Стальные конструкции. Способы производства стали. Качество стали. Спокойная сталь. Марки стали. Свойства стали. Термическая обработка стали.

 

Стальные конструкции наиболее распространены для строительства объектов трубопроводного транспорта и резервуаров нефтегазохранилищ.

Сталями называются сплавы железа с углеродом и добавками. Максимальное содержание углерода в стали 2,14%. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 1050-88 Углеродистая качественная конструкционная сталь) и легированные (ГОСТ 4543-71 Сталь конструкционная легированная, ГОСТ 5632-72 Высоколегированные стали и сплавы коррозийностойкие, жаростойкие и жаропрочные, ГОСТ 11268-76 Сталь конструкционная легированная высококачественная специального назначения и т.д.).

В зависимости от содержания углерода различают, следующие углеродистые стали:

· малоуглеродистые с содержанием углерода менее 0,25%;

· среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,25 – 0,60%;

· высокоуглеродистые, в которых содержание углерода выше 0,60%.

В свою очередь легированные стали подразделяют на:

· низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2,5%;

· среднелегированные стали, в составе которых легирующие элементы составляют от 2,5 до 10,0%;

· высоколегированные стали, которые содержат свыше 10,0% легирующих элементов.

Железо в виде феррита обеспечивает сталям высокую пластичность. Углерод же в виде соединения с железом Fe₃C (цементит) повышает твердость, износостойкость, прочность. Однако, высокое содержание углерода увеличивает хрупкость стали и снижает ее обрабатываемость, что крайне не желательно для строительных конструкций. Строительные стали должны обладать высокой пластичностью, поэтому с этой целью содержание углерода в них не превышает 0,22 %.

Легирующие элементы улучшают качество сталей и позволяют получать стали с заданными свойствами (таблица 1).

Остающиеся в процессе выплавки вредные элементы снижают качество сталей.

Кислород, водород и азот ухудшают свойства сталей, повышают ее хрупкость.

Фосфор (P) – повышает хрупкость разрушения при низких температурах (хладноломкость).

Сера (S) – вызывает высокотемпературное (800 – 1000 ) растрескивание при остывании (красноломкость).

Качество сталей связывают с содержанием в них вредных примесей серы и фосфора:

· стали обыкновенного качества с содержанием серы до 0,06% и фосфора до 0,07%;

· стали качественные – серы и фосфора до 0,035%;

· стали высококачественные – серы и фосфора до 0,025%.

При выборе стали необходимо учитывать способ выплавки, который существенно влияет на качество и стоимость стали. В настоящее время применяют следующие способы производства сталей:

· мартеновский (производство сокращено, строительство мартеновских печей прекращено в 70-х годах XX века);

· кислородно-конверторный. В процесс выплавки стали происходит передел жидкого чугуна в сталь без подвода тепла путем продувки металла в конверторе сверху кислородом. Примеси чугуна окисляются (Si, Mn, C и др.) с выделением значительной теплоты. По окончании продувки удаляют избыток кислорода. В настоящее время мировой выпуск кислородно-конверторной стали свыше 50%;

· в электропечах получают особо качественную электросталь. Электрические печи различают в зависимости от способа нагрева (дуговые, индукционные, печи сопротивления, электронно-лучевые и др.).

Качество стали также зависит от степени ее раскисления. По этому показателю различают три вида сталей:

· кипящая (КП);

· полуспокойная (ПС);

· спокойная (СП).

При выплавке стали, из чугуна выделяется газ (углекислый газ CO и двуокись углерода CO₂), что вызывает ее кипение. Если кипение происходит в разливочном ковше или в изложницах (формы для отливки слитков) до полного затвердевания, то такая сталь называется кипящей. Она характеризуется неоднородностью по содержанию углерода, серы, фосфора и, как результат, неоднородностью механических свойств.

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате или в ковше при выпуске из печи такими раскислителями, как марганец, кремний, алюминий. Раскислители активнее, чем углерод, соединяются с кислородом, в результате окисление углерода прекращается, и сталь перестает кипеть. Свойства такой стали становятся гораздо однороднее, но она получается значительно дороже.

Компромиссным вариантом является полуспокойная сталь, которая получается при частичном ее раскислении. Механические свойства стали становятся достаточно высокими, а стоимость значительно ниже.

Сталь обыкновенного качества подразделяется по промышленным поставкам на 3 группы:

- группа А – для этой группы гарантируется качество поставки по механическим свойствам стали;

- группа Б – гарантия по химическому составу;

- группа В – гарантия качества и по механическим свойствам и по химическому составу.

Кроме того, для каждой марки стали устанавливаются категории, которые отражают ударную вязкость, химический состав, временное сопротивление , относительное удлинение и другие характеристики, имеющие важнейшее значение при проектировании строительных конструкций.

Свойства стали, существенным образом зависят от ее термообработки. Термическая обработка стали это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства стали.

Ниже приведены основные виды термообработки, применяемые для улучшения механических свойств стали.

· Закалка. Это процесс термической обработ­ки, при которой сталь нагревают до оптималь­ной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем быстро охлаждают с целью по­лучения заданной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество за­калки зависит от температуры и скорости на­грева, времени выдержки и охлаждения. Основ­ными параметрами закалки являются темпера­тура нагрева и скорость охлаждения.

· Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении, с целью получения равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

· Нормализация. Термическая операция, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше температуры образования аустенита, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на воздухе. При таком термическом воздействии происходит измельчение внутренней структуры стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость. Нормализация стали по сравнению с отжи­гом является более коротким процессом термиче­ской обработки, а следовательно, и более произ­водительным.

Таким образом, целью термической обработки является получение оптимального сочетания прочностных и пластических свойств стали.

Не менее важной технологической операцией улучшения механических свойств стали является химикотермическая обработка.

Химикотермическая обработка объединяет процессы химического и термического воздействия на поверхностный слой стальных элементов строительных конструкций и деталей с целью улучшения их свойств и структуры. Химикотермическая обработка повышает твердость поверхностного слоя стальных изделий, их износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства.

Химикотермическая обработка основана на диффузии атомов различных химических эле­ментов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Наиболее распространенными видами хими­котермической обработки стали являются цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

При проектировании стальных строительных конструкций необходимо учитывать все разнообразие механических свойств сталей, в следующей главе рассмотрены основные из них.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: