Metalurgia staliwa i stali

Dr inż. Robert Skoblik

Wydział Mechaniczny

Katedra Technologii Materiałów Maszynowych i

Spawalnictwa

Literatura

1.

Chodkowski S.: „Metalurgia metali nieżelaznych” WGH Katowice 1962

2.

Chudzikiewicz R., Briks W.: Podstawy metalurgii i odlewnictwa. Warszawa: PWN

1977.

3.

Encyclopedie des Sciences Industrielles Quillet – MecaniqueLibrairie Aristide

Quillet Paris 1974Encyklopedia techniki „Metalurgia” Wyd. Śląsk Katowice1985

4.

Kosowski A.: „Zarys odlewnictwa”Wyd. AGH Kraków 1997

5.

Muszyński Z.: „Zarys technologii metali” PWN, Warszawa 1978

6.

Praca zbiorowa. „Podstawowe techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym”

WNT Warszawa 1973

7.

Szweycer M., Nadolska D.: Metalurgia i odlewnictwo. Poznań: Wyd. Politechniki

Poznańskiej 2002

9.

Tabor A., Rączka J.S., Kowalski J.S., Kraus E.: „Metalurgia”. Wyd. Pol. Krak.

Kraków 1999

10.

„Świat Wiedzy”

11.

INTERNET

Metalurgia staliwa i stali

• Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do

pożądanych - składniki stopowe - zalicza się głównie metale (chrom,

nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak

tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki,

fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.

• Stal otrzymuje się z surówki przeróbczej poprzez usuwanie

zanieczyszczeń i nadmiaru takich pierwiastków jak węgiel, krzem,

mangan w procesie świeżenia.

• Wytapianie stali przeprowadza się w piecach martenowskich - stary

proces, konwertorach i piecach elektrycznych.

• W nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece

konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie

najwyższej jakości stali.

Konwertor Bessemera

Konwertor Bessemera: 1 – wyłożenie pieca, 2 – dennica, 3 – skrzynka dmuchowa, 4 – czopy,
5 – stojaki, 6 – pierścień oporowy, 7, 8 – doprowadzenie dmuchu, 9 – koło zębate, 10 – zębatka,
11 – napęd hydrauliczny [4]

Konwertor Thomasa

[3]

Proces bessemerowski

Proces kwaśny – wyłożenie konwertora kwaśne.
Wsad:
Surówka bessemerowska w stanie płynnym zawierająca 1,25
– 1,75% Si (główne paliwo), 1,0 – 1,5%0 Mn
(zabezpieczające przed nadmiernym utlenianiem żelaza),
Minimalne zawartości siarki i fosforu (max. 0,05% S i max.
0,04 % P.

Proces bessemerowski

• Przechylenie konwertora i zalanie surówki
• Ustawienie konwertora i włączenie dmuchu
• Iskrowy,
• Płomienny,
• Dymny,
• Po zakończeniu wytopu w celu uzyskania pożądanej

zawartości C, Mn, Si oraz odtlenienia stali dodajemy
surówkę zwierciadlistą, żelazomangan, żelazokrzem,
czasem aluminium

• Przechyla się konwertor,zbiera żużel i wylewa stal

Produkty procesu

bessemerowskiego

Stal bessemerowska –zawartość siarki i tlenu większa

niż w stali martenowskiej, posiada lepszą zgrzewalność

i skrawalność. Przeznaczona do wyrobu drutu, gwoździ,
cienkich blach, rur zgrzewanych, stali prętowej do wyrobu śrub
i na zbrojenia do żelazobetonu.

Żużel bessemerowski – stosowany jako kwaśny topnik w
procesie wielkopiecowym do rud zawierających zasadową
skałę płonną

Proces tomasowski

•Proces zasadowy – wymurowanie pieca zasadowe

•Wsad:

•Surówka tomasowska o zawartości do 0,8 % Si, 1,8 –
2,2% P (główne paliwo) i do 1,5% Mn (zwiększa
rzadkopłynność żużla,

•Rozżarzone wapno – które reaguje z fosforem w
następujący sposób

•2P + 5FeO + 3CaO = Ca

3

(PO

4

)

2

+ 5Fe +Q

Proces tomasowski

•Proces tomasowski przebiega podobnie jak i bessemerowski,
z tym, że gdy zawartość węgla spadnie poniżej 0,4% zachodzi
dopiero reakcja odfosforowania.

•Po zakończeniu wytopu w celu uzyskania pożądanej
zawartości C, Mn, Si dodajemy surówkę zwierciadlistą,
żelazomangan, oraz do odtlenienia stali żelazokrzem i
aluminium

Produkty procesu tomasowskiego

• Stal tomasowska zawierająca więcej azotu, tlenu i

wtrąceń żużlowych od stali martenowskiej i
bessemerowskiej, ale jest tańsza. Używana do wyrobu
drutu,rur bez szwu, taśm itp., stali prętowej.

• Żużel zasadowy – zawierający około 50% CaO i 20 –

50% P

2

O

5

– po zmieleniu stosowany jako nawóz sztuczny

zwany tomasyną

Proces konwertorowy tlenowy

[3]

Zasadowy proces tlenowy

.

[10]

Zasadowy proces tlenowy

•

Produkcja stali w zasadowym

procesie tlenowym. Surowcami są tu

surówka żelazna z wielkiego pieca

oraz złom stalowy. Dodatek złomu

zapobiega przegrzaniu metalu.

Zasadowy proces tlenowy

[10]

Zasadowy proces tlenowy

[10]

Zasadowy proces tlenowy

[10]

Zalewanie konwertora

[11

Konwertor Tropenasa

Konwertor z bocznym dmuchem stosowany w odlewniach
do wytopu staliwa.
Wsad – ciekłe żeliwo.
Proces kwaśny podobny do procesu bessemerowskiego

Proces martenowski

[3]

Proces martenowski

[10]

Proces martenowski

[3]

Proces martenowski kwaśny

W
y
ł
o
ż
e
n
i
e

p
i

ędne itp..

Wymurowanie pieca kwaśne.

Wsad musi zawierać niewielkie ilości siarki i fosforu.

Stal wykazuje większą jednorodność chemiczną, lepsze odtlenienie
i mniejszą zawartość wtrąceń niemetalicznych, a dzięki temu lepszą
udarność i plastyczność od stali zasadowej.

Stal droga, stosowana m. in. w przemyśle zbrojeniowym, na wały
p

Proces martenowski zasadowy

• Wymurowanie pieca do linii nieco powyżej linii żużla

zasadowe.

• Odmiany procesu zasadowego w zależności od rodzaju

wsadu:

• Proces rudny – wsad ponad 75% ciekłej surówki i mniej

niż 25% złomu stalowego – stosowany rzadko

• Proces złomowo – rudny – wsad- 25 – 50% ciekłej

surówki. Dodawana jest ruda w ilości do 20%

• Proces złomowy – wsad – 30 –45% stałej surówki, 55 –

70% złomu, 5% rudy.

• Proces bezsurówkowy – wsad wyłącznie złom.

Proces martenowski zasadowy

Przebieg procesu:
• 1. Naprawa pospustowa (ok.. 30 – 40 min).
• 2. Ładowanie wsadu stałego przy użyciu wsadzarek (2-4 godz.) –

najpierw kamień wapienny, następnie rudę i zgorzelinę i wreszcie
złom. Ciekła surówkę wlewa się po częściowym stopieniu złomu

• 3. Okres topienia i wypalania domieszek. Odsiarczanie ,

odfosforowanie, częściowe odtlenianie stali

• 4. Ściąganie żużla
• 5. Spust stali
• Całkowity czas wytopu 8 – 10 godzin

Proces martenowski zasadowy

• Proces martenowski zasadowy umożliwia otrzymanie

bardzo taniej stali w dużych ilościach, zarówno
węglowych stosowanych do produkcji wyrobów
masowych, jak i stali wysokojakościowych stopowych do
wyrobu odpowiedzialnych części maszyn i konstrukcji

Piece elektryczne

• Piece elektryczne łukowe zasadowe i

kwaśne

• Piece elektryczne indukcyjne – najczęściej

stosowane piece indukcyjne bezrdzeniowe

Piece elektryczne łukowe

[3]

Piece elektryczne łukowe

[10]

Piece

elektryczne

łukowe

[3]

Piece elektryczne łukowe

• Proces kwaśny – stosowany głównie do wytopu staliwa.

