Metalurgia Opracowanie wykładów Modrzyńskiego

Metalurgia - to nauka zajmująca się otrzymywaniem metali z rud

Ruda- utwory skalne zawierające związki chemiczne metalu (metali), podstawowy surowiec
stosowany w procesach metalurgicznych. Składa się z: SKŁADNIK PODSTAWOWY,
SKAŁA PŁONNA

FORMY WYSTĘPOWANIA METALI W RUDACH :

-W STANIE WOLNYM (Au, Ag, Pt, Hg )
- TLENKI (Fe

2

O

3

)

- SIARCZKI (Cu

2

S)

- WĘGLANY (FeCO

3

, MgCO

3

)

- UWODNIONE TLENKI ( Al

2

O

3

n H

2

O )

Wstępna przeróbka rud – rozdrabnianie –> Przemiana związku lub usuwanie skały płonnej
-> scalanie -> koncentrat

[proces ; produkt]

Rozdrabnianie –

-grube średnica: z 200-400 do 80-100 mm –łamacze stożkowe,

-łamacze szczękowe;

-średnie z 100-200 do 30-80,

–łamacze stożkowe,
- kruszarki bębnowe,
-młyny prętowe,
-młyny kulkowe,

-drobne z 1-80 do <1

-młyny kulkowe

Metody wzbogacania rud:

•

Metody fizyczne :

-metody grawitacyjne,
- metody elektryczne:

- metody elektromagnetyczne,
- metody elektrostatyczne

- metody flotacyjne

•

Metody chemiczne

- WZBOGACANIE GRAWITACYJNE (Wykorzystuje różnice w gęstości pozornej
ziarenek rudy i prędkości ich opadania w powietrzu i w cieczy):

•

PŁUKANIE

•

STRUMIENIOWE

•

W CIECZACH CIĘŻKICH

-WZBOGACANIE ELEKTRYCZNE

•

WZBOGACANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

- SEPARACJA ELEKTROMAGNETYCZNA

•

WZBOGACANIE ELEKTROSTATYCZNE

- SEPARACJA ELEKTRYCZNA

PRZEMIANA ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL (Me)

•

Prażenie w atmosferze redukującej

MexO4 + R

→

MexO(4-a) + ROa

•

Prażenie w atmosferze obojętnej

Mex(CO3)z

→

MexOz + z CO2

Mex(OH)z

→

MexO 0.5z + 0.5z H2O

•

Prażenie w atmosferze utleniającej

MexSw + (0.5z +w) O2

→

MexOz + z SO2

SCALANIE KONCENTRATU –

•

SPIEKANIE KONCETRATU

•

BRYKIETOWANIE KONCETRATU

•

GRUDKOWANIE KONCENTRATU

PROCESY WSTĘPNE:

•

WYDZIELANIE METALU ZE ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL

•

ODDZIELENIE SKAŁY PŁONNEJ OD METALU

Podział procesów wstępnych:

-pirometalurgiczne :

-redukcyjne
-dysocjacji termicznej
-utlenianie

-elektrometalurgiczne

-redukcyjne
-dysocjacji termicznej
-utlenianie

-elektrolityczne (Nierozpuszczalna anoda) MeSO

4

=

→

SO4- - + Me++,

Gdzie Anoda SO

3

+0,5O

2

, Katoda Me

-hydrometalurgiczne

PROCESY REDUKCYJNE -STOSOWANE DO PRZERÓBKI RUD TLENKOWYCH

REDUKTORY: C, CO , H

2

, niektóre metale (Me),

SCHEMAT PROCESU

MeO + R

→

Me + RO

MeA + RMe

→

Me + RMeA

A – dowolny pierwiastek występujący w związku z Me, R - reduktor

PROCESY DYSOCJACJI TERMICZNEJ - SCHEMAT 2MeO

→

Me + O

2

UTLENIANIE - Oddziaływanie na związek MeX tlenem; MeX + O2

→

Me + XO2

PROCESY HYDROMETALURGICZNE :

Etapy:

-ROZPUSZCZANIE (POZWALA NA PRZEPROWADZENIE METALU
WYSTĘPUJĄCEGO W RUDZIE DO ROZTWORU)

ZASADA - METAL ZAWARTY W RUDZIE PRZEPROWADZMY
DO ROZTWORU
SPOSÓB REALIZACJI – ODDZIAŁYWANIE NA RUDĘ

ROZTWORAMI KWASÓW, ZASAD LUB SOLI

- OCZYSZCZENIE ROZTWORU Z ZANIECZYSZCZEŃ

-EKSTRAKCJA Z WYTRĄCANIEM PRZEZ SPECJALNIE
WPROWADZONE DODATKI
- ZASTOSOWANIE ROZPUSZCZALNIKÓW ORGANICZNYCH
-KRYSTALIZACJA

- WYDZIELENIE PIERWIASTKA Z ROZTWORU

STOSOWANE PROCESY

•

WYDZIELENIE Z ROZTWORU NA DRODZE
ELEKTROLIZY

•

CEMENTACJA
CuSO4(liq) + Fe(s)

→

FeSO4(liq) + Cu(s)

•

REDUKCJA CIŚNIENIOWA WODOREM

CuSO4 + H2

→

Cu + H2SO4

PROCESY RAFINACYJNE

cel - usunięcie zanieczyszczeń z metalu uzyskanego w

procesach wstępnych lub w wyniku przetapiania złomu ( recyklingu )
Metal po procesie wstępnym zawiera pewną ilość domieszek ( zwykle zawartość ich waha się
od ułamka procentu do 10% )

Rafinacja metali ma na celu usunięcie domieszek lub

ograniczenie ich zawartości do dopuszczalnej koncentracji

Zanieczyszczenia:

-Metaliczne

-Niezwiązane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Związane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Niemetaliczne

-Niezwiązane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Związane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

KLASYFIKACJA METOD RAFINACJI

-FIZYCZNA

-EKSTRAKCJA

ŻUŻLOWA- wykorzystuje prawo Ernsta które określa warunki

równowagi na granicy dwóch faz

GAZOWA- wykorzystuje prawo Raoulta które określa równowagę

na granicy faz : ciekły metal - gaz

PRÓŻNIOWA- Obniżanie stężenia zanieczyszczenia A w fazie

gazowej sąsiadującej z ciekłym metalem

-ZMIANA STANUSKUPIENIA- Swobodne przechodzenie zanieczyszczeń z

tworzącej się fazy stałej do cieczy wymaga istnienia
wyraźnego frontu krystalizacji
Wykorzystuje zjawiska:

 zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń w

metalu wraz ze zmianą temperatury,

 zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń

podczas przejścia metalu ze stanu ciekłego w
stan stały,

POSTĘPUJĄCA KRYSTALIZACJA
TOPIENIE STREFOWE
DESTYLACJA, REKTYFIKACJA- Wykorzystuje do oddzielenia

zanieczyszczeń z metalu różnicę w prężności par
składników stopu

 PROCES DESTYACJI – gdy rozdzielenie

składników następuje podczas przeprowadzania
ich w stan gazowy

 PROCES REKTYFIKACJI – gdy rozdzielenie

składników następuje podczas ich przechodzenia
ze stanu gazowego w stan stały

-MECHANICZNA

FILTROWANIE-usuwanie stałych wtrąceń z ciekłego metalu; szerokie

zastosowanie przemysłowe

WIBRACJA
ULTRDŹWIĘKI

-ELEKTROLIZA

-CHEMICZNA

-ŻUŻLOWA- do żużla lub do metalu wprowadzamy pierwiastek (R)

charakteryzujący się dużym powinowactwem chemicznym
do zanieczyszczenia

-GAZOWA- DO CIEKŁEGO METALU WDMUCHUJEMY GAZ ( G )

CHARAKTERYZUJĄCY SIĘ DUŻĄ AKTYWNOŚCIĄ W
SOSUNKU DO ZANIECZYSZCZENIA

-PRÓŻNIOWA- WYKORZYSTUJE MOŻLIWOŚĆ URUCHOMIENIA

REAKCJI POPRZEZ OBNIŻENIE CIŚNIENIA
NAD POWIERCHNIĄ CIEKŁEGO METALU

Powierzchnię rozdziału faz <F> może stanowić :

 Swobodna powierzchnia metalu,
 Powierzchnia pęcherzy gazu wprowadzonych do metalu,
 Powierzchnia pęcherzy gazów samoczynnie tworzących się w metalu wskutek

wydzielania się zanieczyszczenia ( wstąpienie zjawiska przesycenia )

Efekt rafinacji można uzyskać:

 Przez przedmuchiwanie ciekłego metalu gazem obojętnym o niskiej koncentracji

zanieczyszczenia A,

 Przez przetrzymanie ciekłego metalu w próżni

PODSTAWOWE STOPY ŻELAZA:



SURÓWKA – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości

C>2%,

 STAL – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2%,
 ŻELIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>2%

przeznaczony na odlewy kształtowe,

 STALIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2%

przeznaczony na odlewy kształtowe,

KLASYFIKACJA STOPÓW ŻELAZA

 WĘGLOWE ( NIESTOPOWE )
 STOPOWE ( ZAWIERAJĄ CELOWO WPROWADZONE DO STOPU

PIERWIASKI W ILOŚCI NAWET DO 30% )

Podstawowe domieszki stopów żelaza:Krzem ( Si ) , Mangan ( Mn ) , Fosfor (P), Siarka (S)

Przebieg procesu wytwarzania stopów żelaza:

Podstawowe rudy żelaza:

 Rudy magnetytowe – zawierają głównie Fe3O4 oraz Fe2O3 ( bogactwo rudy od 45 do

70% Fe)

 Rudy hematytowe – zawierają Fe2O3

( bogactwo rudy od 40 do 65%Fe )

 Rudy limonitowe – zawierają głównie uwodniony tlenek żelaza– mFe2O3• nH2O

(bogactwo rudy od 25 do 50% Fe ),

 Syderyty – zawierają głównie węglan żelazowy – FeCO3 ( bogactwo rudy od 30 do

40% Fe )

Przygotowanie rud do procesu metalurgicznego

Wstępna przeróbka rudy:

- podwyższenie zawartości Fe w rudzie
- sporządzenie koncentratu rudy o odpowiednich właściwościach takich jak

temperatura topnienia, porowatość, wytrzymałość.

