Из чего делают сталь: состав и методы производства

Из чего делают сталь? Основными компонентами для ее производства являются железная руда, уголь и известняк. Однако ключевым элементом, определяющим свойства стали, является углерод, добавляемый в железо в строго контролируемых количествах.

Как? Процесс производства стали начинается с выплавки чугуна в доменной печи, где железная руда восстанавливается с помощью угля и известняка. Затем сырье поступает в конвертер или электропечь, где из него удаляются избыточные примеси и регулируется содержание углерода. На заключительном этапе сплав может подвергаться легированию, прокатке или термообработке, чтобы придать ему необходимые свойства.

Эволюция изготовления стали

Еще в древние времена люди открыли для себя удивительные свойства железа и начали его использовать как сырье для изготовления орудий труда. Позже получение сплава простого железа с углеродом стало одним из важнейших факторов прорыва в технической революции. Далее рассмотрим, как и из чего делают сталь – материал, ставший предметом точной науки.

На смену бронзовому веку пришел железный. Бронзу, которая широко использовалась в разных культурах, вытеснило кричное железо болот и метеоритное, а также ранний китайский чугун. Появилась возможность заменить тяжелые ножи и мечи на изделия из более прочного и легкого материала, однако этому препятствовал главный недостаток железа – хрупкость.

Фото: KamranAydinov / Freepik

По сравнению с бронзовыми мечами, способными выдерживать длительные поединки и битвы за счет упругости и вязкости материала, железное оружие легко повреждалось при ударе. Иногда кузнецам все же удавалось добиться высокой упругости металла, но регулярно получать такой результат долгое время не удавалось.

Со временем был найден ответ на волнующий вопрос. Кузнецы начали выполнять отливку и ковку железных слитков, а затем переплавлять их в тиглях с добавлением точно отмеренного количества угля. Таким образом была получена сталь – сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2 %. Стальное соединение оказалось намного пластичнее углеродистого чугуна и отличалось высокой упругостью. Под воздействием внешних факторов металл деформировался и быстро возвращался к исходному состоянию.

Первые центры сталеварения появились еще в древности. В Испании, Индии и на Ближнем Востоке начали изготавливать высококачественное оружие. Отдельно следует упомянуть древнюю японскую сталь.

Японские мастера позднее других задались вопросом, из чего делают сталь. В этой стране традиционная печь для выплавки «татара», способная поддерживать температуру в пределах +1500 °C, была разработана примерно в VI–VII веках, в то время как в Индии и странах Европы уже давно производили стальной сплав. Дело в том, что основной проблемой для Японии всегда было сырье. Железо получали из речного песка «сатэцу», в котором содержалось определенное количество железных и магнетитовых руд.

Затем полученную песчаную руду на протяжении длительного времени пережигали с древесным углем в печах «татара». В результате многочасового процесса плавки получали губчатую сталь «тамахаганэ» с высоким содержанием углерода. Далее огромный слиток дробили на мелкие части и сортировали, выбраковывая фрагменты несоответствующего качества.

Из оставшихся кусков посредством метода многоразовой проковки получали слитки стали, более подходящей для выковывания изделий. Японские кузнецы компенсировали невысокие качественные характеристики сырья своим мастерством: сочетали несколько видов стали, закаляли металл в несколько этапов, а потом затачивали и полировали оружие, возмещая недостаточную прочность остротой.

Несмотря на уникальные качества сплава железа с углеродом, до XIX века он не производился в значительных объемах. Оказалось, что для промышленного производства недостаточно знать, из чего делают сталь, необходима технология непрерывного литья, которой не было.

В 1855 году англичанин Генри Бессемер предложил новый метод переработки чугуна с высоким содержанием углерода в сталь: в бессемеровском конвертере расплавленный чугун продувался воздухом, в результате этого избыточный углерод и другие примеси окислялись и превращались в шлак, который выводился из жидкого металла.

Бессемеровский метод стал первым доступным способом массового производства стали. Особенно важным было то, что весь процесс длился не более 15 минут. Это позволило максимально увеличить объемы выплавки, что стало настоящей революцией. Чуть позже французский инженер и металлург Пьер Эмиль Мартен создал печь, в которой можно было переплавлять вторичный лом в сталь.

Все это способствовало расширению промышленного производства. Практически все металлические изделия – от столовых приборов до строительных конструкций – начали делать из этого материала.

Состав стали

Сталью (от нем. Stahl) называется ковкий сплав железа с углеродом и другими элементами, который востребован во многих отраслях промышленности для изготовления различной продукции: металлопроката, посуды, медицинских инструментов, оборудования и т. д. Невозможно представить современную черную металлургию без сталеплавильного производства.

А теперь разберемся, из чего делают сталь в металлургии. Основной компонент сплава – железо, его доля составляет около 99 %. Вторым обязательным ингредиентом является углерод, присутствующий в количестве от 0,1 до 2 %. Железо придает материалу пластичность и вязкость, а углерод улучшает его свойства, повышает прочность и твердость. Также на механические и физико-химические характеристики стали влияют различные легирующие добавки: марганец, фосфор, кремний, магний, сера. Именно от них зависит выбор метода обработки и область применения соединения.

В сравнении с другими сплавами у стали выше показатели прочности, твердости, устойчивости к нагрузкам и гибкости, поэтому она занимает лидирующие позиции по востребованности и объему производства. Тем не менее следует отметить некоторые ее недостатки: низкая коррозионная стойкость, склонность к намагничиванию и значительный вес. Для предотвращения повреждений стальные изделия приходится покрывать специальным нержавеющим покрытием, содержащим хром.

Современные технологии и способы получения стали

Постараемся ответить на вопрос, из чего делают сталь в условиях современных технологий.

Фото: Ludomił Sawicki / Freepik

Основными исходными материалами для производства стального сплава являются передельный или литейный чугун (в расплавленном или в твердом состоянии), металлические отходы и лом, железосодержащие изделия, полученные методом прямого восстановления (губчатое железо). К ним добавляют различные шлакообразующие компоненты (известь, плавиковый шпат), раскислители (ферромарганец, ферросилиций и алюминий), а также легирующие элементы для улучшения свойств соединения.

Существует два способа производства стали: конвертерный и подовый. В конвертере расплавленный передельный чугун очищается от примесей путем продувки кислородом. Подовый процесс предполагает выплавку в мартеновских или электрических печах.

Конвертерное производство не нуждается во внешних источниках тепла. Такая технология применяется, когда основная нагрузка состоит из расплавленного передельного чугуна. Под воздействием продувки в нем окисляются примеси: углерод, фосфор, кремний, марганец. В результате экзотермической реакции выделяется тепло, которого хватает не только для поддержания расплава в жидком состоянии, но и для переплавки добавленного лома.

Для осуществления конвертерного процесса используются методы введения чистого кислорода в расплавленный металл (процессы Линца – Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и др.), а также устаревшие технологии, предполагающие использование воздуха, иногда обогащенного кислородом (томасовский и бессемеровский процессы).

Подовое производство требует внешнего источника тепла, так как исходным материалом является твердая шихта: губчатое железо, лом, металлические отходы, передельный чугун в твердом состоянии. Выделяют два основных подовых процесса: мартеновский, когда нагрев происходит за счет сжигания мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах – в этом случае для нагрева используется электрический ток.

Иногда для получения определенных типов стали (например, коррозионностойкой) могут поочередно применяться два различных метода. Это называется дуплекс-процессом. Рассмотрим на примерах: плавка начинается в мартеновской печи и завершается в электропечи или расплавленный в электрической печи сплав переливают в агрегат-конвертер, где вследствие вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну происходит уменьшение количества углерода в соединении (обезуглероживание).

Современная наука не стоит на месте. Разработано множество новых технологий для производства качественных сплавов, обладающих особым составом и уникальными свойствами. Среди этих процессов можно выделить: электрошлаковый переплав, дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку. Все эти процессы объединяет то, из чего делают сталь. Она производится из переплавляемого электрода.

Расплавленная сталь сливается в ковш как с последующим рафинированием, так и без него. В сплав могут вводиться легирующие добавки или раскислители. Для устранения вредных газовых примесей может применяться вакуумирование.

Классификация стали

Сталь можно классифицировать по многим критериям: по назначению, химическому составу, качеству, структуре и другим признакам.

По назначению выделяют конструкционные, коррозионностойкие (нержавеющие), жаропрочные, инструментальные, криогенные типы стали.

По химическому составу сплавы могут быть углеродистые и легированные. В свою очередь, первые подразделяются на низко- (до 0,25 % С), средне- (от 0,3 до 0,55 % С) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 2,14 % С), а легированные делятся на низко- (до 4 % легирующих элементов), средне- (до 11 %) и высоколегированные (свыше 11 %).

Чтобы ответить на вопрос, из чего делают нержавеющую или медицинскую сталь, следует знать, что в зависимости от метода производства сплавы могут содержать различное количество неметаллических включений. Именно от этих примесей зависят характеристики металла: обыкновенного качества, качественный, высококачественный.

Фото: KamranAydinov / Freepik

По структуре сталь делят на аустенитную, бейнитную, мартенситную, перлитную, ферритную. По количеству фаз в структуре различают двухфазную или многофазную.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: nuraghies / Freepik