A bucavasgyártástól az elektroacélig

Egyik látogatóm, Végh Balázs, újabb Érdekességek címszó-témával lepett meg. A vas és az acél több címszóban is megtalálható már lexikonomban. Ez most a felhasználás és az előállítás történetét dolgozza fel.

A kezdetek

A legelső, ember által készített egyszerű vastárgyak megjelenése hosszú évszázadokkal megelőzi a vas előállításának képességét. Az észak-iráni Tepe Sialk-ban Kr.e. 4600-4100, a gízai piramisokból pedig Kr.e. 3000-2700 körüli időkből találtak meteoritvasból készült golyókat, gyöngyöket. A Kr.e. 3-2. évezredből Anatóliából, Mezopotámiából, Egyiptomból, Szíriából és Görögország területéről kerültek elő vastárgyak. Vas lándzsahegy Görögország területéről Kr.e. 3-1. századból

Vasmeteorit Teljes bizonyossággal nem lehet megállapítani, mikortól tudtak alakítható vasat ércekből előállítani. Nem véletlen a kis-ázsiai, közel-keleti térség vezető szerepe: a réz és bronzkultúra elterjedésében is alapvető szerepet játszó területeken a rézércek olvasztásánál folyósító szerként használt vas-oxid tartalmú ércdarabokból redukálódhattak ki az első fémes vasrögök, de innét még hosszú út vezetett a vasércek olvasztási technológiájának rézkohászattól való leválasztásához.

Bucakemencék és nyersvas

A vas érceiből való előállításának egyik mérföldköve az úgynevezett bucakemencék, illetve bucavasgyártás megjelenése volt, amit sok évszázadon keresztül alkalmaztak. Közép- és Nyugat-Európában hozzávetőlegesen a Kr. e. 8-6. századra datálható a bucavasgyártás kezdete, de térségenként akár jelentős eltérések is lehettek (pl. az oroszországi Voronyezs környékéről már a Kr. e. 15. századból is kerültek elő bucatűzhely-maradványok).

Bucakemence maradvány Sopron környékéről a 10. századból, és egy bucakemence felépítése

Külszíni gyűjtésből vagy relatíve alacsony művelésű bányákból származó vas-oxid tartalmú ércet bucakemencékben (esetleg olvasztógödrökben) közvetlenül fémes vassá redukáltak. A "közvetlen" vagy "direkt" jelző onnan származik, hogy a nagy vasveszteségű és hosszadalmas eljárás alatt a vasérc meddőtartalmából folyékony salak keletkezett, viszont a fémes vas az eljárás során nem került folyékony állapotba, így kevés szenet tudott csak oldani.
Az ércből salakkal szennyezett, közvetlenül alakítható, heterogén szerkezetű úgynevezett vasbucákat kaptak.
A salakot kovácsolással távolították el, a terméket ezután acélként fel lehetett használni.

A levegőbefújatásnál alkalmazott kézi erőt idővel felváltotta a vízikerék használata. Ez egyúttal a kemencék üzemi hőmérsékletének emelkedését is jelentette. Az adag teljes egészében megolvadt és jobban ötvöződött a szénnel, nyersvas vagy öntöttvas lett belőle. A kapott termék rideg, kovácsolhatatlan volt - ez az átmeneti fázis vezetett a kétlépcsős vagy indirekt eljáráshoz: a primer nyersvas széntartalmát frissítéssel - oxigénhordozó bevitelével - csökkentették, belőle alakítható acélt előállítva.

Korszerű nagyolvasztó felépítése

Ekkor jelent meg a nagyolvasztó, mint az indirekt eljárás jellemző berendezése, és egy új iparág, a vasöntés. (A nagyolvasztó európai megjelenése máig vita tárgyát képezi. Egyes vélemények szerint csak a 16. századtól beszélhetünk klasszikus nagyolvasztóról, más vélemények szerint a berendezés a 16. századig a Rajnától keletre még nem jutott el).
Később a nagyolvasztót csak nyersvas előállítására használták, mivel új technológiák jelentek meg.

