Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Moderní slévárenské •technologie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111 Přednášky pro studijní program Strojírenství Doc. Ing. Ladislav SOCHA, Ph.D. a kol. Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222 Přednáška č. 3 Výroba oceli Přednáška č. X: Doplnit název přednášky333 üModerní procesy výroby oceli mohou být rozděleny na procesy primární a sekundární metalurgie üCílem primární metalurgie je výroba surové oceli o předepsaném složení a teplotě üFinální zpracování oceli se přesunulo na zařízení sekundární metalurgie üV současné době převažují dva typy primárních agregátů pro výrobu surové oceli: kyslíkový konvertor a elektrická oblouková pec • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 3/29 Historické zastoupení procesů výroby oceli Elektrická oblouková pec Kyslíkový konvertor üV kyslíkovém konvertoru dochází ke zkujňování surového železa čistým kyslíkem (min. čistota 99,5 %) vháněným do konvertoru üV současné době nejpoužívanějším kyslíkovým konvertorem je typ LD (Linz-Donawitz), do kterého je kyslík vháněn chlazenou tryskou shora üByly vyvinuty i další varianty, dmýchání dnem typu OBM nebo tzv. kombinované dmýchání • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 4/29 Konvertor OBM dmýchaný dnem Konvertor LD Konvertor s kombinovaným dmýcháním Kyslíkový konvertor LD Přednáška č. X: Doplnit název přednášky555 üVsázka ü üOcelový odpad ØInterní odpad a externě nakupovaný odpad (25-30 %) üTekuté surové železo (70-75 %) ØDopravené z vysoké pece üStruskotvorné přísady ØVápno, dolomitické vápno ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 5/29 Sázení tuhé vsázky Nalévání tekutého surového železa Přednáška č. X: Doplnit název přednášky666 ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 6/29 Sázení tuhé vsázky Nalévání tekutého surového železa Kyslíkový konvertor LD üDmýchání kyslíku ü ØKyslík je do konvertoru vháněn měděnou, vodou chlazenou tryskou ØProud kyslíku vystupuje velkou rychlostí z trysky, a to z určité vzdálenosti od povrchu tekutého kovu, proráží jeho hladinu, proniká do kovu a přichází s ním do přímého styku ØV místě kde se proud kyslíku stýká s tekutým kovem se vytváří reakční centrum, v němž se kyslík v kovu rozpouští a slučuje se železem a s prvky rozpuštěnými v železe ØDynamickými účinky proudu kyslíku, prouděním kovu a strusky a vývinem CO nastává intenzivní víření kovu a strusky, jehož výsledkem je rychlý přestup kyslíku do kovu a těsný styk kovu a strusky. ØNeustálý pohyb lázně umožňuje předávat kyslík. Oxidace a redukce probíhá současně ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 7/29 Schéma dmýchání kyslíku do LD konvertoru Kyslíkový konvertor LD Přednáška č. X: Doplnit název přednášky888 üMetalurgie kyslíkového konvertorového pochodu ü ØNejdůležitější úlohou zkujňování železa je snížit oxidací obsah doprovodných prvků na výši odpovídající druhu vyráběné oceli. ØPlynné oxidační produkty (CO, CO2), unikají z kovové lázně do atmosféry pece a odtahů ØTekuté oxidy (SiO2, P2O5) se shromažďují ve strusce ØVšechny reakce jsou exotermické tzn. spojené s vývojem tepla, kterým se teplota reakčního systému zvyšuje (v místě působení kyslíku se dosahuje teplot 2500 – 3000 °C), dochází k tavení struskotvorných přísad a ocelového odpadu Ø ü ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 8/29 Kyslíkový konvertor během dmýchání kyslíku Kyslíkový konvertor LD Přednáška č. X: Doplnit název přednášky999 üKontrola chemického složení, měření teploty a odpich ü ØPonorným vzorkovačem se provede odběr předzkoušky kovu ØPonorným termočlánkem se měří teplota lázně ØPokud chemické složení není v souladu s požadovanou technologií, provádí se tzv. dofuk ØNevhodná je i vysoká teplota, musí se provádět chlazení tavby, a to přísadou ocelového odpadu nebo železné houby ØPokud je chemické složení i teplota v pořádku, provádí se odpich oceli do licí pánve a dále odlévání strusky do struskové pánve ØPo odpichu je nezbytná kontrola a místní úprava vyzdívky konvertoru k zajištění spolehlivosti a bezpečnosti provozu před další tavbou Ø ü ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 9/29 Odlévání strusky Odpich oceli Odběr vzorku Přednáška č. X: Doplnit název přednášky101010 Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 10/29 Odpich oceli do licí pánve Moderní kyslíkový konvertor s kombinovaným dmýcháním Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111111 • • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 11/29 Elektrická oblouková pec Přednáška č. X: Doplnit název přednášky141414 üDruhým nejpoužívanějším agregátem pro výrobu oceli jsou v současné době elektrické obloukové pece (EOP) üV minulosti byly používány především k výrobě vysocelegovaných a ušlechtilých ocelí üV elektrických pecích se snadno dosahuje vysokých teplot, které lze dobře regulovat üJsou v nich nízké ztráty kovu propalem, což je významné při výrobě ocelí s drahými slitinovými prvky üDnes jsou využívány také jako zařízení k rychlému roztavení ocelového odpadu a výrobě surové oceli Ø ü ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 14/29 Schéma sklopné elektrické obloukové pece üV elektrických pecích vzniká potřebné teplo přeměnou elektrické energie v tepelnou a to přímo v pracovním prostoru pece üVyráběná ocel nepřichází do styku se spalinami, které by ji mohly znečistit üV elektrických pecích se dají vytvořit silně zásadité, ale přitom dobře tekuté strusky, lze vyrobit ocel s velmi malým obsahem síry üOceli vyrobené v elektrických pecích vynikají velkou chemickou čistotou a malým obsahem nekovových vměstků üZákladní typy jsou dle napájení: ØElektrické obloukové pece napájené střídavým proudem ØElektrické obloukové pece napájené stejnosměrným proudem ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. X: Doplnit název přednášky151515 Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 15/29 EOP napájená stejnosměrným proudem EOP napájená střídavým proudem üSurová ocel se v ČR nejčastěji vyrábí v elektrických obloukových pecích napájených střídavým proudem üOcel se vyrábí z kovového odpadu a dalších kovových a nekovových přísad üTavení probíhá pomocí tepla uvolňovaného elektrickými oblouky, které vznikají mezi grafitovou elektrodou a kovovou vsázkou üDíky specifickým možnostem výroby v EOP existuje velký počet modifikací těchto technologií, umožňující výrobu uhlíkových ocelí, legovaných ocelí, vysokolegovaných ocelí, nástrojových ocelí a ocelí na odlitky Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 16/29 üEOP je připojena na síť 22 kV a pecní transformátor transformuje elektrickou energii na 100 – 220 V, aby se mohl měnit výkon pece üPrincip tavení v elektrických obloukových pecích je založen na přenosu tepla z obloukového výboje, který vzniká termoelektrickou emisí elektrod do vsázky pece v místě vzájemného dotyku elektrod, nebo v místě dotyku elektrod se vsázkou, která se vlivem silného protékajícího elektrického proudu rozžhaví üPůsobením vysoké teploty plynů v okolí místa dotyku elektrický oblouk zůstává hořet i po vzájemném oddálení elektrod üTeplota plynů v oblouku dosahuje 3000 – 4000 °C Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 17/29 üV pracovním prostoru EOP lze vytvářet oxidační i redukční podmínky üExistuje tedy velký počet modifikací vlastního průběhu výroby üZákladní technologie výroby oceli v EOP jsou: ØDvoustrusková technologie – skládá se z údobí sázení, tavení vsázky, oxidačního údobí, stahování oxidační strusky, redukčního údobí a odpichu ØJednostrusková technologie – skládá se z údobí sázení, tavení vsázky, oxidačního údobí, desoxidace a legování a odpichu ØPřetavba – po natavení vsázky následuje přímo redukční údobí, chybí oxidační údobí Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 18/29 Struska z elektrické obloukové pece üVsázka ü ØZákladní surovinou pro EOP je až 100 % ocelového (kovového) odpadu. Nejvhodnější je vlastní odpad ocelárny. Kromě kusového odpadu se používá i odpad drobný (odřezky, třísky, zbytky plechů apod.) ØAby se zajistil požadovaný obsah uhlíku po roztavení vsázky, používá se tuhé i kapalné surové železo, antracit a koks ØStruskotvorné přísady, které se běžně používají jsou vápno a kazivec ØBěžně používaným způsobem sázení je sázení horem, pomocí sázecích košů ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 19/29 Skládka kovového odpadu üTavení ü ØPo nasazení vsázky se uzavře víko, elektrody se spustí do pracovní polohy a zapojí se proud ØKov pod elektrodami má být pokryt struskou, je proto nutné během tavení pod elektrody přihazovat vápno ØČástečně probíhají metalurgické reakce ØJe-li kov roztaven, lázeň se pečlivě promíchá a odebere se předběžný zkušební vzorek a změří se teplota Ø üVsázka a tavení jsou společné pro všechny tři uvedené technologie. V dalších údobích se technologie již liší • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 20/29 Sázení kovového odpadu üDvoustrusková technologie ØPři dvoustruskové technologii se po roztavení vsázky a odebrání vzorku stáhne část strusky, přidává se vápno v množství 1 % hmotnosti vsázky a začne se přidávat ruda, nebo dmýchat kyslík, tím začíná oxidační údobí üÚkolem oxidačního údobí je: Øoxidace fosforu – odfosfoření Øoxidace dalších doprovodných prvků - především Si, Mn, a Cr Øoxidace uhlíku – vyvolání uhlíkového varu, oduhličení Øsnížení obsahů plynů - N2, H2 Øčástečné snížení obsahu síry Øsnížení obsahu nekovových vměstků üPo ukončení oxidace se stahuje oxidační struska a přidávají se dezoxidační přísady, tím začíná redukční údobí üÚkolem redukčního údobí je: Ødezoxidace oceli Øodsíření oceli Ønalegování lázně a konečná úprava chemického složení Øúprava teploty lázně na odpichovou teplotu Økonečná desoxidace oceli a vytvoření optimálního složení strusky v závěru tavby ü Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 21/29 ü Ø ü • Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 22/29 Elektrická oblouková pec při tavení üJednostrusková technologie ü ØJe vhodná pro výrobu legovaných ocelí z vlastního legovaného odpadu ØPři sestavování vsázky je vhodné využít co nejvíce vratného materiálu ØPro dostatečné odplynění lázně je nutné provést nauhličení, jako nauhličovadlo se používá koks ØPokud je po roztavení vsázky přítomno větší množství strusky, struska se stáhne ØOxidace se provádí plynným kyslíkem ØPo ukončení dmýchání se odebírá vzorek na chemický rozbor ØV případě vyhovujícího složení je provedena dezoxidace strusky a následuje odpich Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 23/29 Odběr vzorku üPřetavba ü ØProblémem při výrobě legovaných ocelí je ekonomické zpracování vlastního legovaného odpadu (vratného materiálu) ocelárny ØBěhem oxidace přecházejí oxidy některých prvků (např. Cr, V) do strusky ØPři stahování oxidační strusky dochází ke ztrátám uvedených prvků ØSnaha o snížení ztrát vedla ke zpracování vlastního vratného materiálu na EOP pouhou přetavbou, tj. bez oxidačního údobí ØPo roztavení vsázky následuje redukční údobí, dochází k redukci oxidů kovů obsažených ve strusce, a tím ke snížení ztrát legujících prvků ØBěhem redukčního údobí se kontroluje chemické složení lázně a v případě potřeby se provádí korekce přidáním legovacích prvků ØPři vyhovujícím složení a teplotě se provádí odpich Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 24/29 Vytahování elektrod üOdpich ü ØMá-li ocel předepsané chemické složení a teplotu, přistaví se k peci pánev, otevře se odpichový otvor a ocel se vypouští do připravené licí pánve ØSklopná pec se naklopí, při odpichu dnem se pouze uvolní odpichový otvor Ø üPo ukončení odpichu se provádí kontrola vyzdívky s mezitavbovou opravou a následně je EOP připravena na další tavbu • Ø ü • Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 25/29 Odpich oceli Elektrická oblouková pec Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 26/29 üNeničková B.: Výroba železných kovů II. 1. vyd. Nakladatelství technické literatury n. p., Praha 1986 üBeránek M., Šebková J., Pedlík M.: Technologie kovových materiálů. 1. vyd. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Praha 1984 üChrást J.: Slévárenská zařízení. 1. vyd. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2006. ISBN 80-7204-456-7 üMores A., Němec M.: Technologická zařízení sléváren. 1. vyd. Česká technika – nakladatelství ČVUT, Praha 2010. ISBN 978-80-01-04490-2 üČamek L., Fabík R.: Metalurgické technologie: Studijní opora. VŠB-TU Ostrava, Ostrava 2013 üVýroba oceli v kyslíkových konvertorech a odlévání [online]. Dostupné z: http://podzemi.solvayovylomy.cz/prirucka/zprac/ocel/ocel.htm üIron & Steel [online]. Dostupné z: https://www.viktormacha.com/galerie/iron-and-steel-11/ üŠenberger J., Bůžek Z., Záděra A., Stránský K., Kafka V.: Metalurgie oceli na odlitky. 1. vyd. VUTIUM, Brno 2008 üBrymbo Steelworks [online]. Dostupné z: http://old.wrexham.gov.uk/images/culture_heritage/steelworks/big_images/no_6.jpg Seznam použité literatury Přednáška č. 3: Technologie a princip výroby oceli v primárních agregátech 29/29