METALNE KONSTRUKCIJE I

Transcript

1 METALNE KONSTRUKCIJE I PROIZVODNJA, SASTAV, VRSTE I METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA mr.sc sc.. Jurko Zovkić

2 2/33 PROIZVODNJA ČELIKA POVIJESNI PREGLED POSTUPAKA PROIZVODNJE ČELIKA: začeci metalurgije na Bliskom istoku potom širenje na Afriku, Aziju i Europu prvo se dobivalo zlato, srebro, bakar, cink, olovo a potom željezo topljenje željezne rude u šahtnim pećima ima pomoću drvenog ugljena u XV stoljeću razvijena VISOKA PEĆ: dobivanje tekućeg sirovog željeza (visok postotak C, nemoguće kovanje) parni stroj i kameni ugalj omogućili dalji razvoj postupka prva visoka peć na koks 1735.g., Engleska (A. Darby) parni stroj za propirivanje zagrijanim zrakom i otpadnim plinovima Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

3 3/33 PROIZVODNJA ČELIKA Rimska šahtna peć Visoka peć na koks s potkonstrukcijom Visoka peć na koks Visoka peć na drveni ugalj Različiti iti postupci dobivanja željeza

4 4/33 PROIZVODNJA ČELIKA H. Cort,, 1784.g. : PUDEL PEĆI oslobađanje od Si, Mn i C dovođenjem zagrijanog zraka uz stalno miješanje H. Bessemer,, 1855.g. : KONVERTERs bazičnom oblogom - proizvodnja topljenog ČELIKA G. Thomas, 1878.g. : PERFORIRANO DNO KONVERTERA - propuhavanje zraka kroz talinu 50x ubrzanje proizvodnje Siemens-Martinov postupak 1864.g.: PEĆ S VATROSTALNOM OBLOGOM Poprečni presjek pudel - peći Bessemerov konverter Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

5 5/33 PROIZVODNJA ČELIKA NOVIJE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJE: LINZ-DONAWITZ POSTUPAK propuhavanje tehnički čistog kisika ELEKTRO-PE PEĆI najčistiji i najkvalitetniji čelik iz aspekta legiranja Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

6 6/33 PROIZVODNJA ČELIKA OSNOVNE FAZE PROIZVODNJE ČELIKA I ČELIČNIH PROIZVODA A/ VISOKE PEĆI B/ ČELIČANE C/ VALJAONICE 2 ČELIČANE 1 VISOKE PEĆI KONVERTER 3 SINTERIRANJE KOKSIRANJE VISOKA PEĆ INGOTI VALJAONICA PEĆ

7 7/33 TIJEK PROCESA PROIZVODNJE ČELIKA Željezna ruda PROIZVODNJA ČELIKA Višak kisika Višak ugljika do 5.0 % Visoka peć Pro či š ć avanje Sirovo željezo Sirovi čelik Dezoksidacija Čelik

8 8/33 I FAZA: VISOKE PEĆI PROIZVODNJA ČELIKA ŽELJEZNA RUDA U PRIRODI KAO: oksidi (magnetit FeMg 3 O 4, hematit Fe 2 O 3 ) karbonati (siderit FeCO 3 ) sulfidi (pirit FeS 2 ) PRIJE TOPLJENJA: usitnjavanje, mljevenje, pranje i prženje rude (uklanjanje H 2 O i CO 2 ) SUŠENJE: u vidu kuglica 10-15mm promjera ili sinteriranje (u komade) OBOGAĆIVANJE: radi lakšeg prevođenja nečistoća (jalovine) u lakše topljivu šljaku: - za kiselu jalovinu (npr. kvarc) dodaje se kreč ili dolomit - za lužnatu jalovinu (npr.kreč) dodaje se glina, granit Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

9 9/33 PROIZVODNJA ČELIKA KOKS za visoke peći: dobiva se u koksarama zagrijavanjem vlažnog usitnjenog ugljena na o C (nusproizvodi: katran, benzol, plinovi) U VISOKIM PEĆIMA: sirovo željezo dovođenjem toplinske energije dobivene sagorijevanjem koksa rad visokih peći kontinuiran ne gase se 5 do 10 godina sirovo se željezo iz peći izljeva svaka 2-4 sata sirovo željezo sadrži silicij, fosfor, sumpor, mangan i ugljik (do 5%) krto, ne može se obrađivati (osim livenjem) specifična težina 7870 kgm 3, točka topljenja na 1528 o C Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

10 10/33 PROIZVODNJA ČELIKA SHEMATSKI PRIKAZ RADA VISOKE PEĆI ruda, koks i dodaci odvod plinova pročišćavanje i zagrijavanje otpadnih plinova visoka peć 400 o C dovod plinova 1600 o C sirovo željezo šljaka

