Сталь

Сталь — сплав железа с углеродом, процентное содержание которого благодаря особой обработке (легированию) уменьшено до количества, не превышающего 1,2 %• 

Основным сырьем, для получения стали служат белый чугун, металлолом и отходы (стальной скрап), а также добавки в виде кремния, марганца, хрома, никеля, меди и др. для получения сортов стали с заранее заданными свойствами. 

Способы получения: 

  Получение железа из железной руды производится в две  стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

  На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

  Для повышения  выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО2.

  Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса  и воздуха. Воздух сначала нагревают  приблизительно до 600 °С и нагнетают  в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:

  Диоксид углерода поднимается вверх в печи и  реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

  Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют  известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

  Оксид кальция  соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

  Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают  в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответст вующем уровне каждый из этих слоев. 

В современной металлургии для получения стали из чугуна используются три способа: мартеновский, бессемеровский и томасовский 

Наиболее распространенный способ получения строительных сталей — мартеновский . Этот .способ заключается в том, что на расплавленный чугун, помещенный в специальную печь, обложенную огнеупорами, непрерывным потоком подается воздух с горячим газом, поддерживающим t= =2000 °С. Под воздействием такой температуры из расплавленной массы в течение 4—12 ч (в зависимости от требуемого качества стали) сгорает углерод, процентное содержание которого строго контролируется. 
 

Бессемеровский процесс (бессемерование чугуна, производство бессемеровской стали) — процесс передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь неё сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Операция продувки производится в бессемеровском конвертере. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению примесей, содержащихся в чугуне — кремния, марганца и углерода (отчасти также железа) кислородом воздуха дутья. Несмотря на возрастание (с окислением примесей) температуры плавления металла, он остаётся в жидком состоянии благодаря выделению тепла при реакциях окисления. Термин «бессемеровский процесс» обычно присваивают так называемому кислому конвертерному процессу, который ведут в агрегате с кислой футеровкой (кремнистый материал, динас). Процесс был предложен в Англии Г. Бессемером (1856г.). 
 

Томасовский (основной) способ разработан в 1878 г. С. Томасом (Англия) и заключается, аналогично бессемеровскому  способу, в продувке воздухом расплавленного чугуна. Но, в отличие от бессемеровского, при томасовском способе можно  снизить содержание не только углерода, кремния, марганца, но и фосфора и частично серы. Такие условия создаются за счет применения основной футеровки из доломита и возможности загрузки в конвертер извести, способствующей удалению вредных примесей Р и S в шлак. Основной процесс протекает в течение 12—15 мин при температуре 1700—1800° С в три периода (I — окисление Si, Mn, Fe; II — окисление С; III — удаление Р и S в шлак).  

    По производительности, качеству и стоимости томасовский и бессемеровский способы равнозначны, но применение томасовского способа ограничивается необходимостью использования чугуна с повышенным содержанием фосфора (до 2%).

Применение в народном хозяйстве 

  Углеродистые  стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразде ляются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице.  

  Легированные  стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, воль фрама и ванадия.

  Нержавеющие стали  содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено  образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

  Инструментальные  стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность  и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали  используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

  Кремнистые  стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.