Wstęp
Stal (podstawowy stop żelaza) są najpowszechniej wykorzystywanymi materiałami przez człowieka. Stal nie jest kosztowna w produkcji i wykazuje duża wytrzymałość i jest wykorzystywana do budowy szkieletów wysokich wieżowców.
W skład skorupy ziemskiej, oprócz aluminium, żelazo jest głównym metalem. Rudy żelaza występujące niedaleko powierzchni ziemi są niedrogie w procesie produkcyjnym. Do podstawowych rud żelaza zaliczamy:
- limonit;
- hematyt;
- magnetyt;
- takonit;
- syderyt;
- piryt.
Z pominięciem pirytu oraz syderytu wszystkie wymienione rudy żelaza są tlenkami żelaza. Jesteśmy w stanie otrzymać żelazu z rudy, w wyniku procesów, w których podgrzewana jest ruda z koksem.
W trakcie trwania procesu dodajemy kamień wapienny, dzięki któremu eliminowane są zanieczyszczenia, w skład których wchodzą: Glina, krzem oraz piasek. Proces ten nazywamy odżużlaniem. Substancje, które dodajemy do rudy w celu eliminacji zanieczyszczeń to topniki.
W dawnych procesach kamień wapienny, ruda oraz koks tworzyły ładunek, który był umieszczany w wielkim piecu. Piec jest bardzo wysoką wieżą, która otoczona jest cegłami ognioodpornymi.
Aktualnie mieszankę wapienia kamiennego, rudy oraz koksu poddaje się wyprażaniu, po to by otrzymać tzw. spiek. Podczas wyprażania eliminowane są zanieczyszczenia (CO2, H2O oraz arsenki). Spiek zawiera dużą zawartość żelaza. W celu otrzymania wsadu ze spiekiem mieszamy określoną ilość rudy, która nie jest poddana obróbce.
Reakcje chemiczne zachodzące w piecu
W piecu mamy do czynienia z wieloma reakcjami chemicznymi. Wsad w dolnej części wielkiego pieca " spotyka się" z wdmuchiwanym powietrzem (jego temperatura wynosi 10000C). Węgiel wchodzący w skład koksu ulega spaleniu w tlenie, który pochodzi z nagrzanego powietrza. W wyniku tej reakcji powstaje tlenek węgla. CaCO3 (kamień wapienny) ulega rozkładowi do tlenku wapnia (wapno palone) oraz CO2. Dwutlenek węgla wchodzi w reakcje z węglem i tworzy tlenek węgla. Tlenek wapnia reaguje z gliną lub piaskiem. Efektem tych reakcji jest żużel, w skład którego wchodzą glinokrzemiany oraz krzemiany wapniowe. Tlenek wapnia może także reagować z siarką. W wyniku tych reakcji powstają siarczki wapnia, które także występują pod postacią żużlu. Pewna część tlenku węgla wchodzi w reakcję z tlenkiem żelaza, który jest obecny w rudzie. Powstaje żelazo oraz dwutlenek węgla. Jest to reakcja redukcji. Do niektórych pieców jest wdmuchiwane powietrze z dodatkiem gazów redukujących. Dzięki nim reakcja z tlenem jest bardziej wydajna.
Produkty reakcji
Gazy wylotowe zawierają 25% tlenku węgla, który jest bardzo toksyczny. Gazy te mogą być wykorzystywane w formie ubogiego paliwa gazowego. Są one wychwytywane w górnej części pieca, następnie mieszają się z energetycznym gazem i zostają spalone do tej formy w części rozgrzewającej powietrze, w której jest wdmuchiwane do pieca. Powstający żużel jest obecny na powierzchni surówki żelaznej. Wsad w określonych odstępach czasowych jest ładowany od góry, natomiast żużel i surówka są odbierane w dolnych częściach pieca. W określonych odstępach czasowych (6 godzin) z pieców wypuszczane jest 2 tysiące gorącej surówki. Żelazo jest odlewane w postaci wlewek (gęsie surówki) lub w postaci ciekłej. Jako ciecz jest transportowane do części, która jest odpowiedzialna za produkcje stali. Wytapianie jest procesem ciągłym, który jest przerywany tylko wówczas, gdy któraś części pieca musi ulec wymianie.
Różne typy żelaza
Powstające żelazo w procesie wielkopiecowym posiada wiele zanieczyszczeń (fosfor, węgiel, siarka oraz krzemiany). Rodzaj zanieczyszczeń uzależniony jest od wody, ale także od ilości wapienia wchodzącego w skład wsadu pieca. Wsad z niską temperatura topnienia możemy uzyskać, wówczas gdy do wsadu dodamy pewną ilość kamienia wapiennego. W takim przypadku proces jest mniej energochłonny i może zachodzić w niższych temperaturach. Powstające w takim przypadku żelazo, jest nazywane żelazem zasadowym. W jego skład wchodzą pewne ilości związków krzemu. Są także zanieczyszczone siarką lub siarczkiem żelaza. Gdy ruda zawiera pewne domieszki manganu, to zanieczyszczenia występują pod postacią siarczku manganu. Węgiel w zasadowym żelazie występuje w formie węglika żelaza.
Po procesie odlania żelazo zasadowe wykazuje dużą kruchość, twardość, ale także jest trudne w obróbce. W wyniku przełamania metalu jego powierzchnia jest jasna stąd nazywane jest często żeliwem białym. Po przeróbce termicznej przerabia się w żeliwo ciągliwe. To żeliwo charakteryzuje się mniejsza kruchością i jest używane tam, gdzie nie ma zastosowania zwykłe żeliwo.
Żelazo kwaśne powstaje, gdy ilość wapienia jest większa niż w przypadku żelaza zasadowego, i otrzymujemy żużel z wyższą temperatura topnienia. Otrzymane żelazo wykazuje dużą kruchość. W skład wchodzą duże ilości krzemianów (2-4%), a węgiel występuje w formie grafitu. Powierzchnia przełomu ma barwę ciemną. Stosowana t inna nazwa tego żelazo, to żeliwo szare. Wykorzystywane jest w procesie odlewania części maszyn. W skład żeliwa dodawane są inne metale np. magnez, wapń oraz cer, po to by zmniejszyć jego kruchość. Własności mechaniczne ulęgają polepszeniu. Żeliwo szare może być użyte do zastępowania części maszyn, które pierwotnie składały się z miękkiej stali.
Stal jest wykorzystywana jako składnik konstrukcji przestrzennych. Wcześniej taką role pełniło żelazo zgrzewne. Żelazo zgrzewne w małych ilościach jest wytwarzane w procesie stapiania surówki tlenkiem żelaza. W czasie tego procesu usuwane są duże ilości zanieczyszczeń. Po skrzepnięciu żelazo to jest obrabiane przez prasowanie, kucie lub walcowanie.
Stal jest stopem węgla oraz żelaza. Zawiera około 1/3 ilości węgla, co żeliwo. Zawartość węgla w stali nie może być większa niż 1,7%. Najczęściej jest to ilość około 0,2-0,3%
Proces wytwarzania stali
Proces wytwarzania stali, to proces oczyszczania żelaza z węgla oraz innych domieszek. W późniejszym etapie dodajemy z zachowaniem odpowiednich zasad określone ilości węgla oraz manganu, wanadu, niklu, chromu. Podczas obróbki cieplnej stal jest utwardzana dzięki domieszce węgła. Dodatek innych metali poprawia takie właściwości jak: wytrzymałość na korozje oraz temperaturę, twardość, łatwość obróbki.
Pierwszy proces produkcyjny stali został odkryty przez H. Bessemera w 1856r. Piec, w który miał miejsce ten proces, wynalazca nazwał konwertorem. Konwertor to beczka ze stali wyścielona substancja ogniotrwałą. Jest umiejscowiona na parze z sworzni, w ten sposób, żeby nie ulec odwróceniu z pionu do poziomu lub odwrotnie. Do konwertora w pozycji poziomej jest załadowywana surówka żelazna wraz z kamieniem wapiennym. Następnie konwertor jest odwracany do pionu i następuję wdmuchiwanie strumienia powietrza. Pod wpływem tlenu zachodzi reakcja utlenienia większości zanieczyszczeń. Węgiel jest eliminowany pod postacią CO2, zaś mangan, tlenki krzemu wchodzą w reakcje z wapniem i tworzą żużel. Tak oczyszczone żelazo jest wzbogacane pewna ilością surówki zwierciadlistej, tzn. stop manganu, żelaza oraz węgla. Wzbogaca się także aluminium oraz żelazokrzemem (stop krzemu oraz żelaza). Zadaniem tych dodatków jest usunięcie tlenków żelaza oraz tlenu. Nieznaczna ilość manganu jest zostawiana dla polepszenia jej właściwości. Na samym końcu dodajemy pewna ilość antracytu lub koksu w celu uzyskania określonej ilości węgla w stali.
Metoda martenowska
W 1864r. Pierze Martin, francuski wynalazca odkrył konkurencyjna metodę wytwarzania tzw. metodę martenowską. Gaz węglowy w tej metodzie jest spalany nad mieszaniną surówki oraz wapienia. W procesie Besemerowskim duże ilości energii są niewykorzystywane, wtedy gdy przedmuchujemy powietrze w niskiej temperaturze przez żelazo roztopione. Pierze Martin, by do tego nie dopuścić wprowadził rozgrzane gazy, które powstają w wyniku spalenia gazu węglowego. Ogrzewają one ten gaz i powietrze wdmuchiwane do pieca, gdzie gaz się spala. Doprowadziło to do bardzo wysokiej temperatury w piecu. Złom bardzo łatwo ulega topnieniu a następnie dodawany jest do surówki, w konsekwencji proces produkcyjny stał się mniej kosztowny. Podczas tego ostatniego procesu stapiania surówki ze złomem z wapienia usuwane są szkodliwe zanieczyszczenia. Ulęgają one wytrąceniu do postaci żużla. Unosi się na powierzchni metalu, który uległ stopieniu. Resztę zanieczyszczeń usuwa się poprzez dodanie substancji bogatej w tlen (ruda żelaza).
Przy metodzie martenowskiej wymagana jest większa kontrola i proces ten jest wolniejszy niż w przypadku metody bessemerowskiej. Ponadto proces martenowski jest bardziej uniwersalny. Przy jego zastosowaniu możemy uzyskać więcej rodzajów stali niż w przypadku konkurencyjnej metody. Proces martenowski wyparł metodę Bessemera, która była stosowana tylko przez 100 lat. W drugiej połowie XX wieku stal w 90% procentach powstała w metodzie martenowskiej, w 2% powstawała w metodzie Bessemera, zaś 8% powstawało w elektrycznych łukowych piecach. Aktualnie łukowe piece są wykorzystywane do uzyskiwania stali specjalnych, specjalnych przede wszystkim stali nierdzewnej.
Piec indukcyjny jest częściej stosowany. Jest piecem elektrycznym. W tego rodzaju piecach metal ulega nagrzaniu prądami wirowymi indukowanymi przy pomocy ogromnych ulokowanych od strony zewnętrznej pieca. Takie piece są w stanie wytopić około 140-400t stali.
Zasadowa metoda tlenowa
Dzisiejsza stal jest otrzymywana przy pomocy zasadowej metody tlenowej. W przypadku metody martenowskiej uciążliwa była jego energochłonność oraz czas trwania procesu. Zasadowa metoda tlenowa trwa znacznie krócej, krócej jej zużycie jest niewielkie. Proces ten charakteryzuje się niskimi kosztami, dlatego jest często stosowany. Żelazna płynna surówka jest wlewana do konwertora, który jest wyścielony substancją chemiczną. W konwertorze umieszczona jest długa, schłodzona woda rura, którą nazywamy lancą. Koniec tej rury jest umieszczany nad powierzchnią metalu, a nastopnie tlen jest przez nią wdmuchiwany do konwertora. Zanieczyszczenia wchodzące w skład surówki reagują z tlenem, a energia wykorzystywana w tym procesie jest wystarczająca do otrzymania metalu w ciągłym stanie płynnym, w celu niedopuszczenia do uzyskania temperatury powyżej 16000C (tej temperaturze topi się stal). Musimy dodać określona ilość stalowego złomu, mogą być dodawane inne domieszki (np. tlenek wapnia). W czasie wdmuchiwania tlenu pewne ilości tlenku węgla wydostają się na zewnątrz. Inne szkodliwe gazy także opuszczają piec. Od strony zewnętrznej konwertora występują wentylatory. To właśnie one usuwają tlenek węgla i szkodliwe gazy. Tlenek węgla może być stosowany pod postacią gazu opałowego w innych metodach technologicznych. Może także ulec spaleniu do CO2. Pozostałe gazy po procesie oczyszczania i usunięcia szkodliwych, toksycznych związków mogą być swobodnie usuwane do atmosfery. Na samym końcu tej metody musimy przechylić konwertor, aby płynna stal mogła być wylana do odpowiednich form. Usuwany jest także żużel. Z konwertora płynną stal należy przelać do form, wówczas otrzymamy stalowe odlewy. Przeważająca ilość tych odlewów jest kuta lub walcowana, po to, aby uzyskać pręty, blachy lub kształtowniki. Takie odlewy mogą ważyć 50kg, a nawet 30 ton. Wszystko zależy od metody obróbki, która jest stosowana. W czasie odlewania płynna stal z pieca lub konwertora jest powoli wlewana do krystalizatora, który jest chłodzony woda. Z formy powstaje długa, gorąca, stalowa szyna. Później ma miejsce jej prostowanie oraz gładzenia. Na końcu jest cięta na odpowiednio długie sztaby.
Różne typy stali
Nierdzewna stal, która jest wytwarzana w elektrycznym łukowym piecu. Składa się w 18% z chromu oraz w 8% z niklu. Metale te dodajemy do roztopionego żelaza.
Szybkotnąca stal jest wykorzystywana w procesie produkcyjnym przyrządów do cięcia oraz wiercenia, np. metalu. Powstaje w piecu indukcyjnym. Są stosowane domieszki (np. wolfram). Może zawierać 20% wolframu oraz 10% kobaltu. W dużej większości stal w piecu uzyskuje ostateczny skład chemiczny, choć występują różne rodzaje stali wymagające po wyjściu z pieca dalszej obróbki. Taka stal jest wykorzystywana do specjalistycznych zastosowań np. aero- oraz astronautyka, przemysł chemiczny oraz energetyka jądrowa. Uzyskujemy je w piecach elektrycznych, później ulegają rafinacji, w której usuwane są substancje obce oraz gazy. Możemy tu zastosować przetopienie stali w próżni. Później w wyniku tego procesu gazy są uwalniane i szybko wypompowywane. Stosuje się także elektrożużlowe przetapianie. Wówczas metal jest roztapiany w łuku elektrycznym uzyskuje on stan kropli. Kropelki te w zbiorniku, który jest wypełniony żużlem roztopionym ulegają reakcji oczyszczania z różnych szkodliwych domieszek. Później następuje rafinacja i stal na samym końcu jest zestalana w formy, które są chłodzone wodą.
