Wytapianie stali: technologia, metody, surowce

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Ruda żelaza jest pozyskiwana w zwykły sposób: kopalnia odkrywkowa lub pod ziemią, a następnie transport do wstępnego przygotowania, gdzie materiał jest kruszony, myty i przetwarzany.

Ruda jest wlewana do wielkiego pieca i wydmuchiwana gorącym powietrzem i ciepłem, co zamienia ją w roztopione żelazo. Następnie jest usuwany z dna pieca do form znanych jako świnie, gdzie jest schładzany w celu wytworzenia surówki. Jest przekształcany w kute żelazo lub przetwarzany na stal na kilka sposobów.

Co to jest stal?

Na początku było żelazo. Jest to jeden z najpowszechniejszych metali w skorupie ziemskiej. Można go znaleźć niemal wszędzie, w połączeniu z wieloma innymi pierwiastkami, w postaci rudy. W Europie prace żelazne sięgają 1700 pne

W 1786 francuscy naukowcy Berthollet, Monge i Vandermonde dokładnie ustalili, że różnica między żelazem, żeliwem i stalą wynika z różnej zawartości węgla. Niemniej jednak stal, wykonana z żelaza, szybko stała się najważniejszym metalem rewolucji przemysłowej. Na początku XX wieku światowa produkcja stali wynosiła 28mln ton - to sześć razy więcej niż w 1880 roku. Do początku I wojny światowej jego produkcja wynosiła 85 mln ton. Od kilkudziesięciu lat praktycznie zastępuje żelazo.

Zawartość węgla wpływa na właściwości metalu. Istnieją dwa główne rodzaje stali: stopowa i niestopowa. Stop stali odnosi się do pierwiastków chemicznych innych niż węgiel dodawanych do żelaza. Tak więc do produkcji stali nierdzewnej stosuje się stop 17% chromu i 8% niklu.

Obecnie skatalogowanych jest ponad 3000 marek (składów chemicznych), nie licząc tych stworzonych na indywidualne potrzeby. Wszystkie one przyczyniają się do tego, że stal jest najbardziej odpowiednim materiałem dla wyzwań przyszłości.

Surowce hutnicze: pierwotne i wtórne

Wytop tego metalu przy użyciu wielu komponentów jest najczęstszą metodą wydobycia. Materiały wsadowe mogą być zarówno pierwotne, jak i wtórne. Główny skład wsadu to z reguły 55% surówki i 45% pozostałego złomu. Żelazostopy, przetworzone żeliwo i komercyjnie czyste metale są używane jako główny składnik stopu, z reguły wszystkie rodzaje metali żelaznych są klasyfikowane jako wtórne.

Ruda żelaza jest najważniejszym i podstawowym surowcem w przemyśle żelaznym i stalowym. Do wyprodukowania tony surówki potrzeba około 1,5 tony tego materiału. Do produkcji jednej tony surówki zużywa się około 450 ton koksu. Wiele hutnawet węgiel drzewny jest używany.

Woda jest ważnym surowcem dla przemysłu żelaznego i stalowego. Stosowany jest głównie do hartowania koksu, chłodzenia wielkiego pieca, produkcji pary drzwi pieca węglowego, obsługi urządzeń hydraulicznych i odprowadzania ścieków. Do wyprodukowania jednej tony stali potrzeba około 4 ton powietrza. Topnik jest używany w wielkim piecu do ekstrakcji zanieczyszczeń z rudy hutniczej. Wapień i dolomit łączą się z wydobytymi zanieczyszczeniami, tworząc żużel.

Zarówno wielkie, jak i stalowe piece wyłożone materiałami ogniotrwałymi. Służą do licowania pieców przeznaczonych do wytopu rudy żelaza. Do formowania używa się dwutlenku krzemu lub piasku. Metale nieżelazne są wykorzystywane do produkcji stali różnych gatunków: aluminium, chromu, kob altu, miedzi, ołowiu, manganu, molibdenu, niklu, cyny, wolframu, cynku, wanadu itp. Wśród wszystkich tych żelazostopów mangan jest szeroko stosowany w hutnictwie.

Odpady żelazne ze zdemontowanych konstrukcji fabrycznych, maszyn, starych pojazdów itp. są poddawane recyklingowi i szeroko stosowane w przemyśle.

Żelazo na stal

Wytapianie stali za pomocą żeliwa jest znacznie bardziej powszechne niż w przypadku innych materiałów. Żeliwo to termin, który zwykle odnosi się do żeliwa szarego, jednak utożsamiany jest również z liczną grupą żelazostopów. Węgiel stanowi około 2,1 do 4% wag., podczas gdy krzem stanowi zazwyczaj 1 do 3% wag. w stopie.

Wytop żelaza i stali odbywa się w temperaturzetemperatura topnienia między 1150 a 1200 stopni, czyli o około 300 stopni niższa niż temperatura topnienia czystego żelaza. Żeliwo wykazuje również dobrą płynność, doskonałą skrawalność, odporność na odkształcenia, utlenianie i odlewanie.

