Выплавка стали: история и современность

Что необходимо, чтобы приготовить какое-либо блюдо? Температура! Если пару веков назад ее давал открытый огонь костра из дров или угля, то сегодня на кухнях используют газовые или электрические плиты.

На металлургической кухне выплавка стали происходит по похожему сценарию: в огромную «кастрюлю» засыпают сырье (шихту) и «варят» в условиях высокой температуры по определенной технологии (рецепту). А нужная температура также достигается либо с помощью газа, либо электроэнергии.

Сейчас есть три основных промышленных способа выплавки стали в мире:

• мартеновский;
• кислородно-конвертерный;
• электрометаллургический.

История выплавки стали

Человечество научилось получать железо еще в средние века. Но вплоть до середины XIX века это были небольшие объемы низкокачественного материала. Его производили, как правило, в сыродутных печах и дорабатывали в кузнях, где мастера получали штучный товар. Интересно, что остатки средневековых сыродутных печей (также известных как гамарни) найдены на территории современной Украины. Что наиболее примечательно, они находились в западной части страны, которая сегодня не является центром металлургии.

Но в существовавших до XIX века технологиях производства железных изделий был один существенный недостаток. Фактически это было либо очень мягкое железо, либо хрупкая сталь, которую получали из железа доработкой в кузнях. И такие материалы нельзя было в чистом виде использовать — предметы быстро тупились или легко ломались.

Сейчас известно, что железный сплав обладает таким свойством как упругость. Оно появляется лишь при формировании четкой кристаллической структуры из расплава. А средневековые технологии не позволяли расплавить металл с нужной пропорцией железа и углерода. Для этого требовалась недостижимая в те времена температура 1450 С°.

Промышленная революция привела к резкому росту спроса на новый конструкционный и оружейный материал: прочный, долговечный и поддающийся механической обработке.

Как результат, в XIX веке появились истоки всех трех современных способов выплавки стали.

Мартеновское производство: преимущества и модернизация

Вплоть до середины XX века мартеновские печи были основной технологией, которая позволяла плавить сталь. Впервые ее построил француз Эмиль Мартен в 1864 году. Среди ее преимуществ были: возможность использования стального лома в шихте (его было много благодаря активному развитию железных дорог) и большой сортамент качественных марок стали, которые можно было производить благодаря длительной плавке (до 13 часов).

Первые мартены на территории современной Украины построил валлиец Джон Юз в 1879 году. В середине XX века с использованием этой технологии, по разным оценкам, выплавлялось от 50% до 80% всей мировой стали.

Однако из-за длительного времени плавки, необходимости постоянного внешнего подогрева печи, удорожания природного газа, неэкологичности процесса и других сложностей мартены уступили свои позиции новым технологиям.

В большинстве действующих мартеновских цехов используются не классические мартены, а, так называемые двухванные сталеплавильные агрегаты. В них объединены элементы конвертерной и мартеновской технологий. Грубо говоря, это две мартеновских печи, которые объединены между собой, что позволяет подогревать железный расплав изнутри кислородом, а не только внешнюю часть печи природным газом. Это дает существенную экономию ресурсов и возможность сократить длительность одной плавки до 3-4 часов.

Конвертерное производство: в поисках кислорода

Предтеча конвертерного способа выплавки стали – бессемеровский процесс – появился раньше мартенов. Англичанин Генри Бессемер получил патент на свое изобретение в 1856 году. В нем жидкий чугун продували атмосферным воздухом, чтобы снизить содержание углерода. Но при этом в сталь попадал азот, который снижал температуру плавки и частично переходил в виде примеси в сталь. В том числе из-за этого способ не получил широкого распространения. Ведь более низкая температура плавки ограничивала использование металлолома, возникала потребность в высококачественном сырье – чугуне, который производился бы из железной руды без вредных примесей. Бессемер знал об этом недостатке, но в те годы было практически невозможно получить большие объемы чистого кислорода. Бессемеровские печи работали на территории современной Украины вплоть до 1983 года.

В 1878 году еще один англичанин Сидни Гилкрист Томас усовершенствовал изобретение своего земляка. Томасовские печи позволили выводить из расплава часть вредных примесей, таких как фосфор. Благодаря этому технология получила распространение в Бельгии и Люксембурге, где добывались высокофосфористые железные руды.

Однако, в обеих технологиях качество стали оставалось низким по сравнению с мартенами вплоть до начала 1930 годов. Именно тогда начались попытки внедрения кислородного дутья. В бессемеровских конвертерах жидкую сталь продували не воздухом, а чистым кислородом, получаемым в криогенных установках. Считается, что одни из первых опытов по использованию такой технологии проводились Николаем Мозговым в Киеве на заводе Большевик. Параллельно велись пробные плавки в Германии и Австрии. Но Вторая мировая война затормозила технологический прогресс в металлургии.

