Эволюция стали: производство и использование

На сегодняшний день почти каждая отрасль промышленности, так или иначе, потребляет стали и сплавы на их основе. В этой связи черная металлургия является одной из ключевых в промышленности, ее инновационное развитие стимулирует развитие в таких отраслях, как: машиностроение, строительство, мостостроение, судостроение и т.д.

 

В состав черной металлургии входят следующие основные подотрасли:

- добыча и обогащение руд черных металлов;

- добыча и обогащение нерудного сырья для черной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин, добавочных материалов и т. п.);

- производство черных металлов (чугуна, сталей и сплавов, проката, металлических порошков черных металлов); - производство стальных и чугунных труб;

- коксохимическая промышленность;

- вторичная переработка черных металлов (лома и отходов).

 

В последнее время в развитии черной металлургии наблюдаются негативные тенденции. Развитие общемировой отрасли черной металлургии до настоящего времени во многом было обусловлено интенсивным развитием экономики Китая. На фоне замедления развития экономики за период с 2012 по 2014 годы наблюдалось стагнация развития мировой отрасли черной металлургии. Если данная тенденция сохранится, то возникнет проблема глобального уровня, связанная со снижением темпов развития мировой черной металлургии.

 

Как же бороться с негативными тенденциями в черной металлургии, как повысить конкурентоспособность данного конкретного сталелитейного предприятия?

 

Дерево эволюции.

Основным видом производственной деятельности предприятий черной металлургии является производство металла, остальные виды деятельности можно отнести к вспомогательным. Прежде всего, давайте рассмотрим, какую продукцию производят предприятия черной металлургии, для чего построим дерево эволюции выпускаемой продукции (рис. 1).

 

Самый простой и дешевый продукт – это сляб, огромный кусок стали, который требует дальнейшей обработки перед отправкой потребителю.

Какие тенденции развития просматриваются здесь?

Прежде всего – дробление одного большого куска металла на несколько более мелких частей. При этом толстые и более тонкие листы металла, полоса, рулонная лента и фольга. То есть, мы здесь наблюдаем дробление материала при сохранении его формы, разделение сляба по его толщине.

Дробление сляба может быть выполнено путем разделения его по ширине. В таком случае мы получаем квадратный профиль, что-то вроде толстых металлических стержней. Следующий шаг – разделение на большее количество частей, получение прутков, толстой и тонкой проволоки.

Далее проволока тоже может быть раздроблена на кусочки для получения стальной дроби, гранул, крупного и тонкого порошка.

 

Рис.1. Дерево эволюции сталелитейной продукции (исходный вариант)

 

 

 

 

 

Финальным шагом по линии дробления будет жидкий металл, то есть расплав, который без дальнейшей переработки используется для изготовления нужных деталей путем литья в формы.

Это основная часть, ствол дерева продукции черной металлургии.

Линии эволюции можно проследить практически для каждого из вариантов производимой продукции.

Так, для полосы можно построить линию геометрической эволюции, описывающую усложнение формы полосы и получение новых геометрических структур (рис.2). Это структуры, которые могут быть получены простым сгибанием: уголок, швеллер, различные желоба и S-образные профили и другие изделия, имеющие в сечении самый разный профиль. Развитием этого направления могут служить замкнутые структуры: квадратные и круглые трубы, трубы со сложным профилем в сечении и т.п. Следующий этап развития плоской полосы – это трехмерные оболочковые конструкции, из которых могут быть получены самые различные изделия, например, колена для трубопроводов, тройники, корпуса запорной и регулирующей арматуры и т.п.

 

Рис.2. Геометрическая эволюция изделий из листовой стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следующая линия – моно-би-поли (рис.3). Если посмотреть на главный и основной продукт черной металлургии – сляб, то можно заметить, что при его производстве получаются дополнительные продукты, которые могут быть использованы как товар. Это, прежде всего, шлак. При производстве тонны стали получается около ХХХ килограмм шлака, который может быть использован для самых разных целей. Кроме того, получается большое количество воды, которая широко используется в производственном процессе для охлаждения обрабатываемого металла. Сбросовые воды имеют высокую температуру и несут в себе прибавочную стоимость, которая может быть использована для получения прибыли. То есть, здесь мы видим линию развития моно-би-поли различных компонентов, согласно которой можно проследить развертывание количества полезных продуктов, получаемых при производстве стали.

 

Рис.3. Моно-би-поли полезных продуктов при производстве стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еще одну линию, эволюция внутренней структуры, можно построить, если рассмотреть микроструктуру производимой стали. Это зерна кристаллов, как правило, разных размеров, расположенные хаотично в толще материала (рис.4).

Один из вариантов этой линии показывает упорядочивание размеров и расположения зерен микрокристаллов. Такое упорядочивание может происходить в двух направлениях – как в сторону равномерного, изотропного, распределения атомов вещества, так и в сторону повышения анизотропии материала, когда кристаллы распределяются в определенном порядке, а их форма повышает механическую прочность стали.

Изотропная, так называемая «стеклянная», сталь имеет аморфную структуру. В отличие от стандартных металлов, где атомы находятся в определенном порядке, в твердых аморфных веществах, к примеру, стекле, атомы размещаются хаотично. Такое расположение атомов дает «стеклянной стали» необыкновенную прочность при любых нагрузках.

 

Рис.4. Эволюция внутренней структуры стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Другое направление структуризации заключается в упорядочивании кристаллов стали. Например, аустенитные стали имеют не только более упорядоченную микроструктуру, но и сохраняют ее неизменной в большом диапазоне температур, что придает аустенитной стали особые прочностные и антикоррозионные свойства.

Это направление развивается в сторону дополнительного ориентирования микрокристаллов, то есть в придании материалу свойства анизотропии. Так в стали для формования лопаток турбин самолетных двигателей предусмотрено ориентирование продолговатых кристаллов вдоль некоторой оси. Такая сталь, как любой анизотропный материал, исключительно хорошо работает при определенных нагрузках, например, при изгибе и растяжении вдоль оси ориентации кристаллов.

Наиболее подходящая структура для лопаток турбин – это монокристалл, то есть когда вся лопатка представляет собой молекулярную структуру с кристаллической решеткой.

На рисунке 5 представлены различные варианты лопаток: из обычной стали, с продольно ориентированными кристаллами и монокристаллическая. Очевидно, что лопатка с ориентированными кристаллами и монокристаллическая имеют гораздо большую прочность по сравнению с обычной.

 

Рис. 5. Лопатки турбины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еще одно направление структуризации стальных изделий заключается в том, что материалу придают разные свойства в его глубине и слое, приближенном к поверхности. Для этого применяются разные способы: закалка, науглероживание поверхностного слоя, механический наклёп и т.п. Упрочненная сталь, мягкая внутри, имеет высокую твердость поверхностных слоёв.

Обратный пример – режущий элемент экскаваторного ковша выполняют так, что внутри расположена твердая сталь, а по бокам – более мягкая. Такой зуб, выполненный по образцу резцов бобра, имеет свойство самозатачиваться (рис.6).

 

Рис.6. Самозатачивающийся зуб