ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY ŽELEZA A OCELI Část II - Základy teorie a technologie výroby oceli studijní opora

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY ŽELEZA A OCELI Část II - Základy teorie a technologie výroby oceli studijní opora Jiří Bažan Ladislav Socha Ostrava 2013

2 Recenzent: prof. Ing. Zdeněk Adolf, CSc. Název: ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY ŽELEZA A OCELI Část II - Základy teorie a technologie výroby oceli Autor: prof. Ing. Jiří Bažan, CSc., Ing. Ladislav Socha, Ph.D. Vydání: první, 2013 Počet stran: 58 Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/ Jiří Bažan, Ladislav Socha VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN

3 POKYNY KE STUDIU Název předmětu ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY ŽELEZA A OCELI Pro předmět Základy teorie a technologie výroby železa a oceli 4. semestru studijního oboru Metalurgická technologie jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum Část II Základy teorie a technologie výroby oceli pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Fyzikální chemie. CÍLEM PŘEDMĚTU A VÝSTUPY Z UČENÍ Cíl předmětu: Předat studentům základní poznatky a teoretické znalosti dějů probíhajících při výrobě oceli se zaměřením na fyzikálně chemické děje, technologické principy výroby v primárních ocelářských agregátech, způsoby a dezoxidace a legování oceli. Výstupy z učení: Získané znalosti: student bude umět formulovat základní fyzikálně chemické děje probíhající při výrobě oceli v primárních agregátech představující konvertory, tandemové pece a elektrické obloukové pece, včetně dezoxidace a legování oceli. Získané dovednosti: student bude umět využít základní teoretické poznatky a technologické principy při v a oceli, student bude umět na základní úrovni použít své znalosti z oblasti oceli v provozních podmínkách. Stránka 3

4 PRO KOHO JE PŘEDMĚT URČEN Předmět je zařazen do bakalářského studia oboru Technologie výroby kovů studijního programu Metalurgické inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. V souladu s názvem je opora rozdělena na dvě části, týkající se oblasti výroby surového železa a oceli. Na konci každé části je uvedena použitá a doporučená literatura. ZPŮSOB KOMUNIKACE S VYUČUJÍCÍMI V průběhu studia předmětu se předpokládá: vypracování semestrálního projektu na zadané téma z oblasti: teoretických základů výroby oceli, technologie výroby oceli v primárních agregátech, dezoxidace a legování oceli; projekt bude kontrolován vyučujícím do 14 dnů po odevzdání a výsledky budou studentům zaslány em prostřednictvím IS; absolvování zápočtového testu a výsledky zápočtového testu budou studentům sděleny po jeho absolvování. Stránka 4

5 PREREKVIZITY 3 CÍLEM PŘEDMĚTU A VÝSTUPY Z UČENÍ 3 1. CHARAKTERISTIKA OCELÍ 6 2. TEORETICKÉ ZÁKLADY VÝROBY OCELI 8 3. ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V KYSLÍKOVÝCH KONVERTORECH ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V TANDEMOVÝCH PECÍCH ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍCH DEZOXIDACE OCELI A LEGOVÁNÍ LITERATURA 58 Stránka 5

6 1. CHARAKTERISTIKA OCELÍ Členění kapitoly Základní pojmy Charakteristika oceli Čas ke studiu: 0,5 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly si vyjasníte pojem ocel, její základní prvky a ostatní složky Výklad Slitiny, v nichž převládá prvek Fe, označujeme souhrnným názvem Technické železo. Jestliže lze tuto slitinu v oblasti teplot plastického stavu (pod teplotou tání) tvářet, potom takovýto druh technického železa označujeme jako Ocel. Kromě základního prvku Fe obsahuje ocel: běžné doprovodné prvky C, Si, Mn, P, S4 speciální doprovodné prvky, které se do oceli přidávají za účelem získání speciálních vlastností či mechanických hodnot. Patří mezi ně např. Cr, Ni, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr, atd. doprovodné prvky ze skupiny neželezných kovů Cu, As, Sb, Sn, Bi, Zn, atd. Tyto prvky nelze z oceli běžnými postupy odstranit, v oceli působí škodlivě plyny dusík, vodík, kyslík Stránka 6

7 v oceli jsou rovněž přítomny vždy produkty probíhajících reakcí v kovu či reakcí kovu s žáromateriály (koroze, eroze). Vzhledem k jejich nekovové povaze je označujeme jako nekovové vměstky. V následující tabulce je uveden přehled hlavních slitinných prvků a jejich vliv na vlastnosti oceli. Přehled hlavních slitinových prvků a jejich vliv na vlastnosti oceli V současné době je v ČR vyráběno cca 5 mil. tun a ve světě cca mil. tun oceli ročně. Shrnutí pojmů kapitoly doprovodné prvky běžné a speciální, plyny, nekovové vměstky Otázky k probranému učivu Stránka 7

8 1. Ocel objasněte pojem 2. Slitinové prvky a jejich vliv na vlastnosti oceli 2. TEORETICKÉ ZÁKLADY VÝROBY OCELI Členění kapitoly Metalurgické zákonitosti, určující chování prvků při výrobě oceli Roztavené ocelářské strusky Základní ocelářské reakce Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět definovat teoretické zákonitosti chování prvků při výrobě oceli pochopíte význam a úlohu roztavených strusek vyjasníte si základní reakce probíhající při výrobě oceli oxidace C, Si, Mn, P a reakci odsíření Výklad Metalurgické zákonitosti, určující chování prvků při výrobě oceli O tom, zda a v jakém množství přechází prvek ze vsázky, nebo z pecní atmosféry do oceli, rozhoduje především jeho afinita ke kyslíku, resp. stabilita jeho oxidů při teplotách ocelářských pochodů, dále pak stupeň oxidační působnosti jednotlivých údobí při výrobě oceli, chemické chování prvku v tekutém kovu (jeho rozpustnost, resp. schopnost reagovat s dalšími prvky rozpuštěnými v železe), chemické chování jeho oxidů ve strusce a teplota. Mírou chemické afinity reagujících složek je maximální užitečná práce, kterou reakce uvolňuje při vratném průběhu, resp. úbytek volné entalpie (Gibbsovy energie) příslušné reakce. (afinita) p, T = - (G) p, T (1) Stránka 8

9 Podmínkou samovolného průběhu libovolné metalurgické reakce v uvažovaném směru je kladná hodnota chemické afinity reagujících složek, resp. záporná hodnota změny volné entalpie (G 0). Vyjádříme-li volnou entalpii chemické reakce pomocí změny entalpie H a změny entropie S, pak pro afinitu složek platí (afinita) p, T = - H + T. S (2) kde: H = H 2 - H 1 - tepelný efekt reakce při konstantním tlaku, J S = S 2 - S 1 - změna entropie chemické reakce, J.K -1 H 1 ; S 1 H 2 ; S 2 T - entalpie a entropie složek vstupujících do reakce, J ; J.K -1 - entalpie a entropie reakčních produktů, J ; J.K -1 - teplota, K Z rovnice (2) je zřejmé, že při nízkých teplotách má na hodnotu afinity větší vliv reakční teplo H, zatímco při vyšších teplotách roste vliv entropického členu T.S. Absolutní hodnoty entropií S 1 a S 2 jsou závislé na stavu látek. Vysoké hodnoty entropií mají látky v plynném stavu, nízké hodnoty látky v kondenzovaném stavu. Znaménko před S závisí na změně molového čísla plynných složek produktů reakce a výchozích látek n. U reakcí doprovázených růstem počtu molů plynných složek, kde n 0 (např. 2 C (S) + O 2(g) = 2 CO (g), nebo C + O = CO (g) ) je S 1 S 2 a S 0. Afinita prvků v průběhu takové chemické reakce se s rostoucí teplotou zvětšuje. U reakcí spojených se snížením počtu molů plynných složek, kde n 0, (např. 2 CO (g) + O 2(g) = 2 CO 2(g), nebo 2 Me (s) + O 2(g) = 2 MeO (s) ) je S 1 S 2 a S 0. Na obrázku jsou znázorněny teplotní závislosti afinity prvků ke kyslíku při vzniku příslušných oxidů. Afinity prvků byly vypočteny za předpokladu jednotkových aktivit výchozích látek i produktů reakce. V případě, že oxidační reakce probíhá mezi složkami rozpuštěnými v roztaveném železe, budou aktivity reagujících složek určeny jak jejich obsahem v železe, tak i dalšími vlivy (především složením taveniny a teplotou) jejichž působení je kvantitativně vyjádřeno v hodnotě aktivitního součinitele a X = f X. X (3) kde: a X f X - aktivita prvku X v tavenině železa, 1 - součinitel aktivity prvku X, 1 Stránka 9

10 X - obsah prvku v tavenině železa, % Závislost afinity prvků ke kyslíku na teplotě Vliv složení polykomponentní taveniny železa na aktivitní součinitel prvku X lze vyjádřit pomocí interakčních součinitelů vztahem log f e X e R e R e R3 kde: e x x,e x R R2 R3 x x x 1 x 2 x... R x,e 1 R2 R3 x, e x 1 - interakční součinitelé vyjadřující vliv složek X, R 1, R 2, R 3 na aktivitu složky X u taveniny železa, 1 X,, R 1, R 2, R 3 - obsah prvku v tavenině železa, % (4) Stránka 10

11 Afinitu prvků ke kyslíku lze taktéž popsat pomocí reakční izotermy. Např. pro oxidaci prvku X v roztaveném železe X + O = XO (5) Platí: XO afinita ΔG RT ln p, T a a. a X O axo ln a. a X O kde: a - rovnovážné aktivity složek, 1 a - aktivity stejných složek v nerovnovážném stavu, 1 R - univerzální plynová konstanta, J.mol -1.K -1 T - teplota, K (6) Z rovnice (6) vyplývá, že všechny vlivy, které zvyšují nerovnovážné aktivity výchozích látek, resp. snižují nerovnovážnou aktivitu reakčního produktu, způsobují růst afinity prvku X ke kyslíku. Pokud aktivity složek v nerovnovážném stavu budou rovny jedné (čisté složky nebo jejich nasycené roztoky) dostává reakční izoterma tvar - G = + RT. ln K a (7) kde: K a - rovnovážná konstanta reakce (5) vyjádřená pomocí aktivit reakčních složek. [6] Roztavené ocelářské strusky Význam a úloha strusek při výrobě a rafinaci oceli spočívá v zajištění: průběhu hlavních metalurgických reakcí snížení intenzity přenosu plynů (H 2, N 2 ) z pecní atmosféry do oceli regulace přenosu tepla mezi plynnou atmosférou a roztaveným kovem pohlcování nekovových vměstků Na tvorbě ocelářských strusek se podílí: oxidy vznikající oxidací železa a dalších příměsí v roztaveném kovu sulfidy vznikající při odsiřování kovu struskotvorné přísady (úmyslně přidávané), zajišťující požadované fyzikální a chemické vlastnosti strusky materiály přešlé do strusky při korozi vyzdívek Stránka 11

12 Chemické složení ocelářských strusek je dáno řadou činitelů, např. zda se jedná o zkujňování, dezoxidaci nebo mimopecní rafinaci oceli; zda se jedná o zásaditý nebo kyselý pochod, či v jakém agregátu nebo technologickém údobí se tavba nachází. Z hlediska úloh, které ocelářská struska plní, především z hlediska reakcí mezi kovem a struskou resp. kovem a vyzdívkou, definujeme u ocelářských strusek dva pojmy a to zásaditost a oxidační schopnost strusky. Zásaditost podle molekulární teorie strusek vyjadřujeme jednak jako poměr hmotnostních obsahů zásaditých a kyselých oxidů, např. B 1 % CaO % SiO 2 (8) B B 2 3 % CaO % SiO % P O 2 % CaO % MgO % SiO % Al O (9) (10) a jednak jako obsah volného CaO či přebytku zásaditých oxidů např. v molech B 4 (%CaO) = (%CaO) - 0,93 (%SiO 2 ) + 1,1 (%Al 2 O 3 ) + 1,17 (%P 2 O 5 ) (11) B n n n 2n 4n 2n 5 CaO MgO MnO SiO P O Al O nfe O3 Výhodou tohoto vyjádření zásaditosti strusek je jednoduchost, avšak mezi parametry popisující děje probíhající mezi struskou a kovem (např. odsíření nebo odfosfoření oceli) a touto zásaditostí lze nalézt převážně pouze statistické a nikoliv fyzikálně chemické vztahy. Iontová teorie strusek využívá k vyjádření zásaditosti Lewisovu elektronovou teorii kyselin a zásad. Podle ní jako míra zásaditosti v oxidických taveninách slouží aktivita volných kyslíkových iontů (a 2- O ). Zdrojem těchto iontů jsou zásadité oxidy s iontovou vazbou v krystalické mřížce (CaO, MgO, MnO, FeO apod.), která je teplotou snadno štěpitelná. Kyselé oxidy (SiO 2, P 2 O 5 apod.) vyznačující se stabilní kovalentní vazbou v molekulách jsou naopak schopny v taveninách strusek volné kyslíkové ionty na sebe vázat za vzniku komplexních aniontů (např. SiO 4,SiO, PO apod.) a tím aktivitu O 2- iontů snižovat. Oxidační schopnost strusek vyjadřuje jejich schopnost rozpouštět v kovu kyslík. Protože hlavním zdrojem kyslíku v oceli je oxid železnatý, popisujeme oxidační schopnost strusky Stránka 12 (12)

13 aktivitou FeO (molekulární teorie) nebo součinem aktivit železnatých a kyslíkových iontů (iontová teorie). [1] Reakce probíhající při výrobě a rafinaci oceli Zkujňovací oxidační reakce v ocelářských pecích probíhají převážně v důsledku dmýchání plynného kyslíku. V oblasti přímého kontaktu plynného kyslíku s tekutým kovem probíhají reakce 2 Fe (l) + O 2(g) = 2 (FeO) (13) [Si] + O 2(g) = (SiO 2 ) (14) 2 [Mn] + O 2(g) = 2 (MnO) (15) 2 [C] + O 2(g) = 2 CO (g) (16) Převážná část plynného kyslíku je spotřebována na reakci (13). Vznikající FeO přechází z části do strusky a z části je zdrojem kyslíku v kovu podle reakce (FeO) = Fe (l) + [O] (17) Reakce ( 17 ) vytváří předpoklady pro oxidaci doprovodných prvků v kovové lázni Si] + 2 [O] = (SiO 2 ) (18) [Mn] + [O] = (MnO) (19) [C] + [O] = CO (g) (20) Se vznikem strusky obsahující FeO se taktéž vytváří podmínky pro oxidaci doprovodných prvků na rozhraní struska-kov. 2 (FeO) + [Si] = (SiO 2 ) + 2 Fe (l) (21) (FeO) + [Mn] = (MnO) + Fe (l) (22) (FeO) + [C] = CO (g) + Fe (l) (23) 5 (FeO) + 2 [P] = (P 2 O 5 ) + Fe (l) (24) Vznikající oxidy vytvářejí tekutou strusku. U kyselých pochodů je vznikající struska tvořena oxidy FeO, MnO, SiO 2 a jejich sloučeninami (FeSiO 3, Fe 2 SiO 4, MnSiO 3, Mn 2 SiO 4 ). Odfosfoření u kyselých pochodů neprobíhá, neboť rovnováha silně exotermické reakce (24) je za vysokých Stránka 13

14 teplot posunuta zcela doleva. Protože v kyselé strusce je veškerý MnO vázán na SiO 2, reakce (19), (22) jsou zcela posunuty doprava a vyrobená kyselá ocel téměř neobsahuje mangan (0,02 0,03 % Mn). Naopak vysoký obsah SiO 2 ve strusce (v závěru tavby až 65 %) způsobuje, že i vyrobená ocel obsahuje před dezoxidací křemík ( 0,1 až 0,2 % Si). U zásaditých pochodů dochází ve strusce k rozpouštění sázeného vápna a silně zásaditý CaO vytěsňuje z křemičitanů oxid manganatý a železnatý. (Fe 2 SiO 4 ) + 2 (CaO) = (Ca 2 SiO 4 ) + 2 (FeO) (25) (Mn 2 SiO 4 ) + 2 (CaO) = (Ca 2 SiO 4 ) + 2 (MnO) (26) V zásaditých struskách je tudíž veškerý SiO 2 vázán na mono-, di- i trikalciumsilikát a proto i obsah křemíku ve zkujněné oceli je nulový. Naopak vzhledem k reakci (26) zvýšený obsah volného MnO ve strusce posouvá rovnováhu reakce (22) doleva a proto zkujněná zásaditá ocel obsahuje 0,15 až 0,2 % manganu. /1/ Odfosfoření oceli podle reakce (24) zabezpečuje oxidační a zásaditá struska, přičemž aktivita vznikajícího P 2 O 5 je snížena reakcí s oxidem vápenatým 4 (CaO) + (P 2 O 5 ) = (Ca 4 P 2 O 5 ) (27) Z hlediska odfosfoření je optimální obsah CaO ve strusce 40 až 45 % a 15 až 20 % FeO. Příliš vysoké obsahy CaO ve strusce, stejně jako teplota kovu pod 1500 C negativně ovlivňují rychlost odfosfoření z důvodu příliš viskózní strusky. Význam vysokého obsahu CaO ve strusce roste zvláště v závěru tavby, kdy vysoká teplota posunuje rovnováhu silně exotermické reakce (24) doleva a pouze snížená aktivita P 2 O 5 může tento nepříznivý vliv kompenzovat. V některých ocelářských technologiích se ke snížení obsahu a tudíž i aktivity P 2 O 5 využívá stahování strusky a vytváření strusky nové. Nejdůležitější zkujňovací reakcí je oxidace uhlíku reakce oduhličení. Tato reakce v důsledku vznikajících bublin CO míchá lázeň, zabezpečuje průběh reakcí mezi struskou a kovem, vytváří podmínky pro snížení obsahu vodíku a dusíku v oceli, pro vyplouvání vměstků a důležitý je i tepelný efekt podílející se na ohřevu oceli. Oxidace uhlíku je doprovázena vznikem plynné fáze - bublin CO, k jejichž nukleaci je třeba dodat energii minimálně rovnou povrchové energii těchto bublin. Proto tzv. homogenní uhlíková reakce (20) vyžaduje výrazné přesycení lázně kyslíkem. Tyto kinetické obtíže spojené s nukleací bublin jsou také důvodem opožděného průběhu uhlíkové reakce při zkujňování surového železa (až po úplné oxidaci křemíku), i když Stránka 14

15 odpovídající rovnovážné aktivity kyslíku vzhledem ke křemíku a uhlíku v surovém železe jsou téměř shodné. Přenos kyslíku ze strusky do kovu podle reakce (17) je endotermický děj. Protože oxidace uhlíku rozpuštěným kyslíkem (20) je pouze slabě exotermická, vychází oxidace uhlíku na povrchu kapiček strusky (23) jako slabě endotermická. Protože však v průběhu uhlíkové reakce dochází např. v kyslíkovém konvertoru, tandemové peci apod. k nárůstu teploty lázně, musí se na této oxidaci přednostně podílet exotermická reakce (20). Další zvláštností oxidace uhlíku za vzniku oxidu uhelnatého je rostoucí afinita uhlíku ke kyslíku při zvyšující se teplotě (viz obr 1). Tato zvláštnost pochodu oduhličení se využívá při vakuových pochodech při výrobě nerezavějících ocelí. [1] reakcí Přenos a rozdělení síry mezi roztaveným kovem a struskou můžeme vyjádřit pomocí Fe (l) + [S] = (FeS) (28) (FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO) (29) Fe (l) +[S] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (30) [S] + (CaO) = (CaS) + [O] (31) Největší podíl síry se z kovu odstraňuje jejím pohlcením ve strusce. Pouze v kyslíkovém konvertoru (LD i OBM) se 10 až 15 % z odstraněné síry oxiduje na SO 2. Rovnice (30) a (31) jsou pro vyjádření odsíření oceli rovnocenné. Vztah mezi nimi je dán rovnicí (17) popisující rozdělení kyslíku mezi struskou a kovem. Ze vztahů pro rovnovážné konstanty rovnic (30) a (31) lze odvodit podmínky zajišťující nízký obsah síry v kovu. S K a 30 (CaS). a. a (CaO) (FeO). f S (32) a. a (CaS) O S (33) K31. a (CaS).fS Jsou to: vysoká aktivita (CaO) ve strusce (zásaditá struska); nízká aktivita (FeO) ve strusce (redukční struska); takové chemické složení kovu, které zvyšuje aktivitu síry v kovu (hodnotu f S ); Stránka 15

16 nízká aktivita kyslíku v kovu (dezoxidovaná ocel); nízká aktivita (CaS) ve strusce (lze snížit stahováním strusky); Tepelné zabarvení reakce odsíření oceli je endotermické. Zvýšená teplota proto pozitivně ovlivňuje termodynamiku odsíření, zlepšuje také i kinetické podmínky odsíření, snižuje viskozitu strusky. Shrnutí pojmů kapitoly afinita ke kyslíku, roztavené strusky, charakteristika, teorie strusek, reakce probíhající při výrobě a rafinaci oceli Otázky k probranému učivu 1. Co je to afinita chemické reakce 2. Ocelářské strusky, molekulární a iontová teorie 3. Úloha ocelářských strusek 4. Reakce oduhličení, oxidace Mn a Si 5. Reakce odfosfoření 6. Reakce odsíření Stránka 16

17 3. ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY Členění kapitoly Rozdělení žáromateriálů Vlastnosti žáromateriálů Charakteristika základních žáromateriálů a jejich použití Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly získáte představu o rozdělení a vlastnostech žáromateriálů a budete umět charakterizovat jednotlivé materiály z hlediska jejich chemické povahy a použití Výklad Rozdělení žáromateriálů Technologické procesy probíhají za velmi vysokých teplot, jejichž účinky spolu s pecním prostředím kladou na žáruvzdorné materiály mimořádné požadavky. Žárovzdorné materiály jsou v metalurgii využívány k vyzdívání pracovních částí zařízení (pecí, pánví, atd.) pro zabezpečování jejich provozu. Mají spolu s konstrukčním řešením vyzdívek zásadní vliv na výkonnost, možnost intenzifikace, časové využití a ekonomiku provozu. Rozdělení žárovzdorných materiálů lze provést z různých hledisek, např.: [2. 3] 1. Podle formy tvarové materiály (cihly, tvárnice) netvarové materiály (zrněné hmoty) Stránka 17

18 2. Podle pórovitosti vysoce hutné (pórovitost do 3 %) velmi hutné (pórovitost 3-10 %) hutné (pórovitost %) středně hutné (pórovitost %) obyčejné (pórovitost %) pórovité (pórovitost %) lehčené (pórovitost %) vysoce lehčené (pórovitost nad 75 %) 3. Podle chemické povahy kyselé základní složkou je SiO 2 neutrální základní složkou je Al 2 O 3 a SiO 2 zásadité minimálně 40 % MgO Sledované vlastnosti žáromateriálů Žárovzdornost ( C) Odolnost proti deformaci při zatížení v žáru ( C při tlaku 0,2 MPa) Pevnost v tlaku (MPa) Délkové změny při 1400 C (%) Objemová hmotnost (kg.m -3 ) Pórovitost (%) Nasákavost (%) Odolnost proti změnám teploty Chemická stálost (vůči vlivu oceli, strusky) Charakteristika základních žáromateriálů Dinas Obsahuje min. 93 %hm. SiO 2 jedná se o kyselý materiál. Vyrábí se z čistých křemenců a křemenů, obsahujících až 98 %hm. SiO 2. Z pracovní hmoty, která je připravována mísením křemencové drtě s přísadami se výrobky lisují. Následný výpal se řídí tak, aby bylo dosaženo požadovaného stupně přeměny modifikace SiO 2 křemene na krystobalit a tridymit. Stránka 18

19 Vlastnosti: do teplot 300 C prodělává výrazné objemové změny nad 300 C necitlivý ke změnám teploty vysoká odolnost proti deformaci v žáru vysoká žárovzdornost vzhledem ke své kyselé povaze není využitelný v prostředí zásaditých strusek Šamoty Šamotová staviva patří mezi nejběžnější druhy žárovzdorných materiálů. Jsou univerzálním materiálem, úspěšně používaným pro celou řadu vyzdívek. Základními složkami šamotových staviv jsou SiO 2 a Al 2 O 3, jejichž celkový podíl činí min. 93 %. Ostatní oxidy přítomné v šamotu jsou nečistoty ze surovin, působící jako taviva snižují žárovzdornost a ostatní tepelné vlastnosti. Žárovzdornost šamotových materiálů stoupá s rostoucím obsahem Al 2 O 3, který se u běžných druhů pohybuje do 40 %. Šamotová staviva se vyrábějí ze směsi ostřiva a pojiva lisováním s následným pálením při teplotě, zaručující získání objemově stálého výrobku. Jako ostřiva slouží při výrobě běžných druhů šamotu pálené lupky, při výrobě vysokohlinitých staviv tavený korun nebo spékaný mullit (3Al 2 O 3.2SiO 2 ). Funkci pojiva plní plastické jíly s vysokou žárovzdorností, přidávané do pracovní hmoty v různém množství. Ostřivo tvoří kostru výrobku, a do značné míry určuje vlastnosti vypáleného materiálu. Při výrobě lehčených staviv se do hmoty přidávají vyhořívající nebo jiné lehčící přísady. Vlastnosti: odolnost proti náhlým změnám teploty nízká odolnost proti deformaci v žáru omezený teplotní rozsah použití Dle způsobu přípravy rozeznáváme šamot: obyčejný tvrdý polotvrdý lehčený kyselý Stránka 19

20 Zvláštní skupiny tvoří šamoty s vysokými obsahy Al 2 O 3 (až 80 %) nazývané vysokohlinité materiály. Magnezitové materiály Staviva na základě MgO jsou typicky zásaditá. Nejširší uplatnění nalezla v průmyslu metalurgickém, a to pro svoji vysokou žárovzdornost a dobrou odolnost vůči bazických struskám. Výchozí surovinou pro výrobu magnezitových staviv je slinutý pálený magnezit s nízkým obsahem CaO, SiO 2 a Al 2 O 3. Lisovací hmota pro výrobu tvárnic se zpravidla připravuje mísením několika druhů slínků s doplňujícími se vlastnostmi. Vlastnosti: vysoká pevnost odolnost proti mechanickému namáhání špatná odolnost při změnách teploty odolnost proti působení bazických strusek Podstatného zvýšení odolnosti zásaditých staviv proti náhlým změnám teploty se dosahuje přísadou chromové rudy. Tímto způsobem vznikají dvě skupiny výrobků s obsahem Cr 2 O 3, a to: a) staviva magnezitchromová, u nichž ve hmotě převládá magnezitový slínek nad chromovou rudou (obsah MgO nad 55 %) b) staviva chrommagnezitová, u kterých složka chromové rudy převyšuje podíl magnezitového slínku (obsah MgO 25 až 54 %) Oxid chromitý Cr 2 O 3 se během výpalu i vlastního použití staviva rozpouští v MgO a zlepšuje jeho vlastnosti. Výpalem při velmi vysokých teplotách lze dosáhnout tzv. přímé vazby mezi magnezitovou složkou a chromovovu rudou, čímž lze získat výrobky se zvýšenou pevností při provozních teplotách a vyšší odolností proti působení tavenin. Chromová ruda s menšími přísadami je podstatou chromitých staviv, vykazujících neutrální chemický charakter a odolávajících dobře zásaditým i kyselým struskám. Těchto staviv se používá jako dělícího materiálu mezi kyselou a zásaditou vyzdívkou. Značně se rozšířilo používání nepálených tvárnic chemicky vázaných, opatřených zpravidla plechovým obalem a někdy vnitřně armovaných. Při výrobě těchto tvárnic se do lisovací hmoty přidávají chemická pojiva, kterými se dosahuje vzájemné vazby jednotlivých složek hmoty. Stránka 20

21 Plechový obal, který tvoří ochranu tvárnic před poškozením při dopravě a manipulaci, se při provozní teplotě vlivem pecní atmosféry oxiduje a reaguje s MgO stavivem, čímž přispívá ke spojení vyzdívky v monolitický blok. Některé jiné žáromateriály Bazické materiály s obsahem uhlíku do 30 % Zirkoničité materiály Materiály na bázi SiC Uhlíkaté žáromateriály, atd. [2], [3] Shrnutí pojmů kapitoly žárovzdorné materiály, vlastnosti, výroba. Rozdělení dle chemické povahy Otázky k probranému učivu 1. Charakteristika, základní rozdělení žáruvzdorných materiálů 2. Kyselé, neutrální a zásadité žáromateriály Stránka 21

22 4. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V KYSLÍKOVÝCH KONVERTORECH Členění kapitoly Výroba oceli v konvertorech dmýchaných horem Výroba oceli v konvertorech dmýchaných spodem Kombinované způsoby dmýchání kyslíku Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět popsat konstrukci kyslíkového konvertoru s horem a spodem dmýchaným kyslíkem vyjasníte si technologický postup výroby v jednotlivých agregátech Výklad Výroba oceli v konvertorech dmýchaných horem (LD) Kyslíkové konvertory nahradily ve světě výrobu v Siemens-Martinských pecích a jejich uplatnění znamenalo prudký nárůst výroby oceli. První kyslíkový konvertor byl vyvinut a uplatněn průmyslově v roce 1952 v Rakousku v Linci a Donavicích. Pochod je proto označován jako LD. V současné době je to nejpoužívanější typ kyslíkového konvertoru, i když již byla vyvinuta řada variant, zejména konvertory s dmýcháním dnem a s kombinovaným dmýcháním. Stránka 22

23 Schéma LD konvertoru Podstatou pochodu LD je zkujňování surového železa kyslíkem, dmýchaným do lázně tekutého kovu shora měděnou, vodou chlazenou tryskou, umístěnou v ose bazicky vyzděného konvertoru. Čistota kyslíku musí být min. 99,5 %. Schéma konvertoru při dmýchání kyslíku horem a celkové uspořádání je znázorněno na následujících obrázcích. [4, 5] Stránka 23

