Ch 3 production of ferrous metals

5/6/2013

‫قسم الهندسة المٌكانٌكٌة والصناعٌة‬ ‫ جامعة طرابلس‬- ‫كلٌة الهندسة‬

‫إنتاج المعادن‬ ‫الحدٌدٌة‬ Production of Ferrous Metals

‫تصنٌع الحدٌد والصلب‬ Iron and Steel Production  Iron making - iron is reduced from its ores  Steel making – iron is then refined to obtain desired purity and composition (alloying)

(Pig Iron) ‫ انتاج الحدٌد الغفل‬ ‫ ٌنتج من خامات الحدٌد الطبٌعٌة‬ ‫ وٌعتبر الحدٌد الغفل المادة األولٌة لتصنٌع جمٌع أنواع الحدٌد الصلب‬

2

Eng. Khalifa Ezaedi

1

5/6/2013

3

Eng. Khalifa Ezaedi

‫خامات الحدٌد الالزمة لتصنٌع الحدٌد‬ Iron Ores Required in Iron-making  The principal ore used in the production of iron and steel is hematite (Fe2O3)  Other iron ores include magnetite (Fe3O4), siderite (FeCO3), and limonite (Fe2O3-xH2O, where x is typically around 1.5)  Iron ores contain from 50% to around 70% iron, depending on grade (hematite is almost 70% iron)  Scrap iron and steel are also widely used today as raw materials in iron- and steel making

4

Eng. Khalifa Ezaedi

2

‫‪5/6/2013‬‬

‫خامات أخرى تدخل فى تصنٌع الحدٌد‬ ‫‪Other Raw Materials in Iron-making‬‬ ‫الفحم )‪ Coke (C‬‬ ‫‪ Supplies heat for chemical reactions and produces‬‬ ‫‪carbon monoxide (CO) to reduce iron ore‬‬ ‫ٌزودنا بالحرارة التمام التفاعالت الكٌمٌائٌة وانتاج أول اكسٌد الكربون‬ ‫الحجر الجٌرى )‪ Limestone (CaCO3‬‬ ‫‪ Used as a flux to react with and remove impurities in‬‬ ‫‪molten iron as slag‬‬ ‫ٌتفاعل مع الشوائب وٌزٌلها من الحدٌد المصهور على هٌئة خبث‬ ‫)‪ Hot gases (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2, and fuels‬‬ ‫الغازات الساخنة والوقود‬ ‫تستخدم لحرق الفحم‬

‫‪ Used to burn coke‬‬ ‫‪5‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫الفرن العالى ‪Blast Furnace‬‬ ‫‪ ‬عبارة عن غالف من الصلب مبطن من الداخل بطوب ذى مقاومة عالٌة‬ ‫للحرارة‪ ،‬وتوجد به فتحات جانبٌة لدفع الهواء الساخن الى الداخل بدرجة‬ ‫‪ 600‬درجة مئوٌة والذى ٌساعد على عملٌة االحتراق‪.‬‬

‫‪ ‬عند شحن الفرن وبدء نزول الشحنة الى القاع ٌتكون أول أكسٌد الكربون‬ ‫بفعل احتراق الفحم والهواء الجوى ‪ C + O2  2CO‬وتزداد درجة‬ ‫الحرارة الى ‪ 1600‬درجة مئوٌة‪ ،‬وهى كافٌة لصهر الحدٌد‪.‬‬ ‫‪Fe2O3 + CO  2FeO + CO2‬‬ ‫‪ ‬ثانى اكسٌد الكربون مع الفحم ٌكون المزٌد من أول أكسٌد الكربون‬ ‫‪CO2 + C (coke)  2CO‬‬

‫‪6‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪3‬‬

5/6/2013

Cross-section of iron-making blast furnace showing major components 7

Eng. Khalifa Ezaedi

Blast Furnace ‫الفرن العالى‬

8

Eng. Khalifa Ezaedi

4

5/6/2013

‫إنتاج الحدٌد الغفل‬ Production of Pig Iron

‫هذه صورة الفرن العالً من الداخل‬ 9

‫تصنٌع الحدٌد فى الفرن العالى‬ Iron-making in a Blast Furnace Blast furnace - a refractory-lined chamber with a diameter )‫ (القطر‬of about 9 to 11 m (30 to 35 ft) at its widest and a height )‫ (االرتفاع‬of 40 m (125 ft)

