Studii şi cercetări privind oţelurile microaliate obţinute în instalaţia de retopire cu arc în vid

4.3. EVALUARE TEORETICĂ A CARACTERISTICILOR MECANICE PENTRU OŢELURI MICROALIATE ÎN DOMENIILE COMPOZIŢIONALE ALESE

Rezistenţa mecanică şi tenacitatea oţelurilor cu conţinut mediu de carbon şi microstructura alcatuită din ferită şi perlită este determinată atât de compoziţia chimică cât şi de factorii microstructurali [30 - 32] au dezvoltat urmatoarele ecuaţii pentru estimarea valorilor caracteristicilor mecanice de rezistenţă:

Rp (MPa) = 15,2 {f_α^1/3 [2,3 + 3,8(%Mn) + 1,13d_α^-1/2 ] + (1- f_α^1/3)[11,6 + 0,25S_o^-1/2] + 4,1(%Si) + 27,6(%N_f^1/2)} (4.18 )

şi respectiv,

RM (MPa) = 15,2 {f_α^1/3 [16,0 + 74,2(%N_f^1/2) + 1,18d_α^-1/2 ] + (1- f_α^1/3)[46,7 + 0,23S_o^-1/2] + 6,3(%Si)}, (4.19)

în care: Rp este limita de curgere, Mpa;

Rm - limita de rupere, Mpa;

f_α - fracţia volumică de ferită proeutectoidă;

d_α - dimensiunea medie a grăuntelui feritic proeutectoid, mm;

S_o - spaţiul interlamelar perlitic, mm;

N_f - efectul azotului necombinat din reţea.

Toate conţinuturile prezentate sunt exprimate în procente de greutate.

Tenacitatea poate fi exprimată prin intermediul relaţiilor:
T (^oC) = f_α [-46 – 11,5 d_α^-1/2] + (1- f_α)[-335 + 5,6S_o^-1/2 – 13,3 d_p^-1/2 + 3,48 x 10⁶t] +

48,7(%Si) + 762 (%N_f^1/2)}, (4.20)

În care: -T este temperatura în ^oC corespunzatoare unei valori a energiei de rupere prin impact de 27J;

-d_p este dimensiunea coloniei de perlită, mm;

-t este grosimea plachetei de cementită din grăuntele perlitic, mm.

Valoarea indicelui „t’ se poate determina cu relaţia:

t = , (4.21)

unde f_p este fracţia volumică de perlită, iar conţinutul de carbon se introduce în procente de volum.

Viteza de răcire este foarte importantă pentru oţelurile microaliate cu V. Pentru secţiuni reduse, se produce o ferită foarte fină şi perlita cu precipitate de particule complexe, care prezintă caracteristici mari de rezistenţă.

Analiza modelării matematice a procesului de obţinere a oţelurilor permite să se extragă următoarele concluzii:

• 
  majoritatea modelelor matematice se referă, în principal, la determinarea componentelor încărcăturii;
  
• 
  modelele matematice sunt alcătuite din ecuatii obţinute pe bază de experiment sau pe bază statistică;
  
• 
  parametrii de lucru luaţi în studiu şi care contribuie la stabilirea ecuaţiilor modelului matematic sunt în număr relativ mic şi ca atare, nu caracterizează în totalitate procesul metalurgic studiat;
  
• 
  eroarea de estimare a funcţiei obiectiv este relativ mare şi ca atare, rezultatele obţinute prezintă abateri mari de la realitate;
  
• 
  în general, pentru procesul global de obţinere a oţelurilor, sunt elaborate modele matematice statice care permit doar predicţia evoluţiei unui process, fără a putea fi reactualizat în timp real, pe măsura desfăşurării procesului respectiv.
  

V. SELECŢIA ŞI PREGĂTIREA MATERIILOR PRIME ŞI A MATERIALELOR AUXILIARE PENTRU OBŢINEREA OŢELURILOR MICROALIATE

Efectul carburilor şi al carbonitrurilor formate de elementele de microaliere V, Nb, Ti, Zr, B asupra caracteristicilor mecanice ale oţelurilor microaliate poate fi sintetizat astfel:

-Vanadiul prin intermediul V(n,C), VN, VC asigură durificarea prin precipitare după deformare sau normalizare şi finisarea granulaţiei după răcirea controlată (normalizare).

-Niobiul în soluţia solidă şi carbonitrurile Nb(C,N), au efecte similare asupra oţelului şi suplimentar influenţează recristalizarea şi transformarea γ→α după deformarea la cald.

- Titanul formează Ti(C,N), TiN şi TiC care au efecte asupra granulaţiei şi durifică prin precipitare matricea ferito-perlitică.

Rolul acestor elemente de microaliere este completat de alte componente ale oţelului. Astfel conţinutul de carbon are influenţă prin creşterea conţinutului de perlită mărind rezistenţa dar scăzând tenacitatea. Mici adaosuri de crom, sulf, aluminiu, zirconiu, etc pot în combinaţie cu elementele de microaliere să potenţeze sau să scadă efectul acestora.

Pregătirea materiilor prime şi a materialelor pentru elaborarea oţelurilor are o importanţă deosebită, indiferent de procedeul de elaborare folosit.

La elaborarea oţelului în agregatele metalurgice (cuptoare electrice cu arc, convertizoare, cuptoare cu inducţie sau cuptoare Siemens-Martin, materiile prime de bază sunt: fonta, fierul vechi şi feroaliajele.

Necesitatea unei băi metalice curate, lipsite de prezenţa unor componente care să conducă la impurificarea cu elemente nemetalice sau infestarea băii metalice cu elemente chimice nedorite în compoziţia chimică finală a oţelului, impune o sortare şi o pregătire adecvată a materiilor prime. Feroaliajele utilizate la elaborare trebuie să aibă o compozitie chimică cât mai bine determinată pentru a se putea obţine o aliere cu elementele dorite fără a depăşi limitele impuse pentru cele care nu servesc scopului final al mărcii de oţel elaborată.

Selectarea corectă a materiior prime, conduce la un bilanţ pozitiv al elementelor de aliere, la reducerea timpilor de lucru şi implicit la economii de energie.

Reducerea duratei şarjelor are un efect ridicat asupra duratei de viaţă a materialelor refractare utilizate la căptuşirea utilajelor de elaborare.

Un alt element important la elaborarea oţelurilor îl constituie natura materialelor auxiliare utilizate, cum ar fi: minereul, calcarul, varul metalurgic, fluorina (fluorura de calciu), bauxita şi uneori peletele de fier sau buretele de fier. Aceste materiale, cunoscute şi sub denumirea de fondanţi (formează compuşi uşor fuzibili cu elementele nemetalice ) trebuie să îndeplinească mai multe condiţii:

• 
  puritate cât mai mare;
  
• 
  granulaţie corespunzătoare tipului de proces metalurgic;
  
• 
  să contribuie la separarea avansată a elementelor dăunătoare din baia metalică;
  
• 
  să fie accesibile ca preţ de cost.
  

Materialele auxiliare au în principal rolul de fluidificare a zgurii şi/sau de oxidanţi ai impurităţilor nemetalice.

Fiecare din aceste materii şi materiale influeţează în mod direct bilanţul energetic şi termic al şarjelor şi gradul de utilizare-recuperare al elementelor de aliere.

Compoziţia chimică a incărcăturii metalice şi comportarea elementelor prezente în baia metalică au o influenţă foarte importantă asupra cantităţii de zgură formate în agregatul metalurgic. Al, Si, V, Ti şi alte elemente, ai căror oxizi au tensiuni de disociere mult mai mici decât FeO şi sunt mai stabili, trec foarte uşor în zgură. În acest fel se mareşte şi cantitatea de zgură şi agresiunea acesteia asupra materialelor refractare.

Elemente ca Mn, Cr, W sau P formează oxizi cu tensiuni de disociere relativ apropiate de cea a FeO. Aceste elemente oxidează parţial şi se repartizează între zgură şi baia metalică.

În cazul unor elemente ca : Ni, Co, Cu, Mo, tensiunile de disociere ale oxizilor sunt mult mai mari decât în cazul Fe. În acest caz formarea FeO este avantajată, iar elementele se regăsesc în proporţie covârşitoare în baia metalică şi foarte puţin în zgură.

Majoritatea elementelor care trec complet sau parţial în baia metalică sunt elemente dorite în proporţii mai mici sau mai mari în compoziţia oţelurilor, în functie de aplicaţiile finale ale produselor :

• 
  Mn şi Si au un rol foarte important în elaborare, fiind principalii dezoxidanţi ce se regăsesc în majoritatea oţelurilor ;
  
• 
  Ni, Cr Mo, Co, sau W, în cazul oţelurilor mediu şi înalt aliate influenţează atât structura cât mai ales proprietăţile fizico-mecanice în diferite condiţii de lucru;
  
• 
  între elementele în general nedorite se evidenţiază P, S, Pb, Sn, Zn; unele dintre acestea influenţează în mod negativ proprietăţile oţelurilor producând fragilitate, segregări secundare la limitele de grăunte ; în cazul Pb, acesta se volatilizează într-o mică măsură la temperatura de elaborare a oţelului, dar o mare parte pătrunde în vatra cuptoarelor unde provoacă fisuri prin care poate pătrunde şi oţelul topit, conducând la perforări.
  

Un rol deosebit îl are starea fizică a materiilor prime :

• 
  din punct de vedere al impurităţilor, cu cât fierul vechi este mai curat, lipsit de rugină, resturi de materiale refractare de la reţelele de turnare, cu atât riscul de impurificare a băii metalice scade şi se obţin materiale cu proprietăţi fizico-mecanice mai bune şi mai uniforme în toată masa produselor finite;
  
• 
  o proporţie corespunzătoare între fierul vechi greu şi cel uşor asigură o încărcare mai bună a cuptoarelor, cu scurtarea perioadelor de încărcare şi de topire; în acest fel se reduc timpii de reacţie dintre căptuşeală şi baia metalică, timpii de contact cu atmosfera agregatului, cu efect direct asupra consumurilor energetice, asupra oxidării elementelor de aliere şi asupra pierderilor metalice;
  
• 
  deoarece unele feroaliaje prezintă o afinitate mai mare spre umiditate, este necesară calcinarea acestora şi păstrarea în locuri uscate.
  

