Nyersvasgyártás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Nagyolvasztó

A nyersvasgyártás a vas- és acélkohászat technológiai folyamatának első alapvető fázisa. A vas a természetben nem fordul elő színfém formájában (legfeljebb a meteoritvas ilyen), ezért azt érceiből, tűzi kohászati eljárással kell előállítani. A tűzi kohászat során a vasércből – ami főleg vasoxidok elegye – az oxigént redukálással távolítják el. A redukáló anyag szén (koksz, a kohászok szóhasználatában „karbon”). A koksz nemcsak redukálja a vasérceket, de megfelelő hőmérsékletet is ennek égése biztosítja. A nyersvasat többnyire nagyolvasztóban, speciális aknás kemencében állítják elő. Vannak más eljárások is, de a nagyolvasztó a nyersvasgyártás legtipikusabb kemencetípusa: olyan, aknás kemence, amelynek működtetéséhez kisegítő egységekre (léghevítőkre, fúvógépházra, torokgáztisztítóra stb.) is szükség van. A nagyolvasztót és a kisegítő egységeket együtt nagyolvasztóműnek nevezik.

A nyersvasgyártás történetét az 1300-as évektől követhetjük: a levegőfúvatás fejlesztésével ekkor sikerült a bucakemencékben elég magas hőmérsékletet elérni. Az így előállított vas ugyan nagy széntartalma miatt eleinte használhatatlan (pig iron, csugunnaja szvinka, azaz disznó vas) volt, mégis ez a nyersvas vált az ipari méretű, kétlépcsős acélgyártás első fázisává.

A nyersvasgyártás története[szerkesztés]

Az Imolán feltárt kemence a Kohászati Múzeumban

Nem tudjuk pontosan, hogy miként és hol nyerték ki először vasércből a vasat, de az tény, hogy a régészek Egyiptomban, el-Girzában, az i. e. 3500-tól i. e. 3200-ig terjedő időszakból származó meteoritvas anyagú gyöngyöket, a Kheopsz-piramisnál pedig vasszerszámokat találtak. Mivel a vas idővel elrozsdásodik, a maradványok elvesznek számunkra, így a vasgyártás több mint 6000 éves múltja csak feltételezés.[1][2]

Az első kohók voltaképpen olyan, kis gödrök voltak, amiket széljárta helyeken kapartak ki. Ezekben a vasércet faszénen izzították. A szén redukálta a vasoxidokat, azaz eltávolította az oxigént a vasércből. A gödrök egyre nagyobbak lettek, és falukat előbb-utóbb agyaggal tapasztották ki. Európában ez a fajta „közvetlen acélgyártás” az i. e. 7. században, a hallstatti kultúrával terjedt el – ekkor a vasat és a bronzot még együtt használták. Kontinensünkön a vasszerszámok az i. e. 5. században, a La Tène kultúrával szorították ki végleg a bronz eszközöket.

A kohókat domboldalakba építették, így egyszerűbb volt őket kezelni, és a természetes huzatot is jobban hasznosították. A dombról – felülről – könnyen „etethették” a kemencét, a lejtő felől – alulról – pedig egyszerűbben szíthatták a tüzet. A termék alig olvadt meg, a viszonylag kis hőmérséklet miatt a vas alig ötvöződött a szénnel, ezért az ércből acélszerű – igaz, salakkal szennyezett – terméket kaptak. A salakot kovácsolással távolították el, így tették az anyagot felhasználhatóvá. A legrégibb ilyen kemencét az egykori római Noricum tartományban tárták fel a mai Ausztriában.[2] A fejlődés eredményeként a kemencék tovább nőttek, és már a levegő befúvásáról is gondoskodtak. Ezeket a bucakemencéket évszázadokon át használták.[3][4] A honfoglaló magyarok telephelyein sok ilyen kemencét tártak fel – sőt, minden nagyobb uradalomnak saját kohóüzeme volt. Magyarország területén kétféle típusú, a 10–12. századból származó kemencét tártak fel: az egyik főleg kelet-magyarországi (Imola, Trizs), a borsodi érclelőhelyek környékén gyakori kemence (imolai típus), amelyet egy műhelygödör oldalába mélyítettek és elölről fújtattak, a másik, főleg nyugat-magyarországi (Kőszegfalva, Vasvár), szintén műhelygödörbe telepített, de onnan kissé előreálló típus. Ez utóbbi oldalról is fújtatható.[5] Az érclelőhely (ebben a korban alapvetően a gyepvasérceket dolgozták fel) és gazdag erdőség közelében épített üzemek olcsón állították elő a vasat, így eladásra, sőt exportra is termeltek. Királyaink is tudták, milyen fontos a vaskohászat, ezért a fejlett vaskultúrájú országokból hoztak be kohászokat.[1][6]

