Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

6. fejezet - Alapvető kohászati technológiák és környezeti hatásaik.

6. fejezet - Alapvető kohászati technológiák és környezeti hatásaik.

A kohászat (metallurgia) a vas és más fémek érceikből való kinyerésével, finomításával, ötvözésével, öntésével, képlékenyalakításával, hőkezelésével, szerkezetének és tulajdonságainak vizsgálatával, valamint az alkalmazott gépi berendezésekkel foglalkozó komplex tudomány, a fémek ércekből való kinyerésével foglalkozik.

A kohászat három csoportjáról beszélhetünk az alkalmazott technológia jellege szerint:

  1. tűzi kohászat (pirometallurgia),

  2. hidrometallurgia,

  3. elektrometallurgia.

A fémek alapján két nagy csoportot különböztetünk meg:

  1. vaskohászat (ide tartozik a vas és acél előállítása),

  2. fémkohászat (az összes „nemvasfém” előállítása).

Vaskohászat: Nyersvasgyártás, acélgyártás. Vasötvözetek előállítása

Felhasznált anyag: Fejezetek Magyarország technika- és tudománytörténetéből. A vas és a vaskohászat (http://www.sci-tech.hu/kohaszat.sci-tech.hu/00home/00home.htm)

Nyersvasgyártás (Öntöttvasak hőkezelése. Ötvözött öntöttvasak)

Ásványok, ércek, meddő: A természetben a fémek vegyületekben, főleg oxidokban, szulfidokban, ritkábban karbonátokban fordulnak elő. Ezek a fémvegyületek az ásványok. Az érc az értékes és értéktelen ásványok keveréke. Az érc értékes ásvány része adja az érc nemét (pl. rézérc, vasérc), az értéktelen ásványainak összessége pedig a meddő.

1. Táblázat . Fontosabb vasércek

Vasérc neve

Vasérc vasvegyülete

Vasérc vastartalma, %

Magnetit (Mágnesvasérc)

Fe3O4

50...70

Hematit (Vörösvasérc)

Fe2O3

40...60

Limonit (Barnavasérc)

Fe2O3.1,5 H2O

30...50

Sziderit (Vaspát)

FeO.CO2

25...35

A vasércek gyakoribb meddői: SiO2-, CaO-, Al2O3- vagy MgO- tartalmú ásványok. A vasércekből a vasat (ferrumot) 1000 ° C körüli hőmérsékleten lehet kinyerni faszén vagy koksz karbonjával, ill. szénmonoxid- vagy hidrogéntartalmú gázokkal.

Fontosabb ipari vasfajták

Vasszivacs: akkor keletkezik, ha az ércet szilárd állapotban redukálják; közbenső termék, az acélgyártás alapanyaga. A vasszivacsban a fémes vason kívül benne van az érc meddője is. Megolvasztásakor a vasolvadék és a meddő -- salak alakjában -- válik el egymástól.

Nyersvas: 3-4 % C-tartalmú vas, a nagyolvasztó terméke. Rideg, képlékenyen nem alakítható. Közbenső termék, az acélgyártás és öntöttvasgyártás alapanyaga.

Öntöttvas: nyersvasból nyerik kéntelenítéssel és Si-mal vagy Mn-nal való ötvözéssel. Gyakori ötvözője még a Cr, Ni, Mo és Ti is. Képlékenyen nem alakítható szerkezeti anyag.

Acél: legfeljebb 2 % karbont és több-kevesebb egyéb elemet is (pl. Si-ot, Mn-t, Cr-ot, Ni-t, Mo-t, W-ot, V-ot, Nb-ot, Co-ot Al-ot és Ti-t) tartalmazhat. A nyersvasaktól és öntöttvasaktól elsősorban az különbözteti meg, hogy képlékeny, jól alakítható. Izzó meleg állapotban nagyobb, szobahőmérsékleten kisebb mértékben. Az összes felhasznált fém (vasfém és nemesfém) közel 90 %-a acél.

Az acél fontos anyagtulajdonságainak (pl. szilárdság, szívósság, képlékenység) a mértéke viszonylag tág határok között szabályozható. Képes elviselni statikus és dinamikus igénybevételeket, ellenállni klimatikus, korróziós és koptató hatásoknak; alkalmazható alacsony és magas hőmérsékleten; forgácsolható, hegeszthető; felülete bevonható fémmel, műanyaggal, kerámiával.

2. Táblázat. Nyersvas, kovácsvas és az acél szén, szilícium, mangán tartalma

Megnevezés

Nyersvas

Kovácsvas

Acél

C

2,8 - 3,5

max. 0,3

0,3 - 1,0

Si

1,2 - 3,0

max. 0,2

max. 0,3

Mn

0,5 - 3,0

max. 0,2

0,2 - 1,0

olvadáspont

1150 - 1250 °C

1400 - 1500 °C

1350 - 1400 °C

A különböző minőségű vasat vegyületeiből termikus bontással, elektrolízissel vagy redukcióval állítják elő. Nagyüzemileg hatalmas kohókban (nagyolvasztó), kokszosított szénnel, magas hőmérsékleten oxidját fémmé redukálják (vaskohászat).

A nyersvasat a nagyolvasztóban vasércből, kokszból és salakképző anyagokból állítják elő. A szénen kívül kis százalékban más anyagokat is tartalmaz. Széntartalma 2 % felett van.

Ha a kohóba szilíciumot adagolnak és megszilárduláskor lassan hűl le, a nem oldódó elemi szénből grafit lesz. Ez szürke színű törési felületet eredményez, ezért szürke nyersvasnak nevezik. Tulajdonságai: szilárd, rideg, törékeny, jól forgácsolható. Átolvasztásával és összetételének kismértékű változtatásával öntésre alkalmas szürke nyersvasat kapnak. A szürkevas öntvények jól bírják a nyomó és koptató igénybevételt. Könnyen forgácsolhatók, ami az öntvény utómunkálatainál fontos lehet.

Ha a nyersvas gyártásánál a kohóba mangántadagolnak, akkor megszilárduláskor a nem oldódó szén a vassal vas-karbidot alkot. Így törésfelülete fehér, fémes fényű lesz, ezért fehér nyersvasnak nevezik. A vas-karbid hatására igen kemény, rideg ötvözetet kapnak, amelyet acélgyártásra használnak.

6.1. ábra - Nagyolvasztó blokksémája

Nagyolvasztó blokksémája

A nyersvasból a C-, Si- és Mn-tartalom csökkentése révén lehet kovácsvasat (lágyacélt) vagy acélt nyerni. Ez kémiai folyamattal, a szóban forgó elemeknek a vasból való kioxidálása útján lehetséges. A frissítés folyamán azonban a fém olvadáspontja növekszik. A magas széntartalmat levegővel égetik ki. A különböző acélgyártó eljárások abban térnek el egymástól, hogy milyen módszerrel biztosítják a frissítés oxigénszükségletét és a magasabb hőmérsékletet. A kemencében a nyersvason kívül a magasabb olvadáspontú acélhulladék és ócskavas is megömleszthető, így lehetőség van az acél újrahasznosítására is.

A leendő vas legjelentősebb szennyezései a szén, kén, szilicium, foszfor, és mangán, ami azonban a szénnel együtt ötvöző anyagnak tekinthető. A kohóba mészkövet is adagolnak salakképzőként. Egy tonna nyersvas előállításához 800-1200 kg kokszot használnak. Melléktermékként 550-660 kg salak és 3700-4100 m3torokgáz (főleg szén-monoxid és nitrogén keveréke) keletkezik.

Az acélgyártás főbb termékei

Az acélt fehér nyersvasból állítják elő. A különböző acélgyártási eljárások során a fehér nyersvas széntartalmát 2 % alá, a szennyező anyagok mennyiségét pedig minimálisra kell csökkenteni. Összetétel szerint az acél két nagy csoportját különböztetjük meg: ötvözetlen acélok, amelyek csak szenet tartalmaznak és ötvözött acélok, amelyekben a szénen kívül más ötvöző anyag is található.

Az ötvözetlen acélok tulajdonságait a széntartalom határozza meg. Szilárdsága és keménysége a széntartalommal együtt nő, alakíthatósága ellenben csökken. Felhasználásuk szempontjából szerkezeti-, szerszám- és különleges acélokat ismerünk.

A szerkezeti acélok széntartalma 0,6 % alatt van. Gépalkatrészek, épületek, hidak szerkezeteinek készítésére használják. A kereskedelmi forgalomban kapható lemezek, csövek, rudak, profilok anyaga szintén szerkezeti acél. Lehetnek ötvözöttek és ötvözetlenek.

A szerszámacélok széntartalma 0,6 -1,5 % között van. A nagyobb igénybevételű szerszámokat ötvözött, kopásálló szerszámacélból készítik.

A különleges acélok meghatározott felhasználási területre készülnek adott fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal (pl. korrózióálló, saválló, hőálló acélok). Kedvező tulajdonságait különböző ötvöző anyagok segítségével érik el.

6.2. ábra - Acélöntés a Dunai vasműben 1980

Acélöntés a Dunai vasműben 1980

6.3. ábra - Diósgyőri új elektromos kemence 1980

Diósgyőri új elektromos kemence 1980

6.4. ábra - Folyamatos öntőgép Diósgyőrben 1980

Folyamatos öntőgép Diósgyőrben 1980

Az acélok hőkezelése:

Az acélok szövetszerkezetének átalakítása hőkezelés útján történik. A hőkezelés célja az acél tulajdonságainak megváltoztatása. A kristály szerkezetének, szemcseméretének módosításával a mechanikai tulajdonságai is megváltoznak.

Valamennyi hőkezelési eljárás három műveletből áll:

1. Felmelegítés a megfelelő hőmérsékletre

2. Hőntartás: célja az anyag teljes keresztmetszetének felmelegedése

3. Hűtés a hőkezelési eljárásnak megfelelő sebességgel. A lehűlés sebessége nagymértékben befolyásolja a keletkező szövetszerkezetet, így az anyag tulajdonságait. A hűtés leggyorsabban vízben megy végbe, lassabb olajban és levegőn. Leglassúbb, ha a kemencével együtt hűl ki.

A legfontosabb hőkezelési eljárások: az edzés, a megeresztés, a lágyítás és a nemesítés.

Az edzés célja a keménység növelése. A hevítést úgy kell végezni, hogy a munkadarab teljes keresztmetszetében felhevüljön. A megfelelő hőmérséklet után gyors lehűtés következik. Az edzés lehet teljes keresztmetszetű vagy felületi.

A megeresztés célja az edzéskor keletkezett feszültség oldása, a szívósság növelése a keménység csökkenése árán. Az edzési hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékletre (200-360 oC) hevítésből és lassú hűtésből áll.

A lágyítás célja az edzett acélok keménységének csökkentése. Erre szükség lehet az utómunkálatok, a javítások, az élezés miatt. A munkadarabot körülbelül az edzési hőmérsékletre hevítik, hosszabb ideig hőn tartják, majd lassan lehűtik.

A nemesítés az edzéséből és az azt követő magas hőmérsékletű (500-600oC) megeresztésből áll. Így nő az acél szilárdsága, szívóssága, kevésbé lesz törékeny.

Elektromos kemencék. Villamos ívvel vagy indukciós örvényárammal szolgáltatják a betét számára szükséges energiát. Az ív árama a fémfürdőn keresztül záródik, így azt közvetlenül is melegíti. Az ívkemencék oxidáló és finomító salakkal is dolgozhatnak. A salak könnyebb eltávolítása céljából a kemence billenthető. Az indukciós kemencében külső tekercsben folyó áram által indukált mágneses tér hatására a fémben nagy áramerősség indukálódik, ami megolvasztja azt.

Alapvető vas ötvöző anyagok

Az acél legfontosabb ötvöző anyagai

A króm (Cr) ezüstfehér színű, kissé kékes árnyalatú, nagyon kemény, rideg fém. Oxigénnel szemben rendkívül ellenálló. Felületén védő, tömör oxidréteg alakul ki. Mechanikai hatásoknak ellenáll. Tetszetős, magas fényű. Vegyi ellenálló képessége igen nagy. A szerkezeti, szerszám és különleges acélok legfontosabb ötvöző anyaga. Kemény, kopásálló bevonatnak is használják pl. csaptelepeknél, kerékpár-alkatrészeknél, orvosi műszereknél.

A nikkel (Ni) fehéres színű, jó elektromos vezető. Nagy szilárdságú, jól megmunkálható. Tömör, védő oxidréteg keletkezik a felületén, amely megvédi a további korróziótól. Lúgokkal szemben ellenálló. A különleges acélok (a saválló acél) és a lágy mágneses anyagok legfontosabb ötvöző eleme. Laboratóriumi eszközök, korrózióálló bevonatok készítésére is használják.

A volfrám (W) kissé szürkés fényű fém. Kemény, nagyon rideg, kopásálló. Olvadáspontja a fémek közül a legmagasabb (3410 oC). Nagy ellenállású. Vékony szálakká húzva izzólámpák, fénycsövek izzószálainak készítésére alkalmas. A szerszámacélok legfontosabb ötvöző anyaga, növeli a kopásállóságát, keménységét és a hőállóságát.

A mangán szürke színű, kemény rideg fém. Az egyik legolcsóbb ötvöző anyag.

6.5. ábra - Diósgyőri acélhengermű meleghengermű

Diósgyőri acélhengermű meleghengermű

6.6. ábra - Dunai vasmű meleghengermű

Dunai vasmű meleghengermű