In breve: Il foro di colata di un convertitore si usura rapidamente perché ogni colata lo sottopone, in sequenza, agli stessi tre fenomeni. L’aria calda e i gas del forno bruciano il carbonio dalla parete del foro; il flusso d’acciaio rimuove poi lo strato indebolito e, al termine della colata, le scorie che lo attraversano attaccano ciò che ne resta. Lo shock termico e la manipolazione brusca causano inoltre crepe e scheggiature. Per rallentare l’usura bisogna intervenire su quattro fronti: un manicotto denso e di elevata purezza, legato con carbonio; un foro liscio e un’installazione precisa e ben serrata; prassi di colata che limitino l’ossigeno, il FeO e il trascinamento delle scorie; e l’abitudine di misurare il foro a ogni colata, così da sostituirlo al momento previsto e non dopo una colata problematica.
- Perché il foro di colata è il punto più sollecitato del recipiente
- Una colata nella vita di un foro di colata
- I cinque tipi di usura del foro di colata di un BOF
- Cosa comporta l’usura del foro durante la colata
- Come valutare il proprio foro di colata
- Come ridurre l’usura: manicotto, installazione, prassi operative e manutenzione
- Calcolo del costo per colata
- Cosa inviarci per un preventivo
- FAQ: usura del foro di colata del convertitore BOF
- Fonti e bibliografia di riferimento
Perché il foro di colata è il punto più sollecitato del recipiente
La durata del rivestimento di un convertitore si valuta in migliaia di colate. Quella del foro di colata è molto più breve. Durante una singola campagna del convertitore, le acciaierie sostituiscono più volte il manicotto del foro di colata 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 accade nel foro. In tutto il resto del recipiente, il rivestimento è a contatto con scorie e acciaio che restano fermi o si muovono lentamente. Nel foro di colata, invece, l’intera massa di acciaio liquido viene spinta attraverso un’apertura larga poche centinaia di millimetri. In uno studio sulla colata da convertitore, i fori simulati avevano un diametro di 200-220 mm (Materials, 2023). Un semplice calcolo basato sul carico idrostatico dà un’idea della velocità. Con 1-2 m di acciaio sopra il foro, la velocità ideale di efflusso 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: si tratta di un flusso rapido, caldo e abrasivo contro una parete legata con carbonio.
Il foro di colata è sottoposto anche al ciclo di lavoro più gravoso. 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 queste condizioni a ogni colata.
Due articoli pubblicati confermano i due principali meccanismi di usura. Uno studio del 2013 sui rivestimenti dei fori di colata dei convertitori indica l’erosione causata dal flusso di acciaio e l’ossidazione come i fenomeni a cui il refrattario deve resistere (Atti ABM, 2013). Una rassegna delle zone di usura nei convertitori LD classifica le zone di colata e delle scorie come soggette ad attacco chimico, ossia corrosione e ossidazione (Atti ABM). Entrambi gli articoli sono disponibili solo come abstract, quindi li uso per descrivere i meccanismi, non per i dati numerici.
Una colata nella vita di un foro di colata
Ripercorri una singola colata e vedrai da dove deriva il danno.
- 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. Si caricano rottame e ghisa liquida e il recipiente si inclina avanti e indietro.
- Insufflazione. Il foro si trova dietro il rivestimento, a temperature elevate, e assorbe calore dall’interno.
- Ribaltamento e prelievo di campioni. Il recipiente si inclina di nuovo e, durante il prelievo, il foro può essere esposto alle scorie o al gas.
- Colata. Il foro viene aperto. L’acciaio scorre per primo e le scorie seguono alla fine, talvolta richiamate in anticipo da un vortice.
Le fasi 1, 2 e 4 sono quelle in cui si perde carbonio. Nella fase 5, la superficie indebolita viene rimossa e le scorie agiscono. Poi il ciclo si ripete.
I cinque meccanismi di usura del foro di colata di un convertitore BOF
1. Ossidazione e dilavamento: il ciclo principale
Il carbonio tiene insieme il rivestimento 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. Rimane un sottile strato poroso di grani di magnesia, privi di legante.
Quello strato non dura. Quando inizia a scorrere l’acciaio, viene rimosso in pochi minuti. La superficie sottostante rimane così esposta all’aria e al gas nella pausa tra una colata e l’altra. Ogni ciclo ne rimuove un po’ e il foro si allarga. Lo chiamiamo «ossidazione e dilavamento» perché nessuno dei due fenomeni agisce da solo. Senza l’ossidazione, il flusso incontrerebbe materiale resistente, legato dal carbonio. Senza il flusso, lo strato ossidato resterebbe lì a proteggere il resto.
Ecco anche perché una manica con gli antiossidanti giusti e una bassa porosità è d’aiuto. Il principio è lo stesso descritto nel nostro libro bianco su come i mattoni MgO-C perdono carbonio: rallenta la perdita di carbonio e il dilavamento avrà meno materiale da rimuovere.
2. Erosione del flusso sul bordo d’ingresso
L’estremità del foro sul lato caldo è il punto in cui il flusso accelera per la prima volta. Il bordo in quel punto è sottoposto al massimo sforzo di taglio. Un bordo d’ingresso affilato o irregolare scompone il flusso e aumenta la turbolenza, accelerando l’usura del bordo e peggiorando 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 usciva 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 è stata ritardata a circa 71 s e 74 s. I fori più grandi anticipavano la formazione del vortice: comparsa dopo 68.8 s con un foro da 200 mm, 62.6 s con uno da 210 mm e 57.1 s con uno da 220 mm (Materials, 2023). Si tratta di risultati di un modello relativo a un solo recipiente, non di una regola valida per il tuo, ma la tendenza è utile. Un foro più grande favorisce la formazione anticipata del vortice e ciò significa che più scoria passa attraverso la manica.
4. Shock termico
Il foro passa da uno stato raffreddato, talvolta riempito, a un flusso continuo di acciaio a oltre 1.600 °C. Le crepe si propagano attraverso la manica e lungo le linee di giunzione. Le crepe offrono all’aria e alla scoria un percorso verso l’interno e permettono ai frammenti di staccarsi sotto il flusso.
5. Movimentazione e installazione
La pulizia con la barra, la rimozione dei residui, i carichi inclinati e uno spazio tra la manica e il rivestimento circostante causano danni che nessuna qualità di materiale può riparare. L’acciaio si infiltra rapidamente negli spazi. Una manica posizionata male può guastarsi dall’esterno verso l’interno mentre il foro sembra ancora integro.
Come si alimentano a vicenda: L’ossidazione e il dilavamento allargano il foro. Un foro più largo abbassa prima il livello dell’acciaio, favorendo la formazione anticipata del vortice, che fa passare più scoria attraverso il foro. Una maggiore quantità di scoria accelera l’usura della manica. Interrompi il ciclo in qualsiasi punto e tutto il resto rallenta.
Cosa comporta un foro usurato per la spillatura
Non devi aspettare che la manica si guasti per sentirne gli effetti.
- Il tempo di colata cambia. Un foro più ampio svuota il recipiente più rapidamente. Un foro irregolare o decentrato può rallentare o disturbare il flusso.
- Il flusso si allarga. Un flusso ampio e turbolento tende a inglobare più aria mentre raggiunge la siviera, aumentando l'assorbimento di ossigeno e azoto. L'effetto si ripercuote sulle fasi successive: un acciaio più pulito in siviera facilita le lavorazioni successive in paniera, come spieghiamo nel nostro articolo sul controllo del flusso in 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 cambia direzione. Un foro irregolare può dirigere il flusso verso il bordo della siviera o lontano dal centro.
- Le aggiunte di lega diventano meno stabili. Una colata più rapida o irregolare cambia il modo in cui le leghe si dissolvono e la quantità che finisce nella scoria.
La maggior parte degli impianti fissa un limite alle dimensioni del foro o al tempo di colata. La domanda migliore è quanto rapidamente ci si avvicina al limite, e per rispondere servono misurazioni.
Leggere i dati del proprio foro di colata
Se raccogli i dati, il foro di colata te ne fornisce a ogni colata. Il piano qui sotto è semplice e non richiede nulla di speciale.
Misura a ogni colata o almeno ogni poche colate. Usa un calibro o un'asta calibrata per rilevare il diametro del foro. Annota accanto il numero di colate e il tempo di colata.
Traccia il diametro in funzione del numero di 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 bordo dell'imbocco scheggiato o un cedimento del giunto.
Osserva dove si concentra l'usura. Quando sostituisci il manicotto, 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 ed eroso | Erosione da flusso e scoria precoce | Forma dell'imbocco, velocità di inclinazione, arresto della scoria |
| Foro liscio e uniformemente allargato | Usura per combustione e erosione | Intervallo tra le colate, densità del manicotto e contenuto di carbonio |
| 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 | Ciclo di raffreddamento e riscaldamento, livello di grafite nel manicotto |
| Tracce di acciaio lungo il giunto del manicotto | Fessura o alloggiamento non saldo | 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 |
Un solo manicotto può trarre in inganno. Confrontane due o tre di seguito prima di trarre conclusioni.
Rallentare l'usura: manicotto, installazione, prassi, manutenzione
Nessun singolo intervento basta. Gli impianti che prolungano la durata del foro di colata intervengono di solito su tutti e quattro gli aspetti seguenti.
Materiale del manicotto
- Qualità della grana. La magnesia ad alta purezza, preferibilmente fusa, con bassi tenori di silice e calce, resiste meglio alle scorie. Consulta la pagina dei nostri mattoni MgO-C per i gradi che produciamo.
- Densità. Una porosità aperta inferiore riduce i percorsi di penetrazione dell’aria e delle scorie nel corpo.
- Carbonio e antiossidanti. La fonte di carbonio e la combinazione di antiossidanti si scelgono in base ai cicli di combustione e dilavamento, non per una linea di scorie. Una manica esposta all’aria tra una colata e l’altra richiede un equilibrio diverso rispetto a un mattone immerso nelle scorie.
- Compatibilità con i materiali circostanti. La manica deve dilatarsi e ritirarsi in modo da non fessurare il giunto.
Geometria e installazione
- Un foro interno liscio con imbocco arrotondato riduce la turbolenza nel punto del primo contatto.
- Lunghezza e spessore della parete della manica determinano il margine di usura disponibile. Richiedi un disegno adatto al tuo convertitore, non uno generico.
- Giunto pulito e ben riempito. La massa di supporto o il materiale colabile devono riempire lo spazio senza lasciare vuoti. Preriscalda la nuova manica secondo le indicazioni del fornitore.
- Allineamento e angolo. Una manica inclinata di pochi gradi si usurerà da un lato e dirigerà il flusso fuori bersaglio.
Pratica di spillatura
- Ossigeno al punto finale e FeO nelle scorie. Una colata molto ossidata attacca il carbonio della manica e del rivestimento. Ridurre l’ossigeno nella fase finale della soffiatura aiuta tutto l’impianto, 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 delle scorie. Un buon dispositivo di arresto delle scorie o un sistema di rilevamento riduce il tempo durante il quale le scorie passano attraverso la manica.
- Intervallo tra le colate. Una minore esposizione all’aria e ai gas riduce la combustione del carbonio.
- Pulizia e chiusura delicate. Sonda e libera il foro con cautela. Evita scheggiature sul bordo d’ingresso.
Manutenzione
- Riparazione a caldo della bocca quando la prassi dell’impianto lo consente. Consulta la pagina sui refrattari per convertitori BOF per i materiali di riparazione che forniamo.
- Sostituzione pianificata. Collega la sostituzione della manica a un limite misurato e, quando possibile, a un altro fermo programmato.
- Tieni i ricambi pronti e preriscaldati. Una sostituzione eseguita senza intoppi protegge la prima colata.
Calcolare il costo per colata
Il solo prezzo della manica è il parametro sbagliato. Usa invece questo:
Costo per colata = (costo della manica + manodopera per l’installazione + costo del fermo) / colate prima della sostituzione
Spesso il costo della fermata supera quello del manicotto. Per questo un manicotto più economico, ma con una durata inferiore in termini di colate, può costare di più per colata. Per 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 considerare i vantaggi derivanti da un minor numero di fermate e di colate problematiche.
Cosa inviarci per un preventivo
Produciamo refrattari a legame carbonioso nel nostro stabilimento. Per un manicotto per foro di colata, più elementi dell’elenco seguente ci invii, più precisa sarà la prima proposta.
- Capacità del convertitore e disegno del foro di colata, comprese le dimensioni del foro, la lunghezza del manicotto e il rivestimento circostante.
- Grado 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: imbocco, parete interna del foro e uscita, con il relativo profilo di usura.
- Gradi di acciaio, temperatura di colata, tenore tipico di ossigeno al punto finale e uso o meno di un fermascore.
- Le procedure di pulizia e chiusura e il tempo tra una colata e l’altra.
Invialo tramite la nostra pagina dei contatti oppure via e-mail all’indirizzo sales@ykchanshine.com. Per scoprire come produciamo e testiamo i nostri prodotti a legame carbonioso, visita la nostra pagina sullo stabilimento di refrattari.
FAQ: usura del foro di colata del convertitore BOF
Perché il foro di colata di un convertitore BOF si consuma così rapidamente?
Il foro si consuma a ogni colata. Tra una colata e l’altra, l’aria e i gas bruciano il carbonio dalla parete interna del foro; il flusso di acciaio asporta lo strato indebolito e la scoria, a fine colata, attacca il materiale rimanente. Gli shock termici e una movimentazione brusca aggravano i danni.
Quante colate dovrebbe durare un foro di colata del convertitore?
Non esiste un valore unico. La durata dipende dalle dimensioni del convertitore, dal grado del manicotto, dall’installazione, dalle modalità di colata e dal limite stabilito per il diametro del foro o per il tempo di colata. Il dato utile è quello del tuo impianto: registra il diametro in funzione del numero di colate e miglioralo passo dopo passo.
Di che materiale è fatto un manicotto per foro di colata del convertitore?
La maggior parte è costituita da refrattari a legame carbonioso a base di magnesia, appartenenti alla famiglia MgO-C, sagomati secondo un disegno e inseriti in un rivestimento circostante. La composizione esatta di granuli, carbonio e antiossidanti dipende dal fornitore e dalle condizioni di impiego.
Come faccio a sapere quando sostituire il foro di colata?
Stabilisci un limite per il diametro del foro o per il tempo di colata e tieni traccia di 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 di allarme precoce.
Un foro di colata più grande comporta un maggior trascinamento di scoria?
In uno studio di simulazione, con fori più grandi il vortice si formava prima: l’innesco avveniva a 68.8 s con un foro da 200 mm e a 57.1 s con un foro da 220 mm. Si tratta di un modello relativo a un solo recipiente, ma questa tendenza è un motivo per mantenere il foro vicino alle dimensioni di progetto.
L’angolo di inclinazione è importante durante lo spillaggio?
Nello stesso studio, angoli di inclinazione maggiori ritardavano l’innesco del vortice. I risultati del modello non si applicano a tutti i recipienti, quindi verifica qualsiasi modifica sul tuo convertitore.
L’ossigeno nell’acciaio influisce sull’usura del foro di spillaggio?
Una colata fortemente ossidata, con un elevato tenore di ossigeno al punto finale e di FeO nella scoria, attacca il carbonio della bussola e del rivestimento. Controllare l’ossigeno durante il ribaltamento aiuta l’intero recipiente, non solo il foro di spillaggio.
Perché il getto si allarga quando il foro è usurato?
Un foro più largo e più ruvido disgrega il flusso. Un getto che si allarga tende ad assorbire più aria nel percorso verso la siviera, perciò può aumentare l’assorbimento di ossigeno e azoto.
È possibile riparare a caldo un foro di spillaggio?
Molti impianti eseguono riparazioni a caldo nella zona della bocca, a seconda del danno e della loro prassi. Una crepa profonda o un giunto ceduto di solito richiedono la sostituzione della bussola.
Cosa devo comunicare al fornitore per ottenere una bussola migliore?
Invia il disegno, il numero di colate tra una sostituzione e l’altra, il motivo delle ultime modifiche, le foto delle bussole usate, i gradi di acciaio, l’ossigeno al punto finale e il metodo di arresto della scoria. Le foto dell’usura reale e i dati numerici valgono più di una descrizione generica.
Fonti e bibliografia di riferimento
- Simulazione del campo di flusso durante lo spillaggio del convertitore: angolo di inclinazione, vortice e diametro del foro di spillaggio, Materials 2023, 16(8), 3209: simulazione dell’innesco del vortice, dell’angolo di inclinazione e del diametro del foro di spillaggio (200, 210, 220 mm).
- Valutazione delle proprietà dell’elemento refrattario MgO-C per i fori di spillaggio dei convertitori, 44º Seminario ABM sulla produzione dell’acciaio, 2013: erosione e ossidazione come meccanismi di usura della bussola (abstract).
- Meccanismi di usura nelle diverse zone dei convertitori LD, ABM Proceedings: attacco chimico nelle zone di spillaggio e della scoria (abstract).