La elaborarea oţelurilor în cuptoarele electrice cu arc, la care aportul de energie termică este asigurat prin descărcările electrice dintre electrozi şi încărcătură/baia metalică, există posibilităţi foarte bune de lucru pentru recuperarea elementelor metalice aflate sub formă de oxizi în zgură şi pentru decantarea elementelor nedorite.

În cazul cuptoarelor cu inducţie, stratul de zgură depăşeşte adeseori nivelul bobinei de inducţie. În aceste condiţii temperatura zgurei scade şi sunt îngreunate reacţiile de reducere a oxizilor. La aceste tipuri de cuptoare un pericol deosebit îl prezintă formarea podurilor solide de zgură, moment în care nu se mai pot desfăşura reacţiile chimice dintre zgură şi baia metalică. Pericolul cel mai mare îl constituie supraîncălzirea băii metalice cu posibilitatea perforării captuşelii sau a erupţiilor violente. Pentru limitarea acestor fenomene şi pentru obţinerea unor calităţi superioare de oţeluri, se practică la scară largă utilizarea de fier vechi sablat.

În uzinele siderurgice fierul vechi provine în principal din oţelarie, din forjă şi de la laminoare.

Pentru pregătirea acestor materiale sunt necesare instalaţii de debitat pentru bucăţile foarte mari, O bună parte din deşeuri provin de la depozitele de colectare şi sunt necesare instalaţii de compactat în cazul deşeurilor foarte mărunte: şpan, resturi de tablă subţire. Acestea din urmă sunt supuse unor procese de ardere pentru îndepărtarea resturilor de materiale nemetalice şi apoi brichetare pentru mărirea compactităţii.

Datorită creşterii preţului de piaţă al fierului vechi şi a faptului că balanţa de fier vechi la nivel mondial a devenit deficitară, a căpătat un rol tot mai important utilizarea lupelor şi a buretelui de fier obţinute prin metode de reducere directă a fierului din minereu. O altă metodă de pregătire este sortarea primară pe calităţi, cu ajutorul spectrometrelor portabile pentru a asigura valorificarea avansată a unor elemente scumpe. În unele cazuri se practică şi topirea şi caluparea deşeurilor în utilaje auxiliare pentru a asigura o omogenizare a fierului vechi şi o compactitate corespunzătoare.

Feroaliajele se bucură şi ele de o atenţie sporită în oţelării. Ele sunt utilizate atât pentru dezoxidare cât şi pentru aliere. În funcţie de agregatul de elaborare, feroaliajele sunt utilizate în timpul topiriii (în mod deosebit FeSi şi FeMn, cu efect de dezoxidare), al alierii (cazul feroaliajelor cu afinitate redusă faţă de oxigen: FeCr, FeMo, Ni) dar pot fi adăugate şi în oala de turnare sau chiar în lingotiere, în timpul turnării (cazul Al şi Ti).

Tot mai frecvent se utilizează feroaliaje complexe, cu 2-3 elemente cu rol în dezoxidare şi aliere, datorită unor reacţii mai puternice cu oxigenul dizolvat şi unor puncte de topire mai scăzute.

Din punct de vedere al materialelor auxiliare, calcarul şi varul metalurgic se folosesc ca fondanţi pentru obţinerea unor zguri bazice ce permit îndepărtarea avansată a elementelor dăunatoare. Aceste materiale trebuie sa aibă o granulaţie cuprinsă între 20 …50 mm, pentru a asigura o suprafaţă de reacţie cât mai mare. La granulaţii foarte marunte, cresc pierderile în praf ce poate fi aspirat de exhaustoare, cu efecte negative asupra instalaţiilor de epurare a gazelor şi asupra băilor de decantare, în cazul epurării umede.

Fluorina (fluorura de calciu CaF₂) este principalul fluidificator al zgurii. O zgură fluidă şi cu caracter bazic conduce la obţinerea unui oţel de calitate dar şi la mărirea durabilităţii căptuşelii refractare. Încercări de înlocuire a fluorinei cu bauxitat au condus la obţinerea unei zguri aparent fluide, dar cu o spumare puternică, cu efect negativ asupra desfăşurării reacţiilor chimice cu baia metalică.

În procesul de turnare în lingotiere, un rol important îl au alte materiale auxiliare.

În special în cazul turnării directe, vopselele refractare pe baza de Al sau Zr au rolul de a împiedica aderenţa stropilor la lingotiere şi apariţia de defecte de suprafaţă. Se îmbunătăţeşte şi durata de viaţă a utilajului de turnare.

Pentru reducerea aderenţei oţelului la suprfafaţa lingotierelor se mai folosesc prafuri lubrifiante, iar pentru a obţine lingouri cu o structură cât mai sănătoasă, se folosesc pulberui exoterme şi maselotiere izolatoare cu efect imediat asupra reducerii retasurii la capul lingoului.