OTRZYMYWANIE STALI

1. Sposoby otrzymywania stali.

Stal otrzymujemy przez poddanie białej surówki żelaznej dalszej przeróbce.

Wytopiona w wielkim piecu surówka zawiera do 4,5% węgla, a ponadto pewne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu. Znaczna zawartość tych domieszek, głównie węgiel, powoduje jej kruchość. Celem przeróbki jest obniżenie zawartości węgla, tak aby nie przekraczała ona 2%, oraz odpowiednie zmniejszenie zawartości innych domieszek. Podczas przerobu surówki na stal domieszki ulegają częściowemu wypalaniu czyli tzw. świeżeniu, a otrzymany produkt uzyskuje dobre własności plastyczne. Proces świeżenia odbywa się dzięki utlenieniu węgla i domieszek przez działanie tlenu doprowadzonego w strudze powietrza, przeprowadza się go w temperaturach do 1700 stopni co pozwala na uzyskanie stali w stanie stopionym od czego pochodzi jej nazwa stal zlewna. Otrzymany po wypaleniu domieszek produkt użyty na odlewy nazywamy staliwem, a przerobiony plastycznie - stalą. do otrzymywania stali stosujemy metody:

a) wytwarzanie stali metodą konwertową Bessemera:

Sposobem Bessemera otrzymujemy stal zlewną przez poddawanie jej procesowi świeżenia w tzw. gruszce Bessemera

Gruszka Bessemera jest dużym naczyniem o wysokości około 6 metrów i średnicy około 3 - 4 metrów. Gruszka zwana konwertorem, jest wykonana z blachy stalowej i wyłożona ogniotrwałymi cegłami o wielkiej zawartości krzemionki. Dno gruszki ma liczne otwory, przez które wtłaczane jest sprężone powietrze pod ciśnieniem. Po bokach znajdują się dwa czopy utrzymujące konwertor na łożyskach co pozwala na pochylanie go. Za pośrednictwem jednego czopa, na którym zamocowane jest koło zębate współpracujące z listwą zębatą przesuwaną hydraulicznie w górę i w dół, co powoduje obrót konwertora. Za pomocą drugiego czopa doprowadzane jest powietrze.

U góry konwertora znajduje się otwór służący do napełniania go ciekłą surówką i wylewania stali po skończonym świeżeniu. Biorąc pod uwagę dużą objętość gruszki oraz krótki czas świeżenia, łatwość jej napełniania i wypróżniania, można przyjąć wydajność gruszki na ponad 100 ton stali na dobę. W gruszce Bessemera świeży się surówkę szarą, o dużej zawartości krzemu, a bardzo małej zawartości fosforu.

Powietrze przechodząc przez surówkę, utlenia węgiel i domieszki, które albo w postaci dwutlenku węgla ulatują, albo też w postaci żużla gromadzą się na powierzchni roztopionej stali. Proces świeżenia przebiega w kilku etapach:

• pierwszy okres nazywa się iskrowym ze względu na unoszące się nad gardzielą konwertora iskry wytworzone z rozżarzonej krzemionki

• drugi okres to płomieniowy z powodu pojawiającego się płomienia nad gardzielą wywołany spalaniem się tlenku węgla na dwutlenek węgla

• trzeci okres to okres dymny z powodu utworzonych z tlenku żelazawego brunatnych dymów

W celu otrzymania stali o określonej zawartości węgla, krzemu i manganu wprowadza się do konwertora określone ilości tych składników w postaci stopów żelaza z krzemem i manganem oraz surówkę zwierciadlistą.

b) wytwarzanie stali metodą konwertorową Thomasa:

Zbliżony do sposobu Bessemera jest sposób otrzymywania stali wynaleziony przez Thomasa. W tym sposobie świeżenia surówki o znacznej zawartości fosforu używa się gruszki o podobnej konstrukcji, jak przy sposobie Bessemera, z tą jednak różnicą, że jest ona wyłożona cegłą bogatą w tlenki wapnia. Wyprawę taką nazywamy dolomitową. Do gruszki Thomasa dodajemy wapno palone. Sposób Thomasa umożliwia otrzymanie stali pozbawionej większej zawartości fosforu, który jako tlenek fosforu po połączeniu się z wapniem powoduje powstanie bardzo wartościowego żużla, z którego produkuje się nawóz sztuczny, zwany tomasyną. Przebieg świeżenia w konwertorze Thomasa jest podobny do metody Bessemera.

