В условиях металлургического завода данные о служебных свойствах готового изделия зачастую получить невозможно. Поэтому для контроля качества используют результаты анализа по содержанию отдельных элементов в стали и данные о механических характеристиках готового металла. В ряде случаев существенное влияние на свойства готовой стали оказывают содержание в ней кислорода, водорода и азота, микропримесей цветных металлов, количество, состав и форма неметаллических включений и другие параметры, подвергаемые контролю. И хотя эти стандартизованные методы контроля качества металла далеко не всегда дают полное представление о служебных свойствах готового изделия (значительное влияние на них оказывают последующие стадии передела), тем не менее в большинстве случаев они позволяют с достаточной достоверностью сделать вывод о качестве выплавленной стали.
Методы повышения качества стали в значительной мере зависят от ее состава, назначения, последующих видов обработки и выбираются с учетом конкретных производственных условий. Основными из них являются: снижение содержания в стали вредных и нежелательных примесей, снижение содержания газов и неметаллических включений, изменение состава и формы (модифицирование) включений, стабилизация температуры разливки, защита металла от вторичного окисления и др.
К основным вредным примесям, ухудшающим почти все полезные свойства стали, относятся сера и фосфор. Отрицательное влияние, особенно на некоторые виды специальных сталей, оказывают примеси цветных металлов, вносимые обычно металлоломом. Снижение содержания серы в большинстве сталей позволяет значительно повысить их пластичность и улучшить качество поверхности проката, снизить процент брака по пленам при прокатке, сократить угар железа при нагреве и величину обрези, улучшить свариваемость металла. Лишь в отдельных случаях (автономные стали, некоторые виды подшипниковых) повышенное содержание серы может привести к положительным результатам.
Исследованиями фирмы «Аугуст Тиссен-Хютте» (ФРГ) установлено, например, что число поверхностных дефектов на слябах с содержанием серы более 0,02% в среднем в два раза больше, чем на слябах с содержанием серы ниже этого уровня. Чтобы избежать образования внутренних трещин и гарантировать хорошее качество поверхности слябов при разливке их на МНЛЗ, содержание серы не должно превышать 0,02%. Особое значение приобретают вопросы снижения содержания серы в стали по мере расширения применения холодной прокатки, волочения и высадки, которые характеризуются глубокой вытяжкой металла, а также по мере увеличения массы разливаемых слитков. Одним из основных способов снижения содержания серы в стали является снижение его в исходных материалах и в первую очередь, в чугуне. Десульфурация металла в большегрузных кислородных конвекторах , электропечах, мартеновских печах имеет ограниченный характер, и наиболее перспективным методом глубокой десульфурации стали, наряду с внедоменной десульфурацией чугуна, по-видимому, следует считать ее внепечную обработку.
Фосфор в стали, за исключением тех редких случаев, когда он присаживается для придания ей специальных свойств, играет отрицательную роль, и снижение его содержания в металле является зачастую не менее важным, чем снижение содержания серы. Кроме общеизвестного отрицательного влияния фосфора, выражающегося в росте хладноломкости, особенно под воздействием динамических нагрузок, установлено, что увеличение его содержания приводит к ухудшению механических характеристик канатной стали, способствует увеличению водородонасыщенности и флакеноусточивости рельсовой стали, снижению пластичности и сокращению выхода годного ряда других сталей. Содержание фосфора в стали снижается, главным образом, в сталеплавильных агрегатах, и лишь в редких случаях используется внепечная дефосфорация стали. Связано это с тем, что в основном процессы при производстве стали являются окислительными и удаление фосфора в печи или конвекторе, как правило, особых трудностей не вызывает.
Основным из методов снижения содержания серы и фосфора в стали является применение для ее выплавки чистого по примесям чугуна или лома, а также первородной шихты (металлизованного сырья). Особенно важными являются эти методы для снижения содержания в стали примесей цветных металлов, удаление которых либо вообще не возможно, либо связано с организацией дорогостоящих специальных процессов рафинирования, причем вследствие многократного переплава количество таких примесей в скрапе постоянно накапливается.
Даже малые количества (0,02-0,04%) таких примесей, как свинец, олово, мышьяк, вызывают хладноломкость стали. Наличие даже в малых количествах меди уменьшает пластичность в холодном состоянии. На свариваемость стали вредно влияет содержание в ней никеля и мышьяка, ничтожные примеси сурьмы (на уровне 0,001%) уже способствуют возникновению в легированной стали отпускной хрупкости. Если раньше содержание нежелательных примесей в стали, как правило, не контролировалось и потребители допускали содержание их до сотых, а то и десятых долей процента, то в настоящее время в целом ряде случаев нужен металл с содержанием отдельных примесей 0,001% и ниже. Решена эта задача может быть лишь применением чистой по примесям шихты и специальных рафинирующих переплавов.
Весьма неблагоприятное влияние на свойства сталей оказывает кислород. Отмечено снижение свариваемости низколегированных сталей, содержащих более 0,003-0,004% кислорода, увеличение их хрупкости и склонности к старению вследствие большого числа оксидных включений. Долговечность подшипников, например, в результате снижения содержания в металле кислорода может быть повышена в несколько раз. Раскисление как заключительный этап выплавки стали является решающим для обеспечения высокого качества стального слитка. Количество, химический состав и форма неметаллических включений, характер расплавления их в металлической матрице непосредственно связаны с технологией раскисления. Загрязненность стали неметаллическими включениями получается примерно одинаковой при раскислении ее как в печи, так и в ковше. Раскисление в ковше предпочтительнее в отношении экономии ферросплавов, повышения производительности сталеплавильного агрегата, снижения общего содержания газов в металле
Неметаллические включения в стали являются источником многих пороков. Они значительно снижают пластичность металла (особенно в поперечных образцах), уменьшают усталостную прочность, ухудшают электротехнические свойства трансформаторной стали, являются причиной образования волосовин, поверхностных пузырей, раковин, плен, трещин и расслоений в листовой стали. Повышенная загрязненность стали неметаллическими включениями является источником аварий и прежде временного выхода из строя ряда отвецтвенных деталей машин. Поэтому очистка стали от неметаллических включений является важнейшей проблемой повышения качества всей металлопродукции. Решение этой проблемы достигается повышением чистоты исходных шихтовых материалов для выплавки стали особенно по содержанию серы и фосфора; применением наиболее сильных и комплексных раскислителей, защитой металла от вторичного окисления, использованием различных видов внепечной обработки и рафинирующих переплавов.
Неблагоприятное влияние на свойства стали оказывает наличие в ней водорода. Повышенное содержание его приводит к образованию флакенов, центральной пористости и свищей, к снижению пластичности и усталостной прочности. В металлургической практике для предотвращения образования флакенов применяют замедленное охлаждение металла в печах или специальных камерах. При этом заметно возрастают удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Основными методами снижения водорода в металле являются вакуумирование, продувка инертным газами. Снизить содержание водорода в металле можно также при обработке парами легкоиспаряющихся металлов, например, кальция и магния. Сделать это непосредственно в сталеплавильном агрегате, как правило, не удается.
Азот в металле далеко не всегда является вредной примесью. Иногда его используют в качестве легирующего компонента либо для создания в некоторых конструкционных сталях упрочняющей мелкодисперсной нитридной фазы. Для многих среднеуглеродистых и легированных сталей изменение содержания в них азота в широких диапазонах заметного влияния на свойства практически не оказывает. Снижение содержания азота крайне необходимо при производстве низколегированных сталей для листа, предназначенного для глубокой вытяжки, при выплавке конструкционных сталей, предназначенных для работы в условиях севера. Наиболее низкое содержание азота в стали (0,0015-0,002%) достигается при производстве в кислородном конвертере. Снижение содержания азота в готовом металле возможно при вакуумировании, продувке металла инертными газами, обработке стали щелочноземельными металлами.
В целом уменьшение газонасыщенности стали сокращает пораженность металла газовыми пузырями, осевую пористость, наличие волосовин и микротрещин, угар раскислителей и легирующих присадок, снижает чувствительность металла к старению, повышает его однородность, обеспечивает заданную величину зерна.
Форма и состав содержащихся в стали неметаллических включений могут быть изменены при вводе в нее специальных добавок – модификаторов. Наиболее эффективны из них щелочноземельные металлы – магний, кальций и редкоземельные элементы – цирконий, церий, бор, лантан, рений, иттрий и др. Результатом модифицирования стали может быть повышение механических свойств металла, особенно пластичности и сопротивления ударным нагрузкам при высоких и низких температурах, уменьшение анизотропии свойств готового проката, улучшение деформируемости высоколегированных сталей, снижение неоднородности состава слитка и склонности к образованию трещин, повышение теплоустойчивости и жаропрочности, улучшения свариваемости и целого ряда других характеристик готовой продукции. Для повышения прочностных характеристик сталей и сплавов иногда используют упрочняющие мелкодисперсные фазы (например, нитриды, карбонитриды). Модификаторы и упрочняющие добавки вводят, как правило, после выпуска стали из печи.
При использовании для выплавки стали агрегатов повышенной вместимости, расширении внедрения непрерывной разливки стали необходимы стабилизация химического состава и температуры и усреднение их по всему объему металла в ковше перед разливкой. Решение этой проблемы достигается путем продувки металла в ковше аргоном с добавлением необходимых элементов и ввода в ковш охлаждающего сляба либо металлической сечки из стали, близкой по химсоставу к обрабатываемой.
Значительное, а часто решающее влияние на загрязненность стали неметаллическими включениями может оказать защита металла от повторного окисления при разливке. Для качественных сталей, в особенности для сталей, подвергнутых внепечной обработке, разливка незащищенной струей может свести на нет все мероприятия, проведенные ранее с целью улучшения ее качества. Защита металла в процессе разливки может проводится аргоном, синтетическими шлаками или теплоизоляционными засыпками, путем разливки «под уровень».
Большинство мероприятий по повышению качества стали основано на применении внепечной обработки расплавленного металла, причем, как показывает практика, такая обработка оказывается более эффективной и экономичной, чем обработка в основных сталеплавильных агрегатах.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости разработки агрегатов для внепечной обработки стали. В связи с этим можно сделать выводы о необходимости разработки дозирующего устройства для подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор МНЛЗ, которое является одним из предпочтительных вариантов решения проблемы для защиты металла от взаимодействия с атмосферой, при разливке стали на МНЛЗ.