Група 14

Предмет "Матеріалознавство"

Дата: 08.04.2020
Лекція.
 Загальні відомості про виробництво сталі.

     Сталь є основним конструкційним матеріалом для машинобудування, промислового будівництва, транспортних засобів і т.ін. Швидкий розвиток промисловості і сільського господарства був би неможливий без задоволення потреб у сучасній машинній техніці і металевих виробах. Внаслідок своєї розповсюдженості в природі та відносно малої вартості способів отримання заліза і його сплавів вони займають головне місце в народному господарстві. 

     Залізо в чистому вигляді в промисловості отримують і споживають у незначній кількості. Основну масу заліза отримують і споживають у вигляді сплавів – сталі і чавуну, що називаються чорними металами. 

     Частка сталі в загальному споживанні чорних металів складає близько 90 %, тобто сталь є основним видом металу, що використовується для створення сучасної техніки. Це пояснюється тим, що, по-перше, сталь є чудовим конструкційним матеріалом (має високу міцність і стійкість до зносу, добре зберігає форму в різних виробах, відносно легко піддається обробці тиском, зварюванню і т.ін.); по-друге, основний компонент сталі – залізо – є розповсюдженим елементом у земній корі (займає друге місце після алюмінію), знаходиться у вигляді великих шарів залізовмісних мінералів, що називаються рудами. Залізо може бути відносно легко отримано з руд, в яких воно звичайно знаходиться у вигляді оксидів. 

      Сталь – це сплав заліза з вуглецем та іншими хімічними елементами з вмістом вуглецю до 2,14 %. У цьому сплаві залізо є основою (розчинником), а інші елементи – домішками, розчиненими в залізі. Домішки можуть впливати на властивості сталі як позитивно, так і негативно, тому їх поділяють на корисні і шкідливі. Корисні домішки в основному впливають на властивості кристалів (зерен), а шкідливі домішки погіршують міжкристалічні зв’язки. 

     В сталях більшості марок корисною домішкою є вуглець. Такі сталі називають вуглецевими. Вміст вуглецю у вуглецевих сталях найчастіше становить 0,05-0,5 %, але іноді може досягати 1,2 % (теоретично до 2,14 %). У вуглецевих сталях корисними домішками можуть бути марганець (0,3-0,6 %) і кремній (0,15-0,3 %). Вміст шкідливих домішок, якими звичайно є сірка, фосфор, кисень і азот, обмежується сотими і тисячними долями відсотка. Змінюючи вміст вуглецю в залізовуглецевому сплаві і піддаючи його різним видам термічної обробки, можна отримати сталі з різними механічними властивостями. Найбільш високоміцною сталлю з δТ = 3,5-4 ГПа (δТ – тимчасова межа міцності) є високовуглецева (нелегована) сталь. 

    Але вуглецеві сталі мають істотні недоліки: висока критична швидкість гартування (найменша швидкість охолодження, при якій утворюється мартенсит); погана прожарюваність (глибина проникнення гартування від охолоджуваної поверхні до центра); погана антикорозійна стійкість тощо. 

    Введення у сталь певної кількості елементів, названих легуючими, дозволяє позбавити вказаних недоліків вуглецевої сталі, покращити її механічні властивості, а також отримувати ті чи інші особливі фізико-хімічні властивості, яких вуглецева сталь не має. Таку сталь називають легованою. Вплив легуючих елементів на властивості сталі різноманітний, тому, додаючи їх у певній кількості і сполученнях, можна отримати сталі з різними властивостями.

     Фізико-хімічні властивості сталі, що визначають її якість, тобто ступінь відповідності для використання за призначенням або здатність задовольняти потреби споживачів, можна розділити на дві групи. 

     До першої групи належать властивості, що визначають технологічність сталі, тобто здатність сталі підлягати тій чи іншій обробці (тиском, хіміко-термічній і т.ін.) при отриманні готових виробів. 

       До другої групи належать властивості, що визначають здатність сталі забезпечувати надійну і довготривалу придатність у готових виробах. Поділ хімічних елементів, що є домішками в сталі, на корисні і шкідливі деякою мірою носить умовний характер. Так, у більшості марок сталі вуглець – корисна домішка, а в електротехнічних, корозійностійких сталях – шкідлива. Хром, нікель і деякі інші елементи покращують властивості багатьох легованих сталей, але для деяких сталей вони є шкідливими домішками. Сірка, фосфор і азот є для більшості сталей шкідливими домішками, а в деяких випадках їх використовують як легуючі елементи.