24 Uspořádání LD-konvertoru Kyslíkový konvertor je vyzděn bazickým žáromateriálem. Sestává v podstatě z vlastního tělesa, sklápěcího mechanismu, trysky a odprašovacího zařízení. Hmotnost tavby u prvních LD konvertorů činila 30 a 35 t; v současné době největší počet kyslíkových konvertorů pracuje s hmotností tavby 150 až 250 t. a největší konvertory pracují s hmotností tavby až 400 t. Na následujícím obrázku jsou uvedeny rozměry a tvary konvertorů pro různou hmotnost tavby. Stránka 24

25 Základní tvary kyslíkových konvertorů různých velikostí Proud kyslíku při proniku do kovové lázně vytváří tzv. reakční zónu, kde teplota lázně dosahuje až 2500 C. V této oblasti dochází k oxidaci železa a zčásti i doprovodných prvků. Vznikající oxid železnatý je nositelem kyslíku do kovu z části přechází do strusky. Změnou polohy trysky, jejím konstrukčním uspořádáním a množstvím přiváděného kyslíku lze regulovat polohu a objem reakční zóny a tudíž i obsah FeO ve strusce. Základní kovovou vsázku tvoří tekuté surové železo (cca 72 %) a ocelový odpad (cca 28 %), dále jsou přidávány struskotvorné přísady (vápno, ředidlo, magnezit, atd.), dále je možné přisazovat železnou rudu, aglomerát, vratnou strusku, atd., především pak k chlazení lázně a úpravě strusky. Tento proces je využíván zejména pro výrobu středně a nízkouhlíkových ocelí. Doba trvání tavby, včetně doby oprav, sázení, nalévání surového železa, dohotovení a odpichu trvá cca 50 minut, z toho doba dmýchání kyslíku cca 18 minut. Intenzita dmýchání činí cca 2,5-3,5 m 3.t -1.min -1. Odcházející plyny jsou čištěny mokrým nebo elektrostatickým způsobem. Výkony LD konvertorů se pohybují okolo 200 až 300 t.hod -1, v závislosti na tonáži. Celý proces má následující etapy: oprava zavážení přísad a ocelového odpadu nalévání surového železa dmýchání kyslíku (dohotovení) odpich, spojený s dezoxidací a legováním Oprava konvertoru se v současné době provádí tak, že při odpichu oceli se v nádobě ponechá struska, ke které se přidává zrnitý MgO. Následuje buď naklápění konvertoru na Stránka 25

26 strany či rozstřik strusky pomocí dmýchání kyslíku. Tím dojde k nástřiku strusky (nanesení) na stěny a jejímu zatuhnutí garnisáž. Zavážení ocelového odpadu, spolu s vápnem a ředidly je prováděno pomocí zavážecích beden jeřábem tak, aby celá operace byla provedena během jednoho časového intervalu. Nalévání surového železa je prováděno ihned po nasazení pevné vsázky z nalévací pánve pomocí jeřábu. Následuje dmýchání kyslíku pomocí kyslíkové, vodou chlazené měděné trysky, jejíž příklady jsou uvedeny na následujícím obrázku. Uspořádání hlavic kyslíkových trysek a jednootvorová b tříotvorová Stránka 26

27 Během dmýchání kyslíku, které trvá minut se oxidují jednotlivé doprovodné prvky dle následujícího schématu. Průběh tavby v kyslíkovém konvertoru při LD pochodu Současně také vlivem exotermického působení jednotlivých oxidačních reakcí stoupá teplota lázně. Odpich finální oceli je prováděn naklopením konvertoru a výtokem veškeré oceli do pánve. Vzhledem k dalším postupům (mimopecní zpracování oceli) je zabráněno výtoku konvertorové oxidační strusky do pánve. Během odpichu je prováděna dezoxidace oceli a legování, sypáním feroslitin a přísad do proudu vytékající oceli, opět pomocí jeřábu. Stránka 27

28 Výroba oceli v konvertorech dmýchaných spodem (OBM, Q-BOP, OXYVIT) Při dmýchání kyslíku spodem do lázně konvertoru dochází v okolí trysek, umístěných ve dně, k nárůstu teplot až na 2500 C. Aby nedocházelo k nežádoucímu otavování vyzdívky dna konvertoru v okolí trysek, je kyslík přiváděn do tekutého kovu pomocí dvouplášťových trysek, jejichž vnějšími částmi jsou přiváděny plynné uhlovodíky a vnitřní částí pak plynný kyslík a prachové vápno. Trysky jsou umístěny ve dně konvertoru v kruhu, elipse či kříži, v celkovém počtu cca 14 trysek. Při použití metanu dochází u ústí trysky k jeho rozkladu a částečné oxidaci podle reakcí CH 4(g) [C] + 2H 2(g) [C] + [O] CO (g) Přičemž tepelný účinek tohoto pochodu je endotermický. Děje, probíhající v okolí trysky jsou schématicky znázorněny na následujícím obrázku. Stránka 28

29 Děje probíhající v okolí trysky Jednotlivé etapy procesu jsou stejné jako v případě LD konvertoru. Tvar konvertoru se spodním dmýcháním se oproti LD konvertoru vyznačuje menším měrným objemem (0,6 až 0,8 m 3.t -1 oceli) a taktéž menším poměrem výšky k vnějšímu průměru (H : D = 1,2 až 1,0) viz porovnání. Stránka 29

30 Schéma uspořádání kyslíkového konvertoru Q-BOP a LD pochodu Příčný řez haly konvertorové ocelárny při pochodu Q-BOP a LD Kovová vsázka je rovněž tvořena nalévaným surovým železem a ocelovým odpadem, přičemž u tohoto způsobu lze zpracovat vyšší jeho podíly než u pochodu LD. Stránka 30

31 Při průchodu kyslíku lázní pak dochází k oxidaci jednotlivých doprovodných prvků. Výhodou těchto konvertorů jsou malé teplotní rozdíly lázně a její chemická homogenita, poněvadž intenzita dmýchání je nižší než u konvertoru LD. Proto také nedochází k přeoxidování lázně, oxidační reakce probíhají v blízkosti rovnovážných stavů, což zvyšuje výtěžek kovu, snižuje propal manganu a umožňuje práci s menším množstvím strusky. Vlivem rozkladu CH 4, při kterém jako produkt vzniká vodík, obsahují však vyrobené oceli o cca 2 ppm vodíku více. [4, 5] Průběh tavby v kyslíkovém konvertoru při pochodu Q-BOP a LD Stránka 31

32 Závislost mezi obsahem C v kovu a FeO ve strusce při výrobě oceli pochodem LD a Q-BOP Závislost obsahu [S] v oceli na obsahu [S] v surovém železe při bazicitě strusky B = 3,5 u pochodu Q-BOP a LD Stránka 32

33 Kombinované způsoby dmýchání Konvertory s kombinovaným dmýcháním spojují výhody LD a OBM - vyšší výrobnost a jednoduchost LD s technologickými výhodami dmýchání spodem. Umožňují vést oxidační proces v blízkosti rovnovážného stavu a tím zlepšují podmínky i pro odsíření a odfosfoření oceli. Horem dmýchané konvertory jsou proto doplňovány alternativním dmýcháním Ar, N 2, O 2, CO 2, C m H n, spolu s pevnými struskotvornými přísadami dnem, a to tryskami, nebo přes porézní tvárnice. Vývoj se orientuje i na speciálně upravené konvertory se spodním dmýcháním, do nichž je ještě spolu s kyslíkem přiváděno dodatečně palivo - olej, plyn nebo prachové uhlí. Takto dmýchané konvertory pak umožňují zpracování vyšších podílů ocelového odpadu. Známý je např. pochod KMS, u něhož je do lázně dmýcháno spolu s prachovým vápnem uhlí a kyslík. Všechny nové kyslíkové konvertorové pochody předpokládají maximální míru využití reakční nádoby s následným dokončením tavby mimo konvertor v pánvi metodami sekundární metalurgie. [6] Možné varianty jsou uvedeny na následujících obrázcích. Schéma KMS konvertoru Stránka 33

34 Uspořádání konvertoru při kombinovaném dmýchání kyslíku Shrnutí pojmů kapitoly konstrukce kyslíkového konvertoru horem a spodem dmýchaných technologie výroby u jednotlivých konvertorů Otázky k probranému učivu 1. Konstrukce LD konvertoru 2. Konstrukce spodem dmýchaného konvertoru 3. Konvertory s kombinovaným dmýcháním 4. Technologie výroby v LD konvertorech 5. Technologie výroby ve spodem dmýchaných konvertorech Stránka 34

35 5. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V TANDEMOVÝCH PECÍCH Členění kapitoly Konstrukce tandemové pece Technologie výroby ocelí Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly si vyjasníte konstrukci tandemové pece a budete umět popsat technologický proces výroby v tomto agregátu Výklad Konstrukce tandemové pece Tandemová pec sestává ze dvou nístějí, přičemž jedna slouží k předehřívání a tavení vsázky, zatímco ve druhé probíhá zkujňovací proces a to plynným kyslíkem. Tandemová pec pracuje bez regenerátorů a k ohřevu či tavení vsázky je využíváno tepla spalin, především CO a dále tepla, vzniklého dospálením CO na CO 2 viz obrázek. Po každém odpichu se funkce jednotlivých nístějí obrátí. Stránka 35

36 Schématické znázornění významných technologických uzlů tandemových pecí Vlastní pec tvoří dvě obdélníkové sklopné nístěje shora uzavřené klenbou. V přední stěně každé nístěje je sázecí okno, na obou stranách pece pak odtahové kanály. Pod odtahovými kanály je umístěna strusková komora. Po obou stranách pece je na stojanech umístěna vysunovatelná tryska (primární) pro přívod zkujňovacího kyslíku, která zasahuje šikmo do nístěje přes odtahový kanál. Množství zkujňovacího kyslíku činí cca m 3.hod -1 a dospalovací směsi cca m 3.hod -1. Klenbou pece zasahuje svisle nad každou nístěj dospalovací (sekundární tryska), kterou je přiváděna směs kyslíku a vzduchu v poměru cca 3:1 pro dodatečnou oxidaci oxidu CO. Stránka 36

37 Je používán kyslík o čistotě 99,5 %. Mezi oběma nístějemi se nachází převáděcí kanál, sloužící k převádění spalin. Schéma pece je zřejmé z následujících obrázků. Půdorys nístěje T- pece Vyzdívka sestává ze dvou vrstev - ochranné a pracovní, která je vydusána ze sypkého bazického žáromateriálu s tloušťkou mm [4, 5]. Příčný řez vyzdívkou T- pece Technologie výroby oceli Základní podstata výroby oceli v tandemových pecích (T-pecích) spočívá ve využívání fyzikálního tepla spalin a chemického tepla oxidu uhelnatého k předehřívání nejprve pevného a později tekutého podílu vsázky. Vlastní zkujňování surového železa se děje dmýcháním kyslíku Stránka 37

38 na hladinu tekutého kovu. Tyto pece v současnosti pracují pouze v ArcelorMittal Ostrava, a.s., s hmotností tavby 220 t v každé nístěji. Výrobní pochod v T-peci probíhá jednak ve zkujňovací nístěji, kde dochází k oxidaci doprovodných prvků v lázni kovu. Vzniklé oxidy SiO 2, MnO, P 2 O 5, FeO přecházejí do strusky. Vzniklé spaliny (oxid uhelnatý) jsou propojovacím kanálem odváděny do předehřívací nístěje, kde předehřívají pevnou kovostruskovou vsázku a následně také nalité surové železo. Sekundární tryskou v této nístěji je dmýchán kyslík, který slouží k dospálení CO na CO 2 dle rovnice CO + ½ O 2 CO 2 což je exotermická reakce, umožňující následně zvýšení průsady ocelového odpadu, až na 35 % celkové hmotnosti kovonosné vsázky. Vlastní výrobní proces začíná zavážením vsázky po předchozím odpichu a prohlídce vyzdívky nístěje. Ve snaze zkrátit dobu sázení, používá se k zavážení speciálních kontejnerů, aby bylo možno veškerý podíl ocelového odpadu zavézt do T-pece pouze v jednom či dvou intervalech. Po nasazení ocelového odpadu následuje prohřev (asi 10 % doby zkujňování) a poté se zaváží vápno. Další prohřev pokračuje až do nalití surového železa, které má býti ukončeno před odpichem tavby ze zkujňovací nístěje. Vsázku tandemové pece tvoří tekuté surové železo, ocelový odpad (cca 35 % kovonosné vsázky) a struskotvorné přísady vápno a ředidla. Vlastní zkujňovací proces dmýchání kyslíku začíná po ukončení odpichu ve vedlejší nístěji. Přibližně v jedné třetině zkujňovací doby je stahována prvotní pěnivá struska, načež přísadou vápna a ředidel se vytváří struska nová. V polovině tavby (doba zkujňování lázně kyslíkem) je odebírána první zkouška kovu a strusky a je měřena teplota lázně. Ve druhé polovině tavby je dle potřeby prováděna úprava strusky buď přísadou vápna a ředidel nebo změnou režimu dmýchání kyslíku. Na obrázku je uvedena změna chemického složení kovové lázně v průběhu dmýchání kyslíku. Stránka 38

39 Změna chemického složení kovové lázně v T - peci Následuje odpich ve zkujňovací nístěji a celý technologický proces se obrátí. Celková doba zpracování v každé nístěji činí cca 70 minut. Na následujících obrázcích je znázorněna změna polohy zkujňovacích a dospalovacích trysek při změně funkce jednotlivých nístějí a dále je uveden harmonogram průběhu tavby v jednotlivých nístějích pro obě varianty procesu [4], [5]. Rovněž jsou uvedeny fotografie pece ArcelorMittal, a.s. Stránka 39

40 Schéma varianty I Harmonogram tavby v T peci Varianta I Stránka 40

41 Schéma varianty II Harmonogram tavby v T peci Varianta II Stránka 41

42 Tandemová pec ArcelorMittal Ostrava a.s. Tandemová pec čelní pohled (ArcelorMittal Ostrava a.s.) Stránka 42

43 Tandemová pec (ArcelorMittal Ostrava a.s.) Shrnutí pojmů kapitoly konstrukce T-pece technologie výroby oceli v T-peci Otázky k probranému učivu 1. Konstrukce T-pece 2. Technologie výroby oceli v T-peci 3. Odlišnosti v technologii výroby oproti LD konvertoru Stránka 43

44 6. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍCH Členění kapitoly Konstrukce elektrické obloukové pece Technologie výroby oceli Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět popsat konstrukci elektrické obloukové pece včetně elektrické části vyjasníte si vlastní průběh technologického procesu v tomto agregátu Výklad Konstrukce elektrické obloukové pece Elektrické obloukové pece byly dlouho používány jako hlavní ocelářské agregáty k výrobě legovaných a ušlechtilých ocelí. V posledních dvaceti letech se však pohled na jejich využití začal zcela měnit a dneska jsou využívány také jako zařízení k rychlému roztavení ocelového odpadu a výrobě surové oceli, jejíž další zpracování - část rafinace, desoxidace i legování se přesouvá do oblasti mimopecní metalurgie. Cílem je v co největší míře využít značný elektrické příkon, který se u moderních UHP (Ultra High Production) pecí oproti klasickým EOP značně zvýšil, z obvyklých 100 až 200 kw.t -1 oceli maximálního příkonu na 300 až 600 kw.t -1 a výhledově i více. [4, 5] Většinou se EOP staví jako sklopné třífázové pece na střídavý proud, uzpůsobené pro sázení horem, s automatizovaným pohybem elektrod. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který hoří mezi grafitovými elektrodami a vodivou vsázkou. V posledních letech bylo ve světě postaveno několik Stránka 44

45 pecí, pracujících se stejnosměrným proudem. Cílem bylo snížit spotřebu grafitových elektrod a zlepšit pracovní prostředí. Elektrická oblouková pec Elektrická oblouková pec sestává z vlastní pece, pohybových mechanizmů a elektrického zařízení. Vnější část pece (okno a plášť) jsou zhotoveny z ocelového plechu, svařované či nýtované konstrukce. V přední části pece se nachází manipulační otvor, v zadní části pece pak odpichový otvor. Konstrukce klenby je tvořena kruhovým rámem, opatřeným vodním chlazením. V klenbě jsou otvory pro průchod elektrod. Pec je vyzděna žáromateriálem z cihel na bázi magnezitu, v několika vrstvách. Poslední pracovní vrstva vyzdívky nístěje se zhotovuje pěchováním mletého dolomitu či magnezitu. Vyzdívka víka se provádí z tvarových cihel, z dinasu nebo chrommagnezitu. Zavážení vsázky u těchto pecí se provádí buď pomocí sázecích koryt, nebo košů. [4, 5] Stránka 45

46 Vyzdívání klenby obloukové pece Uspořádání sázecího koše Stránka 46

47 Na následujícím obrázku je uvedeno elektrické schéma třífázové obloukové pece. Elektrický obvod obloukové pece lze rozdělit na dvě části: silový, jež zajišťuje převod proudu přes transformátor až k elektrodám a pomocný obvod řízení a automatizace elektrického režimu. Elektrické schéma obloukové pece Nožový odpojovač slouží jako bezpečnostní vypínač při opravě elektrického zařízení pece. Nesmí se vypínat za chodu pece. K ovládání silové části obloukové pece, tj. k vypínání a zapínání slouží olejový spínač, opatřený dálkovým ovládáním. Stránka 47

48 Další součástí elektrického zařízení jsou tlumivky. Jejich úkolem je zvyšovat induktivní odpor v elektrickém okruhu každé fáze. Skládají se z cívky (izolovaný měděný drát) a železného jádra. Zpravidla se montují jako součást pecního transformátoru. Slouží k tlumení proudových nárazů v elektrické síti. Po roztavení lázně se tlumivky zcela odpojí. Další, velmi důležitou částí elektrického zařízení obloukové pece je pecní transformátor. Slouží k transformaci vysokého napětí (6 kv nebo 22 kv) na pracovní napětí (60 až 300 V). Skládá se ze tří primárních a tří sekundárních cívek, spojených železným jádrem. Cívky s jádrem jsou uloženy v olejové lázni (transformátorový olej). Další část elektrického zařízení obloukové pece je tzv. krátká cesta, která spojuje sekundární vinutí pecního transformátoru s elektrodami. Vzhledem k tomu, že vedením probíhá proud o intenzitě několika ka, nutno předcházet vzniku velkých ztrát elektrické energie. Z tohoto důvodu je žádoucí, aby příslušné vodiče byly co nejkratší. Následují elektrody, jež musí vykazovat jednak vysokou elektrickou vodivost a mechanickou pevnost, jednak minimální obsah popela a nízkou tepelnou vodivost. Mohou být grafitové nebo uhlíkové. Technologie výroby oceli Celý proces výroby oceli má následující etapy: mezitavbová oprava sázení tavení oxidační a redukční údobí legování odpich. Mezitavbová oprava se provádí ihned po ukončení odpichu. Poškozená místa, především v oblasti struskové čáry se opravují nahazováním rotafritu nebo magnezitu o zrnitosti do 10 mm. Opravy je možno provádět ručně nebo pomocí speciálních vrhačů. Zavážení vsázky je prováděno horem při vypnutém stavu tak, aby doba jejího trvání byla co nejkratší, pomocí sázecích košů nebo korýtek. Kovovou vsázku tvoří ocelový odpad, pevné surové železo, koks či úlomky elektrod. Vsázku dále tvoří vápno, ředidla. K oxidaci doprovodných prvků je dále do vsázky přidávána železná ruda. Stránka 48

49 V údobí tavení dochází vlivem hoření oblouků mezi elektrodou a kovovou vsázkou k jejímu tavení a postupně k úplnému roztavení vsázky. V tomto údobí již dochází k částečné oxidaci doprovodných prvků (především odfosfoření oceli), spojené s tvorbou strusky. Údobí tavení končí úplným roztavením veškeré vsázky v peci. V oxidačním údobí probíhá odfosfoření kovové lázně (nízká teplota, vysoká oxidační schopnost strusky a vysoká bazicita), spojení se stahováním strusky, mající vysoký obsah 4CaO.P 2 O 5. Následuje oxidace uhlíku a ostatních prvků přísadou železné rudy či dmýcháním kyslíku do lázně. V poslední části oxidačního údobí probíhá oxidace uhlíku bez přídavků železné rudy (čistý var). Jelikož na konci oxidačního údobí musí být dosaženo předepsaného obsahu uhlíku v kovu, nutno oxidaci uhlíku vnějším zásahem ukončit, např. předběžnou dezoxidací lázně a stažením oxidační strusky. Úkolem redukčního údobí tavby je dosáhnout potřebného odsíření a nalegování lázně. Po stažení oxidační strusky a provedení předběžné dezoxidace lázně se vytváří nová struska z vápna a ředidel. Jsou rovněž přidávána i redukovadla (koks, FeSi, ), která slouží k redukci zbylého FeO ve strusce dle rovnic V případě FeSi (Si) + (FeO) (SiO) + Fe (l) (SiO) + (FeO) (SiO 2 ) + Fe (l) (SiO 2 ) + 2(CaO) (2CaO.SiO 2 ) V případě uhlíku (CaO) + (C) (CaC 2 ) + CO (g) (CaC 2 ) + 2(FeO) (CaO) + 2CO (g) + 3Fe (l) Průběh dezoxidačních reakcí umožní snížit obsah FeO ve strusce pod 1%, a tím i průběh reakce odsíření Fe (l) + /S/ + (CaO) (CaS) + (FeO) V závěru redukčního údobí se provádí legování lázně na předepsané chemické složení. Je rovněž prováděna úprava teploty lázně na požadovanou hodnotu. Při přetavování ocelového odpadu a výrobě oceli v UHP pecích se ta část tavby, která připadá na redukční období, přesouvá mimo pec (mimopecní zpracování), čímž se lépe využije vysokého příkonu transformátoru EOP a specifických možností těchto zařízení. Následuje odpich oceli do odlévací pánve. Stránka 49

