Terässulatus: tekniikka, menetelmät, raaka-aineet

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 13:54

Rautamalmi saadaan tavanomaisella tavalla: avolouhos tai maanalainen louhinta ja myöhempi kuljetus alustavaa valmistelua varten, jossa materiaali murskataan, pestään ja käsitellään.

Malmi kaadetaan masuuniin ja puhalletaan kuumalla ilmalla ja lämmöllä, jolloin se muuttuu sulaksi raudaksi. Sitten se poistetaan uunin pohj alta muotteihin, jotka tunnetaan nimellä sikoja, joissa se jäähdytetään harkkoraudan valmistamiseksi. Se muunnetaan takorautaksi tai jalostetaan teräkseksi useilla tavoilla.

Mikä on teräs?

Alussa oli rautaa. Se on yksi maankuoren yleisimmistä metalleista. Sitä löytyy melkein kaikki alta, yhdessä monien muiden alkuaineiden kanssa, malmin muodossa. Euroopassa rautatyöt juontavat juurensa 1700 eKr.

Vuonna 1786 ranskalaiset tutkijat Berthollet, Monge ja Vandermonde määrittelivät tarkasti, että raudan, valuraudan ja teräksen välinen ero johtuu erilaisesta hiilipitoisuudesta. Raudasta tehdystä teräksestä tuli kuitenkin nopeasti teollisen vallankumouksen tärkein metalli. 1900-luvun alussa maailman terästuotanto oli 28miljoonaa tonnia - tämä on kuusi kertaa enemmän kuin vuonna 1880. Ensimmäisen maailmansodan alkuun mennessä sen tuotanto oli 85 miljoonaa tonnia. Useiden vuosikymmenten ajan se on käytännössä korvannut raudan.

Hiilipitoisuus vaikuttaa metallin ominaisuuksiin. Teräksiä on kahta päätyyppiä: seostettu ja seostamaton. Terässeos viittaa muihin kemiallisiin alkuaineisiin kuin rautaan lisättyyn hiileen. Siten ruostumattoman teräksen valmistukseen käytetään seosta, jossa on 17 % kromia ja 8 % nikkeliä.

Tällä hetkellä luetteloituja tuotemerkkejä (kemiallisia koostumuksia) on yli 3000, lukuun ottamatta niitä, jotka on luotu yksilöllisten tarpeiden mukaan. Ne kaikki auttavat tekemään teräksestä sopivimman materiaalin tulevaisuuden haasteisiin.

Teräksenvalmistuksen raaka-aineet: primaari- ja toissijaiset

Tämän metallin sulattaminen useilla komponenteilla on yleisin louhintamenetelmä. Varausmateriaalit voivat olla sekä ensisijaisia että toissijaisia. Panoksen pääkoostumus on pääsääntöisesti 55 % harkkorautaa ja 45 % jäljellä olevasta metalliromusta. Rautametalliseoksia, jalostettua valurautaa ja kaupallisesti puhtaita metalleja käytetään lejeeringin pääelementtinä, yleensä kaikentyyppiset rautametallit luokitellaan toissijaisiksi.

Rautamalmi on rauta- ja terästeollisuuden tärkein ja perusraaka-aine. Harkkorautatonnin valmistukseen kuluu noin 1,5 tonnia tätä materiaalia. Yhden tonnin harkkorautaa valmistetaan noin 450 tonnia koksia. Monet ruukkitehtävätjopa hiiltä käytetään.

Vesi on tärkeä raaka-aine rauta- ja terästeollisuudelle. Sitä käytetään pääasiassa koksin sammuttamiseen, masuunin jäähdytykseen, hiiliuunin oven höyryn tuotantoon, hydraulisten laitteiden käyttöön ja jätevesien hävittämiseen. Terästonnin valmistukseen kuluu noin 4 tonnia ilmaa. Fluxia käytetään masuunissa epäpuhtauksien erottamiseen sulaton malmista. Kalkkikivi ja dolomiitti yhdistyvät uutettujen epäpuhtauksien kanssa muodostaen kuonaa.

Sekä masuuni- että teräsuunit, jotka on vuorattu tulenkestävällä aineella. Niitä käytetään uuneihin, jotka on tarkoitettu rautamalmin sulatukseen. Muovaukseen käytetään piidioksidia tai hiekkaa. Ei-rautametalleja käytetään eri laatuisten terästen valmistukseen: alumiini, kromi, koboltti, kupari, lyijy, mangaani, molybdeeni, nikkeli, tina, volframi, sinkki, vanadiini jne. Kaikista näistä ferroseosista mangaania käytetään laaj alti teräksen valmistuksessa..

Puruttujen tehdasrakenteiden, koneiden, vanhojen ajoneuvojen jne. rautajäte kierrätetään ja käytetään laajasti teollisuudessa.

Rauta teräkselle

Teräksen sulatus valuraudalla on paljon yleisempää kuin muilla materiaaleilla. Valurauta on termi, joka yleensä viittaa harmaaseen rautaan, mutta se tunnistetaan myös suureen joukkoon rautaseoksia. Hiiltä on noin 2,1–4 painoprosenttia, kun taas piitä on tyypillisesti 1–3 painoprosenttia lejeeringissä.

Raudan ja teräksen sulatus tapahtuu lämpötilassasulamispiste välillä 1150-1200 astetta, mikä on noin 300 astetta alhaisempi kuin puhtaan raudan sulamispiste. Valuraudalla on myös hyvä juoksevuus, erinomainen työstettävyys, kestävyys muodonmuutosta, hapettumista ja valua vastaan.

Teräs on myös raudan seos, jonka hiilipitoisuus vaihtelee. Teräksen hiilipitoisuus on 0,2-2,1 massaprosenttia ja se on raudan edullisin seosaine. Teräksen sulattaminen valuraudasta on hyödyllistä useisiin teknisiin ja rakenteellisiin tarkoituksiin.

Rautamalmi teräkselle

Teräksen valmistusprosessi alkaa rautamalmin käsittelystä. Rautamalmia sisältävä kivi murskataan. Malmia louhitaan magneettiteloilla. Hienorakeinen rautamalmi jalostetaan karkearakeisiksi kokkareiksi käytettäväksi masuunissa. Kivihiili jalostetaan koksiuunissa, jolloin saadaan lähes puhdasta hiiltä. Rautamalmin ja kivihiilen seosta kuumennetaan sitten sulan raudan tai harkkorauan tuottamiseksi, josta valmistetaan terästä.

Päähappiuunissa sula rautamalmi on pääraaka-aine, ja siihen sekoitetaan eri määriä metalliromua ja metalliseoksia eri teräslaatujen tuottamiseksi. Valokaariuunissa kierrätetty teräsromu sulatetaan suoraan uudeksi teräkseksi. Noin 12 % teräksestä on valmistettu kierrätysmateriaalista.

Sulatustekniikka

Sulatus on prosessi, jolla metalli saadaan joko alkuaineen muodossa,joko yksinkertaisena yhdisteenä sen malmista kuumentamalla sen sulamispisteen yläpuolelle, yleensä hapettimien, kuten ilman, tai pelkistysaineiden, kuten koksin, läsnä ollessa.

Teräksenvalmistusteknologiassa happeen yhdistetty metalli, kuten rautaoksidi, kuumennetaan korkeaan lämpötilaan ja oksidi muodostuu yhdessä polttoaineessa olevan hiilen kanssa, joka vapautuu hiilimonoksidina tai hiilenä dioksidi. Muut epäpuhtaudet, joita kutsutaan yhteisesti suoniksi, poistetaan lisäämällä virta, jonka kanssa ne yhdistyvät muodostaen kuonaa.

Nykyaikainen teräksenvalmistus käyttää kaikuuunia. Tiivistetty malmi ja virta (yleensä kalkkikivi) ladataan yläosaan, kun taas sula kive (kuparin, raudan, rikin ja kuonan yhdiste) vedetään pohjasta. Toinen lämpökäsittely konvertteriuunissa on tarpeen raudan poistamiseksi mattapinnasta.

Happikonvektorimenetelmä

BOF-prosessi on maailman johtava teräksenvalmistusprosessi. Jalosteteräksen maailmantuotanto vuonna 2003 oli 964,8 miljoonaa tonnia eli 63,3 % kokonaistuotannosta. Konvertterituotanto on ympäristön saastumisen lähde. Tämän suurimmat ongelmat ovat päästöjen vähentäminen ja jätteiden vähentäminen. Niiden ydin on toissijaisen energian ja aineellisten resurssien käytössä.

Eksotermistä lämpöä syntyy hapetusreaktioista puhalluksen aikana.

Teräksenvalmistuksen pääprosessi omallammevarastot:

• Masuunista peräisin oleva sula rauta (joskus kutsutaan kuumaksi metalliksi) kaadetaan suureen tulenkestävällä vuoratulla astialla, jota kutsutaan kauhaksi.
• Kauhan metalli lähetetään suoraan pääteräksen tuotanto- tai esikäsittelyvaiheeseen.
• Erittäin puhdasta happea, jonka paine on 700-1000 kilopascalia, ruiskutetaan yliääninopeudella rautakylvyn pintaan vesijäähdytetyn lansetin kautta, joka on ripustettu astiaan ja jota pidetään muutaman metrin päässä kylvyn yläpuolella.

Esikäsittelypäätös riippuu kuuman metallin laadusta ja halutusta teräksen lopullisesta laadusta. Ensimmäiset irrotettavat pohjamuuntimet, jotka voidaan irrottaa ja korjata, ovat edelleen käytössä. Puh altamiseen käytetyt keihäät on vaihdettu. Suihkuputken jumiutumisen estämiseksi puhalluksen aikana käytettiin uritettuja kauluksia, joissa oli pitkä kapeneva kuparikärki. Kärjen kärjet polttavat palamisen jälkeen syntyneen CO:n pois CO_{2:ksi ja antavat lisälämpöä. Tikkaa, tulenkestäviä palloja ja kuonanilmaisimia käytetään kuonan poistamiseen.}

Happikonvektorimenetelmä: edut ja haitat

Ei vaadi kaasunpuhdistuslaitteiden kustannuksia, koska pölyn muodostuminen eli raudan haihtuminen vähenee 3 kertaa. Raudan saannon laskusta johtuen nestemäisen teräksen saannon havaitaan lisääntyvän 1,5 - 2,5 %. Etuna on, että puhallusvoimakkuus tässä menetelmässä kasvaa, mikä antaakyky lisätä muuntimen suorituskykyä 18%. Teräksen laatu on korkeampi, koska puhdistusvyöhykkeen lämpötila on alhaisempi, mikä johtaa vähemmän typen muodostumiseen.

Tämän terässulatusmenetelmän puutteet johtivat kulutuksen kysynnän laskuun, koska hapenkulutuksen taso nousee 7 % polttoaineen palamisen suuren kulutuksen vuoksi. Kierrätetyssä metallissa on lisääntynyt vetypitoisuus, minkä vuoksi prosessin päättymisen jälkeen kestää jonkin aikaa hapella tapahtuva puhdistus. Kaikista menetelmistä happimuuntimella on eniten kuonaa, syynä on kyvyttömyys valvoa hapettumisprosessia laitteen sisällä.

Avotulomenetelmä

Avouuniprosessi oli suurimman osan 1900-luvulta tärkein osa kaiken maailmassa valmistetun teräksen jalostusta. William Siemens etsi 1860-luvulla keinoa nostaa metallurgisen uunin lämpötilaa, mikä herätti henkiin vanhan ehdotuksen uunin tuottaman hukkalämmön hyödyntämisestä. Hän lämmitti tiilen korkeaan lämpötilaan ja käytti sitten samaa reittiä ilman syöttämiseen uuniin. Esilämmitetty ilma nosti liekin lämpötilaa merkittävästi.

Polttoaineena käytetään maakaasua tai sumutettuja raskasöljyjä; ilma ja polttoaine lämmitetään ennen palamista. Uuni on täynnä nestemäistä harkkorautaa ja teräsromua sekä rautamalmia, kalkkikiveä, dolomiittia ja sulatteita.

Itse liesi on valmistettuerittäin tulenkestävät materiaalit, kuten magnesiitti tulisijatiilet. Avotakkauunit painavat jopa 600 tonnia ja ne asennetaan yleensä ryhmissä, jotta uunien lataamiseen ja nestemäisen teräksen käsittelyyn tarvittavat massiiviset apulaitteet voidaan käyttää tehokkaasti.

Vaikka avotakkaprosessi on useimmissa teollisuusmaissa korvattu lähes kokonaan perushappiprosessilla ja valokaariuunilla, se tuottaa noin 1/6 kaikesta maailmanlaajuisesti tuotetusta teräksestä.

Tämän menetelmän edut ja haitat

Etuja ovat helppokäyttöisyys ja seosteräksen tuotannon helppous erilaisilla lisäaineilla, jotka antavat materiaalille erilaisia erikoisominaisuuksia. Tarvittavat lisäaineet ja seokset lisätään välittömästi ennen sulatuksen päättymistä.

Haittoja ovat heikentynyt tehokkuus verrattuna happikonvertterimenetelmään. Myös teräksen laatu on huonompi verrattuna muihin metallinsulatusmenetelmiin.

Sähköinen teräksenvalmistusmenetelmä

Nykyaikainen menetelmä sulattaa terästä omalla varallamme on uuni, joka lämmittää varattua materiaalia sähkökaarella. Teollisuuden valokaariuunien koko vaihtelee pienistä noin yhden tonnin kapasiteetin yksiköistä (käytetään valimoissa rautatuotteiden tuotantoon) 400 tonnin yksikköihin, joita käytetään toissijaisessa metallurgiassa.

kaariuunit,tutkimuslaboratorioissa käytettyjen laitteiden kapasiteetti voi olla vain muutama kymmenkunta grammaa. Teollisuuden valokaariuunien lämpötilat voivat nousta jopa 1800 °C:seen (3 272 °F), kun taas laboratorioasennukset voivat ylittää 3000 °C (5432 °F).

Kaariuunit eroavat induktiouuneista siinä, että latausmateriaali on suoraan alttiina sähkökaarelle ja liittimissä oleva virta kulkee varatun materiaalin läpi. Valokaariuunia käytetään teräksen valmistukseen, se koostuu tulenkestävästä vuorauksesta, yleensä vesijäähdytteinen, suurikokoinen, peitetty sisäänvedettävällä katolla.

Uuni on jaettu pääasiassa kolmeen osaan:

• Kuori, joka koostuu sivuseinistä ja alemmasta teräskulhosta.
• Takka koostuu tulenkestävästä materiaalista, joka vetää ulos alemman kulhon.
• Tulenkestävä vuorattu tai vesijäähdytteinen katto voidaan tehdä palloosaksi tai katkaistuksi kartioksi (kartioosa).

Menetelmän edut ja haitat

Tällä menetelmällä on johtava asema terästuotannon alalla. Terässulatusmenetelmää käytetään korkealaatuisen metallin luomiseen, joka joko on täysin vailla tai sisältää pienen määrän ei-toivottuja epäpuhtauksia, kuten rikkiä, fosforia ja happea.

Menetelmän tärkein etu on sähkön käyttö lämmitykseen, joten voit helposti hallita sulamislämpötilaa ja saavuttaa metallin uskomattoman kuumenemisnopeuden. Automatisoidusta työstä tuleemiellyttävä lisä erinomaiseen mahdollisuuteen erilaisten metalliromun korkealaatuiseen käsittelyyn.

Haittoja ovat korkea virrankulutus.