Cele te osiąga się przez :mieszanie rud o różnych właściwościach, prażenie

rud, scalanie koncentratu o małej ziarnistości

BUDOWA WIELKIEGO PIECA:

ELEMENTY SKŁADOWE INSTALACJI

 WIELKI PIEC
 NAGRZEWNICE POWIETRZA
 URZĄDZENIA ZAŁAOWCZE
 INSTALACJA ODPROWADZAJĄCA GAZY WIELKOPIECOWE
 URZĄDZENIA DO ODBIORU ŻUŻLA
 URZĄDZENIA DO ODBIORY SURÓWKI

PODSTAWOWE PROCESY

 REDUKCJA TELNKÓW ŻELAZA ZAWARTYCH W KONCENTRACIE

-

FUNKCJĘ PODSTAWOWEGO

REDUKTORA PEŁNI TLENEK

WĘGLA

( CO),

 ODDZIELENIE OTRZYANEGO ŻELAZA OD SKAŁY PŁONNEJ POPRZEZ ICH

STOPIENIE

-

SKŁANIKI SKAŁY PŁONNEJ ZOSTAJĄ ZMAGAZYNOWANE W
ŻUŻLU

PROCES SPALANIA KOKSU

•

SPALANIE ZUPEŁNE

C + O2

→

CO2

•

SPALANIE NIEZUPEŁNE

C + 0.5 O2

→

CO

•

REAKCJA BOUDOUARDA (400 – 950oC)

CO2 + C

→

2CO

REAKCJE REDUKCJI POŚREDNIEJ- REDUKCJA TLENKÓW ŻELAZA W
WIELKIM PIECU PRZEBIEGA STOPNIOWO OD TLENKÓW WYŻSZYCH ( O
WYŻSZEJ ZAWARTOŚCI TLENU ) AŻ DO ŻELAZA METALICZNEGO
T> 573oC

Fe

2

O

3

→

Fe

3

O

4

→

FeO

→

Fe

450 < T < 950oC

3Fe2O3 + CO

→

2Fe3O4 + CO2 - Q

2Fe3O4 + 2CO

→

6FeO + 2CO2 + Q

6FeO + 6CO

→

6Fe + 6CO2 - Q

3Fe2O3 + 9CO

→

6Fe + 9CO2 - Q

T > 950oC

Powyżej 950oC cały powstały CO2 przechodzi w CO
REAKCJA REDUKCJI BEZPOŚREDNIEJ
FeO + CO

→

Fe + CO2 + Q

CO2 + C

→

2CO – Q

___________________________
FeO + C

→

Fe + CO - Q

UWAGA ! Niesłusznie odnosi się wrażenie, że reduktorem jest węgiel

WYNIK REDUKCJI TLENKÓW W PROCESIE WIELKOPIECOWYM

(Obecność Mn , Si i P w surówce):

 Si

SiO2 + 2C

→

Si + 2CO + Q

Podstawowym źródłem siarki ( S ) jest koks ( zawiera do 1,2%S )
Formy występowania siarki

- FeS – rozpuszczony w surówce,
- MnS – tylko częściowo rozpuszczony w surówce
- CaS oraz MgS – rozpuszczone w żużlu

 Mn

MnO + C

→

Mn + CO + Q

 P

P2O5 + 5C

→

2P + 5CO + Q

Proces odsiarczania surówki

 Wymaga istnienia nadmiaru niezwiązanych tlenków CaO lub MgO w żużlu

( zasadowość żużla mierzona stosunkiem CaO/ SiO2= 1.2 – 1.3 )

 Musi być zapewniona odpowiednia masa żużla
 Odpowiednie warunki termiczne w dolnej części wielkiego pieca ( reakcja

endotermiczna )

 Atmosfera w wielkim piecu musi być redukująca ( obecność CO)
 Reakcja odsiarczania

FeS +CaO + C

→

Fe + CaS + CO +Q

MnS +CaO + C

→

Mn + CaS+CO+ Q

Warunki przebiegu

- żużel zasadowy ( CaO/SiO2>1.2 )
- atmosfera redukująca
- wysoka temperatura ( reakcja endotermiczna)

Bilans materiałowy(1 t surówki ):

Materiały wsadowe

 Ruda

- 2.0-2.5 t

 Koks

- 1.0 t

 Topniki - 0.5 t
 Powietrze-(T=1100oC p=0.2-0.3MPa)

Produkty

 Surówka - 1t
 Żużel

- 0.6t,

 Pyły

- 0.08t

 Gaz WP - 3250 Nm3

Klasyfikacja surówek :

 SURÓWKI ODLEWNICZE

-

HEMATYTOWA (H)

-

NORMALNA (N)

-

FOSFOROWA (F)

-

NA WALCE ( W)

 SURÓWKI PRZERÓBCZE

PRZERÓBCZA ( P1)
PRZERÓBCZA ( P2 )

METODY REDUKCJI BEZPOŚREDNIEJ- POZWLAJĄ NA OTRZYMANIE
CZYSTEGO ŻELAZA W STANIE STAŁYM ( GĄBKA ŻELAZNA )
REDUKTORAMI TLENKÓW ŻELAZA W TYCH PROCESACH SĄ :

- H

2

- CH

4

- CO

Proces Midrex proces redukcji rud żelaza za pomocą mieszaniny składającej się z gazu
ziemnego i odlotowego gazu tzw. gardzielowego z samego procesu Midrex. Piec redukcyjny
jest piecem szybowym pionowym na górze zaopatrzonym w zamykaną gardziel, na dole w
system odbioru żelaza gąbczastego w postaci grudek.

PROCESY STALOWNICZE- OBNIŻENIE ZAWARTOŚCI WĘGLA W CIEKŁEJ
SURÓWCE; Procesy wytapiania stali: SURÓWKOWY, SURÓWKOWO- ZŁOMOWY,
ZŁOMOWY

ETAPY PROCESU STALOWNICZEGO:
ŁADOWANIE PIECA - TOPIENIE WSADU

 ŁADUJEMY DO PIECA WSAD ZŁOŻONY Z CIEKŁEJ LUB STAŁEJ SURÓWKI

I ZŁOMU STALOWEGO ORAZ TOPNIKI

 PZEGRZEWAMY METAL DO ZAŁOŻONEJ TEMPERATURY
 ŚCIĄGAMY Z POWIERZCHNI CIEKŁEGO METALU ŻUŻEL OKRESU

ROZTAPIANIA

UTLENIANIE METALU ( ŚWIEŻENIE )

Dodawanie do ciekłego metalu rudy i tlenu
- UTLENIANIE ŻELAZA

Fe + 0.5O2

→

FeO

- UTLENIANIE MANGANU

Mn + FeO

→

Fe + MnO

- UTLENIANIE KRZEMU

Si + 2FeO

→

2Fe + SiO2

- UTLENIANIE WĘGLA

C + FeO

→

Fe + {CO}

KORZYSTNE EFEKTY PROCESU GOTOWANIA

 WYRÓWNANIE TEMPERATURY W OBJĘTOŚCI CIEKŁEGO

METALU,

 UŁATWIONY TRANSPORT WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYC DO

ŻUŻLA

 SILNE ODGAZOWANIE CIEKŁEGO METALU
 UJEDNORODNIENIE SKŁADU CHEMICZNEGO CIEKŁEGO

METALU

PROCES ODFOSFOROWANIA

WARUNKI REALIZACJI PROCESU ODFOSFOROWANIA

 ŻUŻEL ZASADOWY,
 ATMOSFERA UTLENIAJĄCA (DUŻO FeO W METALU )
 NISKA TEMPERATURA

RAFINACJA METALU ( ODTLENIANIE )

- ODTLENIENIE STALI
- ODSIARCZENIE

FeS + CaO + C

→

Fe + CaS + CO

Warunki przebiegu :

- żużel zasadowy ( wolne CaO )
- atmosfera redukująca,
- wysoka temperatura

- KOREKTA SKŁADU CHEMICZNEGO

SPOSOBY ODTLENIANIA STALI
ODTLENIANIE OSADOWE

-

Polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu pierwiastków
charakteryzujących się większym powinowactwem chemicznych do
tlenu niż żelazo

-

Jako odtleniacze stosujemy takie pierwiastki jak Mn , Si , Ti , Ca i
inne

-

– Schemat procesu FeO + X

→

Fe + XO

ODTLENIANIE DYFUZYJNE

SPUST -ODTLENIANIE KOŃCOWE

Po uzyskaniu założonej temperatury i składu chemicznego :
- Przeprowadzam spust metalu do kadzi
- Przeprowadzamy odtlenianie końcowe stali w kadzi przez dodanie aluminium
hutniczego w ilości 0.5 – 1.0 kg Al. / t stali

Podstawowe procesy stalownicze:

 KONWERTOR TLENOWY ( PROCES LD )
 PIEC ELEKTRYCZNY ŁUKOWY

Konwertor Tlenowy- kolejność operacji:

- ładowanie złomu
- zalewanie ciekłą surówką
- dmuch tlenem
- ładowanie dodatków
- spust stali

Konwertor Tlenowy - BUDOWA

PIECE ELEKTRYCZNE

-ŁUKOWE BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
-ŁUKOWE POŚREDNIEGO DZIAŁANIA
-PIECE INDUKCYJNE BEZRDZENIOWE

Piece łukowe elektryczne

 Podstawowy agregat do wytopu stali nisko- i wysokostopowych,
 Pojemność do 250 t
 Najczęściej posiadają wyłożenie ogniotrwałe o charakterze chemicznym –

zasadowym ( umożliwiają realizację procesu odfosforowania i odsiarczania )

ŻELIWO – STOP ŻELAZA Z WĘGLEM I INNYMI PIERWIASTKAMI O
ZAWARTOŚCI WĘGLA POWYŻEJ 2% O TAKIM SKŁADZIE CHEMICZNYM , KTÓRY
ZAPEWNIA KRZEPNIĘCIE W KOŃCOWYM ETAPIE FAZY CIEKŁEJ W
TEMPERATURZE EUTEKTYCZNEJ, PRZEZNACZONY DO WYKONYWANIA
ODLEWÓW KSZTAŁTOWYCH

FORMY WYSTĘPOWANIAWĘGLA W ŻELIWIE –

 CEMENTYT – Fe3C
 GRAFIT
 WĘGIEL ŻARZENIA

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA STRUKTURĘ:

•

SKŁAD CHEMICZNY

•

SZYBKOŚĆ STUDZENIA ODLEWU

KLASYFIKACJA
wg formy występowania węgla :

 ŻELIWO SZARE – WĘGIEL W POSTACI GRAFITU
 ŻELIWO BIAŁE – WĘGIEL W POSTACI CEMENTYTU ( Fe3C )
 ŻELIWO POŁOWICZNE ( PSTRE ) – WĘGIEL JEDNOCZEŚNIE W POSTACI

