ITTO20001110A1 - Procedimento per la colata continua di acciaio. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la colata continua di acciaio",

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la colata continua di acciaio in barra, in particolare per la colata continua di tipi di acciaio sensibili in superficie, come ad esempio acciai calmati con alluminio, microalligati o peritettici, in cui la barra viene sottoposta a deformazione plastica in un impianto di colata continua.

È nota la riduzione dello spessore di una barra dopo l'uscita dalla lingottiera sempre all'interno dell'impianto di colata continua. Questa tecnica, nota nella letteratura scientifica anche non il nome di "Liquid-Soft-Reduction", è ad esempio descritta in DE-C 4403 048, DE-A 4139 242, DE-C 19529 049 e EP 0834 364 A2. In questo caso si riduce lo spessore della barra con il nucleo ancora liquido, allo scopo di ottenere uno spessore prestabilito di detta barra. È in tal modo possibile ottenere un prodotto il più possibile sottile da una colata continua al massimo livello di produttività (tecnica a bramma sottile). Mediante la "Liquid-Soft-Reduction" allo stato non ancora solidificato è possibile giungere a considerevoli riduzioni di spessore, in modo da semplificare notevolmente una successiva laminazione a caldo o a freddo per ottenere un nastro sottile, in particolare per quanto riguarda il numero dei passaggi calibrati. Mediante una "Liquid-Soft-Reduction" si riesce anche a migliorare la qualità interna in modo tale che la laminazione della barra a nucleo liquido provochi un effetto di agitazione, riducendo in tal modo la liquazione del nucleo, aumentando tuttavia la tendenza alla formazione di cricche interne a causa dei carichi meccanici.

È inoltre noto il laminare a caldo la barra nella zona di solidificazione utilizzando ancora il calore della stessa. Dette riduzioni dello spessore della barra effettuate nella zona di solidificazione vengono eseguite con una "frazione solida" nella zona del nucleo tra 0,3 e 0,9, dove per "frazione solida" si intende la parte di acciaio solidificato nel centro della barra colata. Un procedimento di questo tipo è noto nella letteratura scientifica con il nome di "Soft-Reduction". La "Soft-Reduction" mira, oltre ad una riduzione dello spessore, considerata di primaria importanza, ad una miglior qualità interna della barra. Si possono in tal modo evitare liquazioni del nucleo, porosità e spaccature del nucleo.

Tutti questi procedimenti noti si basano sull'idea di portare la barra al di sotto della conchiglia, sempre all'interno dell'impianto di colata continua, ad uno spessore finale desiderato o vicino a detto spessore finale desiderato, ciò al fine di rendere la restante lavorazione semplice ed economica grazie alla barra più sottile così ottenuta.

Un particolare problema nella colata continua di acciaio è costituito dalla formazione di cricche superficiali. L'eliminazione di cricche superficiali è tra i requisiti di qualità più importanti per un moderno processo di colata continua. Determinanti per la formazione di dette cricche superficiali sono da un lato i carichi termomeccanici, come le tensioni termiche interne, le sollecitazioni di flessione e di raddrizzatura sulla barra in solidificazione, causate da un processo di flessione o di raddrizzatura in sistemi di curvatura, e dall'altro le caratteristiche del materiale che costituisce il nucleo della barra in solidificazione, ossia resistenza e duttilità.

Sono particolarmente sensibili ad esempio acciai calmati con alluminio, microalligati e peritettici in un intervallo di temperature compreso tra 700 e 1.100°C; essi presentano in questo intervallo una notevole diminuzione della duttilità. Il materiale cede in questo intervallo anche con una ridotta deformazione plastica attraverso un rottura transcristallina lungo gli intergrani austenitici della quale sono responsabili precipitati non metallici come nitruri di alluminio. Questi nitruri di alluminio si depositano in corrispondenza degli intergrani austenitici. Vi è inoltre la presenza di precipitato di ferro pre-eutettico, anch'essa di preferenza lungo gli intergrani austenitici. Le caratteristiche del materiale vengono determinate mediante analisi chimica dell'acciaio sottoposto a colata continua, e in seguito ad essa dalle fasi presenti nel materiale e dalla relativa struttura cristallina. È anche essenziale la microstruttura, ossia la disposizione di difetti strutturali nel reticolo, come dislocazioni, intergrani ed inclusioni.

Si sono dimostrate particolarmente negative, per quanto riguarda la formazione di cricche, tacche di oscillazione in corrispondenza dei bordi di una barra, poiché in questi punti si formano di preferenza cricche che si espandono oltre, in particolare in caso di flessione o raddrizzatura.

