Gyártási folyamatok Alapanyagok gyártása Fémkohászat Vas- és acélgyártás

Alapanyagok gyártása Fémkohászat Vas, acél, alumínium, réz Műanyagok előállítása és feldolgozása Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok, elasztomerek Kerámiák gyártása Kristályos, amorf, speciális kerámiák Kompozit (társított) anyagok feldolgozása

Fémkohászat Vas- és acél gyártás Alumínium gyártás Réz- és színesfém kohászat

A fémkohászat főbb folyamatai Érc előkészítés (törés, őrlés, szétválasztás) Nyers fém kinyerése A nyers fém finomítása Ötvözés Öntés kokillába

Vas- és acélgyártás Nyersvasgyártás –A nagyolvasztó működése –A nyersvas tulajdonságai Acélgyártás –Konverteres –Ívkemencés, indukciós kemencés Az acélok utókezelése –Vákuumozás –Műveletek öntés közben

Vas- és acélgyártás

Nyersvasgyártás Folyamata: a vasat vasércből koksz segítségével (C) nagyolvasztóban redukálással állítják elő Kiinduló anyag: vasérc –Mágnesvasérc (Fe 3 O 4 ) –Vörösvasérc (Fe 2 O 3 ) –Barnavasérc (2FeO.3H 2 O) vastartalmú ipari melléktermékek pl. vörösiszap, acélgyártási salak stb. Végtermék: nyersvas

A nyersvasgyártás alapanyagai A földkéreg mintegy 5%-nyi vasat tartalmaz – igen változatos vegyületi formációkban és még változatosabb eloszlásban. Ezen vegyületek közül a gyakorlat számára legfontosabb ásványok: hematit, Fe2O3, vastartalma 70%, magnetit, Fe3O4 ill. FeO·Fe2O3, vastartalma 72,41%, hidrohematit, Fe2O3·0,5 H2O, vastartalma 66,27%, goethit, Fe2O3·H2O, vastartalma 62,92%, limonit, Fe2O3·1,5 H2O, vastartalma 59,89%, sziderit, FeCO3, vastartalma 48,28%. Vasérceknek azokat a kőzeteket nevezzük, amelyekben a vas nagyobb százalékban és oxid formában van jelen (vagy könnyen alakítható oxiddá), vassal ötvöződő szennyezőanyagból és meddőből kevés van benne.

A nyersvasgyártás alapanyagai Vasércek fajtái: A vörösvasércek (lilásvörös színükről nevezték el) hematit alapúak. Ezek a legfontosabb vasércek. A legjobbak 64-68% vasat tartalmaznak. A mágnesvasércek vagy szürkevasércek magnetit alapú ércek, vastartalmuk 60% fölött is lehet. Tömörebb szerkezetűek, ezért redukálásuk valamivel nehezebb. A barnavasércek hidroxidos alapásványokat tartalmaznak. Kötött víztartalmukat hevítés hatására elveszítik, ennek következtében százalékos vastartalmuk növekszik. A vasérceket általában nem eredeti formájukban adagolják a nagyolvasztóba, hanem könnyebben redukálhatóvá, kedvező szemnagyságúvá és porozitásúvá alakítják, és még salakképző anyagot is kevernek hozzá. A műveletet agglomerálásnak nevezik, és zsugorító pörköléssel vagy pelletezéssel végzik

A nyersvasgyártás alapanyagai Salakképző anyagok A kohósítás során a vasérc meddőtartalma is megolvad, ebből lesz a salak. A salak kémiai összetétele igen fontos a metallurgus számára, mert ezzel tudja befolyásolni – többek között – a kéntelenítés folyamatát. A kéntelenítés azért fontos, mert a kén szennyező elemnek minősül a vasban, acélban. A salak kémiai összetételének beállítására adagolják a salakképzőket, ami többnyire mészkő és dolomit. Amennyiben olyan zsugorítmányt vagy pelletet használnak, amely már tartalmazza ezeket („önjáró ércek”), akkor általában nem szükséges salakképzők adagolása.kénmészkődolomit

A nyersvasgyártás alapanyagai Tüzelő-redukáló anyagok A nagyolvasztóban használatos tüzelő-redukálóanyag többnyire a koksz (néha más anyagokat is használnak, például szénhidrogéneket a fúvószélhez keverve). A koksz egyrészt hőt fejleszt, biztosítja a kémiai folyamatok hőszükségletét, redukáló hatást fejt ki, illetve redukáló gázt fejleszt, karbonizálja (szénnel ötvözi) a vasat. A koksz C-tartalma több mint 85%, A koksz szerkezete erősen porózus, ami elősegíti a nagyolvasztóban elhelyezkedő elegyoszlop gázátjárhatóságát.

A nyersvasgyártás alapanyagai Levegő A levegőt a nyersvasgyártás hőszükségletének biztosítása céljából fúvatják a nagyolvasztóba. A kohászok szóhasználatában ezt a levegőt fúvószélnek nevezik. A befúvott hideg levegő hőveszteséget okoz, ezért fel szokták melegíteni. A meleg fúvószelet forrószélnek nevezik. A melegítés hőszükségletét a nagyolvasztóból távozó gázok biztosítják, hőcserélők segítségével. A hőcserélők magas, tűzálló téglákból épített rácsos szerkezetű oszlopok (a feltaláló Edward A. Cowper nevéből kauperek), amelyek a levegőt szakaszos üzemben 1100…1300 °C-ra melegítik fel.

Redukciós folyamatok A nagyolvasztóban lejátszódó metallurgiai (kémiai) folyamatok meglehetősen bonyolultak és sokrétűek, még akkor is ha „csak” a vasérc redukciójáról van szó (ezen kívül más jellegű reakciók, folyamatok is lezajlanak). A lejátszódó kémiai reakciók jelentős mértékben függenek az adott térrész hőmérsékletétől, az uralkodó nyomásviszonyoktól és a jelenlévő vegyületektől. A nagyolvasztóban a redukciós folyamatok alapvetően háromféle módon zajlanak le: –direkt módon, azaz közvetlenül szénnel (C), –indirekt módon, azaz szén-monoxid (CO) segítségével, –más redukálószerek, többnyire hidrogén (H2) segítségével.

Nagyolvasztó A nagyolvasztó nyersvasgyártás legtipikusabb kemencetípusa. Aknás kemence, amelynek működtetése azonban több, egyéb feladatot ellátó egységet is igényel. Ilyenek például a léghevítők, a fúvógépház, a torokgáztisztító stb. Ezeket – a nagyolvasztóval együtt – nagyolvasztóműnek nevezik. A nagyolvasztó méreteit hasznos magasságával, medencéjének átmérőjével és hasznos térfogatával lehet bemutatni. A nagyolvasztók fejlődése során egyre nagyobb kemencéket építettek, de a méretnövekedést sokkal inkább az átmérővel érték el, mint a magasság növelésével. A legnagyobb magassági méretek a 30…35 m körüli tartományban vannak, a hasznos térfogat pedig az 5000 m3-t is meghaladja.

Mit adagolnak a nagyolvasztóba? Vasérc+ vastartalmú ipari melléktermék salakképző anyagok (elsősorban mészkő) koksz (feketeszénből) A koksz feladata –elégésével fűt –redukáló gázt fejleszt (CO) –redukál (izzó C)

Mi szükséges még a nagyolvasztó működéséhez? A koksz elégetéséhez levegő –léghevítőkben a torokgáz elégetésével előmelegítik –oxigénnel dúsíthatják hűtővíz a falazat hűtésére (többszörösen biztosított)

A nagyolvasztó működése Adagolás: érc, koksz, salakképző anyag Hőenergia ellátás: koksz, befújt levegő ( C o ) Folyamat: a vasoxid redukciója –Indirekt: CO  CO 2 Fe 2 O 3 + 3CO  2 FeO + 3 CO 2 FeO + CO  Fe + CO 2 –Direkt: C  CO FeO + C  Fe + CO Termék: nyersvas, kohósalak, torokgáz

A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok

csapolás

A nyersvasgyártás termékei Folyékony nyersvas folyékonysalak torokgáz C%Mn%Si%S%P% Önté- szeti 3,5-4,0<1,01,5-3,0<0,060,3-2,0 Acél- nyers- vas 3,5-4,50,4-1,0<1<0,040,1-0,3

A nyersvasgyártás termékei 2 folyékony salak –elsősorban az építőipar használja fel torokgáz –alacsony fűtőértékű gáz, elsősorban a levegő előmelegítésére

