ITRM980258A1 - Procedimento per la produzione in colata continua di bramme esenti da difettosita' superficiali e bramme cosi' ottenute - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la produzione in colata continua di bramme esenti da difettosità superficiali e bramme così ottenute".

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce a un procedimento per la produzione in colata continua di bramme in acciaio e alle bramme così prodotte; più precisamente, l’invenzione si riferisce a un procedimento per la produzione di bramme di acciaio praticamente esenti da difetti superficiali, mediante ottimizzazione delle condizioni di lubrificazione e di scambio termico in lingottiera, impiegando, nello stesso tempo e nelle diverse zone della lingottiera, polveri di copertura diverse la cui composizione può essere mutata, durante la colata, in risposta alle condizioni specifiche di lavoro, in particolare alla temperatura nelle diverse zone della lingottiera.

STATO DELLA TECNICA

La colata continua è stato un importantissimo passo avanti nel processo di produzione di laminati di acciaio, e ha consentito di migliorarne produttività, rese e qualità. Tuttavia, la produttività delle macchine di colata continua mal si combina con la velocità di trattamento del successivo impianto di sbozzatura e laminazione a caldo. Inoltre, la colata continua può indurre sulle bramme prodotte difettosità superficiali che facilmente possono trasferirsi sul prodotto finale, in modo inaccettabile per diversi tipi di acciaio, come gli inossidabili che in genere richiedono una finitura superficiale impeccabile.

A causa di ciò e in funzione dei prodotti finiti desiderati, le bramme colate in continuo vengono immagazzinate, lasciate raffreddare, ispezionate, eventualmente molate per eliminare i difetti riscontrati, di nuovo riscaldate e quindi sbozzate e laminate a caldo in nastri di spessore pari a qualche millimetro; infine, se necessario, i nastri laminati a caldo vengono anche laminati a freddo. E' evidente come un tale schema di lavoro sia alquanto oneroso, in termini per esempio di disponibilità di aree di immagazzinamento, di manodopera per l'ispezione e la molatura, di forni e di energia per il riscaldo.

A causa dell'esigenza di contenere al massimo i costi in un comparto industriale considerato ormai da tempo maturo, si è recentemente iniziato a utilizzare la tecnica della colata continua sottile, che si divide in due rami principali: la colata di bramme sottili, di spessore da circa 40 a circa 80 mm, e la colata di nastri, di spessore inferiore a 10 mm, in molti casi attorno a 2-5 mm.

Le due tecniche di colata sottile si avvalgono di macchine radicalmente diverse, quelle per bramme sottili essendo al momento di tipo genericamente tradizionale, ossia con lingottiere parallelepipede o sagomate oscillanti, mentre in quelle per nastri il metallo fuso viene colato tra due rulli raffreddati controrotanti, la cui distanza determina lo spessore del nastro prodotto.

A! momento, la tecnica della colata di bramme sottili, ha una diffusione industriale molto maggiore, e nella gran parte dei casi le lingottiere utilizzate sono del tipo a "imbuto", con la parte superiore che presenta un allargamento di sezione nella zona centrale, in corrispondenza dello scaricatore che adduce alla lingottiera acciaio fuso dalla sovrastante paniera. Tale allargamento di sezione va gradualmente diminuendo verso l’uscita della lingottiera, che si presenta con sezione trasversale perfettamente rettangolare. Questa tecnica è nota con la denominazione CSP (Compact Strip Production).

L'introduzione della colata continua di bramme sottili ha permesso di snellire gli impianti siderurgici, eliminando le lentezze intrinseche del processo tradizionale e consentendo notevoli riduzioni dei costi di impianto, per il fatto che non sono più necessari i laminatoi sbozzatori e, in alcuni casi, i forni di riscaldo per le bramme. E' nato quindi il fenomeno delle cosiddette miniacciaierie, che con impianti semplici e relativamente poco costosi, producono centinaia di migliaia di tonnellate per anno, tipicamente circa un milione di t/anno, per linea di produzione. Tuttavia, questa nuova tecnica presenta anch'essa alcuni inconvenienti, in particolare legati alla difettosità superficiale dei prodotti ottenibili. Per molti tipi di acciaio, in particolare quelli comuni al carbonio, la colata continua in bramme sottili può non presentare grandi problemi, a patto di accontentarsi di una qualità del nastro inferiore, tanto perché questi acciai in sé sono poco suscettibili alla formazione di difetti superficiali in colata, quanto perché la finitura superficiale del prodotto finito non riveste un'importanza capitale.

Per altri tipi di acciaio, in particolare per gli inossidabili, e per qualsiasi metodo di colata impiegato, invece, il problema è molto grave, per tre ordini di motivi: innanzitutto perché questi acciai sono molto suscettibili alla formazione durante la colata di difetti superficiali, poi perché per essi sono in genere richieste, date le destinazioni finali, finiture a specchio del nastro laminato a freddo, e infine perché le caratteristiche del processo non consentono un'ispezione accurata della bramma e una sua molatura. ,

Gran parte dei difetti che si riscontrano sulla superficie delle bramme colate in continuo è ascrivibile a fenomeni che avvengono durante il passaggio dell’acciaio nella lingottiera di colata, e in particolare (i) alle condizioni fluodinamiche dell'acciaio al suo ingresso in lingottiera e durante il suo passaggio all’interno di essa, (ii) alle condizioni di scambio termico tra acciaio e lingottiera, (iii) a quelle di protezione del bagno liquido nella lingottiera e (iv) a quelle di lubrificazione dell’interfaccia tra acciaio, in solidificazione e solidificato, e pareti interne della lingottiera. Nella colata continua tradizionale, si interviene su tali condizioni introducendo sulla superficie libera dell'acciaio in lingottiera polveri specifiche (polveri di copertura) che proteggono l'acciaio liquido da ossidazioni e/o altri effetti dell’ambiente circostante, e quindi fondono e vengono trascinate all’interfaccia tra acciaio e lingottiera esercitando una benefica azione sulla lubrificazione e sullo scambio termico.

La presenza di una giusta scorta di scoria liquida sulla superficie dell'acciaio viene garantita per il tramite di una continua aggiunta in lingottiera, con opportuna velocità, delle polveri di copertura, nonché utilizzando polveri con adeguata velocità di fusione. Inoltre, la scoria liquida deve avere una viscosità adeguata alle particolari condizioni di colata, per poter penetrare nel meato tra superficie dell’acciaio in solidificazione e pareti interne della lingottiera e quindi esercitare le proprie funzioni. L'attrito tra acciaio e lingottiera è legato alla viscosità delle polveri fuse e alla velocità di colaggio, secondo la seguente formula:

F, = μ (V, -VC) A/d,

in cui F, è l’attrito liquido; μ è la viscosità; V è la velocità della lingottiera; Vc è la velocità di colaggio; A è la superficie di contatto e di è lo spessore dello strato liquido.

Altri fattori che influenzano la lubrificazione sono il tipo di struttura, amorfa o cristallina, della scoria, sicuramente allo stato solido in prossimità delle pareti della lingottiera, e la sua temperatura di cristallizzazione.

Ancora un altro fattore importante è la tensione superficiale della scoria liquida ottenuta per fusione delle polveri, in particolare per il colaggio a elevata velocità, nel quale la scoria deve avere una bassa tensione superficiale per garantire una minore adesione tra acciaio in solidificazione e scoria liquida e quindi diminuire la tendenza all’inglobamento di scoria nell'acciaio.

Sarebbe, quindi, opportuno realizzare condizioni costanti nelle relazioni di scambio termico, di isodinamica, di lubrificazione, eccetera, che si stabiliscono in lingottiera. In pratica, le condizioni all’interno della lingottiera si modificano anche notevolmente durante i transitori (per esempio durante i cambi siviera); per compensare simili alterazioni, nella colata continua tradizionale si tenta di regolare le condizioni di colata e, nel caso di importanti transitori, si cambia il tipo di polvere in funzione delle necessità. Tuttavia è da notare come, anche nella colata continua in bramme di alto spessore, il brusco cambiamento del tipo di polvere di copertura in ogni caso provoca ulteriore difettosità nella bramma prodotta.

E' dunque evidente che esiste il problema della qualità superficiale dei prodotti colati in continuo e che, nonostante i notevoli vantaggi conseguibili con la produzione di colati con qualità superficiale migliorata, questo obiettivo non è stato ancora adeguatamente studiato.

La presente invenzione si propone di ovviare a questi inconvenienti, proponendo un procedimento per la produzione in colata continua di bramme di acciaio praticamente esenti da difetti superficiali.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione sì basa sulla ipotesi che le difettosità in colata continua nascano essenzialmente dalle diverse condizioni termiche e fluodinamiche che si hanno lungo il perimetro della lingottiera in funzione della geometria di quest'ultima, dello scaricatore che adduce metallo liquido nella lingottiera, della velocità di colaggio e della polvere lubrificante. Tali condizioni sono particolarmente esasperate nella colata continua di bramme sottili, in vista del rilevante ingombro dello scaricatore, che occupa percentualmente uno spazio molto maggiore che nella colata tradizionale, perturbando di più le situazioni termica e fluodinamica all'interno della lingottiera stessa.

L'insorgere della difettosità superficiale si accentua, quale che sia la tecnica di colata adottata, durante i transitori, quali per esempio l'inizio e la fine del colaggio, i cambi di siviera nel colaggio in sequenza e le variazione della velocità e del livello dell'acciaio.

Inoltre, nella colata continua di bramirne sottili, viene esaltata la differenza esistente tra la zona centrale, in cui è immerso lo scaricatore e in cui si hanno temperature inferiori e minore velocità di ricircolo dell'acciaio liquido e conseguentemente minore scambio termico, e le zone periferiche verso i lati corti della lingottiera, in cui il moto dell'acciaio è notevolmente più attivo e le temperature sono superiori.

Queste condizioni sono particolarmente importanti nella colata dei cosiddetti acciai austenitici, perché in essi durante la solidificazione si ha un passaggio dalla fase ferritica, stabile a elevata temperatura, alla fase austenitica, stabile a temperatura inferiore e provvista di un coefficiente di ritiro maggiore; ne deriva che, nella zona centrale della lingottiera, attorno allo scaricatore, in cui la temperatura e la velocità dell’acciaio sono minori, l'acciaio solidifica prima e si distacca prima dalla lingottiera rispetto alle zone laterali, promuovendo in tal modo la formazione di striature, o incavi, longitudinali.

Nelle zone dei lati più corti della lingottiera, in cui temperatura e velocità dell'acciaio sono maggiori, si verifica spesso che le correnti di acciaio rivolte verso l'alto catturino particelle di scoria che vengono inglobate nella pelle in via di solidificazione, ancora pastosa, formando inclusioni sotto pelle. Quest’ultime, in seguito durante la laminazione a caldo, oppure anche durante quella a freddo, provocano la rottura del sottile strato di acciaio che le ricopre, generando cricche e altri difetti superficiali, quali sfoglie e sliver.

Per gli acciai austenitici è dunque importante regolare le condizioni di colata in modo da uniformare il più possibile le condizioni di scambio termico che si hanno nella zona della lingottiera attorno allo scaricatore e quelle che si hanno nelle zone della lingottiera prossime ai suoi lati corti.

Per gli acciai che sono invece ferritici allo stato solido, un problema importante è la bassa velocità di solidificazione, che può portare quindi a un insufficiente spessore di acciaio solidificato nella zona attorno allo scaricatore, e quindi a rigonfiamenti o "bulging" nella stessa zona, se non a rotture.

Inoltre, è evidente che tale varietà di condizioni termiche e isodinamiche lungo il perimetro della lingottiera può portare a diverse modalità di infiltrazione della scoria tra lingottiera e acciaio, e quindi a modificazioni della lubrificazione, che può decadere fino a provocare incollamenti locali della pelle in solidificazione alle pareti della lingottiera, e conseguentemente a ulteriori tipi di difettosità superficiale della bramma prodotta.

L'analisi fin qui svolta mostra come le diversità di temperatura tra le varie zone della lingottiera svolgano un ruolo particolarmente importante nella formazione dei difetti superficiali nelle bramme prodotte.

E’ quindi essenziale formare in ogni caso tra pelle in solidificazione della bramme e pareti della lingottiera uno strato di scoria, proveniente dalla polvere di copertura, idoneo a uniformare lo scambio termico e le condizioni di lubrificazione tra bramma e lingottiera.

Il problema tecnico alla base della presente invenzione è, dunque, il controllo e la regolazione dinamici delle condizioni di scambio termico e della lubrificazione in lingottiera tra quest’ultima e la bramma; si deve quindi effettuare un’ottimizzazione dinamica delle condizioni di colata in lingottiera, sfruttando opportunamente le caratteristiche di diverse polveri di copertura, aggiunte da sole o in miscela tra di loro nella lingottiera. Il procedimento oggetto della presente invenzione si riferisce alla colata continua degli acciai, in cui l’acciaio fuso viene colato in una lingottiera di tipo genericamente noto, nella quale tra acciaio colato e zone diverse della lingottiera stessa tendenzialmente si stabiliscono condizioni diverse di scambio termico, l'acciaio colato essendo ricoperto con uno strato di polveri di copertura che fondono e si insinuano tra acciaio in solidificazione e pareti interne della lingottiera, ed è caratterizzato dal fatto che detto strato di polveri ha composizione gradualmente variata lungo il perimetro interno della lingottiera, in funzione delle condizioni di scambio termico che si stabiliscono tra l’acciaio e le diverse zone della lingottiera.

