Tapljenje čelika: tehnologija, metode, sirovine

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Željezna ruda se dobiva na uobičajen način: otvorenim kopom ili podzemnim iskopavanjem i naknadnim transportom za početnu pripremu, gdje se materijal drobi, pere i obrađuje.

Ruda se ulijeva u visoku peć i prska vrućim zrakom i toplinom, što je pretvara u rastaljeno željezo. Zatim se uklanja s dna peći u kalupe poznate kao svinje, gdje se hladi za proizvodnju sirovog željeza. Pretvara se u kovano željezo ili prerađuje u čelik na nekoliko načina.

Što je čelik?

U početku je bilo željezo. Jedan je od najčešćih metala u zemljinoj kori. Može se naći gotovo posvuda, u kombinaciji s mnogim drugim elementima, u obliku rude. U Europi rad s željezom datira iz 1700. godine prije Krista

Godine 1786. francuski znanstvenici Berthollet, Monge i Vandermonde točno su utvrdili da je razlika između željeza, lijevanog željeza i čelika posljedica različitog sadržaja ugljika. Ipak, čelik, napravljen od željeza, brzo je postao najvažniji metal industrijske revolucije. Početkom 20. stoljeća svjetska proizvodnja čelika iznosila je 28milijuna tona - to je šest puta više nego 1880. godine. Do početka Prvog svjetskog rata njegova proizvodnja iznosila je 85 milijuna tona. Nekoliko desetljeća praktički je zamijenio željezo.

Sadržaj ugljika utječe na karakteristike metala. Postoje dvije glavne vrste čelika: legirani i nelegirani. Legura čelika odnosi se na kemijske elemente osim ugljika dodanog željezu. Tako se za izradu nehrđajućeg čelika koristi legura od 17% kroma i 8% nikla.

Trenutno postoji više od 3000 katalogiziranih marki (kemijskih sastava), ne računajući one stvorene da zadovolje individualne potrebe. Svi oni doprinose da čelik postane najprikladniji materijal za izazove budućnosti.

Sirovine za proizvodnju čelika: primarni i sekundarni

Taljenje ovog metala korištenjem mnogih komponenti najčešća je metoda rudarenja. Materijali punjenja mogu biti primarni i sekundarni. Glavni sastav punjenja u pravilu je 55% sirovog željeza i 45% preostalog metalnog otpada. Ferolegure, prerađeno lijevano željezo i komercijalno čisti metali koriste se kao glavni element legure, u pravilu se sve vrste crnih metala klasificiraju kao sekundarne.

Željezna ruda je najvažnija i osnovna sirovina u industriji željeza i čelika. Za proizvodnju tone sirovog željeza potrebno je oko 1,5 tona ovog materijala. Za proizvodnju jedne tone sirovog željeza utroši se oko 450 tona koksa. Mnoge željezarečak se koristi i drveni ugljen.

Voda je važna sirovina za industriju željeza i čelika. Uglavnom se koristi za gašenje koksa, hlađenje visokih peći, proizvodnju pare na vratima peći na ugljen, rad hidrauličke opreme i odvod otpadnih voda. Za proizvodnju tone čelika potrebno je oko 4 tone zraka. Fluks se koristi u visokoj peći za izdvajanje zagađivača iz topioničke rude. Vapnenac i dolomit se sjedinjuju s ekstrahiranim nečistoćama da tvore trosku.

I visoke i čelične peći obložene vatrostalnim materijalima. Koriste se za oblaganje peći namijenjenih taljenju željezne rude. Za oblikovanje se koristi silicijev dioksid ili pijesak. Obojeni metali koriste se za proizvodnju čelika različitih razreda: aluminij, krom, kob alt, bakar, olovo, mangan, molibden, nikal, kositar, volfram, cink, vanadij itd. Među svim tim ferolegurama, mangan se široko koristi u proizvodnji čelika.

Željezni otpad iz rastavljenih tvorničkih konstrukcija, strojeva, starih vozila itd. reciklira se i široko se koristi u industriji.

Željezo za čelik

Taljenje čelika s lijevanim željezom mnogo je češće nego s drugim materijalima. Lijevano željezo je pojam koji se obično odnosi na sivo željezo, no također se poistovjećuje s velikom skupinom ferolegura. Ugljik čini oko 2,1 do 4 wt% dok je silicij tipično 1 do 3 wt% u leguri.

Taljenje željeza i čelika odvija se na temperaturitalište između 1150 i 1200 stupnjeva, što je oko 300 stupnjeva niže od tališta čistog željeza. Lijevano željezo također pokazuje dobru fluidnost, izvrsnu obradivost, otpornost na deformacije, oksidaciju i lijevanje.

