Metody konwertorowe otrzymywania stali

Transkrypt

1 Metody konwertorowe otrzymywania stali Wytapianie stali metodami konwertorowymi polega na przedmuchiwaniu utleniającego gazu (powietrza rys.2.1_02a i b; lub tlenu rys c) przez roztopioną surówkę. Utleniają się wówczas krzem, mangan i węgiel, zawarte w surówce, oraz niekiedy siarka i fosfor. Powstające w wyniku tego procesu tlenki przechodzą do ŜuŜla lub w postaci gazu opuszczają konwertor. Reakcje utleniające mają charakter egzotermiczny - wydzielające się ciepło umoŝliwia utrzymanie zawartości konwertora w stanie ciekłym. Rys Konwertory: a) z doprowadzeniem gazu utleniającego od spodu; b) z boku; c) z góry. Konwertory składają się ze stalowego płaszcza oraz wyłoŝenia ceramicznego (ogniotrwałego) kwaśnego lub zasadowego. ZaleŜności od charakteru chemicznego rozróŝnimy procesy konwertorowe kwaśne lub zasadowe. Metoda Bessemera Pierwszy opracowany przez Henryka Bessemera w roku 1856 roku proce był procesem kwaśnym. Do przerobu w konwertorze Bessemera z wyłoŝeniem kwaśnych nadają się surówki zawierające krzem do 2%, mangan od 1,5%; siarki 0,05% i fosforu 0,1%, zawartość węgla wynosi 3,5 4,5%. Reakcje utleniania są źródłem ciepła. Zwłaszcza krzem, którego w surówce besemerowskiej jest około 2%, dostarcza duŝych jego ilości. W procesie Bessemera nie moŝna przerabiać surówek zawierających znaczniejsze ilości fosforu, gdyŝ pozostaje on w stali po świeŝeniu i powoduje jej kruchość. Metody Thomasa Zmiany, jakie w konwertorze Bessemera wprowadził w 1878 roku inny Anglik S. G. Thomas, usunęły tę wadę. Ulepszenie polegało na wprowadzeniu wyłoŝenia zasadowego. Zasadowe wyłoŝenie umoŝliwia doprowadzenie do konwertora wapna, które w końcowej fazie świeŝenia wiąŝe się z fosforem, tworząc fosforan wapniowy wypływający w postaci ŜuŜla na powierzchnię metalu. Surówka przeznaczona do przeróbki w procesie Thomasa zawiera znacznie więcej fosforu i znacznie mniej krzemu niŝ besemerowska. Proces

2 świeŝenia jest podobny do metody poprzedniej. W procesie zasadowym (tomasowskim) fosfor ma podobne zadanie do spełnienia jak krzem w metodzie kwaśnej, tzn. podczas świeŝenia jest głównym źródłem ciepła. Po świeŝeniu ŜuŜel jest zlewany do oddzielnych kadzi i po ochłodzeniu poddawany mieleniu. W takiej postaci stanowi cenny nawóz dla rolnictwa. Pozostałą jeszcze w konwertorze stal odtlenia się za pomocą Ŝelazo manganu. Wzbogacenie powietrza w tlen zmniejsza stopień naazotowania stali; sposób ten ma jednak ograniczone zastosowanie w konwertorach z dolnym dmuchem, gdyŝ wzrost zawartości tlenu w dmuchu zwiększa zuŝycie obmurza. Metoda konwertorowo-tlenowa (LD) Doprowadzenie dmuchu od góry umoŝliwia zastosowanie do świeŝenia czystego tlenu, dzięki czemu nie wprowadza się do stali azotu i nie zwiększa zuŝycia wyłoŝenia konwertora. Korzyści te sprawiają, Ŝe metody konwertorowe-tlenowe mają obecnie coraz szersze zastosowanie w przemyśle. Maleje przy tym znaczenie dawnych metod konwertorowych. W roku 1949 w hutach austriackich Linz-Donawitz zastosowano metodę konwertorowetlenową. Polega ona na wdmuchiwaniu do konwertora tlenu w celu