Herstellen von Stählen

Transkript

1 Herstellen von Stählen 1. Historische Verfahren 2. Roheisenerzeugung 3. Rohstahlerzeugung 4. 1

2 Stahlerzeugung Ziel: Herstellen von Stahl bestimmter chemischer Zusammensetzung, möglichst homogen und weitestgehend frei von Verunreinigungen Weg: Reduktion Frischen Eisenerze Roheisen Rohstahl Stahl Desoxidieren Legieren 3

3 2. Roheisenerzeugung Roheisenherstellung aus Eisenerz im Hochofen Eisenerz wird gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen Vermischen des Sinters mit Kalkstein und Koks Chargieren im Hochofen Hochofenreaktion im Gegenstrom (heiße Luft, sogn. Wind) Ergebnis: Roheisen und Schlacke Abstich (periodisch) 12

4 2. Roheisenerzeugung alter Hochofen; erbaut um 1700 Luisenhütte: älteste erhaltene Hochofenanlage in Deutschland und möglicherweise weltweit, steht in Balve unterhalb Münster 13

5 2. Roheisenerzeugung Hochofenanlage der Dillinger Hütte (Duisburg) 14

6 2. Roheisenerzeugung Ein Hochofen ist eine zumeist großtechnische Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von Eisenoxid gewonnen wird. Neben oxidischen Eisenerzen werden hierzu Koks und Zuschlagstoffe wie Quarzsand und gebrannter Kalk zur Reaktion gebracht (Redoxreaktion). Sulfidische Erze müssen hingegen zunächst durch Rösten in Oxide überführt werden. 15

7 2. Roheisenerzeugung Chemische Reaktionen im Hochofen Wichtiges grundsätzliches chemisches Reaktionsschema: C + O 2 CO 2 Energie liefernde Verbrennung des Kokses CO 2 + C 2 CO Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonoxid (indirekte Reduktion) Fe 2 O 3 + 3CO 3CO 2 + 2Fe Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen (direkte Erzreduktion) 16

8 2. Roheisenerzeugung Eigenschaften des Roheisens: Kohlenstoffgehalt von ca. 4-5 % bis 3 % Silizium bis 6 % Mangan geringe Mengen Schwefel und Phosphor (im kaltem Zustand sehr spröde und daher weder schmiedbar (walzbar), noch schweißbar) Gusseisen: Graues Gusseisen (es überwiegt der Siliziumgehalt) Weißes (Roh-) Gusseisen (es überwiegt die Wirksamkeit von Mangan) 17

9 3. Rohstahlerzeugung Verarbeitung von weißem Roheisen Weiterverarbeitung im Konverterprozess zu Stahl Entfernen überschüssigen Kohlenstoffs sowie andere Fremdstoffe aus dem Roheisen (Einblasen von Sauerstoff, elektrochemische Umwandlung) beim Hochofenabstich Gießen in feuerfest ausgemauerte Pfannen oder Torpedowagen Transport in das Stahlwerk Verbrennen des überschüssigen Kohlenstoffs durch Einblasen von Sauerstoff im Konverter (Roheisen wird in Rohstahl umgewandelt); durch die Verbrennung verursachte Erwärmung wird durch Zugabe von Schrott ausgeglichen durch Strangguss oder Blockguss Überführung in die feste Phase 18

10 3. Rohstahlerzeugung Stahlgewinnung aus Roheisen Das Roheisen wird in der "Stahlkocherei" durch Einblasen von Sauerstoff oder Zugabe von Schrott (Eisenoxid) aufbereitet, indem die Begleitstoffe (Kohle, Schwefel, Mangan, Silizium) oxidiert und als Gase (Schwefeldioxid, Kohlendioxid) oder mit Zuschlägen als Schlacke (Kalzium- und Mangansilikate und -phosphate) entfernt werden. Beispiel: 2FeO + FeSi 3Fe + SiO 2 Eisenoxid und siliziumhaltiges Roheisen reagieren zu Eisen (Stahl) und Siliziumdioxid. 19

11 3. Rohstahlerzeugung Vorlegierungen für die Stahlerzeugung: Ferrosilicium (FeSi) Ferromangan (FeMn) Ferrochrom (FeCr) Ferrosilizium-Magnesium (FeSiMg) Ferrotitan (FeTi) Ferrophosphor (FeP) 20

12 3. Verbrennen/Oxidieren und Desoxidieren (Roheisen Rohstahl) Frischen und Desoxidieren - Ziele : Senken des Kohlenstoffgehaltes auf vorgegebene Werte Senkung der Gehalte erwünschter Beimengungen auf vorgegebene Werte (Mn, Si, Al ) weitestgehende Entfernung unerwünschter Beimengungen (S, P, O, N) Einstellung der vorgegebenen Legierungszusammensetzung (Zugabe von Legierungselementen) 21

13 Raffination Prozess der Rohstahlgewinnung (Schmelzen/Frischen) Das Verhalten der Begleitelemente bei der Raffination Elemente, die gasförmig entweichen: C, Zn, Pb, H 2, N 2, S.z.T. Elemente, die vollst. als Oxide in die Schlacke übergehen: Si, Al, Ta, B, Mg, W, Ti, Nb Elemente, die sich auf Metall- u. Schlackenbad verteilen: Mn, P, S z.t., Cr, V Elemente, die im Metallbad verbleiben: Cu, Ni, Sn, As, Bi, Sb, Se, Te, Co, Mn 22

14 3. Rohstahlerzeugung - Konverter Konverter leitet sich aus dem lateinischen Verb convertere = umwenden, verwandeln... her Stahlindustrie: In einem Konverter wird durch Zuführung von Sauerstoff in das verflüssigte Roheisen überschüssiger Kohlenstoff herausoxidiert. Das Roheisen wird so zu Stahl. 23

15 3. Frischverfahren 24

16 3. Blasstahlverfahren 25

17 3. Elektroofen 26

18 3. Lichtbogenofen 27

19 4. Unberuhigt und beruhigt vergossener Stahl Problem: Seigerungen Alterungsanfälligkeit eingeschränkte Schweißeignung 28

20 4. Standguss Gießstrahl-Entgasung Problem: Lunker 29

21 4. Blechherstellung Stranggussanlage Problem: Mittenseigerung Dopplung 30

22 Übersicht über die 31

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 32