Эти регионы и страны достигли впечатляющих успехов в развитии металлургической отрасли в последнее время. Основные слагаемые успеха следующие:

ориентация на выплавку стали в кислородно-конверторных и электродуговых печах, которые постоянно совершенствуются;

развитие технологии непрерывной разливки cтали;

увеличение доли выплавки качественных и высококачественных сталей, расширение объемов внепечной обработки стали;

развитие технологий и оборудования совмещенных литейно-прокатных модулей;

Следствием этого является повышение качества продукции, уменьшение энергоемкости и металлоемкости национального продукта в целом

Необходимо также развивать сталеплавильное производство с простой и компактной технологией, с использованием регионального сырья в виде металлического скрапа (металлолома), специализированным сортаментом продукции, ориентированным на конкретного потребителя, а также с высокой производительностью труда и низкими производственными издержками.

.

3. Способы производства металлов и сплавов

Металлы и сплавы получают различными способами. Чаще всего используют пирометаллургический (от греч. «пиро» - огонь и металлургия).

1. Пирометаллургический способ. По этим способом производство металлов и сплавов основывается на использовании тепловой энергии, которая выделяется в процессе сгорания топлива или протекания химических реакций в сырье. Во время сгорания топлива выделяется тепловая энергия и образуется CO. Тепловую энергию используют для разогрева и расплавление сырья, a CO - для восстановления металлов из их соединений (оксидов). Пирометаллургическим способом получают чугуны в доменных печах, стали в мартеновских печах и т.д.

2. Электрометаллургический способ. В процессе электрометаллургического способа металлы и сплавы получают в дуговых, индукционных и других типах электрических печей. В электрических печах сырье нагревают до более высоких температур, чем в ходе пирометаллургического способа. Сырье плавится очень быстро.

3. Плазменный способ. Суть плазменной металлургии заключается в том, что при температуре 10 000 С оксиды металла превращаются в плазму с определенной степенью ионизации. Поскольку энергия ионизации атомов металлов меньше энергии ионизации атомов кислорода, то в такой плазме атомы металла ионизируются, а атомы кислорода остаются нейтральными.

Из полученной смеси с помощью магнитного поля изымают ионы металла. В плазменных печах получают вольфрам, молибден, синтезируют карбид титана и др. Этот способ используют для получения очень качественных металлов и сплавов.

4. Химико-металлургический способ. Этот способ сочетает химические и металлургические процессы. Таким способом производят титан: из титановой руды получают четыреххлористый титан (ТіСІ₄), который восстанавливают с помощью магния (Mg).

5. Гидрометаллургическим способом. При этом способе металлы из руд, концентратов и отходов производства изымают с помощью растворителей. Затем из этих растворов электролизом получают металлы. Так производят и рафинируют цветные металлы: медь, цинк, никель, кобальт, хром, серебро, золото и т.д.

Производство металлов гидрометаллургическим способом состоит из следующих стадий: подготовка руды к растворению; растворение руды и концентрата в растворителе; очистка полученного раствора от вредных для электролиза примесей; электролиз.

6. Порошковая металлургия. Этот способ объединяет процессы, в результате которых изготавливают порошки металлов и неметаллических соединений, из которых прессованием (для придания формы и размеров) с последующим спеканием изготавливают изделия (заготовки, детали и т.д.).

7. Космическая металлургия. Производство металлов и сплавов в космосе называют космической металлургией. Поскольку в космосе не действуют силы притяжения, то плавления металлов и сплавов проводят без тиглей. Под действием силы поверхностного натяжения расплав приобретает форму шара и свободно висит в пространстве. Используя электромагнитное поле, расплава можно предать произвольную форму.

В условиях космоса компоненты сплавов хорошо перемешиваются. В случае невесомости газы хорошо растворяются в расплавах, а после кристаллизации полученные сплавы имеют вид «губки» с равномерно распределенными ячейками заполненным газом. Такие сплавы называют металогазами. Эти сплавы чрезвычайно легкие, например сплав, который состоит из 87% газа и 13% стали, плавает на воде как пробковое дерево. Металогази очень перспективные для самолето - и ракетостроения, а также для космической техники.