L'invenzione ha lo scopo di evitare la formazione di cricche superficiali e mira a realizzare un procedimento del tipo descritto in precedenza con il quale si possano sottoporre a colata continua anche tipi di acciaio sensibili alle cricche, come acciai calmati con alluminio e microalligati, ottenendo una barra di qualità elevata. In particolare, i bordi della barra devono essere privi di cricche.

Questo compito viene risolto secondo l'invenzione sottoponendo la barra ad una laminazione termomeccanica a temperatura elevata, con una temperatura superficiale > Ac3. Per laminazione termomeccanica a temperatura elevata si intende una laminazione a temperature intorno a quella dell'austenite stabile.

Si riesce in tal modo ad eliminare la struttura di solidificazione primaria, prima che si verifichino carichi dannosi durante la colata continua, ad esempio in caso di flessione e/o raddrizzatura della barra durante la colata in un impianto di colata continua con guida ricurva per le barre. La nuova microstruttura che si forma grazie alla laminazione termomeccanica ad elevata temperatura si differenzia dalla struttura primaria per una chiara finezza dei grani, una ridotta anisotropia dell'allineamento dei grani e una morfologia di separazione non dannosa. Secondo l'invenzione si ottiene un tal modo un sostanziale miglioramento della qualità superficiale, motivato come segue: il flusso di calore attraverso il guscio della barra in solidificazione procede in direzione pressoché ortogonale rispetto alla superficie di detta barra, ossia al guscio, indicando la direzione della solidificazione dendritica primaria. Attraverso detta solidificazione orientata si formano normalmente dendriti e quindi anche γintergrani primari sulla superficie della conchiglia della barra. Un solidificazione così orientata causa una anisotropia delle caratteristiche di resistenza e duttilità. La resistenza ai carichi paralleli alla direzione dominante degli intergrani è sostanzialmente più elevata rispetto a quella ortogonale in direzione degli intergrani. La direzione di carico principale, e quindi anche la direzione di tensione principale, si trova, nella zona di raddrizzamento critica per la formazione di cricche, parallela alla direzione di colata e quindi ortogonale rispetto all'orientamento dei grani. Si verificano in questo caso le sollecitazioni di trazione massime nella zona superficiale del lato della barra sollecitato a trazione, e quindi un superamento della massima deformazione plastica amméssa, il che ha come conseguenza la formazione di cricche trasversali in superficie, di preferenza in corrispondenza dei bordi della barra.

Per effetto della deformazione plastica superficiale secondo l'invenzione si verifica nella zona critica della barra una ristrutturazione della struttura degli intergrani. L'allineamento degli intergrani segue la deformazione plastica e presenta quindi un allineamento non critico con un orientamento dei grani parallelo alla superficie della barra.

La barra viene di preferenza colata in un impianto di colata continua con guida ricurva per le barre e laminata termomeccanicamente a temperatura elevata da una zona poco al di sotto di una conchiglia lineare o arcuata fino a prima di un raddrizzamento effettuato in una zona apposita dell'impianto di colata continua.

La laminazione termomeccanica a temperatura elevata deve essere opportunamente eseguita entro un intervallo di temperature superficiali comprese tra 0,6, in particolare tra 0,75 e 0,8 della temperatura omologa .

La temperatura superficiale della barra durante la laminazione termomeccanica a temperatura elevata deve essere in particolàre inferiore a 1.200°C, preferibilmente compresa tra 900 e 1.150°C.

Secondo una forma di realizzazione preferita, la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata con una deformazione globale inferiore al 10%, preferibilmente con una deformazione globale compresa tra il 3 e il 10%, in cui la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene opportunamente effettuata con deformazioni plastiche locali ερ1 comprese tra il 10 e il 40%.

La laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene vantaggiosamente effettuata con una deformazione plastica locale minima spi del 20%.

Per ottenere una ristrutturazione completa della struttura granulare mediante una ricristallizzazione dinamica, si effettua vantaggiosamente la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura con velocità di deformazione elastica lineare ds/dt intorno a 1,010<-3 >≤ ds/dt < 0,1 [s<_1>], in cui secondo una forma di realizzazione preferita si effettua la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura con una velocità di deformazione elastica lineare ds/dt > 1 x 10 <-2 >[s<'1>].

La laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene vantaggiosamente effettuata secondo l'invenzione in due o più fasi.

Per una migliore eliminazione dell'effetto di eventuali tacche di oscillazione si effettua opportunamente una prima spianata, seguita da una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura con almeno un passaggio calibrato con deformazione plastica dei bordi e delle nervature della barra.

L'invenzione verrà ora illustrata in maggior dettaglio grazie alla descrizione e al disegno, in cui la fig. 1 mostra una rappresentazione schematica di uno sviluppo dendritico del guscio della barra, la fig. 2 un ingrandimento in sezione della fig. 1, e la fig. 3 una nuova struttura realizzata secondo l'invenzione. La fig. 4 riporta una micrografia di una zona superficiale di una barra con cricche all'interno del guscio, e le figg. 5 e 6 mostrano un diagramma degli andamenti di temperatura in barre colate a diverse velocità, misurata a distanze diverse dalla superficie della barra.

Come evidente dalle figg. 1 e 2, il flusso di calore passa attraverso il guscio della barra 1 in direzione pressoché ortogonale rispetto alla superficie di detta barra 2, stabilendo in tal modo la direzione di solidificazione dendritica primaria. L'allineamento dei dendriti solidificati 3, e quindi anche l'allineamento dei γ-intergrani primari 3', è indicato come approssimativamente ortogonale rispetto alla superficie della barra 2. Questa solidificazione orientata provoca una anisotropia delle caratteristiche di resistenza e duttilità della conchiglia della barra 1. La resistenza ai carichi paralleli alla direzione dominante degli intergrani è sostanzialmente più elevata rispetto a quella ortogonale in questa direzione, in particolare a temperature elevate.

Come evidente dalla fig. 2, la direzione di carico principale, e quindi anche la direzione di sollecitazione principale (freccia σ), si trova durante il raddrizzamento della barra, quindi nella zona di raddrizzamento critica per la formazione di cricche, parallela alla direzione di colata 4 e quindi ortogonale rispetto all'orientamento dei grani. Le sollecitazioni di trazione massime si verificano nella zona superficiale 5 sul lato a deformazione elastica lineare del guscio della barra 1. Un superamento della massima deformazione plastica ammessa ha come conseguenza la formazione di cricche trasversali superficiali, come illustrato nella fig. 4.

Mediante una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura, con una temperatura superficiale > AC3, ossia intorno a quella dell'austenite stabile, si ottiene prima dell'ingresso della barra nella zona di raddrizzamento una trasformazione della struttura degli intergrani nella zona superficiale critica 5, in modo tale che l'allineamento degli intergrani 3" segua la deformazione plastica introdotta, da cui risulta un allineamento non critico di detti intergrani, come illustrato nella fig. 3. Questa laminazione termomeccanica ad elevata temperatura può essere effettuata in un intervallo di temperature compreso tra la temperatura superficiale all'uscita della barra dalla conchiglia e una temperatura T > 0,6 di temperatura omologa sulla superficie della barra. Nel caso delle minime deformazioni plastiche che caratterizzano una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura, si ottiene in questo intervallo di temperature uno scorrimento degli intergrani come meccanismo di deformazione principale.

Secondo lo stato della tecnica (colata continua senza laminazione), durante il raddrizzamento provocato dalle minime deformazioni presenti (ε < 1,5%) sulla conchiglia della barra 1, e in conseguenza delle temperature comprese tra 950 e 850°C, non si ottiene alcuna rimozione del carico strutturale mediante ricristallizzazione dinamica. Ciò significa che, in conseguenza della grossolanità del grano nella zona di raddrizzamento, occorre tenere conto di quei fattori che provocano una riduzione della duttilità nel caso dell'austenite non ricristallizzata.

Secondo l'invenzione,, in relazione alle condizioni di deformazione determinate (temperatura e velocità di deformazione), si ottiene prima della raddrizzatura - come evidente dalla fig. 3 - una completa ristrutturazione della struttura granulare mediante ricristallizzazione dinamica. La temperatura superficiale più favorevole a ciò è compresa in un intervallo tra 0,75 e 0,8 della temperatura omologa, in cui sono necessarie ridotte velocità di deformazione elastica lineare ds/dt, pari a circa 10<-4 >s<'1 >con una dilatazione totale pari a circa il 20%.

Poiché la formazione transcristallina di cricche provoca un cedimento del materiale, in particolare in caso di difetti superficiali come tacche di oscillazione, le caratteristiche di duttilità possono essere migliorate mediante una raffinazione dei granuli durante la ricristallizzazione del materiale. Ricerche su acciai alligati con Nb mostrano ad esempio un rapporto inversamente proporzionale tra le dimensioni dei grani di austenite e la duttilità. Un ulteriore effetto positivo sulle caratteristiche del materiale risulta dalla separazione locale tra intergrani e precipitati. I precipitati di solfuri e nitruri, che si depositano principalmente sugli intergrani di austenite durante il raffreddamento, si trovano nel nuovo grano ottenuto dopo la ricristallizzazione. La conseguenza è un sostanziale miglioramento delle caratteristiche di duttilità.

Questo potenziale di miglioramento si è potuto riscontrare anche mediante ricerche sperimentali su acciaio C-Mn, C-Mn-Al e C-Mn-Al-Nb.

Secondo l'invenzione si influenzano in modo mirato i processi di separazione durante il processo di colata mediante una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura. Come già mostrato in diverse prove, la precipitazione di nitruri (AlN, NbN, VN, ...) risulta notevolmente influenzata. Mediante una ricristallizzazione poco al di sotto della temperatura di solubilità di fasi non metalliche, è facilmente possibile impedirne o spostarne la precipitazione. Durante la ricristallizzazione si distruggono potenziali germi di precipitazione. Gli atomi estranei tenuti più a lungo in soluzione hanno inoltre come conseguenza uno spostamento della trasformazione γ-α, ossia si può ritardare in modo mirato una precipitazione pre-eutettica di ferrite critica per la duttilità.

Il procedimento secondo l'invenzione è adatto in particolare per acciai molto sensibili alle cricche superficiali, che necessitano di una temperatura della guida per le barre ben definita per poter essere colati senza cricche. In particolare nel caso di piegatrici verticali si ottengono con il processo di raddrizzamento deformazioni e velocità di deformazione elastica lineare che possono comportare difetti superficiali in caso di parametri di processo non favorevoli. Si tratta in questo caso di cricche trasversali, longitudinali, reticolate e in particolare angolari.

Secondo l'invenzione la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata regolando un determinato restringimento della fessura della guida per le barre al di sotto della conchiglia per colata continua, ossia laddove la barra viene supportata su due lati opposti per evitare rigonflamenti, ad esempio mediante guide a rulli. Questa fessura deve poter essere regolata per ridurre la sezione trasversale della barra, ossia lo spessore della barra, e non fissata ad un determinato restringimento, poiché da ciò risulterebbe una fessura diversa da quella ottimale per la guida della barra in caso di cicli di colata dinamici, necessari per la sostituzione delle siviere, del distributore o del tubo di immersione, o all'inizio o alla fine della colata. Grazie al restringimento della fessura vi è la possibilità di realizzare la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura in più fasi, ossia di impiegare piu rulli di deformazione nella zona del restringimento della fessura. La realizzazione della laminazione termomeccanica ad elevata temperatura in una fase fa comunque parte dell'ambito dell'invenzione.

In caso di regolazioni della fessura già esistenti, in cui detta fessura della guida per le barre viene regolata esclusivamente in base ad una rastremazione conseguente ad un ritiro della barra, i bordi della barra vengono spianati nella zona di raddrizzamento secondo le forze di raddrizzamento, ma si introducono deformazioni plastiche in un intervallo di temperature critico per il metallo colato, cosicché a causa di dette deformazioni verificatesi durante la raddrizzatura non è più possibile effettuare processi di miglioramento della struttura.

Si è dimostrato particolarmente vantaggioso effettuare una spianatura con una determinata riduzione nella zona che va dall'uscita della barra dalla conchiglia fino al massimo a prima della zona di raddrizzamento, laminando così le tacche di oscillazione in corrispondenza dei bordi o delle nervature della barra. I bordi lisci così ottenuti non permettono la formazione di cricche. Mediante la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura nell'intervallo suddescritto si ottiene quindi un nuovo orientamento della struttura granulare nella zona superficiale della barra, in particolare nella zona delle nervature solidificate. Combinando spianatura e laminazione termomeccanica ad elevata temperatura si aumenta notevolmente la possibilità di carico delle nervature deformate, diminuendo significativamente la predisposizione alle cricche. In tal modo la barra sopporta una maggior deformazione durante il raddrizzamento.

Per fissare il punto in cui deve avvenire la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura sono adatte curve di raffreddamento, come quelle illustrate nelle figg. 5 e 6 per barre con sezione trasversale a bramma con uno spessore di circa 250 mm. È necessario considerare la velocità di colata v, poiché velocità di colata diverse determinano curve di raffreddamento molto differenti, come evidente dalle figg. 5 e 6 (fig. 5: v = 0,7 m/min., fig. 6: v = 1,4 m/min.). In numeri indicati sulle singole curve nelle figg. 5 e 6 indicano la distanza dalla superficie della barra mantenuta durante la misurazione della temperatura.

In conclusione si possono così riassumere le condizioni per una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura:

• Deformazione plastica mirata. L'intervallo ottimale è pari al 10-40% nella zona superficiale critica. Si ottiene in tal modo una sufficiente ristrutturazione della struttura degli intergrani per la maggior parte degli acciai sensibili alle cricche.

• Andamento della temperatura mirato nella zona sottoposta a deformazione termomeccanica, al fine di permettere uno scorrimento ottimale degli intergrani con una minima deformazione plastica. • Con una deformazione nella zona superficiale con temperatura compresa tra 0,6 e 0,85 della temperatura omologa (circa 900 a 1.200°C) può verificarsi una completa ristrutturazione della struttura granulare mediante ricristallizzazione dinamica.

• Riduzione mirata del passaggio calibrato sul guscio: il valore ottimale deve essere regolato in modo da ottenere una deformazione plastica intorno al 10-40% nella zona sensibile alle cricche. In caso di cricche superficiali la profondità è notevolmente limitata. Cricche con profondità > 10 mm (ad esempio cricche angolari) sono molto rare. Nella zona sensibile alla cricche è in tal modo possibile ottenere una sufficiente deformazione plastica localmente sulla superficie già <■>— -con una riduzione relativamente ridotta dello spessore della barra

• Regolazione dinamica della fessura sulla guida per le barre tra conchiglia e zona di raddrizzatura.

• Controllo dinamico della temperatura e del modello di raffreddamento della superficie. La combinazione di una regolazione dinamica della fessura con un modello di raffreddamento dinamico consente di predisporre una zona ottimale per la deformazione.

Dal seguente esempio è possibile rilevare il potenziale di risparmio del procedimento secondo l'invenzione :

In un impianto di colata continua singolo per la colata di acciai al carbonio si sottopone ad esempio a colata continua una produzione annua di 1.000.000 t. Si ottengono in questo caso prodotti sensibili alle cricche in percentuale pari a circa il 20%, ossia 200.000 t/anno. La pulitura alla fiamma delle cricche sulle bramme di detti prodotti sensibili alle cricche comporta uno scarto (con pulitura automatizzata per lato ogni 3 mm) di circa il 2,2%, ossia 4.400 t/anno. Ciò significa, con un valore di 2.700,00 ATS (scellini austriaci)/t di acciaio, una perdita economica di 11,88 milioni di ATS/anno. Occorre aggiungere anche i costi per la pulitura alla fiamma, che possono essere quantificati in 600,00 ATS/h per 100 t/h, pari a 1,2 milioni di ATS/anno, da cui risulta una perdita annua di 13,08 milioni di ATS/anno.

Un raffronto approssimativo dei costi per la trasformazione di un comune impianto di colata continua in un impianto di colata continua che realizzi il procedimento secondo l'invenzione, ossia con fessura regolabile della guida per le barre, permette un ammortamento dei costi di investimento dopo circa uno o due anni, senza considerare i vantaggi derivanti dall'impiego diretto delle bramme sottoposte a colata continua.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la colata continua di acciaio in barra, in particolare per la colata continua di tipi di acciai sensibili alle cricche superficiali, come ad esempio acciai calmati con alluminio, microalligati o peritettici, in cui la barra viene sottoposta a deformazione in un impianto di colata continua, caratterizzato dal fatto che la barra viene sottoposta ad una laminazione termomeccanica ad elevata temperatura con temperatura superficiale > AC3.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la barra viene colata in un impianto di colata continua con guida ricurva per le barre e viene sottoposta a laminazione termomeccanica ad elevata temperatura in una zona che va da poco al di sotto di una conchiglia lineare o curva a prima di un raddrizzamento dell'impianto di colata continua in una zona di raddrizzamento.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata in un intervallo di temperature superficiali compreso tra 0,6, in particolare tra 0,75 e 0,8 della temperatura omologa.
4. 4. Procedimento secondo una o più delle rivenrivendicazioni l· a 3, caratterizzato dal fatto che la temperatura superficiale della barra durante la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura è inferiore a 1.200°C, in particolare compresa tra 900 e 1.150°C.
5. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata con una deformazione globale inferiore al 10%, preferibilmente con una deformazione globale compresa tra il 3 e il 10%.
6. 6. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata con deformazioni plastiche locali εpi comprese tra il 10 e il 40%.
7. 7. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 6, caratterizzato dal fatto che la laminazione termomeccanica ad elevata temperatura viene effettuata con una deformazione plastica locale minima ερι pari al 20%.