Zpracování železa

Železo se v průběhu zahřívání v surové směsi vyskytuje v různých druzích, které se liší obsahem uhlíku. Zahříváním železa s maximálně 2% uhlíku lze získat čistý austentit (pevný roztok uhlíku v γ železe), který je za vyšších teplot kujný. Pokud obsahuje surová směs železa více jak 2% uhlíku, tak není do teploty tání tvárná a je křehká. Jejich další zpracování lze pouze odléváním.

Výroba oceli spočívá ve snižování obsahu uhlíku v surovém železe. Uhlík se odstraňuje za vysokých teplot oxidačními procesy, kdy je do směsi vháněn vzduch nebo kyslík. Ten způsobuje oxidaci části železa na oxid železnatý a uhlíku na oxid uhelnatý, který ze směsi uniká. Fosfor, který je také přítomný v reakční směsi lze odstraňovat až po oxidaci veškerého uhlíku. Ten by způsoboval redukci vzniklého oxidu fosforečného zpět na fosfor. Vzniklý oxid fosforečný reaguje s oxidem vápenatým, který se do surového železa přidává v nadbytku, na fosforečnan vápenatý. Ve vysokých teplotách dochází také k odstraňování síry, která je vázána v sulfidech ostatních kovů (např. mangan). Ta reaguje také s oxidem vápenatým. Vápenaté soli vytvářejí strusku, která se odstraňuje z povrchu železité směsi. Vzniklé oxidy železa se redukují přídavkem manganu a vzniklý oxid manganatý také tvoří strusku.

Podle výrobního zařízení se postupy pro výrobu oceli rozdělují na nístějové, konvektorové a speciální. Konvektory jsou válcové nádoby nahoře zúžené, které je možno kolem vodorovné osy otáčet o 360°. Do konvektoru se přivádí surové železo o teplotě 1300°C, které se dále zahřívá. Proto stěny jsou vyrobeny ze žáruvzdorného materiálu (šamotu). V dolní zúžené části je přiváděn vzduch. Proces odstraňování uhlíku trvá zhruba 30minut. Mezi konvektorové postupy patří Bessenův proces, který neumožňuje zpracovávat surové železo s vyšším obsahem fosforu a síry a Thomasův proces, který toto umožňuje.

Nístějové postupy jsou založeny na tavení vsázky v oxidačním plameni. Tento postup reprezentuje postup Siemens-Martinův. Siemens- Martinova pec je složena z tavícího prostoru a regeneračních komor. Přiváděný plyn je předehříván v regeneračních komorách na 1100°C a je vháněn do tavícího prostoru. Zde je teplota zvyšována pomocí oxidačního plamene na 1700-1800°C. Výhodou tohoto procesu je to, že vsázka může být tvořena ze 70% odpadním železem. Zbytek pak tvoří surové železo.

Těmito postupy se tedy připraví ocel, která se ještě upravuje tepelnými procesy, mezi které patří žíhání, kalení a chemicko-tepelné zpracování. Všechny tyto postupy jsou založeny na zahřátí oceli a následném ochlazení určitou rychlostí. Tím se docílí změny struktury oceli nebo pouze změny struktury povrchové vrstvy.

Žíháním se dociluje změkčení oceli a zvýšení její houževnatosti. Ocel se zahřívá na teplotu o 30°C vyšší, než je její teplota tání, nějakou dobu se udrží a potom je ocel pomalu ochlazena.

Kalení je naopak proces, při kterém získáváme vysoce tvrdou ocel. Ocel se zahřívá nad teplotu překrystalizace (nad 723°C) a potom je prudce ochlazena (například ve vodní lázni). Tímto způsobem je zamezeno strukturním změnám.

Chemicko-tepelné postupy zahrnují cementování a nitridování. Cílem tohoto postupu je vyrobit ocel s vysoce tvrdým povrchem. Při cementování se na povrchu oceli vytváří vrstva karbidu železa. Cementování probíhá při teplotách okolo 900°C. Nitridování probíhá již za nižších teplot okolo 500°C.

Ocel se dnes využívá v mnoha oborech. Můžeme se s ní setkat zejména ve stavebnictví při stavbě mostů, železo-betonových staveb a dalších.

Další článek o výrobě železa jsme vám přinesli již v minulosti - Výroba železa

Autor: Jaroslav Kocík, KocikJ@seznam.cz