Производство стали

Сталь является основным конструкционным материалом, который нашел самое широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства. Перечислять области, где применяются стальные изделия, не имеет смысла, достаточно просто осмотреться вокруг, и, скорее всего, взгляд тотчас наткнется на предмет, в состав которого входит металл.

Первые свидетельства производства стали человеком археологи обнаружили в ходе раскопок в турецкой Анатолии. Если верить ученым, то со сталью человек знаком порядка 38 веков. Конечно, одно из первых применений стальные изделия нашли в производстве оружия. В этом нет ничего удивительного, поскольку стальные клинки были достаточно твердыми, пластичными, хорошо поддавались обработке и долго держали заточку. По мере получения знаний человек изобретал новые виды стали, которые предназначались для использования в той или иной отрасли народного хозяйства.

Что такое сталь

Сталью называют железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода не превышает 2,14%. Сплав, содержащий углерода более 2,14%, называется чугуном.

В свою очередь стали подразделяются на: низкоуглеродистые (до 0,6% углерода), и высокоуглеродистые (0,6-2,14%).

Чем выше содержание в сплаве углерода, тем более твердым и прочным является такой сплав, но менее вязким и пластичным.

Этапы производства стали

Основным сырьем для производства стали в современной черной металлургии является передельный чугун и стальной лом.

Главное условие производства стали из чугуна заключается в снижении содержания углерода и разнообразных примесей. Данная задача решается путем избирательного окисления «ненужных» элементов с их превращением в шлак или газы, которые удаляются в процессе плавки, и на выходе получается железоуглеродистый сплав, с более низким содержанием углерода, который и будет сталью.

Этап 1 – расплавление породы

На первом этапе производства стали решается задача удаления фосфора. Для ее решения необходим шлак, содержащий оксид кальция, который будет связывать оксид фосфора, превращая его в шлак.

Шихта, загруженная в печь, подвергается нагреву. По мере повышения температуры начинается окисление железа с образованием оксида, за железом начинают окисляться Mg, P, Si. Поскольку CaO является более сильным основанием, нежели FeO, при нагреве оксид кальция начинает связывать P₂O₅ с образованием шлака.

Этап 2 – кипение расплава

По мере разогрева печи начинается кипение металла, которое сопровождается интенсивной реакцией окисления углерода с поглощением энергии. Для более эффективного окисления углерода в печь подают кислород, или добавляют в расплав металла немного окалины или руды. Главная цель металлургов на втором этапе добиться интенсивного кипения расплава. Во время кипения на поверхность ванны поднимаются пузырьки CO и выводятся из металла, повышая тем самым качество будущей стали.

Также на втором этапе производства стали из расплава удаляется сера, которая является нежелательной примесью в стали, ухудшая ее свойства.

Сульфид серы, содержащийся в стали, по мере роста температуры все лучше и лучше начинает растворяться в шлаке, взаимодействуя с оксидом кальция с образованием сульфида кальция. Чем больше серы растворится, тем выше качество стали будет на выходе.

Этап 3 – раскисление стали

На заключительном этапе производства стали в расплаве металла происходит восстановление FeO, находящегося в растворенном виде в жидком металле. Теперь кислород, который на втором этапе производства стали делал полезную работу, окисляя ненужные примеси, становится вредной примесью, поскольку снижает механические свойства стали.

Раскисление стали может проводиться диффузными или осаждающим методом.

На заключительном этапе производства стали может выполняться ее легирование различными чистыми металлами или ферросплавами. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, марганец, ванадий и проч. Легирующие элементы придают стали более высокие эксплуатационные качества, повышая ее прочность, коррозионную стойкость, пластичность и проч.

Виды производства стали

Сталь в современной черной металлургии, как правило, производится двумя основными способами – при помощи конвертерного или подового процесса.

При первом способе используются специальные конвертеры, в которых передельный чугун, доведенный до расплава, продувается кислородом, из него удаляются ненужные примеси. Подовый процесс реализуется в мартеновских или электрических печах.

В последнее время в производство стали внедряться новые процессы: вакуумная дуговая плавка; электронно-лучевая плавка; электрошлаковый переплав.

Производство стали в мире

По данным Ассоциации производителей стали по состоянию на 2016 год в мире производилось 1628,0 млн. тонн стали. Полстолетия назад эта цифра была втрое меньше.

Безусловным лидером по выплавке стали является Китай, на долю которого приходится примерно половина всего мирового производства стали – 808,4 млн. тонн. На втором месте идет Япония (104,8), замыкает призовую тройку Индия с показателем 96,6 млн. тонн. Далее идут США (78,6) и Россия (70,8).

Ведущие страны-экспортеры стали:

1. Китай – 61,5 млн. т
2. Япония – 42,5
3. Южная Корея – 28,9
4. Украина – 24,7
5. Германия – 24,3

Ведущие страны-импортеры стали:

1. США – 30,3 млн. т
2. Германия – 22,1
3. Южная Корея – 19,0
4. Таиланд – 15,9
5. Италия – 15,6

Производство стали в России

Металлургическая промышленность по своей важности в России стоит на втором месте после нефтегазовой промышленности. Всего в цветной и черной металлургии в РФ задействованы порядка 28 тысяч разнообразных предприятий, на которых трудятся более 2% всех российских трудящихся (чуть менее 1 млн. человек).

Сталь и чугун производятся предприятиями черной металлургии. Структура черной металлургии РФ включает более полутора тысяч предприятий, на которых трудятся более 60% работников российской металлургии.

Предприятия черной металлургии строились в районах, богатых железными рудами дабы минимизировать транспортные затраты при производстве стали и чугуна.

В России исторически сформировались три базы черной металлургии:

• Уральская (Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил, Екатеринбург);
• Центральная (Курская и Белгородская области, Череповец, Новолипецк, Тула, Старый Оскол);
• Сибирская (Кузнецк, Новокузнецк).

Самой крупной является Уральская база, которая была создана первой и сейчас производит примерно половину всей выпускаемой черной металлургией продукции.

Однако, в ближайшее время Уральская база, по всей видимости, сдаст свои позиции, ибо большинство запасов железных руд на Урале уже израсходованы. На смену ей должна придти Сибирская база, которая сейчас активно развивается. Центральная база отмечается дешевизной исходного сырья, которое добывается открытым способом в Курской и Белгородской областях.

Такое широкое развитие черной металлургии в России связано, прежде всего, с крупными запасами железных руд. По этому показателю РФ занимает третье место в мире, уступая только Австралии и Бразилии. Согласно статистическим данным, в России сосредоточено железорудных запасов в объеме порядка 25 млрд. тонн (14 млрд. тонн чистого железа). Учитывая тот факт, что среднегодовая добыча железорудного конденсата в РФ составляет примерно 100 млн. тонн, запасов железной руды хватит еще надолго.