Publiczna Szkoła Policealna

dla Dorosłych nr1

w Zespole Szkół Ponadgimnazjalnych nr 1 „ELEKTRYK”

MODUŁ: 315.01.02

Podstawy konstrukcji mechanicznych

Jednostka modułowa : 02. 03

Dobieranie materiałów konstrukcyjnych

TEMAT:

Surówka i jej otrzymywanie

MAŁGORZATA PRUSKA

KLASA : 1Pzb (technik bhp)

m inż. Kazimierz Brysik

12 .10.2009

Bibliografia :

Świat wiedzy

Internet

Produkt wielkopiecowy zwany surówką zawiera od 2,5% do 4% węgla, jest dość kruchy i nadaje się jedynie do odlewania niektórych wyrobów. Większość surówki (90%) trzeba przerobić na stal, czyli żelazo zawierające nie więcej niz. 1,5% węgla i ewentualnie inne składniki. Proces odwęglania surówki przeprowadza się w piecach stalowniczych różnorodnej konstrukcji. Na świecie wytwarza się ponad 2000 gatunków stali. Dotychczas nie udało się opracować ekonomicznej metody bezpośredniego otrzymywania stali z rud.
Górny wlot wielkiego pieca (rys.)

służy do okresowego wprowadzania surowców i jest zamykany ruchomym klinem. Nieco niżej znajduje się wyprowadzenie dla gazów wielkopiecowych. Spod pieca stanowi zbiornik płynnej surówki wypuszczanej okresowo przez specjalne otwory spustowe. Nad zbiornikiem surówki, w ścianie pieca, umieszczone są dysze do wdmuchiwania gorącego powietrza. Ładunek surowców, zwany wsadem, składa się z koksu, rudy i topnika (wapniak, boksyty) wiążącego część zanieczyszczeń zawartych w rudach. Wprowadzony do pieca koks spala się w strumieniu powietrza ogrzanego do temp. 800oC. Powstający dwutlenek węgla odtlenia się do tlenku węgla przechodząc przez rozżarzone warstwy koksu:

Wsad pod własnym ciężarem przesuwa się powoli ku dołowi i stopniowo osiąga coraz wyższą temperaturę. W górnej części pieca, gdzie temperatura wynosi 200-500 0C, wydziela się jedynie woda krystalizacyjna i rozkładają się węglany w topnikach. W środkowej części pieca, rozgrzanej do temp. 500-800 0C, rozpoczyna się odtlenianie tlenk6w zawierających żelazo na wyższych stopniach utlenienia do tlenków żelaza na niższych stopniach utlenienia:

W jeszcze niższej części pieca, w temp. 800-1200 0C, następuje główny proces - odtlenianie FeO przez tlenek węgla:

Dopiero w dolnej części pieca, w temp. 1200-1500 0C, przebiega tzw. redukcja bezpośrednia, w której rolę reduktora spełnia węgiel:

Uchodzące z pieca gazy zawierają znaczne ilości skladników palnych (CO, H2, CH4) i są wykorzystywane do ogrzewania powietrza wtłaczanego do wielkiego pieca. W tym celu gaz wielkopiecowy kierowany jest do tzw. generatora Cowpera, gdzie po zmieszaniu z powietrzem ulega spaleniu. Po nagrzaniu ceramicznego wypełnienia generatora do temp. 1200 0C wyłącza się dopływ gazu i przetłacza przez generator powietrze przeznaczone do procesu wielkopiecowego. Ze względu na okresową pracę generatora (daje gorące powietrze przez 30 min.) na jeden wielki piec przypadają 3 lub 4 nagrzewnice - potężne wieże, większe od wielkiego pieca, który sam ma zwykle kilkadziesiąt metrów wysokości.
Surówka żelazna z wielkiego pieca zawiera, oprócz żelaza i węgla, wiele innych składników, m.in.

krzem, mangan, fosfor i siarkę, w różnych proporcjach, uzależnionych od składu rudy i topników. Surówka zawierająca dużo krzemu, a mało manganu nosi nazwę surówki szarej (ze względu na barwę); jest ona krucha i łatwo topliwa.

