KAPITOLY

Home » Kapitola 2 - Výroba oceli

Kapitola 2 - Výroba oceli

Jak se vyrábí železo a ocel?

Věci kolem nás jsou tvořeny z různých materiálů. Některé materiály pocházejí z rostlin, zvířat nebo jsou dobývány ze země. Mnohé předměty se vyrábějí z kovů nebo ze směsí různých kovů zvaných slitiny [1]. Slitina má často zcela jiné vlastnosti než kovy, z kterých se skládá. Jen málo kovů se v přírodě vyskytuje v čisté formě. Jsou to např. platina, měď, část stříbra a zlato. Většinu ostatních kovů získáváme z hornin zvaných rudy. Ruda je sloučenina kovu s jinými prvky [2]. Z rud se kovy získávají jejich zahříváním v procesu tavby. Měď a bronz patří mezi první kovy, které lidé používali. Dnes jsou nejrozšířenějšími kovy železo a ocel [1]. Ocel je směsí železa s malou, přesně definovanou příměsí uhlíku, která se vyrábí tavením železné rudy [3].

Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů rozvoje současné civilizace. Železo má všestranné využití při výrobě slitin a pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem [4]. Z hodin dějepisu na základní škole si každý z nás pamatuje klasifikaci pravěkých společností. Známe nejstarší dobu kamennou, dále dobu bronzovou, po které následovala doba železná. Všechna tato tři období mají jednoho společného jmenovatele. Jsou pojmenovány po materiálu, se kterým člověk nejvíce pracoval, denně jej používal a jehož využívání ho postrčilo v pokroku vždy o kus dopředu. Doba železná je členěna v našem geografickém regionu na starší a mladší dobu železnou. Přičemž ta mladší sahá až k počátku našeho letopočtu, kdy se na našem území usadili Keltové. Nicméně počátky výroby železa (hlavní suroviny pro výrobu oceli) sahají až do třetího tisíciletí před naším letopočtem, kdy surové železo vyráběli Chetité. Železná ruda se tehdy zahřívala v mělkých jamách s velkým množstvím dřevěného uhlí rozdmýchávaného měchem. Získaly se tak slinuté kusy kujného železa, které se stavovaly mocným kováním.

Chetité si toto tajemství však žárlivě střežili a tato „patentová ochrana“ vypršela až se zánikem jejich říše někdy okolo roku 1200 před naším letopočtem, odkdy se datuje doba železná [5]. Teprve v pozdějších dobách začali lidé získávat železnou rudu z podzemí. Staří hutníci neuměli ještě vyvinout takovou teplotu, při které by železo roztavili na tekutinu. Vznikla těstovitá hmota,v níž byly částečky vytaveného železa a částečky ostatních prvků spečených do strusky. Když pec vychladla, vyjmuli hutníci hroudu ztuhlé taveniny, kterou znovu roztloukali. V ní objevovali kousky železa a ty na kovadlinách ručně kovali. Později bylo kování obohaceno technickou novinkou, hamrem, kladivem poháněným vodní silou. Hlava kladiva, nasazená na dřevěném toporu, dopadala na kovadlinu zasazenou do dřevěného špalku. Hroudu vytavenou v peci rozkoval hamr na základní tvary, které pak zpracovávali kováři, zbrojíři, brníři, helmíři, mečíři. Kovář dělal podkovy, kovové součásti k vozům a zemědělské nářadí. Zbrojíři, brníři, helmíři a mečíři vyzbrojovali středověké válečníky [6].

Kovy (s výjimkou rtuti) jsou pevné a kujné.Můžeme je tedy ohýbat a za tepla kovat, válcovat a natahováním z nich vyrábět dráty. Kovy jsou dobrými vodiči elektřiny a tepla. Čisté kovy jsou při pokojové teplotě pevné látky. Jedinou výjimkou je rtuť, těžký stříbřitý kapalný kov [2]. Železo je stříbrobílý lesklý kov, který je jedním z nejrozšířenějších prvků na Zemi, je také hojně zastoupen i ve vesmíru. Za normální teploty se v suchém prostředí nemění, ale ve vlhku snadno rezaví. S volným železem se v přírodě setkáváme velmi zřídka. Vyskytuje se v na železo bohatých rudách, jako je magnetovec (magnetit), krevel (hematit), hnědel (limonit)nebo ocelek (siderit) [6]. 

