Tapljenje čelika: tehnologija, metode, sirovine

2025 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-24 13:12

Gvozdena ruda se dobija na uobičajen način: otvorenim kopom ili podzemnim kopanjem i naknadnim transportom za početnu pripremu, gde se materijal drobi, pere i obrađuje.

Ruda se sipa u visoku peć i peska vrelim vazduhom i toplotom, koji je pretvara u rastopljeno gvožđe. Zatim se uklanja sa dna peći u kalupe poznate kao svinje, gdje se hladi kako bi se dobilo sirovo željezo. Pretvara se u kovano gvožđe ili prerađuje u čelik na nekoliko načina.

Šta je čelik?

U početku je bilo gvožđe. To je jedan od najčešćih metala u zemljinoj kori. Može se naći skoro svuda, u kombinaciji sa mnogim drugim elementima, u obliku rude. U Evropi rad na gvožđu datira iz 1700. godine prije Krista

Godine 1786. francuski naučnici Berthollet, Monge i Vandermonde tačno su utvrdili da je razlika između gvožđa, livenog gvožđa i čelika posledica različitog sadržaja ugljenika. Ipak, čelik, napravljen od željeza, brzo je postao najvažniji metal industrijske revolucije. Početkom 20. stoljeća svjetska proizvodnja čelika iznosila je 28miliona tona - to je šest puta više nego 1880. Do početka Prvog svetskog rata njegova proizvodnja je iznosila 85 miliona tona. Nekoliko decenija praktično je zamenio gvožđe.

Sadržaj ugljika utiče na karakteristike metala. Postoje dvije glavne vrste čelika: legirani i nelegirani. Legura čelika se odnosi na kemijske elemente osim ugljika koji se dodaje željezu. Tako se za stvaranje nerđajućeg čelika koristi legura od 17% hroma i 8% nikla.

Trenutno postoji više od 3000 katalogiziranih marki (hemijskih sastava), ne računajući one stvorene da zadovolje individualne potrebe. Svi oni doprinose da čelik postane najpogodniji materijal za izazove budućnosti.

Sirovine za proizvodnju čelika: primarni i sekundarni

Topljenje ovog metala upotrebom mnogih komponenti je najčešći način rudarenja. Materijali punjenja mogu biti primarni i sekundarni. Glavni sastav punjenja je u pravilu 55% sirovog željeza i 45% preostalog metalnog otpada. Ferolegure, konvertovano liveno gvožđe i komercijalno čisti metali se koriste kao glavni element legure, po pravilu, sve vrste crnih metala se klasifikuju kao sekundarne.

Gvozdena ruda je najvažnija i osnovna sirovina u industriji gvožđa i čelika. Za proizvodnju tone sirovog gvožđa potrebno je oko 1,5 tona ovog materijala. Za proizvodnju jedne tone sirovog gvožđa koristi se oko 450 tona koksa. Mnoge željezarečak se koristi i ćumur.

Voda je važna sirovina za industriju željeza i čelika. Uglavnom se koristi za gašenje koksa, hlađenje visokih peći, proizvodnju pare na vratima peći za ugalj, rad hidrauličke opreme i odvodnjavanje otpadnih voda. Za proizvodnju tone čelika potrebno je oko 4 tone zraka. Fluks se koristi u visokoj peći za izdvajanje zagađivača iz topioničke rude. Krečnjak i dolomit se kombinuju sa ekstrahovanim nečistoćama i formiraju šljaku.

I visoke i čelične peći obložene vatrostalnim materijalima. Koriste se za oblaganje peći za topljenje željezne rude. Za oblikovanje se koristi silicijum dioksid ili pijesak. Obojeni metali se koriste za proizvodnju čelika različitih kvaliteta: aluminijum, hrom, kob alt, bakar, olovo, mangan, molibden, nikl, kalaj, volfram, cink, vanadijum itd. Među svim ovim ferolegurama, mangan ima široku primenu u proizvodnji čelika..

Gvozdeni otpad iz demontiranih fabričkih konstrukcija, mašina, starih vozila itd. se reciklira i široko se koristi u industriji.

Gvožđe za čelik

Tapljenje čelika sa livenim gvožđem je mnogo češće nego kod drugih materijala. Liveno gvožđe je termin koji se obično odnosi na sivo gvožđe, ali se takođe poistovećuje sa velikom grupom ferolegura. Ugljik čini oko 2,1 do 4 wt% dok je silicijum tipično 1 do 3 wt% u leguri.

Taljenje gvožđa i čelika se odvija na temperaturitačka topljenja između 1150 i 1200 stepeni, što je oko 300 stepeni niže od tačke topljenja čistog gvožđa. Liveno gvožđe takođe pokazuje dobru fluidnost, odličnu obradivost, otpornost na deformaciju, oksidaciju i livenje.

