Десять тысяч лет назад наши предки научились обрабатывать камень; три тысячи лет назад – выплавлять бронзу, две тысячи лет назад – получать железо. Говорят о каменном, бронзовом и железном веках, но назвать какой-либо период времени веком стали археологи не могут. Хотя производство стали в больших количествах началось всего около 120 лет назад и она неотъемлема от нашей цивилизации, ее открытие уходит в далекое прошлое.
Первые шаги в производстве стали
Обыкновенная, или мягкая, сталь – сплав железа с небольшим количеством углерода. Мягкая сталь содержит 0,15-0,25% углерода в виде карбида железа (цементита). Сталь значительно тверже чистого железа, но не столь хрупка, как чугун (в котором содержится больше углерода). Сочетание прочности, вязкости и упругости объясняет широкое распространение стали в технике.
Первыми начали изготавливать железные инструменты и оружие хетты; люди подвластного хеттам племени халибов впервые получили сталь примерно в 1400г. до н.э.
Для производства стали халибские кузнецы проковывали раскаленное железо с древесным углем, пока оно не превращалось в сталь. При ковке углерод из угля проникал в железо, образуя в нем цементит, давший название процессу цементации.
Разливка и закалка
Различные варианты процесса цементации распространились из Малой Азии в Европу и Индию. Выплавка и разливка стали в изложницы впервые была осуществлена на юге Индии. Римляне полагали, что такую сталь делают в Китае, и называли ее китайским железом.
В Европе получали сталь с нужным содержанием углерода непосредственно из руды, но очень редко. Значительно чаще сталь получали цементацией; начиная с VIII в. н. э. ее вывозили из областей Центральной Европы, богатых железными рудами, – Штирии или Каринтии. Эту сталь подвергали дальнейшему упрочнению закалкой. Закалку осваивали очень долго, вероятно, потому, что известные в те времена металлы – медь и бронза – после такой обработки становятся не тверже, а мягче.
В XV в. печатники уже пользовались стальными штампами для шрифтолитейных форм. К середине XVII в. на каретах появились стальные рессоры, и путешествия по разбитым европейским дорогам стали удобнее. Но для широкого использования требовалась дешевая сталь. Она появилась в 50-х гг. XIX в. после открытия Бессемера.
Бессемеровский процесс
В стали, выплавлявшейся в XVII в., присутствовал шлак – остатки руды. Поэтому сделать большую стальную поковку или отливку без внутренних дефектов было трудно. Сталь, свободную от шлаковых включений, научились выплавлять к середине XVIII в. шведский металлург Торберн Бергман (1735-1784) и английский металлург Бенджамин Хан темен (1704-1776). В «шведской» стали содержалось строго определенное количество углерода. Но она оставалась очень дорогой, и к 1850 г. производство стали в Великобритании составляло всего 60 000 т. Двумя десятками лет позже печь Бессемера (конвертер) выплавляла сталь с производительностью около 1 т/мин. Сталь стала такой же дешевой, как чугун.
Секрет процесса, разработанного Генри Бессемером (1813-1898) на основе изобретения Уильяма Келли, заключался в том, что избыток углерода в чугуне можно удалить его окислением, продувая через жидкий чугун воздух. Углерод, сгорая в потоке воздуха (с образованием диоксида углерода и выделением тепла), становится топливом. Раз начавшись этот процесс не нуждается в дополнительном топливе, что делает erо исключительно экономичным.
Не прошло и пяти лет со времени освоения бессемеровского процесса как возник его конкурент – мартеновский процесс производства стали. В процессе Сименса-Мартена чугун, железная руда и стальной лом расплавляются в пропорции, позволяющей удалить избыток углерода и кислорода в виде угарного газа. Этот газ затем сжигается для предварительного подогрева воздушного дутья. В 1900-е гг. мартеновской стали выплавлялось больше, чем бессемеровской.
В XX в. металлургия пополнилась процессом непрерывной разливки стали; были разработаны способы выплавки специальных сортов стали, например инструментальной и для лопаток газовых турбин. Многие специальные сорта, в том числе нержавеющая, содержащая хром, никель и иногда молибден, вьплавляются в электрических печах. Нержавеющая сталь идет главным образом на изготовление медицинских инструментов, кухонной посуды и оборудования химических заводов. Бессемеровский процесс заменяется сейчас кислородно-конвертерным процессом с продувкой чугуна кислородом в конвертере с основной футеровкой.
В конце XIX в. мировое производство стали превышало 28 млн.т/год. В дальнейшем значительный рост ее производства наблюдался в предвоенные годы, когда возрастала потребность в стали для вооружения. Росту ее производства способствовало также распространение двигателей внутреннего сгорания: каждая машина с таким двигателем – это 1 т стали.