A bucavasgyártástól a szekunder metallurgiáig

A bucavasgyártáskor széljárta hegyoldalakban kialakított üregekben, faszén és gyepvasérc adagolásával, az 1. ábrán látható módon állítottak elő „acélt”. E technológia érdekessége, hogy egyes afrikai törzsek még ma is alkalmazzák. A kapott végtermék a berendezés alján összeállt, néhány kilogrammnyi acél-salak keverék. Több kemencényi adag összekovácsolásával jutottak el egy adott használati eszközhöz szükséges anyagmennyiséghez. Az összekovácsolás másik fontos feladata volt, hogy a fölösleges salak minél nagyobb részét is eltávolítsák a végtermékből.

Ezek után a termelékenység fokozása érdekében elkezdték a befúvatott levegő mennyiségét növelni, és akkori ismeretek szerint valami megmagyarázhatatlan dolog történt, az addigi jól megmunkálható termék helyett egy rideg, törékeny anyagot kaptak. Hogy e jelenség széles körben ismert, jól példázza az egyes nyelveken használatos megnevezés is: angolul pig iron, németül: Dreckeisen, oroszul: svinyica csuguna. Angolul és oroszul „disznó” vasként fordítható, németül viszont problémásabb a dolog, merthogy egy színvonalas szaklapban nem illik csúnya szavakat használni, ezért a fordítás úgy írható körül, hogy a szarvas, mint állat jelzős szerkezete, azaz különírt változata.
A mai szakmai ismereteink szerint sikerült felfedezni a nyersvasgyártást. Az előbbiekben leírtak miatt a XVIII. századra nem véletlen, hogy kettévált a nyersvas- és acélgyártás. A bucakemencéből kifejlődött a nagyolvasztó, mely több 10 m magas aknás kemence, a kapott termék a kb. 4% karbontartalmú folyékony nyersvas. Az évek folyamán a nyersvasgyártás berendezése nem sokat változott, az acélgyártó berendezéseknek viszont számos változata terjedt el. A sorozatunk első részében már ismertetett Bessemer-, Thomas-, Siemens–Martin-, LD-, ívfényes elektroeljárások közül az LD és ívfényes elektro-acélgyártás maradt piacképes, és ezen eljárások különböző változataival gyártunk a mai napig acélt.
Az 1960–70-es évekre a termelékenységnövelés és minőségjavítás érdekében újabb változást figyelhettünk meg. A változás lényege jól modellezhető egy háziasszonyos példával: váratlan vendégek érkeznek, akik ráadásul még azt is közlik, hogy nagyon éhesek, és kedvencük a húsleves. A háziasszony a legerősebb lángot választja a gáztűzhelyen, és a szükséges hozzávalókkal felteszi főni a levest.  A cél minél előbb elérni a megfelelő hőmérsékletet, ezek után kis lángra állítva megtörténik a finombeállítás. Az acélgyártásnál is hasonló a helyzet, szükségünk van egy beolvasztó gép funkcióval rendelkező LD-konverterre, vagy az ívfényes elektrokemence UHP vagy SHP változatára, a minél gyorsabb beolvadás érdekében. Az acélgyártásnál ezek után a primer gyártóberendezésből kicsapolják az acélt, és a finombeállítást az üstben végzik el. Az üstbe való átöntés a termelékenység növelését is segíti, mivel kicsapolás után rögtön kezdődhet a következő adag gyártása.
Az eddigiek alapján megállapítható, hogy napjainkra már az acélgyártási technológia is kettévált, első lépésben egy beolvasztó gép funkciót betöltő, primer berendezésben megtörténik a rendkívül gyors megolvasztás, majd az üstben kerül sor a finombeállítást szolgáló szekunder metallurgiai műveletekre.
A síngyártás technológiai berendezései, néhány kisebb eltérést leszámítva, megegyeznek a normál technológiánál alkalmazott gépekkel, így a továbbiakban a szokásos berendezéseket ismertetem, külön felhíva a figyelmet a síngyártás sajátosságaira.

Primer acélgyártó berendezések

A gyors beolvadást segítő berendezések közül az LD-konvertereknél csak kisebb változások történtek, mivel az LD-konverterek adagideje – elsősorban a nagyrészt folyékony nyersvas betét miatt – kb. 1 óra (csapolástól csapolásig eltelt idő), és a folyamatos öntés ideje is az 1 órát közelíti, így műszakilag nem indokolt az adagidő további csökkentése. Az LD-konvertereknél inkább a minőségjavítás érdekében történtek a 2. ábrán látható technológiai változások, mint az alsó inert gázöblítés és a szublándzsa alkalmazása. Az alsó gázátöblítés homogénebbé teszi a folyékony acélfürdőt. Szublándzsa alkalmazásával lehetőségünk van a fúvatás befejezése előtt néhány perccel hőmérsékletre és vegyi összetételre próbát venni, és ezzel a fúvatás végső paraméterei nagy pontossággal meghatározhatók.

A 100%-ban szilárd, acélhulladék-betéttel dolgozó ívfényes elektro-acélgyártásnál a beolvadási idő csökkentésére, az elektromos energiával bevitt, kb. 50-100 MW-os teljesítményt tovább növelték földgáz-oxigén, olaj-oxigén égők alkalmazásával, valamint nagy tisztaságú oxigén befúvatásával. A megvalósítás elvi rajza a 3. ábrán látható. A lényeg abban áll, hogy az elektródák ívfénye által kevésbé melegített részekre az előbbiekben említett földgáz-, illetve olajégőkkel történik a fűtési energia bevitele, ezzel is segítve a gyorsabb és egyenletesebb beolvadást. Az UHP- és SHP-kemencék adagideje kb. 2 óra.

Szekunder acélgyártó berendezések

A modern acélgyártási technológiáknál a metallurgiai műveletek nagy része az üstbe tevődik át. A primer acélgyártás során az ún. oxidációs periódusban a nagy mennyiségű oxigén bevitele nélkülözhetetlen. Az acélgyártás második szakaszában – az ún. redukáló periódusban – az oxigén az első számú közellenség, az acél oxigéntartalmának csökkentése kiemelt feladat, ennek külön neve is van: dezoxidáció.
A szekunder acélgyártás során az elvégzendő legfontosabb feladatok:

• dezoxidálás, ötvözés,
• az acél végső összetételének beállítása, gáztartalmat (H₂, O2, N2) is,
• csapolási hőmérséklet elérése.

A szekunder üstmetallurgiai műveletek lehetőségeit foglalja össze a 4. ábra. Ezek szerint hőmérsékletmérés, ötvözés, hőbevitel, alsó és felső inert gázátöblítés, porbefúvás, porbeles huzalos kezelési módszerek tartoznak ide. Természetesen ez nem azt jelenti, hogy minden acélműben rendelkezésre állnak az előbbiekben ismertetett technológiai lehetőségek, az egyes gyártóhelyek sajátossága, hogy milyen módszert választanak a megfelelő minőségű acél előállítása érdekében.
A korszerű síngyártás fontos feltétele – a sínanyagok zárvány- és gáztartalmára vonatkozó rendkívül szigorú előírások miatt –, hogy a sínacélokat vákuumozni is kell. A vákuumozás az üstmetallurgiai műveletek egyik nem túl gyakran használt módszere. A vákuumozás hatására az acél gáz- és zárványtartalma rendkívül alacsony szintre csökkenthető.

A vákuumozásnak számos módja terjedt el: a legegyszerűbb, amikor az acél­üstöt zárt térbe helyezik, és kiszivattyúzzák a levegőt. Ez esetben a vákuumozás hatékonysága kicsi, nincs elég felület a fizikai-kémiai folyamatok lejátszódására. A reakciófelület növelésére számos módszert fejlesztettek ki, napjainkban. Az egyik legjobb az 5. ábrán látható RH-eljárás, amelynek lényege a borászok lopó használatával, annak kicsit továbbfejlesztett változatával magyarázható. Az acélfürdőbe két lopószár nyúlik be. A lopószár felett létrehozott vákuum felfelé áramlásra kényszeríti az acélt, ez esetben mindkét szárban felfelé áramlik a folyékony acél, nekünk viszont az lenne a jó, ha az egyikben felfelé, a másikban lefelé mutató áramlás alakulna ki. Itt jött a nagy ötlet, hogy az egyik szárba argongázt vezetnek, ezzel ebben a szárban csökken az anyagkeverék (folyékony acél és argon) sűrűsége, a másikban változatlan marad, így adott vákuumértékkel biztosítható a kívánt áramlási kép.

Folyamatos öntés

A vákuumozás után kerül sor az acél folyamatos öntésére. Az alkalmazott berendezést sorozatunk 1. részében ismertettük. A sínacélokra vonatkozóan nagyon fontos, hogy az öntés során fokozott figyelmet kell fordítani az ún. reoxidáció elleni védelemre, melynek lényege, hogy öntés közben az acél ne érintkezzen a levegő oxigénjével, ez védősalakok, öntőporok, merülő- és védőcsövek alkalmazásával biztosítható. Síngyártás szempontjából a folyamatos öntés végterméke a kb. 250 × 350 mm keresztmetszetű, 5–10 m hosszú sínbuga. A komoly igénybevételnek kitett nagyvasúti sínek gyártásának fontos feltétele, hogy az alakítás mértéke, azaz a hengerlés előtti sínbuga és a hengerlés utáni kész sín keresztmetszeteinek aránya a mai előírások szerint 9-nél nagyobb legyen. A 60 rendszerű sínek esetében ez a számérték – pontosan a 250 × 350 mm-es bugára vonatkozóan – megközelítőleg 11. A megdermedt sínbugákat további feldolgozásra a hengerműbe szállítják.

Sínek hengerlése

A sínek hengerléséhez a folyamatosan ön­tött sínbugákat, ún. léptetőgerendás hevítőkemencékben hengerlési hőmérsékletre melegítik. A hevítésnél igen fontos, hogy a sínbugák felülete ne oxidálódjon, másképpen ne revésedjen; ehhez a kemencében, oxigénben szegény atmoszféra megléte ajánlott, a gáz vagy olaj tökéletes égéséhez viszont többletoxigénre, légfeleslegre van szükség, az optimum megtalálása szép, de rendkívül nehéz kohómérnöki feladat.

A sínhengerlés elve a 6. és 7. ábrán tanulmányozható. Ezeken a rajzokon duó, illetve trió hengerállványos hengerlés látható. A hengerlés két fázisra bontható, az első fázisban az előnyújtás történik, melynek jellemző berendezése a duó hengerállvány, a második fázisban, az ún. kész soron kapja meg a sín a végleges formáját, melynek jellegzetes gyártóberendezése a trió hengerállvány.

A hengerlés során a két hengerfélbe beesztergált idomok által kialakított, ún. üregekbe vezetik be a sínbugát, ezt a technológiai részfázist szúrásnak nevezzük. A jól megalkotott szúrástervek alkalmazásával, általában 9-11 szúrással készül el a nagyvasúti sín. Egy konkrét szúrásterv egyes lépéseit és az adott szúrás végén kapott keresztmetszeteket a 8. ábrán követhetjük nyomon.

A napjainkban korszerűnek mondott síngyártás berendezései a 9. ábrán láthatók. A primer acélgyártó berendezések kiválasztásánál nagyon fontos elv, hogy az SM-eljárás alkalmazása már nem megengedett, LD-, UHP- és SHP-eljárások közül célszerű választani. A szekunder üstmetallurgiánál a dezoxidálás és ötvözés üstben való elvégzése mellett a síngyártás sajátossága, hogy a jelenlegi rendkívül szigorú, zárvány- és gáztartalomra vonatkozó előírások megkövetelik a sínacélok vákuumozását. A vákuumozásra az RH-eljárás ajánlott. A folyamatos öntésnél ügyelni kell arra, hogy a vákuumozással beállított rendkívül kicsi gáztartalom véletlenül se növekedjék, azaz sínacélok öntésekor fokozott figyelmet kell fordítani a reoxidáció elleni védelemre.

A hengerlés első lépését jelentő hevítésnél, a sínbugában az egyenletes hőmérséklet-eloszlás elérése mellett, lényeges szempont a reveszegény felület biztosítása. A sínbugából a tényleges sínszelvény eléréséig általában duó és trió hengerállványok kombinált alkalmazásával készül el a nagyvasúti sín.
A nagyvasúti sínekre vonatkozó minőségi előírások betartása a gyártóműveket komoly fejlesztésekre kényszerítik. A szabványokban előírt sínanyagok rendkívül kicsi zárvány- és gáztartalma a kohászok által ritkán alkalmazott, a gyógyszergyártásnál megszokott mértékegység, a g/t (ppm), azaz 104 % alkalmazását is szükségessé teszi. Meri-e ezek után valaki azt állítani, hogy síngyártáskor a kohászat nem gyógyszergyár?!
Sorozatunk harmadik részében a rendkívül kicsi zárvány- és gáztartalmú, korszerű sínminőségek szabványokban előírt minőségi paramétereivel, előállításuk speciális kérdéseivel foglalkozunk.