Podział procesów stalowniczych.
Piec metalurgiczny może posiadać wyłożenie zasadowe i wtedy w takim piecu znakomicie przebiega odsiarczanie i odfosforowanie żużlem o charakterze zasadowym a więc posiadającym CaO i MgO w piecu kwaśnym wykonanym z cegły dynasowej (SiO2) takie odsiarczanie i odfosforowanie jest niemożliwe, gdyż żużel niszczy żużel zasadowy niszczy kwaśną wyprawę. W procesach zasadowych będziemy używać następujących symboli określających gdzie dany produkt aktualnie się znajduje:
( ) – oznacza że produkt znajduje się w żużlu
[ ] – oznacza że produkt znajduje się w ciekłym metalu
{ } – oznacza że produkt znajduje się w atmosferze pieca czyli nad metalem i żużlem
Jeśli zatem odsiarczamy stal w procesie zasadowym to wapno CaO konfekcjonowane poza hutą nanoszone jest na powierzchnię ciekłej stali w procesie jej wytapiania czyli znajduje się w żużlu. Reakcja odsiarczania przebiega następująco:
(CaO) + [FeS] ® (CaS) + ([FeO])
(CaO) + [MnS] ® (CaS) + ([MnO)]
Odfosforowanie jest jeszcze bardziej kłopotliwe gdyż powstaje bardzo skomplikowany żużel wprawdzie niskotopliwy ale gęsto płynny:
[P] + 5([FeO]) ® (P2O5) + 5[Fe]
(P2O5) + (4CaO)3 ® (4CaO.P2O5)
Powstały złożony żużel fosforowy zwany jest tomasyną i jest znakomitym nawozem rolniczym. Pożądanym jest aby w żużlu było jak najmniej krzemionki (SiO2).
Proces kwaśny – to wyprawa dynasowa (SiO2) ale wymaga taki proces bardzo czystego wsadu o bardzo niskiej zawartości P i S. Doskonałym wsadem do procesu kwaśnego stalowniczego o niskiej zawartości P i S jest złom wojskowy (wieżyczki czołgowe) a także szyny kolejowe i ogólnie gruby złom.
Utlenianie czyli świeżenie w piecu metalurgicznym.
Piec
Atmosfera pieca
Piec martenowski
Utleniająca
Piec elektryczny łukowy
Obojętna lub redukcyjna
Konwertor
Utleniająca lub obojętna
Konwertor ma atmosferę nad stalą utleniającą lub obojętną. Piec elektryczny łukowy ma atmosferę obojętną lub redukcyjną.
Jednym z najważniejszych procesów wytwarzania stali jest świeżenie, czyli utlenianie i do tego musi być tzw. utleniacz. W konwertorze był to tlen. W piecu elektrycznym łukowym rzadko kiedy jest to tlen gazowy, jest to tlen związany w postaci rudy i w wysokich temperaturach jest uwalniany z żużla. Oznacza to że tlen musi być doprowadzony najpierw w postaci rudy do żużla. Przebieg procesu wytapiania stali w piecu elektrycznym łukowym przedstawiamy według następującego schematu. Rozróżnia się wytapianie stali:
a) ze świeżeniem (topimy ze świeżeniem zły złom)
b) bez świeżenia tzw. odzyskowe zwykłe dla cennych stali stopowych aby nie utraciły pierwiastków Cr, Ni, Mo, W, V.
Zatem przebieg procesu wytapiania stali w piecu elektrycznym łukowym jestnastępujący:
1. Naprawa po przednim spuście wyprawy pieca (torkretowanie).
2. Ładowanie wsadu stałego i żużla syntetycznego, surówka w postaci gąsek i złom klasyfikowany.
3. Roztapianie wsadu (zapalenie łuku elektrycznego – brak stabilizacji łuku).
4. Świeżenie (ruda, zendra – płat utlenionej stali który zlatuje przy jej walcowaniu, tlen).
5. Usunięcie żużla po świeżeniu; w tym żużlu jest już pełno CaS i związków fosforu, które żeby nie przeszły ponownie do stali muszą być usunięte z pierwszym żużlem.
6. Odfosforowanie dyfuzyjne (jest to usuwanie tlenu wolnego i związanego w postaci tlenków ze stali).
7. Usunięcie żużla po odtlenianiu (w tym żużlu jest sporo tlenków metali, które muszą być z żużlem usunięte żeby ponownie nie zredukowały się i nie przeszły do stali).
