dobijanje gvozdja i celika

8/18/2019 Dobijanje Gvozdja i Celika

1/59

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mašinski materijali - Predavanje (SS)-

DOBIJANJE SIROVOG GVOŽ ĐA,ČELIKA I LIVENOG GVOŽ ĐA


2/59


400 C

1400

C

1200

C

1000

C

800

C

600 C

1600

C

Fe 1% C 2% C 3% C 4% C 5% C 6% C 6.70% C

L

γ

α

δ

Čelik Liveno

gvožđe

Podsećanje


3/59


Neki metali nalaze se u zemljinoj kori kao prirodni (samorodni) čisti metali (Au,

Ag, Pt), a drugi su hemijski vezani sa različitim elementima u obliku ruda.

Gvoždje je dosta rasprostranjeno u zemljinoj kori (4.7%) uglavnom u stenama,

ilovači, glini, ali u malim koncentracijama, pa ne dolazi u obzir da se odatleeksploatiše.

Elementarno gvoždje nalazi se u prirodi veoma retko; u sitnim zrncima kod nekih

stena, kao meteorsko, tj. došlo iz svemira, koje redovno sadrži 5.5-20% Ni.

U čoveč jem organizmu ima 3 g gvoždja, od toga 75% u hemoglobinu.

U industrijske svrhe sirovo gvoždje se dobija iz oksidnih, hidroksidnih i

karbonatnih ruda gvoždja:

•magnetita (Fe

3O4) sa oko 65-70% Fe,

• hematita (Fe2O3) sa oko 30-50% Fe,• limonita (Fe2O3⋅3H2O) sa oko 60% Fe i• siderita (FeCO3) sa oko 45-50% Fe.


4/59


Rude gvožđa

Hematit (Fe2O3)

Magnetit (Fe3O4)


5/59


Rudnik gvožđa u Brazilu


6/59


Najpre je, još u drevnim vremenima, dobijano kovno gvoždje iz gvozdenih ruda

njihovim zagrevanjem do testastog stanja, a ne do tečnog kako se to danas

radi. Tako su dobijani porozni (sundjerasti) grumeni gvoždja jer je rudi oduzet

kiseonik. Grumeni gvoždja su naknadno zagrevani na kovačkoj vatri i

iskivanjem istiskivane primese zgure i ćumura. Ovakav proizvod zove se varen

č elik , jer je dobijen iz testastog stanja višestrukim prekivanjem, tj. kovačkimzavarivanjem (varenjem) prethodno prečišćenih sitnijih komadića čelika.

Za preradu sirovog gvoždja u čelik korišćeno je otvoreno vatrište loženo

ćumurom, u kome se sundjerasto gvoždje dugo žari uz obilno duvanje vazduha(sagoreva višak C).

Istorijski poč

eci dobijanja gvožđ

a


7/59


Otvoreno vatrište


8/59


Proces pripreme punjenja visoke peći

Mnoge rude gvoždja nisu podesne za direktnu preradu u sirovo gvoždje, već seiz njih najpre odstranjuje vlaga, ugljena kiselina, sumpor i druge nečistoće čimese masa rude može umanjiti za trećinu. Ovaj se postupak zove obogać ivanje

rude (ispiranje, magnetna separacija, prženje).

Kao sredstvo za zagrevanje iredukciju od davnina je korišćendrveni ugalj (ćumur), a danasuglavnom koks, i u poslednje

vreme i prirodni gas.

Krečnjak treba da prečisti ruduapsorbujući dobar deo nečistoća

(fosfor, sumpor, zemlju, pepeo idr.) pretvarajući ih u tečnu zgurukoja kao lakša od tečnog gvoždjapliva iznad njega. Zato se kaže dakrečnjak ima ulogu topitelja.


9/59


Pripremljena i izlomljena ruda ubacuje

se u visoku peć, da bi se iz zagrejane

rude odstranio kiseonik i proizvelo

sirovo gvoždje.

To se postiže ne samo zagrevanjemrude i krečnjaka (CaCO3) u peći već i

delovanjem redukcionog agensa, tj.

supstancije koja se sjedinjuje sa

oslobodjenim kiseonikom.

Visoka peć


10/59


TroskaRastopljenogvožđe

Topaovazduh

Koks,ruda ikrečnjak

Shematski izgled

visoke peć i


11/59


Preteče savremenih

visokih peći


12/59


Savremene

visoke peći


13/59


Shematski izgled postrojenja visoke peć i


14/59


Postrojenja visoke peći


15/59


U visokoj peći odvija se redukcija oksidnih gvozdenih ruda postepeno tako što

najpre viši oksidi prelaze u niže po shemi:

Siderit se takodje prethodnim prženjem rude na 650-1000°C, ili u samoj visokojpeći u odgovarajućoj zoni, raspada prema jednačini:

To znači da se bez obzira na vrstu rude, redukcija završava razlaganjem

najstabilnijeg oksida gvoždja FeO prema jednačinama:

i

2 3 3 4Fe O Fe O FeO→ →

3 3 4 23 2 238FeCO Fe O CO CO kJ = + + −

2FeO CO Fe CO+ = + FeO C Fe CO+ = +


16/59


Troska Rastopljeno gvožđe

Topao vazduh

Punjenje

Nečistoće rastopljenog gvožđa formiraju trosku

P o d i z a n j e t o

p l i h g a s o v a

P o v e ć a n j e t e m p .


17/59


Ruda gvožđaKoks

Krečnjak

3CO+Fe2O3→2Fe+3CO2

C+O2→CO2

CO2+C→2CO

CaCO3→CaO+CO2CaO + SiO2 +Al2O3→slag

prečišćavanje

redukcija rude gvožđ

a u metal

stvaranje toplote

Rastopljeno Fe

Visoka peć

Šljaka

vazduh

slojevi koksa i

rude gvožđa

gas

vatrostalna

obloga


18/59


Prosečno uzevši, proizvod visoke peći zvani sirovo gvoždje sadrži:4-5% C; 1.5% Si; 1.0% Mn; 0.6% P; 0.1% S i ostalo Fe.

Iz peći izlazi

Iz peć i izlazi : Rastopljen metal – sirovogvožđe, koje se sastoji iz:

Fe+(C, N, P, Si, Mn, S, ….)

F e + ( C ,

N , P ,

S i , M n , S , …

. )


19/59



20/59


Ugljenik u obliku grafita pliva iznad rastopa jer je lakši od gvoždja. Zato na 10 tonarastopa sirovog gvoždja dolazi oko 500 kg ugljenika.

Ugljenik koji u čvrstom stanju pliva po rastopu, rastvara se pri očvršćivanju sirovog

gvoždja kad se ono ispusti iz visoke peći;

Može se izlučiti u slobodnom obliku kao grafit ili u vezanom obliku kao karbid

gvoždja (cementit Fe3C ).

Pri sporom hladjenju tečnog sirovog gvoždja i uz dodatak silicijuma, ugljenik se

pojavljuje u vidu ravnomerno rasporedjenog grafita u metalu koji se zove sivo

sirovo gvoždje (zbog boje preloma). Koristi se za izradu odlivaka u livnicama

gvoždja.

Suprotno tome, pri brzom hladjenju, i uz niži sadržaj Si i veći Mn dobija se belo

sirovo gvoždje, namenjeno za preradu u čelik. Najveći deo sirovog gvoždja iz

visoke peći, na godišnjem nivou oko 90%, preradjuje se u čelik, a ostalo u liveno

gvoždje.


21/59


U savremenim železarama, čeličana je u blizini visoke peći, pa se belo sirovogvoždje prenosi u tečnom stanju u peći za proizvodnju čelika.

Suprotno tome, sivo sirovo gvoždje se sipa (prihvata) u livačke lonce, i zatimizliva u peščane kalupe. Tako se dobijaju liveni komadi namenjeni za pretapanje

u kupolnim ili električnim pećima u cilju izrade odlivaka od livenog gvoždja.


22/59


23/59


Shema procesa dobijanja čelika


24/59


Pudlovanje

Veliki napredak u proizvodnji čelika nastao je uvodjenjem procesa pudlovanja

1787. (engl. puddle = mešanje). Proces se odvija u plitkoj plamenoj peći

loženoj sitnijim kamenim ugljem. Dance peći se najpre prekriva slojem peska(topitelja), a zatim se sipa sirovo gvoždje iz visoke peći.

Usijani gasovi i vazduh struje preko

ložišta, a radnik (pudler) meša

rastop pomoću gvozdene šipke i

povremeno dodaje malo peska da bi

se potpomoglo iz-dvajanje zgure. Pri

tome, sagoreva veliki deo ugljenika

iz sirovog gvoždja, pa se tako dobija

tzv. pudlovan č elik .


25/59


Besemerov postupak

Ni proizvodnja čelika pudlovanjem nije mogla da pokrije naraslu potražnju, apogotovu nije bilo moguće preraditi ogromne količine sirovog gvoždja iz visokihpeći, čija se produktivnost naglo povećala primenom koksa i vrelog vazduha izKauperovih grejača. Problem je rešen Besemerovim konvertorom, čime počinje

vreme topljenogč elika.Besemerov postupak sastoji se u tome što se u metalni sud kruškastog oblika

obložen vatrostalnim materijalom sipa tečno sirovo gvoždje doneto iz visoke peći,a kroz rešetkasto dno duva jaka struja vazduha (sl. 8.2a). Tom prilikom nastaje

jako sagorevanje C, Si, Mn, a delimično i Fe, što je praćeno visokim stubom

plamena iz otvora konvertora.

Vazduh ilikiseonik

Rastop

Besemerov konvertor


26/59


Pri dobijanju čelika Besemerovim postupkom duvanje vazduha se zaustavlja

pre nego što ugljenik potpuno sagori, a to je trenutak kad počne sagorevanje

gvoždja.Danas se Besemerov konvertor (pretvarač) koristi uglavnom za pripremu liva

za čelične odlivke.

Sem toga, konvertorski čelik se upotrebljava za izradu šipki (bez dalje

mašinske obrade), valjanih pljosnatih čelika, bešavnih cevi i žica.


27/59


Henry Bessemer

Besemerov

konvertor


28/59


LD - postupak

U novije vreme umesto vazduha za produvavanje se koristi čisti kiseonik; to jeLD - postupak , nazvan po austrijskim železarama (L'inz-Donawitz). U konvertorse sa gornje strane, kroz tzv. kiseoničko koplje uduvava čist kiseonik. Na ovaj

način postiže se velika produktivnost, cena postrojenja je niska, a kvalitet sepribližava Simens-Martenovom čeliku. Mnoge nove čeličane sve više uvode ovajpostupak koji je izbio na prvo mesto u proizvodnji čelika. Poznat je pod nazivombazni kiseoni č ki proces ( Basic Oxygen Furnace - BOF) ili LD - postupak .

Rastop

Vazduh ilikiseonik

Kiseonik


29/59


Približno

30% staro gvožđe +70% rastopljeno gvožđe iz visoke peći

Punjenje konvertora


30/59


31/59


Pogled na BOF proces


32/59


Simens-Martenov čelik

Simens-Martenov č elik dobija se tako što se za oksidaciju ugljenika i drugih

primesa u sirovom gvoždju pored vazduha koriste i oksidi gvoždja. Sirovo

gvoždje se topi pomešano sa hematitom (Fe2O3), starim gvoždjem i otpacima

oksidisanog gvoždja stvorenim pri kovanju i valjanju (okalina, kovarina,cunder). Proces u Simens-Martenovim pećima dugo traje. Zato je moguća

precizna kontrola hemijskog sastava. Toplota za obavljanje procesa dobija se

delom od gorivog gasa, a delom sagorevanjem sastojaka iz sirovog gvoždja

(C, Mn, Si, P, S). Gorivo je najčešće prirodni gas, koksni gas ili tečno gorivo.Zato se Simens-Martenove peći često nazivaju plamenim pećima, pećima sa

otvorenim ložištem, ili kratko - martinke odnosno SM-peći. Osnovna prednost

u odnosu na konvertor, jeste što se u toku prerade sirovog gvoždja u plamenoj

peći može uzeti proba čiji hemijski sastav (C, S) pokazuje šta dalje trebapreduzeti (ubrzati sagorevanje ugljenika, eleminisati višak S). Pošto se proces

završi i tečan čelik pretoči u lonac, dodaje se Al i elementi za legiranje (Mn, Si

i dr.).


33/59


1- plamena peć sa otvorenimložištem, 2- regeneratori toplote,3- otvor za ulaz gasa, 4- otvor zaulaz vazduha u peć, 5- mesto

paljenja smeše gasa i vazduha,6- plamen liže iznad metala upeći, 7 i 8- otvori za odvodsagorelih gasova i plamena uregeneratore toplote i 9- dimnjak

Simens-Martenova peć

Wilhelm

Siemens


34/59


Elektro peći (EP)

Elektro peć i (EP) služe za dobijanje visokokvalitetnih čelika čiji se sastav

održava u uskim granicama.

U savremenim čeličanama najviše se koriste elektroluč ne peći, a redjeindukcione.

Radi oksidacije sastojaka šarže, uvodi se O2 u peć, ili se dodaju rude bogate

kiseonikom. U toku procesa obavlja se brza analiza hemijskog sastava i po

potrebi dodaju odredjeni elementi da se postigne željeni sastav odnosno da se

čelik legira. Pored ujednačenog sastava čelika iz električnih peći, kod njih je

smanjen i sadržaj nečistoća (S, P, H2, N2, O2). Visoko kvalitetni čelici i

plemeniti čelici imaju najniži mogući sadržaj nečistoća - fosfora i sumpora.


35/59


Elektrolučna peć sastoji se od plitkog čeličnog cilindra podzidanog

vatrostalnim ciglama. Kroz rupe (otvore) na poklopcu umetnuti su grafitni

štapovi (dva ili češće tri) koji u stvari predstavljaju elektrode za paljenje i

održavanje električnog luka. Luk se najpre uspostavlja izmedju svake

elektrode i šarže, a potom izmedju elektroda. Toplota oslobodjena u luku brzo

topi šaržu, i izaziva hemijske reakcije koje dovode do stvaranja čelika. Kad se

šarža istopi, dodaje se kroz bočni otvor topitelj i materijal za legiranje. Docnije

se kroz isti otvor izbacuje šljaka posle naginjanja peći, a naginjanjem peći na

suprotnu stranu izliva se tečni čelik u vatrostalne lonce.Elektrolučne peći su se pokazale kao najpogodnije za proizvodnju nekih

legiranih i alatnih čelika, koji zahtevaju uvodjenje legirajućih elemenata

velikog afiniteta prema kiseoniku. Ovakvi elementi, kao npr. hrom i vanadijum,

brzo bi se oksidisali u SM peći ili LD - konvertoru, i tako prešli u šljaku. Uelektrolučnoj peći šljaka sadrži malo kiseonika pa se legirajući elementi ne

oksidišu, već rastvaraju i zadržavaju u čeliku.


36/59


Izgled elektro peći


37/59


Shematska ilustracija različitih tipova električnih peći: (a) direktan luk,(b) indirektan luk i (c) indukcija


38/59


Metodi dodatne rafinacije čelika

Čelici proizvedeni LD postupkom, u elektropećima ili SM-pećima mogu se po

potrebi dodatno rafinisati. U najprostijem slučaju, prekomerni kiseonik iz

istopljenog čelika eliminiše se u livačkom loncu dodavanjem Si, Mn, Al (Si + Al ≈

0.2% čelik je umiren, Si + Al < 0.2% čelik je poluumiren). Složenija jedezoksidacija rastopljenog čelika u posebnim posudama za rafinaciju. Kroz

duvaljke, na tim posudama, produvava se rastopljeni čelik smešom argona i

kiseonika pri čemu sagoreva višak ugljenika, a hrom biva sačuvan od oksidacije.

Na ovaj način postiže se ne samo veća čistoća već i ravnomerniji kvalitet po

preseku krajnjeg proizvoda. Medjutim, cena ovog tretmana i opreme je veoma

visoka, te se tako prečišćavaju samo neki čelici specijalne namene. Uglavnom se

koriste tri postupka rafinacije čelika ponovljenim topljenjem.