11 11/33 PROIZVODNJA ČELIKA II FAZA: ČELIČANE PROČIŠĆAVANJE I DEZOKSIDACIJA OPLEMENJIVANJE SIROVOG ŽELJEZA oslobađanje od suvišnog ugljika,podešavanje kemijskog sastava, legiranje THOMASOV POSTUPAK Punjenje Pročišćavanje Pražnjenje Obloga Sirovo željezo Dovod zraka pod pritiskom Sirovi čelik max. kapacitet konvertera oko 90 t toplina se oslobađa oksidacijom ugljika i formiranjem šljake (od Si i P) dodavanje vapna radi vezanja s fosforom i sumporom visok sadržaj aj dušika - čelik krt i podložan starenju

12 12/33 SIEMENS-MARTINOV MARTINOV POSTUPAK: Topli plin Topli zrak Sagorjevanje PROIZVODNJA ČELIKA Vrući otpadni plinovi Regeneratori Hladni plin Hladni zrak Ohlađeni plin peć s vatrostalnom oblogom sirovo željezo ili mješavina s starim čelikom uz dodatak vapnenca otpadni plinovi se koriste za zagrijavanje čelik visoke kvalitete ali potrošnja goriva i vrijeme odlijevanja visoki postupak potisnut LD postupkom Dimnjak

13 13/33 LINZ-DONAWITZ (LD) POSTUPAK PROIZVODNJA ČELIKA obloženi konverter max. kapaciteta 420 t dovod čistog kisika pod visokim pritiskom u smjesu sirovog željeza i starog čelika niska koncentracija dušika velika prednost postupka vrijeme izlijevanja relativno kratko veće količine kvalitetnog čelika

14 14/33 ELEKTRO-POSTUPAK: PROIZVODNJA ČELIKA Ugljene elektrode električni luk svjetlosni luk topi šaržu na oko 3500 o C tri grafitne elektrode i vatrostalna obloga kapacitet peći 200 t, t a vrijeme odlijevanja cca. 1.5 h kvalitetni i visokolegirani čelici

15 15/33 DEZOKSIDACIJA: PROIZVODNJA ČELIKA tijekom postupka ugljik nepotpuno sagorjeva u rastopljenoj masi: plinski mjehurići : CO čelik šupljikave strukture uz segregaciju C : neumiren čelik DEZOKSIDACIJA : dodavanje čeliku elemenata afinih kisiku sprječava se nastajanje mjehurića - čelik je ravnomjernog sastava O + Si, Mn, Al, Ti STUPANJ DEZOKSIDACIJE umireni čelik : SiO 2 posebno umireni čelik : Al 2 O 3 tekući čelik se izlijeva u lonac a potom u: kalupe (kokile) različitog oblika (ingoti, slabovi,, gredice, šipke) postrojenje za kontinuirano lijevanje

16 16/33 III FAZA: VALJAONICE OBLIKOVANJE PROIZVODA PRERADA ČELIKA DEFORMACIJOM valjanje, kovanje, prešanje i izvlačenje valjanjem 90% ukupne proizvodnje čelika ( u hladnom i vrućem stanju) za VRUĆE E VALJANJE ponovno zagrijavanje čelika na o C propuštanje kroz seriju valjaka koji se okreću u različitim smjerovima primarno (valjanje ingota) i završno valjanje (za dobivanje profiliranih nosača, limova, šupljih profila i sl.) HLADNO VALJANJE na sobnoj temperaturi bez zagrijavanja prese i serije valjaka KOVANJE plastično oblikovanje čelika udarom u vrućem stanju IZVLAČENJE proizvodnja okruglih punih profila manjeg promjera (žice) PROIZVODNJA ČELIKA

17 17/33 KEMIJSKI SASTAV ČELIKA 98 željezo, Fe ŽELJEZO UGLJIK ALUMINIJ BAKAR KOBALT MANGAN NIKL OLOVO SILICIJ VANADIJ KROM MOLIBDEN ostali elementi aluminij, Al bakar, Cu kobalt, Co mangan, Mn molibden, Mo olovo, Pb silicij, Si vanadij, V volfram, W

18 18/33 KEMIJSKI SASTAV ČELIKA UTJECAJ LEGIRAJUĆIH IH ELEMENATA NA ČELIK legiraju girajući elementi radi poboljšavanja svojstava čelika: MEHANIČKA SVOJSTVA veća čvrstoća i žilavost, veća otpornost prema trošenju, bolja toplinska obradljivost SPOSOBNOST REZANJA podnose veću temperaturu pri obradi OTPORNOST PREMA KOROZIJI i podnošenju visokih temperatura UGLJIK: najvažniji legirajući element za najveći broj čelika MANGAN: u manjem postotku ( %) u svim čelicima dobro sredstvo za čišćenje šljake - kao feromangan za dezoksidaciju u pećima za proizvodnju čelika. SILICIJ: kao ferosilicij se dodaje u metarulške peći za dezoksidaciju čelika KROM: pospješuje prokaljivost i povećava dubinu tvrdoće poboljšava otpornost na trošenje uz smanjenje žilavost uz krom se dodaje i nikal, te su krom-nikalni čelici tvrdi i žilavi

