Спокойная сталь: сферы применения, технология производства

Спокойная сталь содержит минимальное количество кислорода, что сказывается на ее свойствах: повышенная (по сравнению с другими сплавами) плотность, отличная устойчивость к динамическим нагрузкам и вибрациям. Из такой стали изготавливают, например, несущие конструкционные элементы в строительстве.

Для получения спокойной стали используют раскислители: алюминий, марганец, кремний, титан или кальций. Продукты раскисления значительно снижают рост зерна. Подробнее о том, как получают спокойную сталь, как ее маркируют и где применяют, читайте в нашем материале.

Технология получения спокойной стали

Основной особенностью спокойной стали является крайне низкое содержание кислорода. Такой металл получают, обогащая сплав различными раскислителями. По степени раскисления она превосходит полуспокойные и кипящие. Для получения спокойной стали из первоначального железосодержащего сплава ее восстанавливают, вводя раскислитель, который позволяет удалить кислород и значительно улучшить механические показатели металла.

В результате восстановления увеличивается плотность стали, она приобретает дополнительную устойчивость к высокой температуре. Также следствием воздействия раскислителей становится повышение коррозионной стойкости спокойной стали по сравнению с исходным сплавом.

Химическая реакция, которая начинается после введения раскислителя в расплав первоначального металла, приводит к его соединению с кислородом. Образовавшуюся фракцию из сплава удаляют до того, как он затвердеет. Следствием такого взаимодействия становится образование веществ в виде жидкостей, твердых соединений или газов, оказывающих прямое влияние на характеристики металла.

Раскислителями для железосодержащего сплава могут служить различные вещества с высокой степенью близости к кислороду. Широко распространено применение:

• титана;
• кремния;
• ферромарганца;
• алюминия;
• ферросилиция.

Для получения спокойной углеродистой стали важно предельно точно соблюдать процентное соотношение вводимых добавок. При малейшем нарушении пропорций есть риск получить металл с отличающимися от тех, что требуются, характеристиками и механическими свойствами. Соотношение веществ, которые необходимо ввести в состав сплава, регулируется соответствующими стандартами. Этих норм следует обязательно придерживаться при раскислении сплава для получения спокойной стали.

Добавление марганца, алюминия и кремния чаще всего используют для раскисления осаждающим методом. Также возможно добавление комплексных раскислителей. Сравнительно редко при удалении кислорода прибегают к электрошлаковому, диффузному или вакуумному методам.

Спокойная сталь обладает:

1. однородной структурой;
2. низкой хрупкостью;
3. хорошей свариваемостью;
4. устойчивостью к механическим воздействиям и нагрузкам;
5. меньшим по сравнению с кипящей сталью содержанием примесей.

Основным минусом спокойной стали является ее дороговизна, обусловленная высокой ценой раскислителей и образованием усадочных раковин, из-за которых приходится удалять часть полученного металла.

Однородность и мелкое зерно в структуре раскисленного металла придает ему ряд характерных свойств, среди которых следует выделить следующие:

• повышенная стойкость к динамической нагрузке и хрупкости, что ставит виды спокойной стали в один ряд с лучшими конструкционными сортами;
• стали, раскисленные с использованием алюминия, долговечны, им в меньшей степени свойственно старение, сопровождающееся снижением пластичности, повышением хрупкости и порога хладноломкости без микроизменений в структуре металла;
• для структуры такой стали характерна равномерность распределения серы и фосфора.

Строение слитка спокойной стали

После заливки в изложницу расплавленная сталь начинает нагревать ее стенки, что вызывает затвердевание металла. Кристаллизирующаяся у стенок корка постепенно утолщается. В зоне между сердцевиной и затвердевающим металлом находятся разрастающиеся кристаллы, окруженные расплавом. Окончательная кристаллизация расплавленной стали происходит в середине формы.

Затвердевая, расплавленный металл образует ветвистые кристаллы – дендриты. Их форма и размер напрямую связаны с условиями, при которых происходит кристаллизация. Строение слитков обусловлено степенью восстановления стали. Раскисленный углеродистый сплав кристаллизуется, не выделяя газа. Сверху формируется усадочная раковина, а вдоль продольной оси изложницы образуется участок усадочной рыхлости.

Чтобы избежать образования усадочной раковины, при отливке используют прибыли, в которых жидкий металл предназначен для питания слитка. При кристаллизации именно в них образуются усадочные дефекты. Металл с раковиной после отливки отрубают. Слитки раскисленного сплава состоят из зоны дендритов, области крупных неориентированных кристаллов, конуса осаждения и участка мелких кристаллов у дна изложницы.

Различают два вида химической неоднородности:

• Дендритная. Так называют ликвацию в одном дендрите. В каждом таком кристаллическом образовании различают центральную ось и ветви. К примеру, кристаллизация раскисленной стали сопровождается увеличением содержания серы на границах кристалла относительно его центра вдвое, фосфора в полтора раза. Углеродистость же, напротив, снижается в среднем на 50 %.
• Зональная. Так принято называть химическую неоднородность различных зон кристаллизующейся стали. Концентрация в верхних слоях металла серы, фосфора и углерода возрастает в несколько раз, а в нижних – падает. Зональная ликвация ведет к необходимости отбраковки стали с характеристиками, отличающимися от требуемых. Металл из прибыли и указанных выше зон отрубают при прокатке и отправляют в отходы.

Маркировка спокойной стали

Спокойную сталь принято разделять на следующие марки:

• Для обычных видов раскисленной стали, регламентируемых ГОСТ 380, принято буквенное обозначение «сп».
• Выпуск качественных и высококачественных типов спокойной стали регламентируется ГОСТ 1050-88. Для них не предусмотрено буквенного обозначения.
• Легированные и низколегированные виды стали, как правило, выпускают раскисленными. Для них также не предусмотрено буквенного обозначения.

Для того чтобы правильно различать виды спокойной стали, следует разобрать действующие на сегодня маркировки. Типам раскисленной стали присваиваются индексы, зависящие от их химического состава. Условные обозначения содержат буквенные и цифровые части. К примеру, если разобрать маркировку Ст3сп, мы узнаем о стали следующее:

• буквы Ст обозначают конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества;
• цифра 3 – номер марки, обозначающей содержание углерода от 0,09 до 0,15 %;
• буквенный индекс «сп» характеризует степень раскисления и обозначает в данной маркировке спокойную сталь.

Характеристики и требования к качеству раскисленной стали подробно регламентирует ГОСТ 380-20 05. Чаще всего встречаются стали такого вида с маркировкой Ст1 (содержание углерода от 0,06 до 0,12 %).

Такие виды стали раскисляют, добавляя кремний, марганец или алюминий.

Сферы применения спокойной стали

Из различных видов спокойной стали производят сортовой или фасонный прокат, что обусловлено их дороговизной. Типы раскисленной стали идут на изготовление ответственных конструкций, узлов автомобилей и деталей, работа которых связана с интенсивными механическими нагрузками.

Часто это:

• рельсы для железных дорог и рудников;
• трубопроводная арматура;
• детали конструкций, эксплуатация которых связана с воздействием экстремальной температуры;
• фасонный и листовой прокат, используемый в ответственных конструкциях; 
• поковки с диаметром поперечного сечения до 0,8 м.

Типы низколегированной стали часто применяются в гражданском и промышленном строительстве, когда речь идет об эксплуатации в сложных климатических условиях и серьезных нагрузках.

Конструкционные сорта стали идут на изготовление деталей ответственных конструкций, узлов и деталей. Это могут быть как обычные, так и качественные виды стали. На характеристики и качество стальных сплавов влияют состав и концентрация примесей таких, например, как фосфор и сера.

Обыкновенные сплавы, как правило, содержат до 0,055 % серы и 0,07 % фосфора. В качественных типах стали содержание каждого из этих элементов не превышает 0,04 %.

