Системи технологій промисловості (стр. 2 )

1.1.1 Классификация сталей

Классификация стали осуществляется по ряду признаков:

1.  По способу производства стали разделяют на конвертерную, мартеновскую, электросталь и спецсталь.

2.  По назначению стали разделяют на:

·  конструкционные – для изготовления металлических конструкций, зданий, мостов, вагонов и различных машин;

·  инструментальные – для изготовления различных инструментов;

·  котельную, топочную – для изготовления паровых котлов и топок;

·  рельсовую, бандажную, колесную – для изготовления железнодорожных рельсов, бандажей и колес подвижного состава;

·  автоматную – для обработки на станках-автоматах при изготовлении шурупов, винтов и т. п.;

·  рессорную, трубную, электротехническую;

·  стали с особыми физико-химическими свойствами (жаропрочную, нержавеющую, кислотоупорную и др.) и т. д.

3.  По химическому составу различают:

·  сталь с низким содержанием примесей (технически чистое железо);

·  углеродистые стали, которые, в свою очередь, делятся на мягкие – с содержанием углерода до 0,1%, низкоуглеродистые – до 0,3%, среднеуглеродистые – до 0,8% и высокоуглеродистые – более 0,8%С;

·  низколегированные (до 3% легирующих элементов) с повышенным качеством стали, но без резкого изменения ее характеристик;

·  легированные (более 3% легирующих элементов), у которых свойства изменяются в значительной степени по сравнению с углеродистой сталью.

4.  По степени раскисленности стали бывают кипящие, полуспокойные и спокойные.

5.  По качеству, определяемому содержанием вредных примесей – серы и фосфора:

·  0,04%≤S≤0,06%, 0,04%≤P≤0,08% - углеродистые стали обыкновенного качества;

·  P, S = 0,03…0,04% - качественные стали;

·  P, S ≤ 0,03% - высококачественные стали;

·  S ≤ 0,015% - особо высококачественные стали.

6.  По технологии различают: основную и кислую мартеновскую сталь, основную и кислую электросталь, сталь, обработанную вакуумом, синтетическими шлаками и т. д.

1.1.2 Маркировка сталей

Для маркировки сталей принято буквенно-цифровое обозначение:

·  конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются Ст0, Ст1, Ст3, Ст3кп, Ст4сп и т. д.,

где Ст – индекс данной группы стали;

цифры от 0 до 6 – условный номер марки стали в зависимости от нормируемых показателей. Чем больше условный номер стали, тем больше содержание углерода в ней, тем выше ее прочность и ниже пластичность;

кп, сп, пс - степень раскисленности стали: кп - кипящая, сп – спокойная, пс - полуспокойная сталь.

·  конструкционные углеродистые качественные стали маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента, так же указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной - Ст08кп, Ст10пс, Ст20, Ст45.

·  инструментальные углеродистые качественные стали маркируются буквой У и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента, например, У8, У13 – содержание углерода, соответственно 0,8% и 1,3%.

·  инструментальные углеродистые высококачественные стали маркируются аналогично качественным углеродистым инструментальным сталям, только в конце марки ставят букву А, например, У10А.

При маркировке легированных сталей входящие в их состав легирующие элементы обозначаются большими буквами русского алфавита:

А – азот* Б – ниобий В – вольфрам Г – марганец Д – медь	Е – селен К – кобальт Л – бериллий* М – молибден Н – никель	П – фосфор Р – бор* С – кремний Т – титан Ф – ванадий	Х – хром Ц – цирконий Ч – РЗМ Ю – алюминий Ш – магний*
* – если буква стоит в середине маркировки

·  легированные конструкционные стали – в начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1-1,5%. Например, сталь 15Х25Н19ВС2 содержит 0,15% углерода, 25% хрома, 19% никеля, до 1,5% вольфрама, до 2% кремния.

·  легированные инструментальные стали - в начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода составляет 1% и выше число перед маркой не указывается. Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания, например, сталь 9XC, сталь ХВГ2.

При верхнем пределе содержания углерода в стали 0,08-0,09% в начале марки ставят знак 0, при содержании углерода до 0,045 % – ставят 00. Например, в стали 0Х14Н28В3Т3ЮР содержится, %: углерода – 0,08, хрома – 14, никеля – 28, вольфрама – 3, титана – 3, алюминия и бора – по 1.

Некоторые группы сталей специального назначения содержат дополнительные обозначения в начале марки: Р – быстрорежущая, Ш – шарикоподшипниковая, А – автоматная, Э – электротехническая, Л – полученная литьем и др.

1.2 Физико-химические основы процессов производства стали

При изучении основ производства стали используют следующие основные понятия и законы.

Объектом любого исследования является система. Системой называется совокупность (группа) тел, находящихся во взаимодействии. Система может быть однородной (гомогенной) и неоднородной (гетерогенной). В однородной системе нет поверхностей раздела. Газовая атмосфера рабочего пространства любого металлургического агрегата состоит из нескольких компонентов (N2, О2, СО, СО2, Н2О и др.). Однако она может служить примером однородной системы, так как представляет собой газовую смесь с одинаковым составом и свойствами в любой точке системы и не имеет поверхностей раздела.

Неоднородная система характеризуется наличием отдельных составляющих - фаз. В условиях сталеплавильного процесса металл, шлак, отходящие газы и футеровка составляют фазы неоднородной системы. Характеристикой системы служат параметры состояния. Параметры состояния - величины, определяющие состояние системы (объем, концентрация, давление, температура). Всякое изменение в системе, связанное с изменением параметров состояния, называется процессом. Примером процесса может служить любая химическая реакция в сталеплавильном агрегате. Химические реакции при выплавке чугуна и стали проходят преимущественно в расплавах.

В металлургии процессы обычно протекают в трех фазах либо во взаимодействии между ними: металлической, шлаковой и газовой. Чтобы показать, в какой фазе находятся вещества, принято их обозначения заключать в скобки: [ ], ( ) или { }, что соответствует металлической, шлаковой и газовой фазам соответственно. Например, [Мп] + [О] = (МпО) означает, что реакция происходит между марганцем и кислородом, растворенными в металле, с образованием оксида марганца, переходящего в шлак.

Все химические реакции проходят с выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) теплоты. Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся при химических реакциях, называют тепловым эффектом (Q). Тепловой эффект экзотермических реакций имеет знак плюс, эндотермических - минус.

Все химические реакции делят на обратимые и необратимые. Необратимой реакцией называют реакцию, при которой исходные вещества практически полностью превращаются в продукты реакции. Обратимой называют реакцию, которая в зависимости от условий может протекать одновременно как в прямом, так и в обратном направлении. Обратимые реакции не допускают полного расходования любого из реагирующих веществ. Они протекают до установления химического равновесия. В обратимой реакции скорость прямого и обратного процессов равны между собой. Под скоростью химической реакции подразумевается изменение концентрации вещества (увеличение или уменьшение) в единицу времени.

Остановимся на некоторых физико-химических законах, которыми необходимо руководствоваться при анализе явлений, протекающих в сталеплавильной ванне.

Закон действующих масс. Работами , математика Гульдберга и химика Вааге (1867 г.) было установлено, что скорость реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Так, для обратимой реакции аА + вВ ↔ сС + dD выражения для скоростей прямой и обратной реакции имеют следующий вид:

, ,

где К1 и К2 - константы скоростей прямой и обратной реакций, , - концентрации реагирующих веществ.

Равновесие данной реакции наступает в том случае, когда или =. Отсюда , где K - константа равновесия реакции, зависящая только от температуры и природы веществ.

Концентрации газообразных веществ могут заменяться соответствующими парциальными давлениями.

Например, для реакции [С] + [О] = {СО} константа равновесия должна быть записана , где рCO - парциальное давление газа СО; [С], [О] - концентрации углерода и кислорода, растворенных в металле.

Принцип смещения равновесия (принцип Ле-Шателье). Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, произведено внешнее воздействие (изменено одно из условий, определяющих равновесие: температура, давление, концентрация), то в системе возникают такие процессы, которые уменьшают эффект данного воздействия и приводят систему к новому состоянию устойчивого равновесия.