Otázka: Výroba surového železa
Předmět: Strojírenská technologie
Přidal(a): David Veselík
V oblasti techniky se používá železo a litina. Oba tyto materiály mají jako základní kov surové železo, které se získává z železných rud. Výroba surového železa probíhá ve vysoké peci.
Vysoká pec:
Vysoká pec se podobá dvěma komolým kuželům postaveným na sebe základnami. Horní část pece, zvaná šachta, je kuželovitá. Pec je vysoká 28-32 metrů a průměr konstrukce cca 10-12 metrů. Žáruvzdorná vyzdívka (šamotové cihly) umožňuje nepřetržitý provoz 10 i více let. Ve vysoké peci se odejme ze železné rudy pomocí redukčních materiálů (koks a kysličník uhelnatý) kyslík, pomocí nichž vzniká surové železo.
Vsázka vysoké pece:
Pomocí šikmého výtahu se do pece naváží shora násypkou ruda a koks (redukční činidlo). Železná ruda se zaváží do pece se struskotvornými přísadami a palivem, aby vznikla lehce se tavící struska. Struska chrání surové železo, aby mělo žádané chemické složení a nebylo nadměrně nasycováno uhlíkem. Struska obaluje kapky, které stékají do nístěje (topeniště), tam se struska oddělí a plave na povrchu roztavené hmoty.
Postupy ve vysoké peci:
V šachtě vysoké pece klesají pod vlivem tíhy pevné látky dolů (železná ruda, koks, vápno), zatímco vháněný teplý vzduch proudí nahoru. Zjednodušeně se dají postupy ve vysoké peci znázornit následujícím způsobem:
- 1) V před-sušícím pásmu se zbavuje síry a vody
- 2) V redukčním pásmu se železo redukuje za pomocí vstupujícího kysličníku uhelnatého na kysličník železitý (nepřímá redukce)
- 3) V nauhličováním pásmu se provádí další redukce. Současně přijímá železo uhlík, křemík, mangan, síru a fosfor.
- 4) V tavícím pásmu se ruda roztaví úplně. Nečistoty jsou vázány pomocí vápna ve strusce. Tekuté durové železo a lehčí struska se shromažďují ve spodní části konstrukce pece (v nístěji). V této fázi se železo vypouští (v moderních pecích společným otvorem) odpichem.
Při přímém redukčním postupu klesá železná ruda v šachtě pod vlivem své tíhy pomalu dolů. Redukční plyn (CO, H2), zahřátý na 800 stupňů Celsia stoupá proti směru klesající rudy nahoru a odebírá rudě kyslík. Přitom vzniká železná houba, ze které se postupně vytahuje surové železo.
Výrobky vysoké pece:
- Produkty vysoké pece jsou surové železo, struska, vysokopecní plyn.
- Surové železo je sloučenina železa a uhlíku. V surovém železe jsou vedle uhlíku ještě dodatečné zbytky doprovodných prvků, jako je mangan, křemík, síra a fosfor. Surové železo není kujné (pružné), je pouze dobře slévatelné a nehodí se pro výrobky pro svou křehkost.
Vysokopecní struska:
Používá se jako stavební materiál při stavbě silnic – přísada do betonu a k výrobě lehkých stavebních prvků, cementitu i umělých hnojiv.
Vysokopecní plyn:
Používá se k topení k předehřívání ve vysoké peci, dále jako topný plyn pro koksárny (výroba koksu). Výhřevnost je všeobecně nízká a pohybuje se kolem 3,6 J/m na třetí (40% ohřev vzduchu, 60% výroba energie).
Rozdělení jednotlivých druhů surového železa se uskutečňuje podle obsahu C, S, Mn, Si a sice:
- Ocelárenské surové železo pro výrobu ocelí (dřívější označení bílé surové železo). Má bílou, jemně zrnitou, třpytivou plochu lomu, když se do vysoké pece přidávají slitiny s velkým procentem manganu. Uhlík se působením manganu chemicky váže jako karbid železa a stejnosměrně se rozdělí (žádný grafit).
- Ocelárenské surové železo se nalévá v tekutém stavu do pojízdných pánví a přivádí se přes mísič surové oceli do ocelárny.
a) ferromangan
- Zbytek železa Fe:
- Housky – železný prvek s lichoběžníkovým průřezem o hmotnosti od 15 Kg.
- Slévárenské surové železo pro výrobu litiny (dříve označení šedá litina). Má šedou, hrubě zrnitou plochu lomu a vzniká, když se ve vysoké peci přidávají přísady s vysokým obsahem křemíku. Uhlík se vylučuje působením křemíku jako grafit mezi krystaly feritu.
b) ferrosilicium
- Zbytek železa Fe:
- Slévárenské surové železo se odlévá na licích strojích do kovových forem (kokil) – vznikají housky
Slitiny železa a uhlíku:
- Protože se surové železo s příliš vysokým obsahem uhlíku, fosforu, síry nehodí pro obrobky, musí být dále zpracováno. Přetavením surového železa dostaneme technicky použitelné sloučeniny železa-uhlíku.
- U sloučenin železa s uhlíkem o obsahu C do 2,14% (stavební ocel, nástrojová ocel) jsou Fe, C v pevném stavu v sobě navzájem rozpuštěny, žíháním dosahujeme změněnou strukturou. Tyto sloučeniny Fe a C se dobře tváří válcováním, tažením, kováním.
- U sloučenin železa s uhlíkem o obsahu C od 2,14% litina, mimo tvrdé litiny mají ve struktuře volný uhlík ve formě grafitových lupínků, které strukturu přerušují, a tím snižují pevnost sloučenin Fe-C. Grafitové lupínky nemohou být odstraněny žíháním. Tyto sloučeniny Fe-C se dají velmi dobře odlévat.
Slitiny Fe na odlitky:
- Jsou to sloučeniny Fe + C s obsahem 2,14 – 6,67% uhlíku (kromě ocelolitiny)
- šedá litina, tvárná litina, temperovaná litina, tvrzená litina, ocelolitina
- Vyrábí se v kuplovnách, zařízení se jmenuje kuplovna, přetavením surového slévárenského Fe, litinových zlomků (vtoky, nálitky, zmetky) + a šrotu
- Vstupují: housky, zlomky, šrot, koks, struskotvorné přísady = litina
- Litina má horší mechanické vlastnosti oproti oceli, způsobeny grafitem ve struktuře. Šedá litina – lupínky, grafit ve formě. Temperovaná – vločky, tvárná – zrna
