Ocel

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Skočit na: Navigace, Hledání

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

Vysoká pec pro výrobu surového železa - Sestao, Španělsko
Vysoká pec pro výrobu surového železa - Sestao, Španělsko

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

[editovat] Související články