A cél: acél? – Fenntarthatóság, technológia és innováció az acélgyártásban

A vas fontos ötvözete az acél, az ipar egyik leggyakrabban használt alapanyaga világszerte, a mindennapi tárgyaktól kezdve az ipari alkalmazásokig. Széles körben alkalmazzák evőeszközöknél, vizes palackoknál, sebészeti eszközöknél, reaktortartályoknál, nélkülözhetetlen az építőipar, a közlekedés és az energia szektorában.  Mindennapi életünk számos területén van jelen, modern ipari felhasználása a lehetőségek kifogyhatatlan tárházát adja.

Amikor a kétezres évek közepén a technológia szakvizsgámra készültem, és írtam a szakdolgozatom gyógyszeripari gyártóegységek tervezési szempontjai témakörben, kiderült számomra, hogy a különböző típusú acélok milyen komoly jelentőséggel bírnak a gyártási folyamatok kialakításában. Persze, tanultunk az egyetemen anyagismeretet, és egyértelmű volt számos esetben a rozsdamentes acélból készült eszközök használata, de az, hogy a rákellenes szerek esetében például milyen fontos a megfelelő anyagminőségű acél megválasztása, ekkor vált számomra nyilvánvalóvá. Még ekkor is inkább az anyagminőségi jellemzőkkel ismerkedtem, azonban a gyártási folyamatok automatizálása és optimalizálása során óhatatlanul előtérbe kerültek a különböző gyártástechnológiák is. Számtalan példa mutatja a rozsdamentes acél szerepét azokon a helyeken, ahol a tisztíthatóság és a higiénia kiemelten fontos – például kórházakban, éttermekben vagy közkonyhákon a legjobb választásnak bizonyul. A rozsdamentes acél nemcsak funkcionalitásában, hanem megjelenésében is kiemelkedő, hiszen különféle felületi kezelések és polírozás révén esztétikai értéke tovább növelhető.

Gyártás, gyártás – de milyen áron?

Az acélgyártás kezdetei összefonódnak a vaskorral, a legelső vastárgyakat valószínűleg meteoritvasból készítették, majd elkezdték a vas kinyerését a vasércből. A vas megjelenése az emberi kultúrában – a vaskor kezdetével – alapvető szerepet játszott a technikai fejlődésben, az első vaskohók egyszerű, kis gödrök voltak, ahol a vasércet faszénnel izzították, a faszén reakcióba lépett a vasérccel, eltávolítva annak oxigéntartalmát. Később a gödrök egyre nagyobbak lettek, majd agyaggal bélelték ki őket, hogy jobban ellenálljanak a hőnek, a tűz oxigénellátásáról pedig a természetes légmozgás gondoskodott. Innen, a frisstűzi acélgyártástól jutottunk el a kavaró acélgyártáson, a Bessemer-féle szélfrissítéses eljáráson, a Thomas módszeren, Linz-Donawitz-eljáráson és a Siemens-Martin eljáráson keresztül az ívfényes, indukciós vagy ellenálláskemencében végzett, úgynevezett elektroacél-gyártásig.

Az ipari méretű acélgyártás hagyományosan nagyolvasztós (BF-BOF) módszerrel történik, amely vasérc és koksz felhasználásával hatalmas energiaigényt jelent és nagymértékű CO₂-kibocsátást eredményez. Ez az eljárás azt okozza, hogy az acélgyártás hatalmas ökológiai lábnyommal jár, ami szükségessé teszi a fenntarthatóbb megoldások bevezetését. Az acéliparnak sürgetően csökkentenie kell az üvegházhatású gázok kibocsátását, hogy hozzájáruljon az éghajlatváltozás mérsékléséhez. Ebben az összefüggésben az elektromos ívkemencék használata, az ún. EAF-technológia nagyipari felhasználása különösen ígéretes. Előnyei között említhetjük a rugalmasságot, az EAF-üzemek gyorsan alkalmazkodhatnak az energiaellátás ingadozásaihoz, ami különösen fontos a megújuló energiaforrások térnyerése mellett.

Szintén kiemelendő az újrahasznosítás, az EAF-kemencékben történő gyártás az acélhulladék hatékony felhasználásával hozzájárul a körforgásos gazdasághoz és csökkenti a vasérc bányászatát. Mindenképpen fontos, hogy alapvetően alacsonyabb energiaigényű gyártási folyamatról beszélhetünk.

Azért ne essünk pánikba! – avagy mitől zöld a zöld?

Az acélipar évente több mint 1,8 milliárd tonnát termel, és Kína dominálja a piacot a globális termelés közel felével. Az Egyesült Államok és Európa vámokkal védi iparát a kínai túlkínálattal szemben, ami a fenntarthatóság és a tisztességes kereskedelem iránti növekvő igényt tükrözi, közben a nyugati országokban a magas munkaerő- és energiaköltségek kihívást jelentenek. Ugyanakkor az európai acélipar világelső az innováció és a környezeti fenntarthatóság terén. Az ágazat forgalma mintegy 130 milliárd euró, az Európai Unió tagállamaiban található több mint ötszáz acélgyártó telephely több millió európai polgárnak biztosít közvetlen és közvetett munkahelyet.

A zöld acél felé történő elmozdulásban az elektromos ívkemencék lehetőséget kínálnak a fenntarthatóbb gyártásra, különösen akkor, ha megújuló energiát használnak, a zöld energia felhasználása jelentősen csökkenti az acél CO₂-lábnyomát. Az acélgyártás alapja részben a vasércbányászat, részben az újrahasznosított törmelék. Az acél újrahasznosítható, ami hosszú távon fenntarthatóvá teszi a gyártást, így a törmelék iránti kereslet világszerte nő.  Európában is felmerült már nehézipari szakemberek és stratégiai, jogalkotói körökben is, hogy készleteket kell képezni ebből az értékes nyersanyagból. A nagyötvözetű törmelékek alkalmazása szintén hozzájárul a kibocsátások csökkentéséhez, mivel így kisebb az igény a primer ötvözetekre, amelyek előállítása energiaigényes. Az innovátor cégek folyamatosan azon dolgoznak, hogy az általuk fejlesztett anyagok ne csak környezetbarátok legyenek, hanem nagyobb teljesítményt is nyújtsanak.

A jövő: körkörös acélművek, robotika és új gyártástechnológiák

A vasat elsősorban szénnel szokták ötvözni, de sok más elemet is használnak ötvözőként, a szén és más ötvözők ugyanis növelhetik az acél szilárdságát, egyben csökkenthetik a képlékenységét. Bár az alumínium- és magnéziumötvözetek, valamint a szénszálas kompozitok egyre népszerűbbek, az acél megfizethetősége, újrahasznosíthatósága és szilárdsága páratlan. Az acél alternatívái kiegészíthetik az iparágat, de teljes helyettesítésük a közeljövőben nem valószínű. Az új anyagok mellett a robotika alkalmazása is egyre nagyobb teret nyer az acélgyártásban, az automatizált rendszerek nemcsak hatékonyabbá teszik a gyártást, hanem csökkentik a munkahelyi balesetek számát is.

A fejlesztőcégek ambiciózus célokat tűznek ki, az egyik svájci piaci szereplő például szeretné létrehozni az első körkörös acélművet, ahol az ötvözőanyagokat hulladékból állítják elő, például akkumulátorok és katalizátorok újrahasznosításával. Ez nemcsak a fenntarthatóságot növeli, hanem csökkenti a politikailag instabil régiókból származó alapanyagoktól való függőséget is.

Az elektromos gyártási eljárások és az újrahasznosítás alapvető szerepet játszanak a jövő acélgyártásában, az elektromos ívkemencés és kondukciós technológiák továbbfejlesztése, az innovatív megoldások ipari méretre történő beállítása, az energiaellátás optimalizálása és az újrahasznosítási eljárások javítása kulcsfontosságú az acélipar szén-dioxid-mentesítésében.  Az acélipar átalakulóban van, és a fenntarthatóság már nem csupán lehetőség, hanem szükségszerűség. Az iparág vezető szereplőinek, a kormányoknak és a kutatóintézeteknek szoros együttműködése szükséges ahhoz, hogy az acélipar megfeleljen a 21. század kihívásainak, miközben megőrzi nélkülözhetetlen szerepét a globális gazdaságban.

dr. Karacs Alexandra, NEW technology magazin