8. Wprowadzenie dodatkowych stopów jeśli stal jest stopowa, jeśli nie jest stopowa tego procesu nie ma.
Dodatki stopowe, które wprowadzamy do stali ciekłej muszą być umiejętnie wprowadzone bo są drogie i mogą przejść zamiast do stali do żużla dlatego chrom Cr, mangan Mn, wolfram W, wanat V są wprowadzane jako żelazostopy czyli nieczyste pierwiastki lecz stopione z żelazem każdy osobno a więc żelazochrom Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-W, Fe-V. Natomiast nikiel wprowadzamy jako czysty pierwiastek tzw. nikiel katodowy z elektrolizy. Tytan jest specyficznym pierwiastkiem który przy bardzo małej ilości tlenu w stali natychmiast połączy się z tym tlenem i stworzy TiO2. Nikiel praktycznie nie utlenia się.
9. Spust stali do kadzi.
10. Dodatkowe odtlenianie stali w kadzi tzw. osadowe.
Przeciętnie proces wytapiania stali w piecu elektrycznym łukowym trwa od 2,5 ¸ 3,5 godziny w zależności od pojemności pieca.
Dyfuzyjne odtlenianie przebiega bardzo wolno i dlatego proces wytwarzania trwa tak długo. Dyfuzyjne odtlenianie przebiega:
A) pod białym żużlem
B) pod żużlem karbidycznym
Ad.A.
Żużel biały przygotowany syntetycznie ma proporcje:
CaO:CaF2:C=12:2:1 (dużo wapnia dlatego biały;CaF2-fluoryt wapnia)
Ad.B.
Żużel karbidyczny (węglowy) ma proporcje:
CaO:CaF2:C=3:1:1 (mało wapnia dużo węgla – dlatego czarny).
Najważniejszą reakcją odtleniania dyfuzyjnego jest zależność:
(FeO) : [O] = CONSTANS
co można zdefiniować jako ilość FeO w żużlu decyduje o ilości tlenu O w stali lub inaczej zmniejszenie FeO w żużlu powoduje zmniejszenie ilości tlenu w stali. Dokonujemy tego przez redukcje tegoż FeO w żużlu:
(C) + (FeO) ® [Fe] + {CO}
(C) + [MnO] ® [Mn] + {CO}
Żużel bieleje przez redukcję FeO i MnO.
Wydzielający się tlenek węgla uchodzi do atmosfery i spala się nad żużlem w piecu, ale nie cały wychodzi z kąpieli metalowej część jego pozostaje i tak stal nosi nazwę stali nie uspokojonej.
Wydzielanie się z ciekłej stali CO stwarza wrażenie że stal się gotuje i często używa się pojęcia gotowanie stali zamiast odtleniania dyfuzyjnego.
Żużel karbidyczny dlatego się tak nazywa bo w wysokiej temperaturze najpierw ze składników żużla tworzy się karbid:
(CaO) + 3(C) ® (CaC2) + 2{CO}
(CaC2) + 3(FeO) ® 3[Fe] + (CaO) + 2{CO}
CaC2- karbid – węglik wapnia
CaC2 + H2O ® C2H2(acetylen) + CaO(wapno)
Odtlenianie dyfuzyjne pod białym żużlem jest kosztowne i rzadziej stosowane bo trwa dłużej, stosujemy przeważnie odtlenianie dyfuzyjne pod żużlem karbidycznym.
Odtlenianie osadowe.
Nazwa ta wzięła się stąd że na dno kadzi przed spustem do niej stali wprowadzamy żelazostopy z pierwiastkami o dużym powinowactwie do tlenu jak krzem Si, mangan Mn, i czyste aluminium Al. Te pierwiastki w połączeniu z żelazem nazywają się żelazostopami odtleniającymi. Odtlenianie osadowe włąśnie powoduje że związany tlen w postaci MnO, SiO2, Al2O3 osadza się zamiast w żużlu w kadzi na jej dnie stąd odtlenianie osadowe.
[Mn] + [O] ® (MnO) – Tt=1778°C
[Si] + [O] ® (SiO2) – Tt=1710°C
2[Al] + 3[O] ® (Al2O3) – Tt=2051°C
Tt – temperatura topnienia
Wtrącenia niemetaliczne w stali i staliwie. (WN)
WN mogą być:
a) endogeniczne to znaczy pochodzenia z procesu metalurgicznego wytapiania stali a więc z odtleniania dyfuzyjnego, odtleniania osadowego
b) egzogeniczne to znaczy pochodzące z zewnątrz procesu metalurgicznego a więc z wyprawy pieca, wyprawy kadzi, z żużla
Najczęściej ego- i endogeniczne WN to:
MnO, SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, Cr2O3, Cr3O4, ZrO2(dwutlenek cyrkonu).
19
Tika02