• w okresie iskrowym wypala się krzem i mangan

• w okresie płomieniowym wypala się węgiel

• w kolejnym okresie spada zawartość węgla oraz gwałtownie wypala się fosfor

c) wytwarzanie stli metodą tlenową:

W nowoczesnych konwertorach do świeżenia surówki stosuje się tlen, co przyspiesza proces produkcyjny. Ten sposób otrzymywania stali daje duże korzyści ekonomiczne w porównaniu z tradycyjnymi, wyraża się to zwiększeniem wydajności produkcyjnej. Różnica między konstrukcjami konwertorów tradycyjnych i nowoczesnych polega na sposobie doprowadzenia czynnika powodującego swieżenie. W konwertorach nowoczesnych tlen doprowadza się dyszą nad powierzchnię surówki. Przedmuchiwanie surówki tlenem z góry przyspiesza roztapianie topików (wapnia), co przyspiesza proces ofosforzenia surówki.

d) wytwarzanie stali metodą Siemensa - Martina

W metodzie Siemensa-Martina używa się odmiennych urządzeń: piecy płomieniowych tzw. martenowskich. Piec martenowski składa się z: przestrzeni roboczej, głowic, kanałów, komór żużlowych, regeneratorów i zaworów rozrządczych. Przestrzeń robocza ograniczona jest od spodu trzonem pieca, z boków głowicami oraz ścianą przednią i tylną, a od góry sklepieniem. W połowie ściany tylnej znajduje się otwór spustowy. W ścianie przedniej znajdują się okna wsadowe, zamykane zasłonami wyłożonymi cegłą szamotową. Przez te okna wprowadza się do pieca materiały w stanie stałym.

Piec Siemensa- Martina jest opalany gazem, jego konstrukcja jest taka, że gaz generatorowy i powietrze, uprzednio podgrzane, tłoczone są do pieca i w czasie spalania wywiązują temperaturę około 1700 stopni. Spaliny wyprowadza się na zewnątrz przez otwory w ścianie pieca przeciwległej wlotowi, spalając się gaz ogrzewa surówkę. Piec Siemensa- Martina wykłada się cegłami dolomitowymi, umożliwiającymi proces odfosforzenia stali. Przez okna wsadowe wprowadza się do pieca surówkę w stanie płynnym lub w gąskach, jak również złom żelazny i rudę. Po stopieniu całego ładunku pieca następuje proces utleniania dzięki tlenowi powietrza wtłaczanego oraz dzięki tlenkom żelaza w postaci rdzy znajdującej się na starym złomie. Proces świeżenia tym sposobem trwa około 6 godzin. Po zakończonym wytopie spuszcza się stal przez otwór spustowy do kadzi odlewniczej.

Sposób Siemensa- Martina wyróżnia się dobrym oczyszczaniem stali z domieszek i możliwością lepszego wpływania na przebieg procesu świeżenia, jego obserwacji itp. Wydajność tego rodzaju pieca przekracza przeciętnie 300 ton na dobę. Stal otrzymana tą metodą ma stosunkowo mało zanieczyszczeń. Metodą martenowską wyrabia się stale konstrukcyjne, a czasem narzędziowe.

Najwyższe gatunki stali otrzymuje się przez zastosowanie pieców tyglowych lub elektrycznych.

e) piece elektryczne

Wytopiona w piecu martenowskim stal zawiera jeszcze pewne ilości siarki i fosforu. Dalsze oczyszczanie odbywa się w piecach elektrycznych.

