Defecte ale semifabricatelor din otel

1. Defecte de suprafata

La solidificarea lingourilor de otel structura si compozitia acestora este neomogena, apar goluri de contracti la otelul calmat, sufluri la cel necalmat. Astfel apar defecte in lingourile de otel. Ele se pot elimina prin mijloace tehnologice astfel incat lingoul sa fie utilizabil.

Defectele se pot clasifica in defecte inerente (retasurile, suflurile, porozitatile, segregatiile si incluziunile nemetalice) si accidentale, care la randul lor pot fi defecte de suprafata (crapaturile, stropii, scoartele, infasurari ale crustei) si defecte interne (liniile de umbra si fulgii).

Crapa 818b15i turile apar cand solicitarile crustei solidificate depasesc rezistenta ei. Principalii factori care influenteaza aparitia crapaturilor sunt:

constructia lingotierei – poate provoca accentuarea tensiunilor in crusta;

metoda si parametrii turnarii (v_t , T_t );

proprietatile otelului la temperaturi inalte (contractie, plasticitate, rezistenta) determinate de compozitia chimica si conditiile de turnare.

Crapa 818b15i turile de suprafata sau interne, sunt orientate longitudinal sau transversal se clasifica dupa aspect si conditiile de formare in crapaturi la cald si la rece.

Crapa 818b15i turile la cald – intercristaline - se produc atunci cand tensiunile care apar la solidificarea lingoului sunt mai mari decat limita de rupere a otelului (1350 – 1400⁰C), aproape de punctul solidus sau chiar deasupra punctului real de solidificare, aparitie usurata de prezenta fazei lichide intre ramurile dendritelor. Ele pot fi orizontale sau verticale.

Crapa 818b15i turile orizontale apar daca este franata contractia otelului dupa axa longitudinala a lingoului. Cauzele franarii concentratiei franarii concentratiei zonei I pot fi (Fig. 12):

Fig. 12. Defecte de suprafata ale lingoului de otel

a)    defecte ale suprafetei interioare a lingotierei (1);

b)incastrarea lingoului la picior (2), datorita montarii gresite a placii de fund, sau prelucrarii necorespunzatoare a suprafetelor de contact;

c)incastrarea lingoului la cap (3) datorita patrunderii otelului lichid intre lingotiera si maselotiera sau supraturnarea ;

d)lovirea violenta a crustei de catre jetul de otel (4);

Crapa 818b15i turile verticale (5), se produc de obicei in partea de jos a lingoului si sunt cauzate de tensiuni produse de presiunea ferostatica a coloanei de otel lichid in crusta solidificata, de franarea contractiei acesteia si de transformarile structurale cu modificare de volum.

Probabilitatea de aparitie a crapaturilor este determinata de grosimea pe care o are crusta marginala in momentul desprinderii ei de peretii lingotierei si formarii interstitiului. momentul formarii interstitiului este foarte important deoarece din acest moment transmiterea de caldura spre exterior se reduce brusc, deci viteza de crestere a crustei solidificate scoate in timp ce presiunea ferostatica creste continuu. Tot in acest moment actioneaza forte datorita franarii contractiei care introduc tensiuni mari in crusta.

Daca valoarea tensiunilor din crusta este mare si grosimea crustei este redusa, tensiunile pot depasi rezistenta otelului la temperatura data provocand crapaturi care nu se mai pot suda deoarece suprafata rupturii se oxideaza in contact cu atmosfera (din interstitiu).

Tendinta de deformare a crustei este influentata si de viteza de deformare a crustei intr-o perioada data.

Astfel, daca aparitia crapaturilor este usurata de faza lichida ramasa intre cristale care cresc marginile crapaturilor care apar in intervalul de temperatura 1350 – 1400⁰C sunt rotunjite.

Daca , solidificarea cuprinde si faza interdendritica, iar crapaturile pot fi intracristaline – forma crapaturilor este complicata, cu muchii ascutite.

Deformatia primelor straturi de metal solidificat nu se realizeaza neuniform pe lungimea acestora, accentuandu-se in zonele mai subtiri ale crustei. Aceasta explica sensibilitatea lingourilor fata de aparitia crapaturilor in functie de configuratia lingotierei, temperatura otelului, viteza de turnare, hidrodinamica otelului lichid in timpul turnarii (functie de metoda de turnare).

La lingourile plate formarea interstitiului are loc mai intai pe laturile mici, pe laturile mari desprinderea incepe de la colturi. La mijlocul laturii crusta ramane un timp mai indelungat in contact cu lingotiera. Zona de crusta desprinsa este supusa la intindere si incovoiere, care conduce la momente ce dau tensiuni in crusta definite pe sectiune.

Daca crusta nu s-a indepartat complet de latura mare a lingotierei si in intervalul de timp considera atunci pe portiunile de crusta adiacente colturilor pot aparea crapaturi. Dupa desprinderea completa a crustei se pot forma crapaturi transversale pe laturile mari ale lingoului in functie de v_d si v_s.

Pentru a evita formarea crapaturilor este necesar ca grosimea crustei de otel solidificat la sfarsitul turnarii sa fie mai mare decat o valoare critica.

Considerand constanta de solidificare k ca o functie a raportului intre perimetrul P si suprafata sectiunii transversale a lingoului S, si timpul de turnare atunci grosimea stratului solidificat este:

[m] (18)

Probabilitatea de aparitie a crapaturilor arata:

influenta formatului lingotierei (probabilitatea creste odata cu cresterea sectiunii S si scade cand perimetrul P creste);

grosimea crustei marginale ;

viteza de turnare;

Concluzii

Pentru a impedica formarea crapaturilor se urmareste cresterea caracteristicilor mecanice ale otelului la temperaturi mari. Caracteristicile depind de marca de otel, tehnologia de elaborare si turnare, intensitatea de racire. De asemenea scaderea tensiunilor in crusta solidificata prin alegerea unei configuratii rationale a lingotierei care sa asigure cresterea grosimii crustei marginale la momentul desprinderii si o anumita succesiune de desprindere a diferitelor portiuni de creasta care asigura momente de incovoiere si tensiuni scazute.

Deformatia primelor straturi de otel solidificat se repartizeaza neuniform pe lungimea acestora, concentrandu-se in zonele subtiri ale crustei.

