Суммарный объем чугунов и сталей составляет 90% от общего производства. «Черные» металлы применяют во всех сферах деятельности.
Характеристики железоуглеродистых сплавов в конструкциях зависят от формы сечения, пропорций основных химических элементов, цикла изготовления и сборки.
В рецептуру легированных сталей входят добавки, которые улучшают механические свойства базового состава.
Как получают стальной прокат из чугуна?
Металлургические предприятия выпускают полуфабрикаты, которые отличаются составом, формой, размерами. Сначала минеральное сырье плавят в печах. Выбор технологии зависит от дальнейшего использования:
- Железорудные окатыши применяют в доменных печах для двухэтапной выплавки. После первой стадии получают литейный и передельный чугун.
- Из ферросплавов производят легированные металлы.
- Стальные слитки применяют в двух направлениях. Первая категория — для изготовления сортового проката: труб, листов, кругов. Из продукции второй группы производят изделия специального назначения: крупные роторы, турбины, диски, валы.
Передельный чугун
После доменной печи получают чушки весом 18-55 кг. Полуфабриката с маркировкой «ПВК3», «ПВК1», «ПВК2» относят к высокому классу качества. Заготовки металла с обозначением «П1» и «П2» предназначены для стандартных конструкций.
В состав белого чугуна входит карбид железа (цементит). Название категории произошло от слова «переделывать»: слитки переделывают на стальные заготовки.
Чугун получают из «богатой» руды, которая содержит более 55-60% железа. В природном образовании элемент «Fe» соединен с другими кристаллами. Чтобы получить сталь с требуемой пропорцией веществ, шихтовый материал плавят в домнах.
Состав передельного чугуна включает элементы:
- углерода: 4,0-4,4%;
- серы: 0,03…0,07%;
- фосфора: 0,15…0,3%;
- марганца: 0,25…1,5%;
- кремния: 0,6-0,8%.
При плавлении чугуна в печах количества углерода и примесей уменьшается. Вредные вещества окисляются, изменяют физическое состояние, испаряются. Часть примесей образуют твердые соединения: золу и шлак.
Чтобы ускорить выплавку и снизить расходы, к массе добавляют скрап. По сравнению с чугуном, в стальном ломе углерода меньше. Добавка улучшает состав слитка.
Этапы производства стали из чугуна
- Нагрев шихты, переход в жидкое состояние. Результат операции — удаление «P», снижение количества элементов: «Mn», «Si» и «P».
- Кипения массы в ванне. При дальнейшем повышении температуры образуется соединение «FeS». Во время нагрева выделяется сера. Вещество «FeS» переходит в шлак. Чем выше температура, тем активнее реакция.
- Раскисление стали. Цель процесса — восстановить оксид железа из расплавленной массы.
Для ускорения первого и второго этапа, в рабочую зону нагнетают кислород. В третьей стадии «O2» не нужен. Присутствие молекул кислорода в сталях ухудшает механические свойства.
Чтобы уменьшить количество «O2» в массе, «черные» сплавы раскисляют диффузионным или осаждающим способом. В зависимости от длительности цикла, получают сплавы «кп», «сп», «пс».
Для производства сталей применяют оборудование:
- мартеновские печи;
- электроплавильные установки;
- кислородные конвертеры.
Когда слиток готов, полуфабрикат обрабатывают на прокатном стане. Направление деформирования — вдоль, поперек, комбинированным (продольно-винтовым) способом. Цель прокатывания — придать сплаву нужную форму. Заготовку пропускают между расположенными на одной оси валками.
В зависимости от требований к точности, выполняют деформирование по стандартному циклу или назначают дополнительную операцию Соответственно, используют валки с гладкой поверхностью или инструмент для калибровки.
После стандартной обработки получают продукцию массового спроса — сортовой или фасонный прокат. Изделия применяют для обычных конструкций и ответственных сооружений. Калиброванный прокат стоит дороже и выдерживает повышенные нагрузки.
Методы взятия образцов - определение основных химических элементов
Для проверки вхождения элементов применяют «мокрые» и инструментальные способы. От слитка или готовой конструкции отрезают часть.
В первом случае стружку заливают реактивом. Чтобы определить вхождение химического элемента, выбирают осаждение, электрохимический или другой метод извлечения вещества. Недостаток «мокрых» способов — увеличенный срок (до нескольких дней), требования к высокой оснащенности лаборатории, зависимость от квалификации персонала.
Чаще для определения химического состава сплава применяют инструментальные методы.
Разновидности технологий для определения основных химических элементов:
- спектральный (спектрометрический);
- эмиссионный химический;
- рентгенофлуоресцентный;
- металлографический;
- рентгенографический (РФА).
Контроль образцов из чугуна и стали
Состав материала проверяют при выплавке, дальнейшей обработке, эксплуатации, капитальном ремонте. Чтобы определить массовую долю химических элементов, берут пробу. Требования к отбору образцов для спектрального анализа перечислены в ГОСТ 7565-81.
Стандарт определяет время взятия пробы стали. Критерий зависит от технологии производства, места и оборудования:
- после разлива ¾, ½ или ¼ ковша;
- из тигля, если металл плавят в индукционной печи;
- до начала разлива, когда используют автоматические линии.
Для испытаний применяют оборудование: стилоскопы, лазерные, рентгенофлуоресцентные и оптико-эмиссионные спектрометры.
Согласно стандарту, масса стали для проведения химического анализа составляет 0,3-2,0 кг. Расплав охлаждают и маркируют: указывают номер ковша, плавки и пробы.
Образец готовят к испытаниям:
- удаляют смазку;
- получают стружку строганием, сверлением, фрезерованием;
- охлаждают массу в дистиллированной воде, чтобы предотвратить появление цветов побежалости.
Если размеры стружки менее 0,4 мм, металл помещают в закрытую емкость.
Для некоторых видов испытаний используют бруски. Расплавленный сплав выливают в форму и дают застыть. Чтобы провести спектральный анализ, у бруска отрезают нижнюю часть толщиной 1,5-2,0 мм.
Для определения основных химических элементов в готовом прокате используют образец, отобранный при выплавке. Максимальное время хранения пробы — не менее трех месяцев. Если срок вышел, из партии проката берут образец. Способы подготовки пробы такие, как при производстве стали.
Что такое спектрографический анализ?
Требования к проверке перечислены в ГОСТ 27809-95. Спектрографический метод — комбинированный (количественный и качественный) способ получения результатов.
В исследовании используют принцип разложения энергии по линиям спектра. В состоянии активности каждый элемент таблицы Менделеева испускает лучи света. Длина волны (цвет, насыщенность) зависит от состава сплава. Энергию пропускают через призму, которая расщепляет световой поток. Массовую долю элемента определяют по интенсивности излучения.
Чтобы возбудить атомы стали, образец подвергают действию электрической дуги. Испытания проводят в нормальных условиях или при пониженном давлении атмосферы. Прибор фиксирует спектр на фотопластинке.
Для определения процентного соотношения веществ сравнивают информацию об исследуемом и эталонном образце. Чем больше почернение спектральных аналитических линий, тем выше плотность вхождения химического элемента.
Вместо эталонного образца используют градуированный чертеж. Прибор сравнивает результаты на фотопластинке и контрольном изображении. По разнице показаний определяют массовую долю железа, марганца, серы и других веществ.
Оборудование для проведения испытаний:
- генераторы (высоковольтного тока и электрической дуги);
- микрофотометры;
- спектропроекторы;
- образцы (СОП, ГСО, ОСО);
- фотопластинки, химреактивы, другие устройства.
В стандарте о методе проведения анализа указана таблицы с перечислением названий основных химических элементов, длиной спектральных волн (отдельно — при действии искры и дуги), интервалами массовых долей веществ.
Рентгенографические методы проверки целостности трубы
Пустотелый прокат используют для транспортировки жидкостей и газов. От целостности стенок зависит расходование энергоресурсов, чистота окружающей среды, безопасность людей.
Рентгенографический анализ относят к неразрушающим методам проверки. Принцип действия основан на проникновении лучей через стенки трубы. О состоянии объекта судят по изображению на рентгенографической пленке. Если структура нарушена, лучи легко проходят через стенки. Чтобы определить место с дефектом, на снимке находят светлые участки.
Все требования к неразрушающим способам контроля сварных конструкций перечислены в ГОСТ 23055-78. Номер инструкции по проведению исследования рентгенографическим способом — РДИ 38.18.020-95.
Это основные способы проверки стальных изделий после выплавке и во время эксплуатации.
