ПРОИЗВОДСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕЙ

Сырьевые материалы для выплавки стали и способы ее производства

Сталью называется сплав железа с углеродом и дру­гими элементами, где содержание углерода колеблется от 0,03 до 2 % (обычно 0,1—1,4 %). Сырьем для ее про­изводства являются передельный чугун, ферросплавы, технически чистые металлы и вторичные черные металлы.

Из числа технически чистых металлов применяют мар­

ганец и хром металлические, кремний кристаллический. Вторичные черные металлы включают лом и отходы. Вторичные черные металлы подразделяются на виды (лом стальной, лом чугунный, доменный присад), кате^-гории (А—нелегированный металл; Б—легированный металл) и классы (I и II в зависимости от состояния по­ставки, степени чистоты, габаритов и массы).

По своему химическому составу сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и таких приме­сей, как кремний, марганец, сера и фосфор. Следователь­но, процесс передела чугуна на сталь сводится к удале­нию углерода и части этих примесей. Это осуществляется конвертерным, мартеновским или электроплавильным способами.

Конвертерный способ, используемый с 1854 г., в на­стоящее время является наиболее распространенным. На его долю приходится около половины мировой выплавки стали. Это обусловлено относительной простотой и деше­визной процесса, отсутствием расхода топлива, а также высокой производительностью труда. Однако ему прису­щи и некоторые недостатки: зависимость качества стали от химического состава перерабатываемого чугуна, необ­ходимость располагать сталеплавильное производство вблизи домны, невозможность переработки большого ко­личества металлического лома, большой угар железа (до 6—9 %) и пылеобразование.

Сущность конвертерного способа производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом или кислородом. При продувке конвертерная сталь име­ет повышенное содержание азота, что ухудшает ее меха­нические свойства. Поэтому в настоящее время приме­няется дутье кислородом. Такой кислородно-конвертер­ный способ выплавки стали впервые был применен в СССР в 1936 г.

Разновидностями конвертерного способа являются также бессемеровский и томассовский процессы.

Бессемеровский способ применяют для переработки в сталь чугуна, содержащего до 2 % кремния и до 0,1 % серы и фосфора. Из бессемеровской стали изготавливают трубы, крепежные изделия, жесткую проволоку, рельсы и т. п.

Томассовский способ используется для переработки в сталь чугуна, содержащего большое количество фосфо­ра, серы и до 0,6 % кремния. Томассовскую сталь при-

меняют для производства кровельного и сортового желе­за, мягкой проволоки и др.

В последние годы томассовский и бессемеровский спо­собы все более вытесняются кислородно-конвертерным.

Мартеновский способ предполагает варку стали в специальных печах.

По содержанию используемой иихты различают чу-гунно-рудный, скрап-процесс и скрап-рудный способы мартеновской выплавки стали.

Для чугунно-рудного способа шихтой служит жидкий чугун с добавлением железной руды для окисления при­месей, скрап-процесса—стальной лом (60—70%) и твердый чушковый чугун (30—40 %), скрап-рудного спо­соба—стальной лом (20—50%), богатая железная ру­да (.15—30 %) и жидкий чугун.

Окисление примесей в мартеновской печи осущест­вляется кислородом воздуха и специально вводимыми добавками извести, бокситов и др., а их удаление произ­водится через шлак.

Мартеновский способ отличается рядом преимуществ и недостатков. Его преимуществами является возмож­ность выплавки широкого ассортимента углеродистых и легированных сталей, переработки в неограниченных ко­личествах металлического лома и твердого чушкового чу­гуна, а также использования чугуна любого химического состава. При этом качество мартеновской стали выше, чем конвертерной, за счет большей чистоты по вредным примесям, азоту и неметаллическим включениям. Недо­статками мартеновского процесса является большая про­должительность плавки (4—8 ч против 1 ч при конвер­терном способе) и соответственно более низкая произво­дительность труда, значительный расход топлива и более высокая стоимость. Поэтому в настоящее время строи­тельство мартеновских печей прекращено.

Мартеновская сталь (по сравнению с конвертерной) используется для изготовления более ответственных из­делий, в том числе заготовок для ковки и прокатки, рельс, сортового и листового проката и др.

Электроплавильный способ отличается тем, что обо­грев ванны осуществляется с помощью электрического тока. При этом шихта состоит из стального лома, пере­дельного чушкового чугуна, железной руды, флюсов, рас-кислителей и ферросплавов.

Ппеимушествами электроплавки являются возмож­

ность получения более высоких температур (до 2000 °С), простота и точность их регулирования, значительное сни­жение угара железа и легирующих элементов. Получае­мая сталь отличается высоким качеством, а слитки из нее — почти полным отсутствием газовых пузырей. По­этому электроплавка применяется для производства жа­ропрочных, нержавеющих, кислотоупорных, магнитных и других видов специальных сталей.

Недостатками электроплавки являются малая произ­водительность процесса и высокая стоимость (из-за боль­шого расхода электроэнергии). Однако этот способ, на­ряду с кислородно-конвертерным, в нашей стране при­знан перспективным.

Химический состав стали

Свойства стали определяются ее химическим соста­вом. Содержащиеся в стали компоненты можно разде­лить на четыре группы: постоянные (обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относятся углерод, марганец, кремний, сера и фосфор.

Углерод — неотъемлемая составляющая часть стали, оказывающая на ее свойства основное влияние. Его со­держание в выпускаемых марках стали колеблется от 0,1 до 1,4 %. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Марганец относится к постоянным примесям, если его содержание составляет менее 1 %. При содержании более 1 % он является легирующим элементом.

Марганец является раскислителем стали. Он повы­шает ее прочность, износостойкость и прокаливаемость, снижает коробление при закалке, улучшает режущие свойства стали. Однако ударная вязкость при этом сни­жается. Сталь, содержащая 11—14 % марганца (сталь Гатфильда), отличается высокой износостойкостью, так как способна упрочняться при пластической деформации. Сталь, содержащая 10—12 % марганца, становится не­магнитной.

Кремний также является раскислителем стали и" ле­гирующим элементом, если его содержание превышает 0,8 %. Он увеличивает прочностные свойства стали, пре-

дел упругости, коррозионную и жаростойкость, однако снижает ее ударную вязкость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Так, сера делает сталь «красноломкой», а фосфор, повышая твердость стали, снижает ее ударную вязкость и вызыва­ет «хладноломкость», т. е. хрупкость при температурах ниже —50 °С.

Скрытые примеси представляют собой кислород, азот и водород, частично растворенные в стали и присутству­ющие в виде неметаллических включений (окислов, нит­ридов). Они являются вредными примесями, так как раз­рыхляют металл при горячей обработке, вызывают в нем надрывы (флокены).

Случайные примеси—это медь, цинк, свинец, хром, никель и другие металлы, попадающие в сталь с шихто­выми материалами. В основном они ухудшают качество стали.

Специальные добавки (легирующие элементы) вво­дятся в сталь с целью придания ей тех или иных свойств. К ним относятся марганец, кремний, хром, никель, мо­либден, вольфрам, ванадий, бор, ниобий, цирконий, се­лен, теллур, медь и др.

Наиболее распространенным легирующим элементом является хром. Он препятствует росту зерна при нагреве стали, улучшает механические и режущие свойства, по­вышает коррозионную стойкость, прокаливаемость, спо­собствует лучшей работе на истирание. При содержании хрома свыше 10 % сталь становится нержавеющей, но одновременно теряет способность воспринимать закалку.

Никель повышает прочность стали при сохранении вы­сокой вязкости, препятствует росту зерна при нагреве, снижает коробление при закалке, увеличивает коррози­онную стойкость и прокаливаемость. При содержании никеля 18—20 %-я сталь становится немагнитной, жаро­стойкой, жаропрочной и коррозионностойкой.

Молибден измельчает зерно стали, значительно по­вышает ее прокаливаемость, стойкость против отпуска, вязкость при низких температурах, ковкость и абразив­ную стойкость, снижает склонность к отпускной хруп­кости.

Вольфрам повышает твердость и режущие свойства стали, прокаливаемость, прочность и вязкость. Стали с содержанием 9 и 18 % вольфрама известны как быстро­режущие.

Ванадий создает мелкозернистую структуру стали, задерживает рост зерна при нагреве, повышает ударную вязкость, устойчивость против вибрационных нагрузок, прокаливаемость и стойкость против отпуска.

Бор увеличивает прокаливаекость стали, повышает ее циклическую вязкость, способность гасить колебания высокой частоты, снижает склонность к необратимой от­пускной хрупкости.

Ниобий предотвращает межкристаллическую корро­зию, улучшает сварочные свойства, повышает пластич­ность, прочность и ползучесть стали при высоких тем­пературах.

Цирконий повышает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионных средах, улучшает ее прочност­ные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре ниже нуля, замедляет рост зерна, повышает прокаливаемость и свариваемость.

Медь повышает коррозионную стойкость стали, а се­лен и теллур — механические свойства стали и особенно ее пластичность.