Для того чтобы углерод, находящийся в смеси, начал окисляться, температуру в печи увеличивают, нагнетая внутрь чистый кислород. В результате реакции, которая происходит между углеродом и кислородом, углерод превращается в газообразный оксид углерода, который выходит из печи вместе с пузырьками. Эта химическая реакция создает эффект кипения металлической ванны.
Из чего делают сталь: компоненты, производственный процесс
Из чего делают сталь? Сталь производят из трех основных компонентов: железной руды, угольного кокса и металлолома. Для получения сплавов с необходимыми характеристиками зачастую добавляют различные легирующие элементы, которые значительно влияют на качество и свойства конечного продукта.
Как делают? Процесс производства стали можно разделить на три ключевых этапа: расплавление, где руда и металл нагреваются до состояния плавления; кипение, во время которого повышается температура расплава и добавляется кислород; и раскисление, которое включает в себя удаление лишнего кислорода для улучшения качества стали.
Из этого материала вы узнаете:
- Компоненты, из которых изготавливают сталь
- Влияние компонентов сплава на свойства стали
- Процесс производства стали
- Общие принципы маркировки сталей
- Как создаются новые виды стали
- Часто задаваемые вопросы о производстве стали
Из чего делают сталь
Как известно, выбор сырья для производства стали зависит от выбранного метода. Одним из самых распространенных способов является доменно-конвертерный метод, в котором в качестве сырья служит чугун. Для получения этого сплава металлурги перерабатывают железную руду, получая железорудное сырье и топливо.
Железная руда
Железо занимает четвертое место по распространенности на планете и получают его из железной руды. Перед началом производства сырье проходит процедуру подготовки: дробление, сортировка, обогащение и окускование. В процессе окусковывания произвольно агрегированные частицы руда превращаются в небольшие кусочки, которые затем отправляются в доменную печь для плавления.
Угольный кокс
Угольный кокс — это продукт, получаемый из коксующегося каменного угля, который подвергается прокаливанию при высоких температурах. Он служит основным топливом для доменных печей и используется в качестве восстановителя в химических реакциях. В некоторых случаях угольный кокс может быть заменен на мазут, природный газ или пылевидное топливо для снижения расходов на сырье. Тем не менее, уголь остается наиболее распространенной формой топлива в этой отрасли.
Металлолом, горячебрикетированное железо и железо прямого восстановления также могут служить сырьем, однако они в основном применяются в электросталеплавильном производстве.
Металлолом
Металлолом отображает собой остатки изделий из металла, которые потеряли свою функциональность по каким-либо причинам. Эти остатки поступают на переработку в больших объемах, поскольку металл широко используется в различных отраслях. Металлолом считается экологически чистым сырьем как его использование способствует снижению нагрузки на месторождения по добыче угля и железной руды.
Железо прямого восстановления (губчатое железо)
Этот вид сырья служит альтернативой металлолому и получает без плавления железной руды путем ее восстановления. Также стоит отметить, что горячебрикетированное железо отличается высоким содержанием железа и используется без доменных печей в конвертерах. Употребление этого сырья способствует уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу.
Энергоресурсы
Энергоресурсы играют ключевую роль в производстве стали. Считается, что энерго затраты занимают от 30% до 70% в себестоимости металлургической продукции. Кроме того, черная металлургия потребляет значительное количество энергии и на выходе производит вторичные энергетические ресурсы.
Из чего делают сталь?
Сталь — это один из самых широко используемых материалов в промышленности. Основные составляющие стали — это железо и углерод. Железо предоставляет стали необходимые пластичность и вязкость, тогда как углерод добавляет твердость и прочность.
Полученный деформируемый сплав железа поддается различным видам обработки — механической, термической, токарной и фрезерной. Процессы, такие как литье, прессование, резка, шлифовка и сверление, позволяют достичь нужных форм и размеров стальных изделий, которые отличаются высокой точностью.
Хотя железо и углерод составляют основную часть сплава, сталь всегда содержит и другие примеси. Чистота от неметаллических включений напрямую влияет на характеристики стали. Наличие оксидов, сульфидов и других нежелательных веществ может привести к хрупкости и уменьшению пластичности. Удаление таких примесей возможно с помощью очистки или добавлением других компонентов для достижения требуемых физико-химических свойств.
Примеси могут быть как полезными, так и вредными. Это деление является условным и указывает на то, что определённые элементы либо улучшают химический состав стали, либо ухудшают её свойства. К полезным примесям относятся марганец и кремний, тогда как сера, фосфор, кислород, азот и водород считаются вредными добавками.
Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?
Разные элементы в составах сталей оказывают в разных случаях следующие эффекты:
- Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует негативное воздействие серы.
- Кремний улучшает прочность, а также содействует раскислению сплавов за счет удаления оксидов и сульфидов.
- Сера негативно влияет на пластичность и вязкость стали; при высоком содержании она вызывает красноломкость — трещины в металле возникают при горячей обработке в областях его нагрева до красного или желтого состояния.
- Фосфор значительно снижает пластичность и ударную вязкость; при увеличении его содержания возникает хладноломкость, и металл может разрушаться при механической обработке.
- Кислород и азот ухудшают структуру стали, что снижает ее вязкость и пластичность.
- Водород также может вызывать хрупкость металла.
Чтобы избавиться от нежелательных примесей и неметаллических включений, жидкую сталь подвергают рафинированию. Это осуществляется через комбинированные процессы, как внутри, так и вне печи. Например, раскисление, десульфурация, дегазация и другие методы. Благодаря очистке структура металла становится однородной, а его качество значительно возрастает.
Очистить, но только от серы
В составе тяжелого газойля имеется сера — нежелательный элемент, который может негативно повлиять на качество металла при выплавке, а также снизить прочность и электропроводность электрода.
Для удаления серы была разработана технология гидроочистки газойля. В стандартных условиях она позволяет удалять как серу, так и ароматические соединения, но для производства игольчатого кокса важно удалить только серу. В результате избирательной гидроочистки содержание серы в газойле уменьшается в несколько раз, при этом ценные углеводородные структуры остаются неизменными.
Без кислорода при 450 градусах
Для производства игольчатого кокса используют установки замедленного коксования. Объем каждой камеры составляет около 450 кубических метров, что сопоставимо со стандартным плавательным бассейном. Внутри камер поддерживается давление до 4 атмосфер, и кислорода нет. На Омском нефтеперерабатывающем заводе, к примеру, предусмотрено четыре камеры, из которых две заняты в производстве последовательно. Нагретые газы, вырабатываемые в охлаждающих камерах, подогревают две работающие камеры, что повышает энергоэффективность всей технологии.
В процессе коксования сырье подается в камеры при температуре от 450 до 500 градусов Цельсия. Здесь выделяются углеводородные газы, в то время как остатки тяжелых нефтепродуктов, не успевшие превратиться в кокс, возвращаются на повторный цикл коксования — этот метод улучшает выход и качество кокса.
Готовый кокс охлаждают, извлекают из камер, а затем прокаливают и направляют на завод по производству графитированных электродов. На этом этапе его измельчают до нужного размера частиц и пропитывают пеком — густой углеводородной жидкостью, которая образуется в процессе переработки угля или нефти. Эта пропитка позволяет при обжиге запечатать пустоты между частичками кокса, что обеспечивает его прочность и однородность. Благодаря пропитке кокс можно прессовать в изделия заданной формы.
Пропитка способствует повышению термостойкости кокса и улучшает его электропроводность и прочность. В финале материал для электродов подвергается графитизации при температуре выше 2300 градусов Цельсия.
Какие виды бывают
Сталь делится на два основных типа:
- Углеродистая. Основу составляют железо и углерод, в то время как другие элементы присутствуют в незначительных количествах и не учитываются. С увеличением содержания углерода, прочность сплава возрастает.
- Легированная. В дополнение к углероду, в ней имеются и другие элементы. Низколегированная сталь содержит до 4% примесей, в среднелегированной их доля колеблется от 4% до 11%, тогда как высоколегированная сталь содержит более 11% легирующих примесей.
Как используют
Сфера применения стали определяется количеством углерода и других элементов в сплаве. Все стали обычно делятся на пять типов:
- Конструкционная. Она используется для создания сложных конструкций, таких как рессоры, пружины, детали транспортных средств и метизы.
- Нержавеющая. Это легированная сталь, содержащая алюминий, хром, титан, азот и другие вещества, помимо углерода и железа. Из нержавеющей стали производят кухонную бытовую электронику, сантехнику, а также некоторые автомобильные детали и трубы.
Интересный факт: одним из самых необычных изобретений из нержавеющей стали является мыло. Оно не смывает грязь, но отлично удаляет неприятные запахи с кожи.
Сравнительно интересно, что нержавейка была получена случайно, когда англия изобретатель Гарри Брирли проводил эксперименты с различными составами для создания надежных пушек, и один из опытов продемонстрировал, что состав с 12–20% хрома не подвержен окислению. - Инструментальная. Это высокоуглеродистая сталь, из которой изготавливаются различные инструменты, такие как молотки, плоскогубцы, пилы, ножи и даже некоторые медицинские инструменты.
- Жаропрочная. Это легированный сплав с преимущественно хромом, который способен выдерживать высокие температуры и нагрузки (до трети температурного предела плавления).
Жаропрочная сталь находит применение в производстве деталей моторов и реактивных двигателей. - Криогенная. Эти высоколегированные сплавы выдерживают крайне низкие температуры. Обычно берут за холодный предел −183°C — это температура кипения кислорода. Для достижения большей термостойкости в сплав добавляются никель и другие металлы.
Изделия из криогенной стали применяются в работе с сжиженным газом и активно используются в космической отрасли.
Можно ли использовать сталь повторно
Сталь является одним из наиболее перерабатываемых металлов, так как изделия из нее могут быть переплавлены. Существует статистика, согласно которой более половины стальных изделий были переработаны в новые продукты — будь то детали для промышленности или кузова автомобилей.
Интересный аспект: автомобили не производят из нержавеющей стали из-за ее хрупкости и уязвимости к образованию трещин. Кузовы из оцинкованной стали легко повреждаются: в условиях воздействия кислорода и воды начинается коррозия, что в итоге приводит к постепенному разрушению автомобиля. Если ваша машина покрыта вмятинами и требует ремонта, настоятельно рекомендуется не откладывать решение этой проблемы.
В Совкомбанке вы можете оформить кредит наличными на любой случай жизни до 5 миллионов рублей. Выберите удобную Kredit программу, а кредитный калькулятор поможет рассчитать ежемесячный платеж. Нужны деньги быстро? Достаточно вашего паспорта и любого второго документа. Если сумма кредита крупная, возможно оформление под залог автомобиля или недвижимости. Заполните онлайн-заявку на сайте, и получите быстрое одобрение.
Биметалл: дополнительная защита
Для агрессивных сред, таких как морская вода, химические реакторы и коксующие камеры, где сталь подвергается воздействию коррозийных веществ, высоких температур и давления, требуется дополнительная защита. Нержавеющая сталь может обеспечить необходимую защиту, однако из-за значительного содержания легирующих элементов она обходится дорого.
Более доступным, но не уступающим в качестве вариантом являются биметаллические изделия, состоящие из двух металлов. Часто такие материалы получают методом плакирования: при прокате происходит соединение двух металлических листов, которые после горячей деформации образуют единое целое. Биметаллический прокат объединяет преимущества обоих металлов.
Компания Уральская Сталь производит биметаллический прокат из низколегированной стали, который соединяется с нержавеющей. Уникальность этой стали заключается в том, что прочность соединения металлов в 2,5 раза превышает требования ГОСТ 10885, что делает ее незаменимой в нефтяной, химической и атомной промышленности. Она также может быть использована для защитных поясов ледоколов.
Криогенная сталь и водородная энергетика
Будущее энергетики связано со сжиженным природным газом (СПГ) и водородом. Для их хранения и транспортировки необходима инфраструктура, важным элементом которой является сталь. Например, для хранения жидкого газа требуется сталь, устойчивая к хладноломкости и сохраняющая свою вязкость при исключительно низких температурах: −163°C для СПГ, −196°C для азота и −253°C для жидкого водорода.
В этом контексте необходимо, чтобы металл сохранял возможность скольжения слоев. Для этого требуется:
- минимизировать содержание углерода, который, хотя и укрепляет металл, делает его менее пластичным;
- использовать примеси, стабилизирующие вязкий феррит и предотвращающие образование твердых хрупких карбидов железа — прежде всего никель, а также марганец;
- применять аустенитные нержавеющие стали, где никель и марганец предотвращают переход в хрупкую мартенситную фазу;
- достигнуть мелкозернистой структуры с низким уровнем примесей на границах зерен — этому также способствует никель.
Тем не менее, аустенитные стали с содержанием никеля стоят дорого. Для решения этой проблемы компания Уральская Сталь разработала ферритные криогенные стали 0Н6 и 0Н6ДМБ. В их составе содержится 6% никеля, что позволяет сэкономить по сравнению со сталью 0Н9 с 9% никеля, при этом они сохраняют необходимую вязкость и пластичность до −196°C, позволяя производить дешевле и прочнее листы, чем аустенитные нержавейки.
Сталь для водородной энергетики представляет собой вызов будущего. Во-первых, указанная отрасль только начинает формироваться, а во-вторых, существуют также и технические трудности: хранение жидкого водорода осуществляется при крайне низкой температуре, а удержание газа в трубах — задача сложная. Маленькие атомы водорода легко проникают в трещины и дефекты трубопроводов, создавая напряжение и увеличивая риск разрушения конструкции. При соответствующих условиях (высокие температура и давление) водород реагирует с углеродом в стали, что приводит к коррозии. По информации, до 40% водорода может потеряться при транспортировке на большие расстояния. Чтобы избежать этого, необходимо использовать однородную микрозернистую сталь, которая сохранит свои качества даже после сварки.
В 2023 году Уральская Сталь произвела и протестировала первую партию труб для метан-водородных смесей. Эта сталь уже получила соответствующие сертификаты и была удостоена серебряной медали на Металл-Экспо 2023 года.
Физика и химия стали исследована на высоком уровне, однако это не исключает возможностей для новых инноваций. Одним из наиболее перспективных направлений является усовершенствование управления микроструктурой стали. Например, существуют трип-стали, которые структурно программируются на смену фазы под нагрузкой: метастабильные аустениты превращаются в более прочный мартенсит в пластичной ферритной матрице. Они обладают прочностью, сопоставимой с традиционной углеродистой сталью, но в 2–3 раза превосходят ее по пластичности.
С развитием методов моделирования и достижениями в области искусственного интеллекта внедрение ИИ неуклонно становится более точным в прогнозировании поведения стали на этапе разработки. Особенно в поиске новых сплавов с применением ИИ. Тем не менее, это еще пока в основном теоретическая область.
С другой стороны, в процессе производства ИИ уже активно используется многими крупными металлургическими компаниями. Его применяют для создания цифровых двойников производственных процессов, для операционной аналитики и мониторинга различных процессов производства. Системы машинного зрения уже сейчас реализуются для автоматизации ряда задач и повышения эффективности в производстве.
