Jak se vyrábí a zpracovává ocel

12. 10. 2018 | O oceli

Surové železo

Na samém začátku výroby oceli je surové železo, které se vyrábí ve vysoké peci z železné rudy za pomoci koksu, vápence a dalších přísad. Ze surového železa se v ocelárně vyrábí ocel, kterou se pak zpracuje do polotovarů a pak do koncových výrobků. Pro lepší orientaci v celém výrobním cyklu jsme připravili stručný přehled základních technologií zpracování železa a oceli.

Výroba oceli

Ocel se tradičně vyrábí zkujňováním surového železa s přísadou ocelového šrotu anebo pouze z ocelového šrotu v obloukových pecích. Během výroby se ve vsázce snižuje obsah uhlíku, fosforu a síry. Přípravu oceli lze rozdělit do dvou fází. V první fázi se snižuje obsah uhlíku a odstraňují se nežádoucí prvky pomocí oxidace. Druhá fáze se nazývá rafinace, kdy se z oceli odstraňuje přebytečný kyslík pomocí feroslitin manganu a křemíku nebo pomocí hliníku. Nakonec se ocel odsiřuje. Zhruba 70 % oceli se dnes vyrábí v kyslíkových konvertorech, v nichž je možné vyrábět všechny druhy uhlíkových ocelí. Vysokolegované oceli se vyrábějí především v elektropecích.

Kontinuální odlévání oceli (kontilití)

Moderní ocelárny používají k odlévání oceli takzvané kontilití, které je oproti tradičnímu odlévání oceli do ingotů rychlejší a energeticky méně náročné. Odlévání do ingotů se dnes používá jen výjimečně, například pro velké výkovky nebo jako vsázka pro výrobu bezešvých trubek.

Tekutá ocel se v ocelárně lije do svislého, vodou chlazeného krystalizátoru, kde tuhne. Pod krystalizátorem v pásmu sekundárního chlazení tuhne také střed takzvaného kontislitku. Ten se ze svislé polohy ohýbá do vodorovné a pak se řeže na požadované délky. Produktem kontilití je ocel rovnoměrných vlastností, přičemž tato technologie zároveň omezuje objem odpadu. Z kontilití vycházejí základní tvary, které lze již přímo používat jako vstupní polotovar ve válcovnách. Základními produkty kontilití jsou bramy (široké kvádry používané k následnému válcování plechů) a sochory nebo bloky, které mají čtyřúhelníkový nebo kulatý průřez. Z nich se pak válcují dlouhé výrobky nebo trubky.

Minihutě

Rostoucí požadavky na to, aby produkty kontilití byly svým tvarem a rozměry co možná nejbližší konečnému výrobku, vedly k vývoji takzvaných minihutí. V nich se například z tenkých odlévaných bram již přímo válcují tenké pásy a plechy.

Válcování za tepla

Válcováním za tepla se vyrábějí výrobky jako tyče, kolejnice, plechy, pásy nebo trubky. Před vstupem na válcovací stolici se vstupní předvalek (brama či sochor) ohřeje na teplotu kolem 1100oC a deformuje se mezi otáčejícími se pracovními válci. Snižuje se výška materiálu, upravuje jeho šířka, a materiál se postupně prodlužuje. Zvyšuje se také rychlost jeho průchodu následující válcovací stolicí. Dráty se válcují na speciálních kontinuálních válcovacích tratích, zatímco plechy se válcují na stolicích s hladkými válci. U první technologie se na jediné válcovací stolici nejdříve materiál polotovar válcuje napříč, aby se dosáhlo potřebné šířky, a následně se plech válcuje podélně, aby měl stejnoměrnou tloušťku. U druhé technologie polotovar postupně prochází větším počtem válcovacích stolic a je válcován pouze v podélném směru. Tímto způsobem se válcují také profily, které mají různé tvary, od kruhových, čtyřhranných či šestihranných až po profily ve tvaru písmen I, U či L. Stejným způsobem se vyrábějí také kolejnice. Při válcování za tepla se materiál ohřívá nad takzvanou rekrystalizační teplotu, která je vyšší než 70 % teploty tání daného materiálu. Materiál se proto při válcování nezpevňuje. Na tváření stačí síly až desetkrát menší než na válcování za studena.

Válcování za studena

Pro výrobu některých ocelářských produktů je třeba předvalky válcovat za studena, tedy při teplotě, která nepřesahuje 30 % teploty tání vstupního materiálu. Při válcování se zplošťují zrna oceli a materiál se zpevňuje. Zlepšují se také mechanické hodnoty materiálu jako jsou meze pevnosti a kluzu, ale klesá přitom jeho tažnost. Při válcování za studena lze dosáhnout vysoké přesnosti rozměru, kvalitního povrchu i lepší pevnostní charakteristiky oceli. Tváření za studena bývá doprovázeno následným zahřátím výrobku, po němž se částečně obnoví plasticita kovu a možnost jeho dalšího tváření. Pro úplné obnovení plasticity je nutno v průběhu tváření za studena výrobek i vícekrát mezioperačně žíhat. Působením vyšší teploty se zvyšuje pohyblivost atomů v oceli. Díky tomu může nastat takzvané zotavení, kdy zanikají deformace v atomové mřížce kovu a napětí způsobené válcováním, nebo se při rekrystalizaci tvoří zárodky nových zrn a rostou nová zrna. Rekrystalizace, která probíhá při teplotách mezi 35 a 40 % teploty tání kovu, má zpravidla za výsledek zmenšení zrn kovu. Válcováním za studena se vyrábějí například vysokopevnostní oceli nebo transformátorové oceli.

Žíhání

Při žíhání se výrobek zahřívá na potřebnou teplotu a při této teplotě se udržuje tak dlouho, aby bylo možné upravit vnitřní strukturu oceli. Následné ochlazování bývá pomalé. Cílem žíhání je snížení vnitřních zbytkových napětí ve výrobku nebo odstranění následků mechanického zpracování, tj. například po válcování za studenta nebo obrábění, a dále zlepšení tvařitelnosti za studena či obrobitelnosti, anebo pro zmenšení chemické a strukturní heterogenity.

Při válcování nebo jiném tváření oceli za studena se jako výrobní mezioperace používá rekrystalizační žíhání, které odstraňuje vzniklé zpevnění a obnovuje tvařitelnost. Výrobek se ohřeje na teplotu 550 až 700oC, při níž je udržování několik hodin, což má za následek změnu velikosti a tvaru ocelových zrn. Nejčastěji se používá žíhání normalizační, které zajišťuje jemnozrnnou a rovnoměrnou strukturu po odlévání, tváření či dlouhém žíhání za vysoké teploty.

Kalení

Při kalení se zahřátý kov rychle ochlazuje, aby se změnila jeho vnitřní struktura, čímž dochází ke zvýšení jeho tvrdosti, pevnosti a odolnosti proti opotřebení. K zajištění potřebné rychlosti ochlazování, která ovlivňuje výsledné vlastnosti kovu, se při kalení používají různá chladící média včetně vzduchu, oleje, vody, solí či alkálií. Někdy se používá kalící prostředí na bázi polymerů, jejichž intenzita ochlazování se pohybuje mezi olejem a vodou.

Tažení

Při tažení se polotovar protahuje otvorem menším, než je rozměr polotovaru, čímž se zmenšuje jeho průřez a prodlužuje jeho délka, a zároveň dochází ke zlepšení kvality povrchu a mechanických vlastností kovu. Jelikož tažením lze dosáhnout přesných rozměrů a tvarů, používá se k výrobě drátů, trubek a profilů. Jako výchozí polotovar slouží například tyče nebo svitky drátu, které se očistí od okují, zašpičatí a následně protahují průvlakem. Klíčové je pro proces tažení dostatečné mazání, které musí oddělovat polotovar a průvlak, odvádět teplo a zajišťovat hladkost povrchu. Obvykle se původní průřez v několika krocích tažení redukuje o 80 až 90 %. Pokud kov během tažení ztratí svou plasticitu, je třeba provést před dalším tažením mezioperační žíhání.

Použité prameny:

Jiří Janovec, Jiří Cejp: Nauka o materiálu (Kovové materiály a jejich zpracování). ČVUT.

Petr Lenfeld: Technologie tváření kovů. Technická univerzita Liberec.