Как рождается сталь

Современной материальной культуре человечества бал правит признанная королева — сталь. Часто говорят: «сталь и сплавы», будто забывая, что сталь тоже сплав. Точнее, сталь — общее название огромного количества сплавов, из которых делают детали машин, приборов, строительные и транспортные конструкции, режущие и измерительные инструменты. Сталь бывает броневая, орудийная, машино- и судостроительная, рессорная, котельная, быстрорежущая, электротехническая. Ее свойства — твердость, жаропрочность, износостойкость, устойчивость к кислотам, коррозионная стойкость.

Иллюстрация: Е. Силина

И сталь, и чугун — железоуглеродистые сплавы. Углерода в стали содержится от 1 до 1,5%. В чугуне немного больше — от 2 до 4%. Незначительная на первый взгляд разница заметно меняет свойства сплава. Недаром когда-то чугун рядом со сталью считался браком.

Основной способ получения стали — плавление чугуна с металлическим ломом в мартенах, конвертерах или электропечах. Мартеновская печь была построена французским металлургом Пьером Мартеном в 1864 году по чертежам немецкого инженера Фридриха Сименса. В нее, как говорят металлурги, заваливают шихту: смесь чугуна и стального лома, измельченную железную руду в качестве присадки для получения кислорода и флюсы, например известняк, для связывания примесей в шлаки. Топливом в мартене служит газ, что позволяет достичь высокой температуры плавки, более 1800°C. Одновременно с плавкой сталь легируется — в нее вносят металлические добавки для придания специальных свойств. Готовую сталь разливают в формы. Остывшую заготовку подвергают различным видам обработки; ее прокатывают в листы, рельсы, балки, проволоки.

Конвертер придумал английский изобретатель Генри Бессемер в 1856 году и усовершенствовал английский металлург Сидни Томас. Это вращающаяся печь, формой похожая на грушу. Изнутри она выложена огнеупорами — кварцевыми или доломитными, содержащими оксиды кальция и магния. Они предназначены для связывания находящейся в чугуне нежелательной примеси фосфора. Печь укладывают горизонтально, заливают в нее жидкий чугун, ставят в вертикальное положение и продувают снизу сжатым воздухом или технически чистым кислородом. В конвертере углерод окисляется до угарного газа и восстанавливается оксид железа до металла: 4Fe₃C+11O₂=6Fe₂O₃+4CO, Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂.

В начале XX века выплавку стали из чугуна начали производить в электрических печах с использованием тепла электрической дуги. Электропечь похожа на огромную ванну, в которой металлический лом заливают расплавленным чугуном. Туда же помещают графитовые электроды. Между ними и жидким металлом возникает мощная электрическая дуга с температурой порядка 2500°C и выше. В такой печи стали получаются более чистыми, с меньшим количеством шлаков, легко легируются. К концу XX века более четверти мирового производства стали приходилось на электропечи. В нашей стране с конца 1917 года работает металлургический завод «Электросталь», ставший градообразующим для подмосковного города, который до того был маленьким полустанком под названием Затишье.

Уже с конца XIX века ученые-металлурги искали пути прямого восстановления железа из руды, без передела чугуна. Ведь именно так его получали древние мастера, плавя руду в горнах на древесном угле. В 1911 году в Швеции была пущена небольшая промышленная установка, полностью повторившая способ наших далеких предков. В России методом прямого получения железа производят сталь высочайшего качества на Оскольском металлургическом комбинате в городе Старый Оскол. Установка представляет собой цилиндрическую печь высотой 60 метров и диаметром 5 метров. Сверху подается сырье — заранее обогащенная руда в виде окатышей, снизу поступает горящий природный газ и нагретый до 900°C водород. Окатыши не плавятся, а металлизуются. На выходе из печи они более чем на 90% состоят из железа.

Как же можно получить такое разнообразие свойств, присущее стальным сплавам? Достигают этого легированием введением в сплав добавок хрома, никеля, марганца, титана, вольфрама, молибдена, ванадия, циркония. Одним из первых легирующих элементов был марганец. Его предложил английский металлург Роберт Гадфильд в 1882 году. Теперь сталь, легированную марганцем, называют его именем. Она не только необычайно тверда, но становится все тверже под действием ударных нагрузок. Только из стали Гадфильда делают рельсовые крестовины, гусеничные траки, детали шаровых мельниц, дорогие сейфовые замки.

Введение в сталь молибдена делает ее сверхпрочной. Молибденовая сталь — это стволы артиллерийских орудий, турбины, паровые котлы, режущие инструменты и даже бритвенные лезвия.

Давайте вспомним о безжалостном, коварнейшем враге железа — ржавчине. Ржавление, или коррозия с точки зрения химии, — это реакция окисления, или горение: 4Fe+2H₂O+3O₂=4FeO(OH). Это ни на одно мгновение не прекращающийся пожар, но идет он, к счастью, очень медленно. Защитить металл от коррозии проще всего покрытиями. Например, полимерами — лаками и красками. Сталь можно покрывать цинком, металлом более активным, чем железо. Цинк окисляется, надежно закрывая внутренние слои, как говорят, обеспечивает жертвенную защиту. Оцинкованную сталь в виде профилированных листов, называемых профнастилом или гофролистом, широко используют в строительстве. Ее достоинства прочность, долговечность, красивый внешний вид, легкость и экономичность в обработке, устойчивость к неблагоприятным погодным условиям.

Самый кардинальный способ — легирование стали хромом и никелем. Такая сталь называется коррозионностойкой, или нержавеющей. Сталь, содержащая 18% хрома и 10% никеля, не подвержена коррозии на воздухе, в воде и даже некоторых агрессивных средах.