wykonania świeŝenia. Tlen doprowadza się do konwertora o wyłoŝeniu zasadowym przez gardziel rurą intensywnie chłodzoną wodą. Dzięki spalaniu węgla zawartego w surówce w konwertorze osiąga się temperaturę przekraczającą 1700 C. UmoŜliwia to przerabianie tą metodą surówek o dowolnym składzie chemicznym. Proces świeŝenia trwa min. Wydajność metody LD jest znacznie większa niŝ innych i wynosi do 400 ton na godzinę. W Polsce metodę konwertorowe-tlenową stosuje się m.in. w Hucie im. Sendzimira oraz Hucie Katowice. Tam teŝ wprowadza się nowoczesną metodę ciągłego odlewania stali. Wytwarzanie stali w piecach martenowskich W hutnictwie szeroko stosuje się metodę Siemensa-Martina. Piec martenowski przedstawiony jest na rys Rys piec martenowski 1- przestrzeni roboczej; 2- głowice; 3- kanałów; 4- komory ŜuŜlowe; 5- regeneratory; 6- zaworów rozrządczych. Przestrzeń robocza jest ograniczona od spodu trzonem pieca - z boków - głowicami oraz ścianą przednią i ścianą tylną, a od góry - sklepieniem. Warunki, w jakich pracuje trzon pieca, wymagają, aby materiały, z których jest zbudowany, odznaczały się duŝą odpornością na działanie temperatury, wytrzymałością mechaniczną i odpornością na chemiczne działanie metalu i ŜuŜla. Trzon pieca jest wykonany z materiałów zasadowych, niekiedy - z materiałów kwaśnych. W połowie ściany tylnej, w dolnej jej części, na poziomie trzona znajduje się otwór spustowy, zatykany materiałem ogniotrwałym na czas wytopu stali. W ścianie przedniej znajdują się okna wsadowe, w liczbie 3 5, zamykane zasłonami wyłoŝonymi cegłą szamotową.

3 Przez te okna doprowadza się do pieca materiały w stanie stałym. Niekiedy piece martenowskie przerabiają ciekłą surówkę. Wówczas wlewa się ją oknami wsadowymi lub specjalnie do tego celu wykonanym otworem w tylnej ścianie, którego ujście znajduje się we wnętrzu pieca powyŝej poziomu metalu. Wielkość pieca martenowskiego określa się jego ładownością. Małe piece martenowskie przetapiają jednorazowo około 30 ton wsadu metalowego, a duŝe - ponad 400 ton. Głowice pieców martenowskich słuŝą do doprowadzenia do przestrzeni roboczej paliwa (gazu generatorowego) i powietrza oraz odprowadzania powstałych w piecu spalin. PoniewaŜ kaŝda z głowic pracuje na zmianę w taki sposób, Ŝe jedna z nich doprowadza powietrze i gaz, a druga w tym czasie odprowadza spaliny do regeneratorów, muszą być one przystosowane w równej mierze do obu tych funkcji. Regeneratory słuŝą do odzyskiwania dla procesu martenowskiego części ciepła, które zawierają uchodzące spaliny. Regeneratory uŝywane w piecach Siemens-Mamina są zbudowane w postaci komór wypełnionych szamotową kratownicą, przez które przepływają na zmianę gorące spaliny i następnie gaz oraz powietrze do spalania paliwa gazowego. Urządzenie rozrządcze ma za zadanie okresową zmianę kierunku przepływu powietrza i gazu oraz spalin w regeneratorach. W piecu martenowskim przerabia się surówkę i złom. Jako materiały pomocnicze są jeszcze uŝywane topniki, ruda oraz Ŝelazostopy. Surówka uŝywana do przerobu w piecu martenowskim zawiera 3,8 4,2% węgla, ponad 0,75 1,5% krzemu, 1,5 2,5% manganu, do 0,5% fosforu oraz do 0,06% siarki. MoŜna ją dostarczać w stanie ciekłym lub w stanie stałym w postaci gąsek. Przebieg wytopu w piecu martenowskim Zasadowy proces martenowski dzieli się na następujące okresy: 1) naprawa pieca, 2) ładowanie pieca, 3) topienie wsadu, 4) świeŝenie, odfosforzanie i odsiarczanie metalu, 5) odtlenianie, 6) spust stali. Wsad zaczyna się topić juŝ podczas ładowania pieca i w tym celu spala się największą ilość gazu, gdyŝ przejście materiałów w stan ciekły wymaga znacznych ilości ciepła. Podczas świeŝenia zachodzą reakcje utleniania krzemu, manganu i węgla, znane nam z procesów konwertorowych. Ponadto w piecach o wyłoŝeniu zasadowym wykonuje się odfosforzanie i następnie odsiarczanie. Do odfosforzania niezbędne jest wapno tworzące po roztopieniu ŜuŜel, do którego dodaje się następnie rudy w celu wytworzenia atmosfery utleniającej. Tak przygotowany ŜuŜel reaguje z fosforem. Nasycony fosforem ŜuŜel usuwa się z pieca oknem wsadowym, a na jego miejsce wytwarza się nowy przez dorzucenie świeŝych porcji wapna. W dalszym ciągu procesu zachodzą reakcje odsiarczania. Wytworzone w tych reakcjach siarczki przechodzą do ŜuŜla i wraz z nim są usuwane z pieca. Odtlenianie stali następuje dzięki dodaniu, podobnie jak w procesach konwertorowych, odtleniaczy w postaci surówki zwierciadlistej, Ŝelazomanganu, Ŝelazokrzemu i aluminium. Utworzone w krótkim czasie tlenki doprowadzanych składników wypływają do ŜuŜla. Po zakończonym wytopie spuszcza się stal otworem spustowym do kadzi odlewniczej. Proces martenowski trwa średnio około 8 godzin. Rafinacja stali w piecach elektrycznych Wytopiona w piecu martenowskim stal zawiera jeszcze pewne ilości siarki i fosforu.

4 Dalsze oczyszczanie odbywa się w piecach elektrycznych. Najczęściej stosuje się do tego celu piece elektrodowe (łukowe). Oprócz pieców elektrodowych uŝywa się pieców indukcyjnych i oporowych. Schemat pieca elektrodowego typu Heroulta (czytaj Herulta) stosowanego w hutnictwie przedstawiono na rys Rys Piec Heroulta Najczęściej piece takie są zasilane prądem przemiennym trójfazowym. Są wyposaŝone w trzy elektrody grafitowe 1, wprowadzone do przestrzeni roboczej przez sklepienie pieca 2. Płaszcz pieca 3 jest wykonany z grubej blachy stalowej. WyłoŜenie pieca 4 moŝe być kwaśne i wówczas jest zrobione z cegły krzemionkowej lub - częściej - zasadowe i wtedy wykonuje się je z magnezytu lub dolomitu. Spust stali następuje przy przechylaniu pieca. PoniewaŜ w czasie pracy pieca elektrody ulegają zuŝyciu, naleŝy je stopniowo opuszczać w taki sposób, aby dotykały ŜuŜla znajdującego się na powierzchni stali. Najczęściej piece elektrodowe słuŝą do rafinacji stali wytopionej uprzednio np. w piecu martenowskim. Proces rafinacji rozpoczyna się od napełnienia pieca stalą, zwykle dostarczaną w stanie ciekłym z pieców stalowniczych lub złomem stalowym. Odfosforzanie przebiega w atmosferze utleniającej i z tego powodu wraz ze stalą dodaje się do pieca kilka procent rudy i ponadto do związania fosforu - około 5% wapna. Stopione w czasie pracy pieca wapno tworzy ŜuŜel, szczelnie pokrywający stopiony metal. Między stalą a ŜuŜlem zachodzą reakcje (znane nam z procesu martenowskiego), powodujące przechodzenie fosforu do ŜuŜla. JeŜeli ŜuŜel nasyci się zbytnio fosforem, naleŝy go zlać i zastąpić świeŝym. Po odfosforzeniu przeprowadza się odsiarczanie, które wymaga atmosfery redukcyjnej. W tym celu do pieca doprowadza się drobno zmielony koks lub pokruszone elektrody grafitowe. W celu wytworzenia ŜuŜla, podobnie jak poprzednio, ładuje się wapno. Siarka tworząca z Ŝelazem siarczek Ŝelaza reaguje z wapnem i węglem. W wyniku wzajemnego chemicznego oddziaływania oprócz Ŝelaza i tlenku węgla powstaje siarczek wapnia, który przechodzi do ŜuŜla i wraz z nim jest usuwany. Po rafinacji zawartość siarki i fosforu w stali jest mniejsza niŝ 0,03%. Po zakończeniu odsiarczania stal odtlenia się za pomocą Ŝelazomanganu lub Ŝelazokrzemu i następnie zlewa do kadzi odlewniczej. Stal wytworzoną w piecach elektrycznych nazywamy niekiedy stalą szlachetną ze względu na jej wielką czystość warunkującą dobre własności uŝytkowe. Zlewanie stali Wytopioną stal zlewa się do kadzi wykonanej z blachy i wyłoŝonej cegłą szamotową. Pojemność kadzi musi odpowiadać ilości stali spuszczanej z pieca. Po spuście stali z pieca martenowskiego w kadzi wykonuje się dodatkowe odtlenianie za pomocą aluminium, a

5 czasem - Ŝelazotytanu lub Ŝelazowanadu. Z kadzi stal zlewa się do form zwanych wlewnicami lub kokilami. Zlewanie stali do form moŝe odbywać się w sposób zwykły - z góry lub - częściej - na zasadzie naczyń połączonych - z dołu. Zlewanie z dołu nazywa się syfonowym (rys. 02-5). Rys układ wlewowy syfonowy Wlewnice ustawia się na płycie mającej rowki, w których układa się szamotowe kanały łączące się z lejem wyłoŝonym rurami szamotowymi. Do tego leja wlewa się stal wyciekającą z wylewu kadziowego. Przez łączące kanały stal przedostaje się do wlewnic; jej poziom podnosi się w miarę przybywania stali. JeŜeli do wlewnic wleje się stal odtlenioną Ŝelazomanganem, zachowuje się ona niespokojnie". Ciecz wrze i wydziela gazy. Taką stal nazywamy nieuspokojoną. Stal odtleniona w końcowej fazie procesu Ŝelazokrzemem zachowuje się we wlewnicach bardzo spokojnie i z tego powodu nazywamy ją uspokojoną. Rys Wlewki: a) ze stali nieuspokojonej, b) ze stali uspokojonej. Stal uspokojona krzepnąc zmniejsza swą objętość i tworzy w górnej części wlewka jamę skurczową (rys. 02-6b). Stal nieuspokojona nie tworzy jamy skurczowej, poniewaŝ w całej masie wlewka znajdują się pęcherze gazowe, które podczas krzepnięcia wyrównują róŝnice objętości. Stanowią one jak gdyby szereg małych jam skurczowych (rys. 02_6a). Przy obróbce plastycznej wlewków stalowych odcina się jamę skurczową. Przez zastosowanie szamotowych nadstawek na wlewnicach stal utrzymuje się w górnych częściach wlewka przez dłuŝszy czas w stanie ciekłym. Dzięki temu powstająca jama skurczowa nie sięga głęboko we wlewek, jak w przypadku szybkiego stygnięcia. Stal odlewana czasem bez uspokojenia (stale z małą zawartością węgla odlewa się zwykle jako nieuspokojone), mimo pęcherzy we wlewku, nie jest wadliwa, gdyŝ zostaną one zwalcowane i zgrzane podczas obróbki plastycznej.