Путешествие в Страну элементов

Сведений о составе стали недостаточно для оценки ее свойств; нужно знать также структуру металла. В металлургии широко применяется так называемый физико-химический анализ, сущность которого в определении зависимости свойств металла от его состава. Полученные данные наносят на бумагу в виде графиков, называемых диаграммами состояния. Например, можно составить диаграмму плавкости сплавов железа с углеродом, которая покажет, как меняется температура плавления металла в зависимости от содержания в нем углерода. На такой диаграмме на основании опытных данных можно выделить области температур и состава, в которых могут существовать те или иные вещества или их модификации, например Fe₃C, альфа- или гамма-железо и т. д.

Когда такая диаграмма составлена, по ней легко можно проследить, какие изменения происходят в металле при его охлаждении и какими взаимными переходами связаны различные вещества, входящие в структуру металла. Физико-химический анализ, создателем которого был знаменитый русский ученый Н. С. Курнаков, широко используется для изучения свойств сплавов.

Мы уже говорили, что чем меньше и компактнее зерна внутренней структуры металла, тем выше его прочность. Внутреннюю кристаллическую структуру металла изучают, например, под микроскопом. Для этого поверхность образца полируют и на полученный шлиф действуют различными химическими веществами (так называемое травление).

Если металл неоднороден, то разные его составные части по-разному будут разрушаться при травлении, а это обнаружится при микроскопическом исследовании. Понятно, для таких металлографических исследований нужен специальный микроскоп, работающий в отраженном свете, так как металл непрозрачен. Ценные данные позволяет получить и рентгенографический метод исследования.

Без точных научных методов исследования металлов, сплавов и их свойств было бы немыслимо получение материалов с нужными, заранее заданными свойствами.

От мартена к готовой продукции

Вернемся снова в мартеновский цех. Плавка закончена, в мартене ослепительно сияет расплавленный металл. Лабораторный анализ показал, что сталь заданного состава готова. Кажется, можно облегченно вздохнуть: долгий и трудный путь железа от руды до готового металла закончен. Но не тут-то было! Готовую сталь разливают в изложницы и оставляют для охлаждения.

Что происходит при этом?

Сталь при охлаждении уменьшается в объеме, «усаживается». В результате в верхней части слитка образуется усадочная раковина. Ясно, что металл с такой раковиной «работать» не может, поэтому верхнюю часть слитка срезают и отправляют в переплавку.

При охлаждении стали в изложнице кристаллизация металла происходит неравномерно, слиток получается неоднородным: возле стенок изложницы кристаллы получаются мелкие, а в более глубоких слоях, где охлаждение происходит медленнее, зерна металла бывают более крупными. Чтобы устранить неоднородность и улучшить механические свойства металла, слитки приходится дополнительно обрабатывать, обжимать.

Нагретые до 1100–1200 градусов слитки поступают на блюминги и слябинги. Здесь раскаленный слиток обжимается между валками, расстояние между которыми постепенно уменьшается. Металл слитка при этом уплотняется, перемешивается. Специальное приспособление перемещает слиток, переворачивает его с боку на бок. В конце концов слиток выходит из «железных объятий» блюминга в виде бруса квадратного сечения, который разрезается на отдельные куски — блюмы. На слябингах одна пара обжимных валков установлена вертикально, другая — горизонтально. Поскольку диаметр валков для каждой пары свой, то слиток на слябинге превращается не в брус, а в пластину, которую разрезают на слябы.

Как мы видим, прежде чем отправить сталь на дальнейшую обработку, приходится выполнить последовательно две операции — разливку и охлаждение стали в изложницах и затем обработку слитков в обжимных цехах.

А нельзя ли объединить каким-то образом эти две операции? Оказывается, можно.

В нашей стране уже работают установки для непрерывной разливки стали. Здесь сталь заливается в кристаллизатор — изложницу с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Проходит несколько минут, и наружный слой стали затвердевает. После этого специальный механизм вытягивает слиток из кристаллизатора вниз. Сверху поступают новые порции расплавленного металла, которые давят на расположенные ниже слои и не дают образоваться усадочной раковине. Таким образом, получается нечто похожее на один длинный слиток. Пока первые порции стали доходят до конца системы, металл полностью затвердевает. Полученный слиток однороден, резко уменьшаются отходы. Из установки после разрезания слитка выходят уже готовые блюмы.

В наше время научная мысль и практика металлургии дают и другие способы улучшения структуры металла. На очереди стоит широкое внедрение вакуумной разливки стали. При этом растворенные в расплавленном металле газы удаляются и структура стали улучшается.