Применение стали

Общее мировое производство стали составляет около 1350 миллионов тонн в год (2008). Куда же идет вся эта сталь?

Шесть секторов потребления стали

Ниже представлены шесть секторов промышленности и строительства, которые потребляют подавляющую часть мирового производства стали. Эти шесть секторов потребления стали в общем мировом потреблении следующие (рисунок):

  • Строительство (50 %)
  • Машиностроение (14 %)
  • Металлические изделия (14 %)
  • Транспорт (15 %)
  • Бытовая техника (3 %)
  • Электротехническое оборудование (3 %)

primenenie-stali-konechnaya-produkciyaРисунок — Конечная стальная продукция

Сталь в строительстве (50 %)

Стальные профили (20 %)

Двутавры

Особенность двутавров в том, что в плоскости стенки они хорошо несут нагрузку как изгибающего момента, так перерезывающей силы. Стальные двутавры производят методом горячей прокатки, а также путем сваривания из отдельных стальных листов. Стенка двутавра сопротивляется перерезывающим силам, а полки – изгибающим моментам.

Важные общие конструкционные требования:

  • сдвиговая прочность в плоскости стенки;
  • жесткость в плоскости стенки;
  • выносливость;
  • коррозионная стойкость;
  • стоимость.

Полые стальные профили (4 %)

Полые стальные профили изготавливают из обыкновенной углеродистой стали. Они обычно имеют квадратное (реже круглое) поперечное сечение. Углы квадратных профилей имеют большие углы скругления. Полые стальные трубы изготавливают из плоских листов гибкой и последующей сваркой.

Двутавровые балки очень эффективны под воздействием нагрузок в плоскости стенки. Однако двутавровые балки имею низкое сопротивление боковым силам и изгибающим моментам, а также имеют низкую устойчивость скручиванию. Симметричные полые стальные профили эффективно сопротивляются многоосным нагрузкам и обеспечивают высокое сопротивление скручиванию.

Иногда полые стальные профили наполняют бетоном. Это увеличивает их прочность на сжатие и обеспечивает сопротивление пожару в течение не менее 60 минут.

Важные конструкционные требования:

  • многоосевая прочность;
  • многоосевая жесткость
  • выносливость;
  • коррозионная стойкость;
  • стоимость
  • защита от пожара (для наполненных бетоном).

Арматура (10 %)

Арматуру – армирующие стержни – устанавливают в бетон (часто в виде жесткого каркаса) для увеличения прочности бетонных компонентов на растяжение и изгиб. Эта процедура называется армированием. Армирование может быть предварительно напряженным, чтобы вызвать в бетоне сжимающие напряжения. Это предотвращает образование трещин в бетоне при определенном уровне растягивающих напряжений.

Обычно арматуру изготавливают из закаленной и отпущенной конструкционной стали без защитного покрытия.

Бетон обеспечивает стальной арматуре щелочную окружающую среду, что предотвращает их коррозию. Если вокруг арматурного стержня недостаточно бетона, то это может приводить к увеличению его ржавления, роста трещин и, в конце концов, разрушения.

Важными свойствами для арматуры являются:

  • хорошее соединение с бетоном (для передачи усилий);
  • высокая прочность при растяжении;
  • температурный коэффициент расширения сравнимый с тем, что у бетона;
  • стоимость.

Стальные каркасы для подвесных потолков (4 %)

Рамы для подвесных потолков являются обычной конструкцией для нежилых зданий. Они представляют собой решетку из стальных Т-образных профилей с буквой Т «вверх ногами». Затем неметаллические панели устанавливаются в пространства между этими профилями. Подвесные потолки скрывают все, что расположено выше их (систему их крепления, вентиляционные каналы), а также создают благоприятный акустический баланс в помещении. Эти потолки обеспечивают при необходимости легкий доступ к системам, которые находятся выше для их обслуживания и ремонта. Недостатком этих потолков является то, что они снижают полезную высоту помещения.

Стальная кровля (2 %)

Конструкционные требования:

  • стоимость;
  • прочность;
  • эстетические свойства.

Обрешетина (1 %)

Обрешетина – это горизонтальные конструкционные элементы, которые обычно применяют для устройства крыш. Они поддерживают кровлю и устанавливаются на стены здания и стальные балки.

Стальные оконные и дверные перемычки (1 %)

Перемычки – это горизонтальные стальные балки, которые обычно устанавливают над проемами дверей и окон, а также очагов.

Сталь в машиностроении (14 %)

Машиностроение включает широкий спектр промышленного оборудования от обычных токарных станков до огромных прокатных станов. Например, прокатных станов не так уж и много, но для изготовления каждого из них требуется огромное количество стали.

Например, стан для производства листового проката – это очень большой, сложный и крупный комплекс машин, который имеет срок службы более 50 лет. Типичный стан для производства листового проката катает стальные или алюминиевые заготовки шириной до пяти метров с приложением усилий до 10000 тонн и применяет прокатные клети с приводом мощностью до 10 мегаватт, которые устанавливаются на стальном основании весом 500 тонн. Типичное прокатное оборудование для производства 2 миллионов стального листа в год может простираться на расстояние 1,5 километра, весить около 25000 тонн и стоить около 150 миллионов долларов.

Листовые прокатные станы обычно снимают с производства из-за снижения рентабельности, а не из-за механических поломок или неисправностей. «Старые» прокатные станы обычно модернизируют и отправляют в другие страны, где такое производство остается еще рентабельным.

Стальные изделия (14 %)

К стальным изделиям относят широкий ряд стальной продукции от стальных банок для пива до стальных грузовых контейнеров.

Сталь в транспорте (15 %)

Легковые автомобили (12 %)

Сталь составляет 60 % типичного легкового автомобиля. Традиционно, литые блоки цилиндров двигателей изготавливают из чугуна, но все более заменяют алюминиевыми сплавами. Сталь имеет прочность и жесткость, которая обеспечивает автомобилю надежность и безопасность. В последние годы развилась серьезная конкуренция стали со стороны алюминиевых сплавов, которая предлагает снижение массы агрегатов по сравнению с традиционными сталями и чугунами.

Однако, появление специальных высокопрочных сталей и новых методов их сварки дают стали возможность конкурировать с алюминием.

Другие виды транспорта (3 %)

Производство стальных рельсов для железных дорог потребляет около 1 % мирового производства стали.  Рельсы изготавливают из горячекатаной среднеуглеродистой стали. Высокое содержание углерода в стали способствует хрупкому разрушению рельсов под воздействием высоких напряжений эксплуатации. Рельсы из среднеуглеродистой – довольно мягкой – стали склонны к быстрому износу и требуют частой замены.

Железнодорожные колеса также изготавливают из среднеуглеродистых сталей. Они также изнашиваются и со временем требуют замены.

Сталь в бытовой технике (3 %)

Следующие бытовые машины считаются самыми крупными потребителями стали в бытовой технике (в скобках – типичное содержание стали в килограммах):

  • стиральная машина (65);
  • электрическая плита (56);
  • сушилка для белья (39);
  • холодильник (38);
  • морозильник (45);
  • микроволновая печь (19)

Сталь обеспечиваю прочность корпуса, в котором установлены электрические компоненты и теплоизоляция.

Электрическое оборудование (3 %)

Электротехнические стали – это важные магнитные материалы и они играют большую роль в генерации и распределении электрического тока:

  • Сталь с ориентированной зеренной структурой обеспечивает низкие потери мощности для высокоэффективных трансформаторов;
  • Сталь с неориентированной зеренной структурой имеет аналогичные магнитные свойства во всех направлениях и применяется в генераторах, небольших трансформаторах и множестве электротехнических приборов.

Многие электрические кабели представляют собой изолированные проводники с наружным стальным кожухом, сплошным или плетеным. Кроме того, сталь широко применяется для изготовления стальных каналов для электропроводки и электрических соединительных коробок.

Источник: WellMet, University of Cambridge, July 2010