Dobijanje čelika i gvožđa

Gvožđe za preradu u čelik i sivo livničko gvožđe najčešće se dobijaju u visokim pećimaPodela prema boji preloma: •gvožđe za preradu u čelik nazivalo se belo sirovo gvožđe, (bržim hlađenjem, koje se postiže livenjem u metalnim kalupima), •sivo livničko gvožđe je imalo naziv sivo sirovo gvožđe (dobija se sporim hlađenjem, najčešće u peščanim kalupima) .

Osnovni materijali za rad visoke peći • Rude železa. U prirodi se nalaze oksidne, sulfidne i

karbonatne rude železa. Najčešće se koriste oksidne rude: hematit (Fe2O3) i magnetit (Fe3O4). Sulfidne i karbonatne rude se pre ubacivanja u visoku peć prženjem prevode u oksid.

• Topitelji - čvrsti dodaci koji pri topljenju rude teško topljive sastojke iz jalovine prevode u lako topljive - trosku. Mogu da budu bazni, najčešće krečnjak (CaCO3) ili kiseli, kao što je SiO2, (u obliku kvarca, šljunka ili peska).

• Gorivo - ima zadatak da obezbedi potrebnu količinu toplote za odvijanje procesa u visokoj peći i neophodnu količinu ugljenika koji omogućava redukciju rude - oduzimanje kiseonika (dezoksidaciju). Ranije se koristio ćumur, a sada se najčešće koristi visokopećni koks (kameni ugalj koji sadrži najmanje 90% C). Koks ima visoku toplotnu moć, odgovarajuću tvrdoću i potpuno sagoreva jer je porozan.

legenda:1. Otvor za ispuštanje gvožđa2. Otvor za ispuštanje šljake

3. Duvnice4. Vatrostalne opeke

5. Odvoz gvožđa6. Odvoz šljake

7. Odvod gasova8. uređaj za punjenje

9. Temelj10. Dovod vazduha

• Indirektna redukcija se postupno odvija u temperaturnom intervalu 480-1200 C pomoću ugljenmonoksida (CO), prema sledećim reakcijama:

3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO 3FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2

• Direktna redukcija se odvija u temperaturnom intervalu 1000-1200 C uz pomoć ugljenika (C), prema sledećim reakcijama:

Fe2O3 + 3C 2Fe + 3COFe3O4 + 4C 3Fe + 4CO FeO + C Fe + CO• Naugljeničenje se odvija pomoću ugljenika u oblasti

visokih temperatura, gde je afinitet železa prema ugljeniku dovoljno visok, prema sledećim reakcijama:

2CO C + CO2

3Fe + C Fe3C

Proizvodi visoke peći su: • rastopljeno gvožđe, • tečna troska i • visokopećni gas. Oni nisu finalni proizvodi, već se koriste kao sirovine za

dalju preradu.

• Hemijski sastav gvožđa za preradu u čelik je: 2,5-4% C, 0,9-1,4% Si, 0,5-1,5% Mn, do 0,25% P i do 0,12% S,

• hemijski sastav sivog livničkog gvožđa je: 3,6-3,8% C, 1,25-3,75% Si, 0,7-1,1% Mn, 0,3-0,7% P i 0,04-0,06% S.

DOBIJANJE ČELIKA Rastopljeno gvožđe prerađuje se u čelike na

sledeća tri načina:• u Simens-Martenovoj peći (plameni postupak);• u elektro peći (pretapanjem);• u Besemerovom ili Tomasovom konvertoru.

• Tako npr. za Simens-Martenov postupak i za pretapanje u elektro pećima gvožđe, kao polazna sirovina, treba da ima što manje primesa tj. da je što veće čistoće. Pri tome se dobija čelik boljeg kvaliteta, ali skuplji od konvertorskog čelika.

