Сталь: получение стали, процесс и способы. Технология получения стали

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 оксидов кальция 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, кровельное железо 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 легированные стали.

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 легирование стали 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 марок стали для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, состав стали 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 закалки, отжига 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.