GRAFITU I CEMENTYTU

wg PN:

 żeliwo szare maszynowe,
 żeliwo sferoidalne,
 żeliwo ciągliwe,
 żeliwo stopowe

Żeliwo szare maszynowe

-

dobre właściwości odlewnicze ( dobra lejność, mały skurcz )

-

prosta technologia topienia,

-

dobra skrawalność,

-

dobra odporność na ścieranie i dobre właściwości ślizgowe,

-

naturalna zdolność do tłumienia drgań,

-

odporność na działanie szeregu czynników chemicznych (soda, ług sodowy, ług
potasowy, kwas siarkowy, kwas azotowy, woda, ziemia )

-

niskie koszty wytwarzania

- Dzieli się na gatunki zależnie od Rm(MPa)

Zawartość eutektyczna węgla

Zależy od zawartości :
 Węgla
 Krzemu
 Manganu
 Fosforu
 Siarki

Żeliwo modyfikowane

–

Aby uzyskać Rm

≥

250 MPa należy przeprowadzić zabieg

modyfikacji, otrzymujemy poprzez zabieg polegający na dodaniu do ciekłego żeliwa
specjalnych dodatków zwanych modyfikatorami

Efekt:
 rozdrobnienie struktury

 rozdrobnienie i zwiększenie ilości wydzieleń grafitu

Modyfikatory:

Modyfikatory proste :

Ca, Al , C grafit , Ba, Sr

Modyfikatory złożone :

Fe-Si (75%), Ca-Si, Fe-Si-Mn-Zr

Sposoby realizacji zabiegu modyfikacji :

 Dozowanie modyfikatora na rynnie podczas spustu ciekłego żeliwa z pieca

(zastosowanie różnego typu dozowników ),

 Modyfikacja prętowa,
 Modyfikacja w zbiorniku układu wlewowego,
 Metoda przewodu elastycznego,
 Metoda modyfikacji w formie „ in mould ”

WYTAPIANIE ŻELIWA

•

Wytapianie w żeliwiakach ,

•

Wytapianie w piecach elektrycznych

indukcyjnych,

•

Wytapianie w piecach elektrycznych

łukowych

Materiały wsadowe metalowe

•

Surówka odlewnicza,

•

Złom handlowy żeliwny,

•

Złom handlowy stalowy,

•

Złom własny ( obiegowy ) żeliwny,

•

Złom własny ( obiegowy ) staliwny lub

stalowy

Paliwo w procesie żeliwiakowym- Koks odlewniczy zwykły lub formowany o odpowiedniej
granulacji, zawartości popiołu i siarki,Zawartość siarki w koksie – 0.7 – 1,0 % S; Zużycie
koksu ( rozchód koksu ) – 12-14kg na 100 kg wsadu metalowego

Materiały żużlotwórcze- Podstawowym materiałem żużlotwórczym stosowanym w procesie
żeliwiakowym jest kamień wapienny ( CaCO3) odpowiedniej granulacji.
Funkcja żużla :

-

magazynuje produkty reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu topienia,

-

magazynuje produkty pozostałe po procesie spalania koksu (popiół )

Masa materiałów żużlotwórczych – 30-40% masy koksu

Wady procesu żeliwiakowego

 niska temperatura ciekłego żeliwa na rynnie spustowej,
 trudna płynna regulacja składu chemicznego żeliwa,
 emisja niekorzystnych gazów i pyłów do otaczającego środowiska ,
 krótki czas pracy między kolejnymi remontami bieżącymi pieca ( ciągła praca przez 8

– 10 godz. )

Żeliwo sferoidalne jest to gatunek żeliwa w którym grafit występuje w postaci kulkowej
Klasyfikacja np. 37017

Metody wytwarzania

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego

ceru lub jego stopów,

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego

magnezu lub jego stopów,

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym stopu magnezu (7-8%

Mg) z metalami ziem rzadkich,

Skład chemiczny

 posiada wyższą zawartość węgla i krzemu,
 posiada ograniczoną do 0.02% zawartość siarki,
 zawartość fosforu i manganu zależy od rodzaju osnowy metalowej ( dla struktury

ferrytycznej-jest najmniejsza )

URZĄDZENIA DO SFEROIDYZACJI

 AUTOKLAW
 KONWERTOR
 KADŹ „SMUKŁA”
 SFEROIDYZACJA METODĄ DRUTOWĄ

ŻELIWO CIĄGLIWE

W zależności od atmosfery w której prowadzi się proces wyżarzania odlewów z żeliwa
białego otrzymujemy:

 żeliwo białe gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze utleniajacej, klasyfikacja np

W-35-04

 żeliwo czarne gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze obojętnej

klasyfikacja np. B 30-06, P 45-06

ALUMINIUM

- GĘSTOŚĆ - 2.7 g / cm3
- TEMPERATURA TOPNIENIA

- 660oC

- TEMPERATURA WRZENIA

- 2000oC

- DOBRE PRZEWODNICTWO
CIEPŁA I ELEKTRYCZNOŚCI
- POWIERZCHNIA PASYWUJE
SIĘ WARSTEWKĄ Al2O3
- DOBRA ODPORNOŚĆ NA KOROZJĘ

Zanieczyszczenia:

-

tlenki, wodorotlenki i krzemiany Fe ,

-

krzem w postaci kwarcu , opalu i kaolinitu,

-

węglany Ca i Mg

-

związki takich pierwiastków jak – Na, K, Zr, Cr, Ti, P, S, V

METODY OTRZYMYWANIA :

- METODY ALKALICZNE ( METODA BAYERA ),

1. WIĄZANIE Al ZA POMOCĄ ŁUGÓW ( NaOH i

NaCO3 ) W ROZPUSZCZALNY W WODZIE GLINIAN
SODOWY - (NaAlO2)

2. ODDZIELENIE „ CZERWONEGO SZLAMU ”

ZAWIERAJĄCEGO TLENKI DOMIESZEK I
WODOROTLENKI Si

3. WYDZIELENIE Z ROZTWORU CZYSTEGO Al(OH)3
4. PRAŻENIE Al(OH)3

→

POZYSKANIE Al2O3

- METODY KWAŚNE,

1. DZIAŁANIE NA RUDĘ ROZTWOREM KWASÓW

NIEORGANICZNYCH ( H

2

SO

4

, HCl , HNO

3

)

2. OTRZYMANIE SOLI ZAWIERAJĄCYCH Al TAKICH JAK

- Al2(SO

4

)

3

, AlCl

3

, Al (NO

3

)

3

3. ROZKŁAD SOLI Z WYDZIELENIEM - Al(OH)

3

4. PRAŻENIE Al(OH)

3

W CELU OTRZYMANIA

TECHNICZNEGO Al

2

O

3

- METODY ELEKTROTERMICZNE -STOPIENIE BOKSYTU Z WĘGLEM

W PIECACH ELEKTRYCZNYCH W CELU
REDUKOWANIA DOMIESZEK I UZYSKANIA
STOPIONEGO Al

2

O

3

; UWAGA!!! -PROCES WYMAGA

ZUŻYCIA DUŻEJ ILOŚCI ENERGII - BARDZO RZADKO
STOSOWANY

PROCES PRZEMYSŁOWY WYTWARZANIA ALUMINIUM I JEGO STOPÓW

WYTWARZANIE Al

2

0

3

- METODA BAYERA

1 ŁUGOWANIE BOKSYTU WODNYM ROZTWOREM NaOH
2

DEKANTACJA WODNEGO ROZTWORU GLINIANU SODOWEGO – NaAlO

2

3

KRYSTALIZACJA WODOROTLENKU GLINU Z ROZTWORU

4

PRZEMYWANIE I SUSZENIE KRYSZTAŁÓW

5

PRAŻENIE Al(OH)

3

– TECHNICZNY Al

2

O

3

ELEKTROLIZA TLENKU GLINU

 TEMPERATURA PROCESU -

∼

960oC

 ELEKTROLIT:

- Al

2

O

3

- 8 – 10%

- Na

3

AlF

6

(KRIOLIT) -

∼

80%

- AlF

3

- 4 – 8%

- CaF

2

- 2 – 7%

ALUMINIUM Z ELEKTROLIZERA( CZYSTOŚĆ – 98 – 99.4 % Al)

 ZANIECZYSZCZENIA :
 DOMIESZKI NIEMETALICZNE (elektrolit , Al2O3, cząstki elektrod- węgiel)
 DOMIESZKI METALICZNE ( takie pierwiastki jak Fe, Si, Ti, Na i Ca – pochodzące

z surowca )

 DOMIESZKI GAZOWE ( zwłaszcza wodór pochodzący z elektrolitycznego

rozkładu wody–ok. 0.2 cm3H / 1cm3 Al )

RAFINACJA ALUMINIUM Z ELEKTROLIZERA

 RAFINACJA OGNIOWA
 RAFINACJA ELEKTROLITYCZNA

RAFINACJA OGNIOWA-CZYSTOŚĆ 99,9% Al. ( PIECE TRZONOWE )

1. USUWANIE TLENKÓW:

- OBRÓBKA CIEKŁEGO METALU ŻUŻLEM NA BAZIE CHLORKÓW I
FLUORKÓW
- FILTROWANIE

2. USUWANIE WODORU Z CIEKŁEGO ALUMINIUM:

- PRZEDMUCHIWANIE CIEKŁEGO METALU GAZEM OBOJĘTNYM
( ARGON )
- PRZEDMUHIWANIE CIEKŁEGO METALU GAZEM

AKTYWNYM ( CHLOR

→

POWSTAJE AlCl3(g) )

3. USUWANIE ŻELAZA ( PRZTRZYMANIE METALU W PIECU - ODSTANIE
METALU )

RAFINACJA ELEKTROLOTYCZNA – CZYSTOŚĆ – 99.99%
( METODA TRZECH WARSTW )

1 ALUMINIUM RAFINOWANE
2 ELEKTROLIT
3 STOP ANODOWY

MIEDŹ (Cu)

- GĘSTOŚĆ

- 8,93 g/cm3

- TEMEPERATURA TOPNIENIA - 1083oC
- TEMPERATURA WRZENIA

- 2380oC

- DOBRE PRZEWODNICTWO CIEPŁA
I ELEKTRYCZNOŚCI
- NA POWIETRZU POKRYWA SIĘ CIENKĄ
WARSTEWKĄ SOLI ZASADOWYCH – tzw.
„ patyną „