Lo strato di polveri di copertura è costituito da almeno due diverse polveri di copertura opportunamente miscelate.

Detta miscela di almeno due polveri di copertura viene creata in funzione delle specifiche condizioni di scambio termico che si stabiliscono in ciascuna zona della lingottiera, ciascuna miscela essendo aggiunta in corrispondenza della zona della lingottiera per cui è stata creata.

Le caratteristiche chimico-fisiche considerate delle polveri di copertura sono: (i) la velocità di fusione, in mg/s; (ii) la temperatura di fine fusione in °C; (iii) la viscosità, in dPa s; (iv) la temperatura di inizio vetrificazione, in °C; (v) l'intervallo di cristallizzazione, in °C, e (vi) l'indice di basicità.

In linea di principio, si deve tener presente che minori sono la temperatura dell'acciaio e la sua velocità, minore deve essere la temperatura di fine fusione della polvere di copertura, maggiore la sua velocità di fusione, minore la viscosità! Per quanto riguarda gli acciai di più difficile colata, quelli di tipo austenitico richiedono per esempio, rispetto ai ferritici, polveri aventi maggiori velocità di fusione e indice di basicità, e minori temperatura di fine fusione e viscosità.

In particolare, le proprietà delle polveri devono essere adattate alle condizioni di processo temporali e spaziali (transitori di processo, profili termici diversi sul perimetro della lingottiera, eccetera).

In funzione di tali considerazioni e delle misure dello scambio termico e dei parametri di colata, si deduce quale miscele iniziale di polveri di copertura sia la più idonea per ciascuna condizione specifica relativa a una determinata zona della lingottiera, che quindi viene alimentata con la polvere ritenuta ottimale. In questa determinazione si tiene conto ovviamente dei gradienti di caratteristiche che si ottengono dalla miscelazione spontanea delle polveri una volta immesse in lingottiera. E’ stato verificato che tale miscelazione non genera disturbi, in quanto essa in genere segue l'andamento delle condizioni tra zone adiacenti.

Naturalmente, l'iterazione delle operazioni di misura dello scambio termico e delle condizioni di colata assicura sia il controllo di eventuali variazioni nel processo sia che le miscele di polveri utilizzate abbiano uniformato le condizioni di solidificazione, che comunque ciò accada in un ristretto numero di iterazioni e che tale uniformazione rimanga nel tempo.

A titolo di esempio, si specifica che per gli acciai di tipo austenitico i valori ottimali per le diverse caratteristiche delle polveri di copertura utilizzate sono:

- Velocità di fusione (mg/s): 70-140, preferibilmente 80-120;

- Temperatura di fine fusione (°C): 1050-1250, preferibilmente 1100-1130;

- Viscosità (a 1300 °C, dPas): 0,1-1, preferibilmente 0,2-0, 8;

- Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1200-1050, preferibilmente 1150-1100;

- Intervallo di cristallizzazione(°C): 1050-800, preferibilmente 950-800; - Indice di basicità; 1-1,3.

Per gli acciai di tipo ferritico, i valori delle grandezze sopra riportate sono:

- Velocità di fusione (mg/s): 25-70, preferibilmente 35-60;

- Temperatura di fine fusione (<e>C): 1150-1270, preferibilmente 1160-1200;

- Viscosità (a 1300 °C, dPa s): 0,5-1 ,2, preferibilmente 0, 7-1.0;

- Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1150-900, preferibilmente 1100-1000;

- Intervallo di cristallizzazione(°C): tra 1000 e 700, preferibilmente non deve cristallizzare;

- Indice di basicità; 0,8-1.

Il procedimento secondo la presente invenzione è quindi caratterizzato dalla combinazione in relazione di cooperazione dei seguenti passi: • approvvigionare almeno due tipi di polveri di copertura aventi caratteristiche chimico-fisiche diverse;

• determinare le condizioni di scambio termico in una pluralità di zone della lingottiera;

• determinare le condizioni di colata;

• provvedere una pluralità di punti di immissione delle polveri in lingottiera, per ciascuno di tali punti miscelando detti almeno due tipi di polveri di copertura in funzione delle condizioni generali di colata e delle specifiche condizioni di scambio termico specifiche della corrispondente zona della lingottiera in detta pluralità di zone; • alimentare ciascuna di dette miscele di polveri di copertura così ottenute nel punto di immissione per cui è stata calcolata;

• determinare di nuovo le condizioni di scambio termico in detta pluralità di zone della lingottiera e ripetere i passi precedenti fino a sostanzialmente uniformare le condizioni stesse.

Per quanto riguarda le condizioni di scambio termico, si misurano le temperature della lingottiera e i relativi flussi termici in una pluralità di zone poste in prossimità del menisco.

In particolare, tali misure vengono effettuate in almeno una serie di punti opportunamente spaziati orizzontalmente tra loro, ciascuna serie essendo disposta orizzontalmente lungo il perimetro di una sezione trasversale della lingottiera.

Le condizioni di colata comprendono la velocità di trasferimento dell'acciaio dalla paniera alla lingottiera e le diverse velocità dell'acciaio in lingottiera, sul piano orizzontale e su quello verticale.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, in cui l’acciaio fuso viene colato, con condizioni di colata note e controllate, in una lingottiera di tipo genericamente noto, nella quale le condizioni di scambio termico che si stabiliscono tra acciaio colato e zone diverse della lingottiera vengono controllate in continuo, l’acciaio colato essendo ricoperto con uno strato di polveri di copertura di caratteristiche note che fondono e si insinuano tra acciaio in solidificazione e pareti interne della lingottiera, caratterizzato dal fatto che la composizione di detto strato di polveri viene continuamente verificata e variata lungo il perimetro interno della lingottiera, in funzione delle condizioni di scambio termico che si stabiliscono tra l’acciaio e le diverse zone della lingottiera.
2. 2. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo la rivendicazione 1 , in cui lo strato di polveri di copertura è costituito da almeno una miscela di almeno due diverse polveri di copertura.
3. 3. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo la rivendicazione 2, in cui detta miscela di almeno due polveri di copertura viene creata in funzione delle specifiche condizioni di scambio termico che si stabiliscono in ciascuna zona della lingottiera, ciascuna miscela essendo aggiunta in corrispondenza della zona della lingottiera per cui è stata creata.
4. 4. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui per determinare le condizioni di scambio termico, si misurano in continuo le temperature della lingottiera e i relativi flussi termici in una pluralità di zone poste in prossimità del menisco.
5. 5. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo la rivendicazione 4, in cui tali misure di temperatura vengono effettuate in almeno una serie di punti spaziati orizzontalmente tra loro, ciascuna serie essendo disposta orizzontalmente lungo il perimetro di una sezione trasversale della lingottiera.
6. 6. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui nella determinazione delle condizioni di colata si utilizzano la velocità di trasferimento dell'acciaio dalla paniera alla lingottiera, le diverse velocità dell'acciaio in lingottiera, sul piano orizzontale e su quello verticale.
7. 7. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondò una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui si utilizzano polveri di copertura aventi le seguenti caratteristiche: • Velocità di fusione (mg/s): 70-140; • Temperatura di fine fusione (°C): 1050-1250; • Viscosità (a 1300 °C, dPa s): 0,1-1; • Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1200-1050; • Intervallo di crista!lizzazione(°C): 1050-800; • Indice di basicità; 1-1,3.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, in cui sì utilizzano polveri di copertura aventi le seguenti caratteristiche: • Velocità di fusione (mg/s): 80-120; • Temperatura di fine fusione (°C): 1100-1 130; • Viscosità (a 1300 °C, dPa s): 0, 2-0,8; • Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1150-1100; • Intervallo di cristallizzazione(°C): 950-800.
9. 9. Procedimento per la produzione in colata continua di prodotti in acciaio sostanzialmente esenti da difetti superficiali, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui si utilizzano polveri di copertura aventi le seguenti caratteristiche: • Velocità di fusione (mg/s): 25-70; • Viscosità (a 1300 °C, dPa s): 0,5-1 ,2; • Temperatura di fine fusione (°C): 1150-1270; • Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1150-900; • Intervallo di cristallizzazione(°C): 1000-700; • Indice di basicità; 0,8-1.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui si utilizzano polveri di copertura aventi le seguenti caratteristiche: • Velocità di fusione (mg/s): 35-60; • Viscosità (a 1300 °C, dPa s): 0,7-1 ,0; • Temperatura di fine fusione (°C): 1160-1200; • Temperatura inizio vetrificazione (°C): 1100-1000; • Intervallo di cristallizzazione(°C): non cristallizza; • Indice di basicità 0,8-1 ,0.
11. 11. Bramma di acciaio sostanzialmente esente da difetti superficiali, ottenuta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. Bramma sottile di acciaio sostanzialmente esente da difetti superficiali, ottenuta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
13. 13. Nastro di acciaio sostanzialmente esente da difetti superficiali, ottenuta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.
14. 14. Manufatti in acciaio inossidabile ottenuti a partire da prodotti colati in continuo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 13.