    Металургія сталі як виробництво виникла приблизно 3,5 тис. років тому в районі Суецької затоки (Сирія, Єгипет). Шлях розвитку чорної металургії можна розділити на декілька етапів. За використаною основною сировиною або технологічною схемою сталеплавильне виробництво має два основних етапи розвитку: 

• Пряме отримання сталі із залізних руд так званим сиродутним процесом, тобто однокрокове виробництво за схемою залізна руда – сталь.
• Отримання сталі шляхом рафінування чавуну, тобто двокрокове виробництво за схемою залізна руда – чавун – сталь (почалося на межі XII i XIV століть н.е. і продовжується дотепер). 

    Розвиток виробництва сталі шляхом рафінування чавуну, що забезпечує найбільший технічний прогрес, у свою чергу має три важливих етапи розвитку, на кожному з яких, як правило, використовувалося кілька способів отримання сталі.

     Перший етап – переробка чавуну в сталь, отриману в тістоподібному стані у вигляді криці (зварювального заліза). Він почався з використання кричного процесу, на зміну якому прийшов пудлінговий процес (1784 р., Англія). 

    Другий етап – переробка чавуну в рідку сталь без додавання або з додаванням брухту (скрапу) в агрегатах періодичної (дискретної) дії без використання кисневого дуття. Початок цього етапу пов’язаний зі створенням бессемерівського процесу (1855-1860 рр., Англія). Подальший його розвиток привів до розробки мартенівського (1864-1865 рр., Франція), томасівського (1877-1879 рр., Англія) та електродугового (1900 р., Франція) процесів. Перехід до отримання сталі в рідкому стані дозволив покращити її якість. 

     Третій етап – переробка чавуну в рідку сталь в агрегатах періодичної дії з використанням кисневого дуття. Це сучасний етап розвитку сталеплавильного виробництва, що має такі особливості: впровадження та широке використання киснево-конверторного процесу (1952-1953 рр., Австрія); використання кисню для інтенсифікації мартенівського й електродугового процесів; широке використання з метою підвищення якості сталі способом ковшової обробки рідкої сталі – синтетичними шлаками або шлаковими сумішами, вакуумом, інертними газами, поєднаними з мікролегуючими порошками або без них, а також способом переплавки сталі в особливих умовах (електрошлакового, вакуумно-дугового, електронно-променевого, плазменно-дугового). 

    Класифікація сталі. Єдиної світової системи класифікації сталі не існує В багатьох країнах світу (а також на багатьох великих підприємствах) існують свої системи класифікації. Отримані тим чи іншим шляхом сталі різноманітні за своїми властивостями. В технічній літературі їх звичайно класифікують за такими ознаками:

     За призначенням можна виділити такі основні групи сталей: котельну, для залізничного транспорту (рейкову, сталь для бандажів залізничних коліс і т.ін.); конструкційну (для виготовлення різних металоконструкцій при спорудженні будівель, мостів, для виготовлення різних машин тощо); підшипникову (для підшипників, різних інструментів, різців, валиків прокатних верстатів, деталей штампувального обладнання і т.ін.); ресорно-пружинну, трансформаторну, збройну, трубну і т.д. 

      За якістю сталі звичайно поділяють на такі групи: звичайна, якісна і високоякісна. Різниця між цими групами полягає в допустимих вмістах шкідливих домішок (у першу чергу сірки і фосфору), а також в особливих умовах за вмістом неметалевих домішок, газів і домішок кольорових металів. Академік М.Т. Гудцов запропонував класифікувати домішки, що містяться в сталі, на такі чотири групи: 

1. Постійні або звичайні домішки (Mn, Si, S, P), що містяться в тій чи іншій кількості в будь-яких сталях; вміст цих домішок регламентується стандартами. 

2. Приховані домішки (O, H, N), що присутні в сталях у дуже малих кількостях; методи визначення їх вмісту складні, тому вміст цих елементів у звичайних технічних умовах не вказується. 

3. Випадкові домішки, тобто домішки, що потрапили в сталь з шихтових матеріалів випадково. 4. Легуючі елементи, які спеціально вводять у сталь в певних кількостях для зміни її будови та властивостей.  

      За складом розрізняють сталі: вуглецеві, хромові, хромонікелеві, марганцеві і т.ін. 

  За характером застигання сталі у виливницях розрізняють сталі: спокійні, киплячі і напівспокійні. Поведінка металу при кристалізації у виливницях залежить від ступеня його розкисленості: чим повніше розкислена (розкислення – вилучення зі сталі кисню) сталь, тим спокійніше кристалізується зливок.

    За способом виробництва сталь класифікують: 

1. За типом агрегата (конверторна, мартенівська, електросталь, сталь електрошлакового переплаву тощо). 

2. За технологією (основна і кисла мартенівська, основна і кисла електросталь, оброблена вакуумом, синтетичними шлаками, продувкою інертними газами і т.ін.). 

3. За станом: у твердому стані (губчасте залізо – продукт прямого відновлення), в елекролітичному (продукт електролізу залізовмісних матеріалів), у порошкоподібному (продукт процесів розпилення на маленькі краплини рідкої сталі), в тістоподібному (продукт сиродутного, кричного, пудлінгового заліза, продукт процесу Байєрс-Астон), у рідкому, литому (продукт конверторного, мартенівського та ін. процесів). 

     Чорна металургія серед інших галузей промисловості і народного господарства є одним з основних джерел викидів, що забруднюють довкілля. Зі збільшенням виплавки металу значно зростає викид газів та пилу, різних відходів виробництва, що забруднюють довкілля. Відомо, що на 1 млн. т річного виробництва металургійного заводу середній валовий винос пилу складає 350 т на добу. При цьому одночасно виділяється до 200 т на добу сірчаного ангідриду і до 400 т на добу окису вуглецю. Чорна металургія належить до виробництва, яке при сучасній технології виготовлення металів сильно забруднює навколишнє середовище. Саме тому райони високої просторової концентрації галузі відносяться до екологічно небезпечних. Успішно розв’язати екологічну проблему в цих районах – важливе регіональне економічне і соціальне завдання.

    Принципові технологічні процеси отримання сталі.

 Сталь є основним сплавом, що використовується в усіх галузях сучасної техніки для виготовлення найрізноманітніших конструкцій, машин та їх деталей. Сталь, як і чавун, являє собою сплав заліза з вуглецем та іншими домішками, але відрізняється від нього меншим вмістом їх. Тому процес одержання сталі з чавуну зводиться до окислення домішок чавуну до потрібних меж чистим киснем або киснем повітря чи руди. Цього досягають двома способами: конверторним та мартенівським. 

Конверторний спосіб. 

Суть конверторного способу полягає в тому, що через рідкий чавун, залитий у конвертор, продувається повітря, кисень якого окислює вуглець та домішки. Конвертор являє собою сталеву ємкість грушоподібної форми, викладену всередині вогнетривкою кладкою завтовшки 275- 400 мм (рис. 4.2.2). У верхній частині конвертора є горловина 1. Середня частина конвертора оперезана зовні стальним кільцем. До кільця приєднано дві цапфи, які спираються на колони, встановлені на фундаменті. Через порожнисту цапфу 2 в конвертор надходить повітря з повітропроводу. На кінці другої цапфи 3 насаджене зубчасте колесо, з’єднане з зубчаcтою рейкою 4. Рейка переміщується від електродвигуна або гідроприводу. Під час руху рейки конвертор повертається на потрібний кут, набираючи горизонтального, вертикального або похилого положення. В нижній частині конвертора є змінне днище 5, викладене з вогнетривкою цеглою. У днищі є канали, в яких запресовано труби – фурми 6. Через фурми в конвертор вдувається повітря.

Рис. 4.2.2. Конвертор (вертикальний перетин)

     Для заливання чавуну і завантаження добавок конвертор повертають у горизонтальне положення, трохи нахиляють вниз горловиною (рис. 4.2.3, а) і заливають таку кількість чавуну, щоб рівень його був нижче рівня фурм. Потім починають вдувати повітря, повільно повертаючи конвертор. Тиск повітря поступово збільшують, доводячи до 0,25 МПа (2,5 аті) при вертикальному положенні конвертора (рис. 4.2.3, б)

Рис. 4.2.3. Положення конвертора: а – при заливанні чавуну; б – при продуванні чавуну

    

    При продуванні внаслідок активного зіткнення рідкого чавуну з киснем повітря відбувається процес окислення (вигоряння) домішок. Після закінчення процесу конвертор нахиляють у горизонтальне положення, а потім припиняють дуття. Після цього перевіряють склад одержаної сталі і виливають її в ківш. 

    Існує два види конверторного процесу: кислий – бессемерівський, основний – томасівський та кисневоконверторний. 

     Бессемерівський процес одержання сталі, що його відкрив англійський винахідник Г. Бессемер у 1855 р., здійснюється в конверторах, внутрішня кладка яких зроблена з кислої вогнетривкої цегли – динасу. 

      Суть цього процесу полягає в тому, що кисень повітря, яке вдувається через рідкий чавун, окислює його домішки і при реакціях з інтенсивним перемішуванням утворюється така кількість тепла, якої цілком досить для перетворення чавуну на сталь протягом 10-13 хв. Вихідним матеріалом для ведення процесу є переробний чавун. 

     Процес у бессемерівському конверторі поділяють на три періоди. Перший період – окислення основної маси рідкого заліза, а також кремнію, марганцю та вуглецю киснем повітря, яке вдувається. Активне окислення відбувається за рахунок кисню закису заліза FeO, який утворюється у великій кількості при горінні заліза. Цей період окислення домішок з вигорянням кремнію і марганцю супроводжується бурхливим виділенням іскор (період іскор). Полум’я при цьому малиново-червоне. Триває перший період 2-3 хв.; одночасно починається шлакоутворення. 

        Другий період характеризується активним окисленням вуглецю за реакцією:

FeO + C =Fe+ CO - Q.

     Вуглець вигоряє з великим вбиранням тепла, тому температура в конверторі трохи знижується. Утворений окис вуглецю СО згоряє в СО2. Полум’я при цьому сліпучо-біле. Вигоряння вуглецю триває 7-8 хв. У більшості випадків цим періодом закінчується плавлення, коли вміст вуглецю в одержаній сталі має дорівнювати 0,4-0,5 %. 

     Третій період. Коли треба виплавити сталь з дуже малим вмістом вуглецю, то процес вигоряння вуглецю продовжують. Факел полум’я зменшується, з’являється бурий дим – ознака горіння заліза з утворенням FeO; це триває 1-2 хв., і процес продування закінчується. Конвертор нахиляють у горизонтальне положення, подавання повітря припиняють. Проте сталь ще не можна вважати готовою, бо в ній розчинена велика кількість FeO (оксиду заліза). Кисень сталі є шкідливою домішкою, бо надає їй крихкості в гарячому стані – червоноламкості. Тому, щоб видалити кисень, сталь розкислюють феросиліцієм, феромарганцем або алюмінієм. 

     Конвертори бувають місткістю від 10 до 60 т. Продуктивність їх дуже велика (12000-13000 т на добу). 

    Недоліки: 1) бессемерівська сталь погано піддається електрозварюванню (в навколошовній зоні з’являються тріщини); 2) ця сталь має підвищену крихкість (особливо при мінусовій температурі); 3) бессемерівська сталь піддається старінню в результаті виділення нітридів заліза (підвищується міцність і знижуються пластичні властивості). 

      Ці різні властивості обумовлені головним чином підвищеним вмістом у цій сталі фосфору (до 0,06-0,07 %) і, особливо, азоту (до 0,015-0,025 %). 

      Томасівський процес одержання сталі, який відкрив у 1878 р. англійський металург  

С. Томас, дає можливість переплавляти чавуни з високим вмістом фосфору (до 1,5-2,5 %) і низьким вмістом кремнію (від 0,2 до 0,9 %). 

     На відміну від бессемерівського, томасівський конвертор викладено не кислим, а основним вогнетривом – доломітом. Томасівський конвертор розмірами трохи перевищує бессемерівський (розраховані вони на однакову кількість чавуну, що його заливають), бо в ньому утворюється багато шлаку. Фосфор у томасівському процесі відіграє вирішальну роль (аналогічну тій, яку відіграє кремній у бессемерівському), бо він при вигорянні виділяє велику кількість тепла, потрібну для підвищення температури в конверторі. Перед заливанням чавуну в конвертор вводять вапняк (12-20 % від ваги чавуну); після заливання чавуну роблять продування. 

     Томасівський процес також поділяють на три періоди. Перший період – окислення кремнію, марганцю, заліза. Реакції проходять так само, як у бессемерівському процесі, але через те, що кремнію в томасівському процесі небагато, цей період закінчується раніше. Другий період характеризує окислення вуглецю за реакцією FeO + C = Fe+ CO- Q

     Третій період – вигоряння фосфору (частково за рахунок вільного кисню, але головним чином за рахунок кисню FeO). У томасівському конверторі виплавляють здебільшого низьковуглецеву сталь, бо вигоряння фосфору починається тільки після повного вигоряння вуглецю. В деяких випадках, коли це потрібно, сталь наприкінці плавлення навуглецьовують. Розкислюють сталь так само, як у бессемерівському процесі, тільки cпершу зливають шлак. Позитивні властивості конверторної плавки – висока продуктивність, нескладне обладнання конвертора, відсутність потреби в паливі. 

     Конверторна сталь – сталь звичайної якості. Вартість її невисока. До недоліків способу слід віднести: неможливість переплавлення металевих відходів; використання чавуну тільки певного хімічного складу; великий вигар металу, важкість одержання сталі заданого складу; велику кількість розчинених газів, що зменшують густину сталі. 

     Мартенівський спосіб може бути кислим або основним. На металургійних заводах країни мартенівська сталь виробляється основним скрап-рудним процесом, металева шихта якого складається з 55-65 % рідкого чавуну і 45-35 % брухту чорних металів. 

     Кислим мартенівським способом сталь виплавляють лише на деяких машинобудівних заводах. Мартенівський процес не може відбуватися без використання зовнішніх джерел тепла. Для опалення мартенівських печей використовується газоподібне чи рідке паливо – природний, коксовий і генераторний гази та мазут. 

    Одноканальна мартенівська піч (рис. 4.2.4) складається з верхньої будівлі (частина мартенівської печі, що знаходиться над робочим майданчиком) та нижньої будівлі (частина мартенівської печі, що знаходиться під робочим майданчиком). 

     До верхньої будівлі належить плавильний або робочий простір печі 1, який обмежений подом, відкосами, передньою та задньою стінками та склепінням; уторцях плавильного простору знаходяться головки печі 2, що служать для підведення палива і повітря та відводу продуктів згоряння; головки печі з’єднані за допомогою вертикальних каналів 3 з нижньою будівлею печі. 

     До нижньої будівлі печі належать: частина вертикальних каналів під робочою площею; шлаковики 4, що служать для уловлювання часток пилу і шлаку з продуктів згоряння; регенератори 5 з регенеративними решітками, що служать для акумуляції тепла, яке виноситься продуктами згоряння, і для нагріву повітря (або повітря та газу); лежак 6, що служить для відводу продуктів згоряння і для відводу повітря (або повітря та газу); реверсивні і регулюючі клапани та заслони (шибери) 7, що служать для здійснення реверсування факела полум’я. 

      За мартенівськими печами знаходяться: котли-утилізатори 8, що служать для утилізації тепла відхідних продуктів згоряння; газоочисники 9 для очищення продуктів згоряння від пилу; димарі 10 для створення разом з димососами необхідного розрідження для евакуації продуктів згоряння з печі, розсіювання шкідливих викидів. Мартенівські печі симетричні за своєю конструкцією. Якщо ліва частина служить для відводу продуктів згоряння, то права частина – для підведення газу і повітря. При реверсуванні факела призначення лівої та правої частин печі змінюється навпаки. Реверсування факела проводять через 5-20 хв., залежно від періоду плавки і температури нагріву насадки регенераторів. 

     Суть процесу полягає в наступному: металеву шихту в мартенівські печі завантажують завалочними машинами. При скрап-процесі спочатку завалюють брухт і вапняк, потім чавун, при скрап-рудному процесі – спочатку залізну руду та вапняк, а потім рідкий чавун. Чавун заливають з ковша по жолобу, що встановлюється у завальному вікні. Залежно від величини печі і ступеня механізації завалка триває від 2 до 3 годин. Одночасно із завалкою шихти в піч подають паливо і повітря (поперемінно через праві і ліві головки печі). Підігрівання продуктів горіння забезпечує при згорянні палива в робочому просторі температуру близько 2000 °С. При роботі на рідкому паливі регенератори підігрівають тільки повітря, а нафта або мазут подаються форсунками, що встановлені в каналах головок печей.

     Процес одержання сталі в мартенівській печі поділяють на три періоди. Перший період – плавлення – починається незабаром після початку завантаження. Після закінчення завантаження розплавлення відбувається інтенсивніше, бо зменшуються втрати тепла. Під час плавлення треба вводити в піч якнайбільшу кількість тепла. Це захищає метал від розчинення в ньому газів і надмірного окислення. Період плавлення характеризується окисними реакціями: окислюється кремній, марганець, залізо, фосфор. Одночасно утворюється велика кількість закису заліза FeO, який є основним окислювачем домішок – кремнію, марганцю, фосфору. Другий період – окислення – характеризується енергійним окисленням вуглецю за рахунок FeO. Це окислення відбувається за реакцією: C+ FeO = CO + Fe- Q.

      Гази, що утворюються при цьому, намагаючись вирватися з ванни, приходять у стан кипіння, тому другий період плавки називається періодом кипіння. Вигоряння вуглецю триває 2-3 год. Після одержання потрібного вмісту вуглецю закінчується другий період плавки. 

    Третій період – розкислення. Мета розкислення та сама, що і при конверторному способі, і застосовуються ті самі розкислювачі: феросиліцій, феромарганець, алюміній. Важчі розкислювачі завантажують прямо у піч, легші – у жолоб або в ківш. Іноді для перевірки розкисленості сталі роблять пробу. Застиглий розжарений кусок сталі кують; при поганій розкисленості виникають тріщини. Коли в мартенівській печі виплавляють леговану сталь, після розкислення в неї вводять легуючі елементи: феротитан, ферохром, висококремнистий феросиліцій та ін. Щоб одержати нікелеву сталь, вводять чистий нікель, феронікель чи нікелевий брухт. 

     Після закінчення плавки сталь випускають у ківш. Процес плавлення триває 5-8 год., при швидкісному сталеварінні строки зменшуються до 4,5-5,5 год. Найважливішим фактором підвищення продуктивності мартенівських печей є впровадження нової прогресивної технології, насамперед застосування кисню в мартенівській плавці. 

     Кисень вводять при плавці двома способами: а) збагачуючи факел полум’я в період завалки і розплавлення шихтових матеріалів; б) продуваючи рідку ванну в період вигоряння вуглецю. Застосування кисню підвищує продуктивність мартенівської плавки на 15- 25 %. Особливо ефективних результатів досягають у печах великої ємкості. 

     У мартенівських печах виплавляють якісну вуглецеву конструкційну таінструментальну сталь, а також низьколеговану і середньолеговану. Сталь, виплавлену в мартенівських печах, застосовують для виготовлення прокату та поковок. З неї роблять рейки, ресори, балки та інші деталі машин. Отже, головною перевагою мартенівського процесу є його універсальність, а недоліками є велика тривалість процесу та значні витрати палива. 

     Досвід показує, що більш прогресивним способом виробництва сталі є киснево-конверторний. У зв’язку з цим в нашій країні та за її межами зупинено будівництво нових мартенівських цехів та печей, а нові заводи по виробництву сталі створюються шляхом будівництва киснево-конверторних цехів з агрегатами великої одиничної садки та високої річної продуктивності. 

     Для футеровки кисневих конверторів використовуються основні вогнетриви. Переробний чавун та залізний брухт так само, як і в мартенівському процесі, є головними складовими металевої шихти для киснево-конверторного процесу. В залежності від кількості потрібного залізного брухту, якості флюсуючих матеріалів, інтенсивності продувки, способу розливання та інших факторів проводиться вибір оптимального хімічного складу переробного чавуну.

     При продувці чавуну киснем у конверторі утворюються дві зони: зона продувки, в якій окислюється більше заліза і вдуваний кисень безпосередньо стикається з рідким металом; зона циркуляції, в якій відбувається окислення домішок за рахунок кисню, що потрапляє в метал у результаті розчинення в ньому окису заліза. Головним джерелом тепла киснево-конверторної плавки є тепло, що виділяється при окисленні вуглецю і кремнію: 40-45 % тепла хімічних реакцій вноситься за рахунок окислення вуглецю та 25-30 % – за рахунок окислення кремнію. В тепловому балансі першого періоду продувки (перші 5 хв.) основним джерелом тепла є тепло, що отримується від окислення кремнію (70-75 %). При підвищених витратах металевої шихти, коли внаслідок значного переохолодження ванни окислення вуглецю уповільнюється, роль кремнію як основного теплоносія ще збільшується. 

     Тривалість продувки ванни в кисневих конверторах складає всього 12- 18 хв., тому для успішного здійснення десульфурації і дефосфорації металу необхідно використовувати якісне вапно, що має високу реакційну властивість, тобто здатність швидко розчинятися в шлаку. 

     У кисневих конверторах виробляється вуглецева та легована сталь. Механічні і технологічні властивості такої сталі за рядом показників вищі, ніж мартенівської сталі аналогічних марок.

    Типовий вміст шкідливих домішок у бессемерівській, мартенівській та киснево-конверторній сталі різний. Найменш чистою є бессемерівська сталь: у ній на 1 млн. атомів заліза припадає більше 4000 атомів шкідливих домішок. З урахуванням наявності домішок кольорових металів сумарна забрудненість металу різних способів виробництва приблизно складає (ат. ррm.): бессемерівська сталь – 5000, мартенівська – 2000, киснево-конверторна – 1900.

Призначення та види арматурної сталі.

    Основне призначення арматури в ЗБК — сприймати розтягувальні напруження. Проте арматуру встановлюють і в стиснутій зоні бетону — для підвищення міцності та надійності конструкцій.

    У будівництві застосовують різні види арматури, яку класифікують за функціональним призначенням та за способом виготовлення.

За першою ознакою арматуру поділяють на робочу, конструктивну (розподільну) та монтажну.

    Поздовжня і поперечна робоча арматура призначена для сприйняття внутрішніх розтягувальних, а іноді і стискувальних зусиль. Площу її перерізу визначають за розрахунком. Робоча арматура може бути напружена і без попереднього напруження.

    Конструктивна арматура забезпечує безперервне армування конструкції і сприймає зусилля, що не враховуються розрахунком, наприклад, усадочні і температурні напруження. Вона також розподіляє зосереджені або ударні навантаження на ненавантажені зони конструкції.

    Монтажна арматура дає можливість створювати з робочих та конструктивних стержнів плоский або об’ємний арматурний каркас і гарантує проектне положення робочої арматури. Робоча і конструктивна арматури можуть одночасно виконувати функції монтажної.

За способом виготовлення арматура може бути гарячекатаною, холоднотягнутою і термічно зміцненою, а за видом поверхні — гладкою або періодичного профілю. Ребра, рифи та вм’ятини на поверхні арматури поліпшують зчеплення її з бетоном.

4. Механічні властивості арматурних сталей.

Характеристики міцності і деформативності арматури визначають за діаграмою _s-_s, яку будують за результатами випробовування зразків на розтягання (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Діаграма напруження - деформації розтягнутого зразка арматурної сталі: а — з площинкою текучості (м’якої); б— з умовною межею текучості

     Гарячекатана арматурна сталь з площинкою текучості видовжується перед розривом майже на 25% (рис. 2.1, а). Напруження, на рівні яких деформації розвиваються без помітного збільшення навантаження, носять назву фізичної межі текучості арматурної сталі _y. Напруження, що виникають перед розривом зразка, називаються тимчасовим опором арматурної сталі _u.

    Підвищити міцність гарячекатаної арматурної сталі та зменшити її видовження перед розривом можна за рахунок легуючих добавок (марганець, кремній, хром тощо), термічного зміцнення та холодного деформування.

     Високолеговані та термічно зміцнені сталі переходять у пластичну стадію роботи без яскраво вираженої площинки текучості (рис. 2.1, б). Для таких сталей встановлено умовну межу текучості — напруження _0,2, при якому залишкові деформації становлять 0,2%, а також умовну межу пружності — напруження _0,02, при якому залишкові деформації дорівнюють 0,02% і межу пружності _sl=0,8_0,2.

    Проектуючи ЗБК, крім міцності і деформативності, треба враховувати і інші механічні властивості арматурних сталей: зварюваність, стійкість проти втомленісного руйнування, корозійну стійкість, динамічне зміцнення.

    Зварюваність сталей має суттєве значення для механізованого виготовлення зварних сіток і каркасів, для виконання зварних стиків стержньової арматури, для виготовлення анкерів, закладних деталей тощо. Добре зварюються гарячекатані маловуглецеві та низьколеговані арматурні сталі. Не можна зварювати термічно зміцнену арматуру та арматуру зміцнену витяжкою.

    Холодноламкість (схильність до крихкого руйнування при мінусових температурах) притаманна для гарячекатаних арматурних сталей періодичного профілю.

      Менш стійкими проти втомленісного руйнування вважаються термічно зміцнені арматурні сталі.

     Високотемпературний нагрів арматурних сталей знижує їх міцність та деформативність. Не можна використовувати термічно зміцнену та зміцнену витяжкою арматуру для армування конструкцій, що експлуатуються при підвищених температурах

5. Класифікація арматурних сталей і їх застосування.

