1. Surowce do produkcji

• żelaza

Rozróżniamy następujące surowce żelazodajne : rudy żelaza , produkty uboczne i odpady przemysłu hutniczego , oraz odpady przemysłu chemicznego .

Rudami żelaza nazywamy występujące w przyrodzie skupienia minerałów , zawierające żelazo w postaci chemicznej , pozwalającej na ekonomiczne otrzymywanie surówki .Do najważniejszych minerałów o znaczeniu przemysłowym należą :

1. Grupa tlenków do której zaliczamy :

• tlenki bezwodne , jak magnetyt Fe₃O₄ o teoretycznej zaw. żelaza 72,4 % i hematyt ( żelaziak czerwony ) Fe₂O₃ o teoretycznej zaw. żelaza 70,0%

• Uwodnione tlenki żelaza , występujące w postaci minerałów o ogólnym wzorze mFe₂O₃ nH₂O i teoretycznej zawartości żelaza w czystych minerałach 52,31 ÷ 66,31% . Rudy te noszą nazwę żelaziaków brunatnych lub limonitów .

2. Grupa węglanów , czyli żelaziaków szpatowych ( syderytów ) FeCO₃ i teoretycznej zaw. żelaza 43,8 % .

3. Grupa siarczków , której przedstawicielem jest piryt FeS₂ o teoretycznej zaw. żelaza 46,6% .

4. Grupa krzemianów , należy tu wiele minerałów o złożonej budowie chemicznej i różnej zaw. żelaza .

• miedzi

Miedź występuje w przyrodzie w postaci związków tlenowych ( kupryt Cu₂O , malachit CuCO₃ ⋅ Cu(OH)₂ , azuryt 2CuCO₃ ⋅ Cu(OH)₂ i inne ) , związków siarczkowych ( chalkopiryt CuFeS₂ , bornit Cu₃FeS₃ chalkozyn Cu₂S i inne) , oraz miedzi rodzimej Rudy miedzi zawierają od 0,5 ÷3% miedzi , a rzadko więcej . Ich eksploatacja może się już opłacić przy zaw. 0,4% Cu . Największe znaczenie przemysłowe mają rudy siarczkowe . Rudy miedzi zaw. często różne cenne domieszki jak cynk , nikiel , ołów , srebro , złoto metale ziem rzadkich i inne ( nawet platynę ) . W siarczkowych rudach miedzi znajduje się zazwyczaj piryt FeS₂ ( zaw. pirytu przekracza niekiedy 70% masy rudy).

• aluminium

Najbardziej rozpowszechnionym materiałem zaw. tlenek glinowy jest glina której jednym ze składników jest kaolinit , czyli uwodniony glinokrzemian Al₂O₃ ⋅ 2SiO₂ ⋅ 2H₂O .

Najważniejszą ruda aluminium są boksyty . Głównym składnikiem boksytów jest wodorotlenek glinowy , który występuje w postaci Al₂O₃ ⋅ 3H₂O lub Al₂O₃ ⋅ H₂O . Jakość boksytu jako rudy aluminium zależy przede wszystkim od zaw. w nim tlenku glinowego i krzemionki . Im więcej zaw. ona Al₂O₃ a mniej krzemionki , tym lepiej nadaje się do przeróbki na aluminium .

2. Proces wielkopiecowy

Powietrze wdmuchiwane przez dysze napotyka w piecu na koks i powoduje spalenie zawartego w nim węgla wg następującego równania :

Wartość cieplna reakcji ( zmiany entalpii swobodnej ) ΔH podano dla temperatury 298 K . W bezpośrednim sąsiedztwie dysz tlen znajduje się w nadmiarze . W miarę przenikania spalin w głąb garu i w górę pieca po zużyciu całej ilości tlenu , znajdujący się w nadmiarze rozżarzony koks oddziaływuje na CO₂ wg równania :

W odległości ok. 1 m od wylotu dysz znika wolny tlen , a nieco dalej zanika CO₂ . Powstający gaz zawiera 63% N₂ i 37% CO . Wznosząc się ku górze i zdążając ku gardzieli zmienia swój skład chemiczny i obniża temperaturę , która u wylotu gardzieli wynosi ok. 250^oC .

Materiały załadowane do pieca schodzą ku dołowi w przeciwprądzie gazów . Tracą one najpierw wodę , która ulatnia się przy 100÷200^oC. Przy temperaturze 380­÷400^oC rozkłada się węglan żelaza , jeżeli jako składnik znajdował się we wsadzie . Dolomit i kamień wapienny użyte jako topniki rozkładają się przy znacznie wyższej temperaturze ( 730 ÷895^oC ) i pochłaniają przy tym duże ilości ciepła . Obszar w którym odbywa się odtlenienie rud tlenkiem węgla , ograniczony jest strefą temperatur ok. 850^oC . Powinien on być możliwie duży i wynosić przynajmniej 60% objętości roboczej objętości pieca .

Odtlenienie tlenkiem węgla tzw. redukcja pośrednia przebiega wg następujących reakcji :

W miarę jak wsad przybywa do tej części , gdzie panuje temperatura powyżej 900^oC powstający w powyższych reakcjach CO₂ reaguje z węglem wg reakcji :

Wynik łączny tych reakcji sprowadza się do równania , w którym czynnikiem redukującym jest czysty węgiel ( redukcja bezpośrednia ) .

Resztę tlenu redukuje bezpośrednio węgiel , a ponadto redukuje również krzem , mangan i fosfor, które wchodzą w skład surówki .Czyste żelazo topi się powyżej 1500^oC . Dzięki temu , że surówka jest stopem żelaza z węglem , a prócz tego zawiera jeszcze fosfor , mangan i krzem temperatura topnienia obniża się do 1150^oC . Umożliwia to przegrzanie i swobodny wypływ z pieca surówki zbierającej się w garze , przy temperaturze 1350­­÷1400^oC .

3. Materiały wsadowe

Warunki pracy wielkiego pieca wymagają , aby materiały wsadowe były dostarczone w kawałkach określonej wielkości . Materiały zbyt rozdrobnione utrudniają przepływ gazów przez słup przetworowy , a pył jest unoszony z wielkiego pieca przez uchodzące gazy . Materiały , ścisłe nieprzenikliwe dla gazów utrudniają proces redukcji . Zapewnienie wysokiej wydajności i równomiernego biegu wielkiego pieca wymaga daleko idącego ujednorodnienia wsadu , tak pod względem własności chemicznych , jak i fizycznych .

Części mineralne znajdujące się w rudach powinny w piecach metalurgicznych łącznie z topnikiem utworzyć dobrze płynną masę , tj. żużel, aby w miarę potrzeby można go było wypuszczać z pieca .

Zadaniem topnika jest obniżenie temperatury topnienia żużla , utworzenie go w potrzebnej ilości i o odpowiedniej płynności ,zapewniających prawidłowy przebieg procesów metalurgicznych w piecu .

4. Produkty wielkiego pieca

Głównym produktem wielkiego pieca są surówki przeróbcze i odlewnicze . Oprócz nich w wielkich piecach produkowane są również żelazostopy . Powstają także produkty uboczne tj. gaz wielkopiecowy i żużel .Skład chemiczny tego gazu jest następujący :

10÷16% CO₂ , 25÷30% CO , 0,5­­÷4% H₂ , 0,5­÷3% CH₄ , 52­÷60% N₂ .

Żużel ma skład chemiczny następujący :

30÷35% SiO₂ , 40÷45% CaO , 3÷8% MgO, 8÷16% Al₂O₃ , 1% Fe , 1% Mn , 1% S .

Ilość żużla wynosi w naszych warunkach 900kg/t surówki .

5. Def. stali i surówki

Stal jest stopem żelaza z węglem zaw. do 2% węgla ,oraz domieszki - krzem , mangan , fosfor , siarka . Praktycznie stale konstrukcyjne zaw. do ok. 0,6 % węgla , a stale narzędziowe do ok. 1,4% węgla . Stopowe gatunki stali zaw. dodatkowo chrom , nikiel , molibden , wolfram , wanad i inne .

Podstawowe materiały do otrzymywania stali to : surówka przeróbcza i złom stalowy . Surówka różni się od stali większą zaw. węgla i domieszek .

6. Urządzenia procesu wielkopiecowego

Nagrzewanie dmuchu - dmuch nagrzewany do temp. 600÷700^oC powoduje intensywne spalanie koksu i wysoka temperaturę przed dyszami .Nagrzewnica ma kształt cylindrycznej wieży o śr. ok. 8 m i wysokości 30÷32 m , zakończonej z góry półkolistą kopułą . Do nagrzewnia dmuchu potrzeba ok. 20% całkowitej ilości gazu wytwarzanego w wielkim piecu .

Oczyszczanie gazu - oczyszczanie gazu odbywa się zazwyczaj w trzech stopniach :

1. oczyszczanie wstępne do zaw. pyłu w gazie ok. 0,3 g/m³

• w odpylniku komorowym , w którym osiada pył wskutek zmiany kierunku i zmniejszeniu prędkości przepływu gazu ,

• w odpylniku spiralnym , w którym gaz zostaje wprowadzony w ruch obrotowy , wskutek czego siła odśrodkowa odrzuca pył ku ściance, skąd zsuwa się on na dno odpylnika ,

2. oczyszczanie wtórne odbywa się w płuczkach tzw. skruberach . Są to blaszane wieże (φ7 m , h = 25 m) , w których szeregi pryskaczy rozpylają wodę w mgłę . Gaz przepływa z dołu do góry . Rozpylona woda zwilża pyłki zaw. w gazie . Mokre pyłki osiadają na drewnianych rusztach , skąd są spłukiwane przez wodę .Zużycie wody 5 l/m³ . Pył w odstojnikach tworzy błotnistą maź , którą po zbryleniu dodaje się ponownie do wsadu .

3. oczyszczanie ostateczne odbywa się :

• w wentylatorach - dezintegratorach , do których doprowadzony jest gaz ze skrubera oraz woda . Szybko obracające się skrzydła wentylatora nadzwyczaj drobno rozpylają wodę i dobrze mieszają ją z gazem , dzięki czemu pył odpływa z woda .

• w elektrofiltrach - gaz przechodzi tam przez szereg rur , w których osi naciągnięty jest przewód elektryczny naładowany dodatnio. Pyłki donoszone przez gaz elektryzują się dodatnio , zostają odepchnięte od przewodu do ścian rur i strząsane w dół .

Mieszalniki - głównym zadaniem mieszalnika jest uniezależnienie pracy stalowni od dostaw surówki z oddziału wielkich pieców . Podczas pozostawania surówki w mieszalniku ulega wyrównaniu temperatura i skład chemiczny oraz usuwa się 50÷70% siarki zaw. w surowce w chwili spustu z wielkiego pieca .

7. Materiały ogniotrwałe

Ogniotrwałością nazywamy zdolność materiałów do wytrzymywania wysokich temperatur bez odkształceń oraz posiadanie przy wysokich temperaturach odpowiedniej wytrzymałości na działanie mechaniczne . Badanie ogniotrwałości sprowadza się do porównania zachowania się stożka badanego materiału ( o znormalizowanych wymiarach ) ze stożkami wzorcowymi - zwanymi stożkami Segera - których numery odpowiadają określonym temperaturą mięknięcia .

Za temperaturę mięknięcia stożka uważamy tę temperaturę , w której stożek ustawiony na swej podstawie przegnie się i swym wierzchołkiem dotknie płaszczyzny podstawy .

Materiały ogniotrwałe powinny cechować następujące własności :

1. Ogniotrwałość zwykła jako odporność na działanie wysokich temperatur ,

2. Odporność chemiczna ,

3. Ogniotrwałość pod obciążeniem tj. stałość kształtu w warunkach wysokiej temperatury ,

4. Odporność na nagłe zmiany temperatury (bez pęknięć) ,

5. Stałość objętościowa ,

6. Zwartość budowy (mała porowatość) .

Materiały ogniotrwałe stosuje się jako wyroby (prostki , kształtki ) lub jako mielone (zaprawy lub masy do ubijania) .

Ze względu na charakter i skład chemiczny materiały ogniotrwałe można podzielić na :

1. kwaśne , odporne na działanie żużli kwaśnych zaw. głownie SiO₂ :

• krzemionkowe (dawniej nazywane dynasowymi) ,

• glinokrzemianowe (szamotowe) ,

• węgliki krzemu ,

2. zasadowe , odporne na działanie żużli zasadowych , zaw. głównie CaO :

• magnezytowe ,

• dolomitowe ,

3. obojętne , odporne na działanie zarówno czynników kwaśnych jak i zasadowych:

• węglowe ,

• chromitowe .

Wyroby krzemionkowe . Dobre wyroby krzemionkowe posiadają co najmniej 93% SiO₂ , ogniotrwałość zwykłą w granicach 1710^oC , (co odpowiada stożkowi Segera o nr 32÷34) oraz nieznaczna rozszerzalność cieplna .Krzemionka pęka przy małych zmianach temperatury , dlatego piece o wyprawie krzemionkowej powinny być ogrzewane i studzone bardzo wolno .

Wyroby szamotowe . Do wyrobów szamotowych zalicza się wyroby ogniotrwałe , których głównymi składnikami są SiO₂ i Al₂O₃ . Otrzymuje się je przez wypalenie surówki uformowanej z rozdrobnionej gliny ogniotrwałej lub kaolinu , schudzonych gliną paloną , złomem wyrobów szamotowych lub piaskiem . Zaw. one zwykle 25÷46% Al₂O₃ .Wyroby szamotowe wypala się z mieszaniny składającej się zwykle z 30÷50% gliny oraz 70÷50% materiału schudzającego , w temperaturze 1280÷1560^oC . Temperatura początku zmiękczania szamotu wynosi 1580÷1750^oC, natomiast odkształcenia wyrobów szamotowych zaczynają się od temperatury rzędu 1200^oC .

Ogniotrwałe wyroby szamotowe są najbardziej rozpowszechnione i najczęściej używane do budowy hutniczych urządzeń cieplnych .

Wyroby magnezytowe . Cegły magnezytowe wyrabiane są z materiału składającego się głównie z MgCO₃ (90÷95%) . Surowy magnezyt podlega prażeniu , przy czym zachodzi reakcja :

W temperaturze 800^oC wyprażony produkt nie zaw. już CO₂ . Tak wyprażony MgO hydratyzuje (uwadnia) pochłaniając CO₂ i dlatego w takim stanie może być stosowany jedynie jako materiał wiążący . Do wyrobu materiałów ogniotrwałych magnezyt musi być wypalony do całkowitego spieczenia w temperaturze 1600^oC, przy której MgO krystalizuje w odmiennej niż w niższych temperaturach postaci , odpornej na działanie H₂O i CO₂ .

Wadą wyrobów magnezytowych jest ich wrażliwość na zmiany temperatury - piece wymurowane magnezytem należy wolno nagrzewać i studzić .

Wyroby dolomitowe . Najczęściej stosowanym zasadowym materiałem ogniotrwałym jest dolomit prażony . Dolomit jest naturalną skałą o składzie chemicznym teoretycznie odpowiadającym wzorowi Ca CO₃ ⋅ MgCO₃ . W metalurgii stosuje się dolomity zaw. nie mniej niż 19% MgO i nie więcej niż 4% domieszek .

Stosuje się go głównie pod postacią drobnego kruszywa do wykładania trzonów pieców do topienia . Dolomit stabilizowany wypalony w temperaturze 1500÷1600^oC - miesza się z 10÷15% smoły pogazowej (w celu zabezpieczenia przed lasowaniem) . Tak przygotowaną masę ubija się bezpośredni w piecach .

Ogniotrwałość dolomitu jest większa niż cegieł szamotowych i równa prawie cegłą krzemionkowym . Temperatura dolomitu wynosi 2000^oC , początek odkształceń pod obciążeniem w temperaturze 1540÷1550^oC .

Cegły chromitowe wytwarza się z żelaziaka chromowego - chromitu (FeO ⋅ Cr₂O₃) . Cegły te jako obojętne , są odporne zarówno na żużle kwaśne jak i zasadowe . Ze względu na wysoką cenę używa się ich jedynie w miejscach najbardziej narażonych na zniszczenie . Temperatura użytk. do1850^oC .

Węgliki krzemu (karborund) SiC jest to materiał sztucznie wytwarzany w piecach elektrycznych . Dopuszczalna temperatura użytkowania 1900^oC (w atmosferze redukującej lub obojętnej) . Niewrażliwy na nagłe zmiany temperatury , nadaje się na intensywnie pracujące palniki .

Węglowe materiały ogniotrwałe . W miejscach gdzie nie ma dostępu powietrza , bloki (cegły) węglowe stanowią dobry materiał ogniotrwały . Materiałami wyjściowymi są antracyt kalcynowany lub koks i smoła . Bloki węglowe stosuje się do wyprawy trzonu i garu w wielkich piecach . Stosowane są również do wyłożenia ścian i trzonów w hutniczych piecach elektrycznych , w elektrolizerach aluminium itp.

8. Paliwa hutnicze

Paliwa hutnicze można podzielić ze względu na stan skupienia oraz pochodzenia .

Głównymi składnikami paliw stałych są : węgiel , wodór , siarka , tlen oraz azot ponadto mogą one zaw. pewne ilości wilgoci i domieszek tworzących po spaleniu popiół .

Podstawowym surowcem hutnictwa jest węgiel kamienny , znajduje on zastosowanie w przemyśle koksochemicznym oraz służy do otrzymywania gazu czadnicowego .Węgiel brunatny nadaje się do zgazowania na gaz czadnicowy .

Koks jest produktem suchej destylacji węgla kamiennego , odgazowanego w zamkniętych komorach koksujących , przy temperaturze 1000÷1100^oC , bez dostępu powietrza .

Proces koksowania przebiega wg następującego schematu :

• Przygotowanie (mielenie) węgla wsadowego do koksowania ,

• Ładowanie mieszanki węglowej do komór koksowniczych ,

• Koksowanie węgla ,

• Wypychanie koksu z komór ,

• gaszenie koksu ,

• sortowanie .

Proces ten trwa ok. 20 godz. i kończy się gdy temperatura w środku bryły wsadu osiągnie 900÷950^oC . Z jednej tony węgla otrzymuje się przeciętnie 780 kg koksu­ ,30 kg smoły pogazowej i 325Nm³ gazu surowego .Wartość opałowa gazu koksowego wynosi 4000÷5000 kcal/Nm³ (16747÷20934 kJ/Nm³) .

Paliwa ciekłe mają wiele zalet w porównaniu z paliwami stałymi :

• nie zaw. popiołu ,

• nie zaw. wilgoci ,

• zaw. niewielkie ilości szkodliwej siarki ,

• spalają się przy małym nadmiarze powietrza , zaś proces spalania można łatwo regulować .

Możemy zaliczyć do nich : olej opałowy , mazut , ropa naftowa itp.

Najczęściej stosowane paliwa gazowe to :

• Gaz ziemny - jest naturalnym paliwem gazowym , towarzyszącym złożom ropy naftowej , który po wykropleniu gazoliny zaw. ok. 97% metanu. Ma wysoką wartość opałową : 8000÷12000 kcal/Nm³ i stosowany jest do opalania pieców martenowskich i grzewczych .

• Gaz koksowniczy - jest produktem ubocznym otrzymywanym podczas produkcji koksu . Jego wartość opałowa to 4000÷5000 kcal/Nm³ . Stosuje się go do opalania w postaci mieszanek z gazem wielkopiecowym lub czadnicowym .

• Gaz wielkopiecowy - otrzymuje się jako produkt uboczny procesu wielkopiecowego . Jego wartość opałowa jest niska 850÷950 kcal/Nm³ , mimo to ze względu na wielkie jego ilości stanowi podstawę gospodarki cieplnej huty . Stosowny jest do opalania nagrzewnic , pieców koksowniczych a w mieszankach z innymi gazami do opalania pieców martenowskich , grzewczych i innych .

• Gaz czadnicowy - uzyskuje się go w czadnicach różnych systemów . Najczęściej używa się czadnicy gazowej z rusztem obrotowym typu Kerpely'ego , umożliwiającej zagazowanie od 80÷120 kg węgla na 1 m² przekroju szybu w ciągu godziny .

Oprócz węgla i wodoru gaz czadnicowy zaw. znaczne ilości N₂ , małe ilości CO₂ ,oraz lotne węglowodory CH₄ , które podnoszą wartość opałową gazu i są pożądanymi składnikami .Wartość opałowa gazów czadnicowych waha się w granicach 1200÷1500 kcal/Nm³ .

9. Technologia corex

Obecnie wyróżnia się kilka rozwiązań które mogą znaleźć szersze zastosowanie w praktyce przemysłowej , bądź to ze względu na już istniejące i sprawdzone instalacje w skali przemysłowej , półprzemysłowej, bądź też ze względu na duże zaawansowanie prac badawczo- rozwojowych , z zaangażowaniem badań podstawowych . Niewątpliwie , wiodącą technologią jest technologia COREX. Instalacja COREX składa się z dwóch podstawowych agregatów (rys. na końcu): z szybu redukcyjnego i reaktora do roztapiania i zgazowania węgla . Kawałkową rudą , spiek grudki(6 ÷ 30 mm) , lub ich mieszankę ładuje się do szybu redukcyjnego przez śluzowy lej samowyładowczy , gdzie są one bezpośredni redukowane do żelaza o stopniu metalizacji około 93% za pomocą gazu redukcyjnego płynącego w przeciwprądzie . Wyładowcze przenośniki ślimakowe transportują żelazo gąbczaste z szybu redukcyjnego do reaktora , w którym następuje roztapianie i końcowa redukcja w stanie ciekłym . Źródłem energii cieplnej i chemicznej jest węgiel kamienny , który podawany do kopuły reaktora , ulega w temp. ok. 1100^oC przetworzeniu w półkoks. Wdmuchiwany do garu reaktora tlen , tworzy w wyniku gazyfikacji węgla gaz redukcyjny , składający się w 95% z CO i H₂ i ok. 3% CO₂. Gaz ten po wyjściu z reaktora , schłodzeniu i odpyleniu , służy do redukcji wstępnej wsadu żelazo nośnego w szybie . Posiada on wartość opałową ok. 7500 kJ/kg . Uzyskana nadwyżka gazu pozwala na wyprodukowanie energii elektrycznej w ilości 920 tyś. MWh/rok (dotyczy instalacji C-2000, o rocznej wydajności 800 tyś. ton ciekłej surówki). Stosowany węgiel w procesie COREX powinien zawierać mniej niż 1% siarki , ilość popiołu nie powinna przekraczać 25% , ilość substancji lotnych poniżej 35% , zaś zawartość węgla związanego powinna wynosić 55% .

Instalacje COREX pracują w firmie ISCOR w Południowej Afryce oraz w Korei Południowej w firmie Pohang Iron & Stell Co. Ta druga jest instalacją C-2000 o nominalnej produkcji 2000 ton surówki na dobę .

10. Otrzymywanie stali w procesie C.O.S (ciągłe odlewanie stali )

Nowoczesną metoda odlewania stali jest metoda odlewania ciągłego . Charakteryzuje ją mechanizacja całego procesu odlewania , duża wydajność oraz dobra jakość otrzymywanych wlewków ciągłych . W porównaniu z tradycyjnymi metodami odlewania wlewków zastosowanie urządzenia do odlewania ciągłego daje również tę korzyść , że pozwala na odlewanie wlewków ciągłych o dość małym przekroju , które nie wymagają przerobu na zgniataczu .

Zasadniczą cechą odlewania w sposób ciągły jest zwiększenie uzysku wyrobów walcowanych w wyniku zmniejszenia odpadów stopy i głowy wlewka - średnio o 7÷12% .

Ogólną cechą wszystkich sposobów odlewania ciągłego jest to , że umożliwiają otrzymanie wlewków ciągłych o określonym profilu i wymiarach przekroju poprzecznego , przy czym długość odlanych wlewków jest większa niż długość formy krystalizatora , do której metal odlewa się i w której krzepnie . W porównaniu z wlewnicami żeliwnymi służącymi do odlewania wlewków metodami tradycyjnymi krystalizator do odlewania ciągłego nie ma dna i podobny jest do kanału , z którego nieprzerwanie wysuwa się krzepnący wlewek ciągły. Zewnętrzny profil wlewka ciągłego odpowiada przekrojowi poprzecznemu kanału .

Opis procesu .

Na pomoście roboczym ustawione są otwarte z obu stron i chłodzone wodą wlewnice miedziane , tzw. katalizatory . Stalą znajdującą się w kadzi napełnia się dozator , a następnie krystalizatory . Aby przezwyciężyć siły tarcia między wyciąganym wlewkiem ciągłym a krystalizatorem , na jego ścianki doprowadza się bez przerwy małe ilości smaru . Po wyjściu z krystalizatora wlewek ciągły , mający cienką skrzepniętą skorupę zewnętrzną , poddany jest chłodzeniu wtórnemu . Następnie wlewek ciągły , już prawie w całości skrzepnięty przesuwa się dalej między walcami . Oczywiście krystalizator dopełnia się przez cały czas ciekła stalą. Poniżej walców ciągnących wlewek przecina się na potrzebne odcinki . Odcięte części układa się na tzw. samotoku i transportuje dalej .

Rys na oddzielnej kartce !!!!

11. Podstawowe piece do otrzymywania stali

1. Konwertorowe metody otrzymywania stali

Konwertor jest to naczynie walcowe , wykonane z blachy stalowej , zwężające się ku górze , ze skierowanym ukośnie stożkowym wylotem . Naczynie to wyłożone jest wykładziną ogniotrwałą . Dno konwertora jest wymienne i zaopatrzone w otwory służące do doprowadzania powietrza . Stal można otrzymywać przez przedmuchiwanie powietrzem ciekłej surówki znajdującej się w konwertorze . Pod dnem wykonanym z materiałów ogniotrwałych opartych na żeliwnej płycie z otworkami , znajduje się skrzynia doprowadzająca powietrze . Dno pracuje zaledwie kilka godzin po czym wskutek wytopienia musi być wymienione. Całość konwertora umieszczona jest w pierścieniu staliwnym na obrotowych czopach , umożliwiających przechylanie naczynia . Przez wydrążenie jednego z czopów doprowadza się do pierścienia , a stąd rura do skrzyni powietrznej sprężone powietrze pod ciśnieniem 2,2÷3,5 atmosfer .

Wyróżniamy:

• Konwertory z wykładziną kwaśną ,

Podczas przedmuchiwania powietrza przez metal , w kwaśnych konwertorach rozróżniamy trzy charakterystyczne okresy wytopu .

1. Pierwszy okres (tzw. iskrowy) - to utlenianie żelaza , krzemu , manganu i powstawanie żużla , który charakteryzuje się nadmiarem SiO₂

W pierwszym okresie węgiel prawie się nie wypala , ze względu na zbyt niską temperaturę kąpieli . Po wypaleniu się krzemu i manganu oraz nagrzaniu metalu kosztem dostarczonego przez nie ciepła zaczyna się wypalać węgiel .

