Температура плавления стали¶

Температура плавления стали — это температурный диапазон, при котором сталь переходит из твёрдого состояния в жидкое. В отличие от чистых металлов, обладающих строго определённой точкой плавления, сталь как сплав железа с углеродом и другими элементами плавится в интервале температур, зависящем от химического состава. Для большинства конструкционных и инструментальных сталей этот диапазон составляет примерно 1370–1530 °C.

¶Факторы, определяющие температуру плавления

Главным фактором, влияющим на температуру плавления стали, является содержание углерода. Чистое железо плавится при 1538 °C. С увеличением доли углерода температура плавления сплава снижается — вплоть до эвтектической точки диаграммы состояния системы Fe–C, соответствующей содержанию 4,3 % углерода и температуре 1147 °C. Однако сталь по определению содержит не более 2,14 % углерода (граница между сталью и чугуном), поэтому рассматриваемый диапазон для сталей ограничен снизу значением около 1370 °C.

Помимо углерода, на температуру плавления влияют легирующие добавки. Хром, вольфрам, молибден и ванадий, как правило, повышают её, тогда как марганец, никель и кремний оказывают более сложное воздействие, зависящее от концентрации. Азот и сера, даже в небольших количествах, образуют с железом низкоплавкие эвтектики и могут заметно снизить температуру начала плавления.

¶Диаграмма состояния Fe–C

Количественное описание температур плавления различных составов железо-углеродистых сплавов даёт диаграмма состояния системы Fe–C, разработанная в конце XIX — начале XX века. Ключевые точки диаграммы:

• 1538 °C — температура плавления чистого железа (перитектическая реакция).
• 1495 °C — перитектика, соответствующая сплаву с ~0,53 % углерода.
• 1147 °C — эвтектика сплава с 4,3 % углерода, ниже которой сплав затвердевает целиком.
• 727 °C — эвтектоидная точка (нижняя критическая точка), при которой аустенит превращается в перлит.

Для практики плавки и литья важен прежде всего участок диаграммы до 2,14 % углерода, то есть собственно стальная область. Здесь кривая начала плавления (солидус) плавно снижается с 1538 °C до ~1370 °C по мере роста углеродного содержания.

¶Температура плавления в промышленных процессах

В реальных металлургических процессах сталь нагревают до температур, заметно превышающих теоретическую точку плавления, чтобы обеспечить полное расплавление, хорошую жидкотекучесть и отделение шлака.

¶Дуговые печи

В электрических дуговых печах (ЭДП), основных агрегатах передельной металлургии, стальную заготовку или металлолом расплавляют дуговым разрядом между графитовыми электродами и металлом. Рабочая температура в зоне дуги достигает 2500–3000 °C, при этом металл в ванне удерживается на уровне 1600–1650 °C — на 100–200 °C выше точки плавления, что необходимо для выдержки расплава и проведения металлургических операций.

¶Конвертерное производство

В кислородно-конвертерном процессе жидкий чугун (температура ~1350–1450 °C при выпуске из домна) продувают кислородом, окисляя избыточный углерод. Температура в конвертере поднимается до 1600–1700 °C за счёт теплоты окислительных реакций. Получаемая сталь выпускается при 1620–1680 °C.

¶Индукционные печи

В индукционных печах металл нагревают вихревыми токами, наводимыми в тигле переменным магнитным полем. Процесс позволяет точно контролировать температуру и обеспечивает нагрев до 1700–1800 °C, что применяется при выплавке высоколегированных и прецизионных сталей.

¶Измерение температуры расплава

Контроль температуры жидкого металла осуществляется контактными и бесконтактными методами. Широко применяются:

• Термопары — погружные, с защитными чехлами из керамики (оксид алюминия, кварц), рассчитанные на кратковременные замеры (5–10 секунд) в расплаве.
• Оптические (пирометрические) приборы — измеряют интенсивность теплового излучения, не требуют контакта с металлом.
• Расходомерные (расходные) термопары — одноразовые, с автоматической подачей в ванну, обеспечивают точность ±3–5 °C.

¶Значение для металлургической технологии

Точное знание температуры плавления конкретного сорта стали определяет режим нагрева печей, выбор огнеупорной футеровки, параметры разливки и кристаллизации. Отклонение температуры расплава от заданной ведёт к образованию неметаллических включений, пористости отливок, неоднородности химического состава и другим дефектам. Поэтому в ГОСТах на стальную продукцию (например, ГОСТ 5632 на высоколегированные стали) наряду с требованиями к составу приводятся и рекомендации по температурным режимам обработки.

Источники:

• ГОСТ 5632-2014. Высоколегированные коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали.
• ГОСТ 801-78. Сталь. Методы отбора проб для химического анализа.
• Пономарёв Л. И. Металлургия чугуна и стали. — М.: Металлургия, 1991.
• Гуляев А. А. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
• Курдюмов Г. В., Утеевский Л. М., Ханин Р. И. Железоуглеродистые сплавы. — М.: Наука, 1978.