Обыкновенные типы стали принято делить на три основных группы:

1. Группа А включает в себя типы стали, обозначаемые буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Они идут на изготовление разнообразных конструкций, арматуры, крепежных элементов, деталей автомобилей и других изделий, эксплуатация которых не связана со значительными механическими нагрузками и агрессивной химической средой. Эти сплавы не подвергают горячему прокату и штамповке.
2. Группа Б объединяет стальные сплавы, которые маркируются буквами БСт и цифрами от 0 до 6. Эти виды хорошо поддаются обработке горячими методами - ковкой и штамповкой. Для правильного расчета температуры обработки важно учитывать химический состав конкретной стали. Сплавы этой группы не меняют своих характеристик при горячей штамповке или ковке.
3. Группа В включает хорошо свариваемые типы стали. Характеристики и области применения подобных сплавов определяются их химическим составом. Маркировка состоит из буквенного обозначения ВСт и цифрового индекса от 0 до 5.

Инструментальные типы стали, как следует из их названия, предназначены для изготовления самого разного инструмента: режущего, измерительного и многого другого.

Физические и химические свойства видов качественной стали также зависят от долевой массы марганца в их составе. По содержанию этой добавки сталь делят на две группы:

• с нормальным содержанием марганца (до 0,8 %), которое не обозначают в маркировке;
• с повышенным содержанием марганца (от 0,8 % до 1,2 %), их маркируют, помимо цифр, указывающих на углеродистость стали, литерой Г, которая говорит о высоком содержании Mn.

Качественные конструкционные стали делятся на три группы по содержанию углерода:

• Низкоуглеродистые – сплавы с содержанием углерода не более 0,25 %. Соответственно в маркировке содержатся числа до 25. Они означают наличие этого элемента в сотых долях процента.
• Среднеуглеродистые – стальные сплавы содержат от 0,25 до 0,6 % углерода и обозначаются числами от 30 до 60.
• Высокоуглеродистые – содержат наибольшее количество углерода (от 0,6 %) и обозначаются соответственно цифровыми индексами, начинающимися с 65.

Профилактика дефектов спокойной стали

Помимо правильной отливки заготовок, важно предохранить сплав от окисления и насыщения газами. Чтобы обезопасить металл от вредных воздействий, разработаны различные методы, среди которых:

• Разливка в атмосфере аргона. Этот инертный газ эффективно защищает разливаемый металл. Он используется, в частности, для выплавки дорогостоящих марок легированной стали. Для того чтобы сплав не вступал в контакт с кислородом воздуха, изложницы с расплавленным металлом погружают в закрытое пространство, в которое нагнетается инертный газ. Также применяется обдув струи жидкого сплава аргоном, который окружает металл, и далее внутренности изложницы, надежно защищая сталь от контакта с кислородом.
• Разливка, при которой на дно изложницы устанавливают специальную деревянную конструкцию. Когда жидкий металл начинает заполнять изложницу, дерево вспыхивает и начинает всплывать. Сгорая, древесина выделяет газы, предохраняющие металл от взаимодействия с воздухом.
• Разливка под слоем жидкого шлака. Суть этого надежного метода в том, что в изложницу перед началом заливки опускают специальный брикет. Содержащаяся в нем порошкообразная разливочная шлаковая смесь, в состав которой входит магниевая руда, селитра, алюминиевая пудра, магний, плавиковый шпат и жидкое стекло, смешанные с доменным шлаком, воспламеняется, когда жидкая сталь расплавляет стенки брикета.

В результате слой жидкой шлаковой смеси равномерно покрывает поверхность металла и стенки изложницы. Образующиеся при горении содержимого брикета газы полностью замещают воздух и исключают окисление сплава. Тепло, выделяемое горящей смесью, замедляет остывание и кристаллизацию стали в прибыли, помогая ей питать основную часть слитка.

Если суммировать сказанное, то правильный подбор раскислителей и точное соблюдение пропорций дают возможность получать сталь высочайшего качества с нужными прочностными характеристиками, повышенной стойкостью к коррозии и улучшенными магнитными и электрическими свойствами.