Сталь

История сталеплавильного производства

Древние стали

Сталь известна с древних времен, когда ее производили в кричном горне – выплавка чугуна, железа с высоким содержанием углерода. Самой древней находкой из стали является часть крепежа, обнаруженная во время археологических раскопок в Малой Азии. Ее возраст составляет около 4000 лет. Другие изделия из древних сталей были найдены в Восточной Африке, и датируются начиная с 1400 г. до н.э. В 4 веке до н.э. на Пиренейском полуострове применяли стальное оружие, представляющее собой изогнутые мечи, называемые копис, а также стальным оружием пользовались воины Римской Империи. В Китае применяли закаленную сталь, а также создали сплав кованогоо железа с чугуном.

Булатная сталь и булат

Доказательства производства высококачественной углеродистой стали были найдены на полуострове Индостан в Шри-Ланке. Булатную сталь производили в Индии около 300 г. до н.э. В Китай метод создания булатной стали привезли из Индии в 5 веке н.э. В Шри-Ланке для производства высокоуглеродистых сталей использовали дутьевые печи, продуваемые муссонами.

Естественный ветер использовали там, где почвы содержали железо. Нагрев осуществлялся посредством дров. В то время из каждых 2 тонн почвы удавалось получить 1 тонну стали, что тогда считалось настоящим подвигом. Одна из таких печей находится в Шри-Ланке, поэтому археологи смогли попробовать изготовить сталь так, как это делали наши предки.

Также широко была известна дамасская сталь, которая славилась своей прочностью и острым краем. Изначально ее делали из нескольких различных материалов и микроэлементов. По существу это был сложный сплав, основным компонентом которого является железо. Последние исследования показали, что в его структуре были углеродные нанотрубки, которые объясняют некоторые из легендарных свойств дамасской стали, хотя в те времена этот сплав был получен случайно, а не специально.   

Тигельные стали, образуются при медленном нагревании и охлаждении чистого железа с углеродом (обычно для этих целей используют древесный уголь) в тигле. Так делали в Мерве в древнейшем городе Средней Азии с 9 по 10 век н.э. Есть сведения, что в 11 веке сталь в Китае производили двумя методами, в результате одного из них получалась неоднородная сталь, а другой стал предшественником современного бессемеровского метода, представляющий собой повторную ковку под холодным воздухом.

В Европе с 17 века, первым этапом производства стали, была выплавка железной руды или чугуна в доменной печи из руды и угля при доступе воздуха. Сейчас вместо древесного угля используют кокс, который стоит на порядок дешевле. Для получения ковкого железа, чугун необходимо было обрабатывать дальше. Тиглевые стали плавили в тигле, и в отличие от литья, они имели более однородную структуру. До того как был изобретен тигль, в печах не удавалось достичь температуры плавления стали. Тигль изобрел Бенджамин Хантсмен в 40-х года 18 века. Пузырчатую сталь получали в тигле или в печи, после чего из нее отливали слитки.

Процессы, начиная от чугуна

Современная эпоха металлургии началась с изобретения бессемеровского процесса, основоположником которого в 1858 году стал Генри Бессемер. В результате недорогую сталь начали выпускать в больших количествах, поэтому мягкую сталь в наше время используют для решения многих задач, для которых раньше применяли кованое железо.

Позже бессемеровский процесс усовершенствовали, посредством нового метода удаления фосфора. Другим улучшением стал мартеновский процесс, который дополнил бессемеровский процесс.

Переработку металлолома осуществляют в электродуговых печах, что дает возможность преобразовывать чугун в сталь, но при этом требуется большое количество электроэнергии, поэтому этот способ экономически оправдан лишь в том случае, если есть доступ к дешевой электроэнергии.

Современная сталь

В наше время сталь производят в сочетании с различными сплавами металлов, что позволяет решить массу задач. Углеродистая сталь, представляет собой сплав железа с углеродом, и на нее приходится 90% выпуска стали. Высокопрочная низколегированная сталь в своем составе имеет небольшие дополнения других элементов, к примеру, это может быть марганец, молибден, хром или никель. Нержавеющая сталь в своем составе содержит как минимум 11% хрома, часто в сочетании с никелем, чтоб успешно противостоять коррозии (ржавчине). Некоторые из марок нержавеющей стали обладают магнитными свойствами, а другие являются немагнитными.

Инструментальная сталь и некоторые другие виды стали содержит большое количество вольфрама и кобальта, что позволяет максимизировать процесс закалки, применять дисперсионное твердение и повысить термостойкость сплава. Из инструментальной стали обычно делают топоры, сверла и другие приспособления, которые требуют повышенной прочности. Существуют также стали специального назначения, к примеру, такие как кортеновская сталь, которая под действием атмосферы покрывается тонким слоем ржавчины, защищающим ее поверхности от коррозии, поэтому ее можно использовать без окрашивания.

Другие высокопрочные сплавы, к примеру, двухфазная сталь, которую получают посредством термообработки, имеет повышенную прочность за счет ферритной и мартенситной микроструктуры. Метастабильную высокопрочную аустенитную сталь с высокой пластичностью или так называемую трип-сталь получают путем легирования и термической обработки, которая позволяет стабилизировать аустенит при комнатной температуре в нормальный аустенит, присутствующий в низколегированных сталях с ферритной структурой. При определенном виде деформации металла аустенит переходит в мартенсит без дополнительного нагрева, что повышает прочность металла.

Марганцевая сталь содержит 12-14% марганца, который делает сталь износостойкой. Из нее делают гусеницы танков и бульдозеров, а также лезвия ножей в комбинированном и режущем устройстве комплекта «Челюсти жизни», которые позволяют разрезать листовую сталь толщиной до 5 мм. Часто в работе применяют оцинкованную сталь. Такая сталь не является сплавом, а ее поверхность для защиты от коррозии либо гальванизируют, либо покрывают тонким слоем горячего цинка.

Черная металлургия

В наше время всем известно о «черной металлургии», как о части сталелитейной промышленности, но на самом деле в результате получаются абсолютно разные продукты. Показатели сталелитейной промышленности определяют экономический рост, потому что сталь играет важную роль в инфраструктурном и экономическом развитии. Массовый спрос на сталь вызвал экономический бум в Китае и Индии. По данным Великобритании Китай стал крупнейшим производителем стали в 2005 году, предоставляя третью часть продукции от мирового выпуска стали. За ним следовали Япония, Россия и США. В 2008 году сталью начали торговать на Лондонской бирже металлов. В конце 2008 года рынок черной металлургии столкнулся с резким спадом.

Применение стали

Железо и сталь широко применяют в строительстве автомобильных дорог, железных дорог и других объектов инфраструктуры, а также зданий, машин, механизмов и приборов. Большинство крупных современных архитектурных объектов, таких как стадионы, небоскребы, мосты и аэропорты поддерживает стальной каркас. Не смотря на то, что использование алюминия растет, автомобильные кузова все еще делают из стали. Сталь также используют для производства различных строительных материалов, к примеру, болтов, гвоздей и винтов. Еще сталь используют в судостроении, трубопроводном транспорте, горной промышленности, в морской и авиакосмической промышленности, в производстве тяжеловесного оборудования, офисной мебели, бытовой техники, посуды, инструментов и оружия.

Переработка

Сталь является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире. В переработку обычно поступает вторичное сырье от контейнеров, автомобилей, оборудования и строительных материалов. Утилизация металлолома успешно практикуется более чем 150 лет, потому что это экономически выгодно. Переработка вторсырья, стоит дешевле, чем добыча и обработка железной руды. В процессе переработки сталь не теряет своих физических свойств, при этом затраты энергии и материалов на порядок ниже. Поскольку стальные балки изготавливают стандартных размеров, то при их переработке остается мало отходов, которые к тому же могут быть использованы вторично.