• Za konvertorske postupke se koristi gvožđe sa većim sadržajem silicijuma (Besemerov postupak), odnosno sa većim sadržajem fosfora (Tomasov postupak)

Konvertorski postupak dobijanja čelika: a) punjenje metalnim otpadom; b) ulivanje rastopljenog metala; c) dodavanje pečenog kreča; d) uduvavanje kiseonika; e) izlivanje rastopljenog čelika; f) izbacivanje šljake

• Čist kiseonik reaguje sa železom iz gvožđa:

2Fe + O2 = 2FeO

• Oksid FeO reaguje sa ugljenikom i primesama:

FeO + C = Fe + CO

2FeO + Si = SiO2 + Fe

FeO + Mn = MnO + Fe

5FeO + 2P = P2O5 +Fe

• Za smanjenje sadržaja S koristi Ca iz topitelja koji gradi

hemijsko jedinjenje CaS, koje takođe odlazi u trosku.

Pred izlivanje, čelicima se dodaju Mn, Si i Al kao dezoksidatori.

FeO + Mn MnO + Fe

2FeO + Si SiO2 + 2Fe

3FeO +2Al Al2O3 + 3Fe

Tečni čelik se lije u metalne kalupe (kokile),očvršćava u tzv. ingote, koji se zatim zagrevanju na približno 1200 C i valjaju u poluproizvode različitih dimenzija (blumove, slabove i gredice).

Naknadnim hladnim ili toplim valjanjem dobijaju se deblji ili tanji limovi, žice i slični poluproizvodi.

Tradicionalni način livenja ingota se sve više

zamenjuje kontinualnim livenjem

• Zaostali gasovi u procesu dobijanja i pri izlivanju (O2, N2, H2, CO2 i CO) izazivaju poroznost i nehomogenost strukture,što loše utiče pre svega na mehaničke osobine.

Prema količini zaostalih gasova u toku očvršćavanja čelici se dele na

• neumirene, • poluumirene i • umirene.

Poprečni presek ingota: a) neumireni; b) umireni; c) poluumireni čelik

Neumireni čelici ( do 0,3% C i oko 0,02% Si), a nepotpuno su dezoksidisani sa Mn i Al

Odlikuju se prisustvom gasnih pora duž spoljašnje strane ingota - mekši površinski sloj, lakša obrada deformacijom na hladno.

Koriste se za izradu limova i šipki. Prisustvo pora u neumirenim čelicima smanjuje žilavost, dinamičku čvrstoću i sposobnost zavarivanja.

• Umireni čelici (više od 0,3% C i 0,15-0,6% Si).

• Nema gasnih mehurova, ali se na vrhu ingota formira lunker-šupljina, koja se otklanja odsecanjem.

• Umireni čelici imaju homogenu strukturu bez šupljina i pogodni su za rad na niskim temperaturama.

• Poluumireni čelici ( 0,3-0,9% C i oko 0,15% Si), a dezoksidisani su u većoj meri u odnosu na neumirene. Osim Mn i Al, kao dezoksidator prisutan je i Si.

• Pore su koncentrisane na gornjem delu odlivka

• Primenjuju se za izradu profila i debljih limova. Dobijanje im je ekonomično.

PODELA ČELIKA Prema hemijskom sastavu

čelici se dele na:

• ugljenične čelike, • legirane čelike.

Prema nameni se dele na: • konstrukcione čelike,• alatne čelike, • čelike sa posebnim

svojstvima.

Prema strukturi čelici mogu biti:

• feritni, • podeutektoidni, • eutekto idni, • nadeutektoidni, • ledeburitni, • austenitni i • martenzitni.

Prema načinu dobijanja razlikuju se:

• Tomasov, • Besemerov, • Simens-Martenov i • elektro čelici.

• Prema kvalitetu, tj. sadržaju sumpora i fosfora, čelici se dele na:

• Čelike običnog kvaliteta (ugljenične) sa sadržajem S do 0,06% i P do 0,07%.

• Kvalitetne čelike (ugljenični i legirani) sa sadržajem S i P od 0,035-0,04%

• Visoko kvalitetne čelike (legirani) sa sadržajem sadržajem S i P do 0,025%

• Plemenite čelike (legirani) sa sadržajem sadržajem S i P do 0,015%

• su legure železa i ugljenika do 2,0%.

• Na ugljenične čelike otpada 90% svetske proizvodnje čelika, pa oni predstavljaju osnovni materijal u mašinskoj industriji.

• Ugljenik je osnovni i najuticajniji element od koga zavise struktura i osobine čelika.

Prema sadržaju ugljenika ovi čelici se dele na:• niskougljenične do 0,25% C,• srednjeugljenične od 0,25% do 0,6% C,• viskokougljenične preko 0,6% C.

Prema nameni ugljenični čelici se dele na:• konstrukcione, do 0,6% C, • alatne, preko 0,6% C.

Ugljenični čelici

Uticaj ugljenika na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika

•sadržaj od 0,1% C povećava Rm i Re čelika slično kao 1% Mn, Si, ili Cr.

Uticaj primesa na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika

PRIMESE U UGLJENIČNIM ČELICIMA

SKRIVENE PRIMESE

N2, O2, H2

SLUČAJNE PRIMESE

Cu, Co, Cr ...

PRATEĆE PRIMESE

Si, Mn, S, P, Al

Sadržaj primesa u čelicima treba da se svode na najmanju meru, s obzirom da grade nepoželjna jedinjenja kao što su sulfidi, oksidi i fosfidi.

• Sumpor je štetna primesa, sa izuzetkom čelika za automate.

• Između FeS i železa obrazuje se eutektoid koji se izdvaja na granicama zrna i topi na 985 ºC.

• Sumpor je često uzrok krtog loma, koji je poznat pod nazivom crveni lom.

• Štetan uticaj FeS se smanjuje ako se doda mangan (FeS+MnFe+MnS).

• MnS (Ttop oko 1620 ºC) otklanja opasnost od crvenog loma. Međutim, pri hladnoj i toploj deformaciji MnS se deformiše, izazivajući pojavu trakavosti, odnosno raslojavanje ferita i perlita( nije tako štetna kao crveni lom, može

• Sumpor kod čelika za automate može da bude od koristi jer pomaže da se stvara krta i lomljiva strugotina. Tako se ubrzava obrada rezanjem, pa je kod ovih čelika dozvoljen sadržaj sumpora do 0,3%.

• Fosfor je takođe štetan, jer sa železom gradi fosfide koji utiču na smanjenje sposobnosti deformacije u hladnom stanju i izazivaju tzv. plavi lom.

• Mangan i silicijum povećavaju čvrstoću čelika, ali smanjuju njegovu plastičnost i žilavost

• aluminijum popravlja svojstva čelika usitnjavajući metalno zrno, sem u obliku oksida Al2O3, kada je štetan.

• Kiseonik je u čeliku prisutan u vidu raznih oksida, koji nepovoljno utiču na svojstva čelika.

• Azot obrazuje nitride koji povećavaju tvrdoću, ali smanjuju žilavost čelika, pa se azot smatra štetnom primesom.

• Vodonik je u čelicima štetna primesa, jer stvara pore, koje posle valjanja ili kovanja prelaze u prsline, što smanjuje žilavost.

LEGIRANI ČELICI Prema broju legirajućih elemenata čelici se dele

na

• jednostruko i višestruko legirane

Prema ukupnom sadržaju legirajućih elemenata čelici se dele na:

• niskolegirane, do 5% legirajućih elemenata, • visokolegirane, iznad 5% legirajućih elemenata.

• Niskolegirani čelici imaju istu strukturu i slične osobine kao i ugljenični (nelegirani) čelici, ali su neke osobine poboljšane.

• Glavne prednosti NLČ u odnosu na UČ su veća žilavost pri istoj čvrstoći, viši napon tečenja, veća čvrstoća na povišenim temperaturama i manja sklonost ka stvaranju prslina.

