare a otelului, deoarece odata cu varul se introduce o cantitate oarecare de hidrogen, care trece in otel. De asemenea, varul descompus nu mai are efectul scontat in formarea zgurii bazice active.

Granulatia optima a varului pentru convertizorul cu oxigen este 20 . 50 mm. Ca si in cazul calcarului, utilizarea varului cu o granulatie de peste 50 mm duce la dificultati in asimilarea rapida a acestuia si in formarea rapida a zgurii. Folosirea varului cu o granulatie sub 20 mm conduce la dificultati si mai mari , legate de aspirarea varului de catre exhaustor si introducerea lui in instalatii de epurare a gazelor si in gospodaria de namol (in cazul epurarii umede). In acest caz, varul se descompune, formand hidrat de calciu, care impreuna cu fierul rezultat din gazele arse se transforma intr-un monolit ce obtureaza si chiar blocheaza iesirile din decantoare si conductele de aspirare - refulare a namolului rezultat de la epurarea umeda a otelariilor cu convertizoare.

Rezistenta mecanica a varului joaca un rol important, deoarece instalatiile de alimentare cu var sunt de obicei, amplasate la distante relativ mari de convertizor. Transbordarile succesive, distanta mare de transport, precum si inaltimea relativ mare de la buncarele propriu-zise de alimentare si pana la convertizor (cca 30 . 35 m) conduce la maruntirea suplimentara a varului.

In tabelul de mai jos sunt prezentate compozitiile chimice recomandate pentru varul si calcarul folosit in convertizoarele cu oxigen:

5. FLUORINA SI ALTI FLUIDIFICATORI

Fluorina sau fluorura de calciu (CaF ) se foloseste curent ca fluidificator pentru formarea zgurii la procedeul de elaborare a otelului in convertizoarele cu oxigen. Formarea rapida (la nivel de minute) a zgurii fluide si in acelasi timp bazice, poate fi realizata numai cu ajutorul fluorurii de calciu, ceea ce influenteaza direct obtinerea unei calitati a otelului si realizarea unor durabilitati inalte la captuseala convertizorului.

Consumul de fluorura de calciu este de 3 . 5 kg/t otel si este in functie de compozitia chimica a fontei din incarcatura, de calitatea fluorurii si varului utilizate. Granulatia fluorurii utilizate este de obicei, 10 . 30 mm.

Cantitatea de fluorura de calciu in fluorina folosita in convertizoare variaza intre 75 . 95 %.

In unele otelarii cu convertizoare s-au facut incercari de fluidificare a zgurii cu bauxita, obtinandu-se zguri aparent fluide, care spumeaza insa puternic si ingreuneaza procesul de elaborare a sarjelor. De asemenea, bauxita conduce la o durabilitate redusa a captuselii refractare a convertizorului si la cresterea continutului de incluziuni nemetalice din otel.

In tabelul de mai jos este prezentata compozitia chimica a fluorinei si bauxitei:

6. FEROALIAJELE

La elaborarea otelurilor in convertizor, aproape la toate calitatile realizate se adauga feroaliaje, atat pentru dezoxidare, cat si pentru aliere. Adaosul de feroaliaje se face in oala de turnare sau in lingotiere si nu in agregatul de elaborare, asa cum se procedeaza la cuptoarele Martin sau electrice.

Aceasta se explica prin aceea ca adaosul feroaliajelor in oala, asigura un consum mai redus de feroaliaje, precum si scurtarea duratei de elaborare a sarjei.

Sortimentele de feromangan sunt acelea cu 75 . 80 % Mn si 80 . 85 % (avand cantitati diferite de carbon: 0,75 % sau 1,5 . 3 %).

Principalele sorturi de ferosiliciu contin 15, 45, 75 si uneori, 90 % Si.

La convertizoarele cu oxigen se foloseste de obicei, ferosiliciu cu 45 si cu 75 % Si. Ferosiliciul mai contine calciu pana la 0,7 %, titan 0,03 . 0,20 % si Al intre 0,2 . 2,0 %.

Feromolibdenul se adauga in convertizor odata cu incarcatura metalica. Uneori, in locul feromolibdenului se foloseste molibdatul de calciu sau oxizii de molibden. Aluminiul, carbonul, cuprul si nichelul se utilizeaza pentru alierea si dezoxidarea otelului de convertizor intr-o forma relativ pura.

Carbonul se introduce pentru carburarea otelului in oala de turnare sub forma de cocs, grafit sau carbune. Se recomanda ca aceste materiale sa aiba un continut ridicat de carbon si un continut redus de sulf si de umiditate.

Cand de elaboreaza otelul cu cupru, acesta se incarca in convertizor odata cu incarcatura metalica sub forma de deseuri de cupru sau calupuri de cupru electrolitic care contine peste 99 % Cu.

Nichelul se introduce in convertizor odata cu incarcatura metalica sub forma de nichel electrolitic (cu un continut de 99,95 % Ni) sau sub forma de deseuri de nichel.

F e r o a l i a j e l e   c o m p l e x e In unele otelarii cu convertizoare se folosesc feroaliaje complexe care contin doua sau trei elemente necesare pentru dezoxidarea sau alierea otelului. Aceste feroaliaje complexe au punctul de topire mai coborat decat elementele lor componente. Se foloseste, de exemplu , silicomanganul cu 65 . 70 % Mn si 12 . 25 % Si, silicoaluminiul cu circa 40 % Si si 20 % Al.

Uneori, pentru usurarea topirii feroaliajului, acesta contine si un amestec exotermic care se aprinde in contact cu otelul incandescent. Acestea sunt asa-numitele feroaliaje exoterme si permit introducerea in oala de turnare a unor cantitati mari de adaosuri pentru aliere, ceea ce asigura conditiile necesare pentru producerea in otelariile cu convertizoare a unor oteluri aliate si inalt aliate. Cel mai utilizat, din aceasta categorie, este ferocromul exotermic.

Cele mai multe din otelariile moderne sunt dotate cu instalatii de topire a feroaliajelor. Este vorba, in primul rand, de topirea feromanganului si ferosiliciului, care au ponderea cea mai mare intre feroaliajele folosite la elaborarea otelului.