Siemens–Martin-acélgyártás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Siemens–Martin-kemence hosszmetszete egy 1895-ös kiadványból

A Siemens–Martin-acélgyártási 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 szakirodalom néha megkülönbözteti az eljárást és a kemencét, előbbit „Martin-acélgyártásnak”, utóbbit „Siemens–Martin-kemencének” nevezik. Az eljárás lehetővé tette, hogy kiinduló anyagként folyékony nyersvasat és ócskavasat is felhasználhassanak. Az SM-kemence betétje ennek megfelelően lehetett csak folyékony, csak szilárd, vagy a kettő együttesen. A módszerrel igen változatos ötvözöttségű acélokat lehetett előállítani, de az erősen ötvözött acélok gyártását más módszerekkel valósították meg. A Martin-acélgyártás mintegy száz évig vezető módszere volt az acélmetallurgiának, csak az oxigénes konverteres eljárás(ok) előretörése nyomán csökkent a jelentősége, oly mértékben, hogy napjainkra gyakorlatilag megszűnt.

A Siemens–Martin-kemence a fejlődése során több változáson ment át. A legszembetűnőbbek ezek közül az első és a hátsó fal kiképzésében és a tűzfejek megoldásában mutatkoznak meg. Az első és a hátsó fal kezdetben függőleges helyzetű volt, majd – a falazatok javításának egyszerűbbé tétele miatt – kifelé döntötték (a hátsó falat jobban). A fejlődés végén a tendencia megfordult: a legkorszerűbb SM-kemencék falait befelé döntötték (März–Boelens-kemence). Az egymást követő tűzfej megoldásokkal a levegő és a fűtő közeg mind hatékonyabb keveredését, a jobb lángparaméterek megvalósítását tűzték ki célul. A gáztüzelés helyett több helyen bevezették az olajtüzelést, majd külön oxigénáram bejuttatását a kemencébe (oxigénes intenzifikálás). A kemencék készülhettek (főleg eleinte) savas és bázikus falazattal, és mindkettőhöz más gyártási technológia, kemencevezetés tartozott.

A gyártási folyamat öt lépcsőből áll: a berakásból, a beolvadásból, a frissítésből, a dezoxidációból és ötvözésből (kikészítés), illetve a csapolásból. Ezek közül a metallurgiai szempontból legfontosabb folyamatok a frissítő és a kikészítő szakaszban játszódnak le. Az SM-acélgyártás frissítő szakasza hosszabb, mint a szélfrissítéses (konverteres) eljárásoké, ezért az adagidő is hosszabb.[J 1] Az ötvözést a kikészítő szakaszban végezték el.

A magyarországi Martin-acélgyártás 1876-ban kezdődött Resicán, és 1992 végén a Dunai Vasműben ért véget.

A találmány[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Siemens–Martin-kemence fűtésének elvi módja. Jelmagyarázat:
A – gáz- és levegőbevezetés,
B – melegítő regenerátorok,
C – fürdő,
D – kemenceteknő,
E – fűtött regenerátorok,
F – füstgázelvezetés

Pierre-Émile Martin eljárása különbözött minden korábbi acélgyártási módszertől. Martin tulajdonképpen a kavaró acélgyártást akarta továbbfejleszteni, hogy folytacélt tudjon előállítani. Elképzelése az volt, hogy egy lapos, teknő alakú kemencében olvasztja meg a nyersvasbetétet, és a nyersvasfürdő fölött gázlángot vezet el, amivel a fürdő folyamatosan megújuló felületi rétegéből ki tudja égetni a nyersvas fölösleges kísérő elemeit, a karbont, a szilíciumot és a mangánt. A megfelelő hőmérséklet biztosítása céljából megvásárolta az 1847-ban felfedezett Siemens-féle, váltakozó lángjárású, regeneratív tüzelési módszer szabadalmát. Első, a módszerével gyártott 1,5 tonnányi acélt 1864. április 8-án csapolta le Sireuilben. Ez a kemence még csak egy regeneratív tüzelésű hengerművi izzítókemencéből célszerűen átalakított, 1,2×1,6 méteres kísérleti kemence volt. Az első SM-acélművet 1868-ban állították fel Angliában, 3 tonnás kemencével, majd ezt követően gyorsan elterjedt a világon, és mintegy száz éven át uralta a világ acélgyártását.[1][2][3][4]

A Siemens–Martin-kemence tüzelési rendszere a Siemens-féle regeneratív tüzelési módszeren alapul. A fűtőgázt és a levegőt az „A” jelű vezetékeken (bal oldalon a levegőt, jobb oldalon a gázt) juttatják be a „B” jelű, már felfűtött, meleg regenerátorokba, ahol azok felmelegednek, és így jutnak el a bal oldali tűzfejbe (a levegő midig felül áramlik be). Az elégő tüzelőanyag elvégzi hőtechnikai és metallurgiai feladatát, majd mint füstgáz távozik a jobb oldali tűzfejen. A füstgáz az „E” jelű regenerátorokon áthaladva felhevíti azokat, majd az „F” csatornákon elvezetik. Amikor a „B” regenerátorok annyira lehűltek, hogy már nem tudják a kívánt mértékben felmelegíteni a levegőt és a fűtőgázt, megfordítják a tüzelés irányát: a hideg levegőt és a gázt az „E” regenerátorokba vezetik be (mert ekkorra azok már kellő mértékben felmelegedtek), és a tüzelés iránya jobbról balra irányú lesz. A füstgázok a bal oldalon távoznak és felmelegítik a „B” jelű regenerátorokat. A folyamat ezután így folyik váltakozva, ezért hívják a módszert váltakozó lángjárásúnak.[5][6][7][8]

A Siemens–Martin-kemence[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Siemens–Martin-kemence meglehetősen bonyolult szerkezet, amely alapvetően két fő részre osztható:

  • a felépítményre (ehhez tartozik a kemence munkatere, a boltozata, a tűzfejek és a függőleges gáz- és levegőcsatornák, a tartószerkezetek, a hűtő szerelvények) és
  • az alépítményre (részei: az alapozás, a gáz- és levegőkamrák, a salakkamrák, a gáz- és levegőcsatornák, a váltószelepek, a kémény alsó csatornái, a füstgázkamra és az exhausztor).

A martinkemencék munkaszintjét többnyire a talajszinttől 6–8 méterrel magasabban helyezték el, így az alsó részt nem kellett a föld alá süllyeszteni, amivel az alépítmények javítása és a salakeltávolítás egyszerűbbé vált.[9]

A kemence munkatere[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Siemens–Martin-kemence munkaterét jellemző paraméterek az 1980-as évek elejének hazai kemencéi alapján:[10]

Paraméterek Befogadó képesség, t
50 85 125 185
A fürdő felülete, m2 30–35 40–45 45–55 65–75
A fürdő hosszúsága, m 8,5–9,5 10,5–11,5 12,5–13,5 14–16
A fürdő szélessége, m 3,0–3,4 3,7–4,0 4,2–4,5 4,8–5,2
Hossz/szélesség viszonyszám 2,6–3,0 2,6–3,0 2,8–3,2 2,8–3,2
A fürdő mélysége, mm 550–650 650–750 750–850 850–950
A boltozat magassága, m 1,9–2,1 2,1–2,3 2,3–2,5 2,7–3,0
Szabad térfogat/betét tömege viszonyszám, m3/t 1,1–1,3 1,0–1,2 0,9–1,1 0,8–1,0

Falazatok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az SM-kemencék falazatának fejlődése. Bal oldal: álló első és hátsó fal, középen: kifelé döntött hátsó fal, jobb oldal: befelé döntött első és hátsó fal (März–Boelens-típus). Jelmagyarázat:
1 – első fal,      2 – hátsó fal,      3 –boltozat,
4 – fenék,      5 – csapoló nyílás,      6 – fürdő

Az SM-kemencék profilját a kemencefenék, a boltozat, az első és a hátsó fal alakítja ki.[11] A munkatér első és hátsó fala az első időkben még függőleges volt, csak az 1930-as évektől kezdték kifelé dönteni a hátsó falat. Ez a megoldás indokolt volt ugyan a fal javítása miatt, mégis bizonyos üzemeltetési problémák forrása volt. Ezért alakult ki az úgynevezett März–Boelens-kemence, aminél az első és a hátsó falat is megtörve, befelé dőlve építették (Magyarországon a Dunai Vasműben működtek ilyen kemencék). Ez a megoldás a falazat mechanikai és hőterhelése, valamint az áramlástan szempontjából is kedvezőbb volt.[12]

A kemencefenék bázikus kemencék esetén zsugorított magnezitből és magnezittéglából készül (ami felfut a mellső és a hátsó falra is), ez alatt samott-tégla és szigetelőanyag van. Összes vastagsága 1 méternél is több. A jól kivitelezett fenéknél a páncél hőmérséklete nem emelkedik 160–170 °C fölé. A kemencefenék tartalmazza a csapolónyílást is. A hátsó falazat a kemencekonstrukció-fejlődés különböző szakaszaiban változó kialakítású volt. A korszerű kemencék hátsó fala erősen döntött (47–49°) volt. Vastagsága közel 600 mm, anyaga – a fenékfelfutástól eltekintve – krómmagnezit-, savas falazatnál szilikatégla. Az első falazat álló vagy szintén döntött volt, de nem oly mértékben, mint a hátsó. Ez a falazat tartalmazza a kemence munkaajtóit (75 tonna fölött általában öt ajtó volt). Az ajtók és a kereteik vízhűtéssel voltak ellátva, anyaguk azonos a hátsó fal anyagával. Mozgatásuk mechanikus, elektromechanikus vagy hidraulikus módon történt. Az ajtók között helyezkednek el a pillérek. A kemenceboltozat íves, függesztett kivitelű, anyaga bázikus kemencéknél krómmagnezit-, savas kemencéknél szilikatégla. A függesztést tartó vállgerendák többnyire vízhűtésűek, gyakran elpárologtató rendszerűek, így gőzfejlesztésre is felhasználhatták.[13][14]

Tűzfejek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Siemens-tűzfej
März-tűzfej

A tűzfejek kialakítása, hatékonysága, alapvető fontosságú a kemence működése szempontjából. A tűzfejek feladata az előmelegített levegő és fűtőgáz megfelelő keverése és a láng irányítása, valamint a keletkezett égéstermékek elvezetése. A két közeg a kemence munkaterében lép reakcióba egymással, az égés intenzitása pedig ezek keveredésétől függ. A tűzfejek szerkezetének fejlődése lényegében egyben a Siemens–Martin-kemencék fejlődését is jelenti. A tűzfejek kialakítása alapvetően a tüzelés módjától függ; a gáztüzelésű kemencék tűzfejei bonyolultabb szerkezetűek, az olajtüzelésűeké lényegesen egyszerűbb.[15]

A tűzfej kettős feladata (égetés, füstgázelvezetés) egymással ellentétes követelményeket jelent:

  • egyrészt biztosítani kell az optimális égést és lángméretet, amihez az szükséges, hogy a beömlő gáznak kellően nagy sebessége legyen, ami viszont akkor biztosított, ha mennél kisebb a beömlő nyílás keresztmetszete;
  • másrészt az égéstermékek elvezetése akkor hatékony, ha mennél nagyobb a csatornák keresztmetszete.

E követelmények mindegyikét természetesen lehetetlen egyetlen megoldásban kielégíteni, az egyes égőkonstrukciók viszont egyre optimálisabbá igyekeztek tenni a feladatokat.[16] Az egyes konstrukciók a levegő és a fűtőgáz bevezetési irányában, egymáshoz viszonyított szögükben, illetve a boltozatkiképzés módjában különböznek egymástól.[17]

Az első tűzfejkonstrukció tulajdonképpen maga a Siemens-féle tűzfej volt. Ezeknél a kamrákból két gáz- és két levegőfelszálló akna vezet fel, és a kemencébe mélyen benyúló beömlőcsatorna alsó részén van a két gáz-, felső részén pedig a két levegőbeömlő csatorna. Ennek a tűzfejnek volt olyan változata is, amelynél a felső két levegőbeömlőt egyesítették, így a levegőáram mintegy ráfeküdt a két gázáramra, amivel jobb keveredést biztosított. A hibája azonban az volt, hogy a láng hamar elvált a fürdő felszínétől, ezért távozása előtt erősebben vette igénybe a boltozatot.[18] A März-tűzfejek az előbbi hibáit igyekeznek kiküszöbölni azzal, hogy a gázbeömlő csatornák változatlanul hagyása mellett levegőbeömlő csatornája tulajdonképpen nincs, a levegő két oldalt, egymással szemben elhelyezkedő aknán, majdnem a fürdő szintjében ömlik be. Ezzel a megoldással jobb keveredést értek el, mivel a két oldalról érkező légáram jobb keveredést biztosít a gázzal.[19][20] A Venturi-tűzfejnél a gázáramot középen vezetik be, a légaknákat pedig a gázcsatorna két oldalán helyezik el, és a levegőt a boltozat és az oldalfalak behúzásával, a Venturi-elvnek megfelelő beömlőn nagy sebességgel vezetik be. A levegő ily módon két oldalt és felül is körülveszi a gázáramot.[J 2][21]

Más a tűzfej kialakítása akkor, ha nem gázzal, hanem folyékony tüzelőanyaggal (olajjal, pakurával) tüzelnek. Ilyenkor ugyanis csak a levegőt kell előmelegíteni, a tüzelőanyagot nem. Az előmelegített levegő változatlanul egy függőleges felszállón érkezik a keverő térbe, az olaj számára külön égőt biztosítanak. Az olajégő olyan kivitelű, hogy lehetővé tegye a maximális lángimpulzus elérését, illetve a tüzelőanyag, a levegő, valamint a porlasztó közeg megválasztásával a láng paramétereinek a szabályozását. Az olaj porlasztását vízgőzzel, sűrített levegővel, vagy földgázzal végzik.[22]

A Siemens–Martin-kemencék fejlesztésének fontos lépcsőfoka volt az oxigénes intenzifikálás bevezetése, amikor az olajégőn keresztül vezették be az oxigént. Ezzel a módszerrel megnövekedett a lánghőmérséklet, következésképpen fokozódott a hőátmenet a fürdőbe, fokozódott a kémiai folyamatok sebessége, ezáltal a termelékenység.[23] Az oxigénes intenzifikálás másik módja volt az 1970-es évektől a boltozati földgáz-oxigén vagy olaj-oxigén égők alkalmazása. Ezek a vízhűtéses szerkezetek függőleges irányban állíthatóak voltak, és a berakás és a beolvasztás szakaszában működtek. A módszerrel a beolvasztás időtartama mintegy a felére volt csökkenthető.[24]

Felszálló csatornák, salakkamrák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A felszálló csatornák az előmelegített levegő bevezetésére, illetve a füstgáz elvezetésére szolgálnak, tulajdonképpen a tűzfejek és a salakkamrák között helyezkednek el. Igénybevételük erősen termikus, részben mechanikus jellegű, főleg az elvezetett füstgáz miatt. Ezért többnyire krómmagnezit-téglából falazták, főleg a torkolati részen.[25] A salakkamrák feladata a füstgázzal távozó szállópor és salakszemcsék összegyűjtése. Az egyszerűbb salakolás érdekében készültek kihúzható fenékkel is.[26]

Regenerátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A regenerátorrács kialakítása
Váltószelep

A regenerátorok (másként gáz- és levegőkamrák) feladata a gáznemű tüzelőanyag (generátorgáz, torokgáz, kevertgáz)[J 3] és a levegő előmelegítése. Az előmelegítésre azért van szükség, mert a hideg anyagokkal nem lehetne biztosítani a megfelelő lánghőmérsékletet. A gázt és a levegőt külön regenerátorokban melegítik elő, míg a távozó füstgáz egyenlő arányban áramlik a két felfűtendő kamrába. A regenerátorkamrákba belépő füstgáz hőmérséklete 1500–1600 °C, míg a kilépő füstgázé 1000–1200 °C. A kamrákban a hőátadó részt tűzálló téglák rácsozata képezi, és kialakításának biztosítani kell a legoptimálisabb hőátadást és a megfelelő légáramlást. Ennek megfelelően többféle rácsozási módszer alakult ki (például a Cooper-, Siemens-, vagy März-rendszerű). A rácsozat 1 köbmétere 10–15 négyzetméter fűtőfelületet biztosít. A porozódás miatt a regenerátor rácsozatát rendszeresen, mintegy hetente tisztították (nagynyomású levegővel, gőzzel). A rácsot alkotó tűzálló téglák anyaga alul samott-, felül magnezitkróm-tégla, a kamra falai alul samott-, felül szilikatéglából készültek.[27][28]

Átváltó berendezés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A váltogató berendezések feladata a tüzelés és a füstgázelvezetés irányának a megváltoztatása, a kamrapárok periodikus munkájának biztosítása. Ez történhetett kézi vagy automatikus kapcsolású vezérléssel, elektromechanikus mozgatással.[29]

