9. lecke: A fémes szerkezeti anyagok előállítása
| - A fémkohászat fő folyamatai
- A nyersvasgyártás lényege, alapanyaga
- A nagyolvasztó részei, működése
- Direkt, indirekt redukció
- A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok
- A nyersvasgyártás termékei, jellemzői
- Az acélgyártás lényege
- Az LD acélgyártás folyamatai (frissítés, dezoxidálás, csapolás)
- Elektroacélgyártási eljárások, jellemzőik
- Az acélok utókezelésének célja, fajtái
- A folyékony acél leöntésének módszerei, jellemzőik
- Az alumíniumgyártás folyamatai
- A bauxit feldolgozás folyamata
- A fém alumínium előállítása, a folyamat jellemzői
|
| A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: |
| - kiválasztani a nyersvasgyártás főbb alapanyagait, a gyártóberendezés típusát és a gyártási folyamat alapelvét
- kiválasztani a fémes szerkezeti anyagok gyártásának jellemzőit
- sorba rendezni az alumíniumgyártás főbb lépéseit
- kiválasztani az öntészeti és acélgyártási nyersvas közötti eltéréseket
- definiálni az acélgyártás elvét
- kiválasztani a csillapítás célját és az eljárás elvét
- kiválasztani az ötvözött acélgyártás módszerét
- kiválasztani az alumínium kohászat technológiai jellemzőit
- kiválasztani az öntési eljárások főbb jellemzőit
|
| A fémes szerkezeti anyagokat a földkéregben található ércekből nyerik. Az ércek a fémet általában valamilyen nem fémes elemhez kötött formában pl. oxid, vagy szulfid stb. tartalmazzák. A fémet az érc kitermelése (bányászat), előkészítése után kohászati (metallurgiai) folyamatokkal állítják elő. |
| A fémkohászat főbb folyamatai |
| 1. ábra. A Dunai Vasmű távlati képe | |
| Az egyes fémek előállításánál a folyamatok hasonlóak. Ezek: |
| - Érc előkészítés (törés, őrlés, szétválasztás)
- Nyers fém kinyerése
- A nyers fém finomítása
- Ötvözés
- Öntés kokillába
|
 | Vas - és acélgyártás |
| A vas- és acélgyártás műveletei három nagy csoportba sorolhatók. Ezek |
| - Nyersvasgyártás
- Acélgyártás
- Az acélok utókezelése
|
 | Vas- és acélgyártás folyamata |
 | Nyersvasgyártás |
| A föld külső szilárd kérge különböző becslések szerint 4,2-5% vasat tartalmaz. Ennek nagy része a vas gyakorlati előállítására nem alkalmas. Az iparban vasércnek csak azt a kőzetet nevezzük, amelyben a vas oxigénhez kötött, vagy könnyen oxiddá alakítható és olyan a vastartalma, hogy abból a vas gazdaságosan kinyerhető. |
| - Folyamata: a vasat vasércből koksz segítségével (C) nagyolvasztóban redukálással állítják elő
- Kiinduló anyag:
- vasérc
- Mágnesvasérc (Fe3O4) 50-70% Fe
- Vörösvasérc (Fe2O3) 40-60% Fe
- Barnavasérc (2FeO.3H2O) 30-50% Fe
- vastartalmú ipari melléktermékek pl.: vörösiszap, acélgyártási salak stb.
- Végtermék: nyersvas
|
| Nagyolvasztó |
| |
| A nagyolvasztó nagyméretű aknás kemence több szám köbméter befogadóképességű több emelet magas. Kívül hegesztett acélköpeny, belül tűzálló falazattal. A falazat hűtéséről külön hűtőrendszer gondoskodik. |
| A berendezés folyamatos üzemű, beindítás után több évig üzemel. Folyamatos üzemben az egész akna tele van anyaggal. A legmagasabb részén a toroknyíláson adagolják be a redukálandó elegyet, a kokszot és a salakképző anyagot. |
| Alul a csapoló nyíláson csapolják az olvadt salakot illetve a nyersvasat. A fúvósíkon kb. 1000 C°-os levegőt fúvatnak be, illetve rásegítésként a koksz pótlására földgázt. A keletkező gázok felfelé haladnak és a toroknál távoznak. |
| Mit adagolnak a nagyolvasztóba? |
| - Vasérc+ vastartalmú ipari melléktermék
- salakképző anyagok (elsősorban mészkő)
- koksz (feketeszénből)
|
| A koksz feladata |
| - elégésével fűt
- redukáló gázt fejleszt (CO)
- redukál (izzó C)
|
| Mi szükséges még a nagyolvasztó működéséhez? |
| - A koksz elégetéséhez levegő
- léghevítőkben a torokgáz elégetésével előmelegítik
- oxigénnel dúsíthatják
- hűtővíz a falazat hűtésére (többszörösen biztosított)
|
| A nagyolvasztó működése |
| A betét vasércet, kokszot salakképző anyagokat tartalmaz. |
| A redukáló olvasztás hőenergiáját koksz illetve rásegítésként földgáz elégetésével biztosítják. A jobb hőháztartás érdekében a levegőt előmelegítik. |
| A vasoxidok redukcióját kontakt (direkt) módon a koksz karbonja, illetve indirekt módon a koksz égésekor képződő szénmonoxid végzi. |
| A redukáló olvasztás alatt a következő folyamatok mennek végbe: |
| - A vasoxidok redukciója vassá
- Az elegy megolvadása (A vasolvadék mellett a meddő olvadt salakot képez. Ehhez salakképző adalék is kell!)
