Ocel – vlastnosti, druhy, výroba

Na světě se vyrábí 720 mil. tun oceli. Hlavními producenty jsou USA a Japonsko. Na Slovensku se vyrábí 6,3 mil. tun oceli, z toho 5,8 ve VSŽ a 0,5 v Železárnách Podbrezová. Hutnictví na Slovensku tvoří 20–25 % HDP.

Ocel se vyrábí ze železa, hustota oceli je 7870 kg/m³, tvrdost oceli je 4,5.

Pro výrobu železa potřebujeme:

Železnou rudu – její podstatou jsou oxidy železa, a to především Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO
Vápenec – z něj se vyrábí CaCO₃
Černé uhlí – dovážíme z ČR

Aglomerace – železná ruda se drtí na jemné krystalky.

Koksovna – uhlí se žíhá v koksárenských bateriích při teplotě 1350 °C a takto získáváme koks. Vedlejším produktem je koksárenský plyn, který se využívá v metalurgickém kombinátu jako palivo.

Do vysoké pece vstupuje aglomerát železné rudy, vápenec a koks. Vysoká pec vyrábí železo, které se dále přenáší do ocelárny. Tam se v kyslíkovém konvertoru vyrábí ocel. Vyrobená ocel se lije do ZPO (zařízení plynulého odlévání), tento proces se nazývá kontinuální odlévání oceli. Z tohoto zařízení vycházejí bramy – nekonečný pás při plynulém odlévání, který se stříhá na 8m kusy. Bramy se vyhřejí v narážecí peci na 1150 °C. Takto vyhřáté bramy putují do válcovny, kde se vyrábějí ocelové plechy. Jedná se o tzv. černé plechy, které se dále mohou různě upravovat. Plechy mají tloušťku přibližně 0,5 mm.

Pokud se ocelové plechy ponoří do cínu, získáváme pocínované plechy, které se v potravinářství používají na konzervy. Z vnitřní strany se ještě potírají lakem.
Pokud se plechy ponoří do zinku, získáváme pozinkované plechy, jež se využívají na střešní krytiny, okapy apod.
V poslední době se provádí elektrolytické pozinkování – tyto plechy se používají v automobilovém průmyslu.

Vysoká pec

Vysoká pec má 5 hlavních částí:

Sadzovna
Šachta
Rozpor
Zarážka
Nistej

Na svém povrchu má silný ocelový pás a žáruvzdornou hlinito-křemičitou vysázku tlustou 1 m.

Do sadzovny se hází střídavě aglomerát, vápenec a koks. Nejpodstatnějším prvkem je koks – palivo, které vytváří ve vysoké peci potřebnou teplotu. Podstatou koksu je uhlík, který ve vysoké peci váže kyslík. Pomocí vzduchu vháněného šachtami se kyslík spaluje a vzniká CO₂. CO₂ stoupá šachtou nahoru, setkává se znovu s uhlíkem v kokse a vzniká CO. CO a C jsou tzv. redukovadla pro železnou rudu, tedy odebírají železné rudě kyslík. Chemickou podstatou výroby železa je redukce oxidických rud.

V nisteji se shromažďuje roztavené železo, které má na svém povrchu strusku:

Struska – představuje veškeré nečistoty (SiO₂ a další), které je nutné odstranit. Má nižší hustotu než Fe, proto plave vždy na povrchu. Vypouští se trsuvkovou výpustí. Využívá se na výrobu izolačního materiálu, na stavbu cest a další.

Níže pod struskou je odpich železa, kterým se vypouští železo.

Horkovzdušným potrubím se do vysoké pece vhání horký vzduch o teplotě 1200 °C z ohřívače vzduchu. Jeho účelem je zajištění kvalitního spalování koksu a udržení vysoké teploty ve vysoké peci.

Vypouštěné železo se převádí do pánví, odkud se dále přenáší do ocelárny.

Výroba oceli

Ocel se vyrábí v kyslíkových konvertorech: jde o nádobu hruškovitého tvaru, zvenku oplechovanou, s žáruvzdornou výmurovkou (ve vrchní části 1 m, dole 1,5 m). Konvertor vydrží přibližně 1000 až 1500 naliatí železa.

