4.4 Otrzymywanie stali

Stal otrzymuje się z surówki białej w specjalnych piecach. Przeróbka nazywa się świeżeniem i polega na wypalaniu nadmiaru węgla oraz zmniejszaniu zawartości innych domieszek, takich jak krzem, siarka i fosfor. Przeróbka ta odbywa się w piecach: Martena, Bessemera i Thomasa oraz w piecach elektrycznych. Produkt z tych pieców nazywa się stalą, zawiera do 2% węgla, jest obrabiany plastycznie na gorąco i na zimno. Powszechnie są używane piece martenowskie. Dają one możliwości usuwania nadmiaru węgla C, krzemu Si, siarki S i fosforu P. Przetapia się w nich surówkę i złom stalowy. W procesie topienia żużel, jako lżejszy, wypływa na powierzchnię. Piec jest opalany gazem czadnicowym, który wraz z powietrzem jest doprowadzany nad wsad. Mieszanka gazowo-powietrzna spala się i ogrzewa piec. Spaliny przed ujściem do komina oddają jeszcze ciepło regeneratorom. Są to komory z ułożonych w kratownicę cegieł szamotowych. Nagrzane cegły ogrzewają z kolei gaz i powietrze, które przed wejściem do pieca przechodzą przez regeneratory. Piec jest
wyposażony w bliźniacze regeneratory: kiedy jedna para regeneratorów jest ogrzewana, druga w tym czasie oddaje pobrane ciepło.

Otrzymana z pieca martenowskiego stal niskowęglowa zawiera w przybliżeniu: 0,06÷0,12% węgla C, do 0,35% krzemu Si, 0,3÷0,5% manganu Mn, 0,03÷0,06% fosforu P, 0,03÷0,06% siarki S, 0,004÷0,012% azotu dwuatomowego N₂ oraz 0,015÷0,040% tlenu
dwuatomowego 0₂. Piec Bessemera ma kształt gruszki, którą można przechylać w celu wlania ciekłej surówki, a następnie — po świeżeniu — wylania stali. Od dołu tłoczy się do pieca powietrze. Tlen z powietrza, przechodząc przez surówkę, spala zawarty w niej węgiel C i krzem Si. Proces ten (świeżenie) zachodzi wówczas, gdy surówka zawiera około 2% krzemu, który spalając się z tlenem, znajdującym się w zimnym powietrzu, wpływa nie tylko na utrzymanie temperatury stali, ale i na jej podwyższenie. Piec Thomasa ma taki sam kształt, jak piec Bessemera. Różni się tym, że podczas świeżenia wypala się w nim fosfor P, którego
w związku z tym powinno być w surówce około 2%. Do wytopu stali stopowych wskazane jest stosowanie pieców elektrycznych. Stale wysokostopowe (powyżej 50% dodatków stopo-
wych) można otrzymać tylko w piecach elektrycznych. Najbardziej rozpowszechnione są piece elektryczne oporowe. Do produkcji stali stopowych o wysokiej temperaturze topnienia stosuje się piece elektryczne indukcyjne.

4.5. Stale nieuspokojone i uspokojone

Podczas wytopu stali węglowych kontroluje się skład chemiczny ciekłej stali. W chwili otrzymania żądanego składu chemicznego stali proces wytopu przerywa się. W czasie stygnięcia i krzepnięcia stali zmniejsza się rozpuszczalność gazów w ciekłej stali, co powoduje, że są one wydzielane na zewnątrz. Gaz powstaje na skutek łączenia się tlenku żelaza (FeO) z częścią węgla C zawartego w ciekłej stali, z czego powstaje gazowy tlenek węgla oraz czyste żelazo FeO+C -> CO+Fe. Uchodzący z ciekłego metalu gaz wywołuje wrażenie wrzenia (taka stal nazywa się nieuspokojona). Ponieważ metal ma dużą lepkość, nie wszystkie gazy wydostają się na zewnątrz. Pozostały gaz tworzy pęcherze we wlewku (rys. 4.3a). We wlewku nie powstaje jama usadowa, ale metal jest porowaty. Podczas przeróbki plastycznej na gorąco pęcherze powstałe we wlewku zostają zgrzane. Stal nieuspokojona ma przy swoim znaku literę X (np. St3SX). Gdy do kąpieli stalowej dodaje się odtleniaczy, jednakże w ilości nie wystarczającej do całkowitego odtlenienia, otrzymuje się stal
półuspokojoną. Wlewek takiej stali ma pęcherze gazowe podobnie jak stal nieuspokojona, z tą różnicą, że jest ich mniej. Mniejsza liczba pęcherzy daje się łatwo zgrzać podczas przeróbki plastycznej. We wlewku powstaje jama usadowa (rys. 4.3b). Stal pół-
uspokojoną ma przy swoim znaku literę Y (np. St3SY).

Rys. 4.3. Przekroje podłużne wlewków:

a) ze stali nieuspokojonej,

b) zé stali półuspokojonej,

c) ze stali uspokojonej

Jeśli do kąpieli stalowej dodaje się odtleniacze w takiej ilości, że tlen może się całkowicie związać, otrzymuje się stal uspokojoną. Powstałe tlenki krzemu lub aluminium są lekkie i wypływają na powierzchnię kąpieli. Na skutek procesu odtleniania wlewek stalowy w części dolnej jest bardzo zwarty, w górnej zaś ma dużą jamą usadową (rys.4.3c). Stal ta nie zawiera pęcherzy ani segregacji (skupiska zanieczyszczeń) siarki i fosforu. I dlatego stal uspokojona jest lepsza od stali nieuspokojonej i półuspokojonej i nadaje się na odpowiedzialne konstrukcje spawane. Stal uspokojona przy swoim znaku nie ma żadnego dodatkowego oznaczenia (np. St3S).

6.2.2 Stale walcowane termomechanicznie

Dalszy wzrost granicy plastyczności stali konstrukcyjnych uzyskuje się w wyniku specjalnego sposobu walcowania dwustopniowego z zastosowaniem obróbki termomechanicznej (ang. thermo-mechanical control process), polegającej na systematycznej kontroli temperatury i stopnia odkształcenia stali podczas przeróbki plastycznej. Obróbka termomechaniczna polega na takim prowadzeniu procesu walcowania, aby poszczególne stopnie odkształcania stali odbywały się w określonych temperaturach. Wykorzystuje się tutaj dwa podstawowe efekty:

wpływ drobnoziarnistej struktury na wzrost wytrzymałości i poprawę udarności, ograniczenie i/lub opóźnienie rekrystalizacji przez wprowadzenie do stali mikrododatków (Nb, Ti).

W czasie następującego po walcowaniu chłodzenia przemiany fazowe rozpoczynają się w silnie odkształconym drobnoziarnistym austenicie o dużej gęstości dyslokacji i o dużej liczbie zarodków powstawania nowych składników strukturalnych. Gdy chłodzenie zachodzi w powietrzu, powstaje bardzo drobnoziarnisty ferryt z małą ilością perlitu (stale niskoperlityczne). W przypadku zastosowania przyśpieszonego chłodzenia strumieniem wody
produktem przemiany jest drobnoziarnisty ferryt poligonalny lub iglasty, a przemiana perlityczna jest zastąpiona przemianą bainityczną i w pewnym stopniu martenzytyczną (w zależności od temperatury końca walcowania i szybkości chłodzenia). Walcowanie termomechaniczne z przyśpieszonym chłodzeniem umożliwia produkcję stali o granicy plastyczności do 700 MPa.

Normy europejskie obejmują stale walcowane termomechanicznie o granicy plastyczności w zakresie od 275 do 700 MPa (tabl. 6.11).

---