Сталь: виды, свойства, область применения

Одностадийные процессы

Одностадийные процессы представляют собой процессы, в которых все операции удаления примесей и превращения чугуна в сталь, протекают одновременно (рисунок 27).Вокруг падающей струи чугуна создается кольцевая кислородная струя, увлекающая подаваемую в нее тонкоизмельченную известь и разбивающая металл на капельки. Поверхность контакта между металлом, кислородом и флюсом оказывается очень большой, и выгорание примесей происходит мгновенно.

Процесс заключается в том, что струя чугуна, непрерывно поступающая на установку, обрабатывается тонкоизмельченными флюсами и кислородом. Капельки металла и шлака подают вниз, металл собирается под пенящимся шлаком, отстаивается и непрерывно выпускается в ковш. Последующие капельки металла проходят через шлаковый слой, который является дополнительным средством рафинирования металла. Отработанный шлак непрерывно стекает в шлаковую чашу. В окислительной атмосфере струи и при прохождении через слой окисленного шлака интенсивно окисляются углерод, кремний, фосфор. Очень развитая реакционная поверхность позволяет также окислять значительное количество серы.

Меняя состав и интенсивность введения в струю металла флюса, изменяя режим подачи кислорода, состав и температуру чугуна, можно оказать необходимое воздействие на протекание нужных реакций и получать сталь требуемого состава.

История стали

Самые ранние известные образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры. Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат, широко известный в Средней Азии и Восточной Европе. Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис. Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч, Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь, из которой ковался шамшир. В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана, вакидзаси и танто. Существует версия, что японские мечи XI—XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена. В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру.

Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман, однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню. В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм)

Топливо для плавки

Как было отмечено выше, в качестве топлива используют кокс. Но, помимо этого, допустимо использование мазута, угольной пыли и природного, а также коксового газов. Тем не менее практически всегда в качестве основного горючего применяют именно кокс. Это вещество, которое образуется при удалении летучих газов из угля при температуре от 900 до 1 200 градусов. Сегодня это единственный вид твердого топлива, который сохраняет свою исходную форму во время движения от колошника к горну. В принципе, к этому материалу выдвигаются жесткие требования, которые касаются механической прочности и жесткости, что нужно для восприятия больших нагрузок в нижней части доменной печи

Крайне важно выдерживать фракцию кокса. Слишком мелкие частицы способствуют газопроницаемости шихты, а слишком большие разрушаются и образуют мелкую фракцию

Помимо этого, необходимо соблюдать определенный процент влажности, что нужно для поддержания теплового режима.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

О ценах и еще кое-что

Как было отмечено немного выше, металлургическая промышленность цикличная. Это говорит о том, что цены на металл постоянно изменяются: то они растут, то падают. Тем не менее, по сравнению с 2012 годом был замечен неплохой рост. Однако нужно понимать, что тут все зависит от стоимости исходного сырья. Чем дороже будет обходиться кокс, шихта, лом и другие продукты, тем дороже будет сталь. Нельзя и не обращать внимания на такой фактор, как перенасыщение рынка дешевой китайской продукцией. Это способно существенно снизить цены. Еще один интересный момент заключается в том, что многие потребители пытаются заменить сталь другими материалами. Вместо стальных лопат используют пластиковые, металлические детали заменяют полимерными. К примеру, кузов электрокара изготавливается уже не из стали, а из специального волокна, которое по заявлению производителя имеет отличные прочностные и эксплуатационные характеристики и значительно меньший вес.

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет – до 10 лет.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Классификации сталей

Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:

Стали классифицируют:

• по химическому составу;
• по структуре;
• по назначению;
• по качеству;
• по степени раскисления.

Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.

Классификация по химическому составу

По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:

Содержание углерода не влияет на степень легирования, Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками

Классификация по структуре

Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:

• доэвтектоидные – с избыточными ферритовыми включениями;
• эвтектоидные – ферриты замещаются перлитами;
• заэвтектоидные – с включениями вторичных карбидов;
• ледебуритные – с включениями первичных карбидов;
• аустенитные;
• ферритные.

После проведения процедуры нормализации, заключающейся в нагревании до температуры пластичности и остывании на открытом воздухе, классификация различает такие группы, как:

• перлитные;
• аустенитные;
• ферритные.

Микроструктура перлита

Классификация по степени раскисления

Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.

Классификация сталей по степени раскисления

Подготовка руды к плавке

Нельзя добыть железную руду из земли и тут же забросить ее в загрузочное устройство доменной печи. Сначала необходимо несколько улучшить технико-экономические показатели, что позволит использовать для получения чугуна относительно бедные руды, которых в земной коре значительно больше. К примеру, увеличение железа в руде всего на 1% приводит к экономии кокса на 2% и к увеличению производительности ДП на 2,5%. На первом этапе руда дробится на фракции, а дальше проходит грохочение. Последнее мероприятие необходимо для разделения железной руды по крупности. Дальше идет усреднение, где выравнивается химический состав. Один из самых важных и сложных этапов – обогащение. Суть процесса заключается в удалении пустых пород с целью увеличения содержания в руде железа. Обычно обогащение проходит в два этапа. Заключительным этапом является окускование, которое нужно для улучшения протекания плавки в доменной печи.

Руды для плавки

В земной коре довольно много железа, однако в чистом виде оно не встречается, его всегда добывают с горными породами в виде различных соединений. Железной рудой можно называть только те породы, из которых с экономической точки зрения выгодно добывать железо посредством плавления в печи. В природе существуют богатые и бедные железные руды. Если говорить с точки зрения металлургической промышленности, то в руде есть ряд полезных добавок, которые необходимы при получении чугуна, – это хром, никель, марганец и другие. Есть и вредные включения: сера, фосфор, медь и т.п. Кроме того, железная руда может делиться на несколько групп в зависимости от минерала:

• красный железняк – 70% железа, 30% кислорода;
• магнитный железняк – 72,4% железа, 27,6% кислорода;
• бурый железняк – до 60% железа;
• шпатовый железняк – до 48,3 % железа.

Логично было бы сделать вывод, что доменное производство чугуна должно предусматривать использование руды из второй группы. Но самой распространенной является первая, поэтому ее чаще и применяют.

Процесс легирования

Легированная сталь может быть произведена несколькими способами. Легирование  бывает поверхностным и объемным. В первом случае легирующие добавки вводятся только в верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а поэтому часто применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь объем металла предусматривается объемным легированием.

Добавление легирующих элементов направлено на создание микроструктурных изменений, которые, в свою очередь, способствуют изменению физико-механических свойств материала, позволяя ему выполнять определенные функции.

Легирование полупроводников проводится с помощью термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два этапа. Сначала проводится загонка легирующих атомов, а затем их активируют. Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов. Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются монокристаллический материал.

Cталеплавильный агрегат непрерывного действия

Основные трудности при разработке конструкции САНД представляют собой два направления.

Во-первых, трудности технологического характера, заключающиеся в необходимости организовать одновременное удаление из чугуна очень разнородных по термохимическим свойствам элементов. Например, для удаления углерода необходимо создание окислительной атмосферы, железистых шлаков, высокого уровня перегрева металла. Для удаления фосфора необходимо наличие железисто-известковых шлаков и умеренных температур. Для удаления серы желательно добиваться энергичного перемешивания основного шлака с металлом при достаточно высоком нагреве ванны и минимальном содержании оксидов железа в шлаке и кислорода в металле. Для удаления кремния необходимо, чтобы были окислительная атмосфера и железистый шлак.

Во-вторых, трудности конструктивного характера, заключающиеся в необходимости создать агрегат, который обеспечивал бы выполнение технологических операций в необходимой последовательности и одновременно отличался высокой стойкостью в условиях высоких температур и непрерывной работы при отсутствии даже кратковременных остановок для проведения профилактического ремонта футеровки, осмотра и ремонта отдельных конструкций.В настоящее время предложены несколько технологических схем непрерывного процесса выплавки стали. Наибольшее распространение получили многостадийные и одностадийные процессы.

Структура — мартенсит

Структура мартенсита образуется при быстром охлаждении в результате перехода решетки твердого раствора у-железа ( аусте-нита) в решетку твердого раствора а-железа ( феррита) без выделения углерода из раствора. Переход у-железа в а-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних, дополнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.
 

