Transcript ppt/1MB - Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων

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
0,025 % κ.β. C
 Χάλυβας
2 % κ.β. C
 Χυτοσίδηρος
κ.β. C
 Σιδηροκράματα
0–
0,025 –
> 2%
 Δημιουργία κραμάτων
 Ρύθμιση χημικής ανάλυσης
μετάλλων ή κραμάτων
 Κάθαρση μετάλλων ή
κραμάτων
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)
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
Si +
O2 = SiO2
Mn + 0.5 O2 = MnO
S +
O2 = SO2
Fe + 0.5 O2 = FeO
C + 0.5 O2 = CO
ΔΗo298 = -356,6 kcal
ΔΗo298 = -210,0 kcal
ΔΗo298 = - 92,0 kcal
ΔΗo298 = - 70,9 kcal
ΔΗo298 = - 63,5 kcal
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)
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)
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)
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)
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%
0,015%
0,04 %
0,01 %
0,01 %
(χάλυβα Siemens - Martin)
(χάλυβας από Η/Κ τόξου)
(χάλυβας Bessemer)
(χάλυβας LD)
(χάλυβας OBM)
 Προκαλεί ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες
(cold shortness)
 Στις υψηλές θερμοκρασίες ευνοεί την πλαστική
παραμόρφωση
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)
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]
[FeO]
3 [FeO]
2 [FeO]
+ [Si] = 2[Fe] + (SiO2)
+ [Mn] = [Fe] + (MnO)
+ 2[Al] = 3[Fe] + (Al2O3)
+ [Ti] = 2[Fe] + (TiO2)
Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)
Σύσταση χάλυβα
Συστατικό
Χυτοσίδηρος
(%)
Μαλακτός
Σίδηρος*
(%)
Σπογγώδης
Σίδηρος
(%)
Μαλακός
Χάλυβας
(%)
Χάλυβας
(%)
C
3,5 – 4,5
0,02
1
0,12
<1
Si
0,5 – 1,5
0,09
0
0,15
0,5
Mn
0,5 – 2,5
0,40
0
0,67
0,5-1,5
S
 0,7
0,02
0,02
0,05
< 0,03
P
0,06 - 3,0
0,10
0,13
0,046
< 0,03
Fe
94
Φυσικές
Ιδιότητες
Ακαθαρσίες
(SiO2, CaO,
MgO, Al2O3,
κλπ)
FeO
 97
85-90
Σκληρός
Εύθραυστος
Μαλακός
Ελατός
Όλκιμος
Κοκκώδες
Υλικό
Μαλακός
Ελατός
Όλκιμος
Μαλακός
Ελατός
Όλκιμος
Δεν έχει
*
10
Δεν έχει
Δεν έχει
 15
Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)