Metalurgia
Wykłady.
Kierownik Katedry Odlewnictwa
Prof. zw. dr inż. Józef Gawroński
Zakres przedmiotu metalurgia.
Chemia procesów metalurgicznych.
Hutnictwo to szerokie pojęcie wytwarzania stopów metali lub czystych metali wraz ze wszystkimi towarzyszącymi im procesami jak:
- wydobywanie surowców metalonośnych
- wytwarzanie energii cieplnej
- wytapianie metali i stopów a także ich przetwórstwo plastyczne.
W tym przedmiocie zajmować się będziemy fragmentem hutnictwa, który nazywa się metalurgią surówki i metalurgią stali.
WP*- przedstawiamy dwa typy procesów wielkopiecowych jako tradycyjny i Midrex* jako nowoczesny – przyszłościowy.
ESP – elektrożużlowe przetapianie stali.
COS – ciągłe odlewanie stali.
Wsad wielkopiecowy składa się z rud żelaza odpowiednio przygotowanych jako grudki, spieki, brykiety, z topników służących jako czynniki obniżające temperaturę topnienia zanieczyszczeń rudy zwanych skałą płonną; paliwem w procesie wielkopiecowym mogą być:
Koks wielkopiecowy (tradycyjny), gaz ziemny wzbogacony wodorem, pył węgla kamiennego, mazut i inne paliwa ciekłe.
Rudy i inne materiały żelazonośne.
Wśród całej palety rud współczesna metalurgia stosuje tylko te, które zawierają powyżej 50% czystego żelaza. Są to:
1. Tlenek żelazowo – żelazawy:
Fe3O4 – magnetyt
Zawiera do 70% żelaza, a ruda norweska nawet 90% żelaza; kolor czarny lub szary.
Występują : Szwecja (Kiruna), Kral, Norwegia.
2. Tlenek żelazowy:
Fe2O3 – hematyt lub żelaziak czerwony
Zawiera do 60% żelaza; kolor czerwony lub brązowy.
Występuje: Ukraina (Krzywy Róg), Ural, Dolny Śląsk.
Wszystkie rudy posiadają zanieczyszczenia tzw. domieszki zwane skałą płonną. Domieszki mogą mieć odczyn kwaśny, jeżeli zawierają krzemionkę (piasek) – SiO2, odczyn obojętny – glin – Al2O3, odczyn zasadowy – kamień wapienny – CaCO3 (węglan wapnia).
Występują również domieszki korzystne, bo skała płonna w procesie wielkopiecowym musi być usunięta jako tzw. żużel. Tymi domieszkami są: mangan (Mu), wanat (V), nikiel (Ni), łączna ich zawartość nie przekracza 1,5%.
Domieszkami szkodliwymi, ale metalicznymi, chodź w innych procesach pożądanymi są: chrom (Cr), miedz (Cu), ołów, cynk, arsen, siarka, fosfor. Najwięcej jest chromu i miedzi.
Koks jako paliwo nosi nazwę koksu hutniczego lub wielkopiecowego. Jego wytrzymałość na ściskanie, wielkość i zawartość węgla i siarki są określone normami. Pożądana jest granulacja koksu hutniczego od 50 do 100 mm. Zawartość siarki poniżej 0,8%, popiołu poniżej 1%, fosforu poniżej 0,5%. Taki koks jest wytwarzany w Koksowni Zdzieszowice (jedyna taka koksownia).
Topniki są to materiały kopalne, np.: kamień wapienny , który pod wpływem temperatury rozkłada się na wapno i dwutlenek węgla.
Tolomit węglan magnezu - .
Topniki muszą w procesie wielkopiecowym obniżyć maksymalnie temperaturę topnienia skały płonnej, która jest bardzo wysoka:
- piasek -
- glina -
krzemionka – SiO2 + CaO ® CaSiO3 – krzemian wapnia (ok. 960OC)
Skała płonna składa się z piasku i gliny.
Topniki służą nie tylko do obniżania temperatury skały płonnej, ale również usunięcia siarki (S) zawartej w koksie i ożużlowania popiołu zawartego w koksie.
Żużel wielkopiecowy jest bardzo cennym surowcem i jest natychmiast po wypłynięciu z wielkiego pieca chłodzony i przerabiany na:
- granulaty – drogowe
- pumeks – do betonów lekkich
- tłuczeń (autostradowy)
- cement hutniczy
Żużel zawiera:
- krzemionka - - 37%
- glin - - 9%
- wapno – CaO – 42%
- magnezyt – MgO – 8%
- tlenki żelaza – FeO – 0,5%
Gaz wielkopiecowy jest ,,chudym gazem” i zawiera składników palnych ok. 25% (tlenek węgla i wodoru) CO, CO2, N2, H2.
Wsad wielkopiecowy. Wsad jest w sposób przemysłowy przygotowany. Nigdy nie używa się wolnego koksu, wolnej rudy i wolnych topników (wolny – jaki przyroda nam dała). W tym celu rudy kruszy się, mieli i separuje magnetycznie to znaczy oddziela się na bębnie elektromagnetycznym skałę płonną niemagnetyczną od rudy żelaza magnetycznej. Następnie miesza w odpowiednich proporcjach rudę, koks, topniki i wyżarzamy je, czyli spiekamy w procesie tzw. aglomerowania otrzymując spiek. W hutach niemieckich i amerykańskich stosuje się brykiety lub grudki, które nie są spieczone pod wpływem wysokiej temperatury, lecz sprasowane w niskiej temperaturze.
Redukcja pośrednia – redukujemy żelazo z rudy.
Q* – wydajność w czasie
Q*= 500 ¸ 1000 Mg/dobę
500 – piec średni
1000 – piec duży
Huta Katowice Q=1200 ton/dobę
Spalanie w wielkim piecu.
Jest to proces wytwarzania ciepła służącego do reakcji pośredniej i bezpośredniej żelaza. Każde paliwo czy to będzie węgiel, koks czy gaz wymaga tlenu, który podtrzymuje palenie a sam się nie pali.
W strefie topnienia w górnej jego części mamy dużo świeżego tlenu i tam koks, czyli węgiel spala się według reakcji:
-reakcja egzotermiczna (wydziela ciepło)
W dolnej strefie topnienia zachodzi klasyczna reakcja Budouarda:
W strefie podgrzewania, czyli ponad strefą topnienia gdzie wsad może mieć jeszcze dużą zawartość wilgoci zachodzą reakcje. W górnej części strefy podgrzewania:
W dolnej części strefy podgrzewania gdzie jest mało wilgoci:
W strefie redukcji a więc ponad strefą topnienia zachodzi reakcja:
Q1,2,3,4,5 – ciepło
C – wolny tlenek
S.T – strefa topnienia
S.P – strefa podgrzewania
S.R – strefa redukcji
1
MarWag987