Čelik je takođe legura gvožđa sa promenljivim sadržajem ugljenika. Sadržaj ugljika u čeliku je 0,2 do 2,1 masenih % i to je najekonomičniji legirni materijal za željezo. Topljenje čelika od livenog gvožđa je korisno za razne inženjerske i strukturalne svrhe.

Gvozdena ruda za čelik

Proces proizvodnje čelika počinje preradom željezne rude. Stijena koja sadrži željeznu rudu se drobi. Ruda se kopa pomoću magnetnih valjaka. Fino zrnasta željezna ruda se prerađuje u krupno zrnate grudve za upotrebu u visokoj peći. Ugalj se rafinira u koksnoj peći kako bi se dobio gotovo čist oblik ugljika. Mješavina željezne rude i uglja se zatim zagrijava kako bi se dobilo rastopljeno željezo, ili sirovo željezo, od kojeg se proizvodi čelik.

U glavnoj peći za kiseonik, rastopljena željezna ruda je glavna sirovina i miješa se s različitim količinama otpada čelika i legura za proizvodnju različitih vrsta čelika. U električnoj lučnoj peći reciklirani čelični otpad se topi direktno u novi čelik. Oko 12% čelika je napravljeno od recikliranog materijala.

Tehnologija topljenja

Taljenje je proces kojim se metal dobija bilo u obliku elementa,bilo kao jednostavno jedinjenje iz njegove rude zagrijavanjem iznad tačke topljenja, obično u prisustvu oksidirajućih agenasa kao što je zrak ili reduktora kao što je koks.

U tehnologiji proizvodnje čelika, metal koji je u kombinaciji s kisikom, kao što je željezni oksid, zagrijava se na visoku temperaturu, a oksid se formira u kombinaciji s ugljikom u gorivu, koji se oslobađa kao ugljični monoksid ili ugljik dioksid. Druge nečistoće, koje se zajednički nazivaju vene, uklanjaju se dodavanjem toka sa kojim se kombinuju u šljaku.

Moderna proizvodnja čelika koristi reverberacionu peć. Koncentrisana ruda i potok (obično krečnjak) se utovaruju na vrh, dok se rastopljeni mat (spoj bakra, gvožđa, sumpora i šljake) izvlači odozdo. Druga toplotna obrada u konvertorskoj peći je neophodna da bi se uklonilo gvožđe sa mat završne obrade.

Kiseonički konvektorski metod

BOF proces je vodeći svjetski proces proizvodnje čelika. Svjetska proizvodnja konverterskog čelika u 2003. godini iznosila je 964,8 miliona tona ili 63,3% ukupne proizvodnje. Proizvodnja pretvarača je izvor zagađenja životne sredine. Glavni problemi ovoga su smanjenje emisija, ispuštanja i smanjenje otpada. Njihova suština leži u korišćenju sekundarne energije i materijalnih resursa.

Egzotermna toplota se generiše reakcijama oksidacije tokom ispuhivanja.

Glavni proces proizvodnje čelika koristeći naše vlastitedionice:

• Ratopljeno gvožđe (ponekad se naziva vrući metal) iz visoke peći se sipa u veliki vatrostalni kontejner koji se zove kutlača.
• Metal u kutlači se šalje direktno u glavnu fazu proizvodnje čelika ili predtretman.
• Kisik visoke čistoće pod pritiskom od 700-1000 kilopaskala se ubrizgava nadzvučnom brzinom na površinu gvozdene kupke kroz vodu hlađenu koplju koja je okačena u posudu i držana nekoliko stopa iznad kupke.

Odluka o prethodnoj obradi ovisi o kvaliteti vrućeg metala i željenom konačnom kvalitetu čelika. Prvi uklonjivi donji pretvarači koji se mogu odvojiti i popraviti još su u upotrebi. Koplja koja se koriste za puhanje su promijenjena. Da bi se spriječilo zaglavljivanje koplja prilikom puhanja, korištene su prorezne kragne sa dugim suženim bakrenim vrhom. Vrhovi vrha, nakon sagorevanja, sagorevaju CO koji nastaje kada se uduva u CO_{2 i daju dodatnu toplotu. Za uklanjanje šljake koriste se pikado, vatrostalne lopte i detektori šljake.}

Kiseonički konvektorski metod: prednosti i nedostaci

Ne zahtijeva trošak opreme za prečišćavanje plina, budući da je stvaranje prašine, odnosno isparavanje željeza, smanjeno za 3 puta. Zbog smanjenja prinosa gvožđa, primećuje se povećanje prinosa tečnog čelika za 1,5 - 2,5%. Prednost je što se intenzitet duvanja kod ove metode povećava, što dajemogućnost povećanja performansi pretvarača za 18%. Kvalitet čelika je veći jer je temperatura u zoni pročišćavanja niža, što rezultira manjim stvaranjem dušika.

