Studii și cercetări privind elaborarea oțelurilor în cuptorul electric cu inducție

Elaborarea otelului

Oţelul este un aliaj al fierului cu carbonul ce conţine carbon în procent de (0,03÷2,1)%, elemente însoţitoare (Si, Mn, P şi S), în procente admise pentru oţeluri, şi elemente de aliere.

În principal, oţelul se obţine prin afinarea fontei, ce constă în reglarea conţinutului de elemente însoţitoare (parţial C, Si, Mn, P, S) în limitele admise pentru oţeluri. Procesul afinării se bazează pe reacţii de oxidare a acestor elemente. Oxizii formaţi se elimină în zgură sau în gazele de ardere.

Oţelul se poate elabora şi din „fier vechi” sau din fontă şi „fier vechi”, în funcţie de instalaţia în care are loc elaborarea şi de materia primă existentă.

Îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale oţelurilor se realizează prin încorporarea în oţel, în timpul elaborării, a elementelor de aliere cum sunt: Ni, Cr, W, Mn, Va, Mo, Ti, Ta, Nb etc. Prelucrabilitatea oţelurilor este superioară fontelor, motiv pentru care oţelul a devenit cel mai utilizat aliaj în construcţia de maşini.

Oţelurile se elaborează în cuptoare electrice şi cuptoare cu oxygen (convertizoare) prin procedeul basic sau acid. Creşterea calităţii oţelului se poate realiza prin procedeul de retopire şi cel de rafinare secundară.

Procesele fizico-chimice care au loc la elaborarea oţelurilor

In agregate pentru elaborarea otelurilor sub actiunea atmosferei oxidante are loc oxidarea elementelor din incarcatura(fonta,fier vechi). Procesul de oxidare si comportarea oxizilor difera functie de conditiile din fiecare etapa a procesului de elaborare,incalzire,incarcare,topire,afanare.

- Oxidarea carbonului (decarburarea)

Oxidarea carbonului, este foarte importantă pentru elaborare, deoarece determină durata şarjei şi productivitatea instalaţiei. Carbonul este oxidat în baia metalică cu oxigen şi FeO, conform reacţiilor:

2[C] + [O2] → 2{CO}

[C] + [FeO] [Fe] + {CO}

Oxidul de carbon părăseşte baia metalică sub formă de bule, care produc agitarea acesteia, motiv pentru care perioada de decarburare se mai numeşte şi fierbere. Oxigenul necesar decarburării, în perioada de fierbere este asigurat prin adaos de hematită sau prin insuflarea în agregat a oxigenului sub presiune. Oxidarea carbonului cu oxigen este intensă şi scurtează durata şarjei, contribuind la creşterea productivităţii agregatului.

- Oxidarea siliciului

Siliciul se oxidează primul la SiO2 iar acesta când ajunge în zgură se combină cu FeO şi MnO formând silicaţi de fier şi mangan ((FeO)x•SiO2), ((MnO)x•SiO2). În procedeul bazic silicaţii menţionaţi reacţionează cu CaO folosit ca fondant, rezultând silicatul de calciu, ce trece în zgură, şi regenerând oxidul de fier. Oxidul de fier regenerat îşi reia funcţia oxidantă.

- Oxidarea Manganului

Manganul se oxidează mai intens prin creşterea cantităţii de oxid de fier din zgură şi scăderea temperaturii. Oxidul de mangan format trece în zgură.

- Oxidarea Fosforului

Fosforul este adus în agregat de încărcătura metalică, în care se găseşte sub formă de fosfuri (Fe3P, Fe2P). Prezenţa sa în oţel determină fragilitatea acestuia la rece. Oxidarea fosforului, numită şi defosforarea, se desfăşoară cu formare de fosfat de fier, ce este instabil la temperatură ridicată, şi se disociază regenerând fosforul în baia metalică. Pentru evitarea regenerării fosforului, se introduce ca fondant CaO (se lucrează cu zgură bazică) care formează fosfaţi de calciu stabili ce se acumulează în zonă şi eliberează oxidul de fier. Deci defosforarea este posibilă numai la procedeul bazic şi la temperaturi scăzute.

- Desulfurarea.

În fonte şi oţeluri sulful se găseşte sub formă de sulfură de fier (FeS) şi prezenţa sa în oţel determină fragilitatea acestuia la roşu. Procesul desulfurării se efectuează cu mangan, care are o afinitate mai mare pentru sulf decât fierul şi conduce la formarea sulfurii de mangan. Sulfura de mangan este insolubilă şi se acumulează în zgură, proces intensificat de zgurile bazice (bogate în CaO), creşterea procentului de Mn şi a temperaturii. Desulfurarea este maximă după fierbere, când baia metalică are cea mai mare temperatură.