In breve: Il foro di colata di un convertitore si usura rapidamente perché a ogni colata subisce in sequenza gli stessi tre effetti. L'aria calda e i gas del forno bruciano il carbonio della parete del condotto; il flusso d'acciaio rimuove poi quello strato indebolito, e le scorie che lo attraversano al termine della spillatura aggrediscono ciò che ne resta. Gli shock termici e la manipolazione brusca provocano inoltre crepe e scheggiature. Per rallentare l'usura bisogna intervenire su quattro fronti: un manicotto denso, ad alta purezza e legato al carbonio; un condotto liscio e un'installazione pulita e precisa; pratiche di spillatura che riducano al minimo l'ossigeno, il FeO e il trascinamento di scorie; e la misurazione sistematica del foro a ogni colata, per sostituirlo al momento previsto e non dopo una spillatura problematica.
- Perché il foro di colata è il punto più sollecitato del recipiente
- Una colata nella vita di un foro di colata
- I cinque meccanismi di usura del foro di colata di un BOF
- Come l'usura del foro influisce sulla spillatura
- Esaminare il proprio foro di colata
- Ridurre l'usura: manicotto, installazione, pratiche operative, manutenzione
- Calcolare il costo per colata
- Cosa inviarci per un preventivo
- Domande frequenti: usura del foro di colata del convertitore BOF
- Fonti e riferimenti bibliografici
Perché il foro di colata è il punto più sollecitato del recipiente
La durata del rivestimento di un convertitore si misura in migliaia di colate. Quella del foro di colata, in molte meno. Gli impianti sostituiscono il manicotto del foro di colata molte volte nel corso della campagna di un convertitore, e ogni sostituzione comporta una fermata, manodopera e il rischio che la prima colata vada male.
Il motivo è semplice, se si guarda a cosa fa il foro. In tutte le altre zone del recipiente, il rivestimento è a contatto con scorie e acciaio che restano fermi o si muovono lentamente. Nel foro di colata, invece, tutta la massa di acciaio liquido della colata viene forzata attraverso un condotto largo poche centinaia di millimetri. In uno studio sulla spillatura dal convertitore, sono stati simulati fori con un diametro da 200 a 220 mm (Materials, 2023). Un semplice calcolo della pressione idrostatica dà un'idea della velocità. Con 1-2 m di acciaio sopra il foro, la velocità ideale del flusso in uscita è di circa 4,4-6,3 m/s. Le velocità reali sono inferiori a causa delle perdite, ma l'ordine di grandezza è chiaro: un flusso veloce, caldo e abrasivo che agisce contro una parete legata al carbonio.
Anche il foro di colata è sottoposto al ciclo di lavoro più duro. È caldo quando scorre l'acciaio, poi resta esposto all'aria e ai gas, quindi viene chiuso o riempito e infine riscaldato di nuovo. In pochi altri punti di un'acciaieria si alternano così queste condizioni a ogni colata.
Due articoli pubblicati confermano i due principali meccanismi di usura. Uno studio del 2013 sui manicotti dei fori di colata dei convertitori indica l'erosione causata dal flusso di acciaio e l'ossidazione come meccanismi a cui il materiale refrattario deve resistere (ABM Proceedings, 2013). Una rassegna delle zone di usura nei convertitori LD colloca le zone di colata e delle scorie sotto attacco chimico, ossia corrosione e ossidazione (ABM Proceedings). Entrambi gli articoli sono disponibili solo come abstract, quindi li uso per descrivere i meccanismi, non per fornire dati numerici.
Una colata nella vita di un foro di colata
Segui una singola colata e potrai vedere da dove provengono i danni.
- Dopo la colata. Il convertitore torna in posizione verticale. Il foro è caldo e vuoto, e l'aria e il gas del forno possono attraversarlo.
- Chiusura e caricamento. Il foro viene pulito e riempito o coperto secondo la procedura adottata. Vengono caricati rottame e ghisa liquida e il recipiente viene inclinato avanti e indietro.
- Insufflazione. Il foro si trova dietro il rivestimento, a temperatura elevata, mentre il calore lo penetra dall'interno.
- Ribaltamento e campionamento. Il recipiente viene nuovamente inclinato e, durante il campionamento, il foro può essere esposto alle scorie o al gas.
- Colata. Il foro viene aperto. L'acciaio scorre per primo e, alla fine, seguono le scorie, talvolta richiamate in anticipo da un vortice.
I passaggi 1, 2 e 4 sono quelli in cui si perde carbonio. Al passaggio 5, la superficie indebolita viene asportata e le scorie entrano in gioco. Poi il ciclo si ripete.
I cinque modi in cui si usura il foro di colata di un convertitore BOF
1. Burn and wash: il ciclo principale
Il carbonio tiene insieme il manicotto in magnesia-carbonio e impedisce alle scorie di penetrarvi. Quando l'aria o il gas caldo raggiungono la parete del foro tra una colata e l'altra, il carbonio vicino alla superficie brucia. Ciò che resta è un sottile strato poroso di grani di magnesia, privi di qualsiasi legante.
Quello strato non dura. Quando inizia il flusso di acciaio, lo asporta in pochi minuti. La superficie successiva sottostante rimane quindi esposta all'aria e al gas nella pausa tra una colata e l'altra. Ogni ciclo ne rimuove una piccola quantità e il foro si allarga. Lo chiamiamo burn and wash perché nessuna delle due fasi agisce da sola. Senza l'ossidazione, il flusso incontrerebbe materiale resistente, legato dal carbonio. Senza il flusso, lo strato ossidato rimarrebbe lì a proteggere il resto.
Ecco perché è utile anche una manica con gli antiossidanti giusti e una bassa porosità. Il principio è lo stesso descritto nel nostro white paper su come i mattoni MgO-C perdono carbonio: rallenta la perdita di carbonio e la parte dovuta al dilavamento avrà meno materiale da asportare.
2. Erosione del flusso sul bordo d’ingresso
L’estremità del foro rivolta verso la zona calda è il punto in cui il flusso inizia ad accelerare. Il bordo in quel punto è sottoposto alla massima sollecitazione di taglio. Un bordo d’ingresso affilato o irregolare scompone il flusso e aumenta la turbolenza, accelerando l’usura del bordo e peggiorando così il flusso. Un ingresso liscio e arrotondato rallenta questo ciclo.
3. Scoria alla fine della spillatura
La scoria è ricca di FeO e attacca sia la magnesia sia il carbonio. L’esposizione più intensa si verifica alla fine della spillatura, quando il livello dell’acciaio sopra il foro si abbassa e si forma un vortice. Uno studio di simulazione sulla spillatura del convertitore ha rilevato che la scoria fuoriusciva dal foro dopo circa 43 s con un’inclinazione di 90 gradi, con un vortice stabile dopo circa 50 s. Con inclinazioni di 100 e 105 gradi, la formazione del vortice era ritardata rispettivamente a circa 71 s e 74 s. I fori più grandi anticipavano la formazione del vortice: inizio a 68.8 s per un foro da 200 mm, 62.6 s per uno da 210 mm e 57.1 s per uno da 220 mm (Materials, 2023). Sono risultati di un modello riferito a un solo recipiente, non una regola valida per il tuo, ma indicano una tendenza utile. Un foro più grande fa sì che il vortice si formi prima, e prima significa che più scoria attraversa la manica.
4. Shock termico
Il foro passa da uno stato raffreddato, talvolta pieno, a un flusso continuo di acciaio a oltre 1.600 °C. Le crepe attraversano la manica e si propagano lungo le giunzioni. Le crepe offrono ad aria e scoria un percorso verso l’interno del corpo e permettono a frammenti di staccarsi sotto l’azione del flusso.
5. Movimentazione e installazione
La scorifica con asta, la pulizia, i carichi inclinati e uno spazio tra la manica e il rivestimento circostante causano danni che nessuna qualità di materiale può correggere. L’acciaio trova rapidamente una fessura. Una manica posizionata male può cedere dall’esterno verso l’interno, anche se il foro sembra ancora in buone condizioni.
Come si alimentano a vicenda: L’erosione e il dilavamento allargano il foro. Un foro più largo abbassa prima la testa di acciaio, facendo sì che il vortice si formi prima e che più scoria attraversi il foro. Una maggiore quantità di scoria usura più rapidamente la manica. Interrompi il ciclo in un punto qualsiasi e il resto rallenta.
Cosa comporta un foro usurato per la spillatura
Non devi aspettare che la manica ceda per avvertirne gli effetti.
- Il tempo di spillatura cambia. Un foro più largo svuota il recipiente più rapidamente. Un foro irregolare o disassato può rallentare o disturbare il flusso.
- Il flusso si allarga. Un flusso largo e turbolento tende a inglobare più aria nel percorso verso la siviera, favorendo l’assorbimento di ossigeno e azoto. L’effetto si ripercuote sulle fasi successive: un acciaio più pulito nella siviera semplifica le lavorazioni successive nella paniera, come spieghiamo nel nostro articolo sul controllo del flusso nella paniera e dell’ossigeno.
- Aumenta il trascinamento di scoria. Il vortice si forma prima ed è più difficile da arrestare. Più scoria nella siviera significa più trattamenti della scoria in siviera e maggiori rischi per la linea di scoria della siviera.
- Il flusso punta in una direzione diversa. Un foro irregolare può indirizzare il flusso verso il bordo della siviera o lontano dal centro.
- Le aggiunte di leghe diventano meno stabili. Una spillatura più rapida o irregolare modifica il modo in cui le leghe si dissolvono e la quantità persa nella scoria.
La maggior parte degli impianti stabilisce un limite per le dimensioni del foro o per il tempo di spillatura. La domanda più utile è quanto rapidamente ci si avvicina al limite: per rispondere servono misurazioni.
Come interpretare i dati del proprio foro di colata
Il foro di colata fornisce dati a ogni colata, se li raccogli. Il piano seguente è semplice e non richiede attrezzature particolari.
Misura a ogni colata, o almeno ogni poche colate. Usa un calibro o un’asta calibrata per registrare il diametro del foro. Annota accanto il numero della colata e il tempo di spillatura.
Traccia il diametro in funzione delle colate. Una linea retta indica un’usura costante. Una linea che curva verso l’alto indica che lo strato privo di carbonio si sta approfondendo o che la scoria sta prendendo il sopravvento. Un salto improvviso indica una crepa, un’scheggiatura dell’imbocco o un cedimento del giunto.
Osserva dove si concentra l’usura. Quando sostituisci la bussola, fotografa il bordo dell’imbocco, la parete del foro e l’uscita.
| Cosa si osserva | Causa probabile | Prima cosa da controllare |
|---|---|---|
| Bordo dell’imbocco arrotondato e dilavato | Erosione del flusso e scoria precoce | Forma dell’imbocco, velocità di inclinazione, arresto della scoria |
| Foro liscio e allargato in modo uniforme | Usura per combustione e dilavamento | Intervallo tra le colate, densità e contenuto di carbonio della bussola |
| Un lato è più usurato dell’altro | Il flusso colpisce un lato oppure è disallineato | Angolo di installazione e alloggiamento del giunto |
| Crepe trasversali nel foro o nell’uscita | Shock termico | Procedura di raffreddamento e riscaldamento, livello di grafite nella bussola |
| Segni di acciaio lungo il giunto della bussola | Spazio vuoto o alloggiamento allentato | Massa di supporto, riempimento dei giunti, preriscaldamento |
| Superficie del foro vetrificata e colorata dalla scoria | Scoria al termine della colata | Trascinamento di scoria, FeO al termine della colata |
Una sola bussola può trarre in inganno. Confrontane due o tre di seguito prima di trarre conclusioni.
Rallentare il deterioramento: bussola, installazione, procedure, manutenzione
Nessun singolo intervento è sufficiente. Gli impianti che prolungano la durata del foro di colata di solito intervengono su tutti e quattro gli aspetti riportati di seguito.
Materiale della bussola
- Qualità dei grani. La magnesia ad alta purezza, preferibilmente fusa, con bassi tenori di silice e calce, resiste meglio alla scoria. Consulta la pagina dei nostri mattoni MgO-C per scoprire le qualità che produciamo.
- Densità. Una porosità aperta inferiore riduce il passaggio di aria e scoria all’interno del materiale.