Az alkalmazott tűzálló anyagok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az SM-kemencénél alkalmazott tűzálló anyagoknak számos követelménynek kell megfelelnie. A jellemző paraméterek: a lágyuláspont és az olvadáspont, a nyomószilárdság, a hőingadozással szembeni ellenálló képesség, a hővezetés, a kémiai ellenálló képesség, a porozitás stb. Olyan tűzálló anyag azonban nincs, ami valamennyi jellemző tekintetében a legjobb, ezért minden esetben az adott feladatra optimálisnak tekinthető tűzálló anyagot használják.[30] Egyes tűzállóanyag-fajtákból nemcsak téglát készítenek, hanem döngölőanyagként, nagyblokkok anyagául, habarcs alapanyagként is használják.[J 4][31]

A samott-téglák lehetnek bázikusak, savanyúak és semlegesek, ezen kívül különböző tűzállósági fokozatban készülnek. Ennek megfelelően a terhelés alatti lágyulásuk kezdete 1100 °C és 1800 °C között változik. SiO2-tartalmuk 50–70%, Al2O3-tartalmuk 30–50% között van. A samott-téglákat felhasználják magánál a kemencénél, a regenerátorrácsoknál és az öntőcsarnok üstjeinél.[32]

A szilikatégla kifejezetten savas kémhatású tűzálló anyag. Lágyuláspontjának kezdete 1620 °C-tól 1700 °C-ig terjed. Hátránya, hogy 600 °C alatt érzékeny a hőmérséklet-ingadozásra. Alapanyaga a kvarcit (94–97%), a szennyező anyagok rontják a tűzállóságát. Savanyú SM-kemencék főboltozatait, a regenerátorok oldalfalait és boltozatait készítették belőle, de a bázikus jellegű kemencék regenerátorainál is alkalmazták.[33]

A bázikus tűzálló anyagok közül felhasználtak magnezit-, magnezitkróm-, krómmagnezit-, dolomit- és forsterit-téglákat. A magnezittéglát szintermagnezitből állítják elő. Főleg fenékfalazásra, valamint az első és a hátsó falak készítésére használták. Magnezitkróm tűzálló anyag készítéséhez a szintermagnezithoz krómércet adagolnak, a kemencék salakfürdő fölötti falazatánál, a felszállóknál és a salakkamráknál használták. A krómmagnezit téglák anyagában több a krómérc. A dolomittégla szinterdolomitból készül, de revét is adagolnak hozzá. A forsterit-téglák alapanyaga a szerpentin.[34]

Betétanyagok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Betétanyag adagolása

A Martin-eljárás betétanyagai lehetnek

  • fémes és
  • nemfémes anyagok.

Az előbbiek közé tartozik a nyersvas, a vas- és acélhulladék és az ötvöző anyagok, utóbbiak közé pedig az oxidáló és salakképző anyagok.[35]

A nyersvas kémiai összetétele tekintetében nem túl fontosak a mennyiségi adatok, hiszen a metallurgiai eljárás eléggé hatékony ahhoz, hogy – némi túlzással – szinte „bármiből bármit” elő tudjanak állítani. Az azért kívánatos, hogy a karbontartalom 3% fölött, a szilíciumtartalom pedig 1,3% alatt legyen. A mangántartalom az eljárás alkalmazása kezdetén még fontos paraméter volt, mert a kéntelenítésben fontos szerepet játszott, de a kohón kívüli kéntelenítés elterjedése után csökkent a jelentősége. A bázikus acélgyártásnál a foszfortartalomnak sincs jelentősége. Fontos viszont a nyersvas kéntartalma, mert ez bázikus kemencében is nehezen távolítható el.[36]

A Martin-acélgyártás fontos új lehetősége volt a bevezetése idején már eléggé felhalmozódott hulladékvas felhasználása. A vas- és acélhulladékot felhasználás előtt gondosan megvizsgálják és ellenőrzik, hogy ismert legyen a kémiai összetétele, de csoportosítják fizikai állapotuk szerint is (könnyű és nehéz hulladék). Különösen figyeltek a vashulladékra, mert ezeknek nagy a foszfor- és kéntartalmuk.[37]

Az ötvöző anyagokat részben a gyártandó acél kémiai összetételének beállítására, részben a folyékony acélfürdőben oldott nemkívánatos anyagok lekötésére alkalmazzák. A mangánt tükörnyersvas,[J 5] ferromangán vagy ferromangán-szilícium formájában adagolják.[J 6] A szilíciumot – ferroszilícium formájában – ötvözés vagy dezoxidálás céljából használják. A krómot ferrokróm alakjában, de gyakran szilíciummal együtt, komplex ötvözőként alkalmazzák (szilikokróm). A nikkelt általában fémnikkelként használják, a molibdént pedig ferromolibdén alakjában (40–70% molibdéntartalom). A további ötvözőanyagok nagy részét szintén ötvözetek formájában használják (volfrám, vanádium, titán, kobalt, bór). Az alumíniumot kohóalumíniumként használják ötvözőként vagy dezoxidálás céljából. Dezoxidálásra használják a kalciumot (CaSi2, CaSiAl, CaSiMn) és a magnéziumot is (CaSiMg, FeSiMg). A felsoroltakon kívül az acélnak vannak más, viszonylag ritkán használt ötvöző elemei is.[38]

A mészkő a legfontosabb salakképző anyag, bázikus acélgyártásnál égetett meszet használtak. A fürdőben a mészkő kiég, a kalcium-oxid a salakba jut, a keletkező szén-dioxid pedig keverő, frissítő, gáztalanító hatást fejt ki. Az égetett mésznek erőteljes a foszfortalanító és kéntelenítő hatása. A bauxitot a salak hígfolyóssága növelése céljából használják, de a mész oldódását is elősegíti. A folypát szintén a hígfolyósságot növeli, de hatása sokkal intenzívebb, mint a bauxité. A kvarchomokot savas acélgyártás esetén használják salakképzőnek. Az egyik legfontosabb nemfémes adalék a vasérc, aminek a feladata a kémiai reakciókban elfogyasztott oxigén pótlása, de ugyanerre a célra hengerműi revét is használtak. Ha a kiinduló betétnek kicsi volt a mangántartalma, oxigénhordozónak mangánércet is adagoltak.[39]

Adagvezetés az SM-kemencékben[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az SM-kemencékben történő acélgyártás alapvetően a következő, egymástól élesen nem elválasztható lépések, folyamatok sorozatán keresztül valósul meg:[40]

  • berakás,
  • beolvadás,
  • frissítés,
  • dezoxidáció és ötvözés,
  • csapolás.
Próbavétel a kemencéből

A berakást majdnem minden esetben megelőzi egy úgynevezett adagközi javítás, amikor is az előző gyártási folyamat során megrongálódott falazat, fenék, tűzfejek, boltozat kisebb javítása történik.[41] A berakási szakaszban először a betét szilárd részét, az acélhulladékot, esetleg a szilárd nyersvasat, valamint a szükséges oxidáló és salakképző anyagokat, illetve ezek egy részét adagolják be. Az adagolásra speciális kiképzésű adagoló daruk álltak rendelkezésre. A betétet úgy állították össze, hogy a beolvadt fürdő karbontartalma mintegy 0,5–0,8%-kal több legyen a tervezett acél C-tartalmától. Fontos ezen kívül a berakott anyagok elhelyezése is, figyelni kell az anyagok beolvadási folyamatára és arra is, hogy az egyes anyagféleségek mennyire rongálhatják a kemencefeneket. A berakás után a kemenceajtók elé dolomitból gátat építettek, hogy az esetleges kifolyást megakadályozzák. A folyékony nyersvas adagolása már a beolvadási szakaszhoz tartozik.[42]

A beolvadási szakasz a nyersvas beöntésétől a fürdő teljes beolvadásáig tart. Valójában a beolvadás már megkezdődik a berakás alatt, minthogy a tüzelés folyamatos, és már ekkor is maximális hőterheléssel folyik. A berakás végén a betét átlagos hőmérséklete 900–1100 °C. A nyersvas adagolása időpontjának megválasztása igen fontos, mert ha túl hamar öntik be, a még „hideg” betét lehűti a nyersvasat, a beolvadás lassú lesz, és egyéb problémák is adódhatnak. Ha túl későn öntik be a nyersvasat, az erősen oxidált és túlhevített hulladék hatására a nyersvas oxidálható elemei robbanásszerű gyorsasággal oxidálódnak, aminek a hatására a fejlődő szén-monoxid kilökheti a salakot és az acélt a kemencéből. Oxigénes intenzifikálás esetén fontos még az is, hogy a nyersvasbeöntést követő 10–15 percben – a kifúvási veszély miatt – nem szabad oxigént befújni. A beolvadási szakaszban oxidálódik a nyersvas vasa, mangánja és foszfora. Az olvadó vasból a karbon egy része is kiég, de ez még nem jelentős mértékű. Az érchozagolás és az oxigénbefúvás hatására végbemenő oxidációs folyamatokat követően megkezdődik a salak kialakulása is, majd folyamatosan növekszik FeO-, MnO-, SiO2- és P2O5-tartalma. Minthogy a két utóbbi a továbbiakban káros, a salak hozzávetőlegesen felét a középső ajtókon át kihúzzák. Ezután 1,5–2%-nyi meszet adagolnak a kemencébe a további foszfortalanítás és kéntelenítés érdekében. A mészkő kiégése kapcsán intenzív CO2-fejlődés indul be, ami elősegíti a fürdő keveredését és csökkenti annak nitrogén- és hidrogéntartalmát. A beolvadás befejeződése előtt tájékoztató acél- és salakpróbát vesznek.[J 7][43]

A frissítés célja a fürdő széntartalmának gyors, kívánt mértékű kioxidálása, a foszfor- és a kéntartalom előírt szintre csökkentése, a gáztalanítás folytatása, végül a fürdő csapolási hőmérsékletének elérése. A frissítő reakciók már a beolvadási szakasz végén elkezdődnek. Fontos követelmény, hogy a termikus és a kémiai folyamatok összhangban legyenek egymással. A frissítés sebességét a fürdő oxigéntartalma határozza meg, ami viszont az oxigénbevitel sebességétől függ. Az acélfürdő három helyről kapja az oxigént: a láng oxidáló hatása révén, a frissítő anyagokból és a fürdőbe fúvott oxigénből. A frissítésre tulajdonképpen csupán maga a kemenceatmoszféra is alkalmas lenne, de ekkor kicsiny lenne az oxidációs sebesség, mert az atmoszféra oxigénje csak diffúzió útján jut el a salak–fém határfelületre. Ezért van szükség vasérc adagolásra (nyersvasércelő eljárás), amikor is a vasoxidok közvetlenül eljutnak a határfelületig, így biztosítanak plusz oxigént, sokkal gyorsabban, mint a kemenceatmoszféra oxigénje. A frissítés sebessége a vasérc adagolásával rugalmasan szabályozható, arról azonban nem szabad megfeledkezni, hogy a folyamat eredője endoterm, azaz hőfogyasztó. A frissítés ilyenkor két szakaszra osztható: az érces frissítésre és a tiszta fövésre.[J 8] Az oxigénbefúvásos módszernél a fürdő középső része is bekapcsolódik az oxidációba, így a fürdő jobban gáztalanítható, a kéntelenítés is jobb hatásfokú. Az oxigénezésnek hátránya az, hogy a füstgáznak nagyobb a portartalma, és a salaknak is nagyobb a vas-oxidtartalma.[44]

A dezoxidáció és ötvözés ideje akkor következik be, amikor az acélfürdő széntartalma elérte a kész acél karbontartalmát, a fürdő hőmérséklete pedig a csapolási hőmérsékletet (1580–1680 °C). Ekkor a dezoxidáló anyagok bevitelével csökkenthető az acél oxigéntartalma, az ötvözők adagolásával pedig beállítható a kész acél ötvözöttsége.[J 9] Csillapítatlan acélok gyártásakor a dezoxidáció csak olyan mértékű lehet, hogy az acél leöntésekor a CO-képződés biztosítva legyen. Csillapított acélok esetén az oxigéntartalmat az egyensúlyi állapotnál valamivel kisebb értékre állítják be.[45]

Öntőcsarnok

A csapolás kezdetekor bontórúddal meglazítják a magnezitdugót, majd a bontórúddal vagy oxigénsugárral megnyitják az utat a folyékony acél előtt. Siemens–Martin-kemencékből a csapolás öntőüstbe történt,[J 10] Ilyenkor az öntőüstbe még adagolhattak ferroötvözeteket is. Az öntőüstöt az öntőcsarnokba szállítva az acélt az előkészített kokillákba öntötték, majd a megszilárdulás után a kokillákat, illetve a tuskókat le-, illetve kihúzták. A Martin-acélgyártás utolsó évtizedeiben alkalmazták a folyamatos öntést is.[46]

A fémes betét, illetve a fürdő kémiai összetételének alakulása a munkamenet során (bázikus kemencében):[47]

Kémiai összetétel C, % Si, % Mn, % P, % S, %
A fémes betét (átlag) 2,42 0,64 1,58 0,130 0,050
A fémfürdő beolvadásakor 1,04 nyom. 0,26 0,052 0,042
A fémfürdő a dezoxidálás előtt 0,33 nyom. 0,30 0,035 0,040

Az acélgyártás során lejátszódó reakciók[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Martin-acélgyártás – ellentétben a nyersvasgyártással, ami redukciós jellegű – egészében véve oxidációs folyamat, amiben redukciós folyamatok is szerepet játszanak.[48]

A vas már a berakástól kezdődően elkezd oxidálódni, ami a következő lépcsőkön keresztül valósul meg:

Fe → FeO,  FeO → Fe3O4,  Fe3O4 → Fe2O3.

A vassal együtt a szén, a szilícium, a mangán és a foszfor is oxidálódik:

C → CO,  Si → SiO2,  Mn → MnO,  P → P2O5.

Az olvadási folyamat során nagy vas-oxid-tartalmú salak képződik, amiben a vas-oxid kötött, illetve szabad állapotban van jelen, és a fémfürdő és salak között a megoszlási törvény alapján oszlik meg: (FeO)↔[FeO]. A kémiai folyamatok a következőképpen mennek végbe: a vas oxidálódik, a vas-oxid diffúzióval átmegy a salakból a fémbe, ott oxidálja a fém kísérő elemeit, miközben a vas-oxidból vas redukálódik.[49]

A szilícium oxidációja gyakorlatilag már a beolvadási szakaszban végbemegy, majd a képződött szilícium-dioxid a vas-oxiddal lép reakcióba:

Si + 2FeO = 2Fe + SiO2,
SiO2 + 2FeO = 2FeO·SiO2.

Mivel a képződött vegyület a bázikus salakban nem stabilis, a salakban megjelenő kalcium-oxid kiszorítja a vas-oxidot a helyéről:

2FeO·SiO2 + CaO = CaO·SiO2 + 2FeO.

A mangán oxidációja a fémben oldott vas-oxiddal, illetve a fém és a salak határfelületén:

[Mn] + [FeO] ↔ mMnO·nFeO + [Fe],
[Mn] + (FeO) ↔ [Fe] + (MnO).

A folyamat hőmérsékletfüggő, mennél gyorsabban nő a fürdő hőmérséklete, annál gyorsabban nő a fém mangánkoncentrációja. A mangánt a vason kívül a fürdőben oldott szén is redukálja:

(MnO) + [C] → [Mn] + {CO}.

A foszfor az acélban általában nemkívánatos elem. A foszfortalanítás összesített reakcióegyenlete:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = ((CaO)4·P2O5) + 5Fe.

A szén oxidációja rendkívül fontos szerepet játszik a Martin-acélgyártás folyamatában. A karbonkiégés, illetve a frissítés sebessége függ a fémfürdő és a salak összetételétől, a fürdő mélységétől, a betét tömegétől, a kemence hőkapacitásától és oxidáló képességétől stb. Az egyesített reakció a fürdőben:

(FeO) + [C] → [Fe] + {CO}.[50]

SM-acélművek Magyarországon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A diósgyőri Martin-Aczélgyár épülete és munkásai 1880 körül

A magyar kohászat első Siemens–Martin-acélművét 1876-ban Resicán állították üzembe – két kemencével. A nyersvasat saját nagyolvasztóik biztosították. Az acélművet folyamatosan bővítették, 1896-ban hat, 1898-ban már nyolc kemence működött, és az acéltermelés 1913-ban elérte a 146 000 tonnát, az ország termelésének 18%-át.[51]

A diósgyőri Magyar Királyi Vasgyárban 1879-re épült fel a Martin-acélgyár, amelyben két 6 tonnás, savanyú bélésű kemencével kezdődött a termelés. Az első adagot 1879. július 8-án csapolták le.[52] Közben, 1882-ben elkezdődött a Bessemer-acélgyártás is. 1886-ban újabb csarnokot építettek, amelyben 1894-ben már négy 9 tonnás kemence működött. 1896-ra készült el az új SM-acélmű, amelyben két 12 tonnás kemencében gyártották az acélt, majd később újabb két 12 tonnás és két 25 tonnás kemencét is üzembe állítottak. A kemencepark 1911-ben egy újabb, 1914-ben pedig három 30 tonnás kemencével bővült, s ezzel összesen 14 SM-kemence működött a gyárban. Az első világháború után a régi acélművet lebontották, egyúttal az 1886-os csarnokban megnövelték az adagot. 1940-ben három 30 tonnás, egy 40 tonnás és három 80 tonnás kemencében gyártottak acélt. A második világháború után buktatható Siemens–Martin-kemencék épültek: egy 40 tonnás, három 80 tonnás és egy 180 tonnás. A gyár éves martinacél-termelése az 1970-es években elérte az egymillió tonnát, majd az LD-acélmű üzembe állása után termelése folyamatosan visszaesett.[53] 1979-ben még megünnepelték a martinacélgyártás századik évfordulóját, de két év múlva már leállt a IV. számú, 180 tonnás kemence, és 1986. október 15-én megszűnt a termelés az utolsó, I. számú SM-kemencében is.[54]

Ózdon 1893-ban kezdték meg a Martin-acélmű építését. A kezdetben favázas csarnokban (1907-ben építették át acélszerkezetesre) négy 25 tonnás SM-kemencét helyeztek el. Az acél iránti megnövekedett igény miatt 1904-ben még négy, 1907-ben pedig két újabb kemencét telepítettek. A nyersvasat saját négy, új építésű nagyolvasztójuk biztosította. 1911-től az SM-kemencéket 38 tonnássá alakították. 1934-ben két, 5–6 t/h-s teljesítményű, März-típusú kemencét építettek, amiket folyamatosan korszerűsítettek, emelték a betétjüket, 1952-ben pedig bevezették az olajtüzelést.[53] Az 1950-es évek második felére az acélmű csarnoka és berendezései is elavultak, és komoly szakmai vitákat követően 1960-ban elkezdődtek az acélmű rekonstrukciós munkálatai. Először átépítették a csarnokot, majd – a termelés fenntartása mellett – a régi kemencéket egyenként lebontották, és a helyükre összesen nyolc darab 100 tonnás, olajtüzelésű März-kemencét és egy 800 tonnás körkeverőt[J 11] telepítettek. 1973-ban az acélmű kapacitása már 1,4 millió tonna/év volt,[55] és ebben az évben elkészült a folyamatos öntőmű is, 325 000 tonna/év kapacitással. A martinacélműi rekonstrukció ennek ellenére hibás döntésnek bizonyult, és – több tényező együttes negatív hatása következtében – 1992-ben megszűnt az acélgyártás az ÓKÜ-ben.[56]

A csepeli Weiss Manfréd Acél- és Fémművekben 1911-ben kezdődött az SM-acélgyártás. A két 10 tonnás kemencét azért telepítették, hogy a tüzérségi lövedékek alapanyagát gyártsák bennük. 1915-ben megnövelték a betétjüket, és építettek még két 32 tonnás és egy 28 tonnás kemencét is. 1932-ben áttértek az olajtüzelésre (addig generátorgázt használtak), és bevezették a bázikus falazatot. 1951-ben az egyik SM-kemencét 50 tonnásra alakították át, de az 1980-as évek végén leállt az SM-acélmű.[53]

A dunaújvárosi Dunai Vasmű acélművét 1951-ben kezdték építeni, és a termelést két 125 tonnás kemencével kezdték. Az első csapolás augusztus 20-án történt meg a III. számú Martin-kemencéből.[57] A gyárrészleg 1960-ra épült ki négy félventuri-kemencével. A nyersvasat saját nagyolvasztójuk szolgáltatta, a fűtőgáz a kokszolóműből érkezett, de pakurát is használtak, majd 1966-tól földgáz+kátrányolajfűtést alkalmaztak.[53] 1965-ben az éves acéltermelés már 615 601 tonna volt.[58] Az 1960-as években 180 tonnás März–Bolans-típusú SM-kemencékre tértek át, majd bevezették az oxigénes intenzifikálást is. Ennek eredményeként az éves acéltermelés az 1970-es évek elejére elérte az egymillió tonnát. Az oxigénes konverterüzem 1981-es üzembe állása után a martinacélgyártás jelentősége folyamatosan csökkent,[53] majd 1992. december 1-jével be is szüntették az SM-acélmű működését.[59]

Magyarország területén ezeken kívül is működtek jelentős Siemens–Martin-acélművek. Így például Korompán, Zólyombrézón, Vajdahunyadon, Nándorhután, de Salgótarjánban és a budapesti Ganz-gyár acélöntödéjében is gyártottak acélt ezzel az eljárással.[53]

Megjegyzések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Az adagidő a kemencében egy adag elkészülésének az ideje – csapolástól csapolásig.
  2. Az ismertetetteken kívül egyéb tűzfejtípusok is voltak használatban.
  3. A generátorgázt általában kőszénből állították elő speciális elgázosító berendezésben, gázgenerátorban – innen a neve. A torokgáz a nagyolvasztóban keletkezik, és a toroknál távozik. Fűtőértéke viszonylag csekély. A kevertgázban a kis fűtőértékű gázhoz nagy fűtőértékűt, például kokszkemencegázt vagy földgázt kevernek.
  4. A döngölőanyagot vagy döngölőmasszát monolitikus falazatok készítésére használják. Hidraulikus kötőanyagot nem tartalmaznak, ehelyett valamilyen kötést elősegítő vagy kialakító anyagot használnak.
  5. A tükörnyersvas átmeneti termék a fehérnyersvas és a ferromangán között. A fehérnyersvas vagy acélnyersvas fehér töretű, grafitot nem tartalmazó nyersvas.
  6. A ferromangán, ferroszilícium, ferrokróm, ferrovanádium stb. ferroötvözetek, a vas adott fémmel alkotott előötvözetei. Az acél ötvözésére, illetve dezoxidálására használatosak.
  7. A salak kémiai összetétele és annak ismerete rendkívül fontos volt. Egyes acélgyártók ezért tartották azt, hogy az acélgyártás lényege a jó salak előállítása.
  8. A kohászok fövésnek nevezik azt a jelenséget, amikor a folyékony acélban oldott vas-oxid és a karbon (szén) reakciója révén heves szén-monoxid-fejlődés következik be, ami a forráshoz hasonló mozgással jár.
  9. Meg kell jegyezni, hogy Siemens–Martin-kemencében főleg csak ötvözetlen és legfeljebb közepesen ötvözött acélok voltak gyárthatók. Erősebben ötvözött acélok gyártására elektrokemencéket használtak.
  10. Az öntőüst acélköpennyel ellátott, tűzálló téglával bélelt tartály, ami a folyékony fém szállítására és leöntésére szolgál.
  11. A nyersvaskeverő a folyékony nyersvas átmeneti tárolására, valamint hőmérséklete és kémiai összetétele egyenletesebbé tételére szolgál, emellett rugalmasabbá teszi a Martin-kemencék ellátását. Általában hengeres testtel készül. Van mozgó, torpedó alakú nyersvaskeverő is, ez vasúti síneken mozog a nagyolvasztómű és az acélmű között.

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Óvári 1985 275. o.
  2. Óvári 1985 315. o.
  3. Geleji 1955 26–28. o.
  4. Simon–Károly 1984 11. o.
  5. Jung 2004 28–29. o.
  6. Óvári 1985 275–276. o.
  7. Óvári 1985 316–318. o.
  8. Nagy 1987 317. o.
  9. Simon 1981 13–14. o.
  10. Simon–Károly 1984 12. o.
  11. Simon–Károly 1984 35. o.
  12. Simon–Károly 1984 33. o.
  13. Simon 1981 28–35. o.
  14. Simon–Károly 1984 35–41. o.
  15. Óvári 1985 316. o.
  16. Simon 1981 19. o.
  17. Simon–Károly 1984 22. o.
  18. Simon 1981 19–20. o.
  19. Simon 1981 20. o.
  20. Óvári 1985 316–317. o.
  21. Simon–Károly 1984 23. o.
  22. Simon–Károly 1984 24–25. o.
  23. Simon 1981 23–24. o.
  24. Simon 1981 26. o.
  25. Simon–Károly 1984 41. o.
  26. Simon 1981 36–37. o.
  27. Simon–Károly 1984 42–43. o.
  28. Simon 1981 37–41. o.
  29. Simon–Károly 1984 43. o.
  30. Simon 1981 45. o.
  31. Simon 1981 59–61. o.
  32. Simon 1981 45–52. o.
  33. Simon 1981 52–55. o.
  34. Simon 1981 55–58. o.
  35. Simon–Károly 1984 44. o.
  36. Simon–Károly 1984 44–45. o.
  37. Simon 1981 72–74. o.
  38. Simon 1981 74–80. o.
  39. Simon 1981 81–82. o.
  40. Simon–Károly 1984 63–79. o.
  41. Simon–Károly 1984 60–62. o.
  42. Simon–Károly 1984 63–66. o.
  43. Simon–Károly 1984 66–69. o.
  44. Simon–Károly 1984 69–76. o.
  45. Simon–Károly 1984 76–79. o.
  46. Simon–Károly 1984 79. o.
  47. Simon 1981 86. o.
  48. Simon 1981 87. o.
  49. Simon 1981 88–89. o.
  50. Simon 1981 88–100. o.
  51. Óvári 1985 275–276. o.
  52. Jung 2004 45–46. o.
  53. ^ a b c d e f Óvári 1985 276. o.
  54. Jung 2004 140. o.
  55. Tóth 1980 378–384. oldal
  56. Vorsatz 2000 170. oldal
  57. Horváth 2000  74–80. o.
  58. Horváth 2000 183–186. o.
  59. Horváth 2000 434. o.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Simon 1981: Simon Sándor: Acélgyártás II. Budapest: Tankönyvkiadó. 1981.  
  • Simon–Károly 1984: Simon Sándor, Károly Gyula: Acélkohászattan II. Budapest: Tankönyvkiadó. 1984.  
  • Óvári 1985: Vaskohászati kézikönyv. Óvári Antal (szerkesztő). Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1985. ISBN 9631059723  
  • Sziklavári: Sziklavári János: Az izzó vas tűzcsillagai. MTESZ. (Hozzáférés: 2013. január 17.)
  • Geleji 1955: Nyersvasgyártás. Geleji Sándor (szerkesztő). Budapest: Akadémiai Kiadó. 1955. = Vaskohászati enciklopédia, VI  
  • Vorsatz 2000: Vorsatz Brúnó: Kohászat. In Magyarország a XX. században. IV. kötet Tudomány 1. Tarsoly István (főszerkesztő). Szekszárd: Babits Kiadó. 1996–2000. 157–182. o.  
  • Jung 2004: Jung János, Kiss László, Sélei István, Sziklavári János: A diósgyőri acélgyártás története a folytacélgyártás bevezetésétől napjainkig. Miskolc: Borsod-Abaúj-Zemplén megyei Levéltár. 2004.  
  • Tóth 1980: Tóth Pál: Az Ózdi Kohászati Üzemek korszerűsítésének első korszaka (1957–1970). In Az Ózdi Kohászati Üzemek története. Berend T. Iván (szerkesztő). Ózd: Ózdi Kohászati Üzemek. 1980. 345–433. o.  
  • Horváth 2000: Dunaferr 50. Dunai Vasmű krónika. Horváth István (főszerkesztő). Dunaújváros: Dunatáj Kiadó. 2000. ISBN 9638238100  
  • Nagy 1987: Vaskohászat. Nagy Zoltán (főszerkesztő). Budapest: Akadémiai Kiadó. 1987. = Műszaki értelmező szótár, 61–62. ISBN 9630546949  

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]