Stal jest również stopem żelaza o zmiennej zawartości węgla. Zawartość węgla w stali wynosi od 0,2 do 2,1% masy i jest to najbardziej ekonomiczny materiał stopowy dla żelaza. Wytapianie stali z żeliwa jest przydatne do różnych celów inżynieryjnych i konstrukcyjnych.

Ruda żelaza na stal

Proces wytwarzania stali rozpoczyna się od przetworzenia rudy żelaza. Skała zawierająca rudę żelaza jest kruszona. Rudę wydobywa się za pomocą walców magnetycznych. Drobnoziarnista ruda żelaza jest przetwarzana na gruboziarniste bryły do wykorzystania w wielkim piecu. Węgiel jest rafinowany w piecu koksowniczym w celu uzyskania prawie czystej postaci węgla. Mieszanina rudy żelaza i węgla jest następnie podgrzewana w celu wytworzenia stopionego żelaza lub surówki, z której wytwarzana jest stal.

W głównym piecu tlenowym roztopiona ruda żelaza jest głównym surowcem i jest mieszana z różnymi ilościami złomu stalowego i stopów w celu wytworzenia różnych gatunków stali. W elektrycznym piecu łukowym złom stalowy z recyklingu jest przetapiany bezpośrednio na nową stal. Około 12% stali jest wykonane z materiałów pochodzących z recyklingu.

Technologia wytapiania

Wytapianie to proces, w którym otrzymuje się metal w postaci pierwiastka,albo jako prosty związek z jego rudy przez ogrzewanie powyżej jego temperatury topnienia, zwykle w obecności środków utleniających, takich jak powietrze lub środków redukujących, takich jak koks.

W technologii produkcji stali metal połączony z tlenem, taki jak tlenek żelaza, jest podgrzewany do wysokiej temperatury, a tlenek powstaje w połączeniu z węglem w paliwie, który jest uwalniany jako tlenek węgla lub węgiel dwutlenek. Inne zanieczyszczenia, zwane zbiorczo żyłami, są usuwane przez dodanie strumienia, z którym łączą się, tworząc żużel.

Nowoczesna produkcja stali wykorzystuje piec rewerberacyjny. Skoncentrowana ruda i strumień (zwykle wapień) są ładowane od góry, podczas gdy stopiony kamień (związek miedzi, żelaza, siarki i żużla) jest pobierany od dołu. Druga obróbka cieplna w piecu konwertorowym jest konieczna, aby usunąć żelazo z matowego wykończenia.

Metoda konwektora tlenowego

Proces BOF jest wiodącym na świecie procesem produkcji stali. Światowa produkcja stali konwertorowej w 2003 r. wyniosła 964,8 mln ton, czyli 63,3% całkowitej produkcji. Produkcja konwertorów jest źródłem zanieczyszczenia środowiska. Głównymi problemami tego są redukcja emisji, zrzutów i redukcja odpadów. Ich istota polega na wykorzystaniu wtórnych zasobów energii i materiałów.

Ciepło egzotermiczne jest generowane przez reakcje utleniania podczas wydmuchu.

Główny proces produkcji stali przy użyciu własnegozapasy:

• Stopione żelazo (czasami nazywane gorącym metalem) z wielkiego pieca jest wlewane do dużego wyłożonego materiałem ogniotrwałym pojemnika zwanego kadzią.
• Metal w kadzi jest wysyłany bezpośrednio do głównego etapu produkcji stali lub etapu obróbki wstępnej.
• Tlen o wysokiej czystości pod ciśnieniem 700-1000 kilopaskali jest wtryskiwany z prędkością ponaddźwiękową na powierzchnię kąpieli żelaznej przez lancę chłodzoną wodą, która jest zawieszona w naczyniu i utrzymywana kilka stóp nad kąpielą.

Decyzja dotycząca obróbki wstępnej zależy od jakości gorącego metalu i pożądanej końcowej jakości stali. Pierwsze zdejmowane konwertery dolne, które można odłączyć i naprawić, są nadal w użyciu. Zmieniono włócznie używane do dmuchania. Aby zapobiec zakleszczaniu się lancy podczas wdmuchiwania, zastosowano kołnierze szczelinowe z długą, zwężającą się miedzianą końcówką. Końcówki końcówki po spaleniu spalają CO powstały podczas wdmuchiwania do CO_{2 i zapewniają dodatkowe ciepło. Do usuwania żużla używane są rzutki, kulki ogniotrwałe i detektory żużla.}

Metoda konwektora tlenowego: zalety i wady

Nie wymaga kosztu sprzętu do oczyszczania gazu, ponieważ tworzenie się pyłu, tj. parowanie żelaza, jest trzykrotnie mniejsze. Ze względu na spadek wydajności żelaza obserwuje się wzrost wydajności ciekłej stali o 1,5 - 2,5%. Zaletą jest to, że intensywność nadmuchu w tej metodzie wzrasta, co dajemożliwość zwiększenia wydajności konwertera o 18%. Jakość stali jest wyższa, ponieważ temperatura w strefie oczyszczania jest niższa, co skutkuje mniejszym tworzeniem się azotu.

