Из чего делают сталь: компоненты, производственный процесс

Из чего делают сталь? Из железной руды, угольного кокса и металлолома. Для получения сплавов с заданными характеристиками добавляют различные легирующие элементы.

Как делают? Производство стали делится на три этапа: расплавление, при котором руда и металл доводятся до температуры плавления; кипение – процесс повышения температуры расплава и добавление кислорода; раскисление – удаление кислорода.

Из чего делают сталь

Как известно, от способа производства стали зависит выбор самого сырья. Так, самым распространенным является доменно-конвертерный способ. В нем в качестве сырья используется чугун. Для того чтобы иметь данный сплав, металлурги путем переработки железной руды получают железорудное сырье и топливо.

Железная руда

Железо стоит на четвертом месте по распространенности на планете и изготавливается из железной руды. Перед изготовлением происходит подготовка руды: ее дробят и сортируют, обогащают и окусковывают. Порошок, получаемый во время окусковывания, превращается в небольшие кусочки, которые затем отправляют в доменную печь для дальнейшей плавки.

Угольный кокс

Угольный кокс получают из каменного коксующегося угля, прокаленного на высоких температурах. Он считается основным видом топлива для доменных печей, а также для выработки тепла и восстановителя химических реакций. Довольно часто угольный кокс могут заменять мазутом, природным газом или пылевидным топливом для экономии ресурсов. Однако уголь все равно остается главнейшим видом сырья.

Сырьем может служить металлолом, горячебрикетированное железо или железо прямого восстановления. Однако стоит отметить, что данный вид сырья применяется только в электросталеплавильном производстве.

Металлолом

Металлолом – это остатки изделий из металла, которые по какой-либо причине пришли в негодность. Данные изделия поступают на переработку в больших объемах, так как металл используют практически везде. Металлолом – экологичный вид сырья, поэтому его использование снижает высокую нагрузку на месторождения по добыче угля и железной руды.

Железо прямого восстановления (губчатое железо)

Данный вид сырья используют в качестве альтернативы металлолома и получают без плавления железной руды путем ее восстановления.

Горячебрикетированное железо принято считать одним из высокопроцентных видов по составу железа. В качестве сырья данный вид железа используют без доменных печей в конвертерах. Отметим, что его использование позволяет уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Энергоресурсы

Значимым ресурсом для производства стали являются энергоресурсы. Так, считается, что в себестоимости металлургической продукции энергозатраты насчитывают 30-70 %. Помимо этого, черная металлургия наравне с потреблением большого количества энергии производит вторичные энергоресурсы.

Влияние компонентов сплава на свойства стали

Большую часть от общей массы стали занимают углерод и железо. Качество стали зависит от чистоты неметаллических включений. Так, например, сульфиды или оксиды делают ее неэластичной и довольно хрупкой. Поэтому, чтобы уменьшить количество содержания вредных примесей, их подвергают очистке либо вводят дополнительные компоненты.

Примеси делятся на две группы: вредные и полезные. Такое разделение носит условный характер и означает лишь воздействие элементов на свойства стали. Так, к вредным элементам относятся фосфор, кислород, сера, водород и азот, к полезным примесям – кремний и марганец.

Различные элементы оказывают следующие эффекты на качество стали:

• За нейтрализацию вредного воздействия серы, а также повышение прокаливаемости металла отвечает марганец.
• К улучшению прочности, способствованию раскисления сплава и удалению сульфидов и оксидов приводит кремний.
• Водород делает металл более хрупким.
• Ухудшает вязкость и пластичность металла сера. Ее высокое содержание характеризуется тресканием стали во время горячей обработки.
• К хладноломкости, снижению пластичности и ударной вязкости сплава приводит фосфор.
• Азот и кислород приводят к разрушению структуры стали, ухудшению пластичности и вязкости.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Для удаления вредных примесей и неметаллических включений принято рафинировать жидкую сталь. Для этого используют два вида комбинированного рафинирования: в и вне печи. Благодаря очистке качество металла возрастает, а его структура становится более однородной.

Процесс производства стали

Сталью называется сплав железа с углеродом, имеющим не меньше 45 % железа и 0,02-2,14 % углерода в своем составе. Стоит отметить, что основные свойства стали зависят от углерода.

Для производства стали требуется добыча руды и каменного угля, обработанных специальным способом. Полученную железную руду обогащают, дробя ее, а потом отделяя с помощью магнита кусочки с присутствием металла. Уголь также поддается обработке: его перемалывают, просушивают, получая кокс, не содержащий примесей.

После обогащение руды и производства кокса происходит их смешивание с известью. Данную смесь отправляют в печь, получая чугун, из которого в дальнейшем и производится сталь.

Немаловажной задачей остается выведение из чугуна углерода и прочих ненужных примесей. Именно от их содержания зависит качество стали: чем больше выведется ненужных веществ, тем прочнее будет сталь.

Этап 1: Расплавление

Для начала в расположенную в печи ванну закладывают смесь чугуна с прочими примесями. Смесь нагревают и расплавляют, окисляя железо. Стоит отметить, что окисляются и примеси таких металлов, как марганец, кремний и фосфор. Важнейшей задачей первого этапа считается удаление фосфора.

Под воздействием температуры на поверхность отделяются примеси, превращаясь в шлак. Одновременно происходит неустойчивое соединение оксида железа с оксидом фосфора. Данное соединение начинает реакцию с поднявшимся ранее в шлак оксидом кальция. Итог – удаление с поверхности ненужного фосфора.

Этап 2: Кипение

Для того чтобы углерод, находящийся в смеси, начал окисляться, температуру в печи увеличивают, нагнетая внутрь чистый кислород. В результате их соединения он превращается в газообразный оксид углерода, покидая вместе с пузырьками смесь. Данная реакция создает эффект кипения ванны.

Из-за такого взаимодействия содержание углерода начинает снижаться, что нам и нужно, ведь чем меньше углерода в составе, тем крепче сплав. Таким образом чугун медленно начинает преобразовываться в сталь.

Также во время вышеупомянутого процесса к всплывающим пузырькам начинают «прикрепляться» неметаллические примеси вместе с серой, которая в результате реакции с кальцием отправляется в шлак, что существенно улучшает качество металла.

Этап 3: Раскисление

После снижения углерода в смеси остается большая концентрация кислорода, который оказывает негативное влияние на свойства стали. Процесс его удаления называют раскислением.

Существует несколько способов раскисления. Рассмотрим два самых известных. Для начала в ванну добавляют такие металлы, которые при взаимодействии с кислородом реагируют намного активнее, нежели железо. В зависимости от способа раскисления данные металлы примешивают либо к шлаку, либо непосредственно к сплаву. В итоге происходит отделение чистого железа от кислорода. Железо остается в примеси, в то время как кислород с добавленными ранее металлами начинает собираться на поверхности.

Как итог – увеличивается концентрация железа и уменьшается концентрация кислорода. Теперь мы ответили на вопрос, как же изготавливается сталь. Хочется отметить, что шлаки не выкидывают, а пускают в производство цемента, кирпичей и многого другого.

Общие принципы маркировки стали

По составу различия с чугуном только в концентрации. Содержание вредных компонентов и углерода во время обработки может снижаться. Для придания прочности и стойкости к коррозии корректируется соотношение двух элементов: марганца и кремния. Далее представлены группы, различающиеся по количеству углеродных соединений:

• Высокоуглеродистая (0,6-2 %).
• Среднеуглеродистая (0,25-0,55 %).
• Низкоуглеродистая (до 0,25 %).

Характеристику стали расшифровывают по следующим буквам:

• Ст – сталь.
• Цифра – номер согласно регламенту ГОСТ 380-2005.
• Г – марганец выше 0,8 %.
• КП, ПС или СП – метод раскисления.

Данными маркировками (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп) обозначают отдельную группу, объединенную названием «конструкционные».

Еще одной отдельной группой является объединение под названием «инструментальные». Данная группа очищается от всех вредных составляющих и имеет углеродное содержание, равное 0,7 %.

Согласно ГОСТ 1435-99 для обозначения используется следующая буквенная расшифровка:

• У – углеродистая.
• Цифры: углеродная концентрация в десятых долях процента.
• Г – марганец свыше 0,33 %.
• А – повышенное качество, серы не больше 0,03 %, фосфора – не выше 0,035 %.

Для обозначения инструментальной нелегированной стали разработали следующую специальную маркировку: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А.

Как и из чего делают новые виды стали

Промышленность не стоит на месте, поэтому большое количество промышленных отраслей хотят получить сталь с различными уникальными свойствами: стойкостью к температуре, износу, различным экстремальным условиям и многое другое. Однако для того, чтобы стать сертифицированной, сталь подвергают ряду проверок и испытаний. Требования к нормам и стандартам очень строгие и не уступают другим отраслям.

Некоторые виды стали хорошо осведомленные технологи могут испытывать сразу на производстве. Они подбирают состав, различные режимы для выплавки и ряд других характеристик. Стоит отметить, что одна плавка подразумевает под собой 120 тонн жидкой стали, поэтому испытывать ее нужно только в том случае, если вы точно представляете желаемый результат и уверены в успехе.

Некоторые крупные сталелитейные предприятия имеют опыт сотрудничества с лабораториями, имеющими все для тестирования результатов в малом объеме.

В настоящее время в современную разработку включаются и передовые технологии.

• Расчет температуры нагрева, охлаждения, времени и т. д. – первый этап моделирования математической структуры.
• Вторым этапом считается физическая имитация процессов. Основная задача – провести деформационные процессы и термические условия с максимальной точностью. Также очень важной составляющей является сбор информации о возможных трудностях и подборе оптимальных режимов.
• Последним этапом считается изготовление небольшого образца и оценка его свойств в специальных лабораториях. Перед металлографами стоит важная задача – провести анализ микроструктуры стали. Она может быть очень сложной, поэтому в таких случаях специалисты используют специальную аппаратуру: дифракционные рентгеновские и сканирующие электронные микроскопы. Также прочность стали зависит от ряда факторов: размера, распределения и плотности границ зерен.

Конечный продукт поддается различным строго подобранным испытаниям. Очень важно разработать испытания под конкретный вид стали и четко продумать, каким нагрузкам и в каких условиях будет проходить проверка. Пробная плавка запускается только после всех тестирований и сбора параметров.