Stale z takich pieców mają mało zanieczyszczeń. Żużel powstały w czasie procesu świeżenia usuwamy, aby po pewnym odstaniu się roztopionej stali umożliwić dalsze wydzielanie się żużla i jego odprowadzenie na zewnątrz. W celu uzyskania lepszych gatunków stali, dodaje się domieszki uszlachetniającej, podnoszącej jakość, wytrzymałość, odporność na korozję.

Piece elektryczne dzielą się na:

• łukowe czyli elektrodowe, w których łuk elektryczny powstaje między elektrodami węglowymi, wystającymi ze sklepienia pieca i stalą znajdującą się na dnie pieca, są one zasilane prądem zmiennym trójfazowym. Piece te wyposażone są w trzy elektrody, wprowadzone do przestrzeni roboczej. Ponieważ w czasie pracy pieca elektrody ulegają zużyciu, należy je stopniowo opuszczać w ten sposób, żeby dotykały żużla znajdującego się na powierzchni stali

• indukcyjne mogą być niskiej lub wysokiej częstotliwości. Zasada działania takiego pieca jest oparta na wykorzystaniu zjawiska prądów wirowych do wytwarzania wysokich temperatur. Piece niskiej częstotliwości mają na rdzeniu żelaznym nawiniętą cewkę stanowiącą uzwojenie pierwotne. Piece wysokiej częstotliwości nie mają rdzenia

Proces rafinacji rozpoczyna się od napełnienia pieca stalą zwykle dostarczaną w stanie ciekłym z pieców stalowniczych lub złomem stalowym. Wraz ze stalą dodaje się do pieca kilka procent rudy oraz około 5% wapnia. Stopione wapno tworzy żużel szczelnie pokrywający stopiony metal, następnie przeprowadza się odsiarczanie, w tym celu do pieca wprowadza się drobno mielony koks lub pokruszone elektrody grafitowe. Po zakończeniu odsiarczania stal odtlenia się.

f) piece tyglowe

Ten rodzaj piecy służy do przetapiania stali zlewnej w tyglach. Tygle są wykonane z masy ogniotrwałej z domieszką grafitu. Kilkadziesiąt tygli ustawia się w piecu obok siebie i ogrzewa płomieniem gazowym. Czas topienia wynosi około 5 godzin. Następnie wyjmuje się tygle z pieca, zdejmuje z nich pokrywy i po usunięciu żużla wylewa się stal do zbiornika, z którego napełnia się wlewnice płynną stalą. Aby otrzymać stal tyglową specjalną, wysokiej jakości należy dodać do tygli wartościowe mieszanki, jak nikiel, chrom, wolfram, kobalt, itd.

Wielką wadą tej metody jest stosunkowo mała wydajność pieca, koszt tygli o jednorazowym użyciu oraz sam piec są również kosztowne.

2. Odlewanie stali.

Odlewanie stali do wlewnic. Uzyskaną stal spuszcza się do kadzi odlewniczej, następnie kadź za pomocą suwnicy przewozi się nad miejsce, gdzie stoją wlewnice ustawione pionowo. Wlewnice mogą posiadać dno lub nie, te które nie mają dna służą do tzw. odlewania syfonowego, przy którym płynną stal doprowadza się do wlewnic od dołu przez kanały w płytach odlewniczych. Jeżeli wlewa się stal od górnych otworów, to taki sposób nazywa się górnym. Po wlaniu do wlewnicy stal w niej krzepnie. W czasie procesu krzepnięcia stali dokonuje się przemieszczanie różnych składników stali - zwane procesem segregacji. Konsekwencją tego procesu jest różnorodność składu chemicznego stali.

Użytkowa i techniczna wartość stali jest uzależniona od stopnia jej oczyszczenia z nadmiaru manganu, krzemu, węgla, a przede wszystkim fosforu i siarki. W celu pozbycia się tlenu i azotu stosuje się odtlenianie płynnej stali. Jeżeli proces odtleniania został przeprowadzony w pełni, wtedy mamy do czynienia ze stalą uspokojoną, w przypadku gdy proces ten odbył się tylko częściowo, wtedy taką stal nazwiemy półuspokojoną.