19 19/33 NIKAL: relativno skup pa ga uspješno zamjenjuje molibden KEMIJSKI SASTAV ČELIKA VOLFRAM: jedan od najvažnijih legirajućih elemenata za alatne čelike ( %) takvi su čelici otporni na trošenje enje, imaju povećanu toplotnu čvrstoću VANADIJ: sredstvo za pročišćavanje čelika, upotrebljava se za dezoksidaciju neznatne količine vanadija ( %) poboljšavaju čvrstoću čelika tvrdoću, otpornost na trošenje i toplinu. MOLIBDEN: objedinjuje svojstva kroma i volframa povećava prokaljivost čelika i povećava otpornost prema trošenju. KOBALT: dodaje se nekim čelicima radi poboljšanja sposobnosti rezanja metala, žilavosti i povišenja radne temeperature. TITAN: dodaje se čelicima od koji se traži veća a otpornost na kiseline ALUMINIJ: dezoksidant kod proizvodnje umirenog čelika veže slobodni dušik i stvara Al-nitrite (sitnozrnata struktura, poboljšanu žilavost, otpornost na starenje i dobra zavarljivost)

20 20/33 Nečistoće i uključci u čeliku zauzimaju oko 1% volumena čelične mase SUMPOR: sklon segregaciji, smanjuje sposobnost zavarivanja i žilavost vrlo ga je teško ukloniti, njegov se sadržaj kontrolira pažljivim izborom sirovog materijala i dodatnim postupcima suvremene proizvodnje FOSFOR: sklon segregaciji u pojedinim dijelovima čeličnih profila osjetno snižava žilavost, ali povećava postojanost na koroziju KISIK: oksidi i silikati koji nastaju tijekom dezoksidacije mogu stvoriti vlaknastu strukturu u čeliku, sličnu strukturi drveta, koja je za čelik štetna zbog mogućnosti terasastog loma DUŠIK IK: može biti nevezan ili vezan u čeliku nevezan štetan - povećava mogućnost pojave krtog loma i sklonost starenju, vezan u obliku aluminijskog nitrata kada djeluje povoljno VODIK: snižava žilavost i dovodi do krtosti materijala ima nepovoljan utjecaj na sposobnost zavarivanja KEMIJSKI SASTAV ČELIKA ELEMENTI KOJI DJELUJU ŠTETNO NA SVOJSTVA ČELIKA

21 21/33 danas uglavnom tzv. TOPLJENI ČELICI postupci proizvodnje Thomasov, Bessemerov, Siemens-Martinov, Linz-Donawitzov, elektro-postupak OSNOVNA PODJELA (ZA TEHNIČKE SVRHE): GRAĐEVINSKI ČELICI mala koncentracija ugljika, za izradu metalnih konstrukcija, mostova, vozila, postrojenja ; ubrajaju se i čelici za poboljšavanje i čelici za cementiranje SPECIJALNI ČELICI nehrđajući čelici, vatrostalni čelici, čelici za ventile, čelici za opruge, trajno magnetični čelici, nemagnetični čelici, čelici za mlaznice i dr. ALATNI ČELICI OSNOVNE VRSTE ČELIKA najčešći su legirajući elementi volfram, molibden, krom, vanadij, kobalt, nikal i titan - za izradu alata za obradu drva, nareznica, svrdla, strojnog alata i sl.

22 22/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA TEHNIČKO ŽELJEZO za tehničke svrhe čelik, sivi lijev, temper lijev i sirovo željezo ČELIK tehničko željezo s do 1.7% ugljika, (danas i modificirani čelik s 2.06% C) čelik bez drugih elemenata ili s neznatnim postotkom bez utjecaja na kvalitetu - ugljični čelici

23 23/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA METALOGRAFIJA znanost o metalima uopće u užem smislu to je znanost o građi metala i njihovih legura GRAĐA METALA čestica kristala metala sastoji od pozitivnih iona metala i negativnog elektronskog plina djeluje kao niz slobodnih elektrona

