Кипящая сталь. Какую сталь называют кипящей?

Сталь Silent Steel отличается высокой плотностью и выдающимися механическими характеристиками. Она менее подвержена негативным последствиям, связанным с воздействием сварочного тепла и старением. Однородная (гомогенная) микроструктура обеспечивает сплаву превосходную коррозионную устойчивость и пластичность, что делает его идеальным выбором для многих технических и производственных применений.

Какую сталь называют кипящей

Процесс окисления, присущий производству некоторых металлических сплавов, имеет недостаток в виде формирования крупных пустот внутри структуры. Чтобы исправить этот недостаток, необходимо удалить от 10 до 16 % общей массы отлитого слитка, что приводит к потерям. Эти потери имеют значительное значение для сплавов покоя, по сравнению с таковыми для кипящих сплавов, так как они влияют на качество и конечную стоимость продукта.

Важным моментом в контроле за качеством является использование окислителей в сочетании со свободным кислородом в сплаве, которые выполняют следующие задачи:

• снижение негативного воздействия свободного кислорода на процесс формирования структуры слитка, что может значительно улучшить механические характеристики;
• поддержание высокой температуры, что способствует эффективному выводу газов и шлаков, тем самым увеличивая чистоту сплава;
• обеспечение мелкозернистой и однородной структуры, поскольку образование алюминатов и силикатов улучшает кристаллизацию металла, создавая более прочные и долговечные изделия.

«Закупоренная» сталь

В английском языке термин «кипящая сталь» часто используется для обозначения углеродной стали с губами, что отражает ее главную характеристику — наличие внешней оболочки (или обода), выполненной из чистой стали. Другой тип кипящей стали, упоминаемый в литературе, называется «покрытой сталью». Эта сталь имеет схожие свойства с черновой сталью, но находится между полуспокойной и черновой сталью по степени подавления газов на этапе затвердевания (см. рисунок). Название «покрытая сталь» происходит от английского слова «cap», что переводится как «крышка». Это связано с тем, что прутки изготавливаются с механическим или химическим закрытием сверху, таким образом, обеспечивая их закупоривание, и поэтому этот вид стали может называться «пробковыми сталями» в русском языке.

При производстве блоков из штепсельной стали достигается уменьшение использования окислителей по сравнению с производством полуспокойной стали. Это позволяет в некоторой степени контролировать образование защищающего внешнего слоя слитка на этапе затвердевания.

Дополнительно, технология резки прутка представляет собой вариант процедуры производства стали, основанной на методах варки. Процесс герметизации слитка существенно сокращает время эволюции газа и предотвращает образование избыточных пузырьков газа внутри самого слитка. Штампованные прутки обычно предназначены для сталей с углеродом более 0,15%, которые впоследствии используются для создания листов, полос, тонких металлических листов, проволоки и прутков.

Чтобы предотвратить образование внешней оболочки, как в случае с кипящими слитками, во время механического уплотнения стальных слитков используются тяжелые чугунные крышки, которые плотно закрывают верхнюю часть слитка. Химическое уплотнение слитков осуществляется путем добавления алюминия или ферросилиция, что приводит к быстрому затвердеванию верхней части слитка. После этого верхняя часть отрезается и уходит в металлолом.

В зависимости от степени раскисления, сталь делится на несколько категорий:

Бесшумная сталь

— Это окисленная сталь с минимальным содержанием шлака и неметаллических примесей. В отличие от кипящей или полуспокойной стали, бесшумная сталь более окислена и содержит больше сильных окислителей — ферросилиция, алюминия и других — которые могут быть добавлены в печь или ковш, а порой даже в формы для литья. В результате такой сталь кристаллизуется тихо, без пузырений и искр, и имеет плотно упакованную структуру. На этой стали часто ставятся буквы «sp».

Полутвердая сталь — это сталь, полученная в результате окисления (в печи, ковше или на литейном производстве) жидкого металла с меньшей степенью неравномерности по сравнению с неподвижной сталью, но большей, чем у кипящей стали. Такой тип стали застывает без пузырьков, но с меньшим количеством выделяемых газов. Полуспокойный стальной слиток более однороден и содержит меньше пузырьков, чем кипящие стальные слитки, в то время как усадочные раковины в полуспокойном слитке меньше по сравнению с покоящейся сталью. В результате по своим качественным характеристикам полутвердая сталь приближается к стальным сплавам покоя. Эта сталь обозначается буквами «ps».

Кипящая сталь — это сталь, которая не имеет окислительных примесей и содержит высокие уровни неметаллических добавок. Эта сталь с низким содержанием углерода поступает со сталелитейных заводов и имеет легкую степень раскисления, что ведет к продолжению окислительной реакции во время застывания в формах за счет растворенного кислорода. Это проявляется через выделение пузырьков газа, что и дает название этому типу стали. Эта сталь обозначается буквами «kp».

Какие бывают марки спокойных сталей?

Полностью окисленные стали классифицируются следующим образом:

• Спокойные сплавы, насыщенные углеродом (производство которых осуществляется в строгом соответствии с требованиями ГОСТа 380-2005);
• Металлы обычного и высокого качества (в соответствии с ГОСТ 1050-88);
• Составы, содержащие низкие, средние или высокие уровни легирующих компонентов.

Важно заметить, что углеродистые стали маркируются «sp». Сплавы, которые получают методом непрерывного литья, полностью проходят процесс раскисления в ходе своего производства.

Структура слитка малораскисленного металла

Ключевой характеристикой кипящих стальных слитков является отсутствие конденсированных усадочных раковин. Структура этих слитков напрямую зависит от интенсивности и времени кипения расплава. В затвердевшем состоянии слиток разделяется на пять зон:

• наружная плотная корка; это основа, которая обеспечивает прочность;
• скопление сотовых пузырей, имеющих вытянутую форму; это часть, которая обычно указывает на нестабильность структуры;
• промежуточная зона между сотовыми и вторичными пузырями; это область, отражающая переходные свойства;
• скопление глубинных (вторичных) воздушных пузырей; они могут свидетельствовать о возможных структурах дефектов;
• сердцевина слитка – зона глубинных пузырей; эта часть наиболее уязвима к повреждениям.

В качественных слитках внешняя корка настолько герметична и толстая, что скопления пузырьков не вскрываются в процессе нагрева и прокатки, что способствует повышению надежности и долговечности конечного изделия.

«Закупоренная» – разновидность кипящей стали

В зависимости от степени подавления газов в процессе затвердевания расплава материал характеризуется как находящийся между кипящими и полукипящими сталями. Отличие этой технологии заключается в том, что слиток после разливки закрывается механическим или химическим способом, что способствует улучшению эксплуатационных характеристик конечного материала.

• При механическом закупоривании слиток закрывается тяжелой чугунной крышкой, что обеспечивает его герметичность.
• Химическое закупоривание достигается добавлением в верхнюю часть слитка алюминия или ферросилиция, что ускоряет процесс затвердевания верхнего слоя, который затем отрезается и отправляется в отходы.

Данная технология позволяет сократить время выхода газов и уменьшить количество воздушных пузырьков в структуре самого слитка, что в свою очередь значительно улучшает его механические свойства.

Основные характеристики

Кипящие стали имеют неоднородную структуру и химический состав, что приводит к снижению некоторых эксплуатационных характеристик. Прочность металла снижается из-за пузырьков воздуха, встраиваемых во время прокатки, что может привести к расслоению материала на стадии дальнейшей обработки.

• Свариваемость таких сталей проблематична из-за выраженной неравномерности по толщине изделия, где расположение фосфора и серы влияет на свойства металла. Повышенное содержание серы в определенных зонах может стать причиной образования трещин в сварных швах.
• Металл вблизи зоны сварного шва более предрасположен к старению, что ведет к его хрупкости при низких температурах.
• Кипящие стали более подвержены коррозии по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями, что необходимо учитывать при выборе материала для определенных условий эксплуатации.

