Основни производни процеси индустрије челика
Челик, као окосница модерне индустрије, подупире инфраструктуру, производњу, транспорт и безброј других сектора широм света. Његова производња је софистициран, вишестепени процес-који претвара сирове минерале у металне материјале-високих перформанси. Основни ток посла састоји се од четири међусобно повезане фазе: прављење гвожђа, производња челика, континуирано ливење и ваљање челика. Сваки корак игра кључну улогу у пречишћавању састава, структуре и својстава материјала, обезбеђујући да он испуњава различите захтеве крајњих-корисника. Испод је детаљан преглед ових кључних процеса.
1. Производња гвожђа: вађење металног гвожђа из руда
Производња гвожђа је основни корак који претвара руде које садрже гвожђе{0}}у течно сирово гвожђе (врући метал), примарну сировину за производњу челика. Срце овог процеса је висока пећ (БФ), висока цилиндрична конструкција типично висока 30–60 метара, обложена ватросталним материјалима{4}}отпорним на топлоту да би издржала екстремне температуре (1300–1500 степени).
Сировине које се користе у производњи гвожђа укључују три кључне компоненте: руде гвожђа (синтер и грудвасте руде, које садрже 55–65% гвожђе-оксида), кокс (гориво богато угљеником- које се добија из угља, које има двоструку улогу као извор топлоте и редукционо средство) и флукс (првенствено кречњак, који реагује са нечистоћом шљаке). Ови материјали се мешају у прецизним пропорцијама и убацују у високу пећ са врха преко система за пуњење без звона или{4}}без звона. У међувремену, претходно загрејани ваздух (вруће експлозије) се убризгава кроз млазнице које се називају тујери на дну пећи, пали кокс и стварајући атмосферу високе{6}}које смањује температуру.
У овом окружењу долази до низа хемијских реакција: кокс сагорева да би се произвео угљен моноксид (ЦО), који реагује са оксидом гвожђа (Фе₂О₃) у рудама да би се редуковао у метално гвожђе. Кречњак се разлаже у калцијум оксид (ЦаО), који се комбинује са силицијум диоксидом (СиО₂), глиницом (Ал₂О₃) и другим минералима у рудама да би се формирала растопљена шљака-нуспродукт који плута на врху течног гвожђа због своје мање густине. Након 6-8 сати топљења, растопљено сирово гвожђе (са садржајем угљеника од 3,5-4,5%, заједно са нечистоћама као што су сумпор, фосфор и манган) се извлачи из пећи кроз отвор за вентилацију, док се шљака одвојено уклања за рециклажу или индустријску употребу. Савремени објекти за производњу гвожђа често садрже-технологије за уштеду енергије као што су убризгавање угља у прах (ПЦИ) или природног гаса да би се смањила потрошња кокса и смањиле емисије угљеника.
2. Производња челика: Рафинирање нечистоћа и легирање
Производња челика је процес пречишћавања сировог гвожђа уклањањем вишка угљеника и штетних нечистоћа (сумпор, фосфор, кисеоник, итд.) уз прилагођавање његовог хемијског састава легирајућим елементима како би се постигла жељена механичка својства (чврстоћа, жилавост, отпорност на корозију). Две доминантне технологије производње челика на глобалном нивоу су производња челика у основној пећи за кисеоник (БОФ) и производња челика у електролучној пећи (ЕАФ).
Производња челика у основној пећи за кисеоник (БОФ).
Са око 70% глобалне производње челика, производња челика БОФ користи течно сирово гвожђе (70–80% пуњења) и челични отпад (20–30%) као сировине. Процес се одвија у нагибном, ватросталном-обложеном претварачу капацитета 100–400 тона. Водом{10}}хлађена млазница кисеоника се спушта у конвертор, издувавајући кисеоник високог{11} чистоће (99,5%+) на површину растопљеног гвожђа суперзвучном брзином. Кисеоник снажно реагује са угљеником (формирајући ЦО и ЦО₂ гасове), силицијумом, манганом и фосфором, стварајући интензивну топлоту (до 1650 степени) која одржава процес рафинације без спољног уноса енергије.
За контролу састава шљаке и ефикасно уклањање сумпора и фосфора, током дувања се додају флуксови као што су креч (ЦаО) и доломит. Циклус рафинирања траје 20-40 минута, а оператери прате процес мерењем температуре и хемијским узорковањем како би се осигурало да челик испуњава циљне спецификације. Када се рафинација заврши, додају се легирајући елементи (нпр. манган, силицијум, хром, никл, ванадијум) да би се прилагодила својства челика-на пример, манган побољшава чврстоћу и отврдњавање, док хром побољшава отпорност на корозију нерђајућег челика.
Производња челика у електричним лучним пећима (ЕАФ).
Производња ЕАФ челика се првенствено ослања на челични отпад (до 100% пуњења) као сировину, што га чини кружнијим и енергетски{1}}ефикаснијим процесом у поређењу са БОФ-ом. Пећ користи три графитне електроде за стварање електричног лука (1000–1200 степени) који топи отпад. Кисеоник се убризгава да оксидира нечистоће, а флуксови се додају да би се формирала шљака. ЕАФ-ови такође могу да садрже директно редуковано гвожђе (ДРИ) или вруће брикетовано гвожђе (ХБИ) да допуне отпад и побољша квалитет челика. Ова метода се широко користи за производњу специјалних челика (нпр. алатног челика, легираног челика) и фаворизована је у регионима са богатим отпадом или ниским трошковима електричне енергије.
Након примарне рафинације, већина челика се подвргава секундарној рафинацији (нпр. пречишћавање у пећи за лонац (ЛФ), РХ вакуум дегазирање) да би се додатно смањиле нечистоће, прилагодила температура и побољшала хомогеност. Секундарна рафинација осигурава да челик испуњава строге стандарде квалитета за најквалитетније-прилике као што су аутомобилски делови, компоненте за ваздухопловство и конструкцијски челик{4}}конструкције.
3. Континуирано ливење: учвршћивање челика у гредице
Континуирано ливење (ЦЦ) је критична веза између производње челика и ваљања челика, замењујући традиционални метод ливења ингота како би се побољшала ефикасност, смањио отпад и побољшао квалитет производа. Процес претвара растопљени челик у полупроизводе који се називају гредице за континуирано ливење (плоче, полуге, гредице или округле) које су директно погодне за ваљање.
Линија за континуално ливење састоји се од неколико кључних компоненти: отвора (средња посуда у којој се складишти растопљени челик из пећи за производњу челика, стабилизује проток челика и уклања велике инклузије), водом{0}}хлађени калуп за бакар (примарна зона очвршћавања), секундарна зона хлађења (опремљена млазницама за распршивање), и расхладна јединица за равномерно хлађење воде 坯(који константном брзином вуче учвршћујућу гипсу 坯 и исправља је да спречи деформацију).
Истопљени челик (1500–1550 степени) се сипа из кутлаче за производњу челика у лонац, који равномерно распоређује челик у један или више калупа. Зидови калупа-охлађени водом брзо хладе спољни слој челика, формирајући очврсну љуску (дебљине 10–20 мм), док језгро остаје истопљено. Како се ливени 坯 извлачи из калупа контролисаном брзином (0,5–2,5 м/мин, у зависности од величине производа), секундарна зона хлађења прска воду на површину да би се убрзало очвршћавање. Када се потпуно очврсне, ливени 坯 се сече на одређене дужине (6–12 метара) помоћу пламених резача или маказа.
Континуирано ливење нуди значајне предности: повећава принос челика за 10–15% у поређењу са ливењем ингота, смањује потрошњу енергије тако што елиминише потребу за поновним загревањем ингота и производи ливене гредице са уједначеним попречним-пресекима и финозрнатом-микроструктуром. Врста ливене гредице која се производи зависи од крајњег производа-плоча за челичне плоче и траке, блума за структурне делове, гредица за шипке и жице и округлих за цеви и отковке.
4. Ваљање челика: обликовање и јачање челика
Ваљање челика је завршна фаза производног процеса, где се гредице континуалног ливења деформишу у готове или полупроизводе од челика механичким ваљањем. Циљ је да се смањи површина-попречног пресека гредице, побољша њена тачност димензија и побољша микроструктура да би се побољшала механичка својства (чврстоћа, дуктилност, жилавост). Две главне методе ваљања су топло ваљање и хладно ваљање, при чему је топло ваљање примарни процес за већину челичних производа.
Хот Роллинг
Вруће ваљање се изводи на температурама изнад температуре рекристализације челика (1100–1250 степени), што чини материјал дуктилнијим и лакшим за деформисање. Процес почиње загревањем гредице за континуално ливење у пећи за поновно загревање (1200–1300 степени) да би се обезбедила уједначена дистрибуција температуре. Загрејана гредица се затим пролази кроз низ ваљаоница (млинови за грубу обраду, међумлинови и млинови за завршну обраду) распоређених у тандем линији. Сваки сталак за млин се састоји од два или више ваљака који примењују силу притиска на гредицу, смањујући њену дебљину (за плоче и траке) или мењајући њен попречни- пресек (за шипке, углове и канале).
Током топлог ваљања, микроструктура челика пролази кроз рекристализацију-груба зрна из процеса ливења се замењују финим, уједначеним зрнима, чиме се побољшава чврстоћа и жилавост материјала. Брзина ваљања и однос редукције (проценат смањене површине попречног пресека по пролазу) се пажљиво контролишу да би се обезбедио квалитет производа. Након ваљања, челик се хлади ваздухом или водом (контролисано хлађење) да би се додатно оптимизовала његова микроструктура. Вруће{5}}ваљани производи обухватају топло-ваљане котлове (који се користе за цеви, аутомобилске делове и грађевинарство), топло-ваљане шипке (за машине и причвршћиваче) и топло{8}}ваљане делове (за зграде и мостове).
Хладно ваљање (додатни процес).
Док се оригинални опис процеса фокусира на топло ваљање, хладно ваљање је често следећи корак за производе који захтевају високу површинску обраду и прецизну толеранцију димензија (нпр. панели каросерије аутомобила, електрични лимови, траке од нерђајућег челика). Хладно ваљање се изводи на собној температури, што повећава чврстоћу челика кроз каљење. Процес користи мање односе редукције по пролазу и захтева средње жарење (топлотни третман) да би се повратила дуктилност. Хладноваљани-производи имају глатку површину, чврсту контролу дебљине и побољшана механичка својства у поређењу са топло{6}}ваљаним челиком.