Заслуживает внимания также технология получения волокнистых композиционных материалов и изделий литьем. По земным условиям получить качественные изделия из этих материалов невозможно.

Большие возможности открывает космическая металлургия для получения сверхчистых сплавов с равномерным (заранее заданным) распределением примесей, что важно в процессе производства полупроводниковых материалов. Полученные полупроводниковые материалы могут быть использованы также в процессе решения проблемы энергетики.

Кроме описанных способов получения металлов и сплавов существует электролучевой способ и другие.

Стали

Сталями называют сплавы, содержащие более 50% железа.

Кроме железа в сталях содержится углерод и примеси, а в легированных сталях еще и легирующие элементы, которые улучшают свойства стали.

Стали являются основными конструкционными материалами. их используют в различных отраслях промышленности для изготовления инструментов, машин, оборудования и т.д.

Классификация сталей

Чтобы облегчить поиск нужной стали с учетом ее свойств, все стали классифицируют по следующим признакам: способу производства, химическому составу, качеству, назначению и т.д.

По назначению. По этому признаку стали разделяют на конструкционные, инструментальные и специальные.

По качеству: обыкновенного качества, качественная, и высококачественная. 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 и т.п. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фосфора допускается до 0,055-0,060%, в качественных сталях – не более 0,040-0,045%, в высококачественных – не более 0,020-0,030%.

По химическому составу: углеродистые (низкоуглеродистые содержат до 0.3% углерода; среднеуглеродистые–от 0.3 до 0.6%; высокоуглеродистые – более 0.6%), легированные (низколегированные–до2.5% легирующих добавок; среднелегированные – 2.5-10%,высоколегированные – более 10%), в том числе хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.

По характеру застывания стали в изложницах: спокойные, кипящие и полуспокойные. Поведение металла при кристаллизации в изложницах зависит от степени его раскисленности – чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизуется слиток. Спокойная – это полностью раскисленная (кислород извлечен полностью) качественная сталь; кипящая – малораскисленная (содержание кислорода повышено) сталь. Полуспокойная занимает промежуточное положение.

Углеродистые стали

Углеродистые стали - это основные конструкционные материалы. Из них производят машины, приборы, инструменты. Их используют в строительстве.

Углеродистых сталей производят около 80% общего количества. Они дешевле, чем легированные, и имеют удовлетворительные механические свойства, кроме того, хорошо обрабатываются давлением и резанием.

Углеродными сталями называют железоуглеродистые сплавы, содержащие теоретически (в соответствии с диаграммой состояния железо-цементит) 0,02-2,14% углерода и примеси (Р, S, Si, Mn и др.).

Углерод является вторым после железа компонентом в стали и в зависимости от его содержимого меняет механические и технологические свойства стали.

Примесями в стали есть Р, S, Si, Mn и др. Фосфор и сера принадлежат к вредным примесям, поскольку ухудшают свойства стали. Они попадают в сталь вместе с сырьем.

Сера вызывает хрупкость стали, нагретой выше 988. Это ощутимо во время обработки нагретых стальных заготовок ковкой, вальцеванием и т.д. Кроме того, сера снижает пластичность, прочность и корозиестойкость стали. Содержание серы в стали не должен превышать 0,06%.

Фосфор предает стали хрупкость при обычной и пониженной температуре. Особенно вредным является влияние фосфора при увеличенном содержании углерода. Чем больше углерода в стали, тем сильнее фосфор влияет на ее хрупкость. Допустимое содержание фосфора в стали - 0,045%.

Кремний и марганец попадают в сталь во время ее раскисления (для выведения из расплава FеО). Раскисление металлов — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл. Так, сталь раскисляют алюминием, который образует весьма прочный окисел Al₂O₃, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твёрдой фазы.

