Oceľ – vlastnosti, druhy, výroba

Na svete sa vyrába 720 mil. ton ocele. Hlavní producenti sú USA a Japonsko. Na Slovensku sa vyrába 6,3 mil. ton ocele, z toho 5,8 vo VSŽ a 0,5 v Železiarňach Podbrezová. Hutníctvo na Slovensku tvorí 20-25 % HDP.
Oceľ sa vyrába zo železa, hustota ocele je 7870 kg/m?, tvrdosť ocele je 4,5.

Pre výrobu železa potrebujeme:
1. železnú rudu – jej podstatou sú oxidy železa, a to predovšetkým Fe2O3 , Fe2O4, FeO
2. vápenec – vyrába sa z neho CaCO3
3. čierne uhlie – dovážame z ČR
Aglomerácia ? železná ruda sa rozdrví na jemné kryštáliky.
Koksovňa ? uhlie sa žíha v koksárenských batériách pri teplote 1350 °C, a takto získavame koks. Vedľajší produkt je koksárenský plyn, ktorý sa využíva v metalurgickom kombináte ako palivo.
Do vysokej pece vchádza aglomerát železnej rudy, vápenec a koks. Vyrába sa tu železo, ktoré sa ďalej prenáša do oceliarne. Tu sa v kyslíkovom konvertore vyrába oceľ. Vyrobená oceľ sa leje do ZPO (zariadenie plynulého odlievania), tento proces sa nazýva kontiliatie ocele. Z tohoto zariadenia nám vypadávajú brámy ? nekonečný pás pri plynulom odlievaní, ktorý sa strihá na 8 m kúsky. Brámy sa vyhrejú v narážacej peci na 1150 °C. Takto vyhriate brámy idú do valcovne a vyrábajú sa oceľové plechy. Ide o tzv. čierne plechy, ktoré sa ďalej môžu rôzne upravovať. Sú hrubé asi 0,5 mm.
? Ak sa oceľové plechy ponárajú do cínu, získavame pocínované plechy, ktoré sa v potravinárstve používajú na konzervy. Z jednej (vnútornej) strany sa ešte potierajú lakom.
? Ak sa plechy ponárajú do zinku, získavame pozinkované plechy, ktoré sa využívajú na strešné krytiny, odkvapové žľaby …
? V poslednej dobe sa robí elektrolytické pozinkovanie – plechy sa používajú na automobily.

Vysoká pec

Vysoká pec má 5 hlavných častí:
– sadzovňa
– šachta
– rozpor
– zarážka
– nistej

Na svojom povrchu má hrubý oceľový pás a žiaruvzdornú hlinito-kremičitú výmurovku hrubú 1 m.
Do sadzovne sa hádže striedavo aglomerát, vápenec a koks. Najdôležitejším článkom je koks ? palivo, ktoré robí vo vysokej peci teplotu. Podstatou koksu je uhlík, ktorý vo vysokej peci viaže kyslík. Pomocou vzduchu vháňaného šachtami sa kyslík spaľuje a vzniká CO2. CO2 prebubláva hore šachtou, znovu sa stretáva s uhlíkom v kokse a vzniká CO. CO a C sú tzv. redukovadlá pre železnú rudu, t. j. odoberajú železnej rude kyslík. ? Chemickou podstatou výroby železa je redukcia oxidických rúd.
V nisteji sa zbiera roztavené železo, ktoré má na svojom povrchu trosku:

Troska ? sú to všetky nečistoty (SiO2 …), ktoré treba odstrániť. Má menšiu hustotu ako Fe, preto pláva vždy na vrchu. Vypúšťa sa troskovou výpusťou. Využíva sa na výrobu izolačného materiálu, na cesty, …. Nižšie umiestnený je odpich železa, ktorým sa vypúšťa železo.
Horúcovzdušným potrubím sa do vysokej peci vznáša horúci vzduch o teplote 1200 °C z ohrievača vetra. Jeho účelom je napomôcť dobrému spaľovaniu koksu a aby bola vo vysokej peci vysoká teplota.
Vypustené železo sa prevádza do panvy,
a v nich sa železo prenáša do oceliarne. Fe