2. Drugi okres (tzw. płomieniowy) - w tym okresie następuje utlenianie węgla wg reakcji :

Wydzielający się tlenek węgla wywołuje zjawisko silnego wrzenia metalu . CO spala się w zetknięciu z powietrzem na CO₂ tworząc jasny płomień o wysokości 6÷9 m nad gardzielą . Gdy płomień nad gardzielą zanika , świadczy to o wypaleniu się węgla .

3. Trzeci okres (tzw. dymowy) - zaczynają wydzielać się tlenki żelaza z konwertora w postaci brunatnego dymu .

Ostatnia końcowa czynność polega na odtlenieniu metalu , które przeprowadza się w celu usunięcia tlenku żelazawego FeO rozpuszczonego w ciekłej stali . Do odtleniania używa się : manganu , krzemu i aluminium .

Zasadnicza wada wytapiania w tych konwertorach polega na tym , że szkodliwe domieszki (fosfor, siarka) nie zostają usunięte .

• Konwertory z wykładziną zasadową

Do konwertora ładuje się wapno , wlewa surówkę , włącz dmuch ,następnie obraca się konwertor do położenia pionowego . W procesie tym utlenia się żelazo wg reakcji:

Powstający tlenek żelazawy rozpuszcza się w metalu i utlenia domieszki .

Pierwszy okres wytopu - to utlenianie krzemu i manganu . Tworząca się krzemionka SiO₂ wiąże się z tlenkiem wapnia . Węgiel i fosfor w tym okresie nie utleniają się prawie wcale . Gdy metal nagrzeje się , rozpoczyna się drugi okres , w którym intensywnie wypala się węgiel . Gdy zaw. węgla obniży się do dziesiątych części procenta , zaczyna się trzeci okres , polegający na wypalaniu fosforu .

2. Tlenowo - konwertorowy wytop stali

Konwertor ma wykładzinę z cegły smołodolomitowej . Do przedmuchiwania metalu tlenem przez gardziel do konwertora wprowadza się dyszę chłodzoną wodą do wysokości 300÷800 mm nad poziom metalu . Ciśnienie tlenu wynosi 9÷15 atmosfer .Temperatura w miejscu wdmuchiwania tlenu dochodzi do 3000^oC .Surowcem wyjściowym do wytopu jest może być zarówno zwyczajna surówka przeróbcza jak i wysokofosforowa . Można również przetapiać znaczne ilości złomu żelazowego (20÷35%) jak i dodawania do wsadu rudy żelaznej (do 8%) oraz zgorzeliny .

W wyniku wytopu z dmuchem tlenowym otrzymuje się stal o obniżonej zaw. azotu , fosforu i siarki .

3. Wytop stali w piecu martenowskim

Piec martenowski jest piecem płomieniowym opalany mieszaniną gazów koksowego i wielkopiecowego , składa się z : przestrzeni roboczej , głowic (będących właściwie palnikami ) , ciągów , komór żużlowych , regeneratorów , przewodów oraz urządzeń do rozrządu gazu i powietrza , oraz komina.

Przy wytopie stali stosuje się duże ilości złomu. W zależności od rodzaju wsadu stosuje się proces złomowo surówkowy lub złomowy .

Wytop w zasadowym piecu martenowskim składa się z trzech okresów : ładowania , topienia i wyrabiania . Ładowanie pieca powinno być przeprowadzone jak najszybciej .Osiąga się to przez dobrą organizacje pracy wsadzarek i dostawy złomu na pomost roboczy . Topienie powinno być również krótkie , co osiąga się przy dobrej sprawności cieplnej pieca , przez doprowadzenie w tym okresie do przestrzeni roboczej dużej ilości ciepła . Podczas okresu topienia wsadu wypala się całkowicie krzem , a węgiel , mangan i fosfor częściowo . Zaw. węgla w kąpieli metalowej w momencie roztopienia wsadu jest czynnikiem decydującym dla właściwego przebiegu trzeciego okresu - wyrabiania.

Wyrabianie rozpoczyna się świeżeniem , a kończy odtlenianiem kąpieli . Świeżenie powinno przebiegać dostatecznie intensywnie , aby kąpiel „gotowała się” wskutek wydzielania tlenku węgla , co ułatwia również wydzielanie innych gazów ze stali . Równocześnie obniża się zaw. fosforu i siarki . Szybkość świeżenia reguluje się odpowiednimi dodatkami rudy . Dla usunięcia fosforu decydująca jest zaw. FeO oraz CaO . CaO wiąże P₂O₅ w trwały fosforan trójwapniowy :

Dla lepszego odfosforwania stosuje się ściąganie żużla zaw. fosfor na początku i na końcu świeżenia .

Odsiarczanie przebiega wg następujących reakcji :

Przebieg tych reakcji jest powolny ze względu na utleniający charakter żużla .

Po osiągnięciu wymaganego składu chemicznego kąpieli następuje proces odtleniania i wykończenia wytopu . Odtlenienie polega na dodaniu do kąpieli żelazomanganu lub surówki zwierciadlistej , ewentualnie krzemomanganu .

Proces martenowski jest powszechnie stosowany do produkcji stali , produkuje się w nich wszelkiego rodzaju stale węglowe , a częściowo także stale nisko stopowe .

12. Metody obliczeń wsadu

Obliczanie namiaru przy założonej wartości jednego pierwiastka np. krzemu we wsadzie ,

Założenia :

Składniki wsadu - A - złom obiegowy własny 40%

B - złom handlowy

C - surówka

Si_w - zaw. krzemu we wsadzie - 2,4% ,

Si_b - 1,8% ,

Si_c - dla surówki LN - 2,7%,

Namiar wsadu będzie się składał ostatecznie z 40% złomu obiegowego własnego , 48,8% surówki , 11,2 % złomu handlowego .

Ze względu na koszt surówki należałoby zast. wyżej węglowy złom handlowy co obniży jej koszt.

13. Budowa i zasada działania żeliwiaka

Żeliwiaki są podstawowymi piecami służącymi do topienia żeliwa , wytapia się w nich 70% całkowitej produkcji żeliwa . Płaszcz żeliwiaka wykonany jest z blachy stalowej , która razem z warstwą wykładziny z materiałów ogniotrwałych znajdują się na płycie podstawowej . Wszystko natomiast stoi na czterech kolumnach . W płycie podstawowej są drzwiczki denne , na których ubija się trzon pochylony w kierunku otworu spustowego , zakończonego rynną spustową . Otwór spustowy w czasie wytopu jest zamknięty . Przebija się go co pewien czas w celu odprowadzenia nagromadzonego żeliwa . Między obmurowaniem z mat. ogniotrwałych a płaszczem pozostawia się małą przerwę wypełnioną piaskiem kwarcowym , umożliwiającym rozszerzenie się mat. ogniotrwałych podczas nagrzewnia . Naprzeciw otworu spustowego znajdują się okno włazowe , zabezpieczone w czasie pracy żeliwiaka mat. ogniotrwałymi i drzwiczkami włazowymi . Nad trzonem znajdują się dysze przez które wtłaczane jest powietrze ze skrzyni powietrznej , do której doprowadzone jest ono z wentylatora za pośrednictwem przewodów . Poniżej dysz umieszczony jest otwór spustowy żużla zakończony rynną spustową . Część żeliwiaka od trzonu do poziomu dysz nazywamy kotliną żeliwiaka h₁ , część powyżej dysz do okna wsadowego - wysokością użyteczną h . Szyb żeliwiaka kończy się kominem z komora iskrową .

W żeliwiaku warstwy wsadu metalowego ułożone są na przemian z warstwami koksu i topnika , opuszczają się w dół szybu ogrzewane przez uchodzące do góry gazy (spaliny) . Spaliny o temperaturze około 1700÷1800^oC powstają w strefie spalania mieszczącej się nad poziomem dysz , w wyniku spalania koksu w obecności tlenu wprowadzonego dmuchu . Wsad metalowy ulega stopieniu w strefie topienia , a ciekłe żeliwo gromadzi się w kotlinie lub w zbiorniku żeliwiaka . W miarę obniżania się poziomu wsadu metalowego w szybie , podawany jest następny wsad wraz z odpowiadającym mu wsadem koksu i topnika . Wsady ładowane są przez okno wsadowe znajdujące się w górnej części szybu.

Dzięki wykorzystaniu zasady przeciwprądowej wymiany ciepła między spalinami a metalem , żeliwiak posiada stosunkowo wysoką sprawność cieplną .

W czasie topienia obserwujemy występowanie w żeliwiaku następujących stref :

• strefa podgrzewania - od okna wsadowego do strefy topienia . W tej części żeliwiaka wszystkie mat. są w stanie stałym ,opuszczając się w dół , nagrzewają się . Prócz nagrzewania wsadu zachodzi w tej strefie utlenianie metalu nasiarczanie pow. od SO₂ ze spalin oraz rozkład kamienia wapiennego .

• strefa topienia - w strefie tej odbywa się topienie wsadu metalowego i odżużlania domieszek piasku z wsadu . Temperatura w tej strefie dochodzi do 1400^oC .

• strefa przegrzania - od strefy topienia do poziomu dolnych dysz . Krople metalu , ściekając w dół przegrzewają się . temperatura w tej strefie dochodzi do 1800^oC . Krople wsadu metalowego o najmniejszej zaw. węgla nawęglają się a bogate w węgiel (surówki) odwęglają się . Odbywa się tu również dalsze nasiarczanie żeliwa , utlenianie żelaza i jego redukcja kosztem krzemu , manganu i węgla .

• strefa kotliny - od dysz do trzonu żeliwiaka. W kotlinie żeliwiaka zachodzi dalsze lecz mniejsze nawęglanie i nasiarczanie żeliwa . Znaczna ilość Si i Mn przechodzi do żużla , powiększając tzw. zgar . Jest to zjawisko powstające w czasie przejścia wsadu metalowego przez szyb żeliwiaka od okna wsadowego aż do kotliny , stykając się z paliwem , powietrzem dmuchu , gazami i żużlem , którego składniki podlegają zmianom fizykochemicznym .

14. Otrzymywanie miedzi

1. Metalurgia ogniowa

Pełny cykl w tej metodzie obejmuje następujące pośrednie fazy produkcyjne

• uśrednianie , mieszanie i brykietowanie mieszanki koncentratów miedzi w celu otrzymania jednolitego wsadu kawałkowego nadającego się do przerobu w piecach szybowych ,

• stapianie zbrykietowanych koncentratów w piecach szybowych i rozdzielanie uzyskanego stopu w odstojnikach na kamień miedziowy i żużel ,

• świeżenie kamienia miedziowego w konwertorach poziomych , gdzie po usunięciu żelaza , siarki , ołowiu i cynku otrzymuje się miedź konwertorową i gazy , przeznaczone do produkcji kwasu siarkowego ,

• ogniowa rafinacja miedzi konwertorowej w piecach płomiennych i odlewanie anod na karuzelowej maszynie rozlewniczej ,

• elektrolityczne rafinowanie miedzi anodowej , w celu oddzielenia metali szlachetnych i otrzymania miedzi katodowej o wysokiej czystości ,

• stapianie i rafinowanie miedzi katodowej w piecu płomiennym i odlewanie wlewków tzw.

wirebarsów w karuzelowej maszynie rozlewniczej .

