• Produkcja i odlewanie stali metodą konwertorowo tlenową

Zastąpienie powietrza przez tlen w procesie produkcji stali zostało pierwotnie zaproponowane przez Henry Bessemera. Od roku 1950 tlen jest stosowany w produkcji stali bez względu na określoną metodę produkcji. Warunkiem efektywnego z ekonomicznego punktu widzenia zastosowania zasadowego konwertora tlenowego (BOF) na skalę przemysłową była dostępność wymaganej ilości technicznego tlenu, jak również opracowanie technologii lancy chłodzonej wodą niezbędnej do wprowadzenia tlenu do konwertora.

Pierwszy zasadowy konwertor tlenowy na skalę produkcyjną (nazywany również konwertorem tlenowym) został wybudowany w Linzu w 1953 roku.

Od tego czasu proces zasadowego konwertora tlenowego i elektryczny piec łukowy zastąpiły dotychczasowe bardziej energochłonne procesy wytwarzania stali takie, jak proces tomasowski i proces martenowski (Bessemer,Siemens-Martin). W Państwach Unii Europejskiej ostatnie piece Siemensa-Martina zostały wyłączone z eksploatacji pod koniec 1993 roku. Procesy zasadowego konwertora tlenowego i elektryczny piec łukowy są jedynymi procesami produkcji stali stosowanymi w Unii Europejskiej. Proces zasadowego konwertora tlenowego obejmuje dwie trzecie produkcji stali, a proces elektrycznego pieca łukowego pozostałą jedną trzecią (15 Państw Członkowskich UE w 1993 roku).

Na rysunku 8.1 przedstawiono zasadowy konwertor tlenowy w momencie ładowania gorącego metalu.

1. Stosowane procesy i technologie

Celem konwertorowo tlenowego procesu produkcji stali jest wypalenie (tj. utlenienie) niepożądanych zanieczyszczeń zawartych w podawanym materiale metalicznym. Głównymi pierwiastkami przetwarzanymi w ten sposób na tlenki są węgiel, krzem, mangan, fosfor i siarka. Dlatego celem tego procesu utleniania jest:

• redukcja zawartości węgla do określonego poziomu (z około 4% do mniej niż 1%, lecz często niżej)

• dopasowanie zawartości potrzebnych innych pierwiastków

• usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń w największym możliwym zakresie

Produkcja stali za pomocą procesu zasadowego konwertora tlenowego jest procesem przerywanym obejmującym następujące etapy:

● transport i magazynowanie gorącego metalu

● wstępne oczyszczanie gorącego metalu (odsiarczanie)

● utlenianie w konwertorze tlenowym (odwęglanie i utlenianie zanieczyszczeń)

● rafinacja pozapiecowa

● odlewanie (ciągłe lub/i do wlewków)

Pojedyncze etapy i związane z nimi emisje zestawiono na rysunku 8.2.

Rysunek 8.2: Kolejność operacji na stalowni konwertorowo tlenowej wskazująca poszczególne źródła emisji

1. Transport i magazynowanie gorącego metalu

Gorący metal jest dostarczany z wielkiego pieca na stalownię za pomocą wozu samowyładowczego lub kadzi mieszalnikowej. Kadzie są wyłożone korundem, mulitem, boksytem lub cegłą dolomitową z dodatkową izolacyjną warstwą pośrednią między stalą i tworzywem ogniotrwałym. Dominującym rozwiązaniem stała się kadź mieszalnikowa, będąca rodzajem mieszalnika gorącego metalu przemieszczającego się na szynach. Zbiornik mieszalnikowy jest podparty z każdej strony i może być obracany tak, aby opróżnić jego zawartość. Kadzie mieszalnikowe są przeważnie projektowane na pojemności od 100 do 300 ton, a największe jednostki mają pojemność do 400 ton. Konstrukcja kadzi mieszalnikowej minimalizuje straty ciepła. Pracuje ona również jako mieszalnik gorącego metalu eliminując w ten sposób potrzebę wykonania oddzielnego systemu magazynowania gorącego metalu.

Okres eksploatacji kadzi mieszalnikowych przy normalnej eksploatacji wynosi od 150000 do 400000 ton. Proces odsiarczania przebiegający w kadzi mieszalnikowej skraca jej potencjalny okres pracy między cyklami wymiany wykładziny ogniotrwałej i wymaga szczególnej uwagi przy wyborze tworzyw ogniotrwałych.

Przy transporcie gorącego metalu w kadziach otwartych, gorący metal jest w niektórych przypadkach magazynowany w mieszalnikach. Są to obrotowe poziome pojemniki stalowe wyłożone cegłami ogniotrwałymi. Służą one do kompensowania zakłóceń w procesach produkcyjnych wielkiego pieca i stalowni, do wyrównywania składu chemicznego indywidualnych wytopów wielkiego pieca oraz zapewniają równomierny rozkład temperatur. Nowoczesne mieszalniki gorącego metalu mają pojemności do 2000 ton.

2. Wstępne oczyszczanie gorącego metalu

Klasyczne wstępne oczyszczanie gorącego metalu obejmuje następujące etapy:

● Odsiarczanie

● Odfosforyzowanie

● Odkrzemianie

W Europie tylko etap odsiarczania jest powszechnie stosowany podczas przygotowywania gorącego metalu do procesu zasadowego konwertora tlenowego. Odfosforyzowanie i odkrzemianie tworzyw wsadowych wymaga zastosowania kosztownych i wyszukanych procesów technologicznych, których zastosowanie w najbliższej przyszłości nie jest jeszcze pewne, zważywszy na aktualne wymagania.

Ulepszona metalurgia wielkiego pieca i zmniejszenie ilości siarki wprowadzanej przez środki redukujące daje w rezultacie niższe poziomy siarki w gorącym metalu. Wymagane dzisiaj zawartości siarki (od 0,001 do 0,020%) do ładowania konwertora są powszechnie regulowane w urządzeniu do odsiarczania gorącego metalu, usytuowanego poza wielkim piecem. Zewnętrzne odsiarczanie oznacza również pewne korzyści z punktu widzenia ochrony środowiska. W przypadku przeciwprądowych procesów wielkopiecowych daje to zmniejszone zużycie koksu i spieków, zmniejszoną produkcję gorącego metalu i żużla z procesu wytwarzania stali, lepszą jakość żużla metalurgicznego, wydłużony okres użytkowania wykładziny ogniotrwałej i zmniejszone zużycie tlenu.

Do znanych środków odsiarczających należy zaliczyć węglik wapniowy, sodę kaustyczną, sodę kalcynowaną, wapno i tworzywa impregnowane magnezem. Odsiarczanie za pomocą sody jest procesem prostym ze względu na niską temperaturę topnienia i wynikającą stąd łatwą mieszalność produktu z gorącym metalem. Jego wadami są niska selektywność i potrzeba znalezienia sposobu likwidacji wytworzonego żużla sodowego. Zawartość siarki w tych żużlach wynosi od 1 do 15%, a zawartość Na₂O wynosi od 5 do 40%, w zależności od zastosowanego procesu. Recyklowanie żużla sodowego w stalowni jest propozycją niepraktyczną ze względu na jego wysoką zasadowość. Dotychczas nie opracowano alternatywnej, efektywnej ekonomicznie metody recyklingu. Jeżeli siarczek sodowy zostaje wyrzucony na hałdę, rozkłada się pod wpływem wody na roztwór wodorotlenku sodowego i na siarkowodór. Zastosowanie sody kalcynowanej jest ograniczone. Małe ilości sody kalcynowanej mogą być stosowane w ograniczonym zakresie podczas procesu odżużlania.

Najbardziej obecnie rozpowszechnioną metodą odsiarczania gorącego metalu w Europie jest metoda oparta o węglik wapniowy, która stopniowo zajmuje miejsce wcześniej stosowanego procesu sodowego usuwania odpadów ze względu na zarządzanie jakością powietrza. Zastosowanie mieszaniny węglika wapniowego, magnezu i wapna pozwala na odsiarczenie gorącego metalu do ostatecznych poziomów poniżej 0,001%, bez względu na początkową zawartość siarki. Wady tego procesu związane są z niskim stopniem wyczerpywania się środka odsiarczającego i koniecznością intensywnego mieszania środka odsiarczającego z gorącym metalem. Jedyną zaletą jest to, że proces ten powoduje zwiększenie ilości rozdrobnionego żużla, który może być łatwo usunięty. Zastosowanie magnezu razem z węglikiem wapniowym jest prawie tak samo powszechne jak zastosowanie samego węglika wapniowego. Inne środki odsiarczające zawierają sproszkowane wapno, wapno w połączeniu z gazem ziemnym i magnezem.

