Вы когда-нибудь задумывались, как производится сталь, краеугольный камень современной цивилизации? Этот подробный справочник погружает в сложный процесс производства стали, от сырья до готовой продукции. Узнайте, как такие элементы, как углерод, марганец и кремний, формируют свойства стали, и познакомьтесь с важнейшими этапами, включая выплавку, прокатку и рафинирование. К концу этой статьи вы будете иметь четкое представление о методах и материалах, которые превращают железную руду в универсальные стальные изделия, которыми мы пользуемся каждый день.
Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2% углерода, называются сталью. Пять элементов в углеродистой стали означают основные составляющие ее химического состава, а именно: C (углерод), Si (кремний), Mn (марганец), S (сера) и P (фосфор).
Кроме того, в процессе выплавки стали в нее неизбежно попадают такие газы, как O (кислород), H (водород) и N (азот).
Кроме того, в процессе раскисления алюминия и кремния в расплавленной стали неизбежно присутствует Al (алюминий), и когда Als (кислоторастворимый алюминий) находится на уровне или выше 0,020%, он играет роль в рафинировании размера зерна.
1. Углерод (C):
Как содержание углерода в стали увеличивается, повышается предел текучести и прочность на растяжение, но снижается пластичность и ударная вязкость. Если содержание углерода превышает 0,23%, то свариваемость сталь разрушается.
Поэтому для низколегированной конструкционной стали, используемой для сварки, содержание углерода обычно не превышает 0,20%. Повышенное содержание углерода также снижает устойчивость стали к атмосферной коррозии; высокоуглеродистая сталь, хранящаяся под открытым небом, склонна к образованию ржавчины. Кроме того, углерод может увеличить хрупкость стали в холодном состоянии и чувствительность к старению.
2. Кремний (Si):
Кремний добавляется в процессе выплавки стали в качестве восстановителя и раскислителя, поэтому спокойная сталь содержит 0,15-0,30% кремния. Если содержание кремния в стали превышает 0,50-0,60%, кремний считается легирующим элементом. Кремний может значительно повысить предел упругости, предел текучести и предел прочности стали, благодаря чему он широко используется для производства пружинной стали.
Добавление 1,0-1,2% кремния в закаленную и отпущенную конструкционную сталь позволяет увеличить ее прочность на 15-20%. Кремний в сочетании с такими элементами, как молибден, вольфрам и хром, повышает коррозионную стойкость и устойчивость к окислению, что полезно для производства жаропрочной стали.
Низкоуглеродистая сталь с содержанием кремния 1-4% обладает чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью и используется в электротехнической промышленности для листы кремнистой стали. Увеличение содержания кремния снижает свариваемость стали.
3. Марганец (Mn):
В процессе выплавки стали марганец выступает в качестве отличного раскислителя и десульфуризатора, при этом обычная сталь содержит 0,30-0,50% марганца. Когда в углеродистую сталь добавляют более 0,70%, ее называют "марганцевой сталью".
Этот тип стали не только обладает достаточной вязкостью по сравнению с обычными сталями, но и имеет более высокую прочность и твердостьулучшает закаливаемость и термические свойства стали.
Например, предел текучести стали 16Mn на 40% выше, чем у стали A3. Сталь с содержанием марганца 11-14% обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, что делает ее пригодной для изготовления ковшей экскаваторов, футеровки шаровых мельниц и т. д. Увеличение содержания марганца снижает коррозионную стойкость стали и ухудшает ее свариваемость.
4. Фосфор (P):
В целом фосфор вреден для стали. Он повышает хрупкость стали в холодном состоянии, ухудшает ее свариваемость, снижает пластичность и ухудшает характеристики холодного изгиба. Поэтому содержание фосфора в стали обычно не должно превышать 0,045%, а для высококачественной стали требуется еще более низкое содержание.
5. Сера (S):
Сера, как правило, вредна для стали. Она вызывает горячую хрупкость, снижая пластичность и вязкость стали, что приводит к образованию трещин при ковке и прокатке. Сера также негативно влияет на качество сварки и снижает коррозионную стойкость.
Поэтому содержание серы обычно должно быть менее 0,055%, а для высококачественной стали требуется менее 0,040%. Добавление в сталь 0,08-0,20% серы может улучшить обрабатываемость; такую сталь часто называют сталью свободного резания.
6. Хром (Cr):
В конструкционных и инструментальных сталях хром значительно повышает прочность, твердость и износостойкость, но одновременно снижает пластичность и вязкость. Хром повышает устойчивость стали к окислению и коррозии, что делает его неотъемлемым элементом нержавеющих и жаропрочных сталей.
7. Никель (Ni):
Никель повышает прочность стали, сохраняя при этом хорошую пластичность и вязкость. Никель обладает высокой коррозионной стойкостью к кислотам и щелочам, а также ржавчиной и жаростойкостью при высоких температурах.
Однако из-за того, что никель является дефицитным ресурсом, его следует заменять другими элементы сплава по возможности, особенно из никель-хромовой стали.
8. Молибден (Mo):
Молибден улучшает зернистую структуру стали, повышает прокаливаемость и термическую прочность, а также сохраняет достаточную прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах (ползучесть - это деформация при длительном напряжении при высоких температурах).
Добавление молибдена в конструкционную сталь улучшает механические свойства и подавляет хрупкость, вызванную нагревом в легированная сталь. В инструментальных сталях он повышает твердость в горячем состоянии.
9. Титан (Ti):
Титан является сильным раскислителем стали. Он уплотняет внутреннюю структуру стали, уточняет размер зерна, снижает чувствительность к старению и хладноломкость, а также улучшает свариваемость. Добавление соответствующего титана в аустенитную нержавеющую сталь 18Cr-9Ni может предотвратить межкристаллитная коррозия.
10. Ванадий (V):
Ванадий является отличным раскислителем для стали. Добавление ванадия в сталь 0,5% улучшает зернистую структуру, повышая прочность и вязкость. Карбиды, образующиеся из ванадия и углерода, повышают стойкость к водородной коррозии при высоких температурах и давлении.
11. Вольфрам (W):
Вольфрам имеет высокую температуру плавления, высокую плотность и является дорогостоящим элементом сплава. Карбид вольфрама обладает высокой твердостью и износостойкостью. Добавление вольфрама в инструментальную сталь значительно повышает горячую твердость и термическую прочность, что делает ее пригодной для изготовления режущих инструментов и ковочные штампы.
12. Ниобий (Nb):
Ниобий улучшает размер зерна и снижает чувствительность стали к перегреву и отпускную хрупкость, повышая прочность, но снижая пластичность и вязкость. Добавление ниобия в обычную низколегированную сталь повышает устойчивость к атмосферной коррозии и коррозии под действием водорода, азота и аммиака при высоких температурах. Ниобий улучшает свариваемость. При добавлении в аустенитную нержавеющую сталь он может предотвратить межкристаллитную коррозию.
13. Кобальт (Co):
Кобальт - редкий драгоценный металл, часто используемый в специальных сталях и сплавах, таких как жаропрочная сталь и магнитные материалы.
14. Медь (Cu):
Сталь, рафинированная из руды Daye компанией Wuhan Iron and Steel, часто содержит медь. Медь повышает прочность и вязкость, особенно устойчивость к атмосферной коррозии. Недостатком является то, что она склонна вызывать горячую нехватку при горячей обработке, а если содержание меди превышает 0,5%, пластичность значительно снижается. При содержании меди менее 0,50% она не влияет на свариваемость.
15. Алюминий (Al):
Алюминий является распространенным раскислителем в стали. Добавление небольшого количества алюминия в сталь может рафинировать зерно, улучшить ударную вязкость, как, например, в стали 08Al, используемой для глубокой вытяжки тонких листов.
Алюминий также обладает устойчивостью к окислению и коррозии. При совместном использовании с хромом и кремнием он может значительно повысить устойчивость стали к образованию окалины и высокотемпературной коррозии. Недостатком алюминия является то, что он влияет на способность стали к горячей обработке, свариваемость и обрабатываемость.
16. Бор (B):
Добавление незначительного количества бора может улучшить плотность и свойства стали при горячей прокатке, повышая ее прочность.
17. Азот (N):
Азот может увеличить прочность, низкотемпературную вязкость и свариваемость сталии повышает его возрастную чувствительность.
