Формула и секреты производства высококачественной стали
Сталь - удивительный материал, сочетающий в себе высокую прочность, пластичность, износостойкость и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и технологии производства, свойства стали могут существенно различаться.
История стали
Первые образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция) и датируются 1800 годом до н.э. Известно, что в древней Индии высоко ценилась индийская сталь, от которой впоследствии произошел знаменитый булат. В средневековой Японии для изготовления мечей использовалась сталь тамахаганэ , обладавшая уникальными свойствами. А в Европе особой славой пользовались испанские мечи-копьи, сделанные из стали с высокой упругостью.
Настоящий прорыв в металлургии произошел лишь в XIX веке после изобретения технологии литой стали инженером Генсманом и разработки способа производства нарезных стволов для артиллерии инженером Армстронгом в 1854 году. Эти открытия позволили значительно расширить области применения стали.
Химический состав стали
Основу любой стали составляет сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали может варьироваться от 0,02% до 2,14%. Для наглядного представления влияния углерода на свойства стали используется диаграмма состояния железо-углерод:
| До 0,025% С | Феррит |
| 0,025—0,8% С | Феррит + Перлит |
| > 0,8% С | Перлит + Цементит |
Помимо углерода, для улучшения свойств в сталь вводят легирующие элементы: кремний, марганец, хром, никель и другие. Они образуют с железом различные химические соединения, влияющие на структуру и свойства стали. Например, хром повышает коррозионную стойкость, никель - пластичность и вязкость.
Технологии производства стали
Существует несколько основных способов производства стали:
- Бессемеровский
- Мартеновский
- Электротермический
- Конвертерный
Наиболее распространен конвертерный способ. Суть его заключается в продувке расплавленного чугуна кислородом в специальной грушевидной печи, называемой конвертером. При этом происходит окисление избыточного углерода и других примесей с образованием стали нужного химического состава.
После выплавки сталь сливается в ковш, где по необходимости проводится дополнительное рафинирование и легирование. Например, для уменьшения содержания растворенных газов используют вакуумирование расплава, а для введения легирующих элементов добавляют ферросплавы.
Затем расплавленная сталь разливается в изложницы или непрерывнолитые заготовки. После затвердевания слитки подвергаются дальнейшей обработке в зависимости от назначения стали.
Таким образом, секрет производства высококачественной стали заключается в точном соблюдении всех параметров технологического процесса: строгом контроле химсостава металла, режимов плавки, обработки расплава, его разливки и охлаждения.
Свойства и структура стали
Структура стали определяется содержанием углерода и легирующих элементов. Различают следующие основные структурные составляющие:
- Феррит
- Перлит
- Аустенит
- Мартенсит
- Бейнит
От соотношения этих структурных составляющих зависят механические и другие свойства стали. Например, феррит обеспечивает пластичность, мартенсит - высокую твердость, аустенит придает коррозионную стойкость.
Термическая обработка стали
Для придания стали необходимого комплекса свойств используется термическая обработка, включающая нагрев, выдержку при заданной температуре и последующее охлаждение с регламентированной скоростью. Основные виды термообработки:
- Закалка
- Отпуск
- Нормализация
При закалке сталь быстро охлаждают для получения высокой твердости. Что такое сталь после закалки? Это твердый и в то же время хрупкий материал. Поэтому закалку часто совмещают с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений и придания пластичности.
Химико-термическая обработка
Помимо изменения структуры стали, применяют химико-термическую обработку для изменения свойств поверхностного слоя:
- Цементация
- Азотирование
- Цианирование
Наиболее распространен метод цементации, заключающийся в насыщении поверхности стали углеродом при нагреве в контакте с углеродосодержащим веществом. При этом формируется твердый поверхностный слой и вязкая сердцевина детали.
Классификация и маркировка сталей
Существует множество систем классификации сталей в зависимости от их состава, назначения, качества и способа производства. Например, по химическому составу различают углеродистые и легированные стали. А по качеству выделяют стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Для идентификации марок сталей применяют цифровые и буквенные обозначения химического состава, назначения и основных свойств согласно ГОСТам и ТУ. Например, сталь 45 - это конструкционная углеродистая сталь, содержащая 0,42-0,5% углерода. А 12X18H10T - коррозионностойкая хромоникелевая сталь с определенным составом легирующих элементов.
Производство стали в мире
Мировым лидером по производству стали является Китай. В 2017 году его доля составила 49% от всего объема произведенной стали в мире. Второе и третье место занимают Япония и Индия.
Всего в 2017 году в мире было выплавлено 1691,2 млн тонн стали. Для сравнения, в 2015 году этот показатель составлял 1620 млн тонн. Таким образом, несмотря на кризисы, глобальное производство стали продолжает расти.
Стоимость и торговля сталью
По данным на 2019 год, мировой рынок первичной стали оценивался в 380 млрд долларов США. Основные экспортеры стали - Китай, Япония, Германия, Южная Корея и Россия. Крупнейшими импортерами выступают Германия, США, Китай и Италия.
Несмотря на кризис 2008 года, когда производство стали сократилось почти на 30%, отрасль восстановилась и продолжает активно развиваться по всему миру. Это свидетельствует о стратегической важности стали как базового конструкционного материала.
Перспективы развития металлургии
Хотя основы производства стали были заложены более века назад, наука не стоит на месте. Ведутся разработки принципиально новых технологий выплавки стали с улучшенными характеристиками:
- Электрошлаковый переплав
- Плазменная плавка
- Электронно-лучевой переплав
Кроме того, создаются новые виды сталей со специальными свойствами для передовых отраслей промышленности. Так сталь остается по-прежнему востребованным и актуальным материалом даже в век композитов и нанотехнологий.
Выводы
Подводя итог, можно сказать, что универсальность стали определяется возможностью варьировать ее состав и свойства. Формула стали это не только соотношение железа и углерода. Это еще и точная технология производства, позволяющая получить сталь с заданными характеристиками.
Зная формулу стали, особенности ее поведения в различных условиях и принципы модифицирования свойств, человек смог эффективно использовать этот материал в самых разных областях: от хирургических скальпелей до космических кораблей.