2. Otrzymywanie kamienia miedziowego

Proces ten prowadzony jest w piecu szybowym , co wpływa korzystnie na jego przebieg , gdyż węgiel spala się blisko dysz , wskutek czego zużycie koksu jest mniejsze .

Przetapianie wsadu odbywa się kosztem ciepła uzyskanego z utleniania siarczków i spalania koksu , którego używa się w ilości 12 do 15% ciężaru wsadu, zależnie od zawartości siarczków w rudzie .

W górnej części pieca zachodzi dysocjacja pirytu , a w środkowej przebiegają reakcje utleniania siarczku żelaza :

W miarę opuszczania się wsadu do dolnej strefy pieca następuje tworzenie się żużla z tlenkiem żelazowym :

Stopień odsiarczania , czyli ilość siarki usuniętej w powyższym procesie (zwanym półpirytowym) waha się od 50÷70% . Z pieca szybowego spływa do odstojni żużel i kamień miedziowy , który zawiera około 50÷55% Cu . Kamień miedziowy otrzymany w piecach szybowych przekazuje się w stanie ciekłym do dalszej przeróbki na miedź hutniczą .

3. Otrzymywanie miedzi sposobem konwertorowym

Miedź hutniczą otrzymuje się w konwertorach przez przedmuchiwanie kamienia miedziowego sprężonym powietrzem . Poziomy konwertor wyłożony jest od wewnątrz cegłą magnezytową . Proces konwertorowania odbywa się bez doprowadzania ciepła z zewnątrz , ponieważ egzotermiczne reakcje wytwarzają tyle ciepła , że temperatura kamienia wynosząca początkowo 1100^oC podwyższa się do 1300÷1350^oC . W konwertorze utleniają się najpierw siarczki żelaza a tlenki żelaza zostają usunięte do żużla wg reakcji :

Po utlenieniu żelaza otrzymuje się żużel . W konwertorze pozostaje miedź jako ciekły Cu₂S . Przy dalszym przedmuchiwaniu powietrzem siarczek miedzi utlenia się wg reakcji :

a następnie na skutek wzajemnego oddziaływania tlenku miedzi z siarczkiem miedzi wydziela się miedź wg reakcji :

W wyniku konwertorowania otrzymuje się miedź surową (czarną) , zwaną miedzią konwertorową , która zaw. 98,0÷99,2% Cu . Zwykłymi domieszkami miedzi surowej są : siarka , żelazo , tlen nikiel antymon i bizmut .

15. Otrzymywanie aluminium

Pełny cykl produkcji aluminium składa się z dwóch podstawowych etapów :

• otrzymanie z rudy czystego tlenku glinowego Al₂O₃ ,

• wytwarzanie ciekłego aluminium za pomocą elektrolizy tlenku glinowego w roztopionym kriolicie .

Metoda Bayera

Otrzymywanie tlenku glinowego tą metoda polega na rozpuszczeniu wodorotlenków glinowych znajdujących się w zmielonych boksytach , w roztworze wodorotlenku sodowego (tzw. ługowanie) przy czym tworzy się glinian sodowy wg reakcji :

Inne składniki boksytów (Fe₂O₃ , TiO₂ ,i częściowo krzemionka) podczas ługowania nie rozpuszczają się w roztworze NaOH i pozostają w osadzie .

Otrzymaną przez ługowanie zawiesinę rozcieńcza się roztworem wodnym otrzymanym z przemycia poprzedniej partii szlamu i poddaje się obróbce w zagęszczaczach (temperatura roztworu 90÷100^oC) . W wyniku tego szlam czerwony osiada, co pozwala odlać roztwór glinianu sodowego , który jest następnie przefiltrowany .

Z czystego roztworu glinianu sodowego wydziela się z powrotem wodorotlenek glinowy , ponieważ w odpowiednich warunkach (temp. 60÷30^oC) roztwór rozkłada się i następuje wykrystalizowanie się Al(OH)₃ .

Oddzielony osad wodorotlenku glinowego przemywa się i poddaje prażeniu (kalcynacji) otrzymując tlenek glinowy na dający się do elektrolizy .

Elektroliza tlenku glinowego

Elektroliza odbywa się w wannach o pancerzu stalowym wyłożonych płytami węglowymi . Katodę stanowi trzon wanny , natomiast anody wykonane są z koksu pakowego (produkt destylacji smoły otrzymywanej z węgla kamiennego) , zanurzone są swą dolna częścią w elektrolicie .Tlenek glinu rozkłada się na glin metaliczny wydzielający się na katodzie (na dnie wanny) .

Mechanizm elektrolizy przedstawia się następująco :

• roztopiony kriolit , przewodząc prąd elekt. silnie dysocjuje na jony :

• tlenek glinu nie będąc elektrolitem dysocjuje słabo :

• ładunki elektryczne do katody są przenoszone przez jony Na⁺ i Al³⁺ ,ze względu na wielkość potencjałów tylko glin Al³⁺ rozładowuje się i przechodzi w metaliczny Al :

• do anody ładunki elekt. są przenoszone przez jony
  i
  lecz wobec ich potencjałów elekt. na anodzie rozładowują się jony
  - wydzielając tlen w postaci gazu :

• tlen wydzielony na anodzie węglowej reaguje z nią chemicznie :

---