18. Редкоземельные (Xt):
Редкоземельные элементы относятся к 15 лантаноидам с атомными номерами 57-71 в периодической таблице. Все эти элементы являются металлами, но их оксиды похожи на "землю", поэтому их принято называть редкоземельными.
Добавление редкоземельных металлов в сталь может изменить состав, форму, распределение и свойства включений в стали, тем самым улучшая различные свойства, такие как вязкость, свариваемость и способность к холодной обработке. Добавление редкоземельных металлов в плужную сталь позволяет повысить ее износостойкость.
Основная задача сталеплавильного производства - отрегулировать содержание углерода и легирующих элементов в стали в пределах заданного диапазона в соответствии с требованиями к качеству производимой стали, а также снизить содержание примесей, таких как P, S, H, O, N, до уровня ниже допустимого.
Процесс выплавки стали - это, по сути, процесс окисления. Избыток углерода в шихте печи окисляется и сгорает в газе CO и выходит наружу, а другие элементы, такие как Si, P, Mn, окисляются и попадают в шлак. Часть S попадает в шлак, а часть выбрасывается в виде SO2.
Когда состав и температура расплавленной стали соответствуют технологическим требованиям, ее можно разливать. Для удаления избытка кислорода в стали и корректировки химического состава в нее добавляют раскислители и ферросплавы или легирующие элементы.
Горячий металл, транспортируемый из торпедного аппарата, после десульфурации и шлакоблокировки может быть залит в конвертер в качестве основной шихты вместе с ломом стали менее 10%. Затем в конвертер вдувается кислород для горения, избыток углерода в горячем металле окисляется и выделяет большое количество тепла. Когда зонд обнаруживает заданное низкое содержание углерода, продувка кислородом прекращается и сталь отрезается.
Операции по раскислению и корректировке состава обычно происходят в ковше; затем на поверхность расплавленной стали набрасывается науглероженная рисовая шелуха, чтобы предотвратить ее окисление, и она готова к отправке на участок непрерывной разливки или разливки в формы.
Для сталей, пользующихся большим спросом, обработка аргоном с нижним дутьем, вакуумирование RH и обработка порошковым напылением (напыление порошка Si-Ca и модифицированной извести) позволяют эффективно уменьшить количество газов и включений в стали, а также снизить содержание углерода и серы. После этих мер по вторичному рафинированию состав может быть точно отрегулирован для удовлетворения требований к высококачественным стальным материалам.
Отливка в форме стальные слитки Нагреваются в печи повторного нагрева с использованием нового процесса горячей загрузки и горячей подачи, затем прокатываются в слябы, заготовки, небольшие квадратные заготовки и другие виды предварительного проката через черновой стан и непрерывный прокатный стан.
После отрезания головы и хвоста, очистки поверхности (пламенная очистка, шлифовка), высококачественная продукция также требует зачистки и дефектоскопии для предварительного проката заготовок. После прохождения контроля они хранятся на складе.
В настоящее время продукцией стана предварительной прокатки являются предварительно прокатанный сляб, квадратная заготовка, стальная заготовка для кислородного баллона, заготовка для круглой трубы редуктора, заготовка для оси железнодорожного транспорта, а также сталь для пластиковых форм.
Предварительно прокатанный сляб в основном поставляется на стан горячей прокатки в качестве сырья; прокатанная квадратная заготовка, за исключением некоторых поставок извне, в основном направляется в качестве сырья на стан высокоскоростной катанки. В связи с развитием слябов непрерывного литья спрос на предварительно прокатные слябы значительно снизился, и поэтому он переместился на другие вышеперечисленные виды продукции.
Используя в качестве сырья слябы непрерывной разливки или черновые слябы, они нагреваются в печи ступенчатого нагрева и после очистки от окалины водой под высоким давлением поступают на стан черновой прокатки.
Черновой прокат обрезается в головной и хвостовой частях, а затем поступает на чистовой стан, где осуществляется прокатка с компьютерным управлением. После окончательной прокатки они проходят ламинарное охлаждение (скорость охлаждения контролируется компьютером) и наматываются на моталку, образуя горячий рулон.
Головная и хвостовая части горячего рулона часто имеют форму языка или рыбьего хвоста, низкую точность толщины и ширины, а на краях часто встречаются такие дефекты, как волнистость, складчатые края и башенные формы.
