Кипящая сталь: определение, характеристики стали, назначение и применение
Кипящая сталь широко используется в промышленности благодаря своей доступности и уникальным свойствам. Однако не все знают, чем отличается кипящая сталь от других видов, каковы ее характеристики и области применения. В этой статье мы разберем, что такое кипящая сталь, ее особенности, маркировку и сферы использования этого удивительного материала. Готовы узнать больше о «кипящем» металле?
Определение кипящей стали
Термин «кипящая сталь» появился в металлургии в конце XIX века. Он используется для обозначения особого вида низкоуглеродистой стали, которая при разливке в изложницы продолжает реагировать с кислородом, выделяя пузырьки газа. Этот процесс напоминает кипение жидкости, отсюда и название.
Кипящая сталь отличается от других видов степенью раскисления. Раскисление - это процесс удаления кислорода, улучшающий качество металла. По этому признаку различают кипящую, полуспокойную и спокойную сталь. Кипящая сталь является наименее раскисленной и содержит больше примесей.
Причина «кипения» кроется в технологии производства. Из сталеплавильной печи кипящая сталь выходит недостаточно раскисленной. Поэтому при застывании продолжаются окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся выделением газов. Это приводит к образованию многочисленных пузырьков внутри слитка.
Технология производства кипящей стали
Главное отличие производства кипящей стали - отсутствие сильных раскислителей, таких как алюминий или титан. Без них сталь выходит из печи недостаточно очищенной от кислорода.
При разливке в изложницы продолжаются процессы окисления углерода растворенным кислородом. Это приводит к образованию следующих 5 зон в структуре слитка:
- Зона с глубинными пузырьками
- Зона с вторичными воздушными пустотами
- Промежуточная зона
- Зона с сотовыми пузырьками
- Твердая наружная оболочка
Существует разновидность «закупоренной» кипящей стали. После разливки слиток дополнительно накрывают крышкой или обрабатывают специальными присадками. Это позволяет снизить газовыделение.
Характеристики и свойства кипящей стали
Кипящая сталь обладает рядом характерных свойств, обусловленных ее производством и структурой:
- Неоднородность химического состава и структуры
- Повышенное содержание серы, фосфора и других примесей
- Склонность к расслоению по границам пузырьков
- Ограниченная свариваемость
- Пониженная коррозионная стойкость
Кипящая сталь может применяться в диапазоне температур от -20 до +100°С. Она неустойчива к динамическим и ударным нагрузкам. При сварке и деформации существует риск расслоения металла.
Тем не менее, благодаря доступности кипящая сталь находит широкое применение для изготовления проката и некритичных деталей машин.
Маркировка кипящей стали
Согласно ГОСТ, кипящие стали маркируются буквами "кп". Например:
- Ст3кп
- 20кп
- 14Г2АФкп
Марка зависит от содержания углерода. Например, в стали Ст3кп его около 0,3%, в 20кп - около 0,2%. Кроме того, кипящие стали содержат примеси серы, фосфора и других элементов.
Кипящая сталь отличается от спокойной и полуспокойной более высоким содержанием газов и худшим качеством.
Применение кипящей стали
Из-за особенностей структуры применение кипящей стали ограничено. Ее нельзя использовать для ответственных деталей, работающих в экстремальных условиях.
Однако кипящую сталь активно применяют для производства проката - листов, полос, прутков, труб. Выбор конкретной марки зависит от требований к механическим свойствам и условий эксплуатации.
Благодаря низкой стоимости кипящая сталь остается востребованным материалом в различных отраслях промышленности.
Кипящая сталь в машиностроении
Благодаря доступности, кипящая сталь часто используется в машиностроении. Из нее изготавливают различные неответственные детали - корпуса, кожухи, опоры, кронштейны.
При механической обработке кипящей стали важно учитывать ее склонность к наклепу. Рекомендуется применять оптимальные режимы резания и использовать инструмент с износостойким покрытием.
Для повышения прочности деталей из кипящей стали применяют различные виды термообработки - отжиг, нормализацию, закалку. Выбор режима зависит от химического состава стали и требуемых свойств.
Например, в автомобилестроении из кипящей стали изготавливают несущие элементы кузова, детали подвески, кронштейны и другие ненагруженные детали.
Применение кипящей стали в строительстве
В строительной отрасли кипящая сталь используется для изготовления несущих конструкций зданий и сооружений - балок, ферм, колонн. По сравнению со спокойной сталью, она обеспечивает достаточную надежность при более низкой стоимости.
Соединение строительных конструкций из кипящей стали выполняют сваркой, болтовыми системами или заклепками. При эксплуатации необходим контроль целостности конструкций и защита от коррозии.
Яркий пример использования кипящей стали - Останкинская телебашня в Москве. Ее несущая конструкция сделана из стали обыкновенного качества кипящей.
Коррозионная стойкость кипящей стали
Кипящая сталь подвержена различным видам коррозии - атмосферной, под напряжением, межкристаллитной. Скорость коррозии зависит от состава стали и условий эксплуатации.
Для защиты от коррозии применяют различные методы - металлизацию, пропитку, электрохимическую обработку. При контакте со средами высокой агрессивности предпочтительны марки стали кипящей с повышенным содержанием хрома и никеля.
Перспективы применения кипящей стали
Полосовая кипящая сталь по-прежнему сохраняет широкую востребованность благодаря оптимальному сочетанию стоимости и свойств. Современные технологии позволяют несколько улучшить ее характеристики.
В будущем возможно расширение областей применения кипящей стали за счет нанесения специальных покрытий. Перспективны также композиты на основе кипящей стали с добавлением армирующих волокон и наночастиц.
Способы повышения качества кипящей стали
Несмотря на ограниченное применение, существуют различные способы улучшения качества и свойств кипящей стали:
- Вакуумная обработка расплава для удаления газов
- Введение микролегирующих элементов (ниобий, ванадий, титан)
- Использование электрошлакового переплава
- Применение методов порошковой металлургии
- Компактирование и измельчение структуры проката
Эти методы позволяют получить более однородную и плотную структуру, снизить содержание вредных примесей и газов.
Требования к качеству кипящей стали
Существуют определенные требования к качеству кипящей стали, регламентируемые ГОСТами и техническими условиями:
- Пределы содержания легирующих элементов
- Допустимое количество серы и фосфора
- Требования к механическим свойствам
- Нормы по величине зерна
- Требования к макро- и микроструктуре
Контроль качества кипящей стали проводят физико-химическими и металлографическими методами на всех этапах производства.
Проблемы применения кипящей стали
Несмотря на широкое применение, использование кипящей стали сопряжено с определенными проблемами:
- Низкие показатели прочности и пластичности
- Повышенная хрупкость при отрицательных температурах
- Склонность к коррозии и расслоению
- Необходимость утилизации пузырьковой фракции
- Ограниченная технологичность обработки
Эти недостатки необходимо учитывать при выборе кипящей стали для конкретных целей.
Альтернативы кипящей стали
В зависимости от условий эксплуатации в качестве альтернативы кипящей стали могут рассматриваться:
- Низколегированные стали повышенной прочности
- Высокопрочные низколегированные стали
- Коррозионностойкие хромистые и хромоникелевые стали
- Жаропрочные и жаростойкие стали
- Износостойкие стали и сплавы
Переход на альтернативные материалы может быть оправдан при повышенных требованиях к прочности, стойкости к коррозии и износу.