• Visokolegirani čelici imaju po pravilu specijalna svojstva koja nemaju ugljenični i niskolegirani čelici, kao što su vatrootpornost, otpornost na habanje, sposobnost rezanja pri crvenom usijanju i koroziona postojanost. Neki VLČ imaju specifične električne i magnetne osobine ili mali koeficijent linearnog širenja.

• Za svaki element određena je gornja granica do koje se on smatra primesom, odnosno legirajućim elementom preko te granice

OZNAČAVANJE ČELIKA • Ranije su se čelici označavali prema JUS C.B0.002 i to

slovnih i brojčanih simbola.• Sada se označavanje čelika vrši prema EN standardima

(koje je JUS preuzeo) čelici takođe nizom slovnih i brojčanih simbola.

To su sledeći standardi:• JUS EN 10020: Definicija i klasifikacija čelika• JUS EN 10027-1: Sistem za označavanje čelika -

Označavanje, osnovne oznake• JUS EN 10027-2: Sistem za označavanje čelika –

Brojačani sistem• JUS EN 10260: Sistem za označavanje čelika – Dodatne

oznake

Konstrukcioni čeliciS_ _ _ +++ ***

Osnovna oznaka S - konstrukcioni čelici (ispred slova S može G – ako je liveni čelik)

_ _ _ - Minimalna vrednost napona tečenja (MPa)

Dodatna oznaka za čelik

+++ - slovna oznaka

• I grupa

M - termomehaničko valjanjeN - normalizaciono valjanjeQ - kaljenje i otpuštanjeG - Ostale karakteristike

• II grupa (neki primeri)

C - specijalno oblikovanje u hladnom stanju

E - emajliranjeF - kovanjeH - šuplji profilT - cevian - hemijski simbol utvrdjenog

legirajućeg elementa sa jednom cifrom koja predstavlja desetostruku srednju vrednost sadržaja tog elementa

• P R I M E R

• S355JR - konstrukcioni čelik sa granicom tečenja 355MPa i žilavošću 27J na +20°C

• S460Q - konstrukcioni čelik sa granicom tečenja 460MPa , kaljen i otpušten

• Nelegirani čelici (osim čelika za obradu na automatima) sa srednjim sadržajem Mn<1%

C_ _ _ +++ ***

C35E - nelegirani čelik sa 0.35%C i sa sa maksimalnim specificiranim sadržajem sumpora

Nelegirani čelici sa sadržajem Mn ≥1%, nelegirani čelici za obradu na automatima i legirani čelici (osim brzoreznih) kod kojih je sadržaj svakog legirajućeg elementa <5%

_ _ _ a1 a2 a3 n-n-n ***

- stostruki srednji sadržaj ugljenika (trocifren broj)

• a1 a2 a3 - hemijski simboli legirajućih elemenata koji karakterišu čelik

• n-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji sadržaj elemenata u % umnožen faktorima

P R I M E R:

28Mn6

Čelik sa 0.28%C i 1.5%Mn

Legirani čelici (osim brzoreznih) kod kojih je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5%

X _ _ _ a1 a2 a3 n-n-n ***

Osnovna oznakaX - Oznaka da je u pitanju legirani čelik (osim brzoreznog)

kod koga je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5% (Ispred oznake X se može pojaviti slovo G - za slučaj da je reč o livenom čeliku

_ _ _ - stostruki srednji sadržaj ugljenika (trocifren broj)a1 a2 a3 - hemijski simboli legirajućih elemenata koji

karakterišu čelik i za kojima sledin-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji

sadržaj elemenata u % (zaokruženo na najbliži ceo broj)

X5CrNi18-10 - Legirani čelik sa 0,05%C (nije brzorezni, kod koga je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5%) koji sadrži 18%Cr i 8%Ni.

Brzorezni čelici :

HSn-n-n ***

Osnovna oznaka

X - Oznaka da je u pitanju brzorezni čelik

n-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji sadržaj elemenata u % (zaokruženo na najbliži ceo broj)i to prema sledećem rasporedu: W - Mo - V - Co

Čelici za posude pod pritiskom

P_ _ _

Čelici za cevovode

L_ _ _