Przegląd głównych grup materiałów inżynierskich

Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe

o własnościach umożliwiających ich stosowanie do wytwarzania produktów.

Materiałami inżynierskimi natomiast, nazywamy materiały konstrukcyjne,

które są wykorzystywane do budowy maszyn i urządzeń.

Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić:

1. Materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do

technicznego zastosowania.

2. Materiały inżynierskie, nie występujące w naturze, lecz wymagające

zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do

potrzeb technicznych, przy wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.

Ad. 1. Przykładami materiałów naturalnych są:

• drewno,

• niektóre kamienie,

• skały,

• minerały.

Ad. 2. Materiały inżynierskie

Jedno z bardziej ogólnych kryteriów klasyfikacji tych materiałów inżynierskich

jest oparte na charakterze dominującego wiązania działającego między

cząstkami materii.

Stąd wyróżnia się materiały:

• metaliczne o wiązaniu metalicznym,

• ceramiczne o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym,

• polimeryczne, w których działa wiązanie kowalencyjne (w obrębie

makrocząsteczek) i siły Van der Waalsa (między makrocząsteczkami),

• kompozyty.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE to szczególne materiały, tworzone przez połączenie w monolityczną całość dowolnych dwóch, z wymienionych

wcześniej, materiałów inżynierskich, co zapewnia uzyskanie innych własności

od właściwych dla każdego z materiałów składowych.

Budowa atomu a własności pierwiastków

Elektrony zajmują dyskretne stany energetyczne

Elektrony dążą do zajmowania możliwie najmniejszego stanu energetycznego

• Znajomość konfiguracji elektronowej atomu, a w szczególności zewnętrznych podpoziomów s i p jest bardzo ważna, ponieważ determinuje własności fizyczne i chemiczne pierwiastka.

• Decydujący wpływ na własności chemiczne wywiera liczba elektronów

wartościowości zajmujących zewnętrzny podpoziom.

Atomy ze stabilną konfiguracją elektronową:

• mają zapełnione podpoziomy s i p

-> tracą zdolność do reakcji chemicznych z innymi pierwiastkami.

• Atomy większości pierwiastków mają niestabilne konfiguracje elektronowe.

WIĄZANIE JONOWE = METAL + NIEMETAL

Wymagana jest duża różnica elektroujemności.

• Siły wiązania jonowego są elektrostatycznymi siłami przyciągania różnoimiennych jonów (ładunków elektrycznych). Każdy kation z jednakową siłą przyciąga wszystkie otaczające go aniony i odwrotnie.

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

• Dążność do uzyskania stosunkowo trwałej struktury elektronowej z 8 elektronami w zewnętrznej powłoce występuje też między elektroujemnymi atomami tego samego pierwiastka.

• Takie wiązanie nazywane jest wiązaniem atomowym lub dla podkreślenia, że

występuje między jonami jednoimiennymi wiązaniem kowalencyjnym.

• Wiązania kowalencyjne tworzą się między atomami o identycznej

elektroujemności (wiązania niespolaryzowane) lub między atomami o niewielkiej różnicy elektroujemności (wiązanie spolaryzowane).

• Powstawanie wiązania kowalencyjnego polega na uwspólnieniu części lub

wszystkich elektronów walencyjnych przez dwa atomy.

• Molekuły niemetali

• Molekuły metali z niemetalami

• Związki z grupy IV

• Kryształy kowalencyjne są trwałe, odporne na działanie czynników mechanicznych, maja wysokie temperatury topnienia, w stanie czystym nie przewodzą prądu. Ale niewielkie zanieczyszczenia , polegające na zastąpieniu niektórych atomów atomami innych pierwiastków, aby kryształ stał się np. półprzewodnikiem.

WIĄZANIE METALICZNE

• Wiązanie metaliczne jest podobne do kowalencyjnego, z tym ze pojawi się między atomami pierwiastków elektrododatnich, tzn. kiedy liczba elektronów

walencyjnych jest mała, mniejsza niż 4.

WIĄZANIE MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

• Między prostymi cząsteczkami chemicznymi, których atomy połączone są wiązaniem atomowym spolaryzowanym oraz między atomami (cząsteczkami

jednoatomowymi) gazów szlachetnych występuje wiązanie międzycząsteczkowe.

• Siły tego wiązania, zwane siłami van der Waalsa, są wynikiem asymetrycznego rozkładu ładunków elektrycznych w cząsteczkach lub atomach (obecność dipoli).

• Na ogół wiązanie jest tym silniejsze, im większy jest ciężar cząsteczkowy (im większa cząsteczka).

• Będąc najsłabszym spośród omówionych wiązań, może równie szybko powstawać, jak i zanikać.

• Powstaje w skutek oddziaływania między dipolami.

• Dipol elektryczny: pewny stan rozdzielenia ładunku dodatniego i ujemnego atomu lub cząsteczki.

Materiały metaliczne

Materiały metaliczne, tj. metale techniczne i ich stopy, należą do grupy tworzyw krystalicznych.

• W temperaturze normalnej metale występują w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci, która w tych warunkach jest cieczą).

• krystalizują przeważnie w trzech typach sieci:

– Regularnej, płasko centrowanej

– Regularnej, przestrzennie centrowanej

– Heksagonalnej.

Metale odznaczają się :

• Połyskiem metalicznym – stąd szczególna zdolność odbijania promieniowania

świetlnego

• Duże przewodnictwo cieplne - w dotyku są zimne gdyż ich przewodnictwo

powoduje szybkie odprowadzanie ciepła od skóry,

• Dużą wytrzymałość mechaniczną - większość z nich,

• Ciągliwością i kowalnością – dobre własności plastyczne

• Dobrą przewodnością elektryczną

• Stosunkowo znaczną gęstością - w kryształach metali ich atomy są gęsto

upakowane (ułożone),

• Dodatnim współczynnikiem temperaturowym oporu – ze wzrostem

temperatury wzrasta oporność elektryczna,

• Nieprzezroczystość,

• Zasadowy charakter wodorotlenków utworzonych przez tlenki metali z wodą.

• Różnorodnością cechy odporności na korozję.

Materiały metaliczne charakteryzują się:

• na ogół dobrymi właściwościami technologicznymi oraz

• łatwością nadawania im (stopy metali) bardzo różnorodnych właściwości fizycznych i chemicznych.

• Wadą materiałów metalicznych jest na ogół duży ciężar właściwy.

Własności wytrzymałościowe metali zależą w dużym stopniu od ich temperatury topnienia. Metale trudno topliwe mają również dużą twardość, która jest jedną z najważniejszych cech wytrzymałościowych, a metale łatwo topliwe — małą twardość.

Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy

metalurgiczne polegają zwykle na ich redukcji prowadzącej do wydzielenia

metalu z rudy i następnej jego rafinacji usuwającej z metalu pozostałe

zanieczyszczenia.

Wyroby metalowe wykonywane są zwykle metodami odlewniczymi,

przeróbki plastycznej, obróbką skrawaniem, oraz metalurgii proszków.

Łączenie prostych elementów składowych w złożone konstrukcje metalowe

wykonywane jest przeważnie metodami spawalniczymi.

Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a

powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana

metodami inżynierii powierzchni zwiększającymi np. odporność na korozję,

zwiększającymi odporność na zużycie itp.

Najczęściej spośród materiałów metalowych użytkowane są stale, czyli stopy

żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, a także stopy odlewnicze żelaza

tzn. staliwo i żeliwo.

Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanową też metale

nieżelazne i ich stopy.

Materiały metaliczne stanowią obecnie podstawowe tworzywo

na wyroby przemysłu maszynowego oraz na konstrukcje metalowe.

MATERIAŁY CERAMICZNE.

• Ceramika są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami niemetalicznymi.

• Atomy są połączone wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.

• Po zaformowaniu materiały ceramiczne wygrzewane są w wysokich temperaturach – a zachodzące reakcje są nieodwracalne.

Do materiałów ceramicznych zalicza się:

• Ceramikę inżynierską – tlenki, węgliki, azotki – wytwarzana przez spiekanie, bez fazy ciekłej.

• Cermetale – drobne cząstki ceramiki rozmieszone w metalicznej osnowie (5-15% osnowa).

• Ceramikę porowatą = tradycyjna klasyczna – mat. budowlane, cegła, dachówka, porcelana (15% pory)

• Szkła – przewaga struktury bezpostaciowej nad krystaliczną; podstawowe składniki szkłotwórcze = trzy tlenki kwasowe:

SiO2, B2O3, P2O5, tlenki arsenu, germanu, siarka , selen i fluorek ołowiu.

• Ceramikę szklaną – powstaje przez odszklenie masy szklanej

– pozostaje 2% fazy szklistej

Ogólnie ceramikę cechują następujące własności:

• Duża twardość i kruchość.

• Duża odporność cieplna (ognioodporność)

• Wysoka ogniotrwałość

• Duża odporność na korozję

• Duża wytrzymałość mechaniczna – przeważnie w jednym kierunku –

ściskania.

• Słaba przewodność elektryczna i cieplna (w stanie stałym) – przeważnie izolatory, izolacje.

• Złe własności technologiczne – wymagają specjalnych technik wytwarzania.

Dzięki swoim własnościom materiały ceramiczne szczególnie nadają się do specjalnych zastosowań, np. do wyrobu elementów żaroodpornych, elektroizolacyjnych, termoizolacyjnych oraz jako specjalne materiały narzędziowe (ostrza narzędzi skrawających, środki ścierne i polerskie).

Materiały polimeryczne

• Materiały polimeryczne, tj. tworzywa sztuczne, należą do grupy tworzyw amorficznych.

• Są to materiały organiczne złożone ze związków węgla.

• Są to materiały oparte na polimerach syntetycznych, zastępujące tradycyjne materiały takie jak drewno, ceramika, metal, kauczuk naturalny. Stanowią grupę zupełnie nowych materiałów, które nie mają swoich naturalnych odpowiedników.

