FLORI DE MAI

 

„FISURI CARE APAR LA TURNAREA LINGOURILOR”

Restituiri:

„FISURI DATORITE TURNĂRII LINGOURILOR”

„The cracks due to the casting of the ingots”

Ing. Al. Rău 

Articol apărut în „Revista de Turnătorie” nr. 3-4 din 2013 

                                                                                                             

Introducere: Prezentul articol  „Fisuri datorite turnării lingourilor” a fost scris de ing. Alexandru Rău în decembrie 1930 și a apărut în „Buletinul U.D.R.”- Studii și memorii în legătură cu activitatea societății „Uzinele de fier și domeniile Reșița S.A.” (fig.1) face parte din „Restituiri”, o rubrică menită să readucă în atenția cititorilor „Revistei de Turnătorie” vechi scrieri ale unor personalități din domeniul științei și ingineriei materialelor. Istoria metalurgiei din Reșița începe în anul 1771,  prin inaugurarea a două furnale numite „Franciscus” și „Iosephus” și a unor ateliere anexe. În anul 1854 Curtea Imperială și Guvernul austriac vând căile ferate și alte bunuri unor societăți private, dintre care cea mai importantă a fost K.K. „Osterreichische Staats-Einsanbahn-Gesellschaft”, prescurtat „StEG”. Această societate a stăpânit toate minele, uzinele și domeniile imperiale din Banat. A urmat o perioadă de modernizare, în scopul creșterii producției de fier și oțel atât de necesară extinderii rețelei de căi ferate. Uzinele din Reșița au furnizat aproape întreaga cantitate necesară de produse din fier utilă căilor ferate existente și în construcție ale Austriei și Ungariei. Printre acțiunile de modernizare industrială se numără elaborarea oțelului în convertizoare  Bessemer,procedeu modern în acea perioadă. astfel în 1868 au fost construite 4 convertizoare de 8 tone fiecare, înlocuite cu 3 convertizoare de 10 tone în 1899. Apoi în 1876 au fost construite 2  cuptoare Siemens Martin de 8 tone fiecare cu păcură, la care s-au adăugat, în 1899 două cuptoare de 20 tone, cu căptușeală bazică. Prin extinderea procedeului bazic de elaborare s-au creat condițiile tehnice obținerii unor oțeluri de calitate, carbon și aliate. [2] La cestea s-au mai adăugat: un atelier de bandaje pentru roți, laminoare de tablă, atelier pentru poduri metalice, turnătorie, cazangerie, fabrică de cărămizi refractare etc. În 1872 este realizată la Reșița prima locomotivă cu aburi cu tender, pentru ecartament îngust de 948 mm, purtând numele simbolic de „Resicza”. După primul război mondial în anul 1920 Societatea StEG  s-a transformat în societate românească sub numele de  „Uzinele de fier și Domeniile Reșița, Societate Anonimă”. Uzinele Reșița devin cele mai puternice întreprinderi din întreg Regatul României.                                                                                                                                                                                  Alexandru Rău (1900-1993) s-a născut la 14 martie 1900 în București. A efectuat studiile liceale în București și superioare la școala Politehnică din Timișoara și apoi Politehnica din Aachen (1927-1930) unde a obținut  diploma de inginer metalurg. Și-a început cariera de inginer în cadrul Laboratorului de Metalografie de la uzinele Reșița. Din literatura de specialitate aflăm despre acest laborator că: „La începutul secolului XX exista la Reşiţa un laborator de metalografie şi unul de încercări fizice (mecanice), ultimul mai vechi datând de prin 1880.” [3]  „Mai târziu, între 1902 şi 1929, laboratorul se completează cu alte maşini (Mohr şi Federhaff,  Amsler etc.), laboratorul de metalografie, de asemenea, cu microscop metalografic mare, aparate de analiză dilatometrică şi defectoscopie. Între studiile făcute sunt de remarcat cele pentru punerea la punct a fabricaţiei şinelor de rezistenţă 70kgf/mm², a bandajelor de rezistenţă 90 kgf/mm², a materialului pentru cilindrii locomotivelor, sau studiul asupra materialului şinelor la temperaturi scăzute.” [4] Alexandru Rău a studiat nu numai oțelurile pentru bandaje cât și oțelurile aliate crom-nichel și oțelurile rapide. Devenind șef de secție Oțelărie Specială a căutat în permanență îmbunătățirea calității oțelurilor elaborate în cuptoare Siemens-Martin și electrice, oțeluri de construcție, aliate și înalt aliate, inoxidabile și rapide. În 1941 a fost director al Uzinelor de Fier din Hunedoara unde a pus în funcțiune oțelăria, laminoarele și producția de feromangan de la Târnăveni. La uzinele „D. Voina” din Brașov a introdus producția de fontă maleabilă și turnarea cilindrilor cu crustă dublă pentru morărit. Revenind în București după 1947 după câteva funcții la Ministerul Metalurgiei a devenit în 1953 director tehnic al Institutului de Cercetări Siderurgice și Materiale Refractare. Din 1950 a fost șef al Catedrei de Siderurgie din cadrul Institutului Politehnic București, predând cursuri de metalurgia oțelului și metalurgia feroaliajelor. A scris cărți de referință în domeniu. Din 1993 a fost membru de onoare al Academiei Române. Prin publicarea acestui articol scris la începutul carierei marelui profesor, cu respectarea ortografiei și a figurilor originale, Revista de Turnătorie aduce un omagiu marelui profesor al Facultății de Știința și Ingineria Materialelor cu ocazia împlinirii a 20 ani de la moartea sa. Mulțumim administratorilor site-ului „http://resitasiimprejurimile.weebly.com” pentru acceptul de publicare. (redactare ing. Duță Vasile)

