Сталь

Определение 


Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими элементами, содержание углерода в котором не превышает 2,14%.  


Углерод обеспечивает сплавам железа прочность и твёрдость, снижая при этом пластичность и вязкость. Как и чугун, сталь содержит примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основным отличием стали от чугуна является уменьшенное содержание углерода и примесей. 


Сталь получают в процессе переплавки металлолома или из передельного чугуна. Для получения стали, из чугуна удаляется излишний углерод и снижается количество входящих в него примесей. 


Классификация

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. 


В состав углеродистой стали входит углерод и некоторое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. 


Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор считаются вредными примесями. Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор увеличивает хрупкость и хладноломкость стали, т. е. хрупкость при обычных температурах. Однако в определенных дозах они необходимы для получения специальных свойств стали. 


Углеродистая сталь, в свою очередь, подразделяется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную. 

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,6% углерода (как исключение допускается содержание углерода до 0,85%). По качеству конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную. 


Инструментальная углеродистая сталь содержит углерода 0,7% и более. Она отличается твердостью и прочностью. В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее свойства: хром, вольфрам, молебден и др., а также кремний и марганец в сравнительно большом количестве. 

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали,-- например, хром повышает твердость и коррозионную стойкость; вольфрам увеличивает твердость и красностойкость; молибден увеличивает красностойкость, прочность и сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок. 

По назначению легированная сталь делится на три группы: конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами. 

К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная и немагнитная стали, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, и сталь с особыми тепловыми свойствами. 

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами — коррозионностойкие, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные. 


Принципы маркировки сталей в России

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: 

Х —хром, 

Н —никель, 

В —вольфрам, 

М —молибден,  

Ф —ванадий, 

Т—титан, 

Ю —алюминий, 

Д —медь, 

Г —марганец, 

С —кремний, 

К —кобальт, 

Ц —цирконий, 

Р —бор, 

Ц —ниобий. 

Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки —то, что сталь высококачественная. 

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. 


Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится. Например: ст 09Г2С – 0,09% - углерода, 2% - марганца и меньше 1% - кремния. ст 20Х – 0,20% - углерода, менее 1 % - хрома

Применение

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности. 

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.


Процесс производства стали


Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. 

В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический. 

Мартеновский способ выплавки стали, достаточно энергозатратный и экологически вредный. Таким образом, сейчас  во всем мире, подавляющее большинство стальной продукции производится конвертерным способом. 


Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют в присутствии кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах — конверторах. 

Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси (Футеровка — специальная отделка для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических или физических повреждений). 

Емкость конвертора 50—60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2    (оксид кремния), имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO (жаростойкий цемент)). В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.


Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2%).При этом способе  фосфор полностью переходит из чугуна в сталь. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя. 

Все процессы в конверторе идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. 

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п. 


Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. 

Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п. 


Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома. 


Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. Температура печи поддерживается при 1600—1650 °C 


Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно — в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы. 


Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и ухудшающего её свойства. 

Температура в электропечи — не ниже 2000 °C. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.


Рейтинг ведущих мировых производителей стали 


Рост мирового производства стали по итогам 2012 г. составил 1,2 % по сравнению с 2011 г, лишь немногие компании нарастили объемы выплавки. 

По данным SBB, первое место в мировом рейтинге заняла транснациональная корпорация "ArcelorMittal", которая в 2012 г. произвела 88,2 млн т стали (снижение производства по сравнению с 2011 г. составило 4,0 %, впервые с 2009 г.). 

В двадцатку крупнейших компаний-производителей стали в 2012 г. вошла одна российская компания — Evraz — 20 место с производством 15,9 млн т (19 позиция в 2011 г.), две японские компании "Nippon Steel" и "JFE Steel". Слияние "Nippon Steel" с "Sumitomo Metal Industries" обеспечило объединенной компании третью позицию в 2012 г.; сама компания "Nippon Steel" в 2011 г. была седьмой. 

Шестое место заняла "Posco", перегнав "Wuhan Iron & Steel" ,чье производство снизилось более чем на 3 % по сравнению с предыдущим годом. 
"Tata Steel" поднялась на одну позицию, обогнав в 2012 г. "Shandong". 

По итогам 2012 г. китайские компании в большинстве своем нарастили объемы производства стали, в двадцатку крупнейших металлургических компаний вошло 9 китайских компаний. 

Япония, Южная Корея и США заняли по две позиции каждая. 
В целом же доля 20 топ-компаний в мировом производстве фактически осталась без изменений — около 42 %. 

Компания Страна 2011 г. 2012 г. Изменение мощностей,%
рейтинг мощность, млн т рейтинг мощность, млн т
ArcelorMittal Люксембург 1 91,9 1 88,2 –4,0
Hebei Iron & Steel* Китай 2 71,1 2 69,2 –2,8
Nippon Steel & Sumitomo Metal** Япония 7 33,3 3 45,7 – 
Angang Group Китай 3 46,2 4 45,3 –2,0
Baosteel Китай 4 43,3 5 42,7 –1,5
Posco Ю. Корея 6 37,3 6 37,9 +1,8
Wuhan Китай 5 37,7 7 36,4 –3,3
Jiangsu Shagang Китай 8 31,9 8 32,3 +1,2
Shougang Китай 9 30 9 31,4 +4,6
JFE Steel Япония 10 29,9 10 30,4 +1,7
Tata Steel Индия 12 23,8 11 23,7 –0,4
Shandong Iron & Steel Китай 11 24 12 23 –4,2
US Steel США 13 21,9 13 21,4 –2,5
Gerdau Бразилия 14 19,6 14 18,9 –3,6
Nucor США 17 17,7 15 18 +2
Maanshan Китай 20 16,7 16 17,3 +1,9
ThyssenKrupp Германия 16 17,9 16 17,3 –3,3
Bohai Iron & Steel Китай 15 19,2 16 17,3 –9,8
Hyundai Steel Ю. Корея 18 17,1 19 17 –0,6
Evraz Россия 19 16,8 20 15,9 –4,9
* Включая необъединенные филиалы. 
** 2011 г. — NipponSteel до слияния компаний.

Сертификат соответствия на сталь

В соответствии с ГОСТ 19281-89 сертификация продукции из стали является обязательной. Производителям или продавцам, а также импортерам данной продукции, в первую очередь необходимо получить сертификат соответствия на оцинкованную и листовую сталь. 

Качество данной продукции прямо или косвенно может повлиять на безопасность людей или окружающей природной среды. Угловая, полосовая, а также оцинкованная сталь подлежат обязательной сертификации в соответствии с ГОСТ 8509-93.