Staalsmelten: technologie, methoden, grondstoffen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

IJzererts wordt op de gebruikelijke manier gewonnen: dagbouw of ondergrondse mijnbouw en vervolgens transport voor de eerste voorbereiding, waarbij het materiaal wordt vermalen, gewassen en verwerkt.

Het erts wordt in een hoogoven gegoten en met hete lucht en hitte gestraald, waardoor het in gesmolten ijzer verandert. Het wordt vervolgens van de bodem van de oven verwijderd in vormen die bekend staan als varkens, waar het wordt gekoeld om ruwijzer te produceren. Het wordt op verschillende manieren tot smeedijzer verwerkt of tot staal verwerkt.

Wat is staal?

In het begin was er ijzer. Het is een van de meest voorkomende metalen in de aardkorst. Het is bijna overal te vinden, in combinatie met vele andere elementen, in de vorm van erts. In Europa dateert het ijzerwerk uit 1700 voor Christus

In 1786 bepaalden de Franse wetenschappers Berthollet, Monge en Vandermonde nauwkeurig dat het verschil tussen ijzer, gietijzer en staal te wijten is aan een verschillend koolstofgeh alte. Toch werd staal, gemaakt van ijzer, al snel het belangrijkste metaal van de industriële revolutie. Aan het begin van de 20e eeuw was de wereldproductie van staal 28miljoen ton - dit is zes keer meer dan in 1880. Aan het begin van de Eerste Wereldoorlog bedroeg de productie 85 miljoen ton. Gedurende tientallen jaren heeft het ijzer praktisch vervangen.

Het koolstofgeh alte beïnvloedt de eigenschappen van het metaal. Er zijn twee hoofdsoorten staal: gelegeerd en ongelegeerd. Staallegering verwijst naar andere chemische elementen dan koolstof die aan ijzer worden toegevoegd. Zo wordt een legering van 17% chroom en 8% nikkel gebruikt om roestvrij staal te maken.

Momenteel zijn er meer dan 3000 gecatalogiseerde merken (chemische samenstellingen), nog afgezien van de merken die zijn gemaakt om aan individuele behoeften te voldoen. Ze dragen er allemaal toe bij dat staal het meest geschikte materiaal is voor de uitdagingen van de toekomst.

Steelgrondstoffen: primair en secundair

Het smelten van dit metaal met behulp van veel componenten is de meest gebruikelijke mijnbouwmethode. Ladingsmaterialen kunnen zowel primair als secundair zijn. De hoofdsamenstelling van de lading is in de regel 55% ruwijzer en 45% van het resterende schroot. Ferrolegeringen, omgezet gietijzer en commercieel zuivere metalen worden gebruikt als het belangrijkste element van de legering, in de regel worden alle soorten ferrometaal als secundair geclassificeerd.

IJzererts is de belangrijkste en meest basale grondstof in de ijzer- en staalindustrie. Er is ongeveer 1,5 ton van dit materiaal nodig om een ton ruwijzer te produceren. Voor de productie van één ton ruwijzer wordt ongeveer 450 ton cokes gebruikt. Veel ijzerfabriekenzelfs houtskool wordt gebruikt.

Water is een belangrijke grondstof voor de ijzer- en staalindustrie. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het blussen van cokes, het koelen van hoogovens, de productie van stoom in de deur van een kolenoven, de werking van hydraulische apparatuur en de afvoer van afvalwater. Er is ongeveer 4 ton lucht nodig om een ton staal te produceren. Flux wordt in de hoogoven gebruikt om verontreinigingen uit smelterts te halen. Kalksteen en dolomiet worden gecombineerd met de geëxtraheerde onzuiverheden om slakken te vormen.

Zowel hoogovens als stalen ovens bekleed met vuurvaste materialen. Ze worden gebruikt voor ovens die bedoeld zijn voor het smelten van ijzererts. Siliciumdioxide of zand wordt gebruikt voor het vormen. Non-ferrometalen worden gebruikt om staal van verschillende kwaliteiten te produceren: aluminium, chroom, kob alt, koper, lood, mangaan, molybdeen, nikkel, tin, wolfraam, zink, vanadium, enz. Van al deze ferrolegeringen wordt mangaan veel gebruikt bij de staalproductie.

IJzerafval van ontmantelde fabrieksconstructies, machines, oude voertuigen, enz. wordt gerecycled en veel gebruikt in de industrie.

IJzer voor staal

Staalsmelten met gietijzer komt veel vaker voor dan bij andere materialen. Gietijzer is een term die meestal verwijst naar grijs ijzer, maar het wordt ook geïdentificeerd met een grote groep ferrolegeringen. Koolstof maakt ongeveer 2,1 tot 4 gew.% uit, terwijl silicium typisch 1 tot 3 gew.% in de legering is.

Het smelten van ijzer en staal vindt plaats bij een temperatuursmeltpunt tussen 1150 en 1200 graden, wat ongeveer 300 graden lager is dan het smeltpunt van puur ijzer. Gietijzer vertoont ook een goede vloeibaarheid, uitstekende bewerkbaarheid, weerstand tegen vervorming, oxidatie en gieten.

Staal is ook een legering van ijzer met een variabel koolstofgeh alte. Het koolstofgeh alte van staal is 0,2 tot 2,1 massa% en het is het meest economische legeringsmateriaal voor ijzer. Het smelten van staal uit gietijzer is nuttig voor verschillende technische en structurele doeleinden.

IJzererts voor staal

Het proces van het maken van staal begint met de verwerking van ijzererts. Het gesteente met ijzererts wordt verpletterd. Erts wordt gewonnen met behulp van magnetische rollen. Fijnkorrelig ijzererts wordt verwerkt tot grofkorrelige brokken voor gebruik in een hoogoven. In een cokesoven wordt steenkool geraffineerd tot een bijna zuivere vorm van koolstof. Het mengsel van ijzererts en steenkool wordt vervolgens verwarmd om gesmolten ijzer of ruwijzer te produceren, waarvan staal wordt gemaakt.

In de belangrijkste zuurstofoven is gesmolten ijzererts de belangrijkste grondstof en wordt het gemengd met verschillende hoeveelheden staalschroot en legeringen om verschillende staalsoorten te produceren. In een vlamboogoven wordt gerecycled staalschroot direct omgesmolten tot nieuw staal. Ongeveer 12% van het staal is gemaakt van gerecycled materiaal.

Smelttechnologie

Smelten is een proces waarbij een metaal wordt verkregen in de vorm van een element,ofwel als een eenvoudige verbinding uit het erts door verhitting boven het smeltpunt, meestal in aanwezigheid van oxidatiemiddelen zoals lucht of reductiemiddelen zoals cokes.

In de staalproductietechnologie wordt het metaal dat wordt gecombineerd met zuurstof, zoals ijzeroxide, verwarmd tot een hoge temperatuur en het oxide wordt gevormd in combinatie met koolstof in de brandstof, dat vrijkomt als koolmonoxide of koolstof dioxide. Andere onzuiverheden, gezamenlijk aders genoemd, worden verwijderd door een stroom toe te voegen waarmee ze samen slakken vormen.

Moderne staalproductie maakt gebruik van een galmoven. Het geconcentreerde erts en de stroom (meestal kalksteen) worden bovenaan geladen, terwijl de gesmolten steen (verbinding van koper, ijzer, zwavel en slak) van de bodem wordt gehaald. Een tweede warmtebehandeling in een convertoroven is nodig om ijzer van de matte afwerking te verwijderen.

Zuurstofconvectormethode

Het BOF-proces is 's werelds toonaangevende staalproductieproces. De wereldproductie van convertorstaal bedroeg in 2003 964,8 miljoen ton of 63,3% van de totale productie. De productie van converters is een bron van milieuvervuiling. De belangrijkste problemen daarbij zijn de vermindering van emissies, lozingen en vermindering van afval. Hun essentie ligt in het gebruik van secundaire energie en materiële hulpbronnen.

Exotherme warmte wordt gegenereerd door oxidatiereacties tijdens het spuien.

Het belangrijkste proces van staalproductie met onze eigenaandelen:

• Gesmolten ijzer (soms heet metaal genoemd) uit een hoogoven wordt in een grote vuurvaste beklede container gegoten, een pollepel genoemd.
• Het metaal in de pollepel wordt rechtstreeks naar de belangrijkste staalproductie- of voorbehandelingsfase gestuurd.
• Zuurstof van hoge zuiverheid met een druk van 700-1000 kilopascal wordt met supersonische snelheid op het oppervlak van het ijzeren bad geïnjecteerd via een watergekoelde lans die in een vat is opgehangen en een paar voet boven het bad wordt gehouden.

De beslissing over de voorbehandeling hangt af van de kwaliteit van het ruwijzer en de gewenste uiteindelijke staalkwaliteit. De allereerste verwijderbare bodemconverters die kunnen worden losgemaakt en gerepareerd, zijn nog steeds in gebruik. De speren die gebruikt worden om te blazen zijn veranderd. Om vastlopen van de lans tijdens het blazen te voorkomen, werden sleufkragen met een lange taps toelopende koperen punt gebruikt. De punten van de punt verbranden, na verbranding, de CO die wordt gevormd wanneer ze in CO_{2 worden geblazen en zorgen voor extra warmte. Darts, vuurvaste ballen en slakdetectoren worden gebruikt om slak te verwijderen.}

Zuurstofconvectormethode: voor- en nadelen

Vereist niet de kosten van gaszuiveringsapparatuur, omdat stofvorming, d.w.z. ijzerverdamping, met 3 keer wordt verminderd. Door de afname van de opbrengst aan ijzer wordt een toename van de opbrengst van vloeibaar staal met 1,5 - 2,5% waargenomen. Het voordeel is dat de blaasintensiteit bij deze methode toeneemt, wat resulteert in:de mogelijkheid om de prestaties van de converter met 18% te verhogen. De kwaliteit van het staal is hoger omdat de temperatuur in de zuiveringszone lager is, wat resulteert in minder stikstofvorming.

De tekortkomingen van deze methode van staalsmelten leidden tot een afname van de vraag naar consumptie, aangezien het zuurstofverbruik met 7% toeneemt vanwege het hoge verbruik van brandstofverbranding. Er is een verhoogd waterstofgeh alte in het gerecyclede metaal, daarom duurt het enige tijd na het einde van het proces om een zuivering met zuurstof uit te voeren. Van alle methoden heeft de zuurstofconverter de hoogste slakvorming, de reden is het onvermogen om het oxidatieproces in de apparatuur te volgen.

Openhaard methode

Het openhaardproces was gedurende het grootste deel van de 20e eeuw het belangrijkste onderdeel van de verwerking van al het staal dat in de wereld werd gemaakt. William Siemens zocht in de jaren 1860 naar een manier om de temperatuur in een metallurgische oven te verhogen, waardoor een oud voorstel nieuw leven werd ingeblazen om de afvalwarmte te gebruiken die door de oven werd gegenereerd. Hij verwarmde de steen tot een hoge temperatuur en gebruikte vervolgens hetzelfde pad om lucht in de oven te brengen. De voorverwarmde lucht verhoogde de temperatuur van de vlam aanzienlijk.

Aardgas of vernevelde zware oliën worden gebruikt als brandstof; lucht en brandstof worden verwarmd voordat ze worden verbrand. De oven is geladen met vloeibaar ruwijzer en staalschroot, samen met ijzererts, kalksteen, dolomiet en vloeimiddelen.

De kachel zelf is gemaakt vanzeer vuurvaste materialen zoals magnesiet haardstenen. Openhaardovens wegen tot 600 ton en worden meestal in groepen geïnstalleerd, zodat de enorme hulpapparatuur die nodig is om ovens te laden en vloeibaar staal te verwerken, effectief kan worden gebruikt.

Hoewel het openhaardproces in de meeste geïndustrialiseerde landen bijna volledig is vervangen door het basiszuurstofproces en de vlamboogoven, maakt het ongeveer 1/6 van al het staal dat wereldwijd wordt geproduceerd.

Voor- en nadelen van deze methode

De voordelen zijn onder meer gebruiksgemak en productiegemak van gelegeerd staal met verschillende additieven die het materiaal verschillende gespecialiseerde eigenschappen geven. De nodige additieven en legeringen worden vlak voor het einde van het smelten toegevoegd.

De nadelen zijn onder meer een verminderde efficiëntie in vergelijking met de zuurstofconvertermethode. Ook is de kwaliteit van het staal lager in vergelijking met andere metaalsmeltmethoden.

Elektrische staalproductiemethode

De moderne methode om staal te smelten met behulp van onze eigen reserves, is een oven die een geladen materiaal verwarmt met een elektrische boog. Industriële boogovens variëren in grootte van kleine eenheden met een capaciteit van ongeveer een ton (gebruikt in gieterijen voor de productie van ijzerproducten) tot eenheden van 400 ton die worden gebruikt in secundaire metallurgie.

Boogovens,gebruikt in onderzoekslaboratoria kan een capaciteit hebben van slechts enkele tientallen grammen. De temperaturen van industriële vlamboogovens kunnen oplopen tot 1800 °C (3, 272 °F), terwijl laboratoriuminstallaties 3000 °C (5432 °F) kunnen overschrijden.

Boogovens verschillen van inductieovens doordat het oplaadmateriaal direct wordt blootgesteld aan een elektrische boog en de stroom in de terminals door het geladen materiaal gaat. De vlamboogoven wordt gebruikt voor de productie van staal, bestaat uit een vuurvaste bekleding, meestal watergekoeld, groot formaat, bedekt met een intrekbaar dak.

De oven is hoofdzakelijk verdeeld in drie secties:

• Schelp bestaande uit zijwanden en onderste stalen kom.
• De haard bestaat uit een vuurvast materiaal dat de onderste schaal naar buiten trekt.
• Het vuurvaste beklede of watergekoelde dak kan worden gemaakt als een kogelgedeelte of een afgeknotte kegel (conisch gedeelte).

Voor- en nadelen van de methode

Deze methode neemt een leidende positie in op het gebied van staalproductie. De staalsmeltmethode wordt gebruikt om hoogwaardig metaal te maken dat ofwel volledig vrij is van, of een kleine hoeveelheid ongewenste onzuiverheden bevat, zoals zwavel, fosfor en zuurstof.

Het belangrijkste voordeel van de methode is het gebruik van elektriciteit voor verwarming, zodat u gemakkelijk de smelttemperatuur kunt regelen en een ongelooflijke mate van verwarming van het metaal kunt bereiken. Geautomatiseerd werk wordteen prettige aanvulling op de uitstekende mogelijkheid tot hoogwaardige verwerking van diverse schroot.

Nadelen zijn onder meer een hoog stroomverbruik.