Какую сталь называют кипящей и где ее используют

Спокойная сталь уже прошла процесс раскисления, что является важным этапом в металлургическом производстве. Структура слитков данной стали отличается своей однородностью и плотностью, позволяя ей выдерживать значительные ударные нагрузки. Благодаря этим характеристикам, она идеально подходит для соединения методом сваривания, что делает её универсальной в различных сферах применения.

Структура слитка малораскисленного металла

Основным признаком слитка кипящей стали является отсутствие сосредоточенной усадочной раковины. Структура слитка непосредственно зависит от интенсивности и продолжительности кипения расплава. В застывшем состоянии он имеет пять зон, каждая из которых играет свою роль в характеристиках материала:

• Наружная плотная корка, которая обеспечивает защиту внутренних слоев;
• Скопление сотовых пузырей, обладающих вытянутой формой, что важно для прочности;
• Промежуточная зона между сотовыми и вторичными пузырями, способствующая равномерности структуры;
• Глубинные (вторичные) воздушные пузыри, которые также влияют на характеристики металла;
• Сердцевина слитка, представляющая собой зону, насыщенную глубокими пузырями.

В высококачественных слитках наружная корка настолько плотная и толстая, что при нагреве и прокатке скопление сотовых пузырей остается нераскрытым, что снижает риск возникновения дефектов.

Закупоренная – разновидность кипящей стали

В зависимости от степени подавления выделения газов во время затвердевания расплава, материал классифицируется между кипящими и полуспокойными сталями. Отличительная особенность данной технологии заключается в закупоривании слитка сверху после разливки, что достигается как механическим, так и химическим способом.

• При механическом закупоривании слиток закрывается тяжелой чугунной крышкой, что позволяет предотвратить выделение газов;
• Химическое закупоривание осуществляется путем добавления присадок, таких как алюминий или ферросилиций, в изложницу. Это способствует ускоренному твердению верхней части слитка, которая затем отрезается и утилизируется.

Использование данной методики позволяет значительно уменьшить время выделения газов и, соответственно, уменьшить количество воздушных пузырей внутри материала.

Основные характеристики

Кипящие стали характеризуются неоднородной структурой и химическим составом, что в свою очередь приводит к снижению некоторых эксплуатационных характеристик. Прочность металла может снижаться из-за завариваемых в процессе прокатки воздушных пузырей, которые при вальцовке или формовке могут способствовать расслоению материала.

• Проблемы при сварке- это связано с ярко выраженной неравномерностью толщины изделий и расположением таких элементов, как фосфор и сера, которые негативно влияют на свойства металла. Зоны с повышенным содержанием серы могут стать причиной появления трещин в шве и вокруг него;
• Старение в районе сварного шва приводит к охрупчиванию материала при отрицательных температурах, что является серьезным недостатком;
• Кипящие стали подвержены коррозии в большей степени по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями, что ограничивает их применение в агрессивных средах.

​ Кипящие стали и их особенности

Кипящая сталь — это термин, часто встречающийся в сталелитейной промышленности, который обозначает определенный вид металла, полученного через особые производственные процессы и маркировку. Чтобы осознать концепцию кипящей стали, необходимо понимать её уникальные характеристики и состав.

Сталь классифицируются по степени раскисления с целью снижения негативного влияния кислорода на железо. При разливке стали в слитки маркировка формируется на основании трех основных признаков и одного второстепенного. Качество раскисления определяет тип металла и зависит от концентрации газов, выделяющихся в процессе затвердевания.

Существуют различные типы металлических сплавов:

• Спокойная сталь — содержит низкую концентрацию кремния, не превышающую 0,12%. Этот сплав отличается минимальным количеством неметаллических примесей и обладает однородной плотной структурой. Он демонстрирует выдающиеся механические свойства и активно используется в сварочных процедурах благодаря высокой устойчивости к механическим нагрузкам и деформациям. В частности, спокойная сталь часто применяется при создании несущих металлических конструкций, способных выдерживать высокие нагрузки. Полуспокойная сталь — это разновидность сплава, который может кристаллизоваться без применения метода кипения, что приводит к значительному выделению газа. Она сопоставима по свойствам со спокойной сталью и иногда используется как её замена, но имеет менее выраженные газовые пузыри в своем составе.
• Кипящая сталь — это тип металлического сплава, который включает такие химические элементы, как углерод, критически важные для получения определенных металлических изделий через пластическую деформацию, как горячую, так и холодную. В процессе производства может добавляться ряд примесей и других элементов, чтобы изменить свойства материала. Например, добавление углерода может повысить прочность сталей, но если его содержание превышает 2,14%, сталь становится чугуном.
• Закупоренная сталь — это второй тип сплава, аналогичный кипящей стали, но с отличием в том, что выделение углерода во время затвердевания находится на уровне между спокойным и кипящим типами. Для получения кипящей стали необходимо добавление небольшого количества раскислителей, которое способствует образованию внешнего слоя сплава с ускоренным затвердеванием.