Также используют углерод, ферросилиций и ферромарганец для раскисления стали. В допустимых пределах (Si - не более 0,4%, а Мn - 0,8%) эти элементы существенно не влияют на свойства стали. С увеличением их содержимого сверх нормы такая сталь уже считается легированной.

Малоуглеродистые стали используют для изготовления ответственных сварных конструкций. Среднеуглеродистые стали используют для изготовления различных деталей в машиностроении. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную прочность, износостойкость и упругость. Из них изготавливают детали работающих в условиях трения - это пружины, рессоры и т.д.

Легированные стали

В легированных сталях кроме углерода и примесей содержатся специально добавленные перед выплавкой или во время ее легирующие элементы. В период кристаллизации легирующие элементы взаимодействуют с железом и углеродом, а также между собой, образуя новые фазы, что и приводит к изменению химического состава, структуры и вместе с тем свойств стали.

Легированными называют такие стали, в которых кроме железа и углерода содержатся специально добавленные элементы для улучшения их свойств.

Эти элементы называют легирующими. К ним относятся Cr, Ni, Mo, V, Ті и т.д.

І. Классификация легированных сталей. Эти стали классифицируют по следующим признакам: название основных легирующих элементов, содержание легирующих элементов в стали и т.д.

1, По названию основного легирующего элемента. Легированные стали разделяют на хромистые, хромоникелевые и т.д. Основными легирующими элементами в этих сталях является хром, никель.

2. По содержанию легирующих элементов. Легированные стали разделяют на малолегированные (содержание легирующих элементов не превышает 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (свыше 10%).

3. По назначению: конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные – низко- и среднеуглеродистые; инструментальные – высокоуглеродистые.

II. Маркировка легированных сталей. Маркируют легированные стали с помощью больших букв и цифр. Буквой обозначают название легирующего элемента, который содержится в стали, цифра после буквы означает его среднее содержание в процентах. Если в стали содержится менее 1% данного элемента, то пишут только букву.

Каждый легирующий элемент обозначают буквой, например:

Н - никель;

Г - марганец;

С - кремний;

П - фосфор;

Ю - алюминий;

Б - ниобий;

Х-хром;

М-молибден;

К-кобальт;

Т-титан;

Ф – ванадий,

Д – медь

В - вольфрам

Среднее содержание углерода в стали обозначают цифрами, которые ставят в начале марки. Если содержание углерода в стали около 1%, то цифры не ставят, если десятые или сотые доли, то в соответствии ставят одну или дни цифры. Например, сталь марки 12ХНЗ содержит около 0,12% углерода, 1% хрома и 3% никеля.

Конструкционные стали

Конструкционными называют стали, которых изготавливают детали машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

Основным критерием выбора нужной стали для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений являются механические свойства стали и их стабильность в условиях эксплуатации изделий. Кроме того, конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (ковкой, штамповкой, вальцеванием и т.п.), резанием и хорошо свариваться.

Углеродистые конструкционные стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества содержат повышенное количество серы (до 0,05%), фосфора (до 0,04%) и азота (до 0,008%). их варят в мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кислородных конвертерах. Этих сталей производят больше - около 80% углеродистых сталей.

Качественные стали содержат меньшее количество примесей, чем стали обыкновенного качества: серы - < 0,04%, фосфора - < 0,035-0,04%. Кроме того, они менее загрязненные неметаллическими включениями.

Легированные конструкционные стали выплавляется в основном качественными (<0,035% Р и < 0,035% S).

Очень качественные стали содержат меньше вредных примесей, чем качественные (<0,025% Р и < 0,025% S).

В строительстве для изготовления конструкций и сооружений используют углеродистые и легированные стали. Поскольку детали строительных конструкций соединяют сваркой, то для их изготовления используют малоуглеродистые стали обыкновенного качества.

Прочность строительных сталей увеличивается вследствие их легирования небольшим количеством недорогих легирующих элементов.

