Industria oțelului

Industria siderurgică italiană în 1964, fotografie de Paolo Monti .

Termenul industria siderurgică indică un sector specific al metalurgiei , care se referă la tehnica referitoare la tratarea mineralelor cu un conținut ridicat de fier pentru a obține fier sau diferite tipuri de aliaje care conțin fier, inclusiv oțel , fontă și oțel .

Procesul de transformare a minereului de fier începe imediat după extragerea sa în mină . Fierul este un element chimic deosebit de reactiv, deci în natură se găsește în general sub formă de oxizi ( hematit și magnetit ), hidroxizi ( limonit ), carbonați ( siderit ), silicați și sulfuri .

Mineralele feroase, pe lângă compușii de mai sus, conțin impurități de diferite tipuri, care se numesc sub numele de ganga . O parte din bandă poate fi separată înainte ca minereul de fier să fie trimis la procesul de fabricare a oțelului, fie prin „separare prin diferența de densitate”, fie prin „magnetizare”.

Producția de oțel

Producția de oțel.

Un vechi furnal în Sestao , Spania

Un convertor Bessemer.

Turnarea într-un lingou.

Același subiect în detaliu: Steel and Steel Center .

Oțelul , care este un aliaj de fier și carbon, este produs în două faze cu ciclul integral sau într-o singură fază cu ciclul cuptorului cu arc electric. Plantele cu furnale creează dificultăți de mediu mai mari, din cauza fumului și a emisiilor de gaze dăunătoare, în ciuda eforturilor depuse pentru a construi sisteme sofisticate de colectare.

Ciclul integral

Ciclul integral include fazele:

pretratamente : zdrobire și screening ;
îmbogățire : magnetică sau prin flotație , până la 65%;
aglomerare : pulberi prea fine ar înfunda furnalul , astfel se utilizează sinterizarea (în sfere de 10-25 mm) sau peletizarea (adăugarea de umiditate și fine de cocs );
extracție pirometalurgică : în furnal, prin reducerea mineralului cu cocs, se obține prima fontă de topire;
rafinare termică : fonta este transformată în oțel în convertoarele LD;
prelucrarea plasticului .

Producția de fontă

Același subiect în detaliu: furnal , fontă , gaz pentru furnal și furnal Loppa .

Furnalul este încărcat cu straturi de minereu, calcar și cocs. Încărcarea solidă coboară și reducerea are loc mai întâi indirect, datorită vântului , un gaz reducător pe bază de CO și apoi direct, datorită lui C. Ganga, calcarul și fierul se colectează în creuzet în două straturi. Acest lucru duce la prima fontă mamă (GMPF), care conține C = 5%, Si <3,5%, Mn <2,5%, P <1,5%, S <0,1%.

Cele mai exploatate minerale sunt oxizii ( magnetitul Fe ₃ O ₄ și hematitul Fe ₂ O ₃ ).

Coca-cola metalurgică asigură energia pentru reducerea oxizilor de Fe, C pentru reducerea directă și CO pentru reducerea indirectă.

Calcarul face ca ganga, în general silicioasă, să fie fuzibilă la un T puțin mai mare decât cea a metalului.

De la fontă la oțel

Același subiect în detaliu: Procesul Bessemer , Procesul Martin-Siemens și Procesul LD .

Impuritățile carbonului (de la peste 4% la aproximativ 1%), fosfor , siliciu , mangan și sulf sunt îndepărtate din fontă pentru a obține oțel. Acest proces poate fi realizat cu diverse tehnologii:

Dintre acestea astăzi singurul cu importanță industrială este procesul LD .

Procese alternative: fuziune directă

La sfârșitul secolului al XX-lea și începutul secolului al XXI-lea, au început să fie dezvoltate tehnologii cu un impact mai mic asupra mediului: care nu foloseau cocs și care eliminau faza de sinterizare a mineralului.

Au fost dezvoltate mai multe tehnologii de reducere directă / topire în care minereul este redus fără a se topi cu gaze reducătoare și trimis într-un cuptor de topire a cărbunelui și oxigenului . Gazele reducătoare se dezvoltă în cuptor și sunt utilizate pentru a reduce alte minereuri.

Ciclul resturilor

Același subiect în detaliu: Cuptor cu arc electric .

Ciclul deșeurilor sau ciclul cuptorului electric prevede că:

Resturile de origine din oțel sunt topite într-un cuptor electric împreună cu fierul obținut prin reducere directă (DRI).

Organizația de producție prevede că cuptorul ajunge rapid la topirea deșeurilor, oțelul brut este descărcat prin golirea cuptorului, finalizarea procesului pentru a ajunge la analizele dorite se efectuează într-o a doua fabrică numită „cuptor cu lapte” sau „ cuptor cu ladă ", adică un fel de recipient din oțel căptușit cu un refractar special, în interiorul căruia temperaturile necesare sunt atinse întotdeauna cu utilizarea energiei electrice (transformator și electrozi) și adăugarea feroaliajelor furnizate. Cuptorul electric în topire folosește energia electrică descărcată în interiorul acestuia prin electrozi mari de carbon (diametru de 600-900 mm) și energie chimică datorită insuflării de oxigen, metan, pulbere de var și carbon impalpabil. Acești compuși sunt capabili să mărească temperatura din interiorul cuptorului într-un timp scurt, sporind flexibilitatea sistemului.

Un rol foarte important este dat de căptușeala internă refractară pe bază de magnezit-carbon în diferite analize în funcție de zonă, deci de diferitele tensiuni. Tema refractară este complexă și a avut o dezvoltare semnificativă, în special de la sfârșitul anilor șaptezeci, când cărămizile refractare pe bază de magnezită și grafit amestecate împreună cu un proces de producție inovator au fost testate într-un cuptor electric.

Toate oțelurile speciale și o parte din oțelurile în vrac provin din ciclul de deșeuri. Creația are loc în cuptorul cu arc electric trifazat (FEA) căptușit cu material refractar. Tensiunea electrică determină lovirea unui arc între cei 3 electrozi de grafit și metal, care se topește prin radiație și efectul Joule și atinge aproximativ 1500 ° C.

Ulterior, dacă oțelul este de masă, oxigenul este suflat în același FEA pentru a obține decarburare și defosforare . Acest O provoacă, de asemenea, oxidarea unei părți a Fe, care ajunge în zgură sau rămâne în baie ca FeO; apoi se adaugă Si și Al, mai asemănător pentru oxigen decât Fe, în faza numită calmaggio (evită recuperarea oțelului tras de bulele de CO). Mn și Ca ajută la desulfurare .

Dacă, pe de altă parte, oțelul este special, de exemplu cu un conținut ridicat de crom (în special inox), baia este transferată de la FEA la convertorul AOD ( argon oxigen decarburation): aceste gaze reduc oxidarea cromului. La fel ca LD, uneori AOD trebuie răcit (reacții exoterme). Urmează Calmaggio și desulfurare.

Sistemele echipate cu un cuptor electric (în jargonul internațional EAF) de utilizare foarte largă și răspândite la nivel mondial, au mai puțini angajați și pot fi oprite fără probleme tehnice în orice moment pentru întreținere generală, reducere a producției, sărbători naționale etc.

Turnare

Același subiect în detaliu: turnare cu oală și matriță .

Turnarea lingoului este necesară pentru obiectele de dimensiuni mari, care pot fi obținute prin forjarea lingourilor. Dacă oțelul conține mai mult de 0,10% C, sprue-ul este utilizat pentru a menține vârful lichidului lingoului, unde se formează cavitatea de contracție. Dacă oțelul este extrem de moale (C <0,10%), calmarea nu se efectuează, iar bulele de CO compensează contracția: nu este nevoie de canelură.

În turnarea continuă, baia trece dintr-un bazin refractar la o lingotă, apoi la zonele de răcire și, în cele din urmă, la o forfecare. Se obține țagla (lateral <160 mm), floarea (laterală> 160 mm), placa (pentru foi sau bobine).

Turnarea formei este convenabilă pentru piese complexe sau în loturi mari.

Oțelul este, după topire , turnat (de exemplu într-o matriță de lingou sau turnare continuă) și, prin urmare, poate fi forjat sau laminat .

Tratamente termice

Același subiect în detaliu: Tratamente termice ale oțelurilor .

Diverse tratamente termice și termochimice sunt impuse metalului pentru a-i modifica caracteristicile rezistive sau de lucru. De fapt, multe metale au diferite variante alotrope în funcție de temperatură: printre acestea, fierul trece de la structura CCC a fierului α la structura CFC a fierului γ și apoi, odată ce temperatura este în continuare crescută, prezintă din nou structura CCC cu δ fier.

Structura cristalină a unui oțel poate varia considerabil dacă, odată încălzit peste temperatura de austenitizare , este adus, cu o anumită rată de răcire, la o temperatură mai scăzută. În funcție de metodele de răcire, se pot forma perlit (eutectoidul de ferită lamelar - cementită ), bainita și martensita . Curba Bain descrie transformarea izotermă a austenitei .

Fier - aliaje metalice carbon , adică oțeluri (procentul de C este mai mic de 2,06%) și fontă , sunt foarte importante pentru metalurgie , dar la fel sunt și tratamentele lor termice, cum ar fi recoacerea , normalizarea , întărirea , călirea , care determină modificări substanțiale ale caracteristicile lor mecanice.

În special, întărirea urmărește să obțină, prin răcirea metalului cu o viteză peste o limită critică, o structură cristalină foarte specială cunoscută sub numele de martensită . Întărirea tradițională, care conferă metalului o duritate și rezistență la tracțiune foarte ridicate în detrimentul rezistenței și rezistenței , determină tensiuni puternice între miez și suprafața metalului. În recuperare , întărirea este imediat urmată de temperarea care modifică martensita și reduce tensiunile.

Spre deosebire de recuperare, care este prima etapă de îndepărtare a efectelor de întărire a muncii și are loc pe măsură ce temperatura crește atunci când un metal deformat la rece este încălzit încet, se eliberează tensiuni interne și are loc o rearanjare a luxațiilor în configurații.

Tratamente termochimice

Prin exploatarea difuziei solide, tratamentele termochimice utilizate în mod special sunt cimentarea (care utilizează carbon ) și nitrurarea (care utilizează azot ). Ambele vizează o suprafață dură și un miez dur și funcțional. Pentru ca C să se difuzeze în oțel, este esențial să se afle în intervalul γ: după întărirea carcasei, se folosește o întărire dublă caracteristică (sau alternativ la o întărire directă sau indirectă). Nitrarea este mai scumpă, are loc la temperaturi mai scăzute, dar garantează metalului o duritate a suprafeței mai mare, deși difuzia azotului în interiorul piesei are loc pentru o grosime mai mică decât cea a carbonului. O piesă nitrurată poate fi utilizată așa cum este, deoarece, având în vedere temperatura scăzută, piesa tratată nu a suferit nicio deformare, deci nitrurarea se face de obicei la sfârșitul ciclului de procesare.

Produse semi-finisate

Oxitarea unei plăci

Semifabricatele obținute în timpul operației de turnare se disting prin forma și dimensiunea lor. Printre acestea avem:

plăci (în engleză slab ): piese dreptunghiulare cu dimensiuni de 1,25 × 12 × 0,230 metri; sunt folosite pentru a produce foi metalice;
piese (în engleză billet ): pot avea o secțiune dreptunghiulară, hexagonală sau circulară; plăcile mai mici se mai numesc și lingouri .
flori (în engleză bloom)

Placa și țagla sunt produse semifabricate numite „semi-plate”.

Produse terminate

Laminarea la cald a oțelului .

Același subiect în detaliu: Oțel structural .

Prin prelucrarea ulterioară, aceste produse semifabricate sunt apoi transformate în produse finite (inclusiv grinzi, foi și tuburi).

Producția de fier prin reducere directă

Același subiect în detaliu: Reducere (oțel) și Metalizare (oțel) .

Procesul de producție a fierului cu reducere directă (DR) face posibilă obținerea fierului metalic (DRI) din minereu fără topire.

Există cinci procese de reducere directă a producției de fier, dintre care unul folosește gaze naturale, iar celelalte cărbune. Cel care folosește gaze naturale este de departe cel mai utilizat.

Fierul produs este utilizat în cea mai mare parte ca un metal de bună calitate în producția de oțel cu cuptoare cu arc electric , poate fi produs în pelete sau în brichete (fier brichetat la cald, HBI).

Cerințe normative

Decretul-lege 1 aprilie 1989, nr. 120 - Măsuri de sprijin și reindustrializare în implementarea planului de reabilitare a oțelului.

Bibliografie

Paolo Silvestroni, Fundamentals of chemistry , ediția a IV-a, Roma, Veschi Editore, 1974.
John C. Kotz, Paul Treichel Jr., Chimie , ediția a II-a, Napoli, EdiSES, 2003.
Sacco, Pasquali, Marchetti, Chimie generală și anorganică , ed. I, Milano, Editura Ambrosiana, 1998.
Walter Nicodemi , Siderurgie. Procese și plante , AIM, 1995, ISBN 88-85298-20-6 .
Walter Nicodemi , Carlo Mapelli, Siderurgia , AIM, 2011, ISBN 88-85298-81-8 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikicitată conține citate din sau despre siderurgie
Wikționarul conține dicționarul lema « siderurgia »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre industria siderurgică

linkuri externe

Siderurgia , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
( EN ) Industria siderurgică , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Glosar de fier și oțel , pe lucchinipiombino.it . Adus la 7 iunie 2011 (arhivat din original la 2 ianuarie 2011) .
Note privind producția de oțel , pe nationalvulcan.it . Adus la 7 iunie 2011 (arhivat din original la 2 iunie 2010) .