METALURGIA I ODLEWNICTWO

Wadą procesu wielkopiecowego jest to że surówka zawiera bardzo dużo węgla około 4%. Takiej surówki nie stosuje się do budowy maszyn. Gazary - są to stopy odlewnicze, w których w czasie krzepnięcia w formie odlewniczej tworzy się powierzchnia porowata o sterownej liczbie porów.

WIELKOPIECOWNICTWO

1. Surowce do wytopu żelaza (surowce żelazonośne).

Ruda jest to mieszanina minerałów wydobywana w procesie górniczym składa się z dwóch składników:

• minerały żelaza,

• skała chłonna (wapń, piasek kwarcowy).

Najważniejsze rudy żelaza:

• magnetyt Fe₃O ₄ - sam minerał zawiera około 75% żelaza,

• hematyt Fe₂O₃ - zawiera około 70% żelaza,

• limonit nFe₂O₃*mH₂O (uwodniony minerał) ≈70-63%,

• syderyt FeCO₃ =65% Fe FeCO₃→FeO+CO₂↑

- piryt FeS =70% Fe FeS+1 ½ O₂→FeO+SO ₂ ↑
Syderyt i piryt rzadziej przerabiane, bo muszą być poddane operacji prażenia.

2.Koks wielkopiecowy i topniki.

Rys. wielkiego pieca

Eksploatacja takiego pieca 10 do 12 lat.

T: Redukcja tlenku żelaza w wielkim piecu.

1.Spalanie węgla i wytwarzanie się atmosfery w wielkim piecu.

C_S+{O₂}→{CO₂} - ta reakcja dostarcza dużo ciepła.

{CO₂}+C_S⇄2{CO} - ta reakcja jest reakcją odwracalną.

Tlenek węgla CO (czad) jest gazem redukującym.

{CO₂}+C_S→2{CO} - reakcja Boudouarda.

2{CO}→{CO₂}+C_S -reakcja Bella.

Rys. wykres procesu spalania węgla i wytwarzania atmosfery.

T: Redukcja pośrednia (wykorzystanie tlenku węgla).

Reduktorem jest tlenek węgla. CO₂+C→2CO

3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂

FeO+CO→Fe+CO₂

Reakcja bezpośrednia ma miejsce w wysokich temperaturach.

FeO+C→Fe+CO

Rozkład topników i tworzenie się żużla w wielkimpiecu.

Skała płonna to jest głównie krzemionka SiO₂ , także tlenki glinu Al₂O₃. Oba te tlenki mają wysokie temperatury topnienia.

Do takich skał płonnych dodaje się topników np.:

• węglan wapnia CaCO₃→CaO+CO₂ w temperaturze około 800^o C

nSiO₂+mCaO→mCaO*nSiO₂ - to jest żużel.

Istotną sprawą dla procesu jest stosunek m/n, który powinien wahać się w granicach 1,3 do 2, czyli musimy mieć przewagę tlenku wapnia

m/n=1,3 do 2 - zasadowość żużla

Warstwa żużla odcina dostęp tlenu wdmuchiwanego do pieca od surówki.

Tlenki które ulegają redukcji krzemu to - tlenki tytanu, niklu, wanadu, manganu.

Tlenki manganu ulegają redukcji, ale w stosunku do żelaza znacznie trudniej. MnO (redukuje się bardzo trudno, dopiero po rozpuszczeniu w żużlu).

Surówki zwierciadliste - zawierają od 10 do 20% manganu.

[Si] - ten krzem pochodzi z krzemionki zanieczyszczającej minerał.Ulega częściowo redukcji: SiO₂+C→Si+CO₂ - ta redukcja ma miejsce dopiero w żużlu. Reakcja edmotermiczna.

Tlenek niklu stosunkowo łatwo ulega redukcji, uzyskujemy prawie 100% tlenku zawartego w minerale.

Tlenek wanadu bardzo trudno się redukuje.

Tlenek tytanu także się trudno redukuje.

Fosfor - nie tyle składnik co zanieczyszczenie. W rudach występuje pod postacią tlenku P₂O₅ - ulega redukcji i rozpuszcza się w surówce. Jego zawartość jest postacią klasyfikacji surówek. Oprócz fosforu jako zanieczyszczenie występuje siarka (w koksie około 1,5%) część siarki rozpuszcza się w surówce.

Reakcja odsiarczania surówki: [S]+(O^2-)→(S^2-)+[O]

Jeżeli stężenie krzemionki jest dość duże to tworzy łańcuch. Odsiarczanie do 0,03% siarki w surówce.

Produkty wielkiego pieca :

• surówka, która zawiera około 3,5 do 4,3% węgla, około 1,2 do 3,5% krzemu, 0,1 do 2,5% manganu, fosfor waha się od 0,03 do 2,5%, siarka na poziomie ok. 0,03%. Wysoka zawartość węgla i fosforu powoduje, że surówka jest twarda i nie nadaje się do obróbki, i musi być przerobiona (wada).

• żużel, podstawowy składnik glino krzemiany wapnia, prawie 100% żużla przerabia się na cement, ten który nie nadaje się na cement przerabia się na watę żużlową.

• gaz wielkopiecowy, zawiera ok. 20% tlenku węgla, zawiera także ok. 2% wodoru. Gaz ten jest stosowany jako gaz palny.

Surówki dzielimy na:

• surówki przeróbcze - przerabia się w dalszym procesie na stale. Zawierają więcej manganu od innych surówek, oraz mniej krzemu.

• surówki odlewnicze - służą do przetapiania na żeliwo. Mniej manganu, więcej krzemu.

• surówki specjalne (syntetyczne) - są to bardzo czyste surówki. Zawierają głównie żelazo i węgiel. Przeznaczone są do wytwarzania żeliwa sfelidalnego, do odlewów utwardzonych na tzw. żeliwo ciągliwe, na walce.

T: Wielki piec i urządzenia pomocnicze.

Rys. Wielkiego pieca.

Wielki piec jest chłodzony wodą, lej w nim obraca się o kąt 15 do 20^o.

Metoda odpylania gazu:

• odpylanie wstępne - przez zmianę kierunku przepływu

• odpylanie wodne

• odpylanie w elektrofiltrach

rys. nagrzewnica Cowper'a

Wielki piec musi posiadać trzy takie nagrzewnice. Nagrzewnica działają dwustopniowo: nagrzewa oraz oddaje ciepło.

Temperatura powietrza od 600 do 800^o ­.

Gąski- porcje surówki w celu odtransportowania jej.

ROZDZIAŁ 2

T: Przeróbka surówki na stal - proces stalowniczy.

Stalownictwo ma trzy zadania:

1. Podczas wytapiania surówki musi zmniejszyć zawartość węgla, krzemu i manganu.

2. Zmniejszyć zawartość zanieczyszczeń czyli fosforu i siarki.

3. Usunąć gazy ze stali.

T: Utlenianie węgla.

W surówce jest 3,5 do 4,3% węgla. Stal musi mieć ok. 0,02% węgla.

[C]+[O]→{CO}

Aby ta reakcja zaszła musimy rozpuścić tlen w reakcji metalicznej. Reakcja hetero tlenowa - tzn. że powstaje nowa faza. Aby ta reakcja była możliwa muszą być spełnione warunki:

p_CO≥ p_ż+p_f+p_g+9,87*10^-7*2σ_m/r

Żeby pęcherzyk CO powstał musi być spełniona powyższa nierówność.

p_ż- ciśnienie warstwy żużlu p_g - ciśnienie gazu

σ_m - napięcie powierzchniowe kąpieli metalicznej

r - promień zarodka

K_p=p_CO/a_[C]*a_[O]

p_CO - ciśnienie jednostkowe CO

a - aktywność

K_p - stała równowagi

p_CO=K_p*a_[C]*a_[O] p_CO=K_p*[%C]*[%O]

Pęcherzyk tlenku węgla powoduje (wypływając na wierzch):

• mieszanie kąpieli metalicznej i mieszanie żużla (potrzebne dla wyrównania temp i składu chemicznego)

• wydobywając się tlenek rozpuszcza w sobie azot i wodór

• pęcherzyki wydobywając się z kąpieli metalicznej usuwają zanieczyszczenia nie metaliczne.

Utlenianie innych składników kąpieli metalicznej oprócz węgla.

W pierwszej kolejności utlenia się krzem dopiero po tym utlenia się mangan.

[Si]+2[O]+2(O^2-)→(SiO₄^4-) (2.4)

Aniony O^- chętnie przyjmują inne kationy. To powoduje że żużel staje się gęsto płynny, co powoduje że dyfuzja jest utrudniona. Aby temu zapobiec musimy wprowadzić kationy metali dwuwartościowych wapnia Ca²⁺. W rezultacie otrzymamy żużel rzadkopłynny.

[Mn]+[O]→(MnO)

(MnO)→Mn²⁺+(O^2-)

Są jeszcze zanieczyszczenia takie jak (siarka, fosfor). Siarka powoduje że stal jest krucha. Fosfor powoduje że stal jest krucha w temp otoczenia, zawartość fosforu w stali zwykłej nie powinna przekraczać 0,05%, a w stalach lepszych 0,03%.

Zawartość fosforu do 0,15% w : stalach automatowych, stalach trudnordzewiejących (z których buduje się konstrukcje przemysłowe np. gdzie jest duże stężenie siarki, azotu w powietrzu itp.).Duża zawartość fosforu powoduje utrudnienia w spawaniu. W procesie wielkopiecowym fosfor łatwo się redukuje i przechodzi do surówki.

2[P]+3[O]+5[O^2-]→2(PO₄^4-) -to jest reakcja wybitnie egzotermiczna (2.6)

2[P]+3[O]+5[O^2-]→2(PO₄^4-)-∆H (2.6)

Reakcje (2.4) i (2.6) to są główne źródła ciepła w czasie wytapiania stali w konwektorach.

1250^oC - temp topnienia surówki

1600^oC - temp topnienia stali

Surówki zawierające znaczne ilości krzemu są przeznaczone do odlewnictwa.

Żeby uzyskać niski poziom fosforu muszą być spełnione warunki:

• żużel o wysokiej zasadowości czyli o dużym stężeniu O^2-

• niska temp

• rozwinięta granica żużla z kąpielą

• wadą jest to że PO₄^4- rozkłada się w Mn²⁺, Fe²⁺ i cofa się z powrotem do metalu (aby temu zapobiec musimy usunąć część żużlu).

Odsiarczanie stali.

Siarka powoduje kruchość na gorąco, pogarsza odporność na korozję. Przez to obniżamy zawartość siarki od 0,05 do 0,15%.

[S]+(O^2-)→[O]+(S^2-) - reakcja odsiarczania surówki

Warunki reakcji:

• wysokie stężenie anionów tlenu w żużlu, żużel zasadowy

• intensywne mieszanie kąpieli i żużla

• wysoka temp (aby zmniejszyć napięcie powierzchni żużla)

• kąpiel metaliczna powinna być odtleniona

( Reakcja odsiarczania odbywa się dopiero po odtlenieniu stali).

Usunięcie gazów.

W stali rozpuszczają się następujące gazy: [N]- azot, [H]- wodór, [O]- tlen. Azot rozpuszcza się w kąpieli metalicznej w myśl reakcji [%N]=K_N√p_N2 - prawo Sieverts'a.

K_N- stała p_N- ciśnienie cząstkowe azotu nad kąpielą

Azot powoduje że stal pęka. Zawartość azotu można obniżyć poprzez poddanie surówki do próżni.

[%H]=K_H√p_H2

Obecność wodoru powoduje płatki śniegu, twarde i kruche, także pęcherzy gazowych w czasie krzepnięcia. Zawartość wodoru można obniżyć poprzez spalanie wodoru w tlenie, po wytopie dajemy pod działanie próżni.

RYSUNEK

[%O]=K_O√p_O2

To równanie zależy także od składu chemicznego stanu. Stosowanie w próżni w tym przypadku nic nie daje.

Odtlenianie stali.

Tlen rozpuszczony w stali powoduje kruchość i mniejszą odporność na korozję.

Są 4 metody odtleniania:

1. metoda osadowa (odtlenianie stali) [O]+[Me]=(MeO)↑ Ten tlenek powinien wypłynąć do żużla. Ta prosta metoda prowadzi do tego że stale mają wtrącenia nie metaliczne w postaci tlenków.

2. Metoda dyfuzyjna. [O]+(Si)→(SiO₂) [O]+(C)→(CO) Musi być silnie zasadowy żużel. Na powierzchnię żużla możemy dodać koksik lub żelazokrzem i wtedy maleje stężenie tlenu w żużlu. *=[O]/(O)=const/T=const Wadą jest to że jest to proces długotrwały i wymaga cały czas podgrzewania kąpieli metalicznej (kosztowny).

3. Metoda próżniowa [C]+[O]→(CO) Reakcja bardzo szybka i czysta. Wadą tej metody jest to że są kosztowne urządzenia próżniowe.

4. Metoda kombinowana (metoda żużli syntetycznych) [O]+[Me]=(MeO)↑

Odlewanie stali.

Stale dzieli się na stale:

• uspokojone

• nieuspokojone

Do odtleniania służą:

• żelazokrzem Fe-Si

• żelazomangan Fe-Mn

• końcowy odtleniacz aluminium Al

Stal nieuspokojona jest stalą odtlenioną nie do końca. Stal uspokojona jest stalą odtlenioną do końca. Stal uspokojona w czasie krzepnięcia nie wydziela gazu. Stal nieuspokojona w czasie krzepnięcia wydziela mnóstwo gazu.
Proces krzepnięcia stali w odlewnictwie.

a)stal uspokojona (rys)

Proces krzepnięcia zależy od przechłodzenia.

1. Na powierzchni formy powstają ziarna zamrożone.

2. Następnie tworzy się strefa ziaren słupkowych.

3. Tworzą się ziarna wolne.

4. Tworzy się jama skurczowa (efekt niekorzystny).

Jama skurczowa ma powierzchnie silnie utlenioną, należy ją odciąć.

b) Metoda stali nieuspokojonej jest metodą oszczędnościową ponieważ nie występuje jama skurczowa.

Rysunek

Stal wlewa się od dołu.

1. Tworzenie się ziaren zamrożonych.

2. Tworzą się ziarna słupkowe.

3. Wydzielają się pęcherzyki CO i wypływają ku górze.

4. Pęka zakrzepła warstewka i tworzy się cienka warstewka tzw. kalafior.

Aby ten proces ograniczyć (tworzenie się warstewki) zapobiega się poprzez chłodzenie intensywne lub przykłada się płytę żeliwną. Tworzy się wlewek stalowy, który w środku jest porowaty (wewnątrz jest CO), ale za to nie mamy jamy skurczowej. W czasie obróbki łatwo jest zgrzać te pęcherze i po nich śladu nie będzie.

Stal taka ma gorsze własności od stali uspokojonej:

• mniejszą wytrzymałość

• trochę bardziej krucha

• bardziej podatna na korozję

Żeby zmniejszyć jamę skurczową w stali uspokojonej stosuje się nadstawkę żeliwną wypełnioną od środka materiałami egzotermicznymi lub materiały o złym przewodnictwie cieplnym.(rys)

Aby materiał miał lepsze właściwości na rozciąganie i ściskanie należy zburzyć strefę 2 (czyli powstawanie ziaren słupkowych) poprzez walcowanie, obróbkę na gorąco, kucie.

Ciągłe odlewanie stali (COS) - tą metodą odlewa się tylko stale uspokojone, eliminujemy jamę skurczową. Polega na tym że stal krzepnie w tzw. krystalit orze, chłodzonym wodą. Krystalizator wykonany jest z grafitu lub miedzi z chromem. Proces krzepnięcia przyspieszony jest poprzez natrysk wodny.(rys)

Jest to proces energochłonny. Dopiero na samym końcu mamy niewielki efekt jamy skurczowej gdy przerwiemy proces. Tą metodą coraz więcej produkuje się stali.

---