W Mechanice i Budowie Maszyn najczęściej używa się stopów stali i żelaza.

Transkrypt

1 Techniki wytwarzania. Wykłady- PRZETWÓRSTWO STALI W Mechanice i Budowie Maszyn najczęściej używa się stopów stali i żelaza. Wytwarzanie produkowanie Wytwarzanie to zmiana parametrów wyrobu. Jest to pojęcie techniczne. Produkowanie to pojęcie ekonomiczne. Do systemu wytwórczego potrzebujemy surowców i materiałów oraz energii. Należy pamiętać, że w magazynie powinno być tyle surowca, by zapewnić ciągłość produkcji, a na wyjściu z procesu wytwórczego powinno być tyle produktów, by utrzymać ciągłą sprzedaż. System wytwórczy jest systemem ciągłym, to znaczy, że np. uruchamiamy maszynę i ona pracuje bez przerwy przez kilka lat. Wytwarzanie w hucie Przykład: Huta Katowice Walcowanie na gorąco Ruda sprowadzana jest z Rosji i Ukrainy(można rozładować tam w ciągu dnia 130 tys. ton surowca) -rudy mieszane są z innymi metalami Spiekalnia- tu wędrują starannie dobrane materiały Wielkie Piece-materiał sypie się od góry, z gardzieli. Temperatura max. To 2300 o C Żużel odpływa osobnym korytem Wydajność Wielkiego Pieca wynosi do 430 ton/dobę W stalowni stal jest argonowana i odsiarczana -odlewnie-ich wydajność wynosi ok. 3 mln ton/rok- COS Defektotron+ kontrola falami kontrola jakości. -nadzór potrzebny w sposób ciągły -czas wytwarzania stali w konwertorach He - 40 minut -urządzenia lubią pracować w podobnych warunkach chemicznych- bez szoków termicznych -w piecach elektrycznych 100% wsadu stanowi złom -najbardziej zanieczyszczają środowisko spiekalnie, Wielki Piec, stalownia.

2

3 Omówienie schematu: 1. Rudy używane w tej hucie są drobnoziarniste(dostarczane w formie koncentratuwzbogacanie zachodzi w kopalni). -do wiązania potrzebny jest węgiel lub koks -spiekalnia jest po to, by zmienić konsystencję surowca(warstwami usypuje się potrzebne materiały-topniki, pyły żelazonośne) -Wielki Piec od fundamentu do samej góry ma ok. 100m 2. Procesy produkcji metali: Metale w przyrodzie występują najczęściej w postaci związków chemicznych jako tlenki lub siarczki, węglany. Wyjątek stanowi złoto. -materiały, w których występują metale nazywamy rudami. W rudach występują także inne związki stanowiące tzw. skałę płonną, m.in. Al 2 O 3, tlenki krzemu, wapnia. Prosta zasada działania produkcji: 1. Oddzielenie skały płonnej od związków metali 2. Wydzielenie metalu ze związków -topniki pozwalają obniżyć temperaturę topliwości skał płonnych i ułatwiają oddzielenie jej od związków metalu, np. CaO-wapno, lub CaCO 3 -kamień wapienny -temperatura topliwości skały płonnej zależy od jej składu chemicznego oraz stosunków ilościowych pomiędzy różnymi tlenkami. -odpady żelazonośne powstające w hucie są przez nią ponownie wykorzystywanie-niemal w 100% 3.Taśma spiekalnicza- metalowe wózki, które się przemieszczają na kółkach. -grudkowanie- zrasza się drobnoziarnisty materiał, by nie przelatywał przez ruszt taśmy spiekalniczej -odciągi ciepła nad taśmą i odciągi gazów pod spiekiem -na końcu jest rozdrabniacz- spiek jest przesiewany, jeśli coś przeleci nie jest wykorzystywane w piecu i wraca do grudkowania - po rozdrobnieniu spiek ma temperaturę o C, można spiek transportować gumowymi taśmami do Wielkiego Pieca(chłodnie karuzelowe) - przed spiekaniem mieszanka jest usypywana w taki sposób, by po wypaleniu mieć konkretny skład chemiczny.

4 Taśma spiekalnicza: 4. Produkcja surówki: Własności czyste Fe: temperatura topnienia: 1538 o C ciężar wł.: 7,86 g/cm 3 5. Proces wielkopiecowy. - potrzebny spiek żelazonośny i koks -inicjatorem reakcji jest gorące powietrze( gorący dmuch ) wdmuchiwane od dołu -załadunek pieca od góry taśmą, z dołu odbieramy surówkę i żużel -gorące powietrze w nagrzewnicach Coopera - otrzymujemy surówkę wielkopiecową, żużel i gaz wielkopiecowy(wykorzystywany później w nagrzewnicach) - gaz wielkopiecowy odsysany od góry do osadnika, oczyszczany i spalany Przekrój Wielkiego Pieca. - samo naczynie ma 46m, a z narzędziami peryferyjnymi ponad 100m. - własny fundament, konstrukcja samonośna - ściana pieca składa się z 3 warstw: -na dole temperatura jest najniższa i tam wyłożone są płyty grafitowe -chłodnice są po to, by pancerz się za bardzo nie rozszerzał

5 Co ważne- kąty α i β tak są ustawione, by spływający materiał nie ścierał wymurówki - w pancerzu są rury z wodą(rury w żeliwnej płycie), które chłodzą pancerz-by się nie przegrzewał, by nie było zbędnych naprężeń, woda musi być zdemineralizowana. - każda chłodnia ma własne zasilanie, żeby łatwiej dało się sprawdzać efektywność pracy każdej z nich -wokół pieca biegnie wielka rura o średnicy 160cm, która doprowadza do pieca gorące powietrze-rura jest taka gruba, bo ma wymurówkę ogniotrwałą. - jeżeli w piecu robią się zawały(kiedy jama spieku się zawali), to zasypuje się je spiekiem System zamknięć Wielkiego Pieca- system Wurtha 2 śluzy -rynna zasypowa- obraca się wokół własnej osi i zmienia kąt nachylenia-daje to lepsze rozmieszczenie materiału u piecu - co 45 minut następuje odbiór materiału z dołu pieca(dół gara-surówka, góra-żużel, nad surówką) Rozkład stref w WP: Legenda: 1. Nadmuch gorącego powietrza 2. Strefa topienia 3. Strefa redukcji FeO 4. Strefa redukcji Fe 2O 3 5. Strefa wstępnego nagrzewania 6. Zasilanie pieca wsadem 7. Gazy wylotowe 8. Kolumna wsadu 9. Żużel 10. Surówka 11. Wylot gazu wielkopiecowego -w miejscu, gdzie jest otwór spustowy nie ma zaworów ani wymurówki

6 -za każdym razem wypala się otwór na nowo(wprowadza się rurę stalową, ona się stapia, nawierca się otwór) -są osobne koryta spustowe dla surówki i żużlu. Koryta dla surówki są przykryte, by nie zmieniła ona składu chemicznego. -po zakończeniu spustu zamyka się otwór-podjeżdża zatykarka, która wlewa do otworu masę formerską- stygnie ona w kontakcie z wysoka temperaturą -surówka z pieca jest zlewana do naczyń-surówkowóz (umożliwia transport ciekłego metalu) Temperatury w Wielkim Piecu: Gardziel 200 C Szyb 400 C Przestron 850 C Spad 1200 C Gar 1800 C Omówienie huty zintegrowanej: 1. Stalownia- w hutach zintegrowanych stalownie są konwertorowe konwertor tlenowy- stosowane są od 150 lat pierwsze konwertory do świeżenia używały powietrza. Różniły się materiałem, z którego wykonana była podmurówka konwertora- konwertor Besemerowski i Thomasowski - Besemer- materiały miały odczyn kwaśny miało to wpływ na stal - Thomas- materiały miały odczyn kwaśny kwaśna podmurówka negatywnie wpływała na stal- buł duży rygor dotyczący materiału wsadowego w Thomasowskim był mniejszy rygor dotyczący wsadu - azot z powietrza źle wpływał na stal- była twarda, krucha, traci plastyczność -do świeżenia w powietrzu potrzebny był tylko tlen konwertory LD(konstruktorzy Lietz-Donowitz) używają do świeżenia tlenu. Wykorzystują gorący dmuch od góry, z tlenem. Ten typ stosowany jest obecnie. 2. Surówka wielkopiecowa- jest to stop żelaza z węglem, o zawartości węgla 3,5-4,5%. W surówce wielkopiecowej występują także takie pierwiastki jak: Mn, Si, P, S w ilości 2-3% 3. Definicja stali. Stalą nazywamy stop żelaza z węglem o zawartości węgla < 1,75%, najczęściej poniżej 0,8% i innych pierwiastków-mn, Si, P, S.