RUDY BARDZO UBOGIE ( 1-3% Cu ) i SILNIE ZANIECZYSZCZONE ŻELAZEM
( FeS ) I SIARKĄ ( Cu2S ):
SIARCZKOWE

- CHALKOPIRYT

- CuFeS2

- CHALKOZYN

- Cu2S

- KOWELIN

- CuS

TLENKOWE

- MALACHIT

- CuCO3

•

Cu(OH)2

- CHRYZOKOL

- CuSiO3

•

2H2O

- KUPRYT

- CuO2

- AZURYT

- 2CuCO3

•

Cu(OH)2

PROCES OTRZYMYWANIA MIEDZI Z RUD SIARCZKOWYCH METODĄ
PIROMETALURGICZNĄ
– WYTAPIANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

SKŁAD WSADU:
- KONCENTRAT RUDY
- PIASEK KWARCOWY ( TOPNIK )
- KOKS ( PALIWO )

- 4 – 12 %

– KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

CEL PROCESU
- DALSZE ZMNIEJSZENIE KONCETRACJI ŻELAZA
- DALSZE ZMNIEJSZENIE KONCENTRACJI SIARKI
- ODDZIELENIE ŻUŻLA
powstaje MIEDŹ SUROWA – MIEDŹ CZARNA

98 – 99 % miedz, reszta

zanieczyszczenia

-RAFINACJA OGNIOWA MIEDZI

CEL PROCESU:
- USUNIĘCIE ZANIECZYSZCZEŃ
- ODGAZOWANIE

MAGNEZ

 Temperatura topnienia

- 651oC

 Temperatura wrzenia - 1107oC
 Gęstość - 1.75 g/cm3
 Pierwiastek metaliczny o bardzo małej gęstości
 Używany do produkcji stopów Mg i Al

Podstawowe rudy magnezu

 Magnezyt ( MgCO3)

-28.8%Mg

 Dolomit ( MgCO3

•

CaCO3 )-13.2%Mg

 Karnalit ( MgCl2

•

KCl

•

6H2O)- 8.8%Mg

 Woda morska (MgCl2 ,MgSO4)-0.14%Mg

PROCESY OTRZYMYWANIA MAGNEZU

 PROCES PIROMETALURGICZNY

( REDUKCJA TLENKÓW MAGNEZU
W WYSOKIEJ TEMPERATURZE )

 ELEKTROLIZA CHLORKU MAGNEZU

TRUDNOŚCI PRODUKCYJNE

 CIEKŁY MAGNEZ JEST BARDZO LEKKI

- 1.58 g/cm3 w T = 700oC

 JEST LŻEJSZY OD ELEKTROLITU

(GROMAZI SIĘ NA POWIERZCHNI ELEKTROLITU)

 GWAŁTOWNIE REAGUJE Z TLENEM

( PALI SIĘ GDY T

≥

T TOPNIENIA )

 NALEŻY UTRZYMYWAĆ TEMPERATURĘ CIEKŁEGO MAGNEZU PONIŻEJ

700oC

PROCES REDUKCJI TERMICZNEJ

1

RUDY WĘGLANOWE

2

ROZKŁAD RUD WĘGLANOWYCH NA TLENKI PRAŻENIE

3 REDUKCJA TLENKÓW MAGNEZU PRZY OBNIŻONYM CIŚNIENIU
( REDUKTOREM W PROCESIE JEST MIELONY ŻELAZOKRZEM )
4 KONDENSACJA PAR MAGNEZU

CYNK

- GĘSTOŚĆ

- 7.13 g/cm3

- TEMEPERATURA TOPNIENIA - 419oC
- TEMPERATURA WRZENIA

- 907oC

- W TEMPERATURZE - T= 500 – 510oC SPALA SIĘ JASKRAWYM

ZIELONKAWYM PŁOMIENIEM DO ZnO

- W WYŻSZYCH TEMPERATURACH CYNK UTLENIA SIĘ CO2 I PARĄ

WODNĄ H2O

ZAKRES ZASTOS0WANIA

 SKŁADIK STOPOWY STOPÓW ODLEWNICZYCH (STOPY Al,Cu i Mg )
 STOPY CYNKU ( „ZNALE” )
 PRZEMYSŁ MOTORYZACYJNY

( ODLEWY GAŹNIKÓW, POMP OLEJOWYCH, WENTYLATORÓW )

 POWŁOKI KOROZYJNE NA WYROBACH ZE STOPÓW Fe

PODSTAWOWE RUDY CYNKU

1. RUDY SIARCZKOWE:

BLENDA CYNKOWA ( SFALERYT ) ZAWIERA:
- PODSTAWOWY SKŁADNIK

- ZnS

- DRUGI PODSTAWOWY SKŁADNIK – PbS
- ZWIĄZKI Cd, Cu, As i Sn,
- DOMIESZKI METALI SZLACHETNYCH
TAKICH JAK Au, Ag, Se, Te, In, Ga, Ge

2. RUDY WĘGLANOWE

GALNAN CYNKOWY ( ZnCO3) Z DODATKIEM

WĘGLANÓW ŻELAZA I OŁOWIU

SPOSOBY WZBOGACANIA UBOGICH RUD CYNKOWYCH
RUDA CYNKU -> ROZDRABNIANIE -> FLOTACJA lub PRAŻENIE W PIECACH
PRZEWAŁOWYCH -> SCALANIE

Cel procesu wzbogacania rud cynku

 usunięcie skały płonnej
 przeprowadzenie metali występujących w rudzie w tlenki ( ZnO, PbO )
 przygotowanie wzbogaconej rudy do procesu metalurgicznego

OBRÓBKA POZAPIECOWA STALI

 Podwyższenie jakości stopu
 Obniżenie ilości energii zużywanej do wytopienia 1 kg stali

Zabiegi możliwe do zrealizowania

 Odtlenienie stali ( staliwa)
 Odwęglenie stali
 Odgazowanie
 Odfosforowanie i odsiarczenie stali
 Wprowadzenie dodatków:

- modyfikujących strukturę
- zwiększenie zawartości pierwiastków

stopowych

Zabiegi obróbki pozapiecowej stali dzielą się na zabiegi realizowane przy :
- ciśnieniu atmosferycznym

-ODTLENIANIE OSADOWE- Wprowadzenie do ciekłego metalu po spuście

do kadzi odtleniacza

-Argonowanie stali -ujednorodnienie składu chemicznego

-Zmniejszenie zawartości gazów ( H,N )
-Zmniejszenie zawartości wtrąceń niemetalicznych i
-zmiana ich morfologii

-Obróbka ciekłego metalu żużlem syntetycznym

Ciekły metal przelewamy do kadzi w której znajduje się ciekły żużel
Syntetyczny o składzie : CaO- 55% + Al2O3- 45 %

Spustu metalu dokonujemy z wysokości ok. 3m w celu zapewnienia
dobrego wymieszania metalu z żużlem

Sprawność procesu odsiarczania –ok.80%
Końcowa zawartość siarki poniżej 50 ppm
Obniżenie zawartości wtrąceń niemetalicznych 2-3 razy

-Proces AOD Argon Oxygen Decarburisation

 Przedmuchiwanie ciekłej stali mieszaniną argonu i tlenu
 Produkcja stali Cr-Ni o zawartości węgla poniżej 0,03 %C
 Odsiarczenie staliwa

- ciśnieniu obniżonym ( w próżni)

-Wdmuchiwanie sproszkowanych materiałów do stali

Możliwe zabiegi :
-Zwiększenie zawartości węgla w stali
-Obniżenie zawartości fosforu
-Obniżenie zawartości siarki i modyfikacja morfologii
wydzieleń siarczków w stali
-Obniżenie zawartości tlenu - odtlenienie

-Argonowanie stali

 Obniżenie koncentracji wodoru H ( do 80% )
 Obniżenie zawartości siarki poniżej 20 ppm
 Obniżenie koncentracji azotu N ( o 20-40% )
 Efektywna flotacja WN
 Wyrównanie składu chemicznego w całej objętości ciekłego metalu
 Małe nakłady inwestycyjne na zakup urządzenia

-

Odgazowanie recyrkulacyjne

 Szybki proces odtlenienia stali
 Szybkie odwęglenie do zawartość C=15ppm
 Dobra homogenizacja ciekłego metalu
 Odgazowanie ( H<1.5 ppm ,N<30ppm )
 Duży uzysk wprowadzanych dodatków stopowych
 Dobre oczyszczenie metalu z WN

-Odgazowanie recyrkulacyjne połączone z dmuchem tlenem

 Wszystkie zalety poprzedniego rozwiązania
 Pozwala na głębsze odwęglenie
 Wyższa temperatura metalu w kadzi dzięki procesowi dopalania

CO na CO2 w objętości urządzenia,

 Brak konieczności przedmuchiwania argonem
 Szczególnie przydatny prace do wytwarzania niskowęglowego

staliwa Cr-Ni

 Możliwość regulacji temperatury metalu w kadzi na drodze grzania

chemicznego

-

Odgazowanie w kadzi

 Odgazowanie ( H i N )
 Odtlenienie
 Odwęglenie ( C< 20 ppm )
 Odsiarczenie ( S < 20 ppm )
 Ograniczenie zawartości WN
 Niskie koszty inwestycyjne

-Proces VOD Vacuum Oxygen Decarburisation

Proces odwęglenie realizujemy bazując na przebiegu reakcji
zachodzącej w ciekłym metalu[C] + [O] = { CO }

 Stal wyjściowa o zawartości C=0.5-1.0%,
 metal przedmuchujemy tlenem przy ciśnieniu 50 – 150 mbar
 Po zakończeniu procesu utleniania obniżamy ciśnienie do 1

mbar

 redukcja tlenku chromu z żużla przez dodanie na jego

powierzchnię sproszkowanego Fe-Si lub Al.

 Odłączenie układu próżniowego i spust

-Obróbka ciekłej stali w piecu kadziowym

 Zwiększenie wydajności stalowni,
 Możliwość spustu metalu o niższej temperaturze
 Możliwość uzyskania niskiej koncentracji tlenu ( 20 – 30 ppm )
 Obniżenie zawartości H ( 1-2.5 ppm )
 Możliwość odsiarczenia metalu żużlem syntetycznym do

zawartości S= 30-50 ppm przy sprawności procesu

η

= 80%

 Możliwość płynnej regulacji temperatury ciekłego metalu
 Możliwość modyfikacji stopu poprzez wdmuchiwanie proszków

lub wprowadzenie do metalu przewodu elastycznego

-

Grzanie chemiczne