Apar cand conditiile de turnare si solidificare nu asigura formarea unei cruste groase si rezistente, cum ar fi: temperatura de turnare inalta, viteza de umplere prea mare, configuratia lingotierei (peretii lingotierei prea subtiri), hidrodinamica jetului, metoda de turnare. Lingourile mari se toarna de obicei in lingotiere poligonale, care asigura formarea unei cruste rezistente.

Lingotiere cu sectiune dreptunghiulara - formarea interstitiului are loc mai intai pe laturile mici, iar pe laturile mari desprinderea crustei solidificate incepe de la colturi la mijlocul laturii, aceasta ramanand un timp mai indelungat in contact cu lingotiera. Crapa 818b15i turile apar pe portiunile de crusta adiacente colturilor.

Hidrodinamica miscarii otelului in lingotiera.

Studii pe modele au aratat ca viteza de turnare influenteaza hidrodinamica miscarii otelului in lingotiera in timpul turnarii, respectiv zona de amplasare si viteza curentilor de recirculatie in otel, care spaland zona solidificata si aducand otel cald in contact cu crusta solidificata fac ca in aceasta zona grosimea crustei solidificata sa fie minima (difera de metoda de turnare).

Fig. 13 Sectiunea critica la turnarea indirecta

La turnarea indirecta liniile de curent ale jetului isi pastreaza caracterul liniar numai pe o portiune a traiectoriei pana la o inaltime si sectiune critica dupa care jetul se desface si formeaza curenti de recirculatie de sens contrar jetului. Distanta pe care au intensitatea maxima fiind de 1/3 din inaltimea la care se formeaza sectiunea critica. (Fig. 13)

Probabilitatea maxima de aparitie a crapaturilor este zona sectiunii critice unde aceasta este minima.

Inaltimea zonei critice, h_c:

(19)

unde D este diametrul lingotierei;

Viteza curentilor de recirculatie, W_c: (Efimov)

, marimea W_c=f(W₀)     (20)

La turnarea prin sifon zona de recirculatie intensa este fixa si amplasata spre piciorul lingoului, crusta marginala este subtire chiar acolo unde suporta presiunile ferostatice cele mai mari.

Fig. 14 Curentii de recirculatie

La turnarea directa primele portii de otel lichid lovesc la intrarea in lingotiera placa de baza a acesteia si in continuare jetul patrunde in stratul de otel lichid. Jetul isi pastreaza pe o portiune forma sa conica, sectiunea crescand pana la o valoare critica dupa care se reduce treptat.

Din cauza rezistentei stratului de otel lichid din lingotiera liniile de curent isi pierd controlul liniar si primesc o deviatie opusa celei initiale. Astfel se nasc curenti de recirculatie care spala frontul de solidificare, viteza maxima a acestora inregistrandu-se in zona diametrului critic al jetului unde sectiunea de circulatie ale curentilor este minima. Datorita curentilor de recirculatie se mareste aportul de caldura la contactul cu frontul de solidificare. (Fig. 14)

Inaltimea zonei de recirculatie, h_c:

, [m] (21)

Viteza curentilor de recirculatie, W_c:

, [m/min] (22)

unde:

Din aceste relatii rezulta ca in conditii egale de turnare, actiunea jetului asupra crustei este proportionala cu h_c care depinde de W₀. Cresterea lui W₀ duce la cresterea lui W_c si a lui h_c. Deci va creste si portiunea pe care este subtire.

Faptul ca zona de maxima turbulenta este mobila urcand odata cu cresterea nivelului otelului din lingotiera constituie un avantaj pentru turnarea directa.

Probabilitatea mai mare de aparitie a crapaturilor o intalnim la otelurile turnate cu temperatura de turnare mare, cu viteza de turnare mare, la turnarea prin sifon a lingourilor cu sectiune si inaltime mare si rotunde sau cu muchii drepte.

Din punct de vedere al compozitiei chimice o sensibilitate mare la crapare o au otelurile nealiate, calmate, cu [C]>0,35%, cu interval mare de solidificare, aliate cu [C] = 0,4 – 0,6%, cu tendinta mare de transcristalizare (aliate cu Cr, Ni, Si), cu concentratie mare (Mn, 12 – 14%).

Pentru a combate crapaturile verticale si orizontale trebuie avute in vedere urmatoarele:

cresterea grosimii pentru zona I si scadere pentru zona II;

scaderea temperaturii de turnare si a vitezei de umplere;

scaderea continutului de S, P, H₂, N₂;

scaderea procentului de incluziuni nemetalice, deci scaderea continutului de [O], [N], dezoxidarea cu Al, Ti, Zr, V, B pentru a obtine incluziuni de dimensiuni mici si putine;

folosirea de lingotiere cu pereti grosi, scunde, cu pereti ondulati, laturi conexe, corect prelucrate si unse.

Stropii si scoarta. La turnarea directa aparitia lor este fovorizata de un jet inclinat, imprastiat, cu energie cinetica mare, de viteza mare de oxidare a otelului.

Infasurarile (suduri reci)

Se formeaza de regula la turnarea in sifon si sunt favorizate de temperatura joasa a otelului lichid, viteza de turnare prea mica, de pregatirea necorespunzatoare a lingotierei (necuratate, fara lubrifianti). Pe suprafata otelului se formeaza o crusta solidificata, bogata in oxizi proveniti din incluziunile nemetalice decantate, dar mai ales din oxidarea otelului de la suprafata, care adera la peretii lingotierei. Pe masura ce otelul urca in lingotiera si preseaza asupra crustei, aceasta se rupe si este inglobata in otelul lichid, ramanand prinsa in lingou. Crustele fiind oxidate, nu se sudeaza in timpul deformarii plastice, conducand la craparea sau chiar ruperea lingoului in timpul laminarii.

Infasurari ale crustei au loc frecvent la otelurile vascoase (aliate cu Mn, Si, Cr, Al, Ti). Cand viteza de turnare este suficient de mare, crusta va fi presata pe peretii lingotierei. daca crusta formata rezista presiunii otelului lichid fara a se rupe, pe suprafata lingoului apar “ondulatii”.

Daca viteza de turnare este prea mica, crusta formata este ca o carcasa rigida, care nu rezista presiunii otelului, va fi strapunsa, otelul lichid o “imbraca” formand defectul numit “infasurare”. Daca temperatura de turnare este prea joasa, sau intensitatea racirii oglinzii otelului prea mare, stratul exterior al miniscului se va durifica rapid, ii scade plasticitatea, crusta se rupe si otelul lichid patrunde intre crusta si peretele lingotierei.

