Углеродистая сталь
Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.
Состав
В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.
Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.
Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.
Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:
Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.
Характеристика
Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции. Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.
В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей. Называют эту сталь – повышенного качества.
Классификация углеродистых сталей
По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.
Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.
По способу получения углеродистые стали делят на:
- электростали;
- мартеновские;
- кислородно-конвертерные.
Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.
Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:
Содержание углерода делит сталь на 3 категории:
- заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
- эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
- доэвтектоидные – менее 0,8 %.
Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.
При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.
По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:
- низкоуглеродистая (до 0,29 %);
- среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
- высокоуглеродистая (более 0,6 %).
Маркировка
При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры – в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ – В.
В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс – полуспокойного, кп – кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.
При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.
Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.
Производство
Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.
Кислородно-конвертерный способ
Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.
Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.
Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.
Мартеновский метод
Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.
Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.
Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.
Электротермический способ
Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.
Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.
Применение
Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении. Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.
Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.
Использование углеродистой стали с низким и средним количеством содержания углерода, нашло применение при возведении металлических конструкций и коммуникаций. Специальные прокатные станы металлургических комбинатов изготавливают, постоянно пользующиеся спросом, различные профили:
- уголки;
- швеллеры;
- трубы;
- двутавры;
- другие, в том числе заказные, виды профилей.
Во всех отраслях широко используется листовой прокат, который отличается размерами, качеством и толщиной изготавливаемых изделий.
Используя специфические свойства углеродистых сталей, их применяют в различных областях народного хозяйства. Знание специфики отличий тех или иных сплавов, позволит грамотно и технологично применить требуемый материал в нужном месте.
Источник
Способ получения углеродистой стали
Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для получения углеродистой стали, например, в мартеновских печах. Способ производства углеродистой стали предусматривает раскисление металла перед выпуском из печи, для удаления сверхравновесного кислорода, порционными присадками кусковых материалов и последующую доводку. Для удаления из металла сверхравновесного кислорода используют кусковые материалы с плотностью не менее плотности расплавленного металла и материалы, содержащие элементы, обладающие сродством к кислороду не менее чем у алюминия. Взаимодействие последних с кислородом осуществляют сразу после удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода к углероду. В качестве кусковых материалов используют инертные материалы, ферросплавы, лигатуры, чугун, металлолом в количестве, необходимом для удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода. В качестве элементов, обладающих сродством к кислороду не менее чем у алюминия, используют алюминий, титан, бор, щелочноземельные и редкоземельные металлы и/или их сплавы в количестве, необходимом для поддержания равновесной концентрации кислорода с углеродом до начала доводки металла. Элементы, обладающие сродством к кислороду не менее чем у алюминия, можно присаживать в оболочках, обеспечивающих погружение их под шлак. Использование предусмотренных по изобретению новых приемов технологии предварительного раскисления позволяет сократить угар раскислителей и легирующих элементов на 7%, повысить качество металла за счет сокращения неметаллических включений до 60%, улучшить механические свойства и повысить выход качественной стали. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для получения углеродистой стали.
Известен способ выплавки стали, при котором, с целью снижения загрязненности стали неметаллическими включениями и повышения качества металла, предварительное раскисление металла в печи производят сплавом алюминия с титаном на основе железа с плотностью выше, чем плотность расплава [Авт. свид. SU N 899662 МПК 6 C 21 C 5/04, опуб. 1982 г.].
Недостатком данного способа является повышенный расход дорогостоящих раскислителей, расходуемых на прекращение кипения ванны и фиксации содержания углерода. Загрязненность металла неметаллическими включениями довольно велика, т. к. при раскислении металла алюминием образуются неметаллические включения, значительная часть которых за время выпуска и разливки не успевает ассимилироваться шлаком и остается в металле.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки стали, в котором предусмотрено предварительное раскисление в печи перед выпуском, для удаления сверхравновесного кислорода порционными присадками кусковых материалов и последующую доводку. Согласно способу раскисление производится в два этапа. На первом этапе осуществляется присадка нейтральных отходов (охладителей), а на втором — материалов, содержащих алюминий.[SU Авт. Свид. N 859460, МПК 6 C 21 C 5/04 Опубл. 1981 г].
К существенным недостаткам способа можно отнести сравнительно медленное растворение введенных в ванну кусковых материалов, при этом недостаточно полно используется высокое сродство углерода к кислороду для снижения окисленности металла, т. к. все реакции протекают на границе раздела шлака и металла вследствие низкой плотности используемых материалов, что не позволяет получить сталь с низким содержанием неметаллических включений из-за повышенного расхода алюминийсодержащего материала.
Задача изобретения — разработка способа производства углеродистой стали с высоким уровнем механических свойств и низким содержанием неметаллических включений благоприятной морфологии при использовании высокого сродства углерода к кислороду для снижения окисленности металла.
Техническим результатом является снижение расхода ферросплавов, улучшение качества стали, снижение энергозатрат и повышение производительности печи.
Технический результат достигается тем, что в известном способе производства углеродистой стали, предусматривающем раскисление металла перед выпуском из печи, для удаления сверхравновесного кислорода порционными присадками кусковых материалов и последующую доводку, по изобретению для удаления из металла сверхравновесного кислорода используют кусковые материалы с плотностью не менее плотности расплавленного металла и материалы, содержащие элементы, обладающие сродством к кислороду не менее чем у алюминия, при этом взаимодействие последних с кислородом осуществляют сразу после удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода к углероду. В качестве кусковых материалов могут использоваться инертные материалы, ферросплавы, лигатуры, чугун и металлолом, в количестве, необходимом для удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода. В качестве элементов, обладающих сродством к кислороду не менее чем у алюминия, используют алюминий, титан, бор, щелочноземельные и редкоземельные металлы и/или их сплавы в количестве, необходимом для поддержания равновесной концентрации кислорода с углеродом до начала доводки металла. Причем элементы, обладающие сродством к кислороду не менее чем у алюминия, можно присаживать в оболочках, обеспечивающих погружение их в шлак.
Сущность изобретения состоит в следующем. Обычно сталеплавильный процесс представляет собой окислительный процесс, основной реакцией которого является реакция обезуглероживания, и вследствие этого ванна на любом этапе развития процесса представляет собой железоуглеродистый расплав, пересыщенный кислородом. Суть предварительного раскисления — это прекращение реакции обезуглероживания, что в общем случае осуществляется за счет снижения активности кислорода. При использовании слабых раскислителей (марганец и кремний при невысоких концентрациях) процесс реализуется преимущественно за счет снижения коэффициента активности при незначительном снижении концентрации кислорода в металле, а при использовании сильных раскислителей — преимущественно за счет снижения концентрации кислорода. Так как углерод при высоких температурах сам имеет высокое сродство к кислороду, то при использовании слабых раскислителей реакция обезуглероживания только притормаживается, а при использовании сильных раскислителей останавливается полностью. По изобретению предварительное раскисление осуществляют в печи углеродом, растворенным в металле, путем инициирования реакции обезуглероживания за счет ввода в ванну кусковых материалов с плотностью не менее плотности расплавленного металла (инертные материалы, ферросплавы, чугун, легированный металлолом и т.п.).
На втором этапе в объем расплавленного металла вводят элементы, обладающие сродством к кислороду не менее чем у алюминия (алюминий, титан, бор, щелочноземельные и редкоземельные металлы и/или их сплавы) в количестве, необходимом для достижения фиксации и поддержания равновесной концентрации кислорода с углеродом до начала доводки металла с таким расчетом, чтобы их взаимодействие с кислородом начиналось сразу после прекращения кипения ванны (после снятия сверхравновесной концентрации кислорода по отношению к углероду). Эти материалы могут погружаться под шлак с помощью специальных приспособлений, оболочек или иных приемов, обеспечивающих погружение и нужный момент начала их взаимодействия с кислородом, поступающим в металл из шлака, огнеупорной футеровки и других источников.
При использовании сильных раскислителей обмен кислородом между металлом и оксидными фазами становится сугубо диффузионным, т.е. очень сильно замедляется и повторное насыщение металла кислородом происходит очень медленно. Насыщение металла кислородом в таком режиме позволяет получить пересыщения по кислороду по отношению к сильным раскислителям, находящимся в металле. В таком металле пересыщения по кислороду реализуются во время выпуска в ковш, что позволяет получать готовый металл относительно чистый по неметаллическим включениям.
Доводку — окончательное раскисление, легирование, модифицирование стали и т.п. осуществляют сплавами, содержащими кальций, алюминия, легирующие элементы и т.п. по необходимости и в зависимости от выплавляемой марки стали.
Способ реализован на металлургическом комплексе, оснащенном основными мартеновскими печами, емкостью 430 тонн и стендами для продувки металла нейтральным газом.
Производилась выплавка стали для производства железнодорожных рельсов первой группы по ГОСТу 24182-80 и рельсов из стали повышенной чистоты по ТУ 14-2Р-283-97.
Пример После «чистого» кипения перед предварительным раскислением металл содержал, мас. %: C 0,76; P 0,012; S 0,026; Mn 0,15; при температуре 1595 o C. Предварительное раскисление металла осуществляли силикомарганцем в количестве 12,0 кг/т жидкой стали, во время присадки которого ванна интенсивно вскипела. Кипение ровное, бурных всплесков металла и шлака не наблюдалось. Одновременно в ванну мартеновской печи присадили алюминий в погружаемых контейнерах в количестве 190 г/т жидкой стали. Толщина стенок контейнера составляла 10 мм, что обеспечило погружение алюминия под шлак в расплав и отодвинуло начало взаимодействия алюминия с кислородом расплава на 1 мин 45 сек. В это время кипение ванны практически прекратилось.
Через три минуты после присадки кусковых материалов начали выпуск металла. После выпуска плавки на поверхности пода нерастворенных раскислителей не обнаружено.
Окончательное раскисление и модифицирование стали осуществляли 15% силикокальцием и 65% ферросилицием. Присадку раскислителей производили равномерно, начиная с момента наполнения 1/5 ковша, и закончили при наполнении 2/3 ковша. Получили сталь, из которой были изготовлены рельсы. При этом определялось: угар раскислителей, балл по неметаллическим включениям и процент выхода рельс первого сорта.
Для сравнения проведена выплавка рельсового металла по технологии прототипа.
Результаты, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что использование предусмотренных по изобретению новых приемов технологии предварительного расикления позволяет сократить угар раскислителей и легирующих элементов на 7%, повысить качество металла за счет сокращения неметаллических включений на 60%, улучшить механические свойства и повысить выход качественной стали.
1. Способ получения углеродистой стали, включающий раскисление металла перед выпуском из печи для удаления сверхравновесного кислорода порционными присадками кусковых материалов и последующую доводку, отличающийся тем, что для удаления из металла сверхравновесного кислорода используют кусковые материалы с плотностью не менее плотности расплавленного металла и материалы, содержащие элементы, обладающие сродством к кислороду не менее, чем у алюминия, при этом взаимодействие последних с кислородом осуществляют сразу после удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода к углероду.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кусковых материалов используют инертные материалы, ферросплавы, лигатуры, чугун, металлолом, в количестве, необходимом для удаления расчетной сверхравновесной концентрации кислорода.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элементов, обладающих сродством к кислороду не менее, чем у алюминия, используют алюминий, титан, бор, щелочноземельные и редкоземельные металлы и/или их сплавы в количестве, необходимом для поддержания равновесной концентрации кислорода с углеродом до начала доводки металла.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что элементы, обладающие сродством к кислороду не менее, чем у алюминия, присаживают в оболочках, обеспечивающих погружение их под шлак.
Источник
