De bereiding van 18-8 staal

DE BEREIDING VAN lS-S-STAAL.

---..

'. .~ I ~ _J.Vleeskens W.A.Klaassen,. ., Inhoud:

A. Algemene methoden voor de staalbereiding. B. Proceskeuze voor het lS-S-staal.

c.

Bereiding van IS-8-staal in eén ba~ische vlamboogoven. D. Eigenschappen van lS-S-staal.

E. De smelttabel. F. De materiaalbalans. G. Geraadpleegde literatuur.

t

'

.

• ' 4 ~.

---i

"

.i..

A. Al emene methoden voor de staalbereidi

2,20,21,22,23 1. Ongelegeerd staal.

---•

Als basisgrondstof voor de bereiding van staal staat ter onzer beschikking het ijzererts, dat in de natuur in velerlei samenstellingen voorkomt,en wel in hoofdzaak als ijzer-oxyden, -hydroxyden, -carbonaten en -silicaten (ook sulfiden, welke echter .vooraf geroost dienen te worden), gewoonlijk gemengd in wisselende verhoudingen en verontreinigd met min of meer nevenbestanddelen, zoals phosphaten en sulfiden, naast de

veel-al mede aanwezige ganggesteenten (vnl. silicaten)

Bij de winning van ijzer uit het erts wordt het hiertoe met koolstof (CO), meestal in de vorm van cokes, gereduceerd in een schachtoven (hoogoven), waarbij tevens een toeslag wordt toege-voegd voor het smelten en oplossen van de ganggesteenten uit het erts en de as uit de cokes, onder vorming van een vloeibare slak; bij ertsen, rijk aan silicaten, wordt kalk en/of dolomiet, bij

ertsen, rijk aan kalk of magnesia, wordt kwarts (zand) als toe-slag bijgevoegd.

Het aldus verkregen ruwijzer bevat als bestanddelen: Fe, C,' Si, Mn, P en S; de onderlinge verhouding ervan is afhankelijk van, de gebruikte ertssoort, de aard van de toeslagen en de temperatuur bij de ertsreductie.

De verwerking van ruwijzer (C-gehalte 2,5- 6%) tot staal (C-gehalte 0- 1,5%) komt neer op een gehele of gedeeltelijke ont-koling; daarnaast dienen de eventueel aanwezige ongewenste

be-standdelen (p en S) grotendeels verwijderd te worden. De berei-dingsmethoden komen dan ook alle neer op een oxydatie van de aan-wezige'koolstof en de min of meer volledige afvoering van de

ver-ontreinigingen in de, met de toeslag, gevormde slak; hierbij

kun-nen we twee werkwijzen onderscheiden, te weten de convertorpro-cessen en het Siemens-llartin-proces.

Bij de convertorprocessen wordt de koolstof geoxydeerd m.b.v. lucht (het zgn. windfrissen), waarbij lucht wordt geblazen door een, met het vloeibare ruwijzer gevuld, peervormig vat (de

con-vertor); hierbij treedt een temperatuurstijging op door de opt~re­

dende exotherme verbrandingsreacties (resp. Si- C- P- Mn),

waar-door, gezien de met de ontkoling gepaard gaande sme~puntsstijging,

het stollen van de metaalsmelt wordt voorkomen. Naargelang de aard

van de convertorbekleding onderscheiden we het Bessemer- en het .

Thomas-proces. Het Bessemer-proces (z~e bekleding en een zure slak)

wordt toegepast'bij een gering (~O,l%) S- ~n P-gehalte van het

ruw-ijzer; het Thomas-proces (basische bekleding en een basische slak) kan echter ook worden toegepast voor de verwerking van ruwijzer

met een hoger S- en P-gehalte. '

Bij het Siemens-Martin-proces (wederom in een zure of basi-sche uitvoering) wordt de oxydatie bewerkstelligd m.b.v. ijzer-'oxyde, in de vorm van schroot, soms aangevuld met erts. De

reac-tietemperatuur wordt in stand gehouden d.m.v. over het bad

strij-kende hete verbrandingsgassen (het zgn. haardf~issen).

Naast de bovengenoemde werkwijzen heeft zich ontwikkeld het electrostaalproces, waarbij de verhitting electrothermisch ge-schiedt in een electrische oven. De aanleiding hiertoe was het streven naar een product met een hoge graad van zuiverheid, zoals indertijd werd verkregen in de vorm van het, inmiddels vrijwel op de achtergrond geraakte, kroezenstaal, dat gemaakt werd in een, uitwendig verhitte, smeltkroes, waarin de zuivere bestanddelen werden samengesmolten, zonder de mogelijkheid tot daaropVOlgende

r

{-raffinage. Dit laatste werd als een groot bezwaar beschouwd: de grondstoffen.waren uiteraard kostbaar, terwijl de variatiemogelijk-heden in het verloop van het smeltproces slechts uiterst gering waren. Het ligt daarom voor de hand, dat, tegen de ongunstige kost-prijwerhouding van de energiebronnen in, de electrische staalovens

sterk op de voorgron~ traden.

We dienen nu eermt te bezien welke plaats het electrostaal-proces inneemt t.o.v. de convertor- en Martin-electrostaal-processen.

De raffinage:.

Terwijl in een convertor en een Siemens-Martin-oven een uit-gesproken oxjlderend mi·lieu bestaat, is in een electrische oven het milieu naar believen regelbaar binnen wijde grenzen.

De ontphosporing, welke dient te geschieden m.b.v. een basi-sche slak in een oxyderend milieu, kan in genoemde ovens even krachtig geschieden; de ontzwaveling echter, welke naast een

basi-sche. slak een reducerend milieu vereist (FeSi-CaO+C -CO+CaS+Fe) , verloopt alleen in een electrische oven vrijwel volledig. Bovendien kan in een Martin-oven nog zwavel (evenals andere onzuiverheden)

in het bad worden opgenomen uit de verbrandingsgassen~ welke over

het bad strijken. Voorts is de, voor een bepaald raffinageproces meest gunstige, temperatuur in een electrische oven zonder .enige

moeilijkheid te v e r w e z e n l i j k e n . ' .

De telIll'eratuur:

In een electrische oven en in een Martin-oven is de tempera-tuur onafhankelijk van de in het reactiemilieu optredende reacties; zulks is niet het geval bij de convertorprocessen, waar de warmte juist wordt verkregen door de verlopende oxydatiereacties, welke we tijdens het proces niet in de hand hebben.

Wat de bereikbare temperatuur betreft kunnen we opmerken, dat deze in de electrische oven véél hoger is (ca. 3000°C). Dit is . vooral van belang bij de bereiding van staalsoorten met een hoog

smeltpunt (koolstofarme en/of hooggelegeerde staalsoorten), temeer, wannee,r deze gegoten dienen te worden in ingewikkelde vormen met dunne gietholten.

De regelbaarheid:

Zoals gezien, is het convertorproces, zowel wat de reactie-temperatuur als de react*éduur aangaat, niet regelbaar. Ook bij het Martin-proces is de reactieduur niet regelbàar, immers, wanneer het

bad lIgaar" is, dient het metaal, gezien het oxyderende milieu in de oven, te worden afgetapt. Bij het electrische proces daarentegen zijn reactie-duur en -temperatuur naar verkiezing te regelen, al zal men de reactieduur, met het oog op de energiekosten, zoveel mogelijk trachten te bekorten.

De economie:

Het is zonder 'meer duidelijk, dat de kosten voor het electro-staalproces aanzienlijk hoger zullen liggen als gevo'!g van de vee,l duurdere energiebron. Toch staan er enkele verzachtende omstandig-heden tegenover, zoals de veel gmnstiger warmteoverdracht (hoger calorisch rendement) in de electrische oven (de warlteverliezen in een convertor, een Martin-oven en een electrische oven bedragen

resp. ongeveer 20%, 6% en

3%),

het geringere verlies aan metaal,

door afvoering ervan in oxydevorm naar de slak (vooral van belang bij eventueel aanwezige kostbare legeringselementen), een aanzien-lijk kortere reactieduur (bij de hogere badtemperatunen is de re-actmèsnelheid immers veel groter), terwijl het stroomverbruik sterk gedrukt kan worden, wanneEr alleen de raffinagepermode in de

elec-trische oven wordt uitgevoerd (vloeibare hete voeding).

Gezien de kostprijs, zal men het convertorproces en het Martin-proces over het algemeen verkiezen boven het electrostaalMartin-proces, wanneer althans de hierbij verkregen lagere graad van zuiverheid

toelaatbaar is. In de praktijk worden het convertor- en

,"

proces toegepast bij de bereiding van koolstofstaal en van de laaggelege'erde staalsoorten, waarbij geen extreme eisen aan de zuiverheid worden gesteld (een mogelijke verdere raffinage m.b.v. een zgn. duplex-proces wordt nog nader besproken)

2. Gelegeerd staal.

---Voor de bereiding van hooggelegeerde staalsoorten zal, op grond van de in het voorgaande vermelde overwegingen, de keuze

dus vallen op het electrostaalproces.

Bij de electrische ovens kunnen we de vol~ende hoofdtypen

onderscheiden:

a. Stralingsovens.

Een vlamboog slaat over tussen electroden, waarbij de lading niet in de stroomkring wordt betrokken.

De ovens hebben slechts een geringe capaciteit, daar bij een

grotere uitvoering ~oeilijkheden optreden i,v.m. een mogelijke

breuk in de, schuin in de oven gestoken, electroden. Dar de ovens een zeer gelijkmatige en constante warmte leveren, worden ze vooral toegepast bij het uitvoeren van proefsmeltingen en eventueel in

kleine staalgieterijen1

b. Vlamboogovens

Een vlamboog slaat over tussen electroden en lading, waarbij de lading dus in de stroomkring wordt betrokken.

Vroeger werden ze ook wel uitgevoerd met een bodemelectrode, maar wegens de hierbij optredende sterke slijtage, is deze uitvoe-ringsvorm thans verlaten.

De vlamboogovens zonder bodemverwarming hebben een vrijwel onbeperkt toepassingsgebied.

c. Inductieovens.

Hierbij fungeert de lading als weeEstand voor een geïnduceerde stroom.

We kunnen onderscheiden de inductieoven mèt kern en de kern-loze inductieoven, ook wel genoemd resp. de laagfrequent- en de hoogfrequent-inductie oven, naar de frequentie van de gebrUikelijk aan te leggen wisselspanning.

De laagfrequentinductieoven is te beschouwen als een trans-formator, waarbij de secundaire wikkeling vertegenwoordigd is als het ringvormige gesmolten metaalbad, hetgeen tot gevolg heeft, dat men de bewerking steeds moet aanvangen met een hoeveelheid vloei-baar metaal in de oven, wat dan ook als ernstig nadeel met zich meebrengt, dat geen afwisselend programma bij de smeltingen moge-lijk is. De oven wordt hoofdzakemoge-lijk nog gebruikt als smeltoven voor non-ferro-metalen.

De hoogfrequentinductieoven bestaat uit een kroes met omrin-gende spoel,welke gevoed wordt met wisselstroom van hoge frequen-tie. De geïnduceerde stroom kan een sterke warmteontwikkeling teweegbrengen (temperaturen tot 3000"C), terwijl tevens een nogal hevige wervelbeweging ontstaat, wat de aanleiding is tot een uit-stekende homogenisatie van de metaalsmelt, waardoor de oven zeer geschikt is voor het bereiden van legeringen, waarvan de bestand-delen moeilijk mengbaar zijn.

Als ovens bij de bereiding van electrostaal komen dus

eigen-lijk alleen in aanme~king de vlamboogoven en de

hoogfrequentin-ductieoven.

Wanneer we de beide oventypen aan een nadere vergelijking onderwerpen, treden de volgende punten naar voren:

.0

I· I

a. Bij een hoogfreQuentinductieoven wordt het electrisch rehdement van de installatie onder meer beinvloed door de afstand tussen de spoel en het metaalbad; deze afstand moet klein zijn m.a.w. de vuurvaste bekleding en de kroeswand moeten dun zijn

(b.v. kroes met vulling van 16-100 kg: 3-5 cm; 1500-2000 kg:

13-15 cm totale wanddikte). Dit nu stelt uitermate bijzonde~eisen

aan bekleding en ovenmateriaal; zulks in tegenstelling tot de

vlamboogoven, waar de warmteverdeling in de oven, behalve voor het ovengewelf, zeer gunstig is (in het centrum opgewekte hitte), ter-wijl bovendien de ovenbekleding, zonder enig bezwaar, veel dikker· genomen kan worden. Vooral bij een raffinagesmelting, waar de oven-bekoleding juist in grote mate onderhevig is aan slmjtage en wel des te sterker naarmate de temperatuur ter plaatse hoger is, zal de vlamboogoven däarom de voorkeur genieten.

b. In een hoogfreQuentinductieoven zal bij een raffinage-smelting de slak een lagere temperatuur hebben dan deO metaalsmelt i.t.t. de vlamboogoven, waar de raffinage dan ook sneller verloopt, ondanks het feit, dat de menging in de hoogfreQuentinductieoven beter is door de optredende wervelingen.

c. In een hoogfreQuentinductieoven is geen opkoling van de metaalsmelt te vrezen, als gevolg van het ontbreken van koolelec-troden; ook de aard van het reactiemilieu is meer variabel, de temperatuur is nog beter regelbaar en de werkwijze is veelal zui-verder door de aanwezigheid van een "zuizui-verderu _warmtebron.

We zien dus, dat de punten a en b als nadeel, maar punt c als voordeel geldt van deOhoogfreQuentinductieoven. Aaangezien de over-wegingen, genoemd onder a en b, grotendeels vervallen bij neutrale

smeltingen, ligt het voor de hand, dat we t.a.v. het toepassings-gebied van de oventypen als algemene regel kunnen vaststellen: bij raffinagesmeltingen verdient de vlamboogoven, bij neutrale smaltingen de hoogfreQuentinductieoven de voorkeur (vooral bij kwaliteitsopvoering van de vuurvaste bekleding).

Behalve het oventype, is ook de aard van de ovenbekleding van belang bij de keuze van het proces. We onderscheiden ook hier een basische en een zure bekleding; t.a.v. hun gebruiksmogelijkheid kunnen we het volgende opmerken:

In eerste instantie is de samensteililing van de grondstoffen bij de staalbereiding van belang. Een zure bekleding is alleen te gebruiken, wanneer geen basische slak is vereist, dus als bij een raffinagesmelting geen Penlof S verwijderd behoeven te woIden; we dienen er rekening mede te houden,.dat een zure bekleding dus een

groot gebied van smeltingen uitsluit, aldus aanleiding geven~e tot

een beperking in het fabricageprogramma, Daar we, juist in Europa, niet over grote hoeveelheden P- en S-arme grondstoffen beschikken, worden de ovens met een zure bekleding vooral in Europa weinig aangetroffen.

Voorts stelt de zure ovenbekleding een maximum aan de wand-temperatuur i.v.m. de intredende verweking, welke voor silicasteen ongeveer bij 1650°0 begint; voor de bereiding van hoogsmeltende legeringen is een zure bekleding daarom in vele gevallen niet

bruik-baar. 0

Wanneer zowel de zure als basische ovenbekleding bruikbaar zijn, gelden als voordelen voor de zure bekleding een lagere aan-schaffingsprijs en een grotere bestendigheid. Voor een neutrale smelting bij een nmmt al te hoge temperatuur wordt dan ook gewoon-lijk een zure bekleding gekozen, wanneer althans een dergegewoon-lijke, in zijn toepassingen beperkte, oven, met het oog op de aard en de grootte der productie, reden van bestaan he·eft.

Er zijn vele werkwijzen mogelijk bij de uitvoering van het electrostaalproces.

I~rincipe zijn zowel erts, ruwijzer, staal, als schroot te

gebruiken als grondstof. We dienen er echter nadrukkelijk

reke-ni~g med~ te houden, dat men het relatief dure electrothermische

proces alleen dan zal toepassen, wanneer de gewenste kwaliteit van het product zulks vereist; alleen dan zal de kostprijs onder-geschikt zijn aan de kwaliteit. Zo zal men het hoogovenproces,

waarbij erts tot ruwijzer wordt verwerkt, zelden in een electrische oven uitvoeren: de winst aan kwaliteit weegt niet op tegen de ho-gere kostprijs, temzij de prijsverhouding tussen de energiebronnen

anders liggen zoals b.v. in Zweden het geval is. Hoe de verhoudin-gen ligverhoudin-gen bij de verwerking van ruwijzer tot staal werd reeds

be-sproken; gewoonlijk is dit g~en specifiek terrein voor het

electro-staalproces, wanneer het ruwijzer veel verontreinigingen bevat·

(dus niet afkomstig is van zeer zuivere ertsen) en er bovendien aan het te bereideh staal geen bijzondere eisen i.v.m. de kwJLiteit worden gesteld. Het is wel mogelijk en voldoende efficiënt gebleken het, via het convertor- of Martin-proces bereide, staal in een

electrische oven verder te verwerken tot sterker geraffineerd en

eventueel gelegeerd staal, wat in de praktijk d~ ook meermalen

wordt uitgevoerd in de vorm van meervoudige en wel vnl.

duplex-processen. .

We kunnen dus in hoofdzaak als mogelijke werkwijzen beschou-wen de enkelvoudige en de duPbx-processen.

Bij de duplex-processen kan de tweede smelting, welke wordt uitgevoerd in een electrische oven (vlamboog- of inductieoven) met

zure of basische bekleding volgen op een convertor- of Martin-proces (eventueel ook op een electrisch Martin-proces van een ander type, ja zelfs op een hoogovenpreces) wederom met zure of basische

be-kleding; er zijn dus v.ele combinaties mogelijk. He~ zou te ver

voeren op elke combinatie afzonderlijk ih te gaan, temeer daar

elke staalsoort een aparte bereiding behoeft, nauwke'urig a~epast

aan zijn samenstelling, de gewenste zuiverheid en de beschtkbare grondstoffen. In de praktijk worden slechts enkele duplex-proces-sen ten uitvoer gebracht en wel in hoofdzaak: basische Martinoven--basische vlamboogoven; Bessemer convertor--Martinoven--basische vlamboogoven; Thomas convertor --basische vlamboogoven.

Het voordeel van een duplex-proces t.o.v. een enkelvoudig proces is vnl. gelegen in de aldus verkregen energiewinst: de

insmelt~eriode in de electrische oven komt zodoende immers te

ver-vallen (vloeibare metaallading); daarnaast wordt het metaal bij de eerste smelting reeds ten dele geraffineerd. Dit voordeel is echter niet voldoende gebleken om het enkelvoudige proces, de werkwijze met vaste lading, te verdringen, alhoewel aanvankelijk wel deze tendenz bestond; deze zienswijze is aanzienlijk veranderd en wel vnl. door de technische vooruitgang inzake ovenbouw, opvoering der economie bij het electrostaalproces en door de opgedane ervaringen bij beide werkwijzen. Het zwaartepunt van het duplex-proces is ge-leidelijk meer en meer verschoven en komen te liggen op een ver-edeling van de, middels het convertor- of Martin-proces bereide,

staalsoorten (vooral van het Thomas-staal). De hooggelegeerde .

kwaliteitsstalen worden over het algemeen verkregen door toepassing van het enkelvoudige electroslaalproces met vaste lading.

.'.

. ~. _{Proceskeuze voor het 18-8-staal.}

Direct in aansluiting op de, onder A gegeven, beschouwingen kunnen we onze keuze bepalen t.a.v. de te volgen werkwijze bij

de productie v~ 18-8-staal.

Daar we hiet te maken hebben met een hooggelegeerd kwali-teitsstaal, valt onze keuze, wat het proces betreft, op het en-. kelvoudige electrostaalproces.

De smelting zal uiteraard een raffinagesmelting zijn, van-daar de keuze van een vlamboogoven en wel, met een basische

be-kleding, gezien de noodzaak van een raffinage b~j de

aanwezig-heid van een basische slak.

Resumerende kunnen we de keuze dus als volgt bepalen: het IS-S-staal zal worden bereid in een basische vlamboogoven middels een enkelvoudig proces met vaste lading.

~. Bereiding van l8-8-staal in een basische vlamboogoven.

I. Grondstoffen.

De gebruikte grondstoffen ZlJn van tweeërlei aard~

a. degene, die geheel of grotendeels door het metaalbad worden ropgenomen.

/"

b. de slruCkenvormende toeslagen, die o.a. dienen om P en S aan

het bad te onttrekken. a . I . Schroot.

Zoals zal worden uiteengezet bij de beschouwingen over de

structuur v~ IS-S-staal, is men genoodzaakt om het C-gehalte

v"an het product zeer laag te houden. Men bereikt dit door het schroot in te smelten onder zeer sterk oxyderende omstandigheden. Daar ohk P in dit geval vrijwel volledig geoxydeerd wordt, waarna het door de basische slak wordt opgenomen, kan men gewoon schroot gebruiken. Wel is het gewenst om het schroot naar grootte te

sor-teren; het laden van de oven wordt däardoor vergemakkelijkt; i.v.m. de grootte der vulopeningen en de beschikbare ovenruimte,

kiest men bij voorkeur compacte stukken van kleine afme~ingen.

2. Nikkel '

Dit wordt toegevoegd als zuiver metaal in de vorm van

kor-rels (afmetingen 5-8

mm),

verkregen volgens het Mond-proces; de

zuiverheid ervan is 99.9

%.

3. Ferrochroom. Sa~menstelling: Fe 28,35

%;

Cr 71.50 ~; Si 0.12

%;

C 0,03 ~. 4. Ferromangaan. Samenstelling:

Mn

82

%;

C

0,6

%;

Fe rest. 5. Ferrosilicium. Samenstelling: Si 76

%;

Fe rest. ~ b. Slakkenvormende toeslagen.

1. Gebrande kalk; deze dient om P en S te binden.

2. Vloeispaat en zand, beide gebruikt als vloeimiddel.

3. IJzererts. Hiervoor gebruikt men het zeer zuivere Zweedse magnetiet-erts; de toevoeging van dit oxyde bevordert de oxydatie van C en P.

11. Verloop van het proces.

In het proces zijn twee phasen te onderscheiden:

a. Het smelten van de vaste lading, gevolgd door de oxydatie van Si, Mn, P en C en de verwijdering van de oxydatieproducten uit

het bad. ' , ' ,

b. De reductie-periode, waarin het bad van FeO bevrijd wordt. Deze hoofdperioden kan men terugvinden in alle gangbare

procédé'@ en bij de bereiding van alle soorten staal. De door ons gevolgde werkwijze vertoont nog in het bijzonder een overeenkomst met het Siemens-Martin-proces, daar in beide gevallen de ovanlading schroot bevat. Ook anderszins bestaan er geen principiële

ver-schillen tussen het verloop ,van de smelting in een basische

vlam-boogoven en die in de basisch~ S.M.-oven.

, Het tijdstip van toevoegen der legeringselementen wordt

be-paald door het boven gegeven schema.

De mate waarin het bad geoxydeerd wordt en de wijze waarop de reductie tot stand komt, zijn vastgelegd door de gewenste structuur van het eindproduct.

ad a. Hot smelten en de 'oxydatie.

Na het gieten van de vorige smelt wordt eerst de bekleding van de oven en het ovendeksel bijgepleisterd. De oven wordt dan geladen met gewoon schroot en nikkel. De electroden worden bijna

tot op de bodem geplaatst en de lading wordt bij de maximale spanning (220 V) gesmolten.

rD

: Wanneer de lading vloeibaar geworden is, wordt de gebrande

kalk op het bad gebracht, terwijl de spanning, op de electroden wordt verminderd tot 170 V. Later wordt nog meer kalk toegevoegd,

evenals ijzererts (magnetiet) en de spaening wordt nu verlaagd tot 110 V.

Bij het insmelten treedt reeds een gedeeltelijke oxydatie op van Si, Mn, P en C d.m.v. het ijzerroest op het schroot. Na de toevoeging van magnetiet aan de slak vindt de definitieve, bijna volledige, oxydatie van deze elementen plaats en wel via het in het bad opgeloste FeO.

Oxydatie van Si, Mn en P,;:

Voor Si, Mn en P zou men' de eindconcentratie kurinen bere-kenen uit de bij de reactie FeO + X ... "" XO + Fe behorende

evenwichtsconstante : K _ (v.o'lC't.,) - -- ril

- t"fe.)l"l':Q) ...

Hierin is (FeO): K,[Fe01

(XO) = K2. [XOJ (K is afhankelijk van de basici tei t

(---)= concentratie in het bad. van de slak)

t---J:

concentratie in de slak.

Daar bovendien (Fe) constant is, kan men (11 als volgt schrijven: (:~)

=

~\ ~1:t~ol --- - ('11

'.<\ tVeOJ

Ofwel: de concentratie van Si, Mn of P in het bad is recht evenredig met de concentratie van het oxyde van dit element in de slak, en omgekeerd evenredig met het FeO-gehalte van de slak.

Voor een bepaalde samenstelling van de slak is dan:

(x.) '" KOl. K1!K, - - -- [3] .

Bij verhoging van de temperatuur wordt K'\ groter (de reactie

FeO;-. X ~ Fe TXO is exotherm) evanals KI, de verdelingscoëfficiënt

va~ FeO tussen bad en slak, die in het gebied van 1200 tot 2000~C

lineair toeneemt met de temperatuur. Een exacte berekening van (X)

is echter niet mogelijk. Weliswaar is de verhouding tli-o)_K

[lë.al - ,

ex~erimenteel be~aald (2) aan S.M.-staal onder een slak van FeO, maar de werkelijke Naarde van (FeO) bedraagt meestal slechts een

fractie van de o~ deze wijze be~aalde evenwichtsconcentratie. De

grootte van (FeO) wordt nl. sterk beïnvloed door de snelheid van de diffusie van slak naar bad.

Ontkoling:

. Voor de ontkoling kan men een dergelijke beschouwing opzetten,

met dit verschil, dat het reactie~roduct XO door. de basische

kalk-slak wordt o~genomen, terwijl CO als gas ontwijkt: het zgn. koken

va_n het bad. Bij dit koken is echter de toevoer van zuurstof niet be~er:t:t tot de diffusie van FeOuit de slak, want de

o:ps]lat-tende dru~:pels worden o~~ervlakkig geoxydeerd en verhogen zo het

O-gehalte van het bad. Bij de reactie FeO+C;,c:::::::Fe+-CO heeft men als evenwichtsconstante gevonden (3):

Kc. = (C) .,.. (0) = 0, 0025 (~ec.= 1 atm; tem~.=- 1600"C)

of: (C)~ (FeO)= 0,0112 ---- \".4)

Daar bij deze tem~eratuur (FeO)= 1 % (2) zou hieruit dus

volgen, dat bij 1600"C de eindconcentratie (C) =-0,012 %.

Een zo lage waarde bereikt men echter nooit; hiervoor zijn verschillende redenen aan te voeren:

1. De ex~erimenteel gevonden waarden voor K~=(C)~(O) en (FeO)

hebben beide betrekking o~ een bad, dat vrijwel geen

legerings-. elementen bevatlegerings-.

2. (FeO) werd be~aald onder een slak, die geheel uit FeO bestond •.

In het geval van de smalting van nikkelhoudend staal onder een kalk-ijzeroxyde slak zullen dus de evenwichtsconstanten een afwijkende waarde hebben.

Van veel groter invloed is echter het volgende:

3. (FeO) is in feite veel kleiner dan de evenwichtsconcentratie, i.v.m. de traagheid van de diffusie; dit ondanks de extra toevoer

van zuurstof tijdens het koken. .

4. (Ch.(o) is groter dan K • Dit is een gevolg van het o~treden

van kookvertraging.

5. Het bad neemt via de slak wat C o~, afkomstig van de electroden.

Al is een exacte berekening van de omstandigheden waaronder

het ~ro'ces moet :plaatSVinden dus niet mogelijk, we kunnen wel

enige algemen richtlijnen geven om een volledige o~datie te

be-vorderen.

De middelen om een laag C-gehalte te bereiken, zijn de volgende:

1. Terstond na het insmelten en vóór de,vorming van de o~datie­

slak brengt men de electroden omhoog. Bad en electroden zijn dan gescheiden door de slak; de afstand van de slak tot de onderkant van de electroden bedraagt 2-3 cm.

'2. Men gebruikt een slak met hoog FeO-gehalte.

3. Vervuiling van de ovenbekleding door de slak moet worden

tegen-gegaan, daar dit het o~treden van kookvertraging in de hand werkt.

4. Tegen het einde van de oxydatie-~eriode voert men de tem~eratuur

zo hoog mogelijk o~. De reactie FeO T' C ~ CO ~Fe is endotherm,

i.t.t. soor1{gelljke reacties van FeO met F, Si en

Mn.

Hoe hoger man

dus de temperatuur van het bad opvoert, des te kleiner is het

C-gehalte •. Daarent~gen worden (F), (Si) en (Mn) groter, ondanks het

feit dat tevens de waande van (FeO)=- K\ [FeO) (zie formule

t

2]) toeneemt. Het uiteindelijke P-gehalte is evenwel klein genoeg, mits men een slak heeft, die voldoende CaO en FeO bevat. Oak Si en

Mn worden vrijwel volledig verwijderd. .

In ons geval,. het smelten van gewoon schroot met een laag

Mn-gehalte onder CaO-FeO slak, kam men ongeveer de volgende eindcon-centraties verwachten (2):

· '"

De maximale temperatuur van het bad bedraagt ongeveer 2000"C. Een hogere temperatuur is niet toelaatbaar, daar er dan gevaar

be-staat voor aantasting van de bekleding van het ovengewelf (verwe-kings'punt silicasteen 1650-1700°C). Dit heeft bovendien tot gevolg dat het SiO,.-gehalte van de slak toeneemt, zodat door een kleinere waarde van [CaO) het P-gehalte van het bad groter wordt, nog af-gezien van een toename van (p) die het gevolg is van de invloed van de temperatuur op K ~= KI X 1C~/kl

Tenslotte wordt de oxydatie-slak afgegoten, Dit moet zeer zorgvuldig gebeuren omdat, wanneer er wat vah de 'slak in de oven

achterblijft, tijdens de nu volgende periode P40~ gereduceerd

wordt, waardoor het P-gehalte van het staal weer toeneemt. 'ad b. De reductie-permode.

De overmaat FeO moet nu volledig uit de smelt verwijderd

worden, aangezien de aanwezigheid hiervan in het staal een funeste uitwerking zou hehben op de mechanische eigenschappen en op de

corrosiebestendigheid van het materiaal. Hiervoor bestaan drie methoden:

1. Opkolen; door toevoeging van C aan het blanke metaalbad vindt een gedeeltelijke desoxydatie plaats.

2. Reductie van FeO m.b.v. toeslagen als FeSi, FeMn etc.

3. Door diff1Ï1.sfê van FeO uit het bad naar een nieuw gevormde slak, de reductieslak.

De methode 1 is in ons geval, waar we het C-gehalte zo laag mogelijk moeten houden, 'natuurlijk niet bruikbaar. Van de andere

twee methoden heeft de reductie d.m.v •. toeslagen het voordeel, dat hij snel verloopt. Daarentegen is het diffusieproces vrij lang-durig. Niettemin geeft men de voorkeur aan de diffusie-methode,

omdat daarbij geen insluitsels (SiO~) gevormd worden, die de

kwa-liteit van de ingots ongunstig beinvloeden.

In deze periode vindt, behamve de verwijdering van FeO, ook de ontzwaveling plaats door de reactie: CaO +-FeS ~ FeO--t- CaS .'

De oxydatieslak bevatte veel FeO, zodat het evenwicht vrij sterk aan de kant van het FeS lag en er slechts een geringe ont-zwaveling plaatsvond. De reductieslak bevat echter weinig FeO

(b.v. 4% FeO) en bestaat verder uit gebrande kalk en

vloeimid-delen (vloeispaat en zand). Deze vloeimidvloeimid-delen dienen om

de,dif-fusie van FeO, en' FeS naàr de slak te bevorderen. "

,

Ca. 30 min. vóór het gieten geeft man de slak nog een toe-slag van poedervormig FeSi. Het FeO-gehalte van de slak daalt dan tot ongeveer 0,5%, waarna een verdere diffusie plaats heeft (1).

, Tenslotte geeft men het bad een toeslag van CaSi of FeSi. Hierdoor bereikt.men de volledige reductie van het bad. De

dif-fusie alléén van FeO'is hiertoe niet voldoende en een geringe hoeveelheid FeO in het metaal is schadelijker dan een overeen-komstige hoeveelheid insluitsels in de vorm van SiO'2,..

Vóór de reductie van de slak heeft men inmiddels gelegeerd met ferrochroom en ferromangaan. Beide stoffen kunnen niet in de

eerste periode toegevoegd worden, daar Cr, evenals

Mn,

dan

geoxy-deerd wordt en voor een groot deel in de slak verloren gaat. Men . 'legeert pas met FeCr nadat het bad reeds ca. 30 min. onder de ,

witte kalkslak gedesoxydeerd is.

Kleine hoeveelheden Cr en Mn, die nu nog door oxydatie in de slak terecht komen, keren na reductie van de slak grotendeels in het bad terug.

Bij de eind-reductie met FeSi voegt man een overmaat van deze stof toe, waardoor het Si-gehalte van het staal weer op het ge-wenste peil komt.

. ~

De toeslagen, die in deze periode toegevoegd worden, moeten natuurlijk een zo gering mogelijk percentage C bevatten. Verder moet men er voor zorgen, dat de slak, en in het bijzonder het

ferrochroom, niet in aanraking komt met de electroden, daar anders carbiden gevormd worden, die het C-gehalte van het bad verhogen.

Tijdens de reductie-periode neemt de temperatuur van het bad

langzaam af. De spanning ~p de electroden is nu minimaal, terwijl

er vrijwel geen exotherme reacties meer plaatsvinden. Tegen hèt einde van deze periode dient men juist de meest gunstige

giet-temperatuur bereikt te hebben, d.i. de laagste giet-temperatuur, waarbij de smelt nog voldoende vloeibaar is om de gietvormen snel en ho-mogeen te kunnen vullen; laat men de metaallading van de oven eerst afvloeien in een gietpan om van daaruit te kunnen gieten op een

gewenste plaats, dan dient men de giettemperatuur van de oven .

v~zelfsprekend in voldoende mate hoger te kiezen. De uiteindelijke

giettemperatuur is afhankelijk van de samenstelling en bedraagt ongeveer 1200°C.

Op de, in het voorgaande gegeven, ovenwegingen is de smelt-tabel gebaseerd, die zal volgen in het verdere deel van het verslag •

~. Eigenschappen van 18-8-staal.

1. Definitie.

Onder 18-8-staal verstaat men een uitgebreide groep van staal-soorten, die alle, in min of meerdere mate, dezelfde eigenschappen

vertonen en Cr en Ni al~ legeringselementen bevatten. De naam

heeft oorspronkelijk betrèkking op een staalsoort met IS~ Cr en

8%

Ni, maar tegenwoordig geeft men deze naam aan elk Cr-Ni-staal,

dat geheel of grotendeels austeni tisch van structuur is, ook al he.e.t1::

het Cr- en N~-gehalten, die afwijken van genoemde waarden.

Alvorens over te gaan tot een bespreking van de structuur van 18-8-staal, zullen we eerst een korte opsommtng geven van de

eigenschappen van deze groep. Er bestaat uiteraard een nauwe samen~

hang tussen deze eigenschappen en de structuur van het staal ener-zijds, de toepassingsmogelijkheden anderzijds.

2. Algemene eigenschappen.

Enige karakteristieke eigenschappen van l8-8-staal z~Jn (4):

goede corrosiebestendigheid; bij warmtebehandeling treedt geen

harding op; behoorlijke elasticiteit; vrij hoge

uitzettingscoëf-ficiënt; hoge warmtegeleidbaarheid; niet-magnetisch.

Evenals bij niet-gelegeerd staal zijn deze eigenschappen afhankelijk van de voorbehandeling van het materiaal. Degene, die hier genoemd zijn, hebben betrekking op IS-S-staal, dat korte tijd (b.v. 10 min.) verhit is geweest op 1100°C en daarna snel is

afgekoeld. Voor bepaalde doeleinden geeft men het staal so~s

andere eigenschappen: door koud trekken b.v. is het magnet~sch te

maken, terwijl het de corrosiebestendigheid behoudt; draad van dit

materiaal is· zeer geschikt voor gebruik in wire-recorders (5.6.7~.

I I r I

3. Toepassingen.

De meest belangwekkende eigenschap van 18-8-staal is zijn corrosiebestendigheid. In combinatie met goede mechanische eigen-eigenschappen en een betrekkelijk lage kostprijs maakt deze het staal zeer geschikt voor industrieële toepassingen. De chemische resistentie is echter maar betrekkelijk en voor bijzmnder corro-sieve vloeistoffen als verdund of sterk HCl zal men speciale ma-terialen moeten gebruiken-die duurder zijn en/of moeilijker te

bewerken. - .

De gewone typen (A.S.M.E. no. 302, 304) worden bij kamer-temperatuur zo goed als niet aangetast door de volgende stoffen

(4,8): oxyderènde zuren (b.v. HN03 ) , peroxyden, chromaten,

sul-fa_ten van Cu, Fe en Hg, verschillende organische zuren.

Deze staalsoort is echter niet bestand tegen heet H1..S0lf of

tegen H~FO~, HCl en waterige oplossingen van halogeniden.

Toevoeging van Mo (A.S.M.E. no. 316, 317) geeft een

verbe-tering van de corrosiebeste~digheid in de volgendemilieu's:

H~SO~, waterige oplossingen van S01, H3FO~ (bij kamertemperatuur),

hete oplossingen van sterke organische zuren b.v. azijnzuur en melkzuur •

4. structuur van l8-8-staal. _,

Het gehele corrosieprobleem houdt ten nauwste verband met de kristallografische structuur van het staal. Deze structuur wordt bepaald:

a. door de hoeveelheden der verschillende legeringselementen: Cr, Ni, C, Si, Mn en eventuele speciale toevoegingen.

b. door de voorbehandeling van het staal.

a. Wanneer l8-8-staal gedurende 10 min. bij 1100°C is verhit, en daarna plotseling is afgekoeld, heeft de samenstelling binnen wijde grenzen nauwelijks invloed op de structuur. Het staal heeft

dan een vrijwel homogene austenitische structuur en is, al naar-gelang de samenstelling van dit austeniet meer of minder resistent

tegen de inwerking van chemicaliën (Zie

3).

Er moet echter voldaan

zijn aan de voorwaarden: (Ni)+(Cr)<5Q% en (C)<0,2%.

b. In de praktijk wordt het staal echter zelden in de afge-schrikte toestand gebruikt. Het ondergaat meestal nog een behan-deling bij verhoogde temperatuur. De meest voorkomende bewerkingen zijn: lassen (tanks etc.) en spanningsvrij maken (gietstukken, b.v. afsluiters)

In het temperatuurgebied van 500°C tot 900°C treedt ontmen-ging in het materiaal op. Er kunnen zich, afhankelijk van de sa-menstelling van het staal, de volgende verschijnselen voordoen:

~·Vorming van Cr-carbide op degrensvlakken der kristallen. r.Ontleding van austeniet in austeniet en ferriet.

~Afscheiding·van de zgn. 5 -phase (de verbinding NiCr) uit ferriet.

ad.o(. Verhitting tussen 500 "C. en 900°C veroorzaakt de preci-pitatie van Cr-carbide op de begrenzingsvlakken der kristallen. Het Cr-gehal~e van het austeniet in de nabijheid van deze

carbide-deeltjes wordt lager dan in de rest van het metaal. Dit kan zeer

ernstige aantas~ tengevolge hebben. Men tracht dit dan ook te

voorkomen door aan de smelt elementen toe te .voegen, die een gro-tere affiniteit voor C hebben dan Cr, zoals titaan, vanadium en ·nmobium (9 t/m 13). De carbiden van deze stoffen scheiden zich bij

de gieting als afzonderlijke phasen af. Op deze wijze wordt voor-komen, dat bij de nabehandeling plaatselijk diffusie van legerings-elementen uit hetausteniet optreedt. Men noemt een, op dergelijke wijze gelegeerd staal: duplex- staal ofwel gestabiliseerd staal.

ad.~ ent. Het gebruik van duplex-staal heeft echter de

volgende nadelen: ,

1. Toevoeging van Ti etc. veroorzaakt een'vrijwel volledige bin-ding van C. Hoewel de vorming van Cr-carbide daarmee voorkomen

wordt, treden nu de onder f3 en~ genoemde bezwaren naar voren.

Om-dat het C-gehalte vrijwel gelijk aan nul is, ontstaat bij de warmtebehandeling ferriet (10, 16). Deze ferriet-phase bevat een

hoger ~ercentage legeringselementen dan de austeniet-phase,

het-geen de corrosie weer in de hand werkt, ofschoon niet in zo ern-stige mate als de afscheiding van Cr-carbide. Bovendien ontstaat ui t het ferriet nog een derde phase, de zgn. d -phase (NiCr). Bij

18-8-staal met

3%

Mo, dat bovendien Ti bevatte, heeft men

waar-genomen, dat na een verhitting gedurende 5 min. op 8504

C een

aan-zienlijke hoeveelheid d ontstaat (10,16) .

~ 2. De kostprijs van de gebruikte legeringsmaterialen is hoog.

Resumerende kan men zeggen, dat duplex-staal duur is, zonder dat het een buitengewoon grote stabiliteit bezit.

Men streeft er nu naar om in gewoon 18-S-staal de hoeveelhe-den der verschillende legerinselementen zo tegen elkaar af te wegen, dat tijdens het lassen en/of spanningsvrij maken de cor-rosiebestendigheid niet noemenswaard vermindert. Op deze wijze vergroot men de mogelijkheid tot verwerking van een goedkoop ma-teriaal, dat in vele milieu's voldoende resisitent is.

Phasentheoretisch bezien' iS,het systeem lS-S-staal zeer

in_ge'wikkeld. door het grote aantal componenten en de verschillende vaste phasen, die kunnen optreden. Er bestaat echter; naar ana-logie met het systeem ijzer-koolstof, een kritieke C-concentratie.

Is het C-gehalte lager dan die waarde, dan vorm~ zich bij

ver-hitting ferriet, is het

XxgKX

hoger, dan vindt afscheiding van

carbiden plaats (13). Deze kritieke C-concentrat~e ligt voor de

verschillende typen 18-S-staal tussen 0,.02 en 0,06 %C.

Het is echter moeilijk om staal te maken met een C-gehalte

<0,04 'fa; men doet er ~aarom beter aan • de hoeveelheden der le-geringselementen aan te passen aan het te verwachten C-percentage.

In de literatuur worden verschillende betrekkingen tussen de percentages der componenten vermeld, waaraan voldaan zou moeten worden om een stabiele, volledig austeni tische s.tructuur te ver-krijgèn (13, 17, IS).

De meest volledige formule, waarin behalve de percentages van Cr, Ni en C, ook die van Mn, Si en N verwerkt zijn, geeft als

betrekking tussen de hoeveelheden der bestanddelen(13): '

ol. Ni::." tOl., CY' ot- I,a .l%~t'\.) -+ "L,-S-l"/o~Q-I~r- + 1.3 - :!Ia l% c.) - a6 (Yo N} - 0,-5" (% MY\) - - -- --

["1

.

.'2.

Voldoet het Ni-gehalte aan deze betrekking, dan is na

ver-hitting gedurende 2 uur op'650~C'en däarop volgende afkoeling aan

de lucht, de ontstane hoeveelheid ferriet minimaal. Is het Ni-gehalte hoger, dan wordt er geen ferriet meer gevormd (behalve tijdens het afkoelen, wanneer men een temperatuurgebied passeert, waarin austeniet in evenwicht is met ferriet èn Cr-carbide beide;

bij snelle afkoeling is deze hoeveelheid e,chter te verwaarlozen~,

maar ontstaat er Cr-carbide. '

Aan d.e hand van corrosie].)roeven werd aangetoond, dat 18-8-staal, volgens bovenstaande formule samengesteld, bij de warmte-behandeling een veel geringere verkleining van de resisitentie

ondergaat dan staal met een afwijkend Ni-gehalte. Vooral een te hoog Ni-gehalte blijkt een sterke afname van de stabiliteit te veroorzaken.

-.

".~I

Fórmule (4] is geldig voor de volgende samenstellingen: Fe:> 50% ; Cr 16-25

ra ;

Ni 5-25

ra ;

Si< 0,5

ra ;

Mn < 1,5

ra ;

C <,0,06

ra ;

N 0,1-0,2

ra •

.

Opgemerkt moet nog worden, dat men formule [41 niet mag toepassen op materiaal dat andere, bewerkingen heeft ondergaan, b.v. koud getrokken staal.

Men krijgt er echter een goede indruk mee, of het product voldoende stabiel is t.o.v. een normale warmtebehandeling. We zullen [4] dan ook toepassen ter controle op de bruikbaarheid van het door ons bereide staal; deze controle volgt na de mate-riaalbalans.

Voor het product zijn de volgende afwijkingen van de

vereis-te samensvereis-telling toelaatbaar (13): .

Cr ... 1,0

ra ;

Ni ... 1,0 % ; Mn ... O,5

10 ;

Si"""O,2 % ; C ... 0,005'fo; N.-.JO,OOZ1fo.

E. De smelttabel.

(2,pag.64)

0.00 h. Gieting (vorige smelting)

0.10 h. Begin laden: 5700 kg schroot en 600 kg Ni.

0.30 h. ~ading geëindigd; stroom in onder max. spanning (220 V)

1.10 h. Toeslag van 68 kg kalk; spanning teruggebracht op 170 V.

1.45 h. Toeslag van 46 kg kalk; spanning teruggebracht op 110 V.

1.55 h. Toeslag van 93 kg ijzererts. 2.15 h. Begin afslakken van de frisslak. 2.25 h. Einde afslakken van de frisslak.

2.35 h. Vorming van de reductieslak: 113 kg kalk, 12 kg

vloei-spaat en 40 kg kwartszand. 3.10 h. Toeslagen: 700 kg FeCr. 3.15 h. Toeslag: 50 kg Ni. 3.40 h. Toeslag: 700 kg FeCr. 4.10 h. Toeslag: 675 kg FeCr. 4.45 h. Toeslag: 32 kg FeMn.

4.50 h. Toeslag: 35 kg kalk en 12 kg FeSi (fijn)

5.00 h. Eindtoeslag:50 kg FeSi (stukvormig)

-,"

5.25 h. Gieting.

Grootte der productie:

Per smelting wordt geproduceerd ca. 8360 kg l8-8-staal.

Taxeren we het aantal bedrijfsuren: 350~24 ,dan wordt dus

de jaarproductie: 8360X350~24/5,5~1/1000

₌

ca. 12,7 ton/jaar.

[ ..

Verloop ~ het proces:

De grondstoffen worden, in de volgorde en in hoeveelheden zoals aangegeven in de smelttabel, in de oven gebracht. Vanaf de opslagruimte worden ze, na weging, getransporteerd naar het ovenbordes, vanwaar· ze met de hand of m.b.v. vulbumkers aan de oVènlading worden toegevoegd via de, op het ovendeksel aange-brachte, vultrechters; het schroot wordt echter gedoseerd na lichten van ovendeksel en electroden.

De vlamboogoven heeft een badinhoud van 1,5 m3

, . een bui

ten-doorsnede van 3,6 m en een binnehten-doorsnede van 1,6 m; de bekle-ding bestaat uit dolomietsteen. De gietpan heeft een inhoud van

ca. l.4 m3 _{en is bekleed met dolomietsteen met een laagdikte van}

28 cm; de gietstalen wand is 'Z cm. dik.

~ De materiaalbalans.

Voor het opmaken Van de materiaalbalans werd uitgegaan van de volgende veronderstellingen:

1. Mn, Si, P en C, aanwezig in het schroot, worden volledig

geoxydeerd en gaan gaheel in de slak over.

2. Bij het eind van de oxydatie-periode bevat het bad Fe,

FeO en FeS. De hoeveelheid FeS is geli~k aan de hoeveelheid,

oorspronkelijk aanwezig in het schroot. Het FeO-gehalte bedraagt

I tfo; deze waarde is lager dan die men vindt door extrapolatie van de in (2) vermelde waarnemingen (ong. 3%); dit verschil houdt

o.a. verband met de traagheid van de diffusie (zie onder

II).

3. Tijdens de reductie-periode worden eventueel aanwezige oxyden van Cr en Mn, evenals het FeO in' de slak, volledig

gere-duceerd door FeSi, w,aarbij Cr, Mn, Fe en de' overmaat FeSi geheel

door het metaalbad worden opgenome~.

4.

FeS wordt geheel door de reductie-slak opgenomen.

De same~stelling van de grondstoffen is als volgt: Schroot:

Mn 0,5~r si O,5~ ; C 0.2~; P 0.1%; FeS 0,1%; FeO 5,4%; Fe 93,2~.

FeCr: Or 71~; Fe 28,35%; Si 0,12%; C 0,03%. FeMn: (2): . Mn 82~ 0, ~; Fe 17, Otfo • FeSi (2): Si 7~e 24%. Ni: Ni 99,9tfo. Magnetiet (2'1):

Fe30Lj 95~ ; rest : MnO, FeO, SiÛ1... CaO, MgO. Kalk (als bij ferrochroombereiding): CaO 90%; rest: MgO, ,Si01., FeO, Al '1. 03 , C62,..

De verontreinigingen in het magnetiet spelen geen rol; die in kalk, vloeispaat en zand, worden eyeneens geacht niet van

invloed te zijn op de samenstelling van het uiteindelijke metaal. Het gebruikte nikkel wordt aangenomen voor 100% uit Ni te bestaan.

•

..

I. Oxydatie-periode" Grondstoffen: Schroot . Magnetiet Kalk Nikkel Totaal 5700 kg 92 kg 114 kg 600 kg

6506 kg Fe-t-FeO-\-FeS (bad) -\- slak -T

cot •

A. ~ •

a. Fe

1. In schroot aanwezig 93,2/100 y. 5700

=

2. Ontstaan door de reactie FeO+X~Fe+XO

X=Mn: 0,005)(57001(1/55=0,56 kgmol Mn= 0,,56 kgmol Fe

X~Si: 0,005~5700x1/28=1,02 kgmo1 Si: 2,04 kg~ol Fe

X:C : 0,002x5700xl/12=O,95 kgmo1 C

=

0,95 kgmo1 Fe

Xcp : O,OOlx5700~1/31=O,18 kgmol P : 0.45 kgmol Fe Totaal ontstaan 4,00 kgmo1 Fe= 3. Verwijderd door de reac--rrej Som

van

1 en 2 :

Fe~OIt+Fe ~ 4 FeO : 0, 95'1.92x56/232 = .Totaal aanwezig: b. FeO: ca. 1% = 0,01)<.5513 = c. FeS: 0,001).5700 .... d. Ni :. Totaalgewicht bad

B.

_-

Slak. a. Kalk:

b. FeO: ontstaan door de reactie: Fe:? 0,,+ Fe - 4 FeO

4x72/232~92x95/100-opgenomen uit schroot: 0,054~5700:

c. SiOl.: uit schroot 60i28)(

0,005x5700=-d. MnO : uit schroot 71/55 ~ O. 005~ 5.100 =

e. P,05": uit schroot 142/62 x. 0,001x₅₇₀₀ =

f. Verontreinigingen uit magnetiet O,05~92~

5312 kg Fe 224 kg Fe + 5534 kg Fe 21 kg Fe 5513 kg Fe. 55 kg FeO 6 leg FeS 600 kg Ni 6174 kg. 114 kg 108~ kg 308 kg 61 kg 36'r kg 125" kg 4~kg

Totaal opgenomen in de slak 645 kg. Verwijderd uit de slak:

h. door de reactie FeO+X~Fe+XO

4,00 kgmo1 FeO (zie A,a,2): 4)1.72= 288 kg

k. door opname van 1% FeO (overmaat)

door het bad: O,Ol~5515= 55 kg

Totaal verwijderd uit de slak 303 kg.

Dus totaalgewicht slak: 645 - 343

=

302 kg.

C. CO. 28/12 ~ 0,002~5700

=-

27 kg.

• o a Balans oxydatie-periode: Grondstoffen: Schroot 5700 kg Magnetiet 92 kg Nikkel 600 kg Kalk 114 kg Totaal 6506 kg Producten: Bad 6174 kg Slak 302 kg CO 27 kg Totaa16503 kg. II. Reductie-periode • Grondstoffen: Bad Ni FeCr FeMn Kalk Vloeispaat Kwartszand FeSi Totaal 6174 kg 50 kg 2075 kg 32 kg 148 kg 12 kg 40 kg 62 kg 8593 kg A. Bad. Badsamenstelling: 5513 kg Fe 55 kg FeO 6 kg FeS 600 kg Ni 6174 kg totaal.

Voor de reductie van 55 kg FeO volgens de reactmmvergelijking: Si;- 2 FeO - ! t 2 Fe ~ SiO'l., is nodig:

28/144)(.55= 10,7 kg Si =: 100/76~10.7 -14 kg FeSi.

In overmaat is dus aanwezig: 62-14.,.. 48 kg FeSi. a. Fe: in bad aanwezig als Fe

ui t FeO: 56/72 )(. 55 ==

uit FeSi: 24/100~62=

uit FeCr: 28,35/100)(.20,75= ui t FeMn: 17 /100~ 32

=-b. Ni: i~ bad aanwezig

toegevoegd

c. Cr: uit FeCr 0, 7l5~ 2075 =

d. Mn: uit FeMn 0, 82~32 =

oe. Si: uit overmaat FeSi 0,76~48=

uit FeCr 0,00121. 2075=

f. C ~it FeCr O,0003~2075=

ui t FeMn 0,006)(32

=-Totaal aan Fe Totaal ?-an Ni Totaal aan Si Totaal aan C Totaalgewicht bad B. Slak. a. Kalk b. Vloeispaat c. Za",nd

d. SiO.1. uit FeSi: 60/144)(.55= e. FeS: 0,001)(.5700-:. Totaalgewicht slak 148 kg 12 kg 40 kg 23 kg 6 kg 229 kg : 5513 kg 43 kg 15 kg 588 kg 5' kg 6164"' kg 600 kg 50 kg 650 kg 1484 kg 26 kg 36'; kg 2'S"kg 39 kg 0,6kg

Ji'2kg

_kg 8364 kg.

Balans reductie-Eeriode:

Grondstoffen: Producten: Samanstelling van' de smelt:

Bad 6174 kg Bad 8364 kg Fe, 6,164 kg == 73,7 %

F~Cr 2075 kg Slak 229 kg Ni 650 kg :: 7,77% Ni 50 kg Cr 1484 kg ₌₌ 17,74tfo FeMn 32 kg Mn 26 kg

_-

0,31% Kalk 148 kg Si 39 kg

₌

0,47% Vloeispaat 12 kg C 1 kg =- 0,01% Kwartszand 40 kg FeSi 62 kg

"

Totaal 8593 kg Totaal 8593 kg Tot: 8364 kg =.100,0 %

• In de praktijk blijkt het staal ook nog geringe hoeveelheden

•

•

P, S en N te bevatten, terwijl het C-gehalte tengevolge van op-name van electroden-koolstof hoger is,dan uit de berekening volgt.

Bij een smelting van l8-8-staal van overeenkomstige

samen-stelling werden de volgende waarden gevmnden (19): '

S 0,01 % ; P O,Or%; N 0,11 % ; C 0,057 % ; totaal 0,18 %_

De invloed van deze kleine hoeveelheid stof op de boven bere-kende percentages der componenten is te verwaarlozen.

Controle op de samenstelling i.v.m. de structuur:

-Bij de tee~assing van formule [4) worden de,uit de

stof-balans ber'ekende, percentages voor Ni, Cr, Mn en Si aangehouden;

het C-gehalte wordt gesteld op 0,057% en het N-gehalte op 0,11% (19) • Formule [4] geeft nu het volgende resultaat:

2-%Ni = (%Cr+-2, 5~ .%Si-16) /12 ~13-30(%C) - 36(%N) - 0,5(%Mn) .

0,70 -T13 -1,71-3,96-0,15 = 7,88 %Ni. 'faNi aanweZig in het 18-8-staal: 7,77 'fa.

Het Ni-gehalte, voldoende om juist een volledig austenitische structuur te verkrijgen (7,88 %) is dus, binnen de toelaatbare

af-wijking (1

%

absoluut), gelijk aan het uit de stofbalans berekende

, t8

G. Geraadpleegde literatuur:

1. E.Gregory, E.N.Simmns, Stainless and heat-resisting steels, 1946. 2. A.de Sy, Siderurgie en electro-siderurgie, 1947.

3. H.C.Vacker, F.H.Hamilton, Trans. Am. Inst. of mining and met. eng.

95, 124, (1931). 4. Metals Handbook, 541 (1939)

5. Zwitsers patent 263.125

6. Frans p~tent 953.107

7. Brits patent 611.836

8. W.Z.Friend, F.L.Laque, Ind. Eng. Chem. ~, 965, (1952).

9. Duits patent 767.167

10. ~.Smith, K.Bowen, J.lron Steel Inst. 158, 295, (1948).

11. Zwitsers patent 268.220

12~ Zwitsers patent 266.41~

13. Amerikaans patent 2.602.737 14. Zwitsers patent 279.682

15. R.Franks c.s., T~ans. Am. Soc. Metals, 29, 35, (1941)

16. H.Kirkby, J.Mor1ey, J.lron Steel Inst. 158, 289, (1948)

17. Frans pate~t 963.332

18. Zwitsers patent 279.682

19. W.Farnsworth, E.Johnson, I.Iron Steel Inst. 138, 297,(1938) 20. C.L.MantelI, Industrial Electrochemistry, 1950, pag. 557 e.v.

21. A.Levasseur, L'éle'ctrochimie et l'élel:trométallurgi~, 1947,

deel II, pag. 129 e.v.

22. W.F.Brandsma, Kennis der metalen, 1946, pag. 53 e •. v. 23. F.T.Sisco, H.Siegel, Das Elektrostahlverfahren, 1951.

24. F.U11mann, Enzyk10pädie der Technischen Chemie, IV, 203, (1943).