Получение и применение стали

Сталь

Сталь (от немецкого Stahl) – это деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Указанное максимальное значение содержания углерода в стали (2%) является приблизительной общепринятой величиной [1 и др.]. Это значение условно и конечно же не однозначно. Например, согласно А.П Гуляеву [2] сталь – это железоуглеродистый сплав, который содержит менее 2,14 процентов углерода. Необходимо отметить при этом, что указанная граница (2,14% C) относится только к двойным железоуглеродистым сплавам (а также к сплавам, которые содержат сравнительно небольшое количество примесей). (См. Разница между чугуном и сталью.)

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные (см. Структурные классы легированных сталей), по назначению – на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами (кислотостойкая сталь, коррозионно-стойкая, жаропрочная и др.). По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную сталь, полуспокойную и кипящую [1].

Получение стали

Сталь является важнейшим продуктом чёрной металлургии. Так как без стали не могла бы работать практически ни одна отрасль промышленности, то уровень производства стали может служить одной из характеристик общего технико-экономического уровня развития государства.

Сталь получают главным образом из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах, со стальным ломом. Основные агрегаты для получения стали – конверторы, мартеновские и электрические печи; полученная в них сталь называется соответственно конверторной, мартеновской и электросталью. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конверторный способ производства стали. В то же время развиваются такие перспективные способы получения сталей, как прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав (ЭШП) и т.д.

Научно-популярный видео-ролик о получении стали методом электродуговой плавки от Галилео:

Получение стали из чугуна – то есть материала, значительно более богатого углеродом, кремнием, марганцем и фосфором, чем сталь перед её раскислением, – представляет собой ряд окислительных процессов, в результате которых уменьшаются концентрации углерода, кремния, марганца и вредных элементов, отрицательно влияющих на качество стали. Все процессы получения стали выплавкой происходят при участии шлаковых расплавов, выполняющих сразу несколько функций (удаление вредных примесей, защита от вторичного окисления и др.) Подробно основные теории процессов получения стали изложены в работе [4].

Обработка стали

Согласно тематической специализации на сайте рассматривается не механическая обработка стали (мех. обработка изделия: стальной отливки, проката и т.д.), а металлургическая обработка стали – т.е. обработка стального полуфабриката с целью придания свойств стальному сплаву.

Неотъемлемым этапом процесса металлургической обработки стали являются процедуры обработки металлического расплава: раскисление стали, легирование стали и её модифицирование методом внепечной обработки. Такой вид обработки, как дегазация также значительно улучшает качество стали.

Способам обработки сталей и, в частности, модифицированию стального расплава, посвящены многие работы, в том числе [5-9] (см. список литературы).

Свойства и качество сталей корректируют (изменяют) применением различных видов обработок:

• термической обработки стали (закалка, отжиг, нормализация, отпуск),
• химико-термической обработки стали (ХТО: цементация, азотирование),
• термо-механической обработки стали (прокатка, ковка).

При указанных методах обработки сталей для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее как сталям, так и их основному компоненту – железу. (Полиморфизм в стали – это способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении). Подробнее про фазовые превращения в сталях см.: Изотермическое превращение аустенита.

Качество стали

Качеством стали можно считать целый комплекс параметров: химический состав стали, всевозможные свойства, как самого металла, так и изделия, структуру сплава, технологичность и др.

Качество сталей обеспечивается металлургическим процессом и зависит от многих факторов, одним из наиболее важных является разработка рациональных технологических режимов получения стали, и в дальнейшем, естественно, соблюдение технологии. Эффективным средством повышения качества стальных металлоизделий и обеспечения экономии металла является модифицирование стали [6]. По мнению авторов [7] одним из важнейших результатов модифицирования стали является повышение жидкотекучести стали, которое улучшает заполняемость форм, повышает качество поверхности стальных отливок, что особенно важно при производстве точного литья.

Помимо общего понятия качества стали существует также классификационные характеристики, согласно которым сталь относят к сталям обыкновенного качества, качественным сталям или высококачественным.

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил.
2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977. – УДК669.0(075.8)
3. Энциклопедический словарь юного химика/ Сост. В.А.Крицман, В.В.Станцо. – М.: Педагогика, 1982. – 368 с., ил.
4. Металлургия стали: Учебник для вузов / Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Кравченко В.Ф., Бородин Д.И. – М.: Металлургия, 1983. – 584 с.
5. Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В. и др. Жидкая сталь. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.
6. Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. Модификаторы для обработки стали. – Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» – Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 – с. 66.
7. Шуб Л.Г., Ахмадеев А.Ю. О целесообразности модифицирования стального литья – Сб.докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» – Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006 – с. 15.
8. Шуб Л.Г. Рекомендации по модифицированию стали. – Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» – Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 – с. 120.
9. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. Челябинск, 2006. – 422 с.

Читать еще:  Аустенитные стали марки

Использованную литературу можно найти в соответствующем разделе сайта.

Конкурс “Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства”. Узнать, участвовать >>>

Сферы и области применения стали. Где применяется сталь?

Металлы всегда занимали важное место в деятельности человека. Из них производят всевозможные детали и механизмы для различных областей промышленности.

В этой статье речь пойдет о таком важном металле как сталь. Наверняка многие слышали о нем, но не все знают, какие сферы и области применения стали. Об этом и о многом другом мы сегодня поговорим.

Что собой представляет сталь?

Сталью называют сплав железа и углерода, количество которого не превышает 2%. Чем выше содержание углерода, тем более твердую сталь получают, но менее пластичную. В сплав также добавляют различные металлические и неметаллические вещества – серу, фосфор, кремний, разные металлы. Количество и вид примесей влияет на состав стали и формирует её вид. Рассмотрим основные виды стали.

Какие бывают виды стали?

Согласно стандартам, сталь разделяют в зависимости от её качества на сталь особенного качества, конструктивную и инструментальную. Также сталь бывает углеродистой и легированной. В зависимости от того, сколько углерода содержит сплав, различают низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые сплавы. Количество углерода в таких сплавах варьируется от 0,25% до 2%.

Легированная сталь значит, что в состав сплава добавили определенное количество какого-то металла, тем самым придав стали особенных свойств (стойкости к коррозии, морозостойкости, ударопрочности). Такая сталь бывает низко-, средне-, высоколегированной (содержание легирующих веществ колеблется от 4 до 11%).

Применение углеродистой стали

Стоит отметить, что определенный вид и марка стали имеет свою область применения. Так, углеродистая инструментальная сталь высокой и повышенной прочности различных марок используется для производства слесарных зубил, молотков, отверток, кос, столярных инструментов, пил, ножниц, ножей рубильных машин, токарных резцов по дереву.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают разные изделия с помощью холодной штамповки, а также для небольших деталей (малонагруженных зубастых колес, толкателей). Среднеуглеродистые стали также применяются для изготовления деталей небольших размеров – шестерней, шатунов, маховых колес. Стали с самым высоким содержанием углерода – высокоуглеродистые – используются для производства пружин различных размеров и рессор разных видов.

Из качественной углеродистой стали марок У7, У8Г, У9, У12 и У13 производят сверла, кузнечные инструменты, резцы, а также инструменты для обработки камня и дерева.

Применение легированной стали

Сталь с разными легированными веществами имеет более разнообразные свойства, чем обычная. Легированная сталь может быть более хрупкой, более пластичной или более твердой, все зависит от её состава. Предназначение такой стали зависит от того, какие добавки были внесены в сплав.

Легированная сталь используется в строительстве, машино- и приборостроении и даже в медицине. Рассмотрим сферы и области применения стали с легированными добавками более подробно:

– производство хирургического оборудования;

– изготовление различных труб (бесшовные, электросварные, горячедеформированные бесшовные, прямошовные, спиралешовные);

– строительство мостов и дорог различного назначения;

– судо- и авиастроительство;

– производство сверл, фрез, коллекторов, метчиков, плашек;

– изготовление крупных деталей сложных форм;

– изготовление деталей, которые предназначены для работы в условиях трения и повышенных нагрузок;

– производство ножей различного предназначения;

– создание трубопроводов из нержавеющей стали (повышенное содержание хрома в сплаве).

Сталь – это непростой металл. Он имеет сложную классификацию и маркировку, но, несмотря на это, сталь незаменима и необходима для нормального функционирования разных сфер промышленности и народного хозяйства и даже медицины.

Производство стали – технология, этапы, оборудование

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Процесс производства стали

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием — оксидом кальция (CaO) — распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Процесс производства стали в электропечах

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Производство стали в мартеновских печах

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

• спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
• полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

• системы обеспечения аргоном;
• сосуды конверторов и их несущие кольца;
• оборудование для фильтрации пыли;
• система для удаления конверторного газа.

• печи индукционного типа;
• дуговые печи;
• емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
• участок складирования металлического лома;
• преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

• очищение стали от серы;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

• крышки ковшей;
• ковши литейного и разливочного типа;
• шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

• поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
• оборудование для осуществления непрерывной разливки;
• вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
• лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
• промежуточные ковши и площадки для складирования;
• пробочный механизм;
• мобильные мешалки для чугуна;
• оборудование для обеспечения охлаждения;
• участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
• внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

Виды и марки стали

Сталь. Виды и марки стали. Их применение.

Сталь – это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика – по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь – добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) – соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.

качественная сталь ( углеродистая или легированная ) – ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % – 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению :

а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.

Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)

Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.

Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).

б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,

Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),

Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.

У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.

г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 – 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.

среднелегированная (2,5 -10%),

высоколегированная (от 10 до 50%)

Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.

18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.

д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,

полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,

кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.

В зависимости от нормируемых характеристик , сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)

Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.

Марка стали С245 – Ст3пс5

Марка стали С255 — Ст3сп5

Марка стали С235 — Ст3кп2

Марка стали С345 – 09Г2С

© 2001-2019 АО Металлоторг, Все права защищены
металлопрокат, катанка, оцинковка, листы хк, гк, листы оцинкованные холоднокатаные, профильные трубы
Металлоторг – продажа металлопроката