24 24/33 KRISTALNA STRUKTURA MATERIJALA METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA nastaje zauzimanjem položaja atoma jedan prema drugome oblik, veličina ina i raspored metalne strukture - glavni faktori koji utječu na svojstva metala KRISTALNE MREŽICE ILI REŠETKE grafički prikaz rasporeda atoma u kristalitima (atomi se spoje linijama) prostornim nizanjem kristalnih mrežica nastaje kristalit mrežica čelika je tzv. kubna kristalna mrežica udaljenost između atoma u kristalnoj mrežici mjeri se angstrem-ima, što je spektroskopska jedinica dužine od 10-8 cm udaljenost atoma u kubnoj mrežici iznosi prosječno 3-5 angstrema PROMJENE kristalne mrežice u raznim uvjetima TOPLINSKE ENERGIJE (alotropska modifikacija) čelik se pojavljuje u tri modifikacije i to kao alfa, gama i delta željezo s odgovarajućom mrežicom

25 25/33 ČELIK: KUBNE ATOMSKE MREŽICE PROSTORNO CENTRIRANA METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA POVRŠINSKI CENTRIRANA atomi na površinama kocke pripadaju i susjednim mrežicama 8 atoma u kutevima x 1/8 = 1 atom 1 atom u centru x 1 = 1 atom ukupno: 2 atoma 8 atoma u kutevima x 1/8 = 1 atom 6 atoma na površini x 1/2 = 3 atoma ukupno: 4 atoma

26 26/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA NASTAJANJE KRISTALA kristali se šire u tri međusobno okomita pravca - oblik stabla: DENDRITI FAZE KRISTALIZACIJE: pojavljuju se zameci dendrita (centri kristalizacije) a) stvara se dendritična na struktura b) oblikovanje kristalita i zrna metalne strukture c) a) b) c)

27 27/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA METALI KRISTALNA TIJELA AMORFNA TIJELA -atomi i molekule razbacani bez ikakva reda u materijalu (to je npr. guma, staklo, smola i sl.) KRISTALNA TIJELA - atomi i molekule pravilno raspoređeni materijal je boljeg kvaliteta ako ima finija zrna i ravnomjerniju strukturu VELIČINA INA KRISTALA koji nastaju za vrijeme skrućivanja ivanja: ovisna o broju jezgri u kojima započinje kristalizacija velik broj jezgri - veći broj manjih kristala - sitnozrnat materijal lagano hlađenje - nastao malen broj jezgri - kristali oko njih veći BRZINA HLAĐENJA metalne taline je odlučuju ujući faktor za veličinu inu zrna: SPORO HLAĐENJE DAJE KRUPNO ZRNO,, A BRZO HLAĐENJE SITNO

28 28/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA STVARNI OBLIK ZRNA U METALNIM GREDICAMA postoje odstupanja od idealiziranih modela stvarni kristali sadrže nepravilnosti, kristali imaju razne orjentacije uključci troske i šupljine se mogu vidjeti i prostim okom

29 29/33 RAVNINE KLIZANJA METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA uslijed djelovanja sila (plastična obrada, deformacija) kližu se pojedine lamele atoma međusobno u ravninama klizanja najlakše klizanje tamo gdje u kristalnoj mrežici ima najviše e atoma najlakša a plastična obrada metala s površinski centriranim mrežicama (čelik u zagrijanom stanju -više atoma u odnosu na pr. centriranu mrežicu) ELASTIČNA DEFORMACIJA: svaki kristal doživljava deformaciju po prestanku opterećenja predmet se vraća u prvobitni oblik elastična deformacija prije plastične Najviše e atoma Za opterećenje enje veće od granice elastičnosti nosti, atomski se razmaci više ne povećavaju - cijela se atomska skupina pomiče po ravnini klizanja

30 30/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA TRANSFORMACIJA ATOMSKIH MREŽICA (ČISTO( Fe) o C prostorno centrirana mrežica 1600 skrućivanje 1536 o C δ - Fe o C Ar 4 površinski centrirana mrežica 1200 γ - Fe o C nemagnetično α -Fe 768 o C Ar 3 Ar 2 α - Fe prostorno centrirana mrežica 600 magnetično α -Fe Vrijeme Proizvodnja, sastav, vrste i metalografska svojstva ččelika

31 31/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA UGLJIK - NAJVAŽNIJA KOMPONENTA ČELIKA σ [N/mm 2 ], ε [%] čvrstoća deformacija % C Ferit Perlit Cementit

32 32/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA UGLJIK - NAJVAŽNIJA KOMPONENTA ČELIKA SPECIFIČNI VOLUMEN ČELIKA U OVISNOSTI O % C 1.1.%

33 33/33 GRAĐEVINSKI ČELICI Naziv Oznaka Vrijednost MODUL ELASTIČNOSTI MODUL POSMIKA POISSONOV BROJ Koeficijent linearnog toplinskog istezanja GUSTOĆA (zapreminska masa) E G n α γ N/mm N/mm /K 7850 kg/m 3 Nominalna kvaliteta t 40 mm Debljina elementa t * [mm] 40 mm < t 100 mm f y [N/mm 2 ] f u [N/mm 2 ] f y [N/mm 2 ] f u [N/mm 2 ] S S S