Az acélgyártás folyamatáról írt cikksorozatunk első részében ott hagytuk abba, hogy a vasércből a kohóban lezajlott redukciós folyamatokat követően lecsapolták a forró, folyékony nyersvasat. Lássuk, hogy lesz a nyersvasból acél!
Az acél definíciója
Az ipar egyik legfontosabb alapanyaga, az acél a vas és a szén olyan ötvözete, amely legfeljebb 2,06% szenet (a kohászatban használt elnevezésével: karbont) tartalmaz.
A karbontartalom alapvetően határozza meg az acél felhasználási tulajdonságait, ezért az acélgyártás során az egyik elsődleges feladat az elkészült acélban a karbontartalom kívánt értéknek megfelelő, legszűkebb tűrési tartományon belül tartása.
A karbontartalom mellett az egyéb szennyezőanyagok, mint a mangán, a szilícium, illetve a kén és a foszfor mennyiségének minimalizálása is kiemelten fontos a folyamat során.
Viszonylag kis mennyiségű kén is érzékelhetően növeli az acél repedési hajlamát a nagyobb hőmérsékletű igénybevételnél és megmunkálás során. A foszfor pedig az acél ridegedését okozza és rugalmasságát csökkenti, amely így nem lesz alkalmas daruk vagy emelők gyártására.
Mivel napjainkban már csak folyékony halmazállapotú acélt gyártanak, az eljárásokat folytacél eljárásoknak nevezik. Az acél folyékony halmazállapotának fenntartásához szükséges hőmennyiséget a reakciók oxidációs hője vagy külső energia fedezi.
Az acélgyártás folyamatának áttekintése
Az acélgyártás – szemben a legutóbbi cikkünkben részletesebben leírt nyersvasgyártással – nem redukciós, hanem oxidációs folyamat. Az acélgyártás során a nyersvasban lévő szén mennyiségének csökkentése annak oxidációjával, vagyis kiégetésével történik.
Az acélgyártás folyamata alapvetően három szakaszból áll:
- A metallurgiai folyamat első szakasza a frissítés, amelynek során a szén jelentős része kiég. A frissítés alapvető módja, hogy levegőt vagy tiszta oxigént fúvatnak keresztül az olvadt nyersvason, így az oldott szén és egyéb anyagok az oxigénnel reakcióba lépve nem oldható oxidokká egyesülnek. A keletkezett szén-dioxid buborékok formájában, az oxidok pedig a salakban távoznak az oldatból.
- A második szakasz a dezoxidálás, ami a nyersvas-fürdőben keletkezett vas-oxid elbontását jelenti. A dezoxidálást a folyékony acél csillapításának is nevezik. Ezt az elnevezést azért kapta, mert a csillapítatlan acélban a karbon heves gáz halmazállapotú szén-monoxid képződés mellett redukálja a vas-oxidot, ami az olvadék heves gázkiválását „fövését”, „nyugtalanságát okozza. A vas-oxid (és párhuzamosan a nitrogéntartalom) csökkentésének viszonylag egyszerű és hatásos metallurgiai módszere, ha az oldott elemet, illetve vegyületet az acélban oldhatatlan vegyületté alakítják át, azaz kicsapatják.
- A harmadik szakasz az acélgyártásban az ötvözés. Erről cikksorozatunk következő, egyben záró részében részletesebben is írunk majd.
Az acélgyártás berendezései
Az acélgyártást 1856-ban Henry Bessemer forradalmasította, amikor kifejlesztette a konvertert az olcsón, nagy tömegben gyártható acél előállításához.
Az acélköpennyel és billenthető, savas kémhatású szigetelőanyaggal ellátott kemence alján fúvókákon át a fémfürdőbe beáramló levegő buborékjai égetik ki a szenet.
Az eljárás egyik nagy előnye, hogy nincs szükség fűtőanyagra a fémfürdő folyékony állapotban tartására, mivel az oxidáció hője is elegendő.
A túlhevülés elkerülése érdekében vashulladékot adagolnak (10-15%) a konverterbe. A befúvatott levegő nitrogéntartalma miatt a keletkezett acél öregedésre hajlamos lesz.
A konverteres acélgyártást a kor kívánalmainak megfelelően az 1950-es évektől sikerült átalakítani a tömeggyártásnak megfelelően. Ezt azzal érték el, hogy nem levegővel, hanem tiszta oxigénnel végezték a frissítést, így nem érintkezett a fémfürdővel nitrogén.
Az eljárást a Linz-Donawitz acélmű fejlesztette ki, ezért LD eljárásnak nevezik. Az LD eljárással előállított acélok gázszegények, különösen tiszták, szívósak.
Kiválóan felhasználhatók hengerelt és húzott, hidegen alakított termékek készítésére, ezért az LD eljárás világszerte elterjedt acélgyártási módszerré vált.
A mai kor követelményeinek megfelelően került kifejlesztésre az elektroacélgyártás, amely során az ívkemencét körülvevő indukciós tekercsben lévő nagyfrekvenciás váltóáram a folyadékfürdő ellenállásán alakul át hővé és így olvasztja meg a fémet.
A folyamat előnye, hogy a villamos energia nem okoz szennyeződést a fürdőben. A változó elektromos térben a fémfürdő állandó mozgásban van, ami elősegíti a koncentrációbeli és a hőmérsékleti különbségek kiegyenlítődését is.
Napjainkban a nagy anyagidővel és meglehetősen környezetszennyező módon működő eljárásokat kiszorította az oxigénfrissítéses konverteres és az elektroacél eljárás.
Az így gyártott acél kielégíti az alapacélokkal szemben támasztott követelményeket. További finomítással és ötvözéssel azonban a darugyártás követelményeit is kielégítő minőségi és nemesacélokat is elő lehet állítani.
