Metallurgia-kõrgahju tehnoloogia (6)

Metallurgia - kõrgeahju tehnoloogia
Margus Rebane
AT- 207
Tartu Kutsehariduskeskus
Tartu 2009
Sissejuhatav loeng
Konstruktsioonimaterjalid on materjalid, millest valmistatakse ehitiste ja seadmete koormust vastuvõtvaid osi. Vanimateks Inimkonna kasutuses olevateks konstruktsioonimaterjalideks olid kivid ja puit. Kivisid kasutati küttekollete ehitamiseks, puitu aga eluasemete ehitamiseks. Savi hakati kasutama kivide sidumiseks.
Edasi võeti kasutusele metallid vask ja tina, millede kokku sulatamisel saadi komponentidest tugevam sulam pronks. Seda kasutati mitmesuguste töö- ja sõjariistade valmistamiseks. Oskusega saada kõrgemaid temperatuure , kaasnes raua kasutusele võtmine ― umbes 3000 aastat tagasi. Rauda esineb looduses ainult mitmesuguste maakidena: magnetiit , punane rauamaak , pruun rauamaak, raudpagu. Eestis esineb neid soo- ja järvemaakidena.
Võrusoo maagi näidist näeb loengul. Teadaolevalt on Eestis rauda sulatatud Harju maakonnas Jüril. Kuid rauamaaki esineb palju ka Alutagusel. Raud koos paljude lisanditega, sisuliselt malm , oli esialgu habras ja neist valmistatud riistad võisid kergesti murduda. Seega käsitlevadki sellised õppeained nagu konstruktsioonimaterjalid, metallide tehnoloogia kui ka konstruktsiooni- ja elektrimaterjalid küllalt põhjalikult ka metallide ja nende sulamite mitmesuguseid omadusi, nende saamist ja edasist töötlemist.
Pärast seda, kui inimene õppis metallide valamisele ka neid sepistama, saadi juba tugevamat raua sulamit ― terast. Siinkohal mõningaid mõisteid, mida kindlasti peab teadma.
Malm ― raua sulam süsinikuga, milles C = 2,14 …6,7%.
Teras ― raua sulam süsinikuga, milles C = 0,08 …2,13%.
Pronks ― vase sulam tina ja teiste elementidega peale tsingi. Tänapäeval tuntaksegi kahte suurt rühma pronkse: tinapronksid ja tinavabad pronksid.
Valgevask ehk messing ehk latunn (vn.k. латунь) ― vase sulam tsingiga.
Legeerima ― teiste elementidega rikastama saamaks sulamile soovitavaid omadusi. Nii näiteks legeeritakse teraseid väga mitmesuguste elementidega: nikliga, vanaadiumiga jt.; hõbedat legeeritakse peamiselt tinaga, kulda vasega.
Roostevaba terase saamiseks legeeritakse terast nikli ja/või kroomi ja/või titaaniga summaarselt vähemalt 10%.
Metallide töötlemisviisid
1. Survetöötlemine 2. Valamine
3. Lõiketöötlemine 4. Abrasiivtöötlemine
5. Keevitamine 6. Termiline töötlemine
7. Sädetöötlemine 8. Pinnakatted
1. Survetöötlemine 2. Valamine
1.1. (Vaba-)sepistamine 2.1. Muldvormidesse
1.2. Stantsimine 2.2. Kokillidesse
1.3. Valtsimine 2.3. Survevalu
1.4. Pressimine 2.4. Tsentrifugaalvalu
1.5. Tõmbamine 2.5. Pidevvalu
2.6. Väljasulatatavate
mudelitega
3. Lõiketöötlemine 4. Abrasiivtöötlemine
3.1. Treimine 4.1. Käiamine
3.2. Freesimine 4.2. Lihvimine
3.3. Puurimine 4.3.1. Tasalihvimine
3.4. Saagimine 4.3.2. Ümarlihvimine
3.5. Viilimine 4.3.2.1.Tsentritega
4.3.2.2.Tsentriteta
4.4. Soveldamine
4.5. Hoonimine
5. Keevitamine 6. Termiline töötlemine
5.1. Gaaskeevitus 6.1. Karastamine
5.1.1. Propaankeevitus 6.2. Noolutamine
5.1.2. Atsetüleenkeevitus 6.3. Lõõmutamine
5.2. El.kaar- keevitus 6.4. Normaliseerimine
5.2.1. MMA- e. elektroodkeevitus 6.5. Vanandamine
5.2.2. Kaitsegaasiga keev. 6.6. Tsementeerimine
5.2.2.1. MAG- e. CO2 - keevitus
5.2.2.2. TIG- e. propaankeevitus
5.3. Kontaktkeevitus 8. Pinnakatted
5.3.1. Punktkeevitus 8.1. Värvkatted
5.3.2. Joonkeevitus 8.1.1. Õlivärvid
5.3.3. Põkk-keevitus 8.1.2. Pentaftaalvärvid
8.1.3. Kahekomponentsed
8.2. Galvaanilised katted
7. Sädetöötlemine 8.2.1. Tsinkkatted
7.1. Mahtsädetöötlemine 8.2.2. Vaskkate
7.2. Traatsädetöötlemine 8.2.3. Kroomkate
8.2.3. Nikkelkate

Malmi tootmine

Kõrgahju täide tuleb enne sulatamist ette valmistada.
Koks ja räbustid purustatakse enne kasutamist, rauamaaki aga rikastatakse.
Rikastamist tehakse põhiliselt kahel meetodil: veejoaga ja elektromagnetiga. Elektromagneti abil saab rikastada magnetiiti ( Fe3O4 ). Maak , mis on paigutatud konveierlindile, liigub üle elektromagnetiga varustatud otsatrumli. Seega mittemagnetilised aheraineosakesed kukuvad konveierilindilt enne ära ja magnetilised raua­­maagiosakesed püsivad kauem konveierilindil ning kukuvad ära alles pärast elektromagneti mõju lõppu.
Veejoaga uhutakse aga maagist liiva ja savi osakesed. Pärast seda on vaja maaki kuivatada.
Maagi peenike fraktsioon (alla 6 mm) ja tolm briketeeritakse enne kõrgahjus kasutamist.
Õhk, mis suunatakse kõrgahju, kuumutatakse eelnevalt ca 800ºC.
Kõrgahjus on kõige kõrgem temperatuur puhurite lähedal (kuni 2000ºC) Seal põleb koks põlemisõhu hapniku toimel
mille juures eraldub rohkesti soojust. Süsinikdioksiid puutub kokku hõõguva koksiga ja redutseerib koksi süsinikoksiidiks (vingugaasiks):
Mida kõrgemale õhk ja gaasid tõusevad, seda jahedamaks nad muutuvad. 100...500°C juures toimub pruunist rauamaagist nFe2O3·mH2O hüdraatvee eraldumine. Sellel temperatuuril toimub ka koksist lenduvate süsivesinike (metaani jt.) eraldumine.
Lubjakivi laguneb 900...1000°C juures
sideriit 400...550°C juures
Maagi redutseerimine toimub šahtis süsinikoksiidiga:
Viimane reaktsioon on kõige tähtsam. Selle reaktsiooni järgi tekib 50...60%
rauda. Selle juures eraldub soojust. Ülejäänud 40...50% rauda tekib reaktsiooni
järgi.
Sel juhul raudoksiid reageerib koksi ja tahma kujul esineva süsinikuga.
Viimase reaktsiooni puhul neeldub hulga soojust.
Kõrgahjus tekkiv raud on esialgu tahkes olekus ,sest raua sulamistemperatuur
on 1539 º C. Kuid raud rikastub Süsinikuga kokkupuutest gaasilise süsinikoksiidiga ja hõõguva koksiga, mistõttu tema sulamistemperatuur langeb 1150...1200º C. Sula
malmi koldesse valgumisel rikastub ta süsinikuga veelgi (3,5...4,5% C).
Paralleelselt raua redutseerimisega maakidest toimub kõrgahjus ka mangaani ,
räni ja fosfori redutseerimine, mis siirduvad samuti sulametalli
Malmi tootmise lähtematrjalid
Malmi toodetakse kõrgahjudes. Kõrgahju täidiseks ehk lähteaineteks on:
1) rauamaak:
· punane rauamaak ehk hematiit Fe2O3 · magnetiit Fe3O4
· pruun rauamaak ehk limoniit n Fe2O3 . m H2O
· raudpagu ehk sideriit FeCO2
2) mangaanimaak MnO2, Mn3O4, Mn2O3
3) räbustid :
· lubjakivi CaCO3
· dolomiit
4) koks
5) kõrgahjugaas + õhk ( viimasel ajal O2 )