7 Im wyższa zawartość węgla w stali, tym jest ona twardsza, mniej plastyczna. Powyżej 1,7% zawartości C, stop nie może już być przerabiany plastycznie, można go stosować jedynie w postaci odlewanej. Zadaniem procesu stalowniczego jest zmniejszenie zawartości węgla oraz pierwiastków(mn, Si, P, S) w stali. Staliwo- stal o zawartości 0,1-0,9% C formowana przed odlewanie a) Składniki wchodzące w skład stali: I. Wchodzące w skład każdej stali: Mn, Si, P, S, C. II. Składniki niepożądane, wchodzące w skład każdej stali, zazwyczaj nieokreślone- O, N, H. III. Składniki stopowe wprowadzane do stali podczas wytapiania: Cr, Ni, W, Mo, V, Ti, Al, Cu. IV. Składniki niepożądane, przechodzące do stali z materiałów wsadowych i zabezpieczeń ogniotrwałych. b) Podział stali: W zależności od składu stopowego stale dzielimy na: - węglowe zawartość procentowa węgla decyduje o właściwościach stali - stopowe- w których występują pierwiastki stopowe mające wpływ na właściwości stali W zależności od przeznaczenia stale dzielimy na: -konstrukcyjne -narzędziowe -specjalne c) -stale konwertorowe- produkowane w konwertorach - stale elektryczne- produkowane w piecach elektrycznych d) stale węglowe: -stale niskowęglowe- do 0,25% C -stale średniowęglowe- 0,25-0,6% C -stale wysokowęglowe - pow. 0,6% C trudne w obróbce, trudne spawanie e)stale narzędziowe- powinny być bardziej twarde, wytrzymałe, odporne na ścieranie -narzędziowe węglowe -narzędziowe stopowe f)stale konstrukcyjne: -k. węglowe -k. stopowe g) stale o szczególnych własnościach: -do pracy w wysokich temperaturach -do narzędzi chirurgicznych -do maszyn specjalistycznych, delikatnych - praca w trudnych warunkach

8 Schemat stalowni konwertorowej: - w Krakowie konwertory mają pojemność 150 ton jednorazowo, w Dąbrowie Górniczej pojemność konwertorów wynosi 350t -temperatura konwertora, tam, gdzie podaje się tlen dochodzi do 3000 o C. Gazy odciągane są specjalnymi okapami -układy konwertora są powielane, by w przypadku awarii można je było zastąpić łatwo i szybko.

9 Konwertor t Pancerz- 100mm Wymurówka- 800mm a) do załadunku złomu konwertor przechyla się do kąta 45 o. złom stanowi 25%wsadu do konwertora resztę stanowi surówka - opuszczenie lancy i rozpoczynanie świeżenia -czas od załadunku złomu do zlania stali wynosi 45 minut -po zlaniu konwertor obraca się do poziomu i sprawdzany jest, czy nie ma uszkodzeń wymurówki. Jeśli są uszkodzenia, to pod wysokim ciśnieniem uzupełnia się masę ceramiczną. b) lanca tlenowa- na tonę stali podaje się ok. 55m 3 tlenu -musi być wykonana z materiałów odpornych na wysoką temperaturę -3 rury współśrodkowe -końcówka lancy jest wielootworowa -środkowa rura podaje tlen -w wewnętrznej i najbardziej zewnętrznej płynie woda-ich zadaniem jest chłodzenie -końcówka lancy jest z miedzi(b. dobrze oddaje ciepło) -używa się 10l wody/sekundę 5. Piece elektryczne: Łukowe- wykorzystuje się łuk elektryczny -duże Indukcyjne - małe Wsadem jest złom Piec łukowy może być opróżniony dołem lub bokiem(przechylony) Górna część jest chłodzona cieczą Wiele palników(wdmuchiwane gazy obojętne, tlen, węgiel) Łuk bezpośredni: elektroda-metal-elektroda Łuk pośredni: elektroda-elektroda Stal może być zanieczyszczona przez wyładowania i przez kruszenie elektrod

