Techniki wytwarzania. Wykłady-

PRZETWÓRSTWO STALI

W Mechanice i Budowie Maszyn najczęściej używa się stopów stali i żelaza.

Wytwarzanie ≠ produkowanie

Wytwarzanie to zmiana parametrów wyrobu. Jest to pojęcie techniczne.
Produkowanie to pojęcie ekonomiczne.

Do systemu wytwórczego potrzebujemy surowców i materiałów oraz energii. Należy
pamiętać, że w magazynie powinno być tyle surowca, by zapewnić ciągłość produkcji, a na
wyjściu z procesu wytwórczego powinno być tyle produktów, by utrzymać ciągłą sprzedaż.

System wytwórczy jest systemem ciągłym, to znaczy, że np. uruchamiamy maszynę i ona
pracuje bez przerwy przez kilka lat.

Wytwarzanie w hucie

Przykład: Huta „Katowice”



Walcowanie na gorąco



Ruda sprowadzana jest z Rosji i Ukrainy(można rozładować tam w ciągu dnia 130 tys.
ton surowca)

-rudy mieszane są z innymi metalami



Spiekalnia- tu wędrują starannie dobrane materiały



Wielkie Piece-materiał sypie się od góry, z gardzieli. Temperatura max. To 2300

o

C



Żużel odpływa osobnym korytem



Wydajność Wielkiego Pieca wynosi do 430 ton/dobę



W stalowni stal jest argonowana i odsiarczana

-odlewnie-ich wydajność wynosi ok. 3 mln ton/rok- COS



Defektotron+ kontrola falami – kontrola jakości.

-nadzór potrzebny w sposób ciągły
-czas wytwarzania stali w konwertorach He… - 40 minut
-urządzenia lubią pracować w podobnych warunkach chemicznych- bez szoków

termicznych

-w piecach elektrycznych 100% wsadu stanowi złom
-najbardziej zanieczyszczają środowisko spiekalnie, Wielki Piec, stalownia.

Omówienie schematu:

1. Rudy używane w tej hucie są drobnoziarniste(dostarczane w formie koncentratu-
wzbogacanie zachodzi w kopalni).
-do wiązania potrzebny jest węgiel lub koks
-spiekalnia jest po to, by zmienić konsystencję surowca(warstwami usypuje się potrzebne
materiały-topniki, pyły żelazonośne)
-Wielki Piec od fundamentu do samej góry ma ok. 100m

2. Procesy produkcji metali:
Metale w przyrodzie występują najczęściej w postaci związków chemicznych jako tlenki lub
siarczki, węglany. Wyjątek stanowi złoto.
-materiały, w których występują metale nazywamy rudami. W rudach występują także inne
związki stanowiące tzw. skałę płonną, m.in. Al

2

O

3

, tlenki krzemu, wapnia.

Prosta zasada działania produkcji:

1. Oddzielenie skały płonnej od związków metali

2. Wydzielenie metalu ze związków

-topniki pozwalają obniżyć temperaturę topliwości skał płonnych i ułatwiają oddzielenie jej
od związków metalu, np. CaO-wapno, lub CaCO

3

-kamień wapienny

-temperatura topliwości skały płonnej zależy od jej składu chemicznego oraz stosunków
ilościowych pomiędzy różnymi tlenkami.

-odpady żelazonośne powstające w hucie są przez nią ponownie wykorzystywanie-niemal w
100%

3.Taśma spiekalnicza- metalowe wózki, które się przemieszczają na kółkach.
-grudkowanie- zrasza się drobnoziarnisty materiał, by nie przelatywał przez ruszt taśmy
spiekalniczej
-odciągi ciepła nad taśmą i odciągi gazów pod spiekiem
-na końcu jest rozdrabniacz- spiek jest przesiewany, jeśli coś przeleci nie jest
wykorzystywane w piecu i wraca do grudkowania
- po rozdrobnieniu spiek ma temperaturę 80-100

o

C, można spiek transportować gumowymi

taśmami do Wielkiego Pieca(chłodnie karuzelowe)
- przed spiekaniem mieszanka jest usypywana w taki sposób, by po wypaleniu mieć
konkretny skład chemiczny.

