В настоящее время выпускается множество марок стали. Они различаются не только по содержанию углерода, но и по наличию легирующих добавок. Введение даже небольшого количества таких легирующих элементов значительно повышает коррозионную стойкость, жаропрочность и холодостойкость материала, что делает его более универсальным и долговечным.
Из чего делают сталь и где её применяют
Сталь — это один из самых универсальных и востребованных материалов в современных отраслях. В 2023 году в России было произведено 75,8 миллионов тонн сталевого сплава, а в глобальном масштабе этот показатель составил 1,849 миллиардов тонн. Давайте разберемся, из каких компонентов состоит сталь и в каких областях она находит применение.
Что такое сталь
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, который активно используется в промышленности благодаря своим уникальным характеристикам.
Её устойчивость к коррозии варьируется в зависимости от успешно подобранного соотношения компонентов в сплаве, что во многом определяет возможности её применения. Из стали можно изготовить практически любую деталь: всё зависит только от вашей фантазии и потребностей производства.
Промышленность: виды и отрасли
Из чего состоит сталь
Основным компонентом сплава является железо, его доля составляет как минимум 45%. Вторым важным элементом, который обязательно присутствует в стали, является углерод. Концентрация углерода в сплаве влияет на его тип:
- низкоуглеродистая — до 0,25%;
- среднеуглеродистая — от 0,25 до 0,55%;
- высокоуглеродистая — от 0,6 до 2,14%;
- порошковая — от 2,9 до 3%.
Из стали изготавливают широкий ассортимент продукции: от машин и станков до посуды и медицинских инструментов.
Что такое сталь и из чего её получают
- Бурый железняк (лимонит);
- Красный железняк (гематит);
- Магнитный железняк (магнетит);
- Серный колчедан (пирит).
Чугун, который используется как сырьё для производства стали, обычно содержит около 93% железа и до 5% углерода. Также присутствуют примеси, такие как фосфор и сера, которые негативно влияют на качество конечного продукта. Задача сталеваров состоит в том, чтобы снизить концентрацию углерода до требуемых значений и максимально избавиться от нежелательных примесей.
Способы выплавки стали
В сталелитейной промышленности применяются три основных метода выплавки стали: мартеновский, кислородно-конверторный и электродуговой.
Мартеновский метод
Этот метод был разработан французом Пьером Мартеном, который в 1864 году применил регенеративную плавильную печь для выплавки стали. Мартеновские печи быстро стали популярны благодаря возможности переработки больших объёмов лома (до 30%).
В качестве шихты могут использоваться как жидкий чугун, так и чугун в виде чушек, если печь расположена отдельно от доменной. В последнем случае сначала выполняется процесс плавки чушки.
Печь имеет низкий сводчатый потолок, а раскалённый воздух от поступающего горючего газа отражается от свода на расплавленный металл. Воздух, подаваемый для окисления углерода, предварительно прогревается в регенераторе, который также нагревается за счёт горючего газа. Когда уровень углерода достигает заданных значений, плавка останавливается, производится раскисление (при помощи добавления ферросилиция или других раскислителей), а затем сталь сливается в ковш. Процесс обычно занимает от 5 до 8 часов.
В современных условиях этот метод практически вытеснен более производительными кислородно-конверторным и электродуговым. В Российской Федерации последняя работающая мартеновская печь была закрыта в 2018 году.
Конверторный метод
Данная технология основана на пропускании кислорода через расплавленный чугун, находящийся в специальных грушевидных емкостях. Этот процесс приводит к окислению углерода и удаления различных примесей. По завершении выплавки конвертор наклоняется, и металл сливается в специальный ковш, а образовавшийся шлак удаляется в шлаковую чашу.
Конверторы изготавливаются из стали и футеруются изнутри огнеупорным кирпичом. Кислород может подаваться как снизу, так и сверху; в России в основном применяются установки с верхней подачей. Процесс окисления сопровождается выделением значительного количества тепла, поэтому конверторы не нуждаются в дополнительном источнике тепла или топливе. Объём конверторов варьируется от 50 до 350 тонн, а время процесса может достигать 50 минут.
Вместе с расплавленным чугуном и металлоломом (до 10%) в конвертер добавляются шлакообразующие компоненты, такие как известь и полевой шпат. Шлак служит для удаления из расплава вредных элементов, таких как фосфор и сера.
Электродуговая плавка
Плавка металла в этом методе осуществляется за счёт тепла, выделяемого электрической дугой, возникающей между электродами и шихтой. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) не имеют ограничений по объему загрузки металлолома, что позволяет точно контролировать температурные параметры и химический состав сплава. Этот метод получил развитие во время Второй мировой войны, когда наблюдался высокий спрос на качественные легированные стали.
Для производства нелегированной конструкционной стали в шихту обычно включают:
- Стальной лом (до 90%);
- Чугун в чушках (до 10%);
- Кокс;
- Известь.
Кокс используется для компенсации углерода, который выгорает из расплава, а известь добавляют для образования шлака.
Современные ДСП имеют ёмкость до 400 тонн, а технологические процессы в них практически полностью автоматизированы.
Виды стали
Как уже было упомянуто, сталь представляет собой сплав железа с углеродом. При этом содержание углерода в сплаве не должно превышать 2,14%. Углерод придаёт стальной конструкции прочность, однако его избыток делает металл хрупким.
Железные руды служат основным сырьём для производства стали. Географически запасы железорудного сырья в России распределены неравномерно. В центре страны главные месторождения сосредоточены в Курской аномалии, где расположены залежи в Железногорске и Курске.
Также значительные запасы руды имеются на Урале и в Восточной Сибири, где основным объектом добычи являются бассейны Кузбасса и Печоры.
Разнообразие видов стали связано с различным содержанием дополнительных элементов в сплавах. В процессе производства металлопроката можно устранить некоторые различия, в особенности за счёт легирования железа и дополнительной очистки материала.
Поскольку сталь может иметь различные визуальные характеристики, критериями классификации могут выступать:
- Размеры готовых изделий;
- Свойства, такие как прочность, вязкость и пластичность;
- Способы обработки сырья;
- Используемые легирующие элементы.
Классификация стали по указанным признакам условная, поскольку химический состав добавок может быть адаптирован в зависимости от предполагаемой области применения готового сплава.
Маркировка
Маркировка стали необходима для удобства различения стальных изделий. При выборе того или иного варианта используются разные маркировки, которые учитывают следующие характеристики:
- Химический состав сплава;
- Основное назначение;
- Ключевые свойства;
- Качество продукции.
При понимании особенностей маркировки можно выбирать именно те материалы и сплавы, которые окажутся наиболее эффективными для текущих задач. Определённые виды стали могут быть необходимы для изготовления промышленного оборудования, поэтому знание маркировки крайне важно.
Маркировка стали содержит обозначение типа сплава, которое основывается на учёте различных его свойств. Цель этой маркировки заключается в указании особенностей данного материала. К тому же, маркировка сомнительных стальных элементов может привести к поломке оборудования или конструкций. Важно помнить, что маркировка также включает в себя информацию о составе, структуре сплава, легирующих компонентах, его устойчивosti к повреждениям и коррозии, а также жаропрочности. С её помощью можно выбрать сталь, которая будет легко поддаваться механической обработке.
Сталь — что это?
Сталь определяют как ковкий и деформируемый сплав железа, содержащий углерод (до 2,14%) и другие элементы. Сталь получают путём переработки чугуна и стального лома в мартеновских печах, кислородных конвертерах и электропечах. Касательно общего объёма сталевого производства, около 99% составляет конструкционная сталь. Её основные свойства включают:
- прочность;
- пластичность, что подразумевает способность материала переносить деформации без разрушения;
- вязкость, обеспечивающее поглощение внешних воздействий и предотвращение появления трещин;
- твердость;
- упругость;
- жаропрочность;
- усталостный предел и другие характеристики.
В зависимости от содержания углерода сталь можно разделить на следующие категории:
- низкоуглеродистую (менее 0,3%);
- среднеуглеродистую (0,3-0,7%);
- высокоуглеродистую (свыше 0,7%).
Для улучшения технологических свойств стали применяют легирование, что включает в себя добавление элементов, таких как Ni, Mo, W, Cr, Al, B, Tl, V, Mn, Si и других. В зависимости от общего процентного содержания легирующих элементов сталь делится на:
- низколегированные (до 2,5%);
- среднелегированные (2,5-10%);
- высоколегированные (свыше 10%).
По назначению стали классифицируют на:
- конструкционные (строительные, цементируемые, высокопрочные, автоматные, холодной штамповки, пружинные, улучшаемые, подшипниковые и износостойкие);
- нержавеющие (коррозионно-стойкие), включая криогенные и жаростойкие стали;
- инструментальные (углеродистые и легированные), включающие штампованные стали, а также стали для измерительных, режущих инструментов, холодного деформирования и валковые.
По качеству стали можно классифицировать следующим образом:
- рядовые (обыкновенного качества) с содержанием углерода до 0,6%;
- качественные (легированные и углеродистые), для которых существуют строгие требования к составу, плавке и разливке;
- высококачественные, с содержанием фосфора и серы не более 0,03%;
- особовысококачественные, проходящие электрошлаковый переплав и содержащие фосфор и серу не более 0,025% и 0,01% соответственно (например, 18ХГ-Ш или 20ХГНТР-Ш).
Классификация стали по структуре:
- в нормальном состоянии (например, перлитные, мартенситные);
- в отожженном состоянии (включая карбидные, ферритные, аустенитные и другие).
Углеродистые стали с низким содержанием легирующих элементов относятся к перлитному классу, со средним содержанием к мартенситному, а с высоким — к аустенитному.
Из чего выплавляют сталь?
Сырьё, используемое в первичной плавке стали, называется шихтой. Любой процесс обработки подразумевает раскисление и устранение посторонних примесей, особенно фосфора и серы. Позднее в сплав добавляют улучшенные присадки, такие как:
Первоначально необходимо добыть железную руду. Даже самой мощной технике трудно разбить её обширные участки на подходящие размеры. Поэтому дробление зачастую выполняется с помощью взрывчатых веществ. Находящуюся на поверхности руду дробят механически, исключая применение взрывчатки. Иногда привезённую на металлургический завод руду дополнительно дробят и отделяют от пустой породы с помощью магнитной сепарации.
К числу горных пород, имеющих пригодность для переработки в сталь, относятся:
- гематит;
- магнетит;
- сидерит (среднекачественная руда);
- марказит.
По причине низкого содержания железа породы, такие как миспикель и леллингит, используются лишь в ситуации нехватки более качественных руд. Бедное металлургическое сырьё пускают в дело только при концентрации железа не менее 26%, при этом обязательно проводят обогащение. Обогащение не требуется лишь при содержании железа не менее 57%. Также необходимо, чтобы уровень серы и фосфора не превышал 0,15%.
Удаление пустой породы осуществляется не только с помощью магнитной сепарации. Для этой цели также могут использоваться агломерационные технологии. В данном случае подготовка включает в себя спекание руды, в процессе которого сера и прочие примеси удаляются. Получаемый полуфабрикат дополнительно охладжают водой и продувают воздухом.
В современной металлургии для производства стали используются руды с содержанием железа минимум 14-16%. Это значительное улучшение по сравнению с XVIII веком, когда требовалась доля не менее 65%. Наряду с рудой (шихтой) сталь можно получать и из чугуна. Кроме того, большой объём стали в наши дни производят путём плавления вторичного сырья (металлолома). Для плавки также необходимы:
- ферросплавы;
- чугунный лом;
- флюсы.
Основные способы выплавки стали
Технологии получения стали нуждаются в более детальном разоблачении. Начнём с плавки в конвертере. Первой стадией процесса является продувка расплавленного чугуна очищенным кислородом. Для этой операции не требуется дополнительного топлива. Для переработки 1000 кг чугуна в качественный стальной сплав следует затратить 350 м³ воздуха. Аппараты могут быть с верхним, нижним и комбинированным поступлением кислорода, при этом комбинированный метод обеспечивает наибольшую универсальность. Процесс окисления чугуна сопровождается выделением тепла, что способствует сокращению количества примесей. Завершающим этапом является раскисление.
Мартеновская технология требует использования отражательных печей. Для получения металла в таких печах необходима подача дополнительного тепла с помощью регенераторов. Тепловая энергия поступает за счёт сгорания топлива в воздушном потоке. Мартеновские методы также требуют создания окислительной атмосферы в печи, что достигается за счёт увеличения объёма кислорода; время обработки в мартеновской печи составляет, как правило, от 4 до 6 часов. Нижние насадки (регенераторы) функционируют при температурах от 1000 до 2000 градусов, а для их производства используется высококачественный шамотный кирпич.
Согласно технологии, потоки вещества периодически меняют направление. Это достигается с помощью перекидных клапанов, которые в современных металлургических процессах автоматизированы. Высококачественная сталь получается в электродуговых печах. В современных аппаратах может быть произведено 100 тонн и более. Ванна в таких устройствах принимает форму сферы, что способствует равномерному нагреву. Электроды устанавливаются в специальных держателях, которые могут двигаться вверх и вниз благодаря своим механизмам.
В больших печах загрузка шихты осуществляется с помощью механизации. Это необходимо, поскольку ручная загрузка является либо неэффективной, либо опасной для здоровья рабочих.
На этапе окислительной плавки происходит снижение содержания фосфора. Одновременно уменьшается содержание водорода и азота, а углерод подвергается окислению до необходимого уровня. В ходе восстановительной обработки:
- металл раскисляется;
- сталь освобождается от серы;
- состав продукта соответствует установленным стандартам;
- настраиваются температурные параметры.
Часть стали также выплавляют в индукционных печах, которые делятся на кислые и основные процессы. Кислая методология позволяет избежать образования серного и фосфорного шлака, однако окисление углерода в этом случае менее эффективно. Углерода в шихте должно быть на 0,1% выше, чем в конечном сплаве.
К преимуществам индукционной плавки относятся:
- незначительные потери металла;
- возможность работы в больших диапазонах температур;
- использование шихты в виде стружки без необходимости её предварительной переработки в брикеты;
- равномерность температуры и состава расплава на всех уровнях печи;
- высокая производительность;
- востребуемое качество даже при перерывах в работе;
- отсутствие громкого шума;
- экологическая чистота процесса.
