Τύξη χάλυβα: τεχνολογία, μέθοδοι, πρώτες ύλες

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Το σιδηρομετάλλευμα λαμβάνεται με τον συνήθη τρόπο: ανοιχτό λάκκο ή υπόγεια εξόρυξη και επακόλουθη μεταφορά για αρχική προετοιμασία, όπου το υλικό συνθλίβεται, πλένεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία.

Το μετάλλευμα χύνεται σε υψικάμινο και ανατινάζεται με ζεστό αέρα και θερμότητα, που το μετατρέπει σε λιωμένο σίδηρο. Στη συνέχεια αφαιρείται από τον πυθμένα του κλιβάνου σε καλούπια γνωστά ως γουρούνια, όπου ψύχεται για να παραχθεί χυτοσίδηρος. Μετατρέπεται σε σφυρήλατο σίδηρο ή μετατρέπεται σε χάλυβα με διάφορους τρόπους.

Τι είναι ο χάλυβας;

Στην αρχή υπήρχε σίδερο. Είναι ένα από τα πιο κοινά μέταλλα στον φλοιό της γης. Μπορεί να βρεθεί σχεδόν παντού, σε συνδυασμό με πολλά άλλα στοιχεία, σε μορφή μεταλλεύματος. Στην Ευρώπη, η εργασία σιδήρου χρονολογείται από το 1700 π. Χ.

Το 1786, οι Γάλλοι επιστήμονες Berthollet, Monge και Vandermonde προσδιόρισαν με ακρίβεια ότι η διαφορά μεταξύ σιδήρου, χυτοσιδήρου και χάλυβα οφείλεται στη διαφορετική περιεκτικότητα σε άνθρακα. Ωστόσο, ο χάλυβας, κατασκευασμένος από σίδηρο, έγινε γρήγορα το σημαντικότερο μέταλλο της Βιομηχανικής Επανάστασης. Στις αρχές του 20ου αιώνα, η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα ήταν 28εκατομμύρια τόνοι - αυτό είναι έξι φορές περισσότερο από το 1880. Μέχρι την αρχή του Α' Παγκοσμίου Πολέμου, η παραγωγή του ήταν 85 εκατομμύρια τόνοι. Για αρκετές δεκαετίες, πρακτικά έχει αντικαταστήσει το σίδηρο.

Η περιεκτικότητα σε άνθρακα επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του μετάλλου. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι χάλυβα: ο κραματοποιημένος και ο μη κράμα. Το κράμα χάλυβα αναφέρεται σε χημικά στοιχεία άλλα από τον άνθρακα που προστίθεται στο σίδηρο. Έτσι, ένα κράμα 17% χρωμίου και 8% νικελίου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ανοξείδωτου χάλυβα.

Επί του παρόντος, υπάρχουν περισσότερες από 3000 καταγεγραμμένες μάρκες (χημικές συνθέσεις), χωρίς να υπολογίζονται αυτές που δημιουργήθηκαν για την κάλυψη των μεμονωμένων αναγκών. Όλα συμβάλλουν στο να γίνει ο χάλυβας το πιο κατάλληλο υλικό για τις προκλήσεις του μέλλοντος.

Πρώτες ύλες χαλυβουργίας: πρωτογενείς και δευτερεύουσες

Η τήξη αυτού του μετάλλου χρησιμοποιώντας πολλά εξαρτήματα είναι η πιο κοινή μέθοδος εξόρυξης. Τα υλικά φόρτισης μπορεί να είναι και πρωτογενή και δευτερεύοντα. Η κύρια σύνθεση του φορτίου, κατά κανόνα, είναι 55% χυτοσίδηρος και 45% του υπόλοιπου παλιοσίδερου. Σιδηρούχα κράματα, μεταποιημένος χυτοσίδηρος και εμπορικά καθαρά μέταλλα χρησιμοποιούνται ως το κύριο στοιχείο του κράματος, κατά κανόνα, όλοι οι τύποι σιδηρούχων μετάλλων ταξινομούνται ως δευτερεύοντα.

Το σιδηρομετάλλευμα είναι η πιο σημαντική και βασική πρώτη ύλη στη βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα. Χρειάζονται περίπου 1,5 τόνοι αυτού του υλικού για να παραχθεί ένας τόνος χυτοσιδήρου. Περίπου 450 τόνοι οπτάνθρακα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός τόνου χυτοσιδήρου. Πολλά σιδηρουργείαχρησιμοποιείται ακόμη και κάρβουνο.