Kyslíková tryska (tyč) se v konvertoru pohybuje nahoru a dolů. Nejprve se vysune a železo se do nádoby nalije. Pro snížení nákladů se přidává asi 20 % železného šrotu z celkové hmotnosti. Tryska se spustí na hladinu kovu a fouká se skrz ni čistý kyslík. Tento proces se nazývá skujňování, při němž se všechny nečistoty v železe oxidují a zbývající uhlík ve železe shoří. Celý proces skujňování (jedna tavba) trvá asi 30 minut. Poté se tryska znovu vytáhne nahoru. Na povrchu vzniká struska a pod ní ocel. Struska se odlije na jednu stranu, ocel na druhou.

Ocel vyrobená v konvertoru se odlévá do pánví, poté se vlévá do mezikádě (medzipánve) a dále do krystalizátoru. Tam ocel tuhne působením cirkulace studené vody ve válcích. Přes vyváděcí válce prochází ztuhlá ocel ke stříhacímu zařízení, kde se řežou 8metrové pásy a posílají se do narážecí pece.

Válcování

Rozžhavená brama, která vychází z narážecí pece

Ocelová brama se válcuje 9krát; výsledná tloušťka ocelového plechu je 0,5 mm.

Druhy oceli

Ocel je slitina uhlíku a železa. Obsah železa je 2–4,5 %, uhlíku 0,1–2 %. Do oceli se dostávají i další prvky:

1. Škodlivé prvky:

Síra – pochází z koksu a železné rudy, způsobuje křehkost oceli, která se může lámat.
Kyslík – přítomný z konvertoru, zůstává v oceli ve formě bublinek, které způsobují lámavost.
Fosfor – ze surovin, způsobuje sklony k lámavosti oceli.
Vodík a dusík – v oceli ve formě mikrobublinek, které mohou vyvolávat mikrotrhliny.

2. Užitečné doprovodné prvky:

Mangan – zvyšuje pevnost a houževnatost oceli
Křemík – posiluje pevnost oceli
Měď – zvyšuje odolnost proti korozi

3. Uměle přidávané prvky (legury, legující prvky):

Chrom
Nikel, mangan, křemík, molybden, wolfram, vanad, titan a další

Podle převládající složky rozlišujeme:

Chromovou ocel
Chrom-niklovou ocel
Chrom-molybdenovou ocel

Existuje několik druhů ocelí. Největší skupinu tvoří konstrukční oceli. Jsou používány pro stavební ocelové konstrukce, výrobu strojů, zařízení, dopravních prostředků, nářadí a předmětů denní potřeby. Jsou to oceli běžné kvality, vyráběné z levných surovin s běžnými technologiemi. Jejich mechanické a technologické vlastnosti jsou nižší. Patří sem:

Oceli třídy 10 – nejlevnější hromadně vyráběné oceli s nízkým obsahem uhlíku, bez garantovaného chemického složení a čistoty. Dobře se dají svařovat a obrábět. Používají se na tváření za tepla, výrobu profilů, plechů a drátů.
Oceli třídy 11 – oproti třídě 10 mají předepsanou čistotu a stanovený obsah škodlivých prvků. Nesmí být náchylné k lámavosti ani za tepla, ani za studena. Používají se válcováním za tepla na výrobu profilů, plechů, drátů, výkovků a výlisků.

Mezi konstrukční oceli patří také:

Ušlechtilé uhlíkové oceli – mají garantovanou chemickou čistotu, složení a kvalitu. Povrch se nasycuje uhlíkem (proces nazývaný cementování), aby byl tvrdý. Používají se při výrobě šroubů, matic, ozubených kol, u automobilů pro ojnice, pístní čepy, klikové hřídele, kola.
Ušlechtilé vysokolegované oceli – obsahují více než 10 % legujících prvků. Mají velmi dobré fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti i při vyšších teplotách. Dělí se na:

Oceli nerezové (antikorové)
Oceli žáruvzdorné – obsahují minimálně 10 % chromu. Patří sem:

Chromové oceli – mají vysokou tvrdost, využívají se v chirurgii (skalpely)
Chrom-niklové oceli – mají zvýšenou odolnost proti kyselinám a lepší mechanické vlastnosti
Chrom-manganové oceli – jsou levnější než chrom-niklové oceli, mají vyšší pevnost, používají se na výrobu zařízení v potravinářském průmyslu např. nádoby na míchání těsta, či součásti karosérií automobilů a vagonů