forno elettrico e tratamenti fuori forno

1F. BONOLLO APPLICAZIONI INDUSTRIALI METALLURGICHE UNIVERSITA’ DI PADOVA - DTG

Applicazioni Industriali Metallurgiche

Produzione dell’acciaioal Forno Elettrico

1°Anno Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale


1

2

Tipologie di Forni Elettrici

Il Forno Elettrico ad Arco

Condotta del Processo

Soluzioni Innovative

Contenuti

3

4




GENERALITA’


con nucleo magneticoad induzione

senza nucleo magnetico

Forni a resistenzaa crogiolo

a resistenza ausiliaria a bacinoa irradiazione

irradiante

Forni ad arcoconduttrice

diretto con suolanon conduttrice

For

ni E

lettr

ici

SoluzioniInnovative


Bagno metallico in un crogiolo anularePassaggio di corrente alternataCorrente a bassa tensione e forte intensitàindotta nel bagnoRiscaldamento del bagnoApplicazioni limitate (Cu, Ni)

ad induzione con nucleo magnetico

Tipologie di Forni ElettriciFORNI ELETTRICI A RESISTENZA



SoluzioniInnovative


ad induzione senza nucleo magnetico

Forni a media frequenzaProduzione di acciai di qualitàFonderia ghisaCrogiolo di forma cilindrica

Tipologie di Forni ElettriciFORNI ELETTRICI A RESISTENZA



SoluzioniInnovative


a crogiolo a bacino a irradiazione

Resistenza riscaldante: fili o nastri metallici- Ni-Cr (fino a 1100°C)- leghe ferrose con Cr e Al (fino a 1300°C)- grafite, carbone, silumin (fino a 2000°C)

Tipologie di Forni ElettriciFORNI ELETTRICI A RESISTENZA AUSILIARIA



SoluzioniInnovative


Indiretto o irradiante

Importanza “storica” (fine ‘800-inizio ‘900)L’arco scocca tra due o più elettrodiPossibilità di movimenti oscillantiApplicazioni (limitate) nel campo della ghisa e di metalli e leghe non ferrosi

Tipologie di Forni ElettriciFORNI ELETTRICI AD ARCO



SoluzioniInnovative


Diretto con suola conduttrice

Potenza elettrica trasferitaalla carica di rottame da fonderee quindi al bagno fusomediante due o piùelettrodiposti superiormente al bagnoe nella suolaManutenzione onerosa




SoluzioniInnovative


Diretto con suola non conduttrice

Forni tri-fasi, a tre elettrodiL’arco si stabilisce tra l’estremità dell’elettrodoe la carica metallicaFusione della carica per effetto del caloreirraggiato dall’arcoRiscaldamento con meccanismidi conduzione, convezione e irraggiamento

Elettrodi in posizione ravvicinata(elevata concentrazione di potenza,riscaldamento energico e uniforme)Controllo della temperatura del bagnomediante i parametri degli elettrodiPassaggio della potenza elettrica attraversola scoria: controllo composizione




SoluzioniInnovative


Processo Martin- Siemens

Convertitore ad ossigeno

Forno elettrico ad arco

Maturità tecnologica

Evoluzione tecnologicaObsolescenza

tecnologica




SoluzioniInnovative





SoluzioniInnovative


Concepito da W. Siemens nel 1867, il forno elettrico ad arco prese piede solo nel primo dopoguerra, nella sua più comune

applicazione del forno Héroult (simile all’attuale).

Il forno elettrico ad arco è un impianto che permette di fondere una carica metallica contenente un’elevata percentuale di ferro

per produrre direttamente acciaio liquido.

Un arco elettrico è una sorgente radiante determinata dal passaggio di una elevata densità di corrente in

un mezzo gassoso ionizzato .

Deve il nome alla modalità prevalente di scambio energetico, che avviene ad opera di radiazione diretta da uno o più archi elettrici.

L’ARCO ELETTRICO




SoluzioniInnovative


La peculiarità dell’arco elettrico è determinata dal fatto che esso genera nel mezzo gassoso condizioni di temperatura tanto elevate da portarne le molecole allo stato di plasma . Il plasma è uno stato peculiare della materia in cui per le

alte temperature gli elettroni si dissociano dai nuclei degli atomi cui appartengono e si muovono liberamente verso l’anodo (+). Lo stesso accade

simmetricamente per i nuclei ionizzati che si muovono verso il catodo (-).

