výroba železa a oceli – část ii - FMMI

Transkript

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
prof. Ing. Jiří Bažan, CSc.
Ing. Ladislav Socha, Ph.D.
Ostrava 2013
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: 56
Studijní materiály pro studijní obor Moderní metalurgické technologie (studijní program
Metalurgické inženýrství) bakalářského studia Fakulty metalurgie a materiálového
inženýrství.
Jazyková korektura: nebyla provedena.
Určeno pro projekt:
Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost
Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na
Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava
Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304
Realizace: VŠB – Technická univerzita Ostrava
Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR
© Jiří Bažan, Ladislav Socha
© VŠB – Technická univerzita Ostrava
ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI
__________________________________________________________________________________________
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 bakalářského
studia studijního oboru Moderní metalurgické 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.
1
ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI
__________________________________________________________________________________________
PRO KOHO JE PŘEDMĚT URČEN
Předmět je zařazen do bakalářského studia oboru Moderní metalurgické technologie
studijního programu Metalurgické inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv
jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity.
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 e-mailem prostřednictvím IS;
 absolvování zápočtového testu a výsledky zápočtového testu budou studentům sděleny
po jeho absolvování.
2
ČÁST II - ZÁKLADY TEORIE A TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI
__________________________________________________________________________________________
PREREKVIZITY
1
CÍLEM PŘEDMĚTU A VÝSTUPY Z UČENÍ
1
1. CHARAKTERISTIKA OCELÍ
4
2. TEORETICKÉ ZÁKLADY VÝROBY OCELI
6
3. ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY
15
4. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V KYSLÍKOVÝCH KONVERTORECH
20
5. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V TANDEMOVÝCH PECÍCH
33
6. ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍCH
42
7. DEZOXIDACE OCELI A LEGOVÁNÍ
49
8. LITERATURA
56
3
__________________________________________________________________________________________
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
 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“.
4
__________________________________________________________________________________________
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 1.550 mil. tun oceli ročně.
Shrnutí pojmů kapitoly

doprovodné prvky běžné a speciální, plyny, nekovové vměstky
Otázky k probranému učivu
1. Ocel – objasněte pojem
2. Slitinové prvky a jejich vliv na vlastnosti oceli
5
__________________________________________________________________________________________
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)
6
__________________________________________________________________________________________
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 = H2 - H1 - tepelný efekt reakce při konstantním tlaku, J
S = S2 - S1 - změna entropie chemické reakce, J.K-1
H1 ; S1
- entalpie a entropie složek vstupujících do reakce, J ; J.K-1
H2 ; S2
- entalpie a entropie reakčních produktů, J ; J.K-1
T
- 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 S1 a S2 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) + O2(g) = 2 CO(g) , nebo C + O = CO(g)) je
S1  S2 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) + O2(g) = 2
CO2(g) , nebo 2 Me(s) + O2(g) = 2 MeO(s)) je S1  S2 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
kde: aX
fX
(3)
- aktivita prvku X v tavenině železa, 1
- součinitel aktivity prvku X, 1
7
__________________________________________________________________________________________
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x   e xx X  eRx1 R1   eRx 2 R 2   eRx 3 R 3   .........
(4)
kde:
e xx ,eRx1 ,e Rx 2 ,eRx 3 - interakční součinitelé vyjadřující vliv složek X, R1, R2, R3 na aktivitu složky X
u taveniny železa, 1
X, , R1 , R2 , R3 - obsah prvku v tavenině železa, %
8
__________________________________________________________________________________________
Afinitu prvků ke kyslíku lze taktéž popsat pomocí reakční izotermy. Např. pro oxidaci prvku X
v roztaveném železe
X + O = XO
(5)
Platí:
afinita p, T
kde: a

a XO 
a XO 
 ΔG  RT  ln
 ln

a X  . a O 
a X  . a O 





(6)
- rovnovážné aktivity složek, 1
a´
- aktivity stejných složek v nerovnovážném stavu, 1
R
- univerzální plynová konstanta, J.mol-1.K-1
T
- teplota, K
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 Ka
(7)
kde: Ka - 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 (H2, N2) 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
9
__________________________________________________________________________________________
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.
B1 
% CaO 
% SiO 2 
(8)
B2 
% CaO 
% SiO 2   % P2O5 
(9)
B3 
% CaO   % MgO
% SiO 2   % Al2O3 
(10)
a jednak jako obsah volného CaO či přebytku zásaditých oxidů např. v molech
B4  (%CaO)´ = (%CaO) - 0,93 (%SiO2) + 1,1 (%Al2O3) + 1,17 (%P2O5)

