Каждый из нас помнит знаменитое произведение Александра Островского «Как закалялась сталь». Роман повествует о том, как в непростой период Гражданской войны и в послевоенное время происходил процесс «закалки» первых комсомольцев. Их характер стал твёрдым и прочным, подобно стали. Автор неспроста использовал в названии произведения слово «сталь». Подобно тому, в каких трудных условиях формировался внутренний мир молодых людей, так же непросто специалисты изготавливают сталь. Что же она из себя представляет? Как известно, это сплав большого количества железа с углеродом. Сталь, которая отличается высокими упругими характеристиками, активно используется в машино- и приборостроении, а также в других сферах промышленности. Как началась история возникновения стали? Какие существуют способы её получения? Как развиваются технологии в наше время?
Первые упоминания
Первые упоминания о стали можно отнести к VII веку до нашей эры. Уже в это время группа древних народностей, проживающая в Западной Европе и называемая кельтами, умела добывать железо из железной руды. Технология добычи была такова. Пламя древесного угля использовали, чтобы нагреть руду в печи. В результате получали чугун. Но вследствие того, что в нем наблюдалась высокая концентрация углерода, он был очень хрупким, поэтому был непригоден для ковки.
сталь у кельтов
Впоследствии пришли к выводу, что необходимо уменьшить процентное содержание углерода до 2,14 процентов. Таким методом можно получить твёрдый сплав, которому получится придать разные формы с помощью ковки. Именно это и стали называть сталью. Из неё начали создавать детали для автомобилей, различные виды оружия, необходимое оборудование и инструменты для промышленности.
Для того чтобы снизить содержание углерода, чугун нагревали до тех пор, пока он не станет жидким, а затем подвергали его фришеванию. Чтобы улучшить качество стали, начали добавлять легирующие элементы. Позднее появилось такое понятие, как «легированная сталь». Её состав — сплав железа (примерно 45-50%), углерода и легирующих элементов.
Необходимо было пройти несколько последовательных этапов, чтобы получить стальное изделие. Вначале железную руду использовали для получения чугуна, который впоследствии становился мягким железом. Железная крица подвергалась проковке, получалась стальная деталь.
Ещё в те далёкие времена была известна технология кричного передела, благодаря которой из чугуна удалялось лишнее содержание углерода. Данный процесс осуществлялся на кричном горне (в открытой печи).
В 1784 году английский металлург Г. Корт открыл новый способ получения стали, который стал носить название «пудлингование».
Корт и его сталь
Суть данной технологии заключается в том, что чугун плавился в пудлинговой печи, не контактируя с топливом. Изобретение пудлинговой печи имело ещё одно огромное преимущество. Благодаря данной печи древесный уголь, который стоил больших денег, был заменён на менее дорогостоящий каменный уголь. Чугун, расплавленный в печи, приобретал тестообразное состояние. Чтобы обеспечить необходимый доступ к кислороду, использовали металлические штанги для перемешивания расплавленной массы. Получилась тестообразная крица, которую потом проковывали. Не секрет, что такой способ добычи стали был очень дорогим и длительным. В связи с этим необходимо было думать о более совершенной технологии получения сплава.
Кто, когда и как создал сталь?
Английскому изобретателю Генри Бессемеру принадлежит большая заслуга в совершенствовании процесса получения стали. В 1856 году изобретатель подарил миру конвертер, благодаря которому стало возможным получить сталь более совершенным способом.
Суть данной технологии заключалась в следующем. Чугун выходил из доменной печи и направлялся в специальный конвертер, который представлял собой резервуар с отверстиями для подачи воздушной массы. Когда конвертер наполнялся, он переходил из горизонтального положения в вертикальное. Это стало возможным благодаря имеющимся подвижным опорам. Воздух поступал через нижние отверстия, а углерод выделялся из чугуна при нагревании. Происходило соединение кислорода с углеродом. Когда процесс подходил к завершению, конвертер снова возвращался в горизонтальное положение. Здесь произошло формирование железа, затем появились примеси. Данная технология стала большим помощником в добыче стали, ведь весь процесс происходил на протяжении двадцати минут. В пудлинговой печи процесс длился целые сутки. Это заметно облегчило производство стали.
Спустя восемь лет после того, как Генри Бессемер разработал такую передовую технологию, появился ещё один способ выплавки стали — мартеновский. Принцип данной технологии схож с предыдущим способом.
Генри Бессемер
Эти две технологии получили широкое признание и применение. Благодаря этим способам начали получать высококачественную сталь в огромных количествах. Как известно, в первые годы после открытия бессемеровского и мартеновского способа выпуск стали высокого качества увеличился практически на 60 процентов. Такова история стали, которая стала незаменимым материалом для всего, что нас окружает.
Развитие технологии
В современном мире существует несколько способов получения стали. Приоритетными являются три технологии: кислородно-конвертерная, мартеновский способ и электросталеплавильный. Известно, что все эти технологии основаны на окислительном процессе, в результате которого происходит значительное снижение в чугуне примесей.
В пятидесятые годы двадцатого века стал известен кислородно-конвертерный способ. Первая стадия технологии — чистый кислород поступает в конвертер для продувания чугуна. Применение топлива не требуется. Только представьте: необходимо около трёхсот пятидесяти кубометров воздуха для того, чтобы переработать одну тонну чугуна в сталь. Данный способ предполагает обязательное использование конвертера. Кислород поступает через водоохлаждаемую фурму под большим давлением. Под воздействием дутья начинается процесс окисления чугуна, в результате чего выделяется много тепла. Это и приводит к снижению ненужных примесей, а также к сильному нагреванию металла. В наше время это наиболее актуальный способ получения стали.
процесс производства стали
Чтобы реализовать мартеновскую технологию, необходимо наличие специальной отражательной печи. Регенераторы вводят в печь необходимую порцию тепла, чтобы нагреть сталь до необходимой температуры (необходимо около двух тысяч градусов). Тепло выделяется в результате сжигания топлива в струе горячего воздуха. Главное условие рассматриваемого способа — концентрация кислорода, поступающего в печь, должна превышать необходимый уровень. Только в этом случае окислительная сфера сможет оказывать воздействие на металл. Чугун, который подаётся в печь, плавится в течение пяти-шести часов. Мартеновская печь также позволяет добывать специальные виды стали. Для этого просто нужно добавить нужные примеси.
В основе электросталеплавильного способа добычи стали лежит использование металлолома (переработанной стали). Однако могут использоваться и различные добавки, например, в виде чугуна. Чтобы выплавить сталь в электропечи, необходимо электрический ток провести сквозь графитовые электроды. Данный способ имеет большое преимущество. С помощью данной технологии возможно выплавить сталь с различными физико-химическими характеристиками.
Автор: Виктория Комарова