A vas a második leggyakoribb fém a földkéregben (az alumínium után), és több vasat állítunk elő, mint az összes többi fémet együttvéve. Az érceket, amelyek főként az oxidokból állnak, szénnel (koksz) magas hőmérsékleten, nagyolvasztókemencében redukálják vassá. Ennek több mint 98%-a közvetlenül acéllá alakul, anélkül, hogy a kohóból való kilépés után, ahol a vasat előállítják, még csak meg sem szilárdulna. Viszonylag kis mennyiséget öntöttvasként és kovácsoltvasként használnak fel.
A vas felhasználása
A vas nagyon kis részét öntöttvasként használják fel. Ez körülbelül 92%-os tisztaságú, és tartalmaz némi szenet (2-5%), ami törékennyé teszi, valamint kisebb mennyiségű szilíciumot (1-3%), mangánt, foszfort és ként, mint szennyeződéseket. Hagyományosan olyan termékekhez használták, mint a fűtőradiátorok, kandallók, ereszcsatornák, pollerek és lámpaoszlopok. Törékenysége és rozsdásodásra való hajlama miatt azonban a legtöbb ilyen felhasználási célra más anyagokkal helyettesítették, bár az öntöttvas tárgyakat még mindig készítik esztétikai tulajdonságaik miatt.
A kovácsoltvas kevesebb mint 0,15% szenet tartalmaz, és szilárd állapotban lévő vasérc redukciójával, majd a salak eltávolítása céljából kalapálással állították elő. Mivel hajlítható és kalapálható volt, ezért “hagyományos” kapukat, kerti bútorokat és egyéb díszítő termékeket készítettek belőle. Ezeket ma már többnyire acélból készítik, és valódi kovácsoltvasat már nem gyártanak semmilyen mennyiségben.
A vas éves termelése
Kínában a gyors gazdasági növekedést a vas- és acélipar bővülése kísérte. A világon előállított vas közel 50%-át Kínában állítják elő, és körülbelül 1%-át az Egyesült Királyságban.
| Világ | 1180 millió tonna |
| Kína | 710 millió tonna |
| Japán | 84 millió tonna |
| India | 54 millió tonna |
| Oroszország | 51 millió tonna |
| Korea | 47 millió tonna |
| Brazília | 30 millió tonna |
| Németország | 28 millió tonna |
| USA | 26 millió tonna |
Az adatok a következőkből származnak:
U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
Vasgyártás
A vasat a gyakran oxidok keverékéből álló vasérc redukciójával állítják elő szén, szén-monoxid és hidrogén felhasználásával. Míg a kohó a domináns redukciós eljárás, addig más, kisebb léptékben működő technológiák is kialakulóban vannak. Ezek olyan helyekhez kötődnek, ahol bőséges földgáz- vagy alacsony minőségű szénkészlet áll rendelkezésre.
A vasgyártás két szakaszból áll, a nyersanyagok előkészítéséből és a vasoxid vaszá történő redukciójából.
(a) Nyersanyagok előkészítése
A vas az egyik leggyakoribb elem a Földön, és ércei általában oxigént, szilíciumot, mangánt, foszfort és ként tartalmaznak. Az ércekben előforduló főbb ásványok közé tartozik a hematit (Fe2O3) és a magnetit (Fe3O4). Az ércek nagy részét Ausztráliában, Brazíliában, Kínában, Indiában, Oroszországban és az Egyesült Államokban bányásszák.
A legtöbb érc több mint 60% vasat tartalmaz, és ásványi állapotában nagyolvasztóban használják fel. Az ennél kevesebbet tartalmazó ércet először összezúzzák és porrá őrlik, majd flotálással koncentrálják. Ezután golyóvá hengergetik, és kemencében hevítik, hogy márvány méretű pelleteket állítsanak elő belőle. Ez a folyamat a bánya közelében zajlik, csökkentve a hulladékanyagok (agyagok és más szilikátok) nagy távolságra történő szállítását.
