Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία Μάθημα 2: Μέθοδοι Παραγωγής Χάλυβα Δρ. Α. Ξενίδης

Τύποι σιδήρου - σιδηροκραμάτων Ορισμοί Σίδηρος 0 – 0,025 % κ.β. C Χάλυβας 0,025 – 2 % κ.β. C Χυτοσίδηρος > 2% κ.β. C Σιδηροκράματα Δημιουργία κραμάτων Ρύθμιση χημικής ανάλυσης μετάλλων ή κραμάτων Κάθαρση μετάλλων ή κραμάτων Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Χάλυβες Κοινοί χάλυβες Χάλυβες χωρίς προσθήκες (εκτός τις συνήθεις ακαθαρσίες) Κεκραμένοι χάλυβες ή ειδικοί χάλυβες: Ελαφρώς κεκραμένοι (όταν οι προσθήκες, είναι συνολικά μικρότερες του 5%) Ισχυρώς κεκραμένοι (όταν οι προσθήκες είναι μεγαλύτερες του 5%) Χάλυβες χύτευσης ή χυτοχάλυβες Χρησιμοποιούνται για απευθείας χύτευση αντικειμένων σε κατάλληλους τύπους Χάλυβες διαμόρφωσης Παράγονται μετά την κατεργασία με πλαστική παραμόρφωση αρχικών πλινθωμάτων με μηχανές της μεταλλοτεχνίας Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Στάδια χαλυβοποίησης Δύο στάδια: Κάθαρση Αποξείδωση Στάδιο κάθαρσης (οξείδωση ακαθαρσιών) Ακαθαρσίες: P, Si, Mn, S, C Καθαρισμός μέσω οξείδωσης με εμφύσηση οξυγόνου Η οξείδωση αυτή είναι εξώθερμη Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Στάδιο κάθαρσης χάλυβα 2P + 2.5 O2 = P2O5 ΔΗo298 = -356,6 kcal Si + O2 = SiO2 ΔΗo298 = -210,0 kcal Mn + 0.5 O2 = MnO ΔΗo298 = - 92,0 kcal S + O2 = SO2 ΔΗo298 = - 70,9 kcal Fe + 0.5 O2 = FeO ΔΗo298 = - 63,5 kcal C + 0.5 O2 = CO ΔΗo298 = - 26,4 kcal Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Στάδιο κάθαρσης χάλυβα Παραγόμενη θερμότητα οξείδωσης ακαθαρσιών (kcal/kg) Στοιχείο Τ = 298 οΚ Τ = 1673 οΚ Si 7491 7410 P 5972 5962 C 2198 2312 S 2213 2218 Mn 1675 1750 Fe 1137 993 Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Αποξείδωση χάλυβα Παραμένουσα ποσότητα οξυγόνου Τόσο μεγαλύτερη όσο μικρότερη η περιεκτικότητα αυτών των στοιχείων Υπάρχει ισορροπία του οξυγόνου μεταξύ των δύο φάσεων [FeO] = (FeO) [O] = (O) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Αποξείδωση χάλυβα Αποβλέπει στη βελτίωση της ποιότητας του χάλυβα Στο τέλος του 1ου σταδίου (κάθαρσης) παράγεται χάλυβας, ο οποίος περιέχει διαλελυμένο Ο διαλελυμένο N διαλελυμένο Η Κατά τη χύτευση: [FeO] = [Fe] + 1/2O2 [C] + [O] = (CO)g [FeO] + [C] = [Fe] + (CO)g ΔΗo298 = +36,78 kcal Κατά τη στερεοποίηση: σοβαρή έκλυση αερίων (άνοδο της στάθμης και υπερχείλιση μετάλλου από το καλούπι, «περιθωριακό» ή «ανήσυχο» μέταλλο) και το πλίνθωμα (παραγόμενο στερεό μέταλλο) περιέχει πλήθος φυσαλίδων Το FeO που απομένει (τήκεται στους 1371oC) βρίσκεται στα όρια των κόκκων και προκαλεί μεγάλη ευθραυστότητα του χάλυβα κατά τις εν θερμώ διεργασίες (θερμή έλαση) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Αποξείδωση χάλυβα Για λήψη «υγιειούς» ή «καθυσηχασμένου» χάλυβα χρησιμοποιούνται αποξειδωτικά (Si, Mn) Διασπούν το [FeO] Σχηματίζουν οξείδια, αδιάλυτα στο σίδηρο υπό μορφή σκουριάς