10 a) zysk z podania tlenu w piecu łukowym: -skrócenie czasu roztapiania złomu o ok. 30% - zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną o min. 20% b)można argonować: -przyspieszenie czasu wytopu -zmniejszenie zużycia energii elektrycznej -przyspieszenie rozpuszczenia dodatków tlenowych -zwiększenie powierzchni metal-żużel przyspieszenie procesu oczyszczania stali Zmniejszenie zużycia pieca, energii, elektrod Piec łukowy Piec indukcyjny-służy do przetapiania małych ilości stali: -ogniotrwały tygiel -wielozwojowy induktor -metal -rynna -zamknięcie -nie ma atmosfery w piecu, więc nie ma co zanieczyścić stali -wysokie częstotliwości -po roztopieniu piec się przechyla i robiona jest wlewka -przepływające prądy w uzwojeniu pierwotnym indukują prąd w uzwojeniu wtórnympowstają prądy wirowe. Stal jest niezanieczyszczona i świetnie wymieszana -wewnątrz uzwojenia płynie woda, miedź by się roztopiła.

11 Obróbka pozapiecowa. 1.Stal zlewamy do kadzi stalowniczych i przewozimy na stanowiska uszlachetniania Stal tworzymy w obróbce konwertorowo-tlenowej lub elektrycznej Uszlachetnianie-usuwanie zanieczyszczeń i niedoskonałości Czynniki wpływające na zanieczyszczenie stali: a) stal wysokiej jakości charakteryzuje się: -śladową zawartością gazów -nie powinna zawierać wtrąceń niemetalicznych -wysoka jednorodność Tlen-obniża właściwości mechaniczne, powoduje kruchość stali na gorąco Wodór- rozpuszczony w stali powoduje powstawanie płatków i pęknięć gazowych Azot- obniża własności plastyczne stali, zwiększa jej twardość i odporność na ścieranie b) skąd zanieczyszczenia?: -egzogeniczne(pochodzenia zewnętrznego)- przechodzą do ciekłej stali na skutek erozji materiałów ogniotrwałych z pieców stalowniczych c)usuwanie zanieczyszczeń: -przedmuchiwanie gazem obojętnym(w Polsce jest to argon). Wdmuchuje się go przez wkładkę ceramiczną. Zanieczyszczenia spływają do żużla

12 Można jednocześnie usuwać zanieczyszczenia i wprowadzać dodatki stopowe -dodajemy czyste pierwiastki, bo gaz obojętny nie wchodzi z nimi w reakcje -drut rdzeniowy- w środku jest materiał stopowy, rurka z zewnątrz się roztapia uwalniając pierwiastki, minimalna utrata pierwiastków. d) podgrzewanie ciekłej stali(jeśli ba bardzo wytraci temperaturę) piec kadziowy -posiada elektrody grzewcze(niższe własności grzewcze niż w piecu elektrycznym)-to stanowisko zapewnia nam podtrzymanie stałej temperatury ciekłej stali -stal jest przedmuchiwania- ciekły metal jest w ciągłym ruchu, zanieczyszczenia wypływają na powierzchnię -kadź przykrywa się kapturem, w którym są elektrody e) usuwanie nadmiaru gazów-odpowiedzialne są za zmęczenie materiału: -metoda obiegowa RM: -2 smoczki ceramiczne, które zasysają porcję ciekłego metalu do komory próżniowej, odgazowują ją i wypuszczają z powrotem i tak w kółko 2. COS- ciągłe odlewanie stali. -ciekły metal wlewa się do miedzianej rury o określonym, która pełni rolę krystalizatora -COS został zapoczątkowany przez Polaków w hucie Zawiercie, jednak jego wydajność w porównaniu do walcarek zgniatarek była zbyt mała, więc pomysł porzucono. -dziś w Polsce odlewa się sposobem COSu 100% stali. a) wieża obrotowa- zapewnia ciągłość dostaw ciekłej stali - musi w miarę szybko zamieniać kadzie -pokrywy zabezpieczają od góry stal w kadziach, by ta nie miała dostępu do powietrza

