Produkcja stali – historia i przegląd cz. XII

„Metalurga pozapiecowa – wprowadzenie. Domieszki zwykłe w stali”

Głównym zadaniem metalurgii pozapiecowej jest przyspieszenie przebiegu procesów oraz poprawa jakości wytwarzanej stali przy małych nakładach pracy, energii i materiałów, co będzie się oczywiście przekładało na koszty wytworzenia stali.

Przy mniej zaawansowanych procesach i technikach produkcyjnych, prowadzenie zabiegów rafinujących prowadzone było w piecach elektrycznych, bądź konwertorach. Przeniesienie tych operacji do kadzi pozwala zwiększać wydajność urządzeń, bowiem piec lub konwertor może zacząć wytapianie kolejnej partii materiału.

Na początku spróbujmy wyjaśnić sobie ci kryje się pod pojęciem rafinacji? Otóż rafinacja jest zazwyczaj częścią procesu technologicznego, polegającą na usuwaniu domieszek w celu uzyskania lepszych własności metalu lub stopu. Zazwyczaj odbywa się poprzez utlenianie domieszek tlenem gazowym.

Rysunek poniżej przedstawia nowoczesną linię produkcyjną stali [1].

Rys. 1. Schemat nowoczesnej linii produkcji stali

Na procesy podstawowe składa się ogólnie pojęte roztapianie i świeżenie. Następnie rafinacja i wykańczanie stali wchodzące w skład procesów metalurgii pozapiecowej.

Na końcu procesu technologicznego jest odlewanie stali, odbywające się na zasadzie ciągłego odlewania stali.

Istnieje dyskusja wśród metalurgów, gdzie dokładnie rozpoczyna i kończy się obszar metalurgii pozapiecowej. Jednak zdecydowana większość opinii mówi, że metalurgia pozapiecowa rozpoczyna się z chwilą spustu z konwertora, ewentualnie pieca elektrycznego, natomiast kończy się w momencie zakrzepnięcia wlewka ciągłego.

Głównym, tj. najbardziej znaczącym zadaniem metalurgii pozapiecowej jest znaczne ograniczenie zawartości szkodliwych składników, takich jak: gazy (azot, wodór, tlen), siarka
i fosfor. Chciałbym w tym miejscu przedstawić najważniejsze domieszki, występujące w stali. Należą do nich głównie: mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór, azot i tlen, ponieważ
te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych gatunkach stali.

Mangan (zazwyczaj w granicach do 0,8%, choć niekiedy jego zawartość może zwiększyć się nawet do 1,5% wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku żelazawego lub związania siarki w MnS, przez co zapobiega się powstaniu FeS powodującemu powstanie kruchości stali na gorąco.

Krzem w ilościach do 0,5% jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. Większe ilości krzemu powodują zwiększenie oporu elektrycznego.

Fosfor – dostaję się do stali z rud żelaza. Jest usuwany w mniejszym lub większym stopniu podczas wytapiania. Zależy to przede wszystkim, od rodzaju zastosowanego pieca
do wytapiania. Jego zbyt duże ilości powodują tzw. kruchość na zimno. Warto także zaznaczyć, że w niektórych przypadkach, zawartość fosforu, może okazać się pozytywna,
np. w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok. 0,35% - zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi fosfor zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną.

Siarka podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę można
w znacznej mierze usunąć ze stali, jeżeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02 ÷ 0,03%. Zbyt duże ilości siarki mogą powodować tzw. kruchość na gorąco, czego skutkiem będzie ograniczona podatność do przeróbki plastycznej na gorąco.

Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny Zmniejsza on w znacznym stopniu własności plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieżnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp.

Azot odpowiedzialny za wzrost własności wytrzymałościowych oraz zmniejszenie własności plastycznych stali.

Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich własności mechanicznych i dlatego dąży się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniżenia jego zawartości
w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium.

Metalurgia pozapiecowa jest nieodłączną częścią produkcji stali. Gwarantuje uzyskiwanie stali o wysokiej jakości, daje znakomite wyniki procesu rafinacji stali, skraca czas procesu, poprawia bilans energetyczny. W kolejnej części postaram się przedstawić więcej szczegółów obróbki pozapiecowej, a wspomniane w poprzedniej części odlewanie stali, ukaże się w późniejszym terminie.

Bibliografia:
1. Teresa Lis „Współczesne metody otrzymywania stali”
2. Materiały prywatne – notatki z wykładów
3. Adam Tabor (red). Metalurgia: podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych /

Grzegorz Bielski, Ambasador Klubu ArcelorMittal AGH