50 Modernější vysokovýkonné pece jsou intenzifikovány kyslíkem, používají palivové hořáky, mají vodou chlazené stěny a víka i přímé počítačové řízení. Klesá navíc spotřeba energie i grafitových elektrod. Doba trvání tavby se zkracuje u UHP na dobu kratší než 2 hodiny. [4, 5] V této kapitole je popsána v krátkosti klasická technologie výroby oceli v tomto agregátu. V současné době, kdy jsou ocelárny vybaveny zařízeními sekundární metalurgie, jsou postupy uváděné v rámci redukčního údobí prováděny na těchto zařízeních, mimo základní výrobní agregát. Shrnutí pojmů kapitoly konstrukce elektrické obloukové pece technologie výroby oceli v elektrické obloukové peci Otázky k probranému učivu 1. Konstrukce ZPO 2. Elektrické schéma ZPO 3. Technologie výroby oceli v ZPO Stránka 50

51 7. DEZOXIDACE OCELI A LEGOVÁNÍ Členění kapitoly Úloha dezoxidace Srážecí dezoxidace Difuzní dezoxidace Dezoxidace pod syntetickou struskou Vakuová uhlíková dezoxidace Legování oceli Úloha feroslitin Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět definovat úkoly dezoxidace popsat jednotlivé typy dezoxidačních postupů charakterizovat úlohu feroslitin při dezoxidaci a legování oceli Výklad Úloha dezoxidace Ocel je vyráběna oxidačními pochody, a proto v závěru tavby zůstává v kovové lázni určité množství rozpuštěného kyslíku. Obsah kyslíku v kovové lázni po oxidaci doprovodných prvků závisí na složení kovu (hlavně obsahu uhlíku) a strusky (aktivitě FeO), na teplotě lázně a druhu výrobního pochodu. Úkolem dezoxidace je snížit obsah kyslíku v tekuté oceli na požadovanou výši, neboť v průběhu chladnutí, tuhnutí a krystalizace oceli se rozpustnost kyslíku podstatně snižuje, což Stránka 51

52 vede ke vzniku oxidů SiO 2, MnO, FeO, CO atd. podmiňujících vznik dutin, pórů a znečištění utuhlé oceli oxidickými vměstky. To se projeví ve špatné tvařitelnosti a zhoršení mechanických vlastností oceli. [2, 5] Dle stupně dezoxidace rozdělujeme oceli na: uklidněné obsah kyslíku snížen na úroveň, kdy při odlévání a tuhnutí již neprobíhá uhlíková reakce; neuklidněné při odlévání a tuhnutí dochází k průběhu oxidace uhlíku za vzniku bublin CO; polouklidněné mezičlánek mezi uklidněnou a neuklidněnou ocelí. Dle způsobu provádění dělíme dezoxidaci na: srážecí; difúzní; syntetickými struskami; vakuovou uhlíkovou dezoxidaci. Srážecí dezoxidace Podstata srážecí dezoxidace spočívá v přísadě dezoxidovadel - látek s vyšší afinitou ke kyslíku než má železo - do oceli, za vzniku v oceli nerozpustných oxidů. m X + n O = X m O n (s, l, g) (1) Dezoxidační schopnost prvků používaných při srážecí dezoxidaci lze nejúplněji posuzovat podle hodnoty rovnovážného obsahu kyslíku vypočítaného z rovnovážné konstanty reakce (1) pro daný prvek K 1 f a X mo m m n n X. % X. f O. % O n (2) % O n f m a. % X X mo m X O n. f n. K 1 (3) V hodnotě rovnovážné konstanty je obsažena afinita dezoxidujícího prvku ke kyslíku a vliv teploty. Významný je i vliv chemického složení oceli na dezoxidační schopnost prvků ukrytý v aktivitních součinitelích f X a f O. (Jejich hodnoty lze počítat pomocí interakčních součinitelů). Pokud zplodinou dezoxidace je čistý oxid, pak a 1. X m O n Stránka 52

53 Pokud zplodinu dezoxidace tvoří nenasycený roztok, pak, 1 a X m O n, což se příznivě projeví v hodnotě rovnovážného obsahu kyslíku. Tato skutečnost se využívá při dezoxidaci komplexními přísadami (např. FeSiMn, FeSiAl atd.). Legování Dezoxidace oceli je úzce spojena s legováním. Zbytkový obsah dezoxidačního prvku (nad teoretický rovnovážný obsah) zvyšuje hodnotu příslušného prvku v oceli nalegovává lázeň. Ta část dezoxidačního prvku, která se účastní dezoxidace je nazývána propal prvku, a ta část dezoxidovala, která zvyšuje obsah prvku v oceli je nazývána využitím. Feroslitiny K dezoxidaci a legování jsou využívány příslušné prvky ve formě feroslitin (slitin se železem). Pro srážecí dezoxidaci oceli se nejčastěji používá FeMn, FeSi a kovový hliník. Feroslitiny dalších prvků s vysokou afinitou ke kyslíku (FeTi, FeV, FeNb, FeCr, FeW, FeMo, FeCaSi atd.) využívané k legování oceli či modifikaci vměstků se přidávají až do dezoxidované oceli z důvodu snížení propalu drahých neželezných kovů. Hlavní výhodou srážecí dezoxidace je snadnost provedení, rychlost a účinek průběhu chemické reakce. Hlavní nevýhoda spočívá ve znečišťování oceli nekovovými vměstky. Difúzní dezoxidace Podstata difúzní dezoxidace spočívá ve vytvoření nerovnováhy mezi aktivitou kyslíku v kovu a aktivitou FeO ve strusce podle reakce (4) (FeO) = Fe (l) + O (4) Termodynamickou podmínkou průběhu reakce (4) zprava doleva je nerovnost odvozená ze vztahu pro rovnovážnou konstantu této reakce a [O] > K 4. a (FeO) (5) V praxi, např. v redukčním údobí tavby v EOP, je třeba hluboko dezoxidovat (dezaktivovat) strusku pomocí FeSi, Al nebo uhlíku. Přednost tohoto způsobu dezoxidace spočívá v tom, že není doprovázena vznikem dezoxidačních zplodin v oceli, což znamená její vyšší čistotu. Významnou nevýhodou omezující její využitelnost je pomalý průběh limitovaný difúzními ději. Stránka 53

54 Princip difúzní dezoxidace (5) se uplatňuje i při dezoxidaci oceli syntetickou struskou. Rozdíl spočívá v technologii provedení. Při dezoxidaci syntetickou struskou je ocel nalévána z výšky do předem natavené syntetické strusky umístěné v pánvi. Vlivem vytvoření emulze strusky a oceli dojde k obrovskému nárůstu mezifázového povrchu a k intenzivní turbulenci v kapičkách kovu i strusky. Tím se urychlí děje na rozhraní struska-kov a odstraní hlavní nevýhoda difúzní dezoxidace. Syntetické strusky mohou být kyselé i zásadité, avšak s maximálním obsahem FeO (do 0,5 %). oceli. Použitím zásaditých strusek (hlinito-vápenatých) lze současně ocel i odsířit - perrinování Vakuová uhlíková dezoxidace oceli Jedná se o snižování obsahu kyslíku v kovu pomocí uhlíkové reakce za sníženého tlaku. Rovnovážnou konstantu reakce oduhličení a její závislost na teplotě vyjadřuje rovnice (6) [C] + [O] = CO (g) (6) pco 1168 log K6 log a. a T C O 2,07 (7) Podle principu akce a reakce snížený tlak posouvá rovnováhu reakce (6) doprava. To je patrné i z rovnice (7), kdy při konstantní teplotě snížením tlaku např. z p CO = 0,1 MPa na p CO = 0,01 MPa se musí současně snížit i součin aktivit a C. a O desetkrát, aby se hodnota rovnovážné konstanty K 6 nezměnila. Výrazný vliv sníženého parciálního tlaku CO na rovnovážnou aktivitu kyslíku je znázorněn na obrázku. Stránka 54