4.Opisać magnetyt, hematyt oraz topniki w procesach wielkopiecowych.
Magnetyt - żelaziak magnetyczny, jest tlenkiem żelazowo - żelazowym Fe3O4. Jest on rudą pochodzenia wulkanicznego. W stanie czystym zawiera 71,4% Fe. W rudach zawiera od 50 do 70% Fe. Ma właściwości magnetyczne. Jest mało porowaty, stąd trudno się redukuje. Szwecja, Rosja, Norwegia, N Afryka, Suwałki.
Szamot - materiał ceramiczny otrzymywany przez zmielenie i spieczenie wypalonej gliny ogniotrwałej. (suszenie i wypalanie). Wyroby szamotowe cechują się dużą odpornością na szybkie zmiany temperatury. Po wymieszaniu z plastyczną gliną ogniotrwałą szamot używany jest zatem do wyrobu ogniotrwałych materiałów szamotowych i wieloszamotowych
Limonit (2Fe2O3* 3H2O) - tlenek uwodniony żelazowy jest mieszaniną mineralną o różnym stopniu uwodnienia, której głównym składnikiem jest getyt. Zawiera domieszki innych minerałów takich jak kwarc, wiwianit, minerały ilaste. Najpospolitszą odmianą limonitu jest żelaziak brunatny, występujący w skupieniach ziemistych, zbitych. Jest to getytowa ruda żelaza. Inne odmiany limonitu to: limonit włóknisty, ruda darniowa, ruda bagienna i jeziorna, żelaziak oolitowy i inne. Limonit wykazuje pochodzenie podobne do getytu.
Syderyt.- Węglan żelaza(II) - FeCO3 - Osad związku wytrącony z roztworów soli żelaza(II) ma barwę białą pod nieobecność powietrza. W obecności powietrza utlenia się z utworzeniem wodorotlenku żelaza(III). W obecności
Hematyt - żelaziak czerwony, jest tlenkiem żelazowym Fe2O3, w stanie czystym zawiera 70% Fe, zwykle 50-60%. Charakteryzuje się dobrą redukcyjnością, wadą jest znaczna zawartość pyłu. 2 odmiany: - błyszcz żelazny - hematyt czerwony Ukraina, USA, G. Świętokrzyskie, Brazylia, Włochy.
5. Wsady Wielki Piec
Ruda- nośniki żelaza, które powinno cechować max zawartość żelaza i min ilość zanieczyszczeń (skały płonnej, siarki, fosforu)
Koks - paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym. Powinien mieć max wartość opałową, porowatość, wytrzymałość mechaniczna, a zawierać min. ilości popiołu i siarki. paliwo uzyskiwane poprzez przemysłowe wygrzewanie węgla kamiennego w temperaturze 600-1200 °C. Zawartość wilgoci 1-17%, zawartość popiołu 11-12%. 80% siarki pochodzi z koksu. Zawartość siarki max 1.1, fosforu - 0.01-0.05%. Węgiel w koksie zawiera 95-98% substancji palnej. Zajmuje 50-70% użytecznej objętości pieca.
Topniki - materiały żużlotwórcze: kamień wapienny, wapno, fluoryt, boksyt, piasek. Są stosowane w celu związania niemetalicznych składników wsadu i łatwiejszego ich oddzielenia. Topnik powoduje obniżenie temp. topnienia żużli i ich lepkości. W wielkim piecu stosuje się topniki zasadowe, ponieważ skała płonna w rudach Fe ma charakter kwaśny.
Powietrze - utleniacz przy spalaniu koksu, reguluje ciepłotę wnętrza pieca oraz wszystkie jego procesy w zależności od składu chemicznego, temp, ciśnienia, przepływu przez dysze okrężnicy wielkiego pieca.
6. Przedstawić i opisać reakcje redukcji bezpośredniej będącej połączeniem redukcji pośredniej Boudarta.
Redukcja bezpośrednia(dolna granica pieca) polega na redukcji FeO węglem w stanie stałym zgodnie z równaniem:
FeO + C = Fe + CO - 144,4kJ, Fe2O3 + C = 2Fe3O4 + CO, Fe3O4 + C = 3FeO + CO
Redukcja tlenkiem węgla CO nosi nazwę redukcji pośredniej(górna granica pieca):
FeO + CO = Fe + CO2 + 13,6kJ, 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 co w połączeniu z reakcją Boudarta:
CO2 + C = 2CO - 158kJ daje taki sam efekt jak w wyniku redukcji bezpośredniej.
Graniczną temperaturą obu reakcji jest 950°C, powyżej której zachodzi redukcja bezpośrednia, a poniżej pośrednia. Redukcja pośrednia jest egzotermiczna. Redukcja bezpośrednia jest endotermiczna.
9. Przedstawić i opisać zalety procesu Midrex.
Proces Midrex jest najlepiej poznanym i dopracowanym technicznie i konstrukcyjnie procesem redukcji rud żelaza za pomocą mieszaniny składającej się z gazu ziemnego i odlotowego gazu (gardzielowego) z samego procesu Midrex. Mieszanka takiego gazu nosi nazwę gazu redukcyjnego (900C). Grudki(żelazo gąbczaste) z procesu Midrex mają najmniej siarki i najwięcej żelaza metalicznego. CO+H2 do 95%, CO2+H2O-5% Produkcja 3000t/d (piec średnica 5m i wysokość 12m.
11. Definicja surówki, porównać surówki stosowane w stalownictwie.
Surówka - półprodukt redukcji rudy w piecu, ma bardzo wysoką zawartość węgla, zwykle 3,5-4,5% i liczne zanieczyszczenia, co czyni ją bardzo kruchą i nieprzydatną bezpośrednio jako materiał, z wyjątkiem ograniczonych zastosowań. Surówka jest stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem i siarką. Nazwa pochodzi stąd, że jest to półprodukt przewidziany do dalszej przeróbki, czyli surowiec. Surówka hutnicza przeznaczona do dalszej przeróbki odlewana jest w postaci bloczków zwanych gąskami. Wpływ na budowę surówki mają: skład chemiczny i szybkość.- Ze względu na budowę (strukturę) rozróżnia się surówki: biała - o białym przełomie, zawierająca węgiel wyłącznie w stanie związanym w postaci cementytu; szara - o szarym przełomie, zawierająca węgiel w stanie wolnym, w postaci grafitu; pstra (połowiczna) - zawierająca skupienia węgla zarówno w stanie związanym jak i wolnym.- Ze względu na zawartość fosforu: fosforowa - o zawartości fosforu do 1,2%; hematytowa - o zawartości fosforu do 0,1%- Ze względu na sposób otrzymania: drzewnowęglowa - wytopiona na węglu drzewnym; koksowa, wytopiona na koksie.- Ze względu na przeznaczenie: bessemerowska - o dużej zawartości krzemu, nie zawierająca fosforu i siarki, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Bessemera; martenowska - przeznaczona do wytworzenia stali w piecu martenowskim; tomasowska - o dużej zawartości fosforu i małej zawartości krzemu, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Thomasa. Surówka zawiera około: 94% Fe, 4% C, 0,7 Si, 0,5 Mn, 0,2 S i 0,02% P
12. Konstrukcja i materiały oraz działanie konwertora Bessemera.
Proces konwertorowy Bessemerowski realizowany w konwertorze o wyłożeniu ogniotrwałym kwaśnym ( kwarcowo - szamotowym) umożliwia wytapianie stali tylko z surówek o małej zawartości zanieczyszczeń (fosforu i siarki). Budowa konwertora umożliwia obrót wokół osi poziomej co jest niezbędne przy zalewaniu konwertora surówką(zawiera 3,9-4,2%C, 0,9-1,4% Si, 0,6-0,96%Mn, max 0,05%S i 0,07%P) i przy spuście stali (pozycja pozioma). W pozycji poziomej wlewa się surówkę. Po włączeniu dmuchu konwertor wraca w położenie pionowe i następuje energiczne przemieszanie powietrza przez kąpiel, powodując świeżenie surówki. W procesie Bessemera można wyróżnić trzy okresy: iskrowy (tworzenie żużla) - utleniają się Si, Mn, Fe oraz nieznacznie węgiel. Powstają tlenki SiO2, MnO, FeO, które tworzą żużel. -płomieniowy - intensywne utlenianie węgla. - dymny - intensywne utlenianie żelaza (wydziela się brunatny dym). Jest to moment odpowiedni do zatrzymania dmuchu powietrza i spuszczenia stali z konwertora. Proces Bessemerowski charakteryzuje się krótkim czasem wytopu.
17. Materiały żużlotwórcze.
Żużel w procesie metalurgicznym powstaje z celowo wprowadzonych do pieca topielnego materiałów żużlotwórczych. W czasie topienia pochłania on usuwane ze stali składniki niepożądane, a także fragmenty uszkodzonego termicznie i mechanicznie wymurowania pieca z materiałów ogniotrwałych, zanieczyszczenia złomu, tlenki kąpieli metalowej FeO, SiO2, MnO.
Podstawowe składniki żużli zasadowych: wapno CaO i magnezyt MgO.