    Арматурні сталі поділяють на класи залежно від міцності, марки та хімічного складу сталі, хоча до даного класу арматури можуть входити також сталі різних марок., міцність яких однакова. Як ненапружувану застосовують стержньову арматуру класів А-І, А-ІІ, Ас-ІІ, А-ІІІ, А-ІІІв, Ат-ІІІс, А-ІV, Ат-ІV, Ат-ІVс, Ат-ІVк і дротяну класу Вр-І. До класу А-ІІІ, наприклад, входять дві марки сталі: 25Г2С та 35ГС. Кремнемарганцева низьколегована сталь 25Г2С містить 0,25% вуглецю (перша цифра), легована марганцем (літера Г), вміст якого може досягати 2% (друга цифра), та кремнієм (літера С — сіліціум). Аналогічним є позначення марки сталі 35ГС, яка містить більше вуглецю.

     Основною робочою арматурою конструкцій без попереднього напружування є арматура класів А-ІІІ, А-ІІІс — стержньова гарячекатана періодичного профілю діаметром 6...40 мм і арматурний дріт класу Вр-І. Тимчасовий опір арматури класу А-ІІІ становить 590 МПа, межа міцності не нижча за 385 МПа, відносне видовження при розриві 14%. Як робочу можна застосовувати також гарячекатану арматуру періодичного профілю класу А-ІІ діаметром 10...40 мм з тимчасовим опором 490 МПа і видовженням при розриві 19%.

     Гладку гарячекатану арматуру із сталі класу А-І використовують як поперечну робочу, конструктивну та монтажну, а також для монтажних петель. Випускають її діаметром 6...40 мм. Вона має номінальну межу текучості 240 МПа і видовження при розриві до 20%.

     Холоднотягнений низьковуглецевий періодичного профілю дріт Вр-І діаметром 3; 4 і 5 мм використовують для виготовлення зварних сіток і як поперечну арматуру зварних каркасів. Тимчасовий опір дроту — 525...550 МПа. Площинки текучості ця сталь не має.

Для армування попередньо напружених конструкцій використовують стержньову гарячекатану леговану арматуру періодичного профілю А-V, Ат-V, А-VІ та Ат-VІ діаметром 10...25 мм. У разі дії агресивного середовища слід застосовувати стержньову арматуру класів Ат-Vк, Ат-Vск та Ат-VІк.

   Літера “т” означає, що сталь цього класу піддано термічному та термомеханічному зміцненню; літера “с” вказує на можливість стикування стержньової арматури зварюванням, а літера “к” — на підвищену стійкість проти корозійного розтріскування. До класу А-VI входять сталі марок 80С та 20ХГ2С (літери Х — хром, Ц — цирконій). Тимчасовий опір арматури цих класів змінюється в межах 900...1200 МПа, межа текучості — 600...1000 МПа, видовження при розриві — 6...8%. Ці сталі не мають площинки текучості. Допускається застосовувати як напружувану арматуру сталь класу А-ІІІв, зміцнену витягуванням, а також класів A-IV, Aт-IV, Aт-ІVк.Стержньова арматура періодичного профілю класів А-ІІІ...А-VІІ має однаковий рисунок виступів. Тому, щоб їх розрізняти, раніше кінці стержнів фарбували незмиваними фарбами різних кольорів. Нині промисловість випускає маркіровану арматуру періодичного профілю. Марки наносять під час прокатування з кроком не більше як 1 метр. Клас арматурної сталі визначається числом поперечних ребер (рис. 2.2) між двома опуклими позначками, включаючи одну з них.

     Найефективнішими для напружених конструкцій при довжині понад 12 м є високоміцний вуглецевий холоднотягнутий термічно зміцнений гладкий дріт класу В-ІІ і дріт періодичного профілю класу Вр-ІІ діаметром 3...8 мм. Тимчасовий опір дроту — 1700...2400 МПа залежно від діаметра, видовження при розриві — 4...6%. При цьому меншому діаметру відповідає більша питома міцність, оскільки під час протягування найбільше зміцнюється поверхневий шар дроту.

     З дроту В-ІІ виготовляють семидротяні канати класу К-7 діаметром 4,5...15 мм (рис 2.3), видовження яких при розриві досягає 15% і канати класу К-19. Для великопрольотних конструкцій використовують багатониткові канати або пучки з високоміцного дроту.

ЗАВДАННЯ: 

1. Опрацювати лекційний матеріал.

2. Скласти опорний конспект.

3. Опрацювати матеріал підручника "Матеріалознавство для будівельників", 

автор П.В. Кривенко, параграф 14. ст. 300-315

4. Фотозвіт виконаного завдання надіслати на електронну пошту.