Stål og legeringer!
Fremstilling av Jern
Jern fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft (oksygen) i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen. Temperaturen i masovnen er lavest i toppen og øker nedover fra ca. 250 °C til ca. 1500 °C nederst hvor slagg og jern tappes av.
Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen. Karbonmonoksidgassen beveger seg så motstrøms mot malmen. Reduksjonen beskrives kjemisk ved
Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g)
Under denne prosessen reduseres også oksidene til andre grunnstoffer som enten inngår i malmen eller som er satt til. Dette er i hovedsak oksider av fosfor, mangan og silisium.
Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO:
CO2(g) + C(s) = 2CO(g)
Denne likevekten forskyves mot høyre med økende temperatur.
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Med økende temperatur dannes først ´Fe´ og så jern.
Jernet som dannes inneholder karbon. Ved ca. 1200 °C begynner dette jernet å smelte. (Rent jern smelter ved 1539 °C). Jernet som tappes av fra bunnen av ovnen, råjernet, har en temperatur på 1400-1500 °C.
Reduksjonen av oksidene til de andre grunnstoffene (Mn, Si, P osv.) starter over ca. 900 °C. Disse grunnstoffene løses også i jernet.
I tillegg til jernet dannes det slagg som smelter ved 1300-1400 °C. CaO reagerer med malmens bergarter, og typiske verdier for sammensetningen til denne slaggen kan være 35 vekt% SiO2, 55 % CaO og 10 % Al203. Slaggen har lavere massetetthet enn jernet og flyter oppå. Slaggen kan derfor tappes av.
Moderne masovner kan være veldig store. De kan ha diameter opp mot 10 m og produsere ca. 3000 tonn råjern per døgn. Ovnene kan drives kontinuerlig i årevis.
Jernet som tappes av har et karboninnhold pa 3-4 %. Dette jernet veldig hardt og sprøtt. For å få et stål som kan valses, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette oppnås ved at luft blåses gjennom det smeltede råjernet slik at karbonet oksideres.
Stål
Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning. Stål deler vi igjen inn i Ulegert/lavlegert og høylegert.
Ulegert
Omtrent 90 % av verdens stålprodukter går med til de ulegerte stålene. Ulegert står inneholder fra 0,01-2,0 %.karbon. Det er karboninnholdet som bestemmer egenskapene til stålet. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter.
Lavlegert
Lavlegert stål inneholder mer mangan eller silisium en det som går med til deoksydasjonsprosessen. Utenom jern inneholder stålet 2-4 % andre legeringselementer.
Høylegert
Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. Av høylegert stål har vi igjen hurtigstål og rustfrie stål.
Støpejern
Støpejern er betegnelse på en gruppe jern-baserte legeringer med karbon og silisium, som størkner i et eutektikum. Karboninnholdet er minimum 2.1% (vektprosent), ettersom jernlegeringer med lavere innhold defineres som karbonstål. Vanlig innhold av legeringselementer er 2,1–4% karbon, 1–3% silisium og inntil 0,5–1% av andre elementer som mangan, kobber, tinn m.fl., alt etter hvilke egenskaper støpejernet skal ha.
Støpejern lages ved at jernholdige råmaterialer, sammen med karbon og andre legeringselementer, smeltes i en smelteovn. Når ønsket temperatur og analyse er oppnådd, blir det smeltede jernet tappet i en øse, tilført nye legeringselementer og deretter støpt i sandformer som gir den ønskede form på delen som skal lages.
Stål fremstilles ved raffinering av råjern. Fremstillingen går over fire hovedtrinn:
FERSKING 1)
Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan, svovel og fosfor fjernet i form av oksider.
DESOKSIDASJON OG LEGERING 2
Desoksidasjon og legering blir foretatt for å få kontroll over gassutviklingen under størkningen og for justering av sammensetningen. Den kan foregå i konverter eller ovn. Man trekker da først av den oksiderende slaggen fra ferskingsperioden, og vanligvis desoksiderer man under tappingen. Ferrolegeringer og eventuelt andre tilsetninger anbringes da i øsen, slik at omrøring i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding. Tilsetningene doseres med sikte på et kontrollert innhold av oksygen i stålet.
UTSTØPINGEN 3
Utstøpingen foregår gjennom et tappehull med stopper i bunnen av øsen, enten direkte ned i kokillene (fallstøping) eller via en sentral trakt med kanaler til bunnen av kokillene (stigestøping). Stål med lavt oksygeninnhold kan også støpes kontinuerlig (strengstøping). Man støper da via en forherd ned i en vannkjølt form uten bunn, der fast stål trekkes ut nedenfra som en sammenhengende streng i takt med tilførselen av flytende stål fra forherden.
VALSING 4
Fjerde trinn i stålfremstillingen omfatter varmformgivning ved valsing og smiing eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk. Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne. Valsingen foregår i flere trinn etter utjevning av temperaturen i emnet under opphold i varmegrop. Samspillet mellom plastisk deformasjon og temperatur er et viktig ledd i kontroll av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (normalisering, seigherding). En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing og trekking.
Innlegeringselementer i stål!
Sett vekk fra Karbon er det en rekke stoffer man tilsetter i legeringen får å få den kvaliteten man ønsker:
Cr
Ni
Mo
V
Cr-Krom
Krom brukes i stålet for å få det rustfritt. Vi kan si at de to viktigste funskjonene til krom i stål er å øke den mekaniske styrken og forbedre korrosjonsbestandigheten.
I forbindelse med overflatebehandling bør uttrykk som kromplettering, eller forkromming nevnes. Dette er prosesser der det elektrolytisk legges tynne kromfilmer med høy ripefasthet som derfor beskytter underliggende metalliske komponenter mot korrosjonsangrep, selv under forhold med stor slitasje. Vel så kjent effekt av forkromming er kanskje den dekorative effekten av tynne kromfilmer på for eksempel motorsykler og biler.
Tenkte det måtte nevnes siden forkrommede stenger brukes mye i min bedrift i hydraulikken. Det som gjør at krommingen behøves i hydraulikk er den høye ripefastheten og den glatte overflaten.
Ni-Nikkel
Ca. 60% av nikkelforbruket går med til produksjon av rustfritt stål og andre korrosjonsbestandige legeringer.
Mo-Molybden
Det meste av molybdenet som produseres benyttes i legeringer og det meste tilsettes stål. Tilsetning av 0,25 til 8 % Mo øker hardheten og styrken til stålet. Disse ståltypene benyttes f.eks. i biler, til verktøy og i jetmotorer. Plater av dette stålet benyttes dessuten i pansrede kjøretøyer. Mo er det stoffet som gjør stål mer bestandig mot syre.
V-Vanadium
Bare 0,1-0,2% Vanadium øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet samtidig som det virker deoksiderende.
Verktøystål
Verktøystål er stål som det lages verktøy av, verktøy som skal brukes til å behandle materialer. De må være tilpasset det de skal brukes til når det gjelder seighet, hardhet og fasthet. Det er veldig slitesterk og er til dels varmefast. Eksempler på hvor verktøystål kan brukes er for eksempel lasteskuffen på en gravemaskin eller en hjullaster, deres lasteskuffer må tåle mye juling og har ofte en mangan legering som gjør at metallet blir bare hardere jo mer man slår på det, det en stor fordel.
Vi har ulegerte verktøystål, det har karboninnhold 0,35- 1,5 %. Herdingen ble gjort med vann, det kalles vannherding.
Vi har lavlegert verktøystål, de inneholder mellom 0,35- 1,5 % karbon, og mindre mengder wolfram, krom, nikkel, vanadium og molybden. De blir herdet i Olje og kalles oljeherdere.
De høyt legerte verktøystålene har karboninnhold på 0,3- 2,2 %, og etter typen legering, store mengder krom, wolfram, kobolt, molybden, nikkel og vanadium. Herding foregår i oljebad i luftstrøm eller i saltbad. Jo høyere legeringsinnhold, desto høyere temperatur trengs det.
Film om produksjon av rustfritt stål!
">