Čelik je također legura željeza s promjenjivim sadržajem ugljika. Udio ugljika u čeliku je 0,2 do 2,1 masenih % i to je najekonomičniji legirni materijal za željezo. Taljenje čelika iz lijevanog željeza korisno je za razne inženjerske i strukturne svrhe.

željezna ruda za čelik

Proces proizvodnje čelika počinje preradom željezne rude. Stijena koja sadrži željeznu rudu se drobi. Ruda se kopa pomoću magnetskih valjaka. Fino zrnasta željezna ruda prerađuje se u krupnozrne grudice za upotrebu u visokoj peći. Ugljen se rafinira u koksnoj peći kako bi se dobio gotovo čisti oblik ugljika. Mješavina željezne rude i ugljena se zatim zagrijava kako bi se dobilo rastaljeno željezo, ili sirovo željezo, od kojeg se proizvodi čelik.

U glavnoj peći za kisik, rastaljena željezna ruda je glavna sirovina i miješa se s različitim količinama otpada čelika i legura za proizvodnju različitih vrsta čelika. U električnoj lučnoj peći reciklirani čelični otpad se topi izravno u novi čelik. Oko 12% čelika napravljeno je od recikliranog materijala.

Tehnologija topljenja

Taljenje je proces kojim se metal dobiva bilo u obliku elementa,bilo kao jednostavan spoj iz svoje rude zagrijavanjem iznad točke taljenja, obično u prisutnosti oksidacijskih sredstava kao što je zrak ili redukcijskih sredstava kao što je koks.

U tehnologiji proizvodnje čelika, metal koji je u kombinaciji s kisikom, kao što je željezni oksid, zagrijava se na visoku temperaturu, a oksid nastaje u kombinaciji s ugljikom u gorivu, koji se oslobađa kao ugljični monoksid ili ugljik dioksid. Druge nečistoće, koje se zajednički nazivaju vene, uklanjaju se dodavanjem struje s kojom se spajaju u trosku.

Moderna proizvodnja čelika koristi odječnu peć. Koncentrirana ruda i potok (obično vapnenac) utovaruju se na vrh, dok se rastaljeni mat (spoj bakra, željeza, sumpora i troske) izvlači odozdo. Potrebna je druga toplinska obrada u peći za pretvaranje kako bi se željezo uklonilo iz mat završne obrade.

Metoda s konvektorom kisika

BOF proces je vodeći svjetski proces proizvodnje čelika. Svjetska proizvodnja konverterskog čelika u 2003. godini iznosila je 964,8 milijuna tona ili 63,3% ukupne proizvodnje. Proizvodnja pretvarača izvor je onečišćenja okoliša. Glavni problemi toga su smanjenje emisija, ispuštanja i smanjenje otpada. Njihova bit leži u korištenju sekundarne energije i materijalnih resursa.

Egzotermna toplina nastaje reakcijama oksidacije tijekom ispuhivanja.

Glavni proces proizvodnje čelika korištenjem naše vlastitedionice:

• Ratopljeno željezo (ponekad se naziva vrućim metalom) iz visoke peći ulijeva se u veliki vatrostalni spremnik koji se zove kutlača.
• Metal u posudi se šalje izravno u glavnu proizvodnju čelika ili fazu predobrade.
• Kisik visoke čistoće pri tlaku od 700-1000 kilopaskala ubrizgava se nadzvučnom brzinom na površinu željezne kupke kroz vodu hlađenu koplju koja je ovješena u posudu i držana nekoliko stopa iznad kupke.

Odluka o prethodnoj obradi ovisi o kvaliteti vrućeg metala i željenoj konačnoj kvaliteti čelika. Prvi uklonjivi donji pretvarači koji se mogu odvojiti i popraviti još su uvijek u upotrebi. Promijenjena su koplja koja se koriste za puhanje. Kako bi se spriječilo zaglavljivanje koplja tijekom puhanja, korišteni su prorezni ovratnici s dugim suženim bakrenim vrhom. Vrhovi vrha, nakon izgaranja, izgaraju CO koji nastaje kada se upuhuje u CO_{2 i daju dodatnu toplinu. Pikado, vatrostalne kugle i detektori troske koriste se za uklanjanje troske.}

Kisički konvektorska metoda: prednosti i nedostaci

Ne zahtijeva trošak opreme za pročišćavanje plina, budući da se stvaranje prašine, tj. isparavanje željeza, smanjuje za 3 puta. Zbog smanjenja prinosa željeza, uočava se povećanje prinosa tekućeg čelika za 1,5 - 2,5%. Prednost je što se intenzitet puhanja kod ove metode povećava, što dajemogućnost povećanja performansi pretvarača za 18%. Kvaliteta čelika je veća jer je temperatura u zoni pročišćavanja niža, što rezultira manjim stvaranjem dušika.