Nedostaci ovog načina topljenja čelika doveli su do smanjenja potražnje za potrošnjom, jer se nivo potrošnje kiseonika povećava za 7% zbog velike potrošnje sagorevanja goriva. U recikliranom metalu postoji povećan sadržaj vodika, zbog čega je potrebno neko vrijeme nakon završetka procesa da se izvrši pročišćavanje kisikom. Od svih metoda, kisik-konverter ima najveću formaciju šljake, razlog je nemogućnost praćenja procesa oksidacije unutar opreme.

Otvorena metoda

Otvoreni proces veći dio 20. stoljeća bio je glavni dio prerade cjelokupnog čelika proizvedenog u svijetu. Vilijam Simens je 1860-ih tražio način za podizanje temperature u metalurškoj peći, oživljavajući stari predlog da se koristi otpadna toplota koju stvara peć. Zagrijao je ciglu na visoku temperaturu, a zatim istim putem uveo zrak u peć. Prethodno zagrijani zrak značajno je povećao temperaturu plamena.

Prirodni gas ili raspršena teška ulja se koriste kao gorivo; vazduh i gorivo se zagrevaju pre sagorevanja. Peć je napunjena tečnim sirovim gvožđem i čeličnim otpadom zajedno sa gvozdenom rudom, krečnjakom, dolomitom i tokovima.

Sama peć je napravljena odvisoko vatrostalni materijali poput magnezitnih ognjišta. Peći sa otvorenim ložištem teže do 600 tona i obično se postavljaju u grupama, tako da se ogromna pomoćna oprema potrebna za punjenje peći i obradu tečnog čelika može efikasno koristiti.

Iako je proces otvorenog ložišta gotovo u potpunosti zamijenjen u većini industrijaliziranih zemalja osnovnim procesom kisika i elektrolučnom peći, on čini oko 1/6 cjelokupnog čelika proizvedenog u svijetu.

Prednosti i nedostaci ove metode

Prednosti uključuju jednostavnost upotrebe i lakoću proizvodnje legiranog čelika sa raznim aditivima koji materijalu daju različita specijalizirana svojstva. Potrebni aditivi i legure se dodaju neposredno pred kraj topljenja.

Nedostaci uključuju smanjenu efikasnost u poređenju sa metodom pretvarača kiseonika. Takođe, kvalitet čelika je niži u poređenju sa drugim metodama topljenja metala.

Električna metoda proizvodnje čelika

Moderna metoda topljenja čelika korištenjem vlastitih rezervi je peć koja zagrijava nabijeni materijal električnim lukom. Industrijske lučne peći se kreću od malih jedinica kapaciteta oko jedne tone (koje se koriste u livnicama za proizvodnju proizvoda od željeza) do jedinica od 400 tona koje se koriste u sekundarnoj metalurgiji.

Lučne peći,koji se koriste u istraživačkim laboratorijama mogu imati kapacitet od samo nekoliko desetina grama. Temperature industrijskih električnih peći mogu doseći do 1800 °C (3, 272 °F), dok laboratorijske instalacije mogu premašiti 3000 °C (5432 °F).

Lučne peći se razlikuju od indukcionih peći po tome što je materijal za punjenje direktno izložen električnom luku, a struja na terminalima prolazi kroz nabijeni materijal. Električna lučna peć se koristi za proizvodnju čelika, sastoji se od vatrostalne obloge, obično vodeno hlađene, velike veličine, pokrivene krovom na uvlačenje.

Pećnica je uglavnom podijeljena u tri dijela:

• Ljuska koja se sastoji od bočnih zidova i donje čelične posude.
• Ognjište se sastoji od vatrostalnog materijala koji izvlači donju zdjelu.
• Vatrostalni ili vodeno hlađeni krov može se napraviti kao loptast ili krnji konus (konusni dio).

Prednosti i nedostaci metode

Ova metoda zauzima vodeću poziciju u oblasti proizvodnje čelika. Metoda topljenja čelika koristi se za stvaranje visokokvalitetnog metala koji je ili potpuno lišen ili sadrži malu količinu neželjenih nečistoća kao što su sumpor, fosfor i kisik.

Glavna prednost metode je korištenje električne energije za grijanje, tako da možete lako kontrolisati temperaturu topljenja i postići nevjerovatnu brzinu zagrijavanja metala. Automatizirani rad će postatiugodan dodatak izvrsnoj prilici za kvalitetnu preradu raznog starog metala.

Nedostaci uključuju veliku potrošnju energije.