Fmes szerkezet anyagok s hkezelsk Fmtani alapismeretek 1112022

Fémes szerkezetű anyagok és hőkezelésük Fémtani alapismeretek 1/11/2022 1

FÉMTANI ALAPISMERETEK A fémet alkotó atomok a kristályrács elemi celláinak meghatározott pontján helyezkednek el A fématomoknak a külső héjon legfeljebb négy olyan elektronjuk van, melyek nincsenek helyhez kötve Az atomok a fémes kötési folyamat során ezeket az elektronokat leadják, ezáltal pozitív töltésű fématomokká ún. FÉMIONOKKÁ válnak A fémek kristályácsa általában KÖBÖS (kocka alakú), HEXAGONÁIS (hatszögletű hasáb) vagy TETRAGONÁLIS (téglalap alakú hasáb pl. acélok edzésekor keletkező martenzit) szerkezetű. 1/11/2022 2

• Anyagok jellemzői 20 C-on 1/11/2022 3

KÖBÖS: rendszernél a kocka csúcsain helyezkednek el az atomok TÉRKÖZEPES KÖBÖS: csúcsok + 1 a kocka közepén (Cr, Mo, W, Ti) rosszul alakíthatóak LAPKÖZEPES KÖBÖS: csúcsok + oldallapok közepén (Al, Ag, Cu, Ni) jól Alakíthatóak A fémek rács-szekezete a hőmérséklet változás hatására megváltozik ALLOTRÓP átalakulás 1/11/2022 4

1/11/2022 5

TKK rács Li, Na, K, V, Cr, W, Ta Fe ( -Fe) Fe (α-Fe) 1/11/2022 6

• Lkk rács Al, Cu, Ag, Pb, Ni, Ir, Pt Fe ( -Fe) 1/11/2022 7

SZÍNFÉMEK ÁTALAKULÁSA Alapfogalmak: RENDSZER: az anyagnak a külvilágtól megfigyelés céljából elkülönített része, mely lehet homogén (egynemű) vagy különnemű (heterogén) Egyensúlyi a rendszer, ha az energiatartalma a lehető legkisebb (A fém B fém aránya megegyező) Amíg a rendszeren belül energiaváltozás történik nincs egyensúlyban FÁZIS: a rendszer egynemű, homogén állapotú része. ALKOTÓK: a rendszert felépítő azonos fajtájú anyagok. 1/11/2022 8

HALMAZÁLLAPOT: az anyagok rendezettségének mértéke. Szilárdban hosszú távú, folyékonyban rövid távú, gázban statikusan rendezetlen. ÁLLAPOTTÉNYEZŐK: energiatatartalmat meghatározó tényező pl. kémiai tényező, nyomás, hőmérséklet, térfogat. FÁZISVÁLTOZÁS: a rendezettség mértékének változása ALLOTRÓP ÁTALAKULÁS: hőmérséklet és nyomás hatására bekövetkezendő átkristályosodás 1/11/2022 9

SZABADSÁGI FOK: az állapottényezők számával egyenlő (kémiai összetétel, nyomás, hőmérséklet) melyek határok közt szabadon változtathatóak anékül, hogy a rendszer egyensúlya megváltozna A nyomásnak hatása jelentéktelen eltekinthetünk A GIBBS-féle fázisszabályban a keresendő ismeretlen) F: fázisok (a rendszer egynemű, homogén állapotú része) K: komponensek (pl. : a példa Ólom K=1) SZ: szabadsági fok (az állapottényezők számával egyenlő) GIBBS-féle fázisszabály írja le: F+SZ=K+1 1/11/2022 10

Példa: Fázisszabály alkalmazása színfém (ólom) lehűlése esetén. F+SZ=K+1 Az ólom (K=1) olvadáspontja fölött egy fázis FOLYADÉK (F=1) van jelen, tehát 1+SZ=1+1 SZ=1, azaz egy szabadsági fok változtatható, a HŐMÉRSÉKLET. A dermedés hőmérsékletén a fázisok száma F=2, mivel részben kristály, részben folyadék van jelen 2+SZ=1+1 SZ=0, azaz a hőmérséklet nem változhat amíg a folyadék el nem tűnik Ezt követen szintén egy fázis van jelen a hőmérséklet csökkenhet. 1/11/2022 11