A koksz, egy porózus szilárd anyag, biztosítja a szenet a redukciós reakciókhoz, és egyben a kemence fő tüzelőanyaga is. A helyszínen úgy állítják elő, hogy a szenet levegő hiányában kb. 1200 K-ra hevítik akár 20 órán keresztül kokszkemencékben. A maradék koksz, és egy sor illékony vegyületet hajtanak ki. Egy gáz, széngáz (főként szén-monoxid és hidrogén), valamint fekete kátrány is keletkezik, amelyből hasznos vegyületek, például benzol nyerhetők. A széngázt a helyszínen tüzelőanyagként használják.
1. ábra A hollandiai Ijmuidenben, Amszterdam közelében lévő kohóban felhasználásra váró vasérc és szén.
A World Steel Association szíves engedélyével.
A tüzelőanyag elégetéséhez (a magas hőmérséklet létrehozásához) oxigénre van szükség, és részt vesz a kohó reakcióiban is. A kemencehőmérséklet fenntartásának elősegítése érdekében a levegőt a kemence körül keringő csövön (bustle pipe) keresztül vezetik, majd fúvókákon (tuyeres) keresztül a kemencébe (3. ábra) kb. 1500 K-en. Sok kemence ma már oxigénnel dúsított levegőt használ, ami csökkenti a kemencén áthaladó gázok mennyiségét, és egyben biztosítja a reakciók teljességét.
Néhány kemencében az előmelegített levegővel olajat vagy földgázt fecskendeznek be, ami a koksz akár 40%-át is helyettesíti. Ez csökkenti mind a szénfüggőséget, mind a kokszolókemencékből származó melléktermékek feldolgozásának szükségességét, amelyek nehezen értékesíthetők. Alternatív megoldásként a finomra porított szenet közvetlenül folyadékként lehet befecskendezni a kemencébe, így nincs szükség kokszolókemencékre. Egyes gyártók kísérleteznek hulladék fa vagy műanyag tüzelőanyagként való felhasználásával.
b) A vasoxid vaszá történő redukciója (A kohó)
A kohók nagyméretű mérnöki építmények, amelyek egy része egy akár 30 m magas acélhenger, amelyet speciális, nagyon magas hőmérsékletet elviselni képes téglákkal bélelnek ki. Ezek vízhűtésűek is. A kemence legszélesebb pontja, az alján lévő tűzhely átmérője általában 9 m, bár lehet nagyobb is. A kemencék többé-kevésbé folyamatosan, akár 15 évig is üzemelnek, akár 5 atmoszféra nyomáson és 2000 K feletti belső hőmérsékleten. Naponta akár 10 000 tonna olvasztott vasat is előállíthatnak, ami a kemence élettartama alatt akár 50 millió tonna is lehet.
|
A nagyolvasztóban vagy nagy minőségű vasércet vagy a vasércpelletet használják kokszal és mészkővel együtt. Egy modern nagyolvasztóban az egyes komponensek tömegét és a kohóba való adagolásuk időzítését számítógép vezérli, automatikusan reagálva az adott pillanatban a kohóban uralkodó körülményekre. Az összetevőket kis mennyiségben, 10-15 percenként adagolják a kemence tetején.
A kemencében kb. 1,7 atm nyomás alakul ki, ami a koksz és a többi tüzelőanyag jobb égését és nagyobb vastermelést eredményez.
A forró, oxigénnel dúsított levegőt a kemence aljának közelében fújják be, a csöveket tuyereknek nevezik (3. ábra). Számos reakció megy végbe, ahogy a gázok felfelé haladnak.
A koksz a kohóban az oxigénnel reagálva szén-monoxidot, redukálószert képez:
Ha kőolajat vagy földgázt használnak, a szénhidrogénekből egy második redukálószer, hidrogén keletkezik:
3. ábra A vasércet vassá redukáló kohó.
A hőmérséklet a kemencén belül változik, a legmagasabb hőmérséklet a kemence alján, a legalacsonyabb pedig a tetején van, így a különböző reakciók a kemence különböző szintjein zajlanak le.
A kemence tetejének közelében, körülbelül 750 K-en (a vas olvadáspontja alatt) a vas(III)-vegyületek szén-monoxid és hidrogén hatására vas(II)-vé redukálódnak (például Fe2O3-ból FeO). Lejjebb a kemencében, ahol melegebb van, a vassá történő redukció befejeződik.
A redukció általános egyenletei a következőképpen fejezhetők ki:
A megolvadt vas lefelé folyik és a kemence alján összegyűlik. Ahogy leereszkedik, elnyeli az ércekből, a kokszból és a mészkőből származó szenet, foszfort, ként és kis mennyiségű más elemet, például mangánt és szilíciumot.
A kemence azon részein, ahol a hőmérséklet 1150 K-nál magasabb, a mészkő disszociál, és kalcium-oxid keletkezik:
A kalcium-oxid, amely bázis, az ércben lévő savas szennyeződésekkel reagál, aluminoszilikát salakot képezve. Ez a különböző nyersanyagokban lévő kén nagy részét is magába szívja. A folyékony salak a kemence aljára folyik, és egy réteget képez az olvadt vas tetején.
Az olvadt vas (90-95%-os tisztaságú, a fő szennyeződés kb. 4% szén) és a folyékony salak a kemence alján lévő csaplyukakon keresztül távozik a tűzhelyről.
Az olvadt vasat általában 300 tonnás rakományban, tűzálló anyaggal bélelt, torpedó alakú átrakókádakban közvetlenül az acélműbe szállítják.
|
A salakot néhány óránként lefolyatják, lehűtik, majd kezelésre küldik, hogy melléktermékeket, például cementet és szigetelőanyagokat állítsanak elő, vagy útépítésre használják fel.
A kemence tetejéből kilépő gáz nitrogént, szénmonoxidot, szén-dioxidot, hidrogént, vízgőzt és port tartalmaz. A por eltávolítása után a földgázzal kevert gázt tüzelőanyagként használják a “kályhákba” csomagolt téglák fűtésére.
5. ábra A téglakályhák a kemence füstgázainak hőjét használják a
bejövő levegő előmelegítésére, mielőtt az a fúvócsövön
és a fúvókán keresztül a nagyolvasztóba kerülne.
A kályhák hőjét a fúvólevegő előmelegítésére használják. Ezek az energiatakarékossági intézkedések jelentős hatással vannak a kohóüzem általános gazdaságosságára. További intézkedések közé tartozik az oxigénnel dúsított levegő használata a kohóban, a szénhidrogének segédtüzelőanyagként való felhasználása, a kemence magasabb nyomáson történő üzemeltetése, a mészkő felhasználásának minimalizálása, valamint a nyersanyagok előkészítése úgy, hogy a kohóban zajló kémiai folyamatok gyorsabban és a lehető legkevesebb tüzelőanyag felhasználásával történjenek.
Kén eltávolítása
|
Egyes acéloknak nagyon alacsony kénkoncentrációra van szükségük, ami törékennyé teszi azt, és szerkezeti meghibásodáshoz vezethet. Ellentétben más szennyeződésekkel, amelyeket oxigénkonverterben történő oxidációval távolítanak el a forró fémből, a kén eltávolításának leggazdaságosabb módszere a forró vasból az acélgyártás előtt történik. Ez egy reagens hozzáadásával történik. Gyakran használnak meszet, de a magnézium sokszor hatékonyabb. A reagenseket – nitrogénnel mint vivőgázzal – jóval az olvadt vas felszíne alá fecskendezik, ezt az eljárást mélybefecskendezésnek nevezik. Például:
A folyamat során keletkező kénben gazdag salakot a képződő salak gyors lefölözésével távolítják el. 6. ábra A New York-i Lower Manhattanben található One World Trade Centre több mint 40 000 tonna magas szerkezeti acélból készült A nyugati félteke legmagasabb épülete itt naplementekor látható. Marco Vetch (Wikimedia Commons) |
 |
Utolsó módosítás dátuma: október 3, 2016