Frisstűzi acél

A frisstűzi acélgyártás módszere nagyjából a 15. század végén, a 16. század elején alakult ki.
A nyersvas kísérő elemeit faszénnel fűtött kemencében, oxigénben dús atmoszférában égették ki. A művelet nagyjából négy órát vett igénybe, és általában mintegy 100-150 kilogrammos acélgomolyát (lupát) kaptak. A módszer közel 500 évig használatos volt. Svédországban és Ausztriában még a 20. század elején is gyártottak jó minőségű frisstűzi acélt.

Frisstűz (frisselő-kemence) fújtatóval

A vas a tűzben cseppenként olvadt meg. A lecsorgó vascseppek felületén a fúvószél-áram
oxigénjével Fe₃O₄ képződött. A vascseppek a Fe₃O₄-dús salakba süllyedve, a tűzhely alján gyűltek össze.
Az oxidáció következtében a vas szilícium-, mangán- és széntartalma csökkent, olvadáspontja növekedett és lágy gomolyaként (lupaként) kristályosodott.
A gomolyát kovácsolással tisztították meg a bezáródott salakrészecskéktől.
Egy korabeli vasműhely frisstűzből és közvetlenül mellé telepített kalapácsból állt. A kalapács neve hámor volt, de rendszerint magát a műhelyt (frisstüzet és kalapácsot) értették a hámor elnevezés alatt.

Fontos megjegyezni, hogy az eddigi acélgyártási eljárások esetén az acél nem folyékony állapotban jelent meg, ellentétben az ezt követő, új módszerekkel. Ezért a korábbi eljárással készült acélt forrasztott acélnak, míg az újabb eljárások szerintit folytacélnak nevezték.

Tégelyacélgyártás

A tégelyacélgyártást 1740-ben találta fel Benjamin Huntsman.
A tégelyacél tömörségét és gáztalanságát annak köszönhette, hogy a zárt, salakító anyaggal (pl. üvegpor) lefedett tégelyekbe rakott, korábban frisstűzi módszerrel előállított acélhoz az eljárás során semmiféle szennyező anyag nem férhetett, és hiányzott a frissítéshez szükséges oxidáló anyag is. Ebből kifolyólag inkább tekinthető acélnemesítő/finomító eljárásnak.
A szükséges hőmérsékletet faszén-, koksz-, később gáztüzeléssel biztosították.
Ezzel a módszerrel kezdődött az ötvözött acélok gyártása.

Cort-féle kavaró acélgyártás

Henry Cort szabadalmazatta 1784-ben a kavaró acélgyártási eljárást.
Lángkemencét használtak, az olvadt nyersvas csak a kőszén eléből származó, oxigénben dús füstgázzal érintkezett.
A folyékony fürdőt hosszú vasrudakkal kavargatták (innen a név), hogy mindig újabb rész érintkezzen a füstgázzal. Ez rendkívül fárasztó és egészségre ártalmas munka volt.
A kapott lupákról kovácsolással eltávolították a salakot, majd üreges hengereken rudakká hengerelték őket.
Cort szabadalmának vitathatatlan előnye volt a nagyobb termelékenység, az olcsó kőszéntüzelés, valamint a kapott acél jobb alakíthatósága.

Bessemer szélfrissítéses eljárása

A Bessemer-féle szélfrissítéses eljárást 1855-ben szabadalmaztatta Henry Bessemer angol mérnök.
Lényege, hogy a folyékony nyersvasat egy körte formájú, savas jellegű tűzálló falazattal bélelt konverterbe öntik, és a nyersvasrétegen alulról levegőt fújtatnak át.
A levegő oxigénjének hatására kiég a szén, a szilícium és a mangán. Az említett folyamatok exotermek, így nem volt szükség külön tüzelőanyagra.

