Peleburan keluli: teknologi, kaedah, bahan mentah

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 14:00

Bijih besi diperoleh dengan cara biasa: lombong terbuka atau perlombongan bawah tanah dan pengangkutan seterusnya untuk penyediaan awal, di mana bahan dihancurkan, dibasuh dan diproses.

Bijih dituangkan ke dalam relau letupan dan diletupkan dengan udara panas dan haba, yang mengubahnya menjadi besi cair. Ia kemudian dikeluarkan dari bahagian bawah relau ke dalam acuan yang dikenali sebagai babi, di mana ia disejukkan untuk menghasilkan besi babi. Ia ditukar menjadi besi tempa atau diproses menjadi keluli dalam beberapa cara.

Apakah keluli?

Pada mulanya ada besi. Ia adalah salah satu logam yang paling biasa di kerak bumi. Ia boleh ditemui hampir di mana-mana, dalam kombinasi dengan banyak unsur lain, dalam bentuk bijih. Di Eropah, kerja besi bermula sejak 1700 SM

Pada tahun 1786, saintis Perancis Berthollet, Monge dan Vandermonde dengan tepat menentukan bahawa perbezaan antara besi, besi tuang dan keluli adalah disebabkan kandungan karbon yang berbeza. Namun begitu, keluli, diperbuat daripada besi, dengan cepat menjadi logam terpenting dalam Revolusi Perindustrian. Pada awal abad ke-20, pengeluaran keluli dunia adalah 28juta tan - ini adalah enam kali lebih banyak daripada pada tahun 1880. Menjelang permulaan Perang Dunia I, pengeluarannya ialah 85 juta tan. Selama beberapa dekad, ia hampir menggantikan besi.

Kandungan karbon mempengaruhi ciri-ciri logam. Terdapat dua jenis keluli utama: berali dan tidak beralloy. Aloi keluli merujuk kepada unsur kimia selain karbon yang ditambah kepada besi. Oleh itu, aloi 17% kromium dan 8% nikel digunakan untuk mencipta keluli tahan karat.

Pada masa ini, terdapat lebih daripada 3000 jenama katalog (komposisi kimia), tidak termasuk yang dicipta untuk memenuhi keperluan individu. Kesemuanya menyumbang untuk menjadikan keluli sebagai bahan yang paling sesuai untuk cabaran masa depan.

Bahan mentah pembuatan keluli: primer dan sekunder

Mencairkan logam ini menggunakan banyak komponen ialah kaedah perlombongan yang paling biasa. Bahan caj boleh menjadi primer dan sekunder. Komposisi utama caj, sebagai peraturan, ialah 55% besi babi dan 45% daripada sisa besi buruk. Ferroaloi, besi tuang ditukar dan logam tulen secara komersial digunakan sebagai elemen utama aloi, sebagai peraturan, semua jenis logam ferus dikelaskan sebagai sekunder.

Bijih besi adalah bahan mentah yang paling penting dan asas dalam industri besi dan keluli. Ia memerlukan kira-kira 1.5 tan bahan ini untuk menghasilkan satu tan besi babi. Kira-kira 450 tan kok digunakan untuk menghasilkan satu tan besi babi. Banyak kerja besiarang pun digunakan.

Air ialah bahan mentah yang penting untuk industri besi dan keluli. Ia digunakan terutamanya untuk pelindapkejutan kok, penyejukan relau letupan, pengeluaran wap pintu relau arang batu, operasi peralatan hidraulik dan pelupusan air sisa. Ia memerlukan kira-kira 4 tan udara untuk menghasilkan satu tan keluli. Fluks digunakan dalam relau letupan untuk mengekstrak bahan cemar daripada bijih peleburan. Batu kapur dan dolomit bergabung dengan kekotoran yang diekstrak untuk membentuk sanga.

Kedua-dua relau letupan dan keluli yang dialas dengan refraktori. Ia digunakan untuk menghadapi relau yang bertujuan untuk peleburan bijih besi. Silikon dioksida atau pasir digunakan untuk membentuk. Logam bukan ferus digunakan untuk menghasilkan keluli pelbagai gred: aluminium, kromium, kob alt, kuprum, plumbum, mangan, molibdenum, nikel, timah, tungsten, zink, vanadium, dll. Di antara semua ferroalloy ini, mangan digunakan secara meluas dalam pembuatan keluli.

Sisa besi daripada struktur kilang yang telah dibongkar, mesin, kenderaan lama, dll. dikitar semula dan digunakan secara meluas dalam industri.

Besi untuk keluli

Peleburan keluli dengan besi tuang adalah lebih biasa berbanding dengan bahan lain. Besi tuang ialah istilah yang biasanya merujuk kepada besi kelabu, namun ia juga dikenal pasti dengan sekumpulan besar ferroaloi. Karbon membentuk kira-kira 2.1 hingga 4% berat manakala silikon biasanya 1 hingga 3% berat dalam aloi.

Peleburan besi dan keluli berlaku pada suhutakat lebur antara 1150 dan 1200 darjah, iaitu kira-kira 300 darjah lebih rendah daripada takat lebur besi tulen. Besi tuang juga mempamerkan kecairan yang baik, kebolehmesinan yang sangat baik, ketahanan terhadap ubah bentuk, pengoksidaan dan tuangan.