Masurile tehnologice care pot fi adoptate pentru evitarea formarii de infasurari sunt:

turnarea la temperaturi inalte si viteze suficient de mari, pana la limita evitarii aparitiei altor defecte cum ar fi crapaturile;

ungerea cu lubrifianti a peretiolor lingotierei;

folosirea unor fondanti si prafuri tewrmoizolante care sa formeze o zgura lichida pe oglinda otelului;

utilizarea unor rame de lucru care sa urce odata cu otelul in lingotiera si care sa nu permita crustei sa se apropie de peretii lingotierei la mai putin de 30 mm;

adaugarea de aluminiu pe fundul lingotierei sau imediat dupa deschiderea orificiului oalei la turnarea directa.

Bavurile se formeaza de obicei la rostul dintre maselotiera si lingotiere sau lingotiere si placile de fund, fiind favorizate de:

pregatirea acestora necorespunzatoare (prelucrare neplana);

otel foarte cald si cu fluiditate foarte mare.

2. Defecte interne

Defectele interne ale lingourilor de otel se clasifica la randul lor in defecte inerente (retasuri, pentru otelurile calmate si semicalmate, sufluri pentru otelurile necalmate si semicalmate, segregatii, incluziuni, nemetalice) si defecte accidentale ( fulgi, porozitati, linii de umbra).

Retasurile sunt goluri de contactie a otelului in stare lichida in lingotiera. Aparitia lor este determinata de diferenta de volum dintre volumul aliajului lichid la turnare si volumul solidului la temperatura de solidificare.

Contractia in stare lichida are loc in timp ce temperatura otelului scade de la temperatura de turnare T_t, la temperatura lichidus T_l.

Valoarea contractiei volumetrice in stare lichida se poate calcula cu relatia:

(23)

Deoarece temperatura lichidus ramane aproape constanta pentru o marca de otel, marimea contractiei volumetrice in stare lichida depinde de coeficientul de contrctie si de temperatura de turnare T. Coeficientul de contractie depinde de proportia de gaze degajate, de compozitia chimica a otelului si de miscarile otelului lichid in lingotiera in timpul racirii. Variatia coeficientului de contractie volumetrica in stare lichida , depinde foarte mult de continutul de carbon, creste cu cresterea continutului de Si, Mn si P si scade cu cresterea continutului de Cr si Al.

Contractia volumetrica in intervalul de solidificare este determinata de schimbarea starii de agregare, cand atomii se aranjeaza in retea, de cresterea brusca a continutului de gaze, de reactii si de difuzie.

Contractia volumetrica in intervalul de solidificare este data de relatia:

(24)

Valoarea contractiei volumetrice creste cu cresterea intervalului de solidificare, cu cresterea continutului de carbon, este influentata si de elementele care largesc intervalul de solidificare. (Fig. 15)

Fig. 15. Variatia contractiei cu continutul de carbon

Pentru diminuarea contractiei trebuie avute in vedere urmatoarele:

folosirea vidului sau barbotarea cu gaze inerte a otelului in oala de turnare pentru micsorarea continutului de gaze;

conducerea corecta a afinarii si a dezoxidarii;

Cele doua tipuri de contractie determina formarea retasurii la capatul lingoului si marimea sutajului de cap, care poate ajunge la 10 15%. (Fig. 16)

Mecanismul formarii retasurii. Modul de formare a retasurii intr-un lingou fara maselotiera difera de la lingotiera invers conica la cea conica (Fig. 16)

Fig. 16. Mecanismul formarii retasurii

In cursul racirii otelului in lingotiera, concomitent cu formarea unui strat solid dx in timpul are loc, datorita contractiei si o coborare a nivelului suprafetei libere a otelului cu o valoare dy, inaltimea coloanei de otel devenind y. Acest proces continua pe masura ce solidificarea avanseaza spre centrul lingoului si de la picior spre cap. La sfarsitul solidificarii rezulta un gol de contractie R – denumit retasura principala pe inaltimea h, iar in cazurile lingourilor direct conice cu conicitate mare, apare si un gol de contractie secundar r – denumit retasura secundara.

Aparitia retasurii nu poate fi evitata, dar pot fi influentate volumul, intinderea si pozitia acesteia in lingoul de otel. Retasura poate lua in lingou forme si pozitii variate (Fig. 17).

Fig. 17. Formarea golurilor de contractie la solidificare

Volumul retasurii si adancimea ei variaza cu dimensiunile lingoului, cu forma si configuratia lingotierelor, cu calitatea otelului si metoda de turnare adoptata. Astfel, in lingourile cu raportul H/D_m mic, retasura este larga si putin adancita, in timp ce la lingotierele inalte si cu sectiune mica, retasura este ingusta si adanca. Lingotierele cu pereti grosi si calde se racesc incet dupa formarea zonei I de solidificare si deplaseaza retasura spre capul lingoului, in timp ce lingotierele cu pereti subtiri si reci favorizeaza formarea retasurii filiforme, ingusta si adanca.

Cresterea temperaturii de turnare si a vitezei de umplere maresc volumul si adancimea retasurii asa cum arata curba 2 din fig. 3 fata de curba 1 corespunzatoare unor valori mici pentru T_t si v_t.

Masurile pentru restrangerea retasurii si amplasarea ei favorabila in capul lingoului, difera dupa cum otelul este calmat sau necalmat. Astfel, la otelul calmat se folosesc lingotiere invers conice, cu maselotiere bine izolate termic, uscate si calde. Se recomanda turnare directa, deoarece ultimele portiuni de otel lichid turnat au posibilitatea completarii golului de contractie deja format.

In cazul turnarii in sifon, cand conditiile sunt mai putin favorabile si otelul cald patrunde la piciorul lingoului, pe langa masurile mentionate mai inainte este necesara pomparea (intreruperea si reluarea turnarii) pentru a micsora pericolul formarii retasurii secundare.

In lingoul de otel necalmat, retasura poate lipsi in totalitate (fierbere slaba) sau se poate forma si patrunde pana la 10% din inaltimea lingoului daca fierberea este prea puternica de la inceput si cea mai mare parte din bulele de gaz ies din otel.