13 - w obrębie tego stanowiska zawsze znajduje się jeszcze jedna, dodatkowa kadź-na wypadek gdyby ceramiczna zatyczka zawiodła-wtedy trzeba pozbyć się stali b)wanna- do niej wlewana jest ciekła stal, odpowiednio zabezpieczona i wygrzana -kadź pośrednia(obrotowe są głównymi) -służy jako bufor na czas wymiany kadzi głównych(2 funkcja) -dystrybucja ciekłego metalu do żył odlewniczych(1 funkcja) -kadź pośrednia wytrzymuje ok. 6 wytopów, później ja trzeba wymienić -wylewanie z wanny zachodzi w rurach zlewowych, by stal nie miała kontaktu z powietrzem(chyba że gatunek stali tego nie wymaga, to nie ma takiej rury) -metal ma temp. ok o C, kiedy wchodzi do krystalizatora(rur miedzianych) -wlewki ciągłe, które wychodzą z COSu na zewnątrz są zastygłe, a wewnątrz płynne c) krystalizator: -strefa chłodzenia wtórnego-odebrać możliwie jak najwięcej ciepła -klatki ciągnąco-prostujące- chłodzone nie za szybko, by wlewki nie spękały -w momencie, kiedy zaczyna się odlewanie stali zatykamy drągiem startowym- żeby z dołu nie wypłynęła ciekła stal. Drzewko startowe pokryte odpadami stalowymi- tutaj wlewki stalowe krzepną. -wyciągamy drąg startowy-(rolki startowe- ok. 3 sztuk z każdej(4 strony) strony) -rolki wyciągają wlewek oraz chronią go przed rozsadzeniem -rolki chłodzone wewnętrznie i zewnętrznie -ruch harmoniczny krystalizatoraintensyfikacja procesu. Wolno w dół, szybko w górę. Wlewek jest dłużej w krystalizatorze. Ruch w górę zrywa połączenie i zakrzepłą stal -po. Wewnętrzna krystalizatora jest otoczona warstewką chromoniklu, by zwiększyć odporność tego na ścieranie -mieszadła- ujednoradniają skład chemiczny w całej objętości wlewki. -metal krzepnąc kruszy się-musimy więc dążyć do tego, by wlewek stykał się z powierzchnią krystalizatora, dlatego też wykonuje się ruch harmoniczny wzdłużny -krystalizator jest łukowy- prędkość odlewania stali w COSie- 0,7-0,9m/min -COS daje materiał gruboziarnisty -klatka walców prostuje materiał -palnik Lega -porusza się wzdłużnie i przecina wlewek pod kątem prostym

14 d) konstrukcje krystalizatorów: -rurowe- przekroje do 150mm -płytowe- przekroje pow. 150mm -rolki wyciągające wlewek są na stałe zamocowane do krystalizatora -chłodzenie w COSie jest kluczowe -ruch posuwisto-zwrotny wykonywany przez wał korbowy -dopóki język ciekłego metalu nie zakrzepnie we wlewku ciągłym, jest on chłodzony e) ochrona stali w COSie: -z kadzi stalowniczej do pośredniej ciekła stal przechodzi przesz rurę, w której jest gaz obojętny -z kadzi pośredniej do krystalizatora podobnie-w rurze, ew. w rurze z gazem obojętnym f)świat- 93% stali odlewana w COSie 7% odlewane do wlewnic - w COSie tylko 1,5% stali ulega stracie, w tradycyjnym wlewnictwie jest to ok. 16%