3. Dodatki stopowe w postaci drutów
3.2. Technologia wprowadzania do stali dodatków w postaci drutów
3.2.1. Zalety wprowadzania dodatków stopowych w postaci drutów oraz
warunki pełnego wykorzystania tej technologii
Metoda wprowadzania dodatku do kąpieli metalowej determinuje w znacznym stopniu proces jego roztapiania się i przyswojenia przez kąpiel.
W praktyce przemysłowej oprócz trzech, wspomnianych już, podstawowych sposobów wprowadzania dodatków stopowych lub odtleniaczy, a mianowicie wrzucania do kadzi dodatków w postaci kawałkowej, podawania dodatków w postaci drutu litego bądź rdzeniowego oraz wdmuchiwania ich do ciekłej stali w postaci proszku poprzez lance zanurzoną w kadzi [48] spotyka się inne mniej powszechne metody.
Jedną z takich metod wprowadzanie dodatków jest np. kontrolowane zanurzanie. Realizacja takiej operacji polega na nakładaniu („nawlekaniu”) na ogniotrwały pręt prowadzący cylindrycznych pierścieni z materiału stanowiącego dodatek w ilości zależnej od potrzeb i następnie zanurzania takiego pręta do ciekłej stali na czas konieczny do roztopienia pierścieni [49]. Podawano w ten sposób kształtki ze sprasowanej mieszaniny proszków Ca i Fe. Metoda ta charakteryzowała się jednak niską powtarzalnością wyników i ograniczeniem, co do ilości wprowadzanego materiału.
Inną metodą kontrolowanego w pewien sposób wprowadzania dodatków stopowych jest wstrzeliwanie pozwalające na zwiększenie głębokości penetracji materiałów o małej gęstości [38, 39, 50].
Stosuje się czasami rzucanie worków z pylistym dodatkiem na powierzchnie żużla w kadzi. Zwykle dotyczy to jednak dodatków mających reagować z żużlem i ewentualnie później pośrednio z metalem.
Spośród metod mających obecnie zastosowanie w praktyce przemysłowej wdmuchiwanie proszków jest metodą, w której czas roztapiania wprowadzanych materiałów nie decyduje o efektywności operacji technologicznej. Ze względu na małe rozmiary wprowadzanych cząstek, czas ich roztapiania jest bardzo krótki i nawet dodatek o małej gęstości zwykle zdąży się roztopić zanim wypłynie na powierzchnie. W przypadku dodatków o wyższej niż kąpiel temperaturze topnienia jest możliwe ich wypłynięcie [51], ale problem ten, jeżeli wystąpi, rozwiązać można raczej poprzez zmianę właściwości dodatku (ziarnistość, inny skład chemiczny) niż poprzez modyfikacje parametrów wdmuchiwania. W pozostałych metodach czas roztapiania jest ważnym czynnikiem wpływającym znacząco na wynik końcowy operacji wprowadzania dodatków do ciekłej stali.
W przypadku wprowadzanych żelazostopów i odtleniaczy w postaci kawałkowej czas i przebieg ich roztapiania jest uzależniony od wielu wspomnianych już czynników jak np. charakterystyka mieszania, gęstość dodatku, prędkość początkowa dodatku, grubość warstwy
żużla, czy też operacja technologiczna, podczas której są wprowadzane. Wpływ tak wielu, często zmiennych czynników, utrudnia prawidłowe zaplanowanie i kontrolowanie operacji wprowadzania dodatków. Prostota tej metody sprawia jednak, że mimo wspomnianych wad jest powszechnie stosowana zwłaszcza do wstępnej regulacji składu chemicznego lub odtleniania, po czym następuje precyzyjne dokończenie tych operacji za pomocą drutów [52].
