Żelazo i jego stopy

Żelazo oraz jego główny stop, stal, należą do najczęściej używanych przez człowieka materiałów. Stosunkowo tania w produkcji ma zadziwiającą wytrzymałość. Wykonuje się z niej m.in. szkielety drapaczy chmur.

Żelazo jest obok aluminium najczęściej występującym metalem w skorupie ziemskiej. Znaczne złoża rud żelaza, zalegające blisko powierzchni Ziemi, czynią je stosunkowo niedrogim w produkcji. Główne rudy żelaza to hematyt, magnetyt, limonit, syderyt, takonit i piryt. Oprócz syderytu i pirytu wszystkie te materiały są formami tlenków żelaza.
Żelazo otrzymuje się z rudy, grzejąc ją z koksem. Do takiej mieszanki dodaje się także kamień wapienny, którego obecność pomaga w odżużlaniu, czyli usuwaniu zanieczyszczeń zawierających związki krzemu, takich jak piasek czy glina. Materiały dodawane do rudy żelaza w celu usunięcia zanieczyszczeń nazywane są topnikami.
W starszych procesach wytopienniczych mieszanina rudy, koksu i kamienia wapiennego stanowiła ładunek, czyli wsad ładowany od góry do wielkiego pieca. Piec taki jest wysoką, stalową wieżą wyłożoną ognioodpornymi cegłami. W wielu nowoczesnych procesach mieszaninę rudy, koksu i wapienia wypraża się wstępnie, aby uzyskać materiał zwany spiekiem. Wyprażanie usuwa zanieczyszczenia, takie jak woda, dwutlenek węgla czy arsenki i dlatego spiek cechuje się stosunkowo dużą zawartością żelaza. Aby uzyskać wsad do pieca, za spiekiem miesza się pewną ilość rudy nie poddawanej obróbce.

Reakcje chemiczne

Gdy wsad spada w dół wielkiego pieca, styka się z wdmuchiwanym doń od spodu powietrzem rozgrzanym do temperatury 1000ºC. W tym czasie zachodzi szereg reakcji chemicznych. Węgiel zawarty w koksie spala się w tlenie z gorącego powietrza, tworząc tlenek węgla. Kamień wapienny, czyli węglan wapnia, rozkłada się na wapno palone (tlenek wapnia) i dwutlenek węgla. Ten ostatni z kolei reaguje z węglem tworząc tlenek węgla. Wapno palone w reakcji z zanieczyszczeniami typu piasku czy gliny tworzy substancję zwaną żużlem, składającą się w większej części z krzemianów i glinokrzemianów wapniowych. Gdy w rudzie obecne są pewne ilości siarki, to reagując z tlenkiem wapnia tworzy ona siarczki wapnia, także wytrącające się pod postacią żużla. Część powstającego tlenku węgla reaguje z tlenkami żelaza zawartymi w rudzie, tak że powstaje dwutlenek węgla i żelazo. Taki typ reakcji chemicznej, w której tlen jest usuwany ze związku, nosi nazwę redukcji. W niektórych nowoczesnych konstrukcjach wielkich pieców, do wdmuchiwanego powietrza dodaje się gazów o własnościach redukujących, które reagując z tlenem zawartym w rudzie czynią proces redukcji znacznie wydajniejszym.

Produkty wytopu

Gazy wylatujące z wielkiego pieca zawierają około 25% bardzo toksycznego tlenku węgla. Jednak tlenek węgla czyni je przydatnymi do wykorzystania jako ubogie paliwo gazowe. Gazy wylotowe są chwytane u góry pieca, mieszane z bardziej energetycznym gazem i spalane w tej formie w instalacji podgrzewającej powietrze wdmuchiwane do wnętrza pieca. Wytwarzany żużel pływa po powierzchni nowo wytopionej surówki żelaznej. W regularnych odstępach czasu nowy wsad jest ładowany od góry, a surówka i żużel oddzielnie zbierane u dołu pieca. Z dużych pieców co sześć godzin spuszczane jest około 2 tysięcy ton surówki żelaznej. Żelazo bądź odlewa się w formie dużych wlewek, zwanych gęsiami surówki, bądź też w formie ciekłej jest transportowane do instalacji produkującej stal. Proces wytopu jest ciągły. W normalnych warunkach przerywa się go tylko wtedy, gdy obudowa pieca wymaga wymiany.

Rodzaje żelaza

Żelazo z wielkiego pieca zawiera wiele różnorakich zanieczyszczeń, takich jak węgiel, siarka, fosfor, bądź krzemiany. Skład zanieczyszczeń zależy zarówno od rodzaju użytej rudy, jak i zawartości wapienia we wsadzie pieca.
Niekiedy do wsadu dodaje się niewielką tylko ilość kamienia wapiennego, by uzyskać żużel o niskiej temperaturze topnienia. Oznacza to, że piec może pracować przy niższej temperaturze, a to z kolei powoduje, że proces taki jest mniej energochłonny. Produkowane w tym procesie żelazo nosi nazwę zasadowego. Zawiera niewielką ilość związków krzemu, lecz jest mocno zanieczyszczone siarką, bądź w formie siarczku żelaza, bądź, jeśli ruda zawierała stosunkowo duże domieszki związków manganu, siarczku manganu. Węgiel występuje w nim pod postacią węglików żelaza.
Po odlaniu żelazo zasadowe jest twarde, kruche i trudne w obróbce. Po przełamaniu metalu powierzchnie przełomu są jasne. Dlatego też często nazywa się je żeliwem białym. Metal ten po poddaniu go obróbce termicznej przekształca się w żeliwo ciągliwe. Jest ono znacznie mniej kruche, a przez to może być używane tam, gdzie zwykłe żeliwo jest nieodpowiednie.
Gdy ilość wapienia we wsadzie zostanie zwiększona tak, by uzyskać żużel o wyższej temperaturze topnienia, to otrzymujemy kruchy metal zwany żelazem kwaśnym. Charakteryzuje się on stosunkowo dużą, bo sięgającą 2 do 4%, zawartością krzemianów oraz tym, że węgiel występuje w nim pod postacią płatków grafitu. Nadają one powierzchniom przełomu metalu ciemną barwę. Stąd też jego inna nazwa – żeliwo szare. Używa się go powszechnie do odlewania części maszyn. Niekiedy, w celu zmniejszenia kruchości, dodaje się do żeliwa szarego niewielkich ilości innych metali, jak wapń, magnez bądź cer. Powoduje to polepszenie mechanicznych własności metalu na tyle, że w pewnych przypadkach można szarym żeliwem zastępować części maszyn wykonane z miękkiej stali.
Już dawno temu stal przejęła od żelaza zgrzewnego rolę głównego tworzywa konstrukcji przestrzennych. Jednak do dziś niewielkie ilości żelaza zgrzewnego są wytwarzane przez stapianie surówki żelaza z tlenkiem żelaza. W procesie tym usuwa się większą cześć zanieczyszczeń. Żelazo stopniowo krzepnie i jest potem obrabiane przez kucie, prasowanie bądź walcowanie.
Stal jest stopem żelaza z węglem, lecz produkcja stali nie polega po prostu na dodaniu do żelaza pewnej ilości węgla. Stal zawiera bardzo niewielką domieszkę węgla – mniej niż trzecią część tego, co żeliwo. Większość rodzajów stali zawiera mniej niż 1,7% węgla, a zwykle jego zawartość ogranicza się do zaledwie 0,2-0,3%.

Wytwarzanie stali

Produkcja stali polega na oczyszczeniu żelaza z węgla i innych domieszek, a następnie dodaniu w sposób kontrolowany określonych ilości węgla oraz metali, takich jak chrom, mangan, nikiel czy wanad. Domieszka węgla daje stali możliwość utwardzania jej w procesie obróbki cieplnej, natomiast inne metale są dodawane w celu poprawienia jej różnorodnych własności, między innymi odporności na korozję, twardości, łatwości obróbki czy odporności na temperaturę.
Pierwszą skuteczną metodą produkcji większych ilości stali był proces wymyślony w 1856 roku przez inżyniera Henry’ego Bessemera. Skonstruowany przez siebie piec do wytopu stali nazwał on konwertorem. Jest to stalowa beczka wyłożona materiałem ogniotrwałym, zamontowana na parze sworzni w taki sposób, że może być wedle potrzeby odwracana z pozycji pionowej do poziomej i z powrotem.
W pozycji poziomej do konwertora ładuje się stopioną surówkę żelazną i trochę kamienia wapiennego. Następnie odwraca się go do pionu, i wtedy, przez perforowane dno, wdmuchuje się potężny strumień powietrza. Zawarty w nim tlen przemienia w tlenki prawie całość zanieczyszczeń. Cały zawarty w surówce węgiel jest usuwany pod postacią dwutlenku węgla, a tlenki krzemu czy też manganu, reagując z wapniem, tworzą żużel.
Następnie do oczyszczonego żelaza dodaje się starannie odmierzone ilości surówki zwierciadlistej (stop manganu, żelaza i węgla), żelazokrzemu (stop żelaza i krzemu) i aluminium. Dodatki te usuwają pozostały tlen oraz tlenki żelaza. Pewną ilość manganu pozostawia się w stali, celem polepszenia jej własności. Na końcu dodawana jest dokładnie odmierzona ilość koksu lub antracytu, aby uzyskać wymaganą zawartość węgla w stali.

Proces martenowski

Wkrótce po wprowadzeniu procesu Bessemera w 1864 roku, Francuz Pierre Martin wynalazł alternatywną technologię wytwarzania stali – proces nazwany od jego nazwiska martenowskim. W tym procesie spalono gaz węglowy nad ładunkiem surówki i wapienia. Martin zauważył, że w procesie besemerowskim tracone są wielkie ilości energii, gdy przedmuchuje się chłodne powietrze przez roztopione żelazo. By temu zapobiec zastosował gorące gazy powstałe po spaleniu gazu węglowego do ogrzewania tego gazu i wdmuchiwanego do pieca powietrza, w którym gaz się spalał. Pozwoliło to osiągnąć na tyle wysoką temperaturę w piecu, że z łatwością topił się w niej złom stalowy dodawany do surówki. W rezultacie koszty produkcyjne znacznie spadły.
Przez stopienie surówki i złomu z wapieniem usuwa się większość niepożądanych zanieczyszczeń, które wytrącają się w postaci żużla unoszącego się na powierzchni stopionego metalu. Pozostałe zanieczyszczenia usuwano dodając materiał bogaty w tlen, jak na przykład ruda żelaza.
Proces martenowski wymaga dużo staranniejszej kontroli niż besemerowski, jest też znacznie wolniejszy. Jednak gdy metodą Bessemera daje się wytworzyć tylko kilka gatunków stali, to metoda Martina jest bardzo uniwersalna.
Wprowadzony w 1856 roku proces Bessemera był wykorzystywany przez ponad wiek, jednak w latach sześćdziesiątych XX wieku tylko 2% stali wytwarzano w ten sposób, gdy aż 90% powstawało w procesie martenowskim. Pozostałe 8% przypadało na nowocześniejsze technologie, gdzie stal wytapia się w elektrycznych piecach łukowych.
Obecnie piece łukowe wykorzystywane są jeszcze do wytapiania stosunkowo niewielkich ilości stali specjalnych, w szczególności stali nierdzewnych. Innym typem pieca elektrycznego jest znacznie częściej używany dziś piec indukcyjny. Metal jest rozgrzewany w nim prądami wirowymi indukowanymi w jego objętości przez znajdujące się na zewnątrz pieca potężne cewki. Piece tego typu nadają się do jednorazowego wytopu od 120 kg do 400 ton stali.

Zasadowy proces tlenowy

Większość wytwarzanej dziś stali uzyskiwana jest w zasadowym procesie tlenowym. Proces martenowski był procesem energochłonnym z racji tego, że wytop stali trwał długo. Zasadowy proces tlenowy (proces LD) trwa nieporównywalnie krócej i nie zużywa prawie w ogóle energii – stąd jego ekonomiczność, która przesądziła o jego sukcesie. Płynną surówkę żelazną wlewa się do dużego konwertora wyłożonego materiałem izolującym termicznie. Do konwertora opuszczana jest następnie długa, chłodzona wodą rura zwana lancą. Gdy jej koniec znajduje się tuż nad powierzchnią płynnego metalu, wdmuchuje się przez nią do konwertora tlen. Tlen gwałtownie reaguje ze znajdującymi się w surówce zanieczyszczeniami, a reakcja ta dostarcza więcej niż wystarczającą ilość energii do utrzymania metalu w stanie płynnym. Aby nie dopuścić do wzrostu temperatury dużo powyżej 1600ºC (w przybliżeniu jest to temperatura topnienia stali), do ładunku dodaje się pewną ilość złomu stalowego. Tlenek wapnia oraz inne domieszki dodawane są w miarę potrzeby.
Podczas wdmuchiwania tlenu, na zewnątrz wydostają się znaczne ilości tlenku węgla i innych, często szkodliwych gazów. Wentylatory usuwają je przez pokrywę na zewnątrz konwertora. Tlenek węgla jest wykorzystywany jako gaz opałowy przy innych procesach technologicznych, albo jest po prostu spalany do dwutlenku węgla. Inne gazy są wypuszczane do atmosfery, oczywiście po uprzednim oczyszczeniu i eliminacji związków toksycznych. Proces kończy się przechyleniem konwertora i wylaniem płynnej stali do form, po czym usuwany jest żużel.
Aby otrzymać stalowe odlewy, płynną stal z konwertora przelewa się do form. Większość z tych wlewek jest następnie walcowana bądź kuta, celem uzyskania blach, prętów czy kształtowników. Typowe wlewki mają masę od 50 kg do 30 ton w zależności od procesu obróbki jaki ma być zastosowany.
W procesie odlewania ciągłego płynna stal z konwertora bądź pieca jest stopniowo wlewana do chłodzonej wodą formy (krystalizatora). Na wyjściu z formy pojawia się już gorąca, lecz zestalona długa, ciągła stalowa szyna, która jest automatycznie prostowana, wygładzana i cięta na sztaby o żądanej długości.

Rodzaje stali

Stal nierdzewną wytwarza się zwykle w elektrycznym piecu łukowym. Stop ten zawiera 18% chromu i 8% niklu, które to metale są dodawane do roztopionego żelaza. Stal szybkotnąca, używana do produkcji narzędzi do cięcia i wiercenia w metalu, jest produkowana w piecach indukcyjnych. Żelazo jest tu domieszkowane wolframem i innymi metalami. Jeden z rodzajów takiej stali zawiera 20% wolframu i 10% kobaltu.
Większość rodzajów stali już w piecu osiąga swój finalny skład chemiczny. Istnieją jednakże takie gatunki, do wysoce specjalistycznych zastosowań, które wymagają dalszej obróbki po opuszczeniu pieca. Stali takich używa przykładowo aero- i astronautyka, energetyka jądrowa lub przemysł chemiczny. Wytwarzane są zwykle w piecach elektrycznych, a potem procesowi rafinacji, aby usunąć zawarte w nich gazy i inne substancje obce. Jedną z technik takiego doczyszczania jest ponowne przetopienie stali w próżni, podczas którego uwalniane gazy są natychmiast wypompowywane. Inna powszechnie stosowana metoda to przetapianie elektrożużlowe. Metal roztapia się łukiem elektrycznym, tak że ma on postać kropelek, które następnie przechodzą przez basen wypełniony roztopionym żużlem, gdzie następuje ich oczyszczenie z niepożądanych domieszek. Rafinowana stal jest w końcowym etapie zestalana w formach chłodzonych wodą.