Výroba oceli
Proč se vyrábí ocel
Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. Železo má všestranné využití při výrobě slitin a pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem.
Jedním z klíčových okamžiků výroby železa tavením z železné rudy je tzv. nauhličování železa, protože s rostoucím obsahem uhlíku v železe klesá jeho teplota tání, což je pro výrobu výhodné. Zatímco čisté železo taje při 1535 °C, slitina železa s uhlíkem obsahující 4,3 % uhlíku taje již při 1130 °C. Surové železo vyrobené klasickým způsobem proto obsahuje cca 3-4 % uhlíku. Nadměrná přítomnost uhlíku v surovém železe však způsobuje jeho křehkost (není kujné) a tím i nevhodnost k použití jako konstrukčního materiálu např. ve strojírenství.
Surové železo se proto pro jeho další využití obvykle zpracovává na ocel snížením obsahu uhlíku (výsledný obsah nanejvýš 2,14 % uhlíku). Při výrobě oceli se kromě snížení obsahu uhlíku snižuje obsah nečistot (síra, fosfor) a naopak jsou do slitiny jsou dodávány další, tzv. legující prvky, např. mangan, křemík, hliník, chrom, nikl apod. Existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi, jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších.
Historie výroby oceli
Stáří nejstarších nalezených kousků oceli je odhadováno na přibližně 4000 let. Od těch dob do současnosti prošla výroba oceli dlouhým vývojem a podstatnými změnami:
Starověká ocel
Oceli na počátku našeho letopočtu
Moderní metody výroby oceli
Od 17. století je prvním krokem v evropské výrobě oceli přeměna železné rudy na surové železo ve vysoké peci - původně pomocí dřevěného uhlí. Nyní se místo dřevěného uhlí používá koks, což se ukázalo být výhodnější. Moderní metody výroby oceli lze přibližně rozdělit do tří následujících skupin:
Metody vycházející z prutového (tyčového) železa
Metody vycházející ze surového železa
Recyklační metody
Starověká ocel
Ocel byla známá již ve starověku. Nejstarším známým dokladem výroby oceli jsou kousky oceli nalezené na archeologickém nalezišti Kaman-Kalehoyuk v Anatolii (cca 100 km severovýchodně od Ankary) o stáří cca 4000 let.
Jiné starověké oceli pocházejí z východní Afriky (cca 1400 let př. n. l.).
Kolem roku 650 př. n. l. byla ocel ve velkých množstvích vyráběna ve Spartě.
Oceli na počátku našeho letopočtu
Výroba mramorované oceli s vysokým obsahem uhlíku v Indii má své počátky přibližně 300 př. n. l.
Tato ocel se během 1. poloviny 1. tisíciletí n. l. zdokonalila v tzv. damascenskou ocel, která je dodnes proslulá svou pevností a schopností držet ostří. Byla vyráběna z velkého množství různých materiálů včetně různých stopových prvků. Při výrobě se v tehdejší době využíval přírodní vítr a k dosažení vysoké teploty se používalo hoření dřeva.
Nejstarší tyglíková ocel, vyráběná pomalým zahříváním a ochlazováním čistého železa a uhlíku (obvykle ve formě dřevěného uhlí) v tzv. tyglíku, byla vyráběna v obci Mery na území dnešníhoTurkmenistánu v období 9.-10. století n. l.
V 11. stol. n. l. existovala výroba oceli v Číně za využití dvou technologií, z nichž jedna poskytovala nehomogenní oceli nižší kvality, druhá byla předchůdcem moderního Bessemerovacího procesu a dosahovala částečné dekarbonizace opakovaným kováním v proudu chladného vzduchu.
Metody vycházející z prutového (tyčového) železa
V těchto procesech se surové železo kovalo v kovárnách do prutového (tyčového) železa, ze kterého se pak vyráběla ocel. Výchozím materiálem pro výrobu kovaného železa bylo železo pudlované, ze kterého je postavena např. Eiffelova věž v Paříži.
K významným technologiím spadajícím do této skupiny výrobních metod patří:
• pudlování
• cementační proces
• tyglíková (kelímková) ocel
Pudlování
Při pudlování se nejprve připravila tzv. pudlovací pec. Ochladila se a její stěny i rošty se potřely hematitem (Fe2O3), který sloužil jako ochrana, aby se roztavený kov nepropálil pecí. Surové železo se pak v pudlovací peci roztavilo a při současném silném proudu vzduchu se promíchávalo dlouhými tyčemi ukončenými háky, aby všechny části taveniny měly přístup ke vzdušnému kyslíku. Nejprve se tímto způsobem odstranila síra a fosfor - vytvořily plyny, které z pece unikly. Pak bylo přidáno palivo, tím stoupla teplota a začal hořet i uhlík obsažený v roztaveném surovém železe. Aby se zbavila uhlíku celá lázeň, museli taviči obsah neustále promíchávat dlouhou tyčí. Tím jak ubývalo uhlíku v roztaveném kovu, docházelo ke změně bodu jeho tuhnutí (směs železa s uhlíkem má nižší bod tuhnutí než čisté železo). Tavenina proto začala houstnout a objevovaly se v ní tuhé kusy, nazývané vlky. Právě ty obsahovaly kujné železo s malým obsahem uhlíku. Taviči je pomocí háků vytahovali. Vlky se na hamrech vykovávaly na dlouhé železné pruty. Tímto tvářením se zbavily nečistot, strusky a popela. Také se zjemnila struktura železa a krystaly se podélně zorientovaly, což přispělo ke zvýšení pevnosti. Tím byly získány polotovary, které pak dále mohli zpracovávat kováři na tyče. Jenže tyče nebyly dostatečně tlusté a daly se z nich vyrábět jenom malé předměty. Na větší věci bylo zapotřebí svářkového železa. Jeho výroba byla práce pro hamry.
Cementační proces
Popis výroby oceli cementačním procesem byl publikován v Praze roku 1574 a využíval se v Norimberku od r. 1601. Obdobný proces pro zpevňování povrchu brnění byl publikován r. 1589 v Neapoli.
Cementování nebo cementace je označení pro proces povrchového zušlechťování oceli tím, že se v povrchové vrstvě výrobku zvyšuje obsah uhlíku (do 0,25 %), což pak umožňuje povrchové kalení. Nauhličená vrstva bývá 0,5 až 1,5 mm tlustá, hotový výrobek zůstává uvnitř houževnatý a na povrchu je tvrdý.
Cementování používali už staří Římané.
K dodávání uhlíku lze použít:
• cementační prášek, v němž se materiál žíhá při teplotě kolem 930 °C (v praxi se to dělávalo žíháním v prášku obsahujícím 20% krevní soli, 10% sody a 70% práškového dřevěného uhlí); http://mve.energetika.cz/uvod/pudlovna.htm
• rozpustné uhlíkaté látky, obvykle kyanidy; protože jsou většinou jedovaté, tento způsob se dnes už nepoužívá;
• uhlíkaté plyny, nejčastěji propan, butan nebo acetylen, smíšený s neutrální atmosférou, aby nevybuchl; tato metoda je v současnosti nejvíce používána;
• účinnost plynné cementace se zvýší, pokud se provádí ve vakuové peci při velmi nízkém tlaku uhlíkatých plynů.
Tyglíková (kelímková) ocel
Tyglíková (kelímková) ocel představuje celou řadu rozličných technik výroby oceli v tyglíku. Její výroba je v podstatě rafinační proces, ve kterém je jiná forma z oceli, než byly získány kováním (tzv. svářková ocel), roztavena v tyglíku za vzniku produktu homogennějšího než vzniká kováním.
Nejstarší tyglíkové oceli jsou dokladovány v Indii a na Srí Lance přibližně ve 3. stol. př. n. l., později pak mezi 8. – 12. stol. n. l. ve střední Asii (Uzbekistán, Turkmenistán).
Počátky moderní evropské výroby tyglíkové oceli spadají do 18. stol. n. l. Tyglíková ocel byla v Evropě vyráběna v manufakturách.
Metody vycházející ze surového železa
Moderní éra výroby oceli začíná zavedením Bessemerova procesu (1858) do praxe. Výchozí surovinou je surové železo. Tím se začala ocel vyrábět ve velkých množstvích tak levně, že měkká ocel se začala používat tam, kde se dříve používalo kované železo. Zlepšením Bessemerova procesu byl tzv. Gilchrist-Thomasův proces. Základem vylepšení bylo vyložení konvertoru zásaditým (bazickým) materiálem pro odstranění fosforu. Další zlepšení výroby oceli byl Siemens-Martinův proces, čímž byl vývoj Bessemerovy metody završen.
Výše uvedené metody výroby oceli se staly zastaralými s příchodem Linz-Donawitzova procesu (50. léta 20. stol.) a metod z něj vycházejících. Linz-Donawitzův proces je založen na skutečnosti, že profukování kyslíku roztaveným surovým železem snižuje obsah uhlíku ve slitině a mění ji na nízkouhlíkovou ocel. Proces se nazývá „basic“ díky bazicitě použitého žáruvzdorného materiálu (oxid vápenatý a oxid hořečnatý) pro nádobu s roztaveným kovem. Předností této metody je skutečnost, že kyslík hnaný do pece nezanáší do taveniny tolik nečistot jako vzduch, který používaly dřívější metody.
Bessemerovací proces
Moderní éra výroby oceli začala zavedením Bessemerovacího procesu (1858) do praxe.
Výchozí surovinou bylo surové železo. Bessemerovací proces byl založen na odstranění nečistot z roztaveného železa pomocí jejich oxidace vháněným vzduchem.
Bessemerův konvertor je velká nádoba charakteristického hruškovitého tvaru, do níž se nalilo roztavené surové železo. Na dně nádoby jsou kanály, jimiž byl do železa vháněn vzduch. Ten oxidoval nežádoucí příměsi, např. křemík, mangan a uhlík. Vznikající oxidy poté ve formě par unikaly otevřeným ústím konvertoru.
Siemens-martinův proces
Při zkujňování železa v Siemensově-Martinově peci (1878) se železo tavilo účinkem tepla vznikajícího přímo průchodem elektrického proudu surovým železem, nebo nepřímo vznikem elektrického oblouku nad povrchem železa.
Siemens-Martinská pec je pec s uzavřeným tavným prostorem, který spočívá na ocelové nosné konstrukci a je vyzděná nebo vypěchovaná ohnivzdorným materiálem. To je obvykle na bázi magnezitu (proces zásaditý) nebo křemíku (proces kyselý). V podélné stěně pece jsou pracovní otvory uzavřené dveřmi. Tyto slouží k plnění pece vsázkovým materiálem a k údržbovým pracím Podle druhu použité vyzdívky a chemických vlastností strusky, tj. její bazicity (poměr zásaditých a kyselých oxidů), se rozlišuje proces kyselý a zásaditý. V praxi je rozšířen proces zásaditý, který umožňuje odsíření a odfosfoření taveniny. Jako vsázkový materiál slouží ocelový odpad (šrot), surové železo v pevné nebo roztavené formě. Jako struskotvorné přísady jsou používány pálené vápno (CaO), vápenec (CaCO3) a železná ruda.
Výše uvedené metody výroby oceli se staly zastaralými s příchodem Linz-Donawitzova procesu(50. léta 20. stol.) a metod z něj vycházejících. Linz-Donawitzův proces je založen na skutečnosti, že profukování kyslíku roztaveným surovým železem snižuje obsah uhlíku ve slitině a mění ji na nízkouhlíkovou ocel. Proces se nazývá „basic“ díky bazicitě použitého žáruvzdorného materiálu (oxid vápenatý a oxid hořečnatý) pro nádobu s roztaveným kovem. Předností této metody je skutečnost, že kyslík hnaný do pece nezanáší do taveniny tolik nečistot jako vzduch, který používaly dřívější metody.
Siemensův-Martinův způsob vytlačil bessemerační proces díky hospodárnějšímu provozu a snadnější regulaci složení oceli.
Recyklační metody výroby oceli
Dnes se jako běžná metoda pro recyklaci železného odpadu na novou ocel používají elektrické obloukové pece (patentováno 1878 - 1879, Sir William Siemens). V principu je také možné je použít na přeměnu surového železa na ocel, avšak pro velkou energetickou náročnost jejich provozu se k tomuto účelu využívají jen tehdy, je-li k dispozici bohatý zdroj levného elektrického proudu.
|