Prezentare articol: „Între procesul topirii și acel al prelucrării se intercalează turnarea lingourilor, care imprimă oțelului calități și defecte atât în ceeace privește structura cât și prezentarea lui exterioară. Mijloacele de control de care dispunem pentru procesul turnării sunt insuficiente și prin urmare cele mai multe greșeli pe care un lingou le prezintă se pot atribui turnării, care poate strica oțelul pregătit în cele mai bune condițiuni în cuptorul Martin. Să ne gândim de exemplu numai la aceea că urmările cristalizării primare nu pot fi înlăturate prin laminare sau forjare. Prin urmare trebuiesc luate toate măsurile necesare ca oțelul să se poată solidifica în cele mai bune condițiuni (în vederea unei structuri optime și a unei suprafețe curate a lingoului) și ca fenomenul contracțiunii să fie încadrat de așa fel ca să ne producă numai minimum de neplăceri. Reușita turnării depinde de cunoașterea unui complex de fenomene de natură metalurgică, termică și mecanică, al căror studiu nu intră însă în subiectul acestui articol, în care voiu trata numai despre fisurile ce iau naștere în lingouri fie datorită imperfecțiunilor de care suferă încă procesul turnării, fie din neglijența turnătorului. Cauzele acestor fisuri sunt în primul rând de natură mecanică și termică și în mai mică măsură de natură metalurgică, și le putem împărți în patru categorii, după cum sunt datorite:                                                                                                                                                     I. Rezistenței mici a oțelului la temperaturi ridicate (Warmrisse).  II.Tensiunilor interioare. III.Transcristalizării. IV. Inclusiunilor nemetalice și sulfurilor.                     
Literatura referitoare la acest subiect este destul de bogată și dintre lucrările apărute țin să remarc următoarele, ale căror concluziuni le-am folosit în acest articol.                                                                                           
1. Das technische Eisen[1] von Oberhoffer[2].                                                                                   2. Blöcke und Kokillen von Bearley   Rapatz[3].                                                                                                                                                  3. Das Giessen v. Stahlblöcken von F. Pacher[4] (St. u. E. 1929 pag. 627)[5].                                                                                                                                                             4. Kantenseigerungen in Stahlblöcken von S. Maita[6] (St. u. E. 1930 pag.1311).   

Fig.1 [1]„Tehnica fierului” de Paul Oberhoffer- Editura Julius Springler, Berlin 1925 (n.r.) [2] Paul Oberhoffer (1882-1927) Dr.ing. profesor de Siderurgie, Conducător al Institutului de Științe Metalurgice de la Universitatea Tehnică din Aachen. (n.r.) [3]„Lingouri și lingotiere” de A.W. Bearley, Harry Brearley, traducerea în germană de Franz Rapatz a lucrării: „Ingots and ingot moulds”- London, 1918- la Editura Julius Springler, Berlin 1926 (n.r.). Artur William Brearley a fost metalurg la Brown-Bayley's Steel Works Limited din Sheffield, specialist în turnarea pieselor mari cu miezuri interioare, autor de brevete pe această temă în Marea Britanie, SUA și Canada. Harry Brearley (1871-1948) a fost Manager de producție la aceiași firmă. A fost creatorul oțelurilor inoxidabile, prima șarjă a fost realizată în 1913. (n.r.) [4] „Turnarea lingourilor” de F. Pacher din „Stahl und Eisen”1929 pag.627. (n.r.) [5] St. u. E. este o prescurtare de la „Stahl und Eisen”, o prestigioasă revistă germană de metalurgie, care apare și astăzi. (n.r.) [6] „Segregațiile de margine ale lingourilor” de S. Maita din „Stahl und Eisen”1930 pag.1311. (n.r.) [7] Warmrisse – în limba germană - crăpătură la cald. (n.r.)

I. Fisuri produse la temperaturi înalte (Warmrisse)[7]                                                                  Solidificarea oțelului începe dela pereții lingotierei, formându-se în primul rând o crustă (corespunzătoare zonei globulitice) ce îmbracă masa fluidă așa cum arată schița din fig.2. Această crustă menține contactul cu pereții 

lingotierei numai un timp foarte scurt după care, din cauza contracțiunii oțelului și dilatării lingotierei, crusta se desface, lăsând între ea și lingotieră un spațiu liber. Până în momentul desfacerii crusta trebuie să fi atins însă o grosime suficientă ca să poată rezista presiunii ferostatice. Dacă nu rezistă, ceea ce e ușor de înțeles când ținem seama de rezistența mică a oțelului la temperaturi înalte, se produc fisuri ce pot fi transversale (fig.3 schița a), propagându-se printre cristale și fiind din loc în loc întrerupte. Fisurile transversale nu sunt adânci și le găsim mai ales la lingourile turnate de sus, în special când turnarea este violentă și fierbinte. Cele longitudinale iau naștere mai ales în treimea și pătrimea de jos a lingoului și în primul rând la lingourile lungi, turnate de jos, violent și fierbinte: ele pătrund adânc și nu pot fi îndepărtate nici prin strunjirea lingoului, așa că la forjare reapar. Întrucât materialul se solidifică mai repede la muchii, fisurile ce se produc la cald se găsesc de obiceiu la mijlocul laturilor, unde oțelul se  solidifică mai pe urmă și crusta e mai subțire. Apariția lor mai este influențată și de gradul de fluiditate, deci de compoziția chimică a materialului, precum și de forma lingotierei: în lingotiere rotunde crusta are de suportat presiuni mai mari decât în cele poligonale, presiuni datorite coloanei de oțel fluid și trecerii prin punctul critic Ar₁,așa că lingourile rotunde crapă mai des. Dintre lingotierele poligonale cele cu laturi arcuite sunt mai puțin favorabile fisurilor, întrucât crusta se formează regulat pe întreaga secțiune și presiunile sunt mai uniform repartizate. Fig. 4 redă, în mărime naturală, o fisură longitudinală produsă la cald într’un lingou din oțel moale de 3100 kg. În starea originală a lingoului fisura a fost foarte fină, s’a deschis însă, după o prelucrare parțială prin forjare, așa cum arată figura, din care se vede că fisura are un mers întrerupt, iar la microscop  se constată că ea se propagă printre cristale. În timp ce solidificarea progresează, fisura va fi umplută cu soluție mamă (Mutterlauge[1]), formând în lingou o secțiune slabă ce poate fi scoasă în evidență prin atacarea primară. Fig.5 redă în mărime naturală, o asemenea secțiune slabă într’un lingou pentru bandaje, care la presare a crăpat. Atacarea acestei probe, ca și a celorlalte de care m’am servit pentru această lucrare, a avut loc după Rosenhein- Oberhoffer[2] (afară de probele pentru care e specificat în text o altă atacare.) La fotografiere luminarea a fost perpendiculară, așa că secțiunea slabă apare pe fotografie ca o linie albă în zigzag, linie ce formează caracteristica fisurilor produse la cald (Warmrisse).                                                                                                         

---

[1] Mutterlauge –soluție mamă, în limba germană. (n.r.)

[2]  Reactivul Oberhoffer pentru atacul probelor necesare evidențierii structurii primare a oțelurilor: 0,5 g clorură de staniu, 1g clorură cuprică, 30 g clorură ferică, 5 ml. acid clorhidric, 500 ml. alcool etilic, 500 ml. apă. (n.r.)

 

II. Fisuri datorite tensiunilor.                                                                                                     Lingourile se contractă în timpul răcirii cu 2-2,4% din lungime, și dacă răcirea este neregulată, lingoul va avea în diferite puncte temperaturi și prin urmare contracțiuni diferite. Părțile mai reci, contractându-se, întind pe cele mai calde cari, când la rândul lor se vor răci și contracta, vor avea de învins și tensiunile acumulate, așa că în material pot lua naștere tensiuni ce să întreacă rezistența materialului și astfel lingoul capătă fisuri ce se produc mai ales în două domenii critice de temperatură: în jurul lui 1300⁰ (pereții fisurii sunt oxidați), și între 300⁰ și 600⁰ (pereții fisurii sunt colorați în albăstriu). Asupra acestor temperaturi părerile sunt încă împărțite, pentru practică este important însă ca răcirea să fie înceată, pentru ca tensiunile să nu apară brusc și cu toată intensitatea, ci să crească treptat, în care caz materialul rezistă mai bine și pericolul fisurilor este mai mic. Este clar că tensiunile (și prin urmare pericolul fisurilor) sunt mai mari acolo unde și răcirea este mai bruscă, adecă la muchiile lingoului și că vor descrește către mijlocul laturilor. Așa stând lucrurile și ținând seama de diferența de temperatură dintre centrul și exteriorul lingoului,mai ales când acesta e mai mare de 2,5 tone, ne putem explica, cu ajutorul figurii 6, cum iau naștere segregațiile dela muchii, care sunt cauzate de tensiuni, prin urmare de temperatura și viteza de turnare, precum și de viteza de răcire, și prin așezarea lor măresc pericolul fisurilor datorite tensiunilor interioare. Chiar dacă aceste fisuri nu se produc în timpul turnării, pot totuși să apară când lingoul se va dilata brusc la exterior, de exemplu la introducerea acestuia în cuptorul forjeriei. Vina este bine înțeles mai mult a turnătorului decât a forjarului. Lingoul poate fi și împiedicat de a se desface de lingotieră, ceeace dă naștere la tensiuni și deci la fisuri. De ex. lingourile turnate în lingotiere prea largi sus capătă fisuri transversale, datorită faptului că partea de jos răcindu-se mai iute se desface mai din vreme de lingotieră și lingoul atârnă. Același lucru se întâmplă când lingotiera este turnată prea plină (Fig.7), sau când lingoul este turnat cu maselotă și acesta are un diametru mai mare decât al lingotierei. 

Dacă curentul de oțel topit lovește la turnare pereții lingotierei, sau dacă raza de metal la turnarea în sifon, nu pătrunde central ci lovește pereții lingotierei, în locul lovit se produce o adâncitură, iar urmarea este că lingoul are o suprafață neregulată și în timpul contracțiunii rămâne înțepenit ceeace dă naștere la fisuri, mai ales când e vorba de oțeluri tari. Acest fel de fisuri se pot vedea în schițele din figura 8. Aceleași fisuri le prezintă lingoul și în cazul că se folosesc lingotiere neîngrijite, cu neregularități pe suprafața interioară. Crăpăturile provenite din cauza împiedecării lingoului de-a se desface de lingotieră sunt adânci și datorite numai neglijenței turnătorului. Dacă oțelul topit stropește la turnare lingotiera, stropiturile se vor lipi de pereții acesteia și în contact cu aierul se vor oxida și răci. Când masa de oțel topit va înconjura stropiturile, acestea se vor desface de lingotieră și se vor retopi, sau vor rămâne prinse atât de masa de oțel cât și de lingotieră. În ambele cazuri însă oxidul format intră în reacțiune cu Si, Mn,și C din oțel, dând sgură și CO ce rămân cuprinse în stratul marginal al lingoului și măresc pericolul fisurilor. În cazul însă că stropiturile rămân prinse de lingotieră și având o temperatură mai scăzută decât părțile înconjurătoare ale lingoului, se vor contracta diferit de acesta, îl vor stânjeni deci să se contracte în direcțiunea longitudinală și astfel în jurul stropiturilor iau naștere întotdeauna crăpături fine, aproape invizibile, ce la forjare vor eși la iveală dând naștere la fisuri mi mult sau mai puțin transversale și destul de adânci. Fig. 9 reprezintă o probă luată dintr’o regiune cu stropituri a unui lingou de 3,1 tone din oțel moale. În partea de sus a figurii, unde se văd pete și dungi închise, avem de-aface cu sufluri produse de CO ce s’a format așa cum am explicat mai înainte, și în jurul cărora s’a segregat P, dar avem mai ales de-aface cu părți oxidate, dispuse așa cum arată fig.10.  În fig.9 se vede și o fisură fină ce și-a făcut apariția, la prelucrare, în zona stropiturilor. 

                                                                                 

III. Fisuri datorite transcristalizării.                                                                                            Turnarea de la o temperatură prea ridicată are ca urmare că lingourile prezintă, pe lângă retasură, sufluri, segregație pronunțată și tensiuni interioare, încă și defectul că sunt transcristalizate, ceeace poate da naștere la fisuri, înainte sau în timpul prelucrării. Aceste fisuri le găsim mai ales în planurile de întretăiere ale cristalelor lungi. Cum aceste sunt dispuse cu axa principală perpendicular pe laturile lingoului, urmează planurile de rezistență minimă în care se produc fisurile, sunt determinate de diagonalele poligonului ce reprezintă secțiunea lingoului, cu alte cuvinte, fisurile ce se produc în timpul prelucrării sunt fisuri longitudinale, ce iau naștere în lungul muchiilor și anume în lungul tuturor sau numai a câtorva muchii, după gradul de transcristalizare. În afară de fisurile din planurile de rezistență minimă mai găsim și fisuri fine ce se propagă printre cristale, ale căror suprafețe de contact reprezintă în mic, din cauza impurităților, planuri de rezistență minimă. Direcția lor este deci aceea a cristalelor, perpendiculară pe laturile lingoului. Fisurile datorite transcristalizării se observă uneori numai după prelucrare, alteori și atunci sunt greu de deosebit de dungile ce-au luat naștere în timpul prelucrării pe suprafața piesei, așa că vor fi scoase la iveală numai la strunjire, când nu mai pot fi complet îndepărtate, mai ales că dela o oarecare adâncime sunt foarte fine. Fig.11 reprezintă structura de turnare, mărită de 100 de ori, a unui lingou din oțel moale (de 3100 kg), neprelucrat. Proba a fost atacată cu acid clorhidric în soluție alcoolică. Din figură se vede că atacarea secundară nu scoate în evidență decât o structură foarte frumoasă, numită structură „Widmannstätten”, fără a ne spune însă care a fost cauza crăpării lingoului în timpul încălzirii lui în cuptor. Dacă lingoul a fost sau nu supraîncălzit în cuptor nu se poate deduce după structură, aceasta fiind la fel și în cazul supraîncălzirii. Celelalte lingouri cercetate fiind prelucrate și arătând o structură normală gradului respectiv de prelucrare, fără vre’un indiciu de supraîncălzire, despre aceasta nu va mai fi vorba în restul lucrării. Fig. 12 reprezintă structura primară, mărită de 1,5 ori, a aceluiaș lingou ca în figura 11 și anume în apropierea fisurii pe care lingoul o prezenta. Pe fotografie se vede o zonă globulitică la exteriorul lingoului, apoi o zonă transcristalizată ce trece într’o zonă cu dendrite mari. Zona globulitică se găsește numai în partea de jos și de mijloc a lingoului și e datorită faptului că lingotiera fiind aproximativ în partea de sus a lingoului, unde lingotiera este deja puternic încălzită și unde transcristalizarea începe chiar de la periferie. Cristalitele zonei transcristalizate sunt orientate cu axa principală perpendicular pe latura lingoului (a-a). după cum am spus încă dela începutul articolului, indiciile structurii primare nu dispar în urma prelucrărilor obișnuite ale tehnicei, așa că vor fi regăsite și în piesele forjate, lucru ce se vede clar din figurile 13 și 14 ce reprezintă structura primară, mărită de 2 ori, a două osii forjate, cu fisuri longitudinale ce se propagă printre cristalitele lungi, ceeace ne spune că ruptura s’a produs la o temperatură destul de înaltă, la care forțele de coeziune sunt mai mici decât rezistența cristalitelor. În comparație, figura 15 arată o fisură produsă la rece și anume într’un lingou foarte transcristalizat. Bandajul a plesnit la montare și din figură se vede cum fisura are un mers mai mult sau mai puțin perpendicular pe direcția cristalitelor, deoarece la rece forțele de coeziune sunt mai mari decât rezistența acestora.                                                                                                                             

 

IV. Fisuri datorite inclusiunilor nemetalice și gazelor                                                                Gazele și impuritățile ce se depun din baia de metal, oxidele formate în contact cu atmosfera, precum și incluziunile nemetalice pe care oțelul fluid le antrenează cu sine la curgerea din cuptor, în oala și canalele de turnare etc., pot să dea naștere la fisuri, mai ales când sunt aglomerate la muchiile lingoului. Aceste fisuri se propagă printre cristale, trecând dela o incluziune la alta (fig.16) și la  prelucrare se pot deschide. Fig.17 reprezintă o fisură într’o regiune plină de incluziuni nemetalice a unui lingou neprelucrat. Golurile ce se văd la capătul crăpăturilor au fost pline cu incluziuni care la atacare au fost înlăturate (atacat cu persulfat de amoniu). Fig.18 reprezintă o îngrămădire foarte periculoasă de sgură la muchia unui lingou pentru bandaje, care la presare a crăpat. Fotografia reprezintă fisura  cu incluziunile din jurul ei. Fig.19 reprezintă o dispunere periculoasă de părți oxidate și sgură. Această dispunere în șiruri conduce în timpul prelucrării foarte ușor la fisuri. Înainte de-a încheia articolul țin să remarc că pericolul fisurilor este mărit de retasură și segregație (care sunt funcțiune de turnare), mai ales la oțelurile cu conținut mare de C, în regiunile cu retasură și segregație găsindu-se oricând o discontinuitate în material, deci un punct de plecare pentru fisură. Din cele spuse se poate vedea cât de mari sunt șansele stricării oțelului din momentul ce lingoul ajunge la forjerie sau laminoare, așa că se impune să se dea turnării toată atenționarea și să se folosească toate mijloacele de control cu cea mai mare conștiinciozitate, pentru a atenua neplăcerile ce le putem avea datorită procesului turnării.”

BIBLIOGRAFIE:                                                                                                                                                    1) „Buletinul U.D.R.”- Studii și memorii în legătură cu activitatea societății „Uzinele de fier și domeniile Reșița S.A.”- 1930, pag.98 -101-                                              http://resitasiimprejurimile.weebly.com/4/post/2013/03/buletin udr-1930.html;                                                                                                                                                        2) Iosif Tripșa și col.: „Din istoria metalurgiei românești”- „Editura Tehnică” București 1981, pag.148-150;                                                                                                                                            3) Ștefan Iancu: „Dezvoltarea științei și tehnicii în perioada interbelică” -   pag.144                        - http://www.noema.crifst.ro/doc/2003_08.pdf;                                                                                                                                                                                                        4) Horia Colan: „ Dezvoltarea științelor tehnice după Marea Unire (1918-1940)                                            - www.noema.crifst.ro/doc/2003_07.pdf, pag.110.