Wprowadzanie dodatków w postaci drutów stosowane jest obecnie na szeroką skalę, a w niektórych zastosowaniach stanowi metodę dominującą. Wynika to z bardzo korzystnej relacji pomiędzy wysoką precyzją i dobrą kontrolą tego procesu, a stosunkowo małymi wymaganiami technicznymi i niskimi kosztami. Wprowadzanie dodatków w postaci drutów litych lub rdzeniowych w znacznym stopniu uniezależnia proces roztapiania od czynników odgrywających rolę w roztapianiu dodatków kawałkowych. Pozwala na precyzyjne określenie ich miejsca wprowadzania w płaszczyźnie poziomej oraz (pod warunkiem znajomości czasu roztapiania) głębokości, na jakiej roztopi się drut i zostanie uwolniony wprowadzany dodatek. Z reguły dąży się do roztopienia drutu (i każdego innego dodatku) możliwie jak najdalej od powierzchni metalu, pokrytej żużlem lub wystawionej na kontakt z powietrzem w wyniku intensywnego mieszania argonem. Prawidłowo przeprowadzona operacja wprowadzania drutu zapewnia lepszą stabilizację przebiegu obróbki pozapiecowej i co za tym idzie powtarzalność wyników oraz wyższy uzysk wprowadzanych komponentów.
Wobec tego podstawowym warunkiem wykorzystania zalet technologii wprowadzania dodatków w postaci drutów jest taki dobór parametrów tej operacji, aby drut roztopił się w pobliżu dna kadzi. Proces ten można kontrolować prędkością wprowadzania drutu pod warunkiem znajomości czasu, w jakim ulegnie on roztopieniu [31]. Należy pamiętać, że proces „roztapiania” może być też w pewnym stopni wspomagany mechanicznie poprzez „łamanie drutu” lub uszkodzenie warstwy zakrzepłej na drucie stali w momencie uderzenia drutu o dno kadzi. Nie bez znaczenie w tym kontekście jest wytrzymałość mechaniczna samego drutu oraz siły hydrodynamiczne i hydrostatyczne jako źródło mechanicznego oddziaływania na drut [31, 40, 53]; zagadnienie to omówiono obszerniej w punkcie 3.2.2.
3.2.2. Hydrodynamiczne oddziaływanie kąpieli na drut wprowadzany do
ciekłej stali
Istotnym elementem różnicującym wprowadzanie dodatków kawałkowych w stosunku do drutów jest ciągłość procesu wprowadzania drutu. Powoduje to wymuszony ruch wprowadzanego dodatku względem ciekłej stali oraz powstawanie sił związanych z oporem hydrodynamicznym i wyporem hydrostatycznym.
Z drugiej strony ważnym, z punktu widzenia metalurgicznego, zagadnieniem jest trajektoria drutu w kadzi podczas wprowadzania. Mechaniczne oddziaływanie na drut kąpieli
metalowej w powiązaniu ze zmieniającymi się wraz z nagrzewaniem własnościami mechanicznymi drutu musi być brane pod uwagę przy określaniu czy drut dotrze do dna kadzi zanim się roztopi.
Drut wprowadzany z dużą prędkością napotyka na opór związany ze zjawiskami hydrodynamicznymi. Jak wykazała symulacja komputerowa przeprowadzona dla drutu rdzeniowego, przy odpowiedniej szybkości wprowadzania i kącie wprowadzania różnym od prostego w stosunku do powierzchni kąpieli, może dojść do sytuacji w której drut zaczyna wracać w kierunku powierzchni, zanim dotrze do dna kadzi, na skutek działania oporu hydrodynamicznego [53].
Mała gęstość drutu to dodatkowy czynnik utrudniający dotarcie drutu do dna kadzi. W tym wypadku działa na niego siła wyporu tym silniejsza im mniejsza jest gęstość drutu.
Zachowanie się drutów aluminiowych w trakcie wprowadzania do ciekłej stali również było przedmiotem zainteresowania i symulacji [40]. Na rys. 15 przedstawiono trajektorie drutu aluminiowego o średnicy 12 mm wprowadzanego pod katem 10° do kadzi o głębokości ok. 3,5 m z prędkością 4 m/s.
Linią A zaznaczono teoretyczny tor drutu aluminiowego przy braku oddziaływania na niego jakichkolwiek sił.
W wyniku obliczeń ustalono, że w warunkach rzeczywistych, opisanych powyżej, drut będzie poruszać się po krzywej „B”, a więc powinien on dotrzeć do dna kadzi, a odchylenie od toru wprowadzania wyniesie przy dnie kadzi ok. 30 cm. Zaznaczyć należy, że odpowiednią sztywność zapewnia mu głównie warstwa zakrzepłej stali. Jak zastrzegają autorzy sytuacja może się zmienić jeżeli zależność granicy plastyczności od temperatury będzie silniejsza niż założono.
