Как делают сталь: от железной руды до готового проката
Сталь делают в два главных этапа: сначала из железной руды выплавляют чугун в доменной печи, затем чугун перерабатывают в сталь в конвертере или электродуговой печи, снижая содержание углерода и примесей до нужного уровня. Готовую жидкую сталь разливают и прокатывают в листы, трубы или профили. Полный цикл на крупном металлургическом комбинате занимает 3–5 суток.
Сырьё: из чего делают сталь
Основное сырьё для производства стали: железная руда. В ней содержится от 25 до 65% железа в виде оксидов: гематита, магнетита и других соединений. Чистого железа в природе почти нет, поэтому задача металлургов состоит в том, чтобы восстановить железо из оксидов, то есть отнять у него кислород. Для этого нужен восстановитель и высокая температура. Роль восстановителя играет кокс, продукт сухой перегонки каменного угля при температуре 1000–1200 градусов без доступа воздуха. Кокс прочный, пористый и горит с образованием угарного газа, который непосредственно восстанавливает железо из руды. Третий компонент доменной шихты: флюс, чаще всего известняк. При нагреве он разлагается и связывает пустую породу в шлак, который легче железа и всплывает наверх.
Доменная плавка: получение чугуна
Доменная печь представляет собой вертикальную шахту высотой 25–35 метров и объёмом 1500–5000 кубических метров. Сверху послойно загружают кокс, агломерат (окускованную руду) и известняк. Снизу через фурмы под давлением вдувают горячий воздух, обогащённый кислородом, нагретый до 1000–1200 градусов. Кокс горит в нижней зоне при температуре 1700–2000 градусов, образуя угарный газ. Поднимаясь вверх, газ восстанавливает оксиды железа. Жидкое железо, насытившееся углеродом из кокса (4–5%), стекает вниз и скапливается на дне горна. Это и есть чугун. Шлак тоже жидкий и плавает поверх чугуна. Каждые 4–6 часов через лётки выпускают чугун и шлак. Доменная печь работает непрерывно годами, её останавливают только на капитальный ремонт. Крупнейшие российские домны производят 5000–10000 тонн чугуна в сутки.
Конвертерный и электросталеплавильный процессы
Чугун содержит много углерода (4–5%), марганца, кремния, серы и фосфора. Для получения стали углерод нужно снизить до 0,02–2%, а вредные примеси убрать. Самый распространённый способ: кислородный конвертер. Жидкий чугун заливают в конвертер ёмкостью 100–400 тонн, добавляют металлолом (30–40% от массы) и сверху вдувают технически чистый кислород через фурму со скоростью сотни кубических метров в минуту. Углерод и примеси выгорают, температура металла поднимается до 1600–1700 градусов. Процесс длится 15–20 минут. Добавляя ферросплавы — ферромарганец, феррохром, феррованадий — металлурги задают нужный химический состав стали.
Второй способ: электродуговая печь. Она плавит металлолом без чугуна за счёт электрической дуги между графитовыми электродами и шихтой. Температура дуги достигает 3000–3500 градусов. Электросталеплавильный способ гибче: легче управлять составом, проще производить нержавеющие и легированные стали. Именно поэтому большинство нержавеющей стали, инструментальных и быстрорежущих сталей делают в электропечах.
Разливка и прокат
Жидкую сталь после конвертера или электропечи обрабатывают вне печи: в ковше вакуумируют, продувают аргоном, вводят точные добавки. Затем металл разливают на машинах непрерывного литья заготовок. Жидкая сталь поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор и вытягивается из него бесконечной заготовкой. Сляб, плоская заготовка толщиной 200–250 мм и шириной до 2 метров, идёт на листопрокатный стан. Там его нагревают до 1200 градусов и прокатывают в несколько проходов, уменьшая толщину до 1–20 мм. Для получения тонкого листа применяют холодную прокатку при комнатной температуре. Сортовые заготовки превращают в арматуру, швеллеры, двутавры, рельсы. Трубы делают прошивкой заготовки на специальном стане. Металлургические комбинаты полного цикла, такие как предприятия в Магнитогорске, Нижнем Тагиле, Череповце и Липецке, выпускают десятки миллионов тонн стали в год.