Το νερό είναι μια σημαντική πρώτη ύλη για τη βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα. Χρησιμοποιείται κυρίως για σβέση οπτάνθρακα, ψύξη υψικαμίνου, παραγωγή ατμού πόρτας καμινάδας άνθρακα, λειτουργία υδραυλικού εξοπλισμού και διάθεση λυμάτων. Χρειάζονται περίπου 4 τόνοι αέρα για να παραχθεί ένας τόνος χάλυβα. Το Flux χρησιμοποιείται στην υψικάμινο για την εξαγωγή ρύπων από μεταλλεύματα μεταλλουργείων. Ο ασβεστόλιθος και ο δολομίτης συνδυάζονται με τις εξαγόμενες ακαθαρσίες για να σχηματίσουν σκωρία.

Κλίβανοι υψικαμίνου και χάλυβας επενδεδυμένοι με πυρίμαχα υλικά. Χρησιμοποιούνται για την επένδυση κλιβάνων που προορίζονται για τήξη σιδηρομεταλλεύματος. Για τη χύτευση χρησιμοποιείται διοξείδιο του πυριτίου ή άμμος. Τα μη σιδηρούχα μέταλλα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χάλυβα διαφόρων ποιοτήτων: αλουμίνιο, χρώμιο, κοβάλτιο, χαλκός, μόλυβδος, μαγγάνιο, μολυβδαίνιο, νικέλιο, κασσίτερος, βολφράμιο, ψευδάργυρος, βανάδιο κ.λπ. Μεταξύ όλων αυτών των σιδηροκραμάτων, το μαγγάνιο χρησιμοποιείται ευρέως στη χαλυβουργία.

Απορρίμματα σιδήρου από αποσυναρμολογημένες κατασκευές εργοστασίων, μηχανήματα, παλιά οχήματα κ.λπ. ανακυκλώνονται και χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία.

Σίδερο για χάλυβα

Η τήξη χάλυβα με χυτοσίδηρο είναι πολύ πιο συνηθισμένη από ό,τι με άλλα υλικά. Ο χυτοσίδηρος είναι ένας όρος που συνήθως αναφέρεται στον γκρίζο σίδηρο, ωστόσο ταυτίζεται και με μια μεγάλη ομάδα σιδηροκράματα. Ο άνθρακας αποτελεί περίπου 2,1 έως 4 wt% ενώ το πυρίτιο είναι συνήθως 1 έως 3 wt% στο κράμα.

Η τήξη σιδήρου και χάλυβα γίνεται σε θερμοκρασίασημείο τήξης μεταξύ 1150 και 1200 μοιρών, το οποίο είναι περίπου 300 βαθμούς χαμηλότερο από το σημείο τήξης του καθαρού σιδήρου. Ο χυτοσίδηρος παρουσιάζει επίσης καλή ρευστότητα, εξαιρετική μηχανική ικανότητα, αντοχή στην παραμόρφωση, την οξείδωση και τη χύτευση.

Ο χάλυβας είναι επίσης ένα κράμα σιδήρου με μεταβλητή περιεκτικότητα σε άνθρακα. Η περιεκτικότητα σε άνθρακα του χάλυβα είναι 0,2 έως 2,1 μάζα% και είναι το πιο οικονομικό κράμα σιδήρου. Η τήξη χάλυβα από χυτοσίδηρο είναι χρήσιμη για διάφορους μηχανικούς και δομικούς σκοπούς.

σιδηρομετάλλευμα για χάλυβα

Η διαδικασία παραγωγής χάλυβα ξεκινά με την επεξεργασία του σιδηρομεταλλεύματος. Ο βράχος που περιέχει σιδηρομετάλλευμα συνθλίβεται. Το μετάλλευμα εξορύσσεται χρησιμοποιώντας μαγνητικούς κυλίνδρους. Το λεπτόκοκκο σιδηρομετάλλευμα μεταποιείται σε χονδρόκοκκους σβώλους για χρήση σε υψικάμινο. Ο άνθρακας διυλίζεται σε φούρνο οπτάνθρακα για να παραχθεί μια σχεδόν καθαρή μορφή άνθρακα. Το μείγμα σιδηρομεταλλεύματος και άνθρακα στη συνέχεια θερμαίνεται για να παραχθεί λιωμένος σίδηρος ή χυτοσίδηρος, από τον οποίο κατασκευάζεται ο χάλυβας.

Στον κύριο κλίβανο οξυγόνου, το λιωμένο σιδηρομετάλλευμα είναι η κύρια πρώτη ύλη και αναμιγνύεται με διάφορες ποσότητες σκραπ χάλυβα και κράματα για την παραγωγή διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα. Σε έναν κλίβανο ηλεκτρικού τόξου, τα σκραπ από ανακυκλωμένο χάλυβα τήκονται απευθείας σε νέο χάλυβα. Περίπου το 12% του χάλυβα είναι κατασκευασμένο από ανακυκλωμένο υλικό.

Τεχνολογία τήξης

Η τήξη είναι μια διαδικασία με την οποία λαμβάνεται ένα μέταλλο είτε με τη μορφή στοιχείου,είτε ως απλή ένωση από το μετάλλευμά του με θέρμανση πάνω από το σημείο τήξης του, συνήθως παρουσία οξειδωτικών παραγόντων όπως ο αέρας ή αναγωγικών παραγόντων όπως ο οπτάνθρακας.

Στην τεχνολογία χαλυβουργίας, το μέταλλο που συνδυάζεται με το οξυγόνο, όπως το οξείδιο του σιδήρου, θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία και το οξείδιο σχηματίζεται σε συνδυασμό με τον άνθρακα στο καύσιμο, ο οποίος απελευθερώνεται ως μονοξείδιο του άνθρακα ή άνθρακα διοξείδιο. Άλλες ακαθαρσίες, που ονομάζονται συλλογικά φλέβες, αφαιρούνται προσθέτοντας ένα ρεύμα με το οποίο συνδυάζονται για να σχηματίσουν σκωρία.

Η σύγχρονη χαλυβουργία χρησιμοποιεί έναν κλίβανο αντηχήσεως. Το συμπυκνωμένο μετάλλευμα και το ρεύμα (συνήθως ασβεστόλιθος) φορτώνονται στην κορυφή, ενώ το λιωμένο ματ (ένωση χαλκού, σιδήρου, θείου και σκωρίας) αντλείται από τον πυθμένα. Μια δεύτερη θερμική επεξεργασία σε φούρνο μετατροπέα είναι απαραίτητη για την αφαίρεση του σιδήρου από το ματ φινίρισμα.

Μέθοδος μεταφοράς οξυγόνου

Η διαδικασία BOF είναι η κορυφαία διαδικασία παραγωγής χάλυβα στον κόσμο. Η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα μετατροπέα το 2003 ανήλθε σε 964,8 εκατομμύρια τόνους ή στο 63,3% της συνολικής παραγωγής. Η παραγωγή μετατροπέων είναι πηγή περιβαλλοντικής ρύπανσης. Τα κύρια προβλήματα αυτού είναι η μείωση των εκπομπών, οι απορρίψεις και η μείωση των απορριμμάτων. Η ουσία τους έγκειται στη χρήση δευτερογενούς ενέργειας και υλικών πόρων.

Η εξώθερμη θερμότητα παράγεται από αντιδράσεις οξείδωσης κατά την εκτόξευση.

Η κύρια διαδικασία παραγωγής χάλυβα χρησιμοποιώντας τη δική μαςμετοχές:

• Λειωμένος σίδηρος (μερικές φορές ονομάζεται ζεστό μέταλλο) από μια υψικάμινο χύνεται σε ένα μεγάλο πυρίμαχο δοχείο με επένδυση που ονομάζεται κουτάλα.
• Το μέταλλο στην κουτάλα αποστέλλεται απευθείας στο κύριο στάδιο παραγωγής ή προεπεξεργασίας χάλυβα.
• Οξυγόνο υψηλής καθαρότητας σε πίεση 700-1000 kilopascals εγχέεται με υπερηχητική ταχύτητα στην επιφάνεια του λουτρού σιδήρου μέσω μιας υδρόψυκτης λόγχης που αιωρείται σε ένα δοχείο και συγκρατείται λίγα πόδια πάνω από το λουτρό.

Η απόφαση προεπεξεργασίας εξαρτάται από την ποιότητα του θερμού μετάλλου και την επιθυμητή τελική ποιότητα χάλυβα. Οι πρώτοι αφαιρούμενοι μετατροπείς πυθμένα που μπορούν να αποσπαστούν και να επισκευαστούν εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται. Τα δόρατα που χρησιμοποιούνται για το φύσημα έχουν αλλάξει. Για να αποφευχθεί το μπλοκάρισμα της λόγχης κατά τη διάρκεια του φυσήματος, χρησιμοποιήθηκαν κολάρα με σχισμές με μακρύ κωνικό χάλκινο άκρο. Οι άκρες του άκρου, μετά την καύση, καίνε το CO που σχηματίζεται κατά την εμφύσηση σε CO_{2 και παρέχουν επιπλέον θερμότητα. Τα βελάκια, οι πυρίμαχες μπάλες και οι ανιχνευτές σκωρίας χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση της σκωρίας.}

Μέθοδος Oxygen-convector: πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Δεν απαιτεί το κόστος του εξοπλισμού καθαρισμού αερίου, καθώς ο σχηματισμός σκόνης, δηλαδή η εξάτμιση του σιδήρου, μειώνεται κατά 3 φορές. Λόγω της μείωσης της απόδοσης σιδήρου, παρατηρείται αύξηση της απόδοσης υγρού χάλυβα κατά 1,5 - 2,5%. Το πλεονέκτημα είναι ότι η ένταση φυσήματος σε αυτή τη μέθοδο αυξάνεται, γεγονός που δίνειτη δυνατότητα αύξησης της απόδοσης του μετατροπέα κατά 18%. Η ποιότητα του χάλυβα είναι υψηλότερη επειδή η θερμοκρασία στη ζώνη καθαρισμού είναι χαμηλότερη, με αποτέλεσμα λιγότερο σχηματισμό αζώτου.

Οι ελλείψεις αυτής της μεθόδου τήξης χάλυβα οδήγησαν σε μείωση της ζήτησης για κατανάλωση, καθώς το επίπεδο κατανάλωσης οξυγόνου αυξάνεται κατά 7% λόγω της υψηλής κατανάλωσης καύσης καυσίμου. Υπάρχει αυξημένη περιεκτικότητα σε υδρογόνο στο ανακυκλωμένο μέταλλο, γι' αυτό χρειάζεται λίγος χρόνος μετά το τέλος της διαδικασίας για να πραγματοποιηθεί καθαρισμός με οξυγόνο. Μεταξύ όλων των μεθόδων, ο μετατροπέας οξυγόνου έχει τον υψηλότερο σχηματισμό σκωρίας, ο λόγος είναι η αδυναμία παρακολούθησης της διαδικασίας οξείδωσης μέσα στον εξοπλισμό.

Μέθοδος ανοιχτής εστίας

Η διαδικασία της ανοιχτής εστίας για το μεγαλύτερο μέρος του 20ου αιώνα ήταν το κύριο μέρος της επεξεργασίας όλου του χάλυβα που κατασκευάζεται στον κόσμο. Ο William Siemens, τη δεκαετία του 1860, αναζήτησε ένα μέσο για την αύξηση της θερμοκρασίας σε έναν μεταλλουργικό κλίβανο, αναβιώνοντας μια παλιά πρόταση για χρήση της άχρηστης θερμότητας που παράγεται από τον κλίβανο. Ζέστανε το τούβλο σε υψηλή θερμοκρασία και μετά χρησιμοποίησε την ίδια διαδρομή για να εισάγει αέρα στον κλίβανο. Ο προθερμασμένος αέρας αύξησε σημαντικά τη θερμοκρασία της φλόγας.

Φυσικό αέριο ή βαρέα λιπαντικά χρησιμοποιούνται ως καύσιμο. ο αέρας και το καύσιμο θερμαίνονται πριν από την καύση. Ο κλίβανος είναι γεμάτος με υγρό χυτοσίδηρο και σκραπ χάλυβα μαζί με σιδηρομετάλλευμα, ασβεστόλιθο, δολομίτη και ροές.

Η ίδια η σόμπα είναι κατασκευασμένη απόεξαιρετικά πυρίμαχα υλικά όπως τούβλα εστίας μαγνησίτη. Οι φούρνοι ανοιχτής εστίας ζυγίζουν έως και 600 τόνους και συνήθως εγκαθίστανται σε ομάδες, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ο τεράστιος βοηθητικός εξοπλισμός που απαιτείται για τη φόρτιση κλιβάνων και την επεξεργασία υγρού χάλυβα.

Αν και η διαδικασία ανοιχτής εστίας έχει αντικατασταθεί σχεδόν πλήρως στις περισσότερες βιομηχανικές χώρες από τη βασική διεργασία οξυγόνου και την ηλεκτρική κάμινο τόξου, αποτελεί περίπου το 1/6 του συνόλου του χάλυβα που παράγεται παγκοσμίως.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου

Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν την ευκολία χρήσης και την ευκολία παραγωγής κραματοποιημένου χάλυβα με διάφορα πρόσθετα που προσδίδουν στο υλικό διάφορες εξειδικευμένες ιδιότητες. Τα απαραίτητα πρόσθετα και κράματα προστίθενται αμέσως πριν το τέλος της τήξης.

Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν μειωμένη απόδοση σε σύγκριση με τη μέθοδο του μετατροπέα οξυγόνου. Επίσης, η ποιότητα του χάλυβα είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με άλλες μεθόδους τήξης μετάλλων.

Ηλεκτρική μέθοδος κατασκευής χάλυβα

Η σύγχρονη μέθοδος τήξης χάλυβα χρησιμοποιώντας τα δικά μας αποθέματα είναι ένας κλίβανος που θερμαίνει ένα φορτισμένο υλικό με ηλεκτρικό τόξο. Οι βιομηχανικοί φούρνοι τόξου κυμαίνονται σε μέγεθος από μικρές μονάδες χωρητικότητας περίπου ενός τόνου (που χρησιμοποιούνται σε χυτήρια για την παραγωγή προϊόντων σιδήρου) έως μονάδες 400 τόνων που χρησιμοποιούνται στη δευτερογενή μεταλλουργία.

Κλίβανοι τόξου,που χρησιμοποιείται σε ερευνητικά εργαστήρια μπορεί να έχει χωρητικότητα μόνο μερικές δεκάδες γραμμάρια. Οι θερμοκρασίες βιομηχανικών κλιβάνων ηλεκτρικού τόξου μπορούν να φτάσουν έως και τους 1800 °C (3, 272 °F), ενώ οι εργαστηριακές εγκαταστάσεις μπορεί να υπερβούν τους 3000 °C (5432 °F).

Οι φούρνοι τόξου διαφέρουν από τους επαγωγικούς φούρνους στο ότι το υλικό φόρτισης εκτίθεται απευθείας σε ηλεκτρικό τόξο και το ρεύμα στους ακροδέκτες διέρχεται από το φορτισμένο υλικό. Ο φούρνος ηλεκτρικού τόξου χρησιμοποιείται για την παραγωγή χάλυβα, αποτελείται από πυρίμαχη επένδυση, συνήθως υδρόψυκτη, μεγάλου μεγέθους, καλυμμένη με αναδιπλούμενη οροφή.

Ο φούρνος χωρίζεται κυρίως σε τρία τμήματα:

• Κέλυφος που αποτελείται από πλαϊνά τοιχώματα και κάτω χαλύβδινο μπολ.
• Η εστία αποτελείται από ένα πυρίμαχο που βγάζει το κάτω μπολ.
• Η πυρίμαχη επένδυση ή υδρόψυκτη οροφή μπορεί να κατασκευαστεί ως σφαιρικό τμήμα ή κόλουρο κώνο (κωνικό τμήμα).

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου

Αυτή η μέθοδος κατέχει ηγετική θέση στον τομέα της παραγωγής χάλυβα. Η μέθοδος τήξης χάλυβα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μετάλλων υψηλής ποιότητας που είτε είναι εντελώς απαλλαγμένο είτε περιέχει μικρή ποσότητα ανεπιθύμητων ακαθαρσιών όπως θείο, φώσφορο και οξυγόνο.

Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για θέρμανση, ώστε να μπορείτε να ελέγξετε εύκολα τη θερμοκρασία τήξης και να επιτύχετε απίστευτο ρυθμό θέρμανσης του μετάλλου. Αυτοματοποιημένη εργασία θα γίνειμια ευχάριστη προσθήκη στην εξαιρετική ευκαιρία για υψηλής ποιότητας επεξεργασία διαφόρων παλιοσίδερων.

Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν την υψηλή κατανάλωση ενέργειας.