2_BRONIEWICZ.pdf

Mirosław

BRONIEWICZ *

Jan

BRÓDKA **

STAL, JEJ WŁAŚCIWOŚCI I WYROBY

1. Wprowadzenie

Od pierwszego zastosowania stali w obiektach inŜynieryjnych w XIX stuleciu rozwój

konstrukcji stalowych był nierozerwalnie związany z rozwojem przemysłu hutniczego.

Szczególnie konstrukcje mostowe, wymagały zastosowania gatunków stali o bardzo

dobrych właściwościach mechanicznych, i to one w głównej mierze napędzały ówczesny

rozwój metod produkcji stali.

Na rys. 1 przedstawiono pierwszy most Ŝelazny zbudowany w miejscowości Ironbridge

znanej jako miejsce „narodzin rewolucji przemysłowej". Tu Abraham Darby wynalazł

technikę wytopu Ŝelaza w piecach koksowniczych i zastosował ją do masowej produkcji

stali. Most połoŜony nad rzeką Severn został zaprojektowany i zbudowany przez wnuka

Abrahama Darby. Most został otwarty dla uŜytkowników w roku 1781.

Zasadnicze postępy dotyczące zwiększenia wytrzymałości, ekonomii wytwarzania,

metod projektowania i wznoszenia obiektów budowlanych nie byłyby moŜliwe bez ciągłego

udoskonalania metod produkcji stali oraz polepszania jej właściwości. Coraz bardziej

innowacyjne procesy produkcyjne, wykorzystywane w kolejnych latach przy produkcji stali

pozwalały na otrzymanie nowych gatunków o znacznie lepszych właściwościach

mechanicznych oraz technologicznych. Zwłaszcza wprowadzenie obróbki

termomechanicznej pozwoliło na uzyskanie gatunków stali cechujących się właściwościami,

* Dr inŜ. (Politechnika Białostocka)

Emerytowany prof. zw. dr inŜ. (dawniej Politechnika Białostocka)

129

które wcześniej były nie do pogodzenia, a mianowicie wysoką wytrzymałością, dobrą

plastycznością oraz spawalnością.

Rys. 1. Most Ŝelazny zbudowany w roku 1781 nad rzeką Severn (Ironbridge Shropshire)

2. Wytwarzanie stali

Stal jest wspólną nazwą obszernej rodziny stopów Ŝelaza, które wykazują duŜą

ciągliwość i podatność na odkształcenie pod wpływem walcowania. Stale są zwykle

wykonane z rudy Ŝelaza, węgla i kamienia wapiennego. Tradycyjny sposób wytopu stali

z wykorzystaniem procesu wielkopiecowego odbywa się obecnie w hutach zintegrowanych.

Obecnie w Polsce znajdują się dwie huty zintegrowane. Ich produkcja w roku 2003

wynosiła 6,1 mln Mg stali tj. około 66,6% całkowitej produkcji stali w Polsce. Huty

zintegrowane są kompleksami przemysłowymi o powierzchni sięgającej kilku kilometrów

kwadratowych, w których znajdują się wszystkie oddziały tworzące ciąg technologiczny

procesu odlewania stali. Są wśród nich zakłady przygotowania wsadu do wielkiego pieca

(grudkownie, spiekalnie), koksownie przygotowujące w procesie suchej destylacji węgla,

koks będący głównym paliwem oraz czynnikiem redukującym tlenki Ŝelaza, wielki piec,

w którym następuje wytop Ŝelaza, oraz konwertory tlenowe, gdzie w wyniku

przedmuchiwania tlenu przez gardziel konwertora następuje obniŜenie zawartości węgla

w surówce z 4% do poniŜej 1%.

Główne procesy produkcji stali stosowane w przeszłości i obecnie przedstawiono na

rys. 2.

Pierwszą uprzemysłowioną metodą produkcji stali był proces jej wytopu

w konwertorach tlenowych. Był to sposób opracowany w roku 1856 przez brytyjskiego

inŜyniera H. Bessemera i nazwany od jego nazwiska bessemerowskim procesem

konwertorowym.

130

Rys. 2. Główne procesy produkcji stali

Stal w postaci surówki jest materiałem twardym i kruchym, niedającym się obrabiać

plastycznie, zawierającym znaczne ilości siarki i fosforu. W konwertorach następuje

świeŜenie stali, czyli reakcja utleniania się krzemu, manganu i węgla, zawartych w surówce,

oraz siarki i fosforu w piecach o wykładzinie zasadowej. Powstające w wyniku tego procesu

tlenki, przechodzą do ŜuŜla lub w postaci gazu opuszczają konwertor. Reakcje utleniające

mają charakter egzotermiczny. Wydzielające się ciepło umoŜliwia utrzymanie zawartości

konwertora w stanie ciekłym. Zwłaszcza krzem, którego w surówce bessemerowskiej jest

około 2%, dostarcza duŜych ilości ciepła. Konwertory składają się ze stalowego płaszcza

oraz wyłoŜenia ceramicznego (ogniotrwałego) kwaśnego lub zasadowego i w zaleŜności od

środowiska chemicznego przeróbki stali rozróŜnimy procesy konwertorowe kwaśne lub

zasadowe. Proces bessemerowski przeprowadza się w konwertorze zwanym konwertorem

131

Bessemera lub gruszką Bessemera (rys. 3), o wyłoŜeniu kwaśnym (z cegły krzemionkowej).

WyłoŜenie takie uniemoŜliwia zastosowanie wapna palonego do wiązania tlenku fosforu

i siarki (usuwane w postaci ŜuŜla) i dlatego stosuje się surówkę, zawierającą bardzo małe

ilości fosforu i siarki (do 0, 1%) oraz co najmniej 2% krzemu.

Rys. 3. Konwertor Bessemera

Ciekłą surówkę wlewa się przez gardziel do pochylonego konwertora o pojemności

wsadowej od 25 do 100 ton i przedmuchuje powietrzem doprowadzanym przez dysze od

spodu, z boku lub z góry (rys. 4).

Rys. 4. Konwertory Bessemera:

a) z doprowadzeniem gazu utleniającego od spodu, b) z boku; c) z góry

Płynna stal moŜe być następnie odlewana w postaci wlewków przeznaczonych do

walcowania lub kucia w celu uzyskania wymaganego kształtu. Proces Bessemera jest

obecnie rzadko stosowany ze względu na trudności w uzyskiwaniu surówki o wymaganym

składzie. Zbyt duŜe ilości fosforu pozostające w stali po wytopie powodowały jej znaczną

kruchość.

Zmiany w procesie konwertorowego wytopu stali wprowadził w roku 1878 S. G.

Thomas. Zastosował on wyłoŜenie powierzchni wewnętrznej konwertora masą dolomitową

o wyprawie zasadowej. Zasadowe wyłoŜenie konwertora umoŜliwiło zastosowanie wapna

palonego, które w końcowej fazie przeróbki stali wiązało się z fosforem, tworząc fosforan

132

wapniowy wypływający na powierzchnię stali w postaci ŜuŜla, który był następnie

odlewany do specjalnych kadzi, mielony i wykorzystywany w rolnictwie jako nawóz.

Konkurencyjną metodę wytopu stali w procesie wielkopiecowym odkrył w 1864 r.

francuski wynalazca Pierre Martin (rys. 5). Materiał wsadowy w postaci surówki i złomu

stalowego z dodatkiem topników podlega utlenianiu w piecach w temperaturze od 1700 o C

do 1750 o C. Paliwem w procesie martenowskim jest najczęściej gaz generatorowy,

koksowniczy lub wielkopiecowy, otrzymywany jako produkt uboczny podczas wytapiania

surówki w wielkim piecu. Zawiera on ok. 30% tlenku węgla, 60% azotu, 10% dwutlenku

węgla oraz nieznaczne ilości wodoru, metanu i pary wodnej. Gaz wielkopiecowy oraz

powietrze po wstępnym podgrzaniu w regeneratorach są doprowadzane do głowicy pieca,

gdzie zachodzie ich mieszanie i spalanie gazu.

Rys. 5. Proces martenowski

W zaleŜności od rodzaju wykładziny pieca rozróŜnia się proces martenowski zasadowy

– w piecach o zasadowym (dolomitowym, rzadziej magnezowym) wyłoŜeniu komory

roboczej, i proces martenowski kwaśny - w piecach o wyłoŜeniu kwaśnym (krzemionko-

wym). Piece o wykładzinie zasadowej były stosowane bardziej powszechnie, gdyŜ przy

wykorzystaniu wapna palonego jako topnika umoŜliwiały łatwe usunięcie z wsadu

szkodliwych domieszek fosforu i siarki oraz powalały na uzyskiwanie stali o wysokich

parametrach mechanicznych. Przy metodzie martenowskiej wymagana jest większa kontrola

procesu, a sam proces wytopu jest wolniejszy niŜ w przypadku metody bessemerowskiej.

Natomiast proces martenowski jest bardziej uniwersalny. Przy jego zastosowaniu moŜemy

uzyskać większą ilość rodzajów stali niŜ w przypadku konkurencyjnych metod. Proces

martenowski wyparł metodę Bessemera, która była stosowana tylko przez 100 lat.

W drugiej połowie XX wieku stal w 90% procentach powstała przy wykorzystaniu metody

martenowskiej, w 2% w oparciu o konwertory Bessemera, zaś 8% stali wytapiano

w elektrycznych piecach łukowych. W Unii Europejskiej ostatnie piece Siemensa-Martina

zostały wyłączone z eksploatacji pod koniec 1993 roku.

Zastosowanie do świeŜenia stali czystego tlenu zamiast powietrza, dzięki czemu nie

wprowadza się do stali azotu i nie zwiększa zuŜycia wyłoŜenia konwertora, zostało juŜ

zaproponowane przez Henry’ego Bessemera w XIX wieku. Niestety z powodu braku

133

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: