התכת פלדה: טכנולוגיה, שיטות, חומרי גלם

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 13:54

עפרות ברזל מתקבלות בדרך הרגילה: בור פתוח או כרייה תת קרקעית והובלה לאחר מכן להכנה ראשונית, שם החומר נכתש, שוטף ומעבד.

העפרה נמזגת לכבשן פיצוץ ומפוצצת באוויר חם ובחום, מה שהופך אותה לברזל מותך. לאחר מכן הוא מוסר מתחתית הכבשן לתוך תבניות הידועות בשם חזירים, שם הוא מקורר כדי לייצר ברזל חזיר. הוא הופך לברזל יצוק או מעובד לפלדה בכמה דרכים.

מה זה פלדה?

בהתחלה היה ברזל. זוהי אחת המתכות הנפוצות ביותר בקרום כדור הארץ. ניתן למצוא אותו כמעט בכל מקום, בשילוב עם אלמנטים רבים אחרים, בצורה של עפרה. באירופה, עבודת ברזל מתוארכת לשנת 1700 לפני הספירה

בשנת 1786, המדענים הצרפתים Berthollet, Monge ו-Vandermonde קבעו במדויק שההבדל בין ברזל, ברזל יצוק ופלדה נובע מתכולת פחמן שונה. עם זאת, פלדה, שעשויה מברזל, הפכה במהרה למתכת החשובה ביותר של המהפכה התעשייתית. בתחילת המאה ה-20, ייצור הפלדה העולמי היה 28מיליון טון - זה פי שישה יותר מאשר ב-1880. בתחילת מלחמת העולם הראשונה, הייצור שלה היה 85 מיליון טון. במשך כמה עשורים, הוא כמעט החליף ברזל.

תכולת הפחמן משפיעה על מאפייני המתכת. ישנם שני סוגים עיקריים של פלדה: סגסוגת ולא סגסוגת. סגסוגת פלדה מתייחסת ליסודות כימיים מלבד פחמן המוסף לברזל. לפיכך, סגסוגת של 17% כרום ו-8% ניקל משמשת ליצירת נירוסטה.

כיום, ישנם יותר מ-3,000 מותגים מקוטלגים (הרכבים כימיים), לא סופרים את אלו שנוצרו כדי לענות על צרכים אישיים. כולם תורמים להפיכת הפלדה לחומר המתאים ביותר לאתגרי העתיד.

חומרי גלם לייצור פלדה: ראשוניים ומשניים

התכת מתכת זו באמצעות רכיבים רבים היא שיטת הכרייה הנפוצה ביותר. חומרי טעינה יכולים להיות גם ראשוניים וגם משניים. ההרכב העיקרי של המטען, ככלל, הוא 55% ברזל חזיר ו-45% משאר גרוטאות המתכת. סגסוגות ברזל, ברזל יצוק מומר ומתכות טהורות מסחריות משמשות כמרכיב העיקרי של הסגסוגת, ככלל, כל סוגי המתכות הברזליות מסווגות כמשניות.

עפרת ברזל היא חומר הגלם החשוב והבסיסי ביותר בתעשיית הברזל והפלדה. צריך בערך 1.5 טון של חומר זה כדי לייצר טון של ברזל חזיר. כ-450 טון קולה משמשים לייצור טון אחד של ברזל חזיר. מפעלי ברזל רביםאפילו נעשה שימוש בפחם.

מים הם חומר גלם חשוב לתעשיית הברזל והפלדה. הוא משמש בעיקר לכיבוי קולה, קירור תנור פיצוץ, ייצור קיטור של דלתות תנור פחם, תפעול ציוד הידראולי וסילוק מי שפכים. צריך בערך 4 טון אוויר כדי לייצר טון של פלדה. שטף משמש בכבשן הפיצוץ כדי לחלץ מזהמים מעפרות ההיתוך. אבן גיר ודולומיט מתאחדים עם הזיהומים המופקים ויוצרים סיגים.

הן תנורי פיצוץ והן תנורי פלדה מצופים בחומרי עקשן. הם משמשים לתנורים חזיתיים המיועדים להתכת עפרות ברזל. סיליקון דו חמצני או חול משמשים לייצור. מתכות לא ברזליות משמשות לייצור פלדה בדרגות שונות: אלומיניום, כרום, קובלט, נחושת, עופרת, מנגן, מוליבדן, ניקל, בדיל, טונגסטן, אבץ, ונדיום וכו'. בין כל סגסוגות הברזל הללו, מנגן נמצא בשימוש נרחב בייצור פלדה.

פסולת ברזל ממבני מפעל מפורקים, מכונות, כלי רכב ישנים וכו' ממוחזרת ונמצאת בשימוש נרחב בתעשייה.

ברזל לפלדה

התכת פלדה עם ברזל יצוק נפוץ הרבה יותר מאשר עם חומרים אחרים. ברזל יצוק הוא מונח המתייחס בדרך כלל לברזל אפור, אולם הוא מזוהה גם עם קבוצה גדולה של סגסוגות ברזל. פחמן מהווה כ-2.1 עד 4% משקל, בעוד שסיליקון הוא בדרך כלל 1 עד 3% משקל בסגסוגת.

התכת ברזל ופלדה מתבצעת בטמפרטורהנקודת התכה בין 1150 ל-1200 מעלות, שהיא נמוכה בכ-300 מעלות מנקודת ההיתוך של ברזל טהור. ברזל יצוק מפגין גם נזילות טובה, יכולת עיבוד מצוינת, עמידות בפני דפורמציה, חמצון ויציקה.

פלדה היא גם סגסוגת של ברזל עם תכולת פחמן משתנה. תכולת הפחמן של פלדה היא 0.2 עד 2.1% מסה, וזהו חומר הסגסוג החסכוני ביותר לברזל. התכת פלדה מברזל יצוק שימושית למגוון מטרות הנדסיות ומבניות.

עפרת ברזל לפלדה

תהליך ייצור הפלדה מתחיל בעיבוד עפרות ברזל. הסלע המכיל עפרות ברזל נמחץ. עפרות נכרות באמצעות גלילים מגנטיים. עפרות ברזל עדינות מעובדות לגושים בעלי גרגיר גס לשימוש בכבשן פיצוץ. פחם מזוקק בתנור קולה כדי לייצר צורה כמעט טהורה של פחמן. לאחר מכן מחממים את התערובת של עפרות ברזל ופחם כדי לייצר ברזל מותך, או ברזל חזיר, שממנו מייצרים פלדה.

בתנור החמצן הראשי, עפרת ברזל מותכת היא חומר הגלם העיקרי והוא מעורבב עם כמויות שונות של גרוטאות פלדה וסגסוגות כדי לייצר דרגות שונות של פלדה. בכבשן קשת חשמלי, גרוטאות פלדה ממוחזרות מומסות ישירות לפלדה חדשה. כ-12% מהפלדה עשויה מחומר ממוחזר.

טכנולוגיית התכה

התכה היא תהליך שבו מתקבלת מתכת בצורת יסוד,או כתרכובת פשוטה מהעפרה שלה על ידי חימום מעל נקודת ההיתוך שלה, בדרך כלל בנוכחות חומרי חמצון כגון אוויר או חומרים מפחיתים כגון קוק.

בטכנולוגיית ייצור הפלדה, המתכת המשולבת עם חמצן, כמו תחמוצת ברזל, מחוממת לטמפרטורה גבוהה, והתחמוצת נוצרת בשילוב עם פחמן בדלק, המשתחרר כפחמן חד חמצני או פחמן דו חמצני.זיהומים אחרים, הנקראים ביחד ורידים, מוסרים על ידי הוספת זרם איתו הם מתאחדים ליצירת סיגים.

ייצור פלדה מודרני משתמש בכבשן הדהוד. העפרה והנחל המרוכזים (בדרך כלל אבן גיר) נטענים בחלק העליון, בעוד שהמט המותך (תרכובת של נחושת, ברזל, גופרית וסיג) נמשך מלמטה. יש צורך בטיפול חום שני בתנור ממיר כדי להסיר ברזל מהגימור המט.

שיטת קונווקטור חמצן

תהליך BOF הוא תהליך ייצור הפלדה המוביל בעולם. הייצור העולמי של פלדת ממירים ב-2003 הסתכם ב-964.8 מיליון טון או 63.3% מסך הייצור. ייצור ממירים הוא מקור לזיהום סביבתי. הבעיות העיקריות של זה הן הפחתת פליטות, פליטות והפחתת פסולת. המהות שלהם טמונה בשימוש באנרגיה משנית ומשאבים חומריים.

חום אקזוטרמי נוצר על ידי תגובות חמצון במהלך התפוצצות.

התהליך העיקרי של ייצור פלדה באמצעות שלנומניות:

• ברזל מותך (נקרא לפעמים מתכת חמה) מתנור פיצוץ נשפך לתוך מיכל גדול מרופד עשן עשן שנקרא מצקת.
• המתכת במצקת נשלחת ישירות לשלב ייצור הפלדה הראשי או טיפול מקדים.
• חמצן ברמת טוהר גבוהה בלחץ של 700-1000 קילופסקל מוזרק במהירות על-קולית אל פני השטח של אמבט הברזל דרך לונס מקורר במים התלוי בכלי ומוחזק כמה מטרים מעל האמבטיה.

החלטת הטיפול המקדים תלויה באיכות המתכת החמה ובאיכות הפלדה הסופית הרצויה. הממירים התחתונים הנשלפים הראשונים שניתן לנתק ולתקן עדיין בשימוש. החניתות המשמשות לנשיפה שונו. כדי למנוע חסימה של הרומח במהלך הנשיפה, נעשה שימוש בצווארונים מחורצים עם קצה נחושת מתחדד ארוך. קצוות הקצה, לאחר הבעירה, שורפים את ה-CO הנוצר בנשיפה לתוך CO_{2 ומספקים חום נוסף. חצים, כדורים חסינים וגלאי סיגים משמשים להסרת סיגים.}

שיטת קונווקטור חמצן: יתרונות וחסרונות

לא דורש את העלות של ציוד לטיהור גז, שכן היווצרות אבק, כלומר אידוי ברזל, מופחתת פי 3. עקב הירידה בתפוקת הברזל, נצפית עלייה בתפוקת הפלדה הנוזלית ב-1.5 - 2.5%. היתרון הוא שעוצמת הנשיפה בשיטה זו עולה, מה שנותןהיכולת להגדיל את ביצועי הממיר ב-18%. איכות הפלדה גבוהה יותר מכיוון שהטמפרטורה באזור הטיהור נמוכה יותר, מה שגורם להיווצרות פחות חנקן.

החסרונות בשיטה זו של התכת פלדה הביאו לירידה בביקוש לצריכה, שכן רמת צריכת החמצן עולה ב-7% עקב הצריכה הגבוהה של שריפת דלק. ישנה תכולת מימן מוגברת במתכת הממוחזרת, וזו הסיבה שלוקח זמן מה לאחר סיום התהליך לבצע טיהור עם חמצן. מבין כל השיטות, לממיר חמצן יש את היווצרות הסיגים הגבוהה ביותר, הסיבה היא חוסר היכולת לנטר את תהליך החמצון בתוך הציוד.

שיטת האח הפתוח

תהליך האח הפתוח במשך רוב המאה ה-20 היה החלק העיקרי בעיבוד כל הפלדה המיוצרת בעולם. ויליאם סימנס, בשנות ה-60 של המאה ה-19, חיפש אמצעי להעלאת הטמפרטורה בכבשן מתכות, והקים לתחייה הצעה ישנה להשתמש בחום הפסולת שנוצר מהכבשן. הוא חימם את הלבנה לטמפרטורה גבוהה, ואז השתמש באותו נתיב כדי להכניס אוויר לכבשן. האוויר שחומם מראש הגביר את טמפרטורת הלהבה באופן משמעותי.

גז טבעי או שמנים כבדים אטומים משמשים כדלק; אוויר ודלק מחוממים לפני הבעירה. התנור עמוס ברזל חזיר נוזלי וגרוטאות פלדה יחד עם עפרות ברזל, אבן גיר, דולומיט ושטפים.

התנור עצמו עשויחומרים עמידים ביותר כגון לבני אח מגנזיט. תנורי אח פתוח שוקלים עד 600 טון והם מותקנים בדרך כלל בקבוצות, כך שניתן להשתמש ביעילות בציוד העזר המאסיבי הדרוש להטענת תנורים ועיבוד פלדה נוזלית.

למרות שתהליך האח הפתוח הוחלף כמעט לחלוטין ברוב המדינות המתועשות בתהליך החמצן הבסיסי ובתנור הקשת החשמלי, הוא מייצר כ-1/6 מכל הפלדה המיוצרת ברחבי העולם.

היתרונות והחסרונות של שיטה זו

היתרונות כוללים קלות שימוש וקלות ייצור של פלדה מסגסוגת עם תוספים שונים המקנים לחומר תכונות מיוחדות שונות. התוספים והסגסוגות הדרושים מתווספים מיד לפני סיום ההיתוך.

החסרונות כוללים יעילות מופחתת בהשוואה לשיטת ממיר חמצן. כמו כן, איכות הפלדה נמוכה יותר בהשוואה לשיטות התכת מתכות אחרות.

שיטת ייצור פלדה חשמלית

השיטה המודרנית להתכת פלדה באמצעות הרזרבות שלנו היא תנור המחמם חומר טעון בקשת חשמלית. תנורי קשת תעשייתיים נעים בגודל מיחידות קטנות בעלות קיבולת של כטון אחד (המשמשים בבתי יציקה לייצור מוצרי ברזל) ועד 400 טון יחידות המשמשות במטלורגיה משנית.

תנורי קשת,בשימוש במעבדות מחקר עשויה להיות קיבולת של כמה עשרות גרמים בלבד. טמפרטורות כבשני קשת חשמליות תעשייתיות יכולות להגיע עד 1800 מעלות צלזיוס (3, 272 מעלות פרנהייט), בעוד שמתקנים מעבדתיים יכולים לעלות על 3000 מעלות צלזיוס (5432 מעלות פרנהייט).

תנורי קשת שונים מתנורי אינדוקציה בכך שחומר הטעינה חשוף ישירות לקשת חשמלית, והזרם בטרמינלים עובר דרך החומר הטעון. תנור הקשת החשמלי משמש לייצור פלדה, מורכב מבטנה עקשן, בדרך כלל מקורר מים, בגודל גדול, מכוסה בגג נשלף.

התנור מחולק בעיקר לשלושה חלקים:

• קליפה המורכבת מקירות צד וקערת פלדה תחתונה.
• האח מורכב מחומר עקשן ששולף את הקערה התחתונה.
• הגג המצופה עקשן או מקורר מים יכול להתבצע כחלק כדורי או כקונוס קטום (חתך חרוטי).

יתרונות וחסרונות השיטה

שיטה זו תופסת עמדה מובילה בתחום ייצור הפלדה. שיטת התכת הפלדה משמשת ליצירת מתכת איכותית שחסרה לחלוטין, או מכילה כמות קטנה של זיהומים לא רצויים כגון גופרית, זרחן וחמצן.

היתרון העיקרי של השיטה הוא השימוש בחשמל לחימום, כך שניתן לשלוט בקלות בטמפרטורת ההיתוך ולהשיג קצב חימום מדהים של המתכת. עבודה אוטומטית תהפוךתוספת נעימה להזדמנות המצוינת לעיבוד איכותי של גרוטאות מתכת שונות.

החסרונות כוללים צריכת חשמל גבוהה.