Un plasma è in grado di raggiungere temperature superiori a 5000-15000 K.

Dal punto di vista termico, l’arco-plasma si comporta come un corpo nero radiante, avente una densità di potenza estremamente elevata.

Un arco elettrico è una sorgente di energia ideale per realizzare unità di

fusione di materiali ad elevato fabbisogno energetico in spazi contenuti, com’è il caso

del forno elettrico ad arco

L’ARCO ELETTRICO




SoluzioniInnovative


A partire dagli anni ’50 vi sono state alcune congiunture favorevoli alla diffusione dei forni elettrici ad arco:

• un crescente fabbisogno di acciaio (soprattutto per cemento armato);

• un progressivo aumento della disponibilità di rottame;• la saturazione delle acciaierie integrate e la crisi del carbone;• il basso costo di investimento e la flessibilità delle mini-

acciaierie;• la disponibilità di energia elettrica a basso prezzo su reti sempre

più potenti;• l’elevato costo specifico dell’acciaio prodotto a partire dalla

ghisa, rispetto al prezzo di mercato riconosciuto per il semilavorato.

DIFFUSIONE




SoluzioniInnovative


Caratteristiche costruttive

Elettrodi posti verticalmenteStrutture in acciaio saldatoSlitte ad arco di cerchioper il rovesciamento

CARATTERISTICHE




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Flessibili per l’alimentazione

dell’acqua

Corde portacorrente

Volta

Mantello

Crogiolo

Piattaforma MobilePasserella

Piattaforma Fissa

Bracci conduttori di corrente

Elettrodi

Sala del trasformatore

Siviera

CARATTERISTICHE




SoluzioniInnovative


Caratteristiche costruttive

CARATTERISTICHE




SoluzioniInnovative


Caratteristiche costruttiveRelazione tra diametro del crogiolo e capacità del forno

Dia

me

tro

crog

iolo

4

3

CARATTERISTICHE



Refrattari di tipo basico

Suola: strato di sicurezza e strato di lavoro

Spessore della suola > 350 mm

Durata della suola: 1000-2000 colate

Relazione tra diametro del crogiolo e capacità del forno

Profondità del bagno: non superiore a 1 m

Capacità del bacino: 0.2 m3 per t di carica


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CORROSIONFeO + MgO → FeO⋅MgO

SiO2 + 2MgO → 2MgO⋅SiO2

CaO + SiO2 + MgO → CaO⋅SiO2⋅MgO

SPALLING

Thermal stresses

Slag penetration

EROSION

Bath rotation velocity dues to stirring (natural and

electromagnetic)

MELTING

Temperature exceeds refractories melting point

(bottom heart during melting)

Steel

Slag

Ele

ctro

de

Module

Refractory linings

Additives

HYDRATATION

MgO + H2O → Mg(OH)2

CaO + H2O → Ca(OH)2

OXIDATIONFeO + C → Fe + CO

O2 + 2C → 2CO

RADIATION

When arc is uncovered

consumption is

REW=V2arc·Iarc /r

2

CONSUMO DEI REFRATTARI




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Elettrodi di GRAFITENon fusibilitàConducibilità termica ed elettricaResistenza meccanica a caldoBasso coefficiente di espansione termica, resistenza sbalzi di TemperaturaDiametri da 200 a 600 mmConsumo elettrodi: erosione alla punta e consumo laterale

CE = k · I · h (kg/t acciaio)(I = kA, h = ore di funzionamento, k = costante)

GLI ELETTRODI




SoluzioniInnovative


Sezione schematica trasversale della parte centraledi una acciaieria elettrica ad arco trifase da 150 t

LAY-OUT IMPIANTO




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Potenza erogata (MW)32 37 41 41

carica (t) 100 100 120 140

durata netta fusione (min) 140 120 117 128velocità fusione (t/h) 43 50 61 66consumo specifico energia (kWh/t) 495 480 475 455

Capacità del forno (t)10-35 40-90 > 100

diametro crogiolo (m) 3-4.5 4.5-6.5 6.5-8

a. forni a potenza normale(kWh/t) 200-400 150-300 150-250(kWh/m) 1000-2500 2500-4000 4000-5500

b. forni a potenza elevata(kWh/t) 450-600 400-500 300-450(kWh/m) 2000-4000 4000-6000 6000-8000

PRODUTTIVITA’ E CONSUMI




SoluzioniInnovative


Il processo di fusione del forno è costituito da varie fasi che si ripetono ciclicamente.

Il tempo di ciclo che intercorre tra una colata e la successiva prende il nome di tap-to-tap , che letteralmente significa da spillaggio a spillaggio.Prende il nome di spillaggio , infatti, l’operazione finale con cui si travasal’acciaio dal forno alla siviera (il contenitore metallurgico utilizzato per il trasporto

dell’acciaio liquido attraverso le tappe di affinazione fino alla solidificazione nella colata).

All’interno di questo intervallo di tempo individuiamo fasi ad erogazione di energia elettrica (power-on time ) intervallate da periodi non operativi (power-off time ) dedicati al ripristino dell’impianto nelle condizioni operative.

Le operazioni che sono realizzate in questo periodo di tempo sono:• il caricamento del forno con la carica metallica;• lo spillaggio;• la pulizia della porta di scorifica dalla scoria ed il ripristino del foro di

spillaggio;• il campionamento dell’acciaio e la misurazione della temperatura del

bagno.


CICLO PRODUTTIVO



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Durante il processo di erogazione della potenza elettrica (power-on) ènecessario provvedere contemporaneamente anche ad una serie di altre importanti operazioni energetiche e metallurgiche:

• fornire energia termica in specifiche zone in modo da bilanciare l’effetto anisotropico dell’irraggiamento dell’arco elettrico;

• fornire ossigeno per eliminare per mezzo dell’ossidazione gli elementi indesiderati dalla composizione del liquido;

• apportare carbonio alla colata per moderare la produzione di ossido di ferro;

• apportare calce e magnesite per modificare la composizione della scoria e rendere possibile il processo di defosforazione;

• promuovere l’aumento di volume della scoria (schiumazione) in modo da schermare l’irraggiamento dell’energia termica generata dagli archi voltaici.

Tali operazioni devono essere effettuate in tempi ap propriati e per tale ragione si istituiscono dei PROFILI DI FUSIONE


PROFILI DI FUSIONE



SoluzioniInnovative


Diagramma di carico di potenza per forno ad arco nelle varie fasi della colata


PROFILI DI FUSIONE



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1. Caricamento del forno

2. Fusione della carica

3. Affinazione

Da condurre il più rapidamente possibile, compatibilmente conil tipo di carica e con le caratteristichedell’impianto

Tipo di acciaio da produrre

Processo ghisa-rottame La ghisa non supera il 10-15% della carica

Processo carbone-rottame Coke, antracite


SEQUENZA OPERATIVA



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1. Oscillazione del forno e colata 5 min2. Riparazione e carica 10 min3. Effettuazione cariche successive 8 min4. Regolazione lunghezza elettrodi 3 min5. Rallentamenti per cause elettriche 4 min6. Tempo di fusione 120 min7. Tempo di affinazione 30 min

TOTALE 180 minForno di medie dimensioni (60-100 t), per la produzione di acciaio al C[1975]


SEQUENZA OPERATIVA



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Carica metallica propriamente detta(rottami di Fe, minerali pre-ridotti, ghisa, elementi in lega)

Minerale di Ferro(iniziare l’ossidazione della carica durante la fusione, formazione scoria)

Scorificanti(calce e spatofluore)

Il bilanciamento del carbonio avviene:- mediante l’ossigeno presente nello strato ossidato superficiale del rottame- mediante l’ossigeno presente nel minerale- mediante ossigeno appositamente iniettato con una lancia(che determina anche la reazione 2CO + O2 → 2CO2 - 566.7 kJ)

