Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы (рис. 6). Средняя часть конвертера имеет цилиндрическую форму, верхняя часть делается в виде наклонного усеченного конуса и называется шлемом. Узкая часть шлема— горловина, нижняя часть—днище имеет воздушные фурмы. Под днищем находится железная воздушная коробка. Через фурмы в конвертер поступает воздух под давлением 2,5 атм. Снаружи конвертер опоясан стальным кольцом, к которому по бокам прикреплены цапфы 6, вращающиеся в подшипниках двух опорных рам.

Одна из цапф, по которой подается сжатый воздух через патрубок 8, делается пустотелой. Наклонение конвертера при заливке чугуна и при выпуске готовой стали осуществляется с помощью гидравлического или электрического поворотного механизма. Конвертер внутри имеет футеровку из огнеупорного материала. Емкость современных конвертеров достигает 30—40 т.

Мартеновский способ получения стали является наиболее распространенным. В отличие от конвертеров в мартеновских печах исходным материалом для получения стали служит не только передельный чугун, но и все металлические отходы металлургических комбинатов, а также стальной и железный лом.

Современные мартеновские печи бывают неподвижные и качающиеся. В зависимости от футеровки подины они разделяются на основные и кислые. Емкость мартеновских печей бывает различная. Наиболее распространенными являются 150- и 185-тонные неподвижные печи.

Рис. 6. Конвертер

Рис. 7. Схема мартеновской печи

Первая русская мартеновская печь была построена на Сормовском заводе в 1870 г. Печь строилась под руководством русского горного инженера д. А. Износкова.

Конструкция мартеновской печи. Рабочее пространство мартеновской печи (рис. 7), в котором происходит плавка металла, сверху перекрывается сводом, а снизу имеет подину. В передней стенке печи имеется несколько окон, через которые загружается в печь шихта. В задней стенке сделано отверстие для выпуска стали и шлака. Через каждую боковую стенку проходят два наклонных канала, соединяющихся нижней своей частью с регенераторами, которые служат для подогрева воздуха и газообразного топлива. По каналам в рабочее пространство печи подаются из регенераторов подогретые воздух и газ и отводятся продукты сгорания, Регенераторов в печах, работающих на газовом топливе,— четыре: два воздушных и два газовых. Регенераторы имеют внутри кладку из огнеупорного кирпича. Топливом для мартеновских печей служат: генераторный газ, колошниковый или естественный. Есть мартеновские печи, в которых в качестве топлива применяется мазут. Производительность мартеновских печей характеризуется количеством выплавленной стали с одного кв. м пода в сутки. В мартеновских печах с кислой футеровкой подина делается из динасового кирпича, на который сверху наваривается слой кварцевого песка. В мартеновских печах с основной футеровкой подина делается из магнезитового кирпича и имеет сверху наварку из магнезитового или доломитового порошка.

Получение стали в мартеновских печах основано на окислительном процессе. В предварительно нагретую до 1750° мартеновскую печь загружают специальными завалочными машинами шихту, которая состоит из стального скрапа (чугунный лом и отходы металлургического производства), передельного чугуна и флюсов.

В качестве флюсов применяется обожженная известь. Под влиянием высокой температуры шихта нагревается и плавится. В результате происходящих химических реакций в процессе плавления шихты получается сталь и шлак, который как более легкий располагается над жидким металлом.

Основной мартеновский процесс можно вести на любой шихте, так как основные флюсы дают возможность удалять из стали большую часть вредных примесей — фосфор и серу. В мартеновских печах с кислой футеровкой удаление серы и фосфора из металла невозможно, благодаря чему шихта должна иметь минимальное содержание фосфора и серы.

В зависимости от состава шихты различают три разновидности мартеновского процесса: скрап-процесс, рудный процесс и скрап-рудный процесс. При выплавке стали скрап-процессом шихта обычно состоит из 75% скрапа и 25% твердого чугуна. Шихта при рудном процессе состоит из жидкого чугуна” с добавлением от 10 до 25% железной руды. Скрап-рудный процесс характеризуется тем, что шихта для него состоит из скрапа и жидкого чугуна.

Получение стали в электрических печах обладает рядом преимуществ по сравнению с конвертерным и мартеновским. В электрических печах тепло получается за счет электрической энергии, благодаря чему в атмосфере печи мало кислорода. Это дает возможность получать сталь с минимальным содержанием вредных примесей и особенно закиси железа. Кроме того, в электрических печах температура, достигающая 3500°, обеспечивает получение высококачественных легированных сталей с присадками тугоплавких металлов: вольфрама, ванадия, молибдена и др. Благодаря высокой температуре в электрической печи шлаки с повышенным содержанием извести приобретают высокую жидкотекучесть.

При наличии таких шлаков возможно максимальное удаление из металла вредных примесей фосфора и серы и получение высококачественной стали.

По своей конструкции электрические печи разделяются на дуговые и индукционные; в зависимости от футеровки подины — на основные и кислые. Наибольшее применение в промышленности имеют дуговые электрические печи.

Рис. 8. Дуговая электропечь

В дуговой электрической печи (рис. 8) шихта расплавляется за счет тепла, которое получается от электрической дуги, образующейся между электродами печи и металлом. Кожух печи делается металлический и имеет цилиндрическую форму. В кожухе имеется окно для загрузки шихты и желоб для выпуска готовой стали. Внутри кожух футеруется огнеупорным материалом. Свод печи имеет специальные круглые отверстия для электродов. Обычно в дуговых печах, работающих на трехфазном токе, устанавливаются три электрода. Электроды применяются угольные или графитированные. С помощью особого механизма электроды могут подниматься и опускаться, что дает возможность регулировать их положение и получать необходимую для расплавления шихты электрическую дугу. К электродам подводится ток напряжением порядка 95—280 вольт. Подина и стен-кй основных дуговых печей футерованы магнезитовым кирпичом, а в кислых печах — динасовым. Емкость дуговых печей бывает различная: от нескольких тонн до 100 и более. В качестве шихты для дуговых электрических печей используются отходы, получающиеся при прокатке стальных изделий, скрап высокого качества, бракованные стальные слитки, а также мягкая сталь специального приготовления.

Высокочастотная индукционная печь (рис. 9) отличается от дуговой электрической печи тем, что работа ее основана на явлении электромагнитной индукнии. В индукционной печи процесс получения стали протекает в огнеупорном тигле цилиндрической формы. С внешней стороны тигель окружен обмотьой из медной трубки. Витки обмотки не соприкасаются между собой. Внутри обмотки все время циркулирует вода для ее охлаждения. К обмотке подво штся электрический ток с частотой от 500 до 2500 периодов в секунду. Неременный ток, проходя по обмотке, создает вокруг нее переменное магнитное поле, в результате чего в металле, находящемся в тигле, индуктируются вихревые токи большой силы, быстро нагревающие металл до тем-перлтуры плавления. В индукционных печах выплавляются высоколегирован-nf.se стали с малым содержанием углерода. Емкость индукционных печей достигает 9 т.

Разливка стали производится в изложницы и является последней операцией в ее производстве. Сталь из сталеплавильной печи выливается в разливочный; стальной ковш, который внутри футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Для выпуска стали в дне ковша имеется отверстие, закрываемое специальной пробкой, которая с помощью стержня может подниматься и опускаться действием рычажного механизма. Из ковша сталь разливается в изложницы, имеющие различную форму, где она застывает.

По химическому составу стали разделяются на углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относятся стали, в которых основным элементом, оказывающим большое влияние на их свойства, является углерод. Легированные стали отличаются от углеродистых тем, что к ним добавляются присадки различных цветных металлов, которые улучшают их свойства. По чистоте в отношении содержания различных примесей стали разделяются на три группы: обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Качество стали в основном зависит от способа ее изготовления.

Высококачественные стали, например, с минимальным содержанием вредных примесей и неметаллических включений, можно получить только в электрических печах или в кислых мартеновских печах. В зависимости от применения стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали применяются для изготовления различных деталей машин, станков, сооружений и т. д. К ним относятся углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,6% и различные легированные стали. Инструментальные стали употребляются для изготовления мерительного и режущего инструмента. К группе инструментальных сталей относятся углеродистые стали с содержанием углерода более 0,6% и легированные стали. Группа сталей специального назначения включает легированные стали, обладающие особыми свойствами, как, например, нержавеющие, жароупорные, кислотоупорные, магнитные и т. д.

Рис. 9. Индукционная электрическая печь

2. Маркировка углеродистых сталей

Государственными общесоюзными стандартами углеродистые стали, в зависимости от содержания в них углерода, разделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные углеродистые стали в свою очередь делятся на стали обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества имеют следующие марки, установленные ГОСТ; Ст.-О, Ст.-1, Ст.-2, Ст.-З, Ст.-4, Ст.-5, Ст.-б, Ст.-7. Буквы Ст.— обозначают сталь, а цифра — номер стали. Чем больше номер, тем больше в стали содержится углерода. Впереди марки ставится буква, указывающая, каким способом была приготовлена данная сталь. Например, БСт.-1 —бессемеровская сталь, ТСт.-1 —томасовская сталь, МСт.-1—мартеновская сталь. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества применяются преимущественно для изготовления сортового и листового проката, проволоки, дымогарных труб, заклепок, болтов, гаек и т. д. Качественные углеродистые конструкционные стали маркируются двузначным числом, которое определяет среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такие стали имеют следующее обозначение: 0,8, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 (Ст.-10, Ст.-15, Ст.-25 и т. д.).

Например, сталь марки 0,8 содержит в среднем углерода 0,08°/о, сталь марки 25 содержит углерода 0,25о/0 и т. д.

Инструментальные углеродистые стали делятся на качественные и высококачественные. Марки качественных инструментальных сталей обозначаются буквой У с одной или двумя цифрами, указывающими содержание углерода в десятых долях процента. Стандартом установлено шесть марок качественных инструментальных сталей: У-7, У-8, У-9, У-10, У-12, У-13. В стали марки У-7 содержится углерода 0,7%, а в стали марки У-12 углерода содержится двенадцать десятых, т. е. 1,2о/0. В марках высококачественных углеродистых инструментальных сталей ставится после цифр буква А, которая указывает на то, что в этих сталях содержится минимальное количество вредных примесей. Например: У-7 А, У-8А, У-9А, У-10А, У-12А и У-13А.

3. Присадки легирующих элементов и маркировка легированных сталей

Присадки легирующих элементов к стали повышают ее механические и другие свойства. Основными легирующими элементами являются: кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, титан.

Кремний придает стали повышенную прочность, твердость и улучшает ее упругие свойства. Кроме того, он оказывает большое влияние на увеличение магнитной проницаемости и электрического сопротивления стали.

Марганец повышает твердость и прочность стали, способствует увеличению глубины прокаливаемости стали; повышает» стойкость против износа и улучшает свариваемость стали.

Хром повышает твердость стали, сопротивляемость износу и коррозии, увеличивает прокаливаемость стали и жаростойкость. Сталь с содержанием хрома от 12 до 20°/о называется нержавеющей.

Никель повышает прочность, твердость и вязкость стали, а также ее пластичность; повышает прокаливаемость стали и стойкость против коррозии.

Вольфрам способствует образованию мелкозернистой структуры в стали, повышает ее твердость, прочность и вязкость; улучшает режущие свойства инструментальной стали, увеличивает красностойкость стали.

Ванадий повышает твердость и прочность стали, увеличивает ее прокаливаемость и способствует, так же как и вольфрам, образованию мелкозернистой структуры в стали.

Молибден уменьшает склонность зерна стали . к росту при ее нагреве; повышает пластичность стали и ее прокаливаемость; способствует образованию мелкозернистой структуры стали, повышает твердость и прочность стали при высоких температурах.

Титан оказывает большое влияние на сталь при ее раскислении; способствует освобождению стали от шлаковых и газовых включений, образованию мелкозернистой структуры и уменьшению ликвации. Добавление титана в сталь резко улучшает ее механические и технологические свойства.

Для легированных конструкционных и инструментальных сталей ГОСТ установлены следующие условные буквенные обозначения легирующих элементов: X — хром, Н — никель, В — вольфрам, Ф — ванадий, М — молибден, Г — марганец, К — кобальт, С — кремний, Д — медь, Ю — алюминий, Т — титан. Система маркировки легированных сталей установлена буквенно-цифровая. Впереди ставятся две или одна цифра, обозначающие содержание углерода, если его меньше одного процента. Две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, а ‘Одна цифра — в десятых долях процента. Если цифр нет, следовательно, содержание углерода больше одного процента. После

цифр ставятся буквы, обозначающие легирующие элементы, которые входят в состав данной стали. Если содержание легирующего элемента меньше одного процента, то ставится только буква. Если легирующего элемента больше одного процента, то после буквы ставится цифра, определяющая его содержание. В конце марки высококачественной стали ставится буква А.

Например, марка 12Х2Н4А обозначает хромоникелевую сталь с содержанием углерода 0,12%, хрома около 2о/0 и никеля около 4о/0; сталь высококачественная, так как в конце марки стоит буква А. Марка Х-12 обозначает хромистую сталь с содержанием углерода более 1% и хрома около 12%.

4. Способы определения сорта стали и ее структуры

Существуют различные способы определения сорта стали. Наиболее простым способом, не требующим специальных приборов, является проба на искру. Способ этот требует большого опыта и навыков.

Пробой на искру — установить точный химический состав стали нельзя, можно лишь приблизительно определить, к какой группе относится данная сталь. Искровая проба заключается в том, что кусок испытуемой стали прижимается к вращающемуся наждачному кругу, в результате чего от него отделяется стружка в виде пучка искр.

Характер пучка искр, их форма, расположение и цвет зависят от химического состава стали, что и дает возможность определить сорт стали (рис.10):

1. Углеродистая сталь с содержанием 0,12% углерода. Пучок не густой со сплошными искровыми линиями, имеющими на концах утолщения. Цвет искр — соломенножелтый.

2. Углеродистая сталь с содержанием углерода 0,5%. Искровые линии пучка сплошные. На концах линий утолщения, от которых ответвляются звездочки. Цвет искр — светложелтый.

3. Углеродистая сталь с содержанием углерода 0,9%- Пучок искровых линий гуще, чем в первом и во втором случаях, линии длиннее. Звездочки располагаются не только на концах искровых линий, но и в середине их. Цвет искр — светложелтый.

Рис. 10. Определение сорта стали по искре

4. Инструментальная углеродистая сталь с содержанием углерода 1,2—1,4%. Широкий, короткий пучок с большим количеством звездочек, расположенных целыми группами на искровых линиях. Цвет искр — белый.

5. Марганцовистая сталь с содержанием марганца от 12 до 14%. Характерной особенностью является отсутствие утолщений на концах искровых линий и блестяще-желтый цвет искр.

6. Быстрорежущая инструментальная сталь с содержанием до 14% вольфрама. Искровые линии пучка не сплошные, а пунктирные. Утолщения на концах линий имеют каплевидную форму. Цвет искр тёмнокрасный.

7. Вольфрамовая сталь с содержанием 1,3% вольфрама. В отличие от быстрорежущей стали на пунктирных искровых линиях имеются звездочки. Цвет искр несколько светлее, чем у быстрорежущей стали.

Для точного определения химического состава, качества и внутреннего строения стали подвергают испытанию методами химического анализа, спектрального анализа и металлографическим исследованиям.

Химический анализ дает возможность определить состав стали и сплавов. Химический анализ разделяется на качественный и количественный. Методом качественного анализа определяются элементы, входящие в состав стали или какого-ни-будь сплава. Для определения количественного соотношения элементов, входящих в состав стали или сплава, применяется количественный химический анализ.

Спектральный анализ обладает рядом преимуществ по сравнению с химическим. Испытания металлов и сплавов методом химического анализа требуют много времени. Спектральный анализ значительно дешевле и дает возможность определять состав металлов и сплавов с большой точностью в течение нескольких минут. Он разделяется так же, как и химический, на качественный и количественный. Испытания методом спектрального анализа проводятся с помощью особого прибора, который называется стилоскопом. Спектральный анализ основан на изучении ‘спектра электрической дуги, одним из электродов которой является испытуемый металл или сплав.

Металлографическими исследованиями определяется главным образом структура металлов. Различают следующие виды металлографических исследований: макроанализ, микроанализ и исследование изломов металла. Макроанализом определяется с помощью лупы или невооруженного глаза размер зерен стали, их форма и расположение, наличие раковин и трещин. Микроанализ проводится с помощью металлографического микроскопа. Микроанализ дает возможность определить качество металла, т. е. насколько металл засорен различными неметаллическими включениями. Исследование излома металла обычно проводится с помощью лупы или невооруженным глазом. По излому можно установить причину разрушения металла.

5. Некоторые марки сталей, применяемые в автомобилестроении