Stålsmeltning: teknologi, metoder, råmaterialer

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 13:52

Jernmalm opnås på sædvanlig måde: dagbrud eller underjordisk minedrift og efterfølgende transport til indledende klargøring, hvor materialet knuses, vaskes og bearbejdes.

Malmen hældes i en højovn og blæses med varm luft og varme, som gør den til smeltet jern. Det fjernes derefter fra bunden af ovnen i forme kendt som grise, hvor det afkøles til at producere råjern. Det bliver til smedejern eller forarbejdet til stål på flere måder.

Hvad er stål?

I begyndelsen var der jern. Det er et af de mest almindelige metaller i jordskorpen. Det kan findes næsten over alt, i kombination med mange andre elementer, i form af malm. I Europa går jernarbejde tilbage til 1700 f. Kr.

I 1786 fastslog de franske videnskabsmænd Berthollet, Monge og Vandermonde nøjagtigt, at forskellen mellem jern, støbejern og stål skyldes forskelligt kulstofindhold. Ikke desto mindre blev stål, lavet af jern, hurtigt det vigtigste metal i den industrielle revolution. I begyndelsen af det 20. århundrede var verdens stålproduktion 28millioner tons - det er seks gange mere end i 1880. Ved begyndelsen af Første Verdenskrig var dens produktion 85 millioner tons. I flere årtier har den praktisk t alt erstattet jern.

Kulstofindhold påvirker metallets egenskaber. Der er to hovedtyper af stål: legeret og ulegeret. Stållegering refererer til andre kemiske elementer end kulstof tilsat jern. Således bruges en legering af 17 % krom og 8 % nikkel til at skabe rustfrit stål.

I øjeblikket er der mere end 3000 katalogiserede mærker (kemiske sammensætninger), ikke medregnet dem, der er skabt til at opfylde individuelle behov. Alle bidrager de til at gøre stål til det bedst egnede materiale til fremtidens udfordringer.

Råvarer til stålfremstilling: primære og sekundære

Smeltning af dette metal ved hjælp af mange komponenter er den mest almindelige minedriftsmetode. Ladningsmaterialer kan være både primære og sekundære. Hovedsammensætningen af ladningen er som regel 55% råjern og 45% af det resterende skrot. Ferrolegeringer, omdannet støbejern og kommercielt rene metaller bruges som hovedelementet i legeringen, som regel er alle typer jernholdigt metal klassificeret som sekundære.

Jernmalm er det vigtigste og mest basale råmateriale i jern- og stålindustrien. Det tager omkring 1,5 ton af dette materiale at producere et ton råjern. Omkring 450 tons koks bruges til at producere et ton råjern. Mange jernværkerder bruges selv trækul.

Vand er et vigtigt råstof til jern- og stålindustrien. Det bruges hovedsageligt til koksslukning, højovnskøling, kulovnsdørs dampproduktion, drift af hydraulisk udstyr og bortskaffelse af spildevand. Det kræver omkring 4 tons luft at producere et ton stål. Flux bruges i højovnen til at udvinde forurenende stoffer fra smeltermalm. Kalksten og dolomit kombineres med de ekstraherede urenheder og danner slagge.

Både højovne og stålovne foret med ildfaste materialer. De bruges til frontovne beregnet til jernmalmssmeltning. Siliciumdioxid eller sand bruges til støbning. Ikke-jernholdige metaller bruges til at fremstille stål af forskellige kvaliteter: aluminium, krom, kobolt, kobber, bly, mangan, molybdæn, nikkel, tin, wolfram, zink, vanadium osv. Blandt alle disse ferrolegeringer er mangan meget brugt i stålfremstilling.

Jernaffald fra demonterede fabriksstrukturer, maskineri, gamle køretøjer osv. genbruges og bruges i vid udstrækning i industrien.

Jern til stål

Stålsmeltning med støbejern er meget mere almindeligt end med andre materialer. Støbejern er et udtryk, der norm alt refererer til gråt jern, men det er også identificeret med en stor gruppe af ferrolegeringer. Kulstof udgør omkring 2,1 til 4 vægt%, mens silicium typisk er 1 til 3 vægt% i legeringen.

Jern- og stålsmeltning finder sted ved en temperatursmeltepunkt mellem 1150 og 1200 grader, hvilket er omkring 300 grader lavere end smeltepunktet for rent jern. Støbejern udviser også god flydeevne, fremragende bearbejdelighed, modstandsdygtighed over for deformation, oxidation og støbning.

Stål er også en legering af jern med et variabelt kulstofindhold. Kulstofindholdet i stål er 0,2 til 2,1 masse%, og det er det mest økonomiske legeringsmateriale til jern. Smeltning af stål fra støbejern er nyttigt til en række ingeniørmæssige og strukturelle formål.

Jernmalm til stål

Processen med at fremstille stål begynder med forarbejdning af jernmalm. Den sten, der indeholder jernmalm, knuses. Malm udvindes ved hjælp af magnetiske valser. Finkornet jernmalm forarbejdes til grovkornede klumper til brug i en højovn. Kul raffineres i en koksovn for at producere en næsten ren form for kulstof. Blandingen af jernmalm og kul opvarmes derefter for at fremstille smeltet jern, eller råjern, som stål fremstilles af.

I den primære oxygenovn er smeltet jernmalm det vigtigste råmateriale og blandes med forskellige mængder stålskrot og legeringer for at fremstille forskellige stålkvaliteter. I en lysbueovn smeltes genanvendt stålskrot direkte til nyt stål. Omkring 12 % af stålet er lavet af genbrugsmateriale.

Smelteteknologi

Smeltning er en proces, hvorved et metal opnås enten i form af et grundstof,enten som en simpel forbindelse fra dens malm ved opvarmning til over dets smeltepunkt, sædvanligvis i nærværelse af oxidationsmidler såsom luft eller reduktionsmidler såsom koks.

I stålfremstillingsteknologi opvarmes metallet, der er kombineret med oxygen, såsom jernoxid, til en høj temperatur, og oxidet dannes i kombination med kulstof i brændstoffet, som frigives som kulilte eller kulstof dioxid. Andre urenheder, samlet kaldet årer, fjernes ved at tilføje en strøm, som de kombineres med til at danne slagge.

Moderne stålfremstilling bruger en efterklangsovn. Den koncentrerede malm og vandløb (norm alt kalksten) belastes i toppen, mens den smeltede sten (forbindelse af kobber, jern, svovl og slagge) trækkes fra bunden. En anden varmebehandling i en omformerovn er nødvendig for at fjerne jern fra den matte finish.

Oxygen-konvektormetode

BOF-processen er verdens førende stålfremstillingsproces. Verdensproduktionen af konverterstål udgjorde i 2003 964,8 millioner tons eller 63,3% af den samlede produktion. Konverterproduktion er en kilde til miljøforurening. Hovedproblemerne ved dette er reduktion af emissioner, udledninger og reduktion af affald. Deres essens ligger i brugen af sekundær energi og materielle ressourcer.

Eksoterm varme genereres af oxidationsreaktioner under nedblæsning.

Den vigtigste proces med stålfremstilling ved hjælp af vores egenaktier:

• Smeltet jern (nogle gange kaldet varmt metal) fra en højovn hældes i en stor ildfast foret beholder kaldet en slev.
• Metalet i øsen sendes direkte til det primære stålproduktions- eller forbehandlingstrin.
• Højrenhedsilt ved et tryk på 700-1000 kilopascal injiceres med supersonisk hastighed på overfladen af jernbadet gennem en vandkølet lanse, der er ophængt i et kar og holdes et par fod over badet.

Beslutningen om forbehandling afhænger af kvaliteten af det varme metal og den ønskede endelige stålkvalitet. De allerførste aftagelige bundkonvertere, der kan tages af og repareres, er stadig i brug. Spydene, der blev brugt til at blæse, er blevet skiftet. For at forhindre fastklemning af lansen under blæsning blev der brugt slidskraver med en lang tilspidset kobberspids. Spidsen af spidsen brænder efter forbrænding den dannede CO af, når den blæses ind i CO_{2 og giver yderligere varme. Dart, ildfaste bolde og slaggedetektorer bruges til at fjerne slagger.}

Oxygen-konvektormetode: fordele og ulemper

Kræver ikke omkostningerne til gasrensningsudstyr, da støvdannelse, dvs. jernfordampning, reduceres med 3 gange. På grund af faldet i udbyttet af jern observeres en stigning i udbyttet af flydende stål med 1,5 - 2,5 %. Fordelen er, at blæseintensiteten i denne metode øges, hvilket giverevnen til at øge konverterens ydeevne med 18%. Kvaliteten af stålet er højere, fordi temperaturen i skyllezonen er lavere, hvilket resulterer i mindre nitrogendannelse.