Proces odsiarczania jest realizowany za pomocą wielu różnych metod i systemów. W bardziej powszechnych wersjach odsiarczanie zachodzi w:

• rynnie spustowej wielkiego pieca

• odlewanym strumieniu płynnego metalu

• kadzi przewoźnej, lub w

• specjalnie zaprojektowanych zbiornikach metalurgicznych.

Stosowane urządzenia odsiarczające obejmują lancę zanurzeniową, kadź syfonową, zbiorniki obrotowe i oscylujące oraz urządzenia mieszalnikowe do zastosowania w kadzi. Węglik wapniowy jest najczęściej stosowany w połączeniu z lancą zanurzeniową i określoną metodą mieszania. Magnez jest dodawany w postaci proszkowej do gazu nośnego przez lancę zanurzeniową. Proces odsiarczania jest przeprowadzany na oddzielnych stanowiskach oczyszczania.

Przykład zastosowania tej metody: środek odsiarczający jest wdmuchiwany przez lancę do gorącego metalu za pomocą azotu. Siarka jest wiązana w żużlu, który unosi się na powierzchni gorącego metalu. Następnie żużel jest usuwany w układzie oddzielania żużla, a płynne żelazo jest przelewane z kadzi do układu ważenia. Jeżeli jest to konieczne do tych układów są dodawane środki chemiczne. W niektórych przypadkach wykonywane jest w tym miejscu drugie usuwanie żużla za pomocą zgarniaczy żużla. Po zważeniu, surówka jest ładowana do konwertora.

1. Utlenianie w zasadowym konwertorze tlenowym

Aby spełnić wymienione wyżej cele, niepożądane zanieczyszczenia są utleniane, a gaz odlotowy lub żużel są następnie usuwane. Na rysunku 8.3 przedstawiono główne procesy utleniające zachodzące w zasadowym konwertorze tlenowym. Niepożądane zanieczyszczenia są usuwane z gazem odlotowym lub z płynnym żużlem. Energia wymagana do podniesienia temperatury i stopienia tworzyw wsadowych jest dostarczana przez egzotermiczne reakcje utleniające, tak więc z jednej strony nie jest wymagane dodatkowe ciepło, a z drugiej strony złom lub ruda muszą być dodawane w celu zrównoważenia ilości ciepła. W niektórych zasadowych konwertorach tlenowych i połączonych procesach dmuchu, węglowodory gazowe ( np. gaz ziemny) są wtryskiwane w postaci chłodziwa dyszy powietrznych (patrz rysunek 8.5).

Rysunek 8.3: Reakcje chemiczne zachodzące podczas procesu utleniania

Praca zasadowego konwertora tlenowego ma charakter półciągły. Pełny cykl składa się z następujących etapów: ładowanie złomu i płynnej surówki, wdmuchiwanie tlenu, pobieranie próbek i rejestracja temperatury oraz spust płynnego metalu. W nowoczesnych stalowniach w 30-40 minutowym cyklu produkuje się około 300 ton stali. Podczas tego procesu dodaje się wiele dodatków wpływających na jakość stali i na proces tworzenia się żużla. Podczas ładowania i spuszczania płynnego metalu konwertor jest przechylany. Podczas wdmuchiwania tlenu, konwertor jest ustawiany w pozycji pionowej.

Istnieje kilka rodzajów urządzeń wykorzystywanych w produkcji stali metodą konwertorowo tlenową. Najpowszechniej stosowanym jest konwertor LD (Linz-Donawitz) wykorzystywany w przypadku surówki o niskiej zawartości fosforu; w przypadku wysokiej zawartości fosforu stosuje się zmodyfikowany proces (proces LD/AC = proces Linz-Donawitz/Arbed-CRM). Konwertor jest urządzeniem o kształcie gruszkowym, wyłożonym tworzywami ogniotrwałymi, w którym jest zanurzana lanca tlenowa chłodzona wodą. Przez tą lancę czysty tlen (>99%) z zakładu rektyfikacji powietrza jest wdmuchiwany na płynną surówkę (patrz rysunek 8.4).

Rysunek 8.4: Konwertor tlenowy z górnym dmuchem - [Ullmann, 1994]

a- lanca tlenowa; b- gardziel konwertora; c- pierścień wzmacniający; d- dennica konwertora; e- otwór spustowy; f- wykładzina ogniotrwała; g- przestrzeń gazowa; h- warstwa żużlu; i- płynny metal

Inne rodzaje procesów produkcji stali to OBM (proces tlenowo-dennicowy Maxhuette) lub proces Q-BOP i proces LWS (proces Loire-Wendel-Sprunch). Procesy te różnią się od konwertora LD tym, że zamiast górnego wdmuchiwania tlenu przez wciąganą lancę, tlen i topniki są wdmuchiwane przez zanurzone dysze znajdujące się w dnie pieca (rysunek 8.5) [WE, Zasadowe konwertory tlenowe,1995].

Rysunek 8.5: Przekrój przez konwertor OBM - [Ullmann,1994]

W konwertorach tych tlen jest wtryskiwany od strony dna poprzez dysze chłodzone przez węglowodory wdmuchiwane do kąpieli płynnego metalu. Opracowano również łączone technologie wdmuchiwania. Gdy jest to konieczne, proces można przyśpieszyć przez ”mieszanie w obszarze dna” za pomocą argonu (Ar) lub azotu (N₂) wdmuchiwanego w różnych fazach procesu przez porowate cegły w wykładzinie ogniotrwałej dna. Alternatywnie można zastosować dysze zamontowane w dnie służące do wtryskiwania czystego tlenu lub innych gazów podczas procesu wdmuchiwania. Powstaje wtedy bardziej intensywna cyrkulacja płynnej stali i polepsza się reakcja między tlenem i płynnym metalem. Najczęściej stosowane rodzaje takich procesów to proces LBE (proces Lance-Bubbling-Equilibrium) i proces TBM (proces Thyssen-Blowing-Metallurgy) (rysunek 8.6). Specjalną odmianą jest proces KMS (proces Klöckner-Maxhütte-Steel Making), w którym tlen jest wtryskiwany od strony dna razem z wapnem i pyłem węglowym.

Rysunek 8.6: Połączenie technologii wdmuchiwania z lancą górnego dmuchu lub boczną dyszą - [Ullmann,1994]

W tablicy 8.1 przedstawiono wykaz liczby konwertorów użytkowanych w Państwach Członkowskich Unii Europejskiej, uszeregowanych według rodzajów procesu. Oczywiście proces LD jest procesem dominującym.

Proces		Nominalna zdolność produkcyjna [1000 t/rok]
LD LD z mieszaniem w strefie dna LBE OBM K - OBM EOF LWS	17 44 22 5 1 1 2	12400 64960 27550 2780 2200 400 2900
Ogółem	92	113210

Tabela 8.1: Rodzaje, ilości i nominalne zdolności produkcyjne zasadowych konwertorów tlenowych (konwertorów tlenowych) będących w eksploatacji w Państwach Członkowskich Unii Europejskiej.

Ilość zużywanego tlenu zależy od składu gorącego metalu (tj. zawartości C, Si, P).

Postęp procesu wytwarzania stali jest oceniany na podstawie analiz próbek pobieranych z płynnego metalu. W nowoczesnych zakładach pobieranie próbek jest wykonywane bez przerywania operacji wdmuchiwania tlenu, za pomocą innej lancy. Ten sam wynik otrzymuje się przez znormalizowanie procedur procesu i/lub przez zastosowanie odpowiedniego modelowania dynamicznego i monitoringu. Przedsięwzięcia te sprzyjają podtrzymaniu wymaganej jakości, wydajności oraz zmniejszają emisje dymów podczas przechylania konwertora. Gdy jakość stali spełnia określone wymagania, wdmuchiwanie tlenu zostaje zatrzymane i surowa stal jest spuszczana z konwertora do kadzi. Następnie płynna stal jest transportowana po procesie rafinacji pozapiecowej do maszyny odlewniczej.

Reakcje utleniania są reakcjami egzotermicznymi wywołującymi wzrost temperatury płynnego żelaza. Złom, ruda żelaza lub inne czynniki chłodzące są dodawane w celu schłodzenia reakcji i utrzymania temperatury na poziomie około 1600-1650°C. Przeważnie około 10-20% wsadu konwertora stanowi złom, jednakże czasami są to wielkości aż do 40%. Ilość ładowanego złomu zależy od wstępnej obróbki, jakiej zostaje poddana surówka i od wymaganej temperatury spuszczania płynnej stali [UBA Comments, 1997 -Komentarze UBA,1997]. Mają na to również wpływ zmiany cen rynkowych złomu i wymagane specyfikacje stali.

Gazy wytwarzane podczas wdmuchiwania tlenu (gaz konwertorowy) zawierają duże ilości tlenku węgla. W wielu stalowniach podjęto działania mające na celu odzyskiwanie gazu konwertorowego i wykorzystanie go jako źródła energii. Stosowane są dwa systemy: „spalanie otwarte” i „spalanie tłumione”. W otwartych systemach spalania powietrze jest wprowadzane do przewodu gazów odlotowych konwertora, gdzie następuje spalanie tlenku węgla. Wytwarzane ciepło jest później odzyskiwane w kotle odzysknicowym. W systemie spalania tłumionego, podczas wdmuchiwania tlenu, na gardziel konwertora jest obniżana osłona. Ponieważ tlen z otoczenia nie może wtedy przedostać się do przewodu gazów odlotowych zapobiega to spalaniu się tlenku węgla. Gaz wzbogacony w tlenek węgla CO może być następnie zebrany, oczyszczony i zmagazynowany do późniejszego wykorzystania go jako paliwo. Główną zaletą spalania tłumionego jest mniejszy wypływ spalin, ponieważ nie zachodzi spalanie i nie wprowadza się dodatkowych ilości mieszanki powietrza i azotu. Uzyskuje się w ten sposób wyższą wydajność, ponieważ prędkość wdmuchu tlenu może zostać zwiększona.

W konwertorowo tlenowym procesie produkcji stali powstaje również znaczna ilość pyłu podczas ładowania złomu i gorącego metalu, wdmuchiwania i podczas spuszczania żużla i płynnej stali. Wszystkie stalownie w Państwach Członkowskich Unii Europejskiej podjęły działania mające na celu redukcję emisji pyłu.

Podczas procesu wytwarzania stali powstaje żużel. Regulacja składu żużla ma na celu efektywną redukcję ilości niepożądanych substancji zawartych w gorącym metalu i wytwarzanie żużla wysokiej jakości, który będzie odpowiedni do dalszego przetwarzania i wykorzystania.

Żużel jest zwykle schładzany i kruszony, a następnie za pomocą separacji magnetycznej odzyskiwane jest metaliczne żelazo. Własności techniczne żużla czynią go przydatnym dla wielu zastosowań w dziedzinie budownictwa lądowego i wodnego [Geiseler,1991; Geiseler,1992]

Ze względu na swoją strukturę żużel z konwertora tlenowego LD wykazuje wysoką odporność na ścieranie i dlatego jest często stosowany do budowy dróg [Köller,1995]. Wykorzystuje się go również do innych celów lub składuje się na hałdach.

2. Rafinacja pozapiecowa

Po zakończeniu procesu utleniania w konwertorze następuje zwykle końcowa obróbka stali obejmująca kilka różnych operacji metalurgicznych. Obróbka ta nazywana ”rafinacją pozapiecową” została opracowana w odpowiedzi na ciągle wzrastające wymagania jakościowe i doprowadziła do znacznego wzrostu wydajności poprzez przesunięcie procesów metalurgicznej rafinacji wsadu poza konwertor. Głównymi celami rafinacji pozapiecowej są:

• mieszanie i homogenizacja

• regulacja składu chemicznego zmniejszająca tolerancje analizy chemicznej

• regulacja temperatury w czasie procesu odlewania

• odtlenianie

• usuwanie niepożądanych gazów takich jak wodór i azot

• zwiększenie czystości tlenków przez oddzielenie wtrąceń niemetalicznych.

Przegląd operacji rafinacji pozapiecowej przedstawiono na rysunku 8.7. Operacje te są wykonywane w kadzi lub w pieco-kadzi, w układzie próżniowym lub w specjalnie zaprojektowanych piecach.

Rysunek 8.7: Przegląd operacji rafinacji pozapiecowej.

Ważnym etapem w procesie rafinacji pozapiecowej jest obróbka próżniowa. Ma ona głównie za zadanie usunięcie gazowego wodoru, tlenu, azotu lub resztek węgla ze stali przy podciśnieniu dochodzącym do 50 Pa. Celem tej operacji jest odwęglenie i usunięcie z płynnej stali gazów rozpuszczonych w wytopie podczas cyklu wdmuchiwania. W ten sposób można obniżyć stężenie wagowe tlenu i azotu do poziomu odpowiednio 0,0002% i 0,005%, przez redukcję ciśnienia do 10 mbar. Obecnie procesy obróbki próżniowej obejmują precyzyjne odwęglanie i odtlenianie stali niestopowych, odwęglanie stali stopowych chromowych, usuwanie siarki i wtrąceń, jak również takie procesy, jak wprowadzanie do płynnej stali składników stopowych, homogenizacja, sterowanie temperaturą i zapobieganie powtórnemu utlenieniu. Metalurgia próżniowa pozwoliła na uzyskiwanie stali o wyższej czystości, niższej zawartości gazów i węższej tolerancji zawartości składników stopowych.

Stosowane są następujące metody obróbki próżniowej stali:

• odgazowywanie kadziowe lub w komorze i

• odgazowywanie recyrkulacyjne

Z tych dwóch metod, odgazowywanie recyrkulacyjne jest dzisiaj najpowszechniejszym procesem, chociaż odgazowywanie kadziowe znów zaczyna być szeroko stosowane.

W odgazowywaniu kadziowym kadź zawierająca utleniony metal jest umieszczana w komorze próżniowej. Wprowadzenie dodatkowej energii umożliwia wyższe szybkości reakcji i redukuje końcowe stężenie niepożądanych składników kąpieli. Takie wzbudzenie metalu może być zrealizowane przez wtryśnięcie argonu przez jedną lub kilka porowatych zatyczek umieszczonych w dnie kadzi, przez homogenizację kąpieli metalu za pomocą lancy lub przez proces mieszania indukcyjnego.

W zależności od indywidualnych wymagań, możliwe jest dodanie złomu o wysokiej czystości (złom chłodzący) w celu wyregulowania temperatury kąpieli metalu lub wprowadzenie dodatków stopowych w celu umożliwienia precyzyjnego dobrania składu chemicznego stali. Dodatki stopowe są dodawane do kąpieli metalu w postaci stałej lub zamknięte w drucie rdzeniowym, odwijanym z układu szpul lub też przez wstrzyknięcie proszku przez lance. Przed końcem cyklu mieszania poziom tlenu może być wyznaczony za pomocą specjalnej sondy i być regulowany poprzez dodawanie odtleniaczy. W ciągu procesu mieszania mieszanina pyłu i gazu podnosząca się z kadzi jest odciągana przez ruchomy okap odciągowy.

Przy odgazowywaniu recyrkulacyjnym, płynny metal jest obrabiany próżniowo w sposób ciągły lub w oddzielnych porcjach. W zależności od projektu procesu rozróżnia się między porcjowym odgazowaniem próżniowym (DH) i recyrkulacyjnym odgazowaniem próżniowym (RH).

