Когда изобрели сталь. История нержавеющей стали: кто и когда ее изобрел

До н.э. в Европе уже повсюду производили кованое железо. Многие великолепные Греческие и Римские здания были построены из камня с применением железных инструментов в форме бабочки, покрытых свинцом. В 500 году до н. э. этруски, жившие на западном побережье Италии производили более 4,5 тысячи килограмм железа в год. Ковку железа осуществляли в кузнице, а для поддержания огня использовали древесный уголь. Огонь раздували при помощи специальных мехов, сшитых из шкур животных. Позже маленькие каменные печи разобрали, и начали массовую выплавку железа. Руду к печам доставляли на парусных судах. В связи с тем, что метод обработки руды, который использовали этруски, был малоэффективен, ее запасы быстро истощились. К тому же производство древесного угля резко сократило количество лесов на западе Италии.

Первая сталь была создана кельтами около 200 года н. э. Они резали кованое железо на тонкие полоски и складывали их в контейнер с обожженными костями и углем, после чего все это нагревали в печи в течение 10-12 часов на очень сильном огне. В результате поверхность металла обогащалась углеродом. Затем они эти полоски сваривали между собой посредством ковки и таким образом создавали ножи. Эти ножи стали предшественниками клинков, которые мы ошибочно называем дамасскими. Кельтский процесс производства стали в 1050 году был скопирован викингами и немцами. С тех пор в этих странах производили стальные клинки, метод изготовления которых, был строго засекречен. Дамасскую сталь производили в Пакистане и в виде булатных заготовок отправляли в Сирию, где изготавливали знаменитые дамасские клинки. Процесс производства дамасской стали очень сложный, поскольку ее необходимо было нагревать до очень высокой температуры, и если температуру превысить, то материал мог разрушиться.

Со временем температура плавления железа в печах становилась все выше, поэтому полученное железо, содержало 3-4% углерода. Оно было хрупким и подходило только для литья. Из него нельзя было делать ножи и детали для транспорта. К тому же к этому времени огромная часть лесов в Европе была вырублена для строительных целей и производства древесного угля. Тогда король Англии издал указ о том, что леса вырубать больше нельзя, и производителям стали пришлось придумать способ переработки угля в кокс. В Англии разработали метод лужения стали, при этом они смешивали расплавленное железо, с силикатом железа и оксидом железа. Силикат железа является одним из компонентов кованого железа.

Печи, работающие на угле, назвались кричным горном. Один работник должен был помешивать полученную смесь, в результате чего образовывался диоксид углерода, поэтому температура плавления железа становилась выше, и начинался процесс лужения. Внутрь помещались крупные куски весом от 90 кг до 130 кг. Другой работник с помощью пары больших щипцов брал эти куски и помещал под пресс, чтоб из них выдавить силикат железа. После пресса куски помещали в прокатный стан, где из них формировались полоски кричного железа. Эти полоски нарезали на короткие кусочки и соединяли между собой, после чего помещали их в углубление, заполненное углеродом, и нагревали до температуры сварки. После этого полоски кричного железа снова отправляли в прокатный стан и получали сортовое железо. Этот способ использовали не только в Европе, но на востоке Соединенных Штатов.

Чтоб получить сталь, тонкий сортовой прокат помещали в углубление, заполненное углеродом, полученным в результате сожжения костей, и нагревали при высокой температуре в течение нескольких дней. Углерод поглощался железом, и в результате получалась пузырчатая сталь. Пузырчатой называли цементную сталь или томленку. Это понятие появилось благодаря внешнему виду полосок, извлеченных из углеродной ямы, которые были покрыты пузырями. После этого полоски складывали вместе и ковали, затем снова складывали и ковали, таким способом получали сталь высокого качества.

Англия нуждалась в высококачественной стали, чтоб создать флот, который смог бы пресечь океан. Один предприимчивый англичанин заметил, что стеклодувы в своих печах могут получать очень высокую температуру. Он взял полоски пузырчатой стали и поместил их в керамический тигель, после чего поставил емкость в печь стеклодувов. В результате сталь расплавилась, силикат железа испарился, а углерод остался, и получилась сталь очень высокого качества. На тот момент за процессом наблюдало много людей, и он не смог сохранить его в секрете. Таким способом получали литую сталь, из которой в США было сделано большое количество старых инструментов, с маркировкой «литая сталь». Многие ошибочно считают их литыми, что следует из названия.

