KONSTRUKCJE METALOWE - LABORATORIUM. Produkcja i budowa stali

Transkrypt

1 KONSTRUKCJE METALOWE - LABORATORIUM Produkcja i budowa stali

2 Produkcja stali ŻELAZO (Fe) - pierwiastek chemiczny, w stanie czystym miękki i plastyczny metal o niezbyt dużej wytrzymałości STAL - stop żelaza z węglem obrabialny plastycznie na zimno i gorąco do 2 % węgla Stal stosowana na konstrukcje budowlane zawiera % węgla Masowa produkcja stali polega na dwustopniowym przerobie rud żelaza i zmianie postaci z ciekłej na stałą: produkcja surówki w procesie wielkopiecowym, utlenianie surówki (świerzenie), odlewanie stali (zamiana stanu ciekłego na stały). 2

3 Proces wielkopiecowy Koks: dostarcza ciepło i redukuje tlenki. Stosowany jest koks, ponieważ węgiel pęcznieje i spieka się przy rozgrzewaniu. Topniki: dodatki pozwalające na usunięcie domieszek rud i skały płonnej pod postacią żużli. Rudy: magnetyt: Fe 3 O 4 - ok. 72 % Fe hematyt: Fe 2 O 3 - ok % Fe limonit: 2Fe 2 O 3 x 3H 2 O - ok. 53 % Fe syderyt: FeCO 3 - ok. 25 % Fe Przygotowanie wsadu: wzbogacanie, rozdrabnianie i prażenie składników 3

4 Trochę chemii... Reakcje wielkopiecowe: C + O 2 CO 2 CO 2 + C 2CO magnetyt: Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 hematyt: Fe 2 O 3 + CO 2FeO + CO 2 i ostatecznie: FeO + CO Fe + CO 2 4

5 Surówka a stal Surówka - efekt pracy wielkiego pieca. Stop żelaza z węglem, ok. 93% żelaza, 3 4% węgla, reszta zawartości to inne pierwiastki (mangan, krzem, siarka, fosfor). Stal stop żelaza z węglem, gdzie zawartość węgla nie przekracza 2%, a innych pierwiastków jest śladowa ilość. Przeróbka surówki na stal polega na usunięciu nadmiaru węgla i usunięciu pierwiastków zanieczyszczających, nazywa się świerzeniem. 5

6 Świerzenie surówki A) Proces konwertorowy: Napełnianie Świerzenie Opróżnianie Ciekła surówka Tlen Konwertor zbiornik stalowy wyłożony wewnątrz wykładziną ogniotrwałą. Doprowadzenie tlenu (ew. powietrza) powoduje spalanie krzemu, manganu i węgla. Spalanie dokonuje się pośrednio, najpierw powstaje tlenek żelaza. 6

7 Świerzenie surówki B) Piec martenowski (metoda Simensa Martina): Gorący gaz palny Gorące powietrze Spalanie Spaliny Regeneratory Gaz palny Zimne powietrze Piec ogrzewany gazem. Stosuje się następujące metody świerzenia: surówka 75% + 25% rudy żelaza, surówka 25% + 75% złomu + ew. dodatek rudy żelaza. Proces ten w chwili obecnej nie jest stosowany do wytwarzania stali konstrukcyjnych. 7

8 Świerzenie surówki C) Piec elektryczny: Elektrody Łuk elektr. Ciepło uzyskuje się z energii łuku elektrycznego lub indukcyjnie. Brak jest spalin, nie ma strat ciepła stąd możliwość uzyskiwania wysokich temperatur (do 3500 C). Niezbędny do świerzenia tlen wprowadza się do wsadu poprzez rudy bogate w tlen (np. Fe 3 O 4 ). Możliwość uzyskania stali o bardzo małym stopniu zanieczyszczeń. 8

9 Proces ciągłego odlewania stali Kadź odlewnicza Kadź pośrednia Krystalizator Chłodzenie wtórne Rolki ciągnące i prostujące Nożyca gilotynowa Zalety: Duża wydajność i mechanizacja prac Dobra makrostruktura, minimalna segregacja strefowa Struktura stali drobnoziarnista w całym przekroju poprzecznym Małe odpady technologiczne Koszt stali odlewanej w ten sposób jest mniejszy, niż odlewanej w konwencjonalny sposób 9

10 Klasyfikacja stali PN-EN 10020:2003 Definicja i klasyfikacja gatunków stali Klasyfikacja wg składu chemicznego: Stale niestopowe (stara nazwa węglowe ) stop żelaza z węglem, o zawartości węgla mniejszej niż 2%. Zawartość innych pierwiastków nie przekracza niewielkich wartości granicznych, np. manganu 1,65%, aluminium 0,30%, krzemu 0,60%, chromu 0,30% itp. Stale stopowe stop żelaza z węglem o zawartości węgla mniejszej niż 2%. Zawierają także inne pierwiastki, dodawane celowo o zawartości przekraczającej wartości graniczne. Główne pierwiastki stopowe to mangan, miedź, wanad, molibden. Stale stopowe są zawsze stalami uspokojonymi. Dodatek pierwiastka stopowego może zmienia właściwości stali: wytrzymałość, odporność na korozję, właściwości technologiczne. 10

11 Budowa i struktura stali Schematyczny układ ziaren w metalu Rzeczywista struktura (powiększenie 400x) Stal jest ciałem polikrystalicznym (zbudowanym z dużej liczby kryształów), z których każdy pojedynczy kryształ ma własności anizotropowe. Poszczególne ziarna mają różną orientację przestrzenną poszczególne sieci zawiązują się wokół zarodka (zanieczyszczenie bądź domieszka) i rozbudowują się przestrzennie tworząc kryształy, aż do zetknięcia się z sąsiadem. 11

12 Układ żelazo-węgiel. Struktury stali Żelazo γ Żelazo α Ferryt roztwór stały węgla w żelazie α, o zawartości węgla do 0.025%, miękki i plastyczny. Austenit roztwór stały węgla w żelazie γ, występuje w zasadzie w podwyższonych temperaturach, bardzo plastyczny. Cementyt węglik żelaza Fe3C, bardzo twardy i kruchy, zawiera 6.67% C. Perlit mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca ok. 0.8%C. Zwykle ziarno perlitu składa się z ułożonych na przemian pasemek cementytu i ferrytu. 12

13 Obróbka cieplna stali Właściwości stali w sposób bardzo istotny można zmieniać (w kierunku pożądanym lub nie) przez obróbkę cieplną. Obróbka cieplna zmienia w stanie stałym strukturę stopów a tym samym ich właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne. Temperatura [ C] wygrzewanie nagrzewanie chłodzenie t 1 t 2 t 3 Czas [s] Rodzaje obróbki cieplnej: Wyżarzanie: rekrystalizujące, odprężające. Hartowanie Odpuszczanie Przesycanie i starzenie 13