Taljenje jekla: tehnologija, metode, surovine

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Železovo rudo pridobivamo na običajen način: odprto ali podzemno rudarjenje in kasnejši transport za začetno pripravo, kjer se material zdrobi, opere in predela.

Rudo vlijejo v plavž in jo razpihujejo z vročim zrakom in toploto, ki jo spremenijo v staljeno železo. Nato se odstrani z dna peči v kalupe, znane kot prašiči, kjer se ohladi za proizvodnjo surovega železa. Pretvori se v kovano železo ali predela v jeklo na več načinov.

Kaj je jeklo?

Na začetku je bilo železo. Je ena najpogostejših kovin v zemeljski skorji. Najdemo ga skoraj povsod, v kombinaciji s številnimi drugimi elementi, v obliki rude. V Evropi segajo železna dela v leto 1700 pr.n.št.

Leta 1786 so francoski znanstveniki Berthollet, Monge in Vandermonde natančno ugotovili, da je razlika med železom, litim železom in jeklom posledica različne vsebnosti ogljika. Kljub temu je jeklo, izdelano iz železa, hitro postalo najpomembnejša kovina industrijske revolucije. Na začetku 20. stoletja je bila svetovna proizvodnja jekla 28milijonov ton - to je šestkrat več kot leta 1880. Do začetka prve svetovne vojne je bila njegova proizvodnja 85 milijonov ton. Že nekaj desetletij je tako rekoč nadomestilo železo.

Vsebnost ogljika vpliva na lastnosti kovine. Obstajata dve glavni vrsti jekla: legirano in nelegirano. Jeklena zlitina se nanaša na kemične elemente, ki niso ogljik, dodan železu. Tako se za izdelavo nerjavnega jekla uporablja zlitina 17 % kroma in 8 % niklja.

Trenutno obstaja več kot 3000 katalogiziranih blagovnih znamk (kemične sestave), če ne štejemo tistih, ki so bile ustvarjene za zadovoljitev individualnih potreb. Vsi prispevajo k temu, da je jeklo najprimernejši material za izzive prihodnosti.

Surovine za proizvodnjo jekla: primarni in sekundarni

Taljenje te kovine z uporabo številnih komponent je najpogostejša metoda rudarjenja. Nabojni materiali so lahko primarni in sekundarni. Glavna sestava polnjenja je praviloma 55% surovega železa in 45% preostale odpadne kovine. Kot glavni element zlitine se uporabljajo ferozlitine, predelano lito železo in komercialno čiste kovine, praviloma so vse vrste železnih kovin razvrščene kot sekundarne.

Železova ruda je najpomembnejša in osnovna surovina v industriji železa in jekla. Za proizvodnjo tone surovega železa je potrebnih približno 1,5 tone tega materiala. Za proizvodnjo ene tone surovega železa se porabi približno 450 ton koksa. Številne železarneuporablja se celo oglje.

Voda je pomembna surovina za industrijo železa in jekla. Uporablja se predvsem za gašenje koksa, hlajenje plavžev, proizvodnjo pare na vratih premogovne peči, delovanje hidravlične opreme in odvajanje odpadne vode. Za proizvodnjo tone jekla je potrebnih približno 4 tone zraka. Flux se uporablja v plavžu za ekstrakcijo onesnaževal iz talilne rude. Apnenec in dolomit se združita z ekstrahiranimi nečistočami, da tvorita žlindro.

Tako plavže kot jeklene peči, obložene z ognjevzdržnimi materiali. Uporabljajo se za oblaganje peči za taljenje železove rude. Za oblikovanje se uporablja silicijev dioksid ali pesek. Barvne kovine se uporabljajo za proizvodnjo jekla različnih razredov: aluminij, krom, kob alt, baker, svinec, mangan, molibden, nikelj, kositer, volfram, cink, vanadij itd. Med vsemi temi ferolitinami se mangan pogosto uporablja v jeklarstvu.

Železni odpadki iz razstavljenih tovarniških struktur, strojev, starih vozil itd. se reciklirajo in se široko uporabljajo v industriji.

železo za jeklo

Taljenje jekla z lito železo je veliko pogostejše kot z drugimi materiali. Lito železo je izraz, ki se običajno nanaša na sivo železo, vendar ga identificiramo tudi z veliko skupino fero zlitin. Ogljik predstavlja približno 2,1 do 4 ut. %, medtem ko je silicij običajno 1 do 3 ut. % v zlitini.

Taljenje železa in jekla poteka pri temperaturitališče med 1150 in 1200 stopinj, kar je približno 300 stopinj nižje od tališča čistega železa. Lito železo kaže tudi dobro tekočnost, odlično obdelovalnost, odpornost na deformacije, oksidacijo in litje.

