Ста́ль, або кри́цясталь // Ганіткевич М., Кінаш Б. Російсько-український словник з інженерних технологій: Понад 40 000 термінів / Технічний комітет стандартизації науково-технічної термінології Міністерства економ. розвитку і торгівлі та Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. — 2-е вид. — Львів: Вид-во Львівської політехніки, 2013. — 1021 с. — (Термінографічна серія СловоСвіт; № 9). — ISBN 978-617-607-385-7. — сплав заліза з вуглецем, який містить від 0,02 до 2,14 % вуглецю і домішок (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази).
За вмістом вуглецю сталі поділяють на дві групи: м'яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю). тверда сталь (містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю).
Історія
Сталь отримано з чавуну у II ст. до нашої ери китайськими металургами. Спосіб отримав назву «сто очищувань» і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавленого чавуну під час його перемішування. Це призводило до зменшення частки вуглецю в металі й наближення його до властивостей сталі. Винайдення сталі згадано у трактаті «Хайнаньцзи» (122 р. до н. е.).
Кельти виробляли сталь для покриття нею зброї і інструментів. Одержували її навуглецюванням штиби заліза у полум'ї деревного вугілля. Отримане в такий спосіб сталеве лезо наварювалося (методом пічного або ковальського зварювання) на м'яку залізну основу. Кельти досягли великих результатів у виробництві наварних виробів.
Іншим стародавнім способом одержання сталі є тигельна плавка з руд у тиглях, уміщених у спеціальні розігрювальні горна. Для плавки використовували тиглі заввишки 1,2 м, з внутрішнім діаметром до 12 см. У склад шихти входили залізна руда, деревне вугілля і флюси. Після остигання з тигля діставали невеличкий сталевий зливок. Така плавка особливого розвитку досягла на Сході. Вона дозволяла отримувати сталь високої якості, однак у невеликій кількості. У тиглі переплавляли також ковке залізо, яке навуглецьовувалося і через зменшення температури його плавлення плавилося. Шматок сталі діставався у охолодженому твердому стані, його проковували й в такий спосіб отримували сталеву заготовку для виготовлення холодної зброї. Сталь з тіглів виходила високовуглецева — містила понад 1 % вуглецю. Тигельна сталь зі Сходу була відома в Європі. Тигельне виробництво набуло розвитку в Індії, Персії і Центральній Азії. Однак, основним способом виробки заліза — але не сталі — були сиродутне горно (з руди), кричне горно і пудлінгова піч (з чавуну).
Окрім кельтів, у Європі з часів Стародавнього світу до раннього Середньовіччя єдиним доступним людині видом заліза було ковке залізо (зварне залізо), що його одержували у сиродутних горнах. Alan Williams. The Sword and the Crucible: A History of the Metallurgy of European Swords Up to the 16th Century. 2012 ISBM 978 90 04 22783 5 ISBM 978 90 04 22933 4 На відміну від сталі таке залізо містило менше вуглецю і, відповідно, мало відмінні від сталі властивості (було м'якішим тощо), містило включення шлаку. Цей вид заліза одержували не у рідкому, а у тістоподібному стані. Винайдені пізніше способи виробництва заліза з чавуну методами кричної переробки (14 століття) і пудлінгування (1784) давали так само ковке (зварне) залізо.
Лише у 16 столітті в Європі навчилися отримувати сталь, — з ковкого (зварного) заліза методом цементації. Він полягав у довгому (протягом кількох днів) прогріванні штаб або прутків з ковкого заліза з деревним вугіллям у герметичній ємності, внаслідок чого відбувалося навуглецювання заліза. Вперше процес цементації було описано у книзі, виданій у Празі у 1574 році. Перший патент на нього отримано в Англії у 1614 році. K. C. Barraclough, Steel before Bessemer: I Blister Steel: the birth of an industry (The Metals Society, London, 1984), 48-52. Даний спосіб все ще не дозволяв отримувати сталь у рідкому стані.
Про сталь як сорт заліза згадує Ґеорґіус Аґрікола у своїй роботі De Re Metallica (1556) і описує технологію її отримання.
У 1740-х роках британський винахідник Бенджамін Гантсман винайшов спосіб одержання ливарної сталі у тиглях шляхом переплавки суміші шматків ковкого (зварного) заліза, чавуну й флюсу. Спосіб вперше в Європі дозволив отримувати сталь у рідкому стані. Однак, тигельною плавкою одержували сталь у порівняно невеликій кількості.
У 1854 році британський винахідник Генрі Бессемер запатентував конвертер для переділу рідкого чавуну в сталь продуванням повітря без витрат пального, який став основою так званого бесемерівського процесу. Це був перший в історії чорної металургії спосіб масового виробництва сталі. Її отримували у рідкому стані, що дозволяло використовувати сталь як у виробництві заготовок для прокатного виробництва так і у ливарному виробництві.
Надалі були винайдені інші способи виплавки сталі — мартенівський (1864), томасівський (1878), електродуговий (1901), киснево-конверторний (1952). В різні періоди світового розвитку сталеплавильного виробництва домінували різні способи виробництва сталі. На сьогодні домінує киснево-конверторний спосіб одержання сталі, на який припадає 70 % її виробництва.
Показники світового виробництва сталі
+ Світове виробництво сталі в різні роки, млн. т Babich A., Senk D., Gudenau H. W., Mavrotnmatis K. Th. Ironmaking. — Aachen, RWTH Aachen University Department of Ferrous Metallurgy, 2008. ISBN 3-86130-997-1 World crude steel production 1950 to 2023. // Рік Кількість Рік Кількість Рік Кількість Рік Кількість 1950 189 1985 719 2000 848 (850) 2015 1627 1955 270 1990 770 2001 850 2017 1739 1960 347 1995 752 (753) 2002 904 2019 1880 1965 456 1996 750 2003 969 2020 1885 1970 595 1997 799 2004 1067 2021 1963 1975 644 1998 777 2005 1132 (1148) 2022 1890 1980 717 1999 789 2010 1435 2023 1892 Україна станом на 2008 р. займає 5-те місце у світі за обсягами експорту сталі, 76,46 % сталі, що її виробляють на світовому ринку, припадає на 10 провідних країн. Станом на 2016 р. Україна входить у десятку світових виробників сталі .
Виробництво сталі Суть процесу переробляння чавуну на сталь полягає у зменшуванні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок — фосфору і сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.
Залежно від способу окиснювання вуглецю є різні способи переробляння чавуну на сталь: конверторний, мартенівський і електротермічний. До фінансової кризи в 2008 році Україна залишалася однією з небагатьох країн, де широко використовували мартенівський спосіб виплавляння сталі, що є досить енергозатратним та екологічно шкідливим. Наразі більшість мартенівських печей в Україні виведено з експлуатації, а ті що лишилися, невдовзі також будуть закриті. Мартенівський спосіб виплавляння сталі не витримує конкуренції, що загострилася на світових ринках після 2008 р. Таким чином зараз в Україні, як і в усьому світі, переважну більшість сталевої продукції виробляють конвертерним способом.
Конверторний спосіб
За цим способом окиснювання надлишку вуглецю та інших домішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах — конверторах. Конвертор — це грушоподібна сталева піч, обфутерована всередині вогнетривкою цеглою. Він може повертатися навколо своєї осі. Місткість конвертора 50–60 т сталі. Матеріалом його футеровання служить або динас (до складу якого входять головним чином SiO2; що має кислотні властивості), або доломітна маса (суміш CaO і MgO, які одержують із доломіту MgCO3·CaCO3. Ця маса має основні властивості. Залежно від матеріалу футеровання печі конверторний спосіб поділяють на два види: бессемерівський і томасівський.
Бессемерівський спосіб
Бессемерівським способом переробляють чавуни, які містять мало фосфору і сірки й багаті на кремній (не менше 2 %). Такі чавуни можуть називатися бесемерівськими чавунами. При продуванні кисню спочатку окиснюється кремній із виділенням значної кількості тепла. Внаслідок цього початкова температура чавуну приблизно з 1300 °C швидко піднімається до 1500—1600 °C. Вигоряння 1 % Si обумовлює підвищення температури на 200 °C.
Близько 1500 °C починається інтенсивне вигоряння вуглецю. Разом із ним інтенсивно окиснюється й залізо, особливо під кінець вигоряння кремнію і вуглецю: Si + O2 = SiO2 2C + O2 = 2CO ↑ 2Fe + O2 = 2FeO Монооксид заліза FeO, що утворюється, добре розчиняється в розплавленому чавуні і частково переходить у сталь, а частково реагує з SiO2 й у вигляді силікату заліза FeSiO3 переходить у шлак: FeO + SiO2 = FeSiO3 Фосфор повністю переходить із чавуну в сталь, бо P2O5 при надлишку SiO2 не може реагувати з основними оксидами, оскільки SiO2 з останніми реагує більш енергійно. Тому фосфористі чавуни переробляти в сталь цим способом не можна.
Усі процеси в конверторі йдуть швидко — протягом 10–20 хвилин, бо кисень повітря, що продувається через чавун, реагує з відповідними речовинами відразу по всьому об'єму металу. При продуванні повітря, збагаченого киснем, процеси прискорюються.
Монооксид вуглецю CO, що утворюється при вигорянні вуглецю, пробулькуючи вгору, згоряє там, утворюючи над горловиною конвертора факел світлого полум'я, який у міру вигоряння вуглецю зменшується, а потім зовсім зникає, що і служить ознакою закінчення процесу.
Одержувана при цьому сталь містить значні кількості розчиненого монооксиду заліза FeO, який сильно знижує якість сталі. Тому перед розливною сталь треба обов'язково розкиснювати за допомогою різних розкисників — феросиліцію, феромангану або алюмінію: 2FeO + Si =2Fe + SiO2 FeO + Mn = Fe + MnO 3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3 Монооксид мангана MnO як основний оксид реагує з SiO2 і утворює силікат мангана MnSiO3, який переходить у шлак. Оксид алюмінію як нерозчинна при цих умовах речовина теж спливає наверх і переходить у шлак. Незважаючи на простоту і велику продуктивність, бессемерівський спосіб тепер не досить поширений, оскільки він має ряд істотних недоліків. Так, чавун для бессемерівського способу повинен бути з найменшим вмістом фосфору і сірки, що далеко не завжди можливо. При цьому способі відбувається дуже велике вигоряння металу, і вихід сталі становить лише 90 % від маси чавуну, а також витрачається багато розкисників. Серйозним недоліком є неможливість регулювання хімічного складу сталі.
Бесемерівська сталь містить зазвичай менше 0,2 % вуглецю і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, болтів, дахового заліза тощо.
Томасівський спосіб
Томасівським способом переробляють чавун із великим вмістом фосфору (до 2 % і більше). Такий чавун називають томасівським чавуном. Основна відмінність цього способу від бессемерівського полягає в тому, що футеровку конвертора роблять з оксидів магнію і кальцію (які одержують із доломіту MgCO3·CaCO3). Крім того, до чавуну додають ще до 15 % CaO. Унаслідок цього шлакоутворюючі речовини містять значний надлишок оксидів з основними властивостями.
У цих умовах фосфатний ангідрид P2O5, який виникає при згорянні фосфору, взаємодіє з надлишком CaO з утворенням фосфату кальцію, що переходить у шлак: 4P + 5O2 = 2P2O5 P2O5 + 3CaO = Ca3(PO4)2 Реакція горіння фосфору є одним із головних джерел тепла при цьому способі. При згорянні 1 % фосфору температура конвертора піднімається на 150 °C.
Сірка виділяється в шлак у вигляді нерозчинного в розплавленій сталі сульфіду кальцію CaS, який утворюється внаслідок взаємодії розчинного FeS із CaO за реакцією: FeS + CaO = FeO + CaS
Усі останні процеси відбуваються так само, як і при бессемерівському способі. Недоліки томасівського способу такі ж, як і бессемерівського. Томасівська сталь також маловуглецева і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, дахового заліза тощо.
В СРСР томасівський спосіб застосовують для переробки фосфористого чавуну з керченського бурого залізняку. Одержуваний при цьому шлак містить до 20 % P2O5. Його розмелюють і застосовують як фосфорне добриво на кислих ґрунтах.
Мартенівська піч