ΥΛΙΚΑ 1 L6 2.4 Ιστορική ανασκόπηση της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα

Παρουσίαση με θέμα: "ΥΛΙΚΑ 1 L6 2.4 Ιστορική ανασκόπηση της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΥΛΙΚΑ 1 L6 2.4 Ιστορική ανασκόπηση της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα

2 Χρονικές Περίοδοι στη Μεταλλουργία Σιδήρου
Εποχή σιδήρου (2000 – 1000 π.Χ.) Περίοδοι παραγωγής σιδήρου Μαλακτός σίδηρος (2000 π.Χ – 1300 μ.Χ.) Ρευστός χυτοσίδηρος (1300 μ.Χ μ.Χ.) Μαζική παραγωγή χάλυβα ( μ.Χ.) 2

3 Μαλακτός σίδηρος (2000 π.Χ – 1300 μ.Χ.)
Εποχή σιδήρου Παραγωγή μαλακτού σιδήρου (wrought iron) Χρονολογείται μεταξύ 2000 – 1000 π.Χ. Ήταν ήδη γνωστά άλλα ελατά μέταλλα (χαλκός – χρυσός) Το νέο υλικό ήταν σκληρότερο (πιο χρήσιμο) Χύτευση : άγνωστη, ίσως σε πλίνθινα καλούπια Γνωστές διεργασίες : Σφυρηλασία (διαμόρφωση), απότομη ψύξη (βαφή προς σκλήρυνση), αναθέρμανση (ανόπτηση για εύκολη κατεργασία) 3

4 Ρευστός χυτοσίδηρος (1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.)
1300 μ.Χ. : Μέθοδος παραγωγής χυτοσιδήρου (από Κίνα στην Ευρώπη) Παράγονται μεγαλύτερες φρεατώδεις κάμινοι με βελτιωμένα συστήματα εμφύσησης Μεγαλύτερος χρόνος παραμονής (ο άνθρακας έχει χρόνο να διαχυθεί στον σπογγώδη σίδηρο με αποτέλεσμα να χαμηλώνει το σημείο τήξης) Υψηλότερες θερμοκρασίες στο κέντρο της καμίνου Χαρακτηριστικά υλικού Σκληρό, μη ελατό (δεν μπορούσε με σφυρηλασία να δώσει λεπτά ελάσματα), ούτε όλκιμο υλικό (δεν μπορούσε να εκταθεί σε λεπτά σύρματα), Ακατάλληλο για τα περισσότερα όπλα και εργαλεία Χυτευόταν μόνο σε μαγειρικά σκεύη, κανόνια, βλήματα κανονιών, «πυρίμαχες» εσχάρες Με επανάτηξη του χυτοσιδήρου παραγόταν ημίρρευστο υλικό, που οξειδωνόταν 4

5 Ρευστός χυτοσίδηρος (1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.)
έως 1700 μ.Χ. : Περιορισμένη παραγωγή ρευστού χυτοσιδήρου και χάλυβα (επίπονες μέθοδοι – μικρή παραγωγικότητα) 1740 μ.Χ. : Παραγωγή χαλύβδινων προϊόντων Από τον Benjamin Huntsman Έτηξε και απανθράκωσε χυτοσίδηρο σε ειδικά χωνευτήρια των 35 kg: Παρήχθη ένα ομοιογενές, ελατό χαλύβδινο προϊόν που χρησιμοποιήθηκε για υψηλής ποιότητας ελατήρια ρολογιών - Χρονομέτρων 5

6 Ρευστός χυτοσίδηρος (1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.)
18ος αιώνας : Ανάπτυξη υψικαμίνων Δυνατή η παραγωγή χυτοσιδήρου σε μεγάλες ποσότητες Οι μέθοδοι μετατροπής του χυτοσιδήρου σε χάλυβα είχαν περιορισμένη δυναμικότητα Έως το 1850 μ.Χ. η παγκόσμια παραγωγή ρευστού χυτοσιδήρου δεν ξεπερνούσε τα 3 εκ. τόνους 1856 μ.Χ. : μέθοδος Bessemer (μεταλλάκτης – 1η μέθοδος μαζικής κλίμακας μετατροπής ρευστού χυτοσιδήρου σε χάλυβα  αρχίζει η αύξηση της ζήτησης χυτοσιδήρου) 1857 μ.Χ. : μέθοδος έμφλογης καμίνου (Siemens- Martin ή Open Hearth Process) για παραγωγή χάλυβα από υγρό χυτοσίδηρο 1905 μ.Χ. : Παγκόσμια παραγωγή χυτοσιδήρου φθάνει τα 55 εκ. τον. (το 70% έγινε χάλυβας) 1929 μ.Χ. : Παραγωγή χυτοσιδήρου 96 εκ. τον. 6

7 Μαζική παραγωγή χάλυβα (1851 - 1951 μ.Χ.)
Σ.Τ. καθαρού Fe: 1539 oC Σίδηρος με χαμηλή περιεκτικότητα C Για χύτευση : Τ > 1620 oC (περίπου 1650 oC, δύσκολο να διατηρηθεί για μεγάλο χρόνο κατά το 1850) Τα κύρια προβλήματα την πρώτη περίοδο χαλυβοποίησης ήταν: Να διατηρηθεί η υψηλή θερμοκρασία Να βρεθεί αποτελεσματικότερος τρόπος απομάκρυνσης του C Μέθοδος Bessemer (1856): Τυχαία ανακάλυψη (εμφύσηση ψυχρού αέρα – θέρμανση του παραγομένου προϊόντος) Μέθοδος Bessemer: Εφαρμογή σε Σουηδικό χάλυβα (S, P και Mn που λειτουργούσε και ως αποξειδωτικό) Αντίθετα, οι συνήθεις χυτοσίδηροι: S  (από κωκ), P  και Mn   σχηματισμός FeS (προκαλεί ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (hot shortness)), φωσφίδια σιδήρου (προκαλούν ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες (cold shortness), και με φυσαλίδες (λόγω έλλειψης Mn για την αποξείδωση) 7

8 Μαζική παραγωγή χάλυβα (1851 - 1951 μ.Χ.)
1857 μ.Χ. : Siemens Εμφύσηση προθερμασμένου αέρα  μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας της φλόγας Η μέθοδος Siemens – Martin (πλέον σήμερα απαρχαιωμένη) : Κυριάρχησε σε πολλές χώρες μέχρι τη δεκαετία του 1960 Η μέθοδος Bessemer-Thomas υποχώρησε έναντι της μεθόδου Siemens-Martin, γιατί: Η Bessemer-Thomas δεν μπορούσε να καταναλώσει το διαθέσιμο scrap Ο παραγόμενος με την Siemens-Martin χάλυβας ήταν καλύτερος ποιοτικά. 1897 μ.Χ. : Thomas: Βασικά (δολομιτικά) πυρίμαχα μπορούν να αντέξουν στις βασικές σκωρίες που απαιτούνται για την απομάκρυνση του P κατά τη διάρκεια εμφύσησης αέρα κατά τη μέθοδο Bessemer Η πρακτική αυτή άνοιξε το δρόμο για την εκμετάλλευση των Ευρωπαϊκών σιδηρομεταλλευμάτων (πρόσθετο πλεονέκτημα: η πλούσια σε P σκουριά μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν λίπασμα) 8

9 1906 μ.Χ. : Εφαρμόστηκε στις ΗΠΑ
Ηλεκτρική κάμινος 1880 μ.Χ. : Siemens Περιέγραψε μέθοδο τήξης χάλυβα με ηλεκτρικό τόξο συνεχούς ρεύματος (δεν προχώρησε σε εμπορική εφαρμογή) 1900 μ.Χ. : Heroult Το πέτυχε στη Γαλλία 1906 μ.Χ. : Εφαρμόστηκε στις ΗΠΑ Για πολλά χρόνια περιοριζόταν μόνο στην παραγωγή υψηλής ποιότητας χαλύβων και σιδηροκραμάτων 1920 μ.Χ. : Εμφανίζεται η χρησιμοποίηση εναλλασσόμενου ρεύματος 1940 μ.Χ. : Παραγωγή χάλυβα σε μεγάλες ποσότητες σε ηλεκτρική κάμινο τόξου Εύκολη και φθηνή μέθοδος Βοήθησε τους συμμάχους την παραγωγή χάλυβα κατά το 2ο Π.Π. 9

10 ΥΛΙΚΑ 1 L6 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΑΛΥΒΩΝ

11 ΟΞΕΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ + ΓΑΙΩΔΕΙΣ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ (ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ)
ΣΙΔΗΡΟΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΑ ΟΞΕΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ + ΓΑΙΩΔΕΙΣ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ (ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ) 1) ΜΑΓΝΗΤΙΤΗΣ με υψηλή συγκέντρωση (50-70%) σε Fe3O4 ……………..Σουηδία-Νορβηγία-Ρωσία Αιματίτης με υψηλή συγκέντρωση (40-60 %) σε Fe2O3 3) Λειμωνίτης με χαμηλή συγκέντρωση (20-45 %) σε Fe2O3 + κρυσταλλικό νερό 4) Σιδηρίτης με πολύ χαμηλή συγκέντρωση(<20 %) σε Fe2O3

12 ΟΡΥΚΤΑ ΣΙΔΗΡΟΥ ΣΙΔΕΡΙΤΗΣ

13 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΟΣ
Πρώτο βήμα : ΘΡΑΥΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΑΝΣΗ μεταλλευμάτων. Χρησιμοποιώντας τις διαφορετικές ειδικές βαρύτητες και φυγόκεντρες δυνάμεις, ο αρχικός διαχωρισμός πραγματοποιείται σε σπειροειδείς φυγόκεντρους συγκεντρωτές. Στη συνέχεια, οι διαφορετικές φυσικές ιδιότητες του μεταλλεύματος και των γαιωδών προσμίξεων χρησιμοποιούνται για διαχωρισμό. Εμβαπτίζοντας το υλικό σε ένα υγρό με υψηλή ειδική βαρύτητα και με έγχυση αέρα, τα ορυκτά του σιδήρου αρχίζουν να επιπλέουν και βγαίνουν στην επιφάνεια. Η μαγνητική κατεργασία χρησιμοποιεί τις δυνάμεις ενός μαγνητικού πεδίου για το διαχωρισμό των ορυκτών του σιδήρου από πετρώματα και άλλα ορυκτά. Ως αποτέλεσμα αυτών των μεθόδων, η συγκέντρωση αυξάνεται από 30-35% σε 60-65%.

14 Ωστόσο αυτά τα λεπτόκοκκα μεταλλεύματα δεν είναι κατάλληλα για άμεση περαιτέρω επεξεργασία και ακολουθεί διεργασία πυροσσυσωμάτωσης (μίξη με κωκ και θέρμανση) για το σχηματισμό πορώδους μάζας η οποία θραύεται στο απαιτούμενο μέγεθος σωματιδίων. Αυτά αναμιγνύονται με νερό, ασβεστόλιθο, δολομίτη και μπετονίτη (συνδετικό μέσο) και το μίγμα καλουπώνεται σε σφαίρες διαμέτρου mm και ψήνεται στους 1000ο C. Αυτό το υλικό οδηγείται στην υψικάμινο.

15 ΑΝΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΟΣ -ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ
ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΟΞΕΙΔΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΛΛΟ 2Fe2O3 + 3C → 4Fe + 3CO (1) Παραγωγή χυτοσιδήρου Ο χυτοσίδηρος παράγεται κυρίως από τον αιματίτη σε ειδικές καμίνους, τις υψικαμίνους. Οι πρώτες υψικάμινοι θεωρείται ότι εμφανίστηκαν περίπου το 1350 μ.Χ στη Γερμανία και αργότερα στην Αγγλία γύρω στο Αρχικά ως αναγωγικό χρησιμοποιήθηκε ο ξυλάνθρακας, που στις αρχές του 18ου αιώνα, αντικαταστάθηκε με το μεταλλουργικό κωκ. Η υψικάμινος είναι μία κυλινδρική κατακόρυφη κάμινος ύψους 20-30m με διάμετρο 6m, που αποτελείται από ένα χαλύβδινο μανδύα επενδυμένο εσωτερικά με πυρίμαχους πλίνθους. Η υψικάμινος τροφοδοτείται από την κορυφή με σιδηρούχο μετάλλευμα, κωκ και ασβεστόλιθο, CaCO3, (συλλίπασμα), ενώ από ανοίγματα διαταγμένα κυκλικά στη βάση της διοχετεύεται ξηρός αέρας θερμοκρασίας °C.

16

17 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ

18

19 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ
Το κωκ ο ασβεστόλιθος και το μετάλλευμα τροφοδοτούνται συνεχόμενα στο πάνω μέρος της καμίνου. Κατά τη διάρκεια της αργής καταβύθισης στην περιοχή αντίδρασης, το μίγμα θερμαίνεται σταδιακά. Ταυτόχρονα θερμός αέρας ( °C) εμφυσάται στο κάτω μέρος της καμίνου. Ο θερμός αέρας (+ κάποιου είδους καύσιμο) ανεβαίνει προς την κορυφή και υφίσταται αρκετές χημικές αντιδράσεις:

20 °C Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2… (2) 2CO→CO2 + C ………………………(3) °C Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2…… (4) FeO + CO → Fe+ CO2…………… (5) °C FeO + C → Fe+ CO2……………… (6) C + CO2→2CO…………………….. (7) °C 2C + O2 → 2 CO………………….. (8) C + O2 → 2 CO2…………………... (9)

21 Με την ανάφλεξη λόγω της επαφής με τον θερμό αέρα ο άνθρακας αεριοποιείται σε CO2 και CO (αντιδράσεις 8, 9). Τα δημιουργημένα αέρια ανεβαίνουν πιο ψηλά στην υψικάμινο και το CO απομακρύνει το οξυγόνο από τα οξείδια του σιδήρου και μετατρέπεται σε CO2 (αντίδραση 6), ενώ παράλληλα το CO2 επαναμετατρέπεται σε CO με την αντίδραση Boudouard (αντίδραση 3) Η προσθήκη ανθρακικού ασβεστίου βοηθάει και στην απομάκρυνση ανεπιθύμητων στοιχείων από το τελικό προϊόν της υψικαμίνου κυρίως πυρίτιο συμφωνα με: CaCO3 → CaO + CO2 (10) SiO2 + CaO → CaSiO3 (11) ….σκουριά

22 Σε κανονικά χρονικά διαστήματα των περίπου 2 ωρών το προϊόν της υψικαμίνου εξάγεται.
Ο ρευστός σίδηρος πρώτα και μετά η ρευστή η σκουριά ρέουν έξω από την οπή μήτρας. Καθώς η σκουριά έχει μικρότερη πυκνότητα από το σίδηρο, επιπλέει στο πάνω μέρος το σιδήρου. Ο ρευστός σίδηρος ρέει σε κάδους απόχυσης, γνωστούς ως torpedo-cars, για να μεταφερθεί σε στάδια περαιτέρω κατεργασίας ή αδειάζει σε μεταλλικά δοχεία και Μεταφέρεται στο μεικτή. Ο μείκτης είναι ένα γραμμικό, οριζόντιο δοχείο από πυρίμαχο πλίνθο, με κέντρο βάρους στο διαμήκη άξονα.

23 Οι τρεις βασικοί στόχοι του μείκτη είναι:
δοχείο αποθήκευσης για μονάδα κατασκευής χάλυβα ανάμειξη του ρευστού χυτευμένου υλικού για να επέλθει ομογενοποίηση μείωση του θείου (συνεχής μετατροπή των MnS+FeS σε MnS+Fe, MnS) τα οποία διαχωρίζονται σαν σκουριά.

24 Για να επιτευχθεί η μείωση του θείου, προστίθεται σόδα, ανθρακικό ασβέστιο ή μαγγάνιο.
Το υλικό σύνδεσης επιπλέει και μπορεί να αναλυθεί σαν σκουριά στο πάνω μέρος. Το ακατέργαστο προϊόν της υψικαμίνου (χυτοσίδηρος) περιέχει μεγάλα ποσοστά άνθρακα (3 – 5%) και φωσφόρου (0.1 – 2%) Ως εκ τούτου δεν είναι κατάλληλο για πολλές χρήσεις. Επόμενο στάδιο της παραγωγής του χάλυβα αυτό του καθαρισμού (refining).

