Технология самостоятельного изготовления булатной и дамасской стали. Как делают сталь Где взять сталь в industrial craft 2

Сталь – самый известный в мире сплав . По сути, говоря о железных конструкциях и предметах, мы говорим об изделиях (или их производстве) из той или иной стали. 99% сплава относится к категории конструкционных сталей, так что практически не существует инструментов или оборудования, где он бы ни использовался.

В этой статье мы постараемся затронуть такие темы как классификация марок, цена стали, ее свойства и применение в строительстве.

Сталь – сплав железа и углерода. В обычных случаях доля углерода колеблется от 0,1 до 2,14 %. Но, учитывая, что в состав легированных сталей может входить множество дополнительных ингредиентов, сегодня под сталью подразумевают такой сплав, где доля железа составляет не менее 45%.

О том, что такое сталь, и как ее производят, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Главные привлекательные качества стали – высокая прочность при доступности сырья и относительно простом способе производства. Именно такая комбинация и ставит сплавы железа в позицию абсолютного лидера. На сегодня попросту не существует такой области народного хозяйства, где стали не занимали бы позицию конструкционного материала.

Железо и углерод – обязательные составляющие сплава. Из них и вязкость, благодаря чему сталь относят к деформируемым, ковким сплавам. А углерод – твердость и прочность, так как твердость всегда сочетается с хрупкостью. Добавка углерода невелика и даже в специализированных составах не превышает 3,4%.
Кроме того, из-за способа производства, сталь всегда содержит какую-то долю марганца – до 1 %, и – до 0,4%. Эти примеси мало влияют на свойства состава, если не превышают заданную норму. По тем же причинам в составе оказываются и вредные примеси – фосфор, сера, несвязанный азот и кислород. В процессе плавки и легирования от этих ингредиентов стараются избавиться, поскольку они уменьшают прочностные и пластичные свойства сплавов.
В сплав вводят искусственно другие добавки с целью изменить качества материала. Так, добавка хрома придает стали жаропрочность, а – стойкость к коррозии и вязкость.
Чрезвычайно полезным качеством железных сплавов является то, что на изменение свойств влияют очень небольшие по весу добавки других веществ. Это позволяет значительно разнообразить качества материала. Кроме того, на свойства сплава очень сильно влияет метод изготовления собственно продукции – холодное деформирование, горячее, закалка и так далее.

Соотношение с чугуном

Наиболее близок к стали по свойствам и составу . Часть материала и производится из предельного чугуна. Однако на практике различия в характеристиках оказываются весьма заметными:

сталь прочнее и тверже, чем чугун;
и имеет более низкую температуру плавления. Обманчивое впечатление создает массивность изделий из чугуна, поскольку он менее прочен;
сталь легче поддается механической обработке благодаря низкому содержанию углерода. ;
чугун имеет более низкую теплопроводность, то есть, лучше хранят тепло, чем стальные;
чугун нельзя подвергнуть такой процедуре, как закалка. А последняя может значительно увеличить прочность материала.

Преимущества и недостатки

Описывать плюсы и минусы материала довольно сложно. На практике мы имеем дело с продукцией из стали, причем из сплава самых разных марок, а, значит, и свойств. А одна из особенностей материала как раз и состоит в том, что метод изготовления изделии из него тоже влияет на его свойства. Качества сварной трубы не сравнить с характеристиками трубопровода из холоднокатаной стали.

В общем, можно говорить о следующих преимуществах стали:

высокая прочность и твердость – свойственно всем видам;
огромное разнообразие свойства, обусловленное разным составом и разными методами обработки;
вязкость и упругость, достаточные для применения на всех участках, где требуется стойкость к ударным, статическим и динамическим нагрузкам при отсутствии остаточной деформации;
легкость механической обработки – сварка, нарезка, сгибание;
очень высокая износостойкость по сравнению с другими конструкционными материалами и, соответственно, долговечность;
распространенность сырья и экономически выгодный метод производства, что обуславливает доступную стоимость сплавов.

К недостаткам можно отнести следующее:

самый большой недостаток материала – нестойкость к коррозии. Чтобы избежать повреждений, выпускают специальные виды металла стали – нержавеющие, однако их стоимость заметно выше. Чаще проблему решают за счет покрытия стальных изделий защитным слоем металла или полимера;
сплав накапливает электричество, что заметно усиливает электрохимическую коррозию. Сколько-нибудь объемные конструкции – корпуса машин, трубопроводы, нуждаются в специальной защите;
сплав не отличается легкостью, стальные конструкции имеют большой вес и заметно утяжеляют объекты;
изготовление стальных изделий – многоэтапный процесс. Недочеты и ошибки на любом из этапов оборачиваются значительным снижением качества.

Разновидности металла

Подсчитать количество известных и используемых на сегодня сплавов – задача очень непростая. Классифицировать их не менее сложно: свойства материала зависят от состава, метода получения, характера добавок, способа обработки и так далее.

Чаще всего используются следующие классификации:

по химическому составу сталей – углеродистые и легированные;
по структурному составу – аустенитную, ферритную и так далее;
по содержанию примесей – обычного качества, качественная и так далее;
по методу обработки – термическая закалка – отжиг, термомеханическая – ковка, химико-термическая – азотирование;
по назначению – инструментальные, конструкционные, специальные стали и так далее.

О нержавеющей стали поведает это видео:

Химический состав

Сплав, по сути своей – твердый раствор. Причем компонент в твердом основном материале растворяется по другим законам, чем в жидкости. Основой получения всех железных сплавов является способность железа к полиморфизму, то есть, формированию разных структурных фаз при разной температуре. Благодаря этому углерод и другие элементы, растворенные в железе при высокой температуре, не выпадают в осадок при понижении температуры, как это происходит с обычными жидкостями, а образуют совместную структуру.

По своему составы стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые

Углеродистые – главным, то есть, определяющим свойства легирующим компонентом является углерод. Различают 3 вида:

малоуглеродистые – менее 0,3 %. Сплавы отличаются ковкостью и стойкостью к динамическим нагрузкам;
среднеуглеродистые – доля углерода варьируется от 0,3 до 0,7%;
высокоуглеродистые содержат более 0,7% углерода. Их отличает более высокая прочность и твердость.

Это деление связано с теми преобразованиями, которые происходят в сплавах. До содержания углерода в 0,8 % сплав сохраняет доэвтектоидную структуру, то есть, имеет ферритно-перлитную структуру. При увеличении доли углерода структура меняется на эвтектоидную и заэвтектоидную, что соответствует перлиту и цементиту. Соотношение фаз во много определяет прочностные характеристики.

Пользователь сталкивается не столько с мало- или высокоуглеродистой сталью, сколько с составом определенной марки. Марка определяется соотношением нескольких критериев, а не только содержанием углерода.

Различают по назначению 3 группы:

А – нормируются механические качества. Группа подразделяется на 3 категории и 6 марок. Обозначается марка Ст от 0 до 6. Ст0 – это отбракованная по каким-то показателям сталь, используемая в незначимых конструкциях. Ст6 – в наибольшей степени соответствует понятию качественная сталь;
Б – нормируется по своему химическому составу, делится на 2 категории и 6 марок, обозначается БСт от 0 до 6. С увеличением номера повышается прочность и текучесть материала;
группа В нормируется и по механическим показателям, и по составу. Она делится на 5 марок, обозначается ВСт.

Применяется дополнительная классификация по содержанию марганца. I – с нормальным содержанием элемента, то есть, 0,25– 0,8%, и II – с повышенным, до 1,2%

Легированные

Легированными называют стали, в которые специально вводят дополнительные ингредиенты для придания составу других качеств. Классификация производится по суммарному объему всех легирующих добавок – не примесей марганца или фосфора.

Различают 3 вида:

низколегированные – с суммарным объемом добавок до 2,5%;
среднелегированные – содержит от 2,5 до 10% примесей;
в высоколегированных доля добавок превышает 10%.

Легирование значительно усложняет структуру твердого раствора, что приводит к возникновению сложнейшей классификации по структурному составу. Маркируются марки по составу: обязательно указывается доля углерода. А затем по уменьшению указывают доли легирующих добавок. Если доля примеси менее 1% вещество не указывается.

В качестве добавок применяют как неметаллы, так и металлы.

Марганец – увеличивает прочность и твердость материала, улучшает режущие свойства. Но при этом способствует увеличению зерна, что уменьшается стойкость к ударным нагрузкам.
Хром – улучшает стойкость к ударным и статическим нагрузкам, а также повышает жаропрочность. При большой доле хрома материал становится нержавеющим.
– увеличивает упругость сплава. При значительном содержании придает стали коррозийную стойкость и жаропрочность.
Молибден – повышает твердость сплава, но при этом уменьшает хрупкость.

Наиболее известна из легированных сталей, конечно, нержавеющая. Чаще всего это хромо-никелевая и хромистая сталь с долей хрома до 27%.

Фазовый и структурный состав

Получение стали – процесс непростой и неоднозначный. Особенность его состоит в том, что при плавке сплав проходит через фазовые превращения, которые и обуславливают сочетание прочности и упругости.

Легирование углеродом происходит в 2 этапа. На первой стадии при нагреве до 725 С железо соединяется с углеродом, образуя карбид, то есть, химическое соединение, называемое цементитом. При нормальной температуре сталь включает смесь цементита и феррита. При повышении температуры выше 725 С цементит растворяется в железе, формирую другую фазу – аустенит.

С этой особенностью связана классификация сплава по структурному составу в нормализованном виде:

перлитная – в основном это низкоуглеродистые и низколегированные стали;
мартенситные – с большим содержанием добавок;
аутенитная – высоколегированная.

В отожженном состоянии выделяют такие структурные классы:

доэвтектоидный,
заэвтектоидный,
ледебуритный,
ферритный,
аустенитный.

В чем смысл подобного деления? Дело в том, что легирующие добавки оказывают разное воздействие на разные структуры стали. Так, растворение в феррите легирующих элементов приводит к увеличению временного сопротивления, за исключением марганца и кремния, которые сплав упрочняют. При легировании аустенита понижается предел текучести при относительно высокой прочности. В результате материал легко и быстро упрочняется при деформации – наклепывании.

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ – кислород, азот, водород, чтобы удалить его прибегают к раскислению. В зависимости от полноты процесса различают 3 вида:

спокойная – металл не содержит закиси железа. В сплаве полностью отсутствуют газы, так что его свойства наиболее стабильны и однородны. Применяется для ответственных конструкций, поскольку технология его получения дорогая;
полуспокойная – затвердевает без кипения, но сопровождается выделением газов. Какое-то количество газов остается, однако может быть удалено при прокатке сплава. Как правило, полуспокойная сталь используется как конструкционная;
кипящая – содержит растворенные газы. Это сказывается на свойствах: материал склонен к трещинообразованию при сварке, например, но, так как производство кипящей стали требует меньше всего затрат, производится и такой сплав для многих простых конструкций.

Классификация по назначению

Довольно условное разделение сталей по сферам применения стали.

Строительные – сплавы обычного качества и низколегированные, рассчитанные на высокие статические и в некоторых случаях динамические нагрузки. Главное требование к ним – хорошая свариваемость. На деле в зависимости от характера строительного объекта, применяется материал самого разного качества.
Инструментальные – как правило, высокоуглеродистые и высоколегированные, применяются при изготовлении инструментов. Различают штампованные сплавы, режущие и стали для измерительных инструментов. Режущие отличаются твердостью и теплостойкостью, материал для измерительных приборов – высокой износостойкостью.
Конструкционные – с низким содержанием марганца. Это цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые, износостойкие и так далее, применяемые для изготовления самых разнообразных узлов и конструкций. Столь огромного разнообразия свойств добиваются за счет легирования.
Порой выделяют специальные стали – жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные, но на деле они являются разновидностью конструкционных.

Сталь может включать полезные примеси, то есть, легирующие элементы, и вредные. По содержанию вредных и различают 4 группы:

рядовые – или обыкновенного качества, с долей серы не более 0,06% и фосфора не выше 0,07%;
качественные – допускается доля серы не более 0,04% и фосфора не более 0,035%. Процесс их изготовления дороже, но и механические свойства сталей выше;
высококачественные – доля серы не превышает 0,025%, а фосфора – 0,025%. Получают сплавы в основном в электропечах, чтобы добиться большой чистоты;
особовысококачественные – выплавляются в электропечах специальными методами. Так получают только высоколегированные стали с содержанием серы до 0,015% и фосфора – 0,025%.

Производство сплава

Процесс изготовления сплава сводится к переработке чугуна, при которой отжигаются лишние примеси и вводятся легирующие элементы. Используются при этом несколько методов.

Мартеновский – расплавленный или твердый чугун с рудой плавят в мартеновской печи при 2000 С, чтобы отжечь лишний углерод. Добавки вводят в конце плавки. Сталь разливают в ковши и переправляют в прокатный цех.
Кислородно-конвертерный – более производительный. Сквозь чугун в печи продувают воздух или смесь воздуха с кислородом, добиваясь более быстрого и полного отжига.
Электроплавильный – плавка осуществляется в закрытой печи при 2200 С, что исключает попадание в сплав газов. Дорогостоящий метод, которым получают лишь высококачественные составы.
Прямой метод – в шахтной печи окатыши, получаемые из железной руды продувают продуктами сгорания природного газа – смесью кислорода, угарного газа, аммиака, при температуре в 1000 С.

На этом процесс изготовления стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить максимально прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим способам относится:

отжиг – нагрев и медленное охлаждение разных видов и с разной скоростью;
закалка – нагрев выше критической температуры, что вызывает перекристаллизацию сплава, и быстрее охлаждение;
отпуск – процедура, осуществляет вслед за закалкой с целью уменьшить напряжение металла;
нормализация – тот же отжиг, но проводимый не в печи, а на воздухе.

Термомеханический способ

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

высокотемпературная ТМО – закалка – наклеп, упрочнение, производится сразу же после нагрева, пока сплав сохраняет аустенитную структуру. Изменение вследствие пластической деформации при прокатке или штамповке сохраняется на 70% и после охлаждения и сталь оказывается более прочной;
при низкотемпературной ТМО – холоднокатаная сталь. Сплав нагревают для аустенитного состояния, охлаждают ниже точек рекристаллизации, чтобы добиться появления мартенситной фазы – в пределах 400– 600 С. Затем производится закалка – наклеп, прокатка. При охлаждении эффект полностью сохраняется.

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка представляется собой нагрев сплавов и выдержку их в определенных химических средах. К наиболее известным методам относят:

цементацию – насыщение поверхности сплава углеродом. Таким образом получают износостойкий верхний слой;
азотирование – насыщение стали азотом. Цель такая же – получение верхнего износостойкого слоя, но по сравнению с цементацией, азотирование обеспечивает более высокую стойкость к коррозии;
нитроцементацию и цианирование – насыщение поверхностного слоя и углеродом и азотом. Обеспечивает более высокую скорость и производительность процесса.

Стоимость материала

Стоимость материала не менее разнообразна, чем количество марок. Условная сталь на Лондонской бирже металлов в декабре 2016 г стоит 325 $ за тонну. Стоимость нержавеющей стали заметно выше: холоднокатаная нержавеющая сталь сорта 304 в декабре оценивается в пределах от 1890 до 1925 $ за тонну.

Сталь – самый востребованный и самый распространенный металлический сплав в мире. Говоря о в народном хозяйстве, имеют в виду именно разнообразные стальные сплавы.

О том, как плавится сталь, смотрите в видео ниже:

Сравнивая химический состав чугуна и стали, видим, что чугун содержит больше примесей, главным образом углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Отсюда следует, что процессы получения стали из чугуна сводятся к понижению количества входящих в состав чугуна примесей. Ниже приводится химический состав одного из чугунов и параллельно состав полученной из него стали. Уменьшения количества примесей в чугуне достигают посредством окислительных процессов.

Таким образом, если примеси получили доступ в состав чугуна вследствие реакций восстановительного характера, то удаление их следует производить посредством реакций окислительных: например, марганец получил доступ в чугун в результате реакции

Для осуществления подобных окислительных реакций необходимо наличие окислов железа в расплавленном металле и соответствующей температуры.

Из чугуна сталь можно получить в тестообразном и жидком состоянии.

Существуют два способа передела чугуна в сталь в тестообразном состоянии: кричный и пудлинговый; первый является наиболее старым и в настоящее время не применяется.

Кричный процесс. Сущность кричного способа переработки чугуна заключается в том, что чугун расплавляют и перемешивают в горне со шлаками, богатыми окислами железа; под действием кислорода шлаков и дутья углерод, кремний и марганец выгорают.

Вследствие уменьшения примесей температура плавления металлической массы повышается и она густеет. Осевшую на поду горна металлическую массу выворачивают и подвергают вторичному плавлению. В результате на дне горна получается ком из спекшихся зерен железа, называемый крицей. Крицу извлекают из горна и проковывают для придания ей требуемой формы и отжатия застрявшего в порах жидкого железистого шлака.

Пудлинговый процесс. Пудлинговый способ передела чугуна в сталь является наиболее старым после кричного. Сущность зтого способа заключается в том, что чугун расплавляют в отражательных печах, подина которых изготовлена из шлаков, богатых окислами железа. В результате воздействия окислов железа и кислорода, содержащегося в печных газах, углерод и другие примеси выгорают из чугуна.

Важным отличием пудлингового процесса от кричного является то, что в пудлинговом процессе топливо сжигается в отдельной топке, не смешиваясь с металлом, и потому чистота топлива не имеет решающего значения.

Пудлинговый процесс изобретен в конце XVIII в. и был до второй половины XIX в. почти единственным способом переработки чугуна в заводском масштабе. В настоящее время пудлинговый способ вытеснен конвертерным и способом производства литой стали в пламенных регенераторных печах.

Схема устройства пудлинговой печи показана на фиг. 13.

Чугун вместе со шлаками, богатыми окислами железа (12 - 20% SiO 2 . 50 - 60% FeO, 5 - 20% Fe 2 O 3), загружают в окно 4.

Печь обогревается за счет сгорания топлива, загружаемого на колосниковую решетку 1 через окно 2. Чугун плавится, и содержащиеся в нем примеси вступают в соединение с кислородом железных окислов и топочных газов.

Образующаяся в результате окисления углерода окись углерода улетучивается вместе с продуктами горения и удаляется из печи по дымоходу 5, а продукты окисления железа, кремния, марганца и фосфора (FeO, Si0 2 , MnO и Р 2 0 5) образуют шлак пудлинговой печи.

Находящийся в ванне 3 чугун для ускорения процесса окисления входящих в него примесей перемешивают.

Так как температура плавления железа близка к 1500°, а температура плавления чугуна 1150-1250° и так как в пудлинговой печи температуру нельзя поднять выше 1300-1400°, то металлическая масса по мере хода процесса пудлингования, становясь более тугоплавкой, начинает густеть и из нее начинают выпадать на подину зерна металла. Готовый продукт находится в тесто- образном состоянии и может быть извлечен из печи в виде кома спекшихся зерен железа, пропитанного шлаками; этот ком носит название крицы. Для удаления шлаков крицу обжимают под прессом или подвергают проковке.

Пудлинговые печи невелики: длина ванны около 2 м, ширина - около 1,5 ж; суточная производительность 5-10

Продолжительность процесса пудлингования 1 1 / 2 -2 1 / 2 часа. Угар металла при пудлинговании, слагающийся из потерь углерода в виде газообразного окисла и компонентов чугуна Si, Мn и Р и отчасти Fe в виде окислов в шлаке, составляет от 6 до 15%. Расход топлива - от 80 до 120% веса готового металла, в печах без регенерации; в печах регенераторных - 50-60%.

и последующего растворения восстановленного марганца в железе, а удаление его из чугуна вызывается реакцией

Полученная путем пудлингования сталь не содержит растворенного кислорода (в виде FeO), примесь которого сильно ухудшает механические качества стали, сообщая ей хрупкость; в этом отношении пудлинговая сталь выгодно отличается от литой стали, получаемой конвертерными и другими способами.

Однако отличительной чертой пудлинговой стали является загрязненность ее неметаллическими включениями из богатых окислами железа шлаков.

Наличие шлаков в стали снижает ее механические качества; чем больше загрязнение шлаком, тем качество металла ниже; однако шлаковые включения в хорошо обжатой пудлинговой стали, вытягиваясь при обжимке криц вдоль волокон металла, не оказывают вредного влияния на его механические качества (особенно вдоль волокон).

Кроме отсутствия растворенного кислорода, в пудлинговой стали отсутствуют и другие недостатки, неизбежные при получении слитков из жидкого металла, - пузыри, трещины и усадочные раковины.

Так как пудлинговую сталь для возможно полного удаления шлаков подвергают вытягиванию в полосы с последующей многократной сваркой, то ее называют сварочной.

Высокие качества сварочной стали заставили искать способов к увеличению производительности пудлинговых печей и механизации работы на них.

На фиг. 14 показана вращающаяся пудлинговя печь, обогреваемая печью 1.

Боровок 3 состоит из двух частей - подвижной, подвешенной (примыкающей к барабану 2) и неподвижной, соединенной с дымовой трубой. Загрузку печи производят со стороны борова, для чего подвижную часть его отводят в сторону. При таком устройстве печи ручное перемешивание металла заменяют механическим - перемешивание здесь производится вращением барабана.

Производительность таких печей достигает 16 т в сутки.

С 1930 г. начали применять новый способ получения сварочного железа, заключающийся в следующем:

1) жидкий чугун, расплавленный в вагранке или взятый непосредственно из доменной печи, продувают в бессемеровском конвертере до мягкого металла;

последний медленно выливают в ванну с жидким шлаком состава: 70-75% FeO; 5-10% Fe 2 O 3 ; около 2% МnО; 10- 12% SiO 2 ; около 2% Р 2 O 5 ; около 2% Аl 2 O 3 ; около 2% (CaO+MgO). Температура металла- 1600°, температура шлака ~ 1300°. Объем металла в 6-8 раз меньше объема шлака;

2) соприкасаясь со шлаком, металл охлаждается; одновременно вследствие присутствия в шлаке окислов железа происходит выгорание оставшихся в металле примесей (например, количество углерода снижается до 0,02%);

3) в результате выгорания примесей и охлаждения происходит «вымораживание» (выпадание) кристаллов почти чистого железа;

4) застывший на дне ванны металл извлекают и обжимают под прессом. Вес криц достигает 2,5 т и более.

Таким образом оказывается разрешенным вопрос получения сварочного железа в тестообразном состоянии

механизированным способом в больших количествах и в виде крупных кусков.

Сталь в жидком состоянии получают методом продувки в конвертерах и путем плавки в пламенных, тигельных и электрических печах.

Производство стали в конвертерах

Увеличение потребности в металле и малая производительность пудлинговых печей заставляли искать способы ускорения процесса получения стали.

В 1856 г. англичанин Бессемер взял патент на получение стали из чугуна посредством продувания воздуха через расплавленный чугун.

Сущность бессемеровского процесса заключается в том, что струя воздуха, которой продувают через расплавленный чугун, окисляет входящие в него примеси. Происходящие при бессемеровании чугуна окислительные реакции сопровождаются выделением столь значительного количества тепла, что чугун не только не охлаждается, но его температура поднимается выше температуры плавления стали, и последняя получается в жидком состоянии. Наибольшее количество тепла выделяется при окислении кремния; поэтому чугун для бессемерования должен содержать достаточное количество кремния (больше 1%).

Бессемеровский конвертер - аппарат для получения стали бессемеровским процессом - представляет собой вращающийся сосуд грушевидной формы (фиг. 15.)

Кожух конвертера сделан из железа толщиной от 10 до 30 мм, а внутренняя полость выложена динасовым кирпичом, содержащим 93-97% Si0. 2 . Толщина огнеупорной футеровки около 300 мм. Воздух вдувают через отверстия 1, сделанные в днище конвертера; снизу воздушные отверстия входят в коробку. Газообразные продукты процесса удаляют через горловину конвертера 2; через нее же вливают в конвертер чугун и выливают готовый продукт.

Полезная емкость конвертера достигает 50 т. Внутренний диаметр конвертера d подсчитывают по формуле

где Т - полезная емкость конвертера в т.

Высоту рабочего пространства (от днища до центра горловины) берут от 1,75 до 2d. Число отверстий в днище достигает 300; диаметр отверстий 10-20 мм.

Количество воздуха, продуваемого через конвертер, составляет от 300 до 360 м 3 на 1 т залитого в конвертер чугуна; давление дутья в бессемеровских конвертерах составляет обычно 2-2,5 am.

В сутки на конвертере средней емкости можно провести до 40 плавок.

На фиг. 16 показано положение бессемеровского конвертера при наполнении чугуном.

Перед продувкой конвертер приводят в положение, показанное на фиг. 16, и наполняют чугуном при температуре около 1300°. Слой металла не рекомендуют делать глубже 0,5 м.

Воздух начинают продувать, когда конвертер находится в наклонном положении; таким образом, непосредственно после пуска воздух только скользит над чугуном и вдувается лишь для предохранения воздушных каналов от закупоривания жидким чугуном. Затем конвертер приводят в рабочее положение, показанное на фиг. 15, и воздух начинает проходить через всю толщину залитого в конвертер чугуна.

В первый период применения бессемеровского процесса получаемый по этому способу продукт не всегда бывал хорошего качества.

Причиной этого было то обстоятельство, что процесс не основывался на химическом анализе и проводился без достаточно научных оснований.

Спустя некоторое время было замечено, что лучшие результаты получаются при переработке чугунов серых, т. е. содержащих много кремния.

Кроме того, в первый период применения бессемеровского способа опыт показал, что исключительно хороший продукт получается при плавке шведских чугунов, содержащих весьма мало серы и фосфора.

Наконец, было установлено, что на качество продукта в сильной степени и в положительную сторону влияет присадка в конце плавки чугуна, содержащего много марганца.

Таким образом, постепенно накопился опыт, в результате которого обеспечивалась возможность получения путем бессемерования вполне доброкачественного продукта.

Процесс переработки чугуна в бессемеровском конвертере распадается на три периода.

Первый период - период искр.

Искры появляются вследствие механического действия дутья на расплавленный чугун, капли которого увлекаются дутьем, одновременно окисляясь с поверхности. Углерод, вступая в реакцию с кислородом, сгорает, превращаясь в углекислый газ, и при этом взрывает каплю чугуна.

В этот период в конвертере проходят следующие реакции:

1) горение железа по уравнению

и растворение закиси железа в жидком металле;

2) выгорание кремния; кремний сгорает под действием кислорода воздуха, раскисляя железо; продукты окисления кремния не растворяются в металле и уходят в шлак; в этот период протекают следующие реакции:

3) выгорание марганца; марганец сгорает, образуя закись марганца, уходящую в шлак; протекают следующие реакции:

Все указанные выше реакции протекают с выделением тепла, вследствие чего в этот период плавки температура непрерывно повышается. Продолжительность первого периода 3-4 мин.

Второй период - период яркого пламени. В реакцию начинает вступать углерод. Углерод сгорает, образуя окись углерода и углекислый газ. Эти реакции выражаются уравнениями

продолжается также реакция

поэтому возникает взаимодействие углерода с закисью железа по реакции с поглощением тепла

Горение углерода сопровождается вырывающимся из горловины конвертера пламенем.

К концу выгорания углерода температура металла достигает 1600-1650°. Продолжительность второго периода 9- 16 мин.

Третий период. С уменьшением в составе чугуна углерода в результате усилившегося горения железа появляется бурый дым, представляющий собой пары окислов железа. Наличие бурого дыма показывает, что входящие в состав чугуна примеси почти исчезли и что кислород проходящего через конвертер воздуха соединяется с железом. Третий период самый короткий - продолжается около 1 мин. и может возникать лишь при продувке на очень мягкие марки стали.

Об изменении состава чугуна во время хода процесса можно судить на основании анализа проб, взятых из конвертера через определенные промежутки времени, но это сопряжено с повалкой конвертера и производится иногда лишь в исследовательских целях.

В случае нормального хода процесса и при определенном составе перерабатываемого чугуна об окончании процесса можно судить по времени продувки и по внешним признакам, например, по характеру пламени и дыма, выходящих из конвертера.

Характерен цвет шлака. При достаточном обезуглероживании стали (до 0,1% С) шлак бессемеровского процесса имеет бурую поверхность и оливковозеленый излом; желтая поверхность шлака, а в изломе светлозеленая, говорит о том, что металл еще недостаточно обезуглерожен.

О ходе процесса можно также судить наблюдая через спектроскоп характер пламени, вырывающегося из конвертера; по линиям спектра можно определить момент надлежащего обезуглероживания металла. В последнее время для контроля степени обезуглероживания по ходу процесса продувки применяют приборы, основанные на принципе фотоэлемента.

Чем больше нужно оставить в стали углерода, тем раньше прерывается второй период.

Продолжительность хорошо организованного процесса продувки составляет около 10-15-мин.

Сталь после продувки содержит некоторое количество закиси железа. Присутствие закиси железа влияет на механические качества стали отрицательно: сталь делается красноломкой, т. е. плохо обрабатывается в горячем состоянии.

Для удаления из раствора стали закиси железа к продутому металлу добавляют некоторое количество специального чугуна, содержащего значительное количество марганца (ферромарганец), а иногда, кроме этого, специальный сплав, с высоким содержанием кремния (ферросилиций). Эта операция называется раскислением.

Прибавление к расплавленной стали феромарганца вызывает реакцию

Полученная в результате этой реакции слабо растворимая в металле закись марганца переходит в шлак.

Тот же результат дает и прибавление ферросилиция:

Образовавшаяся кремнекислота SiO 2 переходит в шлак. Подобный же результат может дать и присадка алюминия:

Образовавшийся глинозем Аl 2 O 3 переходит в шлак.

Чем лучше раскислен металл, тем выше его механические качества.

На фиг. 17 дан пример изменения состава металла во время бессемерования; первоначальный состав чугуна-3,5% С, 1,60%Si, 0,5%Мn и 93,75% Fe, а в конце третьего периода- 0,3% С, 0,1%Si, менее 0,1%Мn, 99,5% Fe.

Расплавленная сталь способна поглощать газы. Наличие растворенных в металле газов СО, N 2 и Н 2 влияет отрицательно на механические качества металла.

Присадкой алюминия и кремния можно достигнуть получения совершенно беспузыристой стали. Хорошим раскислителем стали является титан, вводимый в сталь в виде сильно углеродистого ферротитана, содержащего около 15% титана. Металл, раскисленный титаном, обладает высокими механическими качествами.

Марганцевая присадка, кроме действия ее в качестве раскислителя, способствует также удалению серы. Происходящая при этом реакция выражается уравнением

Как было указано выше, MnS почти не растворяется в жидком металле и уходит в шлак.

Угар металла в процессе бессемерования достигает 7-12%.

Для получения нужного количества углерода в продукте процесс либо прекращается именно в тот момент, когда это количество получается в ванне вследствие выгорания углерода, либо обезуглероживание чугуна доводят до конца, а затем для получения нужного количества углерода в конвертер вводят соответствующее количество чугуна, и таким образом получают нужное содержание углерода в металле.

Последний способ сложнее, но зато надежнее, так как при быстром ходе процесса бессемерования трудно уловить надлежащий момент прекращения процесса.

В связи с особенностями химического состава перерабатываемого чугуна, температуры его заливки в конвертер и других условий исторически сложились различные типы процесса, известные под названием русского, шведского, английского, американского и немецкого.

Русский способ был впервые применен Д. К. Черновым и К. П. Поленовым. Этот способ дает возможность перерабатывать в сталь бессемеровским процессом малокремнистые чугуны. Сущность способа заключается в том, что недостаток кремния, являющегося горючим в ходе процесса, восполняется высоким перегревом чугуна перед заливкой его в конвертер.

Д. К. Чернов перегревал чугуны в вагранке, К. П. Поленов - в отражательной печи.

При бессемеровании фосфор не удаляется из чугуна, так как при наличии в бессемеровском шлаке свободного кремнезема SiO, пятиокись фосфора Р 2 O 5 не удержится в шлаке, так как фосфор, восстанавливаемый углеродом, кремнием, марганцем или железом, перейдет снова в металл.

Малое бессемерование. Особую разновидность конвертерного способа производства стали составляет так называемое малое бессемерование. Отличительной особенностью этого процесса является способ подвода дутья-не снизу, как в бессемеровских и томасовских конвертерах, а сбоку, на уровне поверхности раздела металл-шлак. При таком способе подвода дутья в полости конвертера над металлом имеется неиспользованный кислород, вследствие чего выделяющаяся из ванны СО сжигается в конвертере в С02 с выделением большого количества тепла. Поэтому при боковом дутье получается металл со значительно более высокой температурой, чем в конвертерах с нижним дутьем. Такой горячий металл особенно пригоден для производства стального фасонного литья; поэтому конвертеры с боковым дутьем получили применение главным образом в сталелитейных цехах машиностроительных заводов. По условиям производства в литейных цехах такие конвертеры строят обычно для переработки малых садок металла - от 0,5 до 3 т, откуда и название «малое бессемерование».

Томасирование. В 1878 г. англичанин Томас предложил для удаления фосфора делать в конвертере основную футеровку и вводить в конвертер перед заливкой чугуна известь. Измененный таким образом бессемеровский процесс получил распространение под именем томасовского.

Томасовский процесс в основных чертах подобен бессемеровскому. Конвертеры, работающие по способу Томаса, имеют больший объем, чем бессемеровские. Увеличение размера здесь вызывается необходимостью загрузки в конвертер извести; полезная вместимость томасовского конвертера достигает 60 т. Глубина ванны металла достигает 0,60 м. Внутренний диаметр определяется по формуле

где Т - вес садки в т; высота рабочего пространства составляет от 2 до- 2,25d; давление дутья - от 2 до 2,5 ат; количество дутья составляет от 300 до 400 м3 на 1 т заливаемого в конвертер чугуна.

Футеровка конвертера делается из обожженного доломита с добавкой безводной каменноугольной смолы.

При томасировании после выгорания из чугуна кремния, марганца и углерода удаление фосфора в шлак происходит в результате реакции окисления с образованием прочной фосфорно-известковой соли по уравнению

Хотя фосфор и окисляется в P 2 O 5 с самого начала продувки, однако не может удержаться в шлаке, так как известь находится еще в твердом неактивном состоянии, и из остающейся в свободном состоянии Р 2 O 5 фосфор восстанавливается углеродом по реакции P 2 O 5 + 5С = 2Р+ 5СО. Вводимая при томасировании в конвертер известь служит, таким образом, флюсом, связывающим Р 2 O 5 в прочное соединение (СаО) 4 P 2 O 5 , уходящее в шлак.

Количество фосфора может быть доведено до 0,04-0,05%.

Томасовским способом перерабатывают чугуны, получаемые из руд, богатых фосфором, например, керченских.

Нормальный томасовский чугун содержит около 3,5% С: 0,5% Si; 0,8-l,3%Mn; 1,6-2,0% Р и не более 0,08% S.

Томасовские чугуны вследствие наличия в них значительного количества фосфора отличаются жидкоплавкостью.

Более низкая температура плавления томасовского чугуна по сравнению с бессемеровским (около 1100° С) позволяет начинать его продувку при более низкой температуре - порядка 1200° С.

Перед началом процесса в конвертер вводят из бункера свежеобожженную известь, затем вливают чугун и пускают дутье.

Первый период (выгорание кремния и марганца) в томасовском процессе сходен с бессемеровским, но вследствие значительно меньшего содержания в томасовском чугуне кремния он короче.

Второй период (выгорание углерода) вследствие более низкой температуры процесса сопровождается менее ярким пламенем, чем при бессемеровании.

Окисление и ошлакование фосфора в третьем периоде поднимает температуру металла до степени, необходимой для разливки низкоуглеродистой стали- порядка 1600° С.

О готовности металла судят по появлению бурых паров окиси железа, вызываемых сильным горением железа.

Вследствие сильного влияния фосфора на структуру металла о содержании фосфора можно судить по характеру излома пробы: при низком содержании фосфора излом серый, волокнистый; при наличии значительного количества фосфора металл в изломе будет блестящим и крупнозернистым.

Перед введением в металл раскислителей сливают шлак. Если шлак не будет удален перед добавлением раскислителей, входящие в состав раскислителей углерод, кремний и марганец могут восстановить из шлака фосфор, и последний снова перейдет в металл. Даже небольшие количества шлака, оставшиеся после его сливания, взаимодействуя с раскислителями, заметно увеличивают содержание фосфора в металле.

Томасовские шлаки содержат около 22% Р205 и применяются в качестве удобрения. Процесс продувки при томасировании продолжается около 20 мин. Угар металла составляет 12-14%.

Применение кислородного дутья при конвертерном способе. Конвертерный способ дает сталь, содержащую значительное количество растворенных газов; наличие в конвертерной стали азота и водорода (до 0,03%) повышает

жесткость ее и уменьшает динамическую прочность.

Для получения стали кислым конвертерным способом необходимо иметь руды, которые давали бы чугун с содержанием фосфора не больше 0,05%. Наоборот, при основном способе, где горение фосфора является главным источником тепла, его содержание в чугуне не должно быть ниже 1,6%.

Поэтому, несмотря на то, что конвертерный способ требует по сравнению с мартеновским меньших капитальных затрат (приблизительно в 2,5 раза) и идет с меньшими затратами топлива (на весь цикл от руды до готовой стали), его применение сравнительно ограниченно.

Для расширения применения конвертерного способа необходимо: 1) найти способ переработки чугунов, содержащих фосфор в количествах, больших, чем допускается при кислом процессе, и меньших, чем требуется при основном;

2) понизить содержание газов в конвертерной стали.

Это, как показывает опыт, достигается обогащением подаваемого в конвертеры воздуха кислородом. Применение кислородного дутья, уменьшая общее содержание в газах азота и водорода, снижает содержание этих газов в конвертерной стали и, таким образом, повышает ее механические качества. Вследствие того что при кислородном дутье уменьшается общее количество газов, уменьшаются и потери тепла, уносимого газами (при обычном дутье эти потери достигают 25%). Это дает возможность перерабатывать томасовским способом чугун с содержанием фосфора, меньшим 1,6%. Однако при низких концентрациях P 2 O 5 шлак утрачивает свою кондиционность.

Применение дутья, обогащенного кислородом, сокращая время продувки, повышает производительность конвертеров.

Мартеновский процесс. С расширением области применения стали начали накапливаться запасы стального лома, и все настойчивее становился вопрос о способе его переплавки.

Конвертеры для этой цели неприменимы вследствие того, что они приспособлены для переработки лишь жидкого чугуна, а пудлинговые печи оказывались непригодными вследствие слишком низкой рабочей температуры. Задача была разрешена в 1865 г. французами Пьером и Эмилем Мартен, которые воспользовались этой цели регенераторной печью Сименса, применяемой в стекольном производстве.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

В настоящее время искусство ковки металла переживает период возрождения. Мастерство таких кузнецов-оружейников как Леонид Архангельский, Сергей Данилин, Андрей Корешков свидетельствует о том, что русское оружейное искусство и традиции изготовления клинков остаются непревзойденными и по сей день.

В статьях, публикуемых мастерами-кузнецами, широко освещается вопрос об истории их искусства, теоретической базе изготовления, скажем, литого булата, но, уверен, что многие читают эти статьи с целью получить ответ на вопросы: «Как это делается?», «С чего начать?» и на подобные им, но, в лучшем случае, натыкаются на констатацию факта сложности подобного искусства и доступности его лишь посвященным. В данной статье я попробую осветить искусство кузнеца-оружейника с нуля, для тех, кто хочет начать заниматься этим увлекательнейшим занятием, но не знает, с какого края подобраться к нему. Статья будет посвящена большей частью сложнотехнологичным композитам. Дело в том, что я начинал знакомиться с искусством ковки с самостоятельных попыток получить дамасскую сталь, поэтому в первую очередь рассчитываю на читателей, которые, как говориться, «бредят Дамаском» Базовых приемов ковки я буду касаться весьма умеренно, – во-первых, этому и так посвящено достаточно литературы; во-вторых, чтобы научиться просто ковать, можно найти частную кузницу и поработать подмастерьем несколько месяцев, а вот попасть в ученики к именитому клиночнику, изготовляющему узорчатые композиты – сложно. Надеюсь, что эта статья немного компенсирует такую несправедливость. Я также не буду касаться в этой статье проблемы закалки – грамотная закалка стали, особенно дамасской – материал безграничный а, базовые сведения по закалке сталей с различным содержанием углерода можно почерпнуть из учебников по металловедению. Хочу сразу оговориться, что данные материалы ни в коей мере не являются руководством по изготовлению холодного оружия, что, напомню, согласно ст. 223 УК РФ является уголовно наказуемым деянием. Пластина из собственноручно выкованного Дамаска, отполированная и протравленная, принесет вам на первых порах не меньшее удовлетворение, чем нож или меч. Я собираюсь рассказать о том, как изготавливать МАТЕРИАЛ, и не несу ответственности за дальнейшее использование этого материала. При отсутствии лицензии на изготовление оружия или при невозможности найти работу на предприятии, имеющим такую лицензию, всегда можно найти способ заниматься любимым делом, не нарушая нормы УК и Закона РФ «Об оружии».

Обустройсво кузни

Итак, приступим. Прежде всего, вам необходимо оборудование. Часть его необходимо будет приобрести, часть можно изготовить самому. Начинать следует с определения территории, на которой будет располагаться ваша кузнечная мастерская. Если у вас есть загородный земельный участок – чудесно, даже в самом примитивном варианте устройства кузницы - под открытым небом - ковка с апреля по ноябрь вам обеспечена. Кроме того, при ковке под открытым небом автоматически решается важная проблема удаления газообразных продуктов сгорания топлива, большая часть из которых токсична. Чтобы не зависеть от погоды, над местом будущей кузницы надо установить навес на столбах, крыша которого обязательно должна быть сделана из железного листа, так как температура даже в двух метрах над горном достаточна для быстрого возгорания. Если же возможности работать на лоне природы у вас нет, то кузницу можно оборудовать и в помещении. Главные проблемы, которые встают в этом случае – вытяжка и противопожарная безопасность. Кроме того, использование под кузницу, например, гаража требует гораздо больших капиталовложений и связано с большими трудностями организационного характера. Где бы вы не расположились, вблизи огня горна нельзя использовать легковоспламеняющиеся и огнеопасные строительные материалы и вещества, пол, потолок и стены помещения должны быть металлическими или бетонными, а над горном должна располагаться мощная вытяжка. Лично я предпочитаю все-таки работать на открытом воздухе под навесом и по моему опыту, это возможно даже зимой.

Необходимые кузнечные инструменты

Определившись с местом для мастерской, необходимо решить «основной вопрос кузнеца» – вопрос с инструментом. К сожалению, купить кузнечный инструмент сейчас очень сложно. К тем предметам, которые приобрести просто необходимо, относятся:

Мозаичный дамаск

«Мозаичным дамаском» называется сталь, в которой участки с разным типом узора сварены воедино. Возможности для фантазии здесь безграничны. Я предлагаю изготовить дамаск, с узором «дым Саттон Ху», по названию ископаемого скандинавского меча.

Сварите пакет, состоящий из 7 слоев трех сталей – Ст3 (дает белый металлический цвет при травлении), У8 (черный цвет) и любой рессорной стали (серый цвет). Чередование может быть любым. Готовая пластина должна получится достаточно широкой и толстой, чтобы из нее можно было нарубить 8 прутков квадратного сечения толщиной и шириной примерно 7-8 мм. Возможно, придется изготовить несколько пластин. Длина прутков должна быть около 30 см. После этого наметьте на каждом из прутков участки по 4 см. Нагревая и зажимая прутки в тиски, по полученным меткам закрутите половину прутков в одном направлении (скажем, по часовой стрелке), а половину в другом. Скручивание будет происходить участками, так, чтобы закрученные участки чередовались с незакрученными. Старайтесь, чтобы скрученные и нескрученные участки на все прутках были в одних и тех же местах. После этого еще раз прокуйте каждый пруток, восстанавливая их квадратное сечение по всей длине.

Теперь возьмите четыре прутка – по два, закрученных в каждом направлении. Сложите их боковыми поверхностями на верстаке, следя при этом, чтобы слои металла в каждом прутке смотрели на вас. Скрученные участки будут соприкасаться и чередоваться. Пруток, скрученный по часовой стрелке рядом с прутком, скрученным против часовой стрелки, и так далее. У вас получится пакет, напоминающий сложенные пальцы руки. Наложите поперек пакета с каждой стороны несколько толстых гвоздей – их потом можно будет удалить – и проварите электросваркой, скрепляя пакет. Приварите также прут-рукоятку. Поскольку толщина пакета невелика, флюсовать можно непосредственно перед кузнечной сваркой. Разогрейте пакет до алого цвета, густо посыпьте бурой с двух плоских сторон, и нагревайте дальше. Сварка производится при максимально возможной, но исключающей пережог, температуре, очень легкими (чтобы не допустить расслоения пакета в виде веера) ударами молотка. Они наносятся по боковой поверхности пакета, а не по широкой плоскости. Овладеть этим искусством, которое называется торцовой сваркой, нелегко. Сначала, имеет смысл, потренироваться на брусках стали квадратного сечения, дабы не испортить сложную слоеную сталь.

В итоге у вас должны получиться две монолитные пластины. Каждая состоит из четырех, скрученных в противоположных направлениях участков брусков. Сама по себе такая сталь не очень прочна, поэтому ее следует наварить на основу. Основа может быть как дамасской, так и простой (в этом случае лучший вариант – пластина из отпущенной и прокованной рессоры). По размеру она должна совпадать с полученными мозаичными пластинами. Основа собирается в пакет с полученными пластинами и сваривается воедино. Получается готовый кусок стали, поверхности которого обладают красивейшим узором, похожим на дым от свечи. Изделие из такого дамаска следует ковать очень аккуратно, стараясь добиться максимально приближенной формы именно путем ковки. При обточке шлифмашиной или на круге узор может испортиться. Приступайте к шлифовальным работам только тогда, когда форма будущего изделия обозначена почти во всех деталях. Следите за равномерностью деформации металла при ковке, чтобы сердечник и внешние узорчатые пластины не сместились относительно друг друга.

Изготовление мозаичного, да и любого другого дамаска увлекательно. Ради удовольствия от неповторимой по красоте и свойствам стали, стоит искать свои пути, и не бояться еще и еще раз начинать сначала. Удачи вам в ваших начинаниях, и да поможет вам Велунд – древний покровитель скандинавских кузнецов!

)
Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % )

(инструментальная , штамповая , пружинная , быстрорежущая)

Чугуны

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь), содержащий не менее 45 % железа.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью .

Энциклопедичный YouTube

Классификация

Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.

По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные ; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6-2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные - до 4 % легирующих элементов, среднелегированные - до 11 % легирующих элементов и высоколегированные - свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений . Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную , ферритную , мартенситную , бейнитную и перлитную . Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

Предел прочности стали при растяжении:

Производство стали

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей - фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический.

Технология производства стали

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы. Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи. Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии и даже переплавить добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца-Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащенный кислородом (томасовский и бессемеровский процессы). Подовые процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твердая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твердый передельный чугун).

Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством. Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали).

Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным или его днище может быть отъемным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу. Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на "нелегированные стали" и "легированные стали" (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.

Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют кислородом, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах - конверторах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Ёмкость конвертора 50-60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO 2 ; имеющий кислотные свойства), или доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO 3 CaCO 3 . Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 °C быстро поднимается до 1500-1600° С. Выгорания 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200 °C. Около 1500 °C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

Si + O 2 = SiO 2
2C + O 2 = 2CO
2Fe + O 2 = 2FeO

Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO 2 и в виде силиката железа FeSiO 3 переходит в шлак:

FeO + SiO 2 = FeSiO 3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P 2 O 5 при избытке SiO 2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO 2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро - в течение 10-20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей - ферросилиция, ферромарганца или алюминия:

2FeO + Si = 2Fe + SiO 2
FeO + Mn = Fe + MnO
3FeO + 2Al = 3Fe + Al 2 O 3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO 2 и образует силикат марганца MnSiO 3 , который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьёзным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п.

Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P 2 O 5 , который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5
P 2 O 5 + 3CaO = Ca 3 (PO 4) 2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.

В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P 2 O 5 . Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.

Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600-1700 °C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счет избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конверторе, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака - за счет оксидов железа

4Fe 2 O 3 + 6Si = 8Fe + 6SiO 2
2Fe 2 O 3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO
5Fe 2 O 3 + 2P = 10FeO + P 2 O 5
FeO + С = Fe + CO

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

MnO + SiO 2 = MnSiO 3
3CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4) 2
FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как и конверторы, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6–7 часов. В отличие от конвертора, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрева печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.

Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи - не ниже 1650 °C. Это позволяет проводить плавку стали на сильно основных шлаках (которые трудно плавятся), при которой полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами - молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии - до 800 кВт·ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной ёмкости - от 0,5 до 180 т. Футеровку печи выполняют обычно из периклазо-углеродистого огнеупора, а свод печи из магнезито-хромитового огнеупора. Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определенной пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.

Свойства стали

Физические свойства

плотность ρ ≈ 7,86 г / см 3 ; коэффициент линейного теплового расширения α = 11 … 13 · 10 −6 K −1 ;
коэффициент теплопроводности k = 58 Вт / (м · K);
модуль Юнга E = 210 ГПа;
модуль сдвига G = 80 ГПа;
коэффициент Пуассона ν = 0,28 … 0,30;
удельное электросопротивление (20 °C, 0,37-0,42 % углерода) = 1,71 · 10 −7 Ом · м

Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих.

Регионы мира	2011 год
Азия	954.190
Европейский союз (27)	177.31
Северная Америка	118.927
СНГ (6)	112.434
Южная Америка	48.357
Прочая Европа	37.181
Ближний Восток	20.325
Африка	13.966
Океания	7.248
Всего в мире	1.490.060

2008 год

В 2008 году в мире было произведено 1 млрд 329,7 млн т. стали, что на 1,2 % меньше, чем в 2007 г. Это стало первым сокращением годового объёма производства за последние 11 лет.

2009 год

По итогам первых шести месяцев 2009 г. производство стали в 66 странах мира, доля которых в мировой сталелитейной отрасли составляет не менее 98 %, сократилось по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года на 21,3 % - с 698,2 млн т до 549,3 млн т (статистика World Steel Association).

Китай увеличил производство стали относительно аналогичного периода 2008 года на 1,2 % - до 266,6 млн т. в Индии производство стали возросло на 1,3 % - до 27,6 млн т.

В США производство стали упало на 51,5 %, в Японии - на 40,7 %, в Южной Корее - на 17,3 %, в Германии - на 43,5 %, в Италии - на 42,8 %, во Франции - на 41,5 %, в Великобритании - на 41,8 %, в Бразилии - на 39,5 %, в России - на 30,2 %, на Украине - на 38,8 %.

В июне 2009 г. производство стали в мире составило 99,8 млн т., что на 4,1 % больше, чем в мае 2009 г.

Рейтинг ведущих мировых производителей стали

По данным Metal Bulletin’s Top Steelmakers of 2007 производство стали по компаниям производителям составило (в млн тонн):

2007	2006	Производитель	Страна	Производство в 2007 году	Производство в 2006 году
1	1&2

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