Новый импульс производство стали получило, когда был изобретен Бессемеровский процесс производства стали. Такую сталь применяли для строительства крупных объектов, таких как плотина Гранд-Кули, потому как она не подвержена действию коррозии. В начале 20 века приступили к производству различных сплавов. Тогда в газовых мартеновых печах к железу стали добавлять марганец, хром, никель и другие элементы. Во время Второй мировой войны, когда потребность в металле возросла, производство сплавов получило новый мощный толчок. С тех пор был сделан огромный шаг в производстве и совершенствовании различных сталей.

Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно ковать, прокатывать, она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок.

Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладает высокой пластичностью, способностью хорошо свариваться, легко куется и прокатывается в горячем и холодном состояниях. Поэтому такая сталь является основным материалом для современного машиностроения, транспорта и других отраслей народного хозяйства страны.

В древности мягкую сталь (техническое железо) получали непосредственно из руд в тестообразном состоянии. Позднее научились получать сталь из чугуна в кирпичном горне, также в тестообразном состоянии. В 1740 г. в Англии стал применяться способ получения жидкой стали в тиглях, задолго до того известный на Востоке. С 1784 г. начали применять пудлингование - получение стали в тестообразном состоянии из чугуна окислением его примесей на поду пламенной печи. Все эти способы были мало производительны, требовали больших затрат топлива и труда.

Бурный рост промышленности и железнодорожного транспорта во второй половине XIX в. потребовал громадного количества стали, а старые способы ее получения не могли удовлетворить эту потребность. Были созданы новые, более производительные способы плавки стали. В 1856 г. появился бессемеровский способ (названный по имени его изобретателя Г. Бессемера), а в 1878 г. - томасовский способ (предложенный С. Томасом) получения литой стали из жидкого чугуна в конвертерах. В 1857 г. крупный русский металлург П. М. Обухов получил привилегию на изобретенный им способ производства орудийной стали путем сплавления чугуна и мягкой стали. Орудийная сталь П. М. Обухова по качеству превосходила лучшие заграничные стали. С 1864 г. применяется мартеновский способ получения стали в пламенных печах (названный по имени его изобретателя П. Мартена), а с 1899 г. - способ производства стали в электропечах, основанный на применении явления электрической дуги, открытой в 1802 г. акад. В. В. Петровым.

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора . Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (окись углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переводятся в окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак. При сгорании марганец и кремний образуют нерастворимые в металле окислы MnO и SiO 2 . При сгорании фосфора образуется его окись Р 2 О 5 , которая хорошо растворяется в металле. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести (состоящей преимущественно из СаО), которая и связывает Р2О5 в прочное соединение (СаО)4 Р2О5, нерастворимое в металле.

Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS; ее удаляют из металла с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимое в металле соединение MnS или нерастворимое соединение CaS.

В настоящее время в металлургии страны применяются следующие способы получения стали: конвертерный, мартеновский и электроплавка.

Электроплавка применяется, главным образом, для получения высококачественной стали и за последние годы усиленно развивается.

Технический прогресс в сталеплавильном производстве характеризуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов, широким применением кислородно-конверторного процесса и непрерывной разливки стали, повышением качества металла.

Сталь – это сплав железа с углеродом. Сталь в быту иногда называют железом. Но железо – это только исходный материал для получения стали.

В VII в. до нашей эры кельты умели выплавлять железо из железной руды. Для нагревания руды они использовали пламя древесного угля в открытой печи. В результате получали чугун, содержащий большое количество углерода. Но чугун невозможно ковать, так как он хрупкий. А если уменьшить содержание углерода в сплаве, то получится сталь. Ведь основное отличие чугуна и стали – процентное содержание углерода. В стали углерода менее 2,14%, а в чугуне его содержится значительно больше. Для улучшения качества стали в неё добавляют легирующие элементы. Легированной сталью называют сплав железа, углерода и легирующих элементов, в котором железа содержится не менее 45%.

История изобретения стали

Кричный передел

Кричный горн

Чтобы улучшить качество чугуна, из него удаляли избыточное количество углерода методом кричного передела . Этот процесс происходил в кричном горне – открытой печи, в которой чушки чугуна помещали прямо на горящий древесный уголь. Расплавленный чугун очищался от излишков углерода вдуванием горячего воздуха. Далее он скапливался на поду горна. Окислительное действие железистого шлака приводило к дополнительному обезуглероживанию. Образовывалась кашица, которая называлась крица . Далее крица подвергалась ковке, чтобы выжать шлак. Кричный передел возник в XIV в. В XVIII в. его заменил метод пудлингования.

Пудлингование

Пудлинговая печь

Шагом вперёд в технологии получения стали стало пудлингование . В процессе пудлингования расплавленный чугун очищался от углерода. Технологию процесса пудлингования разработал английский металлург Генри Корт в 1784 г. В отличие от метода кричного передела, в этом процессе чугун расплавляли в специальной пудлинговой печи, где чугун не контактировал с топливом. Расплавленный металл перемешивали специальными штангами, на которые налипали частицы металла. Постепенно формировалась тестоподобная крица. Полученную крицу проковывали, чтобы получить необходимую деталь. Основным отличием пудлинговой печи от кричного горна была возможность заменить дорогой древесный уголь другими видами топлива.

Бессемеровский способ получения стали

Конвертер Бессемера

Во второй половине XIX в. машиностроение начало развиваться быстрыми темпами. Строились железные дороги, вместо деревянных парусных судов появились стальные паровые суда. Всё это требовало большого количества металла. Спрос на сталь возрастал. А получение стали методом пудлингования было очень медленным, трудоёмким и дорогим. Особенно узким местом в получении стали была ковка. Многие учёные думали над тем, как получить жидкую сталь, чтобы использовать её для отливки.

Эту задачу решил английский инженер Генри Бессемер в 1854 г.

В те времена дальнобойные орудия изготавливались из чугуна. Так как они должны были выдерживать большое количество выстрелов, то и качество чугуна должно было быть высоким. Бессемер работал над улучшением качества чугуна. Он обнаружил, что во время плавки чугуна восстановленное железо раньше всего появляется у воздуходувных труб. Бессемер попытался получить сталь, продувая воздух через расплавленный чугун. И вскоре он получил сталь отличного качества. Далее Бессемер понял, что не нужно вводить в технологический процесс тепло извне. Чугун содержит горючие примеси: углерод, кремний, марганец. При горении они повышают температуру плавки. В результате получается жидкая сталь.

В 1856 г. конвертер для получения жидкой стали был продемонстрирован Бессемером.

Как же устроен конвертер Бессемера?

Чугун, выходящий из доменной печи, заливается в конвертер – резервуар, имеющий на дне отверстия для подвода воздуха. Конвертер закрепляется на подвижных опорах, поэтому он легко переводится из горизонтального в вертикальное положение после того, как будет наполнен. Через отверстия в дне вдувается воздух. Кислород воздуха соединяется с углеродом, находящимся в чугуне. Конвертер переводится в горизонтальное положение, когда процесс закончится и в конвертере образуется железо. После этого в железо добавляют примеси, содержащие углерод. Происходит дальнейшее окисление железа. В результате образуется сталь с низким процентом углерода. Этот процесс протекает очень быстро. В течение 10 минут можно превратить в сталь 10 т чугуна.

Метод Бессемера позволил производить сталь в неограниченных объёмах.

Сталь - это твёрдый сплав железа и углерода, а иногда и других добавок. Причём содержание углерода в сплаве не должно превышать 2,14%. Сегодня сталь является важным материалом для множества отраслей промышленности. Такое широкое применение она получила благодаря тому, что при добавлении различных химических элементов, а также при изменении условий плавления можно получать из железа сплавы с различными свойствами.

Способ производства - второй определяющий фактор того, как получают сталь того или иного вида. Рассмотрим наиболее распространённые из них.

Конверторный способ

При конверторном методе воздух в днище печи подается через специальные сопла. Благодаря этому примерно через 10-20 минут весь лишний уголь превращается в углекислый газ. Ненужные примеси, например, кремний и фтор, образуют оксиды, а чугун выплавляется непосредственно в сталь. У этого способа есть существенный минус: сталь при выходе из печи получается крайне низкого качества, которую в дальнейшем используют лишь в технических целях, например, для производства проволоки, кровельного железа.

Мартеновская печь

Основное отличие мартеновского способа состоит в том, что избыток углерода в чугуне удаляется не только за счёт подачи воздуха через сопла, но и благодаря кислороду из оксидов железа (они добавляются в виде руды, ржавого лома). В мартеновских печах можно регулировать состав стали, если добавлять лом или руду в нужной пропорции. Правда, процесс литья стали происходит долго - 6-7 часов. Такой вид выплавки позволяет получать неплохую по качеству легированную сталь.

Электротермический способ

Данный способ позволяет очень точно регулировать химический состав стали. Воздух в печь практически не подается, поэтому образуется меньше оксидов железа. Выплавка происходит при температуре 2000-3000 градусов, что позволяет удалять даже самые тугоплавкие шлаки. Кроме того, высокая температура выплавки позволяет добавлять в чугун металлы вольфрам и молибден, что значительно улучшает качество стали. С помощью этого метода получают очень качественную сталь. Однако электротермическая выплавка крайне затратная, так как требуется много электроэнергии.

Стальные изделия даже на фоне активного распространения высокопрочных пластиков сохраняют свои позиции на рынке. Углеродистые сплавы с разными характеристиками используются в приборо- и автомобилестроении, строительстве и на производствах. Уникальное сочетание упругости и прочности делает материал выгодным с точки зрения длительной эксплуатации. Соответственно, изделия служат дольше и дешевле обходятся в обслуживании. Но и это не все достоинства, которыми обладает сталь. Получение стали с применением современных технологий позволяет наделять структуру металла и дополнительными свойствами.

Общие сведения о технологиях производства

Главная задача технолога заключается в обеспечении процесса, при котором в заготовке уменьшается содержание углерода и всевозможных примесей, например серы и фосфора. Основой для заготовки выступает чугун. Стоит отметить, что печи для изготовления чугуна появились еще в средних веках, в то время как первое получение стали было реализовано только в 1885 г., и по сей день методы производства сплава развиваются и улучшаются. Различия в подходах к процессу преимущественно обусловлены способом окисления углерода.

В качестве исходного материала используется литейный чугун. Он может быть применен в твердом или расплавленном виде. Также могут применяться железосодержащие изделия, получение которых осуществлялось путем прямого восстановления. Практически все способы получения стали в том или ином виде также предусматривают процесс рафинирования от примесей. Например, конвертерная технология обеспечивает их выдувание кислородом.

Конвертерный метод

При таком способе в качестве основы может применяться расплавленный чугун, а также примеси и отходы в виде руды, металлического лома и флюса. Сжатый воздух подается через технологические отверстия на подготовленную основу, способствуя выполнению химических реакций. Также в процессе участвует тепловое воздействие, при котором происходит окисление кислорода и примесей. Особое значение имеют и характеристики печного сооружения, в котором обрабатывается сталь. Получение стали может происходить в агрегатах с разной футеровкой - наиболее распространены способы защиты конструкций огнеупорным кирпичом и доломитовой массой. По типу футеровки конвертерный метод подразделяется также на два других способа: томасовский и бессемеровский.

Томасовский способ

Особенностью данного метода является тщательная переработка чугуна, содержащего до 2 % фосфорных примесей. Что касается техники футеровки, то ее реализуют с применением и магния. Благодаря этому решению шлакообразующие элементы наделяются избыточным количеством оксидов. Процесс фосфорного горения выступает одним из ключевых источников тепловой энергии в данном случае. К слову, сгорание 1 % фосфорного наполнения повышает температуру печи на 150 °C. Томасовские сплавы отличаются малым содержанием углерода и чаще всего применяются в качестве технического железа. В дальнейшем из него изготавливают проволоку, и т. п. Кроме того, получение стали (чугунов) может применяться для выработки фосфористого шлака с целью дальнейшего использования в качестве удобрения на почвах с повышенной кислотностью.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния - порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро - в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях - для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и

Электротермический способ

На сегодняшний день электротермическое получение сталей считается наиболее эффективным. Так, по сравнению с мартеновскими печами и конвертером данная методика обеспечивает возможность более точного контроля качества стали - в том числе за счет регуляции химического состава. Отдельного внимания заслуживает и взаимодействие печных камер с воздушной средой. Электротермическая технология получения стали предусматривает минимальный доступ к воздуху, обуславливая уже другие преимущества. Например, это позволяет минимизировать скопления монооксида железа и посторонних частиц в сплаве, а также обеспечивать более эффективное выгорание фосфора и серы.

Высокий температурный режим на уровне 1650 °C дает возможность выполнять плавку проблемных шлаков, которые требуют термического воздействия на повышенных мощностях. Также в электропечах можно осуществлять за счет тугоплавких металлов, среди которых вольфрам и молибден. Однако есть и серьезный недостаток у данного метода получения сталей. Используемые печи требуют больших объемов энергии, что делает этот процесс самым дорогим.

Зависимость свойств металла от элементной базы

Эксплуатационные качества стали определяются набором химических элементов, которыми был наделен сплав в ходе изготовления. Одним из ключевых компонентов, благодаря которым данный металл обретает свои основные свойства в виде твердости и прочности, является углерод. Чем он выше, тем надежнее сталь. Марганец с кремнием особого влияния на качества материала не оказывают, но их использование необходимо в изготовлении некоторых для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, может иметь разные концентрации данных элементов. В любом случае сера повышает ломкость металла, а также уменьшает свойства прочности и пластичности. Фосфор, в свою очередь, наделяет сталь хладноломкостью, которая в процессе эксплуатации может быть выражена хрупкостью.

Техники обработки сталей

Далеко не всегда процесс окончательного формирования структуры металла завершается после основного получения. В дальнейшем, с целью совершенствования характеристик изделия, могут применяться средства дополнительной обработки. К таким можно отнести деформационные методы в виде ковки, штамповки и вальцевания. Это помогает уже на этапе производства сформировать комплекс необходимых технических свойств, которыми будет обладать готовая сталь. Получение стали на выходе дает пластичную структуру, поэтому и технологии первичной переработки достаточно разнообразны. Так, помимо деформирования, могут применяться методы и нормализации.

Заключение

Сталь ассоциируется с надежностью и долговечностью. В случае с качественными изделиями этого вида такие характеристики оправданы. Например, отдельные марки обеспечивают довольно высокие качества прочности и упругости. В зависимости от того, по какой технологии выполнялось получение, применение стали может быть ориентировано на поддержание твердости, способность выдерживать динамические нагрузки и т. д. Наиболее выгодный с точки зрения технико-эксплуатационных свойств металл позволяет получать электротермический способ. Но в то же время он является и самым дорогостоящим, поэтому к данной методике прибегают только в особых случаях - для создания спецсталей.

Сталь — отнюдь не изобретение Нового времени. Способ ее получения был известен уже за 1000 лет до 11.14.1. i.i нашей эры. Однако до XIX в. сталь практически не испотьзовалась. поскольку ее производство было слишком сложным и дорогим. Быстрым и доступным оно стало лишь посте того, как Генри Бессемер изобрел в 1856 г. названный его именем конвертер.

Что делает сталь прочной?

В быту мы часто называем сталь железом. Однако железо — лишь исходный материал. Получают его из железной руды. В Европе выплавлять жстезо из руды первыми начали кельты около VII в. до н.э. Для этого руду нагревали в пламени древесного угля при усиленной подаче воздуха. Таким образом получается твердый, но хрупкий чугун с высоким содержанием углерода. Однако чугун не годится для ковки. Сталью называется сплав, в котором содержание углерода непревышает 2%. Ему можно ковкой и штамповкой придавать различные формы. Физические свойства стали зависят от метода охлаждения. Если охлаждать сплав медленно, он будет упругим и пластичным, при быстром охлаждении — твердым и хрупким.

Новые методы производства стали

Содержание углерода и других нежелательных примесей снижается так называемым фришеванием. Для этого чугун необходимо снова нагреть до жидкого состояния. С 1784 г. это делается в пудлинговой печи, нагреваемой каменным утлем. Чугун плавят на поду до тестообразного состояния, постоянно помешивая металлическими штангами для увеличения доступа кисторода. Бессемер усовершенствовал этот процесс, построив доменную печь: сквозь массу бедного фосфором чугуна продувался сжатый воздух, способствуя процессам окисления. Конвертер Бессемера выдавал за 20 минут столько же стали, сколько пудлинговая печь за целый день. На сходном принципе основан и изобретенный в 1864 г. мартеновский процесс. Позже появились кистородные конвертеры и электрические печи для выплавки стали.

1742 г.: Бенджамин Хантсман начал выплавлять сталь не в открытой печи с древесным углем, а в нагреваемом тигле.

1878 г.: Сидни Гилкрист Томас изобрел «томасовский процесс» для Удаления фосфорных примесей из железной руды в процессе плавки.

1952 г.: в Австрии начал работу первый в мире сталелитейный завод на основе ЛД-процесса. Имеющиеся в чугуне примеси удаляются в таком конвертере продувкой техническим кислородом.