1. No category

Ruostumattoman
teräksen valmistus
Ruostumattomien terästen teollinen valmistus aloitettiin 1920‑luvulla USA:ssa. Valmistus tapahtui
sulattamalla rautaa ja niukkahiilistä ferrokromia valokaariuunissa ilman mellotusta. Vaikeutena
oli tuolloin riittävän alhaisen hiilipitoisuuden saavuttaminen. Ruostumattomien terästen mellotus‑
tekniikka kehittyi 1930‑luvulla. Mellotus tapahtui aluksi malmilla ja 1940‑luvulta lähtien hapella.
Tällöin voitiin raaka‑aineena ruveta käyttämään ruostumatonta kierrätysterästä sekä runsashiilis‑
tä ferrokromia. Kuitenkin edelleen oli vaikeutena päästä alhaisiin hiilipitoisuuksiin mellotuksessa
ilman että kromia samalla hapettui paljon. Tämän ongelman ratkaisi AOD (Argon‑Oxygen‑Decarbu‑
rization) ‑menetelmän käyttöönotto.
Ruostumattomat teräkset
teräkset jaotellaan niiden mikroraken­
teen mukaan austeniittiisiin, ferriittisiin
ja mar tensiittisiin ruostumattomiin
teräksiin.
Kuva 10.1 Ruostumattoman teräksen käyttökohteet ovat lähes rajattomia.
Kun teräkseen on seostettu yli 10,5
% kromia, sen korroosionkestävyys
paranee huomattavasti. Kromi muo­
dostaa ilman hapen vaikutuksesta
teräksen pintaan hyvin ohuen, mutta
kestävän oksidikalvon, joka ehkäisee
korroosiota. Tällaisia teräksiä kutsutaan
ruostumattomiksi. Ruostumattomat
Jos teräkseen on lisätty kromin ohel­
la riittävästi nikkeliä, saadaan sen
rakenne pysymään austeniittisena
myös huoneenlämpötilassa. Tällaisten
austeniittis­ten ruostumattomien teräs­
ten tunnetuin edustaja on ns. 18/8
teräs, jossa on 18 % kromia ja 8 % nik­
keliä. Nikkeli parantaa sitkeyttä ja myös
korroosionkestävyyttä etenkin pelkis­
tävissä olosuhteissa. Austeniittisissa
teräksissä hiili voi esimerkiksi hitsa­
uksessa erkautua raerajoille kromikar­
bideiksi, joiden ympärille muodostuu
niukasti kromia sisältävä ja sen vuoksi
huonosti korroosiota kestävä vyöhyke.
Tä­män ns. herkistymistaipumuksen
takia hiilipitoisuus pidetään 0,07 %:n
alapuolella.
Ferriittisten ruostumattomien terästen
korroosionkestävyys on lähes auste­
niittisten terästen luokkaa, kun kromi­
pitoisuudet ovat samat, mutta ne ovat
huokeampia, koska seosaineena ei
käytetä nikkeliä. Rajoitteena ferriittisten
ruostumattomien terästen laajemmal­
le käytölle on ollut niiden alhaisempi
sitkeys austeniittisiin verrattuna ja
taipumus erilaisiin haurausilmiöihin.
Nykyään ferriittisten ruostumattomien
terästen sitkeyttä on kyetty paranta­
maan alentamalla hiilipitoisuutta jopa
alle 0,01 %:iin.
Martensiittiset ruostumattomat teräkset
ovat karkaistavia ja lujia teräksiä, joita
käytetään muun muassa työvälineissä,
puunjalostusteollisuuden laitteissa,
turpiinin siivissä ja rumpalin vispilöissä.
Niissä on kromia vähintään 12 % ja
hiiltä riittävästi halutun kovuustason
saavuttamiseksi.
Erilaisia ruostumattomia teräksiä
Austeniittisia
C%
Cr %
Ni %
Mo %
0,05
18,0
8,0
0,05
18,0
12,0
2,5
C%
Cr %
Ni %
Mo %
0,02
15,0
Ni %
Mo %
Ferriittinen
Martensiittinen
38
C%
Cr %
0,3
15,0
Molybdeenin seostuksella pyritään korroosionkestävyyden
parantamiseen. Molybdenia sisältävää austeniittista terästä
sanotaan haponkestäväksi teräkseksi.
AOD -menetelmä
Ruostumattomien terästen teollinen val­
mistus aloitettiin 1920‑luvulla USA:ssa.
Valmistus tapahtui sulattamalla rautaa
ja niukkahiilistä ferrokromia valokaariuu­
nissa ilman mellotusta. Vaikeutena oli
tuolloin riittävän alhaisen hiilipitoisuu­
den saavuttaminen. Ruostumattomien
terästen mellotustekniikka kehittyi
1930‑luvulla. Mellotus tapahtui aluksi
malmilla ja 1940‑luvulta lähtien hapel­
la. Tällöin voitiin raaka‑aineena ruveta
käyttämään ruostumatonta kierrätyste­
rästä sekä runsashiilistä ferrokromia.
Kuitenkin edelleen oli vaikeutena päästä
alhaisiin hiilipitoisuuksiin mellotukses­
sa ilman että kromia samalla hapettui
paljon. Tämän ongelman ratkaisi AOD
(Argon‑Oxygen‑Decarburization) ‑menetel­
män käyttöönotto. Menetelmä kehitettiin
1960‑luvulla USA:ssa. Ensimmäinen
teollinen AOD ‑konvertteri otettiin käyt­
töön vuonna 1968. Menetelmä on
kaksivaiheinen:
vaihtelee konvertterin koosta riippuen.
Mellotuksen alkuvaiheessa kaasuja
voidaan syöttää lisäksi myös päältä­
puhalluslanssilla. Mellotus tapahtuu
hapen ja inertin kaasun1 seoksella.
Iner tin kaasun avulla pienennetään
mellotuksessa syntyvän CO:n osapai­
netta. Tämä edesauttaa voimakkaasti
hiilen palamista eli sillä on sama vai­
kutus prosessin kulkuun kuin paineen
alentamisella konvertterissa. Alipaineen
aikaansaaminen on kuitenkin teknisesti
huomattavasti hankalampaa.
1. Panos sulatetaan valokaariuunissa
(sulatusyksikkö).
2. Sula käsitellään konvertterissa
(metallurginen yksikkö).
Panostusta varten konvertteria kallis­
tetaan ja sula kaadetaan konvertte­
riin suuaukon kautta. Sulan mellotus
kaasujen avulla tapahtuu vaiheittain
niin, että hiilipitoisuuden alentuessa
iner tin kaasun osuus puhalluksen
aikana kasvaa.
AOD -konvertteri (kuva 10.2) on tulen­
kestävillä tiilillä vuorattu astia, johon
prosessikaasut johdetaan seinämien
läpi konvertterin alaosaan asennettujen
suuttimien kautta. Niiden lukumäärä
Sula raakateräs ja sula ferrokromi pa­
nostetaan konvertteriin siirtosenkasta.
Ennen panostusta ylimääräinen kuona
laapataan pois raakateräksen pinnalta.
Panoksen eli AOD -lähtösulan koostu­
mus on keskimäärin
1…2 % C, 0,1 % Si, 20 % Cr, 6 % Ni ja
loppu pääasiassa Fe.
Mellotuksen lisäksi käsittelyvaiheisiin
kuuluvat kuonan pelkistys ja rikinpoisto.
Käsittelyn loppuvaiheessa pelkistetään
kuonaan hapettunut kromi piillä takai­
sin teräsulaan. Onnistunut rikinpoisto
vaatii lisäksi, että kuona on juokse­
vaa ja riittävän emäksistä. Kuonan
muodostajana käytettään kalkkia ja
kuonan juoksevuuden parantamiseksi
siihen lisätään pelkistyksen aikana
myös fluspaattia eli kalsiumfluoridia.
Pelkistyksen jälkeen ennen kaatoa su­
lan koostumusta voidaan vielä pienillä
seostuksilla tarkentaa, minkä jälkeen
se on valmis siirrettäväksi prosessi­
ketjussa eteenpäin.
Osa hapesta puhalletaan konvertteriin
päältäpuhalluslanssin kautta mello­
tuksen alkuvaiheessa jolloin tuotan­
tonopeus kasvaa (vrt. LD-konvertteri).
Käsittelyaika konvertterissa on 40…80
minuutta teräslajista riippuen. Erittäin
niukkahiilisten ja runsaskromisten teräs­
lajien mellotus voi kestää huomattavasti
kauemmin. Konvertterista saatavan te­
räksen koostumus on tyypillisesti
0,04 % C, 0,5 % Si, 18 % Cr, 8 % Ni ja
loppu pääasiassa Fe.
Inertti kaasu on kemiallisesti rea­
goimaton kaasu, tässä tapauksessa
argon ja typpi.
1
Tyhjö 12%
Muut konvertteri­
menetelmät 5%
AOD yhdistelmä
7%
AOD 76%
Kuva 10.2 AOD-konvertteri.
Kuva 10.3 Ruostumattoman teräksen eri valmistusmenetelmien osuudet maailmassa.
39
AOD -menetelmän
edut
•
•
AOD -konvertterissa voidaan mellottaa
ruostumattomia teräksiä taloudellisesti korkeasta
lähtöhiilipitoisuudesta jopa alle 0,015 %:n
loppuhiilipitoisuuksiin. Ferriittisillä ruostumattomilla
teräksillä hiilipitoisuus lasketaan tarvittaessa jopa
0,010 %:n tasolle.
Mahdollisuus runsashiilisten raaka-aineiden
käyttöön.
AOD -prosessin ongelmana on vuorauk­
sen voimakas kuluminen sekä argonin
kalleus. Argonia voidaan mellotusvai­
heessa tosin korvata halvemmalla typel­
lä tai peräti ilmalla. Vuorauksen kesto
on parantunut vuorausmateriaaleja ja
suuttimien rakennetta kehittämällä
sekä yhdistelmäpuhalluksen ansiosta.
AOD on metallurgisten
reaktioiden kannalta
•
•
•
•
Seosaineiden saanti on hyvä (96…98 %).
Teräksen rikki- ja typpipitoisuudet saadaan
alhaisiksi ja koostumuksen hajonta pieneksi hyvän
sekoituksen ansioista.
Lämpötilan hallinta on hyvä.
Panoskokoa voidaan helposti muutella, mikä on
tarpeellista esimerkiksi valimoissa.
tehokas prosessi. Kuitenkin sen kus­
tannukset ovat verraten korkeat.
Maailman ruostumattomasta teräk­
sestä noin ¾ valmistetaan AOD -me­
netelmällä. Tuotannossa käytettävien
konverttereiden koko vaihtelee 4:stä
180 tonniin.
Suomessa valmistetaan ruostuma­
tonta terästä Tornion terästehtaalla
ja teräsvalimoissa. Tornion nykyisen
sulaton, joka käsittää kaksi linjaa, tuo­
tantokapasiteetti on noin 1,6 miljoonaa
tonnia vuodessa. Linjan 1 konvertterin
panoskoko on 95 t ja linjan 2 panoskoko
on 150 t. Karhulan teräsvalimolla on
käytössä 8 tonnin AOD-konvertteri.
Sulaa FeCr
FeCr-konvertteri
Mellotus AODkonvertterissa
Senkkakäsittely
Jatkuvavalu
Mellotus AODkonvertterissa
Senkkakäsittely
Jatkuvavalu
Sulatus valokaariuunissa
Sulatus valokaariuunissa
Kuva 10.4 Ruostumattoman teräksen valmistus Tornion terästehtaalla. Linjalla 1 (kuvassa ylempänä) ferrokromi panostetaan sulana AOD -konvertteriin ja linjalla 2 (kuvassa alempana) kiinteä ferrokromi sulatetaan muun panoksen mukana.
40