Области применения кипящей стали

На использование изделий из кипящей стали накладываются определенные ограничения, связанные с их эксплуатационными характеристиками. Запрещено использование кипящей стали в следующих сферах:

• для изготовления крепежных элементов котлов, работающих под давлением;
• в конструкциях и оборудовании, которые будут эксплуатироваться при температурах ниже -20°C;
• в аппаратах, подверженных воздействию динамических, знакопеременных и пульсирующих нагрузок;
• в оборудовании и конструкциях, которые могут контактировать с агрессивными, взрыво- и пожароопасными средами, а также с сжатыми или сжиженными газами.

Тем не менее, кипящие прутки все же находят свое применение в производстве полос, листов, тонких пластин, проволоки, прутков, лент и труб, так как они идеально подходят для изготовления обычных изделий, которые не требуют высокой прочности и устойчивости к коррозии.

Какие марки углеродистых сталей могут относиться к кипящим?

Для производства кипящих сплавов используются следующие марки сталей:

• углеродистые стали обыкновенного качества – кипящие сплавы изготавливаются согласно ГОСТу 380-2005, они обозначаются как «кп»;
• качественные и высококачественные стали – регулируются ГОСТом 1050-88, также обозначаются буквой «кп».

В производстве наиболее часто применяются стали, содержащие углерод в количестве более 0,15%.

Характеристики кипящей стали

Рассмотрим свойства кипящей стали более подробно. Структура этого сплава не является однородной, что, в свою очередь, значительно влияет на область его применения и механические свойства материала. Наличие воздушных пузырьков внутри сплава значительно снижает прочность металла, и в процессе дальнейшей обработки он может легко расслаиваться.

Свойства данного сплава можно выделить следующим образом:

• Сварка кипящей стали может возникнуть сложности из-за неравномерного распределения фосфора и серы в изделии. Участки, где концентрация серы превышает норму, могут приводить к появлению кристаллизованных трещин в зоне сварки.
• Металл, расположенный рядом со сварными швами, подвержен быстрому старению, его структура становится хрупкой и менее стойкой к внешним воздействиям.
• Сравнительно высокое подвержение к коррозии делает этот металл менее подходящим для использования в агрессивных условиях.
• Температура термостойкости достигает +100 градусов.
• Структура материала имеет тенденцию к расслоению, что создает риски при использовании в ответственных конструкциях.
• Кипящая сталь проявляет устойчивость к морозным условиям, выдерживая температуры до -2 градусов.

Несмотря на перечисленные недостатки, у этого материала есть свои преимущества. Например, использование кипящих сталей в производстве конвейерных лент оказывается экономически обоснованным, так как их производство является дешевым. Кроме того, они демонстрируют вязкость и содержат малое количество неметаллических включений в расплаве.

Маркировка кипящей стали

Согласно требованиям ГОСТ 380-2005, кипящие сплавы обозначаются буквами «кп». Рассмотрим несколько примеров маркировки кипящей стали:

• 05кп – углерод здесь не превышает 0.06%, кремний составляет 0.03%, хром – 0.10%, а марганец – 0.4%;
• 08кп – углерод варьируется от 0.05 до 0.11%, хром – 0.10%, марганец находится в пределах 0.25-0.50%, кремний – до 0.03%;
• 10кп – углерод составляет 0.07-0.14%, хром – 0.15%, кремний – 0.07%;
• 11кп – содержание углерода колеблется от 0.05 до 0.12%, хром – 0.15%, а кремний – до 0.06%.

Следовательно, маркировка кипящей стали основывается на содержании углерода в сплаве, выраженном в процентах или десятых долях.

Применение кипящей стали

Из-за снижения эксплуатационных характеристик использование кипящей стали ограничено в нескольких важных областях:

• В крепежных элементах котлов, эксплуатируемых при повышенном давлении;
• В конструкциях, которые будут использоваться при температурах ниже -20 градусов Цельсия;
• В аппаратах, работающих под пульсирующими нагрузками или имеющими динамические составляющие;
• В оборудовании, которое может контактировать с агрессивными средами или веществами.

Тем не менее, свойства кипящей стали остаются актуальными для производства различных прокатных изделий, таких как:

1. труб;
2. прутьев и листов;
3. полос и проволоки;
4. штрипсов и плит малых толщин.

Сплавы, маркированные как «кп», применяются для производства изделий, которые не оказывают критического влияния на прочность и надежность конструкций, в которых они будут использованы.