Процесс производства стали: от железной руды к сплаву

Введение в производство и свойства сталевых сплавов

По данным Всемирной стальной ассоциации, в 2019 г. произвели 1869,9 млн тонн стали — на 3,4% больше 2018 г. и более чем в два раза больше 1999 г. Мировой спрос на сталь растёт. Она используется в строительстве, промышленности, машиностроении. Быть сильной и дешёвой — идеально для любого производства.

Из чего состоит сталь?

Железо — основной элемент, один из самых распространённых в земной коре. Все сталевые сплавы — железо и 0,002–2,1% углерода по массе. В этом диапазоне углерод связывается с железом, создавая прочную молекулярную структуру. Полученная решётка микроструктуры обеспечивает такие свойства, как предельная прочность на растяжение и твёрдость.

Хотя вся сталь — железо и углерод, разные типы содержат разные проценты. Могут включать никель, молибден, марганец, титан, бор, кобальт, ванадий. Добавление элементов в «рецепт» меняет свойства. Способ производства и обработка усиливают их.

Выделенная группа — сплавы с хромом. Все они известны как нержавеющая сталь.

Как делают сталь

В основе — смешивание углерода и железа при очень высоких температурах (выше 2600 °F / 1427 °C).

Первичное сталелитьё производит сталь из «сычугуна». Сычугун — выплавленное железо из руды, содержащее больше углерода, чем нужно для стали.

Сталевар пускает кислород через расплавленный сычугун. Процесс создаёт равномерное окисление по всему объёму. Окисление удаляет излишки углерода. Также испаряет или связывает примеси (кремний, фосфор, марганец).

Вторичное сталелитьё — «в ковше». Процесс уточнения и легирования. Можно начать с плавки лома или продолжить первичный процесс. Добавляют элементы для точного сплава. Удаляют поверхностные примеси (дешлакирование). Ковш нагревают и охлаждают для нужных химических реакций.

Доводка стали

В литейном цехе сталь литьют в песчаные или кокильные формы. На сталепрокатном заводе непрерывная разливка формирует заготовки. Непрерывные разливочные машины создают стандартные профили, а не почти готовые детали. Заготовки обрабатывают в конечные изделия. Прокатные заводы обычно делают листы, блумы, прутки, слитки, трубы, прокаты, проволоку.

Могут горяче или холодно прокатывать — разные формы и финиш. Перед отгрузкой режут, навивают на бабоны или пучки.

В литейном цеху или на прокатном сталь могут термически обрабатывать. Финальные этапы: закалка, отпуск, нормализация, отжиг — формируют поведение сплава в применении.

Изобретение стали

Археологи нашли сталь 4000-летней давности в Турции. Булботные стали, как известная южноиндийская вуцская сталь, стабильно производили с IV в. до н.э. Но до середины XIX века сталелитьё было невероятно сложным.

Сталь плавляется при ~2700 °F. Држание такого тепла было вызовом для древних печей. Примеси (кремний, марганец) всё ещё проблема. В древности — длинный многоступенчатый процесс: целый день нагрев, перемешивание, дешлакирование, повторный нагрев. После литья — к кузнецам. Молот на наковальне давал форму, а также распределял и смягчал неоднородность углерода, поры, включения.

1856 г. Генри Бессемер запатентовал новый процесс. Бессемеров конвертер вместо традиционных котлов позволял пускать воздух через расплав. Примеси окислялись и улетучивались. Окисление также создавало и поддерживало высокое тепло.

Процесс, занимавший целый день в литейной и больше в кузнице, заменился 20-минутным, дающим 5 тонн стали. Бессемеровская сталь была прочнее и качественнее. Инновация поддержала промышленную революцию.

Магнитится ли сталь?

Большинство стали магнитно, но не вся. Сталь в основном из железа, железо магнитно. Ферромагнетизм открыт в «магнитном камне» — магнетите (оксиде железа). Кобальт и никель тоже ферромагнитны, иногда встречаются в стали.

Нержавеющая сталь славится не магнитностью, хотя содержит железо и часто никель. На самом деле только некоторые нержавеющие сплавы не магнитны. Австенитная нержавейка (с никелем) — не магнитна в большинстве случаев (может слабо намагнититься при деформации). Ферритные или мартенситные нержавеющие сплавы — магнитны.

Свойства стали

Сталь широко используется за сочетание свойств и низкой цены. По сравнению с деревом, камнем, бетоном, чугуном стальные сплавы дают:

• Твёрдость: сопротивление вдавливанию при нарастающем давлении
• Вязкость: при деформации — насколько далеко до разрыва
• Предел текучести: сопротивление изменению формы при нарастающем растяжении
• Предел прочности на растяжение: способность выдерживать растяжение до разрыва
• Ковкость: способность к формовке молотьбой/прессованием без разрыва
• Пластичность: способность к деформации без потери вязкости — деформация часто делает металл хрупче, но пластичные материалы меньше ломятся при обработке.

Проверяемый диапазон варьируется между сплавами, но в целом сталь одновременно твёрже и вязче (менее хрупка) многих материалов.

Типы стали

Четыре основные группы: углеродистая, инструментальная, легированная, нержавеющая.

• Углеродистая сталь — низко-, средне-, высокоуглеродистая. Различаются твёрдостью и пластичностью. Низкоуглеродистая — более пластичная, но менее твёрдая. Высокоуглеродистая — твёрже, но менее пластична.
• Инструментальная сталь — высокоуглеродистая с вольфрамом, ванадием, молибденом, закаленная и отпущенная до высшей твёрдости.
• Легированная сталь — сплавы с конкретными элементами для выдающихся свойств, выходящих за рамки других групп. Все стали — сплавы, многие имеют добавки. Но легированные — необычные стали под специфическое применение: от экономных до экзотических для реактивных двигателей.
• Нержавеющая сталь — легированные хромом для ржавостойкости через пассивацию.

Производство стали: история переработки

Одна из лучших черт стали — лом становится полностью новой, высококачественной металлургией. Вторичное сталелитьё даёт сплавы не хуже, чем из сычугуна. Изделия изнашиваются, но элементная химия металла позволяет при плавке и легировании создавать абсолютно новый продукт.

Рост выплавки не требует пропорционального роста выплавки руды (хотя сычугун остаётся жизненно важным). Переработка лома означает: вчерашняя кузовная деталь — завтрашний двухтавровый балк.

С 98% пригодности к переработке сталь — один из самых перерабатываемых продуктов мира. Но есть экологические вызовы. Кокс (уголь) обычно источник углерода. Высокая энергия для плавки/выплавки, окисление и процессы создают химикаты и CO2. К счастью, много исследований по смягчению влияния. Некоторые включают переработку CO2 обратно в сталь как источник углерода, снижая потребность в коксе.

С внедрением этих технологий сталелитьё останется ведущей отраслью будущего. Оно поддерживает, движет и строит нашу экономику.