Daca insa acoperirea cu substante chimice se face foarte tarziu, se adauga Al dupa 10 15 min dupa terminarea turnarii, cand fierberea inceteaza brusc, retasura fiind formata din goluri izolate care patrund pana la 50% din inaltimea lingoului.

Porozitatile apar intre grupe de dendrite sau la limita cristalelor primare, unde raman portiuni de otel lichid care se contracta producand goluri mici, inguste, pline cu gaze in care nu mai poate intra otelul lichid. In consecinta, porozitatile sunt microretasuri care apar mai frecvent in centrul lingoului si mai ales in apropierea retasurii.

Porozitatea din centrul lingoului este mai pronuntata daca raportul H/D_m este mare, daca temperatura de turnare este inalta, daca otelul contine elemente care maresc domeniul de solidificare si daca se indeparteaza prea repede maselotiera (atunci centrul lingoului se solidifica brusc, nu succesiv).

In procesul de deformare plastica la cald, golurile din centrul lingoului se sudeaza total sau in mare parte la otelul necalmat. Cele care nu se sudeaza reprezinta un defect care inrautateste proprietatile otelului.

Suflurile sunt goluri datorate degajarii gazelor in timpul solidificarii, fiind inerente la lingoul de otel necalmat si reprezinta discontinuitati in masa lingoului. Pozitia si repartizarea lor este strans legata de modul cum decurge degazarea ca si de raportul care exista intre vitezele de solidificare si de formare a bulelor de CO.

Primele bule de CO apar pe suprafata interioara a crustei care se formeaza la inceputul procesului de solidificare, aici existand conditiile optime pentru germinare si anume, suprafata neregulata si subracire locala. Aceasta se ridica spre capul lingoului contribuind la uniformizarea temperaturii in lingou si la indepartarea excesului de H₂ si N₂ peste cel care poate fi retinut in solutie in echilibru la temperatura respectiva.

Daca degajarea bulelor este intensa si otelul se misca pe verticala cu viteza mare, bulele vor fi antrenate de-a lungul stratului solidificat si eliminate.

Daca degajarea de bule este mai slaba, dar bulele cresc ceva mai repede decat grosimea stratului solidificat, periodic acestea se pot sparge si in mersul lor ascendent, atata timp cat otelul este fluid vor antrena si o parte a gazului din golul inconjurat de otel solidificat.

Cand viteza de avansare a frontului de solidificare este mai mare decat viteza de formare si crestere a bulelor, acestea vor ramane prinse sub forma de sufluri in otelul lichid.

Sectionand un lingou de otel necalmat, in structura acestuia se disting urmatoarele zone caracteristice:

a)    crusta marginala care cuprinde:

zona cu grosimea de 1 – 2 mm continand sufluri si fisuri superficiale datorate defectelor locale ale peretilor lingotierei;

zona fara sufluri, densa, a carei grosime variaza in functie de conditiile de solidificare si de degajare a gazelor, la o fabricatie normala aceasta grosime fiind de ordinul a 15 mm;

b)   zona suflurilor marginale, alungite sau coroana exterioara de sufluri, cu o grosime de 30 – 70 mm, formate in urma inrautatirii conditiilor de degajare ca urmare a cresterii viscozitatii otelului si presiunii ferostatice, bulele de CO a caror formare slabeste ramanand prinse de preminentele de la frontul de solidificare si crescand odata cu avansarea acestuia;

c)    zona suflurilor secundare, de forma globulara sau coroana interioara de sufluri care marcheaza limita dintre zona de fierbere si miezul lingoului fiind amplasate de regula in apropierea centrului lingoului spre partea superioara.

d)   zona centrala care contine sufluri rotunde, mari si mici, raspandite neregulat, mai putin in partea de mijloc si mai mult de capatul lingoului, sufluri care se produc din momentul punerii sau formarii capacului;

Pentru a nu se transforma in defecte care sa conduca la rebutarea produsului deformat plastic, coroana exterioara de sufluri trebuie sa se formeze sub o crusta marginala compacta cu o grosime de cel putin 25 mm. Daca crusta marginala este prea subtire, exista pericolul ca in timpul deformarii plastice acesta sa crape, marginile suflurilor se oxideaza in contact cu aerul si ele nu se mai sudeaza si produsele prezinta la suprafata exfolieri, rupturi sau crapaturi. Sunt periculoase si suflurile din centrul lingoului, care pot ramane nesudate mai ales daca coroiajul este mai mic sau laminorul, presa sau ciocanul de forja sunt prea slabe.

Pozitia suflurilor in lingou si comportarea lor la laminare si forjare influenteaza proportia de produse bune si comportarea pieselor fabricate din acestea. Daca suflurile marginale se gasesc la o adancime mica fata de suprafata, crusta care le acopera se poate rupe la prelucrarea prin deformare a lingoului, peretii suflurilor se oxideaza si deci nu se mai sudeaza iar piesele vor prezenta la suprafata defecte grave (exfolieri, ruperi, crapaturi).

De asemenea, daca laminorul, presa sau ciocanul sunt slabe sau covoiajul este mic, suflurile din interiorul lingoului pot ramane nesudate reprezentand discontinuitati in produs. Daca prin aschiere vor fi scoase la suprafata, ele vor actiona ca amorse la ruperea pieselor.

Unul din obiectivele principale ce trebuie urmarite in cursul elaborarii si turnarii este asigurarea unei zone lipsita de sufluri de o grosime suficienta, grosime care trebuie sa fie cu atat mai mare cu cat lingoul este mai mare, valoarea minima fiind de cca 10 mm.

Amplasarea coroanei marginale de sufluri depinde de conditiile de elaborare, turnare si solidificare, deci de continutul de carbon, de gradul de calmare (dezoxidare) a otelului, de valorile parametrilor turnarii, temperatura de turnare T_t si viteza de umplere v_u si de raportul H/D_m al lingotierei.

Modul in care este condusa elaborarea influenteaza in mare masura procesul de fierbere a otelului in lingotiera si degajarea de gaze care practic este controlata in intregime de desfasurarea rectiei dintre si din otel (analizele de gaz prelevat in timpul fierberii otelului in lingotiera au aratat ca ponderea CO+CO₂ in acestea este de peste 90%, continuturile de N₂ si H₂ reprezentand < 5% si respectiv < 2,5%).

De aceea, la evacuarea din cuptor otelul trebuie sa aiba un anumit grad de oxidare care se asigura atat prin continutul de carbon, cat si prin compozitia zgurei (continutul de (FeO) si bazicitate).

Astfel, la o bazicitate a zgurei CaO/SiO₂ >=2,5 se recomanda la otelurile necalmate ca sa fie:

=15 – 21% cand > 0,10%

=17 – 21% cand <0,10%

Deoarece in conditii normale de elaborare cresterea continutului de este insotita de scaderea continutului de , pentru a se asigura conditiile de fierbere, continutul de in otelul necalmat se limiteaza la 0,25%, insa foarte rar el depaseste 0,20%.

De asemenea, s-a aratat ca in afara de o dezoxidare prea avansata (continut prea mic de si o decarburare prea avansata conduce la formarea unei cantitati mici de gaze (este insuficient carbonul), deci o fierbere insuficienta si la o amplasare nefavorabila a suflurilor marginale. De aceea, otelurile necalmate trebuie sa aiba continutul de >=0,04%.

Factorul principal pentru formarea si amplasarea suflurilor ramane gradul de calmare a otelului exprimat de relatia:

Valoarea lui se fixeaza functie de otel si de diametrul inscris al sectiunii lingoului. Gradul de calmare trebuie sa creasca liniar cu suprafata lingoului. Astfel, pentru un otel necalmat continand < 0,15%, = 0 si = 0,0015%, gradul de calmare trebuie sa cresca putin cu marimea lingoului si sa aiba valori intre liniile 1 si 2, ceea ce constata prin varierea continutului de mangan in limitele admise pentru acest otel. (figura 18, b)

Fig. 18. Amplasarea suflurilor in lingoul de otel necalmat

Daca prin elaborare s-a realizat un raport corect intre continuturile de si si supraincalzirea corespunde limitei inferioare, iar mediei liniilor 1 si 2, degajarea de gaze incepe intens imediat dupa formarea zonei I (care este groasa) si continua uniform un timp destul de lung pana la asezarea capacului pe capul lingoului (figura 18, a) unde presiunea ferostatica este mai mica, deci degajarea de bule este usurata.

Volumul otelului creste putin pana la sfarsitul solidificarii, contractia otelului este compensata de suflurile interioare si capul lingoului este drept.

Daca supraincarcarea la turnare este mare, fierberea otelului devine din ce in ce mai agitata, zona I si stratul solidificat pana la coroana marginala de sufluri sunt subtiri, iar inchiderea capului lingoului cu capac este dificila. In acest caz, capul lingoului este crescut si deci sutajul la laminare este mai mare. Daca gradul de supraincalzire este la limita superioara, fierberea este prea puternica si chiar daca se adauga aluminiu de la inceput, adancimea la care se afla suflurile este atat de mica (7 15mm) incat la deformarea plastica suflurile se deschid, dand nastere la fisuri longitudinale. Daca supraancalzirea depaseste limita superioara, otelul incepe sa fiarba puternic inca din timpul turnarii, cand otelul a atins 35 50% din inaltimea lingotierei. In acest caz, capul lingoului nu mai poate fi inchis cu capac de fonta, zona IV se intinde pana aproape de capul lingoului, zona V este restransa, zona II-f este intinsa, zona I este foarte subtire, incat se produc crapaturi longitudinale la cald foarte usor si lingourile sunt considerate rebut.

Daca valoarea gradului de calmare, , se apropie de linia 2 (figura 18, b), datorita unui adaos prea mare de aluminiu, sau cand feromanganul pentru preoxidare se adauga in vasul de turnare si contine peste 1% Si, fierberea incepe tarziu si cu o slaba degajare de bule, uniformizarea temperaturii este insuficienta si otelul este vascos mai ales daca si continutul de mangan este mare. In acest caz, coroana marginala de sufluri este aproape de suprafata si se intinde pana la capatul lingoului (figura 18, c). Degajarea de gaze urca greu in otel, al caror volum creste si deci si capul lingoului este bombat, iar zona de la coroana interioara de sufluri pana in centrul lingoului este plina de sufluri. Acelasi lucru se intampla si cand este insuficient oxigen in comparatie cu continutul de , continut care trebuie reglat prin ados de intensificatori de fierbere, adica materiale cu purtatori de oxigen.

Pentru valori ale grdului de calmare, , in lungul liniei 1 si putin deasupra acesteia, fierberea este intensa de la inceput si se mentine intensa timp indelungat. In acest caz, coroana marginala practic lipseste, ea aflandu-se doar la piciorul lingoului, coroana interioara de sufluri este amplasata adanc sub suprafata lingoului, iar in centru se gasesc putine sufluri rotunde spre capatul lingoului, formate dupa acoperirea cu capac (figura 18, d).

Daca nu se acopera cu capac, capul lingoului creste ca o conopida si centrul este plin de sufluri (figura 18, d1 – acoperit, d2 – neacoperit).

Pentru valori ale gradului de calmare,, sub linia 1, continutul de oxigen, , este foarte mare in raport cu cel de carbon, , supraoxidarea este puternica, incat raportul se apropie de cel stoechiometric din CO. In acest caz se formeaza bule de CO in tot volumul lichid, fierberea incepe vehement, temperatura este aproximativ egala continuu, volumul otelului creste mult, solidificarea nu mai are loc progresiv si capul lingoului nu poate fi inchis cu capac. Otelul fierbe pana cand atinge temperatura de solidifcare, cand acesta are loc brusc, formandu-se sufluri rotunde in toata masa lingoului, care este ca un fagure, cu o crusta marginala foarte subtire (figura 18, e). Inaintea terminarii solidificarii, din partea superioara a lingoului scapa brusc bule de gaze, otelul lichid coboara puternic si se solidifica, lingoul avand capul in forma de caramb. Astfel de lingouri sunt rebutate.

Pentru oteluri cu acelasi grad de calmare si continut scazut de , adancimea la care se formeaza coroana marginala de sufluri creste cu scaderea vitezei de umplere (figura 19).

Bulele de gaz care formeaza suflurile contin circa 80% CO si 20% CO₂ si H₂.

Fig. 19. Variatia grosimii crustei marginale functie de viteza de umplere

In cazul otelurilor semicalmat, daca gradul de calmare, , corespunde liniei 2 (figura 18, b) lingoul prezinta o coroana marginala de sufluri aproap de suprafata (figura 18, a) si capul lingoului este bombat.

Daca gradul de calmare este putin peste linia 2, in locul suflurilor marginale apar numai mici pori, la adancime destul de mare, incat produsele laminate au suprafata neteda.

Cand gradul de calmare se apropie de linia 3 (otel prea dezoxidat), se formeaza sufluri numai pe capul lingoului in jurul retasurii care este incomplet formata (figura 18, b) daca dezoxidarea se face cu Si si Al sau este bine formata (figura 18, c) daca se dezoxideaza numai cu Al. In ambele cazuri capul lingoului este drept.

Fig. 20. Amplasarea suflurilor in lingoul de otel semicalmat

Pentru otelurile semicalmate se recomanda un grad de calmare cu valori medii intre liniile 2 si 3 (figura 20), o racire rapida (lingouri mici) sau solidificare sub presiune (lingotiere cu cap butelie).

Influenta continutului de mangan. Influenteaza negativ intensitatea de fierbere a otelului nu numai prin faptul ca elimina o cota de oxigen de la reactia cu carbonul ci si prin faptul ca prin oxidarea sa se formeaza pe capul lingoului o zgura vascoasa, cu temperatura inalta de topire (40 – 70% MnO) care franeaza eliberarea bulelor de gaz si trebuie sa fie fluidificata sau indepartata in timpul fierberii (situatia este cu atat mai dezavantajoasa la turnarea pe jos, in zgura fiind antrenate si cantitati de SiO₂ din refractare).

De aceea si continutul de in otelul necalmat se limiteaza la 0,50%, de regula nedepasind 0,40%.

Influenta continuturilor de si asupra amplasarii coroanei marginale de sufluri – exprimata prin grosimea crustei fara sufluri este aratata in figurile 20.

Fig. 21. Influenta si asupra amplasarii coroanei marginale de sufluri

Lingou – 2,5 t; Otel cu 0,06 – 0,08%. Lingotiera butelie(a) cu adaos de Al

Otel cu 0,30 – 0,40 %Mn     (b) fara adaos de Al; Viteza de umplere = 0,15 – 0,30m/min

Influenta continutului de sulf. Influenteaza negativ intensitatea fierberii prin aceea ca mareste vascozitatea otelului. Totodata fiind un element superficial activ se concentreaza la zonele unde ar trebui sa aiba loc reactia de decarburare. Influenta sulfului este mai importanta pentru segregare.

Influenta temperaturii de turnare ca factor separat este greu de scos in evidenta experimental deoarece antreneaza o serie de factori contradictorii, influenta fiecaruia dintre acestia putand fi preponderenta intr-un caz particular. De exemplu cresterea temperaturii de turnare mareste solubilitatea oxigenului si gazelor in otel, dar in acelasi timp scade numarul germenilor de cristalizare ceea ce determina intarzierea solidificarii si reducerea posibilitatilor de generare a bulelor de gaz.

Influenta vitezei de umplere a lingotierei. Cresterea ei determina crsterea rapida a presiunii ferostatice exercitata de coloana de otel lichid si deci atingerea mai devreme a valorii presiunii critice la care nu se mai poate forma nici o bula de gaz.

Inlocuind in relatia lui Field care da grosimea stratului de otel solidificat in functie de timp: valoarea timpului scoasa din expresia care da cresterea presiunii statice a otelului in lingotiera in functie de v_u:

in care , adica

Se poate pune in evidenta dependenta care exista intre grosimea stratului fara sufluri si viteza de urcare a otelului in lingotiera: (mm)

Din mai multe cercetari s-a dedus o corelatie intre grosimea stratului fara sufluri si viteza de umplere, dat de expresia: (mm)

In functie de aceasta se recomanda practicarea la turnarea indirecta o viteza de umplere de 200 – 300 mm/min, iar la turnarea directa pe sus o viteza de 500 – 600 mm/min. Atunci cand se toarna cu viteze mari se impune folosirea intensificatorilor de fierbere.

Temperatura de turnare si viteza de umplere influenteaza atat reactia carbonului cu oxigenul cat si viteza de solidificare care va influenta si amplasarea zonei sulfurilor marginale care se va gasi cu atat mai adanc in corpul lingoului, cu cat temperatura de turnare si viteza de umplere au valori mai scazute.

Influenta formatului lingoului. Formatul lingoului influenteaza considerabil intensitatea fierberii si macrosegregatia elementelor insotitoare, problema alegerii unui format optim fiind foarte important in conditiile actuale de crestere a greutatii lingoului.

Cu cresterea greutatii lingoului se dizolva macrosegregatia elementelor insotitoare si pentru a reduce amploarea acesteia se impune reducerea dimensiunii sectiunii transversale. Dar cresterea inaltimii corespunzatoare reducerii sectiunii transversale determina o inrautatire a conditiilor de fierbere, zona de sufluri se extinde pe inaltime si lingourile folosite in prezent sunt limitate la 2000 – 2200mm.

Utilizarea lingotierelor cu cap in forma de butelie pentru turnarea otelului necalmat cu 0,10 – 0,15%C se impune mai ales pentru efectul pozitiv asupra macrosegregatiei suflurilor marginale ca urmare a unei intensitati de fierbere mai scazuta provocata de o patrundere mai slaba a oxigenuluio din atmosfera in lingotiera.

Segregatiile. Prin segregatie se intelege neuniformitatea compozitiei chimice a otelului solidificat datorita scaderii solubilitatii elementelor insotitoare (S, P, O, C), depunerii selective de cristale si vitezei mici de difuzie a elementelor in cristalele depuse. Acest fenomen se numeste microsegregare.

Microsegregarea este cu atat mai accentuata cu cat domeniul de solidificare este mai mare si cu cat viteza de racire la solidificare este mai mica. Ea difera de la un element la altul fiind mai puternica pentru S si P si slaba pentru C.

Solubilitatea diferita a elementelor in faza lichida si solida conduce la concentrarea acelor elemente in faza lichida, in fata frontului de solidificare, unde se pot forma faze nemiscibile (eutectice Fe-Mn-S, Fe-C-S, Fe-P-S, Fe-Mn-P-S) determinand fenomenul de macrosegregare.

Accentuarea macrosegregarii cu scaderea temperaturii precum si modul cum avanseaza frontul de solidificare face ca in lingou sa existe o segregare zonala, adica o macrosegregare diferita in zonele caracteristice.

Astfel in lingou apar zone in care continutul de elemente insotitoare este mai mare decat concentratia elementelor respective este mai mica decat continutul mediu.

Pentru aprecierea cantitativa a variatiei compozitiei chimice in lingou se compara continutul de element X in punctul analizat cu continutul de element X_L din otelul lichid.

Gradul de segregare se defineste prin raportul: (25)

Pentru definirea neomogenitatii generale a lingoului se folosesc valorile maxime X_max si minime X_min ale concentratiei elementelor respective.

Gradul maxim de segregare pozitiva: (26)

Gradul maxim de segregare negativa: (27)

Gradul de segregare totala: (28)

Deoarece variatia compozitiei chimice pentru elementele care segrega au acelasi sens indiferent de element, se poate examina neomogenitatea chimica generala a lingoului fara a face specificatie la un element sau altul.

Segregatii in lingoul de otel necalmat. Segregatia zonala pronuntata a elementelor insotitoare in lingoul de otel necalmat este determinata de circulatia otelului in lingotiera, deci de intensitatea fierberii.

Fierberea intensa a otelului in lingotiera imediat dupa formarea crustei marginale si depunerea de cristale in zona IV face ca pe sectiunea lingoului sa apara o zona centrala puternic impurificata si o zona marginala cu segregatii reduse, intinderea acestor zone fiind functie de intensitatea fierberii si de durata ei.

Segregarea zonei centrale nu este uniforma nici pe sectiune si nici pe inaltimea lingoului.

Diferenta de segregatie intre zona marginala si cea centrala este mai putin marcata la piciorul lingoului datorita fierberii mai putin intense a otelului, iar modul de formare a zonei IV face ca aici sa existe o macrosegregatie negativa.

Spre capul lingoului se obtin doua zone puternic segregate, una imediat sub capac si alta sub golul central (format de otelul antrenat de gaze) inainte si dupa formarea capacului. Aceste segregatii pozitive au forma de

Spre sfarsitul solidificarii in centrul lingoului se formeaza mici segregatii filiforme in forma de (segregare totala pozitiva).

Factorii care influenteza segregatiile in lingoul de otel necalmat:

a)    natura elementelor – se disting trei grupe:

S, P au putere minima de segregare, se concentreaza in centrul lingoului;

C si O au putere mare de segregare, dar reactioneaza chimic, deci segregarea lor este impedicata de firberea otelului cu bule;

elemente cu putere mica de segregare - Mn –aproare nu segrega;

b)   conditiile de turnare si fierbere;

Intensitatea fierberii pana la o anumita limita duce la cresterea segregarii chimice peste care are loc o omogenizare inaintata a compusilor chimici in toata masa lichida si nu mai influenteaza segregarea elementelor care nu reactioneaza chimic (S, P). In cazul C, cresterea intensitatii fierberii duce la oxidarea lui avansata si deci scaderea gradului de segregare.

Durata fierberii. Prelungirea duratei duce la cresterea segregarii deoarece avansarea simultana a frontului de solidificare micsoreaza cantitatea de otel lichid in care creste segregatia. Daca se interzice formarea capacului segregarea S se poate dubla.

Temperatura si viteza de turnare. Cresterea temperaturii si a vitezei de turnare duce la cresterea segregatiei. Macrosegregatia este pronuntata, iar macrosegregatia nu apare (zona IV ajunge aproape pana la retasura). La temperatura si viteza de turnare medie zona IV este scunda, scade zona segregatiilor negative, segregatiile si vor fi reduse.

c)    influenta marimii lingoului;

La lingourile mari segregatia este pronuntata deoarece fierberea dureaza mai mult, iar solidificarea este lenta.

Segregatii in lingoul de otel calmat. In lingoul de otel calmat lipseste fierberea, nu exista curenti ascendenti. Curentii descendenti determinati de caderea otelului rece si urcarea celui mai cald impreuna cu avansarea frontului de solidificare determina macrosegregatia care dureaza pana la formarea zonei II si IV. Dupa aceea coborarea otelului din zona V determina formarea macrosegregatia

Variatia de concentratie a elemenetelor difera pe sectiunea si inaltimea lingoului si sunt mai mici decat la otelul necalmat, S - puternic, iar P lipseste la lingourile mici.

Intinderea si prezentarea zonei segregate. Intinderea este influentata de :

intinderea zonei II care creste cu cresterea sectiunii lingoului;

dezoxidantii folositi care fac ca intinderea sa fie puternica la dezoxidarea cu Si, slaba in cazul SiCa, FeTi si puternic pozitiva la cap , respectiv negativa la picior cu Al.

Dezavantaje: favorizeaza ruperea pieselor la deformare, soc si oboseala.

Concluzii

Pentru a reduce segregatia trebuie luate o serie de masuri:

turnarea cu temperatura si viteza de umplere mici (racire rapida);

dezoxidare corespunzatoare cu feroaliaje calcinate;

reducerea continutului de elemente cu putere mare de segregare (S, P);

reglarea intensitatii de fierbere la otelurile necalmate si semicalmate;

racire inceata a lingoului dupa solidificare si aplicarea tratamentului de recoacere de omogenizare timp indelungat intre 1350 – 1375⁰C.

Incluziunile nemetalice. Incluziunile nemetalice sunt particule de oxizi, silicati, sulfuri, carburi, nitruri, rezultate din procesele fizico-chimice care au loc la elaborare, turnare si solidificare, numite incluziuni endogene si particule din materiale refractare provenite din zidaria refractara a agregatului de elaborare, jgheabului de evcuare, oalei de turnare, podului de turnare si particule de zgura care raman inglobate in masa de otel solidificat, numite incluziuni exogene.

Oricare ar fi natura si originea lor, incluziunile nemetalice dauneaza calitatii otelului, inrautatesc mai ales plasticitatea, tenacitatea, rezistenta la oboseala, sudabilitatea, proprietatile electrice si magnetice ale otelurilor.

Indepartarea lor prin decantare are loc dupa legea lui Stokes:

                                               (29)

                                           (30)

Influenta conditiilor de dezoxidare:

pentru otelul necalmat.

