Новые способы получения стали кто создал. Как получают сталь? Что производят из прочнейшего материала

В истории металлургии железа было три революционных переворота, оказавших глубочайшее влияние на весь ход человеческой истории: первый имел место еще в глубокой древности, когда появились сыродутные горны; второй произошел в средние века, после открытия переделочного процесса; третий пришелся на вторую половину XIX века и был связан с началом производства литой стали.

Сталь во все времена оставалась самым необходимым и желанным продуктом металлургии железа, потому что только она обладала той твердостью и крепостью, какие требовались для изготовления инструментов, оружия и деталей машин.

Но прежде чем превратиться в стальное изделие, металл должен был подвергнуться целому ряду трудоемких операций. Сначала из руды выплавляли чугун.

Потом чугун восстанавливали в мягкое . Наконец путем длительной проковки железной крицы получали из нее необходимую стальную деталь (или только заготовку к ней, которую затем подвергали окончательной отделке на металлорежущих станках).

Производство мягкого железа и в особенности ковка долгое время оставались самыми узкими местами в процессе обработки железа. На них уходило больше всего сил и времени, а результаты далеко не всегда оказывались удовлетворительными. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую сталь.

Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникала мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа.

До конца XVIII века передел чугуна в мягкое ковкое железо происходил только в кричных горнах. Этот способ, однако, был неудобен во многих отношениях. Получавшийся в ходе него металл был неоднородным - местами приближался по своим качествам к ковкому железу, местами - к стали. Кроме того, работа требовала больших затрат времени и физических сил. Так как топливо (уголь) находилось в непосредственном соприкосновении с железом, к нему предъявлялись очень высокие требования, ведь любые примеси влияли на качество конечного продукта.

Расход угля был очень велик (в среднем, на восстановление 1 кг железа уходило до 4 кг угля). В самых крупных горнах можно было за 24 часа получить не более 400 кг железа. Между тем рынок требовал все больше железа и стали. Для удовлетворения этих запросов необходимо было найти более совершенный способ переделки чугуна.

Значительным шагом вперед на этом пути стал предложенный в 1784 году англичанином Генри Кортом процесс пудлингования в специально созданной для этого печи. Принципиальное устройство пудлинговой печи состояло в следующем. В топке сжигали топливо. Продукты горения через каменный порог попадали в рабочее пространство печи, где на поду находился загруженный чугун с железистыми шлаками. Шлаки под действием пламени переходили в тестообразное состояние и частично расплавлялись.

С повышением температуры чугун начинал плавиться и примеси его выгорали за счет кислорода, заключенного в шлаках. Таким образом чугун обезуглероживался, то есть превращался в крицу губчатого железа. Важное отличие пудлинговой печи от кричного горна заключалось в том, что она допускала использовать в качестве горючего любое топливо, в том числе и дешевый неочищенный каменный уголь, а объем ее был значительно больше.

Благодаря пудлинговым печам железо стало дешевле. Вместе с тем в отличие от кричных горнов печь Корта не требовала принудительного вдувания. Доступ воздуха и хорошая тяга достигались благодаря высокой трубе. Это была одна из причин, почему пудлинговые печи получили широкое распространение во всем мире. Однако существенным недостатком этих печей было то, что воздух обдувал только верхнюю часть чугуна.

Для того чтобы восстановление железа шло равномерно и по всему объему, приходилось периодически открывать печь и перемешивать чугун. Это был тяжелый ручной труд. Кроме того, поскольку силы и возможности рабочего были ограничены, печь не могла быть слишком большой. Чтобы допустить помешивание, Корт предусмотрел две трубы, из которых одна находилась под топкой, а вторая - в конце печи. Ее открывали в тот момент, когда требовалось снизить температуру.

Уже к середине XIX века пудлинговые печи перестали удовлетворять новым потребностям промышленности. Чтобы поспевать за спросом, приходилось строить на каждую большую домну несколько печей (в среднем одну домну обслуживало десять пудлинговых печей). Это удорожало и усложняло производство. Многие изобретатели думали над тем, как заменить пудлингование более совершенным способом восстановления железа.

Раньше других эту задачу удалось разрешить английскому инженеру Генри Бессемеру. К занятиям металлургией Бессемер пришел после многих лет работы над усовершенствованием артиллерийских орудий и снарядов. Он поставил перед собой цель найти способ производства высококачественной литой стали, из которой можно было бы отливать .

Наблюдая много раз за плавкой чугуна, он заметил, что твердое восстановленное железо образуется раньше всего у воздуходувных труб. Это навело его на мысль получать сталь путем усиленной продувки через расплавленный чугун воздуха. Первые свои опыты Бессемер провел в закрытом тигле, который он нагревал в горне с коксом. Результат превзошел самые смелые ожидания. Менее чем за час продувки он получал из чугуна первосортную сталь.

Кроме того, дальнейшие опыты показали, что нет никакой необходимости вводить в металлургический процесс тепло извне. Дело в том, что чугун содержит собственный горючий материал в качестве примесей: кремний, марганец, углерод - всего около 45 кг горючих материалов на каждую тонну чугуна. Своим горением они позволяли значительно повысить температуру плавки и получать сталь в жидком состоянии.

В 1856 году Бессемер публично демонстрировал изобретенный им неподвижный конвертер. Конвертер имел вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Сбоку в печи было второе отверстие для заливки чугуна. Готовую сталь выпускали через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забивали глиной). Воздуходувные трубки (фурмы) находились возле самого пода печи.

Так как конвертер был неподвижным, продувку начинали раньше, чем вливали чугун. В противном случае металл залил бы фурмы. По той же причине надо было вести продувку до тех пор, пока весь металл не был выпущен. Весь процесс длился не более 20 минут. Малейшая задержка в выпуске давала брак. Это неудобство, а также ряд других недостатков неподвижного конвертера заставили Бессемера перейти к вращающейся печи. В 1860 году он взял патент на новую конструкцию конвертера, сохранившуюся в общих чертах до наших дней.

Способ Бессемера был настоящей революцией в области металлургии. За 8-10 минут его конвертер превращал 10-15 т чугуна в ковкое железо или сталь, на что прежде потребовалось бы несколько дней работы пудлинговой печи или несколько месяцев работы прежнего кричного горна. Однако, после того как бессемеров метод стал применяться в промышленных условиях, результаты его оказались хуже, чем в лаборатории, и сталь выходила очень низкого качества.

Два года Бессемер пытался разрешить эту проблему и наконец выяснил, что в его опытах чугун содержал мало фосфора, в то время как в Англии широко использовался чугун, выплавленный из железных руд с высоким содержанием фосфора. Между тем фосфор и сера не выгорали вместе с другими примесями; из чугуна они попадали в сталь и существенно снижали ее качество. Это, а кроме того высокая стоимость конвертера, привело к тому, что бессемеровский способ очень медленно внедрялся в производство. И 15 лет спустя в Англии большая часть чугуна переплавлялась в пудлинговых печах. Гораздо более широкое применение конвертеры получили в Германии и США.

Наряду с бессемеровским способом производства стали вскоре огромную роль приобрел мартеновский способ. Суть его заключалась в том, что чугун сплавляли с железным ломом в специальной регенеративной печи. Эта печь была придумана и построена в 1861 году немецкими инженерами Фридрихом и Вильямом Сименсами для нужд стекольной промышленности, но наибольшее распространение получила в металлургии.

В состав печи входили газопроизводители (или генераторы газа), сама печь с возобновителями теплоты (или регенераторами) для подогрева газа и воздуха и литейного отделения (двора). Генераторы и регенераторы были связаны между собой особой системой каналов для газа, воздуха и продуктов горения. Последние отводились в дымовую трубу высотой до 40 м, дававшей необходимую тягу. Генераторы располагались под подом или по бокам печи.

Регенераторы представляли собой особые камеры для нагрева газа и воздуха. Специальные переменные клапаны направляли газ и воздух то в одну камеру, то в другую, а продукты горения отводили в трубу. Горение происходило следующим образом. Газ и воздух нагревались каждый в своей камере, а затем поступали в плавильное пространство, где происходило горение. Продукты горения, пройдя над подом печи, устремлялись в регенераторы и отдавали здесь большую часть своей теплоты кладке регенераторов, а затем уходили в трубу.

Чтобы процесс происходил непрерывно, с помощью клапанов направляли воздух и газ то в одну пару регенераторов, то в другую. В результате такого продуманного теплообмена в печи достигала 1600 градусов, то есть превышала температуру плавки чистого безуглеродистого железа. Создание высокотемпературных печей открыло новые горизонты перед металлургией. К середине XIX века во всех промышленных странах имелись огромные запасы железного лома.

Из-за высокой тугоплавкости его не могли использовать в производстве. Французские инженеры Эмиль и Пьер Мартены (отец и сын) предложили сплавлять этот железный лом с чугуном в регенеративной печи и таким образом получать сталь. В 1864 году на заводе Сирейль они под руководством Сименса осуществили первую успешную плавку. Затем этот способ стал применяться повсюду.

Мартеновские печи были дешевле конвертеров и потому имели более широкое распространение. Однако ни бессемеровский, ни мартеновский способ не позволял получать высококачественную сталь из руды, содержащей серу и фосфор. Эта проблема оставалась неразрешенной в течение полутора десятилетий, пока в 1878 году английский металлург Сидней Томас не придумал добавлять в конвертер до 10-15% извести.

При этом образовывались шлаки, способные удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорал вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в высококачественную сталь. Значение изобретения Томаса было огромно. Оно позволило в широком масштабе производить сталь из фосфоросодержащих руд, которые в большом количестве добывались в Европе.

В целом введение бессемеровского и мартеновского процессов дало возможность производить сталь в неограниченных количествах. Литая сталь быстро завоевала себе место в промышленности, и начиная с 70-х годов XIX века сварочное железо почти совершенно выходит из употребления. Уже в первые пять лет после введения мартеновского и бессемеровского производств мировой выпуск стали увеличился на 60%.

Стальные изделия даже на фоне активного распространения высокопрочных пластиков сохраняют свои позиции на рынке. Углеродистые сплавы с разными характеристиками используются в приборо- и автомобилестроении, строительстве и на производствах. Уникальное сочетание упругости и прочности делает материал выгодным с точки зрения длительной эксплуатации. Соответственно, изделия служат дольше и дешевле обходятся в обслуживании. Но и это не все достоинства, которыми обладает сталь. Получение стали с применением современных технологий позволяет наделять структуру металла и дополнительными свойствами.

Общие сведения о технологиях производства

Главная задача технолога заключается в обеспечении процесса, при котором в заготовке уменьшается содержание углерода и всевозможных примесей, например серы и фосфора. Основой для заготовки выступает чугун. Стоит отметить, что печи для изготовления чугуна появились еще в средних веках, в то время как первое получение стали было реализовано только в 1885 г., и по сей день методы производства сплава развиваются и улучшаются. Различия в подходах к процессу преимущественно обусловлены способом окисления углерода.

В качестве исходного материала используется литейный чугун. Он может быть применен в твердом или расплавленном виде. Также могут применяться железосодержащие изделия, получение которых осуществлялось путем прямого восстановления. Практически все способы получения стали в том или ином виде также предусматривают процесс рафинирования от примесей. Например, конвертерная технология обеспечивает их выдувание кислородом.

Конвертерный метод

При таком способе в качестве основы может применяться расплавленный чугун, а также примеси и отходы в виде руды, металлического лома и флюса. Сжатый воздух подается через технологические отверстия на подготовленную основу, способствуя выполнению химических реакций. Также в процессе участвует тепловое воздействие, при котором происходит окисление кислорода и примесей. Особое значение имеют и характеристики печного сооружения, в котором обрабатывается сталь. Получение стали может происходить в агрегатах с разной футеровкой - наиболее распространены способы защиты конструкций огнеупорным кирпичом и доломитовой массой. По типу футеровки конвертерный метод подразделяется также на два других способа: томасовский и бессемеровский.

Томасовский способ

Особенностью данного метода является тщательная переработка чугуна, содержащего до 2 % фосфорных примесей. Что касается техники футеровки, то ее реализуют с применением и магния. Благодаря этому решению шлакообразующие элементы наделяются избыточным количеством оксидов. Процесс фосфорного горения выступает одним из ключевых источников тепловой энергии в данном случае. К слову, сгорание 1 % фосфорного наполнения повышает температуру печи на 150 °C. Томасовские сплавы отличаются малым содержанием углерода и чаще всего применяются в качестве технического железа. В дальнейшем из него изготавливают проволоку, и т. п. Кроме того, получение стали (чугунов) может применяться для выработки фосфористого шлака с целью дальнейшего использования в качестве удобрения на почвах с повышенной кислотностью.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния - порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро - в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях - для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и

Электротермический способ

На сегодняшний день электротермическое получение сталей считается наиболее эффективным. Так, по сравнению с мартеновскими печами и конвертером данная методика обеспечивает возможность более точного контроля качества стали - в том числе за счет регуляции химического состава. Отдельного внимания заслуживает и взаимодействие печных камер с воздушной средой. Электротермическая технология получения стали предусматривает минимальный доступ к воздуху, обуславливая уже другие преимущества. Например, это позволяет минимизировать скопления монооксида железа и посторонних частиц в сплаве, а также обеспечивать более эффективное выгорание фосфора и серы.

Высокий температурный режим на уровне 1650 °C дает возможность выполнять плавку проблемных шлаков, которые требуют термического воздействия на повышенных мощностях. Также в электропечах можно осуществлять за счет тугоплавких металлов, среди которых вольфрам и молибден. Однако есть и серьезный недостаток у данного метода получения сталей. Используемые печи требуют больших объемов энергии, что делает этот процесс самым дорогим.

Зависимость свойств металла от элементной базы

Эксплуатационные качества стали определяются набором химических элементов, которыми был наделен сплав в ходе изготовления. Одним из ключевых компонентов, благодаря которым данный металл обретает свои основные свойства в виде твердости и прочности, является углерод. Чем он выше, тем надежнее сталь. Марганец с кремнием особого влияния на качества материала не оказывают, но их использование необходимо в изготовлении некоторых для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, может иметь разные концентрации данных элементов. В любом случае сера повышает ломкость металла, а также уменьшает свойства прочности и пластичности. Фосфор, в свою очередь, наделяет сталь хладноломкостью, которая в процессе эксплуатации может быть выражена хрупкостью.

Техники обработки сталей

Далеко не всегда процесс окончательного формирования структуры металла завершается после основного получения. В дальнейшем, с целью совершенствования характеристик изделия, могут применяться средства дополнительной обработки. К таким можно отнести деформационные методы в виде ковки, штамповки и вальцевания. Это помогает уже на этапе производства сформировать комплекс необходимых технических свойств, которыми будет обладать готовая сталь. Получение стали на выходе дает пластичную структуру, поэтому и технологии первичной переработки достаточно разнообразны. Так, помимо деформирования, могут применяться методы и нормализации.

Заключение

Сталь ассоциируется с надежностью и долговечностью. В случае с качественными изделиями этого вида такие характеристики оправданы. Например, отдельные марки обеспечивают довольно высокие качества прочности и упругости. В зависимости от того, по какой технологии выполнялось получение, применение стали может быть ориентировано на поддержание твердости, способность выдерживать динамические нагрузки и т. д. Наиболее выгодный с точки зрения технико-эксплуатационных свойств металл позволяет получать электротермический способ. Но в то же время он является и самым дорогостоящим, поэтому к данной методике прибегают только в особых случаях - для создания спецсталей.

Удивительно, но сталь не считается изобретением Нового времени, о материале упоминается еще в древних трактатах.

