0.2.1 Kvalitetskrav för efterbehandling av flytande stål
Utformningen av skänkugnsmetallurgin styrs naturligtvis av krav på rationell produktion men också av att det är i efterbehandlingen efter stålugnen som man kan påverka de faktorer som inverkar på stålets slutliga kvalitetsegenskaper. Nedan sammanfattas därför de viktigaste kopplingarna mellan faktorer hos det flytande stålet och det färdiga stålets kvalitetsegenskaper. Slutegenskaper som påverkas av förhållanden i flytande stål är:
Sammansättning (Kemisk analys)
Slagginneslutningar, oxidiska och sulfidiska
Gasinnehåll, som lösta gaser eller gasbubblor (porer)
Föroreningselement exempelvis svavel
Indirekta faktorer exempelvis temperatur
0.2.2 Kemiska analysen
Ur slutanvändarsynpunkt är ett viktigt kvalitetsmått på stål dess jämnhet och reproducerbarhet. Detta är i sin tur i hög grad kopplat till repeterbarhet i den kemiska sammansättningen hos stålet. Kunden beställer i regel ett stål mot en specifikation enligt internationell norm. Normalt har man utöver detta en styrning internt inom stålverket genom en intern specifikation som dels syftar till att ytterligare öka jämnheten hos egenskaperna men också kan ha syftet att minimera legeringskostnaderna. Det är alltså viktigt att ha väl utvecklade provtagningsrutiner och att provet tas ur en homogen smälta.
0.2.3 Slagginneslutningar
Slagginneslutningar i stål kan vara av två slag, oxider och sulfider. Oxidiska inneslutningar brukar man dela upp i endogena och exogena. De endogena som är den viktigaste gruppen är inneslutningar som bildas i stålet genom att syre reagerar med starka syrebindare som exempelvis Si, Al eller Ca. De exogena inneslutningarna som definieras som att de kommer in utifrån härrör oftast från toppslagg, keramiskt infodringsmaterial eller liknande källor. Denna typ minskar generellt i förekomst i takt med att nyare teknik införs i stålverken. Speciellt vid götgjutning finns dock alltid en risk att de uppträder. När de förekommer kan inneslutningarna vara flera millimeter stora och naturligtvis helt förödande för stålets egenskaper. De endogena oxidiska inneslutningarna är i storleksordningen några μ som minst och 50 à 100 μ som störst. Beroende på desoxmedel erhåller man olika typer av inneslutningar.
Eftersom olika typer inverkar olika på stålets egenskaper behöver man hålla kontroll på vilken typ av inneslutning man har i stålet.
Många stålverk tillämpar en gammal indelning av inneslutningstyper beroende bland annat på hur de deformeras vid bearbetningen. Indelningen görs i 4 klasser;
Beroende på vilka egenskaper som är viktiga försöker man styra typ av inneslutning. Nedan ges några av de vanligaste exemplen på detta.
Ytor det vill säga ytfinish är i många applikationer viktig. En typisk störning är att långa stråk av små Al2O3-inneslutningar kommer upp i ytan och blir synliga. I dessa fall bör Al-desoxidation undvikas och i stället bör man sträva efter duktila inneslutningar enligt klass A.
Utmattningshållfastheten påverkas direkt negativt av oxidiska inneslutningar. Här har storleken stor betydelse och man bör således försöka hålla nere maxstorleken. Till exempel har en sänkning från en maxstorlek på 20-30μ till 5-10μ visat sig ha en påtagligt förbättrande inverkan. Speciellt negativt för utmattningshållfastheten är inneslutningar som har kaviteter i valsriktningen eftersom dessa utgör utgångspunkter för brottet. Man bör således undvika typ D och se till att man har en bra avskiljning så att maxstorleken kan hållas låg.
Tvärhållfastheten (det vill säga hållfastheten i tjockleksriktningen) som är viktig för vissa konstruktionstillämpningar kan påverkas negativt av inneslutningar som har sträckts ut i tvärsriktningen. Detta kan ske hos glasiga silikater och vissa sulfider (enligt Typ A). Man bör i dessa fall sänka total halt svavel syre samt undvika desoxidation med Si-Mn.
Skärbarheten det vill säga egenskaperna när stålet utsätts för skärande bearbetning har stor ekonomisk betydelse. Här har sulfider en starkt positiv inverkan på den så kallade spånbrytningen och därför upplegeras oftast stål för skärande bearbetning med svavel. I allmänhet anses oxider vara negativa för skärbarheten och då speciellt stora hårda inneslutningar som kalciumaluminater (Typ D). En del stål specialdesignas med deformerbara glasiga silikater.
Korrosionsegenskaperna påverkas negativt av sulfider. I rostfria stål ersätter man mangansulfider med kalciumsulfider för att höja motståndet mot så kallad gropfrätning.
0.2.4 Gasinnehåll
De gaser som är intressanta för ståls egenskaper är väte och kväve. Båda dessa gaser kan lösa sig i flytande stål. Väte kan tas upp av smältan i kontakt med fukt i luft eller annan fukt medan kväveupptaget i regel kommer från kontakt med luft. Lösligheten för väte i fast stål är låg vilket gör att väte kan uppträda som porer i gjutet material så kallade pinholes. Detta är naturligtvis negativt för stålets egenskaper och vätehalten måste hållas ordentligt under löslighetsgränsen som är i storleksordningen 10 ppm. Löst väte är också negativt för stålets seghetsegenskaper men löst väte brukar speciellt vid klenare dimensioner diffundera ut ur stålet vid de värmebehandlingar som stålet genomgår. Vid stora smidesgöt kan segring av H och N ge porer i mitten av götet som inte kan vällas ihop. Kväve har en relativt hög löslighet i fast stål. Behovet att sänka kvävehalten före gjutning beror på att kväve i vissa fall bildar oönskade nitrider som kan vara negativa för framförallt duktilitetsegenskaperna. Kväve är inte alltid negativt, i vissa stål används det som ett legeringsämne. Sammanfattningsvis kan sägas att vätehalten i flytande stålet måste hållas ordentligt under lösligheten i fast fas medan krav på kvävehalten varierar mellan olika stålsorter.
0.2.5 Svavelhalten
Svavlets negativa inverkan på ståls hållfasthet beror på att svavel har en låg löslighet i fast fas vilket gör att svavel segrar det vill säga svavlet skiljs ut i de sist stelnade partierna. Detta gör att svavel även om det binds som sulfider kan försvaga korngränserna i stålet. För vissa applikationer ställs därför mycket stränga krav på låga svavelhalter.
