Основой для производства стали является железная руда. Из нее выплавляют железо (Fe), которое на 90-98% от общего объема и входит в состав сплава. Также в число компонентов включают углерод (0,02-2,1%), он необходим для увеличения показателей прочности и жесткости стали.
Собственно, добавление углерода к железу и превращает сплав в сталь. Однако избыток этого элемента может сделать материал хрупким. Для улучшения и модификации свойств в число компонентов стали могут быть включены различные легирующие компоненты.
Полезные и вредные примеси в составе стали
Одни химические элементы, которые добавляют в сплав, чтобы получить определенные свойства, улучшают характеристики металла, другие могут негативно воздействовать на качество стали.
К полезным примесям относят:
- Углерод (C) — одна из основных легирующих добавок, повышает прочность и твердость стали. Увеличение содержания углерода в составе добавляет сплаву пластичности и сопротивляемости к излому.
- Марганец (Mn) — элемент, увеличивающий прочность и твердость, он также улучшает свариваемость и обработку металлов. А еще используется, когда необходимо удалить кислород и серу из состава.
- Хром (Cr) — эта примесь увеличивает коррозионную стойкость стали и твердость металла, используется для изготовления нержавеющей стали.
- Никель (Ni) необходим для повышения стойкости стали к коррозии и улучшения ее механических свойств, в частности, в низкотемпературных условиях эксплуатации изделий.
- Молибден (Mo) — химический элемент, повышающий прочность сплава при высоких температурах и влияющий на устойчивость к коррозии.
- Ванадий (V) увеличивает прочность и износостойкость благодаря образованию карбидов.
- Титан (Ti) обычно используется для уменьшения в составе углерода и азота, а также для повышения прочности.
Негативное воздействие некоторых элементов в составе стали способно ухудшать ее качество и даже приводить к разрушению металла. Такими вредными примесями являются:
- Сера (S) — элемент способен снижать пластичность и ухудшать свариваемость, может приводить к образованию трещин в металле.
- Фосфор (P) — добавка увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах. В больших количествах ухудшает механические свойства.
- Кислород (O) приводит к образова нию оксидов и может ухудшать механические свойства стали, снижая ее прочность и пластичность.
- Водород (H) вызывает водородное растрескивание, особенно в сварных соединениях.
- Азот (N) приводит к разрушению структуры стали.
Чтобы снизить содержание вредных примесей в сплаве, его подвергают очистке или дополнительно включают полезные элементы. Эффективное управление содержанием примесей и добавление легирующих компонентов способствуют получению стали с необходимыми свойствами для различного применения.
Этапы производства стали из руды
- Добыча и подготовка сырья. Железную руду (обычно в виде оксидов) добывают в шахтах и подвергают предварительной обработке путем дробления на мелкие кусочки.
- Выплавка. Плавка железной руды происходит в высокотемпературных печах. В качестве топлива при этом используют угольный кокс, а удалению примесей способствуют флюсы. В результате этого процесса образуется расплавленный чугун, содержащий высокое количество углерода и примесей.
- Окончательная обработка. В процессе мартеновской плавки чугуна добавляют легирующие элементы и удаляют избыток углерода и других примесей. При производстве стали с использованием конвертерных печей используется кислород для окисления углерода и примесей.
- Литье и формование. Полученный металл отливают в формы или слитки, которые затем подвергают горячей или холодной обработке для формирования конечных продуктов: листов, слитков, труб.
- Термическая обработка. Для улучшения механических свойств стали может потребоваться тепловое воздействие на нее: закалка, отпуск и нормализация.
- Контроль качества. Готовый продукт проходит испытания на качество, включая проверку механических свойств, коррозионной стойкости и микроструктуры.
- Упаковка и доставка. После успешного контроля качества, сталь упаковывают и готовят к отправке конечным пользователям, либо направляют на дальнейшую переработку.
Другие источники получения сырья для выплавки стали
- Металлолом. Еще одним способом получения сырья для производства стали является сбор вторичных материалов — стального лома, который позволяет снизить финансовые затраты и уменьшить воздействие на окружающую среду.
Из металлолома сталь получают с помощью двух технологий: электродуговая печь (EDP) и конвертерное производство. Перед переплавкой металл сортируют и очищают от мусора, остатков покрытий и примесей, затем измельчают и плавят, при необходимости добавляя легирующие компоненты.
- Железо прямого восстановления (или губчатое железо). Это продукт, получаемый в процессе прямого восстановления железной руды, при котором железо извлекается из оксидов (например, Fe2O3 или Fe3O4) с использованием газообразных восстановителей (водород или угарный газ) без плавления.
Метод позволяет получать металлическое железо без участия доменной печи. Губчатое железо имеет пористую структуру, что объясняет его название. Оно содержит высокую концентрацию Fe (обычно свыше 90%) и невысокое количество примесей. Продукт может быть использован как сырье для дальнейшей переработки и создания сталей и сплавов.
Такой способ получения сырья для выработки стали наиболее экологичен, поскольку при нем ниже расход энергии и меньше выбросов углекислого газа по сравнению с традиционной доменной металлургией. А на выходе — более чистый продукт с минимальным содержанием примесей.
