7.4. Вуглецеві сталі

Основною продукцією чорної металургії є сталь. Сталь є най­кориснішим матеріалом сучасності і в цьому розумінні наш час можна вважати "залізним віком". На базі системи залізо-вуглець створено різноманітні сплави із властивостями, що змінюються в широких межах залежно від потреб.

Вуглецева сталь промислового виробництва - це складний сплав заліза, в якому крім вуглецю, що вводиться спеціально, є декілька інших елементів - постійних домішок. Вони потрапляють у сталь внаслідок особливостей технологічних процесів одержання сталі. Такими постійними домішками у сталях є марганець, кремній, фосфор, сірка, а також азот, кисень, водень.

Розглянемо головні етапи традиційного виробництва сталі. Залізна руда є сумішшю сполук (оксидів, карбонатів, сульфідів) з так званою порожньою породою. Залізо має бути відокремлено від порожньої породи, відновлено до металевого стану і, нарешті, з'єднано з правильно обраною кількістю вуглецю. Для реалізації такої послідов­ності застосовують складні процеси, що проходять при дуже високих температурах (майже 1500 °С), кінцевий продукт завжди вміщує деяку кількість домішок у вигляді інших елементів, що розчинені у залізі, а також у вигляді неметалевих включень. У доменній печі руда відновлюється коксом і залізо відокремлюється від порожньої породи за рахунок флюсів (вапняку). При цьому утворюється переробний чавун. Цей чавун переробляють на ливарний чавун чи на сталь.

Ливарний чавун виготовляють у вагранці, де переробний чавун трохи очищують переробкою його разом із коксом, вапняком і залізним ломом: вміст вуглецю знаходиться в межах до 5 %. Окрім того, у такому чавуні наявні марганець, кремній, сірка та фосфор.

Сталь виробляють декількома способами. Всі ці способи включають процеси окислення вуглецю та інших домішок у чавуні, наступне розкислення та доведення вмісту вуглецю до потрібного рівня. У процесі окислення вуглецю та домішок розплав заліза погли­нає кисень, при цьому утворюється також закис заліза. При твердінні у виливниці закис заліза FeO реагує з вуглецем і утворюється CO (FeO+C=Fe+CO). Виділення пузирів газу CO з рідкого металу створює враження, що він кипить. Такий ефект має місце, якщо сталь не розкислювати чи розкислювати тільки марганцем. Тому її називають киплячою. При розкисленні сталі марганцем, кремнієм та алюмінієм ефект кипіння повністю усувається і таку сталь називають спокійною. Проміжний варіант - розкислення марганцем та алюмінієм - робить сталь напівспокійною. У зливках киплячої сталі залишається велика кількість газових пузирів, які, проте, можуть заварюватися при гарячий прокатці. Тому, на відміну від спокійної сталі, у киплячій сталі у верхній частині зливка практично відсутня усадочна раковина, яку необхідно відрізати через низькі якості металу в цій зоні. Ось чому значною економічною перевагою киплячих сталей є більший, ніж для спокійних сталей, вихід придатного металу (на 5...10 %). Проте спокійні сталі більш однорідні, мають вищі механічні властивості (за винятком пластичності), не схильні до старіння.