Kõrgahju materjalide bilanss

Täidis Saadused
Rauamaak
2030 kg
Malm
1000 kg

Mangaanimaak

146 kg
Räbu (šlakk)
755 kg
Lubjakivi
598 kg
Kõrgahju gaas
5217 kg
Koks
971 kg
Kõrgahju tolm
348 kg
Kõrgahjugaas
3575 kg
Kokku:
7320 kg
Kokku:
7320 kg

Kõrgahju põhimõtteline skeem
Terase tootmine
Terase tootmine on kaheastmeline. Kõigepealt saadakse kõrgahjus malm ning seejärel sulatatakse malm ümber teraseks kas konventerites, martään- või elektriahjudes. Sulatamisel kulgevate keemiliste reaktsioonide tulemusena eraldatakse malmis sisalduvad lisandid kas koos seadmest väljuvate gaasidega või vedela terase pinnale koguneva räbuga . Terase tootmisel on räbusti vajalik eelkõige terase omadusi halvendavate kahjulike lisandite (väävel, fosfor ) sidumiseks. Pürometallurgilise prot­sessi algatamiseks puhutakse konverterisse puhast hapnikku. Hapnik oksüdeerib ahjutäidises olevat rauda, süsinikku jt. elemente. Süsiniku oksüdeeru­misega kaasneb sulatise süsinikusisalduse pidev vähenemine. Läbipuhumine hapnikuga lõpetatakse sobiva süsinikusisalduse ja piisavalt madala kahju­like lisandite sisalduse (S, P) saavutamisel.
Enamik metallurgiatehastes toodetavatest terastest töödeldakse pooltoodeteks, valtsmetalliks – sorditeras, lehtteras ( plekk ), torud, spetsiaalsed valtstooted. Sorditerase all mõistetakse selliseid terasprofiile nagu ümarteras, nelikantteras, I- tala , U-tala, rööbas jms. Toodetakse õmbluseta torusid ja keevistorusid (õmblusega torusid). Spetsiaalse valtsterase hulka kuuluvad kuulid, tervikrattad, eriprofiilid autoehituse tarvis jms.
Teraseid ja värviliste metallide sulameid toodetakse erineva töötlusviisi ja sortimendiga . Iga töötlemisviisiga saadava materjali pinna kvaliteedi ja täpsuse kohta kehtivad kindlad nõuded .

Materjali sortiment

Profiil Valmistamise viis Mõõdud

1. Ümar kuumvaltsitud  5...250
kalibreeritud (valtsitud
ja tõmmatud)  3...100
kalibreeritud ja lihvi-
tud (hõbetraat)  0,2...50
sepistatud  40...200
2. Nelikant kuumvaltsitud 
 kalibreeritud 3...100
3. Kuuskant kuumvaltsitud S8...100
kalibreeritud S3...100
4. Leht kuumvaltsitud 
külmvaltsitud 
5.Võrdkülgne kuumvaltsitud 20...250
nurgik (nr.) (2 ...25)
6. Erikülgne kuumvaltsitud 25/16....200/125
nurgik (2,5/1.6...20/12,5)
7. I-teras kuumvaltsitud 100...400
(10....40)
8.Karpteras kuumvaltsitud 50...400
(5...40)
9. Lint kuumvaltsitud 1,2/20...5/200
külmvaltsitud 0,1/4...4/460
10. Traat tõmmatud 0,16...10
kuumvaltsitud 5...9
11.Toru kuumvaltsitud D/s 25/2,5...530/75
tõmmatud 5/0,2...250/24
keevitatud 8/1,0...1620/16
keevitatud ja
tõmmatud 5/0,5...110/5

Materjalide omadused

Materjalide valikul ja nende kasutusalade määrat­lemisel pakuvad eelkõige huvi materjalide oma­dused, mis on ühelt poolt määratud nende struk­tuuriga, teiselt poolt nende saamise ja neist detailide valmistamise tehnoloogiaga. Materjalide omadused võib grupeerida füüsikalisteks, mehaanilisteks ja tehnoloogilisteks. Materjali kasutusomadusi iseloo­mustavad talitluslikud omadused.
Füüsikalised omadused
Mehaanilised omadused
Tehnoloogilised omadused
Kasutusomadused
Tihedus
Sulamistemperat.
Soojuspaisumine
Soojusjuhtivus
Elektrijuhtivus
Magnetism
Tugevus
Kõvadus
Sitkus
Haprus
Plastsus
Elastsus
Valatavus
Survetöödeldavus
Lõiketöödeldavus
Termotöödeldavus
Keevitatavus
Joodetavus
Korrosioonikindlus
Kulumiskindlus
Pinnaomadused
Tulekindlus
Soojuspüsivus
Ohutus
Keskkonnasõbralikkus
Materjalide füüsikalised omadused
Materjalide olulisemateks füüsikalisteks omadusteks on tihedus ja sulamistemperatuur, mis on ka materjalide, eelkõige metallide liigitamise aluseks.
Tihedus
Erinevad materjaligrupid (metallid, plastid , keraa­mika) erinevad eelkõige oma tiheduse poolest. Tiheduse ühikuks on mahuühiku mass, kg/m3. Plastidel on tihedus 1000…2000 kg/m3, keraamikal 1500...2500 kg/m3, enamkasutatavatel metallidel piires 1700…22 000 kg/m3. Viimaste puhul erista­takse tihedusest lähtuvalt kergmetalle ja -sulameid, mille tihedus on üle 5000 kg/m3 (liitium, berüllium, magneesium , alumiinium , titaan jt.), raskmetalle ja ‑sulameid, mille tihedus ületab 10 000 kg/m3 ( plaatina , volfram , molübdeen, plii, tina jt.) ning kesk­metalle ja -sulameid (tihedus üle 5000 kuid alla 10 000 kg/m3). Tehnikas kasuta­tavaist metallidest kergeimaks on magneesium, raskeimaks aga plaatina.
Metall
r, kg/m3
Plastid
Polüetüleen
Akrüülplast
Bakeliit
Fluorplast
950
1100
1300
2200
Keraamika
Tellis
Betoon
Portselan
Klaas
1800
2300
2400
2500
Metallid
Kergmetallid
Magneesium
Alumiinium
Titaan
Keskmetallid
Vanaadium
Kroom
Tsink
Tina
Raud
Nioobium
Nikkel
Vask
Raskmetallid
Molübdeen
Hõbe
Plii
Elavhõbe
Kuld
Volfram
Plaatina
1750
2700
4540
6100
7200
7140
7290
7870
8600
8880
8930
10 200
10 500
11 340
13 550
19 320
19 400
21 400
Sulamistemperatuur
Temperatuuri, mil materjal läheb üle tardunud olekust vedelasse, nimetatakse sulamistemperatuuriks (Ts), vastupidiselt vedelast olekust tardunud olekusse üle­mineku temperatuuri aga tardumis- või kristalli­satsioonitemperatuuriks (Tk). Metallid liigitatakse sulamistemperatuuri järgi kerg­sulavaiks metallideks ja sulameiks, mille sulamistemperatuur ei ületa plii oma, s.o. 327 °C (tina, plii, antimon , elavhõbe jt.), rasksulavaiks metallideks ja sulameiks, mille sula­mis­­tem­pe­ratuur ületab raua oma, s.o. 1539 °C (volfram, tantaal , molübdeen, nioobium, kroom, vanaadium, titaan jt.) ja kesksulavateks metallideks ja sulamiteks (sulamistemperatuur üle plii, kuid alla raua sulamistemperatuuri).
Plastid jäävad sulamistemperatuuri poolest alla metallidele, mistõttu enamike plastide lubatav töötemperatuur piirdub 100 °C. Keraamika see­vastu on aga kõrge sulamistemperatuuriga , mis­tõttu seda kasutatakse sageli ka kuumuskindlate detailide valmistamiseks.
Metall
Ts, °C
Elavhõbe
-39
Kergsulavad
Tina
Plii
232
327
Kesksulavad
Tsink
Antimon
Magneesium
Alumiinium
Hõbe
Kuld
Vask
Nikkel
Raud
419
631
649
660
960
1064
1083
1455
1539
Rasksulavad
Titaan
Plaatina
Kroom
Vanaadium
Molübdeen
Volfram
1660
1773
1875
1900
2610
3410
Soojuspaisumine
Soojendamisel keha mõõtmed muutuvad. Harilikult iseloomustatakse soojuspaisumist ruumpaisumis­tegu­riga (vedelikud, gaasid) või joonpaisumis­teguriga ( tahkised ). Soojuspaisumist tuleb arvestada vedelike ja gaaside mahutite ja torustike, sildade, raudtee jm. metallkonstruktsioonide korral, tempe­ratuuri­muutustest tingitud mõõtmete muutust ka masina­osade korral. Metallide ja sulamite joon­paisumistegur varieerub väga suures vahemikus ja on sulamite korral määratud eelkõige keemilise koostisega.
Soojusjuhtivus
Soojusjuhtivus iseloomustab soojuse kandumist ühest osast teise paigalseisvas aines. Gaaside ja vedelike soojusjuhtivust saab seletada molekulide korrapäratute kokkupõrgetega, mille tagajärjel soojus ­liikumise energia kandub kõrgema tempe­ratuuriga piirkonnast madalama temperatuuriga piirkonda. Tahkistes levib soojusliikumise energia nii omavahel seostatud võresõlmede võnkumise kui ka vabade elektronide vahendusel.
Elektrijuhtivus
Elektrijuhtivus on aine võime juhtida elektrivoolu. See on ainetel , mis sisaldavad vabu laetud osakesi (elektrone või ioone). Elektrivälja mõjul hakkavad need osakesed korrapäraselt liikuma, tekitades elektri­voolu. Metallide hea elektrijuhtivus seletubki peamiselt vabade elektronide olemasoluga. Aine elektrijuhtivuse mõõduks on eritakistuse pöördväärtus (1/r, mõõtühik (W×m)-1, mida nime­tatakse erijuhtivuseks. Erijuhtivuse järgi liigitatakse kõik ained elektrijuhtideks, pooljuhtideks või dielektrikuteks.
Materjalide kasutusomadused
Korrosioonikindlus
Korrosiooniks nimetatakse materjali ja keskkonna (õhk, gaasid, vesi, kemikaalid ) vahelist reaktsiooni, milles materjal hävib. Metallide korral eristatakse keemilist korrosiooni, mida põhjustavad keemilised reaktsioonid metallide ja agressiivsete gaaside või vedelike vahel, ja elektrokeemilist korrosiooni, mida põhjustavad elektrokeemilised reaktsioonid (anoodi- ja katoodiprotsessid) metalli ja elektrolüüdi kokku­puutepinnal. Metallide korrosioonist tingitud kahjude korvamiseks kulub umbes 10% metalli aasta­toodangust. Korrosioonikindlamad on keraamilised materjalid ja plastid.
Kulumiskindlus
Kulumine on protsess, mis toimub pindade hõõrdu­misel, mille tagajärjel pinnalt eraldub materjali ja/või suureneb keha jääkdeformatsioon. Seega muutu­vad kulumisel pidevalt detailide mõõtmed, suureneb detailide viskumine ja müra, tekib kloppimine ning masinat pole võimalik edasi kasutada. Kasutamise seisukohalt on kulumine kahjulik nähtus, mida püütakse vähendada kulumiskindlate materjalide, pinnete või sobivate määrdeainete kasutamisega või muul viisil.
Materjalide mehaanilised omadused
Materjali vastupanu deformeerimisele ja purune­misele iseloomustavad materjalide mehaanilised oma­dused: tugevus, kõvadus, plastsus ja sitkus.
Tugevus on materjali võime purunemata taluda koormust, ebaühtlast temperatuuri vm. Metal­lide tugevusnäitajateks on voolavuspiir , tugevuspiir jt. Eristatakse konstruktsioonitugevust, staatilist, dünaa­milist ja kestvustugevust.
Kõvadus on materjali võime vastu panna koha­likule plastsele deformatsioonile. Tuntumad kõva­dus­teimid (Brinelli, Rockwelli ja Vickersi meetod) põhinevad kõvast materjalist otsiku (inden­ tori ) surumisel uuritava materjali pinda.
Plastsus on materjali võime purunemata muuta talle rakendatud väliskoormuse mõjul oma kuju ja mõõtmeid ning säilitada jäävat (plastset) defor­matsiooni pärast väliskoormuse lakkamist.
Sitkus on materjali omadus koormamisel taluda (enne purunemist) olulist deformeerimist. Sitkuse vastupidine omadus on haprus.
Sõltuvalt tööolukorrast (koormamise viisist) eris­tatakse staatilisel, dünaamilisel ja tsüklilisel koormamisel määratavaid mehaanilisi omadusi.
Materjalide põhilisteks staatilise katsetamise moodusteks on tõmbeteim, surveteim , paindeteim, väändeteim ja kõvadusteim. Metallide puhul on painde- ja väände­teim harva kasutatavad, mistõttu eelkõige tõmbe­teimil (malmi korral ka surveteimil) määratavad mehaa­nilised omadused on metallide valiku ja tugevus­arvutuste aluseks. Plastide korral kasutatakse tõmbeteimi, läbipaindetemperatuuri teimi, surveteimi, roometeimi ja löökpaindeteimi. Siinjuures olgu märgitud, et metallide ja plastide korral on teimitingi­mused erinevad.
Tõmbeteim
Vastavalt standardile EVS-EN 10002 -1 (Metall­materjalid. Tõmbeteim) määratakse tõmbeteimiga materjali tugevus- ja plastsusnäitajad.

Tõmbeteimikute kuju
Katsetamisel tõmbele määratakse tugevus­näitajatest:
a) tõmbetugevus Rm, see on maksimaaljõule Fm vastav mehaaniline pinge
Rm = Fm/So, kus Fm - maksimaaljõud,
So - teimiku algristlõikepindala.
b) voolavuspiir ReH (ülemine) ja ReL (alumine): ReH - pinge väärtus, mille saavutamisel
esmakordselt täheldatakse jõu vähenemist,
ReL - pinge madalaim väärtus plastsel voolamisel.
c) tinglik voolavuspiir Rp – pinge, mille juures jääkpikenemine saavutab etteantud väärtuse
protsentides, näiteks 0,2% – tähis Rp0,2.
Tugevusnäitajate põhidimensioon on N/m2, tavaliselt kasutatakse N/mm2 (MPa).
Tõmbediagrammid: ülemine - plastne materjal, alumine - habras materjal
Plastsusnäitajatest määratakse katsetamisel tõmbele:
a) katkevenivus A% A = ,
kus Lo – teimiku algmõõtepikkus, L – teimiku lõppmõõtepikkus pärast purunemist;
b) katkeahenemine Z% Z = ,
kus So – teimiku algristlõikepindala, S – teimiku minimaalne ristlõikepindala katkemiskohas.