O căldare în metalurgie este un recipient din oțel sau fontă proiectat pentru stocarea pe termen scurt, transportul și turnarea metalului topit sau a zgurii. Pentru a proteja împotriva efectului coroziv al metalului fierbinte și pentru a reduce pierderile de căldură, corpul cuvei este de obicei căptușit în interior cu cărămizi refractare. Cuva este deplasată cu ajutorul podurilor rulante sau pe cărucioare. Capacitatea sivolului ajunge până la 480 de tone.
După turnarea în cuvă, este convenabil să se efectueze o prelucrare suplimentară a oțelului pentru a elimina impuritățile. O astfel de tratare a oțelului lichid se numește tratare în afara cuptorului sau metalurgie secundară. Dezvoltarea tratamentului în afara cuptorului a făcut posibilă simplificarea dramatică a lanțului de procese în metalurgia feroasă prin garantarea unei turnări de oțel de înaltă calitate la CCM-uri (mașini de turnare continuă) în locul turnării în lingouri.
În general, impuritățile pot fi considerate gaze (O2, CO, H2, N2), incluziuni nemetalice de oxid (Al2O3, MnO, Cr2O3, TiO2 etc.), oxigen în combinație cu metale, impurități ale metalelor neferoase (plumb, antimoniu, staniu, zinc etc.), precum și sulf, fosfor, iar în unele cazuri — carbon și alți agenți reducători (mangan, siliciu).
Următoarele tehnologii sunt utilizate pentru a elimina impuritățile din căldări:
- Tratarea metalului prin vid;
- Suflarea metalului cu gaze (inerte, oxidante și reducătoare);
- Amestecarea volumului de metal cu zgură special preparată;
- Suflarea metalului cu materiale pulverulente;
- Prelucrarea metalului cu sârmă tubulară.
Dintre acestea, primele trei au caracteristici net diferite. Suflarea cu pulberi și granule (CaF2, CaO, minereu de fier, FeMn, FeSi, Ca, Mg, C etc.) se realizează, de obicei, într-un jet de gaz inert (argon) sau reducător (gaz natural), iar construcțiile cazanelor pentru realizarea acestei metode sunt apropiate de construcțiile care realizează suflarea metalului cu gaze.
Prelucrarea oțelului cu sârmă tubulară constă în alimentarea cu materiale pulverulente într-un înveliș de oțel într-o cuvă cu oțel lichid prin intermediul unor aparate de tip tavăb. După introducerea unui astfel de fir, teaca subțire se topește, iar pulberile sunt distribuite în volumul de metal. Alimentarea cu materiale pulverulente este necesară pentru o dezoxidare rapidă și uniformă, precum și pentru o aliere precisă a oțelului.
Calitatea oțelului este determinată în principal de durata (cu cât durata de prelucrare este mai lungă, cu atât calitatea oțelului este mai bună) și de metoda de tratare în afara cuptorului. În procesul de tratare prelungită, există o pierdere mare de căldură din volumul metalului către mediu, temperatura oțelului lichid scade și eficiența tratării scade. Pentru a compensa pierderile de căldură din metal și pentru a menține temperatura acestuia la un nivel ridicat pentru o perioadă suficient de lungă, este necesar fie să se supraîncălzească oțelul în cuptorul siderurgic, fie să se reîncălzească în cuvă. De regulă, a doua opțiune este mai economică atunci când este necesar să se supraîncălzească metalul în cuptorul de oțelărie cu mai mult de 70-75 °C. Pe de o parte, consumul suplimentar de energie în cazan duce la o creștere a costului de producție a oțelului, dar, pe de altă parte, oferă avantaje cum ar fi obținerea de oțeluri slab și înalt aliate din grade obișnuite de conversie a carbonului, economisirea topiturilor „reci” în loc de returnarea metalului în cuptorul de producție a oțelului etc.
Există două modalități principale de a furniza energie oțelului lichid din cazan: încălzirea directă cu un arc electric și încălzirea chimică prin insuflarea de oxigen în oțel pentru a oxida substanțele introduse anterior în acesta. De exemplu, încălzirea rapidă prin metoda chimică poate fi obținută atunci când firul de aluminiu este introdus în oțel prin intermediul unui aparat cu tavă.
Prima metodă stă la baza instalațiilor numite cuptoare cu cazan (a se vedea procedeul LF de mai jos). Cuptorul cu cuvă este o cuvă cu capac pentru rafinarea oțelului prin purjarea acestuia cu azot sau argon și încălzirea sa cu ajutorul electrozilor introduși prin orificii în capac.
A doua metodă stă la baza funcționării instalației de încălzire chimică.
În urma unor calcule aproximative, se consideră că introducerea a 0,04 kg de aluminiu pe 1 tonă de oțel cu purjarea ulterioară cu oxigen (consum de ~0,022- 0,03 m3 pe 1 tonă de oțel) crește temperatura medie a masei de oțel cu 1 °C. După purjarea cu oxigen, este obligatorie purjarea cu argon pentru a elimina oxigenul rezidual.
Cel mai mare efect este obținut printr-o abordare integrată a tratamentului metalelor în afara cuptorului. Principalele procese cele mai comune de tratare complexă a oțelului sunt următoarele:
- AP-process (Arc Process — proces cu arc) — încălzirea cu arc electric a metalului cu suflare de argon prin lancea superioară, inundarea cu zgură cu conținut ridicat de bază și suflarea pulberilor de silicocalciu în jetul de argon;
- Procesul LD-RHOB (LD-process, adică procesul de conversie a oxigenului de suflare a fontei, RH-process, adică vacuumare circulantă, suflare cu oxigen) — tratarea oțelului de conversie prin vid într-o unitate de vacuumare circulantă cu alimentare cu oxigen a camerei de vid pentru postcombustie de CO la CO2 și încălzirea metalului în proces;
- Procedeu LF (Ladle-Furnace) — acoperirea cazanului cu un capac refractar cu orificii pentru electrozi, încălzirea metalului cu ajutorul unui arc electric în timpul purjării cu argon și inducerea simultană a zgurii cu conținut ridicat de bază pe suprafața metalului;
- procedeul LRF (Ladle-Refining-Furnace, o variantă a procedeului LF) — în plus față de procedeul LF: tratament în vid sub un capac ermetic (în loc de o boltă cu electrozi) cu descărcare în pompe de vid cu agitare simultană cu argon, turnare ulterioară printr-o lingură intermediară în garnituri situate într-o cameră de vid;
- Procesul VAD (degazare cu arc în vid) — încălzire cu arc electric, suflare cu argon fără vid, tratament în vid cu inducție de zgură neoxidantă de bază înaltă și suflare finală cu argon;
- procedeul VOD (Vacuum Oxygen Decarburisation) — purjarea cu oxigen a metalului într-o căldare, care la rândul său se află într-o cameră de vid.
Pare logic să se utilizeze termenul de „cuptor cu sivniță” sau „cuptor cu sivniță” pentru toate instalațiile de tratare în afara cuptorului în care are loc furnizarea de energie, deoarece aceste instalații se încadrează pe deplin în conceptul de „cuptor” prezentat în secțiunea 1. Cu toate acestea, odată cu introducerea termenului global de „cuptor cu sivniță”, utilizarea termenului de „tratare în afara cuptorului” devine inadecvată.
Înainte de a studia funcționarea instalațiilor de tip „furnal”, să analizăm mai în detaliu trei tehnologii de bază ale tratării oțelului: vidul, gazul inert și zgura sintetică, precum și cele mai simple dispozitive care realizează aceste tehnologii.
