Královna ocel. Ing. Richard Fabík, Ph.D

Královna ocel Ing. Richard Fabík, Ph.D.

Richard Fabík

Odborný asistent VŠB-TU Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra tváření materiálu. Samostatný pracovník pro vědu a výzkum Regionální materiálově technologické výzkumné centrum, Laboratoř tažení drátu.

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika

Mikroprocesor na základní desce

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika Elektrický obvod složený z miliónů součástek na desce z monokrystalického křemíku

Mikroprocesor na základní desce

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika  VŠB-TU Ostrava (Ing.) – obor Řízení jakosti

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika  VŠB-TU Ostrava (Ing.) – obor Řízení jakosti

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika  VŠB-TU Ostrava (Ing.) – obor Řízení jakosti  VŠB-TU Ostrava (Ph.D.) – obor Tváření a povrchové úpravy materiálu

Richard Fabík K oboru tváření materiálů vedla složitá cesta:  SPŠ Elektrotechnická Rožnov p. R. – obor Mikroelektronika  VŠB-TU Ostrava (Ing.) – obor Řízení jakosti  VŠB-TU Ostrava (Ph.D.) – obor Tváření a povrchové úpravy materiálu •

Matematické modelování tvářecích procesů

•

Tepelné zpracování kolejnic za účelem prodloužení jejich životnosti (TŽ, a.s.)

•

Analýza příčin vzniků defektů v nápravách železničních dvojkolí (TŽ, a.s.)

•

Optimalizace technologie výroby drátů pro kordy pneumatik (ŽDB)

•

Nové postupy válcování plechů s cílem snížit množství odpadu (Rusko)

•

Řízené válcování na středojemné válcovně ArcelorMittal, na válcovně drátů a jemné válcovně TŽ, a.s.

• Optimalizace postupu kování hřídelí pro větrné elektrárny (Vítkovice-Heavy Machinery)

Richard Fabík Tepelné zpracování kolejnic za účelem prodloužení jejich životnosti (TŽ, a.s.)

Richard Fabík Analýza příčin vzniků defektů v nápravách železničních dvojkolí (TŽ, a.s.)

Náprava

Polotovar

Richard Fabík Optimalizace postupu kování hřídelí pro větrné elektrárny (Vítkovice-Heavy Machinery)

Královna ocel V této přednášce budeme hledat odpovědi na následující otázky: Co je to ocel ? Kolik známe druhů ocelí ? Jak se ocel vyrábí ? Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Má ocel perspektivu do budoucnosti ?

Královna ocel V této přednášce budeme hledat odpovědi na následující otázky: Co je to ocel ? Kolik známe druhů ocelí ? Jak se ocel vyrábí ? Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Má ocel perspektivu do budoucnosti ? Po zodpovězení těchto otázek již bude snadné odpovědět na poslední otázku: Proč je ocel královnou mezi všemi materiály ?

Královna ocel Co je to ocel ? Ocel je slitina železa a uhlíku. Obsahuje méně než 2 hm. % uhlíku a dále obsahuje některé legující prvky (křemík, mangan, chróm, nikl, hliník atd.), mikrolegující prvky (vanad, niob, titan, wolfram, bór) a nečistoty (síra, fosfor, kyslík).

Hrnce z austenitické nerezavějící oceli



Po naleptání oceli můžeme pozorovat její mikrostrukturu

Královna ocel Co je to ocel ? Ocel je slitina železa a uhlíku. Obsahuje méně než 2 hm. % uhlíku a dále obsahuje některé legující prvky (křemík, mangan, chróm, nikl, hliník atd.), mikrolegující prvky (vanad, niob, titan, wolfram, bór) a nečistoty (síra, fosfor, kyslík). Ocel je tvořena jednotlivými zrny (krystaly), oddělenými od sebe hranicemi






Struktura oceli je tvořena atomy železa v pravidelných polohách a atomy příměsí

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? Ocel není jediný výrobek. Existuje více než 3 500 různých typů (značek) ocelí s velmi širokou a pestrou škálou fyzikálních, chemických a mechanických vlastností, které umožňují jejich použití v obdivuhodném teplotním rozmezí -270 až 1 000°C, a to v hlubokém vakuu i za vysokých tlaků, pod vlivem agresivních látek i nebezpečného záření.

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? Ocel není jediný výrobek. Existuje více než 3 500 různých typů (značek) ocelí s velmi širokou a pestrou škálou fyzikálních, chemických a mechanických vlastností, které umožňují jejich použití v obdivuhodném teplotním rozmezí – 270 až 1 000°C, a to v hlubokém vakuu i za vysokých tlaků, pod vlivem agresivních látek i nebezpečného záření. Přibližně 75 % značek ocelí bylo vynalezeno v uplynulých 20 letech. Zde jsou některé příklady, vysvětlující pokrok ve výrobě oceli:

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? Eiffelova věž postavena v letech 1887 až 1889 a až do roku 1930 byla s výškou 300,65 metru nejvyšší stavbou světa. Dnes měří 324 metrů. Je pojmenována po svém konstruktérovi Gustavu Eiffelovi. Její celková hmotnost byla 7000 t oceli (5000 t profilů a 2000 t nýtů). Dnes při použití dnešní výšepevnostní oceli (HSLA), by byla svařovaná a vážila by jen 2000 t !

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? V roce 1960 pokládané kolejnice o metrové hmotnosti 50 kg vykazovaly životnost 14 let. Dnes kladené, tepelně zpracované kolejnice mají v současnosti vyšší metrovou hmotnost (např. 65 kg), ale budou se vyřazovat až za 40 let. Přičemž se výrazně zvýšil tlak na jednu železniční nápravu a zároveň rychlost vlaků.

Zařízení pro tepelné zpracování hlavy kolejnice bezprostředně po doválcování.

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? Hlavními důvody používaní ocelí v automobilovém průmyslu jsou jejich pevnostní vlastnosti, zpracovatelnost, relativně nízká cena a recyklovatelnost.

Na přelomu 80 a 90 let minulého století se na trhu objevily karosérie z neželezných kovů (Al, Mg, Ti). Ocelárenský průmysl na tuto konkurenci zareagoval projektem ULSAB (ultra light steel automotive body) jehož cílem byla ocelová automobilová karosérie s hmotností do 270 kg. Cestou ke snížení hmotnosti byl vývoj nových typů ocelí s vyšší pevností.

ULSAB

Královna ocel Kolik známe druhů ocelí ? Uveďme si už jen výčet dalších speciálních druhů ocelí: konstrukční nástrojové rychlořezné žárupevné žáruvzdorné automatové antikorozní hlubokotažné se zvláštními fyzikálními vlastnostmi







Královna ocel Jak se ocel vyrábí ?

Královna ocel Jak se ocel vyrábí ? Vstupní suroviny: Železná ruda Vápenec Uhlí (koks)


Vysoká pec – výroba surového železa

Královna ocel Jak se ocel vyrábí ? Vstupní suroviny: Železná ruda Vápenec Uhlí (koks) Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky


Královna ocel Jak se ocel vyrábí ? Vstupní suroviny: Železná ruda Vápenec Uhlí (koks) Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky Plynulé odlévání Zde se ocel odlévá do nekonečně dlouhých polotovarů. Výsledkem jsou tuhé bramy, bloky a sochory.




Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky Plynulé odlévání Zde se ocel odlévá do nekonečně dlouhých polotovarů. Výsledkem jsou tuhé bramy, bloky a sochory.

Válcování za tepla Plechy, pásy, tyče, profily, trubky



Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky Finální úpravy Plynulé odlévání Zde se ocel odlévá do nekonečně dlouhých polotovarů. Výsledkem jsou tuhé bramy, bloky a sochory.


Královna ocel Jak se ocel vyrábí ? Vstupní suroviny: Železná ruda Vápenec Uhlí (koks) Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel


Výrobky

Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky Finální úpravy Plynulé odlévání Zde se ocel odlévá do nekonečně dlouhých polotovarů. Výsledkem jsou tuhé bramy, bloky a sochory.


Královna ocel Jak se ocel vyrábí ? Vstupní suroviny: Železná ruda Vápenec Uhlí (koks) Ocelárna zde se surové železo odstraněním nadbytečného uhlíku mění na ocel

Vysoká pec – výroba surového železa Recyklace

Výrobky

Sekundární metalurgie Zde je ocel dolegována dalšími prvky Finální úpravy Plynulé odlévání Zde se ocel odlévá do nekonečně dlouhých polotovarů. Výsledkem jsou tuhé bramy, bloky a sochory.


Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká významná událost:

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Velká hospodářská krize je označení pro velký propad akcií na americké burze a následovný hospodářský kolaps v roce 1929.

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Evropa v troskách Ke konci druhé světové války byl ocelářský průmysl nejvyspělejších zemí (Velké Británie, Německa, Japonska a SSSR) v troskách. Na obrázku Kruppovy závody 11.3 .1945

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Poválečný rozvoj Období padesátých a šedesátých let bylo ve znamení obrovského rozvoje. Každá americká rodina měla auto, pračku, ledničku, atd. Americký sen

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: 1. ropná krize První a prozatím největší ropný šok začal na podzim roku 1973, když OPEC záměrně snížila těžbu ropy (o asi 5%), aby mohla její cenu ovlivňovat ve svůj prospěch, a zároveň vyhlásila embargo na vývoz ropy do zemí, které podporovaly Izrael během Jomkipurské války (hl. USA a Nizozemí).

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: 2. ropná krize Druhé razantní zvýšení cen ropy nastalo po Íránské revoluci v roce 1979, kdy nový islámský režim začal vyvážet méně ropy než dříve. Ostatní země OPEC zvýšily těžbu a výsledné celkové snížení světové produkce bylo pouze okolo 4 %, nicméně vinou rozsáhlé paniky se ceny ropy zvýšily mnohem více, než odpovídalo vážnosti situace.

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Rozpad RVHP Pád komunismu přinesl recesi ocelářského průmyslu v zemích bývalého sovětského bloku. Pád komunismu symbolizuje pád berlínské zdi.

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Vzestup Číny a Indie Tyto dvě nejlidnatější země zažívají od počátku nového tisíciletí obrovský hospodářský růst. Symbolem jejich úspěchu jsou olympijské hry, které pořádal Peking v roce 2008.

Královna ocel Kolik oceli se vyrobí na světě každý rok ? Od poloviny 19. století kdy Henry Bessemer vynalezl moderní způsob výroby oceli, její produkce celosvětově exponenciálně stoupá. Pokud dojde na křivce k výkyvům, je za tím vždy nějaká historicky významná událost: Hypoteční krize Americká krize trhu s hypotékami je označení pro krizi způsobenou rizikovými hypoteční úvěry, která v červenci a srpnu 2007 vyústila ve finanční propad burzovních trhů v USA. Kvůli propojenosti trhů nakonec přerostla ve světovou finanční krizi.

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Při pohledu na nejmenované české železárny se to nezdá.

Jak je na tom ovšem ocel ve srovnání s jinými materiály?

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ?

Srovnání energetické náročnosti výroby jednotlivých materiálů:

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ?

Ocel patří mezi energeticky nejnáročnější materiály.

Nicméně levnější materiály, které se jim mohou rovnat pevností jsou pouze skla a keramika, což jsou ovšem materiály velmi křehké.

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? V posledních třiceti letech se ocelářský výzkum zaměřil, mimo nových typů oceli, také na snížení energetické náročnosti výroby. Zde jsou některé příklady nových technologií snižujících množství spotřebované energie: Aglomerace Optimalizace spalování, zlepšení procesu peletizace a mísení rud (25 %)

Vysoká pec Pokles použití redukčních činidel ve vysokopecním procesu (30 %) Využití odpadního plynu při pro předehřev vysokopecního větru (30 %)

Vysoké pece s přetlakem (7 %) Ocelárny Suché odprašování a znovuzískání konvertorového plynu (4 %) Válcovny Přímé válcování tenkých kontilitých bram (75 %) …

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Válcování pásů za tepla: 1. generace – válcování z ingotů



3,5 GJ/t


Kolik to je 3,5 GJ/t ?

Na ohřev 1 litru studené vody v rychlovarné konvici průměrně spotřebujeme 0,46 MJ. Na vyválcování 1 t ocelových pásů spotřebujeme tolik energie jako na ohřátí 7,6 tuny vody v rychlovarné konvici!

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Válcování pásů za tepla: 2. generace – válcování z plynule litých bram



1,7 GJ/t

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Válcování pásů za tepla: 3. generace – válcování z tenkých bram

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Válcování pásů za tepla: 3. generace – válcování z tenkých bram

0,5 GJ/t

Královna ocel Je ocel přátelská k životnímu prostředí ? Recyklace oceli Ekologická hlediska při výběru stavebních konstrukcí Všechna stavební díla se dostanou do stádia nepotřebnosti. V brzké době bude v USA zaplněno 80% všech disponibilních skládek, V Japonsku a Nizozemí tento problém řeší již nyní. Řešení → bezodpadová výroba. Konstruktéři jsou nuceni vybírat materiál nejen podle technických a ekonomických ukazatelů, ale také s přihlédnutím k jeho ekologicky nezávadné výrobě a recyklaci.

Ekologické přednosti ocelových konstrukcí Ekologické přednosti oceli vyplývají z její chemická podstaty, tj. železo což je naprosto přírodní prvek a nezatěžuje životní prostředí. Výrobní pochod je téměř bezodpadový, výjimka: CO2 , některé druhy strusek. Osvědčená a léty zdokonalovaná recyklace, využívá postup totožný s výrobní technologií. Recyklace je dnes možná i u pozinkovaných konstrukcí. Ze šrotu se ve světě vyrábí 45 % oceli. Ocel je magnetická, což usnadňuje její separaci.

Královna ocel Má ocel perspektivu do budoucnosti ? Zatím neexistuje materiál, který by dokázal zcela nahradit ocel. To znamená, že by dosahoval vysoké pevnosti, výborné houževnatosti, byl by elektricky vodivý, magnetický, dostupný atd. Např.: Titan má sice odpovídající pevnost i houževnatost, nižší hustotu, ale výrazně vyšší cenu (o 50 % vůči nerez ocelím) Hliník nedosahuje pevnostních vlastností ocelí a je skoro 3x dražší než běžná ocel.

Měď (bronzi a mosazi) je příliš drahá. Plasty nedokáží pracovat při extrémních teplotách, některé jsou hůře recyklovatelné. Technická keramika je dražší a je obtížně zpracovatelná. Ocel mohou ohrozit kompozity (se skleněnými, ocelovými nebo uhlíkovými vlákny) mají srovnatelnou pevnost, cenu i odolnost vůči extrémním teplotám. Problematická je však jejich recyklace. Nanomateriály (uhlíkové trubičky) jsou zatím příliš drahé. Jednou by se však mohly stát materiálem budoucnosti.

Královna ocel Proč je ocel královnou mezi všemi materiály ? Nyní již umíme na tuto otázku odpovědět. Zde jsou jednotlivé důvody, proč považovat ocel za královnu mezi materiály:  S ocelí jsou spojeny klíčové objevy: parní stroj, železnice, telegraf, telefon, elektřina, rádio, televize, automobily, letadla, počítače.  Ani další konstrukční materiály (neželezné kovy, beton, keramika, plasty, kompozity aj.) by se bez oceli nedaly těžit, vyrábět a zpracovávat.  Ročně se jí vyrobí 1 500 mil. tun (2. místo za betonem mezi všemi materiály).  Existuje 3 500 značek ocelí s naprosto unikátními vlastnostmi.  Díky snadné recyklaci splňuje ocel předpoklady pro udržitelný rozvoj.  Použití nových technologií výroby výrazně snížilo energetickou náročnost výroby.

Královna ocel Kde v moravskoslezském kraji se vyrábí a zpracovává ocel ?

 Třinecké železárny a.s (Třinec, VÚHŽ Dobrá a.s., Univerzální válcovna, Bohumín, Drátovny (ŽDB), Bohumín, Válcovna trub, Ostrava-Vítkovice)  ArcelorMittal Ostrava (Ostrava-Kunčice, ArcelorMittal tubular products (Jäkl), Karviná a Ostrava, ArcelorMittal válcovna za studena, Frýdek Místek a OstravaVítkovice)  Evraz Vítkovice Steel (Ostrava-Vítkovice)  Vítkovice Machinery Group (Vítkovice Heavy Machinery a.s,, Vítkovice Cylinders a.s., Ostrava-Vítkovice)  Moravskoslezské drátovny (Ostrava-Vítkovice, Karviná)  Tritreg (Třinec)

MSV Metal (Studénka)

 Kern (Třinec)

Taforge (Kopřivnice)

 Ostroj Opava a.s.

Bekaert (Bohumín a Petrovice u Karviné)


 Třinecké železárny a.s (Třinec, VÚHŽ Dobrá a.s., Univerzální válcovna, Bohumín, Drátovny (ŽDB), Bohumín, Válcovna trub, Ostrava-Vítkovice)

Podle ČSÚ pracovalo v SM kraji v průmyslu v roce 2011  Evraz Vítkovice Steel (Ostrava-Vítkovice) 108 575 lidí z toho v oblasti  Vítkovice Machinery Group (Vítkovice Heavy Machinery a.s,, Vítkovice Cylinders výroby a základního a.s., Ostrava-Vítkovice)  Moravskoslezské drátovny (Ostrava-Vítkovice, zpracování kovů 29Karviná) 404 lidí  Tritreg (Třinec) MSV Metal (Studénka) (tj. 27 %)  ArcelorMittal Ostrava (Ostrava-Kunčice, ArcelorMittal tubular products (Jäkl), Karviná a Ostrava, ArcelorMittal válcovna za studena, Frýdek Místek a OstravaVítkovice)

 Kern (Třinec)





 Třinecké železárny a.s (Třinec, VÚHŽ Dobrá a.s., Univerzální válcovna, Bohumín, Drátovny (ŽDB), Bohumín, Válcovna trub, Ostrava-Vítkovice)

Průměrná mzda v SM kraji činila v roce 2011 22 790 Kč,  Evraz Vítkovice Steel (Ostrava-Vítkovice) v oblasti výroby a  Vítkovice Machinery Group (Vítkovice Heavy Machinery a.s,, Vítkovice Cylinders základního zpracování kovů a.s., Ostrava-Vítkovice)  Moravskoslezskéto drátovny (Ostrava-Vítkovice, bylo 26 294Karviná) Kč  ArcelorMittal Ostrava (Ostrava-Kunčice, ArcelorMittal tubular products (Jäkl), Karviná a Ostrava, ArcelorMittal válcovna za studena, Frýdek Místek a OstravaVítkovice)

 Tritreg (Třinec)

MSV Metal (Studénka)

 Kern (Třinec)




Královna ocel Pokud Vás dnešní přednáška zaujala můžete: 1. přesvědčit svého učitele, aby pro Vás zajistil další přednášku na podobné téma.

Nabízím následující, dle mého názoru, velmi zajímavá témata: Katana - výroba nejlepší chladné zbraně historie a její odraz v současném vývoji nových špičkových ocelí.


Nabízím následující, dle mého názoru, velmi zajímavá témata: Obří kontejnerové lodě – jak výzkum v oblasti výroby oceli dokáže předcházet katastrofám.


Nabízím následující, dle mého názoru, velmi zajímavá témata: Katana - výroba nejlepší chladné zbraně historie a její odraz v současném vývoji nových špičkových ocelí. Obří kontejnerové lodě – jak výzkum v oblasti výroby oceli dokáže předcházet katastrofám. 2. Kontaktovat mne a dozvědět se víc, případně začít pracovat na společném projektu v rámci projektu Ambasadoři přírodovědných a technických oborů (např. jako příprava na SOČ) Richard Fabík Katedra tváření materiálu Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TU Ostrava Tel: 59 732 4456 [email protected]

Královna ocel. Ing. Richard Fabík, Ph.D

Recommend Documents