B5  n CaO  n MgO  n MnO   2n SiO2  4n P2O5  2n Al2O3  n Fe2O3

(11)
(12)
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 (aO2-). Zdrojem těchto iontů jsou zásadité oxidy s iontovou vazbou
v krystalické mřížce (CaO, MgO, MnO, FeO apod.), která je teplotou snadno štěpitelná. Kyselé
oxidy (SiO2, P2O5 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 44 , SiO 32 , PO34 apod.) a tím aktivitu O2- 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
10
__________________________________________________________________________________________
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) + O2(g) = 2 (FeO)
(13)
[Si] + O2(g) = (SiO2)
(14)
2 [Mn] + O2(g) = 2 (MnO)
(15)
2 [C] + O2(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] = (SiO2)
(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] = (SiO2) + 2 Fe(l)
(21)
(FeO) + [Mn] = (MnO) + Fe(l)
(22)
(FeO) + [C] = CO(g) + Fe(l)
(23)
5 (FeO) + 2 [P] = (P2O5) + Fe(l)
(24)
Vznikající oxidy vytvářejí tekutou strusku. U kyselých pochodů je vznikající struska tvořena
oxidy FeO, MnO, SiO2 a jejich sloučeninami (FeSiO3, Fe2SiO4, MnSiO3, Mn2SiO4). Odfosfoření
u kyselých pochodů neprobíhá, neboť rovnováha silně exotermické reakce (24) je za vysokých
11
__________________________________________________________________________________________
teplot posunuta zcela doleva. Protože v kyselé strusce je veškerý MnO vázán na SiO2, reakce (19),
(22) jsou zcela posunuty doprava a vyrobená „kyselá“ ocel téměř neobsahuje mangan
(0,02  0,03 % Mn). Naopak vysoký obsah SiO2 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.
(Fe2SiO4) + 2 (CaO) = (Ca2SiO4) + 2 (FeO)
(25)
(Mn2SiO4) + 2 (CaO) = (Ca2SiO4) + 2 (MnO)
(26)
V zásaditých struskách je tudíž veškerý SiO2 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 P2O5 je snížena reakcí s oxidem vápenatým
4 (CaO) + (P2O5) = (Ca4 P2O5)
(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 2O5 může
tento nepříznivý vliv kompenzovat. V některých ocelářských technologiích se ke snížení obsahu
a tudíž i aktivity P2O5 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
12
__________________________________________________________________________________________
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]
Přenos a rozdělení síry mezi roztaveným kovem a struskou můžeme vyjádřit pomocí
reakcí
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 SO2. 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 
S 
a (CaS) . a (FeO)
(32)
K 30 . a (CaO) . f S
a (CaS) . a O 
(33)
K 31 . a (CaS) . f S
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);
13
__________________________________________________________________________________________
•
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.
 afinita ke kyslíku, roztavené strusky, charakteristika, teorie strusek, reakce probíhající při
výrobě a rafinaci oceli
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
14
__________________________________________________________________________________________
3.
ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY
Členění kapitoly
 Rozdělení žáromateriálů
 Vlastnosti žáromateriálů
 Charakteristika základních žáromateriálů a jejich použití
Cíl

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)
15
__________________________________________________________________________________________
2. Podle pórovitosti
 vysoce hutné (pórovitost do 3 %)
 velmi hutné (pórovitost 3 - 10 %)
 hutné (pórovitost 10 - 16 %)
 středně hutné (pórovitost 16 - 20 %)
 obyčejné (pórovitost 20 - 30 %)
 pórovité (pórovitost 30 - 45 %)
 lehčené (pórovitost 45 - 75 %)
 vysoce lehčené (pórovitost nad 75 %)
3. Podle chemické povahy
 kyselé – základní složkou je SiO2
 neutrální – základní složkou je Al2O3 a SiO2
 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. SiO2 – jedná se o kyselý materiál. Vyrábí se z čistých křemenců a
křemenů, obsahujících až 98 %hm. SiO2. 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 SiO2 křemene na krystobalit a
tridymit.
16
__________________________________________________________________________________________
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 SiO2 a Al2O3, 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 2O3, 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 (3Al2O3.2SiO2). 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
17
__________________________________________________________________________________________
Zvláštní skupiny tvoří šamoty s vysokými obsahy Al 2O3 (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, SiO2 a Al2O3. 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 Cr2O3, 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 Cr2O3 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.
18
__________________________________________________________________________________________
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]

žárovzdorné materiály, vlastnosti, výroba. Rozdělení dle chemické povahy
1. Charakteristika, základní rozdělení žáruvzdorných materiálů
2. Kyselé, neutrální a zásadité žáromateriály
19
__________________________________________________________________________________________
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
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.
20
__________________________________________________________________________________________
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]
21
__________________________________________________________________________________________
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.
22
__________________________________________________________________________________________
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 m3.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
23
__________________________________________________________________________________________
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
24
__________________________________________________________________________________________
Během dmýchání kyslíku, které trvá 16 – 18 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.
25
__________________________________________________________________________________________

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
CH4(g)  [C] + 2H2(g)
[C] + [O]  CO(g)
Přičemž tepelný účinek tohoto pochodu je endotermický.
Děje, probíhající v okolí trysky jsou schématicky znázorněny na následujícím obrázku.
26
__________________________________________________________________________________________
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 m3.t-1 oceli) a taktéž menším poměrem výšky k vnějšímu průměru
(H : D = 1,2 až 1,0) – viz porovnání.
27
__________________________________________________________________________________________
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.
28
__________________________________________________________________________________________
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 CH4, 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
29
__________________________________________________________________________________________
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
30
__________________________________________________________________________________________

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, N2, O2, CO2,
CmHn, 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
31
__________________________________________________________________________________________
Uspořádání konvertoru při kombinovaném dmýchání kyslíku

konstrukce kyslíkového konvertoru horem a spodem dmýchaných

technologie výroby u jednotlivých konvertorů
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
32
__________________________________________________________________________________________
5.
ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V TANDEMOVÝCH
PECÍCH
Členění kapitoly
 Konstrukce tandemové pece
 Technologie výroby ocelí
Cíl

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 CO2 – viz obrázek. Po každém odpichu se funkce jednotlivých
nístějí obrátí.
33
__________________________________________________________________________________________
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 14 000 m3.hod-1 a dospalovací směsi cca
4 000 m3.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.
34
__________________________________________________________________________________________
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 300 – 400 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
35
__________________________________________________________________________________________
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 SiO2, MnO, P2O5, 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 CO2 dle rovnice
CO + ½ O2  CO2
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.
36
__________________________________________________________________________________________
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.
37
__________________________________________________________________________________________
Schéma varianty I
Harmonogram tavby v T – peci Varianta I
38
__________________________________________________________________________________________
Schéma varianty II
Harmonogram tavby v T – peci Varianta II
39
__________________________________________________________________________________________
Tandemová pec – ArcelorMittal Ostrava a.s.
Tandemová pec – čelní pohled (ArcelorMittal Ostrava a.s.)
40
__________________________________________________________________________________________
Tandemová pec (ArcelorMittal Ostrava a.s.)

konstrukce T-pece

technologie výroby oceli v T-peci
1.
Konstrukce T-pece
2.
Technologie výroby oceli v T-peci
3.
Odlišnosti v technologii výroby oproti LD konvertoru
41
__________________________________________________________________________________________
6.
ZÁKLADY TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI V ELEKTRICKÝCH
OBLOUKOVÝCH PECÍCH
Členění kapitoly
 Konstrukce elektrické obloukové pece
 Technologie výroby oceli
Cíl

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
42
__________________________________________________________________________________________
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]
43
__________________________________________________________________________________________
Vyzdívání klenby obloukové pece
Uspořádání sázecího koše
44
__________________________________________________________________________________________
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.
45
__________________________________________________________________________________________
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.
46
__________________________________________________________________________________________
 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.P2O5. 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
(Si) + (FeO)  (SiO) + Fe(l)
V případě FeSi
(SiO) + (FeO)  (SiO2) + Fe(l)
(SiO2) + 2(CaO)  (2CaO.SiO2)
V případě uhlíku
(CaO) + (C)  (CaC2) + CO(g)
(CaC2) + 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.
47
__________________________________________________________________________________________
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.

