Знание-сила, 2004 № 10 (928)

Под знаком стали

Последние лет сорок, с тех пор как бурный XX век успокоился, вошел в свои берега, ему принялись подбирать имена: его называли «веком космонавтики», «химизации», «мирного атома» и «атомной угрозы», «радио и телевидения». Вот кто бы назвал его веком стального литья? Конвертеры, мартены и блюминги все так же несли свою службу, но уже их названия стали забытыми словами, превратились в архаизмы далеких тридцатых. В самой фразе «сталелитейное производство» слышится что-то консервативное. Кажется, что так и будет огненная лава металла литься, как во времена первых пятилеток. Фигуры литейщиков в металлургических цехах будут двигаться все по тем же траекториям так энергично, что за давностью лет протрут до дыр и пелену воздуха.

В любых других производственных сферах — ослепительный блеск сверхновых открытий, скопление патентов, рассчитанные ходы рекламы. Только здесь, в литейке, мерно течет металл, как Волга впадает в Каспийское море. Люди, далекие от этой отрасли, будут крайне удивлены, что в ней за привычным огненным снопом искр происходят бурные изменения. Из двух тысяч сортов стали, используемых в современной промышленности, около тысячи разработано... за минувшие пять лет. Никаких рапортов, никаких строк в выпусках новостей — тут металлургам, людям приземленным, далеко до громких реляций астрономов, а вот глядите-ка: патент регистрируется за патентом. Сталь оказалась удивительносовременным материалом — «непререкаемой царицей» промышленности. Новейшие вилы пластмассы и керамики, необычные сплавы цветных металлов не могли поколебать ее трон, не подорвали позиции черной металлургии.

Технологии производства стали настолько усовершенствовались, что сейчас почти для любой цели, для любого проекта можно подобрать специальный ее сорт, будь то необычайно твердая сталь с антибактериальным покрытием (она нужна для хирургических инструментов) или коррозионно-стойкая сталь для новых электростанций, или прочнейшая сталь для авиационных шасси. Металлургия — самая обширная отрасль промышленности — взяла на вооружение «точечные» методы производства. Это ведет к громадной экономии материала.

Так, если в XIX веке на строительство Эйфелевой башни ушло 7000 тонн стали, то теперь из этого металла можно было бы возвести сразу три башни. А если бы «Титаник» построили из современной корабельной стали — а она втрое прочнее тогдашней, — то пароход, врезавшись в айсберг, поплыл бы дальше. И никакой трагедии в стиле рок!

Почему же сорта стали множатся, как на ином стальном листе пятна ржавчины после дождя? В сталь можно добавлять большинство элементов Периодической системы Д. И. Менделеева (вот они, «точечные» методы!) Варьируя число примесей и их вес, создают новые сорта стали. Высоколегированные стали почти наполовину состоят из примесей.

Другая причина в том, что у железа (точнее, у железоуглеродистых сплавов) имеется несколько фазовых состояний, различающихся своей кристаллической структурой: феррит, аустенит, мартенсит, бейнит... Это обусловливает резкую разницу свойств. Так, железо-феррит — это магнитный материал, а железо-аустенит — нет.

Из двух тысяч сортов стали, используемых в современной промышленности, около тысячи разработано... за минувшие пять лет.

Если бы «Титаник» построили из современной корабельной стали — а она втрое прочнее тогдашней, — то пароход, врезавшись в айсберг, поплыл бы дальше. И никакой трагедии в стиле рок!

Жизнь и в XXI веке будет идти под знаком стали, под ее нестареющей маркой.

В процессе обработки одна фаза железа может перейти в другую. Железо — как набор букв в игре «Эрудит»: что только ни сложишь из этой россыпи значков у тебя в руках, что только ни родится из этой отливки, остывающей у тебя перед глазами!

Фазовые превращения — результат наложения целого ряда условий. Надо учитывать и химический состав материала, и его температуру, и давление... В моей институтской молодости мы, отлученные от литейных цехов, месяцами чертили в тетрадях диаграммы «железо — углерод» — прогнозы чудесных превращений металла. В последнее время эти процессы, как и свойства искомого сорта стали, моделируют с помощью компьютера, чем и обусловлен технологический прорыв — невиданная прежде разносортица стали. По отзывам экспертов, профессия сталеведа, прогнозирующего на экране компьютера состав будущей стали, становится такой же важной и нужной, как полвека назад профессия сталевара.

Если прежде график превращений железа вычерчивался в координатных осях «температура — процентное содержание углерода», то теперь — в осях «время — температура». Подобная диаграмма точно указывает, сколько именно должна длиться термообработка стали, чтобы материал приобрел нужные свойства.

Методы обработки становятся все более изощренными. Их, действительно, можно рассчитать только на компьютере. Вот один из выданных в последнее время патентов — ЕР0484960В9. Согласно ему, сталь данной марки получают, прокатывая материал между валками при температуре 900°С, затем в течение полутора секунд охлаждая его до 850°С, после этого в течение нескольких минут выдерживая сталь при 750°С, вновь прокатывая его между валками и спрессовывая, толщина заготовки уменьшается в три раза, после этого нагревая до 800°С и, наконец, окончательно охлаждая материал. Получается отменно пластичная сталь. В этой череде случайных превращений любые секунды и градусы могут оказаться роковыми — отнять у стали ожидаемые свойства. Многие патенты являются секретами той или иной фирмы; за обтекаемыми фразами «несколько минут», «до некоторой температуры» скрываются загадки технологии, вызов, брошенный конкурентам.

Меняются не только сталь и температурные режимы ее плавки, но и сам процесс производства. Вот лишь две идеи, которые, если удастся их реализовать, свершат революцию в мире доменных печей.

Вращающийся конвертер Бессемера

Современная установка для выплавки и разлива стали

Американский ученый Цзянь-Ян Хван из Мичиганского технологического университета разработал метод, который может существенно упростить производство стали. В своих лабораторных экспериментах он соединял шесть обычных микроволновых печей, увеличивая мощность их магнетронов — сверхвысокочастотных устройств, генерирующих импульсные и непрерывные электромагнитные колебания. Затем подключал каскад микроволновок к электрической дуговой печи, в которой переплавляют скрап — опилки, стружки, металлолом. В эту печь Хван засыпал оксид железа и уголь. Через несколько минут за счет энергии микроволновых импульсов образовалась расплавленная масса стали, поскольку железо в присутствии угля восстановилось из своего оксида и превратилось в сталь.

Этот метод значительно дешевле традиционных способов получения стали, поскольку число производственных операций уменьшилось вдвое. «Кроме того, оксид железа в доменной печи разогревается до температуры 1000°С в течение нескольких часов. В микроволновой печи все происходит за минуту» — отмечает Хван. Другие преимущества метода в том, что для восстановления железа используется обычный уголь вместо дорогого кокса, а выброс в атмосферу парниковых газов и диоксида серы сокращается. Американские сталелитейные предприятия уже заинтересовались необычной технологией.

Одна из опытных установок Бессемера

Конструкции из тонких стальных листов и стержней

Набор инструментов из стали

Современый способ разливки стали

Если сталь содержит от 1,5 до 0,7 % углерода, то она тверда и хрупка. Из такой стали изготавливают лезвия бритв, хирургические инструменты.

При содержании углерода 0,7 - 0,25 % сталь становится более вязкой; твердость ее снижается. Эта сталь идет на изготовление рельсов, деталей машин и каркасов домов.

Когда концентрация углерода в стали опускается ниже 0,25 %, пластичность ее заметно возрастает. Теперь из стали можно штамповать консервные банки, тянуть проволоку или плющить тонкие листы.

В некоторых случаях применяется сталь, вообще не содержащая углерода. Она очень мягка и быстро ржавеет. Ее используют в магнитных устройствах.

Другое направление поиска родилось еще лет сто назад — именно тогда впервые задумались о том, чтобы изготавливать листовую сталь непосредственно из расплавленной массы, минуя промежуточные операции. В то время эта идея была технически неосуществима. Раскаленную сталь по-прежнему разливали, получали из нее отливки, а затем раскатывали их в листы.

К забытой идее вернулись лишь в последние годы. Сейчас в Германии ведутся промышленные испытания технологии «литья в ленту». Выглядит это так: тигель с кипящим железом осторожно переворачивают. Расплавленная масса течет между двумя вращающимися валками и застывает в виде длинной тонкой ленты. Метод требует чрезвычайной точности. Если расплав выливается из тигля слишком быстро, то струя железа не попадает в зазор между валками и проливается на прокатный стан, повреждая его. Если валки вращаются медленно, возникает затор и раскаленный металл переливается в сторону Если они вращаются быстро, жидкая масса проскальзывает между ними, не успевая затвердеть, и опять же растекается по установке. Точность исчисляется долями секунд и сантиметров, экономия — миллионами долларов и рублей.

Возможности применения стали и теперь, несмотря на обилие новых искусственных материалов, кажутся неограниченными. По признанию ведущих специалистов, на исследование потенциала стали уйдет еще не одно столетие. И слава Богу! Недостатка в сырье не будет. Железо — один из самых распространенных элементов на нашей планете. Земное ядро состоит в основном из него.

Вдобавок сталь, в отличие от многих других материалов, хорошо поддается переработке. Сейчас объем ежегодного мирового производства стати составляет около 900 миллионов тонн; почти половину получают путем переработки металлолома Сталь, как облако у меня за окном, готова принимать все новые формы. Из старых вагонов рождаются каркасы мостов, из рельсов — ножи и скальпели. Качество стати из скрапа ничуть не хуже, чем из руды, зато цена вдвое ниже.

Главный недостаток стали — ржавчина. Литейный чугун, насыщенный углеродом, практически не ржавеет. Когда же содержание углерода падает, возникают проблемы. Убытки от коррозии астрономически велики. В странах Центральной Европы ржа съедает порядка четырех процентов валового национального продукта, в странах с более влажным климатом — и того больше. Приходится наносить на сталь лакокрасочные покрытия, оцинковывать ее, изготавливать специальные нержавеющие сорта стали. Некоторые из них противостоят даже чрезвычайно агрессивной среде, например, соленой морской воде.

А новшеств становится все больше. Черная металлургия опять переживает подъем, но о ее достижениях мы узнаем, скорее, по косвенным фактам — ведь мы невнимательны к этой ведущей отрасли хозяйства. Лишь мимоходом мы узнаем, что на такой-то электростанции снизился выброс вредных веществ, поскольку турбину изготовили из специальной стали, что повысило ее КПД, или что автомобиль данной марки стал потреблять меньше топлива, так как его кузов сделан из облегченного сорта стали. Наше незнание не умаляет достижений изобретателей. Жизнь и в XXI веке будет идти под знаком стали, под ее нестареющей маркой.

Марина Ахметова