Nedostaci ove metode taljenja čelika doveli su do smanjenja potražnje za potrošnjom, jer se razina potrošnje kisika povećava za 7% zbog velike potrošnje goriva izgaranjem. U recikliranom metalu postoji povećan sadržaj vodika, zbog čega je potrebno neko vrijeme nakon završetka procesa da se izvrši pročišćavanje kisikom. Među svim metodama, kisik-konverter ima najveće stvaranje troske, razlog je nemogućnost praćenja procesa oksidacije unutar opreme.

Otvorena metoda

Otvoreni proces veći dio 20. stoljeća bio je glavni dio obrade cjelokupnog čelika proizvedenog u svijetu. William Siemens je 1860-ih tražio način podizanja temperature u metalurškoj peći, oživljavajući stari prijedlog za korištenje otpadne topline koju stvara peć. Zagrijao je ciglu na visoku temperaturu, a zatim istim putem uveo zrak u peć. Prethodno zagrijani zrak značajno je povećao temperaturu plamena.

Kao gorivo koriste se prirodni plin ili raspršena teška ulja; zrak i gorivo se zagrijavaju prije izgaranja. Peć je napunjena tekućim sirovim željezom i čeličnim otpadom zajedno sa željeznom rudom, vapnencem, dolomitom i tokovima.

Sama peć je napravljena odvisoko vatrostalni materijali poput magnezitnih ognjišta. Peći s otvorenim ložištem teže do 600 tona i obično se postavljaju u skupinama, tako da se može učinkovito koristiti masivna pomoćna oprema potrebna za punjenje peći i obradu tekućeg čelika.

Iako je proces otvorenog ložišta gotovo u potpunosti zamijenjen u većini industrijaliziranih zemalja osnovnim procesom kisika i električnom lučnom peći, on čini oko 1/6 cjelokupnog čelika proizvedenog u cijelom svijetu.

Prednosti i nedostaci ove metode

Prednosti uključuju jednostavnost korištenja i jednostavnost proizvodnje legiranog čelika s raznim aditivima koji materijalu daju različita specijalizirana svojstva. Potrebni aditivi i legure dodaju se neposredno prije kraja taljenja.

Nedostaci uključuju smanjenu učinkovitost u usporedbi s metodom pretvarača kisika. Također, kvaliteta čelika je niža u usporedbi s drugim metodama taljenja metala.

Električna metoda proizvodnje čelika

Moderna metoda taljenja čelika korištenjem vlastitih rezervi je peć koja zagrijava nabijeni materijal električnim lukom. Industrijske lučne peći su veličine od malih jedinica s kapacitetom od oko jedne tone (koriste se u ljevaonicama za proizvodnju željeznih proizvoda) do jedinica od 400 tona koje se koriste u sekundarnoj metalurgiji.

Lučne peći,koji se koriste u istraživačkim laboratorijima mogu imati kapacitet od samo nekoliko desetaka grama. Temperature industrijskih električnih lučnih peći mogu doseći do 1800 °C (3, 272 °F), dok laboratorijske instalacije mogu prijeći 3000 °C (5432 °F).

Lučne peći razlikuju se od indukcijskih peći po tome što je materijal za punjenje izravno izložen električnom luku, a struja u terminalima prolazi kroz nabijeni materijal. Električna lučna peć koristi se za proizvodnju čelika, sastoji se od vatrostalne obloge, obično vodeno hlađene, velike veličine, prekrivene krovom na uvlačenje.

Pećnica je uglavnom podijeljena u tri dijela:

• Ljuska koja se sastoji od bočnih stijenki i donje čelične zdjele.
• Ognjište se sastoji od vatrostalnog materijala koji izvlači donju zdjelu.
• Vatrostalni krov ili krov hlađen vodom može se izraditi kao loptasti dio ili krnji stožac (konusni dio).

Prednosti i nedostaci metode

Ova metoda zauzima vodeću poziciju u području proizvodnje čelika. Metoda taljenja čelika koristi se za stvaranje visokokvalitetnog metala koji je ili potpuno lišen ili sadrži malu količinu neželjenih nečistoća kao što su sumpor, fosfor i kisik.

Glavna prednost metode je korištenje električne energije za grijanje, tako da možete lako kontrolirati temperaturu taljenja i postići nevjerojatnu brzinu zagrijavanja metala. Automatizirani rad će postatiugodan dodatak izvrsnoj prilici za kvalitetnu preradu raznog starog metala.

Nedostaci uključuju veliku potrošnju energije.