Węgiel w surówce szarej występuje w postaci grafitu. Przed użyciem do odlewów, surówka musi być jeszcze raz przetopiona w piecach szybowych (żeliwniakach), w obecności koksu i wapienia. Produkt, zwany żeliwem, nadaje się do odlewania części maszyn, rur kanalizacyjnych, wanien itp. Drugim rodzajem produktu wielkopiecowego jest surówka biała, zawierająca duży procent manganu przy niewielkiej ilości krzemu. Surówka biała zawiera węgiel w postaci Fe3C, również jest krucha, ale trudno topliwa i nie nadaje się do sporządzania odlewów. Właśnie ten rodzaj surówki przerabia się na stal.

Stale otrzymuje się z surówki białej przez obniżenie zawartości węgla przy jednoczesnym, możliwie całkowitym, usunięciu siarki i fosforu. Zawartość innych składników ( krzemu, manganu) reguluje się w zależności od wymagań. Proces en nosi nazwę świeżenia. Węgiel, krzem, mangan i fosfor ulegają utlenieniu, przy czym utlenia się również część żelaza. Z utlenionych składników, z wyjątkiem węgla, tworzy się żużel (głównie FeO i MnO). Tlen do świeżenia pochodzi z powietrza i utlenia Fe do FeO, a ten z kolei spełnia rolę przenośnika tlenu utleniając Si, Mn, P i C.
piec Bessemera

Opracowano dwie metody świeżenia surówki, różniące się technologicznie (konstrukcja pieców ) i chemicznie. Pierwsza metoda, opracowana przez Bessemera i Thomasa, polega na odwęglaniu surówki gorącym powietrzem tłoczonym przez płynną surówkę umieszczoną w piecu wyłożonym zaprawą kwaśną (konwertor Bessemera) lub zasadową (konwertor Thomasa). W konwertorach Bessemera nie można usunąć fosforu i siarki. W konwertorze Thomasa, zawierającym wymienianą okresowo wykładzinę z tlenk6w wapnia i magnezu, powstaje produkt uboczny żużel, który po zmieleniu stosowany jest jako sztuczny nawóz fosforowy (tomasyna). Zaletami metod konwertorowych są: prosta konstrukcja pieców i duża szybkość procesu, a wadami: straty żelaza (ok. 10%) i trudności w regulowaniu składu stali.

Druga metoda (Siemensa i Martina)

Rys. 02-03 piec martenowski

1- przestrzeni roboczej; 2- głowice; 3- kanałów; 4- komory żużlowe; 5- regeneratory;
6- zaworów rozrządczych. Przestrzeń robocza jest ograniczona od spodu trzonem pieca - z boków - głowicami oraz ścianą przednią i ścianą tylną, a od góry - sklepieniem.

polega na odwęglaniu surówki przez stapianie jej z wysokoprocentową rudą żelaza, złomem żelaznym i tlenkiem wapnia (w celu usunięcia fosforu). Proces przeprowadza się w tzw. piecach płomiennych (martenach), przepuszczając przez płynną surówkę powietrze i gaz palny (CO i inne). Wnętrze pieca jest wyłożone substancjami o charakterze kwaśnym lub zasadowym, w zależności od składu chemicznego surówki. Proces martenowski przebiega wolniej niż proces Bessemera, ale daje czystszą stal, a straty żelaza nie przekraczają 8%.

Poszczególne gatunki stali różnią się składem chemicznym, strukturą krystaliczną, wytrzymałością mechaniczną i odpornością chemiczną. W celu uzyskania stali o dobrych właściwościach mechanicznych (duża twardość, wytrzymałość i sprężystość) przeprowadza się dodatkowo proces hartowania, polegający na ogrzaniu stali do temp. 700 0C i następnie szybkim oziębieniu przez zanurzenie w oleju.