- Az olvadt vas oldja a karbont, így kb. 4% C nyersvas jön létre
|
| |
| - Adagolás: érc, koksz, salakképző anyag
- Hőenergia ellátás: koksz, befújt levegő (300-1600 C°)
- Folyamat: a vasoxid redukciója
- Fe2O3 + 3CO 2 FeO + 3 CO2
- FeO + CO Fe + CO2
- FeO + C Fe + CO
- Termék: nyersvas, kohósalak, torokgáz
|
| A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok |
| |
| A meleg levegő fölfelé haladva elégeti a koksz egy részét, ezzel biztosítja a redukáló olvasztás energiaigényét. |
| A fúvósík felett az izzó koksz (1400 - 1500 C°) a vasoxiddal érintkezve direkt redukciót hajt végre. |
| A koksz elégéséből származó szénmonoxid (CO) pedig a magasabban lévő zónában (700 - 1100 C°) indirekt redukcióval redukál. Ez utóbbi az oxigéntartalom kb. 50 %-át tudja elvonni. |
| A befúvatott levegő valamint az égéstermékek (N2, CO2, H2O és CO ) gázelegyet alkotnak, mely a felső zónában szárítja és előmelegíti a betétet. A gázelegy a toroknyíláshoz illeszkedő vezetéken mint torokgáz távozik. |
| A megolvadt fém és salak a még meglévő és elégésre váró kokszon átcsepeg és a medencében gyűlik össze, ahonnan a csapolónyílásokon át tűzálló falazattal ellátott üstökbe csapolják. |
| A nyersvasgyártás termékei |
| - Folyékony nyersvas
- folyékonysalak
- torokgáz
|
| A nyersvas csapolása |
| 4. ábra. A nyersvas csapolása | |
| |
| A nyersvasgyártás melléktermékei |
| - folyékony salak
- elsősorban az építőipar használja fel
- torokgáz
- alacsony fűtőértékű gáz, elsősorban a levegő előmelegítésére
|
 | Acélgyártás |
| A nyersvas nagy karbontartalma miatt rideg, csak öntéssel dolgozható fel. Az alakítható fémet az acélt, újabb kohászati eljárással az acélgyártással állítják elő. |
| - Folyamata: a nyersvas karbon tartalmának és a káros szennyezők koncentrációjának csökkentése oxidációval
- Kiinduló anyag: Acél nyersvas
- Végtermék: Acél
- Előnyök:
- Szilárdság és szívósság növekedés
- Alakíthatóság javulás
|
| Az acélgyártás alapvető folyamata az oxidáció vagy frissítés, amely a C és a szennyezők mennyiségének csökkentése kiégetéssel (oxidáció). |
| A frissítés során a vas is oxidálódik, ami káros, ezért az acél vasoxid tartalmát csökkenteni kell. A folyamat a dezoxidáció, és olyan elemekkel történik, amelyeknek nagyobb az oxigénhez való affinitása, mint a vasnak. Ha az acél csak Mn-al dezoxidáljuk az ún. csillapítatlan acélt kapjuk, ha a dezoxidálás Mn, Si és Al segítségével történik az acél csillapított. A csillapított acél gáztartalma kisebb. A dezoxidálást követi az esetleges ötvözés, majd a csapolás. Az acélgyártó eljárások közül, ma a legelterjedtebb az LD konverteres eljárás, ezért azt ismertetjük. |
| LD konverteres acélgyártás |
| - Elrendezés: körte alakú billenthető konverter
- Betét: acélhulladék, folyékony nyersvas, adalékanyagok
- Égés táplálása: oxigén befúvással
- Hőforrás: a karbon és szennyezők kiégésének hője
- Végtermék: 0,25-0,3% C-tartalmú acél
|
| |
| Az LD eljárás folyamatai |
| - Adagolás, az alapanyagok bejuttatása
- Frissítés oxigén gázzal, C és szennyezők kiégetése
- Utókezelés: dezoxidálás, csillapítás
- Ötvözés igény szerint
- Csapolás
- Öntés
|
| Adagolás |
| Alapanyag: |
| - folyékony nyersvas
- Ócskavas
- Salakképzők
|
| 6. ábra. Folyékony nyersvas adagolása az LD konverterbe | |
| Frissítés vagy oxidáció |
| - Célja: a nyersvas C tartalmának és szennyezőinek csökkentése oxidációval
- LD konverter
99% tiszta O2 - a fúvatási idő 18-20 perc
- a S és P tartalom csökkentésére mészpor
|
| 7. ábra. Frissítés az LD konverterben | |
| |
| Dezoxidálás vagy csillapítás |
| - Mn, Si, Al adagolás az acélgyártás végső fázisában
- Hatására a vasoxidból szilicium-dioxid vagy aluminium-oxid keletkezik, amely a salakba távozik
- Öntéskor az acélban nem keletkeznek gázhólyagok - ez a csillapított acél
|
| Csapolás |
| - A folyékony acélt tűzálló falazattal ellátott üstbe csapolják
|
| 8. ábra. Csapolás a konverterből | |
| Konverteres acélgyártás |
| 9. ábra. Konverteres acélgyártás | |
| Elektro-acélgyártás |
| Az elektroacélgyártást elsősorban az ötvözött acélok előállítására használják. Történhet ívfényes és indukciós kemencében. |
| - Ívfényes kemencében
- Fémolvadék és/vagy szilárd betét
- Hőt az elektródák és olvadék közötti ív fejleszt
- Jól szabályozható, tiszta acélokat lehet gyártani
- Indukciós kemencében
- Szilárd betét
- Hőforrás az indukált áram Joule-hője (transzformátor hatás)
- Acél ötvözés, átolvasztás a fő cél
|
| Ívfényes acélgyártó kemence |
| 10. ábra. Ívfényes acélgyártó kemence | |
| Az elektroacélgyártáskor a szilárd betét megolvasztásához szennyezőket nem tartalmazó energiaforrást, a villamos energiát használják. |
| Az ívfényes kemence hengeres acél köpenyű, tűzálló falazattal bélelt, homorú fenékrészű kemence, amelynek a boltozata acélkeretbe foglalt tűzálló téglákból épült és elfordítható illetve leemelhető az acélhulladék berakásához. A kemencék billenthetők és általában 50-250 t befogadóképességűek. |
| A betét szilárd halmazállapotú acélhulladék, ócskavas, salakképzők stb. Az egy-egy fázisra kötött elektródok közötti áramkör a folyamat indításakor a szilárd betéten keresztül záródik. A nagy zárlati áram hatására az elektród szilárd betét közötti nagy átmeneti ellenálláson jelentős hő képződik, amely a salak és a fém kis részének elgőzölgéséhez, illetve megolvadásához vezet. A megolvadt anyag eltávozása után kialakul a villamos ív. |
| Indukciós acélgyártó kemence |
| 11. ábra | |
| Az indukciós acélgyártás során a hő a betétben keletkezik. Az áram Joule hője melegíti a betétet. Az indukciós eljárást elsősorban az erősen ötvözött acélok előállítására használják. Ebben a berendezésben "keverik össze" a más módszerrel előállított acél az ötvözőelemekkel. |
 | Az acélok utókezelése |
| A hagyományos gyártás során a folyékony acél a levegőből oxigént, nitrogént és vízgőzt vehet fel (a vízgőz nagy hőmérsékleten felbomlik hidrogénre és oxigénre). A magas gáztartalom és az acélgyártás során az acélban maradt nemfémes zárványok rontják az acél minőségét. Ezért a nemesacélokat és a szerszámacélokat sok esetben fokozott gondossággal gyártják illetve a szennyezők mennyiségének csökkentése érdekében kezelik. |
| - Sugárvákumozás: folyékony acélsugár öntése vákumban, erős gáztalanodás
- Vákumívfényes átolvasztás: katód az acélrúd, anód a réz kád, ív hatására az acél megolvad, a vákumban gáztalanodik
- Elektrosalakos átolvasztás: az elektrolizáláskor a megolvadt salakon átfolyó acél gáz- és szennyező tartalma lecsökken
|
| Az acél sugárvákumozása |
| 12. ábra. Az acél sugárvákuumozása | |
| Az acél vákuumozásának célja elsősorban a gáztartalom csökkentése, de ezzel csökken a zárványosság is. |
| A vákuumozás lényege az, hogy az olvadékban oldott gáz mennyisége a hőmérsékletnek, az adott gáznak a fémben kifejtett aktivitásának és az olvadék feletti gáztérben az adott gáz parciális nyomásának függvénye. Ha csökkentem, pl. a gáz parciális nyomását az olvadék feletti gáztér nyomásának csökkentésével, a gázok a fémolvadékból eltávoznak. A gáztalanítás hatásossága az olvadék "megmozgatásával" növelhető. |
| Üstmetallurgiai eljárások |
| Célja lehet: |
| - dezoxidálás
- ötvözés
- gáztalanítás (pl. argon gázzal átöblítés) stb.
|
| 13. ábra. Üstmetallurgiai eljárások | |
| |
| Az üstmetallurgiai eljárások során az üstbe csapolt acél kezelik. |
| A maradék szennyezők eltávolításának hatásos módszere a szilárd anyag injektálása az olvadt acélba. Ezzel a módszerrel csökken az adagolt anyagok kiégési vesztesége, az ötvözés hatékonysága javul és olyan anyagok is a fürdőbe juttathatók, amelyek hagyományos módszerekkel nem vagy csak nagy veszteség árán. |
| Az injektálás egy a fürdőbe bemerülő lándzsán keresztül nagynyomással befúvatott gázzal történik. A gáz magával ragadja a szilárd aprószemcsés reagens (dezoxidáló ill. ötvöző) anyagot. A fürdőbe jutó 0,6-1,6 MPa nyomású gáz- és a szemcsesugár hevesen keveri a fürdőt, javítja ezzel az oldódást és a kémiai reakciók végbemenetelének feltételeit. Ezzel a módszerrel hatásosan csökkenthető a zárványtartalom. |
 | Az acél primer leöntése |
| Cél: a megolvadt acél szilárdítása további feldolgozásra alkalmas formában |
| Formái: |
| - Tuskó öntés (kokilla öntés)
- Folyamatos öntés
- Acélöntvények előállítása
|
 | Az acél kokillaöntése |
| |
| A felsőöntés során az acélsugár a kokilla felső nyitott szelvényén keresztül az alátétlapra , majd a kokillában emelkedő folyékony acélra zuhan. |
| |
| Az alsó öntés a közlekedő edények elvén alapszik. A leszállócsatornába öntött fém a középen elhelyezkedő ún. "királytéglában" eloszlik és az egyes kokillákba jut. |
| 16/a ábra. Fénykép az alsó öntésről | |
| 16/b ábra. Fénykép a felső öntésről | |
 | Folyamatos öntés |
| A folyamatos öntőművek 1950-től kezdődően rohamosan terjednek. Ez az öntési mód tetszőleges hosszúságú, szívódási üregektől mentes termékek (FAM= folyamatosan öntött acélbuga) gyártását teszik lehetővé. |
| Az öntés teljesen automatikus. Az öntés megkezdésekor a vízhűtéses un. áteresztő kokillába (ún. kristályosító) egy rudat (ún. kristályosító rúd vagy vaktuskó) emelnek be. A rúd feladata, hogy az öntés előtt alulról lezárja a kristályosítót, majd a hozzádermedő szálat a segítségével kihúzzák az áteresztő, kristályosító kokillából. |
| 17. ábra. Folyamatos öntés | |
| |
 | Kokilla- és folyamatos öntés összehasonlítása |
| Kokilla öntés |
| - Jelentős alakítási energiát igényel a további feldolgozás
- Nagy az anyagveszteség a felöntés és a kéreg eltávolítása miatt
- Nagy méretű tömbök, táblák alakíthatók ki
|
| Folyamatos öntés |
| - Rudak, széles szalagok alakját jobban megközelíti (kb. 100x100)
- Emiatt az anyagveszteség kicsi, a rúd azonnal tovább hengerelhető
- Ahol a méretek engedik, csak ott alkalmazható
|
 | Öntés további olvasztással (öntéssel) való feldolgozáshoz |
| A folyékony fémet megfelelő alakú és méretű fém formába öntik. A formák végtelenített láncon helyezkednek el |
| |
 | Acél termékek megjelenési forma szerint |
| - Acélöntvény
- Tuskó öntés után hengerelt termékek
- Folyamatos öntés után rudak, csövek, idomacélok, huzalok
- Finomított, ötvözött tömbök
|
| Az acéltermékek további feldolgozásának lehetséges módját és a megjelenési formákat mutatja az összefoglaló ábra. |
| 19. ábra. Az acéltermékek feldolgozásának áttekintése  | |
| Megjegyzés: Az ábra csak tájékoztató jellegű, nem képezi a számonkérés anyagát! |
 | Az acéltermékek összetétel szerinti felosztása |
| - Ötvözetlen acélok
- Gyengén ötvözött acélok (ötvöző% < 5%)
- Erősen ötvözött acélok (ötvöző% > 5%)
|
| Ötvözők: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, Co |
| Felhasználás: |
| - Szerkezeti acélok
- Szerszám acélok
|
| A vas-és acélgyártás összefoglalása |
| 20. ábra. A vas-és acélgyártás folyamata  | |
| - A fémkohászat fémek előállítása ércekből
- A fémeket előállításuk után tovább dolgozzák fel kohászati termékekké
- A vas előállításának két folyamata a nyersvas és acélgyártás
- A korszerű acélokat finomítással, utókezeléssel hozzák a végső állapotba (a hozzáadott érték kb. 20-szoros árat eredményez)
|
 | Alumíniumgyártás |
| A földkéregnek egyik leggyakoribb alkotója az alumínium (kb. 7,5%). Az alumíniumot nem régen használják. Ipari méretekben gazdaságosan először Paul Heroult 1886-ban benyújtott szabadalma alapján tudták előállítani. A mai alumíniumgyártás is lényegében ennek megfelelően történik. |
| Az alumíniumgyártás folyamatai |
| - Érc: bauxit
- Ebből hidrometallurgiai és pirometallurgiai eljárással timföldet (Al2O3) állítanak elő
- A timföld elektrolízisével (elektrometallurgiai eljárással) választják le az alumíniumot
|
 | A bauxit feldolgozás folyamatai |
| A bauxit bonyolult ércféleség, mely nagyobbrészt alumíniumhidroxidot (Al2O3xH2O) tartalmaz, de mellette megtalálhatók még a vasoxid (Fe2O3) a szilíciumdioxid (SiO2) és kisebb mennyiségben vanádium, titán, mangán és foszforvegyületek is. |
| |
| - Bauxit előkészítés: őrlés, vizes mosás (tisztítás), szárítás
- Bauxit feldolgozás:
- Nátronlúgos kezelés 180-250 C°-on, ekkor nátriumaluminát keletkezik - NaAl(OH)4
- Vörösiszap leválasztás
- Hűlés után kristályos alumíniumhidroxid - Al(OH)3 keletkezik
- Ezt 1200-1300 C°-on izzítva kapják a timföldet - Al2O3
|
 | Alumínium kohászat |
| 22. ábra. Alumínium elektrolizáló kád | |
| Az alumíniumot a timföldből elektrolitikus úton tűzfolyó elektrolízissel nyerik. Mivel a timföld vízben nem oldódik az elektrolit olvadék. Azonban a tiszta timföld olvadáspontja nagyon magas 2045 C°. Az olvadáspont csökkentésére a timföldet olvasztott kriolitban (Na3AlF6) oldják fel. Az így nyert anyag olvadáspontja 900-1000 C°. A kriolitban oldott timföld mennyisége 6-8%, mennyiségének csökkenésével nő az olvadáspont ezért a folyamat során a timföldet után kell pótolni. Lásd 22. ábra |
| - Cél: timföldből színalumínium előállítása
- Folyamat: elektrolízis
- katód: grafit bélésű kád,
- anód: grafit rúd,
- elektrolit: maga a betét
- Betét: kriolit (Na3AlF6) + 6-8% Al2O3
|
| |
| - Technológiai paraméterek:
- Hőmérséklet: 950-980 C°
- Egyenáram: U=4...5 V; I= 50...250 kA
- Kiválások:
- Katódbélésen az alumínium olvadék
- Grafit anódon az oxigén (erős fogyás)
- Csapolás időszakosan (98,5...99,5% Al)
|
| |
| - Anyagmérleg:
- 4 t bauxit
- 2 t timföld
- 1 t alumínium
- Energia igény:
- 15.000 kWh/ 1 t kohóalumínium
- 20.000 kWh/ 1 t finomított alumínium
|
| Alumínium termékek |
| - Öntvények
- Rudak, csövek
- Lemez, szalag, fólia
- Alakos munkadarabok (kovácsolás, folyatás, lemezalakítások)
- Előnyök: jó hő- és elektromos vezető, korrózióálló, könnyű
- Ötvözve kiváló tulajdonságú könnyűfém
- Az alumínium ötvözetekben hasznos ötvöző
|