Малолегированные строительные стали содержат до 0,22% С и легирующие элементы: до 1,8% Мn, 1,2% Si, 0,8% Сr, 0,8% Ni, 0,5% Сu, 0,15% V, 0,03% Ti; 0,15% N и другие отдельно или вместе взятые химические элементы.

Строительные стали используют для армирования бетонных конструкций, во время изготовления железобетона и т.д.

Инструментальные стали

Инструментальными называют стали, из которых изготавливают инструменты для обработки конструкционных материалов резанием, штампы для изготовления заготовок давлением, измерительные инструменты и т.д.

Инструментальные стали должны иметь большую твердость (60-65 НRС), прочность, износостойкость, теплостойкость (т.е. способность сохранять большую твердость в процессе нагрева во время работы) и т.д.

По теплостойкости инструментальные стали разделяют на три группы: 1 - нетеплостойкие, 2 - полутеплостойкие (выдерживают нагрев до 400 - 500 ⁰С), 3 - теплостойкие (выдерживают нагрев до 550-650 ⁰С).

К первой группе относятся углеродистые и легированные стали, содержащие 3-4% легирующих элементов; ко второй - стали, которые содержат свыше 0,6-0,7% С и 4-18% Сr, к третьей - высоколегированные стали, содержащие Сr, W, V, Mo, Co их называют быстрорежущими.

Из углеродных инструментальных сталей изготавливают режущие инструменты (фрезы, сверла и др.), которые работают только при небольших скоростей резания, поскольку во время нагревания свыше 200 ⁰С твердость углеродистой стали уменьшается.

Из легированных инструментальных сталей изготавливают режущие инструменты, которыми можно резать конструкционные материалы со скоростью резания 0,8-1,3 м/с (развертки, ручные развертки и т.д.). Инструменты изготовлены из этих материалов выдерживают нагрев до 200-250 ⁰С.

В отличие от углеродистых и легированных сталей быстрорежущие является теплостойкими, твердыми и износостойкими при высоких температурах. Они не меняют своих режущих свойств вплоть до температуры 600-650 ⁰С. В случае использования инструментов, изготовленных из этих сталей, скорость резки увеличивается в 2-4 раза по сравнению с инструментами, изготовленными из легированных сталей.

Для изготовления инструментов, с помощью которых производят из конструкционных материалов изделия давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валки и т.п.), используют стали, которые называют штамповочными. Поскольку названные инструменты работают в условиях высоких температур и механических нагрузок, то выбор стали обусловлен именно этими факторами. Для изготовления измерительных инструментов (линейки, шаблоны, шкалы и т.п.), которые в течение длительного времени сохраняют форму и размеры, используют стали большой твердости и износостойкости с минимальным коэффициентом линейного расширения. Это высокоуглеродистые хромистые стали.

Специальные стали

Специальными сталями называют стали с особыми свойствами.

Современные отрасли промышленности (химическая, ракетная техника, атомное и космическое машиностроение) ставят очень большие требования к конструкционных материалов: они должны быть корозиестойкими в агрессивных средах (твердых, жидких, паровых и газовых), жаростойкими. Этим требованиям удовлетворяют нержавеющие, коррозие-, кислото- и жаростойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.

Жаростойкие стали не разрушаются в газовой среде при температурах свыше 550 ⁰С. На поверхности изделий, изготовленных из этих сталей, образуются оксидные пленки, толщина которых со временем увеличивается. На интенсивность окисления влияют состав и строение оксидных пленок. Если пленки пористые, изделия окисляются очень быстро; если плотные, то со временем окисления замедляется и даже прекращается. Для получения плотной защитной пленки стали легируют хромом, кремнием, алюминием отдельно или вместе взятыми. В процессе нагрева на поверхности стальных изделий образуются защитные пленки из оксидов (Сr, Fe)₂О₃, (А1, Fе)₂О₃. Добавление к стали 5-8% хрома повышает ее жаростойкость до 700-750 ⁰С, увеличение содержания хрома до 15-17% делает сталь жаростойкой к 950-1000 ⁰С. Дальнейшее увеличение содержания хрома до 25% повышает жаростойкость стали до 1100 ⁰С. Если до 25% Сr добавить 5% Аl, то сталь выдерживает нагревание до температуры 1300 ⁰С. Из жаростойких сталей изготавливают детали печей, газовых турбин и т.п., которые работают при высоких температурах.

