Stahlverhüttung: Technik, Methoden, Rohstoffe

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Eisenerz wird auf dem üblichen Weg gewonnen: Tagebau oder Untertagebau und anschließender Transport zur ersten Aufbereitung, wo das Material zerkleinert, gewaschen und verarbeitet wird.

Das Erz wird in einen Hochofen gegossen und mit heißer Luft und Hitze geblasen, wodurch es zu geschmolzenem Eisen wird. Es wird dann vom Boden des Ofens in Formen, die als Masseln bekannt sind, entfernt, wo es gekühlt wird, um Roheisen zu produzieren. Es wird zu Schmiedeeisen verarbeitet oder auf verschiedene Weise zu Stahl verarbeitet.

Was ist Stahl?

Am Anfang war Eisen. Es ist eines der häufigsten Metalle in der Erdkruste. Es ist fast überall in Form von Erz in Kombination mit vielen anderen Elementen zu finden. In Europa gibt es Eisenarbeiten aus dem Jahr 1700 v. Chr.

Im Jahr 1786 stellten die französischen Wissenschaftler Berthollet, Monge und Vandermonde genau fest, dass der Unterschied zwischen Eisen, Gusseisen und Stahl auf den unterschiedlichen Kohlenstoffgeh alt zurückzuführen ist. Trotzdem wurde aus Eisen hergestellter Stahl schnell zum wichtigsten Metall der industriellen Revolution. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts betrug die weltweite Stahlproduktion 28Millionen Tonnen - das ist sechsmal mehr als 1880. Zu Beginn des Ersten Weltkriegs betrug die Produktion 85 Millionen Tonnen. Seit mehreren Jahrzehnten hat es Eisen praktisch ersetzt.

Der Kohlenstoffgeh alt beeinflusst die Eigenschaften des Metalls. Es gibt zwei Hauptarten von Stahl: legiert und unlegiert. Stahllegierung bezieht sich auf andere chemische Elemente als Kohlenstoff, die Eisen zugesetzt werden. So wird zur Herstellung von Edelstahl eine Legierung aus 17 % Chrom und 8 % Nickel verwendet.

Derzeit gibt es mehr als 3000 katalogisierte Marken (chemische Zusammensetzungen), wobei diejenigen, die für individuelle Bedürfnisse entwickelt wurden, nicht mitgezählt werden. Sie alle tragen dazu bei, Stahl zum geeignetsten Werkstoff für die Herausforderungen der Zukunft zu machen.

Rohstoffe für die Stahlerzeugung: primär und sekundär

Das Schmelzen dieses Metalls unter Verwendung vieler Komponenten ist die häufigste Abbaumethode. Chargenmaterialien können sowohl primär als auch sekundär sein. Die Hauptzusammensetzung der Charge besteht in der Regel aus 55 % Roheisen und 45 % des restlichen Schrotts. Als Hauptelement der Legierung werden Ferrolegierungen, umgewandeltes Gusseisen und handelsübliche Reinmetalle verwendet, in der Regel werden alle Arten von Eisenmetallen als sekundär eingestuft.

Eisenerz ist der wichtigste und wichtigste Rohstoff in der Eisen- und Stahlindustrie. Um eine Tonne Roheisen herzustellen, werden etwa 1,5 Tonnen dieses Materials benötigt. Zur Herstellung einer Tonne Roheisen werden etwa 450 Tonnen Koks verwendet. Viele Eisenhüttensogar Holzkohle wird verwendet.

Wasser ist ein wichtiger Rohstoff für die Eisen- und Stahlindustrie. Es wird hauptsächlich zum Abschrecken von Koks, zum Kühlen von Hochöfen, zur Dampferzeugung von Kohleöfen, zum Betrieb von Hydraulikanlagen und zur Abwasserentsorgung verwendet. Für die Herstellung einer Tonne Stahl werden etwa 4 Tonnen Luft benötigt. Flussmittel werden im Hochofen verwendet, um Verunreinigungen aus dem Hüttenerz zu extrahieren. Kalkstein und Dolomit verbinden sich mit den extrahierten Störstoffen zu Schlacke.

