Is koolstofstaal beter dan zacht staal?

Of zijn ze hetzelfde?

Is koolstofstaal beter dan zacht staal? Strik vraag! Zacht staal is een soort koolstofstaal. Het element koolstof is aanwezig in al het staal. Wanneer deze koolstof het belangrijkste legeringselement is, wordt de legering als een koolstofstaal beschouwd. "Low-carbon" staal is een andere naam voor zacht staal. Er zijn andere koolstofstalen, met verschillende koolstofgehaltes. Welke beter is, hangt af van de toepassing waarvoor het staal wordt gebruikt.

Elk jaar wordt meer dan 1,5 miljard ton staal geproduceerd om producten te maken die zo divers zijn als naalden en structurele balken voor wolkenkrabbers. Koolstofstaal is de meest gebruikte staallegering en vormt ongeveer 85% van alle productie in de VS. Het koolstofgehalte van het product ligt in het bereik van 0-2%. Deze koolstof tast de microstructuur van het staal aan, waardoor het legendarische sterkte en taaiheid krijgt. Deze legeringen bevatten ook kleine hoeveelheden mangaan, silicium en koper. Zacht staal is een commerciële term voor staal met een laag koolstofgehalte, waarbij het koolstofgehalte in het bereik van 0,04-0,3% ligt.

Koolstofstaalcategorieën

Koolstofstaal kan worden ingedeeld afhankelijk van de chemische samenstelling en kenmerken van het product. Zacht staal valt ook onder de categorie koolstofarm staal, omdat het een vergelijkbaar koolstofgehalte heeft. Gewoon koolstofstaal is vrij van legeringen en kan in vier categorieën worden ingedeeld:

1. Laag koolstofstaal of zacht staal

Laag koolstofstaal heeft een koolstofgehalte van 0,04-0,3% en is de meest voorkomende koolstofstaalsoort. Zacht staal wordt ook beschouwd als staal met een laag koolstofgehalte, omdat het wordt gedefinieerd als een laag koolstofgehalte van 0,05-0,25%. Zacht staal is kneedbaar, zeer vervormbaar en kan worden gebruikt voor carrosseriedelen, platen en draadproducten van auto's. Aan de bovenkant van het lage koolstofgehalte, en met de toevoeging van mangaan tot 1,5%, zijn mechanische eigenschappen geschikt voor stempels, smeedstukken, naadloze buizen en ketelplaten.

2. Medium koolstofstaal

Medium koolstofstaal heeft een koolstofbereik van 0,31-0,6% en een mangaanbereik van 0,6-1,65%. Dit staal kan met warmte worden behandeld en geblust om de microstructuur en mechanische eigenschappen verder aan te passen. Populaire toepassingen zijn assen, assen, tandwielen, rails en spoorwielen.

3. Koolstofstaal

Koolstofstaal heeft een koolstofbereik van 0,6-1% met een mangaangehalte van 0,3-0,9%. Eigenschappen van koolstofstaal maken ze geschikt voor gebruik als veren en draden met hoge weerstand. Deze producten kunnen niet worden gelast tenzij een gedetailleerd programma van warmtebehandeling is opgenomen in de lasprocedure. Koolstofstaal wordt gebruikt voor scherpe gereedschappen, zeer sterke draden en veren.

4. Ultrahoog koolstofstaal

Ultrahoog koolstofstaal heeft een koolstofbereik van 1,25-2% en staat bekend als een experimentele legering. Temperen kan een staal met een grote hardheid produceren, wat handig is voor toepassingen zoals messen, assen of ponsen.

Vervaardiging van koolstofstaal

Koolstofstaal en zacht staal worden in drie fasen vervaardigd:

Primaire staalproductie
Secundaire staalproductie
Casting

Daarna volgen verschillende afwerkingstechnieken die een direct effect hebben op de uiteindelijke producteigenschappen.

1. Primaire staalproductie

Staal kan worden gemaakt van 100% gerecycled materiaal of van een combinatie van gerecycled materiaal en nieuw staal. Virgin staal wordt in een hoogoven geproduceerd uit ijzererts, cokes (geproduceerd uit steenkool) en kalk. De grondstoffen worden toegevoegd aan de bovenkant van de oven, die werkt op 3000°F. Terwijl het ijzererts smelt en zich vermengt met de brandende cokes, komt er koolstof vrij in het gesmolten product. Onzuiverheden worden door kalk opgenomen in een slak op het oppervlak, die van het vloeibare staal kan worden afgeschept. Het product bevat in dit stadium ongeveer 4% koolstof en er zijn nog enkele onzuiverheden aanwezig. Gesmolten nieuw staal wordt overgebracht naar de basiszuurstofoven (BOF), die al gerecycled schroot bevat. Er wordt zuivere zuurstof door het vloeibare staal geblazen om de overtollige koolstof te oxideren, waardoor een eindproduct wordt gevormd met een koolstofgehalte van maximaal 1,5%.

Gerecycled schrootstaal kan worden opgewerkt zonder toevoeging van nieuw staal in een vlamboogoven. Krachtige elektrische bogen smelten het metaal bij temperaturen tot 3000 ° F. Naarmate het schroot smelt, kunnen verdere partijen schroot aan de oven worden toegevoegd tot zijn capaciteit. Zodra een vlak bad van gesmolten staal is bereikt, wordt er zuurstof doorgeblazen op dezelfde manier als de BOF. In beide gevallen wordt gesmolten staal uit de oven getapt in gietlepels of staalbaden voor verdere verwerking, terwijl de oppervlakteslak die onzuiverheden bevat wordt verwijderd.

2. Secundaire staalproductie

De marktvraag naar staalproducten van hogere kwaliteit en consistente eigenschappen hebben de ontwikkeling van secundaire staalproductieprocessen gestimuleerd.

Elektrische boogoven

De staalsamenstelling wordt gewijzigd in een vlamboogoven door afzonderlijke componenten toe te voegen of te verwijderen of door de temperatuur te manipuleren.

Roeren
Elektromagnetische velden worden gebruikt om turbulente stromen in de pollepel te induceren. Deze methode scheidt gemakkelijk niet-metalen insluitsels, die naar de oppervlakte drijven, terwijl een homogeen mengsel en samenstelling van het staal wordt gegarandeerd.
Opscheplepeloven
De pollepel fungeert als een secundaire elektrode-oven die een nauwkeurige temperatuurregeling en de gemeten injectie van legeringscomponenten mogelijk maakt.
Injectie met pollepel
Inert gas wordt in de bodem van het stalen bad geïnjecteerd. Terwijl het gas opwarmt en door het gesmolten staal stijgt, wordt een roerend effect bereikt.
Ontgassen
Verwijdert waterstof, zuurstof en stikstof, terwijl ook het zwavelgehalte van het product wordt verlaagd. Verschillende technieken die worden gebruikt om gesmolten staal te ontgassen, waaronder vacuüms, injectie van inert gas en temperatuurregeling.
Samenstelling aanpassen (verzegeld argon borrelen met zuurstof blazen - CAS-OB)
Het roeren wordt bereikt door argongas in het afgedichte stalen bad te injecteren. Een snorkelopstelling voorkomt dat de slak wordt verstoord, terwijl het waterstofgehalte wordt verlaagd en oxide-insluitingen naar de oppervlakte worden gedreven. Zuurstof wordt via een lans naar het bad gevoerd en aluminium wordt via de snorkel toegevoegd, wat zorgt voor een betere temperatuurregeling en een nauwkeurige uiteindelijke samenstelling.

Deoxiderend staal

Een cruciaal aspect van secundaire staalproductie is de verwijdering van zuurstof. De aanwezigheid van zuurstof in gesmolten staal wanneer het begint te stollen, resulteert in een reactie met koolstof om koolmonoxidegas vrij te maken. Het beheersen van deoxidatie kan worden gebruikt om de eigenschappen van het eindproduct te veranderen en daarmee de geschiktheid van het staal voor verschillende toepassingen.

Rimstaal
Rimming-staalsoorten zijn niet-gedeoxideerde of gedeeltelijk gedeoxideerde staalsoorten. Tijdens het stollen worden hoge niveaus van koolmonoxide geproduceerd, wat resulteert in een goede oppervlaktekwaliteit, maar met de aanwezigheid van veel blaasgaten.
Gekapte staalsoorten
Afgedekte staalsoorten volgen aanvankelijk hetzelfde patroon als rimmen, maar na ongeveer een minuut wordt de mal afgedekt om de vorming van koolmonoxide te onderdrukken.
Halfgedood staal
Halfgedood staal is gedeeltelijk gedeoxideerd voordat het in de mal wordt gegoten en heeft gewoonlijk een koolstofgehalte van 0,15-0,3%.
Dood staal
Gedode staalsoorten zijn volledig gedeoxideerd, zodat er tijdens het stollen helemaal geen koolmonoxide wordt gevormd. Het eindproduct heeft een homogene structuur en geen blaasgaten. Aluminium wordt aan de pollepel of mal toegevoegd als primaire deoxidator om de vorming van koolmonoxide te "doden"; er zijn echter toepassingen waarbij de toevoeging van aluminium aan het eindproduct ongewenst is. Alternatieven voor aluminium zijn ijzerlegeringen van mangaan en silicium of calciumsilicide.

3. Casten

Traditionele gietmethoden omvatten het optillen van de pollepel met een kraan, zodat gesmolten staal in afzonderlijke mallen kan worden gegoten die op treinwagons zijn gemonteerd. Ingotsvormen lopen iets taps toe om het verwijderen van de ingots na het stollen te vergemakkelijken. Ingots worden overgebracht naar weekputten waar ze opnieuw worden verwarmd voor warmwalsen.

Gietmachines maken continu gieten van gesmolten staal mogelijk in vormen die beter geschikt zijn voor downstream-verwerking. Gietlepels worden naar een verhoogd platform getild waar ze het gesmolten staal in een verdeelbak afvoeren, die de gietmachine voedt. Gesmolten staal wordt vanuit de verdeelbak in een watergekoelde mal met beweegbare bodemplaat geleid. Naarmate de stalen huid stolt, wordt de plaat langzaam neergelaten, waardoor meer gesmolten staal in de mal kan komen. Staal wordt gevormd tot platen, bloemen of knuppels in een continugietmachine. Het gestolde product wordt door rollen getrokken voordat het wordt rechtgetrokken en aan het einde van de machine wordt gesneden. Dit proces kan dagen of weken zonder onderbreking doorgaan.

Afwerking in koolstofstaal

Nadat het productieproces van koolstofstaal is voltooid, wordt het afgewerkt met walsen, warmtebehandeling, oppervlaktebehandeling of secundaire secundaire verwerking.

Product rollend

Massief gegoten blokken moeten worden gerold in meer bruikbare vormen en maten, zoals die geproduceerd door continu gieten. Staal wordt samengeperst en getrokken door roterende rollen. De rollen roteren sneller dan het staal wanneer het de machine binnenkomt, waardoor het staal naar voren wordt geduwd en samengedrukt.

Warmvorming

Staal wordt verwarmd tot boven de herkristallisatietemperatuur om de as-cast microstructuur te verbreken. Dit zorgt voor een meer uniforme korrelgrootte en gelijkmatige verdeling van koolstof in het staal.

Koudvorming

Koudvervormen wordt uitgevoerd beneden de herkristallisatietemperatuur. Dit proces verhoogt de sterkte door middel van spanningsharden tot 20%, terwijl de afwerking verbetert en nauwere toleranties mogelijk zijn. Staal komt uit het walsproces als halffabricaat in de vorm van bloemen, knuppels of platen, afhankelijk van de uiteindelijke afmetingen. Een bloom is een zeer dikke rechthoekige plaat, een knuppel heeft een vergelijkbare dikte maar een smallere breedte, en een plaat is een dunner en breder product.

Halffabrikaten worden in een walserij verder verwerkt tot halffabrikaten om ze klaar te maken voor productie en eindverwerking door downstream-bedrijven.

KOUDVORMEN EN TOEPASSINGEN

PRODUCTEN

TOEPASSINGEN

Bloei

Structurele toepassingen

Relingen

vangrails
Handrails
Aangepaste balustrades

Opgerolde staven

Machine bouwen
Bouw

Platen (dikte boven 1/4 inch)

Zware fabricage
Ketels
Bruggen
Industriële schepen
tanks
Schepen

Lakens (dikte minder dan 1/4 inch)

carrosserieën
Huishoudelijke apparaten
Kantoorbenodigdheden
Drankblikjes

Ronde/vierkante staven

Bouwkaders
Een beugel
assen
Assen

Zodra staal de walserij verlaat, gebruiken stroomafwaartse bedrijven verschillende secundaire verwerkingstechnieken om corrosie te voorkomen en de eigenschappen van het metaal te verbeteren. De overheersende techniek om dit te doen is warmtebehandeling.

Warmtebehandeling

Het doel van warmtebehandeling van staal is om de mechanische eigenschappen ervan te manipuleren door de verdeling van koolstof in het product en de interne microstructuur te veranderen. Bij het manipuleren van de mechanische eigenschappen van staal resulteert een toename in taaiheid in een vermindering van hardheid en sterkte en vice versa.

Normaliseren

Staal wordt verwarmd tot een temperatuur van ongeveer 130 ° F boven de bovenste kritische temperatuur. De temperatuur wordt aangehouden totdat het gehele product gelijkmatig is verwarmd, waarna het luchtgekoeld wordt. Dit is de meest voorkomende vorm van warmtebehandeling en geeft staal een hoge sterkte en hardheid.

Uitgloeien

De temperatuur van staal wordt gedurende één uur verhoogd tot de toestand van een vaste oplossing alvorens af te koelen met een snelheid van 70°F per uur. Een zacht en kneedbaar staal resulteert zonder interne spanningen.

Blussen

Een soortgelijk proces als normaliseren, maar het afkoelen wordt versneld door het staal af te koelen in water, pekel of olie. Het resulterende product is erg hard - tot vier keer harder dan genormaliseerd staal - maar erg bros, waardoor het vatbaar is voor breken en barsten. Om deze reden wordt afschrikken tot een vooraf bepaalde temperatuur normaal gesproken gevolgd door een gecontroleerde afkoelsnelheid tot kamertemperatuur in een proces dat ontlaten of spanningsverlichting wordt genoemd. Door de temperatuur- en koelsnelheidsparameters tijdens warmtebehandeling te ontwerpen, kunnen de eigenschappen van staal nauwkeurig worden gecontroleerd.

Oppervlaktebehandeling

Ongeveer een derde van het geproduceerde staal wordt behandeld met een oppervlaktecoating om corrosie te voorkomen, de lasbaarheid en de overschilderbaarheid te verbeteren.

Thermisch verzinken

Galvaniseren is een proces waarbij een oppervlaktelaag van zink op staal wordt aangebracht. Het staal wordt verwarmd voordat het een zinkbad binnengaat, waar vloeibaar zink het oppervlak van het product bedekt. De dikte van de coating wordt gecontroleerd met gasmessen. Om te voorkomen dat de zinklaag barst, wordt een kleine hoeveelheid aluminium aan de zinkoplossing toegevoegd.

Elektrolytisch verzinken

Een ander proces voor het aanbrengen van een zinklaag op staalproducten is door middel van elektrolytisch verzinken. Zink wordt op het oppervlak van het staal afgezet door de stroom in een elektrolytoplossing te regelen. Deze techniek zorgt voor een betere controle van de laagdikte. Het kan ook worden gebruikt om differentiële coatings met verschillende diktes aan weerszijden van een product aan te brengen, of coatings van zinklegeringen om de gewenste eigenschappen te optimaliseren.

Secundaire stroomafwaartse verwerking

Downstreambedrijven verwerken hun staalgrondstoffen verder tot eindproducten. Er worden verschillende bewerkingstechnieken gebruikt, zoals machinale bewerking, waarbij het oppervlaktemetaal gelijkmatig wordt verwijderd met gereedschapsmachines. Het verbinden van staal is ook gebruikelijk en maakt gebruik van verschillende lastechnieken.

Koolstofstaal recyclen

Metaalrecycling is een van de succesverhalen van duurzaam leven en het minimaliseren van de impact van menselijke activiteiten op het milieu. Staal is het meest gerecyclede materiaal ter wereld, meer dan alle andere materialen samen.

Bronnen voor gerecycled staal zijn onder meer schroot van staalfabrieken, secundaire fabrikanten en staalproducten aan het einde van hun productlevenscyclus. Er is vaak niet genoeg gerecycled staal om aan de productievraag te voldoen, dus er is bijna altijd een combinatie van nieuw en gerecycled staal bij de productie van afgewerkte producten.

Het recyclen van staal is ook economisch omdat het de kosten van afgewerkte producten verlaagt. Om deze reden is de staalindustrie actief betrokken geweest bij het promoten en opzetten van recyclingnetwerken om het recyclen van afgedankte producten gemakkelijk te maken.

Neem contact met ons op voor meer informatie over staal of om een offerte aan te vragen voor een project op maat.