Сведения по технологии производства стали и изделий из нее

Ссылка: http://www.kameneff.ru/materials/information.htm

В статье представлен краткий обзор процесса выплавки стали, его составляющие и типы.

Основы технологии получения стали. Сталь требуемого химического состава получают из передельного чугуна и соответствующих шихтовых материалов при различных способах ведения плавки, окисляя и удаляя примеси чугуна: Si, Р, S и др.

Исходными материалами для выплавки стали, кроме передельного чугуна, являются: стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы. Получают сталь в конвертерах, мартенах, электропечах.

Конвертерный способ получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун, находящийся в конвертере, продувается воздух, обогащенный кислородом. Так как в процессе окисления стали получается металл, насыщенный закисью железа, то для улучшения его свойств в расплавленную сталь вводят раскислители Si, Мn, А1 и др.

Конвертер представляет собой печь грушевидной формы, вращающуюся во круг горизонтальной оси. При заполнении печи расплавленным чугуном конвертер находится в наклонном положении. Затем при помощи поворотного механизма его переводят в вертикальное положение и через отверстие в днище продувают воздух или кислород. Образующаяся вначале закись железа FeO, растворяясь в металле, вступает в реакцию с кремнием, марганцем, углеродом и фосфором, образуя Si02, МnО и фосфорные соединения, связываемые шлаком и СО, который, сгорая, удаляется с газом.

В зависимости от состава исходного сырья и футеровки различают два вида конвертерного способа получения стали: кислый (бессемеровский) и основный (томасовский). При бессемеровском способе конвертер футеруют кислым огнеупором (динасом), при томасовском - основным (обожженным доломитом). В качестве флюса вводят известь.

Мартеновский способ получения стали заключается в выплавке ее на поду пламенной печи из передельного чугуна и стального лома с добавкой руды и флюсов. Как и конвертерный, мартеновский способ выплавки стали может быть кислым и основным.

Мартеновская печь представляет собой агрегат, нагреваемый сгорающим газообразным или жидким топливом, на поду которого находится расплавленный металл. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, для дутья применяют кислород.

Кислородно-конвертерный способ имеет преимущество перед мартеновским. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой кислорода обеспечивает высокое качество стали.

Конвертерная и мартеновская стали могут быть кипящими и спокойными. Кипящая сталь менее однородна, чем спокойная, подвергающаяся перед отливкой в изложницы раскислению А1 или Si. Поэтому из кипящей стали не изготовляют ответственные сварные конструкции, а также конструкции, работающие в условиях повышенных температур, и др. Кипящая сталь хорошо поддается обработке под давлением.

Электровыплавка стали состоит из окисления примесей чугуна и раскисления стали от закиси железа. Фосфор и сера при этом почти целиком переходят в шлаки. Для полного раскисления закиси железа в конце процесса вводят ферросилиций, а также легирующие примеси для получения особых сортов сталей.

Современные электропечи бывают дуговые и индукционные. Сталь разливают обычно в металлические формы, называемые изложницами, двумя способами - сифонной разливкой, при которой металл поступает в изложницы снизу через центральный литник, и заливкой сверху.

В последнее время применяют непрерывную разливку стали. При этом сталь попадает в охлаждаемую изложницу с временным дном (кристаллизатором) из куска металла. Жидкий металл при непрерывной заливке затвердевает в кристаллизаторе у стенок и дна, образуя слиток, состоящий из корочки металла и жидкой внутренней части, непрерывно движущийся вниз, в зону вторичного охлаждения. Затвердевший слиток разрезают на куски, поступающие в прокатные станы. При непрерывной разливке стали повышается выход металла, увеличивается производительность труда, не требуется изложниц, исключается необходимость в крупных обжимных станах, блюмингах и слябингах.

Огромное значение для качества металлов имеет их чистота и структура слитка. Один из наиболее эффективных способов рафинирования стали - электрошлаковый переплав (ЭШП) электродов в водоохлаждаемой металлической изложнице (кристаллизаторе) - разработан под руководством академика Б. Е. Патона. Этот способ получения чистой стали заключается в следующем.

В охлаждаемой проточной водой металлической изложнице расплавляется твердый флюс, в который подается электрод. Электрическая цепь замыкается через электрод, расплавленный шлак и поддон кристаллизатора. Источником тепла служит в этом процессе электрическое сопротивление шлаковой ванны. Капли, открывающиеся от оплавляемого конца электрода, проходят через шлак, образуя слиток чистой стали весом до 40 т. Таким способом изготовляют около ста марок стали, обладающих высокими и специальными свойствами (кислотостойкая, жаропрочная и др.).

Термическая обработка стали. Термическая обработка стали заключается в улучшении ее физико-механических свойств, основанных на изменении структуры при помощи нагрева и охлаждения.

Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.

Закалкой называют термическую обработку, при которой сталь нагревают выше верхней критической точки на 30-50° С (доэвтек-тоидные стали) или выше нижней критической точки на 30-50° С (заэвтектоидные стали) с последующим быстрым охлаждением в воде, масле или другой среде. Цель закалки - повысить твердость стали. Если требуется только поверхностная твердость, применяют высокочастотную закалку, которая состоит в нагреве поверхности металлических деталей током высокой частоты с последующим ее быстрым охлаждением.

В зависимости от скорости охлаждения (что зависит от охлаждающей среды) закаленная углеродистая сталь имеет мартенситную, троститную и сорбитную структуры. Самую высокую твердость имеет закаленная сталь с мартенситной структурой, несколько ниже - с трооститной и еще ниже - с сорбитной.

После закалки сталь подвергают отпуску, цель которого - уменьшить внутренние напряжения, полученные в результате закалки.

Процесс отжига заключается в нагреве стальных изделий до температуры на 20-30° С выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением в той же печи.

Отжиг имеет целью снизить твердость стали, улучшить обрабатываемость ее на станках, повысить вязкость и пластичность. Нормализация стали - разновидность отжига, заключающаяся в нагреве ее до температуры на 30-50° С выше верхней критической точки с охлаждением на воздухе.

Нормализация создает мелкозернистую и однородную структуру стали, повышает ее твердость и прочность, но уменьшает пластичность.

Цементация - насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве до 850-900° С в специальной среде. Глубина цементационного слоя достигает 1,5-2 мм. С целью повышения прочности цементационного слоя изделия подвергают в дальнейшем термической обработке - закалке и отпуску. Задача цементации - получить твердую поверхность при вязкой сердцевине.

Упругая и пластическая деформация стали. Сталь под воздействием внешних усилий изменяет свою первоначальную форму (деформируется), приобретая новые свойства. Деформация стального образца будет упругой, если после удаления внешних усилий он принимает первоначальную форму, и пластической, или остаточной, если форма его при тех же условиях не восстанавливается. При этом в местах деформации сталь упрочняется, но теряет пластичность.

Одним из видов упрочнения стали под воздействием внешних сил в холодном состоянии является наклеп. Повышение прочности наклепанной стали объясняется образованием уплотненных поверхностей сдвига, а также дроблением кристаллов, повышающих сопротивление деформации стали. При дальнейшем повышении деформирующих усилий, превышающих предел прочности, сталь разрушается. Наклеп используют для улучшения свойств сталей с пониженным пределом текучести; отжигом наклеп ликвидируется.

Изменение свойств металла во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающих замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной, называется старением металла.

В обычной углеродистой стали процесс старения происходит медленно и выявляется лишь в таких сооружениях, как мостовые фермы через 70-100 лет. Добавляя в металлический сплав алюминий, ванадий, титан, хром и другие вещества, процесс старения можно замедлить.

Изготовление стальных изделий давлением. Для изготовления стальных изделий давлением используют способность металла изменять форму при пластических деформациях. При этом изменяется не только форма металла, но и его структура, а значит, и свойства.

Форму металла изменяют прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой, прессованием, гибкой, взрывом.

Подготовка стальных слитков к изготовлению сортовой стали заключается в предварительном нагревании их в методических печах или нагревательных колодцах.

Прокатка основана на пластическом свойстве стали изменять свою форму без разрушения под действием внешнего давления. Применяют горячую и холодную прокатку. Углеродистые стали прокатывают в интервале температур 800-1200° С на прокатных станах между вращающимися валками.

Из сталей различного качества и состава изготовляют профили, являющиеся элементами сварных или клепаных строительных конструкций.

В строительных конструкциях наибольшее применение имеют листовая, сортовая, фасонная стали.

К числу сортовых сталей относят круглую, квадратную, полосовую широкополосную, тонколистовую, толстолистовую, волнистую, угловую, двутавровую, швеллер, периодического профиля (арматурная сталь) и др..

Прокаткой и штамповкой изготовляют также специальные профили; применяемые для оборудования подвижного транспорта оконные профили для промышленного строительства и др. Для строительной промышленности особое значение имеет изготовление рациональных облегченных профилей .

Волочение - это протягивание холодного металла через глазок протяжного стана. Холодное волочение снижает вязкость металла и его пластичность. Для повышения пластичности тянутый металл подвергают отжигу, а для снятия окалины травят серной кислотой с последующей промывкой в щелочном растворе.

Волочением получают калиброванные и некалиброванные металлические стержни и проволоку с круглой или другой формой сечения, которые служат готовыми деталями в строительстве и машиностроении или материалом для изготовления арматуры, гвоздей, болтов, шурупов и др.

Ковка - это придание требуемой формы стальному слитку или заготовке из проката деформированием нагретого металла. Ковкой также изменяют структуру металла, улучшая его свойства.

Штамповка производится в формах-штампах, что обеспечивает точное соблюдение размеров изделия.

Сущность метода заключается в том, что энергия взрывчатых веществ мгновенно воздействует на заготовку либо подвижную часть инструмента, деформирующего металл. Этот метод чрезвычайно производителен, так как производительность цикла формообразования сводится к долям секунды. Штампование этим способом обычно производят в специальных колодцах под водой.