Wady tej metody wytopu stali doprowadziły do zmniejszenia zapotrzebowania na zużycie, ponieważ poziom zużycia tlenu wzrasta o 7% ze względu na wysokie zużycie paliwa. W metalu poddanym recyklingowi występuje zwiększona zawartość wodoru, dlatego po zakończeniu procesu przedmuchiwanie tlenem zajmuje trochę czasu. Spośród wszystkich metod konwertor tlenu charakteryzuje się największym tworzeniem żużla, powodem jest brak możliwości monitorowania procesu utleniania wewnątrz urządzenia.

Metoda z otwartym paleniskiem

Proces z otwartym paleniskiem przez większość XX wieku był główną częścią przetwarzania całej stali produkowanej na świecie. William Siemens w latach 60. XIX wieku szukał sposobu na podniesienie temperatury w piecu metalurgicznym, wskrzeszając starą propozycję wykorzystania ciepła odpadowego wytwarzanego przez piec. Podgrzał cegłę do wysokiej temperatury, a następnie tą samą ścieżką wprowadził powietrze do pieca. Podgrzane powietrze znacząco podniosło temperaturę płomienia.

Jako paliwo używany jest gaz ziemny lub rozpylone oleje ciężkie; powietrze i paliwo są podgrzewane przed spalaniem. Piec ładowany jest ciekłym złomem surówki i stali wraz z rudą żelaza, wapieniem, dolomitem i topnikami.

Sam piec jest zrobionymateriały wysoce ogniotrwałe, takie jak magnezytowe cegły paleniskowe. Piece martenowskie ważą do 600 ton i są zwykle instalowane w grupach, dzięki czemu można efektywnie wykorzystać masywne urządzenia pomocnicze potrzebne do ładowania pieców i przetwarzania ciekłej stali.

Chociaż proces martenowski został prawie całkowicie zastąpiony w większości krajów uprzemysłowionych przez podstawowy proces tlenowy i elektryczny piec łukowy, wytwarza on około 1/6 całej stali produkowanej na całym świecie.

Wady i zalety tej metody

Zaletami są łatwość użytkowania i łatwość produkcji stali stopowej z różnymi dodatkami, które nadają materiałowi różne specjalistyczne właściwości. Niezbędne dodatki i stopy są dodawane bezpośrednio przed zakończeniem wytapiania.

Wady obejmują zmniejszoną wydajność w porównaniu z metodą konwertera tlenu. Ponadto jakość stali jest niższa w porównaniu z innymi metodami wytapiania metali.

Elektryczna metoda produkcji stali

Nowoczesną metodą wytopu stali z wykorzystaniem własnych zapasów jest piec, który nagrzewa wsad za pomocą łuku elektrycznego. Przemysłowe piece łukowe różnią się wielkością od małych jednostek o wydajności około jednej tony (stosowanych w odlewniach do produkcji wyrobów żelaznych) do 400 ton jednostek stosowanych w metalurgii wtórnej.

Piece łukowe,stosowane w laboratoriach badawczych mogą mieć pojemność zaledwie kilkudziesięciu gramów. Temperatury przemysłowego elektrycznego pieca łukowego mogą sięgać nawet 1800 °C (3,272 °F), podczas gdy instalacje laboratoryjne mogą przekraczać 3000 °C (5432 °F).

Piece łukowe różnią się od pieców indukcyjnych tym, że ładowany materiał jest bezpośrednio wystawiony na działanie łuku elektrycznego, a prąd płynący z zacisków przepływa przez ładowany materiał. Elektryczny piec łukowy jest używany do produkcji stali, składa się z wyłożenia ogniotrwałego, zwykle chłodzonego wodą, wielkogabarytowego, przykrytego rozsuwanym dachem.

Piekarnik jest podzielony głównie na trzy sekcje:

• Powłoka składająca się ze ścian bocznych i dolnej misy stalowej.
• Ognisko składa się z materiału ogniotrwałego, który wysuwa dolną misę.
• Dach wyłożony materiałem ogniotrwałym lub chłodzony wodą może mieć kształt kulisty lub stożka ściętego (przekrój stożkowy).

Wady i zalety metody

Ta metoda zajmuje wiodącą pozycję w dziedzinie produkcji stali. Metoda wytapiania stali służy do wytwarzania wysokiej jakości metalu, który jest całkowicie pozbawiony lub zawiera niewielką ilość niepożądanych zanieczyszczeń, takich jak siarka, fosfor i tlen.

Główną zaletą tej metody jest wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania, dzięki czemu można łatwo kontrolować temperaturę topnienia i osiągnąć niesamowitą szybkość nagrzewania metalu. Zautomatyzowana praca stanie sięprzyjemny dodatek do doskonałej okazji do wysokiej jakości obróbki różnego złomu.

Wady obejmują wysokie zużycie energii.