• W skład tworzyw sztucznych wchodzą oprócz polimerów także dodatki takie jak plastyfikatory wypełniacze, pigmenty, katalizatory itp..

• Polimery tworzone są przez C, H i inne pierwiastki niemetaliczne z górnego prawego rogu układu okresowego

• Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia

wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych

monomerami jednego lub wielu rodzajów.

• Prosty monomer jest cząsteczką etylenu: C2H4.

• W wyniku zastąpienia atomu wodoru w tych cząsteczkach przez CH3

powstaje polipropylen,

• przez Cl – polichlorek winylu.

Inne polimery zawierają atomy tlenu (akryliki), azotu (nylony), krzemu

(silikony) fluoru (fluoroplastiki).

W temp. pokojowej polimery są bezpostaciowe lub krystaliczne.

W zależności od kształtu i budowy makrocząsteczek oraz wiązań między nimi, polimery dzielą się na:

• Liniowe,

• Liniowe z rozgałęzieniami,

• Nieznacznie usieciowane z wiązaniami poprzecznymi,

• Silnie usieciowane.

Polimery liniowe – zbudowane z monomerów z dwoma aktywnymi wiązaniami - dają się wyciągać w wysokowytrzymałe włókna – poliamidy.

Polimery silnie usieciowane – powstają z monomerów mających więcej niż dwa aktywne wiązania: taka silna struktura zapobiega mięknięciu podczas ogrzewania.

Materiały polimerowe odznaczają się następującymi własnościami:

• Wykazują stosunkowo dobre właściwości mechanicznymi,

• Są elektroizolatorami ,

• Są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych.

• Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - mała odporność na

działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne

związki węgla z wodorem i tlenem).

• Dają się łatwo formować w wyroby o skomplikowanych kształtach.

• Mają małą gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny

stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości.

• Dają możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym

wyglądzie z możliwością barwienia lub uzyskiwania wyrobów

przezroczystych.

Aktualnie obserwuje się ogromny wzrost zastosowań tworzyw sztucznych, coraz skuteczniej konkurujących z materiałami metalicznymi w zakresie elementów maszyn i zdecydowanie wypierających metale i szkło w zakresie opakowań, albo metale i drewno w zakresie elementów wystroju wnętrz i taboru komunikacyjnego.

• Jednym z powodów wzrostu produkcji tworzyw sztucznych jest możliwość

wydatnego powiększenia ich cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie np.

włóknami metalicznymi lub ceramicznymi (szkło, węgiel).

Kompozyty

Materiały kompozytowe to materiały niejednorodne, powstałe z połączenia dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się wzajemnie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi

inżynierskiemu. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, ani średnią

właściwości jego składników. Najczęściej jeden ze składników stanowi osnowę, która nadaje kompozytowi spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi składnik nazywany też zbrojeniem lub komponentem konstrukcyjnym, zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych

kompozytu. Znaczące współczesne zastosowanie kompozyty znajdują w

budowie sprzętu kosmicznego, budowie samolotów, samochodów, łodzi, sprzęcie sportowym.

METALURGIA

ŻELAZA

Rudy metali

• Niektóre metale, jak np. złoto, srebro, platyna, rtęć i inne, występują niekiedy w przyrodzie w stanie wolnym (rodzimym). Są one zwykle zmieszane z piaskiem, żwirem i innymi zanieczyszczeniami mineralnymi. W takim

przypadku dla oddzielania wolnego metalu od jego zanieczyszczeń stosuje się metody fizyczne, jak np. przemywanie.

• Bryły niklu spotykane w przyrodzie są przeważnie pochodzenia pozaziemskiego, np. z meteorytów.

• Większość jednak metali występuje w skorupie ziemskiej w postaci

związków chemicznych - tlenków, siarczków, węglanów i

krzemianów, tworząc minerały, czyli substancje jednorodne pod

względem składu chemicznego i budowy krystalicznej.

• Najczęściej można spotkać w przyrodzie mieszaniny różnych minerałów występujących w jednym złożu. Takie mieszaniny nazywamy rudami.

• Rudy stanowią podstawowe surowce do produkcji metali i ich stopów.

• Rudy są zwykle obciążone dodatkiem różnych przerostów skalnych,

tzw. skałą płonną.

Metalurgia jest to nauka o sposobach otrzymywania metali z rud. Do zakresu metalurgii zalicza hutnictwo oraz dziedziny pokrewne takie jak kopalnictwo i przeróbkę rud, wytwarzanie paliw (koksu, gazu) używanych do procesów metalurgicznych, rafinację metali oraz przeróbkę plastyczną.

• Metale w postaci rud występują w składzie skorupy ziemskiej.

Otrzymywanie metali

• Najważniejszym procesem chemicznym, za pomocą którego otrzymuje się metale z rud, od dawna stosowanym w przemyśle, jest redukcja, czyli

odtlenianie w wysokiej temperaturze rud tlenkowych za pomocą węgla lub tlenku węgla.

• Taką metodą otrzymuje się zwykle surówkę żelaza, miedź, cynk i kadm, a ponadto antymon, arsen, bizmut, cynę, kobalt i nikiel.

• Metodę opartą na redukcji tlenków metali węglem lub tlenkiem węgla nazywamy pirometalurgią.

• W pewnych przypadkach węgiel jest zbyt słabym środkiem odtleniającym i z tego powodu stosuje się wówczas aluminium jako czynnik redukujący.

Taką metodą, zwaną aluminotermią:

Sproszkowane surowce, tj. aluminium i topniki, zapala się w tyglu za pomocą specjalnych zapalników. Reakcje są egzotermiczne (reakcja Goldschmidta).

Aluminotermia jest stosowana w produkcji magnezu, chromu, wanadu oraz żelazostopów ( Fe-W, Fe-Cr, Fe-Ni). (Zjawisko to jest również znane w spawaniu = spawanie termitowe.)

Silikotermia jest to redukcja tlenków żelaza za pomocą krzemu, stosuje się ją podczas otrzymywania manganu i magnezu oraz żelazostopów.

• Z bardzo trwałych tlenków, które tworzą aluminium, beryl, magnez, bar i inne, niełatwo jest uzyskać wolne metale metodą redukcji.

Do otrzymywania takich metali stosuje się najczęściej elektrolizę wysokotemperaturową odpowiednich stopionych związków chemicznych, a wtedy wolny metal osadza się na katodzie wykonanej z grafitu.

Taką metodę nazywamy elektrometalurgią.

• Metalurgia proszków to najnowsza metoda otrzymywania metali na skalę przemysłową. Polega ona na otrzymywaniu najpierw metali w stanie znacznego rozdrobnienia, a następnie po sprasowaniu proszków metalicznych i spiekaniu w temperaturze zwykle niższej od temperatury ich topnienia.

Otrzymywane w różnych procesach metalurgicznych metale są jeszcze w

znacznym stopniu zanieczyszczone i z tego powodu poddaje się je oczyszczaniu, czyli rafinacji.

• PROCESY HYDROMETALURGICZNE

W procesach hydrometalurgicznych otrzymuje się metale z wodnych roztworów ich soli, przez rozpuszczanie metali zawartych w rudzie za pomocą kwasów lub zasad. Roztwory wodne zawierają odpowiednie jony metali. Roztwory te filtruje się w celu uwolnienia od niepożądanych

zanieczyszczeń. Następnie metal z wodnego roztworu:

– wytrąca się innym metalem, najczęściej mniej szlachetnym od wytrącanego metalu (np. wytrącenie Cu z roztworu CuSO4 za pomocą żelaza, natomiast złoto lub srebro z roztworów cyjankowych wytrąca się cynkiem) = cementacja

– otrzymuje się przez elektrolizę (anody są wtedy wykonywane z materiału odpornego na działanie elektrolitu). Otrzymujemy w tym procesie np. Cu, Ni, Cd, Zn.

Paliwa do wielkiego pieca - koks

Do wytwarzania koksu używa się węgla tłustego tzw.

koksowniczego, wprowadza się go w postaci sprasowanej do

komory koksowniczej.

Węgiel koksowniczy (wsad) umieszczony w baterii jest

poddawany suchej destylacji w temperaturze powoli

wzrastającej do 1200°C. Czas procesu koksowania wynosi

12-24 godzin w zależności od typu pieca i sposobu grzania.

• Na opalanie pieca koksowniczego zużywa się około 50-60%

produkowanego przez niego gazu.

• Tam gdzie jest wielki piec, taniej jest opalać baterie gazem

wielkopiecowym. Ma on niższą kaloryczność lecz jest tańszy.

• Z jednej tony węgla otrzymuje się przeciętnie 0,75 tony koksu i około

325 m3 gazu koksowniczego, 3 0 kg smoły pogazowej oraz oleje,

benzol i amoniak.

Materiały ogniotrwałe

• Części urządzeń do pirometalurgii są narażone na stykanie się z wysokimi temperaturami pochodzącymi ze spalin lub od ciekłego metalu, dlatego też muszą być albo bardzo intensywnie chłodzone, albo wykonane z materiałów, które w wysokich temperaturach zachowują swój kształt, wytrzymałość i odporność na działanie ciekłych metali, gazów i żużli.

Materiały wytrzymujące wysokie temperatury są przeważnie pochodzenia tlenkowego, występują w przyrodzie i tym samym są najtańsze.

Materiały ogniotrwałe powinny mieć następujące własności:

• 1. Ognioodporność - określa się ją przez tzw. temperaturę mięknięcia, czyli zdolność materiału do wytrzymywania wysokich temperatur bez

odkształcania się oraz posiadanie odpowiedniej wytrzymałości na mechaniczne oddziaływanie naboju (wsadu).

Materiał ogniotrwały składa się z ziaren minerałów o wysokiej temperaturze topnienia, sklejonych najczęściej niżej topliwym lepiszczem.

Podczas nagrzewania tworzywo powoli mięknie i przybiera konsystencję ciastowatą.