FÉMÖTVÖZETEK ÁTALAKULÁSA Az ötvözet két vagy több elemből álló, két vagy többalkotós rendszer. Ötvözéssel, hőkezeléssel a színfém tulajdonságai megváltoztathatóak. A szilárd oldat a fémek közötti szilárd állapotban kialakuló kapcsolat. Lehet helyettesítéses ill. beékelődéses (szubsztitúciós, intersztíciós) Az alapfém atomjai helyére kerülnek A rács üres rácshelyeiben helyezkednek el 1/11/2022 12

KÉTALKOTÓS EGYENSÚLYI DIAGRAM ÉS SZEKESZTÉSE Feladat: Lehülés vizsgálat fémötvözetek esetén. Bal oldalon különböző összetételhez tartozó lehűlési görbékkel. Az alkotók egymáshoz viszonyított helyzete sokféle lehet A Ni-Cu szilárd állapotban oldják egymást Tolv=1453 C/ 1083 C „LKK” 47% Cu + 53% Ni a következő hőtartományban dermed: a dermedés a felső (likvidusz) metszéséhez tartozó tl hőmérsékleten kezdődik és az alsó (szolidusz) görbe metszéséhez tartózó ts hőmérsékleten fejeződik be. A két hőmérséklet között folyékony és szilárd fázis van egyensúlyban. Ha a hőm. csökken nő a szilárd fázis mennyisége nő. 1/11/2022 13

Kétalkotós egyensúlyi diagrammok vizsgálata, bal oldalon különböző összetételhez tartozó lehűlési görbékkel. Az alkotók egymáshoz való viszonya sokféle lehet pl. : Minden arányban oldják egymást azonos a rácsszerkezet atomátmérőben 14 - 15 % -nál nem nagyobb az eltérés azonos a vegyérték Egyáltalán nem oldják egymást Részben oldják egymást 1/11/2022 14

Az egyes fémötvözetek (Ni-Cu, Ag-Au) szilárd állapotban MINDEN ARÁNYBAN oldják egymást. A Nikkel 1453 C-on, a réz 1083 C-on olvad illetve dermed. Mindkettő LKK, egymást korlátlanul oldják. 1/11/2022 15

Egyes ötvözetek ( Al-Si ) meghatározott összetétel (részben) esetén az ötvözetet alkotó fémek olvadáspontjánál kisebb, egyetlen hőmérsékleten olvadó, ill. dermedő, többfázisú elegyet alkot. Ezt a elegyet EUTEKTIKUMNAK ( görög: jól olvadó) hívjuk. Az egyensúlyi diagrammban ezt az elegyet vízszintes vonal jelzi eutektikus hőmérséklet. Jól önthetőek, mivel egyetlen hőmérsékleten dermednek ill. olvadnak. Hegesztéskor hátrányos mivel hirtelen olvad és dermed Hipoeutektikus: 1/11/2022 A fém+eutektikum Hipereutektikus: B fém+eutektikum 16

Egyes fémek (Al-Cu, Ag-Cu) adot összetételnél egymással eutektikumot képeznek, azonban szilárd állapotban csak korlátoltan oldják egymást. Az ilyen ötvözeteket az egyensúlyi diagramban ferde vonal jelzi. Az ötvözeteket általában kettőnél több fém alkotja, így az ötvözetek viselkedését Többalkotós egyensúlyi diagrammokból lehet megismerni. 1/11/2022 17

A vas-karbon (FE-C) egyensúlyi diagram karbid és grafit rendszerben 1550 1538 1492 olv+primer cementit olv+ausztenit+ szek. cementit+ ek ausztenit+ferrit ledeburit primer cementit +ledeburit au sz ten it+ sz 911 . ce m Ausztenit Ferrit 1/11/2022 ferrit+perlit Perlit+szek. cementit 0, 8 2, 06 primer cementit +ledeburit 4, 3 18

Ausztenit A szén ( C ) szilárd oldata gamma vasban Nem mágnesezhető Jól alakítható (képlékeny) Ferrit A szén szilárd oldata alfa vasban Szobahőmérsékleten mágnesezhető Jól alakítható Cementit A vaskarbid fémes vegyület szöveteleme Háromféle előfordulása van (primer, szekunder, tercier) Rideg, kemény és törékeny Perlit Ferrit és lemezalakú cementit eutektoidos keveréke C=0, 8 % Alakíthatóságát a cementlemezek vastagsága határozza meg Ledeburit Ausztenitből és cementitből álló eutektikum C=4, 3 % Réteges szerkezetű 1/11/2022 19

Megjegyzések: A 0, 8 % C tartalomú vas szén-ötvözetet EUTEKTOIDOS acélnak nevezzük A 0, 8 % C tartalom alatti vas szén-ötvözetet HIPOEUTEKTOIDOS acélnak nevezzük A 0, 8 % - 2, 06 C tartalom közé eső vas szén-ötvözetet HIPEREUTEKTOIDOS acélnak nevezzük A 4, 3 % C tartalomú vas szén-ötvözetet EUTEKTIKUMOS ÖNTÖTTVASNAK nevezzük A 2, 06 – 4, 3 % C tartalom közé eső alatti vas szén-ötvözetet HIPOEUTEKTIKUMOS acélnak nevezzük A 4, 3 % C tartalomok feletti vas szén-ötvözetet HIPEREUTEKTIKUMOS ÖNTÖTTVASNAK nevezzük 1/11/2022 20

NYERSVAS-GYÁRTÁS A nyersvasgyártás a vas- és acélkohászat technológiai folyamatának első alapvető fázisa A vas a természetben nem fordul elő színfém formájában ércből, tüzi kohászati eljárással állítják elő Vasoxidos vegyületek keveréke az oxigént redukálással távolítják el A redukálást karbon (kohászati nyelven: szén) segítségével végzik el A koksz feladata a hőmérséklet biztosítása is Nyersvasgyártás speciális kemencében un. nagyolvasztóban történik 1/11/2022 21

NYERSVAS-GYÁRTÁS ANYAGAI VASÉRC ÁSVÁNYAI: hematit magnetit hidrohematit goethit limonit, sziderit Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 ill. Fe. O·Fe 2 O 3, Fe 2 O 3· 0, 5 H 2 O, Fe 2 O 3· 1, 5 H 2 O, Fe. CO 3, vastartalma 70% vastartalma 72, 41% vastartalma 66, 27% vastartalma 62, 92% vastartalma 59, 89% vastartalma 48, 28% Vasérceknek azokat a kőzeteket nevezzük, amelyekben a vas nagyobb százalékban és oxid formában van jelen (vagy könnyen alakítható oxiddá), vassal ötvöződő szennyezőanyagból és meddőből kevés van benne 1/11/2022 22

NYERSVAS-GYÁRTÁS ANYAGAI Vasércek: azokat a kőzeteket nevezzük, amelyekben a vas nagyobb százalékban és oxid formában van jelen (vagy könnyen alakítható oxiddá), vassal ötvöződő szennyezőanyagból és meddőből kevés van benn • A vörösvasércek (lilásvörös színükről nevezték el) hematit alapúak. Ezek a legfontosabb vasércek. A legjobbak 64 -68% vasat tartalmaznak. • A mágnesvasércek vagy szürkevasércek magnetit alapú ércek, vastartalmuk 60% fölött is lehet. Tömörebb szerkezetűek, ezért redukálásuk valamivel nehezebb. • A barnavasércek hidroxidos alapásványokat tartalmaznak. Kötött víztartalmukat hevítés hatására elveszítik, ennek következtében százalékos vastartalmuk növekszik. • A pátvasércek sziderit alapúak. Tűzi úton (ezt pörkölésnek nevezik) oxidossá kell alakítani. 1/11/2022 23

NYERSVAS-GYÁRTÁS ANYAGAI Salakképző anyagok: • A kohósítás során a vasérc meddőtartalma (meddő: a vasvegyületek kísérő közetben vannak beépítve) is megolvad, ebből lesz a salak. • A salak kémiai összetétele igen fontos a metallurgus számára, mert ezzel tudja befolyásolni – többek között – a kéntelenítés folyamatát. • A kéntelenítés azért fontos, mert a kén szennyező elemnek minősül a vasban, acélban. • A salak kémiai összetételének beállítására adagolják a salakképzőket, ami többnyire mészkő és dolomit. 1/11/2022 24

NYERSVAS-GYÁRTÁS ANYAGAI Tüzelő redukáló anyagok: • A nagyolvasztóban használatos tüzelő-redukálóanyag többnyire a koksz. • A koksz egyrészt hőt fejleszt, biztosítja a kémiai folyamatok hőszükségletét, redukáló hatást fejt ki, illetve redukáló gázt fejleszt, karbonizálja (szénnel ötvözi) a vasat. Levegő: A levegőt a nyersvasgyártás hőszükségletének biztosítása céljából fúvatják a nagyolvasztóba. A kohászok szóhasználatában ezt a levegőt fúvószélnek nevezik. A befúvott hideg levegő hőveszteséget okoz, ezért fel szokták melegíteni. A meleg fúvószelet forrószélnek nevezik. A melegítés hőszükségletét a nagyolvasztóból távozó gázok biztosítják, hőcserélők segítségével. A hőcserélők magas, tűzálló téglákból épített rácsos szerkezetű oszlopok (a feltaláló Edward A. Cowper nevéből kauperek), amelyek a levegőt szakaszos üzemben 1100… 1300 °C-ra melegítik fel. 1/11/2022 25

NAGYOLVASZTÓ 1/11/2022 26

NAGYOLVASZTÓ • A nagyolvasztó a nyersvasgyártás legelterjedtebb kemencetípusa. • A vasércekből redukálással állítják elő benne a nyersvasat. • A redukciót szén (karbon) segítségével végzik, amit többnyire koksz formájában használnak fel. • A nagyolvasztó maga a nyersvas előállítására szolgáló aknás kemence. • Működtetése azonban több, egyéb feladatot ellátó egységet is igényel. • Ilyenek például a léghevítők, a fúvógépház, a torokgáztisztító stb. • Ezeket – a nagyolvasztóval együtt – nagyolvasztóműnek nevezik. • Legnagyobb magassági méretek a 30… 35 m körüli tartományban vannak, a hasznos térfogat pedig az 5000 m 3 -t is meghaladja. 1/11/2022 27

Vasérc Koksz mészkő 1/11/2022 NAGYOLVASZTÓ 28

NAGYOLVASZTÓ 1/11/2022 29

NAGYOLVASZTÓ • Falazat A nagyolvasztó falazatának sokirányú követelményeknek kell megfelelni. Többek között kopásállónak kell lennie, hogy ellenálljon a levonuló elegy abrazív hatásának, ellen kell állnia a folyékony nyersvas és salak összetett hatásával szemben, a különböző jellegű kémiai igénybevételekkel szemben stb. • A nagyolvasztó különböző zónáiban eltérőek az igénybevételek, ezért a falazat – helytől függően – más és más típusú tűzállóanyagból készül (pl. samott, karbon, magnezit, korund stb. téglából, blokkból, a fenék esetleg döngölt tűzállóanyagból). • A falazat – közbenső javításokkal – évekig tartó folyamatos használatot tesz lehetővé. Ezt követően a kohót leállítják, és teljes egészében újrafalazzák (és nem ritkán egyéb átalakításokat, korszerűsítéseket végeznek). 1/11/2022 30

NAGYOLVASZTÓ Torokzáró és adagoló berendezések • A nagyolvasztó felső részén, a torokra építve helyezkednek el. • Feladatuk kettős: egyrészt biztonságosan le kell zárni a kemence felső részét a külvilágtól, hogy ne áramolhasson ki a súlyosan mérgező torokgáz, másrészt lehetővé kell tenni a torokhoz érkező elegy és koksz bejuttatását az aknába. • Az elegy ferde felvonópályán vagy szállítószalagon érkezik a torokhoz. • A torokzár kialakítása sokféle lehet, az egyik típus például a kétkúpos adagoló, ami voltaképpen egy zsiliprendszert valósít meg. Itt helyezik el a torokgáz elvezetésére való csőrendszert is. 1/11/2022 31

NAGYOLVASZTÓ A fúvószélellátás elemei • • Bonyolult csőrendszert alkotnak. A felmelegített levegő (forrószél) a léghevítőktől a a forrószélvezetéken jut a nagyolvasztót körbevevő körvezetékbe, majd innen ágazik le a fúvókák felé. Csapolónyílások • A medencében folyamatosan gyűlő nyersvas és salak időnkénti eltávolítására valók. A vascsapoló nyílás tűzálló masszával van kitöltve, amit csapoláskor átütnek, annak végén pedig dugaszoló gép végzi a lezárását. • Salakcsapoló nyílást a kisebb nagyolvasztókon nem mindig alakítanak ki, ilyenkor a salakot és a vasat együtt csapolják le. • A külön épített salakcsapoló nyílás(ok) vízhűtéses bronz szerelvények. 1/11/2022 32

NAGYOLVASZTÓ • • • Hűtőrendszer A nagyolvasztó falazatának és más nagy hőigénybevételnek kitett részeinek védelmét szolgálja. A hűtést vízzel végzik, és történhet vízpermettel vagy vízköpenyhűtéssel, illetve beépített hűtőszerelvényekkel. Vasércek előkészítése: aprítás (malomban szétőrlés) Dúsítás (kivonják a nem vas tartalmú kőzetet) Pörkölés (kiszárítják az ércet és a kén 90 % át eltávolítják) Darabosítás ( melegítéssel történő zsugorítás) NAGYOLVASZTÓ TERMÉKEI Nyersvas Kohósalak Torokgáz 1/11/2022 33

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Az acéloknál ötvözők alkalmazása helyett néha elegendő csupán hőkezeléssel elérni a kívánt műszaki paramétereket. MINDEN HŐKEZELÉSI MŰVELET AZ AUSZTENIT ÁTALAKULÁSÁRA ÉPÜL! Ötvözött, sőt erősen ötvözött acéloknak sokszor a hőkezelés során alakulnak ki az elvárt anyagjellemzők. • 1/11/2022 A szénatomok beépülésével a vas köbös rácsa tetragonálissá torzul (MARTENZIT) 34

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Az acélnál hevítéssel elérhető, hogy az őt körülvevő közegből bizonyos elemek, pl. : szén, vagy nitrogén diffundáljanak a felületi rétegbe. Máskor az izzítással például a hidrogén távozása érhető el. • Hőkezelési eljárásoknál tehát rendkívüli szerepe van az anyag hűtési sebességének. • A hűtőközegek helyes megválasztásával finoman lehet szabályozni az időegység alatt bekövetkező hőmérsékletcsökkenést. • Az eltérő hőkapacitású fürdők, légnemű anyagok 1000°C/sec-tól I-2°C/sec-ig biztosítják a hűtés sebességét. A gyakorlatban a következő hűtőközegeket szoktak alkalmazni: • • • víz, vagy vizes oldatok alacsonyabb olvadáspontú sóolvadékok olajok különböző mozgásállapotú levegő zárt kívülről hőszigetelt légtér, vagy homok 1/11/2022 35

ACÉLOK HŐKEZELÉSE A hőkezelés az a technológiai eljárás, amely felmelegítésből, hőntartásból és különböző sebességű lehűtésből áll hevítés hőntartás lehűtés A hevítés sebessége az anyag terjedelmétől, tagoltságától és hővezető képességétől függ A hőntartás ideje néhány perctől néhány óráig tarthat (idő = átmérő vagy falvastagság) A lehűtés sebessége a hőkezelés céljátől függ 1/11/2022 36

ACÉLOK HŐKEZELÉSE A hőkezelés célja: szilárd fémes szerkezeti anyagok mechanikai és technológiai tulajdonságainak javítása Pl. : Keménység növelés Keménység csökkentés Szívósság növelés MINDEN HŐKEZELÉSI MŰVELET AZ AUSZTENIT ÁTALAKULÁSÁRA ÉPÜL! Hőkezelések gyakorlata Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések Közönséges (martenzites) edzés: Célja: a munkadarabot teljes keresztmetszetében martenzites szövetszerkezetűre alakítsuk Folyamata: felhevítjük ausztenites mező hőmérsékletére, hőn tartjuk, majd vkrit nagyobb sebességgel lehűtjük Az acélok zöme allotróp átalakulást mutat, azaz kémiai összetételtől függően 700 -900 C alatt más kristályszerkezetű (alfavas), efölött (gammavas). 1/11/2022 37

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Az alfa és gamma módosulatok az alkotókat különböző mértékben oldják. Például a gammavas nagymértékben oldja a karbont, míg az alfavas igen kis mértékben. Az, hogy a folyamathoz milyen gyors hűtés szükséges, az acél kémiai összetételétől függ. Ötvözetlen acélok esetén még kis méretű daraboknál is vízhűtés szükséges, ötvözött acéloknál elég lehet az olajhűtés, erősen ötvözött acélok akár légedzésűek is lehetnek. Ha az edzett vagy részlegesen edzett acélt újra gamma állapotra hevítjük (ausztenites állapot) az edzés hatása megszűnik, tehát az újabb lehűtés szabályozásával hozható létre lágy vagy kemény állapot. 1. 8. ábra: A rideg és a szívós viselkedés. Ridegen és szívósan tört felület mikroképe. 1/11/2022 38

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Rideg törés – csekély munkaszükséglet, hasadt, sík felületek, helyi alakváltozás nincs Szívós törés – nagy munkaszükséglet, tagolt felület, nagymértékű helyi alakváltozás Megeresztődés, kilágyulás Az acélok nem egyensúlyi /edzett vagy részlegesen edzett / állapota 250… 680 C intervallumra hevítve fokozatosan egyensúlyi irányba változik, tehát keménysége csökken, alakíthatósága nő, ridegségéből veszít, stb. Ez a megeresztődés, illetve kilágyulás folyamata. Az újrakristályosodás Az acélok hidegalakítása a szemcséket deformálja, ez alakítási keményedést hoz létre. Az alakítási keménység lágyítással megszüntethető. Kb. 400… 650 C-ra hevítve az alakított szemcsék rovására új, alakítatlan szemcsék jönnek létre. A kialakuló szemcseméret határozza meg a tulajdonságokat. A szemcseméret az alakítás mértékétől, a hevítés hőmérsékletétől és idejétől függ. 1/11/2022 39

ACÉLOK HŐKEZELÉSE 1/11/2022 40

ACÉLOK HŐKEZELÉSE, HŐKEZELŐ TECHNOLÓGIÁK Lágyítások Ha az acél a megkívántnál nagyobb keménységű, a forgácsolhatóság, hidegalakíthatóság stb. érdekében lágyítani kell. Az acél nagyobb keménységét vagy a hidegalakított termék alakítási keménysége okozza, vagy a melegalakítás illetve hőkezelés lehűtése olyan sebességű volt, hogy az acél részlegesen beedződött. A lágyítás tehát hidegalakított termékeknél és főleg ötvözött acéloknál szükséges, melyeknél a melegalakításkor történő levegőn való lehűlés is részleges edződést okozhat. 1/11/2022 41

ACÉLOK HŐKEZELÉSE 1/11/2022 42

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Feszültségcsökkentő hőkezelések A különböző technológiák alatt a gyártmányokban káros saját feszültségek keletkezhetnek. Ezek két szempontból károsak. Egyrészt hozzáadódnak az üzemi terhelés okozta feszültségekhez, ezzel csökkentik a terhelhetőséget, illetve élettartamot, másrészt hosszú idő alatt a saját feszültségek relaxálása miatt az alkatrész méretváltozása vagy vetemedése következhet be. Célszerű tehát a saját feszültségeket feszültségcsökkentő hőkezelésekkel relaxáltatni. 1/11/2022 43

ACÉLOK HŐKEZELÉSE Normalizálás A normalizálás fő alkalmazási területe a melegalakított /hengerelt, kovácsolt/ termékek adagon belüli tulajdonságszórásának mérséklése. Nemesítés A nemesítés összetett hőkezelés, edzésből és megeresztésből áll. Célja a finomszemcsés, úgynevezett szferoidites szövet előállítása. Minél nagyobb a megeresztés hőmérséklete és minél hosszabb a hőntartás, a bomlási folyamat annál tökéletesebb. Ennek hatására a megeresztési hőmérséklet növelésével csökken a keménység és a szilárdság, ezzel szemben nő az ütőmunka és az alakíthatóság. Végül a hőmérséklet növelésével elérhető az edzés hatásának teljes megszűnése, visszaáll a lágyított állapot. 1/11/2022 44

ACÉLOK HŐKEZELÉSE 1/11/2022 45

SZERSZÁMACÉLOK HŐKEZELÉSE 1/11/2022 46

ACÉLGYÁRTÁS Az acél a vas legfeljebb 2, 06% szénnel alkotott ötvözete, de ötvözőelemként számos más elem is szóba jön (szilícium, mangán, króm, nikkel, molibdén, vanádium, volfrám stb. ). Az acél az ipar egyik legfontosabb anyaga, előállításával az acélkohászat foglalkozik. Az acél képlékenyalakítással (kovácsolás, hengerlés, kisajtolás stb. )hidegen és melegen megmunkálható, tulajdonságai hőkezeléssel tovább alakítható. Az acélgyártás kiinduló anyaga a nyersvas és az ócskavas. Ahhoz, hogy a nyersvasból acél legyen, annak fölösleges kísérőelemeit (C-, Si-, Mn-, Pés S-tartalmát) el kell távolítani. Ez úgy történik, hogy a megolvasztott fémbetétből kiégetik a „káros” elemeket, ötvözik „hasznos” elemekkel, majd a folyékony acélt kokillába vagy folyamatos öntőgépbe öntik és kristályosítják. 1/11/2022 47

ACÉLGYÁRTÁS Acélgyártás ívfényes kemencében 1/11/2022 48

ACÉLGYÁRTÁS Az első vaskohók még csak kis gödrök voltak, a vasércet faszénnel izzították. A szén redukálta avasércet, azaz eltávolította oxigéntartalmát. A gödrök nagyobbak lettek, agyagbélést kaptak, a tűz táplálásáról természetes huzattal gondoskodtak. A gyártott termék alig olvadt meg, a viszonylag kis hőmérséklet miatt a szén alig ötvözte a vasat. Az eljárás során az ércből salakkal szennyezett acélszerű terméket kaptak. A salakot kovácsolással távolították el, az anyagot ezután acélként fel lehetett használni. A fejlődés eredményeként a kemencék tovább nőttek, és már bőrtömlős levegőbefúvásról is gondoskodtak. Ezek voltak a bucakemencék, amiket évszázadokon át használtak. A nagyolvasztók és a vízkerekes fújtatás megjelenésével a kohókban elérhető hőmérséklet is nagyobb lett, az adag teljes egészében megolvadt és jobban ötvöződött karbonnal (a kohászok szóhasználatában ez a szén neve). Emiatt a kapott termék rideg, kovácsolhatatlan lett. Acélt ezután más módszerekkel kellett gyártani. 1/11/2022 49

ACÉLGYÁRTÁS Acélgyártó eljárások 1. Acélgyártás szélfrissítéssel BESSEMER 1856 Konverter: szélfrissítéses eljárás, nagysága 2 -3 m, D=1 -2 m A módszer lényege az, hogy a folyékony nyersvasat egy körte formájú konverterbe öntik, és a nyersvasrétegen alulról levegő fújtatnak át. A levegő oxigénje hatására kiég a szén, a szilícium és a mangán. Előnye, hogy nem igényel külön tüzelőanyagot (a folyamatok hőtermelők) és igen nagy a termelékenysége. Kb. : 20 perc 1/11/2022 50

ACÉLGYÁRTÁS 2. Thomas eljárás (konverteres eljárás) A Thomas-módszer Sidney Gilchrist Thomas nevéhez fűződik (1878). Az eljárás során alkalmazott konverter szerkezete hasonló a Bessemeréhez, de falazatát bázikus (magnezit és dolomit) tűzálló téglákból építették. Ennek révén az eljárás alkalmassá vált a betét foszfortartalmának csökkentésére is. A művelet során bázikus salakképzőt (általában égetett meszet) adagolnak, ezen kívül a képződött vasoxid is szerepet játszik a foszfortalanítás folyamatában. 1/11/2022 51

ACÉLGYÁRTÁS 3. Konverteres oxigénfúvatásos acélgyártó eljárások Az LD-eljárás az ausztriai Linz-Donawitz – az eljárás kidolgozásának helyének – kezdőbetűit takarja. Az acélgyártás úgy történik, hogy megbillentik a meleg, legalább 1000 °C-os konvertert, és – ha hulladékkal is dolgoznak – beadagolják a vashulladékot és a nyersvasat úgy, hogy az elfedje a hulladékot. A konvertert függőleges helyzetbe állítják, leengedik az oxigénlándzsát, és először távolabbról megkezdik a fúvatást. forró folt keletkezik 2500 -3000 C vegyi folyamatok megindulnak A Ca. O-nak a salakképződés mellett a foszfortalanításban és a falazat védelmében is van szerepe. A lándzsát fokozatosan lejjebb engedik, a fürdő hőmérséklete a végbemenő hőtermelő reakciók hatására megemelkedik. Ha a hőmérséklet túl magas, acélhulladékot adagolnak. Az adagkészítés második részében adagolhatják az ötvözőket, de gyakran nem a konverterben ötvöznek, hanem a csapolás után az üstben. Ezt hívják üstmetallurgiának. A fúvatási idő 12… 20 perc között alakul. Az eljárás végén a konvertert megbillentve végzik el a csapolást. 1/11/2022 52

ACÉLGYÁRTÁS LD-konverter metszete 1/11/2022 53

ACÉLGYÁRTÁS 4. Siemens Martin féle eljárás A Siemens-Martin-eljárást az Émile Martin és Pierre Martin testvérpár szabadalmaztatta 1864 -ben. Az eljárás nevében a Siemens nevet a a Siemens testvérek által szabadalmaztatott, és itt felhasznált váltakozó lángjárású regeneratív tüzelési rendszer magyarázza. A módszer lehetővé teszi folyékony nyersvas és ócskavas felhasználását is, de akár szilárd betéttel is lehetett indulni. Ez volt az az eljárás, ami lehetővé tette igen változatos ötvözöttségű acélok gyártását. A gyártási folyamat két lépcsőből áll: egy frissítő (oxidáló) és egy kikészítő (redukáló) szakaszból (ahol az oxidálódott vas visszaredukálását végzik). A frissítő szakasz hosszabb, mint a szélfrissítéses eljárásoké, ezért az adagidő hosszabb. A kikészítő szakaszban végezték el pl. az ötvözést. Előnye: 1/11/2022 a nyersvas összetételére nem alkalmas Ócskavas felhasználás lehetővé tétele Lassú lefolyás jobban ellenőrizhető az összetétel 54

ACÉLGYÁRTÁS Berakás Beolvasztás 3 -5 óra Frissítés Dezoxidálás Ötvözés Csapolás 1/11/2022 55

ACÉLGYÁRTÁS Elektroacélgyártás Az ívfényes kemencében végzett acélgyártással először Siemens foglalkozott 1879 -ben. Ipari méretekben történő alkalmazására azonban csak a Héroult-kemence volt alkalmas, amelynél a villamos ív a betét és a grafitból készült elektród között jött létre. Az ívfényes kemence kiinduló anyaga általában hulladékacél, esetleg vasszivacs és fémesített pellet, ritkán nyersvas. Az ívkemencében lehet egy- és kétsalakos gyártási technológiával dolgozni, de a kétsalakos az általános. Az adaggyártás fő folyamatai: 1/11/2022 56

ACÉLGYÁRTÁS Adagberakás: a kemence boltozata a grafit elektródokkal együtt leemelhető, a betétet kosaras módszerrel emelik be, daru segítségével. A kosár aljára rakják a karbonizáló anyagot és az égetett meszet, erre kerül az ócskavas. Az adagolás után visszahelyezik a tetőt. Beolvasztás: a maximális teljesítmény ~80%-ával ívet gyújtanak, majd annak stabilizálódása után teljesítményre kapcsolják a rendszert. Arra alkalmas kemencében az ív alatt mozgatni (fordítani) tudják a betétet. Frissítés: égetett mész és folypát adagolásával történik, miközben a fürdőben buborékképződés („fövés”) indul meg, a salak egy része kifolyik a salakoló ajtón. A frissítés végén az acélfürdő hőmérséklete 1630 °C körül van. Van oxigénes frissítéses módszer is. A frissítés során az acél Ctartalmát kevéssel a tervezett alá viszik. Salaklehúzás: a műveletet mindig kémiai elemzés előzi meg. Kikészítés: első műveletként beállítják a C-tartalmat. A karbonizálás után ferroszilíciumot és ferromangánt adagolnak, kialakítják az új salakot, majd elvégzik az ötvözést (de igen gyakran az üstben ötvöznek). Csapolás: a kemencét megbillentik, és a fürdő tartalmát (salakot és acélt együtt) üstbe csapolják. Néha külön csapolják a salakot. 1/11/2022 57

ACÉLGYÁRTÁS Az ívkemencék hengeres testtel, homorú fenékrésszel és domború tetővel készülnek. A boltozat leemelhető, üzemszerűen homokzárral van leszigetelve. A három – magassági irányban állítható – grafitelektród a boltozaton vágott lyukakon lóg be a kemencetérbe. A kemencetestet acéllemez páncélzat veszi körül, a köpenyre szerelik a csapoló csatornát és más szerelvényeket. A tűzálló falazat helytől függően változó minőségű és kivitelű: a medence többrétegű, hézag nélkül rakott tűzálló téglákból (alul samott, felül magnezit) épül, az oldalfal gyakran döngölt magnezit vagy dolomit, esetleg formablokk. 1/11/2022 58

ACÉLGYÁRTÁS Ívhő: 3000 -3500 C Fesz: 80 -270 V 1/11/2022 59