Металлургия стали
Основные этапы развития сталеплавильного производства
Металлургия стали как производство возникла около 3,5 тыс. лет назад в северной Африке (Египет, Сирия). В процессе развития сталеплавильнго производства основные агрегаты для выплавки стали и технология производства претерпели значительные изменения: прямое получение железа из руды в сыродутных горнах с получением кричного железа, получение стали окислительным плавлением чугуна на поду специальной пудлинговой печи (от англ. puddle — месить, перемешивать), тигельный процесс, конвертерный и мартеновский процессы, электрометаллургия стали, переплавные процессы (вакуумно-индукционный переплав (ВИП), вакуумно-дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой ПДП и др.), внепечная обработка стали.
В настоящее время мировое производство стали достигает примерно 750 млн. т. основными способами производства являются кислородно-конвертерный ( 50%), электросталеплавильный (~20%) и мартеновский (<30%); ~ 2% стали производят в электропечах с использованием материалов, полученных на установках прямого восстановления.
При мартеновском, конвертерном и электродуговом способах производства стали получение металла осуществляется в две стадии: 1) восстановление в доменных печах железа из руды, т.е. получение чугуна; 2) окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы, т.е. получение из чугуна стали требуемого состава.
Классификация сталей
Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.
По способу производства сталь может быть тигельной, кислой и основной мартеновской, бессемеровской, томасовской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами.
По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:
1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства здании, мостов, различных машин и т. п.).
2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок.
3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая мартеновская и конвертерная сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.
4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.
5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.
Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и др.
По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фосфора не должно превышать 0,055—0,060, в качественных сталях — не более 0,040—0,045, в высококачественных — не более 0,020— 0,030 % (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допускается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).
По химическому составу различают:
1) сталь с низким содержанием примесей, или так называемое технически чистое железо, так как суммарное содержание других элементов составляет всего лишь около 0,1%;
2) Углеродистая сталь — сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на низкоуглеродистую (0.25 % С); среднеуглеродистую (0,25- 0,60 % С); высокоуглеродистую (0,6-2,0 % С).
3) Легированная сталь — сталь, содержащая, помимо углерода, другие легирующие компоненты, которые в свою очередь делят на низколегированные стали (до 10 % ЛЭ); средне (10-20% ЛЭ) и высоколегированные стали (более 20%)..
Для легированных сталей применяются следующие буквенные обозначения элементов: углерод – У; марганец — Г; кремний — С; никель — Н; вольфрам — В; молибден — М; хром — X; ванадий — Ф; алюминий — Ю; титан — Т; медь — Д;
В обозначении легированных марок стали применяют в определенных сочетаниях цифры и буквы. Принцип маркировки стали: цифры до букв означают содержание углерода в сотых долях процента (если менее 0,08 %, то 0), буквы — наименование легирующего элемента, а цифра после букв—содержание легирующего элемента в процентах (если оно превышает 1,5 %).
Марки конструкционной стали обыкновенного качества обозначают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначениями качественных конструкционных сталей служат: 10, 20, 45 и т. д. Качественная углеродистая сталь обозначается У7, У8, ..., У12, где буква У — углеродистая, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.
Стали специального назначения обозначаются следующим образом: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая инструментальная сталь, Ш - подшипниковые стали, Э - электротехнические стали, Е - для постоянных магнитов, ЭП - экспериментальные стали.
В зависимости от микроструктуры стали бывают перлитные, мартенситные, аустенитные или ферритные.
По степени раскисленности: спокойные, кипящие и полуспокойные. Поведение металла в изложницах зависит от степени его раскисленности — чем полнее раскислена сталь (удален кислород), тем спокойнее кристаллизуется слиток (раскислением стали называют процесс удаления из металла растворенного в нем кислорода). Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсюда название стали). Наоборот, спокойная сталь кристаллизуется без видимых эффектов, спокойно.