Металлическая шихта как источник оксидных не­металлических включений

металическая шихтаОдной из качественных характеристик стали для металлокор­да является усталостная прочность или выносливость проволоки, которая целиком и полностью зависит от размеров неметалли­ческих включений и их количества. Так, для проволоки диаметром 10 мм размер включений, при котором происходит понижение усталостной прочности, должен составлять не более 1-2 мкм., для проволоки диаметром 0,05 мм — на порядок меньше диаметра. Получить такую сталь путем выплавки ее в основных мартенов­ских печах без применения каких-либо вспомогательных приемов очень сложно.

Первое, на что следует обратить внимание, — вопросы каче­ства шихты. Если сталь должна иметь низкую газонасыщаемость и низкую загрязненность неметаллическими включениями, то это означает, что и шихта должна иметь минимум газов и неметал­лических включений. Но так как металл в процессе его переплавок неизбежно насыщается газами- и неметаллическими вклю­чениями, то с увеличением числа последовательных переплавок возрастает содержание и неметаллических включений в стали до тех пор, пока их растворимость в металле не достигнет предела равновесия. Отсюда следует, что первородность шихты, характе­ризуемая числом последовательных переплавок, которым подвер­глись отдельные составные части шихты, имеет большое значение.

Первое обстоятельное исследование по данному вопросу провел С. Герти с сотрудниками.

Изучая процесс изменения количества неметаллических вклю­чений в процессе выплавки стали в основных мартеновских печах, он обнаружил факт, что при изменении в чугуне содержания силикатных включений с 0,01 до 0,03% в металле после рас­плавления содержание силикатных включений увеличивается с 0,005 до 0,015%.

Влияние шихты обнаруживалось и в других исследованиях при использовании материалов, резко отличавшихся по качеству. Так, на Златоустовском металлургическом заводе в одно время были проведены две серии плавок скрап-процессом в стотонных мартеновских печах. В одной серии плавок использован коксовый магнитогорский чугун с содержанием 1,62% Мп; 1,10% Si; 0,108% Р и 0,060% S, в другой — древесноугольный чугун с содержанием 1,40% Мп; 0,82% Si; 0,085% Р и 0,042% S. Более высокое качество стали по оксидам и сульфидам было обнаружено во второй серии плавок.

Чисто опытным путем заводы, производящие стали ответ­ственного назначения, например, орудийную, установили, что сталь получается тем более высокого качества, чем более первородной была шихта — древесно-угольный чугун, пудлинговая заготовка. Интересные данные о значении первородности шихты приводит в своей работе Ролянд. Он на ряде примеров доказывает, что наличие в шихте «свежей здоровой крови» имеет весьма суще­ственное значение для качества стали. По данным Ролянда сталь для таких изделий, как струны музыкальных инструментов, часо­вые и граммофонные пружины (т.е. такого назначения, где требуется одновременно высокая прочность, упругость, вязкость и сопротивляемостъ длительной переменной нагрузке), оказывается в доста­точной мере пригодной только при условии выплавки ее из самых отборных, чистых, первородных материалов. Далее Ролянд приво­дит данные об одном известном шведском заводе, который давал сталь весьма высокого качества для часовых и граммофонных пружин, расходуя для нее 4000—6000 т губчатого железа, несмотря на его высокую стоимость.

Обергофер и Пивоверский — видные ученые 20-х годов — утверждали, что высокое качество тигельной стали следует при­писывать прежде всего высокому качеству исходных шихтовых материалов. В Германии, занимавшей одно из первых мест в Европе по производству высококачественной стали, несмотря на жесточайший кризис в 1932 г., закончена постройка в Бохуме большого завода для производства губчатого железа, т.е. материала весьма дорогого, но отличавшегося максимальной первородностью.

О влиянии шихты на качество продукции имеются тысячи примеров: стойкость изложниц, отлитых из литейного и передель­ного чугуна, выплавка стали ШХ 15 в кислой мартеновской печи, производство орудийной стали в кислых и основных печах и т.д., но, к сожалению, все эти примеры не подтверждены какими-либо цифрами.

Но в настоящее время заводы работают на шихте несколько иного качества. Древесноугольного чугуна, кричного и пудлинго­вого железа нет. На смену им пришло губчатое железо в виде металлизованных окатышей. Однако использование их при вып­лавке стали в основной мартеновской печи даже в брикетиро­ванном виде нецелесообразно, так как, окисляясь в период завалки и плавления, они поглощают столько кислорода из атмосферы печи, что снова превращаются в железную руду. Поэтому первый переплав не дает металла высокого качества, и он идет в лучшем случае на шихтовую болванку. Но зато второй переплав в основной мартеновской печи шихтовой болванки с чугуном дает то, что надо. Поэтому наилучшим сталеплавильным агрегатом для переплава металлизованных окатышей была признана элект­ропечь с ее восстановительной атмосферой. Наглядным примером этому является металлокорд, производимый в Жлобине из элек­тростали, выплавленной на первородной шихте из губчатого железа.

Нельзя не отметить, что производство губчатого железа и его переплав в основных мартеновских печах на сталь для металлокорда не дали положительных результатов. Причины этого указаны выше. Но это не означает, что полученные резуль­таты опровергают влияние первородной шихты на получение вы­сококачественной стали. Все дело в том, что способы получения стали в жидком состоянии (мартеновская печь, электропечь, конвертор) при температурах 1560—1650°С в сравнении со способами получения железа в полужидком состоянии (кричное, пудлинговое железо) при температуре не выше 1400°С, в твер­дом состоянии — губчатое железо (при температурах не более 900—1000°С), несмотря на высокую производительность агрегатов, вследствие высокой растворимости газов при высоких темпера­турах, привели к ухудшению качества металла из-за насыщения его газами (водородом, азотом, а также кислородом) и неметал­лическими включениями. При получении кричного, пудлингового, губчатого железа такая операция, как раскисление стали, не существовала, а следовательно не было и продуктов раскисления неметаллических включений, поэтому и качество стали было высоким. Эндогенные неметаллические включения появились в процессе производства стали в жидком состоянии в связи с необходимостью введения в технологию операции раскисления стали. Количество неметаллических включений в стали увеличи­лось и стало складываться из суммы неметаллических включений, вносимых шихтой и образующихся от раскисления стали. Конечно, не все неметаллические включения, вносимые-шихтой, остаются в жидкой стали, какая-то часть их удаляется во время чистого кипения, а какая-то часть остается. Но ясно одно: чем меньше включений вносится шихтой, тем меньше включений будет и в готовом металле. Справедливость сказанного можно подтвердить количественными показателями.

Из приведенных данных видно, что фактическое содержание кислорода в стали для металлокорда колеблется в широких пределах от 0,0079 до 0,0137 %, составляя в среднем 0,0120 %, что значительно выше показателя, рассчитанного по формуле Явойского В.И. — 0,0103%. Объяснение этому — малое содержание кислорода (0,0016/20,2) в исходной шихте (чугун + шихтовая болванка=первородная шихта) и высокое (0,0074/54) (чугун + сборная шихта с отрицательной наследственностью). Из этих данных видна роль первородной шихты (шихтовой болванки) и обычной прокатной обрези чистых по химическому составу плавок на общее содержание кислорода, а следовательно на содержание в стали неметаллических включений в виде оксидов точечных и стро­чечных, а также силикатов хрупких, пластичных и недеформиро- ванных.