Metoda ciągłego odlewania stali. W odróżnieniu od powszechnie stosowanego odlewania stali do wlewnic, jednym z najnowszych sposobów jest tzw. ciągłe odlewanie. Polega ono na tym, że stal w stanie płynnym jest wlewana bezpośrednio z pieca do swego rodzaju formy ruchomej, chłodzonej wodą. Jest to więc ciągły proces odlewania zamiast cyklicznego. Istotną rolę w nim odgrywa urządzenie, w skład którego wchodzi specjalna forma osadzona w mechanizmie pozwalającym na zamianę jej położenia z chwilą napełnienia płynną stalą. Forma wykonująca ruch posuwisto- zwrotny wysuwa skrzepnięte kęsy o odpowiednim przekroju i wymaganej długości. Po opuszczeniu formy, kęsy zazwyczaj są transportowane na samotokach do miejsc ich dalszej przeróbki lub składowania w tych samych lub innych halach produkcyjnych. W chwili obecnej, aczkolwiek ciągłe odlewanie stali jest coraz powszechniej stosowane, mimo wszystko znajduje sie ono jeszcze nadal w okresie intensywnych prób i udoskonalania.

W porównaniu z dotychczasowymi metodami odlewania stali do wlewnic, metoda ciągłego odlewania stali do wlewnic, przyjmując taką samą jakość produktu, jest ekonomiczniejsza średnio o kilkanaście procent.

3. Staliwo

Staliwem nazywamy stal zlewną, którą zamiast do wlewnic wlewa się do form, aby otrzymać odlew przedmiotu o wyższej wytrzymałości, niż gdyby był odlany z żeliwa, jak również gdy nadanie kształtu wymaganego przez odkucie nie jest możliwe lub jest nieopłacalnie drogie. Do odlewów staliwnych używa się stali zlewnych węglowych twardych lub półtwardych, albo stopowych.

Przez odpowiednio przeprowadzone ulepszenie można uzyskać dla odlewów staliwnych wyniki wytrzymałości bardzo zbliżone do wytrzymałości stali kutych, z tą różnicą, ze staliwo będzie charakteryzowało się mniejszym wydłużeniem. Wadą staliwa jest znaczny skurcz.

4. Postacie i podział stali.

Postać stali jest określona według ostatniego zabiegu technologicznego nadającego kształt i wymiary przedmiotu wykonanego ze stali. Wyróżniamy:

• postać laną czyli staliwo

• stal kutą - uzyskiwaną przez kucie lub prasowanie na gorąco

• stal walcowaną - uzyskiwaną przez walcowanie na gorąco

• stal ciągnioną - uzyskiwaną przez ciągnienie lub walcowanie na zimno

Inne kryteria podziału stali stanowią składniki użyte do jej wyrobu. Wg tych kryteriów stal dzielimy na:

• stale węglowe - jej decydującym składnikiem jest węgiel, który w istotny sposób wpływa na ich własności. Inne składniki to np.: fosfor, krzem, mangan, występują w znikomych ilościach jako pozostałości z procesów metalurgicznych produkcji stali. Jest to najpospolitszy rodzaj stali, znajdujący szerokie zastosowanie w produkcji przeróżnych wyrobów metalowych. Stale węglowe dzieli się na:

a) niskowęglowe

b) średniowęglowe

c) wysokowęglowe

• stale stopowe - stale zawierające, niezależnie od ilości węgla, jeszcze inne składniki, które w czasie procesu wytwarzania zostały dodane w tym celu, aby podnieść własności stali w zależności od celu, do jakiego te stale mają być użyte. Do składników, które dodajemy w celu otrzymania pełnowartościowych stali należą:

a) nikiel - polepsza hartowność stali, podnosi cechy wytrzymałościowe, a szczególnie granicę płynności, wytrzymałość na rozciąganie, zwiększa wydłużenie i udarność. Wadą ich jest to, że utrudniające przebieg procesów nawęglania

b) chrom - podnosi cechy wytrzymałościowe, zmniejsza wydłużenie, ułatwia hartowanie, proces nawęglania oraz uodpornia przeciw korozji

