Rok III/gr3 |
AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZAw KRAKOWIE WYDZIAŁ ODLEWNICTWA Pracownia Inżynierii Staliwa |
Data ćwiczenia8 VI 2011 |
Nazwisko i imię Tomal Grzegorz |
Ocena |
|
Temat 5 ,6: Wytapianie stali na odlewy – okres utleniający Wytapianie stali na odlewy – okres rafinacji |
Wstęp teoretyczny
Cykl wytopu w zasadowych piecach łukowych obejmuje 7 podstawowych okresów. Każdy z nich jest istotny dla jakości stali w kadzi, chociaż charakteryzuje się odmiennymi celami i zadaniami. Pomimo to można go podzielić na 2 okresy:
-okres przebiegający w warunkach utleniających(do końca świeżenia)
- okres przebiegający w warunkach w warunkach redukcyjnych(do momentu spustu stali do kadzi)
Oznacza to, że reakcje chemiczne mogą zachodzić w poszczególnych etapach przy całkowicie odmiennym składzie chemicznym żużla.
|
Etapy procesu wytapiania |
|
Warunki |
|---|---|---|---|
| Naprawa pospustowa |
|
|
|
|
Dobór wsadu |
|
|
|
Roztapianie |
|
utleniające (FeO)>15% |
|
Świeżenie (utlenianie) |
|
utleniające (Fe0)>15-r20% (P205)>2% |
|
Ściąganie żużla świeżenia |
|
|
| Wykańczanie (rafinacja - odtlenianie) |
|
Redukcyjne(FeO) + (MnO)~l-3%, |
|
|
Spust stali do kadzi |
|
redukcyjne |
TAB: Etapy procesu wytapiania stali
Zadania wytopu – przerobienie złomu stalowego (obcego oraz złomu stopowego własnego – nadlewy, układy wlewowe, zabrakowane odlewy) dla otrzymania wysokiej jakości metalu przeznaczonego na różnego rodzaju odlewy.
Usunięcie:
- szkodliwych pierwiastków takich jak P i S,
- gazów (tlenu, wodoru i azotu),
- wtrąceń niemetalicznych.
W piecach elektrycznych łukowych stal można wytapiać:
- w procesie ze świeżeniem, czyli pełnym utlenianiem przy pomocy rudy żelaza lub gazowego tlenu,
- w procesie odzyskowym (przetapianie bez świeżenia – stale wysokostopowe),
- w procesie odzyskowo – tlenowym, przetapianie odpadów wysokostopowych z zastosowaniem gazowego tlenu.
| Metody prowadzenia wytopu: | Gatunek staliwa |
|---|---|
| Wytop z pełnym utlenieniem (świeżenie rudą żelaza) | Staliwo węglowe, staliwo stopowe |
| Wytop odzyskowy | Staliwo stopowe ( np. wysokomanganowe; Cr-Ni) |
| Wytop odzyskowo – tlenowy | Staliwo stopowe (np. wysokomanganowe; Cr-Ni) |
Wytop z pełnym utlenieniem:
| Etapy procesu wytapiania | Cel i zachodzące procesy |
|---|---|
| Naprawa popustowa | Uzupełnianie ubytków w wyłożeniu pieca (np. dolomit) |
| Ładowanie wsadu | Złom ułożony odpowiednio w koszu wsadowym |
| Załączenie pieca, roztapianie | Tworzenie się pierwszego żużla |
Świeżenie rudą żelaza lub gazowym tlenem (ściągnięcie żużla) |
Utlenianie: C, Si, P, Mn; Usuwanie gazów; Usuwanie wtrąceń niemetalicznych |
| Rafinacja | Odtlenianie, odsiarczanie; Uzupełnianie składu chemicznego |
| Spust ciekłego metalu do kadzi | Odtlenianie; kontrola temperatury i składu chemicznego ciekłego metalu |
Wytop odzyskowo – tlenowy
| Etapy procesu wytapiania | Cel i zachodzące procesy |
|---|---|
| Naprawa popustowa | Uzupełnianie ubytków w wyłożeniu pieca |
| Ładowanie wsadu | Złom ułożony odpowiednio w koszu wsadowym |
| Załączenie pieca, roztapianie | Tworzenie się pierwszego żużla |
Świeżenie gazowym tlenem (3-6min) Redukcja Mn z żużla FeSi |
Utlenianie: C, Si, P, Mn; Usuwanie gazów; Usuwanie wtrąceń niemetalicznych |
| Rafinacja | Odtlenianie, odsiarczanie; Uzupełnianie składu chemicznego |
| Spust ciekłego metalu do kadzi | Odtlenianie; kontrola temperatury i składu chemicznego ciekłego metalu |
Wytop odzyskowy:
| Etapy procesu wytapiania | Cel i zachodzące procesy |
|---|---|
| Naprawa popustowa | Uzupełnianie ubytków w wyłożeniu pieca (dolomit lub magnezyt) |
| Ładowanie wsadu | - |
| Załączenie pieca, roztapianie | Tworzenie się pierwszego żużla |
| Rafinacja | Odtlenianie, odsiarczanie; Uzupełnianie składu chemicznego |
| Spust ciekłego metalu do kadzi | Odtlenianie; kontrola temperatury i składu chemicznego ciekłego metalu |
odfosforowanie kąpieli metalowej;
eliminacja gazów, głównie wodoru i azotu w stali (na skutek ieh dyfuzji do tworzących się pęcherzyków CO);
usunięcie wtrąceń niemetalicznych (burzliwy ruch kąpieli metalowej powodowany reakcją utleniania węgla sprzyja koagulacji i wypływaniu wtrąceń niemetalicznych);
wyrównanie temperatury i ujednorodnienie składu chemicznego ciekłego metalu.
Dominującą reakcją w tym okresie technologicznym jest reakcja utleniania węgla i tworzenie się gazowych pęcherzyków {CO}, głównie na trzonie pieca. Wydobywanie się pęcherzy gazowych {CO} z kąpieli metalowej powoduje jej ruch i w efekcie -intensywne mieszanie (tzw. efekt gotowania kąpieli metalowej). Wydobywające się z kąpieli pęcherzyki {CO} dopalają się w przestrzeni roboczej pieca do {C02}. Widocznym efektem tej reakcji są płomienie wydobywające się z pieca. Drugą ważną reakcją jest utlenianie fosforu, które zachodzi w całej objętości kąpieli. Produktem tej reakcji jest tlenek fosforu, który tworzy kompleksowe związki z FeO i CaO. Oprócz reakcji utleniania fosforu i węgla w kąpieli zachodzi również utlenianie krzemu, manganu, chromu (tlenki chromu pogarszają lepkość żużla) i innych pierwiastków, których powinowactwo chemiczne do tlenu jest wyższe niż powinowactwo chemiczne żelaza do tlenu (co wynika z wykresu Ellinghama-Richardsona). Zależność ta charakteryzowana jest zmianą entalpii tworzenia FeO i tlenku porównywalnego pierwiastka.
Z wykresu Ellinghama-Richardsona (ER) należy wyciągnąć następujące wnioski:
pierwiastki, których wartość entalpii swobodnej tlenków ΔG0 jest wyższa od ΔGpe0, nie utleniają się podczas wytapiania stali i całkowicie przechodzą ze wsadu do odlewów;
im mniejsza wartość ΔG0 , tym łatwiej utlenia się dany pierwiastek w ciekłej stali;
entalpia swobodna wszystkich pierwiastków (z wyjątkiem węgla), rośnie wraz ze wzrostem temperatury; efekt ten jest wykorzystywany w procesie Hilty'ego, kiedy po podgrzaniu kąpieli do właściwej temperatury w stali chromowej, węgiel utlenia się przed chromem;
pierwiastki, których entalpia swobodna jest mniejsza, mogą być reduktorami;
wpływ temperatury ma istotne znaczenie.
Celem świeżenia jest:
Rafinacja(odtlenienie)
Okres rafinacyjny rozpoczyna się ściągnięciem żużla okresu świeżenia i przeprowadzeniem wstępnego odtleniania kąpieli stalowej. Następnie naprowadza się nowy żużel złożony z wapna palonego (CaO) oraz z fluorytu (CaF2) lub boksytu. Ilość nowego żużla wynosi 1-2% masy ciekłej stali. Okres ten obejmuje następujące zadania:
-zmniejszenie zawartości tlenu;
-zmniejszenie zawartości siarki (odsiarczanie przebiega równocześnie z odtlenianiem);
-uzupełnienie składu chemicznego: w przypadku stali węglowej - uzupełnienie C,Si, Mn; w przypadku stali stopowych - uzupełnienie wymaganych składników wg wytapianego gatunku, np.: Cr, Ni, Mo, W itp. (w postaci żelazostopów i/lub czystych metali);
-podgrzanie kąpieli do temperatury spustu (w zależności od jej składu chemicznego, podgrzania
kadzi i grubości ścianek odlewów);
- kontrolę zawartości gazów (głównie tlenu, a także azotu i wodoru) i wtrąceń niemetalicznych (rozważenie możliwości argonowania stali w kadzi);
-w przypadku konieczności rozdrobnienia ziarna w staliwie wprowadzenie modyfikatorów (Fe-V, Fe-Ti, Fe-Nb).
Rodzaje odtleniania stali
Odtlenianie ciekłego metalu można przeprowadzić następującymi metodami:
dyfuzyjną (ekstrakcyjną),
osadową,
w próżni,
procesami specjalnymi.
Powszechnie stosowane są dwie z nich: odtlenianie dyfuzyjne i odtlenianie osadowe.
Wnioski:
Utlenianie węgla jest ważne, gdyż:
-następuje mieszanie kąpieli(wyrównanie składu chemicznego i temperatury)
-usunięte zostają H2 i N2
-utleniają się wtrącenia niemetaliczne
Zalety świeżenia tlenem:
-duża szybkość utleniania węgla
-oszczędność energii-kąpiel podgrzewa się w wyniku reakcji utleniania
-możliwość odzyskania składników stopowych
-skrócenie czasu wytopu
Wady:
-utrudniona reakcja utleniania fosforu