2.1. Основные понятия о стали

Сталь — сплав железа с углеродом, включающий ряд примесей. Например, строительная углеродистая сталь может содержать углерода 0,04—0,3 %, марганца 0,1 — 1 %, кремния до 0,4%, серы и фосфора обычно не более 0,04%. В низколе­гированную сталь вводят специальные легирующие элементы с целью получения определенных ее свойств. В строительные низколегированные стали вводят марганец, кремний, а также микролегирующие элементы — ванадий, ниобий, титан и др. Низколегированная сталь маркируется цифрами и буквами. Например, в стали, маркированной шифром 09Г2ФБ, первые цифры 09 показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, первая буква Г — основной легирующий эле­мент (в данном случае марганец), причем следующая за бук­вой цифра показывает его количество — до 2%, буквы Ф и Б —другие легирующие элементы (в данном случае ванадий и ниобий), а так как цифр за ними не стоит, то их количество составляет менее 1%. При маркировке сталей приняты сле­дующие обозначения элементов: С — кремний, X —хром, Т — титан, М — молибден, Ю — алюминий, Р — бор, Д —медь, Н — никель, О — кислород, А— азот и т. д.

2.1.1. Производство стали

Основной объем стали для производства труб выплавляется в мартеновских печах и кислородно-конверторных агрегатах, а в небольших объемах — в электропечах. Объем стали, вы­плавляемой в кислородных конвертерах, из года в год увели­чивается. Основное преимущество этих агрегатов — высокая производительность. Качество кислородно-конвертерной стали существенно зависит от степени чистоты применяемого для продувки кислорода. Фактически мартеновская и кислородно-конвертерная сталь применяется для изготовления труб на равных условиях, На качество и свойства стали большее влия­ние, чем метод выплавки, оказывают степень раскисления, ха­рактер микролегирования, методы прокатки и другие процессы производства.

По степени раскисления в процессе выплавки стали подраз­деляются на кипящие, т. е. не раскисленные кремнием, на по­луспокойные, содержащие 0,04—0,15% кремния, и спо­койные, в которых количество кремния составляет 0,16— 0,30%- Кроме кремния, спокойные стали раскисляются алюми­нием. Полуспокойная и кипящая стали, характеризуются наи­меньшей однородностью. Однако при их производстве обеспе­чивается максимальный выход годного металла, это наиболее дешевые сорта стали. Спокойная сталь более однородна по составу, однако выход годного металла при ее производстве на 12—15% меньше, чем при выплавке полуспокойной и ки­пящей сталей, так как у слитка обрезается верхняя прибыльная часть, в которой сосредоточивается основное количество, примесей, загрязняющих сталь.

Окончательное раскисление низколегированных сталей алю­минием и кальцием, их модификация редкоземельными метал­лами (РЗМ) производится в разливочном ковше с целью улучшения структуры катаной стали, регламентации количе­ства и формы неметаллических включений. Обработка стали в ковше РЗМ устраняет прочные остроугольные включения в металле, являющиеся концентраторами напряжений, перево­дит остатки оксидов и сульфидов в прочные глобулярные включения, не снижающие работоспособность стали. С повы­шением чистоты стали, ее однородности увеличиваются вязкость и пластичность, улучшается свариваемость, повышается сопротивление стали разрушению в конструкции. В низколегированных сталях лучшее сочетание свойств достигается при содержании алюминия в металле от 0,02 до 0,05%. Максимальное снижение загрязненности, практическое отсутствие строчечных включений и остроугольных оксисульфидов, являющихся концентраторами напряжений, достигается при совместном введении в сталь алюминия {0,02—0,05%), кальция (около 0,003%) и церия (0,01—0,03%) [19]. Такая обработка стали в ковше позволяет снизить индекс загрязненности неметаллическими включениями в 3—7 раз, при этом оставшиеся включения прижимают глобулярную форму. Вместе с тем эта обработка стали способствует снижению содержания в металле газов — кислорода и азота. В результате пластичность и вязкость стали достигают возможного максимума, заметно улучшается свариваемость.

Условия выплавки (кипящая, полуспокойная, спокойная) были важными технологическими параметрами процесса производства стали до применения метода непрерывной разливки. В процессе кристаллизации и охлаждения стали в изложницах в зависимости от их типа неметаллические включения и газы б значительной части могли быть удалены, в частности, при обрезке прибыльной части слитка. Принимались также меры по наиболее равномерному распределению включений по слитку — кипящая закупоренная и полуспокойная стали.