- Carbonio e antiossidanti. La fonte di carbonio e la miscela di antiossidanti vengono scelte in base ai cicli di combustione e dilavamento, non per una linea di scoria. Un manicotto che rimane esposto all’aria tra una colata e l’altra richiede un equilibrio diverso da un mattone che rimane sotto la scoria.
- Compatibilità con i materiali circostanti. Il manicotto deve dilatarsi e ritirarsi senza fessurare il giunto.
Geometria e installazione
- Un foro liscio con un ingresso arrotondato riduce la turbolenza nel punto di primo contatto.
- Lunghezza del manicotto e spessore della parete determinano il margine di usura disponibile. Chiedi un disegno adatto al tuo convertitore, non uno generico.
- Un giunto pulito e riempito completamente. La massa di supporto o il materiale colabile devono riempire lo spazio senza lasciare vuoti. Preriscalda il nuovo manicotto seguendo le indicazioni del fornitore.
- Allineamento e angolazione. Un manicotto inclinato di pochi gradi si usurerà da un lato e dirigerà il flusso fuori bersaglio.
Pratica di spillatura
- Ossigeno al punto finale e FeO della scoria. Una colata molto ossidata aggredisce il carbonio del manicotto e del rivestimento. Ridurre l’ossigeno a fine affinazione aiuta tutto, non solo il foro di colata.
- Angolo e velocità di inclinazione. La simulazione qui sopra suggerisce che l’inclinazione influisce sul momento in cui si forma il vortice. Le prove sul tuo convertitore ti diranno cosa funziona.
- Arresto della scoria. Un buon dispositivo di arresto o sistema di rilevamento della scoria riduce il tempo in cui questa passa attraverso il manicotto.
- Tempo tra le colate. Una minore esposizione all’aria e ai gas riduce la combustione del carbonio.
- Pulizia e chiusura delicate. Libera e pulisci il foro con cura. Evita scheggiature sul bordo d’ingresso.
Manutenzione
- Riparazione a caldo della bocca se le procedure dello stabilimento lo consentono. Consulta la pagina sulle refrattari del convertitore BOF per scoprire i materiali di riparazione che forniamo.
- Sostituzione pianificata. Programma la sostituzione del manicotto in base a un limite misurato e, se possibile, in occasione di un’altra fermata pianificata.
- Tieni pronti i ricambi e preriscaldali. Una sostituzione eseguita senza intoppi protegge la prima colata.
Calcolo del costo per colata
Il solo prezzo del manicotto è il dato sbagliato. Usa invece questo:
Costo per colata = (costo del manicotto + manodopera per l’installazione + costo della fermata) / colate prima della sostituzione
Il costo della fermata è spesso superiore a quello del manicotto. Per questo un manicotto più economico che dura meno colate può costare di più per colata. Un semplice esempio: se un manicotto dura il 30 percento in più, il costo per colata scende a circa il 77 percento del valore iniziale, con un risparmio del 23 percento, senza ancora considerare i vantaggi di meno fermate e meno colate difettose.
Cosa inviarci per un preventivo
Produciamo refrattari legati al carbonio nel nostro stabilimento. Per un manicotto del foro di colata, più informazioni dell'elenco seguente ci invii, più precisa sarà la prima proposta.
- Capacità del convertitore e disegno del foro di colata, con diametro del foro, lunghezza del manicotto e rivestimento circostante.
- Qualità attuale del manicotto e scheda tecnica del fornitore, se disponibile.
- Numero di colate prima della sostituzione, limite adottato (diametro o tempo di colata) e motivo della sostituzione degli ultimi tre manicotti.
- Foto dei manicotti usati, che mostrino l'imbocco, la parete del foro e l'uscita, insieme al modello di usura.
- Tipi di acciaio, temperatura di colata, valori tipici di ossigeno al punto finale e uso o meno di un tappo per la scoria.
- Le procedure di pulizia e chiusura e il tempo che intercorre tra una colata e l'altra.
Invialo tramite la nostra pagina dei contatti o via email all'indirizzo sales@ykchanshine.com. Per scoprire come produciamo e testiamo i nostri prodotti legati al carbonio, visita la pagina del nostro stabilimento di refrattari.
Domande frequenti: usura del foro di colata del convertitore BOF
Perché il foro di colata di un convertitore BOF si usura così in fretta?
A ogni colata, il foro è soggetto a combustione ed erosione. Tra una colata e l'altra, aria e gas bruciano il carbonio della parete del foro; il flusso di acciaio asporta lo strato indebolito e, alla fine della colata, la scoria attacca ciò che resta. Gli shock termici e le operazioni brusche causano ulteriori danni.
Quante colate dovrebbe durare il foro di colata di un convertitore?
Non esiste un valore unico. La durata dipende dalle dimensioni del convertitore, dalla qualità del manicotto, dall'installazione, dalle modalità di colata e dal limite stabilito per il diametro del foro o il tempo di colata. Il dato utile è quello del tuo impianto: registra il diametro in funzione delle colate e miglioralo passo dopo passo.
Di che materiale è fatto il manicotto del foro di colata di un convertitore?
La maggior parte è costituita da refrattari legati al carbonio, a base di magnesia e appartenenti alla famiglia MgO-C, sagomati secondo un disegno e installati in un rivestimento circostante. La composizione esatta di granuli, carbonio e antiossidanti dipende dal fornitore e dalle condizioni di esercizio.
Come faccio a sapere quando sostituire il foro di colata?
Imposta un limite per il diametro del foro o per il tempo di colata e monitora entrambi a ogni colata. Sostituisci il manicotto prima di raggiungere il limite, idealmente durante una fermata programmata. Un cambio di pendenza nella curva del diametro è un segnale precoce.
Un foro di colata più grande comporta un maggiore trascinamento di scoria?
In uno studio di simulazione, i fori più grandi anticipavano la formazione del vortice: l’innesco avveniva dopo 68.8 s con un foro da 200 mm e dopo 57.1 s con un foro da 220 mm. Il modello riguarda un singolo convertitore, ma questa tendenza è un motivo per mantenere il foro vicino alle dimensioni di progetto.
L’angolo di inclinazione è importante durante la colata?
Nello stesso studio, angoli di inclinazione maggiori ritardavano l’innesco del vortice. I risultati del modello non sono applicabili a ogni convertitore, quindi prova qualsiasi modifica sul tuo convertitore.
L’ossigeno nell’acciaio influisce sull’usura del foro di colata?
Una colata molto ossidata, con livelli elevati di ossigeno al termine del processo e di FeO nella scoria, attacca il carbonio della manica e del rivestimento. Controllare l’ossigeno durante il rabbocco è utile per l’intero convertitore, non solo per il foro di colata.
Perché il getto si allarga quando il foro è usurato?
Un foro più largo e irregolare disgrega il flusso. Un getto che si allarga tende ad assorbire più aria mentre raggiunge la siviera, aumentando così l’assorbimento di ossigeno e azoto.
È possibile riparare a caldo un foro di colata?
Molti impianti eseguono riparazioni a caldo nella zona della bocca, a seconda del danno e delle proprie procedure. Una crepa profonda o un giunto danneggiato di solito richiedono la sostituzione della manica.
Cosa dovrei comunicare al fornitore per ottenere una manica migliore?
Invia il disegno, il numero di colate tra una sostituzione e l’altra, il motivo delle ultime modifiche, le foto delle maniche usate, i gradi di acciaio, l’ossigeno al termine del processo e il metodo per bloccare la scoria. Le foto dell’usura reale e i dati numerici valgono più di una descrizione generica.
Fonti e riferimenti bibliografici
- Simulazione del campo di flusso durante la colata dal convertitore: angolo di inclinazione, vortice e diametro del foro di colata, Materials 2023, 16(8), 3209: simulazione dell’innesco del vortice, dell’angolo di inclinazione e del diametro del foro di colata (200, 210, 220 mm).
- Valutazione delle proprietà del componente refrattario in MgO-C per i fori di colata dei convertitori, 44° seminario ABM sulla produzione dell’acciaio, 2013: erosione e ossidazione come meccanismi di usura della manica (abstract).
- Meccanismi di usura nelle diverse zone dei convertitori LD, ABM Proceedings: attacco chimico nelle zone di colata e della scoria (abstract).