Сталь на всі часи: універсальна та ідеальна
Незважаючи на усі намагання ворога послабити нашу віру в Перемогу терористичними атаками на міста України, наша єдність залишається такою ж міцною, як криворізька сталь. Сталева витримка і сміливість – ось що єднає українців. А що таке сталь – читайте в нашому матеріалі в рубриці #ПроМетал.
Сталь – універсальний матеріал, який широко використовується людством протягом тисячоліть. Завдяки унікальним властивостям, вона може бути перероблена та використана безліч разів. Кораблі в океані, «скелети» найвищих у світі споруд, найсучасніші автомобілі, найдрібніші гвинтики та пружинки – все зроблено з неї. Існує безліч марок сталі, і ця кількість з кожним днем стрімко зростає. З 2005 року і по цей час на нашому підприємстві було виплавлено близько 100 млн тонн сталі, а це, між іншим, більше ніж знадобилося б для побудови 10 тисяч Ейфелевих веж.
Яка ж сталь вважається ідеальною? Та, яка повністю відповідає вимогами споживача і при цьому зварена з мінімальними витратами сировини, енергії та часу. Начальник групи з розробки нових видів продукції технічного управління Дмитро Душкевич розповідає: «Ми постійно працюємо над підвищенням якості сталі та скороченням витрат на кожну її тонну, покращуємо технологію, вдосконалюємо культуру виробництва. Саме це підвищує конкурентоспроможність нашого підприємства». Дмитро про виплавку сталі на нашому підприємстві знає майже все. Він розповів «Металургу» про те, як зварити ідеальну сталь.
Все починається з клієнта
«АрселорМіттал Кривий Ріг» виробляє арматуру, кутник, смугу різних класів, які використовуються в будівництві, а також катанку, з якої потім роблять сітки, канати, арматурні пасма, ресори для автомобілів, зварювальний дріт, гвинти, цвяхи, пружини для меблів та ще безліч всього. Тому надважливо одразу зрозуміти, що конкретно буде зроблено з тієї чи іншої сталі. Отримавши від замовника таку інформацію, ми пропонуємо конкретну продукцію, яка якнайкраще задовольнить його потреби. Під цю продукцію у конвертерному цеху вариться марка з необхідними властивостями.
Подарунок з неба
Перші згадки про залізо – основу сталі – є у Давньоєгипетських папірусах, написаних ще 3,5 тис років тому. Єгиптяни називали його металом, що впав з неба. Небесним металом його називали й жителі Месопотамії. Навіть у сучасній вірменській мові залізо іменують як єркат, тобто, те, що впало з неба. Стародавні греки ж називали його «зірка» або «світило».
Справа в тім, що перше залізо дійсно впало з неба у вигляді метеоритів. Вже пізніше людство навчилося виплавляти його з залізної руди. Це було не чисте залізо, а один з його сплавів – сталь або чавун. Цікаво, що деякі індіанські племена до відкриття Америки Колумбом не могли виробляти залізо з руди, але користувалися виробами з метеоритного заліза.
За твердженням дослідника Панькова, на території сучасної України широке використання заліза у побуті та військовій справі почалося приблизно з IX—VIII ст. до н. е. До нас дійшли міфи про легендарний скіфський меч Арея – символ військової могутності. А основним металургійним агрегатом наших предків, східних слов’ян, була сиродутна піч, в якій можна було отримати залізо лише у твердому «тістоподібному» стані, а не рідкий чавун чи сталь.
Сталь та чавун
Основними компонентами сталі, власне, як і чавуну, є залізо та вуглець. Навіщо ж витрачати час та ресурси для того, щоб з чавуну отримати сталь, запитаєте ви?
Чавун і сталь мають різні властивості. Якщо чавунну сковорідку впустити з висоти, вона розіб’ється. Сталева ж може лише погнутися. Тож чавун – крихкий, а сталь – пластична. Чавун дуже важко піддається зварюванню, тоді як сталь – навпаки, що дуже важливо для створення металоконструкцій. Сталь, на відміну від чавуну, піддається механообробці.
А ще властивості різних марок сталі різняться у надзвичайно широкому діапазоні, і це суттєво розширює сфери її використання. Завдяки вищезазначеному, сталь використовується скрізь, а чавун має доволі обмежені зони вжитку.
«Відмінність властивостей цих сплавів викликана різним вмістом вуглецю. Якщо його більше, ніж 2.14 відсотки, то це чавун, якщо менше – це сталь. Наші сталеплави можуть зварити й сплав з набагато меншим вмістом вуглецю, практично, чисте залізо, якщо це потрібно клієнту», – пояснює Дмитро Душкевич
З чого варять сталь?