При анализе химического состава стали следует выделить углеродистую сталь, которая не содержит примесей, улучшение характеристик metalher в такой стали невозможно, и легированную сталь, которая содержит добавки таких химических элементов, как марганец, хром, никель, кремний и другие компоненты с целью повышения технологических свойств.

Характеристики кипящей стали

Кипящая сталь представляет собой тип низкоуглеродистой стали, которая претерпевает незначительное раскисление после выхода из специальной металлургической печи. Название этого сплава происходит от того, что в процессе затвердевания и разливки металла происходят химические реакции, вызывающие его кипение и выделяющие пузырьки угарного газа CO. Благодаря своей доступности и пластичности, а также практически полному отсутствию неметаллических примесей, кипящая сталь находит широкий спектр применения в различных отраслях.

Кипящая сталь характеризуется высокой концентрацией химических элементов, включая:

• Сера и фосфор, содержание которых может достигать 5%;
• Кремний, уровень которого может достигать 0,07%.

Кипящая сталь обладает рядом особенностей, в том числе, она более подвержена деформационному старению, чем другие виды стали, и имеет склонность к расслоению на местах соединения пузырьков. Кроме того, она способна выдерживать низкие температуры до -20°C и имеет жаростойкость до 100°C. Но при этом она не устойчива к пульсирующим и динамическим нагрузкам.

Кипящая сталь не подходит для сварки из-за своей неспособности к прочной сцепке, что ограничивает её применение в сварных конструкциях. Также этот сплав подвержен коррозии, поскольку он изготавливается без использования сильнодействующих раскислителей, которые обычно возникают в процессе кипения газообразных сред.
Затвердевший слиток кипящей стали в общем состоит из пяти слоев, каждый из которых имеет уникальные характеристики. Сердцевина содержит глубокие пузырьки, второй слой — это зона вторичных воздушных пустот. Третий — промежуточный слой, за ним следует область накопления пузырьков в виде вытянутых оболочек и, наконец, внешний слой, представляющий собой жесткую оболочку.
Высококачественные литые металлы обладают толстой и плотной поверхностью, при прокатке которой скупление пузырьков остается нераскрытым.

Маркировки кипящих сталей

Кипящая сталь, как и другие металлические изделия, имеет специфическую маркировку, которая позволяет определить её характеристики. Стандартная маркировка, используемая для идентификации данного материала — это «кп». Это буквенное обозначение используется для сталей, производимых согласно ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-88, в которых содержание углерода составляет 0,15%.

• Сталь с маркировкой «05кп» имеет состав, в котором углерод составляет до 0,06%, кремний — до 0,03%, хром — до 0,1% и марганец — до 0,4%. Этот сплав не предназначен для машиностроения и модернизации;
• Сталь марки «08кп» включает содержание углерода от 0,05 до 0,11%, хром (до 0,1%), марганец (в диапазоне 0,25-0,5%) и кремний (до 0,03%).
• Маркировка «10кп» обозначает кипящую сталь, содержащую 0,015% хрома, 0,07-0,14% углерода и кремний (не более 0,07%).
• Кипящая сталь марки «11кп» содержит углерод от 0,05 до 0,12%, хром (до 0,15%) и кремний (не более 0,06%). Сталь «15кп» характеризуется более высокой концентрацией углерода (от 0,12 до 0,19%) и легирована хромом (до 0,25%).
• Кипящая сталь «18кп» содержит углерод в диапазоне от 0,12% до 0,2% и имеет сниженное содержание хрома.

Все марки стали могут определяться содержанием кремния не более 0,04% и фосфора не более 0,035%. В марках «11кп» и «18кп» может присутствовать остаточное содержание меди в своем составе.

Области применения кипящей стали

Кипящая сталь имеет ограниченные области применения. Она не может быть использована для производства крепежных элементов для котлов с высоким давлением, металлических конструкций или устройств, которые функционируют при температурах ниже -20°C, а также деталей, контактирующих с агрессивными, легковоспламеняющимися или взрывоопасными материалами. Тем не менее, она подходит для производства основных металлических изделий, таких как трубы, прутки, листы и проволока.

Характеристики и свойства

• Подверженность деформационному старению;
• Склонность к расслоению в местах соединения пузырей;
• Морозостойкость до -20 градусов по Цельсию;
• Неустойчивость к пульсирующим и динамическим нагрузкам;
• Термостойкость до 100 градусов.

Свойства материала определяются его составом и продолжительностью кипения. Металл обладает хрупкостью и плохо поддается сварочным соединениям. Коррозионные процессы в нем протекают быстрее, чем в других углеродистых сплавах. Металл изготавливается без использования сильнодействующих раскислителей, а образующиеся в процессе кипения газообразные среды включают углекислый газ (CO), метан, водород и азот.

Затвердевший слиток имеет структуру, состоящую из пяти зон.

1. Сердцевина, насыщенная глубинными пузырями.
2. Зона вторичных воздушных пустот.
3. Промежуточная прослойка между другими зонами.
4. Область сотовых пузырей с вытянутой оболочкой.
5. Наружная жесткая оболочка, которая в качественно отлитом металле формируется толстой и плотной, что позволяет при прокатке сохранить пузырьки под ней нераскрытыми.

Кипящая сталь может быть закупоренной. В этом случае слиток при размещении в изложнице дополнительно герметизируется чугунной крышкой или покрывается присадками на основе ферросилицы и алюминия.

Используя такую технологию производства, удается достичь более быстрого затвердевания верхней части слитка и сокращения количества воздушных пузырей в структуре, что в свою очередь улучшает качество материала.

Марки

Кипящая сталь включает в себя следующие марки:

• 05кп. Характеризуется содержанием углерода до 0,06%, кремния до 0,03%, хрома до 0,10% и марганца до 0,40%. Этот сплав не подходит для применения в модернизации и производстве техники;

• 08кп. Сталь с содержанием углерода в диапазоне 0,05-0,11%, хромом до 0,10%, марганцем от 0,25 до 0,50% и кремнием до 0,03%.

• 10кп. Характеризуется содержанием углерода от 0,07 до 0,14%, хром при этом составляет 0,15%, а содержание кремния не превышает 0,07%.

• 15кп. Эта сталь имеет повышенное содержание углерода, которое колеблется между 0,12 и 0,19%, и легируется хромом до 0,25%.

• 18кп. У этого материала содержание углерода варьируется от 0,12% до 0,20%, при этом хрома становится меньше — до 0,15%.

• 20кп. Это самая высокоуглеродистая марка в данной группе. Содержит углерод в пределах 0,17-0,24%.

Содержание серы в каждой из указанных марок нормировано в пределах 0,040%, фосфора — 0,035%. В составе марок 11кп и 18кп может присутствовать остаточное содержание меди в объеме до 0,20%. Таким образом, большинство изделий из этих сталей относят к группе обыкновенного качества.

Также к кипящим сталям относятся строительные стали марок Ст2пс (сп/кп), Ст3кп, Ст4кп.

Свойства кипящей стали

Кипящая сталь выделяется рядом основных свойств:

• Прочность и пластичность: несмотря на относительно низкую концентрацию углерода, сталь обладает высокой прочностью, что способствует её пластичности.
• Меньшая плотность: благодаря наличию газовых пузырьков, плотность кипящей стали ниже, чем у спокойных аналогов.
• Неоднородная структура: из-за недостаточного раскисления кипящая сталь может иметь неоднородное внутреннее строение, что следует учитывать при её использовании в ответственных конструкциях.

Область применения кипящей стали

Кипящая сталь находит широкое применение в различных отраслях, где её экономичность и удовлетворительные механические свойства являются важными факторами.

• Строительство: одно из основных применений кипящей стали связано с производством строительных металлоконструкций. Она широко используется для изготовления балок, колонн, труб и других компонентов, играющих ключевую роль в создании каркасов зданий.
• Металлопрокат: кипящая сталь активно используется для производства как горячекатаного, так и холоднокатаного проката. Относительно низкая себестоимость и хорошая прокатываемость делают её подходящей для изготовления листов и профилей.
• Промышленное производство: в производстве различных изделий, таких как детали для бытовой техники или мелкие металлические конструкции, кипящая сталь также находит свое применение.

Маркировка кипящей стали

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

• 05кп – углерод в пределах 0,06%, кремний – 0,03%, хром в диапазоне до 0.10%, марганец до 0,4%.
• 08кп – углерод – от 0,05 до 0,11%, хром до 0,10%, марганец от 0,25 до 0,50%, кремний до 0,03%.
• 10кп – хром – 0,15%, углерод — от 0,07 до 0,14%, содержание кремния не превышает 0,07%.
• 11кп – содержание углерода диапазоном от 0,05 до 0,12%, хром – 0,15%, кремний – до 0,06%.

Другими словами, маркировка кипящей стали основана на содержании углерода в сплаве, выраженном в сотых или десятках долях.

Применение кипящей стали

Из-за ограниченных эксплуатационных свойств использование кипящей стали запрещено в следующих сферах:

• Для крепежных элементов котлов, работающих в условиях повышенного давления;
• В конструкциях, эксплуатируемых при температурах ниже -20 градусов;
• В оборудовании, подверженном влиянию пульсирующих нагрузок или динамически изменяемым параметрам.
• В аппаратах, взаимодействующих с агрессивными веществами или средами.

Тем не менее, характеристики кипящей стали позволяют эффективно использовать ее для создания металлопроката в различных формах:

1. Трубы;
2. Прутки и листы;
3. Полосы и проволока;
4. Штрипс и плиты малой толщины.

Сплав «кп» применяют при производстве изделий, не обладающих критическим влиянием на конструкцию или эксплуатацию объектов.