Acélgyártás Folyamata: a nyersvas karbon tartalmának és a káros szennyezők koncentrációjának csökkentése oxidációval Kiinduló anyag: Acél nyersvas Végtermék: Acél Előnyök: –Szilárdság és szívósság növekedés –Alakíthatóság javulás

Eljárás változatai Siemens-Martin (ma már nem használják) Konverteres (Bessemer, LD) Elektro-acélgyártás (ívfényes, indukciós)

Konverteres acélgyártás (LD) Elrendezés: körte alakú billenthető konverter Betét: acélhulladék, folyékony nyersvas, adalékanyagok Égés táplálása: oxigén befúvással Hőforrás: a karbon és szennyezők kiégésének hője Végtermék: 0,25-0,3% C-tartalmú acél

Konverteres acélgyártás

Az LD eljárás folyamatai Adagolás, az alapanyagok bejuttatása Frissítés oxigén gázzal, C és szennyezők kiégetése Utókezelés: dezoxidálás, csillapítás Ötvözés igény szerint Csapolás Öntés

Adagolás Alapanyag: folyékony nyersvas Ócskavas salakképzők

Frissítés vagy oxidáció Célja: a nyersvas C tartalmának és szennyezőinek csökkentése oxidációval LD konverter 99 % tiszta O 2 a fúvatási idő perc a S és P tartalom csökkentésére mészpor

Dezoxidálás vagy csillapítás Mn, Si, Al adagolás az acélgyártás végső fázisában Hatására a vasoxidból szilicium-dioxid vagy aluminium-oxid keletkezik, amely a salakba távozik Öntéskor az acélban nem keletkeznek gázhólyagok – ez a csillapított acél

Csapolás A folyékony acélt tűzálló falazattal ellátott üstbe csapolják

Konverteres acélgyártás

Elektro-acélgyártás Ívfényes kemencében –Fémolvadék és/vagy szilárd betét –Hőt az elektródák és olvadék közötti ív fejleszt –Jól szabályozható, tiszta acélokat lehet gyártani

Indukciós acélgyártó kemence Indukciós kemencében Szilárd betét Hőforrás az indukált áram Joule-hője (transzformátor hatás) Az acél ötvözése, átolvasztása a fő cél

Az acélok utókezelése Üstmetallurgia: dezoxidálás, átöblítés, ötvözés stb. Sugárvákumozás: folyékony acélsugár öntése vákumban, erős gáztalanodás Vákumívfényes átolvasztás: katód az acélrúd, anód a réz kád, ív hatására az acél megolvad, a vákumban gáztalanodik Elektrosalakos átolvasztás: az elektrolizáláskor a megolvadt salakon átfolyó acél gáz- és szennyező tartalma lecsökken

Acélok utókezelése (üstmetallurgia)

Az acél vákumozása

Átolvasztás Vákuum ívfényes Elekrosalakos

Vas- és acélgyártás folyamata (összefoglalás)

Gyártási folyamatok Alapanyagok gyártása Fémkohászat Alumínium és könnyűfém kohászat

Az alumínium gyártás folyamatai Érc: bauxit Ebből hidrometallurgiai és pirometallurgiai eljárással timföldet (Al 2 O 3 ) állítanak elő A timföld elektrolízisével (elektrometallurgiai eljárással) választják le az alumíniumot

A bauxit feldolgozás folyamatai (1) Bauxit előkészítés: őrlés, vizes mosás (tisztítás), szárítás Bauxit feldolgozás: –Nátronlúgos kezelés C o -on, ekkor nátriumaluminát keletkezik - NaAl(OH) 4 –Vörösiszap leválasztás –Hűlés után kristályos alumíniumhidroxid – Al(OH) 3 keletkezik – Ezt C o -on izzítva kapják a timföldet – Al 2 O 3

A bauxit feldolgozás folyamatai (2)

Alumínium kohászat (1) Cél: timföldből színalumínium előállítása Folyamat: elektrolízis –katód: grafit bélésű kád, –anód: grafit rúd, –elektrolit: maga a betét Betét: kriolit (Na 3 AlF 6 ) + 6…8% Al 2 O 3

Alumínium kohászat (2) Technológiai paraméterek: –Hőmérséklet: C o –Egyenáram: U=4…5 V; I= 50…250 kA Kiválások: –Katódbélésen az alumínium olvadék –Grafit anódon az oxigén (erős fogyás) Csapolás időszakosan (98,5…99,5% Al)

Alumínium kohászat (3)

Alumínium kohászat (4) Anyagmérleg: –4 t bauxit –2 t timföld –1 t alumínium Energia igény: – kWh/ 1 t kohóalumínium – kWh/ 1 t finomított alumínium

Alumínium termékek Öntvények Rudak, csövek Lemez, szalag, fólia Alakos munkadarabok (kovácsolás, folyatás, lemezalakítások) Előnyök: jó hő- és elektromos vezető, korrózióálló, könnyű

Az olvadt fém (acél) primér leöntése Cél: a megolvadt acél szilárdítása további feldolgozásra alkalmas formában Formái: –Tuskó öntés (kokilla öntés) –Folyamatos öntés

Az acél kokillaöntése (1) Felső öntés: Előny: Egyszerű, termelékeny Hátrány: A felfröccsenő fémcseppek felületi hibát okoznak

Az acél kokillaöntése (1) Alsó öntés: Előny: Egyenletes, jó kitöltés Hátrány: lassú, eközben a fém oxidálódik

Az acél kokillaöntése (2) Felső öntés:Alsó öntés:

Folyamatos öntés

Folyamatosan öntött termék dermedése

Kokilla- és folyamatos öntés összehasonlítása Kokilla öntés Jelentős alakítási energiát igényel a további feldolgozás Nagy az anyagveszteség a felöntés és a kéreg eltávolítása miatt Nagy méretű tömbök, táblák alakíthatók ki Folyamatos öntés Rudak, széles szalagok alakját jobban meg- közelíti (kb. 100x100) Emiatt az anyagveszteség kicsi, a rúd azonnal tovább hengerelhető Ahol a méretek engedik, csak ott alkalmazható

Öntés további olvasztással (öntéssel) való feldolgozáshoz A folyékony fémet megfelelő alakú és méretű fém formába öntik. A formák végtelenített láncon helyezkednek el

Öntvény gyártás Alapfogalmak Az öntés során az olvadt fémet egy célszerűen kialakított üregbe, a formába öntik A megdermedt öntvény alakját, méretét a forma határozza meg Fogalmak: –Forma: az alkatrész alakjának megfelelő üreg – az alkatrész negatívja –Minta: az alkatrész méretét közelítő alak –Mag: az öntvény üregeinek kialakítására

Az öntészeti eljárások felosztása (1) Öntés elvesző formába Maradó minta Homokformába öntés Héjformázás Keramikus formázás Elvesző minta Kiolvadó minta (preciziós öntés) Elpárolgó minta Öntés tartós formába

Az öntészeti eljárások felosztása (2) Öntés elvesző formába Öntés tartós formába –Gravitációs kokillaöntés –Kiszorításos öntés –Kisnyomású kokillaöntés –Nyomásos öntés Melegkamrás Hidegkamrás –Centrifugál öntés

Homokformába öntés (1) alapfogalmak folytatása A minta és a mag elhelyezése a formaszekrényben

Csapolás, kezelés, öntés

Formakészítés

Öntés

Ősi és modern öntöde

Példák:

Héjformázás (2)

Héjformázás (3) Példa

Precíziós öntés folyamata

Precíziós öntés: történelmi előzmények 4000 éve alkalmazott eljárás, az ipari módszerek mellett a szobrászok ma is használják

Precíziós öntés: modern alkalmazások

Gravitációs kokillaöntés A fém kokillát több részből, osztottan készítik Tápfejet az elvesző formába öntéshez hasonlóan alakítják ki A kokilla falában 0,2…0,3 mm-es furatok vannak a levegő eltávozására

Fém kokilla, homok magok

Gravitációs kokillaöntés

Nyomásos öntéssel készült alkatrészek (2)

Nyomásos öntéssel készült alkatrészek (1)

Centrifugál öntés A kokilla forog, a folyékony fémet a centrifugális erő szorítja a falhoz Függőleges és vízszintes tengelyű változata ismert Elsősorban csövek öntésére használják, de tárcsákat is lehet önteni így

Az acéltermékek további feldolgozása