Postupak vakuumskog topljenja elektri č nim lukom

Proces u vakuumskoj indukcionoj peć i

Postupak u lonč astim peć ima


39/59


Dobijanje livenog gvoždja

Trupci sivog sirovog gvoždja iz visoke peći naknadno se pretapaju zajedno sastarim gvoždjem da bi se dobio liv za izradu gvozdenih odlivaka. Za topljenje se

koristi kupolna peć, jamske pe

ći sa glineno-grafitnim loncima ili elektri

čne pe

ći(uglavnom indukcione, katkad elektrolučne).

Kupolna peć je znatno manja od visoke peći, pa se može smestiti u zgradulivnice. Cilindričnog je oblika, ozidana šamotnim ili magnezitnim ciglama, spolja

obloženačeličnim limom. Puni se odozgo liva

čkim koksom ili

ćumurom, odnosnonjihovom mešavinom, sirovim i starim gvoždjem, kao i krečnjakom. Krečni kamen

u ulozi topitelja se dodaje radi stvaranja tečne zgure i redukcije fosfora i štetnihprimesa. U kupolnoj peći ubrzava se topljenje gvoždja duvanjem vazduhapomoću ventilatora ili kompresora; rastopljeno gvoždje kaplje kroz užareni koks

na dno gde se prikuplja i ističe s vremena na vreme ili se kontinualno ispušta ulivački lonac.


40/59


Jamske peć i se lože koksom, ćumurom, ugljem ili tečnim gorivom koje sedovodi brizgaljkama i meša sa vazduhom. U sredini peći je zemljani lonacobložen grafitom i napunjen izlomljenim starim i sirovim gvoždjem. Liv iz

lonaca ječistiji nego iz kupolne pe

ći u kojoj gvoždje može primiti ne

čisto

će izgoriva (naročito sumpor).

Elektri č ne peć i za topljenje livenog gvoždja mogu biti elektroluč ne iindukcione. Elektrolučne uglavnom služe za nodularni liv, a niskofrekventne

indukcione (f = 50 Hz ) za ostale vrste livenog gvoždja, mada to od livnice dolivnice može biti različito.


41/59


Čelični poluproizvodi – primarna prerada čelika

Tečan čelik iz peći ne može se direktno iskoristiti u tom obliku. On se najpre

mora izliti u kalupe standardnih oblika koji se potom metalurški preradjuju urazličite poluproizvode. Razlikuju se dva postupka:

• kontinualno livenje i• livenje ingota.Poluproizvodi dobijeni kontinualnim livenjem (blumovi, bileti, slabovi) dalje semetalurški preradjuju uglavnom valjanjem, dok se ingoti mogu valjati , kovati ili

presovati.


42/59


Kontinualno livenje

Kontinualno livenje je uvedeno da bi se omogućila produkcija polufabrikata izrastopljenog čelika bez posrednih operacija livenja ingota i njihovog ponovnogzagrevanja. Iz elektro peći, rastopljeni čelik se najpre pretače u kazan (sa

čepom na dancetu), koji se prenosi do mašine za livenje gde se čelik polakoizliva u livačko korito. Odatle se liv kontinualno ispušta kroz kalup čije sukonture saglasne izlaznom proizvodu. Neposredno ispod kalupa smeštene sucevi za vodeno hladjenje, a nešto dalje valjci za obostrano valjanje čelika.

Prevaljani polufabrikati odsecaju se oksi-acetilenskim gorionikom (O2 + C2H2)na standardne dužine. Tako se proizvode grubo valjani polufabrikati zvaniblumovi (kvadratni poprečni presek), bileti (manji kvadratni presek, a većadužina) i slabovi (pravougaoni poprečni presek).


43/59



44/59


45/59


Bilet Blum Slab


46/59



47/59



48/59



49/59


50/59


Ingoti su liveni čelični trupci kvadratnog, pravougaonog ili kružnog preseka,mase od 100 kg do oko 40 t . Dobijaju se izlivanjem tečnog čelika u metalnekalupe - kokile od livenog gvoždja ili čelika.U procesu produvavanja sirovog gvoždja vazduhom i pri izlivanju tečnog čelikau kokile rastvaraju se manje ili više kiseonik ili azot. Zbog toga se u tokuočvršćavanja čelika izdvajaju gasovi CO, H2, CO2 i N2, od kojih je najštetnijiCO jer se delom izdvaja u vidu mehurova.Gasni mehurovi dovode do poroznosti, a slobodan ugljenik (C) izlučuje se kaografit na unutrašnjim površinama mehurova pa otežava zagrevanje čelika pri

daljoj plastičnoj preradi i pogoršava mehaničke osobine čelika.


51/59



52/59


53/59


a)

Otkrivanje ingota a) i izgled ingota: umirenog b) i neumirenog c) č elika sa razli č itim

stepenima umirenosti (dezoksidacije)


54/59


U cilju smanjenja sadržaja kiseonika u čeliku, u završnoj fazi topljenja ili ulivačkom loncu, ubacuje se mangan (u vidu fero-mangana) koji deluje ne samokao dezoksidator već razgradjuje i FeS. Na taj način obrazuju se jedinjenjaMnO, MnS koja kao lakša plivaju u obliku troske iznad tečnog čelika, i lako se

ispuštaju pre livenja čelika.

Ako dezoksidacija ostane samo na manganu čelik se zove neumiren, a ako sedalje u livačkom loncu doda aluminijum (0.01-0.05% Al) ili pak 0.12% Si prekofero-silicijuma, odnosno kombinacije Al-Fe-Si dobijaju se poluumireni ili umireni

čelici.


55/59


Ingoti su osnovna sirovina za mehaničku preradu čelika u čeličanama

postupcima presovanja i valjanja, kovanja i vuč enja. Od ingota zagrejanih do

belog usijanja (1050-1200°C prema vrsti čelika), daljom preradom dobijaju se

razni čelični poluproizvodi: železničke šine, profilisani nosači, šipke, betonsko

gvoždje, cevi, žice itd.

Valjanje je najčešći i najvažniji način prerade čelika, jer oko 80% ukupno

proizvedenog čelika prolazi kroz valjke u nekim fazama obrade. Čelični ingotimogu biti različitih veličina u zavisnosti od proizvoda koji se iz njih izradjuju. Na

primer, ingoti za alatne čelike ne prelaze nekoliko stotina kilograma dok ingoti

za delove velikih mašina dostižu 40 t . Pre dalje metalurške prerade

deformisanjem (npr. valjanjem), ingoti se podvrgavaju dugotrajnom difuzionom

žarenju.


56/59


Toplo i hladno valjanje


57/59


58/59


Mnoge vrste čeličnih poluproizvoda posebno se površinski obradjuju ili zaštićujuprevlakama. Na primer, neki nerdjajući čelici su u stanju isporuke brušeni ilipolirani. Za neke druge čelike najvažniji postupci zaštite su metod potapanja ielektroliti č ka zaštita.

Zaštita potapanjem izvodi se u kadi sa rastopljenim zaštitnim metalom. Uglavnom je reč o pocinkovavaju cevi, oluka, zavrtnjeva i navrtki, rezervoara, limenihkrovova i dr. Kada je reč o trakama, specijalni valjci ih uvode u kadu sarastopljenim cinkom, potom se traka provlači kroz komoru za hladjenje u kojojnataloženi cink otvrdnjava. Finalni proizvodi se namotavaju u koturove ili seku na

table limova.Elektroliti č ko platiranje ili galvanizacija je pokrivanje jednog metala slojemdrugog, elektrolitičkim putem. Čeličane na ovaj način proizvode velike količinekalajisanih čelika, od kojih se prave konzerve (limenke). Takodje se ovimpostupkom izradjuju i hromiraju proizvodi koji se dalje upotrebljavaju za konzerve

i druge proizvode.Treba napomenuti da je zaštitni sloj dobijen potapanjem (na toplo) znatno deblji igrublji nego sloj dobijen galvanskim putem.


59/59


dobijanje gvozdja i celika

Documents