- mediante l’ossigeno proveniente dall’aria richiamata in forno dalle aperture


CARATTERISTICHE DELLE CARICA



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Effetto della temperatura e del rapporto di basicità

sulla viscosità della scoria

Effetto della basicità della scoriasulla ripartizione dello zolfotra la scoria (S) e il metallo [S]


CARATTERISTICHE DELLA SCORIA



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Forno da 60 t, che fonde in 90 min

Potenza erogata al trasformatore: 18 000 kWConsumo di energia: 18 000 ·1.5 / 60 = 450 kWh/t

Perdite elettriche (8%): 36 kWh/tCalore di fusione: 340 kWh/tPerdite termiche: 74 kWh/t

Potenza dispersa per via termica: 2960 kW


BILANCIO TERMICO



SoluzioniInnovative


SoluzioniInnovative


IMPATTO DELLE SOLUZIONI INNOVATIVE




•Potenziamento trasformatori(minori perdite, velocizzazione processi, fino a 550 kW/t)

• Preriscaldo del rottame(bruciatori a gas, recupero del calore dei fumi,processi SHAFT e CONSTEEL)

• Carica continua (CONSTEEL)

• Bruciatori ossicombustibile e lancia a ossigeno(omogeneizzazione temperature)

• Impiego di combustibili fossili• Stirring con gas inerte• Colata senza scoria• Impiego di scorie schiumose• Elaborazioni fuori forno• Automazione• Processi a corrente continua

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PRINCIPALI SOLUZIONI INNOVATIVE




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CROGIOLO CON “MATTONI” IN RAME RAFFREDDATI AD ACQUA




Bagno di acciaio

Crogiolo

Tino

Pannelli

Mantello

Soglia di scorifica

ScoriaCalce

Ossigeno

Carbone

Bruciatore

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BRUCIATORI, LANCIA A OSSIGENO, INIETTORI DI C




Burners andLancing

Le molteplici reazioni chimiche del processo fusorio hanno luogo in misura competitiva, per condizioni diverse e in tempi distinti, in funzione della relativa variazione di energia interna.

SoluzioniInnovative


LE REAZIONI




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BILANCIO DI MASSA




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BILANCIO DI ENERGIA




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IL SISTEMA CONSTEEL




SoluzioniInnovative


IL SISTEMA CONSTEEL




SoluzioniInnovative


IL SISTEMA CONSTEEL




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IL SISTEMA CONTIARC




dato storico dato attualeRitardo nel caricamento 1% 0.38%Altezza massima carica 500 mm 2000 mmTemperatura forno 1650°C 1668°CPower on time 33.5 min 31.5 minConsumo elettrodi 1.5 kg/t acciaio 1.4 kg/t acciaioConsumo energia 390 kWh/t acciaio 380 kWh/t acciaio

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QUANTIFICAZIONE DEI MIGLIORAMENTI




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SoluzioniInnovative






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Applicazioni Industriali Metallurgiche

I Processidi Elaborazione Fuori Forno

1°Anno Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale


1

2

Introduzione

Processi Sotto Vuoto

Processi Sotto Scoria

Processi a Pressione Atmosferica

Contenuti

3

4


Contenimento costi economici ed energetici- eliminazione della fase di affinazione dal ciclo operativo in forno

Miglioramento qualità metallurgica dell’acciaio- uniformità di temperatura e di composizione chimica- abbassamento del contenuto di gas (azoto, idrogeno)- completamento decarburazione- disossidazione e abbassamento del tenore di inclusioni- (ottenimento di inclusioni meno dannose per forma e dimensioni)- desolforazione molto spinta- correzione analitica più accurata, contenimento dispersioni analisi- aggiunte finali effettuate nelle condizioni e nel momento ottimali

Attualmente, circa il 70% dell’acciaio prodotto nei paesi tecnologicamenteavanzati subisce un trattamento fuori forno

ProcessiSotto Scoria

FORZE MOTRICI

Introduzione ProcessiSotto Vuoto



Esigenze attuali:- riduzione tenore elementi nocivi- controllo inclusioni non metalliche- costanza delle proprietà dell’acciaio- superfici di elevata qualità, anche a livello microscopico

Metodi per l’ottenimento di tali risultati:

- estese superfici di reazione in fase eterogenearimescolamento metallo-scoria,insufflazione di polveri mediante un “veicolo” gassoso

- rimescolamento massa metallica liquidaagitazione magnetica o insufflazione/gorgogliamento di gas inerte

- esposizione della massa metallica liquida a un ambientea bassa pressione totale (trattamento sotto vuoto)a bassa pressione parziale (insufflazione/gorgogliamento gas inerte


ESIGENZE E METODI




Forni fusori ad arco sotto vuoto• ad elettrodo non consumabile

- forno di rifusione- crogiolo in rame,

che funge da lingottiera• ad elettrodo consumabile

- crogiolo che funziona da lingottiera• ad elettrodo consumabile

- colata in lingottiera o in staffe

Sorgente di calore:arco elettrico a forte intensità di correntee bassa tensione



RIFUSIONE SOTTO VUOTO





RIFUSIONE SOTTO VUOTO



• ad elettrodo consumabilecrogiolo che funziona da lingottiera

Solidificazione unidirezionaleCristallizzazione colonnareEliminazione di cavità, bolle, gas, difetti

VAR (Vacuum Arc Remelting)

Si trattano masselli di diametro 500-1500 mm con peso fino a 50 tNon si modifica la composizione dell’acciaio,ma si hanno degasaggio e buona eliminazione delle inclusioni non metalliche



RIFUSIONE SOTTO VUOTO - VAR



Solubilità di un gas in un metallo liquido:proporzionale alla radice quadrata della pressione parziale del gas

Condizioni Diminuzione Diminuzionedi vuoto pressione parziale solubilità

Contenuto di idrogenoin acciai comuni o bassolegatiin funzione del tipo di elaborazione



DEGASAGGIO SOTTO VUOTO



Degasaggio convenzionale in siviera

• Efficace solo per la parte superiore del bagno• Lentezza del processo• Diminuzione di temperatura (perdite per irraggiamento, assenza di scoria)• Assenza di un buon mescolamento del liquido

limitazioni nel degasaggioimpossibilità aggiunte correttiveimpossibilità disossidazione

Sistemi in grado di movimentare l’acciaio liquido






Degasaggioin siviera

ISLD (Induction Stirring Ladle Degassing)• agitatore elettromagnetico• “rinnovato” l’acciaio a contatto con il vuoto• costi elevati• caduta di temperatura: 70°C• aggiunte

• gorgogliamento di gas inerte (Argon)• rimescolamento massa liquida• pressione di H2 e N2 nelle bollicine:

inizialmente nulla• condizioni per il degasaggio• omogeneità temperatura e composizione• aggiunte






Degasaggio del getto

LLD (Ladle to ladle degassing)

Il degasaggio avvienedurante il passaggio da una siviera, non sotto vuoto,ad una lingottiera postaall’interno di un recipientesotto vuoto







Eliminazione dell’idrogenodall’acciaio in funzionedel grado di vuotoe dell’altezza di cadutadell’acciaio stesso







Durante il travaso ad una seconda siviera

All’atto dello spillaggio

dal forno

Durantela colata

del lingotto






Elaborazioneper circolazione sotto vuoto

Processo VCP(Vacuum Circulation Process)• Acciaio “aspirato” grazieal vuoto realizzato in una camerasovrastante la siviera

• Immissione di gas inerte• Ricircolazione e degasaggio• Sistemi di riscaldo per compensare

le perdite termiche• Sistemi di aggiunta e correzione• Fattore di circolazione• Produzione di lamierini magnetici (C < 0.02)

- acciaio effervescente con 0.05% C- sotto vuoto, FeO + C → Fe + CO

• Fabbricazione acciai inossidabili a basso C






Elaborazioneper circolazione sotto vuoto

Processo VCP(Vacuum Circulation Process)

Fattore di circolazione0 842 6

%C

0

0.04

0.02

Rese percentualiaggiunta aggiunta

elemento in secchia sotto vuoto(%) (%)

C 90-100 100Cr 75-85 98Mn 70-75 95Si 65-70 95Ti 45-50 90Al 30-40 80






Degasaggio, decarburazione e affinazione sotto vuoto

VOD (Vacuum Oxygen Decarburation)

• Produzione di acciai speciali ad alto Cr• Siviera e camera da vuoto simili a VAD• Lancia ad ossigeno:

- insufflazione di 800-1500 Nm3/h di O2

• Processo isotermico• Fine trattamento:

- incremento (150-200°C) della temperatura acciaio• Fasi processo (2 ore):

- ossidazione acciaio in depressione (80 kPa)- decarburazione e scorifica di Si, Al, Ti, V- la pressione scende a 20-40 kPa- degasaggio- nuova insufflazione ossigeno, decarburazione- degasaggio a 250-1000 Pa- sistema a 20 kPa, affinazione con ferroleghe e calce

• S: 0.004-0.008%, O: 100 ppm, C: 0.01-0.03%• Resa del cromo: 96-98%






Degasaggio, decarburazione e affinazione sotto vuoto

VODC (Vacuum Oxygen Decarburation Converter)

• Lancia ad ossigeno• Insufflazione dal basso di Argon• Fasi processo (90 min):

- caricamento acciaio, aggiunta ferroleghe- insufflazione ossigeno, decarburazione- ottenimento del vuoto (250-400 Pa)- decarburazione spinta (C = 0.0095%)- aggiunta ferroleghe per ridurre la scoria (a 26 kPa)- riduzione scorie sotto vuoto (250-650 Pa)- aggiunta ferroleghe- scorifica






• Letto di scoria fusa tra elettrodoe acciaio fuso

• Elaborazione ulteriore dell’acciaio

• Elettrodo: metallo da raffinare• Il liquido attraversa la scoria e

funziona da controelettrodo

• Scoria:- dev’essere fusa ad una temperaturamolto più bassa di quella di fusionedell’acciaio

- non deve subire alterazioni alle alte T- fluidità- conduttrice allo stato fuso- fluoruro di calcio, allumina, calce- desolforazione



ESR (ELECTRO SLAG REFINING O REMELTING)








• Trattamenti allo spillaggio• Trattamenti per l’agitazione del bagno

- Agitazione elettromagnetica- Agitazione mediante insufflazione di gas inerte

• Trattamenti in siviera- Iniezione di polveri- Introduzione di fili- Introduzione statica sotto battente- Forno-siviera

• CONVERTITORI



GENERALITA’



Acciai inossidabili a basso carbonio (< 0.03%)

Difficoltà di decarburazione

Fusione dell’acciaio al forno elettricoElaborazione sotto vuoto

Fusione dell’acciaio al forno elettricoElaborazione in convertitore con miscele Argon-Ossigeno



GENERALITA’



Ossidazione del Carbonio all’interfaccia gas/metallo o scoria/metalloSviluppo CODecarburazione

Acciai inossidabili: alto tenore di Cr

CrO + C → Cr + CO

Costante di equilibrio:

[ ][ ] COCr pC

CrK ⋅=

Equilibrio C-Cr in un bagno di ferro



EQUILIBRIO Cr-C



[ ][ ] COCr pC

CrK ⋅= Il rapporto [Cr]/[C] cresce al diminuire di pCO

Equilibrio del sistemaFe-C-Cr-O a 1700°C



EQUILIBRIO Cr-C



Convertitore AOD(Argon Oxygen Decarburation)

Argon e Ossigeno insufflati contemporaneamenteda tubiere poste in vicinanza del fondo



CONVERTITORE AOD



• Lavorare con un gas inertesignifica diminuirela pressione (parziale)del CO e quindi favorire la decarburazione

• Situazione più vantaggiosaalle alte temperature

• Le quantità di ossigeno e diargon insufflate dipendono dalla decarburazione desiderata

• Possibilità di lavorare in più stadi(ossigeno/argon: da 3/1 a 1/3)

• Decarburazione e minima ossidazionedel cromo

• Bassi valori di idrogeno• Controllo dell’azoto• Aggiunte di alliganti



CONVERTITORE AOD



Argon + Ossigeno

Diminuzione pCO

Vapore acqueo+ ossigeno

sviluppo di H2

Diminuzione pCO

InsufflazioneArgon e/o azoto



CONVERTITORI AOD E CLU


forno elettrico e tratamenti fuori forno

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