Wykazuje gorsze własności niż stal zasadowa.

• Wsad musi zawierać małe ilości siarki i fosforu.
• W procesie kwaśnym łatwiej uzyskać wysokie przegrzanie

stali, co zwiększa rzadkopłynność i polepsza wypełnianie
form odlewniczych

Piece elektryczne łukowe

• Proces zasadowy:

• Istnieje możliwość otrzymywania zarówno stali

węglowych o większych zawartościach węgla, jak i stali
stopowych zawierających nawet mniej niż 50% żelaza.

• Wsad podobny jak i w piecu martenowskim
• Proces składa się z dwóch okresów:
• - utleniającego, w czasie którego następuje odfosforzenie

kąpieli,

• - redukującego, zwanego także okresem rafinacji stali

Piece elektryczne łukowe

• Przebieg procesu wytapiania stali w piecu łukowym;
• 1. Naprawa pieca po spuście,
• 2. Ładowanie wsadu,
• 3. Roztapianie wsadu,
• 4. Świeżenie wsadu
• 5. Odtlenianie,
• 6. Wprowadzenie dodatków stopowych.
• 7. Spust.
• 8. Przygotowanie pieca do następnego wytopu

Piece elektryczne indukcyjne

•

Schemat pieca indukcyjnego bezrdzeniowego: 1 – metal, 2 – ogniotrwała
wyprawa, 3 – spirala przez którą przepływa prąd i chłodząca ją woda, 4 –
obudowa azbestowa,5 – tygiel, 6 – oś obrotu pieca [4]

Rodzaje stali

[4]

Rozlewanie stali

Odlewanie stali: a) metoda tradycyjna, b) metoda odlewnia ciągłego [2]

Rozlewanie stali

[10]

Rozlewanie stali

CIĄGŁE

ODLEWANIE
STALI w Hucie
im. T. Sendzimira
S.A

.

http://www.biprostal.
com.pl/sektor2.php

Krzepnięcie wlewka

Krzepnięcie wlewków; a) zestali uspokojonej, b) zestali półuspokojonej,
c) ze stali nieuspokojonej

Struktura wlewka ze stali uspokojonej

Struktura wlewka stali uspokojonej: 1- górna powierzchnia wlewka (głowa), 2 jama skurczowa, 3 ,4–
Rzadzizna osiowa i porowatość, 5 – strefa kryształów różnokierunkowych, 6 – strefa kryształów
zamrożonych, 7,8,9 – strefa kryształów słupkowych, 10- struktura drobnodendrytyczna [9]

Rodzaje staliw

• . Staliwo występuje w postaci lanej (czyli odlana w

formy odlewnicze

), nie poddana obróbce plastycznej.

• W odmianach użytkowych zawartość węgla nie

przekracza 1%, suma typowych domieszek również

nie przekracza 1%.

• Własności mechaniczne staliwa są nieco niższe niż

własności stali o takim samym składzie po obróbce

plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla

odlewów: gruboziarnistości i pustek

międzykrystalicznych.

• Staliwo ma natomiast znacznie lepsze własności

mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest

plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości

węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne.

Rodzaje staliw

• Ze wzgl

ędu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:

• węglowe - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z

przerobu hutniczego

- niskowęglowe o zawartości węgla do 0,2 %,
- średniowęglowe o zawartości węgla 0,2 – 0,45%,
- wysokowęglowe o zawartości węgla powyżej 0,45%

• stopowe - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki

stopowe

• Ze wzgl

ędu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości

praktycznego zastosowania, wyró

żnia się staliwa:

• węglowe

- zwykłej jakości
- wyższej jakości
- najwyższej jakości

Rodzaje staliw

• stopowe

- manganowe
- manganowo-krzemowe
- chromowe
- chromowo-molibdenowe
- chromowo-manganowo-krzemowe
- żaroodporne
- odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne)
- konstrukcyjne do pracy w podwyższonych

temperaturach