Az újmassai őskohó

Amikor a kézi erővel hajtott bőrtömlős fújtatókat vízi erővel hajtottakkal váltották fel, nagyobb hőmérsékletet értek el (hazánkban ez a megoldás 1320 körül kezdett elterjedni). Az így hevített nyersvas megolvadt, és ezért több szenet (karbont) vett fel. Miután megszilárdult, ez a termék rideg, törékeny, kovácsolhatatlan volt, és nem tudták a korábbi módon felhasználni. Először rossznak, „selejtnek” tartották, innen ered a nyersvas angol neve: pig iron, orosz neve: csugunnaja szvinka, mindkettő magyar megfelelője: disznó vas[1][3] – viszont felfedezték az öntöttvasat. A kohászok egy idő múlva persze megtanulták, hogyan állíthatnak elő ebből az „elrontott” vasból kiváló acélt.

A bucakemencéket a 18. századig használták. Egyes vidékeken, például Stájerországban akkorára nőttek, hogy kőből rakott aknájuk volt, aminek magassága elérhette a 8 métert. Ezeket egyes szerzők gomolyakemencéknek nevezik, és a nagyolvasztó felé vezető út önálló állomásának tekintik.[7]

A hazai vasipar fejlődésében fontos állomás volt az 1700-as évek eleje, amikor a Rákóczi-szabadságharc fegyverigénye szükségessé tette a vasgyártás bővítését: elsősorban a Felvidéken és Erdélyben építettek új kohókat és hámorokat (kovácsüzemeket). Ekkor már ismerték a frisstűzi acélgyártást, és a vasüzemek némelyikét ilyennel is kiegészítették.[1] Ez az a korszak, amitől a hazai iparosodás beindulását számítjuk. A Selmecbányán 1735-ben alapított Bányatisztképző Iskola, később Bányászati és Erdészeti Főiskola sorra bocsátotta ki a képzett bányász-kohász szakembereket, akik komoly szerepet játszottak a kohászat fejlesztésében.[8]

Az első nagyolvasztókat a 18. század húszas éveiben építették; 1800-ban Magyarországon mintegy harminc nagyolvasztó működött.[9] Az ipari forradalom növekvő vasigényének kielégítésére kőből építettek magas aknájú kohókat. Ilyen Magyarország legjelentősebb ipari műemléke, a Lillafüred mellett álló újmassai őskohó. Ezt Fazola Frigyes építette 1810-ben, és 1866-ig működött. Ennek a kohónak az elődjét Fazola Henrik létesítette 1770-ben Ómassán, de ez nem maradt fenn.

A faszenet lassan felváltotta a kőszén, majd a koksz, a befújt levegőt melegíteni kezdték a kohó hőjével, és a 19. századra nagyjából kialakult a mai értelemben vett nagyolvasztó.[10] A hazai iparfejlesztés nagyja ekkor Széchenyi István volt, aki a Lánchíd felépítésével, a hajógyártás és a gőzhajózás beindításával a kohászati fejlesztéseknek újabb lökést adott. Sorra jöttek létre a kisebb-nagyobb kohászati gyárak (Resica, Ózd, Diósgyőr stb.), Magyarország vaskohászata rövid időn belül a leggyorsabban fejlődők közé került. Az első világháború után – a trianoni döntés eredményeként – a termelés a felére esett vissza, a hazai vaskohászat elvesztette nyersanyagforrásai és üzemei javát. A két világháború között újabb gyors fejlődés bontakozott ki, de a második világháború után a termelés csak 1948-ban érte el az 1938. évi szintet. 1950-ben új kohászati komplexum építése kezdődött el Dunapentelén, ez lett a Dunai Vasmű. A nyersvasgyártás jelentősége az évtizedek során folyamatosan csökkent azzal, hogy az acélgyártás egyre inkább áttért a hulladék bázisú technológiára. A hajdani négy nyersvasgyártó üzemből (Csepel, Ózd, Diósgyőr, Dunaújváros) mára csupán Dunaújvárosban gyártanak nyersvasat.[6][11]

A nyersvasgyártás anyagai[szerkesztés]

Vasérc[szerkesztés]

Vasérc pellet a nagyolvasztó rakodóterén

A földkéreg átlagban mintegy 6,6%-nyi[12] vasat tartalmaz – igen változatos vegyületi formációkban és még változatosabb eloszlásban. Ezen vegyületek közül a gyakorlat számára legfontosabb ásványok:[1][13]

  • hematit, Fe2O3, vastartalma 70%,
  • magnetit, Fe3O4 ill. FeO·Fe2O3, vastartalma 72,41%,
  • hidrohematit, Fe2O3·0,5 H2O, vastartalma 66,27%,
  • goethit, Fe2O3·H2O, vastartalma 62,92%,
  • limonit, Fe2O3·1,5 H2O, vastartalma 59,89%,
  • sziderit, FeCO3, vastartalma 48,28%.

Vasérceknek azokat a kőzeteket nevezzük, amelyekben a vas viszonylag sok, és oxid formában van jelen (vagy könnyen alakítható oxiddá), vassal ötvöződő szennyezőanyag, meddő pedig kevés van benne.[14][15]

  • A vörösvasércek (lilásvörös színükről nevezték el) hematit alapúak. Ezek a legfontosabb vasércek. A legjobbak 64-68% vasat tartalmaznak.
  • A mágnesvasércek vagy szürkevasércek magnetit alapú ércek, vastartalmuk 60% fölött is lehet. Tömörebbek, ezért valamivel nehezebben redukálhatóak. A magnetit gyakran a kova különböző, az érc minőségét rontó módosulataival (jáspis, kvarc) nő össze.
  • A barnavasércek alapásványai legalább részben hidroxidosak. Kötött víztartalmukat hevítés hatására elveszítik, így vastartalmuk növelhető.
  • A pátvasércek sziderit alapúak. Tűzi úton (ezt pörkölésnek nevezik) oxidossá kell őket alakítani.

A vasérceket általában nem eredeti formájukban adagolják a nagyolvasztóba, hanem könnyebben redukálhatóvá, kedvező szemnagyságúvá és porozitásúvá alakítják, és még salakképző anyagot is kevernek hozzá. Ezt a műveletet agglomerálásnak nevezik, és zsugorító pörköléssel vagy pelletezéssel végzik.[16]

Salakképző anyagok[szerkesztés]

Kohósítás közben a vasérc meddőtartalma is megolvad, ebből lesz a salak. A salak kémiai összetétele igen fontos, mert a metallurgus – többek között – ezzel tudja befolyásolni a kéntelenítés folyamatát. A kéntelenítés azért fontos, mert a kén a vasban és az acélban is szennyező elem. A salak kémiai összetételét salakképzők adagolásával állítják be: a salakképző anyag többnyire mészkő és dolomit. Ha olyan zsugorítványt vagy pelletet használnak, amely már tartalmazza ezeket, akkor általában nem kell külön salakképző anyag (ezek az „önjáró ércek”).[17][18]

Léghevítők (kauperek)

Tüzelő-redukáló anyagok[szerkesztés]

A nagyolvasztóban használatos tüzelő-redukálóanyag többnyire a koksz. A koksz egyrészt hőt, másrészt redukáló gázt fejleszt, harmadrészt karbonizálja (szénnel ötvözi) a vasat. A koksz C-tartalma több mint 85%, és annál jobb, ha minél kisebb (1% alatti) a kéntartalma. A koksz szerkezete erősen porózus, ami javítja a nagyolvasztóban elhelyezett elegyoszlop gázátjárhatóságát. Egyes esetekben brikettkokszot használnak, amit szurok kötőanyaggal állítanak elő. A kokszfelhasználás csökkentése érdekében külön redukálóanyagokat: szénhidrogéneket (földgáz, pakura), szénport stb. is használnak; ezeket a forrószélhez keverik.[19][20]

Levegő[szerkesztés]

A levegőt a hőszükséglet biztosítására (a koksz égetéséhez) fúvatják a nagyolvasztóba – a kohászok ezt a levegőt fúvószélnek nevezik. Mivel a befúvott hideg levegő lehűtené az olvadékot, ezért előzőleg a nagyolvasztóból távozó gázok hőjét hőcserélőkkel hasznosítva felmelegítik. A meleg fúvószél a forrószél. A hőcserélők magas, tűzálló téglákból épített, rácsos szerkezetű oszlopok (a feltaláló Edward A. Cowper nevéből kauperek), amelyek a levegőt szakaszos üzemben 1100–1300 °C-ra melegítik fel.[21]

Redukciós folyamatok[szerkesztés]

A nagyolvasztóban lejátszódó metallurgiai (kémiai) folyamatok meglehetősen bonyolultak és sokrétűek, még akkor is ha „csak” a vasérc redukciójáról van szó (ezen kívül más jellegű reakciók, folyamatok is lezajlanak). A lejátszódó kémiai reakciók jelentős mértékben függenek az adott térrész hőmérsékletétől, az uralkodó nyomásviszonyoktól és a jelenlévő vegyületektől.[22]

A nagyolvasztóban a redukciós folyamatok alapvetően háromféle módon zajlanak le:

  • direkt módon, azaz közvetlenül szénnel (C),
  • indirekt módon, azaz szén-monoxid (CO) segítségével,
  • más redukálószerek, többnyire hidrogén (H2) segítségével.

Az aknába adagolt és lefelé haladó érc először az elegyoszlopon felfelé haladó gázokkal találkozik. Ennek a gázkeveréknek legjelentősebb alkotórésze a koksz elégetéséből származó szén-monoxid (CO) és szén-dioxid (CO2). A redukálás szempontjából a széndioxidnak nincs szerepe, a szén-monoxid a legfontosabb összetevő, ez végzi az indirekt vagy közvetett redukciót. Az indirekt redukció akkor a leghatásosabb, ha az érc porozitása megfelelően nagy (ezt célozza például a kohósítás előtt zsugorítás). A redukciónak ez a módja azonban kis sebességű, így viszonylag kevés vasat eredményez. Az oxidok további redukálását a közvetett vagy direkt redukciónak kell elvégeznie. A közvetett redukció az aknában, míg a közvetlen redukció a fúvósíkban vagy közvetlenül fölötte megy végbe, miközben a redukálódott vas megolvad.

A vasoxid redukcióját úgy kell elképzelni, hogy az először az érc felületén indul meg, majd a darab belső részei felé haladva fokozatosan veszíti el oxigéntartalmát:[23]

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

Indirekt redukció[szerkesztés]

A vasoxid közvetett redukciója már a vörösizzás hőmérsékletén elkezdődik:[24][25][26]

3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2.

A képződött Fe3O4 tovább redukálódik:

Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.

A redukció folyamata azonban nem ilyen egyszerű. A fenti kémiai egyenletek ugyanis az egyensúlyi állapotot tételezik fel. Ettől eltérő körülmények között más jellegű reakciók is végbemennek, pl.:

Fe3O4 + 4 CO → 3 Fe + 4 CO2.

Direkt redukció[szerkesztés]

A közvetlen vasredukció egyenletei:

Fe2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO,
Fe3O4 + 4 C = 3 Fe + 4 CO,
FeO + C = Fe + CO.

A két – direkt és indirekt – reakciófajta között jelentős különbség, hogy míg a közvetlen redukálás valamennyi folyamata hőfogyasztó (endoterm), addig a közvetett reakciók hőtermelők (exotermek). Ebből is következik, hogy a nagyolvasztóban törekedni kell az indirekt (szén-monoxidos) redukciókra, mert az tüzelőanyag-megtakarítással jár.[27][28][29]

Redukció hidrogénnel[szerkesztés]

A hidrogén a levegővel, az elegy kötött víztartalmával vagy szénhidrogén adagolással kerülhet be a nagyolvasztóba. A hidrogén nagyobb hőmérsékleten kezd redukálni, mint a szén-monoxid, de sokkal gyorsabb, hatékonyabb annál. Ugyanakkor bonyolultabb is, mert a hidrogén (víz) szilárd szén és szén-monoxid gáz mellett van jelen, s ezek egymásra is hatnak.[30] Hidrogén keletkezésére vízgőzből a következő reakcióegyenleteket lehet felírni:

C + H2O = CO + H2,
CO + H2O = CO2 + H2,

A hidrogén a redukálási sort hasonlóan végzi az előzőekkel (egyensúlyi állapotot feltételezve):

3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O,
Fe3O4 + H2 =3 FeO + H2O,
FeO + H2 = Fe + H2O.

Az első két reakció hőfogyasztó, míg a középső enyhén hőtermelő jellegű. Az egyensúlyi állapottól eltérő körülmények között létrejöhető reakciók:

Fe3O4 + 4 H2 =3 Fe + 4 H2O,
Fe2O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2O.

A nagyolvasztó[szerkesztés]

A nagyolvasztó nyersvasgyártás legtipikusabb kemencetípusa. Aknás kemence, amelynek működtetése azonban több, egyéb feladatot ellátó egységet is igényel. Ilyenek például a léghevítők, a fúvógépház, a torokgáztisztító stb. Ezeket – a nagyolvasztóval együtt – nagyolvasztóműnek nevezik.

A nagyolvasztó méreteit hasznos magasságával, medencéjének átmérőjével és hasznos térfogatával lehet bemutatni. A nagyolvasztók fejlődése során egyre nagyobb kemencéket építettek, de a méretnövekedést sokkal inkább az átmérővel érték el, mint a magasság növelésével. A legnagyobb magassági méretek a 30–35 méter körüli tartományban vannak, a hasznos térfogat pedig az 5000 köbmétert is meghaladja.[31]

További képek[szerkesztés]

Nagyolvasztók
A nagyolvasztó részei
1 – meleg levegő befúvás; 2 – olvasztó zóna; 3 – redukáló zóna 1; 4 –redukáló zóna 2; 5 – előmelegítő zóna; 6 – elegy adagoló; 7 – torokgáz; 8 – elegyoszlop; 9 – salak és salakcsapoló nyílás; 10 – medence és a nyersvas csapolónyílása; 11 – távozó kohógáz.
Csapolás nagyolvasztóból

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. ^ a b c d e Sziklavári János
  2. ^ a b Farkas Ottó 1989 19. oldal
  3. ^ a b Farkas Ottó 1989 20. oldal
  4. Remport Zoltán 1995 12. oldal
  5. Gömöri János 1985 320. oldal
  6. ^ a b Farkas Ottó 1989 22–24. oldal
  7. Geleji Sándor 1955 19. oldal
  8. Geleji Sándor 1955 30. oldal
  9. Remport Zoltán 1995 26. oldal
  10. Farkas Ottó 1989 21. oldal
  11. Vorsatz Brunó
  12. Jámbor 208. old.
  13. Óvári Antal 1985 96–97. oldal
  14. Farkas Ottó 1989 35–36. oldal
  15. Geleji Sándor 1955 41. oldal
  16. Farkas Ottó 1989 39–40. oldal
  17. Farkas Ottó 1989 55. oldal
  18. Óvári Antal 1985 99–100. oldal
  19. Farkas Ottó 1989 57–58. oldal
  20. Geleji Sándor 1955 57–58. oldal
  21. Farkas Ottó 1989 68–72. oldal
  22. Farkas Ottó 1989 196–197. oldal
  23. Geleji Sándor 1955 88–92. oldal
  24. Farkas Ottó 1989 211. oldal
  25. Geleji Sándor 1955 85–86. oldal
  26. Óvári Antal 1985 82–83. oldal
  27. Farkas Ottó 1989 225. oldal
  28. Geleji Sándor 1955 87. oldal
  29. Óvári Antal 1985 86–87. oldal
  30. Farkas Ottó 1989 226. oldal
  31. Farkas Ottó 1989 75–76. oldal

Források[szerkesztés]

  • Farkas Ottó 1989: Farkas Ottó: Nyersvasmetallurgia. Budapest: Tankönyvkiadó. 1989. ISBN 9631821064  
  • Geleji Sándor 1955: Nyersvasgyártás. Geleji Sándor (szerkesztő). Budapest: Akadémiai Kiadó. 1955. = Vaskohászati enciklopédia, 6.  
  • Jámbor: Jámbor Áron: Ásványi nyersanyagok kutatása és teleptana (mélyfúrás-kutatás). Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1982.  
  • Óvári Antal 1985: Vaskohászati kézikönyv. Óvári Antal (szerkesztő). Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1985. ISBN 9631059723  
  • Sziklavári János: Sziklavári János: Az izzó vas tűzcsillagai. MTESZ. (Hozzáférés: 2012. január 17.)
  • Vorsatz Brunó: Vorsatz Brunó: Magyarország a XX. században – Kohászat. MEK. (Hozzáférés: 2009. november 2.)
  • Remport Zoltán 1995: Remport Zoltán: Magyarország vaskohászata az ipari forradalom előestéjén. Budapest: Montan–Press. 1995.  (a katalógusokban formailag hibás ISBN-nel szerepel) ISBN 963 05477 07
  • Gömöri János 1985: Gömöri János: „Lovasnépek” vaskohászata Pannóniában. In Az őshazától a Kárpátokig. Szombathy Viktor. Budapest: Panoráma Kiadó. 1985. ISBN 9632432118  

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]