Do określenia temperatury mięknięcia używa się specjalnych próbek - ostrosłupów o podstawie trójkątnej (bok 80 mm) i wysokości 60 mm zwanych stożkami piroskopowymi lub też stożkami Segera.

• Stożki są ponumerowane i odpowiedniej cyfrze odpowiada

określona temperatura mięknięcia (np: nr. 30 -1760°C, 31 - 1790°C,

32 - 1810°C, 33 - 1830°C).

• Najczęściej produkuje się je dla zakresu 600-2000°C, co 20 oC .

• Umieszczając w piecu próbkę razem ze wzorcami o kolejnych numerach można, gdy próbka zmięknie, określić numery dwu stożków o ogniotrwałości bezpośrednio mniejszej i bezpośrednio większej niż ogniotrwałość próbki.

• 2. Ogniotrwałość pod obciążeniem - bada się ją na próbkach walcowych o średnicy i wysokości 50 mm pod naciskiem 0,2 MPa i mierzy procentowe skrócenie, przeważnie ok. 0.4%

Materiały ogniotrwałe dzieli się na trzy grupy:

– ogniotrwałe stosowane w zakresie do 1700 °C ,

– ogniotrwałe stosowane w zakresie 1700-2000 °C i

– najwyższej ogniotrwałości, pow. 2000 °C.

• 3. Odporność na zmiany temperatury - bada się ją przez kilkakrotne nagrzewanie do temperatury 950°C i szybkie chłodzenie do temp. otoczenia

(20°C) - liczba cykli, którą wytrzymuje materiał do utraty około 20% ciężaru bez pęknięć charakteryzuje tę jego własność. Jest to szczególnie ważne przy materiałach stosowanych do budowy elementów pracujących cyklicznie (np. kraty regeneratorów).

• 4. Odporność na wpływy chemiczne.

Na materiały ogniotrwałe najsilniej działają żużle mające charakter zasadowy lub kwaśny (kwaśne zawierają SiO2, a zasadowe CaO). W wysokich temperaturach energicznie oddziałują na związki o znaku przeciwnym.

W zależności od zachowania się względem żużli, dzielimy materiały ogniotrwałe na:

• Kwaśne- podstawowym składnikiem jest SiO2, lub Al2O3 - są one atakowane przez żużle zasadowe a odporne na działanie żużli kwaśnych.

• Zasadowe- podstawowym składnikiem jest CaO lub MgO - są one atakowane przez żużle kwaśne, a odporne na działanie żużli zasadowych.

• Neutralne lub amfoteryczne, podstawowymi składnikami są: Cr2O3, Zr2O3, SiC lub C, słabo reagujące z żużlami zarówno zasadowymi, jak i kwaśnymi lub też wykazujące pełną odporność na ich działanie.

Ogólnie materiały ogniotrwałe stosowane w metalurgii powinny

charakteryzować się następującymi własnościami:

• ognioodpornością większą niż 1580°C (stożek 26),

• znaczną wytrzymałością w zwykłej temperaturze i określoną

wytrzymałością w wysokich temperaturach,

• znaczną odpornością na nagłe zmiany temperatury, zwłaszcza gdy chodzi o materiały do budowy urządzeń cieplnych pracujących okresowo,

• stałą objętością kształtu,

• małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,

• małym współczynnikiem przewodności cieplnej i przenikliwości gazowej, a także odpornością na działanie chemiczne środowiska ciekłego lub gazowego,

• zwartością budowy

Materiały ogniotrwałe – kwaśne

• Wyroby krzemionkowe, zwane dynasowymi, zawierają co najmniej 93%

krzemionki.

Wykonuje się je z rozdrobnionych kwarcytów SiO2 z dodatkiem mleka

wapiennego i melasy lub ługu posiarczynowego i następnie wypala w

temperaturze 1430-1450°C, przy czym zwiększają one wtedy swoją

objętość o 2-4%, co spowodowane jest przemianami alotropowymi kwarcu.

• Jeżeli piec jest wyłożony słabo wypaloną krzemionką, gdzie kwarc nie przeszedł w trydymit lub krystobalit, to zwiększenie objętości może spowodować bardzo znaczne uszkodzenia wykładziny pieca.

• Wyroby krzemionkowe odznaczają się największą z powszechnie używanych materiałów ogniotrwałością pod obciążeniem (1600-1650 °C) i wykazują przy

ogrzaniu w wykładzinie pieca wtórną rozszerzalność ok. 1%.

• Nie są odporne na nagłe zmiany temperatury.

• Stosowane są do wykładania konwertorów Bessemera, kwaśnych trzonów pieców martenowskich i elektrycznych.

• Materiały szamotowe.

Wyrabia się je z glin ogniotrwałych, podstawowe składniki to SiO2

i Al2O3, przy czym Al2O3 nie jest więcej niż 25-46%.

Sama glina nie może być używana ze względu na swoją dużą kurczliwość rzędu 6-18%. W celu zmniejszenia tej kurczliwości dodaje się do niej tzw. szamotu, tj. materiału granulowanego powstałego przez wypalenie tejże gliny.

Wyroby szamotowe (Al2O3*SiO2*H2O) są formowane z wilgotnej

masy, a następnie ubijane i wypalane w temperaturze 1300-1350°C.

Podczas wypalania powinny osiągnąć barwę żółtą, gdyż kolor

czerwony wskazuje na niedokładne wypalenie i gorsze własności wyrobu.

Mają one ogniotrwałość pod obciążeniem w zakresie 1350-1400 °C, kurczliwość wtórną ok. 1%, są odporne na zmiany temperatur, wytrzymują uderzenia cieplne.

Zaprawy szamotowe stanowią mieszaniny około 40% glin ogniotrwałych z 60% drobno zmielonego szamotu.

• Wyroby szamotowo-kwarcytowe są przeważnie stosowane jako materiały termoizolacyjne, gdyż ich przewodność cieplna jest mniejsza od

przewodności normalnych materiałów szamotowych.

• Pomimo iż wyroby szamotowe kwasoodporne nieznacznie różnią się od zwykłych materiałów szamotowych, to jednak ze względu na znaczny

stopień spieczenia i zwartą (nieporowatą) budowę odznaczają się w wysokiej temperaturze odpornością na działanie zarówno kwasów jak i zasad.

• Ognioodporność tych materiałów jest jednak mniejsza od normalnych wyrobów szamotowych.

Materiały ogniotrwałe zasadowe

• Materiały magnezytowe. Ich podstawą jest magnezyt (90-95%)

występujący jako bezpostaciowy związek MgCO3, zawierający również

takie domieszki jak CaCO3, FeC03, Al2O3 i SiO2, w postaci krystalicznej

nazywa się go szpatem magnezytowym.

• Materiał magnezytowy najpierw praży się w temperaturze 1600°C. W tej

temperaturze nie tylko ulatnia się z niego dwutlenek węgla, ale również

spieka się i przechodzi w odporną na działanie wody i dwutlenku węgla

odmianę (peryklaz).

• Przez zmielenie i przesianie otrzymuje się z niego magnezyt prażony o

ziarnistości 8-25 mm używany do ubijania spodów i ścian pieców

stalowniczych lub zaprawę o granulacji do 1 mm. Po dodaniu ługu

posiarczynowego lub melasy i magnezytu wyprażonego (MgO) w temp.

800°C formuje się kształtki i następnie wypala w temp. 1650°C.

• Pomimo iż wyroby mają charakter zasadowy, w wysokich temperaturach

są czułe na działanie P2O5 szczególnie w obecności FeO, są mało odporne

na działanie zmian temperaturowych, przy nagrzewaniu zachowują

jednak stałą objętość. Ostatnio wyprodukowano materiały magnezytowe

odporne na wstrząsy temperaturowe.

• Zastosowanie: piece Siemensa-Martina i konwertory Thomasa.

• Materiały magnezytowe

wiązane chemicznie otrzymuje się z magnezytu prażonego, zaprawionego chlorkiem lub siarczanem magnezu. Uformowane z tej masy kształtki po

pewnym czasie twardnieją (bez wypalania) i można budować z nich elementy ścian pieców.

• Materiały magnezytowe specjalne, wykonane

z grubszych ziaren magnezytu prażonego, są odporniejsze na gwałtowne zmiany temperatury i tym samym trwalsze od zwykłego magnezytu.

Materiały magnezvtowo-forsterytowe.

• Forsteryt jest to krzemian magnezu o wzorze 2MgO*SiO2 i zawiera do 75% MgO i 25% forsterytu. Mają one charakter zasadowy i własności zbliżone do

materiałów magnezytowych.

• Materiały magnezytowo-chromitowe otrzymuje się z prażonego magnetytu z dodatkiem chromitu (FeO*Cr2O3), przy czym zawartość tlenku chromu

powinna wynosić 23-27%.

Są zasadowe i odznaczają się bardzo dużą odpornością na zmiany temperatury.

Używa się ich do wyrobu sklepienia i trzonowy pieców martenowskich.

• Materiały dolomitowe. Skład chemiczny: CaCO3*MgCO3 (przy czym nie mniej niż 19% MgO i nie więcej niż 4% domieszek). Jest skałą osadową, wypala się je w piecach szybowych, ale po wypaleniu szybko się lasuje i rozpada na

proszek.

• Nadaje się do ubijania trzonów pieców martenowskich i elektrycznych łukowych. Do dolomitu hutniczego dodaje się smoły bezwodnej, formuje się kształtki do budowy pieców. Można je stosować w stanie surowym bądź wypalonym.

Piece takie muszą pracować w ruchu ciągłym, gdyż inaczej lasuje się wykładzina w piecu.

• Dolomit stabilizowany wytwarza się przez dodanie SiO2 niewrażliwego na wpływy atmosferyczne.

Stabilizacja polega na wprowadzeniu takich ilości SiO2, aby całą zawartość CaO związać w postaci CaO*SiO2. Taka zawartość krzemionki nie zmienia

charakteru zasadowego materiału. Osiąga się wtedy ogniotrwałość zwykłą 1780-1800°C, a pod ciśnieniem 1540-1550°C.

Materiały ogniotrwałe obojętne

• Chromitowe.

Odznaczają się ogniotrwałością zwykłą powyżej 1800°C.

Służą do oddzielania warstw wymurówki kwaśnej od zasadowej, umieszcza się je na takiej wysokości, aby żużel nie stykał się z kwaśnym sklepieniem w piecach zasadowych martenowskich.

• Węglowe.

Węgiel jest substancją trudno topliwą i pod zwykłym ciśnieniem nie topi się, lecz zaczyna sublimować w temperaturze powyżej 3000°C, a całkowicie przechodzi w parę w temperaturze 3927°C.

Wyroby węglowe wykonuje się z antracytu, koksu naftowego lub koksu i paku (pak służy przeważnie jako lepiszcze). Wypala się je w atmosferze beztlenowej.

• Wyroby węglowe wykazują obojętny charakter i znaczną wytrzymałość temperaturową na działanie żużli. Mogą jednak być użyte tylko tam, gdzie nie ma dostępu tlenu. Mają znaczną przewodność cieplną.

• S z a m o t o w o - g r a f i t o w e.

Sporządza się je z masy szamotowej z dodatkiem do 40% grafitu płatkowego.

W wysokiej temperaturze wykazują kwaśny charakter chemiczny i wysoką ogniotrwałość (powyżej 2000°C).

• Odznaczają się dużą przewodnością cieplną i elektryczną.

• Używane przeważnie do wyrobu tygli.

• Karborundowe(SiC).

Otrzymuje się je przez ogrzewanie piasku kwarcowego z koksem w piecu elektrycznym. Wyroby sporządza się ze zmielonego karborundu z dodatkiem kilkunastu procent gliny. Ogniotrwałość około 1800°C, przewodność

cieplna 10 razy większa niż w materiałach szamotowych.

Używa się je do wyrobu rekuperatorów, mufli itp.

Materiały karborundowe po dłuższym ogrzewaniu wykazują charakter chemiczny kwaśny.

Z karborundu z dodatkiem krzemu metalicznego wytwarza się tzw. pręty silitowe. Wyroby karborundowe powleka się szkliwem dla ochrony przed działaniem tlenu.

• C y r k o n o w e. Podstawą wyrobu jest wysoko ogniotrwały ortokrzemian cyrkonu (60-65% ZrO2). Zastosowanie - wylewy do ciągłego odlewania stali, kadzie i niektóre urządzenia odlewnicze.

Podsumowanie

• Metale rodzime: złoto, srebro, miedź, platyna.

• Większość metali występuje w skorupie ziemskiej w postaci tlenków, siarczków, węglanów i krzemianów, tworząc minerały.

• Rudy metali to minerały występujące w jednym złożu są obciążone skałą płonną.

• Redukcja to najważniejszym proces chemiczny otrzymywania metali z ich rud

polega na odtlenianiu w wysokiej temperaturze rud tlenkowych za pomocą

węgla lub tlenku węgla

• Inne reduktory:

– aluminium -> aluminotermia

– krzem -> silikotermia

• Elektrometalurgia: elektroliza stopionych soli metali.

• Metalurgia proszków – metoda otrzymywania metali

• Procesy hydrometalurgiczne:

• elektroliza

• cementacja

• Otrzymywanie koksu: sucha destylacja węgla w

temperaturze powoli wzrastającej do 1200°C.

• Materiały ogniotrwałe – własności:

– Ognioodporność – stożki piroskopowe

– Ogniotrwałość pod obciążeniem

– Odporność na zmiany temperatury

– Odporność na wpływy chemiczne

• Ze względu na charakter oddziaływania chemicznego materiały ogniotrwałe dzieli się na:

– kwaśne,

– zasadowe

– obojętne.

• Do grupy materiałów kwaśnych należą wyroby:

– krzemionkowe,

– szamotowe i pokrewne.

Reagują one w wysokiej temperaturze z materiałami zasadowymi.

• Do grupy materiałów zasadowych zalicza się wyroby:

– magnezytowe,

– dolomitowe, itd.

Reagują one w wysokiej temperaturze z materiałami kwaśnymi.

• Do grupy materiałów obojętnych zalicza się wyroby:

– węglowe,

– chromitowe

– karborundowe

– cyrkonowe i inne

Nie reagują w wysokiej temperaturze ani z materiałami zasadowymi, ani z kwaśnymi.

Proces wielkopiecowy

Podstawowymi materiałami

wsadowymi do wielkiego pieca są:

• Ruda

• Koks

• Topniki

Topniki do wielkiego pieca

Topniki

• W celu ułatwienia stopienia skały płonnej i oddzielenia zanieczyszczeń

niemetalicznych od żelaza, dodaje się zwykle do wsadu wielkopiecowego

pewnych substancji - topników.

• Skład chemiczny topników zależy od składu chemicznego skały płonnej,

towarzyszącej rudzie.

• Jeżeli podstawowym składnikiem skały płonnej jest krzemionka, to stosuje

się najczęściej wapień (CaCO3), niekiedy magnezyt (MgCO3). Używa się

również dolomitów (CaCO3*MgCO3), niemniej jednak stosuje się je rzadko

ze względu na cenę.

• Ponieważ topniki zasadowe mają zneutralizować kwaśne składniki skały

płonnej, więc same nie powinny ich zawierać. Dopuszczalne stężenie

składników kwaśnych w dobrych topnikach nie powinno przekraczać 1%, a

w gorszych 5%. Nie powinny dodatkowo wprowadzać zanieczyszczeń

takich jak siarka.

• Jeżeli w skład skały płonnej wchodzą składniki zasadowe (jak CaO lub

MgO), to topniki powinny mieć charakter kwaśny. Stosuje się wówczas

ubogie rudy kwaśne, zawierające znaczne ilości krzemionki lub żużle

kwaśne pochodzące z procesów stalowniczych.

Rudy żelaza

Najczęściej występującymi w przyrodzie rudami żelaza są tlenki i węglany, natomiast stosunkowo rzadko występują siarczki.

Największe znaczenie przemysłowe mają następujące rudy:

1. Magnetyt – tlenek żelaza Fe3O4.

• Jest rudą pochodzenia wulkanicznego

• Zawiera do 70% Fe.

• Jest koloru stalowoszarego lub czarnego,

• Ma własności magnetyczne,.

• Ma zwartą budowę.

• Ze względu na skład chemiczny skały płonnej jest trudno topliwy.

Hematyt tlenek żelaza - Fe2O3 , zawiera zwykle 50-60% Fe.

Występuje w dwu postaciach:

1. jako błyszcz żelazny, ma wtedy zabarwienie ciemno stalowoszare

2. jako hematyt czerwony zbity - zabarwienie wiśniowo czerwone

lub brunatno czerwone.

• Jest rudą łatwo topliwą o charakterze zasadowym i nie stanowi w kopalinie zwartej i twardej masy.

• Podczas wydobywania daje bardzo znaczne ilości miału, a niekiedy jest

wydobywany wyłącznie tylko w postaci miału.

• Musi być aglomerowany (spiekany w większe bryłki).

Limonit (2Fe2O3.3H2O) - uwodniony tlenek żelazowy, zawiera przeciętnie 30 -

52% żelaza. Ma barwy od żółtej poprzez brunatną do czarnej.

• Jest najbardziej rozpowszechnioną rudą w przyrodzie, powstaje

najczęściej w wyniku wietrzenia innych rud, jak np. magnetytów i

hematytów.

• Dzięki składowi chemicznemu zanieczyszczeń jest rudą łatwo topliwą. W

skład skały płonnej wchodzi najczęściej krzemionka i glina, a czasem

tlenki wapnia i tlenki magnezu. Jako zanieczyszczenie występuje w skale

płonnej jeszcze siarka i fosfor.

Limonit występuje w kilku odmianach, a mianowicie

• limonit włóknisty - zawierający około 47-55% Fe,

• limonit zbity - zawierający do 36% Fe,

• limonit dziurkowany o zawartości do 3 5% Fe.

Limonity pod względem występowania są bardzo rozpowszechnione.

Do wzbogacania limonitów stosuje się suszenie w podwyższonej temperaturze. Podczas suszenia odparowuje woda.

4. Syderyt - FeC03 węglan żelazawy, zawiera przeciętnie 30-40% żelaza,

barwy żółtawo-szarej do żółtawobrunatnej, występuje w kilku odmianach:

• syderyt ziarnisty - zawierający do 42% żelaza,

• syderyt węglisty - zawierający do 30% żelaza

Rudy te są bardzo łatwo topliwe lub samo topliwe, zanieczyszczone

krzemionką, tlenkiem wapnia i tlenkiem magnezu.

Do wzbogacania syderytów stosuje się prażenie. Podczas prażenia prócz odparowania wody zachodzi jeszcze rozpad węglanów i wydzielenie

dwutlenku węgla. Proces prażenia przebiega w piecach zwanych prażakami.

Do pieca ładuje się od góry kawałki rudy wymieszane z węglem niezbędnym do podwyższenia temperatury i przeprowadzenia niektórych reakcji.

Powietrze potrzebne do spalenia paliwa zasysane jest ciągiem naturalnym pieca przez otwory znajdujące się u jego podstawy.

W prażaku zachodzi reakcja wyrażona równaniem FeCO3 = FeO + CO2 - 26 780 kcal/mol

Jeżeli prażenie przebiega z dostępem powietrza, to dalsza reakcja ma przebieg :

2FeO + 1/2 O2 = Fe2O3 + 64 260 kcal/mol

Otrzymywanie surówki

żelazo zgrzewne – dymarki

• Proces wytwarzania stali początkowo był bardzo prymitywny, odbywał się w

piecach tzw. "dymarkach", w których temperatura nie przekraczała 1000°C

• Do wyrobu stali używano głównie rud tlenkowych oraz węgla drzewnego .

W dymarce rozżarzone cząstki węgla odbierały rudzie tlen i w ten sposób tworzyła się gąbczasta masa żelaza wolnego od tlenu, zawierająca nieco węgla.

• W efekcie otrzymywano bryły stali zawierające pewną ilość żużla, tzw. łupy.

Dalsze operacje polegały na przekuciu w celu usunięcia żużli, następnie zgrzaniu w pręty, poddawano dalszej przeróbce, w wyniku której otrzymywano broń i inne przedmioty użytkowe.

Otrzymywanie żelaza zgrzewnego -

Dymarki

• Mechanizacja polegała wówczas na sposobie dostarczania powietrza. Zastosowanie miechów napędzanych mechanicznie pozwoliło na szybsze

spalanie paliw i tym samym otrzymywanie wyższych temperatur. Pozwoliło to na znaczne zintensyfikowanie procesu.

• Podwyższenie ciśnienia pozwalało na budowę większych dymarek wynoszono je nad powierzchnię ziemi i uzyskiwano w nich coraz to wyższe temperatury.

Otrzymywanie żelaza zgrzewnego -

Świeżarki

• Wynalezienie i zastosowanie w XVIII wieku koksu pozwoliło na zbudowanie przez Darbiego tzw. "wielkiego pieca", w którym po raz pierwszy uzyskano ciekły stop żelaza z węglem. Doszło jednak zarazem do rozpuszczenia w tym

stopie oprócz znacznych ilości węgla również wszelkiego rodzaju domieszek.

Uzyskany produkt miał bardzo dobre własności odlewnicze, lecz znikome plastyczne.

W celu polepszenia własności plastycznych należało przeprowadzić proces tzw. świeżenia, polegający na wypaleniu wszelkich domieszek zawartych w stopie za pomocą tlenu z powietrza, w piecach tzw. "świeżarkach”

• Świeżarki swoją budową przypominały kotlinę kowalską, w której rozżarzone węgle drzewne ogrzewają kawałki surówki.

• Strumień powietrza płynący z miechów przez dyszę dostawał się do

kotliny pieca i tam powodował intensywne spalanie się węgla.

• W wysokiej temperaturze surówka ulegała stopieniu, a domieszki

częściowemu wypaleniu.

• Dzięki znacznemu zmniejszeniu zawartości węgla uzyskiwano stal

charakteryzującą się dobrymi własnościami plastycznymi, którą

można było kuć lub walcować.

Otrzymywanie żelaza zgrzewnego –

piec pudlarski

Piec pudlarski jest piecem płomiennym.

Paliwo spala się w nim na palenisku oddzielonym od topionej surówki, znajdującej się na topnisku. Do pieca ładuje się surówkę w tzw. gąskach i topi się ją ciepłem dostarczonym przez spaliny powstające podczas

spalania się paliwa na ruszcie paleniska.

Stopioną na topnisku surówkę miesza się hakiem, ułatwiając tym samym działanie na nią tlenu zawartego w spalinach.

W pierwszej fazie wypala się krzem i mangan, przechodzą one do żużla tworzącego się na powierzchni surówki. W następnej fazie zaczyna wypalać się węgiel, a pojawiający się na powierzchni tlenek węgla stwarza wrażenie wrzenia kąpieli. Dalsze mieszanie powoduje znaczne zmniejszenie się zawartości węgla i przejście surówki w stal. Zmniejszenie zawartości węgla, powoduje gęstnienie kąpieli, gdyż stal ma wyższą temperaturę topnienia niż surówka. Podczas dalszego mieszania tworzą się bryłki stali, tzw. lupy.

Po wyjęciu z pieca, lupy poddaje się kuciu lub walcowaniu, w ten sposób usuwa się żużle i zgrzewa się je ze sobą ogniowo. Powstaje wtedy tzw. stal zgrzewna.

Otrzymywanie stali

• W roku 1855 Bessemer opracował metodę świeżenia w

tzw. konwertorze.

• W roku 1865 Martin opracował piec do świeżenia za pomocą

gazu czadnicowego, a Siemens dodał do niego nagrzewnice

gazu i powstał piec Siemensa- Martina.

• W roku 1878 Thomas zastosował wykładzinę zasadową do konwertora, co umożliwiło przetwórstwo surówek zawierających duże ilości fosforu.

Procesy zachodzące w wielkim piecu

• Wsad wlk. pieca tj. ruda + koks + topniki załadowane od góry przesuwają się ku dołowi pieca.

• W gardzieli panuje temperatura 160- 200°C i nie może być niższa od 100°C,

albowiem nie wyparuje wówczas woda zawarta we wsadzie i będzie wtedy tzw.

mokra gardziel.

• Trzy metry poniżej gardzieli panuje już temperatura w granicach 400-500°C, w

której następuje odparowanie wody związanej krystalicznie (chemicznie),

dzięki czemu w gazie wielkopiecowym jest zawarta pewna ilość wodoru.

• W temperaturze ok. 500°C zaczyna się redukcja tlenku żelaza, która trwa aż do całkowitego przereagowania tlenków.

• W spadzie dodatkowo odbywa się nawęglanie żelaza.

Ruch gazów

• Skład gazów jest zmienny i zależy od reakcji chemicznych jakie w danej strefie zachodzą.

Węgiel ponad dyszami spala się na CO2, który z kolei reaguje z wolnym węglem dając tlenek węgla: CO2 + C = 2CO

• Ponieważ do wielkiego pieca jest doprowadzane powietrze, w składzie którego jest znaczna ilość azotu, więc w gazie wielkopiecowym też jest dużo azotu. Azot nie spala się i tym samym powoduje obniżenie wartości opałowej gazu wielkopiecowego.

Redukcja rudy

Otrzymanie surówki polega na odpowiednim odtlenieniu rudy.

Wszystkie reakcje zachodzące w wielkim piecu mogą mieć charakter POŚREDNI lub BEZPOŚREDNI. W normalnych warunkach jedne występują obok drugich.

REAKCJE POŚREDNIE polegają na redukcji tlenków za pomocą tlenku węgla. Reakcje przebiegają w kierunku wzbogacania rudy w żelazo:

3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 egz.

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 end.

FeO + CO = Fe + CO2 egz.

Jak wykazały doświadczenia, zupełna redukcja tlenków żelaza za pomocą CO jest niemożliwa wobec ciągłej zmiany stężenia tlenku węgla. Średnio tylko 37-55% żelaza można wyredukować tlenkiem węgla, resztę za pomocą węgla w dolnych strefach pieca.

REAKCJE BEZPOŚREDNIE zachodzą według wzorów:

• Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO egz.

• Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO end.

• FeO + C = Fe + CO egz.

Całkowita redukcja tlenku żelaza nie jest możliwa, albowiem żelazo

ponownie łączy się z dwutlenkiem węgla:

• Fe + CO2 = FeO + CO egz.

i jako tlenek żelaza pozostaje w surówce.

Istnieje jeszcze możliwość zredukowania pewnej ilości tlenku żelaza

podczas procesu nawęglania wsadu (tworzenie się cementytu).

Cementyt może też powstać podczas bezpośredniego działania węgla na żelazo

• 3Fe + C = Fe3C egz.

REDUKCJA KRZEMU

Krzem w rudzie jest zawarty w postaci krzemionki (SiO2). Podczas działania

węgla następuje reakcja

• SiO2 + 2C = Si + 2CO end.

Jest ona wysoce endotermiczna i potrzebuje dużo ciepła, może więc

zachodzić jedynie w wysokich temperaturach, tzn. w dolnej strefie pieca.

Zredukowany krzem przechodzi do surówki.

Aby otrzymać surówki z wyższą zawartością krzemu należy powietrze

podgrzewać do wyższych temperatur i zwiększać równocześnie zużycie

koksu, co znacznie podnosi temperaturę w piecu.

REDUKCJA FOSFORU

Zredukowany fosfor z bezwodnika kwasu fosforowego przechodzi prawie w

całości (90%) do surówki

• P2O5 + 5C = 2P + 5CO end

Jeżeli chce się otrzymać surówkę o małej zawartości fosforu, to należy brać

czyste rudy.

REDUKCJA MANGANU

• MnO + C = Mn + CO end.

Redukcja tego typu zachodzi bardzo trudno, bo MnO łatwo przechodzi do żużla

REDUKCJA SIARKI

Siarka występuje w postaci FeS i ma dużą skłonność do przechodzenia do surówki. Można temu zapobiec, używając mocno wapiennego żużla. Powstaje wtedy CaS:

• FeS + CaO = FeO + CaS

względnie reakcja przebiega z wydzieleniem dwutlenku siarki

• FeS + 10Fe2O3 = 7Fe3O4 + SO2

Produkty wielkiego pieca

• Surówka

• Żużel wielkopiecowy

• Gaz wielkopiecowy

SURÓWKA:

• Przeciętnie co 6-8 godzin - zależnie od pojemności pieca - przebija się kanały i spuszcza ciekłą surówkę.

• Produkowane w wielkim piecu surówki dzielimy w zależności od przeznaczenia na surówki przeróbcze, czyli stalownicze oraz na surówki odlewnicze.

• Surówki przeróbcze zależnie od ich składu chemicznego dzielimy na besemerowskie, tomasowskie oraz martenowskie.

• Zależnie od przeznaczenia surówkę albo przelewa się bezpośrednio do mieszalnika, albo do form maszyny rozlewniczej lub też odlewa do odpowiednich form piaskowych.

W pobliżu wielkiego pieca znajduje się często hala odlewnicza. Surówka

spływa do specjalnego kanału z licznymi odgałęzieniami, które rozprowadzają

ją do odpowiednio ukształtowanych form odlewniczych.

Z form tych po skrzepnięciu otrzymuje się surówkę w postaci tzw. „gąski” o

wadze około 50 kg.

Surówki odlewnicze przeznaczone są na odlewy żeliwne różnych części

maszyn

ŻUŻEL WIELKOPIECOWY

• Żużel wielkopiecowy powstaje w wyniku stopienia skały płonnej

towarzyszącej rudzie oraz topników wprowadzonych do pieca w

celu obniżenia temperatury topnienia mineralnych zanieczyszczeń

występujących w rudzie. Z tego względu skład chemiczny żużla

zależy od składu chemicznego rudy i topników.

Zwykle składa się on z tlenków wapnia, glinu oraz krzemu.

• Żużel może mieć odczyn kwaśny, zasadowy lub obojętny. Jeżeli zawiera większą ilość manganu, to ma charakterystyczny zielony kolor.

• Żużel o większej zawartości SiO2 lub Al2O3 jest bardzo trwały i po odpowiedniej przeróbce używa się go jako materiał budowlany.

• Odpowiednio ugaszony za pomocą wody daje tzw. watę żużlową o doskonałych własnościach izolacyjnych.

• Żużle o większej zawartości wapnia z powodu wietrzenia i rozpadania się nie mają większego zastosowania - przeważnie wywozi się je na hałdy

GAZ WIELKOPIECOWY

• Powstające w wyniku reakcji wielkopiecowych gazy zawierają pewne ilości składników, które po spaleniu mogą dostarczyć jeszcze pewnych ilości

ciepła. Przeciętna wartość opałowa gazów wielkopiecowych wynosi około 100 000 kJ/kmol.

• Głównym składnikiem palnym gazu wielkopiecowego jest CO.

• W skład gazów wielkopiecowych wchodzi do 60% azotu oraz do 30% tlenku węgla; pozostałe składniki to dwutlenek węgla, wodór i metan oraz znaczne ilości pyłu składającego się z rudy, koksu i topnika.

• Ponieważ wychodzący bezpośrednio z pieca gaz posiada pewną ilość zanieczyszczeń (około 25 g/m3, głównie pył koksowy i drobinki rudy), przed dalszą obróbką należy go więc dokładnie oczyścić.

Oczyszczanie z grubsza odbywa się mechanicznie na sucho, następnie na mokro lub elektrycznie w elektrofiltrach.

Zanieczyszczenia po sprasowaniu (zbrykietowaniu) trafiają znowu do procesu wielkopiecowego.

Oczyszczony gaz zawiera zaledwie 0,02 grama zanieczyszczeń w 1 m3 i może być spalany, a nawet używany do napędzania silników spalinowych.

WYTWARZANIE STALI

PROCES ŚWIEŻENIA MOŻE BYD:

• bezpośredni -> wielki piec -> konwertor,

• pośredni - wielki piec -> mieszalnik -> konwertor,

• kombinowany - wielki piec -> mieszalnik -> bloki -> żeliwiak –> konwertor

MIESZALNIK

• Podczas spustu z wielkiego pieca otrzymuje się duże ilości surówki, która nie może być od razu przerobiona w stalowni, ponieważ rytm produkcji stali jest inny. Z tego powodu w niektórych hutach surówkę przeróbczą zlewa się do ogromnych zbiorników, o pojemności do 2000 ton, zwanych mieszalnikami. Niektóre z nich ogrzewa się gazem czadnicowym lub wielkopiecowym.

ZADANIEM MIESZALNIKA JEST :

• magazynowanie ciekłej surówki spuszczanej z wielkiego pieca z kilku wytopów lub z kilku pieców oraz

• równomierne dostawy surówki do stalowni niezależnie od nierównomierności produkcji,

• wymieszanie i ujednorodnienie poszczególnych spustów surówki, które zawsze wykazują pewne odchylenia zarówno w składzie chemicznym jak i w temperaturze,

W mieszalniku odbywa się ważny proces polegający na częściowym

odsiarczeniu metalu.

Zawarty w surówce siarczek żelaza reaguje z manganem, który znajduje się zwykle w niewielkich ilościach w wytopionej surówce.

Reakcja ma następujący przebieg:

FeS + Mn = MnS + Fe egz.

Wytworzony w tych warunkach siarczek manganu przechodzi do żużla

i wraz z nim jest w odpowiednim czasie usuwany.

Mieszalnik to walcowe naczynie zbudowany ze stali i wyłożone materiałem ogniotrwałym. Dzięki oparciu na rolkach wielkich łożysk mieszalnik może być przechylony, gdy zachodzi potrzeba pobrania z niego surówki do dalszej przeróbki na stal .

Procesy świeżenia surówki

WYTWARZANIE STALI METODĄ BESSEMERA

• Proces wytwarzania stali w stanie ciekłym został opracowany w 1855 r. przez

angielskiego metalurga Henryka Bessemera.

• Polega on na świeżeniu surówki strumieniem powietrza przechodzącym

przez nią. Znajdujący się w powietrzu tlen szybko utlenia zawarte w surówce

domieszki, a wytworzone ciepło reakcji podnosi temperaturę tak wysoko, że

mimo zmniejszenia zawartości węgla w żelazie pozostaje ono w stanie ciekłym.

• Do przerobu w konwertorze Bessemera nadają się tylko niektóre gatunki surówki. Powinny one zawierać krzemu do 2%, manganu do 1,5%, siarki max. 0,05% i fosforu max. 0,1%; zawartość węgla wynosi zwykle 3,5-4,5%.

• Przed rozpoczęciem pracy konwertora należy go ogrzać i w tym celu spala się w nim koks. Po nasypaniu koksu do pochylonego konwertora wysypuje się około 10 kg piasku na 1 tonę, a następnie wlewa się ciekłą surówkę pobraną z mieszalnika lub wprost z wielkiego pieca. Wprowadzony do konwertora piasek ma na celu przyspieszenie powstawania żużla.

Proces świeżenia przeprowadza się w konwertorze ustawionym pionowo.

Powietrze płynące ze sprężarki miesza ciekły metal i powoduje utlenianie, czyli spalanie domieszek zawartych w surówce. W pierwszej kolejności utlenia się pewna niewielka ilość żelaza wg reakcji

• Fe + 1/2 O2 = FeO egz.

Wytworzony w ten sposób tlenek reaguje z krzemem i manganem

wg reakcji

• Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe egz.

• Mn + FeO = MnO + Fe egz.

Jak widać, reakcje spalania są źródłem ciepła. Zwłaszcza krzem, którego w surówce besemerowskiej jest około 2%, dostarcza dużych jego ilości. W okresie spalania się krzemu i manganu nad gardzielą konwertora unosi się snop iskier utworzonych z rozżarzonej krzemionki. Ten pierwszy okres, trwający do 5

minut, nazywamy iskrowym.

Gdy ilość krzemu i manganu w surówce znacznie się zmniejszy, rozpoczyna

się intensywne spalanie węgla wg reakcji

• C + FeO = CO + Fe end.

Tworzący się tlenek węgla uchodzi wraz z innymi gazami z gardzieli i tu

spala się na dwutlenek węgla. Wówczas pojawia się płomień nad gardzielą.

Ten drugi okres, trwający do 15 minut, nazywamy płomieniowym.

• Trzeci okres, trwający kilkanaście sekund, kończy proces świeżenia.

W tym czasie wypala się już żelazo, a nad gardzielą pojawiają się

brunatne dymy utworzone z tlenku żelazawego. Z tego powodu trzeci

okres świeżenia surówki w konwertorze Bessemera nazywamy dymnym.

Jest on szkodliwy, gdyż powoduje stratę żelaza, i wobec tego powinien

być jak najkrótszy.

Po zakończeniu świeżenia zawartość konwertora jest silnie utleniona

i pozbawiona węgla. W celu otrzymania stali o określonej zawartości

węgla, krzemu i manganu wprowadza się do konwertora ustalone ilości

tych składników w postaci stopów żelaza z krzemem i manganem oraz

surówkę zwierciadlistą, zawierającą duże ilości węgla i manganu.

Zmiany składu chemicznego metalu i jego temperatury podczas

wytopu w konwertorze Bessemera

• Wprowadzenie do utlenionej stali krzemu i manganu ma na celu jej

odtlenienie, gdyż zarówno krzem, jak i mangan chętniej łączą się z tlenem

niż żelazo. Powstające podczas odtleniania tlenki krzemu i manganu

wypływają na powierzchnię stali w postaci żużla.

• Pozostałość w stali tlenku żelazawego czynią stal kruchą w wyższej

temperaturze i z tego powodu przeróbka plastyczna takiej stali na gorąco

nie jest możliwa.

• STOPIEO WYŚWIEŻENIA określa się na podstawie wyglądu żużla i

plastyczności stali. Jeżeli zawartość węgla w stali jest duża, to pobrana z

konwertora próbka żużla ma barwę jasną. Zmniejszenie ilości węgla w stali

powoduje powiększenie ilości tlenku żelazawego przechodzącego do żużla

skutkiem czego zabarwia się on na kolor brunatny, nawet na czarny.

• Próba kucia i gięcia odlanej stali informuje również o zawartości węgla. Stal

zawierająca większe ilości węgla z trudem daje się odkształcić plastycznie,

a przegięta - pęka. Z wyglądu przełomu próbki doświadczony hutnik potrafi

określić zawartość węgla i manganu. Dokładniejsze analizy wykonuje się

metodami chemicznymi lub spektrograficznie.

• W procesie Bessemera nie następuje ani odsiarczanie, ani odfosforzanie.

Jest to główną wadą tego procesu.

WYTWARZANIE STALI METODĄ THOMASA

W procesie Bessemera nie można przerabiać surowców zawierających

znaczniejsze ilości fosforu, gdyż pozostaje on w stali po świeżeniu i

powoduje jej kruchość.

Zmiany, jakie w konwertorze Bessemera wprowadził w 1878 r. inny

Anglik S. G. Thomas, usunęły tę wadę. Ulepszenie polegało na zmianie wyłożenia konwertora. Nowy konwertor, zwany od nazwiska wynalazcy tomasowskim, został wyłożony wyprażonym i drobno zmielonym dolomitem wymieszanym ze smołą pogazową.

