*информация размещена в ознакомительных целях, чтобы поблагодарить нас, поделитесь ссылкой на страницу с друзьями. Вы можете прислать интересный нашим читателям материал. Мы будем рады ответить на все ваши вопросы и предложения, а также услышать критику и пожелания по адресу [email protected]

Первое упоминание о стали уходит в далекие 8-12 века до нашей эры. Уже тогда войска индийского царя Пора имели оружие прочное и острое. Индийским мастерам удалось получить высокоуглеродистую сталь, названую булатом. Изготовление ее было сложным и секрет производства остался нераскрытым.

Сталь - это сплав железа с углеродом. Благодаря углероду сталь становится твердой и прочной, вязкость и пластичность железа снижается. Процент содержания углерода до 2,14.

В далекие времена люди находили металлы в природе. Сначала они были лишь украшением. Затем появились медные наконечники для копий и стрел. Железо же было на вес золота до тех пор, пока человек не научился выплавлять его из руды в печах, положив начало железному веку. Уже многими годами позже сумели выпускать нержавеющую сталь и металлопрокат, узнать о стоимости которого вы сможете перейдя по ссылке http://www.allmetal.ru/ .

Еще древние металлурги заметили, что свойства металла зависят от состава и его обработки. Тогда было замечено, если нагреть докрасна железо, а затем охладить в воде, то твердость металла повышалась. Такая закалка и сейчас применяется в обработке стали. Тогда каждый мастер имел свой секрет закалки стали, но объяснения, почему металл становился прочнее, не было.

Древние алхимики пытались описать процесс металлургии в теории. В 13 веке н.э. алхимик Магнус внес свой вклад, сделав записи о превращении железа в сталь путем дистилляции водянистой части и закалке. Он утверждал, что сталь становится белее за счет отделения примесей, а также отметил, что слишком крепкий металл в итоге рассыпается под молотом.

Ученые следующих веков продолжали искать разгадку происходящих в металле явлений. В частности, в Германии была издана книга, где описывались свойства стали, делающие ее незаменимой для режущих инструментов и орудий. Замечено, что при разгорячении и медленном охлаждении сталь становилась мягкой. А при быстром охлаждении в жидкости металл становился крайне твердым и утрачивал хрупкость. Англичане долго хранили тайну закалки стали в расплавленном свинце или олове.

История получения стали - это история опытов над металлами, понимание трансформации железа. Ученые долго разгадывали тайну превращения железа в прочный сплав. Многочисленные опыты давали то прочный, но хрупкий металл, то мягкий, гнущийся и быстро тупящийся. 10 лет понадобилось русскому ученому Аносову П.П. для обоснования производства прочной качественной стали. Путем проб и ошибок Аносов пытался раскрыть тайну булатной стали.

Продолжателем его идей стал Чернов Д.К., который описал превращение руды в сталь с научной точки зрения. Он сумел отлить брусок высококачественной стали и изготовить из него булатные кинжалы, описал процесс в научном труде. Важным его открытием стало открытие критических точек стали.

Сейчас железную руду выплавляют в огромных доменных печах на металлургических заводах. Руда превращается сначала в чугун. Затем он плавится в мартенах, превращаясь в сталь. За этим процессом наблюдают квалифицированные специалисты.

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.

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)

Марки стали

Марка стали С245 - Ст3пс5

Марка стали С255 - Ст3сп5

Марка стали С235 - Ст3кп2

Марка стали С345 - 09Г2С

Производство стали

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 2 %. При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Mn, Si, S, Р и др.), за счет окисления кислородом воздуха и кислородом, содержащимся в руде. Снижению содержания углерода и примесей способствует закись железа FeO, которая образуется в начале плавки 2Fe+O 2 = 2FeO и далее C+FeO = CO+Fe. Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия) по следующим схемам:

Mn + FeO->MnO + Fe; Si + 2FeO->SiO 2 +2Fe; 2А1 + 3FeO->Al 2 O 3 +3Fe.

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (си), т.е. наиболее раскисленную. Такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая; кипящую сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, в ней имеются пузырьки газа СО, которые остаются в прокате. Кипящая сталь сваривается, удовлетворительно обрабатывается, но при температуре 10 °С проявляет хрупкость. Кипящая сталь дешевле спокойной. Полуспокойная сталь (пс) по свойствам занимает промежуточное положение между (сп) и (кп).

Выплавку стали осуществляют в мартеновских печах, в конвертерах и электропечах.

Мартеновский способ

Схема работы мартена A. Вдувание газо-воздушной смеси B. Теплообменник (нагрев) C. Жидкий чугун D. Горн E. Теплообменник (охлаждение) F. Выхлоп сгоревших газов

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного). Обязательное условие топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 …6 или 8... 12 часов. Производительность печи за одну плавку до 900 т. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

В мартеновских печах (9.3) помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. В мартеновских печах (9.3) может быть произведена переплавка металлического лома (до 60...70%), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали. Для интенсификации производства стали в мартеновских печах широко применяют кислород, что обеспечивает повышение производительности печей на 25...30 % Большую экономию топлива дает использование теплоты остывающих мартеновских печей, для чего используют принцип работы двухванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

Мартеновский способ производства стали, наиболее распространенный (90%), состоит в получении стали в мартеновской печи путем переплавки чугуна и лома металлов. При нагревании от газа, сгорающего в печи, происходит выгорание кремния, марганца и углерода. Процесс продолжается несколько часов, что дает возможность лаборатории определять химический состав выплавляемой стали в различные периоды плавки и получать сталь любого качества. Емкость мартеновских печей достигает 500т.

Конверторный способ получения стали.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 %" металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3...0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне. Далее при разливке осуществляется так называемое раскисление металла.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600 т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает резкое повышение производительности (на 40 % выше). Недостатки способа: повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

Мартеновская сталь лучщё и чище конвертерной. Конвертерная сталь содержит больше серы и фосфора, насыщена азотом и кислородом, содержит пузырьки воздуха, ухудшающие ее качество. Конвертерная сталь применяется для неответственных не сварных конструкций.

Кислородно-конвертерный способ

Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров кислорода. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

Электросталеплавильный способ

В результате электросталеплавильного способа, получают специальные и высококачественные стали. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 270 т. При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате прохождения тока через нагревательный элемент выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с применением шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты и примесей.

Благодаря шлакам, происходит связывание оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредные примеси, например, фосфор, серу.

Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговой переплав.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После мартеновской выплавки, сталь дополнительно переплавляют в вакууме, что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях.

Выбор способа всегда зависит от поставленных задач, удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов. Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.

Производство стали в дуговых электрических печах обладает рядом преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами, так как достигаемая в этих печах высокая температура позволяет выплавлять легированные стали, которые содержат тугоплавкие элементы,– вольфрам, ванадий и молибден. При электроплавке почти полностью удаляются из металла сера и фосфор, являющиеся вредными примесями.

Процесс получения доменного чугуна из руд и последующая переработка его в сталь связаны со значительными затратами топлива, флюсов, электроэнергии и др. Поэтому наряду с производством чугуна в доменных печах все шире используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд. Один из таких процессов осуществлен на Оскольском электрометаллургическом комбинате. Изготовленные из обогащенной железной руды окатыши загружают в шахтную печь. Восстановление железа из окатышей производится водородом и оксидом углерода, получаемых из смеси природного и доменного газов. В восстановительной зоне печи создается температура 1000...1100°С, при которой водород и оксид углерода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. В результате получаются металлизованные окатыши с содержанием железа 90...95%. Охлажденные окатыши поступают на выплавку высококачественных сталей в электропечах.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2%) и постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

Чтобы повысить механические свойства сталей и чугунов, к ним добавляют различные легирующие (улучшающие их свойства) вещества – кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь.

Легированные стали принято делить на низколегированные – с суммарным содержанием легирующих элементов не более 4%, среднелегированные – от 4–5 до 8–10% и высоколегированные – более 10%. В строительстве преимущественно применяют низколегированные стали. Введение соответствующих легирующих веществ повышает коррозийную стойкость, прочность, ковкость, упругость.

Сталь хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую механическую прочность и пластичность, чем чугун. Основным сырьем для получения стали, как уже говорилось, служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания примесей в нем путем их окисления.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Примеси, входящие в определенных количествах в состав стали, различным образом влияют на ее качества.

Углерод основной элемент, влияющий на свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода возрастает ее прочность, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Обычное содержание углерода в строительных сталях, предназначенных для изготовления стальных конструкций, должно быть не более 0,22%. Марганец является полезной примесью и имеется во всех сортах стали. Он ослабляет вредное влияние серы и повышает прочность стали. Содержание марганца в строительной стали составляет около 0,41–0,65%.

Кремний, как и марганец, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость. Содержание кремния в строительных сталях составляет не более 0,3%.

Сера является вредной примесью. Содержание серы в стали, применяемой для изготовления стальных конструкций, не должно превышать 0,055%.

Фосфор также является вредной примесью; его содержание не должно превышать 0,05%.

Металлургическая промышленность выпускает различные по качеству и назначению стали. Это объясняется тем, что элементы стальных конструкций воспринимают разнообразные по действию нагрузки: балки – изгиб, колонны – сжатие, некоторые части ферм и арматура в железобетоне – растяжение, подкрановые пути – удар, а изготовление стали, одинаково хорошо воспринимающей все виды нагрузок, связано с большими затратами.

— важнейший продукт металлургии железа, представляющий собой сплав железа с углеродом. Уже в VII веке до нашей эры кельты научились получать железо из железной руды. Руду нагревали в открытой печи, используя пламя древесного угля. В результате получался твердый чугун. Однако из-за высокого содержания углерода чугун был хрупкий и непригодный для ковки. Если уменьшить процентное содержание углерода до 2,14%, то получится твердый и крепкий сплав, которому можно придавать различные формы путем ковки и штамповки. Это и была сталь, из которой стали производить инструменты, все виды оружия и различные детали машин. Для снижения содержания углерода и прочих ненужных примесей чугун вновь нагревается до жидкого состояния и подвергается фришеванию. Качества стали улучшаются с добавлением легирующих элементов. Сплав железа (не менее 45%), углерода и легирующих элементов называют легированной сталью.

Но прежде, чем получить стальные изделия, следовало совершить множество трудоемких операций. Вначале из железной руды выплавляли чугун, который превращали в мягкое железо. Полученную железную крицу подвергали длительной проковке, в результате получали нужную стальную деталь, либо только заготовку, которую окончательно обрабатывали на металлорежущих станках. Изначально избыточное количество углерода удаляли из чугуна путем кричного передела. Процесс происходил в открытой печи (кричном горне). На горящий древесный уголь помещали чушки чугуна. Путем вдувания горячего воздуха очищали расплавленный чугун от излишнего углерода. Расплавленный металл собирался на поду горна. Происходило дополнительное удаление углерода путем окисления железистого шлака. Образовавшуюся кашицу (крицу) подвергали ковке для удаления шлака.

Кричный передел существовал с XIV века, в 1784 году английским металлургом Г. Кортом была предложена новая технология получения стали — пудлингование. Согласно этой технологии, чугун плавился в специальной пудлинговой печи без контакта с топливом. Пудлинговая печь позволила заменить дорогостоящий древесный уголь на менее дорогой — каменный. Расплавленный чугун доводили до тестообразного состояния. С целью увеличения доступа кислорода расплавленную массу перемешивали металлическими штангами. Дальше тестообразную крицу проковывали. Правда, процесс получения стали таким методом был трудоемким, медленным и дорогим.

Бессемер усовершенствовал этот процесс и в 1856 году продемонстрировал конвертер, предназначенный для получения жидкой стали. Выходящий из доменной печи чугун поступал в конвертер — резервуар, на дне которого имелись отверстия для подачи воздуха. Благодаря подвижным опорам конвертер можно было свободно перемещать из горизонтального положения в вертикальное, когда он будет наполнен. Кислород воздуха, вдуваемый через нижние отверстия, соединяется с углеродом, выделяемым при нагревании из чугуна. Когда процесс закончен, конвертер занимает горизонтальное положение и в нем образуется железо, в которое добавляют примеси. Получается сталь, содержащая низкий процент кислорода. Весь процесс занимал мало времени, за 20 минут получалось столько же стали, сколько бы пудлинговая печь выдала за целый день.

В 1864 году был изобретен мартеновский способ выплавки стали, основанный на сходном принципе. Оба способа получили широкое распространение и позволили получать сталь в неограниченных количествах. Однако они не позволяли получить руду высокого качества из руды, которая содержала фосфор и серу. В 1878 году С. Томас решил эту проблему, добавив в конвертер 10-15% извести. Образовывающиеся шлаки удерживали фосфор и он выгорал с другими ненужными примесями. Полученная сталь была очень высокого качества. Уже в первые несколько лет после применения бессемеровского и мартеновского способов получения высококачественной стали ее выпуск вырос во всем мире на 60%.