 To produce iron, a charge of ore, coke, and limestone are dropped into the top of a blast furnace  Hot gases are forced into the lower part of the chamber at high rates to accomplish combustion and reduction of the iron 10

Eng. Khalifa Ezaedi

5

‫‪5/6/2013‬‬

‫إنتاج الحدٌد الغفل‬ ‫‪Production of Pig Iron‬‬ ‫‪ ‬تخضع أوألً خامات الحدٌد (أكاسٌد الحدٌد أو كربونات الحدٌد) لمعالجات‬ ‫أولٌة مثل (طحن‪ ،‬غربلة‪ ،‬تركٌز‪..... ،‬الخ) حٌث نحصل من هذه‬ ‫المعالجة على مواد أولٌة غنٌة بالحدٌد وخالٌة من األتربة‪.‬‬ ‫‪ ‬تإخذ بعد ذلك الخامات األولٌة للحدٌد إلى الفرن العالً ‪Blast Furnace‬‬ ‫الذي ٌبنى بؤلواح الصلب وٌبطن بطوب ذي مقاومة عالٌة للحرارة‪،‬‬ ‫وبه فتحات جانبٌة تسمح بدفع الهواء الساخن إلى الداخل لٌساعد على عملٌة االحتراق‪.‬‬ ‫‪ٌ ‬تم تغذٌة الفرن من األعلى بشحنة من خام الحدٌد والفحم الحجري والحجر الجٌري‬ ‫(‪.)CaO‬‬ ‫‪ ‬تتوزع نسبة مكونات الشحنة كالتالً‪ %65 :‬خام الحدٌد‪ %25 ،‬فحم‪ %10 ،‬حجر‬ ‫جٌري‪.‬‬ ‫‪ ‬بٌنما تؤخذ هذه الشحنة النزول إلى قاع الفرن‪ٌ ،‬تكون أول أكسٌد الكربون ‪CO‬‬ ‫بفعل احتراق الفحم والهواء الجوي‪ .‬وتزداد درجة حرارة الشحنة بعدئذ إلى حوالً‬ ‫‪º1600‬م وهذه كافٌة لصهر الحدٌد‪.‬‬ ‫‪11‬‬

‫‪C + O2  CO2 + Energy‬‬ ‫‪CO2 + C  2 CO + Energy‬‬ ‫• ٌعًم حٍبس انهىاء انزي ٌذخم يٍ خالل انفخحبث عهى سفع أول أكسٍذ‬ ‫انكشبىٌ إنى األعهى َحى انًذخُت‪ .‬ببنقشة يٍ انجزء انعهىي نهفشٌ‬ ‫(حٍث دسجت انحشاسة ‪º300‬و) ٌعًم أول أكسٍذ انكشبىٌ عهى إخخزال‬ ‫أكسٍذ انحذٌذ إنى حذٌذ وٌجًع انًصهىس فً انبىحقت وٌخى سحبه فً‬ ‫فخشاث يُخظًت عهى هٍئت حذٌذ غفم‪.‬‬ ‫• إرا كبَج انخبيبث فً صىسة أكبسٍذ انحذٌذ ٌخى االخخزال كبنخبنً‪:‬‬ ‫‪3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2‬‬ ‫‪2Fe3O4 + 2CO  6FeO + 2CO2‬‬ ‫‪6FeO + 6CO  6Fe + 6CO2‬‬ ‫• وإرا كبَج انخبيبث فً صىسة كشبىَبث انحذٌذ سٍخى االخخزال كبنخبنً‪:‬‬ ‫‪4FeCO3 + O2 2Fe2O3 + 4CO2‬‬ ‫‪2Fe2O3 + 6CO  4Fe + 6CO2‬‬ ‫‪12‬‬