Oceľ sa vyrába v kyslíkových konvertoroch: je to nádoba hruškovitového tvaru, zvonku oplechovaná, so žiaruvzdornou výmurovkou (hore 1 m, dole 1,5 m). Vydrží asi 1000 až 1500 naliatí železa.
Tyč – kyslíková tryska – sa v konvertory pohybuje hore-dole. Vytiahne sa a železo sa naleje dovnútra. Pre zlacnenie sa sem pridáva aj železný šrot (asi 20 % z celkovej hmoty). Tryska sa spustí na hladinu kovu a cez ňu sa na hladinu fúka čistý kyslík. Ide o skujňovanie, tým sa všetky nečistoty v železe viažu, zvyšný uhlík nachádzajúci sa v železe zhorí. Celý proces skujňovania (1 tavba) trvá 30 minút. Tryska sa zase vysunie hore. Na povrchu vzniká troska a pod ňou je oceľ. Troska sa odleje na jednu stranu, oceľ na druhú.
Oceľ vyrobená v konvertore sa odleje do panvy, vylieva sa do medzipanvy a ďalej do kryštalizátora. Tu oceľ tuhne pôsobením cirkulácie studenej vody vo valcoch. Cez vyvádzacie valce tuhá oceľ postupuje k stíhaciemu zariadeniu, kde sa strihajú 8-metrové pásy a idú do narážacej pece.

Valcovanie

rozžeravená brama, ktorá ide z narážacej pece

Valcuje sa 9-krát, posledná hrúbka oceľového plechu je 0,5 mm.

Druhy ocele

Oceľ ? zliatina uhlíka a železa. Železa má 2-4,5 %, uhlíka 0,1 – 2 %. Do ocele sa dostávajú aj iné prvky:
1. škodlivé prvky:
? síra – z koksu a železnej rudy. Zapríčiňuje krehkosť ocele, že sa láme.
? kyslík – z konvertoru. Ostáva v oceli vo forme bubliniek, ktoré spôsobujú lámavosť ocele.
? fosfor – zo surovín. Spôsobuje sklon ocele k lámavosti.
? vodík a dusík – nachádzajú sa v oceli vo forme bubliniek, spôsobuje prvé mikrotrhliny.
2. užitočné sprievodné prvky:
? mangán – zvyšuje pevnosť a húževnatosť ocele
? kremík – zvyšuje pevnosť ocele
? meď – zvyšuje odolnosť voči korózii
3. umelo pridávané prvky (legúry, legujúce prvky):
? chróm
? nikel, mangán, kremík, molybdén, volfrám, vanád, titán …
Podľa prevládajúcej zložky poznáme:
a) chrómovú oceľ
b) chróm-niklovú oceľ
c) chróm-molybdénovú oceľ …

Poznáme niekoľko druhov ocelí. Najväčšiu skupinu tvoria konštrukčné ocele. Sú to stavebné oceľové konštrukcie, oceľ na výrobu strojov, zariadení, dopravných prostriedkov, náradia a predmetov dennej spotreby. Sú to ocele bežnej akosti, vyrábajú sa z lacných surovín s bežnými technológiami. Ich mechanické a technologické vlastnosti sú nižšie. Patria sem:
• ocele triedy 10 ? najlacnejšie ocele hromadnej spotreby, majú nízky obsah uhlíka, nemajú zaručené chemické zloženie a čistotu. Možno ich dobre zvárať a obrábať. Vyrábajú sa z nich ocele tvárnené za tepla, na profily, plechy a drôty.
• ocele triedy 11 ? na rozdiel od triedy 10 majú predpísanú čistotu s vymedzeným obsahom škodlivých prvkov. Nesmú byť náchylné na lámavosť ani za tepla, ani za studena. Vyrábajú sa z nich valcovaním za tepla profily, plechy, drôty, výkovky a výlisky.
Medzi konštrukčné ocele patria aj:
? ušľachtilé uhlíkové ocele – majú zaručenú chemickú čistotu, zloženie, kvalitu. Nasycujú sa na povrchu uhlíkom (tento proces sa nazýva cementovanie) za účelom, aby bol povrch tvrdý. Využívajú sa pri výrobe skrutiek a matíc, ozubených kolies, u áut na ojnice, piestne čapy, kľukové hriadele, kolesá.
? ušľachtilé vysokolegované ocele – obsahujú viac ako 10 % prísadových prvkov. Majú veľmi dobré fyzikálne, chemické a mechanické vlastnosti aj pri vyšších teplotách. Delia sa na:
a) ocele nehrdzavejúce (antikorové)
b) ocele žiaruvzdorné – min. 10 % chrómu. Patria sem:
– chrómové ocele ? majú vysokú tvrdosť, využívajú sa v chirurgii (skalpely)
– chróm-niklové ocele ? majú zvýšenú odolnosť voči kyselinám a lepšie mechanické vlastnosti
– chróm-mangánové ocele ? sú lacnejšie ako chróm-niklové ocele, majú vyššiu pevnosť, používajú sa na výrobu zariadení potravinárskeho priemyslu, napr. nádoby na miešanie cesta, na súčiastky pre karosérie áut a vagónov