Preoxidarea are loc fie in cuptor, jgheab sau in oala de turnare cu FeMn sau cu FeMn si fonta oglinda. Se asigura un timp lung pentru decantarea incluziunilor. Dezoxidarea se face cu Mn in cuptor sau in oala. In oala se adauga si putin Al pentru reglarea [O], deci are loc o fierbere in lingotiera. Produsele de dezoxidare sunt: FeO, MnO si Mn*nFeO lichid sau solid f(%FeO), putin SiO₂ si Al₂O₃. Produsele au capacitate mare de coalescenta si indepartarea acestora este favorizata de agitarea otelului in oala.

pentru otelul calmat.

Preoxidarea are loc in cuptor pentru a asigura scaderea [O], se dezoxideaza pe jgheab sau in oala. Particulele cu r<10 nu ating viteze suficient de mari pentru a le permite indepartarea lor, ele raman practic in otel. Daca r<r_cr sunt impinse in spatiile dintre graunti impreuna cu cele care au scazut, deci nu au coagulat si formeaza pelicule intercristaline. Distrugerea peliculei continue de oxizi se poate realiza prin cresterea temperaturii de omogenizare, care formeaza incluziuni sferice (forma mai avantajoasa pentru proprietatile otelului).

Influenta conditiilor de turnare

Cresterea temperaturii de turnare duce la cresterea [O], deci rezulta o durata de turnare foarte mica pentru a scurta contactul cu atmosfera.

La turnarea directa incluziunile ajung la partea superioara a lingoului si avand in vedere si agitatia otelului ele se decanteaza in mare parte in timpul umplerii lingotierei (sunt mai ales silicati lichizi).

La turnarea prin sifon reoxidarea este importanta in aer si in canalele de turnare, lingoul obtinut este impur.

In lingotiera decantarea incluziunilor depinde de vascozitatea otelului, de timpul de incluziuni rezultate, de timpul pana la solidificare, de distantele pe care trebuie sa le parcurga si de agitatia otelului.

Incluziuni nemetalice in otelul necalmat.

Scaderea temperaturii duce la segregarea elementelor in centru lingoului (C, Mn, S, O). Mn se concentreaza la limita dintre incluziune si otel. Puterea lui de dezoxidare creste cu scaderea temperaturii, deci cu cresterea [%Mn] are loc autodezoxidarea otelului cu Mn, rezultand MnO care fie formeaza solutie cu FeO, fie se depune pe silicati. De asemenea reactioneaza cu [FeS] si rezulta (MnS) deoarece solubilitatea [FeS] scade cu cresterea temperaturiii.

Schimbarile pe care le sufera suspensiile nemetalice in lingotiera depind in mare masura de agitatia otelului, care ajuta cresterea particulelor nemetalice prin prin coalescenta si deci decantarea lor. Lingourile care fierb prea mulputernic sau prea slab au continut mare de incluziuni nemetalice.

Incluziunile nemetalice din otelul necalmat:

produsi oxidici endogeni (Fe, Mn)O si silicatii de Mn si Al rezultati fie din dezoxidare primara, fie din autodezoxidare;

sufluri si oxisufluri;

produse exogene – (refractare, zguri, spuma lingoului);

incluziuni oxidice –0,052 – 0,66% la otelurile elaborate in cuptoarele Simens Martin, 0,042 – 0,062% in convertizor; Particulele mari oxidice provenite din spuma lingoului care contine mult %FeO si mai putin MnO sunt prinse la frontul de solidificare cu cele exogene, in diferite parti ale lingoului, la intamplare. Procentul de Al₂O₃ (ca silicat) este mai mare si mai uniform in zona marginala si zero spre centrul acestuia.

incluziuni sulfidice – variaza functie de [%S] si [%Mn], de marimea lingoului si de conditiile de solidificare; In zona sulfurilor marginale se gasesc sulfuri (Mn,Fe)S, iar in partea centrala oxisufluri (Mn,Fe)S, (Mn,Fe)O.

Forma de prezentare, continutul si faze incluziunilor

Incluziuni oxidice sunt particule mici globulere, daca fierberea este normala sunt in cantitate mica in afara zonei de fierbere. Cresc in zona intermediara (intre coroanele de sufluri) si raman aproximativ acnstant in zona centrala. Daca fierberea este slaba sunt multe chiar de la coroana esterioara de sufluri.

Incluziuni de silicati – cresc in zona exterioara si in partea centrala de la picior.

Concluzii:

Datorita agitatiei otelului si greutatii specifice mici, suspensiile sunt deplasate spre centrul jumatatii superioare a lingoului. Cele ramase de la dezoxidarea primara raman prinse intre dendrite la piciorul lingoului. Lingoul este deci mai impurificat la picior si la cap (cca 20% din inaltime), la margine fiind mai curat.

Incluziuni nemetalice in otelul calmat.

Se disting doua zone si anume:

zona I - produsii oxidici raman prinsi;

zona II - indepartarea este mai usoara, dendritele columnare imping suspensiile spre centrul si capul lingoului, iar o parte mai raman prinse intre ramificatiile dendritelor;

Cantitatea si compozitia lor depind de temperatura de turnare, viteza de umplere, viteza de solidificare, timp.

Incluziunile oxidice sunt produsi primari, o parte se gasesc in centrul cristalelor liniare pentru care au servit drept centrii de cristalizare, a alta parte se decanteaza in maselotiera sau raman in centrul lingoului. Produsii de autodezoxidare raman in cea mai mare parte in lingou, mai ales cei usor fuzibili care precipita la sfarsitul solidificarii. Dendritele care cad la piciorul lingoului antreneaza cu ele o parte din incluziunile exidice. Marimea atinsa prin coalescenta de particule depinde de viteza de solidificare, daca creste r este mic, iar daca scade r este mare.

Incluziunile sulfidice o parte raman prinse intre dendritele columnare, iar alta parte sunt impinse spre centrul lingoului. MnS] si oxosulfurile formeaza pelicule pe particulele mari de silicati greu fuzibili sau precipita eterogen pe particule mici de oxizi. Sulfurile se gasesc in cea mai mare parte in centrul lingoului.

Procedee de micsorare a continutului de incluziuni nemetalice: dezoxidarea cu zguri sintetice, barbotarea cu argon, protejarea jetului si a oglinzii otelului in oala si lingotiera, rafinarea cu pulberi reactive, tratarea in vid, decarburarea in vid, agitarea electromagnetica.