Podstawowe składniki żużli kwaśnych: krzemionka SiO2.
18. Tlen w stali.
Tlen tworząc z żelazem FeO podczas krystalizacji stali, wydziela się na granicach ziaren, zwiększając tym samym kruchość i zmniejszając podatność stali do przeróbki plastycznej. Dlatego w celu zmniejszenia jego stężenia w ciekłej stali przeprowadza się odtlenianie.
Metody odtleniania stali:
-dyfuzyjne - realizowane w procesie wytapiania stali
-osadowe - wprowadzanie do stali znajdującej się w piecu lub kadzi takich pierwiastków, które po połączeniu z tlenem dają produkty odtleniania w postaci nierozpuszczalnych w stali tlenków. Produkty odtleniania - tlenki, powinny wydzielić się w żużlu i być z nim usunięte.
Stopień odtlenienia stali wpływa na zachowanie się stopu podczas krystalizacji.
Stal nieuspokojoną - odtlenioną częściowo za pomocą Mn lub Al cechuje intensywne wydzielanie się pęcherzów gazu podczas krzepnięcia.
Stal uspokojoną - w której gazy zostają związane w tlenki, azotki, wskutek dostarczania dużych ilości Mn, Si, Al, w procesie krzepnięcia nie wydziela pęcherzyków gazu.
19. Rola żużla w piecu.
-ochrona stali przed atmosferą panującą w czasie topienia,
-przejmowanie niepożądanych domieszek usuwanych ze stali w czasie procesów metalurgicznych,
-regulacja procesów odtleniania i utleniania stali,
-ochrona cieplna i regulacja temperatury stali.
22. Opisać materiały ogniotrwałe w wielkim piecu.
Ceramiczne materiały ogniotrwałe stosowane w wielkim piecu mają za zadanie chronić konstrukcję wielkiego pieca przed przegrzaniem, mechanicznymi uszkodzeniami, korozyjnym oddziaływaniem m.in. cynku i jego tlenków i tlenku węgla. Dobre przygotowanie pieca pozwala na eksploatacje w czasie 7-8 lat.
Materiały ogniotrwałe: - tlenki krzemu, glinu, chromu, cyrkonu i magnezy - różnią się współczynnikiem przewodzenia ciepła. Wyłożenie wielkiego pieca: szamotowe (30-45% AL2O)3, ze stopionego mulitu, karbonudowe bezpośrednio wiązane, chromowo-spinelowe, kaundowo-chromowe, bloki węglowe, ze spiekanego mulitu bloki grafitowe.
25. Proces VOD
Proces VOD łączy w sobie zalety stosowania tlenu, argonu i próżni podczas wytapiania stali z wysoką zawartością chromu i niklu. Urządzenie VOD składa się z komory próżniowej, do której wprowadza się kadź z ciekłą stalą, wytopioną np. w piecu łukowym. Proces VOD jest typowym procesem argonowo-tlenowo-próżniowym, powszechnie stosowanym do produkcji stali z niską zawartością węgla i wysoką zawartością chromu, niklu, kobaltu i molibdenu. Proces VOD wymaga użycia pieca elektrycznego łukowego oraz specjalnego urządzenia próżniowo-argonowo-tlenowego.
a) Piec elektryczny łukowy - wytapianie stali,
b) Stal w urządzeniu VOD - wyrabianie stali niklowo chromowej.
Świeżenie : 3Cr+4O->Cr3O4, Cr3O4+4C->3Cr+4CO
26. Proces AOD
Proces AOD jest procesem bezpróżniowym typu duplex (wymagającym dwu jednostek piecowych do wytapiania stali)
-pieca elektrycznego łukowego
-konwertora argonowo-tlenowego.
Proces AOD zapewnia jakość stali chromowo niklowych porównywalną z procesem VOD. Podstawową zaletą procesu AOD jest wysoka wydajność dzięki skróconemu czasu wytapiania w piecu elektrycznym oraz duży odzysk chromu i manganu.
2Cr+3O<->Cr2O3, 3Cr+4O<->CrO4
27. Konstrukcja i przeznaczenie piecokadzi.
Pieco-kadź jest urządzeniem, do którego z powodzeniem przeniesiono pewne procesy wykańczania i rafinacji ciekłej stali, zazwyczaj realizowane w piecu stalowniczym. Urządzenie to umożliwia odtlenianie, odsiarczanie, poprawę morfologii wtrąceń niemetalicznych, zwężenie składu chemicznego i temperatury, przy jednoczesnym wzroście wydajności stalowni i obniżeniu kosztów produkcji stali - zapewnia niezmienność temperatury zlewania - oraz w wytwarzaniu bardzo dużych wlewków lub odlewów staliwowych - przy niewielkiej pojemności pieca stalowniczego. Główne zespoły to kadź z porowatą kształtką w dnie, pokrywa chłodzona wodą z otworami na elektrody grafitowe oraz transformator zasilający.
