Основные требования к стали для строительных конструкций и деталей монтажно-строительных машин

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ

Общее представление об особенностях наиболее широко применяемых сталей дает их классификация по следующим признакам: способу выплавки, степени раскисления, химическому составу, качеству, состоянию металла при поставке, прочности, применению и т.д.

Все признаки классификации стали взаимосвязаны между собой. Выбор способа выплавки стали и других его особенностей зависит от химического состава и назначения стали. Химический состав стали зависит от требуемых механических и других свойств.

Способ выплавки стали и его технологические особенности, степень раскисления, разливка предопределяют загрязнение стали такими вредными примесями, как сера и фосфор, газы, неметаллические включения, а также характер микроструктуры, размер зерна, ликвацию и т.д.

По способу выплавки сталь подразделяют в основном на мартеновскую, конвертерную и электросталь. По условиям проведения выплавки (тип футеровки печи или конвертера, флюса и шлаков) сталь называют кислой или основной (см. выше гл. 1.1).

Основной процесс выплавки стали по сравнению с кислым дешевле, так как в нем сталь очищают от вредных примесей серы и фосфора путем введения извести. При этом не требуется высокой чистоты исходной шихты.

Кислый мартеновский процесс выплавки стали и электроплавка в дуговых или индукционных печах позволяют получать более качественную и дорогостоящую сталь по сравнению с основным мартеновским процессом, причем электросталь является более высококачественной и дорогой. Эти способы применяют для получения легированных и высоколегированных сталей.

Конвертерный способ (кислородно-конвертерный) позволяет получать более дешевую сталь, не отличающуюся по химическому составу и свойствам от мартеновской основной стали. Наиболее высокопроизводительный способ выплавки стали – конвертерный, а также в крупных электропечах. Производство стали этими способами все более возрастает.

В металлургическом производстве шире применяют новые прогрессивные методы и процессы, повышающие качество стали: выплавка стали в вакууме, электрошлаковый переплав, внепечные методы обработка стали и др.

По степени раскисления сталь делится на спокойную, кипящую и полуспокойную. Качество и свойства стали зависят от степени раскисления. Под раскислением стали понимают снижение концентрации растворенного в ней кислорода. Это происходит в результате введения в жидкую сталь элементов, реагирующих с кислородом (марганец, кремний, алюминий и др.), - раскислителеи. Важнейший этап раскисления - стали – удаление из нее продуктов раскисления – неметаллических включений: алюмосиликатов, глинозема и других частичек оксидов. Образование неметаллических включений происходит от момента введения раскислителеи в жидкий металл в печи или ковше до окончания его кристаллизации в изложнице. Решающее влияние на качество стали оказывают неметаллические включения, образовавшиеся при охлаждении и кристаллизации стали в изложнице, так как в отличие от включений, образующихся в печи или ковше, они не могут всплыть и остаются в стали.

Спокойной называют хорошо раскисленную сталь за счет введения раскислителеи (марганец, кремний, алюминий) в жидкую сталь на всех стадиях ее выплавки: в печь, в желоб и в ковш. В слитке спокойной стали, хорошо раскисленной и отлитой в изложницу с утепленной надставкой, образуется усадочная раковина только в верхней части слитка, а в объеме всего слитка практически не содержится газовых пузырей и раковин. В спокойной стали содержится 0,12–0,37% кремния. Верхнюю часть слитка спокойной стали с концентрированной усадочной раковиной обычно отрезают, и весь слиток становится качественным.

При выплавке кипящей стали по ходу плавки вводят лишь марганец, а кремний и другие раскислители не применяют. Поэтому в кипящей стали обнаруживаются лишь следы кремния (<0,07%). Кипящая сталь по сравнению со спокойной сталью того же состава перед выпуском из печи содержит повышенное количество кислорода. При заполнении изложниц такая сталь начинает сильно искрить и кипеть мелкими пузырями, так как по всему ее незастывшему объему при кристаллизации происходит раскисление по реакции

FeO + C ⇆ Fe + CO. (1)

Эту реакцию называют реакцией само раскисления стали. Она идет в дополнение к раскислению стали марганцем в печи и ковше. Снижение концентрации кислорода в стали происходит преимущественно по реакции самораскисления. Образующийся по реакции монооксид углерода приводит к тому, что слиток кипящей стали после затвердевания содержит в головкой части слитка усадочную рыхлость вместо усадочной раковины и сотовые пузыри в виде более или менее ярко выраженной зоны на определенном расстоянии от поверхности слитка во всем объеме. В наружной части слитка наблюдается плотная зона металла, имеющая очень чистую поверхность.

В полуспокойной стали кремния содержится меньше 0,17 %. По технологии выплавки и разливки процесс получения полуспокойной стали – промежуточный процесс выплавки и разливки между спокойной и кипящей сталями. Усадочная раковина полуспокойной стали распределена на многочисленные пузыри и пустоты, внутренняя поверхность которых зеркально чистая, что приводит к их заварке при горячей прокатке. Структура слитка полуспокойной стали близка к структуре слитка спокойной стали, и в то же время такой слиток дает более высокий выход проката.

Спокойная сталь лучше кипящей, раскисленной только марганцем. Но и кипящие стали имеют применение, так как они дешевле, производство их дает меньше отходов (в отходы у спокойной стали идет верхняя часть слитка с усадочной раковиной), а раковины и пустоты в основном завариваются при прокатке. Кипящую сталь применяют для ненагруженных элементов конструкции.

По химическому составу сталь подразделяется на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь в зависимости от содержания углерода делится на низко углеродистую (с содержанием углерода до 0,25 %), среднеуглеродистую (с содержанием углерода 0,25-0,6%) и высокоуглеродистую (с содержанием углерода 0,6-2 %).

В углеродистой стали, кроме железа и углерода, содержатся постоянные (обычные) примеси, подразделяющиеся: на технологические, вводимые в сталь по условиям ее.выплавки для раскисления (марганец, кремний); на вредные, попадающие в сталь из руды, печных газов (сера и фосфор); на скрытые - газы (кислород, водород, азот), попадающие в сталь из воздуха; на случайные, попадающие в сталь из металлического лома или руды (медь, никель, хром и др.).

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специальные, вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, титан и др.), а также марганец и кремний в количествах, превышающих обычное их содержание (1 % и выше). Легированная сталь в зависимости от содержания легирующих элементов делится на низколегированную (с содержанием легирующих элементов не более 2,5 %), среднелегированную (с содержанием легирующих элементов 2,5-10 %) и высоколегированную (с содержанием легирующих элементов свыше 10%).

От химического состава зависит также и качество стали.

По качеству сталь делится на сталь обыкновенного качества, качественную, высококачественную и особовысококачественную.

Качество стали зависит от состава шихты, технологического процесса ее выплавки, разливки и других металлургических факторов. Чем выше качество стали, тем уже пределы содержания в ней углерода, а также марганца, кремния и других элементов, меньше содержание вредных примесей серы и фосфора, меньше количество неметаллических включений, больше однородность микроструктуры и уже пределы колебания показателей механических свойств. Обычно качество стали характеризуют наличием вредных примесей – серы и фосфора, так как от их содержания зависят и другие признаки.

Сталью обыкновенного качества является углеродистая сталь, содержащая до 0,49% углерода, широко применяемая в строительстве. В стали обыкновенного качества серы содержится в основном не более 0,055 %, а фосфора < 0,045 %.

Качественной сталью могут быть углеродистая и легированная, выплавляемые с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора не более 0,035–0,04% (каждого из элементов).

Высококачественными сталями бывают легированные и высокоуглеродистые. Марка высококачественной стали, кроме общепринятых для обозначения цифр и букв, имеет дополнительную букву "А", например, сталь марки 12ХН2А. В высококачественных сталях серы и фосфора должно содержаться не более 0,025-0,03 %.

Особокачественную сталь изготовляют методом электро шлакового переплава (к марке стали добавляют букву "Ш"). Содержание серы и фосфора в ней не более 0,015 %. Применяют ее в машиностроении. По состоянию металла при поставке сталь подразделяют на горячекатаную, термически упрочненную и контролируемой прокатки. Строительные стали обычно подвергают следующим видам термообработки: нормализация и закалка в сочетании с высоким отпуском. Стали для деталей машин обрабатывают всеми методами, рассмотренными в гл. 1, в зависимости от предъявляемых к ним требований. Технология контролируемой (термомеханической) прокатки отличается от обычной тем, что прокатку ведут в несколько стадий с применением определенной комбинации температуры и степени обжатия. Целенаправленное взаимодействие процессов кристаллизации, фазовых превращений и выделения в структуре стали мелкодисперсных частиц карбидов и нитридов позволяет достичь требуемых высоких прочностных и вязких показателей свойств.

По прочности строительную сталь подразделяют в зависимости от минимальных значений временного сопротивления σ_В и предела текучести στ на три группы: обычной, повышенной и высокой прочности. Каждая группа делится на классы прочности (табл. 1).

Стали для деталей машин на классы не подразделяют, так как они имеют большое разнообразие свойств в зависимости от упрочняющей термической обработки и назначения. Сталь для газонефтепроводов подразделяют на классы по минимальному значению временного сопротивления (табл.2).

Таблица 1.

Группы и классы прочности строительной стали

Таблица 2.

Классы прочности стали для газонефтепроводов

По применению сталь, подразделяют в зависимости от специфических технических требований, исходя из рабочих условий эксплуатации, на сталь для газонефтепроводов; резервуаров, газгольдеров и других листовых конструкций; арматурную сталь для армирования железобетонных конструкций; деталей машин и др.