Сталь во все времена считалась востребованным продуктом. Историю ее открытия можно условно разделить на три периода:

• древние времена , когда появились сыродутные горны;
• средние века , когда открыли переделочный процесс;
• вторая половина XIX века . Этот период связан с началом производства литой стали.

Древние времена

Первые упоминания о получении стали были известны уже за 1000 лет до нашей эры. Китайские металлурги во II ст. до н.э. получали ее из чугуна. Этот метод получил название "сто очисток". Он заключался в многоразовом интенсивном обдувании воздухом расплавленного чугуна при его передвижении. Это приводило к уменьшению части углерода в металле и приближению свойств стали. Открытие упоминается у трактате „Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.). Надо отметить, что буквально до XIX века сталь почти не использовалась, потому что ее производство было очень трудоемким и дорогим.

Когда резко возрос спрос на дешевую сталь и у ученых появилась мысль найти ответ на вопрос "каким образом получить металл со свойствами железа в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки?" - этим делом занялись серьезно. На решение данной проблемы с участием многих ученых-физиков ушли многие десятилетия.

До конца XVIII века процесс производства чугуна в мягкое ковкое железо осуществлялся исключительно в кричных горнах . Но этот способ переделки чугуна был очень трудоемок и сложен, требовал много затрат (на восстановление 1 кг железа уходило до 4 кг угля). Стал вопрос о необходимости поиска нового метода обработки чугуна.

Средние века

С 1742 года Бенджамин Хантсман начал выплавлять сталь не в открытой печи с древесным углем, а в нагреваемом тигле . Процесс получения стали получил название пудлингования . Основное отличие пудлинговой печи от кричного горна было в том, что допускалось использовать любое горючее топливо, а не только уголь. Например, можно было использовать неочищенный каменный уголь. Также пудлинговая печь не требовала принудительного вдувания, а доступа воздуха и необходимой тяги добивались с помощью высокой трубы. Открытие нового метода позволило получать более дешевую сталь, а печи Хатсмана стали использовать по всему миру.

Но не все шло так гладко. Пудлинговые печи имели существенный недостаток : для равномерного восстановления железа приходилось периодически открывать печь и перемешивать чугун, а это была задача не из легких. К тому же печь имела небольшие размеры, следовательно, за один раз обрабатывалось не много материала.

Вторая половина XIX века и современность

К середине XIX века пудлинговые печи перестали удовлетворять потребности промышленности. Многие ученые начали работать над вопросом замены технологии получения стали. Первым решить задачу удалось учёному из английского города Шеффилд. Его называют первооткрывателем "нержавеющей стали" и человеком, который заменил пудлинговую печь на доменную (сквозь массу бедного фосфором чугуна продувался сжатый воздух, который способствовал процессам окисления). В 1913 году он запатентовал самый первый вариант мартенситной стали. Именно она стала предшественником современной стали под маркой AISI 420. В 1878 г. Сидни Гилкристу Томасу удалось изобрести "томасовский процесс" для удаления фосфорных примесей из железной руды в процессе плавки. Несмотря на это, первым ученым, кто задокументировал все положительные химические свойства нержавеющей стали, принято считать французского учёного и изобретателя Леона Джиллета .

В 1912 году Эдуард Маурэр и Бенно Штраус из немецкой компании "Krupp Iron Works" запатентовали первую аустенитную сталь, которая содержит 7% никеля и 21% хрома. Через 10 лет, в 1924 году, Хартфилд (преемник Бреарли) запатентовал нержавеющую сталь под маркой 18-8 (18% хрома и 8% никеля). В это время появились кислородные конвертеры и электрические печи для выплавки стали.

В 1952 г.году в Австрии заработал первый в мире сталелитейный завод на основе ЛД-процесса, который заключался в удалении из чугуна примесей в конвертере продувкой техническим кислородом.

Менее чем за столетие нержавеющая сталь стала самым востребованным материалом промышленного производства. Сегодня существует около 100 типов нержавеющей стали с процентным содержанием хрома больше десяти. Из этого материала изготовляют корпуса самолетов и поездов, мелкую бытовую технику и приборы, медицинскую технику и т.д.

Берет начало с тех времен, когда на земле появилось человечество. За все это время сделано огромное множество замечательных открытий и изобретений. Но способы добычи стали по праву можно назвать главным среди всех изобретений, среди всех открытий. Автор фото: Сергей Богомяко Это благодаря стали человек стал могущественным, способным сдвигать горы и поворачивать реки, смог покорить океаны и небесные выси. Тысячелетия отделяют нас от того времени, когда впервые был получен этот поистине чудесный материал. Изготовление некоторых видов стали долгое время было в секрете. Так на протяжении столетий существовала , которую смогли разгадать только в XIX столетии, (подробнее: ). В наши дни мощь и богатство любой страны определяются в первую очередь тем, сколько стали выплавляют ее заводы.

Добыча руды

Для производства стали прежде добывают руду и топливо. Но, даже имея в достаточном количестве и каменный уголь, (подробнее: ) нельзя еще приступать к изготовлению стали. И руду и уголь необходимо по-особому приготовить. Руду обогатить, из каменного угля сделать кокс.

Обогащение руды

Долгий и сложный путь проделывает руда, прежде чем превратится в сталь. И первый этап на этом пути – обогащение руды на обогатительная фабрика. Сначала руду дробят с помощью машин, которые так и называются дробилками . Первая, самая мощная, раскалывает крупные глыбы на куски. Затем вторая превращает эти куски в щебень и так далее. До тех пор, пока из руды не получится крупа. Но и этого еще не полное обогащение. Далее отправляют руду на мельницу и превращают ее в порошок. И только теперь начинается то, что металлурги называют обогащением, – отделение руды от сопутствующей породы, с которой она вместе лежала в земле. Происходит это так. Порошок смешивают с водой и пропускают между магнитами. Магниты и выбирают из мутного потока частицы магнитного железняка. А то, что не нужно, – это уже не трудно догадаться, – уносится водой. Но даже такая отобранная руда еще не пригодна для дальнейшей переработки. Содержание железа в ней значительно повысилось. Однако и это еще не все. Руду снова надо превратить из порошка в куски. Для этого порошок смешивают с коксом, известью и сильно нагревают.

Кокс

Для выплавки стали главным топливом служит каменный уголь . Но не в том виде, который добывают шахтеры. Добытый уголь содержит много примесей, которые могут вредно повлиять на будущий металл. И поэтому их необходимо удалить. Уголь, как и руду, для этого сначала размалывают в тончайший порошок. Потом этот порошок в специальной камере нагревают без доступа воздуха. Из угля выделяются газ и смола. Вместе с ними уходят и другие ненужные примеси. А сам угольный порошок спекается в плотную пористую массу. Пышущую жаром массу выталкивают из камеры на металлическую платформу и охлаждают водой. От резкого охлаждения масса разваливается на куски. Эти куски и есть кокс . Вот теперь и руда и топливо подготовлены. Можно приступать к плавке. Но пока еще не к плавке стали. Прежде чем железная руда превратится в сталь, ей еще предстоит стать чугуном . Этот процесс происходит в домне . Домна – это печь-гигант. Даже десятиэтажный дом не кажется очень большим рядом с такой печью. Горит эта печь непрерывно в течение десятков лет. Металлурги время от времени загружают в нее руду, кокс и известь – она тоже во время плавки необходима, – и выпускают готовый чугун. Какие процессы происходят в домне, как руда превращаться в чугун? Чтобы разобраться в этом, надо снова вернуться к железной руде.

Чугун

Железная руда – это окисленный металл, т.е. соединение железа с кислородом. Для получения чистого металла необходимо вести борьбу с кислородом. Эта борьба начинается, когда металлурги загружают в домну руду и кокс. При высокой температуре кислород соединяется с углеродом кокса и расстается с железом . Получается углекислый газ . А оставшийся углерод тут же занимает место кислорода и соединяется с железом. Железо плюс углерод – это и есть чугун .
Чтобы ускорить плавку, в металлурги стали использовать кислород против кислорода. Для того чтобы жарче горело пламя, в домну накачивают не просто воздух, а чистый кислород. Современные домны работают на природном газе. А это не только ускоряет плавку, но и значительно сокращает расход кокса. Что дает возможность получать более дешевый чугун.

Путь удешевления металла

Металлургия прошла еще один путь удешевления металла . Путь этот – замена дорогого человеческого труда трудом машин. Если раньше все работы по обслуживанию домны в основном выполнялись вручную, теперь в помощь металлургам пришли транспортеры, погрузочные механизмы, подъемные краны . Многие операции вообще выполняются без участия человека. Их выполняют автоматы. В настоящее время домна работает почти совсем без помощи людей. Все процессы автоматизированы. Автоматика принимает от приборов сообщения о качестве руды и кокса и отдает команду механизмам-исполнителям, сколько надо отвесить и загрузить в печь того и другого. Потом она проверяет температуру в печи. Если надо, добавит или убавит кислорода, газа. К желобу, по которому из печи выпускают металл, подъедет железнодорожная платформа с ковшами. Специальная бурильная машина рассверливает отверстие для слива металла, оно называется леткой. А закрывают леточное отверстие с помощью специальной пушки. Посредством поршневого механизма подается огнеупорная масса, которой и закрывается канал после слива чугуна. Сразу же после слива металла начинается загрузка шихтового материала через колошник – верхнюю часть печи, ведь плавка в домне идет непрерывно.

Сталь

Речь идет о том, как руда превращается в сталь . Ведь чугун, первая ступень на пути этого превращения. Но чем отличается чугун от стали, ведь это тоже металл? Чугун нельзя ковать, трудно обрабатывать на металлорежущих станках. И это потому, что в нем очень много углерода. А углерод – вещество хотя и очень твердое, но хрупкое. Вот и железо, соединившись с ним в доменной печи, стало очень хрупким. Другое дело – сталь. Она и ковке поддается – ее можно штамповать, придавать стальным листам разную форму. Ее и на станках обрабатывают, вытачивают всевозможные детали. Чугун так же необходим в производстве. Из него отливают те изделия, которые потом не требуют тщательной обработки. Например, станины, на которых станки стоят, маховики для моторов, трубы. Но основная часть чугуна, идет в дальнейшую переработку – на изготовление стали .

Мартеновские печи

Один за другим наполнились ковши – чугуновозы, и состав отправляется в цех, где выстроились в ряд мартеновские печи . Что такое мартеновские печи? Здесь уже знакомый нам чугун снова попадает в пламень. Правда, не сразу. Такое количество чугуна, которое прислала сюда домна, мартены переработать сразу не могут. Их в цехе много, но они значительно меньше домны. Поэтому чугун сначала попадает в термосы. Здесь, в мартеновском цехе, их называют миксерами . Их задача: не дать чугуну охладиться, сохранить его жидким. Отсюда по мере необходимости и берут его сталевары для заливки в мартены. Не просто сварить сталь. Тем, кто это делает, не только многое уметь надо, но и очень многое знать. Ведь это от них зависит, какая сталь выйдет из мартена – прочная ли и упругая, из которой потом изготовят рельсы для поездов и самые ответственные детали машин, или мягкая, которая пойдет, к примеру, на изготовление листов для крыши. Каждую марку стали варят в мартенах по особой технологии. Тут и металлолом, и цветная руда, и марганец, и никель, и хром и многое-многое другое требуется. А главное, конечно, чугун. Началась загрузка печи. Подъемные краны одну за другой подхватывают многотонные коробки – мульды, заносят в печь и высыпают содержимое. Называется эта операция завалкой печи. Но вот опрокинут последний короб. Все сильней бушует в печи пламя. Бригадир смотрит на приборы. Металлолом, известь и руда достаточно прогрелись. Настал момент заливать чугун. Его уже привезли из миксеров, он стоит тут и нестерпимо пышет жаром. Стальная рука крана подхватывает ковш и выливает расплавленный чугун в огнедышащую пасть мартена. Варка стали началась. Теперь все зависит от сталевара, от его умения, опыта.
Автор фото: Сергей Богомяко Конечно, современному сталевару верно служит техника. Она вооружила его разными приборами. Они подробно сообщают ему о том, что делается в печи, но нет-нет да и опустит бригадир на глаза защитные очки, заглянет через специальное отверстие в клокочущее нутро мартена. Время от времени посылают сталевары пробы металла в специальную лабораторию. Очень быстро работает лаборатория. Ее даже за скорость на металлургических заводах называют «экспресс-лабораторией». Так скоро сообщает она тем, кто стоит у мартенов, сколько в данный момент углерода, серы, фосфора и других элементов в металле. Но вот проходит положенный срок, взята последняя проба, по всему цеху разнесся по радио результат последнего анализа – металл готов. Словно солнце вспыхивает в цехе. Поток металла устремляется в изложницы. Но что же произошло в мартене? Почему чугун превратился в сталь? Чтобы это понять, вспомним, что произошло с рудой в домне. Там, железо рассталось с кислородом. Его место занял углерод. В мартене из чугуна удаляют часть углерода. Он сгорает в кислороде воздуха, который непрерывно подают в печь автоматы. И чем больше выгорает углерода, тем более вязкой, более мягкой выходит из печи сталь. А если от нее требуются какие-то основные качества, их придадут ей специальные добавки – марганец, хром, кремний. Словом, то, что положено по технологии для данной марки стали. Технике нужна разная сталь. И сталевары выполняют все ее запросы. Сталь сварена. Выпущенная из мартена, она попала в изложницы. Здесь она постепенно охладилась и застыла. Но изложницы – это огромные ванны. И когда сталь вынимают из них, получаются слитки металла в несколько тонн весом. Поэтому сталь сначала превращают в бруски, удобные для работы. Делают это на специальных обжимных станах. Их называют блюмингами . Современный блюминг – очень большая и сложная машина. Она похожа на длинную роликовую дорогу. Заранее разогретые огромные слитки металла с большой скоростью проносятся по ней. По пути они попадают в стальные валки. Эти валки со всех сторон обжимают слитки и превращают их в бруски нужных размеров.
Автор фото: Сергей Богомяко И только после этого бруски отправляют на прокатные станы, где из них делают рельсы, балки, трубы, стальные листы или толстые и тонкие прутки. Все, что необходимо.

Кислородно-конвертерный способ

Кроме мартеновского способа производства стали на современном этапе существует кислородно-конвертерный способ с комбинированной продувкой. Процесс получения стали из чугуна этим способом происходит без затрат топлива. В конвертере происходит продувка чугуна чистым кислородом. Чугун окисляется, происходит выделение тепла, сгорают ненужные примеси и, как результат, происходит раскисление металла. История производства стали непростая. Чтобы выйти на современный уровень, было пройдено много этапов. От слитка металла полученного на костре и поковки в кузне, до современных сталеплавильных заводов с прокатными и механическими цехами.

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

Расплавление породы

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием - оксидом кальция (CaO) - распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Раскисление металла

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

• спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
• полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

• системы обеспечения аргоном;
• сосуды конверторов и их несущие кольца;
• оборудование для фильтрации пыли;
• система для удаления конверторного газа.

Участок электропечей:

• печи индукционного типа;
• дуговые печи;
• емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
• участок складирования металлического лома;
• преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

• очищение стали от серы;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

• LF-оборудование;
• SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

• крышки ковшей;
• ковши литейного и разливочного типа;
• шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

• поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
• оборудование для осуществления непрерывной разливки;
• вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
• лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
• промежуточные ковши и площадки для складирования;
• пробочный механизм;
• мобильные мешалки для чугуна;
• оборудование для обеспечения охлаждения;
• участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
• внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.