Ocel
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Obsah |
[editovat] Definice
Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků, která obsahuje méně než 2,14% uhlíku. V praxi jsou jako ocele označovány slitiny, které obsahují převážně železo a které je možno tvářet. Při obsazích uhlíku vyšších než 2,14% hovoří se o litinách. Zde je uhlík vyloučen jako grafit nebo cementit. Může se vyskytovat ve více fázích, které popisuje fázový binární diagram železo-uhlík.
[editovat] Vlastnosti oceli
Oceli jsou nejčastěji používanými kovovými materiály. Legováním uhlíkem a dalšími prvky a kombinací tepelného a tepelně-mechanického zpracování je možno ovlivnit vlastnosti ocelí v širokém rozmezí a tak jejich vlastnosti přizpůsobit zamýšlenému použití. Strukturní složky jsou popsány v binárním diagramu železo-uhlík. Hustota ocele je 7,85 g/cm3. Měrná tepelná kapacita ocele je cca 470 J.kg-1.K-1 (závisí na obsahu příměsí). Bod tání oceli je 1500 °C.
[editovat] Výroba oceli
Výchozím materiálem pro výrobu ocele je zpravidla surové železo vyrobené ve vysoké peci redukcí oxidů železa obsažených v železné rudě. Ruda, koks a vápenec jsou vsazovány do vysoké pece a zde za vysokých teplot redukovány a taveny. Železo a struska jsou periodicky odebírány z vysoké pece a buďto odlévány do tzv. housek nebo jako tekutý kov transportovány přímo do oceláren.
Obsah uhlíku v surovém železe je příliš vysoký a proto je nutné jej oxidačním procesem v ocelářských zařízeních snížit. Toho se dociluje oxidací uhlíku buďto kyslíkem ze vzduchu (Thomasův nebo Bessemerův konvertor), profoukáváním kyslíkem (LD konvertor) nebo přisazováním železné rudy a ocelového odpadu do taveniny v nístějových pecích (Siemens-Martinův proces, elektrická oblouková pec). Po oduhličení a přisazení legujících prvků je tavenina odlévána do ingotů v kokilách nebo kontinuelně odlévána. Takto vyrobený polotovar je potom výchozím materiálem pro další zpracování válcováním nebo kováním.
Rozlišujeme tzv. uklidněné a neuklidněné oceli. U uklidněných ocelí je rozpuštěný kyslík vázán přísadou hliníku (Al) nebo křemíku (Si). V současné době je ocel vyráběna převážně v tzv. integrovaných hutních provozech, kde je koncentrována celá výroba od surového železa přes ocelárnu a válcovnu až k hotovému polotovaru. Rozšířeny jsou i tzv. miniocelárny, kde je ocel vyráběna z ocelového odpadu v elektrických pecích a odlévána v kontinuelním licím zařízení na bramy, sochory apod. Ocelové polotovary jsou dále zpracovány ve válcovnách na drát, plech, nosníky, kolejnice, profily,které jsou široce používány v průmyslu, stavebnictví atd. Část těchto polotovarů slouží jako výchozí materiál pro výrobu výkovků v kovárnách.
[editovat] Největší výrobci oceli
Nejvyšší produkci ocele vykazuje Čína, Japonsko a USA. V Evropě jsou nejvýznamnější Německo, Francie a Italie.
Statistické údaje 2003 podle Handelsblat Die Welt in Zahlen 2005)
Pořadí Země Mil.t/rok Pořadí Země Mil.t/rok
1 Čína 220,1 10 Itálie 26,7
2 Japonsko 110,5 11 Francie 19,8
3 USA 90,4 12 Taiwan 18,9
4 Rusko 62,7 13 Turecko 18,3
5 Již. Korea 46,3 14 Španělsko 16,5
6 Německo 44,8 15 Kanada 15,9
7 Ukrajina 36,9 16 Mexiko 15,2
8 Indie 31,8 17 Anglie 13,3
9 Brazílie 31,1 18 Belgie 11,1
V České republice bylo v roce 2003 vyrobeno 6,7 mil. t surové oceli.
[editovat] Druhy ocelí
V současné době je vyráběno asi 2 500 druhů ocelí. V normách (ČSN, DIN, atd.) jsou ocele rozděleny do skupin jednak podle chemického složení, jednak podle struktury a mechanických a fyzikálních vlastností.
Podle chemického složení jsou oceli rozdělovány do následujících skupin:
[editovat] Nelegované oceli
Zvané také uhlíkové oceli. Obsah legujících prvků je nižší než 2,11%. Zpravidla nejsou tepelně zpracovány.
[editovat] Nízkolegované oceli
Obsah legujících prvků po odečtení obsahu uhlíku je nižší než 5%. Mají podobné vlastnosti jako oceli nelegované, ale jsou vhodné pro tepelné zpracování. Tepelným zpracováním je u nich možno ovlivnit mechanické vlastnosti.
[editovat] Vysoce legované oceli
Obsah legujících prvků je vyšší než 5%. Kombinací legujících prvků se dosahuje potřebných mechanických, fyzikálních a chemických vlastností.
[editovat] Rozdělení podle oblastí použití
Podle oblasti použití lze oceli rozdělit do následujících skupin:
- Stavební ocel – jsou zpravidla nelegované oceli používané ve strojírenství, stavbě budov apod.
- Automatové oceli – jsou oceli s přísadou síry nebo olova a snadným lomem třísky při obrábění.
- Betonářská ocel – na armovací drát nebo tyče ve stavebním průmyslu. Většinou nelegované nebo nízko legované ocele (např. ČSN 410210, 411300, 410302).
- Oceli na pružiny – „pérová ocel“, musí vykazovat dobré statické a dynamické vlastnosti. Vhodné jsou zde nelegované oceli s vyšším obsahem uhlíku a oceli slitinové se zvýšeným obsahem manganu a chromu (např. ČSN 412041).
- Ocel k cementování – do této skupiny patří oceli s nízkým obsahem uhlíku, které mají i po kalení dobré plastické vlastnosti. Vysoké tvrdosti povrchu se dosahuje obohacením povrchových vrstev uhlíkem před kalením.(např. ČSN 412023, 412024, 412030, …)
- Ocel pro elektrotechnické plechy – pro výrobu jader transformátorů a točivých strojů musí mít charakteristické magnetické vlastnosti, ale současně také schopnost k technologickému zpracování. Těmto účelům nejlépe vyhovují oceli s obsahem 1 až 4,5% křemíku (Si) a s minimálním obsahem uhlíku a dalších doprovodných prvků.
- Hlubokotažné ocele – jsou používány na výrobu hlubokotažných plechů. Plechy musí vykazovat především dobré plastické vlastnosti. Tyto oceli jsou nízkouhlíkové s minimálním obsahem doprovodných prvků. Zlepšení mechanických vlastností a jejich stability se dosahuje mikrolegováním hliníkem, titanem, vanadem, borem, zirkoniem a niobem. Jsou to zejména materiály pro karosářské plechy.(např. ČSN 412009)
- Ocel k zušlechťování – oceli se sředním obsahem uhlíku, které se po kalení popouštějí na vyšší teploty, aby se dosáhlo vysoké houževnatosti při zachování dobré pevnosti. (např. ČSN 412042, 412050, 412051, 412052, …)
- Antikorozní a žáruvzdorné ocele – vyrábějí se jako austenitické, nebo feritické oceli. Feritické obsahují minimálně 10% chromu (např. ČSN 417021-417042), austenitické jsou ještě legovány niklem. Austenitické oceli jsou za pokojové teploty nemagnetické.
- Nástrojové ocele – jsou většinou slitinové středně a vysocelegované ocele s vyšším až vysokým obsahem uhlíku a používají se na výrobu nástrojů a forem. Označují se číslem 19xxx. (např. ČSN 19855 - Nástroje na težko obrobitelne materiály a pro nejvyšší výkony, zejména nože na kovy, vrtáky, zápichové nože, nástroje na ozubení a pod.)
Poznámka: Jako Damascénská ocel je označován materiál na výrobu šavlí, mečů ap. Je znám svou vysokou pružností a pevností. Tento materiál však není jedním druhem oceli, ale sestává z různých druhů oceli, které jsou svařeny v ohni a kováním.
[editovat] Recyklování
Ocel se recykluje již víc než 150 let a to hlavně z ekonomických důvodů. Je totiž levnější ocel recyklovat, než těžit železnou rudu a vynakládat finance na výrobu „nové“ slitiny. Finanční nároky výroby nové slitiny jsou ve srovnání s náklady na recyklaci obrovské. Recykluje se také proto, že ocel během procesu recyklace neztráci žádné ze svých vlastností. Je to nejvíce recyklovaný materiál v Severní Americe. Energie ušetřená recyklováním oceli snižuje roční spotřebu energie průmyslu až o 75%. Toto procento představuje množství energie dostačující k zásobování 18 milionů rodin po dobu jednoho roku. Recyklováním jedné tuny oceli se ušetří 1100 kg železné rudy, 630 kg uhlí a 55 kg vápence. V roce 2005 bylo recyklováno 76 milionů tun oceli.
V poslední době se každým rokem zrecykluje asi třičtvrtě z celkové roční produkce oceli. U některých druhů ocelových produktů je tento poměr ještě vyšší. Například v letech 2004 a 2005 bylo zrecyklováno 97,5% tyčí a plátů z konstrukční oceli. Výztužných ocelových tyčí bylo zrecyklováno asi 65% z jejich celkové roční produkce. Konstrukční ocel tak typicky obsahuje asi 95% recyklovaného materiálu. Oproti tomu lehčí typ oceli, jako je ocel válcovaná, obsahuje „pouze“ 30% recyklovaného materiálu.
Ocelové tyče se vyrábí ve standardizovaných velikostech a tak se při jejich výrobě vyprodukuje jen velmi málo odpadu (tento odpad je samozřejmě recyklovatelný). Na průměrně velký dvoupodlažní dům se spotřebuje množství oceli přirovnatelné k 6 zrecyklovaným autům. Na stejný dům s dřevěnou konstrukcí by padlo asi 40 - 50 stromů.
Celosvětová poptávka po oceli neustále roste. Přestože zatím bylo oceli vyprodukováno obrovské množství, většina je stále v oběhu. Nejběžnější ocelové produkty určené k recyklování jsou plechovky, automobily, různá zařízení a ocel ze zbouraných budov. Můžeme odhadnout, že průměrné zařízení se skládá z 65% z oceli. Auta obsahují asi 66% oceli a železa.
Ocel je možné recyklovat v ocelárnách metodou oxidace v kyslíkových konvertorech. Většinou se však recykluje tavením v elektrických obloukových pecích (pro výrobu oceli s nízkým obsahem uhlíku) nebo v indukčních pecích (pro výrobu vysoce legovaných železných slitin).
[editovat] Použité zdroje
- Jaroslav Jech: Tepelné zpracování oceli, SNTL 1969
