Одной 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.