Obróbka próżniowa odgrywa kluczową rolę w zakładzie gospodarki wodnej, ponieważ podciśnienie jest wytwarzane za pomocą pary i procesów opartych na wodzie. Mniejsze układy wykorzystują do tego celu wodne pompy pierścieniowe, podczas gdy większe układy bazują na wielostopniowych parowo-strumieniowych pompach próżniowych lub na kombinacji pomp pierścieniowych i wielostopniowych strumieniowych pomp próżniowych. Gaz z komory obróbki próżniowej jest zasysany do wody przez podciśnienie wytwarzane na zasadzie strumieniowej pompy wodnej. Wielkości strumieni wody niezbędne do realizacji takiego procesu usuwania gazu są znaczne i mogą osiągnąć wielkość około 5 m³/t płynnej stali.

1. Odlewanie

Kiedy ostateczna jakość stali zostanie osiągnięta, stal przewożona jest w kadzi odlewniczej do maszyn odlewniczych. Jeszcze kilka lat temu, standardową metodą było odlewanie płynnej stali do trwałych form (odlewanie do trwałych form lub do wlewków) w sposób przerywany. Dzisiaj najpowszechniejszą metodą jest ciągłe odlewanie, w którym stal jest odlewana w ciągłe pasmo.

1. Ciągłe odlewanie

Rysunek 8.8 przedstawia schemat zakładu ciągłego odlewania stali.

Rysunek 8.8: Schemat zakładu ciągłego odlewania z piecem wgłębnym i walcownią z ładowaniem na gorąco

Ciągłe odlewanie stali daje kilka ważnych korzyści:

oszczędności energii, zmniejszenie emisji i zmniejszenie zużycia wody ze względu na wyeliminowanie zgniataczy kęsów płaskich i walcowni kęsów

polepszenie warunków pracy

wysokie wartości uzysków, przekraczające 95%

wysoką wydajność

Od momentu gdy ciągłe odlewanie stali zostało po raz pierwszy wprowadzone na skalę przemysłową w późnych latach sześćdziesiątych, jego udział w całkowitej produkcji stali w państwach Unii Europejskiej wzrósł do około 95,4%. Na całym świecie około 75% całej produkowanej stali jest aktualnie odlewane metodą ciągłą. Oprócz tradycyjnego procesu odlewania do wlewków, urządzenia do ciągłego odlewania zastąpiły również operacje walcowania kęsisk kwadratowych i płaskich oraz półwyrobów w konwencjonalnych walcowniach na gorąco. Na dzień dzisiejszy prawie wszystkie gatunki stali na wyroby walcowane mogą być wytwarzane metodą ciągłego odlewania, ponieważ niezbędne warunki wstępne takie, jak odtlenienie i odgazowanie są wykonywane przez nowoczesny proces rafinacji pozapiecowej.

Istnieje kilka rodzajów urządzeń do ciągłego odlewania stali: z krystalizatorem pionowym, z krystalizatorem gnąco-prostującym, z krystalizatorem łukowym i z krystalizatorem owalno- łukowym, w zależności od ich konfiguracji.

Płynna stal jest odlewana z konwertora do kadzi, która transportuje ją po rafinacji pozapiecowej do tak zwanej kadzi pośredniej urządzenia do ciągłego odlewania stali (CCM). Jest to kadź pośrednia z regulowaną wielkością wylewu stali. Przed dopuszczeniem wsadu płynnej stali do odlewania, kadzie są podgrzewane, aby uniknąć rozwarstwienia temperatur w kadzi pośredniej.

Gdy płynna stal osiągnie żądaną temperaturę, jest ona przelewana do kadzi pośredniej. Stąd przechodzi do krótkiego, chłodzonego wodą miedzianego krystalizatora, do którego nie ma dostępu powietrze i który wykonuje ruchy oscylacyjne w dół i w górę, co zapobiega zjawisku zakleszczania się stali. Krystalizator nadaje metalowi żądany kształt. Gdy metal opuszcza krystalizator ciągłego odlewania tworzy się „naskórek” zakrzepłej stali i duża liczba rolek („walców ciągnących”) prowadzi odlaną stal po łagodnej krzywej do pozycji poziomej. W tym miejscu ciągłe pasmo jest cięte na kawałki za pomocą palnika. W ten sposób są odlewane kęsy płaskie, kęsiska kwadratowe i kęsy.

Gdy brak samopodpartych odcinków pasma, odcinki nagrzanego do czerwoności pasma ze skrystalizowaną strefą powierzchniową przesuwają się po licznych parach rolek napędowych i nienapędowych, które podtrzymują jego powłokę przed ciśnieniem ferrostatycznym. Ponieważ rdzeń pasma jest jeszcze w stanie płynnym, jest ono spryskiwane dokładnie wodą i chłodzone do momentu pełnej krystalizacji (chłodzenie wtórne). Proces ten zapobiega powstawaniu pęknięć w strefie powierzchniowej pasma, która jest jeszcze dość cienka, jak również chroni rolki przed ich przegrzaniem. Elementami podtrzymującymi, transportującymi i napędowymi są przeważnie rolki wyposażone w system chłodzenia wewnętrznego i zewnętrznego. We wtórnej strefie chłodzenia, chłodzenie wewnętrzne rolek staje się zbyteczne, gdy tylko temperatura zostanie odpowiednio zmniejszona przez natrysk wodny. Do automatycznego systemu smarowania są podłączone liczne łożyska pracujące w układzie. Gdy pasmo w pełni skrystalizuje może być cięte na różne wymiary za pomocą palników przesuwających się wzdłuż pasma lub za pomocą nożycy. Szybkie chłodzenie daje stali jednolitą mikrostrukturę krystalizacji, cechującą się korzystnymi własnościami technologicznymi. Na mikrostrukturę krystalizacji pasma można wpływać przez nadmuch powietrza od dołu lub za pomocą wody chłodzącej.

Kształt pasma jest nadawany przez geometrię krystalizatora. Obecnie stosowane rodzaje krystalizatorów obejmują krystalizatory prostokątne, kwadratowe, okrągłe lub wieloboczne. Do produkcji kształtowników stalowych możliwe jest zastosowanie krystalizatorów o przekroju przypominającym przybliżony przekrój poprzeczny danego produktu. Typowe wymiary pasma przy odlewaniu ciągłym mieszczą się między 80x80mm i około 310x310mm, 600 mm (po obwodzie) przy kęsach i 450x650 mm przy kęsiskach kwadratowych, podczas gdy urządzenia do odlewania kęsów płaskich produkują wymiary o grubościach do 350 mm i o szerokościach do 2720 mm. Urządzenia do odlewania kęsów mogą wytwarzać kilka ( aktualnie do ośmiu) pasm jednocześnie, podczas gdy liczba pasm w urządzeniach do odlewania kęsów płaskich jest ograniczona do dwóch.

2. Odlewanie wlewków

Przy odlewaniu wlewków płynna stal jest odlewana do wlewnic. W zależności od wymaganej jakości powierzchni, podczas odlewania do wlewnic mogą być dodawane środki odgazowywujące (takie jak NaF). Po schłodzeniu wlewki są wyciągane z wlewnic i transportowane do walcowni. W dalszej kolejności, po podgrzaniu wlewki są walcowane na kęsiska płaskie, kwadratowe lub kęsy. W wielu miejscach odlewanie wlewków zastąpiono odlewaniem ciągłym. Należy spodziewać się, że odlewanie wlewków zostanie prawie całkowicie zastąpione procesem odlewania ciągłego, z wyjątkiem takich produktów, które wymagają odlewania wlewków w celu uzyskania niezbędnej jakości, jak na przykład produkcja ciężkich obiektów na odkuwki.

Usuwanie węgla [C] + [O] ↔ CO (gaz odlotowy)

[CO] + [O] ↔ CO₂ (gaz odlotowy)

Utlenianie pierwiastków

towarzyszących i przypadkowych

domieszek

- Odkrzemianie [Si] + 2[O] + 2(CaO) ↔ (2CaO • SiO₂)

- Reakcja manganowa [Mn] + [O] ↔ (MnO)

- Odfosforowanie 2[P] + 5[O] + 3[CaO] ↔ (3CaO • P₂O₅)

- Odsiarczanie [S] + [CaO] ↔ (CaS) + [O]

Odtlenianie

Usuwanie tlenu resztkowego [Si] + 2[O] ↔ (SiO₂)

poprzez żelazokrzem

Aluminium 2[Al] + 3[O] ↔ (Al₂O₃)

Uwagi: [ ] - rozpuszczone w żelazie

( ) - zawarte w żużlu

---