Stål, en legering med jern og karbon som de primære legeringselement. En klassisk definisjon er at stål er jern-karbon legeringer med opp til 2,1 prosent karbon. En legering er en kombinasjon av to eller flere grunnstoffer, hvorav minst ett skal være et metall. For at noe skal kunne kalles stål, må det ha over 0,1 % karbon innhold. Stålets egenskaper varierer sterkt med innholdet av legeringsstoffer
Vi har tre hovedtyper stål:
Konstruksjonsstål brukes til konstruksjoner og bygningsdeler. I kjemiske anlegg brukes konstruksjonsstål til bl.a. broer stålskjeletter og støttkonstruksjoner. De er relativt billige ulegerte ståltyper med lavere karbon innhold mellom 0,17 – 0,50 % karbon. Innen konstruksjonsstål har vi flere undertyper:
Værbestandig stål har en liten tilsetning med krom, kopper og nikkel. Det gir en beskyttende korrosjonssjikt på overflaten og sammen med ett strøk maling gir dette en god beskyttelse mot omgivelsene i flere år.
Fremstilling av stål
Fremstilling
Stål fremstilles ved raffinering av råjern. Fremstillingen går over fire hovedtrinn:
FERSKING 1)
Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan, svovel og fosfor fjernet i form av oksider. Se jern (Videreforedling – Utvikling av prosesser).
DESOKSIDASJON OG LEGERING 2)
Desoksidasjon og legering blir foretatt for å få kontroll over 2) gassutviklingen under størkningen og for justering av sammensetningen. Den kan foregå i konverter eller ovn. Man trekker da først av den oksiderende slaggen fra ferskingsperioden, og vanligvis desoksiderer man under tappingen. Ferrolegeringer og eventuelt andre tilsetninger anbringes da i øsen, slik at omrøring i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding. Tilsetningene doseres med sikte på et kontrollert innhold av oksygen i stålet.
UTSTØPINGEN 3)
Utstøpingen foregår gjennom et tappehull med stopper i bunnen av øsen, 3) enten direkte ned i kokillene (fallstøping) eller via en sentral trakt med kanaler til bunnen av kokillene (stigestøping). Stål med lavt oksygeninnhold kan også støpes kontinuerlig (strengstøping). Man støper da via en forherd ned i en vannkjølt form uten bunn, der fast stål trekkes ut nedenfra som en sammenhengende streng i takt med tilførselen av flytende stål fra forherden (se figur).
VALSING 4)
Fjerde trinn i stålfremstillingen omfatter varmformgivning ved valsing og smiing eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk. Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne. Valsingen foregår i flere trinn etter utjevning av temperaturen i emnet under opphold i varmegrop. Samspillet mellom plastisk deformasjon og temperatur er et viktig ledd i kontroll av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (normalisering, seigherding). En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing og trekking.
Stålegeringer
En legering er en kombinasjon av to eller flere grunnstoffer, hvorav minst ett skal være et metall. En legering er som regel en jevn blanding av ulike metaller.
Legeringer er vanligvis utviklet for å få frem egenskaper som er gunstigere til et gitt formål enn i hvert enkelt grunnstoff alene. For eksempel er stål sterkere enn jern, mens messing er mer slitesterkt enn kobber og har finere glans enn sink.
Under vil det nå følge fire viktige stållegeringer :
1) Nikkel anvendes dels i relativt lav konsentrasjon sammen med krom, molybden og vanadium i verktøystål, dels sammen med krom i rustfritt og syrefast stål (8–20 % nikkel) og dels alene (ca. 9 % nikkel) i stål som må ha god seighet også ved meget lave temperaturer, f.eks. for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner. Ved gehalter over ca. 35 % nikkel er strukturen austenittisk; stål av denne sammensetning har meget lav termisk utvidelseskoeffisient. Når stål er legert med nikkel, blir det syrefast,- og rustfritt stål.
2) Krom anvendes sammen med karbon, til dels også med molybden og vanadium i verktøystål. Martensittisk kromstål (ca. 12 % krom og ca. 0,4 % karbon) er det vanlige rustfrie knivstål. Høyere gehalter (opptil 27 % krom) anvendes i ferrittisk varmebestandig stål, som bl.a. benyttes i kjemisk og metallurgisk industri. Sammen med nikkel, til dels også molybden, er krom det viktigste element i det austenittiske rustfrie, syrefaste og varmebestandige stål. Best kjent er «18–8» typen (ca. 18 % krom, ca. 8 % nikkel, 0,03– 0,08 % karbon), som bl.a. brukes i kjøkkenbenker, i meieriapparatur, kjemisk industri. Utenom god korrosjonsmotstand har austenittisk kromnikkelstål betydelig mekanisk styrke ved høy temperatur.Vanadium brukes i verktøystål sammen med krom, som regel i gehalter under 1 %, for å oppnå en finkornet mikrostruktur. I verktøystål for varmt arbeid, spesielt i hurtigstål, kan innholdet av vanadium gå opp i ca. 4%. En stållegering med krom er både syrefast stål og rustfritt stål.
3) Molybden benyttes hovedsakelig sammen med andre legeringselementer i syrefast og varmebestandig stål, i verktøystål og visse typer lavlegert konstruksjonsstål, bl.a. i sigefaste kvaliteter for rør, overhetere o.l. i varmekraftverk. Dette er syrefaststål.
4) Vanadium brukes i verktøystål sammen med krom, som regel i gehalter under 1 %, for å oppnå en finkornet mikrostruktur. I verktøystål for varmt arbeid, spesielt i hurtigstål, kan innholdet av vanadium gå opp i ca. 4 %.
Jern
Jern er et grunnstoff med kjemisk symbol Fe og atomnummer 26. Jern er et grått glinsende transisjonsmetall som er mykt, formbart og smibart. Det er korrosjonsbestandig i tørr luft, tørr klorgass, konsentrert svovelsyre, konsentrert salpetersyre og i baser (unntatt varm natronlut) med pH over 9. Jern er det viktigste materialet innenfor teknikk og produksjon.Fremstilling
Bare en liten del av det jernet som produseres er rent metall i den forstand at det inneholder mer enn 99,9 % jern. Resten av produksjonen gir i første hånd råjern, dvs. jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer. Råjern er utgangsmaterialet for stålproduksjonen
Fremstillingen av råjern foregår i såkalte masovner. Det er høye, tårnlignende sjaktovner hvor oksidisk jernmalm etter rensing og røsting fylles i ovnen ovenfra sammen med koks og slaggdannende stoffer, oftest kalkstein og/eller kvarts (tilslaget). Temperaturen i masovner varierer fra 1500–1600 °C nederst til ca. 500 °C øverst i ovnene.
Det alt vesentlige av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft (oksygen) i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen.
Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen. Karbonmonoksidgassen beveger seg så motstrøms mot malmen. Reduksjonen beskrives kjemisk ved
Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g)
Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO:
CO2(g) + C(s) = 2CO(g)
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Med økende temperatur dannes først ´Fe´ og så jern
Deretter lar man temperaturen falle og jernet vil bli fast når det kjøle ned til romtemperatur.
I Norge produseres i dag råjern kun fra skrapjern.
Som nevnt tidligere, er stål en legering av jern, derfor er det ingen jernlegeringer jeg vil trekke fram.
Kilder:
http://www.snl.no/st%C3%A5l
http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/vis.php?e=Fe&id=288
http://no.wikipedia.org/wiki/St%C3%A5l
http://no.wikipedia.org/wiki/Jern
http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/media/Fe/bilder/logo.jpg