Структура мартенсита после этих видов превращения различна.
 

Структура мартенсита в низко — и среднеуглеродистых сталях имеет форму реек ( реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. В высокоуглеродистых сталях мартенсит образует пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл.
 

Структура мартенсита неустойчива: при нагреве выше 200 С мартенсит стремится перейти в более устойчивую структуру — троостит-сорбит и, наконец, при температуре выше 720 С — в самую устойчивую структуру — перлит.
 

Структура мартенсита представляет собой пластины в виде игл, ориентированных относительно старой фазы аустенита параллельно или под определенными углами.
 

Структура мартенсита в сварном соединении не опасна при сварке и в эксплуатации, если правильно выбран способ сварки, присадочный материал, пе нарушены оптимальные условия технологии изготовления сварного изделия, устранены концентраторы напряжения путем создания плавных переходов от шва к основному металлу или созданы благоприятные условия в сварном соединении, снижающие чувствительность к концентраторам напряжения: применение аустенитных присадок или поверхностная обработка путем наклепа. Сварное соединение ненадежно, если шов выполнен низколегированной проволокой, обеспечивающей мартенситно-ферритную структуру шва, или аустенитной проволокой типа Св — 06Х18Н9Т, Св — 13Х25Н18, Св — 08Х20Н10Г6 с малым запасом аустенитности. Такой шов имеет аустенитно-мартенситную структуру ( высокоуглероднстый мартенсит), обладает низкой пластичностью п ударной вязкостью и не надежен в эксплуатации при повторных статических нагрузках.
 

Структура мартенсита образуется в результате перехода решетки твердого раствора у-железа ( аустенита) в решетку твердого раствора сс-железа ( феррита) без выделения углерода из раствора. Переход у-железа в а-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних дополнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.
 

Структура мартенсита характеризуется незначительным размером зерна, часто имеет игольчатое строение.
 

Структура мартенсита представляет собой пластины в виде игл, ориентированных относительно старой фазы аустенита параллельно или под определенными углами.
 

Структура мартенсита бывает разнообразной по виду в зависимости от состава стали и условий закалки.
 

Структура мартенсита при этом переходит в троосто-сорбитные формы и далее в аустенит. Температура контакта резца со стружкой при выделении значительного количества тепла настолько высока, что развиваются молекулярные силы слипания ( адгезии), особенно со стороны стружки, и наблюдается оплавление тонких слоев. При этом размягчившиеся поверхностные слои обработанной поверхности и лунки уносятся движущейся по передней поверхности резца стружкой.
 

Структура мартенсита, образова1вшегося при температуре выше комнатной, имеет игольчатые кристаллы без признаков внутреннего двойникования. Авторы указанной работы считают, что двойники, присутствующие в пластинах мартенсита, уменьшают число возможных систем скольжения и тем самым увеличивают прочность мартенсита. С последним выводом не согласны И. Н. Бо-гачев с сотрудниками , которые считают, что двойники дополнительно не упрочняют мартенсит сталей переходного класса.
 

Структура мартенсита отличается тонким блочным строением, что в значительной мере определяет высокое сопротивление закаленной стали пластической деформации.
 

Раскисление стали синтетическими шлаками

Основано на экстрагировании кислорода или закиси железа из стали шлаком при заливке металла в жидкий синтетический шлак. Хороший контакт фаз, большая удельная поверхность, на которой осуществляется переход кислорода, обеспечивают глубокое раскисление с одновременной десульфурацией.

Раскисление под вакуумом осуществляется наложением вакуума на сталь в сталеразливочном ковше или на струю стали при разливке. При этом удаляются растворенные в стали газы, а с ними и растворенный кислород. Кроме того, активность углерода под вакуумом возрастает и он оказывает сильное раскисляющее воздействие.

Одновременно с раскислением марганцем, кремнием, алюминием происходит легирование стали избытком этих элементов. Неокисляющиеся добавки, например никель, кобальт, вводят в шихту. Легко окисляющиеся добавки вводят в сталь после полного ее раскисления, однако и в этом случае происходит их значительный угар. Так, угар титана составляет 40 — 60%.

Статья на тему Раскисление стали

Разновидности некоторых сталей