Жаропрочные стали выдерживают одновременно нагрев до высоких температур и нагрузки. Из них изготавливают детали газовых турбин реактивных двигателей, ракет и т.п., которые работают в условиях высоких температур и нагрузок. Изделия, изготовленные из жаростойких сталей, выдерживают нагрев до температуры 500-750 ⁰С.

Коррозиестойкие стали принадлежат к конструкционным материалам, способным не подвергаться воздействию агрессивных сред. Это хромистые и хромоникелевые стали. Содержание хрома в сталях не может быть меньше 12,5%.

Из хромистых сталей изготавливают предметы домашнего обихода, хирургические инструменты, оборудование для пищевой промышленности и т.д.

Хромоникелевые стали имеют высшую коррозиестойкость, чем хромистые. Из них изготавливают оборудование для химической, нефтехимической и пищевой промышленности. Хромоникелевые стали дорогие, поскольку дорогой никель. Именно поэтому никель в этих сталях частично заменяют на марганец.

Маркировка сталей

Углеродистые конструкционные стали маркируют в зависимости от качества:

• обыкновенного качества (содержат повышенное количество серы СтО, Ст1... Ст6 (Ст. - значит сталь, цифры - условный порядковый номер));

• качественные - 08, 10, 15, 25, 30, 35 ... 85 (числа указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента), 60Г, 65Г, 70Г (литера Г указывает на повышенное содержание марганца).

Для обозначения степени раскисления после обозначения марки стали добавляют буквы: сп - спокойная, кп - кипящая, пс - полуспокойная.

Конструкционные стали используют для изготовления различных конструкций, деталей, узлов в машиностроении и строительстве.

Углеродные инструментальные стали содержат 0,65-1,35% углерода. В зависимости от качества их маркируют:

• качественные В7, У8... У13 (В - инструментальная углеродистая сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента);

• высококачественные - У8А, У10А... У13А (А - означает, что сталь высокого качества).

• Легированные стали маркируют большими буквами и цифрами. Легирующие элементы

обозначают буквами: С - кремний, X - хром, М - молибден, Г - марганец, Н - никель, вольфрам, К - кобальт, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь. Цифры перед буквами означают процентное содержание углерода (две цифры - в сотых долях, одна цифра - в десятых). При содержании углерода более 1% цифра не относится. Цифры после букв - среднее содержание легирующих элементов (в процентах). Если цифра после буквы не проставлена, содержимое легирующего элемента 1 - 1,5%.

Наиболее распространены легированные стали:

• конструкционные - 15Х, 20Х, 40Х, 45Х;

• инструментальные - ХВГ, 9ХС, ХВ5;

• быстрорежущие - Р12, Р18, Р9, Х23Р20С2;

• жаростойкие - Х8СМ;

• нержавеющие-2X13.

Использование легированных сталей дает возможность уменьшить металлоемкость машин и конструкций, увеличить их долговечность, а также производить изделия с улучшенными качествами относительно высоких температур, нагрузок и коррозиестойкость. Однако легированные стали дороже конструкционных, их получение технологически сложнее. Из них самые эффективные технологически мотивированные использования низколегированных сталей, что способно обеспечить экономию 18-20% металла.

Для некоторых высококачественных сталей есть отклонения в обозначениях. Так, быстрорежущие стали обозначают буквой Г, цифра указывает на содержание в ней вольфрама, шарикоподшипниковые стали обозначают буквами и цифрами (например ШХ), где Ш - шарикоподшипниковая с содержанием хрома в процентах.