Przeczytaj
Co to jest stal?
Stal to kluczowy materiał stosowany w przeróżnych dziedzinach przemysłu i życia człowieka. Bez niej nie wyobrażamy sobie obecnego krajobrazu miast i udogodnień w każdym aspekcie naszej codzienności. Obecnie stanowi ona najczęściej wytwarzany materiał przez człowieka, a jej produkcja to ponad 1,8 miliarda ton w skali roku. Światowymi liderami w tej dziedzinie przemysłu są: Chiny, Stany Zjednoczone i Japonia. Tak powszechne zastosowanie stali jest uzasadnione możliwością jej wielokrotnego recyklingu.
Stal to stopstop żelazażelaza z węglem o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11% masowych i domieszkami innych pierwiastków, tj.:
wanad (V) – poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach przy zachowaniu plastyczności;
chrom (Cr) – poprawia hartowność i odporność na korozję;
molibden (Mo) – poprawia ciągliwość stali;
mangan (Mn) – zmniejsza kruchość, pomaga w usuwaniu nadmiaru tlenu ze stopionej stali oraz poprawia hartowność.
Dzięki obecności węgla stal zyskuje znaczną twardość w porównaniu do czystego żelaza. Zawartość pozostałych metali również wpływa na cechy tego stopu. W zależności od kryteriów klasyfikacji, wyróżnia się szereg różnych typów stali. Z punktu widzenia składu chemicznego stal można klasyfikować w zależności od zawartości węgla lub innych dodatków stopowych.
Jak powstaje stal?
Stal ma swoje korzenie w czasach starożytnych i chociaż nie da się ściśle przybliżyć daty wynalezienia tego materiału, to od XVII wieku znana i wykorzystywana jest jej produkcja z zastosowaniem wielkiego pieca, którą zmodernizowano na przestrzeni lat.
Produkcja ta oparta jest o dwa etapy. W pierwszym z nich, z zastosowaniem wielkiego pieca, wytwarzana jest surówka (biała i szara). w drugim etapie z surówki białej wytwarzana jest stal.
Proces wielkopiecowy
Przed dodaniem rudy do pieca następuje jej spiekanie z dodatkami i prażenie, które pozwala na pozbycie się z niej wody, rozkład węglanów na tlenki i przekształcenie siarczków w tlenki. Następnie, nagrzany do temperatury ponad 1600°C (TIndeks dolny top.top. żelaza 1538°C) i nieprzerwanie działający, piec uzupełniany jest od góry przez gardziel naprzemiennie rudą i koksem. Częstym dodatkiem są topniki obniżające temperaturę topnienia mieszaniny, dzięki którym dodatkowo można usunąć zanieczyszczenia z rudy oraz węglan wapnia, który rozkłada się na tlenek wapnia i tlenek węgla(IV). Powstały tlenek wapnia łączy się z krzemionką i krzemianami w rudzie, tworząc żużelżużel. Następnie, w wyniku procesu konwektorowego, całość jest napowietrzana przez specjalne dysze umieszczone u dołu pieca powietrzem o temperaturze ok 1000ºC. Dzięki temu powstaje płynna surówka (mieszanina żelaza, węgla i innych pierwiastków), która spływa na dno pieca wraz z żużlem. Żużel posiada mniejszą gęstość w porównaniu do surówki, dlatego jest od niej z łatwością oddzielany. Otrzymana w ten sposób surówka zawiera 2,5‑4% masowych węgla. Z punktu widzenia chemicznego otrzymanie surówki jest możliwe, ponieważ następuje redukcja rudy żelaza. Dzieje się tak, dlatego że spalający się koks wytwarza tlenek węgla(II), który redukuje rudę:
Nagromadzony tlenek węgla(IV) ulega redukcji węglem (koksem) do tlenku węgla(II), który może ponownie reagować z tlenkami żelaza.
W kolejnym etapie z otrzymanej surówki wytwarzana jest stalstal. Duża zawartość w niej węgla musi być zredukowana, w przeciwnym razie otrzymana stal byłaby zbyt krucha. Stal można otrzymać na przykład na drodze metody Siemensa‑Martina, która w tym celu wykorzystuje piec martenowski. Surówkę z dodatkami, tj. tlenki żelaza i złom żelazny (pokryty rdzą‑tlenki żelaza), ogrzewa się do bardzo wysokich temperatur. Na skutek tego zabiegu węgiel z surówki łączy się z tlenem z tlenków i rdzy. Proces prowadzi się do momentu, aż stal osiągnie odpowiednią zawartość węgla (<1,7%).
Jakie jeszcze istnieją metody wytwarzania stali?
Obecnie, ze względu na szeroko rozwijającą się technologię, stal wytwarzana jest również na drodze dwóch nowocześniejszych metod. Pierwsza to BF‑BOF, czyli metoda wielkiego pieca‑zasadowego, druga to EAF, wykorzystująca elektryczny piec łukowy. Pierwsza z nich służy do pozyskiwania stali z rud żelaza, węgla i stali z recyklingu. Prowadzi ona do otrzymania tzw. stali tlenowej, ponieważ do napowietrzania stosowany jest tutaj czysty tlen, a nie, jak w klasycznym procesie wielkopiecowym, powietrze. Dzięki temu otrzymywana stal nie jest zanieczyszczona innymi gazami (na przykład azotem) i otrzymywana jest w znacznie krótszym czasie. Druga produkuje stal z recyklingu, stosując do tego celu energię elektryczną.
Zastosowania stali
Do czego stosowana jest stal? Stal, ze względu na swoje właściwości, tj.: twardość, sprężystość, wysoka temperatura topnienia, udarność, ciągliwość, wytrzymałość na rozciąganie, przewodność cieplna i elektryczna, podatność na obróbkę plastyczną i cieplną (na przykład spawanie), posiada liczne zastosowania m.in. w produkcji: karoserii samochodowych, maszyn i ich części, instalacji elektrycznych, kadłubów statków i platform morskich, pociągów, szyn kolejowych i trakcji mostów, wyrobów stalowych, tj. śrub, gwoździ, drutów, prętów, kabli, zegarków, sztućców, dachów i elewacji budynków, puszek do konserw oraz konstrukcji budowalnych.
Słownik
(prasł. želězo Fe, łac. Ferrum); pierwiastek chemiczny należący do metali przejściowych, jego liczba atomowa wynosi 26. W układzie okresowym pierwiastków chemicznych leży w VIII grupie i w 4. okresie
odpad otrzymywany na drodze procesów hutniczych metali. Składa się z zanieczyszczeń: rud, krzemianów, topników, tlenków, popiołu
stop żelaza z węglem, do którego dodaje się inne pierwiastki celem zmiany właściwości, na przykład chrom, mangan, nikiel
mieszanina jednorodna metali (na przykład brąz - stop miedzi i cyny) lub metalu z niemetalem (stal - stop żelaza i węgla), która jest otrzymywana w wyniku stapiania ze sobą składników
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.
Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.
Lee J. D., Zwięzła chemia nieorganiczna, Warszawa 1997.