25 Καθαρισμός (refining).
Ο άνθρακας όσο και άλλα μη φερριτικά στοιχεία μειώνονται στο ποσοστό που χρειάζεται για την παραγωγή του εκάστοτε τύπου χάλυβα. Όλες οι μέθοδοι καθαρισμού που εφαρμόζονται βασίζονται στην εμφύσηση οξυγόνου υψηλής καθαρότητας το οποίο οξειδώνει τα μη επιθυμητά στοιχεία. Άλλα πρόσθετα όπως δολομίτης και ασβεστόλιθος προστίθενται επίσης και ο ρόλος που παίζουν είναι διπλός: Αρχικά αντιδρούν με το SiO2 το οποίο με την οξείδωση του διαχωρίζεται από το μέταλλο σχηματίζοντας μία βασική σκουριά η οποία παραμένει ρευστή στις συνθήκες παρασκευής του χάλυβα. Παράλληλα αυτή η σκουριά απορροφάει και παρακρατεί ακαθαρσίες όπως ο φώσφορος και το θείο από το λιωμένο μέταλλο. Οι πιο γνωστές μέθοδοι καθαρισμού είναι:

26 Μέθοδος Bessemer (πλέον δεν χρησιμοποιείται)
Μέθοδος Thomas (πλέον δεν χρησιμοποιείται) Μέθοδος Siemens Martin (πλέον δεν χρησιμοποιείται) στην Ευρώπη) Μέθοδος εμφύσησης οξυγόνου σε βασικό κλίβανο (Basic Oxygen Furnace) Από το 1860, η μέθοδος χαλυβοποίησης ήταν η μέθοδος εμφύσησης αέρα σε μεταλλάκτες (Μ/Τ) τύπου Bessemer και Thomas με όξινη και βασική πυρίμαχη επένδυση αντίστοιχα. Μόνο το 6-8% του φορτίου μπορούσε να είναι scrap

27 Η μέθοδος Thomas είναι η εξέλιξη της μεθόδου Bessemer η οποία είχε δημιουργήσει επανάσταση στην χαλυβουργία όταν ανακαλύφθηκε το Η μέθοδος Bessemer στηριζόταν στην εμφύσηση συμπιεσμένου αέρα, μέσα στο λουτρό του λιωμένου μετάλλου. Το οξυγόνο του συμπιεσμένου αέρα, οξείδωνε και αφαιρούσε τον άνθρακα που περιείχε σε μεγάλες ποσότητες το τελικό προϊόν της υψικαμίνου, ενώ παράλληλα η εξώθερμη φύση αυτής της αντίδρασης, διατηρούσε το μέταλλο λιωμένο κατά την διάρκεια του καθαρισμού. Η μέθοδος Bessemer είχε και κάποια σημαντικά ελαττώματα, όπως το ότι δεν μπορούσε να αφαιρέσει το θείο και τον φώσφορο, ενώ παράλληλα ο παραγόμενος χάλυβας περιείχε μεγάλο ποσοστό αζώτου (λόγω της παροχής αέρα) που τον έκανε εύθραυστο.

28 Η μέθοδος Thomas άρχισε να χρησιμοποιείται το 1878 και αντικαθιστώντας την όξινη πυρίμαχη επένδυση του κλιβάνου Bessemer με μία βασική μπορούσε να αφαιρέσει από τον παραγόμενο χάλυβα το θείο και τον φώσφορο μέσω συγκεκριμένων αντιδράσεων αυτών των στοιχείων με τα βασικά στοιχεία (Ca και Mg) της πυρίμαχης επένδυσης.

29 Μέθοδος Siemens – Martin (S-M)
Έμφλογη κάμινος με προθέρμανση του αέρα καύσης και του καυσίμου με αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών Η οξείδωση των ακαθαρσιών επιτυγχάνεται μέσω επιπλέουσας σκουριάς στη διεπιφάνεια μετάλλου/σκουριάς Βραδεία διαδικασία Πλεονεκτήματα Ευελιξία στην αναλογία scrap – μετάλλου (0 – 100%) Ευελιξία στην ποιότητα του χυτοσιδήρου και του scrap Μειονεκτήματα Πολύ χαμηλή παραγωγικότητα (κατεργασία χυτηρίου 300 τόνων σε 5 h) Μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, εξαιτίας της αισθητής θερμότητας μεγάλου όγκου απαερίων που περιέχουν N2 Υψηλό κόστος αντιμετώπισης περιβαλλοντικών προβλημάτων, εξαιτίας του μεγάλου όγκου απαερίων Ποιότητα χάλυβα: υψηλό Ν και υψηλό Η λόγω της υγρασίας των scrap. Το ΕΝ ρητά αποκλείει την κατασκευή του δομικού χάλυβα μέσω της μεθόδου.

30 Μέθοδος Siemens – Martin (S-M)

31 Μέθοδος Basic Oxygen Furnace Refining (BOF)
Η μέθοδος εμφύσησης οξυγόνου σε βασικό κλίβανο είναι η μέθοδος που έχει επικρατήσει σήμερα σε διάφορες παραλλαγές στην σύγχρονη χαλυβουργία. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί τις ίδιες βασικές αρχές με τον κλίβανο Bessemer αλλά έχει αντικαταστήσει την παροχή αέρα με αυτή βιομηχανικού οξυγόνου υψηλής καθαρότητας. Αυτή η αλλαγή έχει σαν αποτέλεσμα, την ακόμα μεγαλύτερη ενεργειακή παροχή της μεθόδου κατά την οξείδωση των ανεπιθύμητων στοιχείων, πράγμα που σημαίνει ότι γίνεται δυνατή και η προσθήκη σιδήρου scrap εκτός του χυτοσιδήρου της υψικαμίνου. Ένα σχεδιάγραμμα λειτουργίας της μεθόδου φαίνεται στο σχήμα

32 Kλίβανος ΒOF

33 Από ένα ακροφύσιο που συνήθως βρίσκεται στην κορυφή του κλιβάνου εμφυσάται βιομηχανικό οξυγόνο καθαρότητας 99.5% με υπερηχητική ταχύτητα μέσα στο τήγμα. Με αυτό τον τρόπο οξειδώνονται και απομακρύνονται με την μορφή σκουριάς μία σειρά ανεπιθύμητων στοιχείων μέσα από το λιωμένο μέταλλο. Όλες αυτές οι αντιδράσεις οξείδωσης είναι εξώθερμες έτσι συντελούν στην θερμότητα που απαιτείται ώστε το τήγμα να παραμένει σε υγρή μορφή αλλά και να λιώνει το scrap που έχει προστεθεί. Λόγω της θερμικής απόδοσης αυτής της μεθόδου, περίπου το 25% του φορτίου μίας εμφύσησης μπορεί να αποτελείται από scrap ανεβάζοντας κατακόρυφα την οικονομική απόδοση της μεθόδου. Τα βασικά πυρίμαχα που χρησιμοποιούνται σαν επένδυση (συνήθως περιέχουν ΜgO) αντιδρούν συνέχεια με το τήγμα και την σκουριά και μέσω της φθοράς τους βοηθούν στην απομάκρυνση του θείου και του φωσφόρου μέσω αντιδράσεων

34 ΚΛΙΒΑΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΤΟΞΟΥ
Σήμερα λόγω της μεγάλης ποσότητας σιδήρου scrap που υπάρχει, πολλές φορές ο καθαρισμός πραγματοποιείται σε κλιβάνους ηλεκτρικού τόξου στους οποίους υπάρχει η δυνατότητα προσθήκης οξυγόνου και κραμματικών προσμίξεων μετά την τήξη 100% σιδήρου scrap με την θερμότητα να παρέχεται από το ηλεκτρικό τόξο που δημιουργείται μεταξύ ηλεκτροδίων άνθρακα και του φορτίου της καμίνου Oι κλίβανοι ηλεκτρικού τόξου αντιστοιχούν περίπου στο 33% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα. Το κύριο πλεονέκτημα τους είναι ότι επιτρέπει την παραγωγή χάλυβα από 100% scrap το οποίο ενεργειακά είναι πολύ πιο αποτελεσματικό σε σχέση με τους χάλυβες που παράγονται από σιδηρομετάλλευμα. Επίσης οι μονάδες παραγωγής χάλυβα που στηρίζονται σε κλίβανους ηλεκτρικού τόξου έχουν πολύ μεγαλύτερη ευελιξία και μπορούν να λειτουργούν κατά βούληση ανάλογα με τις συνθήκες της αγοράς, σε αντίθεση με μία υψικάμινο η οποία πρέπει να έχει συνεχόμενη ροή πρώτων υλών και πρέπει να δουλεύει συνεχόμενα για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα.

35 ΚΛΙΒΑΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΤΟΞΟΥ (ELECTRIC ARC FURNACE)

36 ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ (SECONDARY REFINING)
Σαν δευτερογενής καθαρισμός αναφέρεται κάθε διεργασία η οποία πραγματοποιείται μετά την αρχικό καθαρισμό του χάλυβα σε διαφορετικό σταθμό επεξεργασίας πριν την χύτευση. Ο δευτερεύων καθαρισμός είναι απαραίτητος σε εξειδικευμένους χάλυβες υψηλής ποιότητας και εξυπηρετεί διάφορους σκοπούς όπως την ομογενοποίηση του τήγματος, τις τελικές προσθήκες κραμματικών στοιχείων, και τον έλεγχο στοιχείων όπως το θείο, το οξυγόνο κτλ. Για χάλυβες που έχουν υψηλές απαιτήσεις καθαρότητας η μείωση της περιεκτικότητας σε θείο επιτυγχάνεται με την προσθήκη CaO, καρβιδίου του ασβεστίου, και μαγνησίου. Η μείωση αυτή του θείου επιτυγχάνεται με τις παρακάτω αντιδράσεις: CaO (lime) + [S]  CaS + [O] CaC2(calcium carbide) + [S]  CaS + 2[C] [Mg]+ [S]MgS Η αφαίρεση αερίων από το τήγμα όπως το άζωτο και το υδρογόνο γίνεται κάτω από συνθήκες μειωμένης πίεσης σε δοχεία κενού. Η αποξείδωση πραγματοποιείται με την προσθήκη πυριτίου και αλουμινίου στο τηγμένο μέταλλο, ώστε να σχηματιστούν μη μεταλλικά εγκλείσματα SiO2 και ΑΙ2Ό3 τα οποία ακολούθως μετά από ανάδευση του τήγματος απομακρύνονται μέσω της σχηματιζόμενης σκουριάς. Οι κλίβανοι στους οποίους συνήθως πραγματοποιείται ο δευτερεύων καθαρισμός είναι οι RH (Ruhrstahl-Hausen) vacuum degasser and LF (ladle furnace)

37 Κλίβανος RH

38 Κλίβανος LF

39 Κλίβανος VOD

40 ΧΥΤΕΥΣΗ (CASTING) Μετά την ολοκλήρωση της τήξης και του καθαρισμού του χάλυβα, αυτός πρέπει να μετατραπεί σε στερεά μορφή. Αυτό επιτυγχάνεται με την χύτευση η οποία γίνεται με τους δύο τρόπους: Χύτευση με την δημιουρνία πλινθώματος (mould) Κατά την διάρκεια της χύτευσης με αυτή την μέθοδο το λιωμένο μέταλλο μεταφέρεται από ένα ενδιάμεσο δοχείο συλλογής σε ένα επαναχρησιμοποιούμενο μεταλλικό καλούπι το οποίο δίνει το σχήμα του στο στερεοποιημένο μέταλλο. Μέχρι την δεκαετία του 1970 η μέθοδος αυτή ήταν η κύρια μέθοδος χύτευσης για την παραγωγή χάλυβα και καλύπτοντας περίπου το 97% της παγκόσμιας παραγωγής. Σήμερα και με την εμφάνιση της μεθόδου συνεχούς χύτευσης το ποσοστό αυτό έχει πέσει παγκοσμίως περίπου στο 7%.

41 Σχηματική αναπαράσταση της χύτευσης με την δημιουργία πλινθώματος

42 Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της μεθόδου είναι το γεγονός ότι λόγω των διαφορετικών συνθηκών στερεοποίησης για τα διάφορα μέρη του καλουπιού, το παραγόμενο πλίνθωμα δεν έχει ομοιόμορφη κρυσταλλογραφική δομή. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα διαφορισμού (segregation) τα οποία πολλές φορές είναι και η πηγή των περισσότερων ελαττωμάτων που εμφανίζονται κατά την χύτευση. Οι διαφορετικές κρυσταλλικές ζώνες σε ένα πλίνθωμα φαίνονται στο παρακάτω σχήμα

43 Τυπική κρυσταλλική δομή χυτού πλινθώματος.