Taśma spiekalnicza:

4. Produkcja surówki:

Własności czyste Fe: temperatura topnienia: 1538

o

C

ciężar wł.: 7,86 g/cm

3

5. Proces wielkopiecowy.
- potrzebny spiek żelazonośny i koks
-inicjatorem reakcji jest gorące powietrze(„gorący dmuch”) wdmuchiwane od dołu
-załadunek pieca od góry taśmą, z dołu odbieramy surówkę i żużel
-gorące powietrze w nagrzewnicach Coopera
- otrzymujemy surówkę wielkopiecową, żużel i gaz wielkopiecowy(wykorzystywany później
w nagrzewnicach)
- gaz wielkopiecowy odsysany od góry do osadnika, oczyszczany i spalany

Przekrój Wielkiego Pieca.
- samo naczynie ma 46m, a z narzędziami „peryferyjnymi” ponad 100m.
- własny fundament, konstrukcja samonośna
- ściana pieca składa się z 3 warstw:

-na dole temperatura jest najniższa i tam wyłożone są płyty grafitowe
-chłodnice są po to, by pancerz się za bardzo nie rozszerzał

- w pancerzu są rury z wodą(rury w żeliwnej płycie), które chłodzą pancerz-by się nie
przegrzewał, by nie było zbędnych naprężeń, woda musi być zdemineralizowana.
- każda chłodnia ma własne zasilanie, żeby łatwiej dało się sprawdzać efektywność pracy
każdej z nich
-wokół pieca biegnie wielka rura o średnicy 160cm, która doprowadza do pieca gorące
powietrze-rura jest taka gruba, bo ma wymurówkę ogniotrwałą.

- jeżeli w piecu robią się zawały(kiedy jama spieku się zawali), to zasypuje się je spiekiem

System zamknięć Wielkiego Pieca- system Wurtha – 2 śluzy
-rynna zasypowa- obraca się wokół własnej osi i zmienia kąt nachylenia-daje to lepsze
rozmieszczenie materiału u piecu
- co 45 minut następuje odbiór materiału z dołu pieca(dół gara-surówka, góra-żużel, nad
surówką)


Rozkład stref w WP:

-w miejscu, gdzie jest otwór spustowy nie ma zaworów ani wymurówki

Co ważne- kąty α i β tak są
ustawione, by spływający materiał
nie ścierał wymurówki

Legenda:
1. Nadmuch gorącego powietrza
2. Strefa topienia
3. Strefa redukcji FeO
4. Strefa redukcji Fe

2

O

3

5. Strefa wstępnego nagrzewania
6. Zasilanie pieca wsadem
7. Gazy wylotowe
8. Kolumna wsadu
9.

Żużel

10. Surówka
11. Wylot gazu wielkopiecowego

-za każdym razem wypala się otwór na nowo(wprowadza się rurę stalową, ona się stapia,
nawierca się otwór)
-są osobne koryta spustowe dla surówki i żużlu. Koryta dla surówki są przykryte, by nie
zmieniła ona składu chemicznego.
-po zakończeniu spustu zamyka się otwór-podjeżdża zatykarka, która wlewa do otworu masę
formerską- stygnie ona w kontakcie z wysoka temperaturą
-surówka z pieca jest zlewana do naczyń-surówkowóz (umożliwia transport ciekłego metalu)

Temperatury w Wielkim Piecu:



Gardziel – 200 °C



Szyb – 400 °C



Przestron – 850 °C



Spad – 1200 °C



Gar – 1800 °C

Omówienie huty zintegrowanej

:

1. Stalownia

- w hutach zintegrowanych stalownie są konwertorowe



konwertor tlenowy- stosowane są od 150 lat



pierwsze konwertory do świeżenia używały powietrza. Różniły się materiałem, z

którego wykonana była podmurówka konwertora- konwertor Besemerowski i
Thomasowski

- Besemer- materiały miały odczyn kwaśny

- Thomas- materiały miały odczyn kwaśny



kwaśna podmurówka negatywnie wpływała na stal- buł duży rygor dotyczący
materiału wsadowego



w Thomasowskim był mniejszy rygor dotyczący wsadu

- azot z powietrza źle wpływał na stal- była twarda, krucha, traci plastyczność
-do świeżenia w powietrzu potrzebny był tylko tlen



konwertory LD(konstruktorzy Lietz-Donowitz) używają do świeżenia tlenu .

Wykorzystują „gorący dmuch” od góry, z tlenem. Ten typ stosowany jest obecnie.

2. Surówka wielkopiecowa

- jest to stop żelaza z węglem, o zawartości węgla 3,5-4,5%. W

surówce wielkopiecowej występują także takie pierwiastki jak: Mn, Si, P, S w ilości 2-3%

3. Definicja stali

.

Stalą

nazywamy stop żelaza z węglem o zawartości węgla < 1,75%, najczęściej poniżej 0,8%

i innych pierwiastków-Mn, Si, P, S.

miało to wpływ na stal



Im wyższa zawartość węgla w stali, tym jest ona twardsza, mniej plastyczna. Powyżej
1,7% zawartości C, stop nie może już być przerabiany plastycznie, można go stosować
jedynie w postaci odlewanej.



Zadaniem procesu stalowniczego jest zmniejszenie zawartości węgla oraz

pierwiastków(Mn, Si, P, S) w stali.



Staliwo- stal o zawartości 0,1-0,9% C formowana przed odlewanie

a) Składniki wchodzące w skład stali:

I.

Wchodzące w skład każdej stali: Mn, Si, P, S, C.

II.

Składniki niepożądane, wchodzące w skład każdej stali, zazwyczaj nieokreślone- O,
N, H.

III.

Składniki stopowe wprowadzane do stali podczas wytapiania: Cr, Ni, W, Mo, V,
Ti, Al, Cu.

IV.

Składniki niepożądane, przechodzące do stali z materiałów wsadowych i zabezpieczeń
ogniotrwałych.

b) Podział stali:



W zależności od składu stopowego stale dzielimy na:
- węglowe – zawartość procentowa węgla decyduje o właściwościach stali
- stopowe- w których występują pierwiastki stopowe mające wpływ na właściwości
stali



W zależności od przeznaczenia stale dzielimy na:
-konstrukcyjne
-narzędziowe
-specjalne

c) -stale konwertorowe- produkowane w konwertorach
- stale elektryczne- produkowane w piecach elektrycznych

d) stale węglowe:
-stale niskowęglowe- do 0,25% C
-stale średniowęglowe- 0,25-0,6% C
-stale wysokowęglowe - pow. 0,6% C – trudne w obróbce, trudne spawanie

e)stale narzędziowe- powinny być bardziej twarde, wytrzymałe, odporne na ścieranie

-narzędziowe węglowe

-narzędziowe stopowe

f)stale konstrukcyjne:

-k. węglowe

-k. stopowe

g) stale o szczególnych własnościach:
-do pracy w wysokich temperaturach
-do narzędzi chirurgicznych
-do maszyn specjalistycznych, delikatnych
- praca w trudnych warunkach

Schemat stalowni konwertorowej:

- w Krakowie konwertory mają pojemność 150 ton jednorazowo, w Dąbrowie Górniczej
pojemność konwertorów wynosi 350t
-temperatura konwertora, tam, gdzie podaje się tlen dochodzi do 3000

o

C. Gazy odciągane są

specjalnymi okapami
-układy konwertora są powielane, by w przypadku awarii można je było zastąpić łatwo i
szybko.

a) do załadunku złomu konwertor przechyla się do kąta 45

o

.

złom stanowi 25%wsadu do konwertora

resztę stanowi surówka

- opuszczenie lancy i rozpoczynanie świeżenia
-czas od załadunku złomu do zlania stali wynosi 45 minut
-po zlaniu konwertor obraca się do poziomu i sprawdzany jest, czy nie ma uszkodzeń
wymurówki. Jeśli są uszkodzenia, to pod wysokim ciśnieniem uzupełnia się masę ceramiczną.

b) lanca tlenowa- na tonę stali podaje się ok. 55m

3

tlenu

-musi być wykonana z materiałów odpornych na wysoką temperaturę
-3 rury współśrodkowe
-końcówka lancy jest wielootworowa
-środkowa rura podaje tlen
-w wewnętrznej i najbardziej zewnętrznej płynie woda-ich zadaniem jest chłodzenie
-końcówka lancy jest z miedzi(b. dobrze oddaje ciepło)
-używa się 10l wody/sekundę

5. Piece elektryczne:



Łukowe- wykorzystuje się łuk elektryczny -duże



Indukcyjne - małe



Wsadem jest złom



Piec łukowy może być opróżniony dołem lub bokiem(przechylony)



Górna część jest chłodzona cieczą



Wiele palników(wdmuchiwane gazy obojętne, tlen, węgiel)



Łuk bezpośredni: elektroda-metal-elektroda



Łuk pośredni:

elektroda-elektroda



Stal może być zanieczyszczona przez wyładowania i przez kruszenie elektrod

Konwertor 100-130 t
Pancerz- 100mm
Wymurówka- 800mm

a) zysk z podania tlenu w piecu łukowym:
-skrócenie czasu roztapiania złomu o ok. 30%
- zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną o min. 20%

b)można argonować:
-przyspieszenie czasu wytopu
-zmniejszenie zużycia energii elektrycznej
-przyspieszenie rozpuszczenia dodatków tlenowych
-zwiększenie powierzchni metal-żużel – przyspieszenie procesu oczyszczania stali
Zmniejszenie zużycia pieca, energii, elektrod

Piec łukowy

Piec indukcyjny-służy do przetapiania małych ilości stali:
-ogniotrwały tygiel
-wielozwojowy induktor
-metal
-rynna
-zamknięcie

-nie ma atmosfery w piecu, więc nie ma co zanieczyścić stali
-wysokie częstotliwości
-po roztopieniu piec się przechyla i robiona jest wlewka
-przepływające prądy w uzwojeniu pierwotnym indukują prąd w uzwojeniu wtórnym-
powstają prądy wirowe. Stal jest niezanieczyszczona i świetnie wymieszana
-wewnątrz uzwojenia płynie woda, miedź by się roztopiła.

Obróbka pozapiecowa.

1.Stal zlewamy do kadzi stalowniczych i przewozimy na stanowiska uszlachetniania



Stal tworzymy w obróbce konwertorowo-tlenowej lub elektrycznej



Uszlachetnianie-usuwanie zanieczyszczeń i niedoskonałości

Czynniki wpływające na zanieczyszczenie stali:

a) stal wysokiej jakości charakteryzuje się:
-śladową zawartością gazów
-nie powinna zawierać wtrąceń niemetalicznych
-wysoka jednorodność

Tlen-obniża właściwości mechaniczne, powoduje kruchość stali na gorąco
Wodór- rozpuszczony w stali powoduje powstawanie płatków i pęknięć gazowych
Azot- obniża własności plastyczne stali, zwiększa jej twardość i odporność na ścieranie

b) skąd zanieczyszczenia?:
-egzogeniczne(pochodzenia zewnętrznego)- przechodzą do ciekłej stali na skutek erozji
materiałów ogniotrwałych z pieców stalowniczych


c)usuwanie zanieczyszczeń:
-przedmuchiwanie gazem obojętnym(w Polsce jest to argon). Wdmuchuje się go przez
wkładkę ceramiczną.
Zanieczyszczenia spływają do żużla

Można jednocześnie usuwać zanieczyszczenia i wprowadzać dodatki stopowe

-dodajemy czyste pierwiastki, bo gaz obojętny nie wchodzi z nimi w reakcje
-drut rdzeniowy- w środku jest materiał stopowy, rurka z zewnątrz się roztapia uwalniając
pierwiastki, minimalna utrata pierwiastków.

d) podgrzewanie ciekłej stali(jeśli ba bardzo wytraci temperaturę)



piec kadziowy

-posiada elektrody grzewcze(niższe własności grzewcze niż w piecu elektrycznym)-to
stanowisko zapewnia nam podtrzymanie stałej temperatury ciekłej stali
-stal jest przedmuchiwania- ciekły metal jest w ciągłym ruchu, zanieczyszczenia wypływają
na powierzchnię
-kadź przykrywa się „kapturem”, w którym są elektrody

e) usuwanie nadmiaru gazów-odpowiedzialne są za zmęczenie materiału:
-metoda obiegowa RM:
-2 „smoczki” ceramiczne, które zasysają porcję ciekłego metalu do komory próżniowej,
odgazowują ją i wypuszczają z powrotem… i tak w kółko

2. COS- ciągłe odlewanie stali.

-ciekły metal wlewa się do miedzianej rury o określonym, która pełni rolę krystalizatora
-COS został zapoczątkowany przez Polaków w hucie „Zawiercie”, jednak jego wydajność w
porównaniu do walcarek zgniatarek była zbyt mała, więc pomysł porzucono.
-dziś w Polsce odlewa się sposobem COSu 100% stali.

a) wieża obrotowa- zapewnia ciągłość dostaw ciekłej stali
- musi w miarę szybko zamieniać kadzie
-pokrywy zabezpieczają od góry stal w kadziach, by ta nie miała dostępu do powietrza

- w obrębie tego stanowiska zawsze znajduje się jeszcze jedna, dodatkowa kadź-na wypadek
gdyby ceramiczna zatyczka zawiodła-wtedy trzeba pozbyć się stali

b)wanna- do niej wlewana jest ciekła stal, odpowiednio zabezpieczona i wygrzana
-kadź pośrednia(obrotowe są głównymi)
-służy jako bufor na czas wymiany kadzi głównych(2 funkcja)
-dystrybucja ciekłego metalu do żył odlewniczych(1 funkcja)
-kadź pośrednia wytrzymuje ok. 6 wytopów, później ja trzeba wymienić
-wylewanie z wanny zachodzi w rurach zlewowych, by stal nie miała kontaktu z
powietrzem(chyba że gatunek stali tego nie wymaga, to nie ma takiej rury)
-metal ma temp. ok. 1630-1650

o

C, kiedy wchodzi do krystalizatora(rur miedzianych)

-wlewki ciągłe, które wychodzą z COSu na zewnątrz są zastygłe, a wewnątrz płynne

c) krystalizator:
-strefa chłodzenia wtórnego-odebrać możliwie jak najwięcej ciepła
-klatki ciągnąco-prostujące- chłodzone nie za szybko, by wlewki nie spękały
-w momencie, kiedy zaczyna się odlewanie stali zatykamy drągiem startowym- żeby z dołu
nie wypłynęła ciekła stal. „Drzewko startowe” pokryte odpadami stalowymi- tutaj wlewki
stalowe krzepną.
-wyciągamy drąg startowy-(rolki startowe- ok. 3 sztuk z każdej(4 strony) strony)
-rolki wyciągają wlewek oraz chronią go przed rozsadzeniem

-mieszadła- ujednoradniają skład chemiczny w całej objętości wlewki.
-metal krzepnąc kruszy się-musimy więc dążyć do tego, by wlewek stykał się z powierzchnią
krystalizatora, dlatego też wykonuje się ruch harmoniczny wzdłużny
-krystalizator jest łukowy- prędkość odlewania stali w COSie- 0,7-0,9m/min
-COS daje materiał gruboziarnisty
-klatka walców prostuje materiał
-palnik Lega -porusza się wzdłużnie i przecina wlewek pod kątem prostym

-rolki chłodzone wewnętrznie i
zewnętrznie
-ruch harmoniczny krystalizatora-
intensyfikacja procesu. Wolno w dół,
szybko w górę. Wlewek jest dłużej w
krystalizatorze. Ruch w górę zrywa
połączenie i zakrzepłą stal
-po. Wewnętrzna krystalizatora jest
otoczona warstewką chromoniklu,
by zwiększyć odporność tego na
ścieranie

d) konstrukcje krystalizatorów:
-rurowe- przekroje do 150mm
-płytowe- przekroje pow. 150mm

-rolki wyciągające wlewek są na stałe zamocowane do krystalizatora
-chłodzenie w COSie jest kluczowe
-ruch posuwisto-zwrotny wykonywany przez wał korbowy
-dopóki język ciekłego metalu nie zakrzepnie we wlewku ciągłym, jest on chłodzony

e) ochrona stali w COSie:
-z kadzi stalowniczej do pośredniej ciekła stal przechodzi przesz rurę, w której jest gaz
obojętny
-z kadzi pośredniej do krystalizatora podobnie-w rurze, ew. w rurze z gazem obojętnym

f)świat- 93% stali odlewana w COSie
7% odlewane do wlewnic
- w COSie tylko 1,5% stali uleg

a stracie, w tradycyjnym wlewnictwie jest to ok. 16%