29.Produkty
Surówka - surowy metaliczny materiał, który dzięki zabiegom metalicznym na rudach metali lub koncentratach rudnych przyjmuje postać półwyrobu.
Żużel wielkopiecowy - produkt uboczny (odpad) powstający przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu. Wykorzystanie żużla wielkopiecowego: do wełny żużlowej, celów budowlanych, produkcji cementu oraz produkcji cegieł żużlowych.
Gaz wielkopiecowy - zawiera około 42% CO, 2% H2 oraz 56% azotu, składniki obojętne, niewielkie ilości związków siarki i cyjanku oraz duże ilości pyłu pochodzącego z naboju. Wartość opałowa gazu wielkopiecowego wynosi około 2,7 do 4,0 MJ/Nm³. Produkcja gazu wielkopiecowego wynosi około 1200 do 2000 Nm³/t surówki. Gaz wielkopiecowy, po oczyszczeniu i wzbogaceniu gazem koksowniczym lub ziemnym, które posiadają wyższą wartość opałową, jest często stosowany jako paliwo. Gaz redukcyjny zawiera 34,7% CO oraz 65,3% N2
30.Wielki piec :
- Gardziel: W gardzieli następuje ładowanie naboju i ewakuacja gazów
wielkopiecowych.
- Szyb: W szybie gorący gaz wielkopiecowy oddaje swoje ciepło składnikom
naboju. Temperatura naboju rośnie od temperatury otoczenia do około
950°C, a tlenek żelaza zostaje częściowo zredukowany.
- Przestron: Przestron łączy szyb ze spadkami. W tej części temperatura rośnie dalej
z 950°C do około 1250°C. Następuje dalsza redukcja tlenku żelaza i
rozpoczyna się reakcja koksu.
- Spadki: W strefie spadków zachodzą dalej reakcje koksu. Żelazo topi się i
powstaje żużel.
- Dysze: W tej strefie gorący dmuch jest wprowadzany do pieca za pomocą
szeregu dysz (do 42). Dysze są rozmieszczone wokół górnego obmurza
gara i są zasilane przez rurociąg o dużej średnicy (przewód okrężny
dmuchu/okrężnica), obiegający piec na wysokości spadków.
Temperatury mogą tutaj przekroczyć 2000°C i tlenki zostają całkowicie
zredukowane.
- Gar: Gar zbiera ciekłą surówkę i żużel. Wokół gara rozmieszczone
Szyb, przestron, spadki i dysze są zwykle chłodzone wodą, natomiast gar jest chłodzony
wodą, olejem lub powietrzem. Piec jest wyłożony materiałem ogniotrwałym
31.konwektor tlenowy
Celem konwertorowo tlenowego procesu produkcji stali jest wypalenie (tj. utlenienie)
niepożądanych zanieczyszczeń zawartych w podawanym materiale metalicznym. Głównymi pierwiastkami przetwarzanymi w ten sposób na tlenki są węgiel, krzem, mangan, fosfor i siarka. Celem tego procesu utleniania jest więc:
- redukcja zawartości węgla do określonego poziomu (z około 4% do mniej niż 1%, lecz
często poniżej)
- dopasowanie zawartości innych potrzebnych pierwiastków
- usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń w największym możliwym zakresie
Produkcja stali za pomocą procesu zasadowego konwertora tlenowego jest procesem
przerywanym obejmującym następujące etapy:
● transport i magazynowanie ciekłej surówki
● wstępne oczyszczanie ciekłej surówki (odsiarczanie)
● utlenianie w konwertorze tlenowym (odwęglanie i utlenianie zanieczyszczeń)
● rafinacja pozapiecowa
● odlewanie (ciągłe lub/i do wlewnic)
Proces Thomasa:
- wyprawa konwertora ognitrwała zasadowa(dolomitowa)
- temp ciekłej surówki wprost z wielkiego pieca 1700 C
- kolejność świeżenia Fe,Mn,C,Si,P,S
- surówka(3,5-42 C, 0,2-0,6 - Si, 0,9-1,3 Mn, 1,6-2 P, 0,08 S) może mieć dużo fosforu
- wsad to surówka i wapno
- zachodzi proces odsiarczania
Składniki pożyteczne - szkodliwe
Mn, V, Ni - Cr, Cu, S, Zn, As, Pb