Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία

1. Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία Μάθημα 2: Μέθοδοι Παραγωγής Χάλυβα Δρ. Α. Ξενίδης

2. Τύποι σιδήρου - σιδηροκραμάτων • Ορισμοί • Σίδηρος 0 – 0,025 % κ.β. C • Χάλυβας 0,025 – 2 % κ.β. C • Χυτοσίδηρος > 2% κ.β. C • Σιδηροκράματα • Δημιουργία κραμάτων • Ρύθμιση χημικής ανάλυσης μετάλλων ή κραμάτων • Κάθαρση μετάλλων ή κραμάτων Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

3. Χάλυβες • Κοινοί χάλυβες • Χάλυβες χωρίς προσθήκες (εκτός τις συνήθεις ακαθαρσίες) • Κεκραμένοι χάλυβες ή ειδικοί χάλυβες: • Ελαφρώς κεκραμένοι (όταν οι προσθήκες, είναι συνολικά μικρότερες του 5%) • Ισχυρώς κεκραμένοι (όταν οι προσθήκες είναι μεγαλύτερες του 5%) • Χάλυβες χύτευσης ή χυτοχάλυβες • Χρησιμοποιούνται για απευθείας χύτευση αντικειμένων σε κατάλληλους τύπους • Χάλυβες διαμόρφωσης • Παράγονται μετά την κατεργασία με πλαστική παραμόρφωση αρχικών πλινθωμάτων με μηχανές της μεταλλοτεχνίας Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

4. Στάδια χαλυβοποίησης • Δύο στάδια: • Κάθαρση • Αποξείδωση • Στάδιο κάθαρσης (οξείδωση ακαθαρσιών) • Ακαθαρσίες: P, Si, Mn, S, C • Καθαρισμός μέσω οξείδωσης με εμφύσηση οξυγόνου • Η οξείδωση αυτή είναι εξώθερμη Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

5. Στάδιο κάθαρσης χάλυβα 2P + 2.5 O2 = P2O5ΔΗo298 = -356,6 kcal Si + O2 = SiO2ΔΗo298 = -210,0 kcal Mn + 0.5 O2 = MnO ΔΗo298 = - 92,0 kcal S + O2 = SO2ΔΗo298 = - 70,9 kcal Fe + 0.5 O2 = FeO ΔΗo298 = - 63,5 kcal C + 0.5 O2 = CO ΔΗo298 = - 26,4 kcal Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

6. Στάδιο κάθαρσης χάλυβα Παραγόμενη θερμότητα οξείδωσης ακαθαρσιών (kcal/kg) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

7. Αποξείδωση χάλυβα • Παραμένουσα ποσότητα οξυγόνου • Τόσο μεγαλύτερη όσο μικρότερη η περιεκτικότητα αυτών των στοιχείων • Υπάρχει ισορροπία του οξυγόνου μεταξύ των δύο φάσεων [FeO] = (FeO) [O] = (O) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

8. Αποξείδωση χάλυβα • Αποβλέπει στη βελτίωση της ποιότητας του χάλυβα • Στο τέλος του 1ου σταδίου (κάθαρσης) παράγεται χάλυβας, ο οποίος περιέχει • διαλελυμένο Ο • διαλελυμένο N • διαλελυμένο Η • Κατά τη χύτευση: • [FeO] = [Fe] + 1/2O2 • [C] + [O] = (CO)g • [FeO] + [C] = [Fe] + (CO)gΔΗo298 = +36,78 kcal • Κατά τη στερεοποίηση: σοβαρή έκλυση αερίων (άνοδο της στάθμης και υπερχείλιση μετάλλου από το καλούπι, «περιθωριακό» ή «ανήσυχο» μέταλλο) και το πλίνθωμα (παραγόμενο στερεό μέταλλο) περιέχει πλήθος φυσαλίδων • Το FeO που απομένει (τήκεται στους 1371oC) βρίσκεται στα όρια των κόκκων και προκαλεί μεγάλη ευθραυστότητα του χάλυβα κατά τις εν θερμώ διεργασίες (θερμή έλαση) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

9. Αποξείδωση χάλυβα • Για λήψη «υγιειούς» ή «καθυσηχασμένου» χάλυβα χρησιμοποιούνται αποξειδωτικά (Si, Mn) • Διασπούν το [FeO] • Σχηματίζουν οξείδια, αδιάλυτα στο σίδηρο υπό μορφή σκουριάς • Στο μέταλλο εξακολουθεί να παραμένει μικρή ποσότητα Ο υπό μορφή [FeO] καθώς και Η και Ν  δημιουργία αερίων κατά τη στερεοποίηση • Για πλήρως καθησυχαμένο χάλυβα χρησιμοποιούνται «καθησυχαστικά» Al ή Ti • Ενώνονται με το Οξυγόνο και άζωτο και δίδουν ενώσεις αδιάλυτες στο σίδηρο υπό μορφή σκουριάς • Μέρος των Si, Mn, Al, Ti παραμένει διαλελυμένο στο χάλυβα Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

10. Αποξείδωση χάλυβα • Παραμένουσες ακαθαρσίες στον χάλυβα • Φωσφόρος, Θείο • Αποξειδωτικά (Mn, Si, Al, Ti) • O, H, N • Φωσφόρος (προέρχεται από το μετάλλευμα) • Συνήθως έχει συγκέντρωση στους χάλυβες • < 0,025% (χάλυβα Siemens - Martin) • < 0,015% (χάλυβας από Η/Κ τόξου) • < 0,04 % (χάλυβας Bessemer) • < 0,01 % (χάλυβας LD) • < 0,01 % (χάλυβας OBM) • Προκαλεί ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες (cold shortness) • Στις υψηλές θερμοκρασίες ευνοεί την πλαστική παραμόρφωση Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

11. Αποξείδωση χάλυβα • Το θείο (S) • Προέρχεται από τα καύσιμα • Προκαλεί ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (hot shortness) • Ρωγμές κατά την πλαστική (εν θερμώ) διαμόρφωση του μετάλλου • Το Si (0,2-0,3%), Mn (0,3%), Al, Ti (0,01-0,05%) • Το Ο παραμένει κατά την πλημμελή αποξείδωση του χάλυβα με τη μορφή εγκλεισμάτωνσκουριάς FeO που ελαττώνουν την αντοχή του χάλυβα. • Το N βρίσκεται με τη μορφή νιτριδίων και ελάχιστο ως αέριο • Αυξάνει τη σκληρότητα του κοινού χάλυβα αλλά ιδιαίτερα τη σκληρότητα ορισμένων «κεκραμένων» χαλύβων • Αντίθετα, ελαττώνει την πλαστικότητα • Το Η βρίσκεται με τη μορφή διαλελυμένου αερίου • Προκαλεί χαρακτηριστική ευθραυστότητα • Αποβάλλεται με χύτευση υπό κενό • Πηγή υδρογόνου: η διάσπαση νερού που βρίσκεται με τη μορφή υγρασίας στο scrap Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

12. Aποξείδωση χάλυβα • Τρόποι αποξείδωσης • Αποξείδωση με διάχυση • Σε μη αναγωγική σκουριά • [FeO] = (FeO) • [O] = (O) (δηλαδή υπάρχει διάχυση Ο από το μέταλλο στη σκουριά) • Σε αναγωγική σκουριά • (FeO) + (C) = [Fe] + CO • (FeO)  [FeO]  (κατά την ισορροπία) • Εφαρμόζεται στην Η/Κ τόξου • Αποξείδωση με καταβύθιση • Προσθήκη στοιχείων με μεγαλύτερη χημική συγγένεια με το Ο (όπως Si, Mn, Al, Ti) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

13. Στάδιο αποξείδωσης χάλυβα • Αντιδράσεις αποξείδωσης με καταβύθιση 2 [FeO] + [Si] = 2[Fe] + (SiO2) [FeO] + [Mn] = [Fe] + (MnO) 3[FeO] + 2[Al] = 3[Fe] + (Al2O3) 2[FeO] + [Ti] = 2[Fe] + (TiO2) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

14. Σύσταση χάλυβα Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)