Jeklo je tudi zlitina železa s spremenljivo vsebnostjo ogljika. Vsebnost ogljika v jeklu je 0,2 do 2,1 mas. % in je najbolj ekonomičen legirni material za železo. Taljenje jekla iz litega železa je uporabno za različne inženirske in konstrukcijske namene.

Železna ruda za jeklo

Proces izdelave jekla se začne s predelavo železove rude. Kamnina, ki vsebuje železovo rudo, je zdrobljena. Rudo kopljejo z magnetnimi valji. Drobnozrnato železovo rudo predelajo v grobo zrnate kepe za uporabo v plavžu. Premog se rafinira v koksarni, da dobi skoraj čisto obliko ogljika. Mešanica železove rude in premoga se nato segreje za proizvodnjo staljenega železa ali surovega železa, iz katerega je izdelano jeklo.

V glavni kisikovi peči je staljena železova ruda glavna surovina in se zmeša z različnimi količinami odpadnega jekla in zlitin za proizvodnjo različnih vrst jekla. V električni obločni peči se reciklirani jekleni odpadki talijo neposredno v novo jeklo. Približno 12 % jekla je narejenih iz recikliranega materiala.

Tehnologija taljenja

Taljenje je postopek, s katerim se kovina pridobi bodisi v obliki elementa,bodisi kot preprosta spojina iz svoje rude s segrevanjem nad njeno tališče, običajno v prisotnosti oksidantov, kot je zrak, ali redukcijskih sredstev, kot je koks.

V tehnologiji izdelave jekla se kovina, ki je združena s kisikom, kot je železov oksid, segreje na visoko temperaturo, oksid pa nastane v kombinaciji z ogljikom v gorivu, ki se sprošča kot ogljikov monoksid ali ogljik dioksid. Druge nečistoče, skupaj imenovane žile, se odstranijo z dodajanjem toka, s katerim se združijo v žlindro.

Sodobna izdelava jekla uporablja odmevalno peč. Koncentrirana ruda in tok (običajno apnenec) se naložita na vrhu, medtem ko se staljena mat (spojina bakra, železa, žvepla in žlindre) črpa od spodaj. Za odstranitev železa iz matiranega premaza je potrebna druga toplotna obdelava v konverterski peči.

metoda s kisikovim konvektorjem

Proces BOF je vodilni proces izdelave jekla na svetu. Svetovna proizvodnja konverterskega jekla je v letu 2003 znašala 964,8 milijona ton ali 63,3 % celotne proizvodnje. Proizvodnja pretvornikov je vir onesnaževanja okolja. Glavni problemi pri tem so zmanjšanje emisij, izpustov in zmanjšanje količine odpadkov. Njihovo bistvo je v rabi sekundarne energije in materialnih virov.

Eksotermna toplota nastane z oksidacijskimi reakcijami med izpihavanjem.

Glavni proces izdelave jekla z našim lastnimzaloge:

• Staljeno železo (včasih imenovano vroča kovina) iz plavža se vlije v veliko ognjevarno obloženo posodo, imenovano zajemalka.
• Kovina v zajemalki se pošlje neposredno v glavno proizvodnjo jekla ali stopnjo predobdelave.
• Kisik visoke čistosti pri tlaku 700-1000 kilopascalov se z nadzvočno hitrostjo injicira na površino železne kopeli skozi vodno hlajeno sulico, ki je obešena v posodi in držana nekaj metrov nad kopeljo.

Odločitev o predobdelavi je odvisna od kakovosti vroče kovine in želene končne kakovosti jekla. Prvi odstranljivi spodnji pretvorniki, ki jih je mogoče odstraniti in popraviti, so še vedno v uporabi. Sulice, ki se uporabljajo za pihanje, so bile spremenjene. Da bi preprečili zagozditev sulice med pihanjem, so bili uporabljeni zarezni ovratniki z dolgo zoženo bakreno konico. Konice konice po zgorevanju izgorevajo CO, ki nastane pri pihanju v CO_{2, in zagotavljajo dodatno toploto. Za odstranjevanje žlindre se uporabljajo puščice, ognjevzdržne kroglice in detektorji žlindre.}

Metoda s kisikovim konvektorjem: prednosti in slabosti

Ne zahteva stroškov opreme za čiščenje plina, saj se nastajanje prahu, to je izhlapevanje železa, zmanjša za 3-krat. Zaradi zmanjšanja donosa železa je opaziti povečanje donosa tekočega jekla za 1,5 - 2,5%. Prednost je, da se intenzivnost pihanja pri tej metodi poveča, kar dajemožnost povečanja zmogljivosti pretvornika za 18%. Kakovost jekla je višja, ker je temperatura v območju čiščenja nižja, kar ima za posledico manjšo tvorbo dušika.