Sowohl Hoch- als auch Stahlöfen mit feuerfesten Auskleidungen. Sie werden zum Verkleiden von Öfen verwendet, die zum Schmelzen von Eisenerz bestimmt sind. Zum Formen wird Siliziumdioxid oder Sand verwendet. Nichteisenmetalle werden zur Herstellung von Stahl verschiedener Qualitäten verwendet: Aluminium, Chrom, Kob alt, Kupfer, Blei, Mangan, Molybdän, Nickel, Zinn, Wolfram, Zink, Vanadium usw. Unter all diesen Ferrolegierungen wird Mangan häufig in der Stahlherstellung verwendet.

Eisenabfälle aus demontierten Fabrikstrukturen, Maschinen, alten Fahrzeugen usw. werden recycelt und in der Industrie weit verbreitet verwendet.

Eisen gegen Stahl

Stahlschmelzen mit Gusseisen ist viel häufiger als mit anderen Materialien. Gusseisen ist ein Begriff, der sich normalerweise auf Grauguss bezieht, es wird jedoch auch mit einer großen Gruppe von Ferrolegierungen identifiziert. Kohlenstoff macht etwa 2,1 bis 4 Gew.-% aus, während Silizium typischerweise 1 bis 3 Gew.-% in der Legierung ausmacht.

Eisen- und Stahlschmelzen findet bei einer Temperatur stattSchmelzpunkt zwischen 1150 und 1200 Grad, was etwa 300 Grad niedriger ist als der Schmelzpunkt von reinem Eisen. Gusseisen weist auch eine gute Fließfähigkeit, hervorragende Bearbeitbarkeit, Beständigkeit gegen Verformung, Oxidation und Gießen auf.

Stahl ist auch eine Eisenlegierung mit variablem Kohlenstoffgeh alt. Der Kohlenstoffgeh alt von Stahl beträgt 0,2 bis 2,1 Massen-% und es ist das wirtschaftlichste Legierungsmaterial für Eisen. Das Schmelzen von Stahl aus Gusseisen ist für eine Vielzahl von technischen und strukturellen Zwecken nützlich.

Eisenerz für Stahl

Der Prozess der Stahlherstellung beginnt mit der Verarbeitung von Eisenerz. Das eisenerzh altige Gestein wird zerkleinert. Erz wird mit Magnetwalzen abgebaut. Feinkörniges Eisenerz wird für den Einsatz im Hochofen zu grobkörnigen Klumpen verarbeitet. Kohle wird in einer Kokerei zu einer fast reinen Form von Kohlenstoff veredelt. Die Mischung aus Eisenerz und Kohle wird dann erhitzt, um geschmolzenes Eisen oder Roheisen zu erzeugen, aus dem Stahl hergestellt wird.

Im Hauptsauerstoffofen ist geschmolzenes Eisenerz der Hauptrohstoff und wird mit verschiedenen Mengen an Stahlschrott und Legierungen gemischt, um verschiedene Stahlsorten herzustellen. In einem Elektrolichtbogenofen wird recycelter Stahlschrott direkt zu neuem Stahl eingeschmolzen. Etwa 12 % des Stahls wird aus recyceltem Material hergestellt.

Schmelztechnik

Schmelzen ist ein Prozess, bei dem ein Metall entweder in Form eines Elements,entweder als einfache Verbindung aus seinem Erz durch Erhitzen über seinen Schmelzpunkt, normalerweise in Gegenwart von Oxidationsmitteln wie Luft oder Reduktionsmitteln wie Koks.

In der Stahlherstellungstechnologie wird das Metall, das mit Sauerstoff kombiniert wird, wie Eisenoxid, auf eine hohe Temperatur erhitzt, und das Oxid wird in Kombination mit Kohlenstoff im Brennstoff gebildet, der als Kohlenmonoxid oder Kohlenstoff freigesetzt wird Kohlendioxid. Andere Verunreinigungen, die zusammen als Adern bezeichnet werden, werden entfernt, indem ein Strom hinzugefügt wird, mit dem sie sich zu Schlacke verbinden.

Die moderne Stahlerzeugung verwendet einen Hallofen. Das konzentrierte Erz und der Strom (normalerweise Kalkstein) werden oben geladen, während der geschmolzene Stein (Verbindung aus Kupfer, Eisen, Schwefel und Schlacke) von unten abgezogen wird. Eine zweite Wärmebehandlung in einem Konverterofen ist notwendig, um Eisen aus der matten Oberfläche zu entfernen.

Sauerstoff-Konvektor-Methode

Das BOF-Verfahren ist das weltweit führende Verfahren zur Stahlerzeugung. Die Weltproduktion von Konverterstahl betrug im Jahr 2003 964,8 Millionen Tonnen oder 63,3 % der Gesamtproduktion. Die Konverterproduktion ist eine Quelle der Umweltverschmutzung. Die Hauptprobleme dabei sind die Reduzierung von Emissionen, Einleitungen und die Reduzierung von Abfällen. Ihre Essenz liegt in der Nutzung von Sekundärenergie und stofflichen Ressourcen.

Exotherme Wärme wird durch Oxidationsreaktionen während des Abblasens erzeugt.

Der Hauptprozess der Stahlherstellung mit unserem eigenenAktien:

• Geschmolzenes Eisen (manchmal auch heißes Metall genannt) aus einem Hochofen wird in einen großen, mit feuerfestem Material ausgekleideten Behälter gegossen, der Pfanne genannt wird.
• Das Metall in der Pfanne wird direkt zur Hauptstahlerzeugung oder Vorbehandlungsstufe geleitet.
• Hochreiner Sauerstoff mit einem Druck von 700-1000 Kilopascal wird mit Überschallgeschwindigkeit auf die Oberfläche des Eisenbades durch eine wassergekühlte Lanze injiziert, die in einem Gefäß aufgehängt und einige Fuß über dem Bad geh alten wird.

Die Vorbehandlungsentscheidung hängt von der Qualität des Roheisens und der gewünschten endgültigen Stahlqualität ab. Die allerersten abnehmbaren Bodenkonverter, die abgenommen und repariert werden können, sind immer noch im Einsatz. Die zum Blasen verwendeten Speere wurden geändert. Um ein Verklemmen der Lanze beim Blasen zu verhindern, wurden geschlitzte Manschetten mit einer langen, sich verjüngenden Kupferspitze verwendet. Die Spitzen der Spitze verbrennen nach der Verbrennung das beim Einblasen in CO_{2 gebildete CO und liefern zusätzliche Wärme. Pfeile, feuerfeste Kugeln und Schlackendetektoren werden verwendet, um Schlacke zu entfernen.}

Sauerstoff-Konvektor-Methode: Vor- und Nachteile

Erfordert keine Kosten für eine Gasreinigungsanlage, da die Staubbildung, dh die Eisenverdampfung, um das 3-fache reduziert wird. Aufgrund der Abnahme der Eisenausbeute wird eine Erhöhung der Flüssigstahlausbeute um 1,5 - 2,5% beobachtet. Der Vorteil ist, dass die Blasintensität bei diesem Verfahren zunimmt, was sich ergibtdie Fähigkeit, die Leistung des Konverters um 18% zu steigern. Die Qualität des Stahls ist höher, weil die Temperatur in der Spülzone niedriger ist, was zu einer geringeren Stickstoffbildung führt.

Die Mängel dieser Methode des Stahlschmelzens führten zu einem Rückgang der Verbrauchsnachfrage, da der Sauerstoffverbrauch aufgrund des hohen Verbrauchs der Kraftstoffverbrennung um 7% zunimmt. Im recycelten Metall befindet sich ein erhöhter Wasserstoffanteil, weshalb es nach Prozessende einige Zeit dauert, bis eine Sauerstoffspülung durchgeführt wird. Unter allen Methoden hat der Sauerstoffkonverter die höchste Schlackenbildung, der Grund dafür ist die Unfähigkeit, den Oxidationsprozess innerhalb der Ausrüstung zu überwachen.

Open-Hearth-Methode

Der Open-Hearth-Prozess war für den größten Teil des 20. Jahrhunderts der Hauptteil der Verarbeitung aller weltweit hergestellten Stähle. William Siemens suchte in den 1860er Jahren nach einer Möglichkeit, die Temperatur in einem metallurgischen Ofen zu erhöhen, und belebte damit einen alten Vorschlag, die vom Ofen erzeugte Abwärme zu nutzen. Er erhitzte den Ziegel auf eine hohe Temperatur und führte dann auf demselben Weg Luft in den Ofen ein. Die vorgewärmte Luft erhöhte die Temperatur der Flamme erheblich.

Als Brennstoff werden Erdgas oder zerstäubte Schweröle verwendet; Luft und Kraftstoff werden vor der Verbrennung erhitzt. Der Ofen wird mit flüssigem Roheisen und Stahlschrott sowie Eisenerz, Kalkstein, Dolomit und Zuschlägen beschickt.

Der Herd selbst besteht aushochfeuerfeste Materialien wie Magnesit-Herdsteine. Herdöfen wiegen bis zu 600 Tonnen und werden in der Regel in Gruppen installiert, damit die massiven Hilfseinrichtungen, die für die Beschickung der Öfen und die Verarbeitung von flüssigem Stahl benötigt werden, effektiv genutzt werden können.

Obwohl das offene Herdverfahren in den meisten Industrieländern fast vollständig durch das einfache Sauerstoffverfahren und den Elektrolichtbogenofen ersetzt wurde, macht es etwa 1/6 des gesamten weltweit produzierten Stahls aus.

Vor- und Nachteile dieser Methode

Zu den Vorteilen zählen die Benutzerfreundlichkeit und die einfache Herstellung von legiertem Stahl mit verschiedenen Additiven, die dem Material verschiedene spezielle Eigenschaften verleihen. Die notwendigen Zusatzstoffe und Legierungen werden unmittelbar vor Ende der Verhüttung zugesetzt.

Zu den Nachteilen gehört die reduzierte Effizienz gegenüber der Sauerstoffkonverter-Methode. Außerdem ist die Qualität des Stahls im Vergleich zu anderen Metallschmelzverfahren geringer.

Verfahren zur Elektrostahlerzeugung

Die moderne Methode, Stahl aus eigenen Reserven zu schmelzen, ist ein Ofen, der ein geladenes Material mit einem Lichtbogen erhitzt. Die Größe industrieller Lichtbogenöfen reicht von kleinen Einheiten mit einer Kapazität von etwa einer Tonne (die in Gießereien zur Herstellung von Eisenprodukten verwendet werden) bis zu 400-Tonnen-Einheiten, die in der Sekundärmetallurgie verwendet werden.

Lichtbogenöfen,die in Forschungslabors verwendet werden, können eine Kapazität von nur wenigen zehn Gramm haben. Die Temperaturen in industriellen Lichtbogenöfen können bis zu 1800 °C (3, 272 °F) erreichen, während Laborinstallationen 3000 °C (5432 °F) überschreiten können.

Lichtbogenöfen unterscheiden sich von Induktionsöfen dadurch, dass das Beschickungsmaterial direkt einem Lichtbogen ausgesetzt ist und der Strom in den Anschlüssen durch das beschickte Material fließt. Der Elektrolichtbogenofen dient der Stahlerzeugung, besteht aus einer feuerfesten Ausmauerung, meist wassergekühlt, großflächig, mit einfahrbarem Dach abgedeckt.

Der Ofen ist hauptsächlich in drei Bereiche unterteilt:

• Schale bestehend aus Seitenwänden und unterer Stahlschale.
• Der Herd besteht aus einem feuerfesten Material, das die untere Schale herauszieht.
• Das feuerfest ausgekleidete oder wassergekühlte Dach kann als Kugelschnitt oder Kegelstumpf (Kegelschnitt) ausgeführt werden.

Vor- und Nachteile der Methode

Dieses Verfahren nimmt eine führende Stellung im Bereich der Stahlerzeugung ein. Das Stahlschmelzverfahren wird verwendet, um hochwertiges Metall zu erzeugen, das entweder völlig frei von unerwünschten Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor und Sauerstoff ist oder eine geringe Menge davon enthält.

Der Hauptvorteil der Methode ist die Verwendung von Elektrizität zum Erhitzen, sodass Sie die Schmelztemperatur leicht steuern und eine unglaubliche Erwärmungsrate des Metalls erreichen können. Automatisiertes Arbeiten wirdeine angenehme Ergänzung zu der hervorragenden Möglichkeit zur hochwertigen Verarbeitung verschiedenster Metallschrotte.

Nachteile sind hoher Stromverbrauch.