Fremstilling af stål

Fremstilling af stål 

Jern
Rent jern er et af de grundstoffer, man kalder metaller. Dets kemiske betegnelse er Fe. Atomvægt 55,85, vægtfylde 7,87, smeltepunkt 1528 grader C. Rent jern er magnetisk op til ca. 900 grader C. Jern findes i naturen overalt som en bestanddel af jordskorpens mineraler. Når jernindholdet er så stort, at det kan betale sig at udvinde jernet, kalder man disse mineraler for jernmalm.
De vigtigste jernmalme er:

• Magnetit 72% jern
• Hematit 70% jern
• Limonit 60% jern
• Siderit 48% jern
   

Malmene indeholder udover jern og sten mindre mængder af nyttige metaller som mangan og vanadin samt forureninger, bl.a. fosfor og svovl, der fjernes ved stålfremstillingen i nødvendig omfang.

Råjern
Af jernmalm udvindes et mellemprodukt, råjern, som fås ved smeltning af malmen i højovne.



Figur 1: Højovn

Højovne er meget store ovne, hvor man blander jernmalmen med koks og kalksten. Under forbrændingen af koksene udvikles en stærk varme, der smelter malm og kalk og da jern er tungest, synker det tilbunds men rester af kalk og urenheder flyder ovenpå. Råjernet tappes ud forneden. Råjernet er rigt på kulstof (3-4%) og andre stoffer fra brændslet og malmen. En del af disse stoffer er fosfor og svovl, mangan og silicium, som findes i varierende mængder.
Ved den efterfølgende omsmeltning til stål eller støbejern reduceres kulstofindholdet, og dele af fosforet og svovlen forsvinder ligeledes i slagger og røg.

Stål
Stål er en gruppe materialer, der indeholder jern og varierende mængder af kulstof. Stål skal kunne smedes, og kulstofindholdet må derfor højst være 1,7%. I almindelighed er kulstofindholdet dog lavere. Det meste stål har under 0,20% C og består for størstedelen af jern.

I stålværkets ovne raffineres formaterialet i en såkaldt friskning.
Kulstofindholdet reduceres fra de ca. 4% til ca. 0.10%; svovl og fosfor bindes sammen med kvælstof og andre urenheder forsvinder de i røggassen eller slaggen.

De tidligste ovne Bessemer- og Thomas-pæren for råjern er forlængst afløst af den oxygenblæste konverter, og den langsomme, skrotforbrugende SM-ovn udskiftet med elektro-ovnen.

LD Konverteren
Disse iltblæste ovne kom i 1950 i gang i Østrig (Linz-Donawitz) og har siden i diverse udformninger erobret 70-75% af den vestlige verdens stålværker.



Figur 2: LD-Konverter

Gennem lansen blæses ilt med stor hastighed ned på smeltens overflade, hvilket giver højere temperatur og cirkulation i smelten og desuden forbrænding og afgasning i nogle ovne hjulpet af argongas indblæst fra bunden.

Chargen er op til 200 t - på enkelte værker 400 t og består af varm råjern, brændt kalk og lidt skrot, og under blæsningen tilsættes legeringsstoffer.

Chargeringstiden er under 1 time, og kort før udtages en prøve, som analyseres i laboratoriet på få minutter, så analysen reguleres inden aftapning.

Aftapningen sker til en beholder, og til sidst hældes slaggen ud

Elektro ovnen
Denne skrotbaserede lysbue-ovn har et låg, der drejes væk, når skrottet påfyldes. I låget er anbragt 3 kulelektroder, der kan tåle de
8000 -10.000 grader C, der er i lysbuen. Når låget er lagt på plads, sænkes elektroderne ned, og lysbuen smelter skrottet med automatisk regulering af afstanden.



Figur 3: Elektroovn

I nogle elovne tilsættes varmt råjern, og i andre indblæses ilt, som sammen med tilsat koks skaber kogning og dermed omrøring i badet.

Til binding af urenheder fra skrottet især svovl og fosfor, tilsættes kalk.

Afsluttende tages prøver til laboratoriet for analysering, og herudfra tilpasses stålets analyse ved tilsætning af kul, mangan, silicium og aluminium. De 2 sidste i sådan mængde, at stålets afiltes og beroliges.

Ovnen kippes bagud, og slaggen hældes fra, og derefter fremad, hvorved stålet tømmes ud i skeen.

Chargen er på ca. 150 t, og skeen videreføres til argonspuling, der sørger for nedkøling til en ensartet temperatur på 1550 grader C; skeen kører derefter i støbehallen.

Endelig raffinering
Ovnens primære opgave er nedsmeltning og den grovere raffinering. Yderligere processor ville sinke ovnen, og der er derfor installeret anlæg, der med forskellige metoder sørger for størst mulig renhed, fjernelse af slaggeindeslutninger og smeltens helt nøjagtige analyse, og her skal nævnes afsvovling og vacuumanlæg.

Nogle værker tilsætter aluminium ved udløb i skeen, og med den frie ilt dannes aluminiumsoxyder, hvorved opnås beroliget stål i skeen.

Afsvovlning
Skeen forsynes af en svingarm med et låg, og med tørret trykluft lægges pulverkalk på overfladen. En lanse føres ned i smelten, og med argongas blæses afsvovlingsmidlet (calciumsilicium eller cerium) ned, hvilket giver en kraftig reaktion. Svovl og ilt bindes, stiger op af smelten og absorberes af den slagge, som dannes af den friske kalk. S-indholdet kan herved komme helt ned på 0,004%.

Vacuumafgasning
Under vacuum forløber kemiske reaktioner hurtigere og ender som gasarter, som opsuges af vacuumpumpen. Dette gælder ikke mindst afkulning, hvor kulilte - dannet af kulstof og jernilte - fjernes effektivt. Stål med under 0,05% C kan kun opnås i vacuumanlæg.

Anlægget kan være et låg over skeen med tilhørende aggregater eller en beholder udenom skeen, og kan i enkelte steder tage skeer med 250 t indhold med behandling på 30 minutter.

Et computerstyret, fuldautomatisk legeringstilsætningssystem tilfører samtidigt smelten de mængder der giver den meget nøjagtige analyse.

Støbning
Skeen med det færdigraffinerede stål føres videre til kokille- og strengstøbning.

Kokillestøbning



Figur 4: Kokillestøbning

Det flydende stål tappes fra skeens bund ned i rengjorte, tjærede kokiller eller hældes i en tragt gennem rør til kokillernes bund, så det stiger op og undgår sprøjt, der størkner forlods på siderne. Størkningen sker fra kokillens sider og bund, først i en ren randzone, idet urenheder og gasarter trænges mod midten og opefter. Rester af ilt brænder kulstof og bevirker gasudvikling og stor cirkulation - uberoliget stål.

Øverst oppe er gasstrømmen så kraftig, at stålet størkner tæt, sålænge overfladen er fri. Når det størkner, dannes spredt i blokken kugleformede blærer, der dog som regel senere sammenvalses 100%.

Uberoliget stål har analyseforskelle, frit kvælstof og i værste fald sejringe.

Er der i skeen tilsat aluminium, bindes ilten, så gasdannelser undertrykkes, og størkningen forløber helt dødt - beroliget stål - med svind i toppen i form af tragtformet hulrum, kaldet dødhovedet, som skæres væk før valsning. Også kvælstof bindes af Al eller anden tilsætning og giver en finkornet struktur.

Strengstøbning


Figur 5: Strengstøbning

Stålet tappes fra skeen i en støbekasse og løber ned i en vandkølet kobberkokille kontinuerligt. Stålet størkner udefra, og vandstråling under tryk fremskynder størkningen. Strengen vandrer videre på styreruller - efterhånden vandret - og opskæres, stadig hvidglødende, i passende længder.

Tværsnittet er f.eks. 200-1500 mm bestemt for plader og 150-250 mm 4-kt for stangstål, hvor der gerne løber 5-7 strenge ved siden af hinanden. Strengstøbning er på vej til helt at fortrænge kokillestøbning, idet den giver færdige emner, bedre udbytte, ensartede egenskaber og kun lille risiko for pipes (svindhulheder)

Tilbage til oversigt >>