‫‪6‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫‪‬‬

‫‪‬‬

‫‪‬‬

‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫ٌمتص الحدٌد المنصهر حوالً ‪ %4‬من الكربون وكل الفوسفور‬ ‫وكمٌات من السٌلكون والمنجنٌز‪.‬‬ ‫ٌعمل الحجر الجٌري على فصل الكبرٌت وأكسٌد السٌلكون‬ ‫والشوائب األخرى وٌكونون جمٌعا ً مانسمٌه الخبث ‪ Slag‬الذي‬ ‫ٌطفو فوق المادة المصهورة والذي ٌتم سحبه أٌضا ً فً فترات‬ ‫متعاقبة‪.‬‬ ‫هذا الخبث هو شائبة وكان فٌما مضى ٌتم إتالفه‪ ،‬أما فً الوقت‬ ‫الراهن فٌستعمل الخبث فً صنع أنواع الطالء والخرسانة‬ ‫والعوازل واألسمدة‪.‬‬ ‫تكون المحصلة النهائٌة لكل التفاعالت التً حصلت فً الفرن‬ ‫العالً تكوٌن الغفل وتكون مكوناته‪:‬‬ ‫‪ %4‬كربون و‪ %2.7‬سٌلٌكون و‪ %0.8‬فوسفور و‪%0.7‬‬ ‫منجنٌز و‪ %0.05‬كبرٌت والباقً حدٌد‪.‬‬

‫‪13‬‬

‫درجات الحرارة فى الفرن العالى‬ ‫‪Blast Furnace Temperatures‬‬

‫‪14‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪7‬‬

5/6/2013

‫التفاعالت الكٌمٌائٌة عند تصنٌع الحدٌد‬ Chemical Reactions in Iron-Making  Using hematite as the starting ore: Fe2O3 + CO  2FeO + CO2  CO2 reacts with coke to form more CO: CO2 + C (coke)  2CO  This accomplishes final reduction of FeO to iron: FeO + CO  Fe + CO2

15

Eng. Khalifa Ezaedi

‫نسب المواد الخام عند تصنٌع الحدٌد‬ Proportions of Raw Materials in Iron-Making  Approximately seven tons of raw materials are required to produce one ton of iron:  2.0 tons of iron ore ‫خام الحدٌد‬  1.0 ton of coke ‫الفحم‬  0.5 ton of limestone ‫الحجر الجٌرى‬  3.5 tons of gases ‫الغازات‬  A significant proportion of the byproducts are recycle .‫ النتاج طن واحد من الحدٌد الغفل ٌلزم سبعة طن من الحدٌد الخام‬

16

Eng. Khalifa Ezaedi

8

5/6/2013

‫نواتج الفرن العالى‬ Iron from the Blast Furnace :‫ باالضافة الى بعض الشوائب‬4% C ‫ الحدٌد الناتج من الفرن العالى ٌحتوى على‬ 0.3-1.3% Si, 0.5-2.0% Mn, 0.1-1.0% P, and 0.02-0.08% S  Further refinement is required for cast iron and steel  A furnace called a cupola is commonly used for

converting pig iron into gray cast iron  For steel, compositions must be more closely controlled and impurities brought to much lower levels

17

Eng. Khalifa Ezaedi

‫تجهٌز الحدٌد الغفل المصهور‬ :‫ ٌتم ذلك بعدة طرق‬ .‫ صبه فى قوالب رملٌة متصلة‬ .‫ سباكته فى آلة سبك الحدٌد الغفل‬

‫ نقل المعدن الساخن السائل فى بواثق مباشرة الى وحدات تصنٌع‬ .‫ومعالجة الحدٌد‬

18

Eng. Khalifa Ezaedi

9

‫‪5/6/2013‬‬

‫طبٌعة الحدٌد الغفل‬ ‫‪ٌ ‬متص الحدٌد الغفل كمٌات من الكربون والسٌلكون والكبرٌت والفسفور والمنجنٌز‪.‬‬

‫‪ ‬الكربون ٌمكن أن ٌتواجد‪:‬‬ ‫‪ ‬فى صورته الطبٌعٌة وهى الجرافٌت وٌنتشر داخل المعدن على هٌئة قشور‬ ‫دقٌقة عندما ٌكون معدل التبرٌد بطىء حٌث ٌسمح بتكون كمٌات أعلى من‬ ‫الكربون الحر‪ ،‬التبرٌد العادى ٌكون لون مقطع الحدٌد أسودا رمادٌا وله شكل بلورى‪.‬‬ ‫‪ ‬فى صورة كربٌد الحدٌد وٌسمى السٌمنتاٌت )‪ (cementite‬وهى مادة صلدة للغاٌة‬ ‫وٌكون الكربون فى صورته المركبة عندما ٌكون معدل التبرٌد سرٌعا والتبرٌد السرٌع‬ ‫ٌكون لون مقطع الحدٌد أكثر بٌاضا مما ٌدل على ضآلة وجود الكربون فى صورته‬ ‫الحرة‪.‬‬ ‫عندما ٌتواجد معظم الكربون فى الصورة المركبة ٌسمى المعدن بالحدٌد األبٌض‪.‬‬ ‫‪19‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪20‬‬

‫‪10‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫انتاج الحدٌد الزهر‬ ‫‪Production of Cast Iron‬‬

‫انتاج الحدٌد الزهر ‪Production of Cast Iron‬‬ ‫‪ ‬الحدٌد الزهر صلد وقصٌف وٌقاوم البلى بدرجة جٌدة‪.‬‬ ‫وٌتم الحصول علٌه من تنقٌة الحدٌد الغفل بواسطة فرن الدست‬ ‫)‪ (Cupola Furnace‬وهو عبارة عن نموذج صغٌر للفرن العالى‪.‬‬

‫‪ ‬حجم الفرن ٌتوقف على طبٌعة العمل المراد تؤدٌته‬ ‫القطر ‪ 1 :‬متر ‪ 2 :‬متر‬ ‫االرتفاع‪ 5 : 4 :‬أضعاف القطر‬ ‫مثال ‪:‬‬ ‫‪2 ton /hr‬‬

‫‪h= 4m‬‬

‫‪d= 1m‬‬ ‫‪22‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪11‬‬

5/6/2013

23

Eng. Khalifa Ezaedi

24

Eng. Khalifa Ezaedi

12

‫‪5/6/2013‬‬

‫انتاج الحدٌد الزهر ‪Production of Cast Iron‬‬ ‫‪ ‬طرٌقة تشغٌل الفرن‪ٌ :‬شتغل الفرن لفترات معٌنة حسب الطلب‬ ‫‪ٌ .1‬وقد الفحم فى األسفل حتى ٌستقر وتصل الحرارة الى الدرجة المطلوبة‪.‬‬ ‫‪ٌ .2‬قطع الحدٌد الغفل الى قطع بطول ‪ 30‬سم تقرٌبا وٌخلط مع كمٌات‬ ‫خردة من الحدٌد الصلب‬ ‫‪ .3‬تبدأ عملٌة الشحن باضافة طبقات متبادلة من الفحم والحدٌد مع قلٌل من الحجر الجٌرى‬ ‫(طن واحد من الحدٌد المصهور ٌحتاج الى فحم ‪ 125 : 50‬كجم‪ ،‬حجر جٌرى ‪ 5 :3‬كجم )‬ ‫كمٌة الفحم لٌست كبٌرة ألنه التوجد تغٌرات كٌمٌائٌة كما فى الفرن العالى‪.‬‬ ‫كمٌة خردة الحدٌد الصلب تتحكم فى درجة الجودة فمثال عند اضافة خردة منخفضة نسبة‬ ‫الكربون تنخفض نسبة الكربون فى المصهور‪.‬‬ ‫‪25‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪ .4‬بعد اتمام عملٌة الشحن واحتراق كل الشحنة (‪ 2 :1‬ساعة) ٌتم غلق الفرن‬ ‫فترتفع درجة الحرارة تدرٌجٌا‪.‬‬ ‫‪ٌ .5‬نصهر الحدٌد وٌترسب فى قاع الفرن وٌطفو الخبث فوقه‪.‬‬ ‫‪ٌ .6‬تم فتح باب الخبث أوال الزالة الخبث ثم فتح باب المعدن المنصهر وٌوضع‬ ‫فى البوثقة أو فى قوالب‪.‬‬

‫‪©2007 John Wiley & Sons, Inc. M P Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing 3/e‬‬

‫‪13‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫خصائص حدٌد الزهر الرمادى‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫رخٌص الثمن‪.‬‬ ‫درجة انصهاره منخفضة نسبٌا ‪ 1200 – 1150‬درجة مئوٌة‬ ‫سٌولته عالٌة عند انصهاره مما ٌجعله مناسبا ألعمال السباكة وخاصة فى‬ ‫المسبوكات ذات األشكال المعقدة والتجاوٌف الضٌقة مثل هٌاكل االالت‬ ‫ومحركات السٌارات‪.‬‬ ‫ٌضهر مكسر الحدٌد الزهر بنٌة بلورٌة أو حبٌبٌة وٌتألأل عند تسلٌط‬ ‫الضوء علٌه النعكاسه على جزٌئات الجرافٌت الحر‪.‬‬ ‫ٌعمل الجرافٌت الحر كمزلق ‪ ،‬لذا تصنع منه منزلقات االالت مثل‬ ‫المخرطة‪.‬‬ ‫الحدٌد الزهر قصٌف (هش) وٌمكن كسره بسهولة لذا الٌجب اٌقاع‬ ‫المسبوكات الصغٌرة خوفا من كسرها‪.‬‬ ‫سهولة التشغٌل‪.‬‬ ‫‪27‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫خصائص حدٌد الزهر الرمادى‬ ‫‪ ‬مقاومة الحدٌد الزهر لقوى الضغط أكبر من مقاومته لقوى الشد‬ ‫وذلك لوجود الجرافٌت على شكل شرائح‪.‬‬

‫المقاومة القصوى للمعدن‪ :‬مقدار القوة الالزمة لكسر معدن مساحة‬ ‫مقطعه ‪ 1‬مم‪²‬‬ ‫مقاومة الضغط‬

‫‪600 : 750 Mpa‬‬

‫مقاومة الشد‬

‫‪120: 200 Mpa‬‬

‫مقاومة القص‬

‫‪150: 225 MPa‬‬

‫قبل أن ٌنكسر‬

‫‪28‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪14‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫استعماالت الحدٌد الزهر‬ ‫‪ ‬االنشاءات الهندسٌة‪.‬‬ ‫‪ ‬قواعد ومنزلقات وأفرشة االالت‪.‬‬ ‫‪ ‬هٌاكل االالت الكهربائٌة كما أن للقشرة الخارجٌة للمسبوكات‬ ‫مظهرا جٌد عندما تنظف وتطلى وهى مقاومة للبلى (الخدش)‪.‬‬ ‫‪ ‬التصنع منه المسامٌر الملولبة وأجزاء االالت المعرضة للشد‪.‬‬ ‫‪ ‬التصنع منه أعمدة التدوٌر )‪ (Shaft‬ألنها ستكون معرضة لقوى‬ ‫الثنى‪.‬‬

‫‪29‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫تركٌب الحدٌد الزهر ‪Composition of Cast Iron‬‬ ‫‪ ‬الكربون‪ :‬اما أن ٌتركب معه كٌمٌائٌا لٌكون السٌمنتاٌت فى حالة التبرٌد السرٌع أو أن ٌكون فى‬ ‫صورة جرافٌت حر اذا كان التبرٌد بطىء‪ ،‬فٌنتج عنه الحصول على مسبوكات طرٌة سهلة‬ ‫التشغٌل‪ ،‬كما تتكون قشرة خارجٌة صلدة (‪2-1‬مم) نتٌجة التماس المعدن المنصهر مع‬ ‫رمال القالب الباردة‪.‬‬ ‫‪ ‬السٌلٌكون‪ٌ :‬شجع على تكون الجرافٌت الحر لذا ٌعمل كملٌن وٌعطى حدٌد سهل التشغٌل‪ ،‬وٌساعد على‬ ‫انتاج مسبوكات متٌنة خالٌة من المسامات وتصل نسبته الى ‪. %3‬‬ ‫‪ ‬الفسفور‪ٌ :‬دخل الى الحدٌد فى الفرن العالى مع الشوائب وهو غٌر مرغوب فٌه فى معظم األحوال وتصعب‬ ‫ازالته‪ ،‬وهو ٌساعد على زٌادة السٌولة فى الحدٌد الزهر وتصل نسبته الى ‪.%1.5‬‬

‫‪ ‬الكبرٌت والمنجنٌز‪ :‬لهما نفس األثر وهو المٌل الى تصلٌد الحدٌد‪،‬‬ ‫وٌعمل وجود الكبرٌت بكثرة على انتاج مسبوكات غٌر متٌنة لذا ٌجب االبقاء على نسبته منخفضة قدر االمكان‬ ‫(‪.)%0.1‬‬

‫أما نسبة وجود المنجنٌز فى الحدٌد فتتغٌر حتى تصل الى (‪ )%1.5‬وهذا ٌعتمد على نوع‬

‫ومجال استخدام المسبوكة‪.‬‬

‫‪30‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪15‬‬

5/6/2013

Alloy Cast Iron ‫الحدٌد الزهر السبائكى‬ ‫ٌتم انتاجه لتحسٌن خواص الحدٌد الزهر الرمادى والتغلب على البعض من‬ .‫عٌوبه مع االبقاء على ممٌزاته‬

Acicular Cast Iron ‫ حدٌد الزهر الشوكى‬ ‫ٌحتوى على النٌكل والمولٌبدنٌوم فى تركٌبه وٌستعمل فى صنع أعمدة‬ .‫مرافق محركات السٌارات‬ Spheroidal Cast Iron ‫ حدٌد الزهر الكروانى‬ ‫ٌضاف عنصر سبك مثل الماغنٌسٌوم أو السٌرٌوم فٌتحول الجرافٌت من‬ ‫الشكل القشرى الى الشكل الكروى فٌعمل هذا التغٌر على رفع مقاومة الشد‬ .‫ منتجا معدنا متٌنا ٌمكن ثنٌه ولٌه‬Mpa 750-600 ‫الى حوالى‬ 31

Eng. Khalifa Ezaedi

Cast Iron: 2-4.5 wt. % C Gray Iron

1-3 % Si cheap used in compression vibrational damping (machinery housing) White Iron

< 1% Si brittle, wear resistant malleable iron precursor (rollers)

Ductile Iron

Mg, Ce, Ca, Li, Na, Ba to gray iron stronger and ductile (valves, gears, crankshafts) Malleable Iron

< 1% Si heat treat white iron strong, malleable (connecting rods, transmission gears flanges, fittings)

32

Eng. Khalifa Ezaedi

16

‫‪5/6/2013‬‬

‫ هش جدا و صلد خواصه‬‫المٌكانٌكٌة ردٌئة‬ ‫ ال ٌوجد به كربون حر‬‫(جرافٌت) و إنما ٌكون الكربون‬ ‫متحد تماما مع الحدٌد‬

‫•‬

‫ ٌوجد الكربون منفصال جزئٌا‬‫على شكل قشور رقٌقة موزعة‬ ‫داخل بنٌة المعدن‬ ‫ تكسب هذه القشور الجرافٌتٌة‬‫الحرة مقطع الحدٌد اللون‬ ‫الرمادي كما أنها تضعف من‬ ‫بنٌة المعدن‬

‫تسخٌن حدٌد الزهر‬ ‫األبٌض الى حوالً ‪900‬‬ ‫درجة مئوٌة لمدة ‪24‬‬ ‫ساعة‬

‫إضافة عنصر الماغنسٌوم‬ ‫أثناء سباكة حدٌد الزهر‬ ‫الرمادي‬ ‫ تعتبر هذه العملٌة عملٌة‬‫تطرٌة للحدٌد الزهر األبٌض‬ ‫حٌث ٌتحلل كربٌد الحدٌد‬ ‫وٌصبح الحدٌد طرٌا و تزٌد‬ ‫مطولٌته‬ ‫ٌوجد الجرافٌت (الكربون الحر)‬‫على شكل تجمعات متكورة أو‬ ‫شبه متكورة‬ ‫‪ٌ -‬متاز بجودة خواصه‬‫المٌكانٌكٌة حٌث تزٌد مقاومة‬ ‫الشد و المتانة و المطولٌة‬

‫‪33‬‬

‫انتاج الصلب‬ ‫‪Steel Production‬‬

‫‪©2007 John Wiley & Sons, Inc. M P Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing 3/e‬‬

‫‪17‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫انتاج الصلب ‪Steel Production‬‬ ‫هو عملٌة أكسدة تعمل على تقلٌل الكربون والسٌلٌكون والفسفور‬ ‫والمنجنٌز فى خلٌط من الحدٌد الغفل وخردة الحدٌد‪.‬‬ ‫‪ ‬طرق انتاج الصلب‪:‬‬ ‫‪ ‬طرٌقة بسمر‬ ‫‪ ‬طرٌقة المجمرة المفتوحة‬ ‫‪ ‬طرٌقة األكسجٌن القاعدى‪.‬‬ ‫‪ ‬طرٌقة القوس الكهربى‪.‬‬

‫‪35‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫فرن األكسجٌن القاعدى ‪Basic Oxygen Furnace‬‬ ‫تعتبر أحدث وأسرع الطرق النتاج الصلب‬ ‫‪ٌ .1‬تم خلط ‪ 200‬طن من الحدٌد الغفل المصهور مع ‪ 90‬طن من الخردة فى‬ ‫الفرن وٌضاف الحجر الجٌرى للمساعدة على الصهر‪.‬‬ ‫‪ٌ .2‬تم نفخ األكسجٌن النقى فى الفرن لمدة ‪ 20‬دقٌقة بضغط ٌعادل ‪1.25Mpa‬‬ ‫عبر منفذ مبرد بالماء وهو عبارة عن انبوب طوٌل‪.‬‬ ‫‪ٌ .3‬عمل االضطراب الشدٌد لألكسجٌن على تنقٌة المعدن المنصهر وذلك عن طرٌق عملٌة‬ ‫أكسدة ٌنتج منها أكسٌد حدٌد أوال‪.‬‬ ‫‪ٌ .4‬تفاعل أكسٌد الحدٌد مع الكربون الموجود فى المعدن المنصهر منتجا ‪CO & CO₂‬‬ ‫‪ٌ .5‬سحب المنفذ وٌفرغ الفرن‪ ،‬وبهذه الطرٌقة ٌمكن انتاج ‪ 250‬طن من الصلب فى مدة‬ ‫‪ 50-35‬دقٌقة والتى ٌتم تصنٌعها الى صفائح وألواح وقضبان بؤشكال هندسٌة مختلفة‪.‬‬ ‫‪36‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪18‬‬

5/6/2013

Basic Oxygen Furnace

Basic oxygen furnace showing BOF vessel during processing of a heat.

37

Eng. Khalifa Ezaedi

38

Eng. Khalifa Ezaedi

19

‫‪5/6/2013‬‬

‫‪BOF sequence : (1) charging of scrap and (2) pig iron, (3) blowing,‬‬ ‫‪(4) tapping the molten steel, (5) pouring off the slag.‬‬ ‫‪39‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫خصائص الحدٌد الصلب‬ ‫‪ ‬الحدٌد الصلب ‪ :‬هو سبٌكة من الحدٌد والكربون تتراوح فٌها نسبة الكربون‬ ‫فتصل الى ‪ %1.5‬وٌجب أال ٌكون فى تركٌبته جرافٌتا حرا مع وجود بعض‬ ‫العناصر األخرى‪ ،‬وكلما زادت نسبة الكربون تزداد صالدة ومثانة المعدن‪.‬‬ ‫‪ ‬الحدٌد النقى (فٌرٌت) ‪ : Ferrite‬هو معدن طرى له بنٌة مكونة من بلورات‬ ‫أو حبٌبات الحدٌد‪.‬‬ ‫‪ ‬الحدٌد الزهر )‪ : (C 2.0 - 4.0%‬اذا زادت نسبة الكربون عن ‪%1.5‬‬ ‫سنصل الى مرحلة الٌوجد فٌها كل الكربون متحدا كٌمٌائٌا مع الحدٌد (وجود‬ ‫جرافٌت حر) وبالتالى ٌتحول المعدن الى الحدٌد الزهر ‪ ،‬وٌمكن زٌادة نسبة‬ ‫الكربون حتى تصل الى ‪%4.0‬‬ ‫‪40‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪20‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫خواص واستعماالت المعادن الحدٌدٌة‬

‫‪42‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫‪21‬‬

5/6/2013

43

Eng. Khalifa Ezaedi

44

Eng. Khalifa Ezaedi

22

5/6/2013

45

Eng. Khalifa Ezaedi

46

Eng. Khalifa Ezaedi

23

5/6/2013

Casting Processes in Steel-making  Steels produced by BOF or electric furnace are solidified for subsequent processing either as cast ingots or by continuous casting  Casting of ingots – a discrete production process  Continuous casting – a semi-continuous process

47

Eng. Khalifa Ezaedi

Casting of Ingots Steel ingots = discrete castings weighing from less than one ton up to  300 tons (entire heat)  Molds made of high carbon iron, tapered at top or bottom for removal of solid casting  The mold is placed on a platform called a stool  After solidification the mold is lifted, leaving the casting on the stool

48

Eng. Khalifa Ezaedi

24

5/6/2013

Ingot Mold

A big-end-down ingot mold typical of type used in steelmaking.

49

Eng. Khalifa Ezaedi

Continuous Casting  Continuous casting is widely applied in aluminum and copper production, but its most noteworthy application is steel-making  Dramatic productivity increases over ingot casting, which is a discrete process  For ingot casting, 10-12 hr may be required for casting to solidify  Continuous casting reduces solidification time by an order of magnitude

50

Eng. Khalifa Ezaedi

25

‫‪5/6/2013‬‬

‫‪Continuous casting. Steel is‬‬ ‫‪poured into tundish and flows‬‬ ‫‪into a water-cooled‬‬ ‫;‪continuous mold‬‬ ‫‪it solidifies as it travels down‬‬ ‫‪in mold. Slab thickness is‬‬ ‫‪exaggerated for clarity.‬‬

‫‪51‬‬

‫‪Eng. Khalifa Ezaedi‬‬

‫التعرف علً أنواع الصلب‬ ‫ٌعتمد اختٌار الطرٌقة المناسبة للتعرف على الصلب على شكله المدرفل (قضٌب – صفٌحة –الخ)‬

‫وكذلك مجال استخدامه وتشمل هذه الطرق التعرف على‪:‬‬ ‫التركٌب الكٌمٌائً أو الخواص المٌكانٌكٌة وكذلك الخبرة الصناعٌة‬

‫التصنٌف المعٌاري لمكونات الصلب‪ :‬طورت الجمعٌلت الهندسٌة طرقا مختلفة لتصنٌف‬ ‫الصلب مثل‬

‫‪ASTM- DIN- ISO –EN……etc‬‬

‫مثال ‪C-1020 :‬‬ ‫‪ : C‬صلب المجمرة المكشوفة الكربونً‬ ‫‪1‬‬

‫صلب كربونً‬

‫‪ %0.2‬محتوى الكربون‬ ‫تمٌ​ٌز االلوان ‪ٌ :‬وضع لون متعارف علٌه فً مكان معٌن فً طرف القضٌب‬ ‫الكشف بالشرارة‪ :‬وذلك بمالمسة حجر التجلٌخ للمعدن‪ ،‬شكل الشرارة ٌحدد تقرٌبٌا نوعٌة الخام‬

‫‪26‬‬

‫‪5/6/2013‬‬

‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫‪27‬‬

‫توجد أغلب خامات الحدٌد فً صورة‬ ‫فً الفرن العالً ٌتم اختزال خامات الحدٌد إلى حدٌد بواسطة غاز‬ ‫فً الفرن العالً ٌتم تنقٌة الشوائب بواسطة‬ ‫ٌنتج خام الحدٌد فً الفرن العالً باالختزال ‪ ,‬وهذا ٌعنً نزع عنصر من خامات‬ ‫الحدٌد وهو‬ ‫معدن حدٌدي به نسبة كربون تصل إلى ‪ , %4‬قصٌف ‪ ,‬صلد‪ ,‬له مقاومة عالٌة‬ ‫للبلً‬ ‫الصلب أو الفوالذ هو أساسا ً سبٌكة تتكون من الحدٌد‬