Στο μέταλλο εξακολουθεί να παραμένει μικρή ποσότητα Ο υπό μορφή [FeO] καθώς και Η και Ν  δημιουργία αερίων κατά τη στερεοποίηση Για πλήρως καθησυχαμένο χάλυβα χρησιμοποιούνται «καθησυχαστικά» Al ή Ti Ενώνονται με το Οξυγόνο και άζωτο και δίδουν ενώσεις αδιάλυτες στο σίδηρο υπό μορφή σκουριάς Μέρος των Si, Mn, Al, Ti παραμένει διαλελυμένο στο χάλυβα Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Αποξείδωση χάλυβα Παραμένουσες ακαθαρσίες στον χάλυβα Φωσφόρος, Θείο Αποξειδωτικά (Mn, Si, Al, Ti) O, H, N Φωσφόρος (προέρχεται από το μετάλλευμα) Συνήθως έχει συγκέντρωση στους χάλυβες < 0,025% (χάλυβα Siemens - Martin) < 0,015% (χάλυβας από Η/Κ τόξου) < 0,04 % (χάλυβας Bessemer) < 0,01 % (χάλυβας LD) < 0,01 % (χάλυβας OBM) Προκαλεί ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες (cold shortness) Στις υψηλές θερμοκρασίες ευνοεί την πλαστική παραμόρφωση Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Αποξείδωση χάλυβα Το θείο (S) Προέρχεται από τα καύσιμα Προκαλεί ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (hot shortness) Ρωγμές κατά την πλαστική (εν θερμώ) διαμόρφωση του μετάλλου Το Si (0,2-0,3%), Mn (0,3%), Al, Ti (0,01-0,05%) Το Ο παραμένει κατά την πλημμελή αποξείδωση του χάλυβα με τη μορφή εγκλεισμάτων σκουριάς FeO που ελαττώνουν την αντοχή του χάλυβα. Το N βρίσκεται με τη μορφή νιτριδίων και ελάχιστο ως αέριο Αυξάνει τη σκληρότητα του κοινού χάλυβα αλλά ιδιαίτερα τη σκληρότητα ορισμένων «κεκραμένων» χαλύβων Αντίθετα, ελαττώνει την πλαστικότητα Το Η βρίσκεται με τη μορφή διαλελυμένου αερίου Προκαλεί χαρακτηριστική ευθραυστότητα Αποβάλλεται με χύτευση υπό κενό Πηγή υδρογόνου: η διάσπαση νερού που βρίσκεται με τη μορφή υγρασίας στο scrap Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Aποξείδωση χάλυβα Τρόποι αποξείδωσης Αποξείδωση με διάχυση Σε μη αναγωγική σκουριά [FeO] = (FeO) [O] = (O) (δηλαδή υπάρχει διάχυση Ο από το μέταλλο στη σκουριά) Σε αναγωγική σκουριά (FeO) + (C) = [Fe] + CO (FeO)  [FeO]  (κατά την ισορροπία) Εφαρμόζεται στην Η/Κ τόξου Αποξείδωση με καταβύθιση Προσθήκη στοιχείων με μεγαλύτερη χημική συγγένεια με το Ο (όπως Si, Mn, Al, Ti) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Στάδιο αποξείδωσης χάλυβα Αντιδράσεις αποξείδωσης με καταβύθιση 2 [FeO] + [Si] = 2[Fe] + (SiO2) [FeO] + [Mn] = [Fe] + (MnO) 3 [FeO] + 2[Al] = 3[Fe] + (Al2O3) 2 [FeO] + [Ti] = 2[Fe] + (TiO2) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Σύσταση χάλυβα Συστατικό Χυτοσίδηρος (%) Μαλακτός Σίδηρος* Σπογγώδης Σίδηρος Μαλακός Χάλυβας C 3,5 – 4,5 0,02 1 0,12 < 1 Si 0,5 – 1,5 0,09 0,15 0,5 Mn 0,5 – 2,5 0,40 0,67 0,5-1,5 S  0,7 0,05 < 0,03 P 0,06 - 3,0 0,10 0,13 0,046 Fe 94 85-90  97 Φυσικές Ιδιότητες Σκληρός Εύθραυστος Ελατός Όλκιμος Κοκκώδες Υλικό Ακαθαρσίες (SiO2, CaO, MgO, Al2O3, κλπ) Δεν έχει * 10 FeO  15 Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)