Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších prvků, obsah uhlíku je pod 2,14 %. Hranice 2,14 % odpovídá maximální rozpustnosti uhlíku v austenitu při teplotě okolo 1148 °C.
Při vyšším obsahu uhlíku se slitiny označují jako litiny. Jde o nejčastěji používaný kovový materiál, využití nachází ve stavebnictví a dalších oborech jako konstrukční materiál.
Jde o průmyslově nejvýznamnější slitinu, ročně se jí celosvětově vyrobí více než 1,5 miliardy tun, největším výrobcem oceli je Čína. V Česku se nejvíce oceli vyrábí v Ostravě a Třinci, v roce 2016 bylo u nás vyrobeno 5,3 miliónů tun oceli.
Surové železo (pig iron) se v současnosti vyrábí ve vysokých pecích redukcí železné rudy koksem. Koks slouží jako zdroj tepla i uhlíku a zároveň zajišťuje mechanickou propustnost vsázky pro proudění plynů vysokou pecí. Ocel se poté získává zpracováním surového železa v ocelárnách, nejčastěji pomocí kyslíkových konvertorů, nebo v obloukových pecích.
Nejdůležitější fakta o oceli
Ocel je slitina železa a uhlíku (< 2,14 % C)
Při vyšším obsahu uhlíku jde o litiny
Hlavní suroviny pro výrobu surového železa: železná ruda, koks a vápenec
Surové železo vzniká ve vysoké peci
Ocel vzniká snížením obsahu uhlíku v surovém železe
Legovací prvky (Cr, Ni, Mo, V, Mn) mění vlastnosti oceli
Ocel je nejdůležitější konstrukční materiál současné civilizace
Suroviny
Jako zdroj železa se nejčastěji využívají minerály hematit a magnetit. Obrovské zásoby železa jsou v zemském jádře, ale to je zatím (a nejspíš napořád) pro člověka nedostupné.
Železná ruda
Jako zdroj železa se využívají nejčastěji rudy: hematit, magnetit, limonit a siderit.
Hematit
Hematit je trigonální minerál, chemicky jde o Fe2O3.[1] Má červenou až černou barvu, běžně obsahuje příměsi titanu, hliníku nebo manganu. Byl nalezen i na Marsu.[2]
Magnetit
Magnetit je kubický minerál, Fe3O4, má strukturu spinelu. Díky svým magnetickým vlastnostem se dříve využíval pro výrobu magnetofonových pásek a nahrávacích hlav. Má černou barvu.[3]
Koks
Koks do vysoké pece se vyrábí z černého uhlí, to se rozdrtí a slisuje do požadovaného tvaru, zpracování probíhá v tzv. koksárenské baterii. Koks se zahřeje, za nepřítomnosti vzduchu, na teplotu až 1100 °C. Doba koksování je přibližně 24 hodin, tímto procesem se z uhlí odstraní těkavé složky, které odchází ve formě koksárenského plynu.
Koksárenský plyn se skládá hlavně z vodíku, methanu a oxidu uhelnatého. Kromě toho obsahuje nežádoucí složky, které se z něj odstraňují, jde hlavně o dehty, benzol a sulfan.
Struskotvorná látka
Jako struskotvorná látka se ve vysoké peci používá vápenec (CaCO3), kazivec (CaF2) nebo křemen (SiO2). Vápenec se za zvýšené teploty rozkládá na oxid vápenatý (CaO, pálené vápno), který následně reaguje s hlušinou (hlavně SiO2) za vzniku křemičitanu:
CaO + SiO2 → CaSiO3
Výroba surového železa
Železo se vyrábí redukcí železné rudy oxidem uhelnatým (nepřímá redukce) a koksem (přímá redukce). V současnosti se provádí ve vysokých pecích.
Vysoká pec
Vysoká pec je zařízení produkující surové železo. Její výška je 25–40 m, je uzpůsobena pro kontinuální provoz po dobu více než 15 let. Výhas pece a následné temperování na provozní teplotu je totiž velmi nákladný a dlouhodobý proces.[4]
Ve spodní části pece jsou přívody předehřátého vzduchu, zpravidla obohaceného kyslíkem. Do horní části se sází suroviny pro výrobu železa. Teplota v horní části pece se pohybuje okolo 200 °C a postupně narůstá. Maximální teplota je ve spodní části pece, kde je surové železo. Může dosahovat až 2300 °C.
Spodní část pece je tvořena pancířem, který je obložen šamotovými cihlami. Plášť pece je chlazen vodou, olejem, příp. vzduchem. Ve spodní části jsou také výfučny, kterými se do pece vhání vzduch, pod nimi je otvor na odpich strusky a ještě níže odpichový otvor, kterým odtéká surové železo.
Vršek pece je uzavřen kychtovým uzávěrem, který slouží k odvodu vznikajících plynů.
Průběh redukce
Do vysoké pece se zaváží koks a železná ruda ve formě tzv. aglomerátu. Ten se připravuje spékáním koksového prachu s rozdrcenou rudou. Toto probíhá ve spékárně rud, směs koksu s rudou se nasype na pás a vrchní část se zapálí. Spodní část pásu je připojena ke zdroji podtlaku, což způsobí prosávání vzduchu vrstvou materiálu a jeho postupné prohořívání a spékání. Vzniklý aglomerát je schlazen a rozdrcen. Do pece není možné sypat prachový materiál, protože by došlo k jejímu zadušení, proto je aglomerát drcen na větší kusy, které umožňují průchod vzduchu pecí.
V horní části pece dochází k předehřívání a sušení vsázky. Také dochází k rozkladu vápence na oxid vápenatý (CaO). Směrem dolů dochází k nárůstu teploty a začíná probíhat nepřímá redukce, kdy se ruda redukuje oxidem uhelnatým vznikajícím spalováním koksu:
2 C + O2 → 2 CO
C + O2 → CO2
CO2 + C → 2 CO
Při postupu dolů dochází k dalšímu nárůstu teploty, ruda se stává houbovitou, měkkou a začíná probíhat přímá redukce koksem (uhlíkem). Celkovou redukci můžeme zapsat jako:
Fe2O3 → Fe2O3.FeO → FeO → Fe
Ze spodní části pece získáváme strusku a surové železo. Z horní části pak vysokopecní plyn, který obsahuje hlavně oxid uhelnatý, uhličitý, vodík, methan a dusík.
Struska vzniká reakcí struskotvorné látky s nekovovými složkami v železné rudě, skládá se hlavně z oxidu křemičitého, hlinitého, vápenatého a hořečnatého. Podle typu použité rud může obsahovat i oxid titaničitý. Jako majoritní složka strusky se uvádí křemičitan vápenatý, CaSiO3.
Surové železo má vysoký obsah uhlíku, zpravidla 3,0–4,3 % a dalších příměsí. Označuje se také jako nekujné železo, protože jej není možné zpracovávat kováním za tepla, ani studena.
Tavenina surového železa je zpravidla převezena do ocelárny k výrobě oceli. Tyto dva provozy bývají situovány blízko sebe. Pokud je ocelářský provoz hůře dostupný, odlévá se surové železo do ingotů, tzv. housek.
Výroba oceli
Surovinou je surové železo vyrobené ve vysoké peci. Využívá se také železný odpad, železo stejně jako jiné kovy lze recyklovat bez ztráty kvality.
Abychom získali ocel je nutné snížit obsah uhlíku, fosforu a síry, v dnešní době se vyrábí hlavně oceli s obsahem uhlíku pod 1,5 %. To se provádí v tzv. konvertorech, kde se tavenina surového železa profukuje proudem čistého kyslíku, tím dochází k oxidaci uhlíku na oxid uhličitý.
Legování
Dalším krokem je legování, tzn. přidávání dalších kovů do taveniny oceli. Jako legovací prvky se často využívají molybden, mangan, nikl, chrom, vanad a křemík.
Druhy oceli
Vlastnosti oceli lze měnit úpravou obsahu uhlíku, tepelným zpracováním a přidáním legujících prvků, například chromu, niklu, manganu nebo molybdenu. Proto existuje mnoho druhů ocelí určených pro různé aplikace.
| Druh oceli | Popis | Příklad využití |
| Konstrukční ocel | Nejčastěji používaný typ oceli. Vyznačuje se dobrou pevností, svařitelností a nízkou cenou. | Nosníky budov, mosty, výztuže do betonu |
| Nástrojová ocel | Má vyšší obsah uhlíku a často obsahuje legující prvky. Je tvrdá a odolná proti opotřebení. | Vrtáky, pilníky, frézy, razníky |
| Nerez | Obsahuje nejméně 10,5 % chromu, který vytváří ochrannou vrstvu bránící korozi. | Kuchyňské nádobí, chirurgické nástroje, chemická zařízení |
| Pružinová ocel | Vyznačuje se vysokou pružností a únavovou odolností. | Pružiny automobilů, pružné podložky |
| Ložisková ocel | Je velmi tvrdá a odolná vůči opotřebení a kontaktním tlakům. | Kuličková a válečková ložiska |
| Žáruvzdorná ocel | Zachovává si pevnost i při vysokých teplotách. | Součásti pecí, turbín a výfukových systémů |
| Elektrotechnická ocel | Obsahuje zvýšený podíl křemíku, má vhodné magnetické vlastnosti. | Jádra transformátorů a elektromotorů |
Využití oceli
Hlavní využití oceli je ve stavebnictví, kde se využívá vysoká pevnost při nízké hmotnosti oceli. Kromě konstrukcí se ocel využívá i jako výztužný prvek železobetonových konstrukcí.
Ocel se dále využívá ve strojírenství, zbrojním průmyslu i v umění.
Eiffelova věž
Asi nejznámější ocelovou stavbou je pařížská Eiffelova věž, pojmenována je po konstruktérovi Gustavu Eiffelovi. Jak je všeobecně známo, stojí v Paříži na Martově poli. Současná výška je 330 metrů, věž má tři plošiny a její celková hmotnost je asi 10 100 tun. Postavena byla v letech 1887 až 1890 a do roku 1930 byla nejvyšší stavbou na světě.
Nerezové mýdlo
Zajímavou aplikací je nerezové mýdlo, je to kostka z nerez oceli, která dokáže odstranit zápach z rukou. S touto aplikací jsem se potkal při vytváření odpovědi pro projekt Zeptej se vědce![5]