c) mangan - ma podobny wpływ na stal co nikiel, z tą różnicą, że działa obniżająco na wydłużenie i udarność

d) molibden - podnosi charakterystykę wytrzymałościową, zmniejsza wydłużenie i udarność, sprzyja procesowi hartowania

e) wolfram - podnosi charakterystykę wytrzymałościową, ułatwia proces hartowania

f) wanad - podnosi własności mechaniczne

g) krzem - zwiększa kruchość stali, podnosi charakterystykę wytrzymałościową

h) kobalt - wywiera podobny wpływ co nikiel

i) glin - wpływa silnie obniżająco na udarność i przewężenie, przeciwdziała korozji, zwiększa kruchość na gorąco

j) miedź - działa antykorozyjnie

Stale stopowe dzielimy na niskostopowe i wysokostopowe.

Kierując się względami użytkowymi wyróżniamy stale:

• stale konstrukcyjne - budując jakąś maszynę lub urządzenie, możemy niektóre części nie wymagające wartościowych stali wykonać ze stali zlewnej, takiej, jaką otrzymamy z gruszki Bessemera, Thomasa lub pieca Siemensa-Martina, będą to: szyny, teowniki, ceowniki, kątowniki oraz stal prętowa na elementy maszyn i urządzeń. Inne natomiast elementy maszyn z racji swoich warunków pracy, a więc wielkich przenoszonych sił oraz innych wymagań im stawianych, będą wykonywane ze stali bardziej wartościowych, mniej zanieczyszczonych. Stale te otrzymujemy drogą przeróbki stali w piecu tyglowym lub elektrycznym. Stale konstrukcyjne dzielimy na węglowe i stopowe. Stal węglową używa się na elementy znoszące duże uderzenia. Stal stopową używa się do elementów pracujących w trudnych warunkach ze względu na rodzaj obciążeń i znaczną temperaturę. Najbardziej typowymi stalami stopowymi są: niklowe, chromowe i chromo-niklowe

• stale narzędziowe - musi być ona specjalnie starannie wykonana ze względu na stawiane wysokie wymagania narzędziom, stale te przerabiane są prawie wyłącznie w piecach elektrycznych, dzielimy je na: węglowe, stopowe i szybkotnące. Stale węglowe używa się do narzędzi pracujących w ciężkich warunkach, jak silne uderzenia i wstrząsy. Najbardziej typowymi stalami węglowymi są: stal twarda, średnio-twarda, średnio-ciągliwo-twarda, ciągliwa. Stale stopowe mają odporność na odkształcenia, jakie często mogą wystąpić w czasie obróbki termicznej, mają zdolność pracy w ciężkich warunkach. Wśród tej grupy stali spotykamy: chromowo-wolframowo-manganowe, wolframowo-krzemowe, chromowo-kobaltowe. Stale szybkotnące są najwyższymi gatunkami stali narzędziowych stopowych. Ich nazwa pochodzi od własności zachowania pełnej zdolności skrawania przy wysokich szybkościach skrawania.

• stale o przeznaczeniu specjalnym - wśród tego rodzaju stali najgłówniejszymi są:

a) stale nierdzewne - mają znaczną wytrzymałość, ciągliwość i odporność przeciwko rdzewieniu, stosuje się je do wyrobu łyżek, noży, widelców oraz narzędzi chirurgicznych

b) stale o dużej odporności na korozję - znajdują one zastosowanie przy konstrukcjach stalowych o dużej wartości i znaczeniu gospodarczym. Wadą jej jest trudność otrzymania i cena miedzi

c) stale kwasoodporne - zawierają chrom i nikiel, które uodporniają na działanie kwasów z wyjątkiem niszczącego działania kwasu solnego

d) stale o dużej odporności na ścieranie - jej cechą charakterystyczną jest mała ścieralność, ale również duża trudność przy obróbce wiórowej

e) stale sprężynowe - muszą odznaczać się wysoką granicą sprężystości

f) stale o specjalnych własnościach magnetycznych

---