Bessemer-konverter

Tulajdonképpen a Bessemer-módszerrel kezdődött az acél ipari mértékű előállítása, amit a kavaró acélgyártással szembeni magasabb termelékenységének köszönhetett.
Hátránya volt azonban, hogy csak kis foszfortartalmú nyersvasat lehetett hozzá felhasználni, illetve a levegőfújtatás okozta magas nitrogéntartalom, ami az acél képlékenységét és szívósságát csökkentette.

Thomas-módszer

Sidney Gilchrist Thomas nevéhez fűződik a Thomas-módszer (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.

Thomas-konverter

A művelet során bázikus salakképzőt (általában égetett meszet) adagolnak, ezen kívül a képződött vas-oxid is szerepet játszik a foszfortalanítás folyamatában.
További újítás, hogy oxigénnel dúsított fúvólevegőt használtak, elkerülve ezzel a betét nitrogéntartalmának növekedését.
A Thomas-eljárás az 1880-as évektől kezdett elterjedni, főleg a foszforban dús nyersvasat gyártó területeken.

Siemens-Martin eljárás

A Siemens-Martin-eljárást Pierre-Émile Martin francia mérnök szabadalmaztatta 1864-ben.
Az eljárás nevében a Siemens nevet a Carl Wilhelm Siemens által szabadalmaztatott, és itt felhasznált váltakozó lángjárású regeneratív tüzelési rendszer magyarázza.
A módszerrel folyékony nyersvas és ócskavas is felhasználható, de akár szilárd betéttel is lehetett indulni, és lehetővé tette változatos ötvözöttségű acélok gyártását.
Mintegy száz évig vezető módszere volt az acélgyártásnak, de az oxigénes konverteres eljárások miatt idővel egyre jobban háttérbe szorult.

LD-konverter

A konverteres acélgyártási módszerek közül mára az oxigénbefúvásos módszer maradt meg.
Ennek az eljárásnak első képviselője az LD (Linz-Donawitz)-konverter volt, amit követtek más néven jegyzett módszerek is.
A szabadalom a svájci Robert Durrer nevéhez fűződik (1948).
A legalább 1000 Celsius-fokos konverterbe adagolt nyersvasra és acélhulladékra oxigént fújtatnak, majd salakképzőt (CaO) adnak hozzá.
A művelet során a betétben megindul a kísérőelemek (szilícium, mangán, kén, foszfor) oxidációja, ezt követően pedig lehetséges az ötvözők hozzáadása.
Az LD-konverteres megoldás a Siemens-Martin-eljárásnál olcsóbb, egyszerűbb, és termelékenysége is nagyobb.

Elektroacél-gyártás

Az ívfényes kemencében (ívkemence) végzett acélgyártással először Siemens foglalkozott 1879-ben.
Ipari méretekben történő alkalmazására azonban csak a Héroult-kemence (1907) volt alkalmas, amelynél a villamos ív a betét és a grafitból készült elektród között jön létre.
A betét anyaga többnyire hulladékacél, esetleg vasszivacs és fémesített pellet (nyersvasat csak ritkán használnak).
Az ívkemencében lehet egy- vagy kétsalakos gyártási technológiával dolgozni, de a kétsalakos az általános.
A frissítéshez égetett meszet és folypátot adagolnak - de oxigén is használatos -, minek során a széntartalmat kevéssel a tervezett alá viszik.
Ezt követi a salak lehúzása, a széntartalom beállítása, majd a dezoxidáció (a felesleges oxigén eltávolítása), az új salak kialakítása, és szükség esetén az ötvözés.

Ívkemence

Az ívkemencék mellett használatosak még - kisebb méretekben - indukciós kemencék és ellenálláskemencék is.
Az eddig felsorolt eljárásokkal szemben több gazdasági és technológiai előnye is van: a leginkább alkalmas hulladékacélok újrahasznosítására, ezáltal kisebb az energiafelhasználás (ellentétben a primer-, nyersvasból történő acélgyártással), illetve üzemeltetése rugalmasabb, így a termelési igényekhez is jobban igazítható.

Felhasznált irodalom