4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал

Сталью² называют сплавы, созданные на основе железа и углерода. С середины XVIII в., когда началось ее промышленное производство, сталь была и остается ведущим конструкционным материалом в силу неоспоримых технико-экономических преимуществ:

• доступность, распространенность и дешевизна сырья;

• высокая прочность, жесткость (высокий модуль Юнга) и теплостойкость, сочетающиеся с достаточной пластичностью и вязкостью;

• технологичность (хорошая способность к литью, ковке, штамповке, прокатке, сварке, обработке резанием и др.);

• возможность управления свойствами в широких пределах с помощью легирования, деформационной, термической, химико-термической и др. видов обработки;

• высокая степень рециркуляции.

Наряду с этим стальные конструкции обладают относительно высоким удельным весом, а также недостаточной коррозионной стойкостью (если не приняты специальные меры защиты).

5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов

1. Для первичного получения металлов в большинстве случаев используют три вида технологий:

• Пирометаллургия³ – совокупность процессов получения и очистки металлов и сплавов, протекающих при высоких температурах. Пирометаллургия – основная и древнейшая область металлургии. В современной классификации пирометаллургия противопоставляется гидрометаллургии – совокупности так называемых мокрых процессов получения металлов, осуществляемых при невысоких температурах. Примерами пирометаллургических процессов могут служить доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Почти 100 % мирового производства чугуна, стали, свинца, около 95 % меди, свыше 60 % цинка получают методами пирометаллургии.

• Гидрометаллургия⁴ – извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов с последующим выделением металлов из этих растворов. Основные операции гидрометаллургии: механическая обработка руды (дробление, измельчение, классификация, сгущение); изменение химического состава руды или концентрата (обжиг, спекание, разложение химическими реагентами); выщелачивание; обезвоживание и промывка; осветление растворов и удаление вредных примесей; осаждение металлов или их соединений из растворов; переработка осадков. Гидрометаллургические методы широко используются при производстве меди, никеля, кобальта, платины и других цветных металлов.

• Электрометаллургия – область металлургической науки и техники, охватывающая извлечение металлов из руд и концентратов, плавку и рафинирование металлов и сплавов, а также их нагрев и придание им соответствующей структуры при помощи электрического тока. Электрометаллургия делится на две области: в первой применяются электротермические методы, т. е. используется тепловой эффект электрических явлений; во второй – электрохимические методы, а именно электролиз как при обычных (электролиз водных растворов), так и при высоких (электролиз расплавленных солей) температурах. В чёрной металлургии применяют преим. электротермические методы, а в цветной – электротермические и электрохимические. Широкое распространение получили рафинирующие переплавы (так называемая, спецэлектрометаллургия). Электрометаллургические методы широко используются при производстве алюминия, магния и других цветных металлов, образующих прочные окислы.

Побочные продукты, получающиеся при производстве черных и, особенно, цветных металлов, могут содержать большое количество ценных элементов и используются, например, для получения всех металлов платиновой группы, золота, серебра, редкоземельных элементов и т. п. Из газообразных продуктов доменных печей извлекают цинк, селен и др. ценные элементы. Сера, получающаяся при производстве ряда цветных металлов, идет на производство серной кислоты. Шлак идет на производство стройматериалов (шлакобетон, шлаковата, шлакоблоки и т. п.).

Производство чугуна и стали. Чугун выплавляют в доменных печах за счет разделения смеси железной руды, кокса и шлакообразующих на три фазы: газообразную и две жидких – шлак и чугун. Благодаря различию в плотности шлак концентрируется в средней части печи, а чугун – в нижней. Чугун, направляемый на производство стали, называют «передельным». Передельный чугун в жидком виде транспортируют в сталеплавильный цех.

Пудлинговый⁵ способ получения стали известен с конца ХVIII в. Во второй половине XIX в. он был вытеснен бессемеровским, томасовским и мартеновским процессами⁶. Наиболее распространенным в мире, начиная с середины 70-х гг. ХХ в., является кислородно-конвертерный способ производства стали, пригодный для переработки чугуна и возрастающих объемов металлолома. В результате продувки кислородом и взаимодействия со специально наведенным шлаком в расплаве уменьшается содержание углерода и вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора.

Высококачественную сталь получают в индукционных и электродуговых печах путем переработки металлолома с небольшим количеством чугуна, необходимого для создания избытка углерода. Для еще большего повышения качества сталь может быть подвергнута электрошлаковому, электродуговому, электроннолучевому и др. переплавам.

Все вышеуказанные пирометаллургические процессы производства чугуна и стали дискретны и хуже поддаются автоматизации по сравнению с непрерывными процессами, характерными для гидрометаллургии.

В настоящее время имеется тенденция прямого восстановления металлов из руд, что позволяет автоматизировать производство, отказаться от ряда промежуточных процессов, уменьшить потери металла и выбросы вредных примесей. В частности, при производстве стали начали применять железорудные окатыши, получаемые прямым восстановлением железа из руды водородом или углеродом. Из таких окатышей получают наиболее качественные стали, в которых содержится минимум вредных примесей.

2. Способы обработки металлов и сплавов

• Обработка с увеличением или уменьшением массы изделий

С уменьшением массы обрабатываемого изделия связаны такие процессы, как резанье (точение, фрезерование, шлифование, протяжка и т. д.), растворение и химическое травление, производимое для подготовки поверхности к последующей отделке.

К увеличению массы изделий приводят такие технологические приемы, как сварка, наплавка, напыление, пайка, гальванопластика, окраска и т. д. Эти процессы служат для неразъемного соединения деталей или для придания поверхности особых свойств.

• Обработка с изменением формы при неизменной массе

В промышленности широко применяются различные способы пластического деформирования: ковка, штамповка, прокатка и т. п. Деформация в этих процессах происходит под действием механических сил, энергетического импульса (например, магнитного поля) или от ударной волны, вызванной взрывом.

• Обработка, связанная с изменением агрегатного состояния

Охлаждением из жидкого состояния получают слитки, отливки, полуфабрикаты типа прутков, лент, полос, фольг и т. п. Изготовление слитков осуществляется путем разливки жидкого металла в изложницы.

Крупнейшим в ХХ веке отечественным изобретением, внедренным на самых современных заводах за рубежом, является процесс непрерывной разливки стали, позволивший получать профили постоянного сечения сложной формы (даже с внутренним отверстием, например, трубы) непрерывным способом. Такие слитки называют слитками УНС (установка непрерывной разливки стали). Литые заготовки могут иметь очень сложную форму и поэтому сокращают потери металла при резании.

Методами сверхбыстрого охлаждения жидкого металла получают материалы с аморфной структурой – металлические стекла, которые обладают уникальными физическими свойствами, например, магнитными.

• Методы управления структурой и свойствами материалов

Для изменения свойств материалов широко используются: термическая, химико-термическая, термомеханическая, термоциклическая, деформационная, радиационная, лучевая, термомагнитная и др. виды обработки, о которых будет сказано в дальнейшем.