METALNE KONSTRUKCIJE I

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

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

3/33 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

4/33 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

5/33 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

6/33 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

7/33 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

8/33 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

9/33 PROIZVODNJA ČELIKA KOKS za visoke peći: dobiva se u koksarama zagrijavanjem vlažnog usitnjenog ugljena na 850-1000 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

10/33 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

11/33 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

12/33 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

13/33 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

14/33 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

15/33 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

16/33 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 1200-1300 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

17/33 KEMIJSKI SASTAV ČELIKA 98 željezo, Fe ŽELJEZO UGLJIK ALUMINIJ BAKAR KOBALT MANGAN NIKL OLOVO SILICIJ VANADIJ KROM MOLIBDEN 0.4 0.08 0.5 ostali elementi 0.10.050.1 0.4 1.6 2 0.1 aluminij, Al bakar, Cu kobalt, Co mangan, Mn molibden, Mo olovo, Pb silicij, Si vanadij, V volfram, W

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 (0.2-0.5%) 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

19/33 NIKAL: relativno skup pa ga uspješno zamjenjuje molibden KEMIJSKI SASTAV ČELIKA VOLFRAM: jedan od najvažnijih legirajućih elemenata za alatne čelike (0.5-2.4%) takvi su čelici otporni na trošenje enje, imaju povećanu toplotnu čvrstoću VANADIJ: sredstvo za pročišćavanje čelika, upotrebljava se za dezoksidaciju neznatne količine vanadija (0.1-0.4%) 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)

20/33 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

21/33 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.

22/33 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

23/33 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

24/33 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

25/33 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

26/33 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)

27/33 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

28/33 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

29/33 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

30/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA TRANSFORMACIJA ATOMSKIH MREŽICA (ČISTO( Fe) o C prostorno centrirana mrežica 1600 skrućivanje 1536 o C δ - Fe 1400 1392 o C Ar 4 površinski centrirana mrežica 1200 γ - Fe 1000 800 898 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

31/33 METALOGRAFSKA SVOJSTVA ČELIKA UGLJIK - NAJVAŽNIJA KOMPONENTA ČELIKA σ [N/mm 2 ], ε [%] 1000 800 čvrstoća 600 400 40 deformacija 200 20 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 % C Ferit Perlit Cementit

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

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 210 000 N/mm 2 81 000 N/mm 2 0.3 12 10 6 1/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 ] S235 235 360 215 340 S275 275 430 255 410 S355 355 510 335 490