Manglerne ved denne metode til stålsmeltning førte til et fald i efterspørgslen efter forbrug, da niveauet for iltforbruget stiger med 7 % på grund af det høje forbrug af brændstofforbrænding. Der er et øget brintindhold i det genanvendte metal, hvorfor det tager noget tid efter afslutningen af processen at gennemføre en udrensning med ilt. Blandt alle metoderne har oxygen-konverter den højeste slaggedannelse, årsagen er manglende evne til at overvåge oxidationsprocessen inde i udstyret.

Åben-ild-metode

Den åbne ildproces i det meste af det 20. århundrede var hoveddelen af forarbejdningen af alt stål fremstillet i verden. William Siemens søgte i 1860'erne et middel til at hæve temperaturen i en metallurgisk ovn, og genoplivede et gammelt forslag om at bruge spildvarmen, der genereres af ovnen. Han opvarmede murstenen til en høj temperatur og brugte derefter den samme vej til at indføre luft i ovnen. Den forvarmede luft øgede flammens temperatur betydeligt.

Naturgas eller forstøvede tunge olier bruges som brændstof; luft og brændstof opvarmes før forbrænding. Ovnen er fyldt med flydende råjern og stålskrot sammen med jernmalm, kalksten, dolomit og flusmidler.

Selve ovnen er lavet afmeget ildfaste materialer såsom ildstedsten af magnesit. Ovne med åben ild vejer op til 600 tons og installeres norm alt i grupper, så det massive hjælpeudstyr, der er nødvendigt til at lade ovne og behandle flydende stål effektivt kan bruges.

Selvom processen med åben ild er blevet næsten fuldstændig erstattet i de fleste industrialiserede lande af den grundlæggende oxygenproces og lysbueovnen, producerer den omkring 1/6 af alt stål, der produceres på verdensplan.

Fordele og ulemper ved denne metode

Fordelene omfatter brugervenlighed og let fremstilling af legeret stål med forskellige tilsætningsstoffer, der giver materialet forskellige specialiserede egenskaber. De nødvendige tilsætningsstoffer og legeringer tilsættes umiddelbart før afslutningen af smeltningen.

Ulemperne omfatter reduceret effektivitet sammenlignet med oxygen-konverter-metoden. Kvaliteten af stålet er også lavere sammenlignet med andre metalsmeltningsmetoder.

Elektrisk stålfremstillingsmetode

Den moderne metode til at smelte stål ved hjælp af vores egne reserver er en ovn, der opvarmer et ladet materiale med en elektrisk lysbue. Industrielle lysbueovne varierer i størrelse fra små enheder med en kapacitet på omkring et ton (bruges i støberier til produktion af jernprodukter) til 400 tons enheder, der anvendes i sekundær metallurgi.

bueovne,brugt i forskningslaboratorier kan kun have en kapacitet på nogle få tiere gram. Industrielle lysbueovnstemperaturer kan nå op til 1800 °C (3, 272 °F), mens laboratorieinstallationer kan overstige 3000 °C (5432 °F).

Lbueovne adskiller sig fra induktionsovne ved, at ladematerialet er direkte udsat for en elektrisk lysbue, og strømmen i terminalerne går gennem det ladede materiale. Den elektriske lysbueovn bruges til stålproduktion, består af en ildfast foring, sædvanligvis vandkølet, stor størrelse, dækket med et tilbagetrækkeligt tag.

Ovnen er hovedsageligt opdelt i tre sektioner:

• Skal bestående af sidevægge og nederste stålskål.
• Alden består af et ildfast materiale, der trækker den nederste skål ud.
• Det ildfaste forede eller vandkølede tag kan udføres som en kuglesektion eller en keglestub (konisk sektion).

Fordele og ulemper ved metoden

Denne metode indtager en førende position inden for stålproduktion. Stålsmeltemetoden bruges til at skabe metal af høj kvalitet, der enten er fuldstændig blottet for eller indeholder en lille mængde uønskede urenheder såsom svovl, fosfor og oxygen.

Den største fordel ved metoden er brugen af elektricitet til opvarmning, så du nemt kan styre smeltetemperaturen og opnå en utrolig opvarmningshastighed af metallet. Automatiseret arbejde bliveren behagelig tilføjelse til den fremragende mulighed for højkvalitetsbehandling af diverse metalskrot.

Ulempe omfatter højt strømforbrug.