Siemens-Martinova peć

Siemens-Martinova peć ili Siemens-Martinov postupak je način masovnog dobivanja čelika iz sirovog željeza, i to posrednom oksidacijom, gdje oksidaciju vrši kisik iz plinova iznad taline. Siemens-Martinov postupak ima prednosti u odnosu na Thomasov postupak, a još više u odnosu na Bessemerov postupak, jer Siemens-Martinov čelik ima puno šire područje primjene od Thomasov ili Bessemerovog čelika.

Siemens-Martinova peć iz 1895.
Otvoren izljev Siemens-Martinove peći (Fagersta Bruk, Švedska, 1967.)
Dobivanje sirovog željeza u visokoj peći.
Stari čelik s otpada je vazna sirovina za Siemens-Martinovu peć.

Siemens-Martinov postupak se može podijeliti na bazični (lužnati) i kiseli Siemens-Martinov postupak. U konstrukciji Siemens-Martinove peći razlike između bazičnog i kiselog Siemens-Martinovog postupka odnosi se uglavnom samo na razlike u vatrostalnom materijalu ognjišta peći. U svemu ostalom one su vrlo slične. Kapacitet peći kreće se od desetak do više stotina tona.[1]

Prvi na ideju za ovaj postupak je došao Carl Wilhelm Siemens, a Pierre-Émile Martin je 1865. otkupio patent od njega i prvi sagradio takvu peć, te je tako nastao naziv Siemens-Martinova peć.

Bazični Siemens-Martinov postupak

uredi

Sama Siemens-Martinova peć spada u grupu radijacijsko-plamenih i reverzibilno-regenerativnih ognjišnih peći. To znači da plamen ne zagrijava samo talinu sirovog željeza, već i strop (svod) peći, koji akumuliranu toplinu zrači na talinu. Gorivo i zrak s jedne strane i dimni plin od sagorijevanja s druge strane, u uzastopnim odlomcima vremena mijenjaju smjer strujanja, tako da u jednom odlomku vremena par komora-regenerator dovodi zrak i gorivo na jednu prednju stranu peći, a drugi par prihvata i izvodi dimne plinove na drugu prednju stranu peći, a zatim u drugom odlomku vremena, poslije okretanja smjera plinova (reverzije), jedan i drugi par komora mijenjaju te uloge.[2]

Uloga je regeneratorskih komora da svojim vatrostalnim materijalom oduzme dimnim plinovima najveći dio topline kad struje kroz njih i da zatim predaju tu toplinu hladnom gorivu i zraku, kad kasnije struje kroz tu istu komoru. Postizanje visokih temperatura peći, neovisno o sastavu obloga ognjišta, osnovna je odlika Siemens-Martinovog postupka, u odnosu na klasične pneumatske postupke (Bessemerov i Thomasov postupak).

Vatrostalni bazični pod

uredi

Postoje 3 načina izrade vatrostalnog bazičnog poda:

  • zavaruje se sloj po sloj prženog magnezita s 8 do 20% mljevene bazične troske,
  • kompozitni pod: nabija se sloj magnezita, pa sloj kromne smjese, a zatim se zavaruje sloj po sloj prženog magnezita s 8 do 20% mljevene bazične troske,
  • nabija se čitav pod slojem magnezita koji se onda suši, grije i glazira.

Temeljni slojevi poda izdrže 3000 do 6000 topljenja, odnosno oko 5 godina.

Ispust peći

uredi

Isto tako je vrlo složena gradnja ispusta na koji se priključuje kosina poda. U otvor ostavljen u ravnini simetrije peći, a pri dnu njenog zadnjeg zida, postavlja se čelična cijev, a razmak između nje i bazičnih opeka nabija se magnezitom, ili magnezitom i kromovom rudom, ili materijalom za nabijanje poda. Prije punjenja peći, ispust se ispuni prženim dolomitom i tako začepi s prednje strane (iz ognjišta), a čepom vatrostalne gline na stražnjoj strani. Na ispust se priključuje ispusni žlijeb, vatrostalno spojen s ispustom.

Zidovi i svod peći

uredi

Zidovi peći u svom donjem (vrućem) dijelu ozidani su bazičnih, a u svom gornjem dijelu silikatnim opekama. Prednji zid ima 3 do 5 (ponekad i 7) vrata, koja se mehanizmom dižu i spuštaju. Hlađena su vodenim hladilima i naliježu na okvire, koji su isto hlađeni vodom. Na svakim vratima se nalazi kružni otvor za promatranje ognjišta.

Svod peći u presjeku ima oblik luka. Luk svoda razapet je između dva reda kosih opeka posebnog oblika, koje se svojom osnovom oslanjaju na zidove peći, a kosim bokom prihvaćaju svod. Prema izdržljivosti svoda (obično od silikatnih, ali u zadnje vrijeme i od bazičnih opeka) određuju se trajanja svih ostalih dijelova peći. Prelomnica između svoda peći i svoda glave peći, nalik na slovo V, u pećima loženim naftom, znatno je plića nego u pećima loženim generatorskim ili prirodnim plinom.

Glave peći obuhvaćaju okomite kanale, bočne i stražnje zidove glave, uvodnike goriva, svod glave i vatreni most. Siemens-Martinove peći ložene generatorskim plinom (koji se mora predgrijavati) imaju posebne okomite kanale za plin. Vatrostalni materijal glava je uglavnom silikatna opeka, ali glave mogu biti ozidane i potpuno od bazičnih opeka. Ispusti za trosku su ozidani sa silikatnim opekama.

Regeneratorske komore

uredi

Regeneratorske komore (svod, mreža, bočni zidovi i kanali) obično su od visokokvalitetne šamotne opeke. Zrak ili ulazi u peć prirodnim propuhom (koji se mijenja u toku svakog odlomka vremena kad se mijenja smjer strujanja) ili se u nju potiskuje ventilatorom. Ventilator ima prednost jer izaziva konstantan protok zraka kroz komore, sprječava prolazak zraka kroz zidove komore, mosni kanal i ispust za trosku (zahvaljujući malom nadpritisku ventilatorskog zraka) i drugo.

Vodoravni kanali građeni su od drugorazrednog šamota, izolirani i nepropusni. Ovi kanali, zasuni i ventili, zatim kanali koji iza ovih uređaja vode plinove u dimnjak ili pod kotao (utilizator), čine razvodni sustav Siemens-Martinove peći.

Samo peći s generatorskim plinom imaju po dvije komore, ostale (koje koriste kao gorivo koksni plin, prirodni plin ili naftu) imaju po jednu komoru. U slučaju generatorskog plina, svaki par komora ima po jedan zasun za zrak i po dva za plin (jedan za vezu komora – izvor plina, a drugi za vezu komora – dimnjak). U ostalim slučajevima ovaj par zasuna otpada.

Kotao

uredi

Kotao ili utilizator se nalazi između kanala koji izvodi dimne plinove iza zasuna prema dimnjaku. On omogućuje iskorištenje oko 30% topline koja se dovodi Siemens-Martinovoj peći. Dimnjak je potreban i kad se koristi ventilator, jer u vrijeme popravaka i održavanja kotla, treba ga ohladiti prirodnim propuhom.

Sirovine za bazičnu Siemens-Martinovu peć

uredi

S obzirom na sirovine ima više vrsta punjenja u bazičnu Siemens-Martinovu peć:

  • samo tekuće sirovo željezo,
  • tekuće sirovo željezo i tekući čelik iz konvertera,
  • tekuće sirovo željezo i stari čelik s otpada,
  • kruto sirovo željezo i stari čelik s otpada,
  • samo čelik s otpada s ugljičnim dodacima.

Punjenje za prva 3 do 4 topljenja u novoj peći ili peći s izmijenjenim novim podom, razlikuje se od normalnog punjenja. Na pod se prvo postavlja vapno (ponekad najprije nešto starog čelika s otpada), zatim stari čelik s otpada, ili prije njega željezova ruda, ako se ruda stavlja u peć. S obzirom na željeni postotak ugljika u završnom čeliku, bitno je podijeliti stari čelik s otpada na laki, srednji i teški. Vapno se dodaje od 5% do 8% od ukupnog metalnog punjenja, zavisno od sadržaja silicija, fosfora i sumpora. Količina dodane željezove rude ovisi o drugim izvorima kisika, a kreće se od 0% do 25%. Kada je udio tekućeg sirovog željeza od 40% do 45%, ruda se dodaje odmah na vapno. A može se dodavati i nakon što se punjenje rastopi. Kruto sirovo željezo se može dodavati na stari čelik s otpada, ali obično se dodaje kad se jedan dio starog čelika već otopio. Tekuće sirovo željezo mora se dodavati u povoljnom trenutku, ni prerano (ohladit će ga stari čelik s otpada) ni prekasno (preoksidirana talina ili premalo ugljika), već u trenutku kad je talina dovoljno oksidirana da se nemetali sirovog željeza mogu izoksidirati, čim se željezo umetne.

Najčešće se susreću sljedeća punjenja:

  • 50% tekuće sirovo željezo i 50% stari čelik s otpada,
  • 55 - 80% tekućeg sirovog željeza i 45 - 20% starog čelika s otpada.

Kiseli Siemens-Martinov postupak

uredi

Ognjište kisele Siemens-Martinove peći je po obliku slično ognjištu bazične peći, ali su materijali ognjišta različiti: bazične opeke su zamijenjene kiselim, a opeke iznad ognjišta su isključivo kisele. Prije stvaranja poda, kisela peć se suši i zagrijava, kao i bazična. Na silikatne opeke prospe se dovoljno kremena ili usitnjenog granita. Jakim grijanjem ovaj se materijal otopi i djeluje kao veza između opeka i slojeva pijeska (s 94 do 97% SiO2), kojim se uzastopno izravnava pod do potrebne debljine. Nakon što se napravi pod, otvori se ispust i ponovno zatvori smjesom antracita (ili koksa) i pijeska. Ognjište se zatim napuni do polovine troskom kiselog sadržaja, troska se istopi, pa se strane peći posebnim alatom preliju tekućom troskom i na kraju se troska ispusti.

Prva 3 do 4 punjenja su nešto lakša od uobičajenih. Punjenje za prvu talinu je uglavnom hladno sirovo željezo i stari čelik s otpada. U kiselom postupku se ne ubacuje željezova ruda, kao u bazičnoj peći, jer bi FeO (baza) brzo uništio pod i stranice peći. Zbog toga se ne bi trebao ulagati ni stari čelik s otpada. Carl Wilhelm Siemens je ubacivao samo sirovo željezo, a oksidaciju taline ubrzavao ubacujući željezovu rudu, dok je Pierre-Emile Martin ubacivao stari čelik s otpada i dovoljno sirovog željeza za početni sadržaj ugljika. Današnja praksa je kombinacija tih postupaka.

U kiseloj peći se vrlo malo ukloni fosfora, a sumpora gotovo ništa. Zato je vrlo važan odabir starog čelika s otpada. Talina u kojoj je, zbog pogrešnog punjenja, sadržaj sumpora i fosfora previsok, mora se baciti na otpad, jer se ta greška ne može ispraviti.

Izvori

uredi
  1. [1]Arhivirana inačica izvorne stranice od 4. srpnja 2014. (Wayback Machine) "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
  2. "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.