Keluli juga merupakan aloi besi dengan kandungan karbon berubah-ubah. Kandungan karbon keluli adalah 0.2 hingga 2.1% jisim, dan ia adalah bahan pengaloian yang paling ekonomik untuk besi. Keluli peleburan daripada besi tuang berguna untuk pelbagai tujuan kejuruteraan dan struktur.

Bijih besi untuk keluli

Proses membuat keluli bermula dengan pemprosesan bijih besi. Batu yang mengandungi bijih besi dihancurkan. Bijih dilombong menggunakan penggelek magnetik. Bijih besi berbutir halus diproses menjadi ketulan berbutir kasar untuk digunakan dalam relau letupan. Arang batu ditapis dalam ketuhar kok untuk menghasilkan bentuk karbon yang hampir tulen. Campuran bijih besi dan arang batu kemudiannya dipanaskan untuk menghasilkan besi cair, atau besi babi, dari mana keluli dibuat.

Dalam relau oksigen utama, bijih besi cair adalah bahan mentah utama dan dicampur dengan pelbagai jumlah keluli sekerap dan aloi untuk menghasilkan pelbagai gred keluli. Dalam relau arka elektrik, sekerap keluli kitar semula dicairkan terus ke dalam keluli baharu. Kira-kira 12% keluli diperbuat daripada bahan kitar semula.

Teknologi peleburan

Peleburan ialah satu proses yang mana logam diperolehi sama ada dalam bentuk unsur,sama ada sebagai sebatian ringkas daripada bijihnya dengan memanaskan di atas takat leburnya, biasanya dengan kehadiran agen pengoksidaan seperti udara atau agen penurunan seperti kok.

Dalam teknologi pembuatan keluli, logam yang digabungkan dengan oksigen, seperti oksida besi, dipanaskan pada suhu yang tinggi, dan oksida terbentuk dalam kombinasi dengan karbon dalam bahan api, yang dibebaskan sebagai karbon monoksida atau karbon dioksida. Kekotoran lain, secara kolektif dipanggil vena, disingkirkan dengan menambahkan aliran yang digabungkan untuk membentuk sanga.

Pembuatan keluli moden menggunakan relau berkumandang. Bijih dan aliran pekat (biasanya batu kapur) dimuatkan di bahagian atas, manakala matte cair (sebatian tembaga, besi, sulfur, dan sanga) diambil dari bawah. Rawatan haba kedua dalam relau penukar diperlukan untuk mengeluarkan seterika daripada kemasan matte.

Kaedah penukar oksigen

Proses BOF ialah proses pembuatan keluli terkemuka dunia. Pengeluaran keluli penukar dunia pada tahun 2003 berjumlah 964.8 juta tan atau 63.3% daripada jumlah pengeluaran. Pengeluaran penukar adalah punca pencemaran alam sekitar. Masalah utama ini adalah pengurangan pelepasan, pelepasan dan pengurangan sisa. Intipatinya terletak pada penggunaan tenaga sekunder dan sumber material.

Haba eksotermik dijana oleh tindak balas pengoksidaan semasa blowdown.

Proses utama pembuatan keluli menggunakan kami sendiristok:

• Besi cair (kadangkala dipanggil logam panas) daripada relau letupan dituangkan ke dalam bekas berlapik refraktori besar yang dipanggil senduk.
• Logam dalam senduk dihantar terus ke peringkat pengeluaran keluli utama atau pra-rawatan.
• Oksigen ketulenan tinggi pada tekanan 700-1000 kilopascal disuntik pada kelajuan supersonik ke permukaan tab mandi besi melalui tombak sejuk air yang digantung di dalam bekas dan dipegang beberapa kaki di atas tab mandi.

Keputusan pra-rawatan bergantung pada kualiti logam panas dan kualiti keluli akhir yang diingini. Penukar bawah boleh tanggal pertama yang boleh ditanggalkan dan dibaiki masih digunakan. Tombak yang digunakan untuk meniup telah ditukar. Untuk mengelakkan tombak tersekat semasa meniup, kolar berlubang dengan hujung tembaga tirus panjang digunakan. Hujung hujung, selepas pembakaran, membakar CO yang terbentuk apabila ditiup ke CO_{2 dan memberikan haba tambahan. Dart, bola refraktori dan pengesan sanga digunakan untuk mengeluarkan sanga.}

Kaedah penukar oksigen: kebaikan dan keburukan

Tidak memerlukan kos peralatan penulenan gas, kerana pembentukan habuk, iaitu penyejatan besi, dikurangkan sebanyak 3 kali ganda. Oleh kerana penurunan dalam hasil besi, peningkatan dalam hasil keluli cecair sebanyak 1.5 - 2.5% diperhatikan. Kelebihannya ialah intensiti tiupan dalam kaedah ini meningkat, yang memberikeupayaan untuk meningkatkan prestasi penukar sebanyak 18%. Kualiti keluli lebih tinggi kerana suhu dalam zon pembersihan lebih rendah, yang mengakibatkan pembentukan nitrogen yang kurang.

Kekurangan kaedah peleburan keluli ini menyebabkan penurunan permintaan untuk penggunaan, kerana tahap penggunaan oksigen meningkat sebanyak 7% disebabkan oleh penggunaan pembakaran bahan api yang tinggi. Terdapat peningkatan kandungan hidrogen dalam logam kitar semula, itulah sebabnya ia mengambil sedikit masa selepas tamat proses untuk menjalankan pembersihan dengan oksigen. Di antara semua kaedah, penukar oksigen mempunyai pembentukan sanga yang paling tinggi, sebabnya ialah ketidakupayaan untuk memantau proses pengoksidaan di dalam peralatan.

Kaedah perapian terbuka

Proses perapian terbuka untuk kebanyakan abad ke-20 adalah bahagian utama pemprosesan semua keluli yang dibuat di dunia. William Siemens, pada tahun 1860-an, mencari cara untuk menaikkan suhu dalam relau metalurgi, membangkitkan cadangan lama untuk menggunakan haba buangan yang dihasilkan oleh relau. Dia memanaskan batu bata pada suhu tinggi, kemudian menggunakan laluan yang sama untuk memasukkan udara ke dalam tanur. Udara yang dipanaskan telah meningkatkan suhu nyalaan dengan ketara.

Gas asli atau minyak berat beratom digunakan sebagai bahan api; udara dan bahan api dipanaskan sebelum pembakaran. Relau dimuatkan dengan besi babi cair dan sekerap keluli bersama-sama dengan bijih besi, batu kapur, dolomit dan fluks.

Dapur itu sendiri diperbuat daripadabahan yang sangat tahan api seperti batu bata perapian magnesit. Relau perapian terbuka mempunyai berat sehingga 600 tan dan biasanya dipasang dalam kumpulan, supaya peralatan tambahan besar yang diperlukan untuk mengecas relau dan memproses keluli cecair boleh digunakan dengan berkesan.

Walaupun proses perapian terbuka telah hampir diganti sepenuhnya di kebanyakan negara perindustrian dengan proses oksigen asas dan relau arka elektrik, ia menghasilkan kira-kira 1/6 daripada semua keluli yang dihasilkan di seluruh dunia.

Kebaikan dan keburukan kaedah ini

Kelebihan termasuk kemudahan penggunaan dan kemudahan penghasilan keluli aloi dengan pelbagai bahan tambahan yang memberikan bahan pelbagai sifat khusus. Bahan tambahan dan aloi yang diperlukan ditambah sejurus sebelum tamat peleburan.

Kelemahan termasuk kecekapan yang berkurangan berbanding kaedah penukar oksigen. Selain itu, kualiti keluli adalah lebih rendah berbanding kaedah peleburan logam lain.

Kaedah pembuatan keluli elektrik

Kaedah moden peleburan keluli menggunakan rizab kami sendiri ialah relau yang memanaskan bahan bercas dengan arka elektrik. Relau arka perindustrian mempunyai pelbagai saiz daripada unit kecil dengan kapasiti kira-kira satu tan (digunakan dalam faundri untuk pengeluaran produk besi) hingga 400 tan unit yang digunakan dalam metalurgi sekunder.

Relau arka,digunakan dalam makmal penyelidikan mungkin mempunyai kapasiti hanya beberapa puluh gram. Suhu relau arka elektrik industri boleh mencapai sehingga 1800 °C (3, 272 °F), manakala pemasangan makmal boleh melebihi 3000 °C (5432 °F).

Relau arka berbeza daripada relau aruhan kerana bahan pengecas terdedah terus kepada arka elektrik dan arus dalam terminal melalui bahan yang dicas. Relau arka elektrik digunakan untuk pengeluaran keluli, terdiri daripada lapisan refraktori, biasanya disejukkan dengan air, saiz besar, ditutup dengan bumbung yang boleh ditarik balik.

Ketuhar terbahagi terutamanya kepada tiga bahagian:

• Cangkang yang terdiri daripada dinding sisi dan mangkuk keluli bawah.
• Perapian terdiri daripada refraktori yang menarik keluar mangkuk bawah.
• Bumbung berlapik refraktori atau disejukkan air boleh dibuat sebagai bahagian bola atau kon terpotong (bahagian kon).

Kebaikan dan keburukan kaedah

Kaedah ini menempati kedudukan utama dalam bidang pengeluaran keluli. Kaedah peleburan keluli digunakan untuk mencipta logam berkualiti tinggi yang sama ada tiada sepenuhnya atau mengandungi sejumlah kecil kekotoran yang tidak diingini seperti sulfur, fosforus dan oksigen.

Kelebihan utama kaedah ini ialah penggunaan elektrik untuk pemanasan, jadi anda boleh mengawal suhu lebur dengan mudah dan mencapai kadar pemanasan logam yang luar biasa. Kerja automatik akan menjaditambahan yang menyenangkan kepada peluang terbaik untuk pemprosesan berkualiti tinggi pelbagai besi buruk.

Kelemahan termasuk penggunaan kuasa yang tinggi.