книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

процессом, причем электросталь является более высококачественной и дорогой. Эти способы применяют для получения легированных и высо­ колегированных сталей.

Конвертерный кислый способ выплавки стали называют бессеме­ ровским, конвертерный основной способ —томасовским. При этих способах выплавки сталь получали в конвертерах при продувке чугуна снизу воздухом, поэтому она имела много загрязняющих газовых включений (азота, кислорода, водорода и т.д.), а также других приме­ сей (серы, фосфора и т.д.), снижающих ее качество и ухудшающих свойства. В последние годы бессемеровский и томасовский способы выплавки стали не применяют. Их полностью заменил новый конвер­ терный способ — кислородно-конвертерный, при котором наиболее дешевую сталь получают в конвертерах с основной футеровкой при продувке чугуна сверху технически чистым кислородом, не отличаю­ щуюся по химическому составу и свойствам от мартеновской основной стали. Наиболее высокопроизводительный способ выплавки стали — конвертерный, а также в крупных электропечах. Производство стали этими способами все более возрастает.

В настоящее время в металлургическом производстве шире приме­ няют новые прогрессивные методы и процессы, повышающие качество стали: выплавка стали в вакууме, электро шлаковый электродуговой переплав, внепечные методы обработки стали и др.

По степени раскисления сталь делится на спокойную, кипящую и полуспокойную. Качество и свойства стали зависят от степени раскис­ ления. Под раскислением стали понимают снижение концентрации раст­ воренного в ней кислорода. Это происходит в результате введения в

жидкую сталь элементов, реагирующих с кислородом (марганец, кремний, алюминий и др.), —раскислителей. Важнейший этап раскис­ ления стали - удаление из нее продуктов раскисления —неметалличе­ ских включений: алюмосиликатов, глинозема и других частичек окси­ дов. Образование неметаллических включений происходит от момен­ та введения раскислителей в жидкий металл в печи или ковше до окон­ чания его кристаллизации в изложнице. Решающее влияние на качество стали оказывают неметаллические включения, образовавшиеся при охлаждении и кристаллизации стали в изложнице, так как в отличие от включений, образующихся в печи или ковше, они не могут всплыть и остаются в стали.

Спокойной называют хорошо раскисленную сталь за счет введения раскислителей (марганец, кремний, алюминий) в жидкую сталь на всех стадиях выплавки: в печь, в желоб и в ковш. В слитке спокойной стали, хорошо раскисленной и отлитой в изложницу с утепленной надставкой, образуется усадочная раковина только в верхней части слитка, а в объеме всего слитка практически не содержится газовых пузырей и ра­ ковин. В спокойной стали содержится 0,12—0,35 % кремния. Верхнюю

41

часть слитка спокойной стали с концентрированной усадочной ракови­ ной обычно отрезают, и весь слиток становится качественным.

При выплавке кипящей стали по ходу плавки вводят лишь марга­ нец, а кремний и другие раскислители не применяют. Поэтому в кипя­ щей стали обнаруживаются лишь следы кремния (<0,05 %). Кипя­ щая сталь по сравнению со спокойной сталью того же состава перед вы­ пуском из печи содержит повышенное количество кислорода. При за­ полнении изложниц такая сталь начинает сильно искрить и кипеть мел­ кими пузырями, так как по всему ее незастывшему объему при кри­ сталлизации происходит раскисление по реакции

FeO +C ^Fe+C O . (О

Эту реакцию называют реакцией самораскисления стали. Она идет в дополнение к раскислению стали марганцем в печи и ковше. Сниже­ ние концентрации кислорода в стали происходит преимущественно по реакции самораскисления. Образующийся по реакции монооксид углерода приводит к тому, что слиток кипящей стали после затверде­ вания содержит в головной части слитка усадочную рыхлость вместо усадочной раковины и сотовые пузыри в виде более или менее ярко вы­ раженной зоны на определенном расстоянии от поверхности слитка во всем объеме. В наружной части слитка наблюдается плотная зона ме­ талла, имеющая очень чистую поверхность.

В полуспокойной стали кремния содержится меньше 0,17 %. По технологии выплавки и разливки процесс получения полуспокойной стали - промежуточный процесс выплавки и разливки между спокой­ ной и кипящей сталями. Усадочная раковина полуспокойной стали рас­ пределена на многочисленные пузыри и пустоты, внутренняя поверх­ ность которых зеркально чистая, что приводит к их заварке при горя­ чей прокатке. Структура слитка полуспокойной стали близка к струк­ туре слитка спокойной стали, и в то же время такой слиток дает более высокий выход проката.

Спокойная сталь лучше кипящей, раскисленной только марганцем. Но и кипящие стали имеют применение, так как они дешевле, произ­ водство их дает меньше отходов (в отходы у спокойной стали идет верхняя часть слитка с усадочной раковиной), а раковины и пустоты в основном завариваются при прокатке. Кипящую сталь применяют для ненагруженных элементов конструкций.

По химическому составу сталь подразделяется на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь в зависимости от содержания угле­ рода делится на низко углеродистую (с содержанием углерода до 0,25 %), среднеуглеродистую (с содержанием углерода 0,25-0,6 %) и высокоуглеродистую (с содержанием углерода 0,6-2 %).

В углеродистой стали, кроме железа и углерода, содержатся по­

42

стоянные (обычные) примеси, подразделяющиеся: на технологиче­ ские, вводимые в сталь по условиям ее выплавки для раскисления (марганец, кремний); на вредные, попадающие в сталь из руды, печных газов (сера и фосфор)'; на скрытые —газы (кислород, водород, азот), попадающие в сталь из воздуха; на случайные, попадающие в сталь из металлического лома или руды (медь, никель, хром и др.).

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных при­ месей, содержатся специальные, вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, титан и др.), а также марганец и кремний в количествах, превышающих обычное их содержание (1 % и выше). Легированная сталь в зависимости от содержания легирующих элементов делится на низколегированную (с содержанием легирующих элементов не более 2,5 %), среднелегированную (с. содержанием легирующих элементов 2,5-10 %) и высоколегированную (с содержанием легирующих эле­ ментов свыше 10%).

От химического состава зависит также и качество стали.

По качеству сталь делится на сталь обыкновенного качества, ка­ чественную, высококачественную и особовысококачественную. Качест­ во стали зависит от состава шихты, технологического процесса ее вы­ плавки, разливки и других металлургических факторов. Чем выше качество стали, тем уже пределы содержания в ней углерода, а также марганца, кремния и других элементов, меньше содержание вредных примесей серы и фосфора, меньше количество неметаллических вклю­ чений, больше однородность микроструктуры и уже пределы колеба­ ния показателей механических свойств. Обычно качество стали харак­ теризуют наличием вредных примесей —серы и фосфора, так как от их содержания зависят и другие признаки.

Сталью обыкновенного качества является углеродистая сталь, содержащая до 0,7 % углерода, широко применяемая в строитель­ стве. В стали обыкновенного качества серы содержится в основном не более 0,055 %, а фосфора <0,045 %.

Качественной сталью могут быть углеродистая и легированная, выплавляемые с соблюдением более строгих требований к составу ших­ ты, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора не более 0,035-0,04% (каждогоиз элементов).

Высококачественными сталями бывают легированные и высоко­ углеродистые. Марка высококачественной стали, кроме общепринятых для обозначения цифр и букв, имеет дополнительную букву ”А”, например, сталь марки 12ХН2А. В высококачественных сталях серы и фосфора должно содержаться не более 0,025-0,03 %.

Особокачественную сталь изготовляют методом дугового электрошлакового переплава (к марке стали добавляют букву ”Ш”) . Содер­ жание серы и фосфора в ней не более 0,015 %. Применяют ее в машино­ строении.

43

Т а б л и ц а 1. Группы и классы прочности строительной стали

Механические Ударная вязкость

Группа	Класс	свойства на			KCU, Дж /см2,
		растяжение,			не менее
		не менее
		и	я
		С	С		и	и	и
		S	5
		п			о	о	о
			сГ		О	о	0
		t5		со	Г*	Г	г-
							1
					II	II	II
					Еч	Ьч	Е-ч

Состояние металла при

“поставке

после механи­ ческого старе­ ния

Обычная	С38/23	380	230	25	30-35		-	30	Горячеката­
									ная
Повышен-	С44/29	440	290	21		30	30	30	Горячеката­
ная
									ная и термо­
									упрочненная
	С46/33	460	330	21	-	30	30	30	Горячеката-
									ная
	С52/40	520	400	19	-	30-50	30	30-40	Термоупроч­
									ненная
Высокая	С60/45	600	450	16	-	30 -50	-	30 -40	—”—
	С70/60	700	600	12	-	30	-	—
	С85/75	850	750	10

По состоянию металла при поставке сталь подразделяют на горяче­ катаную, термически упрочненную и контролируемой прокатки. Строи­ тельные стали обычно подвергают следующим видам термообработ­ ки: нормализация и закалка в сочетании с высоким отпуском. Стали для деталей машин обрабатывают всеми методами, рассмотренными в гл. 1, в зависимости от предъявляемых к ним требований. Техноло­ гия контролируемой (термомеханической) прокатки отличается от обычной тем, что прокатку ведут в несколько стадий с применением определенной комбинации температуры и степени обжатия. Целена­ правленное взаимодействие процессов кристаллизации, фазовых пре­ вращений и выделения в структуре стали мелкодисперсных частиц карбидов и нитридов позволяет достичь требуемых высоких прочно­ стных и вязких показателей свойств.

По прочности строительную сталь подразделяют в зависимости от минимальных значений временного сопротивления ав и предела текучести стт на три группы: обычной, повышенной и высокой проч­ ности. Каждая группа делится на классы прочности (табл. 1).

Стали для деталей машин на классы не подразделяют, так как они имеют большое разнообразие свойств в зависимости от упрочняющей

44

Т а б л и ц а	2. Классы прочности стали для газонефтепроводов
	Временное	Предел текучести	Относительное
Класс	сопротивление	(7Т, МПа,	удлинение 65,
	разрыву (7В,	не менее	%, не менее
	МПа, не менее
К34	333	206	24
К38	372	235	22
К42	412	245	21
К50	485	343	20
К52	510	353	20
К55	539	372	20
К60	588	412	16

термической обработки и назначения. Сталь для газонефтепроводов подразделяют на классы по минимальному значению временного сопро­ тивления (табл. 2).

По применению сталь подразделяют в зависимости от специфиче­ ских технических требований, исходя из рабочих условий эксплуата­ ции, на сталь для газонефтепроводов, резервуаров, газгольдеров и дру­ гих листовых конструкций; арматурную сталь для армирования желе­ зобетонных конструкций; деталей машин и др.

11. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СТАЛИ

Материалы, применяемые для сооружения резервуаров, газгольдеров и других объектов, а также для деталей машин, предназначены вос­ принимать значительные рабочие нагрузки. Основные размеры несу­ щих элементов этих конструкций, вид и марки металлических материа­ лов для их изготовления выбирают на основании данных механическо­ го расчета на устойчивость и прочность, исходя из рабочих условий эксплуатации конструкции или детали.

Технические требования к стали для тех или иных элементов конструкций или деталей машин определяются совокупностью физико­ механических свойств и технико-экономических показателей. Основ­ ные из них — химический состав, механические и технологические свойства материала. Кроме того, к стали предъявляют дополнительные требования: склонность к хрупкому разрушению; склонность к старе­ нию; способность подвергаться пластической деформации; характер внутреннего строения металла (оказывающего влияние на однород­ ность показателей механических и технологических свойств) и каче­ ство его поверхности; долговечность материала при коррозионном воз­ действии атмосферной среды и рабочего продукта; стоимость и др.

45

Химический состав стали

Химический состав определяет свойства и качество материала, техни­ ко-экономическую целесообразность его применения в конструкции. Если данный материал включает в себя дефицитные и дорогостоящие легирующие компоненты, то может оказаться экономически неоправ­ данным его применение, несмотря на сравнительно высокие механиче­ ские и технологические свойства металла.

Изменяя химический состав материала и технологию его упрочне­ ния, можно в широких пределах варьировать показателями его меха­ нических и технологических свойств.

Углерод особенно сильно влияет на свойства и структуру стали. С увеличением содержания углерода изменяются ее механические свой­ ства, так как в структуре наблюдается увеличение цементита и умень­ шение феррита, ухудшается свариваемость стали. Поэтому для строи­ тельных конструкций применяют сталь с содержанием не более 0,2 % С.

М а р г а н е ц Мп, растворяясь в феррите и цементите, повышает прочность стали (рис. 25). При содержании его свыше 1 % наблюдает­ ся снижение пластичности и вязкости стали наряду с повышением проч­ ности, так как образуются карбиды марганца. Поэтому в углеродистых сталях допускается содержание марганца не более 0,8 %. В низколе­ гированных строительных сталях, в которых марганец является леги­ рующим элементом, его максимальное содержание составляет менее 2 %. Увеличение содержания марганца приводит к повышению анизо­

тропии свойств	стали, склонности к росту зерна наряду с положитель­
ным его влиянием на ее прочность.
a	S
НВ	Ш,МДмс!м*

Рис. 25. График влияния легирующих элементов на твердость НВ (а) и ударную вязкость KCU феррита (б)

46

К р е м н и й Si не обнаруживается в структуре стали, так как полностью растворяется в феррите, не образуя карбидов. Но часть кремния, который при выплавке стали присутствует в виде оксида кремния и не успевает всплыть в шлак, может остаться в стали в виде неметаллических включений Si02, что нежелательно. Растворяясь в фер­ рите, кремний увеличивает прочность, но, в отличие от марганца, умень­ шает пластичность и вязкость стали. При содержании кремния свыше 1 % резко снижается вязкость стали, повышается антикоррозионность и вместе с тем увеличивается склонность к графитиэации и ликвации, а также ухудшается свариваемость. Поэтому в низколегированных строительных сталях, в которых кремний является легйрующим эле­ ментом, максимальное содержание его составляет не более 1,2 %.

В настоящее время марганец и кремний —основные легирующие элементы строительной стали. Другим легирующим элементом, наи­ более часто вводимым в строительную сталь для повышения ее проч­ ности, служит хром Сг (до 1 %), а также никель Ni (до 2 %); увеличи­ вая прочность стали, хром и никель повышают также ее пластичность и вязкость (см. рис. 25). Кроме того, хром, никель и медь повышают

антикоррозионность стали. Вольфрам W повышает прочность стали ме­ нее интенсивно, чем марганец и кремний, но резко снижает ее вязкость и пластичность при любом содержании, поэтому для строительных сталей его не применяют.

В связи с наблюдающейся тенденцией увеличения объемов резер­ вуаров до 100 000 м и выше, увеличением диаметров трубопроводов до 1420 мм и более возникла необходимость применения высокопроч­ ной строительной стали. В таких высокопрочных сталях наряду с обыч­ ными для строительной стали легирующими элементами марганцем,

кремнием, хромом	и другими —присутствуют дополнительные леги­
рующие элементы:	к а р б и д о о б р а з у ю щ и е	— ванадий, титан,
ниобий; к а р б и д о о б р а з у ю щ и е и б о р и		н и т р и д о о б р а ­

з у ю щ и е - азот и ванадий, азот и титан, азот и алюминий (дисперси- онно-твердеющие стали).

Ванадий, титан, ниобий, алюминий вводят в строительную сталь в количествах, не превышающих 0,1-0,2 %; молибден Мо —до 0,5 %, азот до 0,03 % и бор —до 0,006 % (в виде так называемых микро­ добавок). При наличии этих элементов в низколегированной строи­ тельной стали наблюдается измельчение микроструктуры; значительное увеличение прочности за счет выделения внутри зерен мелкодисперс­ ных частиц карбидов или нитридов соответственно в сталях карбидного или нитридного упрочнения; уменьшение склонности к старению и хрупкому разрушению благодаря измельчению зерна, а также связыва­ нию этими элементами кислорода и азота. Такие стали называют дис­ перснонно-твердеющими. В горячекатаной малоуглеродистой низко­ легированной стали, например, с дополнительным легированием вана-

47

днем предел текучести увеличивается в среднем на 10—15 %. Наиболь­ шего эффекта упрочнения достигают сочетанием легирования и терми­ ческой обработки. Например, для низколегированной стали с ванадием предел текучести после термического упрочнения может возрасти бо­ лее чем на 30 %.

В любой стали вредные примеси (сера, фосфор и газовые приме­ си) строго ограничиваются.

Ф о с ф о р попадает в сталь из железной руды, хотя при вы­ плавке стали стремятся максимально удалять его. Фосфор, растворя­ ясь в феррите, повышает хрупкость стали. Особенно повышается проч­ ность, уменьшается пластичность и падает ударная вязкость стали при низких температурах, т.е. наличие фосфора увеличивает склонность стали к - х л а д н о л о м к о с т и .

С е р а , как и фосфор, попадает в сталь	из железной руды и из
печных газов, т.е. продуктов горения топлива	(S02). Сера в железе не

растворяется, и любое ее количество образует сульфид железа FeS, ко­ торый в конечном итоге располагается по границам зерен стали в виде легкоплавкой при температуре 985 °С сернистой эвтектики и делает сталь хрупкой, особенно в районе температур красного каления (10001200 °С). Это явление носит название к р а с н о л о м к о с т и . При горячей обработке эти включения сернистой эвтектики расплавляются

и образуют в стали надрывы и трещины.
5	Марганец ослабляет					вредное
влияние			серы,	так как		при его
наличии в жидкой стали образу­
ются		преимущественно				сульфи­
ды марганца, которые благодаря
более высокой				температуре пла­
вления			(1620	°С)	при	горячей
	обработке давлением не плавя­
	тся,	а	становятся		пластичными
под		давлением		вытягиваются в
	направлении			прокатки		(рис.
	26, а). Сернистые включения в
	виде	отдельных			обособленных
	включений менее вредны. Но тем
	не менее присутствие сульфидов
	марганца в стали для ответствеи-
Рис. 26. Шкала оценки неметалличес­
ких включений:
а	- сульфиды; б			— оксиды;		1, 2, 3, 4,
5 — баллы оценки включений

48

ных конструкций и деталей машин строго ограничивают по шкале неметаллических включений в балльной системе: 1, 2, 3, 4 и 5. Сер­ нистые включения мало влияют на статическую прочность и в то же время значительно снижают сопротивляемость стали воздействию усталостных и динамических нагрузок, так как служат местами кон­ центрации напряжений и способствуют возникновению трещин.

К и с л о р о д , попадающий в жидкую сталь, может растворять­ ся в железе, создавая твердый раствор, и химически взаимодействовать с ним, образуя химическое соединение. Кислород, находясь в стали в твердом растворе (в феррите), снижает ее предел прочности и твер­ дость, уменьшает стойкость против коррозии, ковкость, обрабатывае­ мость резанием, усталостную прочность, износоустойчивость, а также придает ей хладноломкость, красноломкость и склонность к старению.

Кислород образует растворимые в жидкой стали химические соеди­ нения с железом (оксид железа II FeO) и нерастворимые в стали смешанный оксид железа Fe30 4 и оксид железа III Fe20 3.

Химические соединения кислорода с различными элементами, входящими в состав стали, —оксиды Si02, А120 3 и другие —являют­ ся хрупкими и при горячей обработке давлением под действием меха­

нических сил крошатся,		располагаясь	в виде цепочек (рис. 26, б ) .
Эти включения	могут снизить усталостную и динамическую прочность
стали и служат	местами	концентрации	напряжений и возникновения

усталостных трещин. Их присутствие также ограничивают по шкале неметаллических включений в балльной системе (1, 2, 3, 4 и 5 ).

А з о т может растворяться в жидкой стали, образовывать твер­ дый раствор азота в железе и давать химические соединения с ним — нитриды (Fe4N, Fe2N). При комнатной температуре содержание азота в железе Fea составляет тысячные доли процента. Азот повышает хрупкость, увеличивая прочность стали и понижая ее пластичность. Кроме того, он увеличивает склонность стали к хладноломкости, синеломкости и старению.

В о д о р о д при высоких температурах растворяется в жидкой стали и диффундирует в ней в атомарном состоянии. В твердой стали водород также диффундирует в атомарном состоянии и скапливается по границам пор и неметаллических включений. Увеличиваясь в объе­ ме при воссоединении в молекулы, водород повышает давление и соз­ дает напряженное состояние на этих участках,что может вызвать обра­ зование в них микротрещин (флокенов). При сосредоточении в малых объемах под большим давлением водород образует в затвердевшей стали пористость, газовые раковины и флокены.

С л у ч а й н ы е п р и м е с и , попадающие в сталь из железной руды или металлического лома (скрапа) при ее выплавке, допускают­ ся в определенных пределах: хрома 0,1-0,3 %, никеля 0,15-0,3 %, мы-

49

4 - 6682

шьяка 0,08-0,15 %, меди 0,2—0,3 %. Хром и никель попадают в сталь из халиловской руды, медь - из уральской, мышьяк - из керченской. Наличие таких примесей в стали в небольших количествах заметного влияния на ее свойства не оказывает.

Зная химический состав стали можно также ориентировочно оце­ нить ее свариваемость по так называемому углеродному эквиваленту Сэ. При этом исходят из того, что углерод в значительно большей мере ухудшает свариваемость по сравнению с другими элементами.

Углеродный эквивалент Сэ низколегированных сталей, независи­ мо от состояния металла при их поставке (горячекатаные, нормализо­ ванные или термически упрочненные), определяют по формуле

Сэ	Сг + Mo + V + Ti+ Nb	Си + Ni	+ 15 В,	( 2)
	5	ПГ
где С, Mn,	Cr, Mo, V, Ti, Nb,	Си, Ni,	В —содержание	в данной

стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, вана­ дия, титана, ниобия, меди, никеля и бора.

Для углеродистых сталей, а также для низколегированных крем­

немарганцовых сталей марок	17ГС, 17Г1С, 09Г2С углеродный экви­
валент
Сэ = С + Мп/ 6.	(3)

Присутствие в этих сталях случайных примесей (Cr, Си, Ni) во внимание не принимают. Если свариваемость строительной стали удов­ летворительная, то ее Сэ должен быть не более 0,46.

Механические свойства стали

Механическими свойствами стали называют совокупность характе­ ристик свойств, определяющих ее способность сопротивляться воздей­ ствию на нее различных статических, динамических, знакопеременных и других нагрузок. Получают характеристики механических свойств специальными видами испытаний на стандартных образцах. Приме­ няют обычно статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и динамические испытания на ударную вязкость. В ряде случаев проводят испытание на усталость при знакопеременных нагруз­ ках.

Статическими испытаниями называют такие, при которых нагруз­ ка на образец возрастает медленно и плавно.

Динамическими (ударными) испытаниями называют такие, при которых скорость приложения нагрузки к образцу высокая и до­ стигается ударом, взрывом и т.д. Ударные испытания можно проводить при комнатной температуре или специально созданной отрицательной

5 0