Как делают сталь из чугуна: путь от доменной печи до прокатного стана
Сталь делают из чугуна, удаляя из него лишний углерод и примеси. Чугун, выплавленный в доменной печи, содержит 3,5–4,5 процента углерода, тогда как в стали его должно быть не более 2,14 процента (обычно 0,1–0,8 процента). Для выжигания углерода используют два основных способа: конвертерный и электросталеплавильный. Оба процесса занимают 35–50 минут и позволяют получить металл с точно заданным химическим составом.
Откуда берётся чугун и чем он отличается от стали
Чугун выплавляют в доменной печи высотой 30–35 метров из железной руды, кокса и известняка. При температуре 1400–1600 °C углерод кокса восстанавливает оксиды железа, и жидкий металл стекает вниз. Получившийся чугун хрупкий: из-за высокого содержания углерода в нём образуется много твёрдых карбидных включений. Он хорошо льётся в формы, но почти не поддаётся ковке и сварке. Сталь — это по сути тот же железоуглеродный сплав, но с меньшим количеством углерода, поэтому она пластичная, прочная на изгиб и хорошо сваривается. Дополнительное легирование (добавка хрома, никеля, марганца, молибдена) позволяет получить нержавеющую, жаропрочную, инструментальную и множество других специальных сталей.
Конвертерный способ: кислородный конвертер
Это самый распространённый способ в мире: около 70 процентов стали выплавляется именно в конвертерах. Конвертер — стальной грушевидный сосуд объёмом 150–400 тонн, изнутри выложенный огнеупорными кирпичами. В него заливают жидкий чугун прямо из доменной печи (температура 1250–1350 °C) и добавляют 25–30 процентов стального лома для охлаждения. Затем сверху опускают водоохлаждаемую фурму и продувают расплав чистым кислородом под давлением 1–1,4 МПа. Кислород реагирует с углеродом, кремнием и марганцем: эти элементы окисляются и переходят в шлак или улетают в виде газа (углекислый газ). Реакция выделяет столько тепла, что дополнительного подогрева не требуется: температура расплава поднимается до 1600–1700 °C. Весь цикл продувки занимает 15–20 минут. По завершении конвертер наклоняют, сливают металл в ковш и отдельно удаляют шлак. Пробы металла берут в режиме реального времени, и если нужно скорректировать состав, в ковш добавляют ферросплавы: ферромарганец, феррохром, феррокремний.
Электросталеплавильный способ и внепечная обработка
Электродуговые печи (ЭДП) потребляют большое количество электроэнергии (400–700 кВт·ч на тонну), поэтому их используют в первую очередь для выплавки легированных и специальных сталей, а также там, где доступен дешёвый металлолом. Печь представляет собой цилиндрический кожух диаметром 4–9 метров; дугу зажигают между графитовыми электродами и шихтой. Лом расплавляется за 40–60 минут, затем проводят рафинирование и легирование. После конвертера или ЭДП жидкую сталь обрабатывают вне печи: вакуумируют для удаления водорода и азота (иначе в металле будут газовые поры), продувают аргоном для перемешивания и выравнивания состава, вводят кальций или редкоземельные элементы для улучшения чистоты. Только после этих операций металл направляют на разливку.
Непрерывная разливка и прокатка
Почти вся современная сталь проходит непрерывную разливку: жидкий металл из ковша поступает в промежуточный ковш, оттуда — в охлаждаемый медный кристаллизатор, где быстро формируется твёрдая корочка. Слиток непрерывно вытягивают вниз или под углом, одновременно охлаждая водой, режут на мерные заготовки и передают в прокатный стан. На прокатном стане заготовку многократно пропускают между валками, уменьшая её сечение и задавая нужный профиль: лист, уголок, балку, рельс, трубу. Горячая прокатка ведётся при 1100–1250 °C, холодная — при комнатной температуре для получения точных размеров и гладкой поверхности. Крупные предприятия замкнутого цикла — от доменной до прокатной — расположены в России в Магнитогорске, Череповце, Нижнем Тагиле, Новолипецке и ряде других городов.