Рулон относительно тяжелый, с внутренним диаметром 760 мм (что обычно предпочитается в трубной промышленности). Горячий рулон после обрезки головки, хвоста и краев, а также многократного выпрямления и сплющивания на линии отделки, далее разрезается на листы или сматывается в рулоны, образуя такие изделия, как горячие стальной прокат листы, сплющенные горячекатаные рулоны и продольные полосы.
Если готовый горячекатаный рулон промыть кислотой для удаления окалины, а затем смазать маслом, он превращается в горячекатаный травленый рулон. Этот продукт, благодаря тенденции к локальной замене холоднокатаного листа и умеренной цене, пользуется широкой популярностью у потребителей.
В качестве сырья используются горячекатаные стальные рулоны, которые сначала промываются кислотой для удаления оксидной кожи, а затем подвергаются холодной прокатке. В результате получается рулон твердой прокатки. Непрерывная холодная деформация вызывает закалку, что повышает прочность и твердость рулона и снижает его вязкость и пластичность.
В результате ухудшается качество штамповки, и его можно использовать только для деталей с простой деформацией. Твердокатаные рулоны могут использоваться в качестве сырья для заводов горячего цинкования, поскольку эти заводы оснащены отжиг линии. Вес рулонов жесткого проката обычно составляет от 6 до 13,5 тонн, а внутренний диаметр - 610 мм.
Стандартные листы и рулоны холодной непрерывной прокатки должны подвергаться непрерывному отжигу (на установке CAPL) или отжигу в печи колокольного типа для устранения рабочей закалки и напряжения при прокатке, достигая показателей механических свойств, установленных соответствующими стандартами.
Холоднокатаные стальные листы имеют более высокое качество поверхности, внешний вид и точность размеров по сравнению с горячекатаными листами, а толщина проката составляет около 0,18 мм, поэтому они пользуются большим спросом у потребителей.
Глубокая обработка продукции на основе рулонной холоднокатаной стали позволяет получать изделия с высокой добавленной стоимостью. Например, гальваническое цинкование, горячее цинкование, гальваническое покрытие, устойчивое к отпечаткам пальцев, цветное покрытие стальная пластина рулоны, вибродемпфирующие композитные стальные пластины и стальные пластины с ПВХ-ламинацией.
Эти изделия, отличающиеся эстетичностью и высокой коррозионной стойкостью, нашли широкое применение.
После отжига рулоны холоднокатаной стали подвергаются финишной обработке, включающей отрезание головки и хвоста, обрезку кромок, выравнивание, сплющивание, повторную намотку или продольную обрезку. Холоднокатаный прокат широко используется в автомобилестроении, производстве бытовой техники, переключателей приборов, строительстве, офисной мебели и других отраслях.
Вес каждого стального листа в пачке составляет от 3 до 5 тонн, а вес сплющенных подката обычно составляет от 3 до 10 тонн на один подкат с внутренним диаметром 610 мм.
В большинстве случаев обработка стали осуществляется методами давления, в результате чего стальная заготовка (например, заготовка или слиток) подвергается пластической деформации. По температуре обработки сталь можно разделить на холодную и горячую. К основным методам обработки стали относятся:
Роллинг: Это метод обработки давлением, при котором металлическая заготовка пропускается через зазор между парой вращающихся роликов различной формы. В результате сжатия роликами уменьшается площадь поперечного сечения материала и увеличивается его длина. Это самый распространенный метод производства стали, используемый в основном для изготовления профилей, листов и труб. Он включает в себя как холодную, так и горячую прокатку.
Ковка: Этот метод обработки давлением использует возвратно-поступательный удар ковочного молота или давление пресса для придания заготовке нужной формы и размера. Обычно он подразделяется на свободную ковку и штамповку, часто используемую для производства крупных материалов, и ковку в открытом штампе с большими размерами поперечного сечения.
Рисование: Он заключается в протягивании уже прокатанной металлической заготовки (профиля, трубы, изделия и т.д.) через отверстия штампа в процессе, который уменьшает площадь поперечного сечения и увеличивает длину. Этот метод в основном используется при холодной обработке.
Экструзия: Этот процесс включает в себя помещение металла в герметичный экструзионный цилиндр и приложение давления с одного конца. Металл выдавливается через определенное отверстие в фильере, чтобы получить готовые изделия одинаковой формы и размера. Этот метод в основном используется для производства цветных металлов металлические материалы.
