Från berg till bestick – så blir järnmalm till stål
Malm, pellets, tackjärn och stål är olika stationer på samma materialresa. Så fungerar processen, och så får järnet sina skiftande egenskaper.
En järnvägsräls, en stekpanna och ett kirurgiskt instrument har samma grundämne som bas. Ändå beter de sig helt olika. Hemligheten ligger i hur syret avlägsnas ur malmen, hur kolhalten styrs och hur metallen bearbetas efteråt.
I ena handen ligger en mörk kula, ungefär stor som en spelkula. I den andra en blank sked. Kulan är en järnmalmspellet, skeden kanske av rostfritt stål. Vägen mellan dem går genom anrikningsverk, ugnar och valsverk – och genom en noggrant styrd ommöblering av atomer.
Det första att reda ut är orden. Järn är ett grundämne. Järnmalm är en mineralråvara. Pellets är en förädlad form av råvaran. Stål är en legering, alltså ett metalliskt material där järn blandats med framför allt kol och ibland andra ämnen.
Till vardags kallar vi mycket för järn som egentligen är stål: armeringsjärn, järnbalkar och järnvägsräls. Skillnaden är inte språkligt finlir. Den avgör om en produkt kan svetsas, fjädra, stå emot rost eller behålla en vass egg.
1. Från berg till pellets
I jordskorpan förekommer järn framför allt bundet till andra grundämnen. Två viktiga malmmineral är magnetit, Fe₃O₄, och hematit, Fe₂O₃. Båda består av järn och syre, men i olika proportioner. En bergart räknas som malm när dess innehåll går att utvinna ekonomiskt under rådande förhållanden.
Efter brytningen krossas och mals berget. Syftet är att frigöra de järnrika mineralkornen från annat bergmaterial, det som kallas gråberg eller gångart. Ju finare mineralen sitter samman, desto mer finfördelning kan behövas.
Därefter följer anrikning: järnmineralen skiljs från en stor del av det övriga materialet. Magnetit är starkt magnetisk och kan därför separeras med magneter. För andra malmer används bland annat skillnader i densitet eller mineralens ytegenskaper. Resultatet är ett järnrikt koncentrat, ofta ett fint pulver.
Men pulver passar dåligt att hälla direkt i en masugn. Gas måste kunna strömma genom materialet, och mycket fina partiklar kan följa med gasen eller försämra genomströmningen. Därför görs en del koncentrat till pellets.
Pulvret blandas med vatten, bindemedel och ibland tillsatsämnen. I roterande trummor eller skivor rullar kornen ihop till kulor, vanligen omkring en centimeter i diameter. Kulorna torkas och bränns vid hög temperatur så att de blir tillräckligt hållfasta för transport och ugnsprocesser.
Pelletsen är fortfarande järnoxid, inte en kula av metalliskt järn. Förädlingen har framför allt gjort råvaran jämnare, järnrikare och lättare att hantera. Syret återstår att ta bort.
All järnmalm blir inte pellets. Styckemalm kan användas direkt efter sortering, medan finmalm också kan bakas samman till större, porösa stycken genom sintring. Valet beror på malmens egenskaper och vilken process materialet ska användas i.
2. Syret bort – två vägar till metalliskt järn
För att göra metall av järnoxid måste syret avlägsnas. Kemiskt kallas det reduktion. Här delar sig materialets väg: en vanlig process ger flytande råjärn, en annan ger fast järnsvamp.
I en masugn matas järnbärande råvaror, koks och slaggbildande material in uppifrån. Het luft blåses in nära botten. Koksen fungerar både som bränsle, som källa till det kol som behövs för reduktionen och som ett bärande skelett som släpper igenom gas.
När koksen reagerar bildas bland annat kolmonoxid. Gasen strömmar upp genom ugnen och reagerar med järnoxiderna: syret binds till gasen och järnet frigörs stegvis. Längre ned blir temperaturen tillräckligt hög för att det kolhaltiga järnet ska smälta.
Kalksten eller andra tillsatser hjälper till att bilda slagg, som tar upp många av de ämnen som inte ska följa med järnet. Slaggen ligger ovanpå metallbadet och kan skiljas från det.
Den flytande produkten kallas råjärn och innehåller typiskt omkring fyra procent kol, tillsammans med bland annat kisel, mangan, fosfor och svavel i varierande mängder. Stelnat råjärn brukar kallas tackjärn. Det är en mellanprodukt, inte färdigt stål.
Den andra huvudvägen är direktreduktion. Då tas syret bort utan att järnet smälts. I vanliga schaktprocesser strömmar en reduktionsgas, med kolmonoxid och vätgas i olika proportioner, genom pellets eller styckemalm. Vätgas kan också användas som huvudsakligt reduktionsmedel.
Kvar blir ett poröst material som kallas järnsvamp, eller DRI efter engelskans direct reduced iron. Porerna uppstår när syret lämnar mineralet. Järnsvampen kan även pressas till täta briketter, HBI, för enklare hantering och transport.
Järnsvamp är alltså inte en särskild stålsort. Den är en järnråvara som vanligtvis smälts i en ljusbågsugn, ofta tillsammans med stålskrot. Både råjärn och järnsvamp måste bearbetas vidare innan de blir en kontrollerad stålkvalitet.
3. Stålverket ställer in receptet
Varför inte gjuta en balk direkt av masugnens råjärn? Framför allt därför att kolhalten är för hög. Mycket kol gör järnlegeringen lättare att smälta, men begränsar möjligheten att forma den och kan ge ett sprött material.
Stål innehåller normalt mindre än omkring två viktprocent kol. Gränsen anges ofta till cirka 2,1 procent i järn–kol-diagrammet, men den exakta indelningen påverkas av legeringens sammansättning. Många vanliga konstruktionsstål ligger långt under gränsen, ofta kring några tiondels procent kol eller mindre.
I den malmbaserade masugnsvägen förs det flytande råjärnet vanligen till en syrgaskonverter. Där blåses syrgas mot smältan. Kolet reagerar med syret och lämnar badet huvudsakligen som kolmonoxid. Även andra ämnen oxideras, och tillsatt kalk hjälper till att fånga upp oönskade beståndsdelar i slaggen.
Reaktionerna utvecklar mycket värme. Därför kan stålskrot tillsättas både som järnråvara och för att reglera temperaturen.
I en ljusbågsugn kommer värmen i stället främst från elektriska ljusbågar mellan grafitelektroder och ugnens innehåll. Råvaran kan vara skrot, järnsvamp och ibland andra järnprodukter. Även här används syrgas, slagg och tillsatser för att styra metallens sammansättning.
Skrot är alltså en fullvärdig råvara, men det behöver sorteras. Koppar och vissa andra ämnen är svåra att avlägsna i vanlig ståltillverkning. Om skrotet innehåller för mycket av dem kan det begränsa vilka stålkvaliteter som går att tillverka.
Efter den första stålframställningen finjusteras smältan ofta i en skänk. Metallurgerna tillsätter legeringsämnen, justerar temperaturen och minskar oönskade gaser och inneslutningar. Vissa kvaliteter behandlas under vakuum, exempelvis för att sänka vätehalten.
Det är här receptet blir exakt. Några hundradels procent av ett ämne kan spela roll. Men receptet är bara halva förklaringen till slutproduktens egenskaper: samma kemiska sammansättning kan ge olika resultat beroende på hur stålet kyls och bearbetas.
4. Därför finns så många sorters stål
Stål är en materialfamilj, inte ett enda material. Skillnaderna uppstår genom samspelet mellan legeringsämnen och mikrostruktur – de kristaller och faser som bygger upp metallen.
Olegerade kolstål får mycket av sina egenskaper från kolhalten och bearbetningen. Stål med låg kolhalt kan ofta formas och svetsas relativt lätt. De används bland annat till plåt och konstruktioner. Högre kolhalt gör det möjligt att nå större hårdhet efter lämplig värmebehandling, vilket utnyttjas i exempelvis fjädrar och skärande verktyg.
Låglegerade och höghållfasta stål innehåller kontrollerade mängder av ämnen som mangan, krom, nickel, niob eller vanadin. Vissa tillsatser påverkar härdbarheten, andra hjälper till att skapa små kristallkorn eller fina partiklar som bromsar deformation. Resultatet kan bli starkare balkar, tunnare fordonsdelar eller slitstarka maskinkomponenter.
Rostfria stål innehåller minst omkring 10,5 procent krom. Kromet gör att en mycket tunn, skyddande oxidfilm bildas på ytan. Många sorter innehåller också nickel, och molybden kan förbättra motståndet mot vissa korrosionsangrepp. Rostfritt betyder dock inte rostomöjligt: exempelvis klorider kan angripa fel kvalitet i en utsatt miljö.
Verktygsstål utvecklas för uppgifter som att skära, pressa eller forma andra material. Beroende på användning kan krom, molybden, vanadin och volfram bidra till slitstyrka och förmåga att behålla hårdhet vid förhöjd temperatur.
Gjutjärn är en annan grupp av järnlegeringar, vanligen med ungefär två till fyra procent kol och betydande mängder kisel. Det ska inte förväxlas med gjutstål, som helt enkelt är stål format genom gjutning.
I gråjärn finns grafiten som små fjäll, vilket bidrar till god vibrationsdämpning men också underlättar sprickbildning. I segjärn har grafiten i stället fått en rundare form, vanligen genom behandling med magnesium. Det ger betydligt bättre seghet. Därför kan gjutjärnsfamiljen rymma både stekpannor och hårt belastade maskindelar.
5. Från smälta till plåt, räls och skruv
Det färdiga stålet gjuts vanligen kontinuerligt. Smältan passerar genom en vattenkyld kokill där ett fast skal bildas. Strängen dras vidare, kyls och kapas till halvfabrikat: breda slabs för plåt eller grövre och smalare ämnen för andra produkter.
Därefter tar valsverket vid. Mellan roterande valsar pressas metallen till önskad tjocklek och form. Varmvalsning används bland annat för plåt, balkar och räls. Kallvalsning kan ge tunnare plåt med snävare måttoleranser och finare yta. Stång kan dras till tråd, smidas till komponenter eller bearbetas till skruvar.
Värmebehandlingen ger ytterligare kontroll. Vid härdning värms ett lämpligt stål och kyls snabbt, så att en hård mikrostruktur kan bildas. Därefter följer ofta anlöpning: en ny uppvärmning till lägre temperatur som minskar sprödheten och ställer in balansen mellan hårdhet och seghet.
Till sist kontrolleras bland annat sammansättning, hållfasthet, dimensioner och eventuella inre fel. En räls behöver tåla upprepade hjullaster och slitage. En karossplåt måste kunna pressas till komplicerade former. En knivsegg ska hålla skärpan utan att lätt flisa sig.
Den lilla pelletsen bestämmer alltså inte ensam vad slutprodukten blir. Malmen ger järnet, stålverket ställer in kemin och bearbetningen bygger egenskaperna. Först när alla tre leden samverkar blir samma grundämne till en böjlig plåt, en tålig räls eller en blank sked.
Källor
- Encyclopaedia Britannica, Iron processing
- Encyclopaedia Britannica, Steel
- Encyclopaedia Britannica, Cast iron
- Encyclopaedia Britannica, Blast furnace
- Encyclopaedia Britannica, Stainless steel
Ställ frågor om "Från berg till bestick – så blir järnmalm till stål". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