Charakteristické ukázky železných rud jsou v následující galerii (zdroj: J. Jirásek - geologie.vsb.cz)

LimonitLimonit

Výroba oceli je metalurgický postup získání oceli ze surového železa [4]. Surové železo je však velmi křehké a dá se použít jen ve slévárně k výrobě odlitků. Aby se dalo vykovat na nárazníky železničních vagónů, vyválcovat na plechy, ze kterých těžké lisy vylisují najednou třeba celou automobilovou karosérii nebo vytáhnout na drát, ze kterého se dále vyrábějí hřebíky, musí se zkujňovat. To znamená v ocelářské peci zbavit nečistot a škodlivých příměsí jako např. síra a fosfor. Zkujňováním surového železa vzniká ocel. Zkujňování se provádí v ocelárnách [6]. Výroba surového železa se provádí ve vysoké peci (viz. schéma dále) [8]. Vysoká pec byla vynalazena ve Švédsku asi ve 14. století [6]. Je to válcovitá šachta se stěnami silnými až jeden metr [6]. Vysoká pec je stavba, která je vysoká 30 až 50 m [9], výjimečně až 80 m, má průměr až 12 m a kapacitu víc než 1000 m krychlových [10]. Zpočátku se ve vysoké peci používalo dřevěné uhlí. Teprve v 18.století použil poprvé anglický hutník Darby k výrobě železa koks. Koks je vlastně čistý uhlík, který vznikne po tepelném rozkladu uhlí bez přístupu vzduchu [6]. Zavedení koksu jako redukčního činidla byl významný krok ve zpracování železných rud. Jeho použití lze považovat za jeden z hlavních faktorů průmyslové revoluce. Mezi nejstarší a již překonané metody výroby oceli patří tzv. pudlování, při kterém se roztavené surové železo promíchávalo s hematitem a jeho vlivem docházelo ke spalování uhlíku i dalších příměsí. Vzniklo tzv. svářkové železo, které se poté na ocel zpracovávalo náročnými metodami jako je cementace (dlouhodobé zahřívaní tyčového železa s dřevěným uhlím) nebo kelímkový proces (tavení železa s přesným množstvím dřevěného uhlí). Čtenáři románů Julese Verna si jistě vybaví knihu Ocelové město, kde jsou tyto procesy výroby oceli barvitě vylíčeny. Zkujňování železa bylo ve druhé polovině 19. století výrazně zlepšeno pomocí zkujňování průchodem vzduchu (pochodBessemerův - Bessemerace 1856) a topení s regenerací tepla (proces Siemensův-Martinův 1865) [5]. Tzv. bessemerování vedlo k výrobě většího množství oceli, která byla zároveň levnější [11] a jejíž kvalita byla dostatečně dobrá pro většinu každodenního
použití. Jestliže však byla požadována vysoce kvalitní ocel, využívalo se pomalejší, ale levnější přetavení v siemensmartinských pecích [12]. Siemensův-Martinův způsob vytlačil Bessemeraci díky hospodárnějšímu provozu a snadnější regulaci složení oceli [4].
V druhé polovině dvacátého století bylo pro výrobu vysoce kvalitních ocelí zavedeno tavení v elektrické peci a kyslíkových konvertorů [5]. V současné době je to nejpoužívanější metoda při výrobě oceli. Do roztaveného železa je vháněn kyslík, uhlík v tavenině shoří a vzniká ocel [11]. Celosvětová výroba oceli přesahuje 1,2 miliardy tun ročně. Pro představu takovéto množství oceli by stačilo pokrýt povrch všech světadílů ocelovou fólií s tloušťkou přes 1 mikrometr [5].

Proces výroby železa a oceli
Výroba oceli je metalurgický postup získání oceli ze surového železa odstraňováním přebytečného uhlíku a dalších nežádoucích prvků jako je fosfor a síra a dodáním žádoucích prvků, např. manganu, hliníku, křemíku a dalších. Ocel se vyrábí ve specializovaném hutním provozu, který se nazývá ocelárna. Výchozím materiálem pro výrobu ocele je zpravidla surové železo. Výroba železa probíhá ve vysoké peci redukcí oxidů železa obsažených v železné rudě. Ruda, koks a vápenec jsou vsazovány do vysoké pece shora a jsou zde za vysokých teplot redukovány a taveny [4]. Zdola se vhání předehřátý vzduch obohacený kyslíkem [9].

Vysokou pec lze rozdělit na 6 teplotních zón [10]. 

Kychta: V kychtě vysoké pece dochází k zavážení vsázky (koks, vápenec, železná ruda) a odvádění vysokopecního plynu. 

Šachta: V šachtě předává horký vysokopecní plyn své teplo pevné vsázce. Teplota vsázky vzrůstá proti teplotě okolí na cca 950°C a oxidy železa se v této zóně částečně redukují. 

Rozpor vysoké peceRozpor připojuje šachtu k sedlu vysoké pece. V této části roste teplota dález 950°C asi na 1250°C. Nastává další redukce oxidů železa a začíná reakce s koksem [10]. Jedná se o nejširší místo vysoké pece [6].

Sedlo: Reakce koksu pokračují v zóně sedla. Tvoří se tavenina železa a strusky.

Výfučny: V této zóně se do pece zavádí proud horkého vzduchu pomocí řady výfučen. Výfučny jsou
umístěny okolo horního obvodu nístěje a jsou propojeny velkou rourou (okružní větrovod) obtočenou okolo pece ve výšce sedla. Teplota tady může přestoupit 2000°C a oxidy se zcela zredukují. 

Nístěj: Nístěj shromažďuje tekuté surové železo a strusku. Okolo nístěje jsou umístěny jeden až čtyři odpichové otvory, při čemž je jeden nebo dva v kteroukoliv dobu v provozu.

 

Schéma vysoké peceSchéma vysoké pece

Výroba železa probíhá za vysokých teplot (až 1800 ºC), proto musí být pec zevnitř vyzděna žáruvzdorným materiálem [9] (nístěj mívá tloušťku přinejmenším 1,5 m [10]). Šachta, rozpor, sedlo a pás výfučen jsou chlazeny vodou, nístěj se chladí vodou, olejem nebo vzduchem. Malé vysoké pece produkují asi od 0,5 Mt/rok surového velké až téměř 4 Mt/rok [10]. Vysoká pec pracuje nepřetržitě přibližně deset let [9]. Rozžhavené železo je v peci v podstatě stále, pec se "nevypíná". To by bylo příliš nákladné. Ve vysoké peci probíhají chemické reakce, které pozvednou teplotu v dolní části pece až na 1900°C. Tím se veškerá ruda roztaví a klesá ke dnu pece. V průběhu dalších chemických reakcí se roztavená ruda zbaví všeho kyslíku a vzniká roztavené surové železo. Vápenec se do pece přidává proto, aby na sebe vázal různé nečistoty obsažené v železné rudě [8]. Nekovové složky
vsázky (korozní produkty, nečistoty apod.), produkty vzniklé při metalurgických reakcích v tavenině, stržené částečky z vyzdívek vyplouvají na povrch kovové lázně a vytvářejí více nebo méně souvislou vrstvu na povrchu taveniny [4]. Tato směs pak na roztaveném železe vytváří strusku, která roztavené surové železo chrání před opětovnou oxidací (aby opětovně nevznikal oxid železitý). Protože je struska lehčí než roztavené surové železo,
plave na něm a dá se snadno odstranit [8]. Před odléváním musí být struska z povrchu taveniny pečlivě odstraněna – stažena. Zbytky strusek mohou zhoršovat kvalitu vyráběných ingotů (ingot je kovový hutní polotovar určený na další zpracování) a odlitků jako nekovové vměstky především zhoršením mechanických vlastností výrobků [4]. Taviči sledují tyto složité pochody a jednou za dvě až čtyři hodiny v nístěji vypouštějí surové železo. Jiným otvorem vypouštějí strusku [6]. Roztavené surové železo se vypouští do vozíků a dopravuje do konvertoru [3]. Současně z vysoké pece vyteče asi 380 kg strusky na tunu surového železa. Jedním z mnoha využití vysokopecní strusky je zpracování na kamenivo pro zimní posyp silnic. Operace, při které se z pece vypouští roztavené surové železo o teplotě cca 1 450 °C, se nazývá odpich. Odpich surového železa zahájí tavič, oblečený do ochranného oděvu a chráněný v obličeji štítem, vrtačkou. Surové železo teče otvorem, který je během tavení uzavřen hliněnou zátkou [6]. 

Existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi, jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších. Po oduhličení a přisazení legujících prvků (přimísení prospěšných prvků k hlavnímu kovu, či slitině kovů za účelem zlepšení jeho mechanických vlastností) je tavenina odlévána do ingotů v kokilách nebo kontinuálně odlévána. Kokila je kovová, opakovaně použitelná nádoba, do níž se v hutích odlévá surové železo, ocel nebo jiný kov či slitina. Ingot má obvykle má tvar hranolu nebo komolého jehlanu, (komolého kužele) případně komplikovanější s kruhovým, čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem. Délka ingotu závisí buďto na způsobu jeho výroby nebo na požadavcích, které se vztahují k jeho následnému hutnímu zpracování resp. na následné hutní výrobě. Takto vyrobený polotovar je potom výchozím materiálem pro další zpracování válcováním nebo kováním [4]. Vlastnosti oceli závisí především na obsahu uhlíku. Přísadou dalších prvků lze vyrobit ocel se speciálními vlastnostmi [8]. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších. Fyzikální vlastnosti oceli záleží i na tom, jak se ocel chladí. Zvolna chlazená ocel je kujná a houževnatá, rychle chlazená ocel je naopak tvrdá a křehká [4]. Ocel se recykluje již víc než 150 let a to hlavně z ekonomických důvodů. Je totiž levnější ocel recyklovat, než těžit železnou rudu a vynakládat finance na výrobu nové slitiny. Recykluje se také proto, že ocel během procesu recyklace neztrácí žádné ze svých vlastností. Konstrukční ocel tak typicky obsahuje asi 95 % recyklovaného materiálu. Oproti tomu lehčí typ oceli, jako je ocel válcovaná, obsahuje „pouze“ 30 % recyklovaného materiálu. Nejběžnější ocelové produkty určené k recyklování jsou plechovky, automobily, různá zařízení a ocel ze zbouraných budov [4].

Zdroje:
[1] Craigová A.; Rosney C.: Dětská encyklopedie vědy a techniky. Obzor. Bratislava 1993.

[2] Oxford University Press: Věda a technika. Nakladatelství Svojtka a Vašut. 1994.

[3] Macaulay D.: Mamutí kniha techniky. Nakladatelství Slovart. Praha 1996.

[4] www.wikipedie.cz

[5] Podaný Pavel: Vývoj technologie kování a tepelného zpracování mikrolegované oceli. Disertační práce. ZČU. 2010.

[6] Škodovi H. a E.; Kubašta V.: Už vím proč. Albatros.1979. 

[7] Kmošek Jiří: REKONSTRUKCE PRAVĚKÉHO HUTNICTVÍ ŽELEZA. SEBRANICE 2008 Středoškolská odborná činnost 2007/2008.

[8] http://www.cesky-jazyk.cz/slohovky/popisy/vyrobaoceli.html#ixzz23c6mscq

[9] http://www.zschemie.euweb.cz/zelezo/zelezo2.html

[10] http://www.ped.muni.cz/wtech/petrik/pracestechnickymimaterialy/kovy/vyrobazeleza.html

[11] Usborne Publishing: Vynálezy a objevy. Blesk. 1994.

[12] Technika. Albatros. 1977.