44 Λεπτόκοκκη περιοχή. Δημιουργείται εκεί που το μέταλλο στερεοποιείται σε επαφή με τα τοιχώματα του πλινθώματος λόγω πολύ γρήγορής ψύξης. Η χημική σύσταση σε αυτό το σημείο είναι παρόμοια με αυτή του λιωμένου μετάλλου. Δενδριτική περιοχή. Οι κόκκοι μεγαλώνουν στην αντίθετη κατεύθυνση από την ροή της θερμότητας. Η περιοχή της μετάβασης μεταξύ της δενδριτικής ανάπτυξης των κόκκων και της κεντρικής περιοχής με τους μεγάλους στρογγυλούς κόκκους περιέχει κανάλια εμπλουτισμένα σε ακαθαρσίες όπως είναι το θείο και ο φώσφορος. Κεντρική περιοχή. Αυτή η περιοχή χαρακτηρίζεται από μεγάλους στρογγυλούς κόκκους καθώς είναι η τελευταία που στερεοποιείται. Η περιοχή αυτή είναι εμπλουτισμένη σε ακαθαρσίες οι οποίες έχουν μεταφερθεί μέχρι εκεί ακολουθώντας το μέτωπο του στερεοποιημένου μετάλλου. Κωνική κάτω περιοχή. Είναι ένα μείγμα λεπτόκοκκης δομής και κρυστάλλων που έχουν μεταφερθεί από άλλες περιοχές του πλινθώματος. Η περιεκτικότητα σε φώσφορο και θείο σε αυτή την περιοχή είναι μικρότερη από ότι η χημική σύσταση του τήγματος. Περιοχή συστολής. Αυτή η περιοχή βρίσκεται στην κορυφή του πλινθώματος και συνήθως απορρίπτεται πριν την περαιτέρω επεξεργασία. Συνοδεύεται από πορώδες.

45 Συνεχής Χύτευση Κατά τη διάρκεια της συνεχούς χύτευσης, ο ρευστός χάλυβας περνά από τον κλίβανο δευτερεύουσας επεξεργασίας μέσω ενός ενδιάμεσου δοχείου με προσαρμόσιμη συσκευή αποφόρτισης σε ένα υδρόψυκτο, ταλαντευόμενο κατακόρυφα χάλκινο καλούπι, που ορίζει το σχήμα του χάλυβα.

46 Κατά τη στερεοποίηση, η πυρακτωμένη ράβδος θα πρέπει να απομακρυνθεί με ράουλα πρόωσης και προσεκτικά να ψυχθεί με ψεκαζόμενο νερό. Έως ότου η ράβδος έχει στερεοποιηθεί πλήρως, θα πρέπει να υποστηριχθεί με ράουλα σε όλες τις πλευρές. Μετά την πλήρη στερεοποίηση η ράβδος μπορεί να διαχωριστεί από τσιμπίδες κινητής κοπής ή διατμήσεις. Μετά την ευθυγράμμιση η ακίνητη πυρακτωμένη ράβδος συχνά σχηματίζεται απευθείας μέσω ισοπέδωσης ή άλλων μηχανημάτων ειδικής σχηματοποίησης. Περαιτέρω εξελίξεις της μεθόδου στοχεύουν στη συνεχή χύτευση επίπεδων προϊόντων όπως λεπτές πλάκες ή λεπτές ταινίες. Αυτή η εξέλιξη που σχετίζεται με τις διαστάσεις των προϊόντων συνεχούς χύτευσης μπορεί καλύτερα να συνοψιστεί με την "χύτευση σε ημιτελική μορφή “near-net-shapecasting”.

47 Τα ελαττώματα που δημιουργούνται κατά την συνεχή χύτευση έχουν κυρίως να κάνουν με ρωγματώσεις που μπορεί να δημιουργηθούν πριν ολοκληρωθεί η στερεοποίηση όλης της διατομής του χυτού προϊόντος, καθώς και με την συγκέντρωση μη μεταλλικών εγκλεισμάτων κατά την μεταφορά του τήγματος από το ένα δοχείο στο άλλο. Όσον αφορά τα φαινόμενα διαφορισμού και αυτά είναι παρόμοια με αυτά για την χύτευση με πλινθώματα, όμως το μικρότερο μέγεθος της στερεοποιούμενης διατομής καθώς και ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της μεθόδου κάνουν αυτά τα προβλήματα πολύ μικρότερα.

48 Η μέθοδος της συνεχούς χύτευσης έχει σχεδόν ολοκληρωτικά αντικαταστήσει αυτή της χύτευσης με πλινθώματα λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει και τα οποία περιλαμβάνουν: Μειωμένο κόστος Καλύτερη απόδοση (δεν υπάρχει ανάγκη για αφαίρεση των άκρων) Μειωμένες Απαιτήσεις Ενέργειας (τα προϊόντα στέλνονται κατευθείαν για θερμή έλαση και οι διαστάσεις τους είναι πιο κοντά σε αυτές του τελικού προϊόντος)

49