Pomanjkljivosti tega načina taljenja jekla so privedle do zmanjšanja povpraševanja po porabi, saj se raven porabe kisika zaradi velike porabe zgorevanja goriva poveča za 7%. V reciklirani kovini je povečana vsebnost vodika, zato je potrebno nekaj časa po koncu postopka, da se izvede čiščenje s kisikom. Med vsemi metodami ima pretvornik kisika največjo tvorbo žlindre, razlog je nezmožnost spremljanja procesa oksidacije v opremi.

metoda odprtega ognjišča

Odprti proces je bil večji del 20. stoletja glavni del predelave vsega jekla, izdelanega na svetu. William Siemens je v šestdesetih letih 19. stoletja iskal način za dvig temperature v metalurški peči in obudil stari predlog za uporabo odpadne toplote, ki jo je ustvarila peč. Opeko je segrel na visoko temperaturo, nato pa po isti poti vpeljal zrak v peč. Predgret zrak je znatno povečal temperaturo plamena.

Za gorivo se uporablja zemeljski plin ali atomizirana težka olja; zrak in gorivo se segrejeta pred zgorevanjem. Peč je napolnjena s tekočim surovim železom in jeklenim ostankom skupaj z železovo rudo, apnencem, dolomitom in tokovi.

Peč je narejena izzelo ognjevzdržni materiali, kot so opeke za ognjišče iz magnezita. Peči z odprtim kuriščem tehtajo do 600 ton in so običajno nameščene v skupinah, tako da se lahko učinkovito uporablja ogromna pomožna oprema, potrebna za polnjenje peči in obdelavo tekočega jekla.

Čeprav je proces odprtega ognjišča v večini industrializiranih držav skoraj v celoti nadomestil osnovni proces kisika in elektroobločna peč, proizvede približno 1/6 vsega jekla, proizvedenega po vsem svetu.

Prednosti in slabosti te metode

Prednosti vključujejo enostavnost uporabe in enostavnost izdelave legiranega jekla z različnimi dodatki, ki dajejo materialu različne specializirane lastnosti. Potrebne dodatke in zlitine dodamo tik pred koncem taljenja.

Slabosti vključujejo zmanjšano učinkovitost v primerjavi z metodo pretvornika kisika. Prav tako je kakovost jekla nižja v primerjavi z drugimi metodami taljenja kovin.

Električna metoda izdelave jekla

Sodobna metoda taljenja jekla z lastnimi rezervami je peč, ki segreva napolnjen material z električnim oblokom. Industrijske obločne peči so velikosti od majhnih enot z zmogljivostjo približno eno tono (uporabljajo se v livarnah za proizvodnjo železnih izdelkov) do 400-tonskih enot, ki se uporabljajo v sekundarni metalurgiji.

obločne peči,ki se uporabljajo v raziskovalnih laboratorijih, imajo lahko kapaciteto le nekaj deset gramov. Temperature industrijskih električnih obločnih peči lahko dosežejo do 1800 °C (3, 272 °F), medtem ko lahko laboratorijske instalacije presežejo 3000 °C (5432 °F).

Obločne peči se od indukcijskih peči razlikujejo po tem, da je polnilni material neposredno izpostavljen električnemu loku, tok v sponkah pa teče skozi napolnjen material. Električna obločna peč se uporablja za proizvodnjo jekla, sestavljena je iz ognjevzdržne obloge, običajno vodno hlajene, velike velikosti, pokrite s pomično streho.

Pečica je v glavnem razdeljena na tri dele:

• Ohišje, sestavljeno iz stranskih sten in spodnje jeklene posode.
• Ognjišče je sestavljeno iz ognjevzdržnega materiala, ki izvleče spodnjo posodo.
• Streha z ognjevzdržno oblogo ali vodno hlajeno streho je lahko izdelana kot kroglasti del ali okrnjen stožec (konični prerez).

Prednosti in slabosti metode

Ta metoda zaseda vodilni položaj na področju proizvodnje jekla. Metoda taljenja jekla se uporablja za ustvarjanje visokokakovostne kovine, ki je bodisi popolnoma brez, bodisi vsebuje majhno količino neželenih nečistoč, kot so žveplo, fosfor in kisik.

Glavna prednost metode je uporaba električne energije za ogrevanje, tako da lahko enostavno nadzirate temperaturo taljenja in dosežete neverjetno hitrost segrevanja kovine. Avtomatizirano delo bo postaloprijeten dodatek k odlični priložnosti za kakovostno obdelavo različnih odpadnih kovin.

Slabosti vključujejo visoko porabo energije.