Сталь: получение и применение

Что такое сталь и из чего её получают

Стальной сплав — один из самых востребованных в промышленности материалов. Ежегодно в мире производится почти 2 миллиарда тонн стали (половина из них в Китае).

Основными компонентами, делающие этот металлический сплав сталью являются железо (не менее 45%) и углерод (0,1-2,14%). Железо, в этом симбиозе, обеспечивает пластичность и вязкость, а углерод — твердость. Чем больше углерода, тем тверже и прочнее сталь. При этом снижается её пластичность, способность к обработке давлением (ковке). При увеличении содержания углерода более 2,14%, свойства сплава кардинальным образом меняются, а получаемый материал получает название чугун.

Сталь обладает прекрасными технологическими свойствами. Для производства изделий из этого материала применяют технологии литья, сварки, штамповки, ковки, обработки резанием и т.п. Дополнительная термообработка позволяет значительно увеличить механические характеристики продукции. Детали хорошо держат размеры, позволяя создавать сверхточные механизмы.  

Кроме железа и углерода сталь содержит множество других химических элементов и примесей, часть из них добавляют специально — для улучшения механических свойств. Это, как правило всевозможные легирующие металлы. Всевозможные окислы, сульфиды и другие вредные примеси — делают материал более хрупким, снижают его технологические свойства. При производстве их содержание снижают, используя специальные технологические операции.

В промышленности сталь получают из чугуна и стального лома (собираемого по программе утилизации). Чугун производят из железной руды, которая представляет собой природный конгломерат различных оксидов и сульфидов железа:

  • Бурый железняк (лимонит);
  • Красный железняк (гематит);
  • Магнитный железняк (магнетит);
  • Серный колчедан (пирит)

Чугун выплавляют в доменных печах с использованием кокса, который служит одновременно и топливом, и источником углерода. В условиях высокой температуры происходит восстановления железа и образуется его сплав с углеродом — чугун.

Способы выплавки стали

Чугун, который используется как сырье для производства стали обычно содержит около 93% железа, до 5% углерода. Плюс примеси, в числе которых вредные для стали фосфор и сера. Задача сталеваров снизить до нужной консистенции содержание углерода и максимально избавиться от вредных примесей.

В настоящее время в сталелитейной промышленности используются три основных способа выплавки стали: мартеновский, кислородно-конверторный и электродуговой.

Мартеновский метод

Разработан французом Пьером Мартеном, который применил регенеративную пламенную печь для выплавки стали в 1864 году. Мартеновские печи сразу получили широкое распространение благодаря возможности большой загрузки лома (до 30%).

В качестве основной составляющей шихты может использоваться как жидкий чугун, так и чугун в чушках (если печь расположена отдельно от домны). Во втором случае сначала проводится процесс плавки.

Печь имеет низкий сводчатый потолок, жар от поступающего горючего газа отражается от сводов на расплав. Воздух, подаваемый в расплав для окисления углерода, сначала проходит через регенератор, в котором раскаляется. Регенератор же нагревается за счет пропускаемого через него (попеременно с воздухом) горючего газа. По достижении заданного уровня углерода, плавка прекращается. Проводится раскисление (путем добавления в расплав ферросилиция или других раскислителей) и слив стали в ковш. Продолжительность процесса от 5 до 8 часов.

В наши дни метод практически вытеснен более производительными кислородно-конверторным и электродуговым. В РФ последняя крупна мартеновская печь была закрыта в 2018г.

Конверторный метод

При данной технологии сквозь расплавленный чугун, помещенный в специальные емкости грушевидной формы, пропускается кислород. При этом происходит окисление углерода, а также всевозможных примесей. По окончании процесса плавки конвертор наклоняется и сливает металл в специальный ковш, а шлак — в шлаковую чашу.

Конверторы изготавливаются из стали, изнутри футеруются огнеупорным кирпичом. Кислород может подаваться снизу, либо сверху. В нашей стране в основном используются агрегаты с верхней подачей. В процессе окисления выделяется много тепла, поэтому конверторы не нуждаются в дополнительной тепловой энергии или топливе. Емкость конверторов может составляет 50-350 тонн. Время процесса до 50 минут.

Вместе с расплавленным чугуном и металлоломом (до 10%) в конвертор добавляют шлакообразующие компоненты (известь, полевой шпат и др.). Шлак нужен для забора из расплава вредных составляющих — фосфора и серы.

Электродуговая плавка

Плавка металла осуществляется за счет тепла, выделяемого электрической дугой, образующейся между электродами и шихтой. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) не имеют ограничений по загрузке металлолома, позволяют точно регулировать температурный процесс и химический состав сплава. Получили развитие в период второй мировой войны, когда была высокая потребность в качественных сортах легированной стали.

Для производства нелегированной конструкционной стали используют следующий состав шихты:

  • Стальной лом (до 90%)
  • Чугун в чушках (до 10%)
  • Кокс
  • Известь

Кокс нужен для компенсации выгоревшего из расплава углерода, известь для шлакообразования. 

Современные ДСП имеют емкость от до 400 тонн, технологические процессы практически полностью автоматизированы

Легирующие добавки и их назначение

В настоящее время производится огромное количество марок стали. Помимо разного содержания углерода они отличаются наличием легирующих добавок. Введение небольшого количества таких легирующих элементов позволяет увеличить коррозионную стойкость, жаропрочность и холодостойкость.

Основными легирующими элементами являются:

  • Хром — увеличивает твердость, ударную вязкость, коррозионную стойкость и электросопротивление;
  • Марганец — улучшает прокаливаемость стали, повышает износоустойчивость и ударную прочность;
  • Никель — увеличивает вязкость, пластичность, ударную прочность и стойкость к коррозии;
  • Вольфрам — повышает твердость и жаростойкость;
  • Ванадий — улучшает технологические свойства (обрабатываемость) стали при сохранении высоких прочностных характеристик;
  • Ниобий — повышает стойкость к агрессивным средам (кислотам и т.п.)

Классификация сталей

Стали принято классифицировать по назначению и химическому составу. По назначению, это конструкционные и инструментальные. Первые используются для изготовления всевозможных деталей машин, элементов конструкций и обладают отличными технологическими свойствами. Вторые применяются при изготовлении инструментов, их основные свойства твердость, прочность и износостойкость.

По химическому составу различают стали (в скобках — массовая доля легирующих элементов):

  • Углеродистые;
  • Низколегированные (до 2,5%);
  • Среднелегированные (от 2,5% до 10%);
  • Высоколегированные (более 10%)

Углеродистые стали — самые распространенные. Обладают наименьшей стоимостью. Низкоуглеродистые стали благодаря высокой пластичности широко применяются в различном котельном оборудовании.

Легированные стали более дорогие и применяются там, где нужна повышенная механическая, химическая и температурная стойкость.

Отдельным от сталей классом являются железо-никелевые сплавы (содержание железа в них ниже 45%). Сплавы обладают жаропрочностью. Кроме того, из них изготавливают магниты и используют в радиотехнике.

В сравнении с чугуном и другими сплавами на основе железа, сталь является безусловным лидером. Она обладает отличными технологическими свойствами, и механическими характеристиками которые легко усиливаются легированием. Единственно в чем она проигрывает чугуну — это стоимость. Именно благодаря низкой (в сравнении со сталью) себестоимости и хорошим литьевым свойствам чугун используется для изготовления массивных конструкций и деталей машин.

Ссылка на основную публикацию