Неметаллические включения, присутствующие в стали, обладают отличительными от основного металла физическими свойствами. Нарушая сплошность металла, включения вызывают местные концентрации напряжений, которые особо опасны на рабочей шлифовальной поверхности изделий. Неметаллические включения размером 20 мкм и более резко влияют на контактную усталость металлов. Сильное влияние неметаллические включения оказывают на износостойкость стали, являются причиной разрушения и выхода из строя подшипников качения, являются причиной возникновения межкристаллического излома металла. В некоторых случаях неметаллические включения придают металлу полезные свойства: сульфидные и фосфидные включения придают металлу хрупкость, и стружка легко обламывается. Для получения стали высокого качества содержание неметаллических включений должно быть не более 0.005-0.006% и даже меньше.

2.1.1 Раскисление марганцем

Марганец – сравнительно слабый раскислитель и не обеспечивает снижение окисленности металла до требуемых пределов, однако большее или меньшее количество марганца вводят в металла при выплавке стали многих марок. Это объясняется рядом достоинств марганца: положительная роль в борьбе с вредным действием серы, положительное влияние на прокаливаемость стали и ее прочность, малое значение межфазного натяжения на границе металл - образующееся включение оксид марганца (MnO), в результате чего облегчаются условия выделения включений и возрастает скорость раскисления. При введении марганца в чистое, но содержащее кислород железо образуется MnO, который создает с закисью железа (FeO) непрерывный ряд растворов mFeO * nMnO. В сталях наряду с марганцем всегда содержится углерод, при этом окисленность металла определяется или марганцем (при низких содержаниях углерода), или углеродом (при высоких содержаниях углерода), или марганцем и углеродом одновременно. Марганец вводят в металл в конце плавки (часто в ковш) в виде сплава марганца с железом (ферромарганца). Различные сорта ферромарганца содержат различное количество углерода (1-7%), приблизительно 75% марганца и некоторое количество кремния. В тех случаях когда необходимо выплавить сталь с очень низким содержанием углерода, используют металлический марганец. Применение его ограничено высокой стоимостью. Реакция раскисления стали марганцем представлена в табл. 2.

2.1.2 Раскисление кремнием

Кремний применяют в качестве раскислителя при производстве спокойных марок сталей, что обусловлено его высокой раскислительной способностью и благотворным влиянием на характер неметаллических включений. При введении в жидкий металл кремния образуются или жидкие силикаты железа, ил кремнезем. Кремний гораздо более сильный раскислитель, чем марганец: при 0.02% кремния в металле содержится не более 0.01% кислорода. При наличии в агрегате основного шлака, образующийся при введении кремния, кремнезем взаимодействует с основными оксидами шлака, и активность оксида кремния становится очень малой, соответственно, растет раскислительная способность кремния. Однако образующиеся силикаты хорошо смачивают железо, поэтому удаление силикатных включений из металла связано с определенными трудностями. Если металл, раскисляемый кремнием, содержит некоторое количество марганца, то в составе образующихся силикатов будут также и оксиды марганца. Кремний в металл вводится в виде сплава кремния с железом (ферросилиция). Совместно с марганцем кремний вводят в сталь в виде силикомарганца.

2.1.3 Раскисление алюминием

Алюминий – более сильный раскислитель, чем кремний. При введении алюминия металле остается ничтожно малое количество растворенного кислорода. Алюминий, введенный в избытке, может взаимодействовать не только с растворами более слабых раскислителей (с оксидом марганца, кремния). При введении алюминия в железо, содержащее кислород, может образовываться либо чистый глинозем (при большом содержании оксида алюминия), либо гипшель FeO * Al2O3 (герцинит), температура плавления которого составляет 2050°С. Высокие значения межфазного натяжения на границе металл – включение глинозема, то есть малая смачиваемость таких включений металлом, облегчают процесс отделения этих включений от металла. Образование в стали при раскислении алюминием мелких включений глинозема и нитрида алюминия влияют на протекание процесса кристаллизации, в частности, на размер зерна: чем больше введено алюминия, тем мельче зерно. Введенный в металл алюминий взаимодействует с серой (при большом расходе алюминия) и азотом. Образование в процессе кристаллизации нитрида алюминия способствует снижению вредного влияния азота и уменьшению эффекта старения стали. Алюминий вводят в металл в виде брусков (чушек) алюминия или в виде сплавов.

Учитывая выше написанное, можно сделать вывод о сложности трудности проведения процесса раскисления и легирования, который заключается в выборе вида раскислителя, его массы, а также условий и времени подави раскислителя в металл. Даже небольшие отклонения процесса выплавки стали могут вызвать сильное окисление легирующего элемента-раскислителя (угар) либо чрезмерно высокое его содержание в готовой стали, что плохо для свойств стали.

2.2 Разработка математической модели для целей исследования технологии

В качестве модели процесса раскисления и легирования возьмем модель расчета масс ферросплавов, подаваемых на предстоящую плавку, с учетом прогнозирования угоревших масс элементов в них по данным предыдущих плавок. Полученные в результате массы ферросплавов подаются на текущею плавку и обеспечивают заданный химический состав готовой стали. Модель можно представит в следующем виде (рис.3).

Рисунок 3 - Блок-схема модели расчета масс ферросплавов

Изображенная блок-схема модели расчета масс определяет те массы ферросплавов, которые и являются рекомендацией на предстоящую плавку.

Для каждой марки стали определена базовая угоревшая масса элементов (марганца, кремния), то есть средняя величина угара элемента в условиях раскисления металла в данном цехе. Марки стали, имеющие близкие значения базовых угоревших масс элемента, объединены в группы. Различие угоревших масс элементов по группам сталей свидетельствует о том, что предыстория плавки может быть непрерывной только внутри групп, а при переходах от одной группы сталей к другой она прерывается. Для сохранения непрерывности предыстории плавки с целью максимального извлечения информации из предыдущих плавок используется понятие эквивалентной окисленности плавки, которая рассчитывается по формуле:

(1)

где O(i) – полная окисленность i-ой плавки, %;

- остаточная базовая окисленность для группы сталей, к которой принадлежит i-ая плавка, %;

М1уг(i) – угоревшая масса элемента 1, кг;

1 – порядковый номер элемента (марганца, кремния);

D(i) – коэффициент пересчета угоревших масс элементов в эквивалентную окисленность, отн.ед.;