Існують різні технології виробництва сталі. Найрозповсюдженіша, яка використовується і в «АрселорМіттал Кривий Ріг» – це продукування сталі з чавуну та металобрухту з продуванням киснем – тобто киснево-конвертерний спосіб.
Чавун для сталеплавильників дають доменні цехи. Він має відповідати базовим вимогам: мати температуру 1300-1320 0С, містити не більше 0,03 % сірки, не більше 0,1 % фосфору, а вміст кремнію має бути 0,6–0,8 %. Можна використовувати чавун і з більшим вмістом цих речови, але це спричинить збільшення часу на виплавку та удорожчання сталі.
Інша складова – металобрухт та скрап. Їх має бути близько 20 відсотків від всієї маси сировини. Ці складники ми отримуємо з копрового цеху. Найякісніший металобрухт – це наші власні відходи: обріз прокату, заготовок тощо. Закупний металолом часто дрібніший. Металурги жартома називають його піонерським. Він спресовується спеціальним пресом у копровому цеху.
Щоб надати сталі необхідного хімічного складу, сталеплави використовують вапно та доломіти, вугілля, алюміній, феросплави тощо. Кисень для продування забезпечує кисневе виробництво.
«Спочатку чавун залізницею привозять у великих ковшах до міксерного відділення конвертерного цеху. Там є чотири величезних міксери. Вони зовсім не схожі на кухонні, але виконують схожу роботу. У міксерах чавун перемішується, завдяки чому усереднюється за хімічним складом та температурою. Це спрощує роботу сталеплавам, адже варити сталь з чавуну з неоднорідними властивостями – клопітна справа, що вимагає додаткових затрат матеріалів та часу», – розповідає Душкевич.
Металобрухт до конвертерного цеху привозять у спеціальних вагонах, які металурги-сталеплави називають «ракетами». Завдяки специфічній формі таких вагонів, брухт зручно вивантажувати в конвертер.
Початок
Конвертер – це, якщо говорити просто, величезна діжка, до якої перед кожною плавкою завантажують 30-32 тонни металобрухту та 128-130 тонн чавуну. З них у конвертері варять основу для сталі. Таких агрегатів на підприємстві шість. Конвертер видає 20-22 плавки на добу.
Сам конвертер зроблений зі сталі, а зсередини вимощений (футерований) вогнетривними матеріалами. Він може нахилятися і навіть обертатися навколо осі на 360 градусів. Це необхідно для виробничих операцій. «Зараз він нахилений і готовий прийняти метал. Состав з металобрухтом вже тут. Бачите, як «ракети» по черзі підіймаються потужними кранами, брухт з них засипається у середину конвертера. А ось і чавун у величезних ковшах. За допомогою тих самих потужних кранів чавун також потрапляє у середину конвертера», – Дмитро розкладає процес по поличках.
Плавка почалась!
Металургійна алхімія
У процесі плавки необхідно видалити з розплаву надлишки вуглецю, а також сірки, кремнію, марганцю та деяких інших складових. Їх треба окиснити, для цього застосовується продувка киснем.
На початку продувки до розплавленої маси додають вапно, щоб утворився основний шлак, який потрібен для видалення з металу шкідливих домішок (сірки та фосфору). Кисень подають через фурму – охолоджувану водою трубу довжиною 12 метрів. Під час реакцій окиснення виділяється велика кількість тепла, і температура розплаву сягає 1600-17000 С. Вуглець, кремній, сірка та інші речовини взаємодіють з киснем і утворюють легші за залізо оксиди, які переміщуються у верхню частину розплавленої маси і утворюють шлак.
В залежності від товщини шару, шлак може бути корисним, захищаючи плавку від подальшого окиснення та зберігаючи температуру. Але може й шкодити – агресивно вступає в реакції і змінює хімічний склад не так, як потрібно. За словами Душкевича, якщо для більшості марок сталі, яку ми розливаємо у злитки, це не так важливо, то для тієї, яка надходить у відділення безперервного розливання, товщина шару шлаку у ковші повинна бути не більша, ніж 10 см. Тому на кількох конвертерах працюють установки «Монокон», які під час зливання сталі затримують зайвий шлак.
Зливай!
Режимом продувки та іншими параметрами киснево-конвертерного процесу керує машиніст дистриб’ютора.
Після продувки сталевар заміряє температуру в конвертері та бере пробу металу. Аналіз проби швидко і якісно виконується у роботизованій лабораторії безпосередньо в цеху.
Якщо склад та температура розплаву не одразу відповідають вимогам, то можна продовжити продувку чи додати необхідні компоненти. Якщо в розплаві залишається забагато бульбашок кисню, їх видаляють додаванням алюмінію, що зв’язує кисень. І знову беруть проби, перевіряючи готовність. Якщо з температурою та хімічним складом все нормально, то метал зливають у ківш.
Якщо ця сталь призначена для відділення безперервного розливання, то після попереднього розкислення конвертерники більше нічого з цим напівпродуктом не роблять, бо його доведуть до готовності вже на місці – на установці позапічної обробки (установка піч-ківш). А от сталь, яку будуть розливати у злитки, доводять до готовності одразу.
Під час випуску з конвертера у ківш сталь насичується необхідними елементами, набуває потрібного хімічного складу. Для цього сталевар додає прямо у сталерозливальний ківш феросплави, що містять кремній, марганець тощо. Якщо вуглецю менше норми – додається вугілля. Виходить, що в конвертері ми забираємо з розплаву практично все, крім заліза, а потім повертаємо необхідне вже у ковші», – каже Дмитро Душкевич.
Для отримання деяких марок додають такі елементи, як нікель, хром, молібден, бор, титан та інші. Наприклад, при виготовленні сталі за ізраїльським стандартом, мабуть найприскіпливішим за вимогами, для міцності додають ванадій. Злитки з розлитої у форми-виливниці сталі підуть на виготовлення заготовок, з яких зроблять прокат.
Точність – це фішка
Сталь, яку планують розлити за допомогою машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), доводиться до готовності у відділенні безперервного розливання. Обробка за допомогою установки піч-ківш дає можливість отримати надзвичайно точні параметри хімічного складу. Саме на машинах безперервного лиття «АрселорМіттал Кривий Ріг» виробляє більшість сталей з високою доданою вартістю. Така обробка дозволяє дозувати феросплави та інші добавки з ювелірною точністю.
Використання МБЛЗ дозволяє отримувати не злитки, а вже готові сталеві заготовки з дуже якісною поверхнею та необхідною внутрішньою структурою. Саме з таких заготовок частіше за все підприємство виробляє високовуглецеву катанку, яку наші замовники переробляють на суперміцні та гнучкі канати та арматурні пасма. З низьковуглецевої катанки замовники виробляють широкий спектр продукції, наприклад, унікальні за властивостями метизні вироби, продукцію для зварювання тощо. Але на захист сталі у злитках треба сказати, що і з неї за умов суворого дотримання технологій та маючи багаторічний досвід можна виробляти прокат з видатними властивостями. Наприклад, з нашої легованої сталі прокатники виготовляють продукцію, яка потім йде на міцні та пружні ресори для транспорту.
Тому і виходить, що ідеальна сталь – це сталь, яка ідеально підходить для виготовлення тих виробів, для яких вона зварена, а основа ідеальних властивостей – відповідний хімічний склад. .
А ще корисні властивості сталі можна підсилити під час обробки. Наприклад, прокатники під час термообробки арматури чи катанки надають їм додаткової міцності, пластичності, пружності тощо.
Якість нашої сталевої продукції, яка є затребуваною в світі, ґрунтується на злагодженій роботі доменників, що плавлять чавун, сталеплавів, які варять та розливають сталь, прокатників, які виготовляють з неї якісний прокат та низки управлінь, які розробляють технології та працюють над тим, щоб наша сталь та вироби з неї цілковито задовольняли наших клієнтів і давали прибуток підприємству.
Зелена сталь
В майбутньому, разом з відповідністю до вимог споживача та економністю виробництва, ідеальна сталь матиме ще один критерій – нуль викидів вуглецю під час її виробництва. І світові лідери з виробництва сталі вже крокують до цієї мети.
Компанія «АрселорМіттал» зобов’язалася до 2050 року повністю перейти на виробництво безвуглецевої сталі, яку ще називають «зеленою», що суттєво зменшить викиди шкідливих речовин у навколишнє середовище. Вже зроблені перші кроки.
Наприклад, підприємство «АрселорМіттал Гамбург» першим у світі запустило технологію отримання металевого заліза безпосередньо з окатишів оксиду заліза з використанням природного газу, що виключає доменний процес . А в Іспанії компанією розпочато проект будівництва металургійного підприємства, яке запрацює з 2025 року і буде виробляти високоякісну «зелену» сталь, використовуючи замість коксу водень.
«АрселорМіттал Кривий Ріг» як частина корпорації також стане ареною цих величезних зрушень, спрямованих на створення чистішого та досконалішого світу. Тож сталь має не лише минуле і теперішнє, але й завдяки своїй універсальності та здатності вдосконалюватися – майбутнє.
