Historie technologie výroby železa a oceli

Začátky

Výroba železa z rud začala zhruba dva tisíce let před naším letopočtem na území Malé Asie, Anatolie a Iránu. K měděným rudám byla do šachtových pecí přidávána železná tavidla, z nichž během redukce mědi při vysokých teplotách až 1 400 °C v peci vzniklo železo, které zůstalo v podobě malých kapek ve strusce.

Výrobu železa pak významně zefektivnili Římané, kteří zdokonalili výrobní technologie včetně použití měchů. Ve městě Aillant ve Francii byly nalezeny haldy z římské doby obsahující 300 000 tun železnaté strusky.

Železo se vyrábělo v pevném skupenství. Získávalo se přímou redukcí ze železných rud za pomocí dřevěného uhlí při teplotách okolo 1 200 °C. Toto tzv. svářkové železo bylo pak z pece po jejím rozebrání vyjmuto v podobě houby nebo lupy. Šlo o směs tuhého železa, strusky a nespáleného dřevěného uhlí. Železo proto bylo nutné oddělit a dál zpracovat kováním.

Evropa

V prvních stoletích našeho letopočtu byly pece v Evropě cca 1,6 m vysoké a zpravidla měly průměr pouhých 30 cm. V českých zemích se pece vyskytovaly kolem roku 1000 n.l. v oblasti Moravského krasu. Na území dnešní Prahy existují doklady o kovářském zpracování železa a tavících pecích v době mezi 9. a 13. stoletím.

Od poloviny 13. století se stává významnou železářskou oblastí českých zemí Žďársko, kde byl od roku 1265 cisterciácký klášter. Středověká výroba železa v Evropě byla mnohdy pod kontrolou církevních řádů, které měly k jejímu financování dostatek kapitálu.

Vodní kolo – velká inovace

V roce 1408 biskup z Durnhamu zřídil první vodou poháněnou železárnu v Británii. Vodní kolo pohánělo měchy, které foukaly vzduch do pece. Vodou poháněné měchy dokázaly obsloužit větší pece a velikost železných lup překonala sto kilogramů. Kolem poloviny 16. století se začaly zavádět větší pece také na českém území po vzoru alpských hutnických oblastí.

První vysoké pece

Nepřetržitý provoz měchů díky vodnímu pohonu umožnil konstrukci vysokých pecí. Tu znali už staří Číňané, kteří pomocí vysokopecní redukce železné rudy vyráběli litinu. Jako první v Evropě začali pravděpodobně používat vysoké pece Švédové, nicméně první doložená vysoká pec v Evropě stála v italském městě Ferriere. V Čechách se první dvě vysoké pece objevily na konci 16. století a na Moravě na začátku 17. století.

Tekuté železo

Oproti železářské šachtové peci, z níž se železo vždy po skončení tavby vyjímalo ve formě tuhé lupy, bylo z vysoké pece možné dostat železo tekuté. Nutné bylo zvýšit poměr rudy a paliva, aby se vytvořila lepší redukční atmosféra, v níž získávalo železo vyšší obsah uhlíku, čímž klesala teplota jeho tání k 1 200 °C.

Hutníci časem zjistili, že vyšší konstrukce pece umožňuje rudě zůstat v redukčním prostředí déle, což šetří palivo. Výroba musela být nepřetržitá, aby se neztrácelo vytvořené teplo a neplýtvalo se materiálem. Počátkem 16. století trvala například nepřetržitá tavba v peci ve francouzském městě Bourbon celé dva měsíce. Odhaduje se, že kolem roku 1700 se v Evropě vyrobilo za rok až 185 000 tun železa.

Koks a parní dmychadla

V 17. století začali hutníci experimentovat s výrobou železa pomocí černého uhlí. V roce 1709 byla v Británii zažehnuta první vysoká pec s použitím koksu. O 33 let později byl vodní pohon měchů poprvé nahrazen atmosférickým parním strojem. Tato revoluce se projevila také v razantním zvýšení produkce železa, zejména v Anglii. Zatímco v roce 1720 se v zemi vyrobilo 20 500 tun železa, převážně s použitím dřevěného uhlí, v roce 1806 se produkce díky použití koksu a parních dmychadel vyšplhala na 250 tisíc tun.

V českých zemích se začala výroba železa ve vysokých pecích zavádět v 18. století a v 19. století se výroba koncentrovala do míst s výskytem železných rud (kolem Králova Dvora, Vítkovic a Třince) a do míst výskytu uhlí pro výrobu koksu (Kladno a Ostravsko).

Doba ocelová

V roce 1855 si Henry Bessemer nechal patentovat své metalurgické zařízení a s ním i proces výroby oceli ze surového železa (dnes nazývaný „bessemerizace"). Tzv. Bessemerův konvertor tvořila asi šest metrů vysoká hruškovitá nádoba, kam se lilo roztavené surové železo, jímž probublával vzduch.

Oxidací se pak zbavovalo nežádoucích příměsí za vzniku kvalitní oceli. Tehdy však ještě nemohl tušit, že se i díky němu bude jednou o průmyslové revoluci hovořit jako o období, kdy éra železa přešla v éru oceli. Jakostnější a levnější materiál přinesl nebývalé změny v řadě odvětví.

Siemensova-Martinova pec

V roce 1856 přihlásil Friedrich Siemens patent na regenerativní způsob topení v průmyslové peci. Základní myšlenkou byl ohřev topného plynu a vzduchu. Toto umožnilo dosáhnutí vysokých teplot - 1600 oC i více. Bratrům Siemensovým se ale nepodařilo v této peci tavit ocel. Siemensové používali svého vynálezu s úspěchem k tavení skla a stali se největšími výrobci skla v Evropě.
Licenci na pecní konstrukci koupili od Friedricha Siemense Émile Martin a jeho syn Pierre-Émile Martin. Použití ohnivzdorných vyzdívkových materiálů jim umožnilo plné využití možností pecní konstrukce a zkujňování železné taveniny. První Siemensova-Martinova pec byla dána do provozu 8. dubna 1864 ve francouzském městečku Sireuil. Tato technologie se velice rychle rozšířila a byla po dobu více než 100 let nejvýznamnější technologií masové výroby kvalitní ocele.

Vrcholu bylo dosaženo v roce 1965, kdy bylo v Siemensových-Martinových pecích ve světě vyrobeno 278 milionů tun oceli. Siemensovy-Martinovy pece byly potom rychle vytlačeny novými výrobními pochody.

Široký sortiment oceli

Dnes existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi, jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších. Ocelové polotovary jsou dále zpracovány ve válcovnách na drát, plech, nosníky, kolejnice, profily, které jsou široce používány v průmyslu, stavebnictví a v dalších odvětvích.

Z dostupných zdrojů zpracovala: Vladimíra Štěpánková

cs.wikipedia.org
www.metalcentrum.cz/vyroba-oceli/
www.ocelarskaunie.cz/promeny-tisicilete-technologie-vyroby-zeleza/