Operator_maszyn_i_urządzeń_metalurgicznych_812[02].Z2.02

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Dorota Lubaszka

Otrzymywanie stali
812[02].Z2.02

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Otrzymywanie stali w piecach martenowskich

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Otrzymywanie stali metodami konwertorowymi

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Otrzymywanie stali w piecach elektrycznych

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Odlewanie stali

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć
6. Literatura

66
69

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu otrzymywania stali.
W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,

−

zestaw pytań, które pozwolą Ci stwierdzić czy juŜ opanowałeś określone treści,

−

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań testowych,

−

literaturę uzupełniającą.

Schemat układu jednostek modułowych

812[02].Z2

Technologia procesów

metalurgicznych

812[02].Z2.01

Otrzymywanie surówki

812[02].Z2.02

Otrzymywanie stali

812[02].Z2.03

Otrzymywanie metali

nieŜelaznych

812[02].Z2.04

Otrzymywanie materiałów

z proszków spiekanych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu nauczania jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu metaloznawstwa,

−

charakteryzować rudy Ŝelaza,

−

rozróŜniać składniki strukturalne, gatunki, właściwości i zastosowanie stopów Fe-C,

−

charakteryzować rodzaje surówek oraz określić ich przeznaczenie,

−

określać pierwiastki szkodliwe występujące w surówkach oraz ich wpływ na właściwości
surówek,

−

rozróŜniać reakcje egzotermiczne i endotermiczne,

−

charakteryzować materiały ogniotrwałe,

−

rozróŜniać rodzaje paliw stosowanych w procesach metalurgicznych,

−

charakteryzować maszyny i urządzenia stosowane w procesach metalurgicznych,

−

charakteryzować układy sterowania i regulacji stosowane w procesach metalurgicznych,

−

stosować przepisy bhp, przeciw poŜarowe oraz ochrony środowiska,

−

korzystać z dokumentacji technicznej, literatury technicznej, norm i poradników,

−

pracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

sklasyfikować stal według metod otrzymywania,

−

scharakteryzować materiały wsadowe i pomocnicze do procesów stalowniczych,

−

rozróŜnić urządzenia do przygotowania złomu stalowego,

−

rozróŜnić rodzaje procesów konwertorowych,

−

wyjaśnić konstrukcję konwertora tlenowego,

−

rozróŜnić urządzenia do odpylania gazów konwertorowych,

−

scharakteryzować przebieg procesu konwertorowo-tlenowego,

−

wyjaśnić budowę pieca martenowskiego,

−

scharakteryzować przebieg procesu martenowskiego,

−

rozróŜnić rodzaje pieców łukowych,

−

wyjaśnić konstrukcje pieca łukowego trójfazowego,

−

scharakteryzować przebieg procesu wytapiania stali w piecu łukowym,

−

scharakteryzować wytapianie stali w piecach indukcyjnych,

−

scharakteryzować obróbkę pozapiecową stali,

−

rozróŜnić sprzęt do odlewania stali,

−

wyjaśnić sposoby odlewania stali,

−

rozróŜnić wady wlewków i określić przyczyny ich powstawania,

−

scharakteryzować odlewanie stali sposobem ciągłym,

−

rozróŜnić urządzenia kontrolno-pomiarowe stosowane w procesach stalowniczych,

−

rozróŜnić rodzaje naprawy pieców stalowniczych,

−

określić zasady zachowania się w strefach gazoniebezpiecznych oraz w strefach
bezpośredniego zagroŜenia odpryskiem ŜuŜla i ciekłego metalu oraz gorącego metalu
i zgorzeliny,

−

określić zasady bhp, ochrony przeciwpoŜarowej i ochrony środowiska naturalnego
obowiązujące w stalowniach,

−

posłuŜyć się dokumentacją technologiczną, Dokumentacją Techniczno-Ruchową,
normami: polskimi, branŜowymi i zakładowymi oraz poradnikami.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Otrzymywanie stali w piecach martenowskich

4.1.1. Materiał nauczania

Stal otrzymuje się w wyniku przeróbki surówki otrzymywanej w procesie

wielkopiecowym. Stal moŜe zawierać do 2% węgla, podczas gdy surówka zawiera 3,2–4,3%
węgla,  więc  głównym  celem  procesu  otrzymywania  stali  jest  odwęglanie  surówki.  Surówka
zawiera  równieŜ  domieszki  w  postaci  krzemu,  manganu,  siarki  i  fosforu.  Siarka  i  fosfor  są
domieszkami szkodliwymi. Zawartość siarki powoduje kruchość stopu na gorąco, a zawartość
fosforu  kruchość  na  zimno  oraz  pogarsza,  własności  plastyczne  i  udarność  stopu.  Podczas
przerobu surówki na stal zarówno węgiel jak i domieszki ulegają częściowemu wypaleniu. Do
wyrobu stali stosuje się metodę martenowską, konwertorową oraz elektryczną (rys. 1).

Rys. 1. Proces otrzymywania stopów Ŝelaza z węglem [1, s. 104]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wszystkie obecnie produkowane gatunki stali moŜna podzielić według następujących

kryteriów:

−

metoda otrzymywania,

−

metoda odtleniania,

−

skład chemiczny,

−

jakość,

−

mikrostruktura,

−

zastosowanie.
Według metod otrzymywania stale dzielimy na:

1. Stale otrzymywane w procesie tyglowym tak zwane stale tyglowe.
2. Stale martenowskie:

−

procesu zasadowego,

−

procesu kwaśnego.

3. Stale konwertorowe, otrzymywane w procesach:

−

besemerowskim,

−

tomasowskim,

−

konwertorowym z bocznym dmuchem.

4. Stale procesu elektrycznego:

−

zasadowego,

−

kwaśnego.

−

Stale procesów tlenowo-konwertorowych.

Metodą tyglową wytapia się stale wysokowęglowe, szczególnie stale narzędziowe.

Przetapianie  odbywa  się  w  szczelnie  zakrytych  tyglach  o  pojemności  kilkudziesięciu
kilogramów.  Tygle  sporządza  się  z  mieszaniny  grafitu,  gliny  ogniotrwałej  i  piasku
kwarcowego.  Wytop  stali  metodą  tyglową  jest  procesem  kwaśnym,  a  więc  nie  moŜna
z metalu  usunąć  domieszek  fosforu  i  siarki.  Stal  otrzymana  metodą  tyglową  jest  dobrze
odtleniona i zawiera mniej wodoru i azotu niŜ stal wytapiana innymi metodami.

Materiały wsadowe do procesów stalowniczych dzieli się na materiały metaliczne

i niemetaliczne.

Do materiałów wsadowych metalicznych naleŜą:

−

zasadnicze materiały wsadowe: surówka(w stanie stałym lub ciekłym) i złom stalowy,

−

odtleniacze oraz dodatki stopowe: Ŝelazostopy i metale, które dodaje się w końcowym
okresie procesu wytapiania, w celu odtlenienia lub uzupełnienia składu chemicznego.
Do materiałów wsadowych niemetalicznych naleŜą:

−

materiały ŜuŜlotwórcze, umoŜliwiające uzyskanie Ŝądanego składu ŜuŜla, a więc kamień
wapienny (CaCO

), wapno (CaO), piasek (SiO

), boksyt (Al

·2H

O), fluoryt (CaF

−

materiały utleniające zapewniające utlenienie domieszek wsadu metalicznego (ruda
Ŝ

elaza, zgorzelina walcownicza), a takŜe wdmuchiwane do pieca powietrze lub tlen.

Ze wszystkich pieców metalurgicznych piec martenowski (Siemensa-Martina) ma

najbardziej  skomplikowaną  budowę  (rys.  2).  Jest  piecem  płomiennym  do  wytapiania  stali
z surówki  i  złomu  Ŝelaznego  przy  udziale  rudy  i  topników  oraz  Ŝelazostopów  i  odtleniaczy.
Jako  urządzenie  cieplne  składa  się  on  z  kilku  oddzielnych  części,  mających  określone
przeznaczenie (tabela 1).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 1. Przeznaczenie i najwyŜsze temperatury w poszczególnych częściach pieca martenowskiego [5, s. 72]

NajwyŜsza

temperatura

Nazwa części

pieca

Przeznaczenie

°C

Część robocza

wytapianie stali, spalanie paliwa

1700

1973

Głowica

zmieszanie gazu z powietrzem, początek spalania paliwa,
doprowadzenie do przestrzeni roboczej gazu i powietrza oraz
odprowadzenie z przestrzeni roboczej spalin

1650

1823

Przewody

doprowadzenie z regeneratorów do głowicy gazu i powietrza,
odprowadzenie z głowicy spalin do komór ŜuŜlowych

1600

1873

Komory ŜuŜlowe

osadzanie ŜuŜla i pyłu ze spalin, przekazywanie gazu i powietrza
z regeneratorów do przewodów i spalin z przewodów generatorów

1450

1723

Regeneratory
(z kratownicą)

nagrzewanie powietrza i gazów doprowadzanych do pieca
i przekazywanie spalin przez kanały gazowe i powietrzne do
urządzenia rozrządowego i komina

1350

1623

Kanały gazowe
i powietrzne

przekazywanie spalin z regeneratorów do urządzenia rozrządczego
i komina oraz gazu i powietrza z zaworów do regeneratorów

900

1173

Kanały kominowe

przeprowadzenie spalin do komina

700

973

Komin

Wytworzenie ciągu dla spalin i usuwanie ich na zewnątrz

550

823

Dzięki odzyskaniu w regeneratorach pewnej ilości ciepła, w piecu martenowskim moŜna

uzyskiwać bardzo wysoką temperaturę (ok. 1750ºC), umoŜliwiającą utrzymywanie stali
w stanie ciekłym.

Rys. 2. Proces otrzymywania stali w piecu martenowskim [3]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 3 przedstawiono przekrój pieca martenowskiego z zaznaczonym obiegiem

gazów.  Gaz  wchodzi  do  zaworu  gazowego  (16),  a  następnie  kanałem  (2)  do  komory
regeneratorowej (4), w której znajduje się nagrzana do wysokiej temperatury kratownica. Gaz
przechodzi  przez  komorę  regeneratora  nagrzewa  się  do  temperatury  1000–1200ºC,
a następnie  przewodem  pionowym  (5)  przechodzi  do  przestrzeni  roboczej  pieca  (7).  Tutaj
podgrzany  gaz  zapala  się  płomieniem,  który  skierowany  jest  na  kąpiel  metalową  i  nagrzewa
ją.  Podobnie  powietrze  przez  zawór  (17)  wchodzi  kanałem  (1)  do  komory  regeneratorowej
(3),  nagrzewa  się  w  niej  i  przewodem  pionowym  (5)  przechodzi  do  głowicy  (6),  u  wylotu
której miesza się z gazem, dostarczając tlenu do jego spalania. W przestrzeni roboczej pieca
w  czasie  spalania  panuje  najwyŜsza  temperatura.  Spaliny,  czyli  gazy  powstałe  ze  spalenia
paliwa,  oddają  swe  ciepło  materiałom  wsadowym  i  tu  następuje  ich  nagrzanie  i  stopienie.
Spaliny  przepływają  przez  przestrzeń  roboczą  pieca  i  (jak  wskazują  strzałki)  przez  prawą
głowicę  (8)  dwoma  oddzielnymi  przewodami  (9)  przez  komory  ŜuŜlowe  (18)  do  komór
regeneratorowych (10 i 11). Następnie uchodzą kanałami (12 i 13) przez zawory (16 i 17) do
przewodu kominowego (14) i komina (15). Jak wynika z powyŜszego opisu, gaz i powietrze
przepływając  przez  regeneratory  (3  i  4)  nagrzewają  się  wykorzystując  ciepło  kratownic,
natomiast  spaliny  uchodzące  z  przestrzeni  roboczej  pieca  nagrzewają  kratownice
regeneratorów (10 i 11). Po okresie 10–20 min regeneratory (3 i 4) oziębiają się a nagrzewają
się regeneratory (10 i 11). Wówczas następuje zmiana kierunku przepływu gazów (rewersja).
Gaz  i  powietrze  przechodzą  przez  regeneratory  (10  i  11),  które  w  poprzednim  okresie  pracy
pieca  zostały  nagrzane,  a  spaliny  po  wyjściu  z  przestrzeni  roboczej  przechodzą  przez
regeneratory  (3  i  4)  (w  poprzednim  okresie  ochłodzone)  i  ogrzewają  je.  Po  pewnym  czasie
ponownie zmienia się kierunek płomienia na pierwotny.

Rys. 3. Schemat działania pieca martenowskiego [2, s. 71]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przestrzeń robocza pieca ograniczona jest trzonem, ścianą przednią i tylną, sklepieniem

i głowicami.  W  przestrzeni  roboczej,  czyli  topnisku  następuje  palenie  gazu  i  topienie  wsadu
składającego  się  z  surówki,  złomu  i  topników  dostarczonych  w  stanie  stałym.  Trzon  pieca
stanowi misa, w której odbywa się wytapianie stali. Ze względu na swoje przeznaczenie trzon
musi być wykonany z materiałów, które zapewniają wymaganą ogniotrwałość i wytrzymałość
mechaniczną, odporność na działanie chemiczne i izolację cieplną. Trzon zasadowy wykonuje
się  z  cegieł  szamotowych  i  magnezytowych  oraz  mieszanki  dolomitu,  magnezytu  i  ŜuŜla
zasadowego.  Trzon  pieca  kwaśnego  wykonuje  się  z  cegieł  szamotowych  i  magnezytowych
oraz piasku kwarcytowego.

Sklepienie części roboczej wykonuje się z cegły krzemionkowej lub magnezytowo-

chromitowej. W związku ze znacznie większym cięŜarem cegieł magnezytowo-chromitowych
sklepienia takie wykonuje się jako wiszące (rys. 4).

Rys. 4. Sklepienie wiszące [5, s. 80]

W piecach kwaśnych ściany wykonane są z cegły krzemionkowej, a w piecach

zasadowych  z  cegły  magnezytowej.  W  ścianie  przedniej  pieca  znajdują  się  okna  robocze
zaopatrzone  w  ramy  chłodzone  wodą.  Okna  przykrywane  są  zasłonami.  Do  ich  podnoszenia
i opuszczania  słuŜą  mechanizmy  o  napędzie  pneumatycznym  lub  elektrycznym.  Gaz
i powietrze  do  przestrzeni  roboczej  są  dostarczane  za  pomocą  głowic  (rys.  5).  Zadaniem
głowicy  jest  równieŜ  wymieszanie  gazu  i  powietrza,  nadanie  właściwego  kierunku
płomieniowi,  zaś  po  zmianie  kierunku  płomienia  odprowadzenie  spalin  z  przestrzeni
roboczej. Głowice buduje się z cegły krzemionkowej lub magnezytowo-chromitowej. W celu
zwiększenia trwałości głowic stosuje się chłodzenie wodne.

Rys. 5. Głowica typu Venturi [5, s. 81]

Spaliny uchodzące z przestrzeni roboczej unoszą ze sobą cząstki ŜuŜla i topników.

Większe cząstki opadają do komór ŜuŜlowych, a mniejsze są unoszone do regeneratorów,
kanału kominowego i częściowo uchodzą ze spalinami do komina. Cząsteczki te tworzą łatwo
topliwe związki, które spływają w dół i tworzą narosty zatykające kratownice. Zadaniem

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

komór  ŜuŜlowych  (rys.  6)  jest  wychwycenie  jak  największej  ilości  unoszonych  ze  spalinami
cząstek,  dzięki,  gwałtownej  zmianie  kierunku  i  szybkości  przepływu  spalin.  Unoszone
cząsteczki  uderzają  o  dno  komory, tracą szybkość i gromadzą się w komorze tworząc ŜuŜel.
Komory ŜuŜlowe umieszczone są pod pionowymi przewodami głowic.

Rys. 6. Budowa komory ŜuŜlowej i regeneratorowej: 1 – ściany regeneratora, 2 – ściany komory ŜuŜlowej,

3 – ściana oddzielająca komory, 4 – sklepienie regeneratora, 5 – sklepienie komory ŜuŜlowej, 6 – okna
komory ŜuŜlowej i regeneratorowej, 7 – miejsce na kratownicę, 8 – kanały konstrukcji nośnej [5, s. 84]

Komora regeneratora (rys. 6) składa się z trzech zasadniczych części:

−

komory właściwej;

−

układu nośnego kratownicy,

−

kratownicy, która przyjmuje i gromadzi ciepło unoszone przez spaliny, a następnie
oddaje je przepływającemu przez nią w następnym okresie czynnikowi.
Dolna część komór wyłoŜona jest cegłą szamotową, górna część natomiast, łącznie ze

sklepieniem, wykonana jest z cegły krzemionkowej. Niekiedy górne warstwy, naraŜone na
działanie wysokich temperatur, zastępuje się cegłą krzemionkową lub magnezytowo-
chromitową.