Krzywa „C” odpowiada przewidywanej trajektorii drutu, jeżeli plastyczność zacznie odgrywać rolę na mniejszej głębokości niż w wariancie „B” i jeżeli drut znajdzie się w strefie prądów wstępujących powstałych w kadzi w wyniku mieszania.
Jednak nawet w tych warunkach drut powinien dotrzeć do dna kadzi z odchyleniem ok. 50 cm od toru wprowadzania.
W takiej sytuacji w wyniku uderzenia o dno i łamania się druta na kawałki może nastąpić ponadto rotacja drutu wokół osi poprawiająca rozprowadzanie glinu w objętości kadzi [38].
Rys 15. Trajektoria drutu aluminiowego wprowadzanego do ciekłej stali [40].
3.2.3. Realizacja techniczna wprowadzania drutów
Wprowadzanie drutów rdzeniowych i litych prowadzi się przy użyciu specjalnych maszyn – rys. 16.
W zależności od potrzeb stosuje się maszyny wielożyłowe (podające dwa lub więcej drutów równocześnie) albo dwie lub kilka maszyn na jednym stanowisku obróbki kadziowej. Takie układy służą do równoczesnego podawania drutu tego samego rodzaju w celu skrócenia czasu operacji lub też do równoczesnego lub sekwencyjnego podawania drutów różnego rodzaju rys. 17.
Podstawowe elementy systemu do wprowadzania drutu do kadzi to: mechanizm napędzający drut, stanowiący układ rolek prowadząco-napędzających poruszanych silnikiem elektrycznym, układy automatyki sterujące prędkością podawania i kontrolujące długość wprowadzonego drutu, szpula lub kręg z drutem rdzeniowym lub litym i rura prowadząca drut nad powierzchnię ciekłego metalu w kadzi.
Rys. 16. Maszyna do wprowadzania drutu z możliwością zadawania wymaganej długości i prędkości wprowadzania drutu [54].
Rys. 17. Układ dwóch maszyn do wprowadzania drutu z możliwością niezależnego zadawania wymaganej długości i prędkości wprowadzania drutu o różnej średnicy kontrolowanego przez system komputerowy [11].
Układ mechaniczny oraz elementy elektroniki sterującej mogą być połączone w jedną zintegrowaną całość lub też stanowić oddzielne elementy, z których pierwszy znajduje się bezpośrednio przy kadzi, a drugi w kabinie operatora obróbki kadziowej. W obu wariantach obudową urządzenia jest szafa z blachy.
Schematycznie poszczególne elementy przedstawiono na rys. 18, a układ rolek napędzających i prowadzących przedstawiono na rys. 19.
Rys. 18. Schemat maszyny do wprowadzania drutów do ciekłej stali [41].
Rys. 19. Rolki napędzajaco-prowadzące drut w maszynie do wprowadzania drutów [27].
W przypadku pobierania przez maszynę drutu z kręgów leżących na podłożu przy stosowaniu wyższych prędkości podawania może wystąpić problem plątania się drutu podczas odwijania końcowej jego partii. Niedogodność ta nie występuje w przypadku umieszczenia drutu na szpuli.
W zależności od lokalnych wymagań, maszyny umożliwiają stosowanie prędkości w zakresie od 0 do 5 m/s lub nawet więcej z płynną regulacją.
Maszyny do podawania drutu mogą pracować jako stacjonarne, na stałe związane z podłożem lub też mogą być umieszczone na odpowiednim układzie jezdnym. W tym drugim wariancie maszyna tylko na czas obróbki przemieszcza się w pobliże kadzi i ustawia w pozycji umożliwiającej wprowadzanie drutu. Rozwiązanie to pozostawia większą swobodę doraźnego wyboru miejsca kadzi, w które będzie wprowadzany drut, ale z drugiej strony wymaga więcej miejsca oraz podraża i komplikuje cały układ.
Współczesne maszyny do wprowadzania drutu wyposażone są w odpowiednie układy elektroniczne pozwalające na wcześniejsze zaprogramowanie całej operacji tak pod względem ilości drutu, jaki ma być wprowadzony zanim maszyna wyłączy się samoczynnie jak i płynnego wyboru prędkości podawania drutu. Operator ma możliwość zadawania masy dodatku w kilogramach, która przez układy sterujące maszyny przeliczana jest na równoważną ilość metrów drutu.
W stalowniach, w których proces produkcyjny jest nadzorowany komputerowo maszyny do wprowadzania drutu mogą być zintegrowane z systemami informatycznymi sterującymi i kontrolującymi operacje wprowadzania drutu.
3.2.4. Wpływ konstrukcji maszyny i własności mechanicznych drutów na
parametry podawania ich do kąpieli metalowej
Do parametrów wprowadzania drutów, oprócz już omówionych: prędkości wprowadzania i miejsca wprowadzania (punkt na powierzchni ciekłego metalu, w którym drut penetruje kąpiel) należy zaliczyć również kąt pod jakim drut trafia w powierzchnie metalu. Parametr ten może mieć istotny wpływ na przebieg i efektywność operacji obróbki drutem.
Z punktu widzenia trajektorii drutu w ciekłym metalu z powodów przedstawionych w punkcie 3.2.2 najbardziej pożądany jest kąt prosty pomiędzy powierzchnia metalu a drutem. Dzięki temu nawet przy wysokiej prędkości wprowadzania drutu może on dotrzeć w pobliże dna kadzi.
Wpływ na kąt wprowadzania drutu do kąpieli metalowej może mieć zarówno konstrukcja maszyny do wprowadzania drutu jak i własności samego drutu.
W maszynie o układzie jak na rys. 17 drut zwinięty w krąg pobierany jest przez maszynę i prostowany poprzez układ rolek napędzająco-prowadzących. Następnie przechodzi przez rurę prowadzącą o odpowiednim profilu wygięcia, które powoduje zmianę kierunku drutu z poziomego na pionowy. W momencie przechodzenia przez łuk rury prowadzącej, drut jest zginany, a następnie w prostym końcowym odcinku ponownie prostowany. Ponieważ
średnica rury jest odpowiednio większa niż średnica drutu dla danej maszyny (tak, aby drut nie blokował się na łuku) istnieje luz powodujący nie całkowite wyprostowanie drutu.
W konsekwencji tego, a także pewnej sprężystości drutu, opuszcza on rurę prowadzącą jako lekko zakrzywiony, co powoduje, że nie jest wprowadzany do metalu prostopadle do powierzchni, ale pod pewnym kątem w stosunku do tego kierunku. Wskutek krzywizny, również w samym metalu drut porusza się po łuku, a działająca na niego siła wyporu powoduje dalsze odchylanie się trajektorii drutu [55]. Sytuację taką przedstawiono na rys. 33. Drut po przebyciu w ciekłym metalu drogi o długości 4 m zanurzy się w kąpieli na głębokość tylko 2,5 m w wyniku zakrzywienia powstałego podczas podawania. Zakrzywienie to ma promień ok. 3 m.
Występowanie tego zjawiska zależy w dużym stopniu od usytuowania punktu wprowadzania w stosunku do geometrii kadzi oraz sposobu i intensywności mieszania kąpieli. Wprowadzenia drutu przy krawędzi kadzi może powodować, że drut opierając się o ścianę kadzi „ześlizguje” i nie tworzy łuku jak na rys 20.
Rys. 20. Wpływ promienia zakrzywienia drutu na głębokość penetracji [55].
Zjawisko zakrzywienia drutu nie w każdych okolicznościach jest negatywne. W pewnych warunkach pozwala na stosowanie, w razie konieczności, wyższych prędkości wprowadzania w płytszych kadziach (np. pośrednich) pod warunkiem odpowiedniego doboru miejsca wprowadzania oraz roztopienia się drutu zanim natrafi on na ściany kadzi lub rozpocznie ruch powrotny ku powierzchni.
Zwykle dąży się jednak do ograniczania powyższego efektu, a jeżeli jest on nie do zaakceptowania, rozwiązaniem może być maszyna do wprowadzania o konstrukcji przedstawionej na rys. 21.
Dzięki pionowemu układowi podającemu, drut po przejściu przez rolki nie zmienia już swego kierunku, co sprawia, że jest pozbawiony krzywizny pozostałej po przejściu przez łuk rury prowadzącej i może penetrować kąpiel prostopadle do jej powierzchni.
Gęstość drutu to druga obok sprężystości cecha, która ma wpływ na proces jego wprowadzania, gdyż skłonność drutu do wypływania jest uzależniona od siły wyporu działającej na drut, a ta jest funkcją jego gęstości. Cecha ta jest zróżnicowana, ale jej zmienność dotyczy głównie drutów rdzeniowych, które mogą mieć różne wypełnienia, a także różny stopień ich zagęszczenia. Natomiast druty aluminiowe z oczywistych względów nie wykazują w tym zakresie zróżnicowania.
Rys 21. Maszyna do wprowadzania drutu z podajnikiem z pionowym układem rolek napędzająco-prowadzących [56].
Mimo iż należy zdawać sobie sprawę z możliwych konsekwencji krzywizny drutu i wprowadzania go pod kątem, to w większości przypadków parametry te nie stanowią dominującego czynnika wpływającego na sposób i głębokość penetracji. Wynika to z tego, że ewentualna krzywizna drutu i jej wpływ na kąt penetracji są w rzeczywistości niewielkie. Potwierdzać to zdaje się fakt, że zagadnienie to jest stosunkowo rzadko poruszane w literaturze.
W przypadku drutu aluminiowego ponadto, jak wynika z wcześniej omówionych obliczeń [40], prosty drut o średnicy 12 mm wprowadzany nawet pod kątem 10° i z prędkością 4 m/s dotrze do dna kadzi o głębokości ponad 3,5 metra z niewielkim odchyleniem. Z drugiej strony mogące wpływać na sposób penetracji zakrzywienie drutu jest w pewnej mierze spowodowane sprężystością stosowanego drutu, a ta jest w większym stopniu raczej cechą drutów rdzeniowych, posiadających stalową otulinę niż drutów aluminiowych. Stosowane przemysłowo druty rdzeniowe różnią się miedzy sobą wieloma parametrami mającymi wpływ na zachowanie się ich podczas wprowadzania. Mają one zróżnicowane grubości otuliny, kształty przekroju, stopień zagęszczenia wypełnienia i własności mechaniczne (sprężystość, granicę plastyczności itp.). Natomiast w przypadku drutów aluminiowych istotny wpływ na ich trajektorię może mieć głównie siła wyporu.
W każdym przypadku przy niewłaściwie wybranym miejscu wprowadzania negatywnie oddziaływać będą prądy wznoszące występujące w kadzi związane z mieszaniem kąpieli podczas operacji wprowadzania drutu.
W przypadku drutów aluminiowych zróżnicowanie teoretycznie sprowadza się do ich
średnicy. Jak jednak wynika z rozeznania przeprowadzonego w polskich hutach, druty aluminiowe w zależności od dostawcy różnią się – i to istotnie z punktu widzenia procesu wprowadzania – właściwościami mechanicznymi. W zależności od nich może zmieniać się górna graniczna prędkość wprowadzania. Wiąże się to z oporami powstającymi podczas prowadzeniem drutu w maszynie. Drut po przejściu przez układ rolek natrafia w łuku rury prowadzącej, który stawia opór związany z tarciem o wewnętrzną powierzchnię tejże rury. W zależności od sztywności drut jest w stanie pokonać większą lub mniejszą siłę tarcia.
W praktyce przemysłowej problem ten uwidacznia się na przykład w ten sposób, że druty miękkie już przy prędkościach ok. 2,5 m/s klinują się w maszynie, tworząc pętle przed wejściem do rury prowadzącej, podczas gdy druty twardsze nie sprawiają problemów na tych samych urządzeniach przy prędkościach ponad 4 m/s.
Zaklinowanie się drutu wymaga interwencji obsługi, co wydłuża czas obróbki, a to przy harmonogramie czasowym narzuconym przez COS może prowadzić do dezorganizacji produkcji.