konstrukce elektrické obloukové pece

technologie výroby oceli v elektrické obloukové peci
1. Konstrukce ZPO
2. Elektrické schéma ZPO
3. Technologie výroby oceli v ZPO
48
__________________________________________________________________________________________
7.
DEZOXIDACE OCELI A LEGOVÁNÍ
Členění kapitoly
 Úloha dezoxidace
 Srážecí dezoxidace
 Difuzní dezoxidace
 Dezoxidace pod syntetickou struskou
 Vakuová uhlíková dezoxidace
 Legování oceli
 Úloha feroslitin
Cíl

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
49
__________________________________________________________________________________________
vede ke vzniku oxidů SiO2, 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 = XmOn (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
K1 
a X mOn
(2)
f  mX  . % X  . f On  . %O
%O  n
m
n
a X mOn
(3)
f  mX  . % X  . f On  . K1
m
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 X mOn  1 .
50
__________________________________________________________________________________________
Pokud zplodinu dezoxidace tvoří nenasycený roztok, pak a X mOn ,  1 , 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] > K4 . 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.
51
__________________________________________________________________________________________

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 minimálním obsahem FeO (do 0,5 %).
Použitím zásaditých strusek (hlinito-vápenatých) lze současně ocel i odsířit - perrinování
oceli.

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)
log K 6  log
(6)
pCO
1168

 2,07
aC  . aO 
T
(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 pCO = 0,1 MPa na
pCO = 0,01 MPa se musí současně snížit i součin aktivit a C . aO desetkrát, aby se hodnota
rovnovážné konstanty K6 nezměnila. Výrazný vliv sníženého parciálního tlaku CO na
rovnovážnou aktivitu kyslíku je znázorněn na obrázku.
52
__________________________________________________________________________________________
0,01
0,009
0,008
pCO = 0,1 MPa
0,007
a[ O ]
0,006
0,005
0,004
pCO = 0,01 MPa
0,003
0,002
pCO = 0,001 MPa
0,001
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
a[ C ]
Rovnováha mezi aktivitou kyslíku a aktivitou uhlíku pro zvolené parciální tlaky CO
Závislost rovnovážné aktivity kyslíku v železe na obsahu uhlíku a dalších dezoxidačních
prvků (Si, Al, Ca, Mg) při t = 1 600 °C je znázorněn na obrázku.
53
__________________________________________________________________________________________
Závislost rovnovážné aktivity kyslíku rozpuštěného v roztaveném
železa na obsahu C, S, Al, Ca a Mg při t = 1600 °C
Z obrázku vyplývá, že za sníženého tlaku může uhlík redukovat nejen oxid křemičitý, ale i oxid
hlinitý. [2, 5]

úloha dezoxidace

dezoxidace srážecí
54
__________________________________________________________________________________________

dezoxidace difúzní

dezoxidace syntetickými struskami

dezoxidace vakuová uhlíková

legování oceli
1.
Úloha dezoxidace
2.
Princip srážecí dezoxidace
3.
Princip difúzní dezoxidace
4.
Princip dezoxidace syntetickými struskami
5.
Princip vakuové uhlíkové dezoxidace
6.
Feroslitiny, legování oceli
55
__________________________________________________________________________________________
8.
LITERATURA
[1] Myslivec, T. Fyzikálně chemické základy ocelářství. SNTL Praha, 1971, 445 s.
[2] Parma, V. Ocelářství I. Skripta, VŠB Ostrava, 1979, 276 s.
[3] Staroň, J. et al. Žiaruvzdorné materiály, Výroba vlastnosti a použitie. Slovmag a.s.
Lubeník, 2000, 445 s.
[4] Parma, V. Ocelářství II. Skripta, VŠB Ostrava, 1980, 186 s.
[5] Brož, L. et al. Hutnictví železa. SNTL Praha, 1988, 460 s.
56

výroba železa a oceli – část ii - FMMI

Transkript

Podobné dokumenty

teorie procesů při výrobě železa a oceli - FMMI

Žárové zinkování

profil - Industry EU

Vměstky - OtahalConsult

řízení výrobních procesů - Personalizace výuky prostřednictvím e

POŽIADAVKY NA AKOSŤ VYSOKOPECNÉHO KOKSU PR E

Výrobní a environmentální technologie - HGF

Teorie technologických procesů

Rozbor tavby pro výrobky s tloušťkou stěny ≤ 40mm ČSN EN 10219-1

Katalog přípravků LUMIA

Tavba v železářské peci galořímského typu, experiment v replice

Co znamená u nelegovaných ocelí dle EN 10025