Zasadowy charakter wyłożenia umożliwia wprowadzenie do konwertora wapna, które w końcowej fazie świeżenia wiąże się z fosforem, tworząc fosforan wapniowy wypływający w postaci żużla na powierzchnię metalu.

W konwertorze Thomasa przerabia się surówki zawierające 3-4% węgla, 0,4-1,5% manganu, 0,2-0,6% krzemu, 1,6-2,5% fosforu i mniej niż 0,1% siarki.

Surówka przeznaczona do procesu Thomasa zawiera znacznie więcej

fosforu niż besemerowska i znacznie mniej krzemu.

W procesie zasadowym (tomasowskim) fosfor ma podobne zadanie do spełnienia jak krzem w metodzie kwaśnej, tzn. podczas świeżenia jest głównym źródłem ciepła. Wymaganie mniejszej zawartości krzemu w surówce jest spowodowane jego chemicznym oddziaływaniem na zasadowe wyłożenie konwertora. Przebieg świeżenia surówki w konwertorze Thomasa jest

podobny do przebiegu świeżenia w procesie Bessemera.

Załadowanie do poziomo pochylonego konwertora ciekłej surówki poprzedzane jest wprowadzeniem wapna palonego stanowiącego około 15% wsadu, które po stopieniu tworzy żużel i następnie służy do odfosforzenia

stali. Przy zastosowaniu tej metody objętość wsadu jest większa niż

przy zastosowaniu poprzedniej metody, więc z tego powodu konwertory tomasowskie przy tej samej wydajności co besemerowskie mają większe rozmiary. Świeżenie surówki przeprowadza się w pionowej pozycji konwertora.

W pierwszym okresie iskrowym wypala się krzem i mangan. Okres wypalania

krzemu i manganu trwa około 2 minut.

W okresie płomieniowym wypala się węgiel wg takich samych reakcji jak w

procesie besemerowskim. Okres wypalania węgla trwa około 7 minut i w tym

czasie jego zawartość w surówce spada do około 0,4%.

Dalsze świeżenie powoduje spadek zawartości węgla i gwałtowne wypalanie

się fosforu. Jest to już Trzeci okres świeżenia - dymny, trwający około 5 minut, w czasie którego zachodzi reakcja:

• 2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4P2O5 + 5Fe egz.

W okresie dymnym temperatura metalu szybko wzrasta, ponieważ podczas wypalania się fosforu wydzielają się znaczne ilości ciepła.

Po świeżeniu żużel zlewa się do oddzielnych kadzi i po ochłodzeniu poddaje się go mieleniu. W tej postaci stanowi on cenny nawóz dla rolnictwa.

Pozostałą jeszcze w konwertorze stal odtlenia się za pomocą żelazokrzemu

i żelazomanganu.

Zawartość węgla w stali podnosi się przez dodanie surówki zwierciadlistej.

Kontrola stopnia odfosforzenia przeprowadzana bywa na podstawie badania

plastyczności stali i próby przełomu.

Stal wytworzona w konwertorze po przeróbce plastycznej tj. po kuciu lub walcowaniu, jest stosowana na części maszyn lub do wyrobu szyn, belek i drutu.

PROCES SIEMENSA-MARTINA

• Bracia Emil i Piotr Martinowie realizując swój pomysł stapiania złomu z surówką chcieli wykorzystać przede wszystkim złom, który był całkowicie

bezużyteczny w procesie Bessemera.

• Po zastosowaniu pieca trzonowego okazało się, że można w nim przerabiać również surówkę i to o takim składzie, jaki był niemożliwy do przetwórstwa

w innych procesach. Można było również usuwać fosfor i siarkę - pozwalało to na przerabianie takich gatunków surówki, które nie nadawały się do

procesu Thomasa i Bessemera. Dzięki tym zaletom proces ten rozpowszechnił się i był długo podstawą procesów stalowniczych.

• Piec martenowski jest piecem płomiennym opalanym mieszaniną gazów wielkopiecowego i koksowniczego, wysoką temperaturę spalania (do

1800°C) osiąga się w nim dzięki zastosowaniu podgrzewaczy gazu, tzw. regeneratorów, gdzie za pomocą rozgrzanych spalin podgrzewa się powietrze

i gazy przed spalaniem.

• Obecnie coraz częściej stosuje się opalanie tych pieców paliwami płynnymi

• Sklepienie pieca S-M, niezależnie od charakteru chemicznego wanny, jest zawsze kwaśne - wykonane z prostek krzemionkowych. Odznaczają się one dużą ogniotrwałością, małym ciężarem i małym współczynnikiem

rozszerzalności cieplnej.

• Między wymurowaniem trzonu (wanny) a sklepieniem jest warstwa oddzielająca z materiałów obojętnych - chromitów. Zapobiega to wzajemnej reakcji tych dwu różnych wyłożeń.

• Komory żużlowe zbierają zanieczyszczenia stałe, pyły i inne cząstki, które zmieszane z gazami spalinowymi tworzą łatwotopliwe substancje.

• Regeneratory służące do odzyskiwania ciepła z gazów spalinowych wychodzących do komina, zabudowane są wewnątrz kratą z materiałów ogniotrwałych.

• Typowa stalownia składa się z trzech hal. Podstawowa to hala pieców martenowskich, do niej przylegają: hala odlewnicza i hala złomowa oraz materiałów wsadowych.

• W hali piecowej znajdują się wsadzarki suwnicowe lub pomostowe ładujące do pieców złom umieszczony w korytach, ciekłą surówkę wlewa się do pieców z kadzi dowożonych suwnicami.

• Topniki i rudę ładuje się wsadzarkami za pomocą koryt lub ręcznie.

• Większe stalownie mają jeszcze dodatkowo mieszalniki.

PROCES METALURGICZNY W PIECU SM

• W piecu martenowskim przerabia się surówkę o zawartości: 3,8-4,2% C;

0,75-2,5% Si; 1,5-2,5% Mn; do 0,5% P i do 0,05% S. Podczas wytapiania

stali w piecu martenowskim używa się dużych ilości złomu.

• W zależności od rodzaju rozróżnia się proces złomowy lub surówkowozłomowy.

Najczęściej jednak stosuje się proces złomowo-surówkowy, przy czym wsad składa się w 55-70% z ciekłej surówki. Reszta to złom i utleniacze (rudy żelaza do 4%).

• Jeżeli wsad znajduje się w stanie stałym, to ładuje się go oknami

wsadowymi od przodu pieca, jeżeli zaś używa się ciekłej surówki, to wlewa

się ją z tyłu pieca przez specjalny otwór wlewowy umieszczony powyżej

poziomu ciekłej kąpieli.

• Jako czynnika świeżącego używa się rudy żelaznej, złomu i zendry

powalcowniczej, dodaje się je razem z wsadem albo też w trakcie topienia,

zwłaszcza gdy kąpiel zaczyna kipieć.

• Topniki (materiał żużlotwórczy) dodaje się głównie w postaci kamienia

wapiennego lub wapna. Dodatkowo w celu lepszego upłynnienia żużla

można dodać fluorku wapnia lub boksytu (do 70% Al) .

• Odtleniacze dodawane są do kadzi odlewniczej w końcowej fazie procesu.

Najczęściej stosuje się surówki odlewnicze zwierciadliste, żelazomangan i

żelazokrzem, a w wyjątkowych wypadkach aluminium.

• Zasadniczo proces w piecu martenowskim składa się z trzech etapów:

– ładowania, topienia i wyrabiania.

Ładowanie pieca wsadem zarówno płynnym jak i stałym powinno odbywać się jak najszybciej (tzw. sadzenie pieca).

Topienie wsadu też powinno być możliwie krótkie, co można osiągnąć przy dobrej sprawności cieplnej pieca przez wprowadzanie do przestrzeni roboczej dużej ilości ciepła.

Po mniej więcej 2 godzinach cały wsad jest już ciekły i zaczynają się reakcje metalurgiczne. Cała kąpiel zaczyna się silnie gotować i na powierzchni powstaje cienka warstwa żużla.

W razie gdy gotowanie jest słabe, należy dodać kilka łopat rudy, niemniej w wypadku zbyt dużej zawartości tlenku żelazawego w kąpieli zaczyna się burzyć i kipieć.
• Podczas procesu topienia prawie całkowicie wypala się krzem a mangan, węgiel i fosfor częściowo. Zawartość węgla w kąpieli ma zasadnicze znaczenie dla właściwego przebiegu trzeciego okresu (wyrabiania) .

Wyrabianie zaczyna się świeżeniem, a kończy odtlenianiem kąpieli.

• Świeżenie powinno być tak prowadzone, aby kąpiel przez cały czas gotowała się wskutek wydzielania się tlenku węgla. Powoduje to przy okazji również

intensywne wydzielanie się innych gazów z kąpieli. Równocześnie obniża się zawartość fosforu i siarki. Szybkość procesu świeżenia reguluje się odpowiednimi dodatkami materiałów świeżących, powinno ono

przebiegać równolegle z podnoszeniem się temperatury kąpieli.

Reakcje zachodzące w zasadowym piecu martenowskim są następujące:

1. pod działaniem tlenu z atmosfery przestrzeni roboczej utlenia się żelazo, powstały tlenek żelazawy reaguje z domieszkami,

2. powstające tlenki reagują między sobą i z dodawanym wapnem

tworząc żużel.

• Na przebieg reakcji w piecu martenowskim wpływają:

temperatura kąpieli, stan fizyczny i zasadowość żużla, koncentracja

tlenku żelazawego w kąpieli i żużlu.

Czynnikiem przenoszącym tlen jest tlenek żelazawy powstający w okresie topienia, który dyfunduje z żużla do kąpieli metalowej. Ponieważ jego ilość szybko się wyczerpuje wskutek reakcji z innymi domieszkami, dlatego w okresie świeżenia należy dodawać do żużla lub do kąpieli metalowej znaczne ilości tlenków żelaza w postaci rudy lub zgorzeliny w celu przyśpieszenia procesu.

• W procesie usuwania fosforu decydujące znaczenie ma zawartość FeO w kąpieli, tak jak CaO w żużlu.

2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe egz.

P2O5 + 3FeO = (FeO)3P2O5 egz.

• Tlenek wapnia wiąże się z fosforanem żelazowym w fosforan wapniowy, tym

samym uniemożliwiając powrót fosforu do metalu.

• (FeO)3P2O5 + 4CaO = (CaO)4P2O5 + 3FeO

• Aby efekty odfosforowania były lepsze, ściąga się żużel na początku i na końcu świeżenia.

• Do odsiarczania natomiast używa się manganu i tlenku żelazawego.

• Po ukończonym gotowaniu pobiera się próbki metalu i żużla, przeprowadza

analizę i próbę technologiczną.

Próba łamania pręta dla określenia zawartości węgla w stali Odlewa się próbki w postaci płaskownika, gorącą próbkę wrzuca do wody (hartowanie), a następnie wykonuje się próbę zginania. Stopień wygięcia próbki w chwili pękania informuje o zawartości węgla. Występowanie grubego ziarna na

przełomie świadczy o zawartości fosforu.

• Jeżeli wyniki prób nie wykażą odpowiednich własności, to dosypuje

się jeszcze FeO i CaO i prowadzi proces świeżenia w dalszym ciągu.

W razie gdy żużel szybko gęstnieje, należy go usunąć i zastąpić świeżym.

• Gdy ponownie pobrane próbki wykażą odpowiednie własności, proces świeżenia uznaje się za zakończony. Należy obliczyć odpowiednie ilości odtleniaczy i wprowadzid je do kąpieli.

Odtlenianie polega na dodaniu w końcowej fazie żelazomanganu lub

surówki zwierciadlistej ewentualnie krzemo-manganu. Mangan i

krzem reagują z tlenkiem żelazawym, powodując odtlenienie

surówki. Proces ten odbywa się w kadziach.

Otrzymuje się stal nieuspokojoną lub półuspokojoną.

• Jeżeli stal ma byd całkowicie uspokojona, to dodaje się pewne ilości

aluminium, reakcja przebiega wówczas bardzo energicznie

i znacznie obniża zawartość FeO w stali. Dodatek aluminium wpływa

nie tylko na odtlenianie, ale także na regulację wielkości ziaren stali.

• Piece martenowskie były powszechnie stosowane do wyrobu stali w ok. 70% produkcji światowej.

• Proces prowadzi się prawie wyłącznie w piecach zasadowych ze względu na mniejsze koszty wytwarzania. Stal ta zawiera znacznie mniej zanieczyszczeń niż otrzymywana metodami Bessemera lub Thomasa.

• Stal z pieca martenowskiego może być odlana we wlewki przeznaczone do dalszej przeróbki plastycznej lub też użyta do wykonania odlewów ze stali.

• W procesie martenowskim produkuje się stale węglowe i niskostopowe.

Jeżeli potrzebne są lepsze gatunki stali, to można ją przerabiać w dalszym ciągu w piecach elektrycznych na stal stopową.

Zalety pieców Siemensa-Martina w porównaniu z klasycznymi konwertorami są następujące:

o umożliwiają stosowanie prawie każdego rodzaju surówki, podczas gdy w konwertorach (Bessemera i Thomasa) można przerabiać tylko takie gatunki, które zawierają znaczne ilości krzemu lub fosforu,

o nie powodują tak wielkich strat materiałowych (zgar 3- 5%),

o umożliwiają zużytkowanie materiałów złomowych,

o umożliwiają wyrób stali o dowolnej zawartości węgla,

o umożliwiają stosunkowo dokładne oczyszczenie stali ze

szkodliwych domieszek

o pozwalają na wytopienie konstrukcyjnych stali

stopowych.

PROCES TLENOWY LD (Linz-Donawitz)

• Przerabianie ciekłej surówki metodami konwertorowymi , które nie wymagają dostarczenia ciepła z zewnątrz i przy okazji odznaczają się bardzo

wysokimi wydajnościami ma tę wadę, że wymaga surówki o ściśle określonym składzie chemicznym.

• Do przeróbki w procesie Bessemera niezbędne jest użycie rudy o małej zawartości siarki i fosforu, a złoża zarówno takich rud jak i pokłady węgla o tych samych własnościach kończą się, istnieje duży problem z uzyskaniem klasycznej surówki.

PROCES TLENOWY LD (Linz-Donawitz)

• Podobnie jest w wypadku zastosowania rud o dużej zawartości fosforu. Zastosowanie procesu Thomasa jest możliwe wyłącznie wtedy, gdy dysponuje się takimi rudami. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym zakres stosowania tego procesu jest niezbyt wysoka jakość otrzymywanej stali, która praktycznie

nadaje się wyłącznie do wytwarzania stali konstrukcyjnych pospolitej jakości.

• Dopiero opracowanie procesu tlenowego w 1949 roku w Austrii spowodowało znaczny przełom w stalownictwie, gdyż zaistniała możliwość przetwórstwa surówki martenowskiej, czego dowodem jest żywiołowy rozwój tej metody na całym świecie.

• Proces konwertorowy został opracowany w okresie gdy nie było nadmiaru złomu, natomiast był nadmiar surówki, dlatego też proces ten jest pożądany w państwach posiadających duże ilości surówki, a małe złomu.

• Konwertor tlenowy ma wykładzinę z prostek smoło-dolomitowych

lub smoło-dolomitowo-magnezytowych. Wsad przedmuchuje się tlenem za pomocą dyszy wprowadzanej przez gardziel konwertora, która chłodzona jest wodą, zawieszona w wysokości 300 do 800 mm nad poziomem metalu.

• Ciśnienie tlenu wynosi 0,9-1,5 MPa (9-15 atn. ). Temperatura kąpieli w miejscu wdmuchiwania tlenu wynosi około 3000°C.

Surowcem wyjściowym do wytopu może być zarówno zwyczajna surówka

przeróbcza, jak i wysokofosforowa. Można dodatkowo stosować wsad

złomowy w ilości 20-35% jak również dodatek rudy żelaznej do 8% i zgorzeliny.

Chcąc zapewnić intensywne wypalanie się siarki i fosforu stosuje się dodatek proszku wapna do dmuchu tlenu lub w kawałkach na powierzchnię kąpieli.

Dzięki przedmuchiwaniu z góry powstaje gorący, bardzo aktywny żużel.

• Specyfika procesu tlenowego polega na tym, że utlenianie domieszek i żelaza odbywa się zarówno na skutek bezpośredniego oddziaływania wdmuchiwanego tlenu przenikającego przez metal, jak i za pomocą żużla.

Wysoka temperatura od samego początku procesu i obecność wapniowo-żelazowego żużla powoduje, że intensywne utlenianie fosforu i węgla rozpoczyna się od początku przedmuchiwania surówki.

• Proces przebiega przy znacznych naddatkach cieplnych i dlatego do chłodzenia dodaje się złomu i rudy żelaza.

• Złom nagrzewa się i topi kosztem ciepła kąpieli metalowej.

• Działanie rudy oparte jest na endotermicznych reakcjach redukcji żelaza przez węgiel znajdujący się w surówce.

W procesie wytopu ściąga się pierwotny żużel i powoduje wytworzenie się nowego, wapniowo-żelazowego.

• W wyniku procesu otrzymuje się stal o obniżonej zawartości azotu (0,002-0,005%), fosforu i siarki. Zawartość siarki w metalu zmniejsza się o 35-50%.

• Czas trwania wytopu w konwertorze o pojemności 130 t wynosi 30 min. Stosowanie konwertorów o większej pojemności (250-300 t) pomimo

przedłużenia czasu do 45-60 minut daje duże wydajności.

• Zastosowanie konwertora o pojemności 50 t pozwala na uzyskanie większej wydajności niż w 500-tonowym piecu martenowskim, natomiast piec 100-tonowy odpowiada swoją wydajnością piecowi martenowskiemu o pojemności 800-900 t.

• Korzystne jest użycie konwertora do otrzymania ciekłej stali i następnie przerabianie jej w piecu łukowym w celu ostatecznego otrzymania stali wysokostopowej.

Ubocznym produktem tych procesów jest wysokofosforowy żużel, który służy jako cenny nawóz.

• W konwertorze tlenowym powstaje wiele gazów odpadowych bardzo gorących (przy wylocie nagrzane do 1600-1700°C) o następującym składzie chemicznym: 10-12% C02; 80-82% CO; 5-7% H20; 1% N2.

• Gazy wychodzące z konwertora są w znacznym stopniu zapylone (tlenki żelaza, manganu i inne). Do ich oczyszczenia służą specjalne urządzenia odpylające.

Zastosowanie procesu tlenowego przynosi następujące korzyści:

• niższe o około 40% koszty inwestycyjne dużych stalowni konwertorowych w porównaniu ze stalowniami martenowskimi o tej samej wydajności,

• niższe o 25-30% koszty wytwarzania stali w porównaniu ze stalowniami martenowskimi,

• jakość stali otrzymywanej po zastosowaniu czystego tlenu (99,5%) nie

ustępuje jakości stali uzyskiwanej w stalowniach martenowskich,

a w pewnych wypadkach przewyższa ją nawet ze względu na małe

zaazotowanie (poniżej 0,004%), co ma szczególne znaczenie przy

otrzymywaniu blach głębokotłocznych (przemysł samochodowy).

• Konwertorowy proces tlenowy najbardziej nadaje się do wytwarzania miękkich gatunków stali: głębokotłocznych, do walcowania na zimno blach i taśm, żelaza armco.

• W konwertorze tlenowym można produkować również

stale twarde i półtwarde oraz stale nisko- i średniostopowe.