Металлургия стали

Металлургия стали — это отрасль металлургии, охватывающая промышленные способы производства стали из чугуна, металлического лома и других железосодержащих материалов, а также процессы внепечной обработки, разливки и кристаллизации стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом (содержание углерода обычно от 0,02 % до 2,14 %), а также с легирующими элементами, придающими ей заданные механические, физические и химические свойства. Металлургия стали является ключевой подотраслью чёрной металлургии и фундаментом современной промышленности, машиностроения, строительства и оборонного комплекса.

История

Древние и средневековые способы

Первые способы получения стали были известны ещё в древности. В Древней Индии и на Ближнем Востоке получали булатную сталь (вуц) — высокоуглеродистый сплав с характерной узорчатой структурой, получаемый путём длительной цементации железа в тиглях. В Китае с VI века до н. э. применяли метод цементации — нагревание железа в контакте с древесным углем для насыщения поверхности углеродом. В средневековой Европе сталь получали в сыродутных горнах, где из руды выплавляли кричное железо, а затем подвергали его многократной проковке и закалке. Однако эти методы были малопроизводительными и не позволяли получать сталь однородного состава.

Промышленная революция

Ключевым прорывом стало изобретение бессемеровского процесса в 1856 году английским инженером Генри Бессемером. В конвертере с кислой футеровкой через расплавленный чугун продували воздух, что обеспечивало выжигание избыточного углерода и примесей. Однако процесс не подходил для переработки чугунов с высоким содержанием фосфора. В 1878 году Сидни Гилкрист Томас разработал томасовский процесс с основной футеровкой, что позволило удалять фосфор. Параллельно в 1864 году Пьер-Эмиль Мартен и братья Сименс внедрили мартеновский процесс — плавку в регенеративной печи, где сталь получали из чугуна и лома. Мартеновский способ доминировал в мире до середины XX века.

XX век и современность

В 1952 году в Австрии на заводах города Линц был разработан кислородно-конвертерный процесс (LD-процесс), при котором в конвертер подают технически чистый кислород вместо воздуха. Это резко повысило производительность и качество стали. В 1960—1970-х годах широкое распространение получила электросталеплавильная печь (ЭСП), работающая на электрической дуге. ЭСП позволяет перерабатывать практически 100 % металлолома и получать легированные стали высокого качества. В конце XX века ведущим способом производства стали в мире стал кислородно-конвертерный, а доля мартеновского процесса к 2020-м годам сократилась до единичных процентов (в основном в России и странах СНГ, где он постепенно выводится из эксплуатации).

Сырьё и материалы

Основными сырьевыми компонентами для производства стали являются:

• Чугун — продукт доменной плавки, содержащий 4—5 % углерода, а также кремний, марганец, фосфор и серу. Чугун является основным источником железа в кислородно-конвертерном процессе.
• Металлический лом (стальной и чугунный скрап) — вторичное сырьё, используемое как в конвертерах (до 25—30 %), так и в электросталеплавильных печах (до 100 %).
• Ферросплавы — сплавы железа с легирующими элементами (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, феррованадий и др.), вводимые в сталь для придания ей заданных свойств.
• Флюсы (известь, плавиковый шпат) — вещества, образующие шлак и связывающие вредные примеси (серу, фосфор).
• Кислород — технически чистый кислород (99,5 %), подаваемый в конвертер для окисления примесей.
• Электроэнергия — основной энергоноситель в электросталеплавильном производстве.

Основные способы производства стали

Кислородно-конвертерный процесс

Наиболее распространённый способ (более 70 % мирового производства стали). Процесс осуществляется в конвертере — грушевидном сосуде с футеровкой из огнеупорного кирпича. В конвертер заливают жидкий чугун (70—80 %) и добавляют лом (20—30 %). Затем через фурму сверху подают струю кислорода под давлением. Кислород окисляет углерод, кремний, марганец, фосфор и другие примеси, выделяя большое количество тепла, которое поддерживает температуру расплава (1600—1650 °C). Шлак, образующийся из продуктов окисления и флюсов, всплывает на поверхность и удаляется. Продолжительность плавки — 30—50 минут. После выпуска стали из конвертера её подвергают внепечной обработке.

Электросталеплавильный процесс

Сталь выплавляют в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) или индукционных печах. В ДСП электрическая дуга между графитовыми электродами и шихтой расплавляет металлолом (реже — чугун). Температура в печи достигает 1800—2000 °C. Преимущества: возможность точного регулирования состава, получение высоколегированных и нержавеющих сталей, низкое содержание вредных примесей. Электросталь составляет около 25—30 % мирового производства. В России доля электростали составляет около 30 % (данные 2023 года).

Мартеновский процесс

Устаревающий, но исторически значимый способ. Плавка ведётся в пламенной регенеративной печи, где тепло от сжигания газа или мазута передаётся шихте через свод и факел. Мартеновские печи позволяют перерабатывать как чугун, так и лом в любых соотношениях. Продолжительность плавки — 5—8 часов. В России мартеновское производство сохраняется на нескольких предприятиях (например, на «Уральской стали»), но к 2025—2030 годам планируется его полная замена конвертерным и электросталеплавильным способами.

Прочие способы

• Бессемеровский и томасовский — практически не применяются.
• Прямое восстановление железа (DRI/HBI) — получение губчатого железа из руды без плавления, с последующей плавкой в ЭСП. Используется в регионах с дешёвым природным газом (например, на Ближнем Востоке, в России — проект «Металлоинвест»).

Внепечная обработка стали

После выпуска из плавильного агрегата сталь подвергается внепечной обработке для улучшения качества:

• Дегазация — удаление растворённых газов (водорода, азота, кислорода) в вакуумных камерах (RH-процесс, VD-процесс).
• Десульфурация — удаление серы путём ввода кальцийсодержащих материалов (силикокальций, известь).
• Легирование — введение ферросплавов и чистых металлов (никель, хром, молибден, ванадий) для получения заданного химического состава.
• Микролегирование — добавление малых количеств (0,01—0,1 %) ниобия, титана, бора для улучшения прочности и вязкости.
• Модифицирование — обработка стали кальцием или редкоземельными металлами для изменения формы неметаллических включений.

Разливка стали

Разливка — заключительный этап, при котором жидкая сталь кристаллизуется в заготовку. Основные способы:

• Разливка в изложницы — классический способ, при котором сталь заливают в чугунные формы (изложницы). Получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до сотен тонн. Применяется для крупных поковок и специальных сталей.
• Непрерывная разливка стали (НРС, МНЛЗ) — современный способ (более 95 % мирового производства). Жидкая сталь через кристаллизатор непрерывно вытягивается в виде заготовки (сляб, блюм, заготовка квадратного сечения). Обеспечивает высокую производительность, однородность структуры и экономию металла.

Классификация стали

Стали классифицируют по нескольким признакам:

По химическому составу

• Углеродистые стали — содержат углерод как основной легирующий элемент. Делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % C), среднеуглеродистые (0,25—0,6 % C) и высокоуглеродистые (0,6—2,14 % C).
• Легированные стали — содержат легирующие элементы (хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам и др.) в количестве от 1 % до десятков процентов. Делятся на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5—10 %) и высоколегированные (свыше 10 %).

По назначению

• Конструкционные стали — для строительных конструкций, машин, механизмов (например, Ст3, 09Г2С, 40Х).
• Инструментальные стали — для режущего, штампового, измерительного инструмента (У8, Х12М, Р6М5).
• Специальные стали — нержавеющие (12Х18Н10Т), жаростойкие, жаропрочные, электротехнические, пружинные, подшипниковые и др.

По качеству

• Стали обыкновенного качества — с повышенным содержанием серы и фосфора (до 0,05 %).
• Качественные стали — с ограничением серы и фосфора до 0,035 %.
• Высококачественные стали — с содержанием серы и фосфора не более 0,025 %.
• Особовысококачественные стали — с содержанием серы и фосфора не более 0,015 %, полученные электрошлаковым переплавом (ЭШП) или вакуумно-дуговым переплавом (ВДП).

Применение

Сталь является основным конструкционным материалом современной промышленности. Основные области применения:

• Строительство — арматура, балки, колонны, профили, листовой прокат для каркасов зданий, мостов, трубопроводов.
• Машиностроение — детали машин, корпуса, валы, шестерни, рельсы, колёса, оси.
• Автомобилестроение — кузовные панели, рамы, детали двигателя, трансмиссии.
• Энергетика — трубы для нефте- и газопроводов, корпуса реакторов, турбинные лопатки.
• Оборонная промышленность — броня, корпуса военной техники, стволы орудий.
• Бытовая техника — корпуса холодильников, стиральных машин, посуды.

Экономика и экология

Мировое производство стали в 2023 году составило около 1,9 млрд тонн. Крупнейшие производители: Китай (более 1 млрд тонн), Индия, Япония, США, Россия (около 72 млн тонн в 2023 году). Производство стали является энергоёмким и углеродоёмким: на долю чёрной металлургии приходится около 7—9 % мировых выбросов CO₂. В связи с этим активно развиваются технологии «зелёной» металлургии, включающие использование водорода для прямого восстановления железа (H2-DRI), улавливание и хранение углерода (CCS), а также увеличение доли электростали на основе возобновляемых источников энергии.

Источники

• Боголюбов В. С. «Металлургия стали». — М.: Металлургия, 1985.
• Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. «Общая металлургия». — М.: Металлургия, 2002.
• Кудрин В. А. «Теория и технология производства стали». — М.: Мир, 2003.
• World Steel Association. «World Steel in Figures 2024».
• ГОСТ 380-2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки».
• ГОСТ 4543-2016 «Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия».