1 Основные понятия и определения

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерод содержится от сотых долей до 2 %. Помимо этого, в стали содержатся также марганец, кремний, сера, фосфор и другие химические элементы.

Металлургией стали называется наука о способах получения стали с заданными свойствами в количествах, имеющих промышленное зна­чение.

Сталь является основным конструкционным материалом, поскольку:

1. обладают такими полезными свойствами, как способность к упру­гим и пластическим деформациям, высокая прочность, электрическая проводимость, теплопроводность и другие особенности.

2. Железо, являющееся основой стали имеет значительное распространение в земной коре (5,9 %) в виде железосодержащих минералов, называемых рудами и сравнительно легко извлекается из руд.

Таким образом, можно сказать, что на ближайший обозримый период времени сталь останется основным конструкционным материалом.

1.1 Основные этапы развития сталеплавильного производства

Металлургия стали как производство возникла около 3,5 тыс. лет назад в северной Африке (Египет, Сирия). В процессе развития сталеплавильнго производства основные агрегаты для выплавки стали и технология производства претерпели значительные изменения: прямое получение железа из руды в сыродутных горнах с получением кричного железа, получение стали окислительным плавлением чугуна на поду специ­альной пудлинговой печи (от англ. puddle — месить, перемешивать), тигельный процесс, конвертерный и мартеновский процессы, электрометаллургия стали, переплавные процессы (вакуумно-индукционный переплав (ВИП), вакуумно-дуговой (ВДП), электрошла­ковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой ПДП и др.), внепечная обработка стали.

В настоящее время мировое производство стали достигает примерно 750 млн. т. основными способами производства являются кислородно-конвертерный ( 50%), электросталеплавильный (~20%) и мартеновский (<30%); ~ 2% ста­ли производят в электропечах с использованием материалов, полученных на уста­новках прямого восстановления.

При мартеновском, конвертерном и электродуговом способах производства стали получение металла осуществляется в две стадии: 1) восстановление в домен­ных печах железа из руды, т.е. получение чугуна; 2) окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы, т.е. получение из чугуна стали требуемого состава.

1.2 Классификация сталей

Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнооб­разны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, харак­теру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

По способу производства сталь может быть тигельной, кислой и основной мартеновской, бессемеровской, томасовской, кон­вертерной, электросталью, электрошлакового переплава и получен­ной другими способами.

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовле­нии различных металлоконструкций (для строительства здании, мостов, различных машин и т. п.).

2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, при­меняемая для изготовления паровых котлов и топок.

3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая марте­новская и конвертерная сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.

4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.

5. Инструментальная сталь применяется для изготовления раз­личных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.

Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электро­технические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудий­ные, снарядные, броневые, трубные стали и др.

По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Раз­личия между этими группами заключаются в допускаемом содержа­нии вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фос­фора не должно превышать 0,055—0,060, в качественных сталях — не более 0,040—0,045, в высококачественных — не более 0,020— 0,030 % (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допу­скается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).

По химическому составу различают:

1) сталь с низким содержанием примесей, или так называе­мое технически чистое железо, так как суммарное содержание других элементов составляет всего лишь около 0,1%;

2) Углеродистая сталь — сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на низкоуглеродистую (0.25 % С); среднеуглеродистую (0,25- 0,60 % С); высокоуглеродистую (0,6-2,0 % С).

3) Легированная сталь — сталь, содержащая, помимо углерода, другие легирующие компоненты, которые в свою очередь делят на низколегированные стали (до 10 % ЛЭ); средне (10-20% ЛЭ) и высоколегированные стали (более 20%)..

Для легированных сталей применяются следующие буквен­ные обозначения элементов: углерод – У; марганец — Г; кремний — С; ни­кель — Н; вольфрам — В; молибден — М; хром — X; ванадий — Ф; алюминий — Ю; титан — Т; медь — Д;

В обозначении легированных марок стали применяют в определенных сочетаниях цифры и буквы. Принцип маркировки стали: цифры до букв означают содер­жание углерода в сотых долях процента (если менее 0,08 %, то 0), буквы — наименование легирующего элемента, а цифра после букв—содержание леги­рующего элемента в процентах (если оно превышает 1,5 %).

Марки конструкционной стали обыкновенного качества обозначают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначениями качествен­ных конструкционных сталей служат: 10, 20, 45 и т. д. Качественная углеродистая сталь обозна­чается У7, У8, ..., У12, где буква У — углеродистая, а цифра — содер­жание углерода в десятых долях процента.

Стали специального назначения обозначаются следующим образом: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая инструментальная сталь, Ш - подшипниковые стали, Э - электротехнические стали, Е - для посто­янных магнитов, ЭП - экспериментальные стали.

В зависимости от микроструктуры стали бывают перлитные, мартенситные, аустенитные или ферритные.

По степени раскисленности: спокойные, кипя­щие и полуспокойные. Поведение металла в изложницах зависит от степени его раскисленности — чем полнее раскислена сталь (удален кислород), тем спокойнее кристаллизуется слиток (раскислением стали называют процесс удаления из металла растворенного в нем кислорода). Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсюда название стали). Наоборот, спокойная сталь кристаллизуется без видимых эффектов, спокойно.