Стали, используемые в сварных строительных металлоконструкциях, различаются по ряду признаков, отражающих их изготовление, служебные свойства и область применения. Важнейшими из этих признаков являются способ выплавки и разливки, степень раскисленности, химический состав, состояние поставки, уровень (класс) прочности и категория (группа) качества по хладостойкости.

По способу выплавки применяемую в сварных металлоконструкциях сталь можно разделить на мартеновскую, кислородно-конвертерную и электросталь. Кроме того для особо ответственных конструкций перспективна сталь из железа прямого восстановления и после рафинирующего, преимущественно электрошлакового переплава.

До 1960 г. для строительных металлоконструкций использовали почти исключительно сталь, выплавленную в мартеновских печах. В последующий период во всем мире получил большое распространение наиболее производительный способ выплавки в кислородных конвертерах. Качество кислородно-конвертерной стали не уступает качеству мартеновской и с 1971 г. сталь, выплавленную в мартеновских печах и кислородных конвертерах, в нормах на поставку и применение стального проката не разделяют. Необходимым условием для этого является высокая чистота используемого для продувки конвертерной плавки кислорода - не менее 99,5 % 02; при меньшей чистоте в сталь попадает азот воздуха, способствующий повышению склонности к механическому старению и снижению хладостойкости.

С пуском крупных элоктродуговых печей, имеющих массу плавки 100-250 т и более, увеличилась выплавка строительной стали в электропечах. Эта сталь отличается повышенной чистотой по содержанию вредных примесей - серы и фосфора. Еще более низкое содержание этих нежелательных элементов, а также примесей металлов: олова, сурьмы, висмута, способствующих отпускной хрупкости, удается получить в стали из железа прямого восстановления. Для этого материала исходным продуктом служит не передельный чугун, выплавленный в доменных печах, а губчатое железо, получаемое обработкой рудного концентрата в специальных восстановительных печах. Окончательный продукт выплавляют в электродуговых печах и (или) кислородных конвертерах.

В процессе электрошлакового переплава исходные плоские заготовки (слябы) из стали мартеновской, кислородно-конвертерной или электропечной выплавок последовательно переплавляются в ванне из жидкой шлаковой смеси специального химического состава, нагреваемой электрическим током [22]. При этом содержание серы и кислорода в металле уменьшается в 2-3 раза. Неметаллические включения, еще остающиеся в слитке, имеют малые размеры и равномерно распределены. В настоящее время этим способом получают слитки массой по 15-25 т, подвергаемые обычному переделу. Этой же цели - уменьшению содержания вредных примесей и более однородному их распределению служит получившая в последнее время применение внепечная обработка жидкой стали. Она производится после выпуска металла из сталеплавильного агрегата в ковш и может включать ряд операций: обработку в промежуточном ковше жидкими синтетическими шлаками, перемешивание металла струей газообразного аргона с одновременным вдуванием порошка энергичного раскислителя и десульфуратора (например, силикокальция), вакуумирование. Сталь после внепечной обработки по качеству в части содержания примесей и однородности их распределения часто не уступает металлу электрошлакового переплава, выгодно отличаясь от него меньшей стоимостью.

По степени раскисленное™ сталь делят на кипящую, полуспокойную и спокойную. При выплавке стали в печи или конвертере из передельного чугуна, содержащего 3-4 % углерода, окисление углерода (до содержания 0,06-0,25 % С в стали) связано с образованием газообразных продуктов СО и С02, вызывающих кипение металлической ванны. Если не проводить раскисления, то кипение продолжается после выпуска плавки в ковш и после разливки ее в изложницы до затвердевания слитка. Такая сталь называется кипящей.

Выделение газообразных продуктов при кристаллизации слитка кипящей стали приводит к резкому усилению его неоднородности по содержанию углерода, серы и фосфора, называемой ликвацией. Головная часть и сердцевина слитка обогащены примесями, а периферия и дно бедны ими. Наблюдаются также почти вертикальные полосы ликвации, называемые «усами». Зона максимального содержания ликвирующих элементов в слитке кипящей стали расположена на расстоянии 5-15 % высоты слитка от его верха, ликвация по углероду достигает 400 % и по сере - 900 % среднего содержания этих элементов в плавке.

Идущая в отход при прокатке головная часть слитка (обрезь) кипящей стали составляет 4-10 % его массы. При такой обрези из обычного слитка массой 8-25 т возможно получение проката, в котором имеются обширные зоны ликвации с содержанием углерода до 0,3-0,4 % и серы до 0,15 % при среднеплавочном содержании 0,12-0,22% С и < 0,05% S. В результате разные листы или профили, входящие в одну партию (плавку) кипящей стали, но изготовленные из разных частей слитка (головной, средней или донной) неодинаковы по содержанию углерода, серы и фосфора.

По сечению готового проката углерод и примеси также распределены неравномерно: центральные слои обогащены ими, наружные бедны. Неоднородность химического состава проката сопровождается неоднородностью микроструктуры и механических свойств.

Другими особенностями кипящей стали являются высокое содержание кислорода, низкое содержание таких элементов, как кремний, марганец, алюминий и повышенная склонность к образованию крупнозернистой микроструктуры. Вследствие этого кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и сопротивления хрупкому разрушению, особенно в прокате значительной толщины (20 мм и более).

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи. При этом в жидкий металл вводятся энергичные раскисли-тели: марганец, кремний, алюминий, иногда кальций или титан. Эти элементы обладают большим сродством к кислороду, чем углерод, поэтому окисление углерода прекращается, и сталь перестает кипеть. Благодаря этому слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящей. Ликвация по углероду лишь на 60 %, а по сере на ПО % превышает среднеплавочное содержание этих элементов.

Содержание кислорода в спокойной стали менее высокое. Наличие в химическом составе элементов-рас кислител ей и, главное, остаточного алюминия делает спокойную сталь менее склонной к росту зерна. Поэтому прочностные свойства и сопротивление хрупкому разрушению в более однородном и мелкозернистом прокате спокойной стали выше, чем в прокате кипящей.

Вместе с тем затвердевание слитка спокойной стали связано с образованием большой усадочной раковины. Для получения здорового тела слитка сталь разливают в изложницы с теплоизолирующими прибыльными надставками. Усадочная раковина образуется в верхней утепленной части слитка, которую при прокатке удаляют. Обрезь составляет 12-16 % массы слитка. Поэтому выход годного проката из слитков спокойной стали меньше, чем из слитков кипящей. Вследствие этого, а также из-за большей продолжительности плавки за счет операции раскисления, дополнительного расхода ферросплавов и алюминия спокойная сталь дороже кипящей.

Низкое качество кипящей стали и небольшая технико-экономическая эффективность спокойной послужили стимулом к разработке варианта с промежуточной степенью раскисленности - полуспокойной стали [23]. Она выплавляется как кипящая, но в ковше или при разливке в изложницы обрабатывается небольшим количеством раскислителей, гораздо меньшим, чем при выплавке спокойной стали. Обычно применяют комплексное раскисление ферросилицием и алюминием. Быстрое прекращение кипения и затвердевание головной части слитка предотвращают развитие большой химической неоднородности. При этом для ликвации в слитках полуспокойной стали характерно превышение среднеплавочного содержания углерода на 80 % и серы на 150 %. Расстояние осевой ликвационной зоны от верха слитка составляет 15-30 % его высоты; головная обрезь - 3-5 % массы слитка.

Производство полуспокойных сталей характеризуется высокой технико-экономической эффективностью. В сравнении с производством спокойной стали выход годного проката из слитков выше на 8-10 %, расход ферросилиция на раскисление снижен в 2-5 раз, алюминия в 5 раз, существенно уменьшается количество изложниц и трудоемкость их подготовки. Себестоимость и цена проката из полуспокойной стали на 2-9 % ниже, чем из спокойной. Вместе с тем по качеству в части однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, сопротивлению хрупкому разрушению и показателям прочности прокат полуспокойной стали уступает прокату спокойной стали, занимая между ним и прокатом кипящей стали промежуточное положение.

Способ разливки также влияет на качество готового проката. Имеются разные способы разливки на слитки в изложницы. Однако их различие (связанное с решением тех или иных технологических задач) не вносит принципиальных изменений в структуру и свойства готового проката.

Значительно большие изменения возникают при переходе на новый прогрессивный способ получения слитков на машинах непрерывного литья заготовок [24]. Новый способ имеет большое народнохозяйственное значение, так как позволяет избежать прокатки слитков на обжимных, заготовительных станах; при этом резко увеличивается выход годного проката из слитков, уменьшаются энергетические и материальные затраты производства. Вместе с тем специфическая структура слитка, отражающая условия формирования непрерывнолитой заготовки в полом водоохлаждаемом кристаллизаторе при непрерывном вытягивании, является причиной возможного возникновения специфических дефектов. Главные из них -осевая рыхлость, осевая химическая неоднородность, осевые трещины. В поперечном сечении листовой заготовки (сляба) эти дефекты располагаются в зоне, имеющей вид прямолинейной полосы, проходящей по центру сечения параллельно большим граням слитка.

В готовом прокате осевая химическая неоднородность проявляется в виде сильно обогащенного углеродом, серой и фосфором (иногда и марганцем) центрального слоя толщиной 0,5-3 мм в срединной плоскости листа. Этот слой служит местом образования неблагоприятной микроструктуры, снижает пластичность и прочность при растяжении в направлении толщины; в нем концентрируются неметаллические включения и нарушения сплошности. Часто нарушения сплошности в виде трещин слоистого разрушения в зоне осевой ликвации листов из непре-рывнолитых заготовок образуются у потребителя при сварке, огневой резке, рубке на ножницах, штамповке и гибке.

Согласно многочисленным (главным образом зарубежным) исследованиям исключить или уменьшить осевую химическую неоднородность и вероятность образования связанных с ней дефектов удается комплексом мероприятий, включающим повышение чистоты стали по неметаллическим включениям, например вне-печной обработкой, снижением температуры литья, точным регулированием зазора между роликами, вытягивающими заготовку из кристаллизатора, применением устройств для электромагнитного перемешивания затвердевающего расплава в слитке и др. К сожалению, в нашей стране этой проблеме пока не уделяется необходимого внимания.

В настоящее время разливка на машинах непрерывного литья заготовок производится главным образом для спокойных сталей, реже - для полуспокойных. Разливка этим способом кипящих сталей затруднена образованием в слитках крупных газовых пор.