Как производится сталь?

Введение в производство и свойства стальных сплавов

По данным Всемирной ассоциации производителей стали, в 2019 году было произведено 1869,9 млн тонн стали. Это на 3,4% больше, чем в 2018 году, и более чем вдвое превышает объем производства в 1999 году. Потребность в стали в мире постоянно растет. Он используется в строительстве, промышленности и производстве. Будучи одновременно прочным и недорогим, он идеально подходит для всех видов производства.

Из чего сделана сталь?

Железо, основной элемент стали, является одним из самых распространенных элементов в земной коре. Все стальные сплавы состоят в основном из железа и 0,002–2,1 % углерода по весу. В этом диапазоне углерод связывается с железом, создавая прочную молекулярную структуру. Полученная решетчатая микроструктура помогает достичь определенных свойств материала, таких как прочность на растяжение и твердость, на которые мы рассчитываем при изготовлении стали.

Хотя вся сталь состоит из железа и углерода, разные типы стали содержат разное процентное содержание каждого элемента. Сталь также может включать другие элементы, такие как никель, молибден, марганец, титан, бор, кобальт или ванадий. Добавление различных элементов в «рецепт» стального сплава влияет на свойства материала. Способ изготовления и обработки стали еще больше расширяет эти возможности.

Одна известная группа стальных сплавов содержит хром. Все такие сплавы широко известны как нержавеющая сталь.

Как сделать сталь

В большинстве случаев сталь производится путем смешивания углерода и железа при очень высоких температурах (выше 2600 °F).

Первичное производство стали создает сталь из продукта под названием «чугун». Чугун – это выплавляемый из руды чугун, который содержит больше углерода, чем допустимо для стали.

Сталевар использует систему, которая пропускает кислород через расплавленный чугун. Этот процесс создает одинаковое окисление во всем расплавленном металле. Окисление удаляет лишний углерод. Он также испаряет или связывает примеси из таких элементов, как кремний, фосфор и марганец.

Вторичное производство стали делается «в ковше». Это процесс рафинирования и легирования стали. Вторичное производство стали может начинаться с плавки лома или продолжать первичный процесс. Элементы могут быть добавлены, чтобы получить определенный сплав. Сталевар может также удалять поверхностные загрязнения (удаление шлака). Ковш нагревается и охлаждается до температур, необходимых для необходимых химических процессов.

Чистка стали

В литейном производстве сталь представляет собой песок или литье по выплавляемым моделям в виде узорчатых форм. На сталелитейном заводе сталь разливается на МНЛЗ в сырье для строительства. МНЛЗ создают стандартные формы из необработанной стали, а не почти готовые детали. Необработанная сталь будет подвергаться механической обработке или превращаться в конечные продукты. Сталелитейные заводы обычно отливают и формируют листы, заготовки, прутки, блюмы, трубы, слитки и проволоку.

Завод также может производить горячую или холодную прокатку стали во время производства. Эти процессы создают различные формы и отделки. Перед отгрузкой сталь может быть разрезана, намотана или увязана в связки перед отправкой с завода.

В литейном или заводском цеху сталь может подвергаться термообработке. Заключительные этапы, такие как закалка, отпуск, нормализация и отжиг, могут определить поведение сплава в приложении.

Изобретение стали

Археологи нашли самую раннюю сталь на месте, датированном 4000 лет назад, в Турции. Тигельные стали, такие как знаменитая южно-индийская сталь Wootz, постоянно производились уже в 4 ^го век до н.э. Однако до середины 1800-х годов производство стали было невероятно сложной задачей.

Сталь плавится при температуре около 2700°F. Поддержание этой высокой температуры было проблемой для древних печей, производящих тигельную сталь. Кроме того, примеси обнаруживаются в стальных сплавах, состоящих из таких элементов, как кремний и марганец. Управление ими по-прежнему представляет собой проблему. В древней выплавке стали производили долгий, многоэтапный процесс. Основатели проводили долгий день за нагреванием, перемешиванием, удалением шлака и повторным нагревом своих сплавов. После того, как сталь была отлита, ее затем обрабатывали кузнецы. После растирания на наковальне были созданы окончательные формы. Это также помогло распределить и смягчить дисперсию углерода, поры или включения.

В 1856 году Генри Бессемер получил патент на новый способ производства стали. Использование бессемеровского конвертера, а не традиционных плавильных емкостей, позволило сталевару пропускать воздух через расплавленный металл. Реагируя на воздух, примеси окисляются и выделяются газы. Окисление также помогло создать и поддерживать высокую температуру, необходимую для производства стали.

Процесс, который занимал один полный день в литейном цехе и больше времени в кузнице, был заменен 20-минутным процессом, который мог произвести 5 тонн стали. Бессемеровская сталь также была прочнее и качественнее, чем могли надеяться большинство производителей стали. Это новшество поддержало промышленную революцию.

Является ли сталь магнитной?

Большая часть стали является магнитной, но не вся. Сталь в основном состоит из железа, а железо обладает магнитными свойствами. Впервые ферромагнетизм был обнаружен в природе в «магнитах» — камнях из магнетита, оксида железа. Другие элементы, такие как кобальт и никель, также являются ферромагнитными. Эти элементы также иногда встречаются в стали.

Нержавеющие стали известны своей немагнитностью, хотя все нержавеющие стали содержат железо, а многие — никель. По правде говоря, только некоторые нержавеющие сплавы немагнитны. Аустенитная нержавеющая сталь, содержащая никель, в большинстве случаев немагнитна (хотя при обработке может стать очень слабо магнитной). Другие типы, такие как ферритные или мартенситные сплавы, являются нержавеющими и магнитными.

Свойства стали

Сталь так широко используется из-за ее специфических свойств материала в сочетании с ее относительно низкой стоимостью. По сравнению со многими другими строительными и инструментальными материалами (например, деревом, камнем, бетоном или чугуном) стальные сплавы предлагают:

• Твердость :устойчивость к вдавливанию при нажатии с постепенно увеличивающимся давлением
• Прочность :когда материал деформируется, ударная вязкость описывает, как далеко он уходит до разрушения.
• Предел текучести :устойчивость к изменению формы при вытягивании с постепенно увеличивающимся давлением.
• Прочность на растяжение :способность материала выдерживать растяжение перед тем, как сломаться.
• Податливость :способность придавать форму ковкой или прессованием без разрушения.
• Пластичность :возможность формообразования без потери прочности — обрабатываемый металл часто делает его более хрупким, но пластичные материалы не так быстро охрупчиваются при работе.

Тестируемый диапазон этих свойств варьируется в зависимости от сплава, но в целом сталь оказывается одновременно более твердой и прочной (менее хрупкой), чем многие другие материалы.

Типы стали

Существует четыре основные группы стальных сплавов:углеродистые, инструментальные, легированные и нержавеющие стали.

• Углеродистая сталь - Мягкие, средние и высокоуглеродистые стали различаются в основном по твердости и пластичности. Мягкие или низкоуглеродистые стали имеют тенденцию быть более пластичными по сравнению с другими сталями, но также обладают меньшей твердостью. С другой стороны, высокоуглеродистые стали тверже. Однако высокоуглеродистая сталь обычно имеет более низкую пластичность.
• Инструментальная сталь — Для инструментальных сталей используется высокоуглеродистая сталь с добавлением таких элементов, как вольфрам, ванадий или молибден, термообработанная и закаленная до повышенной твердости.
• Легированная сталь - Это семейство сталей обычно относится к сталям, смешанным с определенными элементами для получения исключительных свойств материала, помимо тех, которые обычно попадают в другие семейства. Все стали являются сплавами, и многие из них содержат дополнительные элементы. Однако легированные стали — это необычные стали, созданные для конкретного применения, и могут варьироваться от ценных составов до экзотических сплавов, используемых для реактивных двигателей.
• Нержавеющая сталь —Эти стали легированы хромом, чтобы сделать их устойчивыми к ржавчине за счет пассивации.

Производство стали:история переработки

Одна из лучших особенностей стали (и других металлов) заключается в том, что лом может стать совершенно новым, высококачественным металлом. В процессе производства вторичной стали создаются сплавы, не уступающие сплавам, получаемым из чугуна. Металлические предметы могут разлагаться в процессе использования, но элементарная химия металла означает, что плавление и сплавление создают совершенно новый продукт.

Таким образом, рост производства стали не требует соответствующего роста выплавки новой руды (хотя производство чугуна остается жизненно важной частью цепочки поставок стали). Восстановление и переработка стального лома означает, что вчерашняя автомобильная панель может стать завтрашней двутавровой балкой. /Р>

Поскольку 98% стали подлежит вторичной переработке, этот металл является одним из наиболее пригодных для вторичной переработки продуктов в мире. Тем не менее, это не без экологических проблем. Кокс, форма угля, обычно используется в качестве сырья для производства стали. Кроме того, высокая энергия, необходимая для плавки или плавки, окисления и других производственных процессов, приводит к образованию химических веществ и двуокиси углерода. К счастью, в сталелитейном секторе проводится много исследований, направленных на смягчение проблем с производством. Некоторые из них включают рециркуляцию углекислого газа обратно в саму сталь в качестве источника углерода, что снижает потребность в других источниках, таких как кокс.

Благодаря совершенствованию и внедрению этих технологий производство стали останется одной из основных отраслей промышленности будущего. Он поддерживает, движет и строит нашу экономику.