Urządzenia rozrządcze (rys. 7) słuŜą do zmiany kierunku przepływy gazu i powietrza

w piecu.  Urządzenie  składa  się  z  szeregu  zasuw  i  zaworów,  połączonych  ze  sobą
i sterowanych  automatycznie.  Działanie  urządzenia  rozrządczego  musi  przewidywać
kolejność otwierania i zamykania poszczególnych zaworów i zasuw w celu zmniejszenia strat
związanych z przełączaniem.

Do opalania pieca martenowskiego stosuje się paliwo ciekłe lub gazowe. Paliwo powinno

umoŜliwiać  uzyskanie  wymaganej  temperatury,  zawierać  jak  najmniej  siarki  oraz  dawać
płomień  mocno  świecący.  Jednym  z  najczęściej  stosowanych  paliw  ciekłych  jest  cięŜki  olej
opałowy.  Jego  zaletami  jest  silnie  świecący  płomień  oraz  łatwość  regulacji  natęŜenia
płomienia.  Podgrzany  olej  jest  rozpylany,  palnikami  typu  smoczkowego,  na  drobne  kropelki
za pomocą pary lub powietrza. Do paliw gazowych zaliczamy gaz ziemny, gaz koksowniczy
oraz gaz wielkopiecowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 7. Schemat urządzenia rozrządczego: 1, 2 – zawory gazowe, 3, 4 – zawory spalinowe, 5, 6 – zawory

powietrzne,  7,  8  –  zasuwy  spalinowe,  9  –  nastawki  regulacyjne,  10  –  zasuwa  regulacyjna,
11,  12  –  zasuwy  kominowe,  13–15  –  elektryczne  mechanizmy  napędowe,  16,  17  –  mechanizmy
napędowe ręczne [5, s. 87]

Piec martenowski musi być wyposaŜony w przyrządy pomiarowe do pomiaru ciśnień,

natęŜenia przepływu spalin i gazów oraz temperatury. Dysponując układem przyrządów
moŜna zastosować automatyczną regulację pracy pieca. Automatyczna regulacja pieców
martenowskich obejmuje:

−

układ regulacji ciśnienia w przestrzeni roboczej,

−

układ regulacji spalania,

−

układ regulacji obciąŜenia cieplnego (temperatura sklepienia)

−

regulacja sterowania rozrządu.
Poszczególne hale stalowni martenowskiej mogą być rozplanowane w układzie

poprzecznym(rys. 8) lub bardziej nowoczesnym podłuŜnym (rys. 9).

W skład stalowni martenowskiej wchodzą następujące hale:

−

hala materiałów wsadowych,

−

hala pieców, w której ustawione są piece martenowskie, następuje ładowanie pieców
i odprowadzanie ŜuŜla,

−

hala odlewnicza, w której wytopioną stal odlewa się do wlewnic,

−

hala pomocnicza.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 8. Stalownia martenowska w układzie poprzecznym: 1 – zasobniki, 2 – koryta, 3, 12–14 – suwnica,

4 – ława, 5 – piec martenowski, 6 – pomost roboczy, 7 – wsadzarka obrotowa, 8 – skrzynie ŜuŜlowe,
9 – kadzie, 10 – dół odlewniczy, 11 – waga [5, s. 48]

Rys. 9. Stalownia martenowska w układzie podłuŜnym: 1 – pociąg, 2 – piece martenowskie, 3 – pomost

roboczy, 4 – wózki, 5 – wsadzarka pomostowa, 6, 8 – kadź, 7, 10 – suwnica, 9 – wlewnica,
11 – pomost, 12 – kadź ŜuŜlowa [5, s. 48]

Materiały wsadowe i pomocnicze dla procesu martenowskiego

Do materiałów wsadowych i pomocniczych zaliczamy te materiały, które ładujemy do

pieca martenowskiego w celu przeprowadzenia procesu wytapiania stali.

Do materiałów wsadowych moŜna zaliczyć zasadniczy wsad metaliczny, materiały

uŜlotwórcze, materiały do utleniania kąpieli metalowej, materiały nawęglające, odtleniacze

i dodatki stopowe.

Zasadniczy wsad metaliczny

Zasadniczy wsad metaliczny składa się z surówki przeróbczej i złomu stalowego.

W procesie martenowskim stosuje się surówkę w stanie ciekłym wprost z wielkiego pieca lub
w stanie stałym, w postaci gęsi. Stosowanie surówki ciekłej przyczynia się do skrócenia czasu
wytapiania,  zmniejszenia  zuŜycia  paliwa,  a  tym  samym  zwiększenia  wydajności  procesu.
Zawartość  węgla  w  surówce  waha  się  w  granicach  3,5–4,2%,  a  krzemu  od  0,7%  do  1,2%.
Większa  zawartość  krzemu  wymaga  zwiększenia  dodatku  wapna  i  powoduje  wzrost  ilości
Ŝ

uŜla. Zawartość fosforu w surówce powinna być moŜliwie jak najmniejsza i nie przekraczać

0,3%.  Wzrost  zawartości  fosforu  powoduje  konieczność  ściągania  duŜych  ilości  ŜuŜla,
zwiększone  zuŜycie  wapna  i  przedłuŜenie  czasu  wytopu.  Siarka,  podobnie jak fosfor, naleŜy
do  szkodliwych domieszek stali. Siarka tworzy siarczek Ŝelaza FeS, który jest łatwo topliwy

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i powoduje  tak  zwaną  kruchość  na  gorąco.  Odsiarczanie  metalu  w  procesie  zasadowym
napotyka  duŜe  trudności,  a  w  procesach  kwaśnych  jest  niemoŜliwe.  Surówki  stosowane
w procesach  martenowskich  nie  powinny  zawierać  więcej  niŜ  0,06%  S.  Mangan  jest
domieszką poŜądaną, poniewaŜ ma korzystny wpływ na odsiarczanie surówki.

Drugim waŜnym składnikiem wsadu metalicznego jest złom stalowy. W procesach

martenowskich stosuje się złom stalowy niestopowy i stopowy. Złom nie powinien zawierać
metali nieŜelaznych oraz innych zanieczyszczeń niemetalicznych (piasek, ziemia, beton,
Ŝ

uŜel, smoła, guma itp.).w złomie nie powinny znajdować się naczynia zamknięte, butle po

gazach  i  cieczach  trujących.  Przygotowanie  złomu  obejmuje  procesy  rozdrabniania
i paczkowania.  Do  rozdrabniania  złomu  stosuje  się  palniki  acetylenowo-tlenowe,  urządzenia
kafarowe,  noŜyce,  prasy,  kruszarki  i  materiały  wybuchowe.  Rozdrabnianie  złomu  zaleŜy  od
jego charakteru:

−

rozbijanie kafarem: duŜe przedmioty o masie do 10 t,

−

rozrywanie za pomocą materiałów wybuchowych (rys. 12): cięŜkie przedmioty
o grubości 500 mm,

−

cięcie palnikami acetylenowo-tlenowymi: kotły, duŜe konstrukcje stalowe,

−

przecinanie noŜycami (rys. 10): odpady blach, szyn, elementy zabrakowane w walcowni.

Rys. 10. NoŜyce uniwersalne: 1 – wał, 2, 3 – wał pośredni, 4 – wał korbowy, 5 – korbowód, 6 – nóŜ górny,

7 – oś, 8 – koło zębate [7, s. 194]

Rys. 11. Łamacz o napędzie elektrycznym: 1 – kęsisko, 2 – podpory, 3 – głowica, 4 – śruba robocza, 5 – wał,

6 – otwór łamacza, 7 – łoŜysko oporowe, 8 – silnik, 9, 10 – koło [7, s. 195]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 12. Dół strzelniczy: 1 – pancerz stalowy, 2 – sworznie, 3 – kliny,4 – pokrywa, 5 – pancerz, 6 – ucha

pokrywy, 7 – opancerzenie włazu, 8 – kanał odwadniający, 9 – studzienka [7, s. 195]

Paczkowanie złomu drobnego odbywa się następująco:

−

lekkie obcinki cienkiej blachy, wiązki drutu, krótkie wióry prasuje się pod duŜym
ciśnieniem w paczki,

−

wióry brykietuje się na prasach.

Materiały ŜuŜlotwórcze

Materiały ŜuŜlotwórcze, zwane topnikami, dodaje się do pieca martenowskiego w celu

utworzenia ŜuŜla odpowiedniej jakości. W procesie martenowskim stosuje się następujące
materiały ŜuŜlotwórcze: kamień wapienny, wapno palone, fluoryt, boksyt, złom szamotowy
i piasek kwarcowy.

Kamień wapienny zawiera powyŜej 90% węglanu wapnia CaCO

, domieszki MgCO

SiO

i siarki.

Wapno palone (CaO) jest głównym materiałem ŜuŜlotwórczym. Wapno powinno być

wieŜo palone, posiadać odpowiedni skład chemiczny i wielkość cząstek.

Fluoryt CaF

stosuje się w celu upłynniania zbyt gęstego ŜuŜla zasadowego.

Boksyt równieŜ stosuje się w celu upłynniania ŜuŜla. Głównym jego składnikiem jest

uwodniony tlenek glinu(Al

· 2H

O).

Złom szamotowy stosuje się do upłynniania ŜuŜli magnezytowych oraz tworzenia ŜuŜla

w procesach kwaśnych.

Materiały do utleniania kąpieli metalowej

Do utleniania stosuje się rudę Ŝelaza, zgorzelinę lub tlen gazowy.

1) Materiały nawęglające.

Do nawęglania ciekłego metalu uŜywa się odpadów elektrod lub koksu.

2) Odtleniacze i dodatki stopowe.

W celu nadania wytapianej stali wymaganych własności stosuje się dodatki takie jak
Ŝ

elazostopy i odtleniacze. Do grupy tej moŜna zaliczyć:

−

elazomangan FeMn80C05, FeMn75P15, FeMn75P25, FeMn80C15, FeMn80C10,

−

elazokrzem FeSi75Al2, FeSi75Al1,5, FeSi75Al0,7, FeSi75Al0,1,

−

elazochrom FeCr800, FeCr025, FeCr015, FeCr010, FeCr006, FeCr003,

−

elazomolibden FeMo55, FeMo58 i FeMo60A,

−

elazowanad FeV75, FeV52,

−

elazowolfram FeW2, FeW4,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Proces martenowski

Proces martenowski moŜna prowadzić jako zasadowy lub kwaśny.

Proces zasadowy

W zaleŜności od stosunku ilości surówki do złomu we wsadzie metalicznym technologia

wytapiania stali martenowskiej w procesie zasadowym moŜe odbywać się według czterech
podstawowych odmian:

−

proces złomowy bezsurówkowy, w którym węgiel pochodzący z surówki zastępuje się
materiałami nawęglającymi, stosowany w hutach nie dysponujących ciekłą surówką,

−

proces złomowy, w którym wsad składa się z 25–45% surówki i 55–75% złomu,
stosowany w hutach nie dysponujących ciekłą surówką,

−

proces złomowo- rudowy, w którym wsad składa się z 50–75% surówki i 25–50% złomu,
stosowany w hutach dysponujących ciekłą surówką,

−

proces rudowy, w którym wsad składa się z 75–100% surówki ciekłej, stosowany
w hutach dysponujących ciekłą surówką.
Najczęściej spotykany w hutnictwie jest proces złomowo-rudowy otrzymywania stali

w piecach martenowskich. Kolejne etapy procesu przebiegają następująco:

−

pospustowa naprawa pieca – polega na obrzuceniu ziarnistym dolomitem trzonu oraz
ś

cian pieca. Jeśli po spuście w trzonie pieca znajdują się zagłębienia, w których pozostał

metal, oczyszcza się je za pomocą spręŜonego powietrza i dopiero po oczyszczeniu
zasypuje dolomitem,

−

ładowanie  wsadu  –  pierwszym  etapem  jest  ładowanie  kamienia  wapiennego  i  rudy.
W następnej  kolejności  następuje  ładowanie  złomu  i  ewentualnie  surówki  stałej.
Ostatnim  okresem  ładowania  wsadu  jest  wlewanie  ciekłej  surówki.  Wywołuje  ono
gwałtowną reakcję utleniania węgla w surówce za pomocą tlenków rudy oraz intensywne
mieszanie kąpieli,

−

roztapianie wsadu – roztapianie wsadu rozpoczyna się juŜ podczas ładowania zwłaszcza
złomem  lekkim.  W  czasie  roztapiania  następuje  na  powierzchni  kawałków  złomu
i surówki  utlenianie  Ŝelaza,  krzemu,  manganu,  węgla  i  fosforu.  Jednocześnie
z tworzeniem  się  kąpieli  metalowej  powstaje  ciekły  ŜuŜel.  Bardzo  niepoŜądanym
zjawiskiem  jest  tworzenie  się  pod  koniec  okresu  roztapiania  gęstego,  pienistego  ŜuŜla,
który utrudnia przenoszenie ciepła do nie roztopionego jeszcze całkowicie wsadu. JeŜeli
we  wsadzie  znajdował  się  kamień  wapienny,  wówczas  pod  koniec  okresu  roztapiania
następuje  tzw.  gotowanie  wapienne  spowodowane  rozkładem  kamienia  wapiennego.
Gotowanie  wapienne  powoduje  wzburzenie  kąpieli  i  przyspiesza  proces  utleniania,
a dzięki  mieszaniu  kąpieli  przyspiesza  jej  nagrzewanie  i  odgazowanie.  W  ŜuŜlach
tworzących  się  w  piecu  martenowskim  po  wlaniu  surówki  występuje  znaczna  ilość
fosforu  i  siarki.  Usunięcie  pierwszego  ŜuŜla  z  pieca  w  czasie  roztapiania  zmniejsza
ogólną ilość fosforu i siarki w kąpieli i w ten sposób sprzyja oczyszczaniu metalu z tych
szkodliwych domieszek. Teoretycznie w pierwszej kolejności z surówki będą utleniać się
te  składniki,  które  mają  większe  powinowactwo  z  tlenem  niŜ  Ŝelazo.  W  czasie  okresu
roztapiania  naleŜy  z  pieca  usunąć  moŜliwie  maksymalną  ilość  ŜuŜla,  aby  zmniejszyć
ogólną  ilość  ŜuŜla  w  piecu,  skrócić  okres  pienienia  ŜuŜla,  usunąć  z  kąpieli  największą
ilość fosforu i siarki i uzyskać ŜuŜel o potrzebnej zasadowości,

−

wyrabianie  wytopu  –  w  okresie  tym  następuje  usunięcie  szkodliwych  domieszek,
oczyszczenie  metalu  z  wtrąceń  niemetalicznych  i  ustalenie  właściwego  składu  stali.
NajwaŜniejszą reakcją tego okresu jest reakcja utleniania węgla do tlenku węgla.
Tlenek  węgla,  w  postaci  pęcherzyków  gazowych,  wydostaje  się  z  metalu.  Zjawisko  to

zwane jest gotowaniem się metalu. Zjawisko wywołuje intensywne mieszanie metalu i ŜuŜla.
Powoduje ono wyrównanie składu chemicznego oraz temperatury kąpieli metalowej i ŜuŜla,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

oczyszczanie  metalu  z  wtrąceń  niemetalicznych  i  gazów,  przyspieszenie  procesu  reakcji
pomiędzy ŜuŜlem a metalem. Pod koniec okresu roztapiania i na początku okresu wyrabiania
usuwa  się  z  pieca  część  ŜuŜla.  W celu uzupełnienia ilości ŜuŜla, dodaje się do pieca wapno,
rudę oraz fluoryt lub boksyt.

Okres gotowania kończy się z chwilą osiągnięcia Ŝądanej zawartości węgla dla

wytapianego gatunku stali. Dalsze utlenianie węgla przerywa się przez wrzucenie do pieca
obliczonej porcji Ŝelazomanganu.

Odtlenianie i dodawanie składników stopowych

RozróŜnia się cztery podstawowe sposoby odtleniania:

1. Odtlenianie osadowe stali polegające na wprowadzeniu do ciekłej stali pierwiastków,

które  maja  większe  powinowactwo  z  tlenem  rozpuszczonym  w  ciekłym  Ŝelazie,  dając
tlenki  nierozpuszczalne  w  kąpieli  metalowej.  Tlenki  te  wykazują  tendencję  do
wypływania  z  ciekłej  stali,  w  wyniku  czego  zmniejsza  się  zawartości  tlenu  w  stali.
Największą zdolność odtleniającą ma tytan i glin, a najmniejszą – chrom i mangan.

2. Odtlenianie dyfuzyjne stali polegające na odtlenianiu ŜuŜla, zatem reakcje odtleniające

przebiegają nie w metalu, lecz w ŜuŜlu, a stęŜenie tlenu w kąpieli metalowej zmniejsza
się wskutek przechodzenia tlenu z metalu do ŜuŜla. W praktyce odtlenianie ŜuŜla
następuje przez wprowadzanie na powierzchnię ŜuŜla mieszanin odtleniających, w skład
których wchodzi zwykle sproszkowany węgiel lub sproszkowany Ŝelazokrzem.

3. Odtlenianie w próŜni wykorzystujące zdolność odtleniającą węgla, która zwiększa się

w miarę obniŜania ciśnienia nad metalem.

4. Odtlenianie stali za pomocą ŜuŜli syntetycznych polegające na stosowaniu ŜuŜli

syntetycznych glinowo-wapiennych o małej zawartości tlenków Ŝelaza i manganu.
Zasadniczymi składnikami takich ŜuŜli są: CaO, Al

i MgO przy niewielkich ilościach

SiO

Gotową stal spuszcza się przez otwór spustowy do kadzi.

Proces kwaśny

Kwaśny proces martenowski ma wyłącznie zastosowanie przy wytapianiu stali

wysokogatunkowych.  Wsad  do  procesu  kwaśnego  powinien  mieć  specjalny  skład
o ograniczonej  zawartości  fosforu  i  siarki.  Nie  jest  bowiem  moŜliwe  usunięcie  tych
pierwiastków w procesie kwaśnym. Proces kwaśny wymaga stosowania kwaśnego wyłoŜenia
i  kwaśnego  ŜuŜla.  Trzon  wykonuje  się  z  piasku  kwarcowego  przez  ubijanie  lub  nadtapianie.
ś

uŜel kwaśny zawiera duŜą ilość krzemionki, w którą wzbogaca się przez kontakt z kwaśnym

wyłoŜeniem trzonu pieca. JeŜeli po roztopieniu nie wprowadza się do pieca Ŝadnych
dodatków, to w miarę podnoszenia się temperatury metalu następuje stopniowe nasycenie
Ŝ

uŜla krzemionką. śuŜel staje się coraz bardziej gęsty, szybkość przechodzenia tlenu

z atmosfery  pieca  przez  ŜuŜel  do  metalu  zmniejsza  się.  Taką  metodę  prowadzenia  wytopu
nazywamy  procesem  biernym  lub  procesem  z  redukcją  krzemu.  Gdy  w  czasie  wytopu
wprowadza  się  do  pieca  rudę  i  wapno  zwiększa  się  rzadkopłynność  i  zdolność  utleniająca
Ŝ

uŜla. Taką metodę prowadzenia wytopu nazywamy procesem aktywnym lub procesem

z ograniczoną redukcją krzemu. W procesie aktywnym, po roztopieniu wsadu i przy
dostatecznie wysokiej temperaturze metalu, dodaje się do pieca rudę Ŝelaza lub rudę manganu
(lub przedmuchuje metal tlenem). Po dodatku rudy metal energicznie się gotuje, a szybkość
utleniania węgla wynosi 0,20–0,30% węgla na godzinę. Do odtleniania stali kwaśnej zwykle
stosuje się Ŝelazo-mangan, Ŝelazokrzem, krzemomangan, glin i krzemowapń.

Okres pracy pieca od pierwszego wytopu aŜ do zatrzymania go do naprawy na zimno

nazywamy kampanią pieca martenowskiego. W zaleŜności od zakresu robót, które naleŜy
wykonać, rozróŜniamy następujące naprawy pieca martenowskiego:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

naprawa pospustowa, do której naleŜą wszystkie te czynności, które wykonuje załoga
pieca po kaŜdym wytopie w celu zapewnienia normalnych warunków pracy pieca,

−

naprawa na gorąco- przeprowadzana w miarę zuŜycia się jednej z części pieca,
np.: naprawa filarków przedniej ściany, wymiana ram chłodzących okien wsadowych,
naprawa głowic, wymiana części sklepienia,

−

naprawa mała (na zimno)- przeprowadzana z chwilą zuŜycia się sklepienia, ściany
przedniej, wypalenia przelotów gazowych i powietrznych,

−

naprawa średnia (na zimno)- przeprowadzana okresowo, w zaleŜności od czasu pracy
kratownic i stopnia zapełnienia komór ŜuŜlowych,

−

naprawa duŜa, w której wymianie podlega sklepienie, ściana przednia i tylna, głowice,
trzon, ściany w komorach powietrznych, gazowych i ŜuŜlowych,

−

naprawa główna (remont kapitalny), w przypadku której rozbiera się piec do płyty
fundamentowej i wymienia cała konstrukcje.
Po ukończeniu naprawy na zimno naleŜy piec wysuszyć i nagrzać. W tym celu do pieca

doprowadza się przewód gazowy i palniki. Przed rozpoczęciem suszenia pieca umieszcza się
w  nim  termoelementy  w  celu  kontrolowania  przebiegu  nagrzewania  sklepienia  i  komór
regeneratorowych. Prędkość nagrzewania jest początkowo bardzo mała i zaleŜy od wyłoŜenia
ogniotrwałego  sklepienia  i  ścian  pieca  oraz  przeciwstawiania  się  napręŜeniom  cieplnym
występującym przy podnoszeniu się temperatury podczas nagrzewania. W związku z tym dla
kaŜdego  pieca  opracowuje  się  harmonogram  nagrzewania  uwzględniający  własności  cegieł,
z których  wykonane  jest  sklepienie  pieca.  Gdy  piec  osiągnie  temperaturę  600–700ºC,  naleŜy
do niego doprowadzić gaz (przez głowice). Kierunek przepływu gazu zmienia się najpierw po
5 h, następnie po 3 h, a potem co 2 h.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie są podstawowe części składowe pieca martenowskiego?
2.  Jakie procesy zachodzą w przestrzeni roboczej?
3.  Jaką rolę spełniają regeneratory?
4.  Jakie materiały stosuje się na wyłoŜenie trzonu pieca kwaśnego?
5.  Jakie materiały stosuje się na wyłoŜenie trzonu pieca zasadowego?
6.  Jaką rolę spełniają głowice?
7.  Jakie paliwa stosowane są do opalania pieca martenowskiego?
8.  Jakie wymagania stawiane są paliwom do opalania pieców martenowskich?
9.  Jakie są układy stalowni martenowskich?
10.  Jakie są składniki wsadu metalicznego?
11.  Jak przygotowuje się wsad metalowy?
12.  Jakie topniki stosuje się w procesie martenowskim?
13.  Jakie materiały stosuje się do utleniania?
14.  Jakie materiały stosuje się do nawęglania?
15.  Jakie materiały stosuje się w celu odtlenienia?
16.  Jakie są podstawowe odmiany prowadzenia procesu martenowskiego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na schemacie pieca martenowskiego zaznacz jego podstawowe części oraz

scharakteryzuj ich przeznaczenie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy pieca

martenowskiego,

2)  zaznaczyć na schemacie podstawowe części pieca martenowskiego,
3)  zapisać ich nazwy i opisać przeznaczenie,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

schemat pieca martenowskiego,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 2

Odczytaj temperaturę za pomocą termoelementu i pirometru optycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zasadę pomiaru temperatury za pomocą termoelementu i pirometru

optycznego,

2)  odczytać temperaturę za pomocą termoelementu i pirometru optycznego,
3)  zapisać odczytane temperatury i porównać wyniki,
4)  stosować zasady bhp,
5)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

termoelement i pirometr optyczny,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj topniki, materiały utleniające, nawęglające, odtleniacze do wytopu stali

w piecu martenowskim.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące materiałów wsadowych,
2)  rozpoznać poszczególne rodzaje materiałów wsadowych,
3)  zapisać nazwy rozpoznanych materiałów wsadowych i ich krótką charakterystykę,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

próbki materiałów wsadowych,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 4

Scharakteryzuj urządzenie przedstawione na rysunku.

Rysunek do ćwiczenia 4

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować informacje dotyczące przygotowania materiałów wsadowych,
2)  rozpoznać urządzenie przedstawione na schemacie,
3)  zapisać nazwę oraz zastosowanie urządzenia przedstawionego na rysunku,
4)  opisać inne urządzenia stosowane do przygotowania złomu wsadowego,
5)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

schematy,

−

dokumentacja DTR urządzeń stosowanych do przygotowania złomu,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować podstawowe elementy składowe pieca martenowskiego?

2) scharakteryzować przeznaczenie części roboczej?

3) określić przeznaczenie regeneratorów?

4) określić zadania jakie spełnia głowica?

5) scharakteryzować materiały ogniotrwałe przy wyłoŜeniu kwaśnym?

6) scharakteryzować materiały ogniotrwałe przy wyłoŜeniu zasadowym?

7) scharakteryzować paliwa stosowane w procesie martenowskim?

8) scharakteryzować materiały stanowiące zasadniczy wsad metaliczny

w procesie martenowskim?

9) określić sposoby przygotowania złomu stalowego?

10) scharakteryzować materiały ŜuŜlotwórcze?

11) scharakteryzować materiały utleniające?

12) scharakteryzować materiały nawęglające?

13) rozpoznać materiały wsadowe stosowane w procesie martenowskim?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Otrzymywanie stali metodami konwertorowymi

4.2.1. Materiał nauczania

Kolejną metodą otrzymywania stali są procesy konwertorowe (rys. 13).

Rys. 13. Schemat konwertorowych procesów wytapiania stali [3]

Zasada konwertorowych procesów wytapiania stali polega na przedmuchiwaniu ciekłej

surówki  za  pomocą  gazu  utleniającego.  Jako  gaz  utleniający  stosuje  się  powietrze,  tlen,  ich
mieszaniny lub mieszaniny tlenu i dwutlenku węgla. W wyniku przedmuchiwania domieszki
metalu takie jak węgiel, krzem, mangan oraz niekiedy fosfor i siarka utleniają się, a produkty
reakcji  przechodzą  do  ŜuŜla  lub  w  postaci  gazu  opuszczają  konwertor.  Reakcje  utleniające
mają  charakter  egzotermiczny.  Wydzielane  ciepło  pozwala  na  utrzymaniu  zawartości
konwertora w stanie ciekłym przy odpowiedniej temperaturze.

Gaz utleniający moŜna doprowadzać do konwertora od spodu, z boku i z góry (rys. 14).

W konwertorach z dmuchem od spodu i z boku gazem utleniającym jest najczęściej
powietrze, przy dmuchu z góry tlen.

Rys. 14. Konwertory: a) z doprowadzeniem gazu utleniającego od dołu, b) z boku, c) od góry [7, s. 249]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Konwertory (rys. 15) składają się z podłuŜnego zbiornika stalowego (1), wyłoŜonego

wewnątrz wyprawą ceramiczną ogniotrwałą o charakterze kwaśnym lub zasadowym.

Zbiornik (1) jest otoczony pierścieniem stalowym wyposaŜonym w czopy (2), które są

ułoŜyskowane w słupach (3). Zbiornik moŜe się obracać dookoła osi czopów za pomocą koła
zębatego  (5)  i  listwy  zębatej  (4),  napędzanej  przez  tłok  (6)  urządzenia  hydraulicznego  lub
pneumatycznego.  Zbiornik  konwertora  składa  się  z  dwóch  komór.  Większa  komora  (7)
stanowi  właściwą  komorę  roboczą,  w  której  odbywa  się  proces  metalurgiczny.  Druga,  mała
komora  (8)  jest  komorą  powietrzną,  do  której  przewodem  (9)  jest  doprowadzany  pod
ciśnieniem  gaz  utleniający.  Obie  komory  (7  i  8)  są  przedzielone  grubą  ściana  z  licznymi
otworami,  przez  które  jest  wtłaczane  powietrze  lub  tlen.  Proces  otrzymywania  stali
rozpoczyna  się  od  nalewania  ciekłej  surówki  do  pochylonego  i  rozgrzanego  zbiornika
konwertora. Ciekła surówka jest nalewana przez otwór (10).

Rys. 15. Konwertor [1, s. 107]

Równocześnie wdmuchuje się do konwertora gaz utleniający, obracając jednocześnie

zbiornik  do  połoŜenia  pionowego.  Gaz  przechodząc  przez  ciekłą  surówkę  wypala  zawarty
w surówce  węgiel  i  domieszki  takie  jak  krzem,  mangan,  fosfor  i  inne.  Nad  zbiornikiem
usytuowany  jest  okap  z  systemem  odciągu,  chłodzony  wodą  i  odprowadzający  gorące  gazy
odlotowe  do  oczyszczalni  gazów.  Wsad  Ŝelazonośny  dla  konwertorów  stanowią  głównie
ciekła surówka i złom stalowy. Jako uzupełnienie wsadu moŜe być stosowana surówka stała
i złom surówkowy. Materiałami ŜuŜlotwórczymi są: wapno palone, dolomit palony i surowy,
kawałkowy  ŜuŜel  stalowniczy.  W  charakterze  czynnika  schładzającego  kąpiel  metalową
stosuje się rudę Ŝelaza i ŜuŜel magnetyczny.

Po zakończeniu procesu zbiornik konwertora przechyla się, wylewając stal do form lub

tygli. RozróŜnia się proces konwertorowy Bessemera, Thomasa i tlenowo-konwertorowy.

Proces Bessemera

Proces polega na otrzymaniu stali z ciekłej surówki w konwertorach o wyłoŜeniu

kwaśnym  (krzemionkowym).  Z  uwagi  na  kwaśne  wyłoŜenie  pieca  nie  moŜna  tą  metodą
przerabiać  surówek  zawierających  znaczne  ilości  fosforu,  gdyŜ  nie  zostanie  on  usunięty,
a pozostając  w  stali  powoduje  zbyt  duŜą  kruchość.  Do  przerobu  w  konwertorze  Bessemera
nadają się surówki zawierające do 2% krzemu, manganu do 1,5%, siarki 0,05%, fosforu 0,1%
i węgla 3,5–4,5%.

Proces wytapiania stali w konwertorze besemerowskim dzieli się na następujące okresy:

−

przechylenie konwertora i zalanie surówki,

−

ustawienie konwertora i włączenie dmuchu,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

iskrowy,

−

płomienny,

−

dymny,

−

odtlenianie i uzyskanie poŜądanej zawartości C, Mn, Si, po zakończeniu wytopu
dodajemy surówkę zwierciadlistą, Ŝelazomangan, Ŝelazokrzem, aluminium,

−

przechylanie konwertora, usuwanie ŜuŜla i odlewanie stali.
Po rozpoczęciu dmuchu w pierwszym okresie utlenia się przede wszystkim krzem

i mangan,  mające  duŜe  powinowactwo  do  tlenu.  Utlenia  się  równieŜ  nieco  Ŝelaza
i rozpoczyna  się  nieznaczne  utlenianie  węgla.  Powstałe  tlenki  krzemu,  manganu  i  Ŝelaza
tworzą  ŜuŜel.  Temperatura  kąpieli  wzrasta  w  wyniku  egzotermicznych  reakcji  utleniania.
Zwłaszcza krzem, którego jest w surówce besemerowskiej około 2%, dostarcza duŜych ilości
ciepła.  Powstające  w  pierwszym  okresie  gazy  unoszą  drobne  kropelki  metalu,  które
wyglądają jak iskry.

W drugim okresie intensywnie utlenia się węgiel. Nad gardzielą ukazuje się coraz

większy płomień ze spalania CO na CO

. W tym okresie utleniają się równieŜ pozostałości

krzemu i manganu.

Trzeci okres rozpoczyna się opadaniem płomienia. Świadczy to o kończącym się

utlenianiu  węgla,  a  gazy  wydobywające  się  z  konwertora  przyjmują  wygląd  brunatnych
dymów.  Zabarwienie  pochodzi  od  tlenków  Ŝelaza,  które  powstają  na  skutek  intensywnego
utleniania  Ŝelaza.  Brunatne  dymy  są  oznaką  końca  świeŜenia  i  z  chwilą  ich  ukazania  naleŜy
przerwać dmuch.

Po przerwaniu dmuchu stal zawiera około 0,04–0,10% C i znaczne ilości tlenu

wpływającego  na  pogorszenie  własności  stali.  Dlatego  naleŜy  stal  odtlenić  przez  dodanie
odtleniaczy  w  postaci  manganu,  krzemu  lub  aluminium.  Stale  uspokojone  odtlenia  się
manganem  i  krzemem  w  postaci  Ŝelazokrzemu,  a  ostateczne  odtlenianie  przeprowadza  się
dodatkiem aluminium.

Jeśli stal ma zawierać większą ilość węgla to naleŜy przeprowadzić nawęglanie, które

polega na dodaniu mielonego koksu, mączki elektrodowej lub grafitu. Nawęglanie odbywa
się w czasie spustu stali do kadzi.

Produktami procesu besemerowskiego są:

−

stal bessemerowska –zawartość siarki i tlenu większa niŜ w stali martenowskiej, posiada
lepszą zgrzewalność i skrawalność. Przeznaczona do wyrobu drutu, gwoździ, cienkich
blach, rur zgrzewanych, stali prętowej do wyrobu śrub i na zbrojenia do Ŝelazobetonu,

−

uŜel bessemerowski – stosowany jako kwaśny topnik w procesie wielkopiecowym do

rud zawierających zasadową skałę płonną.

Proces Thomasa

Konwertor tomasowski zbudowany jest tak samo jak konwertor besemerowski.

Zasadniczą  róŜnicę  stanowi  jego  zasadowe  wyłoŜenie  ogniotrwałe,  wykonane  z  materiałów
dolomitowych.  Zasadowe  wyłoŜenie  umoŜliwia  wprowadzenie  do  konwertora  wapna,  które
w końcowej  fazie  świeŜenia  wiąŜe  się  z  fosforem,  tworząc  fosforan  wapniowy  wypływający
na  powierzchnię  metalu  w  postaci  ŜuŜla.  W  konwertorze  Thomasa  przerabia  się  surówki
zawierające 3–4% węgla, 0,4–1,5% manganu, 0,2–0,6% krzemu, 1,7–2,5% fosforu i mniej niŜ
0,1%  siarki.  Surówka  przeznaczona  do  przeróbki  w  procesie  Thomasa  zawiera  znacznie
więcej  fosforu  i  znacznie  mniej  krzemu  niŜ  besemerowska.  Proces  świeŜenia  podobnie  jak
w konwertorze besemerowskim dzieli się na trzy okresy. Charakterystyczną cechą zewnętrzną
pierwszego  okresu  są  wydobywające  się  dymy  zabarwione  na  Ŝółto  lub  czerwono  pyłami
unoszonego  wapna.  W  tym  okresie  utleniają  się  krzem  i  mangan  oraz  nieznacznie  węgiel
i Ŝelazo.  Z  utlenionych  składników  wsadu  rozpoczyna  się  tworzenie  ŜuŜla.  Temperatura
kąpieli  metalowej  na  skutek  egzotermicznych  reakcji  utleniania  stopniowo  wzrasta.  Po

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

utlenieniu krzemu i manganu proces przechodzi w drugi okres, w czasie którego intensywnie
wypala  się  węgiel.  W  ostatnim  okresie  następuje  intensywne  odfosforowywanie  oraz
odsiarczanie. Trwające tak długo, aŜ utworzą się brunatne dymy, które są oznaką zakończenia
procesu  świeŜenia.  Egzotermiczne  reakcje  utleniania  fosforu  są  głównym  źródłem
wydzielania duŜych ilości ciepła. Temperatura kąpieli rośnie tak szybko w trzecim okresie, Ŝe
zachodzi konieczność schładzania kąpieli przez dodanie rudy lub złomu. Po świeŜeniu ŜuŜel
jest  zlewany  do  oddzielnych  kadzi  i  po  schłodzeniu  poddawany  mieleniu.  W  takiej  postaci
stanowi cenny nawóz dla rolnictwa. Pozostałą w konwertorze stal odtlenia się Ŝelazostopami
oraz ewentualnie nawęgla (rys. 16).

Rys. 16. Proces Thomasa [4]

Produktami procesu Thomasa są:

−

stal tomasowska – zawierająca więcej azotu, tlenu, wtrąceń ŜuŜlowych od stali
martenowskiej i bessemerowskiej, ale jest tańsza. UŜywana do wyrobu drutu, rur bez
szwu, taśm, itp.,

−

uŜel zasadowy – zawierający około 50% CaO i 20–50% P

– po zmieleniu stosowany

jako nawóz sztuczny zwany tomasyną.
W porównaniu z procesem bessemerowskim proces tomasowski ma następujące cechy

charakterystyczne:

−

konwertor tomasowski ma wyłoŜenie zasadowe,

−

przy tej samej wydajności konwertor tomasowski musi mieć większe rozmiary, gdyŜ
w procesie tomasowskim wytwarza się duŜe ilości ŜuŜla,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

proces besemerowski przebiega bez dodawania topników, a w procesie tomasowskim
jako topnik stosuje się wapno , które ładuje się do konwertora przed wlaniem surówki,

−

głównym źródłem ciepła w procesie tomasowskim jest fosfor i dlatego jego zawartość
powinna wynosić 1,8–2,2%. Zasadowy ŜuŜel wapienny umoŜliwia odfosforowanie
i odsiarczanie metalu, co jest niemoŜliwe w konwertorze bessemerowskim.

Proces konwertorowy z bocznym dmuchem

W konwertorach z bocznym dmuchem CO spala się na CO

w przestrzeni roboczej,

w wyniku  czego  uzyskuje  się  dodatkowe  ilości  ciepła,  co  podwyŜsza  sprawność  cieplną
konwertorów.  Dzięki  temu  moŜna  zmniejszyć  pojemność  tych  konwertorów  bez  obawy
zamroŜenia ciekłego wsadu oraz stosować je w odlewniach do wytwarzania niewielkich ilości
staliwa  w  krótkich  odstępach  czasu.  Proces  w  konwertorze  z  bocznym  dmuchem  moŜna
podzielić na dwa okresy. W pierwszym utleniają się przede wszystkim krzem i mangan oraz
Ŝ

elazo przechodząc do ŜuŜla. Okres ten charakteryzuje się niewielkimi wyrzutami ŜuŜla

i metalu  z  gardzieli.  W  drugim  okresie  pojawia  się  nad  gardzielą  niewielki  płomień.  W  tym
okresie  intensywnie  wypala  się  węgiel  i  utleniają  się  pozostałości  krzemu  i  manganu.
Opadnięcie  płomienia  i  pojawienie  się  brunatnych  dymów  jest  oznaką  końca  procesu.  Po
zakończeniu  dmuchu  metal  odtlenia  się  za  pomocą  manganu  i  krzemu  oraz  ewentualnie
nawęgla.

Proces konwertorowy LD

Proces polega na otrzymywaniu stali z surówki oraz rudy lub złomu w konwertorze

ustawionym  pionowo  przez  wdmuchiwanie  czystego  tlenu  od  góry  za  pomocą  lancy  tlenowej
(rys.  17).  Lanca  tlenowa  jest  chłodzona  wodą.  Metoda  ta  pozwala  na  przerabianie  surówek
o dowolnym składzie chemicznym i nie powoduje naazotowania stali. Przebieg wytapiania stali
w  konwertorze  LD  przebiega  następująco.  Do  przechylonego  konwertora,  z  którego
wyciągnięta jest lanca, wsypuje się odpowiednią ilość złomu, który ma celu ochłodzenie kąpieli
metalowej.  Następnie  wlewa  się  ciekłą  surówkę.  Po  zakończeniu  tej  czynności  konwertor
ustawia  się  pionowo,  opuszcza  lancę  i  rozpoczyna  wdmuchiwanie  tlenu.  W  tym  czasie  do
konwertora  rynną  zasypową  wprowadza  się  odpowiednią  ilość  wapna  palonego.  Na  skutek
utleniającego  działania  tlenu  wypalają  się przede wszystkim krzem, mangan i niewielkie ilości
Ŝ

elaza. Szybko wzrastająca temperatura sprzyja powstawaniu ŜuŜla, co umoŜliwia wcześniejsze

rozpoczęcie procesów odsiarczania i odfosforowania. Na skutek mechanicznego oddziaływania
strugi  tlenowej,  cała  kąpiel  zaczyna  krąŜyć  w  konwertorze.  Węgiel  rozpoczyna  się  wypalać
z chwilą  rozpoczęcia  dmuchu,  ale  najintensywniejsze  utlenianie  węgla  przebiega  przy  pełnym
krąŜeniu  kąpieli.  Wydzielające  się  na  ściankach  i dnie  konwertora  bańki  CO  powodują
energiczne  gotowanie  kąpieli  metalowej.  Burzliwe  mieszanie  metalu  z  ŜuŜlem  wpływa  na
intensyfikację

zachodzących

procesów,

szczególnie

odfosforowania i odsiarczenia.

WyświeŜony metal zlewa się do kadzi, gdzie dodaje się odpowiednich Ŝelazostopów
i ewentualnie aluminium w celu odtlenienia stali. Nawęglanie stali przeprowadza się równieŜ
w kadzi. Po spuszczeniu metalu konwertor przechyla się i przez gardziel wylewa ŜuŜel do kadzi
Ŝ

uŜlowej. Proces otrzymywania stali trwa 12–15 minut, wydajność jest znacznie wyŜsza od

pozostałych metod i wynosi do 400 ton na godzinę.

Odmianami procesów konwertorowo-tlenowych są procesy LDAC (część wapna jest

wdmuchiwana ze strugą tlenową), OLP (cała ilość wapna wdmuchiwana jest ze strugą
tlenową) oraz TBM. W procesie LD kąpiel świeŜy się wyłącznie tlenem podawanym lancą
tlenową nad poziom kąpieli.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 17. Proces tlenowy [4]

Wytapianie stali w konwertorze tlenowym w procesie TBM prowadzi się świeŜąc kąpiel

metalową  tlenem  podawanym  przez  lancę  tlenową,  usytuowaną  nad  poziomem  kąpieli,
z równoczesnym  przedmuchiwaniem  kąpieli  gazami  obojętnymi  (argon  i  azot)  przez  dysze
umieszczone  w  dennicy  konwertora  w  przeciwprądzie  do  strumienia  tlenu  dmuchanego  na
powierzchnię kąpieli od góry. Pozwala to na:

−

znacznie szybsze niŜ w metodzie konwencjonalnej utworzenie aktywnego ŜuŜla,

−

zmniejszenie zuŜycia tlenu do procesu świeŜenia,

−

zmniejszenie ilości utlenionego Ŝelaza w kąpieli metalowej podczas świeŜenia,

−

zmniejszenie ilości tlenu aktywnego, a przez to zmniejszenie zuŜycia odtleniaczy
i Ŝelazostopów,

−

ograniczenie erozyjnego oddziaływania kąpieli na wymurówkę, a przez to na
oszczędność materiałów ogniotrwałych,

−

na poprawę jakości wytwarzanej stali.

Urządzenia do wykorzystania i odpylania gazów konwertorowych

Wytapianiu stali w procesach konwertorowych towarzyszy intensywne wydzielanie się

gazów i pyłów. Gaz ten zawiera tlenek węgla (CO) i duŜe ilości pyłu (składającego się
głównie z tlenków metali, łącznie z metalami cięŜkimi), względnie małe ilości tlenków siarki
(SO

) i tlenków azotu (NOx). Tlenek węgla, zawarty w gazach, spala się przy wylocie

z gardzieli konwertora i daje znaczne ilości energii cieplnej. Dla jej wykorzystania instaluje
się kotły odzyskowe. Aby moŜliwe było odzyskiwanie gazu konwertorowego, konieczne jest
przeprowadzenie wysoko efektywnego oczyszczenia gazu.

Gazy konwertorowe przed wypuszczeniem do atmosfery powinny być odpylone.
Urządzenia odpylające dzielą się na trzy grupy (rys. 18):

−

mechaniczne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

filtracyjne,

−

elektrostatyczne.
Do grupy mechanicznych suchych urządzeń odpylających naleŜą komory osadcze,

cyklony,  multicyklony,  odpylacze  o  ruchu  obrotowym  cylindrycznej  obudowy,  odpylacze
wirnikowe.  Najczęściej  stosowane  są  cyklony.  Mają  bardzo  szeroki  zakres  zastosowania,
m.in.  w  obiegach  wentylacyjnych  i  przy  odpylaniu  małych  ilości  gazu  (za  paleniskami
kotłów,  w  odlewniach,  piecach  wapiennych,  itp.).  Cyklony  stosuje  się  takŜe  w  skojarzeniu
z innymi  typami  odpylaczy,  jako  pierwszy  stopień  odpylania  (np.  z  odpylaczami
tkaninowymi,  mokrymi  lub  elektrostatycznymi).  Urządzenia  te  działają  na  zasadzie
występowania  duŜych  sił  odśrodkowych  z  odrzutem  cięŜszych  ciał  stałych  w  kierunku
ś

cianek cylindra, po których zsuwają się do umieszczonego w dole zbiornika pyłu.

Charakteryzują się łatwą obsługą, niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, lecz
i niezbyt wysoką skutecznością działania.

Rys. 18. Podział urządzeń odpylających [6, s. 457]

Mechaniczne mokre urządzenia odpylające, stanowiące najliczniejszą grupę urządzeń

odpylających  są  to  m.in.:  płuczki  wieŜowe,  cyklony  mokre,  płuczki  obrotowe,  odpylacze  ze
zwęŜką Venturiego. Zasada ich działania polega na wykorzystywaniu zjawisk występujących
przy  dodawaniu  cieczy  do  zapylonego  gazu,  tj.  kondensacji  pary  wodnej,  dyfuzji,  zderzenia
się  kropelek  cieczy  z  ziarenkami  pyłu,  zjawisk  elektrostatycznych,  rozdrobnienia  gazu,
osadzania  się  pyłu.  Urządzenia  te  przeznaczone  są  do  odpylania  gazów  technologicznych
z pyłów drobnych, nieagresywnych i nie cementujących. Charakteryzują się małą czułością na
zmiany temperatury, wilgotności oraz stosunkowo wysoką skutecznością odpylania (do 99%).
Mokre  urządzenia  odpylające,  niezaleŜnie  od  odpylania  gazu,  mogą  być  równocześnie
wykorzystywane  do  chłodzenia  gazu  lub  wydzielania  zanieczyszczeń  gazowych.  Działanie
odpylaczy  tkaninowych  (filtracyjnych)  polega  na  oddzieleniu  pyłu  podczas  przepływu
zapylonego  gazu  przez  materiały  filtracyjne,  tj.  warstwy  kształtek  ceramicznych
i metalowych,  tkaniny,  włókniny,  filce,  bibuły.  Najbardziej  rozpowszechnione  są  odpylacze
filtracyjne  tkaninowe,  w  których  materiałem  filtracyjnym  są  tkaniny  lub  włókniny  naturalne
i sztuczne, pozwalające na oddzielenie pyłów o wielkości ziaren rzędu 1 mikrometra. Często
wymagają  one  wstępnego  odpylenia  gazów.  Stosowane  są  w  cementowniach,  wapiennikach,
wytwórniach mączek mineralnych, w produkcji metali i wyrobów z metali, produkcji maszyn
i urządzeń, a takŜe w produkcji wyrobów chemicznych.

Elektrostatyczne urządzenia odpylające (elektrofiltry) wykorzystują zjawisko siły

elektrostatycznej. Zapylony gaz ulega jonizacji w silnym polu elektrostatycznym, ziarna pyłu
są przyciągane przez elektrodę zbiorczą, gdzie koagulują (łączą się) i przy wstrząsaniu
opadają do zbiornika pyłu. Urządzenia te charakteryzują się wysoką skutecznością działania

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(powyŜej  99,5%)  oraz  niskimi  oporami  przepływu,  nawet  dla  bardzo  duŜych  ilości  gazów.
Elektrofiltry  stosowane  są  do  odpylania  duŜych  ilości  gazów,  np.  spalin  z  kotłów
energetycznych,  w  cementowniach,  w  produkcji  metali  i  wyrobów  z  metali,  w  produkcji
wyrobów chemicznych.

Rys. 19. Schemat przemysłowych urządzeń odpylających: a) komora osadcza, b) cyklon, c) płuczka bez

wypełnienia,  d)  płuczka  z  wypełnieniem,  e)  płuczka  obrotowa  nadciśnieniowa;  1  –  wał  z  tarczą,
2  –  palce,  3  –  pręty  nieruchome,  f  –  odpylacz  tkaninowy  workowy  nadciśnieniowy,  g)  odpylacz
tkaninowy  workowy  podciśnieniowy,  h)  odpylacz  tkaninowy  ramowy,  i-  odpylacz  z  warstwa  sypką
nieruchomą,  j)  odpylacz  z  warstwą  sypką  ruchomą,  k) odpylacz elektrostatyczny rurowy, l – odpylacz
elektrostatyczny płytowy, ł) odpylacz elektrostatyczny mokry [6, s. 458]

Pył jest zwykle usuwany z gazu konwertorowego za pomocą płuczki zwęŜkowej lub

suchych filtrów elektrostatycznych. Przed dojściem do płuczki zwęŜkowej lub filtra
elektrostatycznego gruboziarnisty pył jest zwykle usuwany za pomocą deflektora, itp.

W przypadku, gdy stosuje się suche odpylanie elektrostatyczne jako środek oczyszczania

gazu  konwertorowego  powstającego  przy  wdmuchiwaniu tlenu, wytwarzany jest pył. Pył ten
posiada  wysoką  zawartość  Ŝelaza  (40–65%)  i  moŜe  być  stosowany  jako  wartościowy
surowiec  w przypadku, gdy pyły są prasowane na brykiety. Brykiety z pyłu gruboziarnistego
zawierają  około  70%  Ŝelaza  metalicznego  i  mogą  być  stosowane  jako  substytut  złomu
w konwertorze  tlenowym.  Brykiety  z  pyłu  drobnoziarnistego  zawierają  około  7%  Ŝelaza
metalicznego i mogą być stosowane jako uzupełnienie dla rudy chłodzącej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 20. Przekrój wzdłuŜny przez urządzenia do odprowadzania gazów, kocioł odzyskowy i mokre odpylanie

gazów  Proces  tlenowy:  1,  2  –  konwertory,  3  –  pierścienie  uszczelniające,  4  –  okapy,  5  –  kotły
odzyskowe,  6  –  zbiornik  wody  kotłowej,  7  –  walczaki,  8  –  zagęszczacze  Venturi,  9  –  separatory,
10  –  układy  odpylaczy,  11  –  separatory  odśrodkowe,  12  –  przewód  czystego  gazu,  13  –  zasuwy,
14 – wentylatory, 15 – komin, 16 – pochodnia [7, s. 262]

Pozapiecowa obróbka stali

Pozapiecowa obróbka stali obejmuje wytwarzanie i obróbkę ciekłej stali po spuście

z konwertorów tlenowych do momentu odlewania stali. Zwykle prowadzona jest na
stanowiskach obróbki kadziowej, a jej celem jest:

−

ograniczenie zawartości siarki w stali,

−

odtlenienie stali,

−

końcowa regulacja składu chemicznego,

−

ujednorodnienie składu chemicznego i temperatury w całej objętości kąpieli,

−

regulacja temperatury do poziomu wymaganego przez technologię ciągłego odlewania,

−

usunięcie niepoŜądanych gazów, jak wodór i azot,

−

usunięcie wtrąceń niemetalicznych (WN),

−

modyfikacja pozostałych wtrąceń niemetalicznych.
Stanowiska obróbki kadziowej spełniają takŜe funkcję bufora i umoŜliwiają odlewanie

w procesie COS. Kadź z ciekłą stalą transportowana jest zazwyczaj przy pomocy suwnicy lub
wózka  transportującego  (transfer  car).  Dostępny  jest  cały  szereg  technologii  pozapiecowej
obróbki  stali.  WyróŜnia  się  procesy  z  podgrzewaniem  i  bez  podgrzewania  oraz  procesy
odbywające  się  w  warunkach  obniŜonego  ciśnienia  lub  w  warunkach  ciśnienia
atmosferycznego.  Stanowiska  obróbki  kadziowej  w  stalowniach  masowych  wymagają
stosowania  systemu  wytwarzającego  próŜnię  lub  podgrzewania  łukiem  elektrycznym  (albo
obu  jednocześnie).  Niezbędne  jest  takŜe  ich  wyposaŜenie  w  urządzenia  umoŜliwiające
przedmuchiwanie  kąpieli  gazem  obojętnym,  wprowadzanie  drutów  lub  wdmuchiwanie
reagentów  sproszkowanych. Nowoczesne stalownie dysponują liniami pozapiecowej obróbki
ciekłej, w skład której wchodzą:

−

stanowiska argonowania i wprowadzania drutów rdzeniowych,

−

urządzenie do próŜniowego odgazowywania ciekłej stali metodą porcjową DH,

−

urządzenie do próŜniowego odgazowywania ciekłej stali metodą obiegową RH,

−

urządzenie do głębokiego odsiarczania stali za pomocą wdmuchiwania reagentów

−

sproszkowanych SL,

−

piec kadziowy LF (Ladle Furnace).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie to zapewnia uzyskiwanie wysokich współczesnych standardów pod

względem technologii wytwarzania jak i jakości produkowanej stali.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  W jaki sposób następuje świeŜenie domieszek w procesach konwertorowych?
2.  Co jest źródłem ciepła w procesach konwertorowych?
3.  Jakie są rodzaje metod konwertorowego otrzymywania stali?
4.  Jakie jest wyłoŜenie konwertora Bessemera?
5.  Jakie okresy występują w procesie Bessemera?
6.  Jaki jest skład surówek stosowanych w procesie Bessemera?
7.  Jakie jest wyłoŜenie konwertora Thomasa?
8.  Jakie okresy występują w procesie Thomasa?
9.  Jaki jest skład surówek stosowanych w procesie Thomasa?
10.  Jak prowadzi się proces w konwertorze z bocznym dmuchem?
11.  Jak prowadzi się proces LD?
12.  W jaki sposób odtleniana jest stal w procesach konwertorowych?
13.  W jaki sposób nawęgla się stal w procesach konwertorowych?
14.  Jakie urządzenia stosuje się do wykorzystania i odpylania gazów?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie schematu konwertora z dolnym dmuchem opisz jego budowę i zasadę

działania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych schemat konwertora,
2)  przeanalizować budowę konwertora,
3)  zapisać krótką dotyczącą budowy konwertora,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj metody otrzymywania stali w procesach konwertorowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje o sposobach wytopu stali

w konwertorach,

2) przedstawić graficznie klasyfikacje metod wytopu stali w procesach konwertorowych,
3) scharakteryzować

poszczególne

metody

otrzymywania

stali

procesach

konwertorowych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj materiały odtleniające i nawęglające do wytopu stali uspokojonej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać materiały dotyczące odtleniania i nawęglania stali w procesach

konwertorowych,

2) odszukać w dokumentacji wytopu informacje dotyczące rodzaju oraz ilości materiałów

odtleniających i nawęglających,

3) scharakteryzować materiały odtleniające i nawęglające,
4) zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

materiały odtleniające i nawęglające,

−

dokumentacje wytopu,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika

Ćwiczenie 4

Scharakteryzuj urządzenia przedstawione na schemacie.

Rysunek do ćwiczenia 4

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące otrzymywania stali w procesach konwertorowych,
2)  zapisać nazwy konwektorów przedstawionych na schemacie,
3)  zapisać rodzaj gazu utleniającego doprowadzanego do poszczególnych konwertorów,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 5

Scharakteryzuj metodę otrzymywania stali przedstawioną na schemacie.

Rysunek do ćwiczenia 5

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące otrzymywania stali w procesach konwertorowych,
2)  zapisać materiały wsadowe,
3)  zapisać urządzenia stosowane podczas wytopu,
4)  opisać procesy zachodzące podczas wytopu,
5)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 6

Scharakteryzuj urządzenia odpylające stosowane podczas procesów konwertorowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące urządzeń odpylających,
2)  sklasyfikować urządzenia odpylające,
3)  opisać zasadę poszczególnych grup urządzeń odpylających,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

Dokumentacja Techniczno-Ruchowa urządzeń odpylających,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróŜnić metody konwertorowego otrzymywania stali?

2) scharakteryzować proces Bessemera?

3) scharakteryzować proces Thomasa?

4) scharakteryzować proces konwertorowy z bocznym dmuchem?

5) scharakteryzować proces LD?

6) scharakteryzować metody odtleniania stali w procesach konwertorowych?

7) scharakteryzować metody nawęglania stali?

8) określić okresy wytopu stali?

9) rozróŜnić urządzenia, które stosuje się do odpylania gazów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Otrzymywanie stali w piecach elektrycznych

4.3.1. Materiał nauczania

Otrzymywanie stali w piecach łukowych

W piecach łukowych (elektrodowych) energia elektryczna przetwarzana jest w ciepło

w łuku elektrycznym, a nagrzewanie metalu następuje w wyniku promieniowania łuku. Piece
łukowe moŜna podzielić na piece łukowe o nagrzewaniu pośrednim, bezpośrednim i z łukiem
krytym (rys. 21).

Rys. 21. Piece łukowe: a) nagrzewanie pośrednie, b) nagrzewanie bezpośrednie, c) nagrzewanie łukiem

zakrytym [7, s. 158]

W piecach elektrodowych o nagrzewaniu pośrednim łuk powstaje ponad wsadem między

elektrodami usytuowanymi przewaŜnie poziomo.

W piecach łukowych o nagrzewaniu bezpośrednim łuk powstaje między elektrodami

ustawionymi pionowo oraz między elektrodami a metalem.

W piecach łukowych z zakrytym łukiem łuk płonie pomiędzy końcami elektrod

zanurzonych we wsadzie o duŜej oporności właściwej. Ciepło w piecach z łukiem zakrytym
pochodzi więc z łuku elektrycznego i z nagrzewania oporowego.

Piece łukowe o nagrzewaniu bezpośrednim moŜna podzielić na (rys. 22):

−

piece z przewodzącym trzonem, w których przepływ prądu jest następujący: elektroda-
Ŝ

uŜel-metal-elektroda trzonu-metal-ŜuŜel-elektroda,

−

piece z nieprzewodzącym trzonem, w których przepływ prądu jest następujący:
elektroda-ŜuŜel-metal-ŜuŜel-elektroda.

Rys. 22. Piece łukowe: a), c)z trzonem przewodzącym prąd, b), d) z trzonem nieprzewodzącym prądu [5, s. 158]

Obecnie do wytopu stali najczęściej stosuje się piece łukowe o nagrzewaniu

bezpośrednim.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Głównymi częściami pieców łukowych bezpośrednich są:

−

kocioł,

−

elektrody,

−

urządzenia do podnoszenia, opuszczania oraz regulacji elektrod,

−

mechanizm przechyłu pieca,

−

transformator, wyłącznik i dławik.

Rys. 23. Piec łukowy [4]

Kocioł pieca łukowego wykonany jest z blach o grubości 10–30 mm. Kocioł ma wycięcie

na okno robocze i otwór spustowy. W piecach o duŜej pojemności mogą znajdować się dwa
okna robocze co ułatwia dostęp do całej powierzchni kąpieli. Okno robocze jest usztywnione
ramą  staliwną  i  chłodzone  wodą.  Zasłona  okna  wykonana  jest  z  blach  stalowych,  zazwyczaj
chłodzonych  wodą.  Podnoszenie  zasłony  moŜe  odbywać  się  ręcznie,  pneumatycznie  lub
elektrycznie.  Otwór  spustowy  znajduje  się  po  przeciwnej  stronie  okna  roboczego.  MoŜe  być
otwarty  (usytuowany  powyŜej  poziomu  ŜuŜla)  lub  zatykany  (powyŜej  lub  poniŜej  poziomu
Ŝ

uŜla). Rynnę spustową wykonuje się z blach stalowych spawanych lub nitowanych. Jest ona

wewnątrz  wyłoŜona  cegłą  szamotową  i  przymocowana  do  kotła  pieca.  W  piecach  łukowych
sklepienie nie jest związane z kotłem, lecz stanowi odrębny element konstrukcji pieca. Takie
rozwiązanie pozwala na szybką wymianę zuŜytego pieca oraz na ładowanie pieca koszem od
góry.  Sklepienie  ma  trzy  otwory,  przez  które  wprowadzone  są  do  przestrzeni  roboczej
pionowe  elektrody.  Otwory  mają  średnicą  nieco  większą  od  średnic  elektrod.  MoŜe  to
powodować  zasysanie  powietrza  do  przestrzeni  roboczej.  Aby  temu  zapobiec  szczeliny
uszczelnia się pierścieniami chłodzonymi wodą.

Elektrody mają za zadanie przewodzenie prądu elektrycznego w celu wytworzenia łuku

elektrycznego w przestrzeni roboczej. Od jakości elektrod w duŜym stopniu zaleŜy sprawność
i wydajność oraz przebieg procesu wytapiania. Elektrody dla pieców łukowych powinny
charakteryzować się następującymi własnościami:

−

duŜą przewodnością elektryczną,

−

małą przewodnością cieplną,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

odpornością mechaniczną w wysokiej temperaturze,

−

odpornością na utlenianie,

−

minimalną ilością szkodliwych domieszek.
W piecach łukowych (rys. 24) stosuje się elektrody węglowe i grafitowe. Lepszymi

własnościami charakteryzują się elektrody grafitowe.

Elektrody zamocowane są w uchwytach połączonych ramionami z ruchomym stojakiem

teleskopowym,  który  moŜe  przesuwać  się  w  górę  i  w  dół  za  pomocą  silnika  napędowego
i śruby napędowej. Uchwyty trzymające elektrodę i doprowadzające do niej prąd elektryczny
wykonuje się z brązu, miedzi lub stali. W celu zabezpieczenia elektrod i ich uchwytów przed
nadmiernym  nagrzewaniem  stosuje  się  pierścienie  chłodzone  wodą.  Pierścienie  są
umieszczone  w  otworach  sklepienia  i  oprócz  chłodzenia  spełniają  równieŜ  rolę prowadzenia
elektrod.  Bardzo  istotne  jest  właściwe  rozwiązanie  urządzenia  do  samoczynnej  regulacji
elektrod,  którego  zadaniem  jest  utrzymanie  stałej  długości  łuku.  Aby utrzymać stałą długość
łuku,  elektrody  w  miarę  wypalania  opuszcza  się  za  pomocą  regulatorów  hydraulicznych  lub
elektromechanicznych.

Rys. 24. Piece łukowe: 1 – przestrzeń robocza, 2 – wyprawa ogniotrwała, 3 –sklepienie, 4 – okno robocze,

5 – otwór spustowy, 6 – elektrody, 7 – pierścienie uszczelniające, 8 – stojak, 9 – mechanizm do
przechyłu pieca [6, s. 170]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 25. Regulator [7, s. 194]

Zadaniem automatycznej regulacji elektrod jest utrzymanie Ŝądanego natęŜenia prądu

łuku (rys. 25).

Element sterujący odbiera impulsy pochodzące od natęŜenia prądu łuku elektrycznego.

Jego zadaniem jest podanie impulsu poprzez element wzmacniający na element regulujący
w przypadku powstania odchyleń od parametrów zadanych. Element regulujący opuszcza lub
podnosi elektrodę do czasu przywrócenia załoŜonej wartości prądu łuku.

Elektryczne piece łukowe buduje się jako przechylne (rys. 26). Mechanizm przechylania

pieca  powinien  gwarantować  moŜliwość  przechylania  pieca  zarówno  w  kierunku  rynny
spustowej,  jak  i  okna  roboczego.  Piec  moŜe  być  przechylany  za  pomocą  zębatej  kołyski,
stanowiącej  spód  pieca  poruszającej  się  po  prostej  zębatce  przymocowanej  do  fundamentu.
Innym  rozwiązaniem  jest  przechył  za  pomocą  gładkiej  kołyski  opierającej  się  na  wałkach
zamocowanych  w  fundamencie  lub  leŜącej  na  łoŜyskach  rolkowych  ułoŜonych  na
fundamencie.  Napęd  przechyłu  pieca  moŜe  być  elektryczny  lub  hydrauliczny.  Kąt  przechyłu
w kierunku rynny spustowej wynosi 40–45º, a w kierunku okna roboczego 10–15º.

Rys. 26. Schematy działania mechanizmów dolnych do przechylania pieca, a, b) kołyska toczy się po rolkach,

c) kołyska toczy się po poziomej płycie, d) kołyska toczy się po płycie pochyłej [7, s. 295]

Nowoczesne konstrukcje pieców łukowych zapewniają równieŜ obrót pieca dookoła osi

pionowej o kąt do 60º, w lewą i prawą stronę. Po rozpoczęciu topienia w jednym połoŜeniu
i stopieniu wsadu bezpośrednio pod elektrodami piec obraca się w drugie połoŜenie.

Piece łukowe zasilane są prądem o napięciu 230–600 V i natęŜeniu do 50000 A. W celu

uniknięcia strat energii elektrycznej do stalowni doprowadza się prąd o wysokim napięciu(do
60000 V).

Prąd z sieci zasilającej wysokiego napięcia (rys. 27) (1) doprowadzany jest do elektrod

(11) za pośrednictwem wyłącznika powietrznego (2), głównego wyłącznika olejowego (3),
dławika (6), transformatora (8) z przełącznikiem napięcia (9) oraz sieci niskiego napięcia.

Wyłącznik powietrzny 2 słuŜy do wyłączania pieca przy dłuŜszych postojach lub

naprawach.

Główny wyłącznik olejowy (3) i wyłącznik olejowy (7) słuŜą do wyłączania i wyłączania

pierwotnych  uzwojeń  transformatora  do  sieci.  Transformator  piecowy  (8)  słuŜy  do
przetwarzania  prądu  o  wysokim  napięciu  na  prąd  roboczy.  Piece  łukowe  wyposaŜone  są
w transformatory trójfazowe, składające się z trzech pierwotnych i trzech wtórnych uzwojeń.
Uzwojenia  pierwotne  (wysokiego  napięcia)  wykonane  są  z  przewodów  miedzianych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

o niewielkim  przekroju. Uzwojenia wtórne (niskiego napięcia) wykonane są z szyn o duŜym
przekroju. Rdzeń transformatora wraz z nawiniętymi uzwojeniami osadzony jest w zbiorniku
wypełnionym  olejem  transformatorowym.  Proces  technologiczny  wytopu  stali  w  piecach
łukowych  wymaga  doprowadzenia  róŜnych  ilości  energii  elektrycznej  w  poszczególnych
stadiach wytopu. Ilość doprowadzonej energii reguluje się przez zmianę napięcia wtórnego na
transformatorze.  Zmiana  napięcia  moŜe  odbywać  się  przez  zmianę  połączenia  uzwojenia
pierwotnego gwiazda-trójkąt lub przez zmianę ilości zwojów cewek uzwojenia pierwotnego.

Zadaniem dławika (6) jest ograniczenie uderzeń prądu przy zwarciach, które powstają

przy zawaleniu się nieroztopionego wsadu lub, gdy elektrody stykają się bezpośrednio
z metalem.

Rys. 27. Uproszczony układ połączeń elektrycznych pieca łukowego [5, s. 190]

Wytapianie stali w piecach łukowych

W piecach łukowych (rys. 28) wytop stali moŜna prowadzić w procesach kwaśnych lub

zasadowych.

Proces zasadowy przeprowadza się w piecach o wyłoŜeniu materiałami ogniotrwałymi

magnezytowymi i dolomitowymi. Wytapianie stali w procesie zasadowym moŜna prowadzić:

−

z normalnym świeŜeniem i ściąganiem ŜuŜla,

−

bez świeŜenia i ściągania ŜuŜla (metoda odzyskowa).
Cechą charakterystyczną pierwszej metody jest okres świeŜenia, w którym utlenia się

C i P  oraz  Cr,  Mn,  Si,  V  i  in.  Metodę  tę  stosuje  się  do  wytapiania  stali  niestopowych  i  do
wytapiania  stali  stopowych  ze  wsadu  niestopowego  i  stopowego,  który  zawiera  składniki
stopowe nie utleniające się podczas świeŜenia np. nikiel, molibden. Drugą metodę wytapiania
charakteryzuje  brak  okresu  świeŜenia,  w  wyniku  tego  łatwo  utleniające  się  pierwiastki

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stopowe wsadu nie utleniają się i zostają w stali. Celem metody odzyskowej jest odzyskanie
ze wsadu łatwo utleniających się składników stopowych.

Proces wytapiania z normalnym świeŜeniem dzieli się na:

−

naprawę pospustową pieca,

−

ładowanie wsadu do pieca,

−

wieŜenie,

−

odtlenianie dyfuzyjne,

−

wprowadzanie dodatków stopowych,

−

spust gotowego metalu z pieca do kadzi.
Celem naprawy pospustowej jest usunięcie wŜerów w wyłoŜeniu trzonu i ścian pieca,

powstałych  podczas  poprzedniego  wytopu.  Wsad  ładuje  się  za  pomocą  kosza  po  odsunięciu
sklepienia  lub  za  pomocą  wsadzarek.  Okres  roztapiania  rozpoczyna  się  po  przykryciu  pieca
sklepieniem, opuszczeniu elektrod i włączeniu prądu elektrycznego. Celem świeŜenia kąpieli
jest  maksymalne  zmniejszenie  zawartości  fosforu  w  metalu,  usunięcie  gazów  w  stali
i nagrzanie  metalu.  Równocześnie  z  tymi  procesami  utlenia  się  C,  Mn,  Cr,  V  i  In.  Po
zakończeniu  świeŜenia  usuwa  się  z  pieca  ŜuŜel  okresu  świeŜenia.  Celem  okresu  odtleniania
jest  dokładne  odtlenienie  i  odsiarczenie  metalu.  Odtlenianie  dyfuzyjne  zapewnia  otrzymanie
metalu  zawierającego  mało  wtrąceń  niemetalicznych  w  wyniku  tego,  Ŝe  reakcje  odtleniania
przebiegają w ŜuŜlu, w którym pozostają produkty reakcji odtleniania.

W zaleŜności od stosowanej metody odtleniania dyfuzyjnego rozróŜnia się odtlenianie

pod  ŜuŜlem  białym  lub  karbidycznym.  W  celu  otrzymania  ŜuŜla  białego,  na  kąpiel
naprowadza  się  mieszankę  wapna,  fluorytu  i  zmielonego  koksu  lub  mączki  elektrodowej
w stosunku 12:2:1. Przy odtlenianiu metalu pod ŜuŜlem karbidycznym naprowadza na kąpiel
mieszanką  wapna,  fluorytu  i  zmielonego  koksu  w  stosunku  3:1:1.  Czas  wprowadzania
dodatków  stopowych  zaleŜy  od  powinowactwa  danego  pierwiastka  do  tlenu.  Nikiel  moŜna
wprowadzać  razem  ze  wsadem,  gdyŜ  ma  mniejsze  powinowactwo  do  tlenu  niŜ  Ŝelazo.
Natomiast  Ŝelazostopy  zawierają  pierwiastki,  które  mają  duŜe  powinowactwo  do  tlenu;
wprowadza się je więc tuŜ przed spustem lub do kadzi.

Po uzyskaniu wymaganego składu chemicznego i temperatury kąpieli ostatecznie

odtlenia  się  kąpiel  metalową  Ŝelazokrzemem,  poczym  spuszcza  się  metal  z  pieca  do  kadzi.
Proces  wytapiania  metodą  odzyskową  przebiega  podobnie  jak  proces  ze  świeŜeniem.
W metodzie odzyskowej nie występuje jednak okres świeŜenia. W celu odzyskania ze złomu
cennych  pierwiastków  stopowych  po  roztopieniu  wsadu  od  razu  odtlenia  się  metal
i wprowadza dodatki stopowe.

Proces kwaśny wytapiania stali stosuje się głównie w odlewniach. WyłoŜenie pieca

stanowią  materiały  ogniotrwałe  krzemionkowe.  Materiały  wsadowe  do  procesów  kwaśnych
muszą  charakteryzować  się  minimalną  zawartością  fosforu  i  siarki.  Okres  roztapiania
przebiega tak samo jak w zasadowym piecu łukowym. Na początku okresu świeŜenia utlenia
się krzem i mangan oraz węgiel. Wydzielający się tlenek węgla umoŜliwia gotowanie kąpieli
metalowej.  Kąpiel  metalową  odtlenia  się  za  pomocą  kwaśnego  ŜuŜla  i  kwaśnego  wyłoŜenia
pieca.  W  wysokiej  temperaturze  redukuje  się  krzem  z  krzemionki  zawartej  w  ŜuŜlu
i wyłoŜeniu  pieca.  Dodanie  Ŝelazomanganu  do  pieca  i  aluminium  do  kadzi  zapewnia
ostateczne odtlenienie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 28. Wytop stali w piecach łukowych [4]

Budowa pieców indukcyjnych

W piecach indukcyjnych topiony metal nagrzewa się pod wpływem prądów

wzbudzonych w nim na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Pod względem konstrukcji
piece indukcyjne dzieli się na:

−

piece indukcyjne rdzeniowe, zwane piecami małej częstotliwości lub kanałowymi,

−

piece indukcyjne bezrdzeniowe, zwane piecami wielkiej częstotliwości lub tyglowymi.
Zasadę działania pieca bezrdzeniowego moŜna porównać do działania transformatora.

Uzwojenie pierwotne stanowi cewka miedziana, a uzwojenie wtórne metal znajdujący się
w tyglu.

Prąd

zmienny

przepływający

przez

cewkę

wytwarza

zmienne

pole

elektromagnetyczne. Pole elektromagnetyczne indukuje we wsadzie siłę elektromotoryczną.
Siła

elektromotoryczna

powoduje

powstawanie

wsadzie

prądów

wirowych

nagrzewających wsad (rys. 29).

Piec indukcyjny (rys. 30) składa się z tygla ogniotrwałego i cewki indukcyjnej, stalowego

płaszcza,  mechanizmu  do  przechyłu  pieca,  generatora  wielkiej  częstotliwości  i  baterii
kondensatorów.  Tygiel  moŜe  być  wykonany  z  materiałów  zasadowych  lub  kwaśnych.  Tygle
zasadowe  wykonuje  się  z  proszku  magnezytowego  z  dodatkiem  kwasu  borowego.  Tygle
kwaśne  wykonywane  są  ze  zmielonego  kwarcytu  i  kwasu  borowego.  Cewkę  wykonuje  się
z rur miedzianych chłodzonych wodą podczas pracy. Piece indukcyjne wielkiej częstotliwości
mogą  być  przechylane  za  pomocą  kołowrotu,  suwnicy,  mechanizmów  śrubowych,
mechanizmów o napędzie hydraulicznym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Metoda przetapiania jest częściej stosowanym sposobem prowadzenia wytopu w piecu

indukcyjnym. Polega ona na przetopieniu odpowiednio dobranych materiałów wsadowych.
Po roztopieniu wsadu i nagrzaniu do wymaganej temperatury kąpieli metalowej odtlenia się ją
i koryguje jej skład chemiczny, a następnie spuszcza z pieca. Materiały wsadowe powinny
być wysokiej czystości i zawierać jak najmniej fosforu i siarki. Dodatki stopowe ładuje się do
pieca razem z wsadem.

Rys. 31. Uproszczony schemat elektryczny pieca indukcyjnego wysokiej częstotliwości: 1 – wyłącznik,

2 – silnik trójfazowy, generator wielkiej częstotliwości, 4 – prądnica wzbudzająca, 5 – regulator
magnetyczny, 6 – rozrusznik, 7 – wyłącznik, 8 – wyłącznik baterii kondensatorów, 9 – grupa
kondensatorów, 10 – piec [5, s. 236]

Wytop w piecu indukcyjnym moŜna podzielić na następujące okresy:

−

naprawa pospustowa,

−

ładowanie wsadu,

−

roztapianie wsadu,

−

wykańczanie,

−

spust stali z pieca.
Naprawa pospustowa polega na starannych oględzinach tygla i naprawieniu uszkodzeń tą

samą masą, z której tygiel jest wykonany.

Ładowanie wsadu wpływa na szybkość jego roztapiania, a co za tym idzie na zuŜycie

energii elektrycznej. Zwykle na dno tygla daje się złom drobny. Następnie przy ścianach tygla
układa się złom gruby. Wolne przestrzenie wypełnia się wsadem drobnym.

Po załadowaniu wsadu włącza się prąd. Podczas roztapiania wsadu naleŜy zwracać

baczna  uwagę  na  stopniowe  obsuwanie  się  złomu tak, aby nie dopuścić do zawisania wsadu
i do  tworzenia  się  mostów.  W  okresie  roztapiania  tworzy  się  ŜuŜel  z  dodawanych  razem
z wsadem  materiałów  ŜuŜlotwórczych,  z  zanieczyszczeń  złomu  oraz  z  tlenków  wyłoŜenia
tygla.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przy prowadzeniu wytopu metodą przetapiania nie prowadzi się świeŜenia kąpieli

metalowej. Po całkowitym roztopieniu wsadu pobiera się próbkę metalu do analizy
chemicznej i ściąga ŜuŜel okresu roztapiania. Następnie wytwarza się nowy ŜuŜel rafinacyjny
złoŜony z dodatków materiałów ŜuŜlotwórczych oraz dodatków odtleniających.

Wykańczanie metalu sprowadza się do dodatku uzupełniających ilości składników

stopowych oraz odtleniaczy.

Metoda z częściowym utlenieniem znajduje głównie zastosowanie w zasadowych piecach

indukcyjnych.

Po załadowaniu i roztopieniu wsadu, jeŜeli zawartość fosforu i węgla jest zbyt duŜa, do

kąpieli metalowej dodaje się niewielkimi porcjami rudy Ŝelaza.

Po wyświeŜeniu węgla i fosforu ściąga się ŜuŜel utleniający.
Kolejne etapy wytopu są analogiczne jak w metodzie przetapiania.
Do głównych wad wytapiania stali z częściowym utlenieniem moŜna zaliczyć:

−

większy zgar składników stopowych wprowadzonych razem ze wsadem,

−

niszczące działanie ŜuŜla utleniającego na wyłoŜenie tygla,

−

dłuŜszy czas wytopu.

Omawiana metoda pozwala natomiast na przetapianie w zasadowym piecu indukcyjnym

złomu o większej zawartości fosforu i siarki

Wytapianie stali w piecach próŜniowych

W piecach próŜniowych (rys. 32) wykorzystuje się zmniejszenie ciśnienia gazów nad

powierzchnią metalu. Zastosowanie próŜni sprzyja odgazowaniu stali, odtlenianiu stali za
pomocą węgla oraz oczyszczeniu stali z wtrąceń niemetalicznych. W procesach próŜniowych
stosuje się próŜniowe piece indukcyjne i łukowe.

Zasadniczymi częściami próŜniowego pieca indukcyjnego są:

−

próŜniowa komora pieca z tyglem i urządzeniem do odlewania,

−

układ pomp próŜniowych,

−

układ zasilający,

−

urządzenie dozujące i kontrolno-pomiarowe.
Indukcyjne piece próŜniowe mogą pracować w sposób ciągły lub okresowo. W piecach

pracujących okresowo załadowanie wsadu oraz wydobywanie wlewków odbywa się po
otwarciu komory próŜniowej. W piecach o pracy ciągłej załadunek wsadu i odbiór wlewków
odbywa się bez odłączania próŜni.

W zaleŜności od konstrukcji i sposobu pracy próŜniowe piece łukowe moŜna podzielić na:

−

piece z elektrodą ciągłą roztapianą,

−

piece z elektrodą stałą nie roztapianą,

−

piece z tyglem skorupowym (autotyglem).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Piece z autotyglem (rys. 33) stosuje się do wytopu stali wysokostopowych oraz metali

o wysokiej temperaturze topnienia. Wytapianie stali w procesach próŜniowych wpływa na
polepszenie własności mechanicznych oraz jednorodności składu chemicznego.

Aby zapewnić naleŜyte bezpieczeństwo obsługi podczas wytopu stali w piecach

elektrycznych  naleŜy  bezwzględnie  przestrzegać  przepisów  bezpieczeństwa  i  higieny  pracy.
Szczegółowe  zasady  bezpieczeństwa  i  higieny  pracy  na  wydziałach  stalowni  reguluje
ROZPORZĄDZENIE  MINISTRA  GOSPODARKI  z  dnia  20  września  2001  r.  w  sprawie
bezpieczeństwa  i  higieny  pracy  w  hutach  Ŝelaza  (Dz.  U.  z  dnia  8  października  2001  r.)
W rozporządzeniu  znalazły  się  między  innymi  następujące  zasady  bezpiecznej  pracy  przy
wytopie stali:

−

instalacje i urządzenia gazowe powinny być poddawane okresowym komisyjnym
przeglądom. Zakres i częstotliwość przeglądów określają przepisy o dozorze
technicznym,

−

miejsca, w których mogą wystąpić zagroŜenia gazowe, w zaleŜności od stopnia
zanieczyszczenia atmosfery trującymi, palnymi lub niepalnymi gazami i parami, powinny
być podzielone na strefy zagroŜenia gazowego,

−

strefy zagroŜenia gazowego ustala komisja powołana przez pracodawcę w trybie
przyjętym w hucie Ŝelaza,

−

teren stref zagroŜenia gazowego powinien być oznakowany tablicami o treści: „Uwaga –
pierwsza (druga, trzecia) strefa zagroŜenia gazowego”.

−

wykonywanie prac w pierwszej i drugiej strefie zagroŜenia gazowego powinno być
traktowane jak prace szczególnie niebezpieczne, w rozumieniu ogólnych przepisów
bezpieczeństwa i higieny pracy.

−

przypadku awarii instalacji lub urządzeń gazowych, ustalone strefy zagroŜenia gazowego
mogą być zmieniane, po uprzednim dokonaniu doraźnych pomiarów stęŜeń gazów lub
par w tych strefach,

−

kanały, którymi prowadzone są instalacje gazowe, powinny być murowane,
przewietrzane i oświetlone,

−

wejścia

kanałów

powinny

być

zabezpieczone

przed

dostępem

osób

nieupowaŜnionych,

−

częstotliwość przewietrzania kanałów ustala pracodawca z uwzględnieniem ich stopnia
zuŜycia i występujących potrzeb,

−

w nowych instalacjach gazowych niedopuszczalne jest:
1) umieszczanie tych instalacji w kanałach podziemnych,
2) stosowanie zamknięć wodnych,

−

instalacje i urządzenia gazowe powinny być wyposaŜone w instrukcje ratownictwa
gazowego na wypadek niekontrolowanego wypływu gazu,

−

pracownicy zatrudnieni przy instalacjach i urządzeniach gazowych nie mogą, bez zgody
bezpośredniego przełoŜonego, opuszczać wyznaczonych miejsc pracy,

−

pracownicy zatrudnieni przy obsłudze instalacji tlenowych powinni uŜywać
niezatłuszczonej odzieŜy bawełnianej lub wełnianej o gęstej strukturze włókien,

−

podczas prowadzenia prac remontowych i usuwania awarii instalacji tlenowych powinien
być prowadzony ciągły pomiar stęŜenia tlenu w powietrzu,

−

w przypadku gdy stęŜenie tlenu przekroczy 25% jego zawartości w powietrzu, prace
powinny być przerwane,

−

niedopuszczalne jest umieszczanie instalacji i urządzeń tlenowych w:
1)  piwnicach,
2)  pomieszczeniach usytuowanych pod innymi pomieszczeniami,
3)  pomieszczeniach poniŜej poziomu usytuowania huty,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

elektryczne piece łukowe, konwertory i piecokadzie powinny być wyposaŜone
w urządzenia do mechanicznego załadunku wsadu oraz w urządzenia odpylające,
uruchamiane wyłącznie przez pracownika prowadzącego wytop,

−

części pieca elektrycznego i piecokadzi znajdujące się pod napięciem powinny być
osłonięte oraz oznakowane barwami i znakami bezpieczeństwa określonymi w Polskich
Normach,

−

pracownik dokonujący ręcznej regulacji elektrod w piecach, powinien stać na suchym
podłoŜu wykonanym z materiałów dielektrycznych,

−

wszystkie elementy przewodzące pieca powinny być uziemione,

−

pracownik obsługujący piec elektryczny powinien uŜywać narzędzi z uchwytami
izolowanymi,

−

niedopuszczalne jest ładowanie wsadu do pieca stalowniczego w przypadku uszkodzenia
otworu spustowego, trzonu, ścian lub sklepienia pieca,

−

napraw bieŜących sklepienia pieca dokonuje się ze specjalnych pomostów,

−

niedopuszczalne jest ładowanie do pieca stalowniczego materiałów oblodzonych lub
wilgotnych, niebezpiecznych, w tym wybuchowych, zawierających ołów,

−

wsadzarki powinny być wyposaŜone w światła ostrzegawcze,

−

okienka wsadzarek powinny być zabezpieczone metalowymi siatkami ochronnymi,

−

dla zabezpieczenia pracowników przed płomieniem, rozpryskami ciekłego metalu lub
Ŝ

uŜla powinny być stosowane osłony naprzeciw okien wsadowych,

−

podczas zlewania surówki, ściągania ŜuŜla i spustu stali powinny być włączone sygnały
ostrzegawcze,

−

miejsce i urządzenie słuŜące do zlewania ciekłego ŜuŜla lub stali powinny być suche oraz
zabezpieczone poręczami stałymi lub przenośnymi,

−

rafinację w piecokadzi prowadzi się przy równomiernym mieszaniu stali gazem
obojętnym, wdmuchiwanym przez co najmniej jeden korek porowaty oraz przy
działającej wentylacji wywiewnej,

−

wyburzanie, naprawa i suszenie kadzi odlewniczych oraz kadzi pośrednich powinno
odbywać się w wyznaczonym do tego celu miejscu,

−

kadź odlewniczą i pośrednią naprawia się po uprzednim jej ochłodzeniu do temperatury
nieprzekraczającej 40°C,

−

niedopuszczalne jest wchodzenie do kadzi, w której pozostały skrzepy lub wiszące
elementy wymurowania,

−

wlewnice powinny być składowane w wyznaczonym do tego celu miejscu. Wysokość
stosu ułoŜonych wlewnic nie powinna przekraczać 2 m,

−

wlewnice okrągłe powinny być ułoŜone w sposób zabezpieczający je przed
przemieszczaniem,

−

niedopuszczalne  jest,  w  czasie  ciągłego  odlewania  stali,  przebywanie  pracowników
w zasięgu  awaryjnego  obrotu  wieŜy  obrotowej  kadzi  odlewniczej,  pobliŜu  komór
chłodzenia,  zasięgu  wieŜy  obrotowej  kadzi  odlewniczej  oraz  pod  maszynami  do  cięcia
gazowego,

−

czynność obrotu wieŜy obrotowej powinna być wykonywana na polecenie pracownika
nadzorującego proces odlewania,

−

przed rozpoczęciem odlewania wnęki robocze krystalizatorów powinny być oczyszczone
i wysuszone.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaki jest mechanizm nagrzewania wsadu w piecach łukowych?
2.  Jak klasyfikuje się piece łukowe?
3.  Jak  powstaje  łuk  elektryczny  w  piecach  łukowych  o  nagrzewaniu  pośrednim,

bezpośrednim i zakrytym?

4.  Jak moŜna podzielić piece łukowe o nagrzewaniu bezpośrednim?
5.  Jaka jest budowa kotła pieca łukowego o nagrzewaniu bezpośrednim?
6.  Jakie elektrody stosuje się w piecach łukowych?
7.  Jakie urządzenia do mocowania i regulacji połoŜenia elektrod pieca stosuje się w piecach

łukowych?

8. Jakie mechanizmy przechyłu pieca stosuje się w piecach łukowych?
9. Jakimi metodami moŜna prowadzić wytop stali w piecu łukowym o wyłoŜeniu

zasadowym?

10.  Jakie etapy moŜna wyróŜnić w wytopie stali metodą odzyskową?
11.  Jakie są etapy wytopu stali w piecu łukowym o wyłoŜeniu kwaśnym?
12.  Jakie są zasadnicze części próŜniowego pieca indukcyjnego?
13.  Jakich zasad bhp naleŜy przestrzegać przy wytopie i odlewaniu stali?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj piece łukowe przedstawione na schemacie.

Rysunek do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych schematy pieców łukowych,
2)  rozpoznać poszczególne rodzaje pieców łukowych,
3)  zapisać nazwę i krótką charakterystykę pieców łukowych przedstawionych na schemacie,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Na podstawie schematu pieca elektrodowego nazwij i scharakteryzuj podstawowe

elementy.

Rysunek do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące budowy pieca łukowego o nagrzewaniu bezpośrednim,
2)  nazwać oznaczone kolejnymi numerami części pieca,
3)  scharakteryzować budowę i przeznaczenie zaznaczonych elementów,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

Dokumentacja Techniczno-Ruchowa pieca łukowego,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj etapy otrzymywania stali w piecu łukowym podczas procesu zasadowego

ze świeŜeniem.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące wytopu stali w piecu o wyłoŜeniu zasadowym,
2)  określić kolejne etapy wytopu,
3)  scharakteryzować kolejne etapy wytopu,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 4

Wypisz i scharakteryzuj kolejne etapy otrzymywania stali w piecu indukcyjnym metodą

przetapiania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać materiały dotyczące wytopu stali w piecach indukcyjnych.
2)  wypisać kolejne etapy wytopu,
3)  scharakteryzować kolejne etapy wytopu,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 5

Określ zasady bezpieczeństwa i higieny pracy obowiązujące podczas prac przy wytopie

stali w piecach elektrycznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w materiałach informacje dotyczące bhp podczas otrzymywania stali w piecach

elektrycznych,

2)  scharakteryzuj odzieŜ ochronną uŜywaną przy wytopie stali w piecach elektrycznych,
3)  określić zasady bhp obowiązujące przy wytopie i odlewaniu stali,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) sklasyfikować piece łukowe?

2) rozróŜnić piece łukowe w zaleŜności od sposobu nagrzewania?

3) rozpoznać podstawowe elementy konstrukcyjne pieca łukowego

bezpośredniego?

4) scharakteryzować elektrody stosowane w piecach łukowych?

5) scharakteryzować urządzenia do mocowania i regulacji połoŜenia

elektrod?

6) rozróŜniać mechanizmy przechyłu pieca?

7) rozróŜnić główne urządzenia elektryczne stosowane w piecach

łukowych?

8) rozróŜnić metodę wytopu stali z normalnym świeŜeniem i odzyskową

metodę wytopu stali?

9) określić etapy wytopu stali z normalnym świeŜeniem?

10) scharakteryzować kolejne etapy wytopu stali metodą odzyskową?

11) scharakteryzować proces wytopu stali w piecach o wyłoŜeniu kwaśnym?

12) scharakteryzować proces wytopu stali w piecach próŜniowych?

13) określić zasady bhp podczas wytopu i odlewania stali?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Odlewanie stali

4.4.1. Materiał nauczania

Wytopioną stal spuszcza się do kadzi wykonanej z blachy i wyłoŜonej materiałami

ogniotrwałymi. Kadzie odlewnicze (rys. 34) słuŜą do przyjęcia ciekłej stali, przeprowadzenia
końcowych  reakcji  odtleniania,  odgazowania  i  oddzielenia  ŜuŜla  oraz  rozlewania  stali  do
wlewnic z regulowaną prędkością. Kadzie wykonuje się o kształcie cylindrycznym lub lekko
stoŜkowym,  ze  zwęŜeniem  ku  dołowi.  Płaszcz  kadzi  jest  wykonany  z  blachy  stalowej.  Dno
kadzi stanowi dennica wytłoczona z blachy stalowej lub wykonana w postaci odlewu. Kadzie
posiadają Ŝebra i pierścienie usztywniające. Kadzie wymurowuje się specjalnymi kształtkami
szamotowymi.

Rys. 34. Kadź odlewnicza [5, s. 433]

W dnie kadzi umieszczony jest otwór do spuszczania stali do wlewnic. Do zamykania

i otwierania słuŜy Ŝerdź zatyczkowa (rys. 35).

Rys. 35. Urządzenie zatyczkowe kadzi: 1 – Ŝerdź, 2 – zatyczka, 3 – prowadnica, 4 – ramię, 5 – śruba dociskowa,

6 – dźwignia [7, s. 230]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stal odlewa się do form Ŝeliwnych zwanych wlewnicami (rys. 36).

Rys. 36. Kształty wlewnic: 1 – wlewnice, 2 – nadstawki, 3 – nadstawka pływająca [7, s. 231]

Kształt i wielkość wlewnic zaleŜy od rodzaju stali, sposobu odlewania, wielkości pieców

oraz urządzeń do przeróbki plastycznej. Kształt wlewnic jest zbieŜny ku górze lub ku dołowi,
co  ułatwia  wyciąganie  z  nich  wlewków.  Nadstawki  na  wlewnicach  stosowane  są  przy
odlewaniu  stali  uspokojonej  i  słuŜą  do  umiejscowienia  w  głowie  wlewka  jamy  usadowej.
Dzięki ich obecności górna część wlewka pozostaje przez dłuŜszy czas w stanie ciekłym, co
stwarza warunki do wypływu zanieczyszczeń i otrzymania dolnej i środkowej części wlewka
bez  rzadzizn.  Nadstawki  pływające  stosuje  się  wówczas,  gdy  wykorzystuje  się  jedną
wlewnicę do otrzymywania wlewków o róŜnej wysokości.

Wlewnice w czasie wypełniania ich ciekłą stalą są ustawione na płytach odlewniczych

(rys. 37).

Rys. 37. Płyty odlewnicze: a) na 4 wlewnice, b) na 12 wlewnic [7, s. 232]

Wlewanie stali do wlewnic moŜe odbywać się z góry lub z dołu.
Przy odlewaniu z góry (rys. 38) stal wlewa się do wlewnic bezpośrednio przez wylew

zabudowany w dnie kadzi. Do napełniania wlewnic stalą i do regulowania szybkości
napełniania słuŜy mechanizm dźwigniowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 38. Odlewanie z góry [5, s. 433]

W czasie odlewania kadź przewozi się za pomocą suwnicy odlewniczej od wlewnicy do

wlewnicy i ustawia nad kaŜdą w taki sposób, aby strumień stali uderzał w środek wlewnicy.
Za główne wady tego sposobu odlewania uwaŜa się duŜą szybkość wypływu strumienia stali
z kadzi i rozpryskiwanie jej przy napełnianiu wlewnic.

W celu wyeliminowania tych wad oraz skrócenia czasu odlewania stosuje się kadzie

pośrednie. Kaź pośrednia ma dwa, trzy lub cztery wylewy i odpowiednią ilość mechanizmów
dźwigniowych. Takie rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na równoczesne napełnianie stalą
kilku wlewnic.

Rys. 39. Odlewanie z dołu [5, s. 433]

Zalewanie z dołu nazywa się syfonowym. Na rysunku 39 przedstawiono zestaw

odlewniczy do syfonowego odlewania stali. Na płycie Ŝeliwnej (3) ustawione są wlewnice (2)
oraz lej (1). Lej wyłoŜony jest szamotowymi rurkami lejowymi (4 i 5), a płyta ogniotrwałymi
kanałkami  (7  i  8)  oraz  cegłą  środkową  (6).  W  czasie  odlewania  stal  z  kadzi  dostaje  się
bezpośrednio  do  leja,  a  stąd  poprzez  kanałki  do  wlewnic.  Odlewanie  syfonowe  pozwala  na
równoczesne zalewanie kilku wlewnic. Stal zakrzepniętą we wlewnicy nazywa się wlewkiem.

Obecnie coraz częściej stosuje się ciągłe odlewanie stali (rys. 40). Zasada odlewania

sposobem ciągłym polega na tym, Ŝe ciekłą stal wlewa się do intensywnie chłodzonego
krystalizatora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 40. Odlewanie stali: a) metoda tradycyjna, b) metoda odlewania ciągłego [4]

Częściowo skrzepnięty wlewek wyciąga się z nieruchomego krystalizatora, w wyniku

czego otrzymuje się wlewek ciągły, który następnie przecina się na kęsy określonej długości.

Proces ciągłego odlewania stali przedstawia rysunek 41. Stal z kadzi odlewniczej dostaje

się  do  kadzi  pośredniej  (1),  która  ma  za  zadanie  utrzymanie  równomiernego strumienia stali
napełniającej  krystalizator.  Z  kadzi  pośredniej  metal  wlewa  się  do  krystalizatora  (2),  gdzie
wcześniej  wprowadzono  tak  zwany  drąg  startowy.  Górny  koniec  drąga  stanowi  dno
krystalizatora  i  ma  urządzenie  łączące  go  z  wlewkiem.  Dolny  koniec  drąga  znajduje  się
pomiędzy  walcami  ciągnącymi  (4),  gdy  słup  metalu  w  krystalizatorze  osiągnie  wysokość
300–400 mm, włącza się mechanizm wyciągania drąga. Po zatknięciu się ciekłej stali z zimną
powierzchnią  krystalizatora  tworzy  się  szybko  zakrzepła  warstwa  zewnętrzna  wlewka.
Z krystalizatora  wlewek  z  jeszcze  ciekłym  wnętrzem  dostaje  się  do  strefy  wtórnego
chłodzenia  (3).  Intensywność  chłodzenia  i  szybkość  wyciągania  wlewka  dobiera  się  tak,  aby
ciekłe  wnętrze  wlewka  skrzepło  zanim  wlewek  dostanie  się  pomiędzy  walce  ciągnące  (4).
Skrzepnięty  wlewek  przecina  się  palnikiem  (5)  na  kęsy  o  wymaganej  długości.  Pocięte
kawałki dostają się do kosza (6), a następnie na samotok i do klatki dźwigu. Ciągłe odlewanie
stali  zmniejsza  pracochłonność  procesu  odlewania  stali,  zmniejszają  się  ubytki  materiału,
zmniejsza  się  segregacja  domieszek  we  wlewku.  Proces  umoŜliwia  szerokie  zastosowanie
mechanizacji i automatyzacji, poprawiających warunki i bezpieczeństwo pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 41. Odlewanie ciągłe [5, s. 444]

Technologia odlewania wpływa na strukturę wlewka i zachowanie ciekłej stali we

wlewnicy. W zaleŜności od stopnia odtlenienia stale dzieli się na uspokojone, nieuspokojone
i półuspokojone.

Stal uspokojoną odtlenia się w końcowej fazie procesu aluminium, manganem

i krzemem. Proces odlewania i krzepnięcia stali przebiega bez widocznego wydzielania się
gazów. Stal uspokojona krzepnąc zmniejsza swą objętość i tworzy w górnej części wlewka
jamę skurczową lub rzadzizny. Przy obróbce plastycznej wlewków stalowych odcina się jamę
skurczową.

Stal nieuspokojoną odtlenia się manganem. Podczas odlewania i krzepnięcia zachodzą

reakcje chemiczne z wydzieleniem tlenku węgla. Wydzielanie się pęcherzyków tlenku węgla
wywołuje  wraŜenie  gotowania  się  stali  we  wlewnicy.  Stal  nieuspokojona  nie  tworzy  jamy
skurczowej,  poniewaŜ  w  całej  masie  wlewka  znajdują  się  pęcherze  gazowe,  które  podczas
krzepnięcia  wyrównują  róŜnice  objętości.  Obecność  pęcherzy  gazowych  nie  jest  wadą
wlewków  ze  stali  nieuspokojonej,  gdyŜ  zostają  one  zwalcowane  i  zgrzane  podczas  obróbki
plastycznej.  Najbardziej  kłopotliwymi  wadami  stali  nieuspokojonej  są  niewłaściwa  struktura
wewnętrzna wlewka oraz wady powierzchniowe.

Stal półuspokojoną powinno odtleniać się w sposób pośredni w stosunku do stali

uspokojonej  i  nieuspokojonej.  Wlewki  ze  stali  półuspokojonej  przy  nadmiernym  odtlenianiu
mogą mieć strukturę zbliŜoną do stali uspokojonej i wykazywać wydłuŜoną jamę skurczową.
Przy  niedostatecznym  odtlenieniu  struktura  wlewka  stali  półuspokojonej  jest  zbliŜona  do
struktury wlewka stali nieuspokojonej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 42. Struktura wlewków: a) stal nieuspokojona, b) półuspokojona, c) uspokojona [6, s. 162]

Wlewki stalowe mogą posiadać między innymi następujące wady:

−

rzadzizna, przyczyną powstawania moŜe być nieodpowiedni kształt wlewka, zbyt mały
nadlew, zbyt szybkie odlewanie,

−

pęknięcia podłuŜne i poprzeczne, przyczyną powstawania moŜe być zbyt szybkie
odlewanie,

zanieczyszczenie

stali

gazami

wtrąceniami

niemetalicznymi,

nierównomierne chłodzenie wlewków, zawisanie wlewka w źle wykonanej nadstawce,

−

nierówności powierzchni wlewków, powstają wskutek stosowania zuŜytych lub
uszkodzonych wlewnic i nadstawek,

−

powierzchniowe wtrącenia niemetaliczne, powstają głównie wskutek stosowania
materiałów ogniotrwałych nieodpowiedniej jakości oraz nieprzestrzegania przepisów
o zachowaniu czystości podczas wytopu i odlewania stali,

−

pory powierzchniowe (ospa), powstają głównie wskutek zbyt szybkiego odlewania stali
do wlewnic, których ściany są pokryte smołą lub lakierem,

−

nakłucia, przyczyną powstawania jest zbyt duŜa szybkość odlewania oraz zbyt wysoka
temperatura ciekłej stali,

−

pęcherze podskórne, przyczyną wady w stali uspokojonej jest nadmierna szybkość
odlewania oraz nadmierna zawartość gazów,

−

rozpryski, czyli metaliczne wtrącenia na powierzchni powstałe wskutek przylepiania się
do wewnętrznych ścian wlewnic cząstek metalu rozpryskującego się podczas odlewania,
nie łączą się one metalicznie z wlewkiem ze względu na utlenioną powierzchnię,

−

segregacja strefowa, zaleŜy między innymi od masy wlewka, im masa wlewka większa
tym większa skłonność do segregacji,

−

płatki śnieŜne, są to wewnętrzne pęknięcia metalu ujawniające się na przełomach
w postaci jasnych plam, przyczyną jest zawartość większych ilości wodoru.
Aby uniknąć wad naleŜy przestrzegać dyscypliny wytopu i odlewania stali. Szczególnie

waŜnym  parametrem  przy  wytopie  i  odlewaniu  stali  jest  temperatura.  W  pomiarach
temperatury  wykorzystuje  się  zaleŜność  właściwości  materiałów  od  temperatury.
W pierwszych  termometrach  wykorzystywano  zmiany  objętości  cieczy  w funkcji  zmian
temperatury.  Obecnie  wykorzystuje  się  równieŜ  zmiany  rezystancji,  ciśnienia  i innych
wielkości.  Wymagane  zakresy  i  dokładności  pomiaru  temperatury,  Ŝądana  postać  sygnału
wyjściowego  oraz  warunki  pracy  są  przy  tym  bardzo  róŜnorodne.  Przy  wyborze  metody
i przyrządu do pomiaru naleŜy więc wziąć pod uwagę wiele róŜnych czynników takich jak:

−

zakres temperatury,

−

precyzja pomiaru,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

zasada  przejmowania  ciepła  pomiędzy  przyrządem  a  ciałem  lub  ośrodkiem  badanym
(metoda  stykowa  lub  bezstykowa)  co  jest  szczególnie  waŜne  ze  względu  na  fakt,  Ŝe
ciepło  wszystkich  ciał  wyrównuje  się  jeŜeli  tylko  te  ciała  dostatecznie  długo  stykają  się
ze sobą,

−

stan skupienia badanego ciała,

−

warunki pomiaru (ciśnienie, niewaŜkość),

−

czas pomiaru (ciągły lub skokowy) w odniesieniu do stałych czasowych czujników,

−

wielkość czujnika pomiarowego (medycyna, itp.).
ZaleŜnie od wymagań stosowane są róŜne rodzaje termometrów, wykorzystujące róŜne

zjawiska fizyczne. MoŜna wyróŜnić następujące rodzaje termometrów:

−

rozszerzalnościowe, w których wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieczy lub ciał
stałych, zakres pomiarowy od -190°C do 600ºC,

−

ciśnieniowe, wykorzystujące zaleŜność ciśnienia cieczy lub gazu od temperatury, przy
stałej ich objętości, zakres pomiarowy od -160ºC do 600ºC,

−

rezystancyjne, w których wykorzystywana jest zaleŜność rezystancji metali (np.: platyny,
miedzi, niklu) oraz półprzewodników od temperatury, zakres pomiarowy od -200ºC do
500ºC,

−

termoelektryczne, w których wykorzystywane jest zjawisko powstawania siły
elektromotorycznej w obwodzie, w którym dwa złącza dwóch róŜnych metali znajdują
się w róŜnej temperaturze, zakres pomiarowy od -50ºC do 1700ºC,

−

pirometryczne,  w  których  wykorzystywana  jest  zaleŜność  spektralnego  rozkładu
promieniowania  emitowanego,  od  temperatury  ciała  emitującego,  zakres  pomiarowy  od
400ºC do 3500 ºC.
W  hutnictwie,  ze  względu  na  zakres  temperatur,  wykorzystuje  się  termometry

termoelektryczne i pirometry.

W termometrach termoelektrycznych jest wykorzystywane zjawisko termoelektryczne

Seebecka,  polegające  na  powstawaniu  zaleŜnej  od  temperatury  siły  elektromotorycznej  na
styku dwóch róŜnych metali. Termoelementy otrzymuje się łącząc trwale (przez zespawanie,
zlutowanie,  zagniecenie)  końce  drutów  z  odpowiednich  metali.  W  miejscu  połączenia
powstaje  spoina,  pozostałe  końce  drutów  są  to  tzw.  końce  wolne.  Umieszczając  spojone
końce  w  środowisku  o  mierzonej  temperaturze,  a  swobodne  końce  w  środowisku
o temperaturze  znanej,  moŜna  na  podstawie  siły  termoelektrycznej  określić  mierzoną
temperaturę.  Spojone  przewody  o  róŜnych  własnościach  tworzą  ogniwo  zwane
termoelementem  lub  termoparą.  Konstrukcja  termoelementu  zaleŜy  od  jego  przeznaczenia.
Termopary odznaczają się duŜą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji co
pozwala  na  ich  zastosowanie  w  róŜnych  warunkach.  Materiały  stosowane  na  termoelementy
powinny w miarę moŜliwości wykazywać następujące cechy:

−

wysoka temperatura topnienia,

−

wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,

−

duŜa odporność na wpływy atmosferyczne,

−

moŜliwie mała rezystywność,

−

mały cieplny współczynnik rezystancji,

−

stałość powyŜszych własności w czasie.
Typowe zakresy pomiarowe termopar przedstawione są w tabeli 1.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 2. Przykładowe zakresy pomiarowe

W pomiarach przemysłowych termoelement musi być chroniony przed uszkodzeniami

mechanicznymi i działaniem chemicznie aktywnych ośrodków (rys. 43).

Rys. 43. Czujnik termometru termoelektrycznego (typowe rozwiązanie przemysłowe): l – termoelement,

2 – osłona, 3 – rurka ceramiczna, 4 – głowica [7, s. 186]

Termoelement (l) jest umieszczony w osłonie (2) w kształcie rurki zakończonej głowicą

(4). Termoelektrody są prowadzone w ceramicznych rurkach (3) i przyłączone do zacisków
głowicy. Osłony są wykonane ze stali lub Ŝeliwa, a przy pracy w wyŜszych temperaturach ze
stali chromowej, chromoniklowej, stopów Ŝaroodpornych do 1523K (1250°C) lub materiałów
ceramicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego pomiaru temperatury. Pomiar realizuje

się  poprzez  obserwację  Ŝarzącego  się  obiektu  przez  lunetę  i  porównanie  jego  koloru
z kolorem  świecenia  umieszczonego  wewnątrz  pirometru  drucika  Ŝarowego.  Pirometrami
optycznymi  mierzy  się  temperatury  w  zakresie  od  750

C do +3000

C. Błąd szacuje się na

około 4

C w pobliŜu dolnej granicy zakresu pomiarowego i około 20

C w pobliŜu górnej

granicy. Znacznie wydajniejsze są pirometry pracujące w podczerwieni.

Rys. 44. Schemat pirometru optycznego z zanikającym włóknem: 1 – Ŝarówka, 2 – źródło prądu 3 –

opornik,

4 – amperomierz, 5 – soczewka, 6 – badane ciało, 7, 8 – filtr [7, s. 192]

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz sposoby odlewania stali?
2.  Jak przebiega odlewanie z góry?
3.  Jak przebiega odlewanie z dołu?
4.  Jak przebiega proces odlewania ciągłego stali?
5.  Jaką stal nazywamy uspokojoną?
6.  Jaką stal nazywamy nieuspokojoną?
7.  Jakie wady mogą występować we wlewkach stalowych?
8.  Jakie przyrządy pomiarowe słuŜą w przemyśle hutniczym do pomiaru temperatury?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie przedstawionych na rysunku wlewków określ rodzaj stali.

Rysunek do ćwiczenia 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące struktury wlewków,
2)  określić rodzaj stali na podstawie struktury wlewka,
3)  zapisać nazwy i krótką charakterystykę stali,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

schematy wlewków,

−

papier format A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj zestaw odlewniczy do syfonowego odlewania stali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące odlewania syfonowego,
2)  rozróŜnić elementy zestawu odlewniczego do syfonowego odlewania stali,
3)  scharakteryzować elementy zestawu odlewniczego do syfonowego odlewania stali,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

wlewnice, lej, płyta odlewnicza, cegły szamotowe kanałkowe i środkowe,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Na podstawie schematu scharakteryzuj proces odlewania ciągłego stali.

Rysunek do ćwiczenia 3

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące ciągłego odlewania stali,
2)  określić główne elementy zestawu do odlewania ciągłego stali,
3)  opisać przebieg ciągłego odlewania stali,
4)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

schemat odlewania ciągłego,

−

papier format A4, flamastry,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

Ćwiczenie 4

Opisz wady wlewków stalowych, które mogą powstać przy zbyt szybkim odlewaniu stali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące wad wlewków,
2)  odszukać wady wlewków powstające na skutek zbyt szybkiego odlewania stali,
3)  zapisać nazwy wad wynikających ze zbyt szybkiego odlewania,
4)  określić inne wady wlewków stalowych oraz przyczyny ich powstawania,
5)  zaprezentować wynik ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować sposoby odlewania stali?

2) scharakteryzować odlewanie stali od góry?

3) scharakteryzować odlewanie syfonowe stali?

4) scharakteryzować ciągłe odlewanie stali?

5) wymienić rodzaje odlewanej stali w zaleŜności od sposobu odtleniania?

6) rozróŜnić rodzaj stali w oparciu o strukturę wlewka?

7) określić wady wlewków stalowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań.  Do  kaŜdego  zadania  dołączone  są  4  moŜliwości  odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Na rozwiązanie testu masz 30 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Proces Bessemera jest prowadzony przy dmuchu powietrza

a)  od dołu.
b)  z boku.
c)  z góry.
d)  z dołu i z góry.

2. Konwertor tomasowski ma wyłoŜenie

a)  dolomitowe.
b)  krzemionkowe.
c)  grafitowe.
d)  chromitowe.

3. Okres nie naleŜący do pracy konwertora to okres

a)  iskrowy.
b)  dymny.
c)  topienia.
d)  płomieniowy.

4. Proces otrzymywania stali metodą konwertorowo-tlenowy (LD) trwa

a)  20–25 minut.
b)  12–15 minut.
c)  8–12 minut.
d)  15–25 minut.

5. Do elementów pieca martenowskiego nie zalicza się

a)  komór ŜuŜlowych.
b)  garu.
c)  zaworów rozrządczych.
d)  regeneratorów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. Stal uspokojoną odtlenia się

a)  Ŝelazomanganem.
b)  Ŝelazokrzemem.
c)  Ŝelazomanganem i Ŝelazokrzemem.
d)  Ŝelazomanganem, Ŝelazokrzemem i aluminium.

7. Topnikami w procesie martenowskim są

a)  aluminium, Ŝelazokrzem.
b)  kamień wapienny, boksyt.
c)  boksyt, Ŝelazomangan.
d)  wapno palone, aluminium.

8. Na rysunku przedstawiony jest przekrój wlewka

a)  ze stali półuspokojonej.
b)  ze stali nieuspokojonej.
c)  ze stali uspokojonej.
d)  z Ŝeliwa szarego.

9. Materiałem nawęglającym w procesie wytapiania stali w piecu martenowskim jest

a)  złom stalowy.
b)  koks.
c)  wapno.
d)  odtleniacz.

10. Nad gardzielą konwertora besemerowskiego ukazuje się płomień świadczący intensywnym

utlenianiu
a)  krzemu.
b)  manganu.
c)  węgla.
d)  aluminium.

11. Regeneratory w procesie martenowskim słuŜą do

a)  odzyskiwania ciepła ze spalin.
b)  doprowadzenia paliwa do części roboczej.
c)  odprowadzenia spalin.
d)  zmiany kierunku przepływu spalin.

12. Pierwszym okresem w procesie martenowskim jest

a)  ładowanie wsadu.
b)  świeŜenie.
c)  naprawa pospustowa.
d)  topienie wsadu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Prowadzone w procesie martenowskim odtlenianie osadowe polega na wprowadzeniu

a)  na powierzchnię ŜuŜla sproszkowanego Ŝelazokrzemu.
b)  do kąpieli metalowej tytanu lub glinu.
c)  ŜuŜli syntetycznych.
d)  wapna.

14. Na rysunku przedstawiono zestaw do odlewania

a)  próŜniowego.
b)  syfonowego.
c)  z góry.
d)  ciągłego.

15. Podczas przerobu surówki na stal proces wypalania domieszek nazywamy

a)  redukcją pośrednią.
b)  redukcją bezpośrednią.
c)  świeŜeniem.
d)  praŜeniem.

16. NajwyŜsza zawartość węgla w stali moŜe wynosić

a)  1%.
b)  3,2%.
c)  2%.
d)  2,5%.

17. Surówki o zawartości fosforu 1,7–2,5% przerabia się na stal w procesie

a)  Thomasa.
b)  Bessemera.
c)  konwertorowo-tlenowym.
d)  martenowskim.

18. Źródłem ciepła w procesie Bessemera jest

a)  przepływ prądu elektrycznego.
b)  ciepło reakcji utlenienia.
c)  spalanie paliw gazowych.
d)  spalanie paliw stałych.

19. Do podstawowych wad wlewków ze stali nieuspokojonej naleŜy

a)  jama usadowa.
b)  niewłaściwa struktura wewnętrzna.
c)  pęknięcie.
d)  rzadzizna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ...............................................................................

Otrzymywanie stali

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: