Производство стали

Чугун содержит около 4 % углерода и примеси — кремний, марганец, фосфор, серу. Основная задача передела — превратить чугун в сталь: снизить содержание углерода до 1–2 % и ниже и удалить остальные примеси. И углерод, и примеси удаляют окислением; способы различаются окислителем и источником тепла.

Традиционная схема получения стали двухстадийная: руда → чугун → сталь.

Кислородно-конвертерный способ

Конверсия означает «превращение». В конвертер заливают расплавленный чугун и продувают его кислородом. Топливо не нужно: металл разогревается за счёт теплоты самих реакций окисления. Плавка длится всего 15–20 минут.

1. Окисление железа. Железа в расплаве больше всего (≈ 96 % против 4 % углерода), поэтому в первую очередь окисляется оно:

Температура расплава поднимается с 1300 до 1600 °C.

2. Окисление примесей — кремния, марганца, фосфора, углерода:

3. Окисление углерода оксидом железа. Оксид железа(II), растворённый в металле, сам служит окислителем:

Эта реакция эндотермическая и идёт тем полнее, чем выше температура.

Оксиды примесей связываются флюсом и уходят в шлак. Недостаток способа: процесс очень быстрый, управлять составом трудно, и выплавить в конвертере любой сплав невозможно.

Мартеновский способ

В мартеновскую печь загружают шихту: руду, флюс, скрап (металлолом) и чугун. Нужную температуру создают, сжигая над ванной топливо — мазут или газ; воздух и газ перед горелками подогреваются в регенераторах теплом отходящих газов. Плавка длится 12–20 часов.

Окислитель здесь — не газообразный кислород, а оксид железа руды. Удаляются углерод, кремний, марганец:

Оксиды $\mathrm{SiO_2}$, $\mathrm{MnO}$ вместе с $\mathrm{CaO}$ флюса образуют шлак.

Процесс медленный, зато хорошо управляемый: по ходу плавки состав можно контролировать и вводить добавки — хром, никель и другие элементы, получая легированные, в том числе нержавеющие, стали.

Легированные стали

В марке стали каждый легирующий элемент обозначают буквой:

Хром, никель и титан — основа нержавеющих сталей. Число в начале марки — содержание углерода в сотых долях процента, число после буквы — содержание элемента в процентах. Например, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля и около 1 % титана.

Бездоменный способ

В бездоменном способе стадия чугуна исключена: руда → сталь. Взаимодействия с коксом нет, восстановитель — синтез-газ (смесь $\mathrm{CO}$ и $\mathrm{H_2}$), а сталь получают плавкой металлизованной шихты в электропечах.

1. Получение окисленных окатышей. Рудный концентрат смешивают с глинистым связующим, в барабанах скатывают шарики диаметром 1–2 см, сушат и обжигают в печи. Окатыши содержат более 67 % железа.

2. Получение металлизованных окатышей. В шахтной печи окисленные окатыши восстанавливают синтез-газом:

   $$\begin{aligned} \mathrm{Fe_2O_3 + 3CO} &= \mathrm{2Fe + 3CO_2} \\ \mathrm{Fe_2O_3 + 3H_2} &= \mathrm{2Fe + 3H_2O} \end{aligned}$$

   Содержание железа поднимается выше 90 %.

3. Выплавка стали. Металлизованные окатыши переплавляют в сталь в дуговых электропечах, а затем подвергают внепечной обработке — вакуумированию, продувке аргоном, обработке рафинирующими порошками.