NAUKA O MATERIAŁACH 1



Żelazo techniczne

(

stopy zawierające mniej niż 0,02% C )



Stale

(

wszystkie stopy żelaza z węglem zawierające 0,02-2,06% C)



Staliwa

(stal lana)



Żeliwa

(

stopy o zawartości węgla większej od 2,06 )

Wielki piec jest układem zamkniętym,

do którego w sposób ciągły przez

gardziel pieca ładowane są materiały

żelazo nośne (kawałkowa ruda żelaza,

spiek i/lub grudki), dodatki (materiały

żużlotwórcze takie jak kamień

wapienny) oraz środki redukujące

(koks) za pomocą układu zasypowego,

który równocześnie zapobiega

ucieczce gazu wielkopiecowego.

• Przygotowany wsad powinien zawierać żelazo w granicach
56 – 60%, być o odpowiedniej kawałkowości, nie zawierać
miału, a także być uśredniony pod względem składu
chemicznego.

• Podstawowym składnikiem wsadu wielkopiecowego jest
spiek żelaza wytwarzany w spiekalniach rud hut
integrowanych.

• Jako uzupełnienie wsadu stosuje się również bogate w
żelazo grudki i rudy 18 kawałkowe oraz kamień wapienny i
dolomit jako składniki żużlotwórcze.

• Podstawowym paliwem stosowanym w wielkich piecach
jest koks wielkopiecowy o odpowiednich parametrach
fizykochemicznych i wytrzymałościowych.

GRUPY PROCESÓW ZACHODZĄCYCH W

WIELKIM PIECU:

1. Procesy wstępne:

• odparowanie wilgoci,
• wydzielanie wody krystalizacyjnej,
•rozkład węglanów, usuwanie części lotnych z koksu

2. Redukcja tlenków żelaza.

3. Nawęglanie żelaza.

4.Tworzenie się i topnienie żużla.

5. Redukcja pozostałych składników surówki.

6. Odsiarczanie.

7. Procesy spalania paliwa

Stal otrzymuje się z surówki przeróbczej poprzez usuwanie

zanieczyszczeń i nadmiaru takich pierwiastków jak węgiel,

krzem, mangan w procesie świeżenia.

Wytapianie stali przeprowadza się w piecach martenowskich

- stary

proces, konwertorach i piecach elektrycznych

W nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece

konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na

uzyskanie

najwyższej jakości stali

Pierwsza skuteczną metodą produkcji większych ilości stali

był proces wymyślony w 1856 r. przez inżyniera Henry’ego

Bessemera. Skonstruowany przez siebie piec do wytopu stali

nazwał konwertorem.

Produkty procesu Bessemerowskiego

Stal bessemerowska –zawartość siarki i tlenu większa
niż 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 żelazobetonu.

Żużel bessemerowski – stosowany jako kwaśny topnik w
procesie wielkopiecowym do rud zawierających zasadową
skałę płonną



Wkrótce po wprowadzeniu procesu Bessemera w

1864 Francuz Pierre Martin wynalazł

alternatywną technologię wytwarzania stali-

proces nazwany od jego nazwiska

martenowskim. W tym procesie spalano gaz

węglowy nad ładunkiem surówki i wapienia.

Martin zauważył, że w procesie besemerowskim

tracone są wielkie ilości energii, gdy

przedmuchuje się chłodne powietrze przez

roztopione żelazo. Aby temu zapobiec

zastosował gorące gazy powstałe po spaleniu

gazu węglowego do ogrzewania tego gazu i

wdmuchiwanego do pieca powietrza, w którym

gaz się spalał. Pozwoliło to osiągnąć na tyle

wysoka temperaturę w piecu, że z łatwością

topił się w niej złom stalowy dodawany do

surówki. W rezultacie koszty produkcyjne

znacznie spadły.

Produkty procesu Thomas’owskiego

•

Stal tomasowska

zawierająca więcej azotu,

tlenu i
wtrąceń żużlowych od stali martenowskiej i
bessemerowskiej, ale jest tańsza. Używana do
wyrobu
drutu,rur bez szwu, taśm itp., stali prętowej.

•

Żużel zasadowy

– zawierający około 50% CaO

i 20 –
50% P2O5 – po zmieleniu stosowany jako nawóz
sztuczny
zwany tomasyną

Piece elektryczne łukowe

• Proces zasadowy:
• Istnieje możliwość zarówno otrzymania stali
węglowych o większych zawartościach węgla, jak i
stali stopowych zawierających mniej niż 50% żelaza.
• Wsad podobny jak w piecu martenowskim.
• Proces składa się z dwóch okresów:

- utleniającego, w czasie którego następuje

odfosforzenie kąpieli,

- redukującego, zwanego także okresem rafinacji

stali.

Stale odporne na korozję

obejmują dwie grupy:

• stale wysokochromowe,

min. 13 % Cr

(

ferrytyczne i martenzytyczne)

• stale chromowo-niklowe i
chromowo-niklowo-manganowe.

( austenityczne i (austenityczno-

ferrytyczne)

Stale wysokochromowe odporne na korozję

stężeniu większym od 13%

powoduje on zmniejszenie

poniżej

zera standardowego

potencjału Fladego w porównaniu z

wartością ok. 0,63 V, odpowiadającą czystemu Fe. Stopy żelaza
o

stężeniu powyżej 13% Cr wykazują więc większą skłonność

do tworzenia warstw pasywnych, o

trwałości większej niż

tworzonych na czystym

żelazie.

Wpływ Cr na
potencjał
Fladego stali

Stale wysokochromowe

Zaw. (13

– 18 %Cr) oraz węgla do 0,4%

• o strukturze ferrytycznej (0H13),

• ferrytyczno-martenzytycznej (2 H13)

• martenzytycznej ( 3 H13, 4H13) – na narzędzia,
sprężyny

są odporne głównie na korozję chemiczną w tym na
utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i
pary wodnej w niskiej i

podwyższonej temperaturze,

oraz na

działanie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów,

alkoholi, a

także środków spożywczych.

Stale Cr-Ni i Cr – Ni – Mn o strukturze

austenitycznej są odporne głównie na korozję
elektrochemiczną

środowisku

kwasów

nieorganicznych, związków azotu i agresywnych
środków spożywczych Standard to stal 18Cr-8Ni
(18/8) (H18N9, H23 N18).

Niska zaw. węgla – do 0,1%

Stale chromowo-

niklowe odporne na korozję

Stale

strukturze

austenitycznej

mają

wyższe

własności

mechaniczne,

większą odporność na korozję i mniejszą skłonność do

rozrostu ziarn

niż stale o strukturze ferrytycznej. W stalach Cr-Ni typu

18-8

rozpuszczalność węgla w austenicie zmniejsza się wraz z

obniżeniem temperatury i w temperaturze pokojowej wynosi ok.
0,04%.

Zmniejszającej się rozpuszczalności C w austenicie

towarzyszy wydzielanie

się węglików (Fe,Cr)

które utwardzają

stal i

obniżają odporność korozyjną.

Jednofazową strukturę austenitu o wysokiej odporności na korozję
bez

wydzieleń węglików stal uzyskuje w wyniku przesycania w

wodzie z temperatury 1100

°C.

Stale chromowo-niklowo-manganowe odporne na

korozję

związku z deficytem Ni stosuje się zastępczo odporne

korozję

stale

chromowo-niklowo-manganowe

strukturze austenitycznej. W celu stabilizacji austenitu oraz
rozdrobnienia ziarna do stali tych dodaje

się ponadto 0,1-

0,3% N. Stale te

ustępują nieco pod względem odporności

korozję stalom chromowo-niklowym. Są stosowane na

aparaturę chemiczną pracującą pod ciśnieniem w niskiej
temperaturze. W

środowiskach, takich jak roztwory kwasu

mlekowego, octowego i innych,

występujących w sokach

owocowych, stale Cr-Ni-Mn

wykazują dobrą odporność na

korozję. Dlatego ze stali tych są wykonywane aparaty do
przerobu mleka i jego

produktów, urządzenia przetwórstwa

warzywno-owocowego oraz inna aparatura

przemysłu

spożywczego.

Stale odporne na ścieranie

• Austenityczna stal odporna na ścieranie - 11G12 - nazywana stalą
Hadfielda, zawiera 1,1-1,3% C i 12-13% Mn.

•Stal 11G12 w stanie przesyconym cechuje się dużą skłonnością do
umocnienia w wyniku zgniotu.

Twardość stali wynosi wówczas ok. 500 HB.

Stal Hadfielda

umacniająca się w czasie pracy, jest stosowana na elementy

narażone

ścieranie

przy

dużych

dynamicznych

naciskach

powierzchniowych, np. na kosze koparek,

gąsienice do ciągników, rozjazdy

kolejowe,

łamacze kamienia i młyny kulowe. Stosowana jest często w stanie

lanym

– staliwo.

• stale martenzytyczne o średniej zaw. węgla z mikrododatkami B, V, Nb

Wysokowytrzymałe niskowęglowe stale martenzytyczne

utwardzane wydzieleniowo typu "maraging

•Grupę stali "maraging" stanowią niskowęglowe stopy żelazo-niklowe
o strukturze martenzytycznej, utwardzane wydzieleniowo,

cechujące

się znaczną wytrzymałością i plastycznością. Stale "maraging"
umacniają się dzięki wydzielaniu faz międzymetalicznych, np. Ni

Ti,

Mo, Ni

Mo, NiAl

. Ni 8-25% jako

główny składnik umożliwia

hartowanie stali na powietrzu oraz

zwiększa odporność na kruche

pękanie

• Ti

pierwiastek

najsilniej

umacniający

tworzy

liczne

fazy

międzymetaliczne

• Mo zwiększa ciągliwość

Be, Nb, W, Zr, Cr

– silnie umacniają martenzyt przez wydzielanie faz

międzymetalicznych

• C, N, S i P wpływają niekorzystnie na stale typu „maraging”

Obróbka cieplna stali "maraging" polega na hartowaniu
z

temperatury, z zakresu 800-900

°C, z chłodzeniem w powietrzu.

Strukturę

stali

zahartowanej

stanowi

bezwęglowy

martenzyt

żelazoniklowy o wytrzymałości R

ok. 1000 MPa,

twardości ok. 30

HRC i znacznej

plastyczności. Odpuszczanie stali zahartowanych

odbywa

się w zakresie

450-550

°C -. Odpuszczanie (starzenie)

powoduje znaczne

zwiększenie wytrzymałości do ok.. 2000 MPa i

twardości oraz niewielkie zmniejszenie własności ciągliwych.

Stale "maraging"

znajdują zastosowanie jako materiał konstrukcyjny

do wytwarzania

elementów pracujących w szerokim zakresie

temperatury

– od obniżonej do ok. -200°C po wysoką - do ok. 600°C,

szczególnie ciężkich warunkach obciążeń mechanicznych. Stale te

są stosowane najczęściej w technice lotniczej i rakietowej, w
przemyśle zbrojeniowym, a także w chemicznym i naftowym na
zbiorniki

wysokociśnieniowe, w budowie okrętów, do wyrobu sprężyn

Stale zaworowe

używane na zawory w silnikach spalinowych,

• stale Cr-Si tzw. silchromy np.. (H10S2M).Charakteryzują się one dużą
odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C.
Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże
stężenie węgla — 0,4-0,6% i hartowanie.

• o strukturze austenitycznej Cr-Ni-Mo-W (4H14N14W2M), wykazują większą
żarowytrzymałość w wysokiej temperaturze niż stale o strukturze perlitycznej,

• austenityczne z Mn oraz azotem, stosowane na zawory silników specjalnych i
wyczynowych.

• stopy niklu 60Ni + 20Cr + Al, Ti, Nb na zawory silników Diesla dużej mocy