6.1 Предел текучести Соотношение
Коэффициент текучести - это отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении (σs/σb). Чем выше коэффициент текучести, тем прочнее материал. И наоборот, чем ниже коэффициент предела текучести, тем лучше пластичность и формуемость при штамповке. Например, коэффициент предела текучести глубокая вытяжка стального листа составляет ≤0,65.
Пружинная сталь обычно используется в пределах предела упругости и не подвергается пластической деформации под нагрузкой. Поэтому необходимо, чтобы пружинная сталь имела как можно более высокий предел упругости и предел текучести после закалка и отпуск (σs/σb≥0,90). Кроме того, усталостная долговечность часто сильно коррелирует с прочностью на растяжение и качеством поверхности.
6.2 Пластичность
Под пластичностью понимается способность металлического материала выдерживать постоянную деформацию до разрушения под действием напряжения. Пластичность обычно представлена показателями удлинения и уменьшения площади. Чем выше показатели удлинения и уменьшения площади, тем выше пластичность.
Ударная вязкость, обозначаемая αk, представляет собой ударную работу, затрачиваемую на единицу площади поперечного сечения в надрезе металлического образца при разрушении под действием заданной ударной нагрузки.
Обычный образец для испытаний имеет размеры 10×10×55 мм с V-образным надрезом глубиной 2 мм, и в стандарте непосредственно принята работа удара (значение Джоуля) AK, а не значение αK, поскольку работа удара на единицу площади не имеет практического значения.
Ударная работа является наиболее чувствительной для исследования трансформации хрупкости металлических материалов при различных температурах, а катастрофические разрушения в реальных условиях эксплуатации часто связаны с ударной работой материала и температурой эксплуатации.
Поэтому в стандартах часто указываются конкретные значения ударной работы при определенной температуре и требуется, чтобы температура перехода разрушения (FATT) была ниже определенной температуры.
Так называемый FATT - это температура, соответствующая хрупкому разрушению, занимающему 50% общей площади после разрушения группы ударных образцов при различных температурах. Вследствие влияния толщина стального листаДля плит толщиной ≤10 мм можно получить образцы ударного воздействия размером 3/4 (7,5×10×55 мм) или 1/2 (5×10×55 мм).
Однако следует отметить, что сравнивать можно только значения ударной работы при одинаковых технических условиях и одинаковой температуре.
Только при соблюдении условий, оговоренных в стандарте, работа удара может быть преобразована в работу удара стандартного образца в соответствии со стандартным методом преобразования, а затем сравнена.
Способность металлический материал Твердостью называется способность сопротивляться проникновению индентора (шарика из закаленной стали или алмазного индентора с конусом или углом 120 градусов). В зависимости от методов испытаний и области применения твердость может быть классифицирована на Твердость по БринеллюТвердость по Роквеллу, твердость по Виккерсу, твердость по Шору, а также микротвердость и высокотемпературная твердость. В металлургии обычно используют твердость по Бринеллю и твердость по Роквеллу.
Марки стали в корпоративных стандартах Baosteel можно условно разделить на три источника: перешедшие из японского стандарта JIS, немецкого стандарта DIN и разработанные и произведенные самой Baosteel.
Марки стали, заимствованные из стандарта JIS, часто начинаются с S (Steel); марки, заимствованные из стандарта DIN, обычно начинаются с ST (Stahl, немецкое слово, означающее "сталь"); марки стали, разработанные и произведенные компанией Baosteel самостоятельно, обычно начинаются с B, инициала фонетического написания Baosteel.
Конструкционная сталь обычно классифицируется по прочности, и цифры в марке стали часто означают минимальный предел прочности на разрыв. Поскольку это тип стали обычно используется для изготовления конструкционных элементов, его называют конструкционной сталью.
Механизмы упрочнения конструкционной стали склоняются к декарбонизации и упрочнению феррита твердым раствором марганца, рафинированию перлита и добавлению микросплавов для упрочнения осадками, осаждением и мелкозернистым упрочнением.
Благодаря этому при увеличении прочности сталь сохраняет хорошую вязкость, показатели пластичности и отличную свариваемость.
Как основатель компании MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR