Полноценное понимание знаний о стальных материалах

• 1. Что такое сталь

1. 1. Определение стали

Сталь представляет собой сплав железа с C (углеродом), Si (кремнием), Mn (марганцем), P (фосфором), S (сера) и небольшим количеством других элементов. При этом, помимо железа (Fe), именно содержание углерода играет главную роль в механических свойствах стали, поэтому их объединяют под общим названием — железоуглеродные сплавы. Это важнейший и наиболее широко используемый металлический материал в инженерной технике.

2. 2. Значение стали

　　Стальной сплав железа с углеродом содержит от 0,03% до 2% углерода. Углеродистая сталь является наиболее распространённой обычной сталью, её легко выплавлять и обрабатывать. В зависимости от содержания углерода углеродистая сталь подразделяется на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую сталь. Легированная сталь, также называемая специальной сталью, получается путём добавления одного или нескольких легирующих элементов к углеродистой стали, что приводит к изменению её микроструктуры и улучшению свойств; часто в сталь добавляют такие легирующие элементы, как Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti и другие.

3. 3. Значение чугуна

　　Железоуглеродные сплавы с содержанием углерода от 2% до 4,3% называются чугуном. Чугун твердый и хрупкий, устойчив к давлению и износу. Он подразделяется на белый чугун, серый чугун и высокопрочный чугун. Белый чугун имеет серебристо-белый цвет, отличается высокой твердостью и хрупкостью; его нельзя обрабатывать механически, поэтому он используется в качестве сырья для производства стали, отсюда еще одно название — сталеплавильный чугун. Серый чугун на изломе выглядит серебристо-серым, легко режется и отливается, обладает хорошей износостойкостью. Высокопрочный чугун по своим свойствам близок к стали. Добавление специальных легирующих элементов в чугун позволяет получать специальные виды чугуна.

• 2. Производственный процесс стали

1. 1. Выплавка стали

Современный процесс производства стали включает выплавку железной руды в доменной печи с получением чугуна, затем переливание расплавленного чугуна в конвертер или электропечь для получения стали, после чего стальная жидкость отливается в непрерывно прокатываемые заготовки или слитки, которые затем обрабатываются методами пластической деформации, такими как прокатка, для изготовления сталей различного назначения.

2. 2. Комбинаты по производству стали

Сталелитейные комбинаты обычно включают такие производственные этапы, как обработка сырья, выплавка чугуна, производство стали, прокатка, энергоснабжение и транспорт, представляя собой сложную и масштабную производственную систему. В нашей стране сталелитейные предприятия, как правило, являются именно такими полными комплексами.

• 3. Сырьё и технологии производства чугуна

1. 1. Сырьё

Основными сырьевыми материалами, используемыми в доменном производстве, являются железная руда (природные и искусственные богатые руды), топливо (кокс и пульверизованное топливо) и флюсы (известняк и доломит). Для выплавки одной тонны чугуна требуется примерно 1,60–1,65 тонны железной руды с содержанием железа 63%, 0,3–0,6 тонны кокса и 0,2–0,4 тонны флюсов.

2. 2. Процесс производства чугуна

Доменное производство железа — это традиционный метод выплавки железа, в основе которого лежит использование кокса в качестве источника энергии. В сочетании с конвертерным производством оно на сегодняшний день является основным способом производства чугуна. Ожидается, что эта доминирующая роль доменного производства в ближайшем будущем останется неизменной в течение довольно длительного периода. Суть доменного производства заключается в процессе восстановления железа: кокс выступает одновременно и топливом, и восстановителем, при высоких температурах превращая железную руду или железосодержащее сырьё из оксидной или минеральной формы в жидкую передельную сталь.

3. 3. Процесс производства чугуна

В процессе плавки шихта (руда, флюс, кокс) по определённой пропорции дозированно загружается в печь через загрузочное устройство с её верхней части. Горячий нагретый воздух, нагнетаемый через нижние风口, реагирует с коксом, образуя высокотемпературный восстановительный газ, который поднимается вверх, нагревая, восстанавливая, расплавляя и формируя шлак, вызывая при этом ряд физико-химических изменений. В результате образуются жидкий шлак и железо, скапливающиеся в горне печи и периодически выводимые из доменной печи. По мере подъёма температура потока снижается, состав постепенно меняется, и в итоге на верхней части печи образуется доменный газ, выходящий наружу.

• 4. Сырьё и технологии производства стали

1. 1. Задача по выплавке стали

Декарбонизация — десфосфоризация — десульфуризация — деоксидация — удаление азота, водорода и других элементов — удаление неметаллических включений — легирование — повышение температуры — формование при затвердевании

2. 2. Принципы и исходные материалы для производства стали

Процесс выплавки стали представляет собой окислительный процесс, основным способом удаления примесей в котором является продувка кислородом в расплав и добавление шлакообразующих веществ для образования и выделения шлака. Реакция обезуглероживания является основным методом выплавки стали; при этом элементы, такие как кремний, марганец, фосфор и сера, также удаляются путем окислительных реакций. Сырьём для производства стали служат чугун, лом, флюсы (известняк), раскислители (силикомарганец, ферромарганец, алюминий и др.), легирующие материалы и т.д.

3. 3. Стальная технология выплавки

Предварительная обработка чугуна — плавка в конвертере или электродуговой печи — внепечная рафинировка (вторичная рафинировка) — непрерывное литье

• 5. Процесс производства стали

1. 1. Бесконечное литьё

Продолжительное литьё стали — это процесс, при котором расплавленная сталь непрерывно переливается через установку непрерывного литья для формирования стальных заготовок. По сравнению с формовочным литьём, непрерывное литьё обладает следующими преимуществами: упрощение технологического процесса, экономия энергии. При этом снижается процент отбраковки концов заготовок, а коэффициент выхода металла на 7–12% выше, чем при формовочном литье. Также обеспечивается эффективная кристаллизация и оптимизировано формование.

Процесс непрерывного литья выглядит следующим образом: расплавленная сталь через промежуточный ковш поступает в кристаллизатор, где быстро охлаждается, образуя затвердевшую оболочку определённой толщины, в то время как сердцевина заготовки остаётся жидкой. Нижняя часть заготовки соединяется с пилотным стержнем, который входит в дно кристаллизатора; после начала разливки машина для вытягивания заготовки с помощью пилотного стержня выводит её из кристаллизатора с заданной скоростью. Затем заготовка проходит через зону вторичного охлаждения непрерывного литья, где дополнительно подвергается водяному охлаждению до полного затвердевания. После полного затвердевания заготовка выравнивается на машине для правки и рихтовки, затем отрезается до заданной длины и транспортируется по конвейеру на выход.

2. 2. Прокатка стали

Процесс прокатки — это процесс, при котором сила трения между прокатываемым изделием и вальцами втягивает изделие между вальцами, вращающимися в разные стороны, вызывая его пластическую деформацию. Обычные операции прокатки стали можно разделить на: печь нагрева, черновую прокатку, среднюю прокатку, чистовую прокатку и отделку.

• 6. Механические свойства стали (2)

Сталь обладает хорошими физическими, механическими и технологическими свойствами; шесть основных показателей

1. 1. Предел текучести

При растяжении стали или образца, когда напряжение превышает предел упругости, даже если напряжение перестаёт увеличиваться, сталь или образец продолжают испытывать заметную пластическую деформацию. Это явление называется текучестью, а минимальное значение напряжения, при котором возникает текучесть, — это точка текучести.

2. 2. Предел текучести

У некоторых металлических материалов предел текучести выражен слабо и трудно поддается измерению. Поэтому для оценки характеристик текучести материала принято определять напряжение, при котором возникает постоянная остаточная пластическая деформация, равная определённому значению (обычно 0,2% от первоначальной длины). Это напряжение называется условным пределом текучести или, коротко, пределом текучести.

3. 3. Предел прочности на растяжение

Максимальное значение напряжения, достигаемое материалом в процессе растяжения от начала до момента разрушения. Оно характеризует способность стали сопротивляться разрыву. Наряду с пределом прочности на растяжение выделяют также пределы прочности на сжатие, изгиб и другие.

4. 4. Относительное удлинение

Длина пластической деформации стали после разрыва, выраженная в процентах от первоначальной длины образца, называется относительным удлинением или коэффициентом удлинения.

5. 5. Отношение предела текучести к прочности

Отношение предела текучести (предела прочности при сжатии) стали к её пределу прочности на растяжение называется коэффициентом текучести. Чем выше коэффициент текучести, тем надежнее конструкционные детали. Обычно у углеродистой стали этот коэффициент составляет 0,6–0,65, у низколегированной конструкционной стали — 0,65–0,75, а у легированной конструкционной стали — 0,84–0,86.

6. 6. Твёрдость

Твёрдость характеризует способность материала противостоять проникновению твёрдых тел в его поверхность. Это один из важных показателей свойств металлических материалов. Как правило, чем выше твёрдость, тем лучше износостойкость. Наиболее распространёнными показателями твёрдости являются твёрдость по Бринеллю, твёрдость по Роквеллу и твёрдость по Виккерсу.

• 7. Факторы, влияющие на свойства стали

Влияние химического состава на свойства стали

1. 1. Углерод

Углерод является вторым по значимости элементом после железа; с увеличением содержания углерода прочность стали повышается, однако при этом ухудшаются её пластичность и вязкость, особенно ударная вязкость при низких температурах, а также заметно снижаются свариваемость, коррозионная стойкость и способность к холодной гибке. Поэтому содержание углерода в конструкционных сталях обычно не превышает 0,22%, а для сварных конструкций оно должно быть ниже 0,2%.

2. 2. Марганец

Марганец является слабым раскислителем; при оптимальном содержании марганца эффективно повышается прочность стали, а также устраняется термическая хрупкость, вызванная серой и кислородом, при этом пластичность и вязкость стали существенно не снижаются. Содержание марганца в углеродистых конструкционных сталях составляет 0,3–0,8%, а в низколегированных сталях обычно — 1,0–1,7%.

3. 3. Кремний

Кремний является сильным раскислителем; при оптимальном количестве он повышает прочность стали, не оказывая при этом заметного негативного влияния на пластичность, вязкость, способность к холодной гибке и свариваемость. Однако при избыточном содержании кремния пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и свариваемость стали ухудшаются.

4. 4. Ванадий, ниобий, титан

Ванадий, ниобий и титан способны утончать зерна стали. В нашей стране низколегированная сталь содержит все три этих элемента; будучи легирующими элементами помимо марганца, они не только повышают прочность стали, но и сохраняют её хорошую пластичность и вязкость.

5. 5. Кислород, азот

Кислород и азот также являются вредными примесями, которые могут проникать из воздуха в металл при его расплавленном состоянии. Кислород делает сталь горячекригкой, причём его воздействие более выражено, чем у серы, а азот вызывает холодную хрупкость стали, схожую с фосфором.

• 8. Классификация стали

1. 1. Классификация по качеству

Обычная сталь (P ≤ 0,045%, S ≤ 0,05%)

Высококачественная сталь (P и S не более 0,035%)

Высококачественная сталь премиум-класса (P ≤ 0,035%, S ≤ 0,03%)

2. 2. Классификация по химическому составу

Углеродистая сталь

1. Низкоуглеродистая сталь (C ≤ 0,25%)
2. Среднелегированная сталь (C ≤ 0,25–0,6 %)
3. Высокоуглеродистая сталь (C ≤ 0,6 %)

Сплавная сталь

1. Низколегированная сталь (общее содержание легирующих элементов ≤5%)
2. Среднелегированная сталь (общее содержание легирующих элементов >5–10%)
3. Высоколегированная сталь (общее содержание легирующих элементов >10%)