Лишь после окончания войны с развитием криогенных технологий кислородные конвертеры начали вытеснять мартеновское производство. Первые промышленные цеха заработали в 1952 году. Производство конвертерной стали оказалось более производительным и экономным. Некоторое время на эту технологию переводили устаревшие бессемеровские цеха, но все чаще строили новые более совершенные производственные линии.

Современные кислородные конвертеры представляют собой сосуды грушевидной формы, изготовленные из стали. Внутри они обложены специальным огнеупорным материалом. Сверху в них погружаются фурмы, через которые под высоким давлением подается чистый кислород. С помощью этого газа дожигается углерод до требуемого в стали уровня.

Дуговые электросталеплавильные печи: сила тока

Еще в 19 веке стало известно, что не только газы, но и постоянный электрический ток может восстанавливать металлы из окислов, а также расплавлять их с помощью электрической дуги. Однако отсутствие мощных источников электроэнергии сдерживало развитие технологии выплавки стали в электрических печах.

Лишь в 30-х годах 20 века начали появляться мощные электростанции, которые позволили задуматься о промышленном внедрении электрометаллургии. Сначала это был цветмет. Впоследствии технология пришла и в черную металлургию. Одним из наиболее наглядных примеров внедрения электрометаллургии является Запорожье. В этом городе в 1932 году запустили первые турбины ДнепроГЭС. После этого здесь один за другим появились предприятия электрометаллургии, которые производили алюминий, титан, ферросплавы и специальные стали.

Сегодня дуговые сталеплавильные печи (ДСП) используют не только для выплавки специальных, но и рядовых марок стали. Из них, как правило, производят квадратную заготовку и длинномерный стальной прокат. В печи, заполненные шихтой, погружают три огромных графитовых электрода, на которые подается переменный или постоянный ток. Возникает электрическая дуга, которая создает высокую температуру внутри печи и плавит лом. На базе ДСП обычно строят так называемые мини-заводы (mini-mills) – небольшие металлургические предприятия годовой мощностью 0.5-2 млн. тонн стали. Распространены они в странах с доступной электроэнергией и большими источниками ломообразования.

Как и в кислородных конвертерах, в электрометаллургии достаточно короткий период плавки – 40-60 минут. На первых этапах развития этих технологий скорость была и основным недостатком – возникали сложности с освоением большого количества марок стали. Ведь за несколько часов плавки в мартенах, в шихту постепенно вводили флюсы, раскислители, легирующие элементы, которые влияли на характеристики материала. А заводские лаборатории успевали за это время провести анализ полученного продукта и дать рекомендации сталеварам. Однако сейчас это преимущество мартенов практически нивелировано внедрением внепечной обработки. Сталь из конвертеров и ДСП дорабатывается в вакууматорах и установках печь-ковш до необходимого состояния и химсостава и уже после этого подается на машины непрерывной разливки.

Сырье: как найти нужную пропорцию шихты

Все три основных способа выплавки на выходе дают один продукт – жидкую сталь. При ее производстве используются разные сырьевые компоненты и их пропорции.

В мартенах при классической плавке около 33% шихты составляет лом черных металлов. Остальное – жидкий чугун из доменных печей. В отдельных случаях доля лома доходила до 66%. Это, так называемый, скрап-процесс, который активно использовался в мартенах при машиностроительных или трубных предприятиях. Ведь там во время обработки металлопродукции образовывалось огромное количество стальных отходов. Но чем больше лома, тем более высокая температура требуется для его расплавления. И мартены благодаря внешнему обогреву природным газом обеспечивали нужный уровень тепла.

А вот в кислородных конвертерах возможности внешнего обогрева нет. Поэтому доля лома в шихте здесь существенно ниже – около 15-25%. Иначе расплав получится слишком холодным. Кроме того, этот способ выплавки стали начал активно распространяться параллельно с непрерывной разливкой, которая привела к сокращению оборотного лома на металлургических предприятиях. Чтобы его не закупать на стороне, приходилось увеличивать долю горячего чугуна.

В электрометаллургических печах нет сложностей с достижением нужной температуры. Поэтому здесь до 100% шихты может быть сформировано из лома черных металлов. Однако, некоторые современные ДСП были построены вместо мартенов в составе интегрированных металлургических комбинатов с действующим доменным производством. Поэтому их конструкцией предусмотрено использование до 40% жидкого чугуна в составе шихты. Но страны, в которых распространены ДСП, имеют свои особенности. Например, в США около 70% стали выплавляется таким способом. Это объясняется высоким уровнем ломообразования: американцы часто меняют автомобили и бытовую технику, в этой стране развито машиностроение. В Турции около 68% электростали, но гораздо меньше источников ломообразования. Поэтому эта ближневосточная страна является крупнейшим в мире импортером лома.

Выплавка стали в Украине производится всеми тремя рассмотренными способами. По итогам 2019 года согласно данным www.worldsteel.org в мире было произведено 1,87 млрд. тонн стали. Из них – почти 72% в конвертерах, чуть менее 28% в ДЭСП, и лишь 0,3% в мартенах. Полный список стран по выплавке стали можно посмотреть на сайте ассоциации Worldsteel.

В любом случае можно уверенно говорить, что на современной металлургической кухне при соблюдении технологии (рецепта) и хорошей подготовке компонентов (сырья) получится качественное блюдо… то есть сталь. И при этом не важно, в какой печи его готовишь – электрической или газовой.

А то, что это хорошо получается у металлургов Украины, подтверждено географией экспорта их металлопродукции – от ближайших соседей до самых отдаленных уголков земли.

Основные способы производства стали

Основные способы производства стали

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, причем углерода содержится от сотых долей до двух целых четырнадцати сотых процента. В состав стали могут входить также в определенном процентном соотношении и другие элементы.

По своим механическим свойствам и химическому составу сталь значительно отличается от чугуна. Она обладает высокой вязкостью, пластичностью, легко поддается механической и термической обработкам.

Производство стали осуществляется из передельного чугуна, стального лома, металлизированных окатышей, в специальных печах. Процесс получения стали основан на окислении в чугуне избытка углерода и других примесей с помощью твердых окислителей или газообразного кислорода.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

В настоящее время применяют главным образом конверторный, мартеновский и электросталеплавильный процессы выплавки стали.

Процесс получения стали в бессемеровском конверторе заключается и заполнении конвертора жидким чугуном и продувке его воздухом через днище. Основное преимущество итого способа и дальнейших его аналогов состоит в высокой производительности и отсутствии потребности в дополнительном топливе.

Современный кислородно-конверторный способ имеет примерно ту же технологию, что и бессемеровский способ. Отличием является конструкция конвертора с глухим дном (рис. 20) и применение для продувки технически чистого кислорода.

Кислород подают в конвертор через вертикальную трубчатую водоохлаждаемую фурму, не доходящую до металлической ванны. Из-за этого кислород не вдувается в толщу металла, как в старых конверторах, а подается на поверхность металла. При этом развивается высокая температура, что дает возможность перерабатывать чугун практически любого химического состава, а также добавлять в чугун скрап (железный лом).

Началом плавки считается загрузка в конвертор железного лома. После этого заливают жидкий чугун, опускают фурму, подают в нее технический кислород и загружают шлакообразующие материалы. Весь процесс выжигания примесей и избыточного углерода, включая слив шлака, занимает 50—60 мин, а продувка кислородом продолжается 18—26 мин.

Выплавка стали в кислородном конверторе отличается достаточно высокой точностью получения заданного содержания углерода при низком содержании вредных добавок фосфора и серы.

Недостатком кислородно-конверторного способа получения стали является большое пылеобразование, что требует применения дорогих пылеочистительных установок.

Мартеновский способ выплавки стали предложен в 1865 г. французским инженером П. Мартеном, который использовал для этой цели пламенную печь с регенерацией тепла отходящих газов для подогрева, топлива -и воздуха.

По этому принципу строятся и работают современные сталеплавильные мартеновские печи. Они отапливаются обычно смесью природного газа и мазута, имеют два-четыре регенератора.

Рабочее пространство печи ограничено снизу подом, сверху сводом, а с боков — стенками. Внутренняя полость печи имеет головки, сообщающиеся каналами с регенераторами.

В передней стенке мартеновской печи расположены рабочие окна 9, ЧеРез которые загружают материал для плавки и ведут за нею контроль. Под печи наклонен в сторону задней стенки, где расположена летка для выпуска стали.

Рис. 1. Кислородный конвертор на 130 т:
1 — станина; 2 — опорный подшипник; з — корпус конвертора; 4 — механизм наклона; г — выпускное отверстие для стали; в — водоохлаждаемая форма, 7 — днище конвертора

Рис. 2. Схемы мартеновской печи (а) и регенератора (б)

В печь загружают жидкий или в виде чушек чугун и стальной лом в разных соотношениях в зависимости от разновидности мартеновского процесса.

Серьезным недостатком мартеновского процесса получения стали является его продолжительность (7—10 ч) и значительный расход топлива. С целью совершенствования и ускорения мартеновского процесса применяют кислород для обогащения воздушного дутья или непосредственного введения его в ванну с металлом через свод печи. На некоторых заводах комбинируют способы применения кислорода и даже разрабатывают для этого двухванные печи.

Получение стали в электрических печах основано на плавлении шпхты при использовании электрической энергии. Отсутствие окислительного пламени и доступа воздуха в электрических печах позволяют лучше управлять процессом плавки и получать сталь точно заданного состава.

В нашей стране этот способ применяют для выплавки высококачественных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе никеля и кобальта.

По принципу преобразования электрической энергии в тепловую электрические печи делятся на дуговые и индукционные. Для наклона и слива металла и шлака печь оборудована роликами с электроприводом.

В дуговых электрических печах плавят отходы сталеплавильного прокатного производства, а также привозной стальной лом. В зависимости от состава сырья и материала, а также футеровки печей процесс плавки может носить основной или кислый характер.

Выплавка стали в индукционных печах применяется реже, чем в дуговых. Такая печь состоит из индуктора в виде катушки, окружающей огнеупорный тигель, куда загружают металл для плавки. При включении электрического тока в катушке образуется магнитное силовое поле, пронизывающее металл. За счет поля в металле индуктируются вихревые токи, которые нагревают и плавят его.

В индукционных печах получают легированные стали с малым содержанием углерода и различные сложные сплавы.

Рис. 3. Схемы дуговой (а) и индукционной (б) электрических печей

Металл, залитый в ковш, выдерживают в течение 10 мин для выравнивания его состава и выделения газов и неметаллических включений. После этого ковш подают на разливку.

Изложницы представляют собой чугунные или стальные сосуды определенной формы, позволяющие получать слитки квадратного, прямоугольного, многоугольного или круглого сечения в зависимости от назначения получаемых слитков. Изложницы заполняют жидким металлом из ковша сверху через центральный литник по каналам или снизу (сифонная разливка). Разливкой сверху получают крупные слитки массой до 35—45 т для прокатки.

Сифонная разливка применяется для получения слитков массой до 14—16 т высокого качества.

При непрерывной разливке сталь из разливочного ковша через промежуточный ковш равномерной струей заливается в кристаллизатор, представляющий короб, охлаждаемый проточной водой. Здесь быстро формируются стенки слитка, откуда он вытягивается валками с определенной скоростью, равной скорости кристаллизации. Ниже валков слиток полностью отвердевает и от него кислородной горелкой отрезаются заготовки-необходимой длины, которые автоматически направляются на транспортные тележки.

Непрерывная разливка стали обеспечивает высокое качество слитков, уменьшает потери металла и повышает производительность труда.

Качество стали повышается при разливке за счет применения ее вакуумирования. Этот метод заключается в удалении из стали растворенных газов путем вакуумной обработки стали в ковшах перед ее разливкой в изложницы и разливочную машину. В результате сталь становится более пластичной и прочной.

Разливка стали в вакууме применяется для получения высококачественных и легированных марок сталей. Этот способ требует применения дополнительного сложного оборудования.

—

Сталью называется сплав железа с углеродом и другими примесями (марганец, сера, фосфор, кремний и др.) при содержании углерода до 2%. Сталь по своим свойствам значительно отличается от чугуна. Она лучше поддается механической и термической обработке, хорошо куется, прокатывается и т. д. Детали машин, изготовленные из стали, более прочны по сравнению с чугунными деталями.

Сталь получают из чугуна или из смеси чугуна со стальным ломом при переработке их в мартеновских печах, в конвертерах и в электропечах. Сущность этих способов получения стали заключается в удалении углерода и других примесей до пределов, определяемых маркой стали. Удаление примесей происходит в результате окисления их при высоких температурах расплавленного металла с последующим переводом окислов в шлак. Удаляются примеси также в виде газообразных продуктов сгорания.

Мартеновское производство стали

Наиболее широкое применение находит производство стали в мартеновских печах. Крупнейшие в мире мартеновские печи построены в СССР. Емкость каждой из них составляет 900 т.

Сырьем служит твердый или жидкий чугун и стальной или чугунный лом. В качестве флюсов применяют: известняк, плавиковый шпат, бокситы. Топливом служит мазут, генераторный газ, смесь доменного и коксового газов, а также природный газ. Устройство мартеновской печи показано на рис. 2. Шихтусостоящую из расплавленного чугуна, холодного чугуна и флюсов, подают в рабочее пространство печи через завалочные окна. Газ и воздух поступают в рабочее пространство печи, пройдя через нагретые газовый и воздушный регенераторы (на рис. 2 — через левые).

В настоящее время широко применяют обогащение кислородом воздуха, поступающего в мартеновскую печь. Это ускоряет процесс горения, кроме того, обогащение воздуха кислородом облегчает процесс окисления примесей.

Регенераторы представляют собой камеры с насадками2 из огнеупорного кирпича. Насадки нагреваются за счет тепла отходящих из рабочего пространства газов. После того как насадки левых регенераторов достаточно охладятся газом и воздухом, а насадки правых регенераторов нагреются отходящими продуктами сгорания, клапаны 1 и шиберы 2, приводимые в движения электрическими лебедками, изменят направление газа, воздуха и продуктов сгорания на обратное, В результате газ и воздух будут нагреваться, проходя через правые, регенераторы, а левые регенераторы нагреваются отходящими продуктами сгорания.

Таким образом, применение регенераторов позволяет в результате предварительного подогрева газа и воздуха получить достаточно высокую температуру в рабочем пространстве печи и частично использовать тепло отходящих газов.

Рис. 4. Устройство мартеновской печи:
1 — клапаны; 2 — шиберы; 3 — левые регенераторы; 4 — правые регенераторы; 5 — рабочее пространство печи; 6 — дымовая труба

Подача жидкого чугуна из доменного цеха в мартеновский производится в ковшах на четырехосных чугуновозных тележках. В мартеновском цехе расплавленный чугун сливают при помощи мостового крана в миксер, который представляет собой футерованный огнеупорным кирпичом цилиндр емкостью 1,3 • 10 кг (1300 г) жидкого чугуна. Миксер обеспечивает работу мартеновских печей независимо от времени выпуска чугуна в доменном цехе и, кроме того, позволяет выравнивать состав и температуру жидкого чугуна.

В мартеновских цехах при помощи заливочных кранов заливают жидкий чугун в печь; при помощи завалочных кранов или напольных завалочных машин производят завалку в печь твердых составляющих шихты; разливочными кранами поднимают и переносят разливочные ковши и производят разливку стали в изложницы; остывшие слитки вынимают из изложниц при помощи кранов для раздевания слитков, снабженных специальным механизмом для выталкивания слитков из изложниц. Таким образом, в мартеновских цехах краны непосредственно участвуют в технологическом потоке.

Кроме перечисленных кранов, мартеновский цех, его шихтовый двор и уборочный пролет обслуживают магнитогрейферные краны и краны общего назначения. Всего в современном мартеновском цехе насчитывается 25-—30 мостовых кранов.

Производство стали в конвертерах

В современном отечественном производстве начинают применять 100-г и проектируют 250 и 500-г конвертеры.

Раньше производство стали в конвертерах заключалось в продувке воздуха через расплавленный чугун. Во время продувки сначала окисляется железо, при этом выделяется большое количество тепла, за счет которого поддерживают необходимую температуру в течение всего процесса. Образующееся за-кисное железо растворяется в металле и раскисляет содержащиеся в чугуне примеси.

Сталь, полученная по описанному способу, содержит большое количество шлаковых включений и газы (азот, кислород), что ухудшает механические качества стали и ограничивает область применения конвертерного метода .производства стали, так как по этому методу можно было получать сталь только из руд определенного состава.

В настоящее время при конвертерном производстве широко практикуют продувку через чугун, смеси воздуха с кислородом или чистого кислорода. При этом процесс идет значительно быстрей, появляется возможность использовать руды любого состава и .получать сталь то качеству такую же, как и при мартеновском способе производства. Отличительной чертой конвертерного производства является его высокая производительность: на 1 г емкости конвертера приходится более 60 т выплавленной стали в сутки.

В конвертерах, предназначенных для продувки жидкого чугуна воздухом, последний подается через керамические фурмы, расположенные в днище конвертера. Применение для продувки кислорода вместо воздуха позволяет отказаться от неудобных в эксплуатации керамических фурм, заменив их более долговечными водоохлаждаемыми подвесными фурмами.

Продувку жидкого чугуна кислородом производят сверху, для чего подвесную фурму на время продувки опускают в горловину конвертера. Для слива шлака и стали конвертер поворачивают при помощи механизма с электрическим приводом.

Для слива шлака и стали конвертер поворачивается в цапфах. Механизм поворота конвертера состоит из двух электрических двигателей, червячного редуктора и цилиндрического редуктора. Слив происходит через специальное отверстие в верхней части конвертера.

Скорость поворота конвертера регулируется в широких пределах. Максимальная скорость поворота равна приблизительно одному обороту в минуту.

Учитывая высокую производительность конвертеров на кислородном дутье и высокое качество стаЛи, выплавляемой при этом процессе, правительство Советского Союза взяло курс на значительное развитие конвертерного производства стали.

Производство стали в электрических печах

В современном отечественном сталеплавильном производстве самыми крупными являются 80-т электрические печи. В настоящее время в СССР проектируют электрические печи емкостью 120 т.

Электрические печи для выплавки стали разделяют на дуговые и индукционные.

В дуговых электропечах тепло для расплавления сообщается шихте электрической дугой, возбужденной между угольными электродами

Рис. 5. Конвертер на кислородном дутье (общий вид)

В индукционных печах металл плавится электрическим током, наведенным в шихте индукционным путем. Классическим примером индукционной печи является печь, где ванна для металла выполнена в виде кольца вокруг магнитопровода трансформатора. В этом случае ванна является коротко-замкнутой вторичной обмоткой трансформатора.

Производство стали в электропечах является самым совершенным. Но вследствие относительно высокой стоимости электрической энергии в дуговых электрических печах выплавляют только качественные, высококачественные и легированные стали и их сплавы. Индукционные же печи применяют в сравнительно редких, специальных случаях для выплавки сталей с улучшенной структурой.

Современный уровень развития техники предъявляет высокие требования к качеству стали.

С целью получения наиболее высококачественных сталей применяют вакуумирование стали. Вакуумированием жидкой стали удается в значительной степени уменьшить содержание в ней вредных газов (особенно водорода), ухудшающих ее качество.

Одной из новинок, позволяющей увеличить коэффициент использования жидкой стали, является непрерывная разливка. При этом способе жидкая сталь поступает в кристаллизатор с одного конца и, затвердевая, выходит слитком на другом конце кристаллизатора. Процесс происходит непрерывно. При непрерывной разливке стали значительно сокращаются потери металла, неизбежные при обычном способе разливки вследствие образования усадочных раковин.

Независимо от способа получения стали ее химический состав контролируют специальные лаборатории на протяжении всего технологического процесса, в результате чего стали присваивают марку, обозначающую ее химический состав и механические свойства.

Читать далее: Основные марки сталей и чугунов, применяемых при производстве и ремонте автомобилей

Сталь | Состав, свойства, типы, сорта и факты

производство

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Эндрю Карнеги
Генри Бессемер
Сэр Уильям Сименс
Джон Огастес Роблинг
Чарльз М. Шваб

Похожие темы:

Дамасская сталь
углеродистая сталь
стальная промышленность
перлит
литая сталь

См. все сопутствующие материалы →

сталь , сплав железа и углерода с содержанием углерода до 2 процентов (с более высоким содержанием углерода материал определяется как чугун). На сегодняшний день это наиболее широко используемый материал для строительства инфраструктуры и промышленности в мире, он используется для изготовления всего, от швейных иголок до нефтяных танкеров. Кроме того, инструменты, необходимые для изготовления таких изделий, также изготавливаются из стали. Как показатель относительной важности этого материала, в 2013 году мировое производство необработанной стали составило около 1,6 миллиарда тонн, а производство следующего по важности технического металла, алюминия, составило около 47 миллионов тонн. (Для списка производства стали по странам, см. ниже Мировое производство стали.) Основными причинами популярности стали являются относительно низкие затраты на ее изготовление, формовку и обработку, изобилие двух сырьевых материалов (железной руды и металлолома) и беспрецедентный ассортимент механические свойства.

Свойства стали

Основной металл: железо

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали

Посмотреть все видео к этой статье

Основным компонентом стали является железо, металл, который в его чистое состояние ненамного тверже меди. За исключением самых крайних случаев, железо в твердом состоянии, как и все другие металлы, поликристаллично, т. е. состоит из многих кристаллов, смыкающихся друг с другом на своих границах. Кристалл — это хорошо упорядоченное расположение атомов, которые лучше всего можно представить в виде сфер, соприкасающихся друг с другом. Они упорядочены в плоскостях, называемых решетками, которые особым образом проникают друг в друга. Для железа расположение решетки лучше всего представить единичным кубом с восемью атомами железа в углах. Важным для уникальности стали является аллотропность железа, то есть его существование в двух кристаллических формах. В объемно-центрированной кубической (ОЦК) конфигурации в центре каждого куба находится дополнительный атом железа. В гранецентрированной кубической (ГЦК) конфигурации в центре каждой из шести граней единичного куба находится один дополнительный атом железа. Существенно, что стороны гранецентрированного куба или расстояния между соседними решетками в ГЦК конфигурации примерно на 25 процентов больше, чем в ОЦК компоновке; это означает, что в ГЦК-структуре больше места, чем в ОЦК-структуре, для удержания инородных ( , т. е. сплава) атомов в твердом растворе.

Железо имеет аллотропию ОЦК ниже 912°C (1674°F) и от 1394°C (2541°F) до температуры плавления 1538°C (2800°F). Называемое ферритом, железо в его ОЦК-образовании также называется альфа-железом в диапазоне более низких температур и дельта-железом в зоне более высоких температур. Между 912° и 1394°С железо находится в ГЦК-порядке, который называется аустенитным или гамма-железом. Аллотропное поведение железа сохраняется, за немногими исключениями, в стали, даже когда сплав содержит значительное количество других элементов.

Существует также термин бета-железо, который относится не к механическим свойствам, а скорее к сильным магнитным характеристикам железа. Ниже 770 ° C (1420 ° F) железо является ферромагнитным; температуру, выше которой он теряет это свойство, часто называют точкой Кюри.

Викторина «Британника»

Строительные блоки предметов повседневного обихода

В чистом виде железо мягкое и обычно непригодно для использования в качестве конструкционного материала; основной метод его упрочнения и превращения в сталь — добавление небольшого количества углерода. В твердой стали углерод обычно встречается в двух формах. Либо он находится в твердом растворе в аустените и феррите, либо находится в виде карбида. Форма карбида может быть карбидом железа (Fe ₃ C, известный как цементит), или это может быть карбид легирующего элемента, такого как титан. (С другой стороны, в сером чугуне углерод проявляется в виде чешуек или скоплений графита из-за присутствия кремния, подавляющего образование карбидов.)

Влияние углерода лучше всего иллюстрируется диаграммой равновесия железо-углерод. Линия A-B-C представляет точки ликвидуса (, т. е. температуры, при которых расплавленное железо начинает затвердевать), а линия H-J-E-C представляет точки солидуса (при которых затвердевание завершается). Линия A-B-C показывает, что температура затвердевания снижается по мере увеличения содержания углерода в расплаве железа. (Это объясняет, почему серый чугун, содержащий более 2 процентов углерода, обрабатывается при гораздо более низких температурах, чем сталь.) Расплавленная сталь, содержащая, например, 0,77 процента углерода (показана вертикальной пунктирной линией на рисунке), начинает затвердевает при температуре около 1475 ° C (2660 ° F) и полностью затвердевает при температуре около 1400 ° C (2550 ° F). С этой точки и ниже все кристаллы железа находятся в аустенитной — , т. е. ГЦК — компоновка и содержат весь углерод в твердом растворе. При дальнейшем охлаждении резкое изменение происходит примерно при 727 ° C (1341 ° F), когда кристаллы аустенита превращаются в тонкую пластинчатую структуру, состоящую из чередующихся пластинок феррита и карбида железа. Эта микроструктура называется перлитом, а изменение называется эвтектоидным превращением. Перлит имеет твердость алмазной пирамиды (DPH) примерно 200 кгс на квадратный миллиметр (285 000 фунтов на квадратный дюйм), по сравнению с DPH 70 кгс на квадратный миллиметр для чистого железа. Охлаждающая сталь с более низким содержанием углерода ( , например, 0,25 процента) дает микроструктуру, содержащую примерно 50 процентов перлита и 50 процентов феррита; это мягче, чем перлит, с DPH около 130. Сталь с содержанием углерода более 0,77%, например, 1,05%, содержит в своей микроструктуре перлит и цементит; он тверже перлита и может иметь DPH 250.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Процесс производства стали — Как производится сталь?

Процесс производства стали — как производится сталь?

11 января 2023 г.

Производство стали является критически важной отраслью, оказывающей значительное влияние на нашу мировую экономику. С середины 1800-х годов сталь стала одним из самых надежных материалов во всем мире, обслуживая бесчисленные производственные и строительные рынки. По данным Всемирной ассоциации производителей стали, глобальное производство стали поддерживает или способствует мировой экономической деятельности на сумму 2,9 трлн долларов, что делает ее важнейшим материалом, поддерживающим миллионы рабочих мест во всем мире.

Может показаться, что это не товар, связанный с передовыми технологиями, но производство стали прошло долгий путь. В этом руководстве по процессу производства стали мы рассмотрим историю производства стали и сравним ее с тем, как сталь производится и используется в современных приложениях.

История производства стали

Сталь

— это открытие железного века, периода, начавшегося около 1200 г. до н. э. Железная руда была впервые добыта в Центральной Азии и Европе, и в то время люди использовали железо для изготовления инструментов и оружия в практике, называемой черной металлургией. Изделия из железа развивались в это время, начиная с кузнецов, производящих изделия из кованого железа. Эти торговцы научились нагревать железную руду, и, используя процесс молота и наковальни, кузнецы удаляли примеси из металла и производили прочный и ковкий конечный продукт из железа.

Железо приняло несколько других форм, прежде чем в конечном итоге превратилось в то, что сегодня считается сталью. В Китае металлурги железного века нагревали железо в больших печах, плавя вещество в жидкость и смешивая его с древесным топливом. Затем расплавленную жидкость заливали в формы, которые затем оставляли затвердевать, в конечном итоге принимая форму кухонных инструментов и других предметов из форм. Этот процесс, известный как литье чугуна, позволил получить более прочный продукт, чем кованое железо, но он был хрупким, что затрудняло его форму и изгибание.

После чугуна кузнецы Центральной Европы начали покрывать изделия из кованого железа древесным углем, чтобы повысить прочность железа при сохранении его гибкости. После этого железо прошло последнюю итерацию, которая больше всего напоминает сегодняшнюю сталь. В Индии рабочие-металлурги разработали процесс выплавки железа, сочетающий в себе идеальное соотношение железа и углерода. Используя тигли или глиняные контейнеры, мастера по металлу смешивали куски железа и древесного угля в высокотемпературной печи. Во время приготовления железо плавилось и поглощало атомы углерода из древесного угля. После охлаждения тигли содержали то, что мы теперь знаем как сталь — сплав железа с углеродом.

После открытия сплавов железа с углеродом различные цивилизации начали расширять свои методы производства стали, что позволило им создавать улучшенное оружие, инструменты и конструкции. Начиная с железного века, люди стремились усовершенствовать процесс производства стали не только для того, чтобы производить ее в больших количествах, но и для того, чтобы производить ее более эффективно. Постоянное совершенствование производства стали является причиной того, что сегодня сталь стала таким важным мировым товаром.

Как сегодня производится сталь?

Современный процесс производства стали начался в 1856 году в рамках процесса, известного как бессемеровский процесс. Считается, что это был первый процесс массового производства стали. По словам историков, два разных изобретателя, один в Великобритании и один в Питтсбурге, одновременно разработали процесс производства стали, который включал удаление примесей железа с помощью струи воздуха.

Благодаря этому открытию другие производители стали начали совершенствовать процесс, в конце концов найдя способ использовать технику воздушной струи, чтобы помочь сохранить содержание углерода при полном удалении примесей. Наконец, этот процесс превратился в экономически эффективный способ массового производства высококачественной стали, который мы используем до сих пор.

Сегодня производство стали осуществляется одним из этих двух методов:

1. Доменная печь: Процесс доменной печи, также известный как кислородно-кислородный процесс (BOP), объединяет сырую железную руду с небольшим количеством стального лома в печь. Затем в печь вдувают чистый кислород, повышая ее температуру. При этой температуре металлолом не только плавится в жидкость, но и примеси железа окисляются, полностью испаряясь. Кроме того, высокая температура снижает содержание углерода до идеального соотношения, что приводит к получению жидкой стали.
2. Электродуговые печи: В методе электродуговой печи (ЭДП) сильноточные электрические дуги от электродов плавят большое количество стального лома в жидкость. Пока стальной лом плавится, техники добавляют другие ферросплавы до тех пор, пока жидкий металл не достигнет желаемого соотношения стали и других сплавов, таких как хром и никель, которые образуют нержавеющую сталь. Затем для очистки стали в печь подается кислород и добавляются известь и плавиковый шпат. Эти вещества соединяются с примесями стали, превращаясь в шлак. Затем шлак всплывает на поверхность расплавленной стали, где его удаляют, оставляя чистую сталь.

Метод ЭДП является сегодня наиболее распространенным процессом производства стали. Сегодняшние современные сталеплавильные печи ЭДП производят 150 тонн стали за плавку, что занимает примерно 90 минут.

Производство металла на заказ

Сталь

— это универсальный, доступный и широко распространенный материал, что делает его идеальным материалом для использования в бесчисленных производственных мощностях. Производители оригинального оборудования и другие компании-производители полагаются на ценность стали при производстве своих оригинальных компонентов и продуктов.

Во всем мире предприятия используют сталь и сплавы металлов для создания своей продукции и воплощения своих проектов в жизнь. Изготовление и проектирование металлоконструкций на заказ — это важнейшая профессиональная услуга в мировой экономике, потому что именно она позволяет компаниям изобретать новые и полезные товары и рисковать инновационными проектами, которые помогают формировать и улучшать нашу повседневную жизнь.

Производство и проектирование металлоконструкций объединяет целый ряд экспертов, от дизайнеров, инженеров и консультантов до сварщиков, слесарей и монтажников. Каждый эксперт играет свою роль в обеспечении того, чтобы сталь и металлические материалы превращались в хорошо спроектированные, высококачественные компоненты и конечные продукты, которые будут играть важную роль на нашем глобальном рынке.

Выберите Summit Steel для контрактного производства металла на заказ

Производителям и OEM-компаниям требуются надежные, профессиональные и знающие партнеры по контрактному производству металлоконструкций, которые помогут им эффективно производить сталь и готовую металлическую продукцию в соответствии с самыми высокими стандартами. Если вы ищете компанию по производству прецизионных металлов для удовлетворения ваших уникальных потребностей бизнеса, выберите Summit Steel.

На протяжении более 25 лет Summit Steel помогает предприятиям эффективно производить детали с помощью передовых производственных процессов. Наши услуги по контрактному производству металлов варьируются от первоначального проектирования и инженерной поддержки до лазерной резки, 3D-обработки и процессов сварки стали и металлов.