Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




04.12.2019


04.12.2019


03.12.2019


03.12.2019


03.12.2019


03.12.2019


02.12.2019


02.12.2019


02.12.2019


01.12.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Поведение азота и водорода при электроплавке стали

Поведение азота и водорода при электроплавке стали

21.03.2019


Азот и водород растворяются в жидком железе. Эти процессы можно описать такими уравнениями:
Поведение азота и водорода при электроплавке стали

Константы процесса растворения выражаются следующим образом:

Отсюда следует:

Последние выражения называются законом Сивертса. Концентрацию водорода в железе [Н] выражают в процентах по массе, а иногда в см3/100 г металла. Для перехода от одного способа выражения концентрации водорода в железе к другому необходимо воспользоваться соотношением [Н]% =0,000089 [Н] см3/100 г.

Концентрацию азота в стали [N] принято измерять в процентах по массе. Концентрация водорода или азота в атмосфере над металлом определяется парциальным давлением каждого из этих газов — рН1 и рN2. Парциальное давление газа в смеси равно его объемной доле, помноженной на общее давление газовой смеси. Например, парциальное давление азота в воздухе составляет 0,78*1 aт = 0,78 ат.

Растворимость азота и водорода в железе зависит от их парциального давления в газовой фазе и от температуры. Температурная зависимость растворимости водорода и азота в железе показана на рис. 27. Растворимость этих газов в жидком железе значительно выше, чем в твердом металле.

Содержащиеся в стали примеси также оказывают влияние на растворимость водорода и азота. Углерод, никель, кремний, хром, алюминий и кислород уменьшают, а титан и марганец увеличивают растворимость водорода в стали. Однако при обычном содержании этих элементов в конструкционной стали их влиянием можно пренебречь и принять растворимость водорода в процессе плавки равной растворимости его в железе. В жидкой стали, содержащей не более 0,05—0,08% С, концентрация кислорода может оказаться довольно высокой. В такой стали растворимость-водорода может быть значительно ниже, чем в раскисленном металле с более высоким содержанием углерода.

Углерод, фосфор и кремний понижают растворимость азота в железе; ванадий, хром, марганец, титан, алюминий, напротив, повышают растворимость азота в стали. В обычных сталях количество хрома, никеля, марганца, кремния и углерода не превышает 1,5—2%, а содержание ванадия и титана измеряется несколькими сотыми, иногда десятыми долями процента. В таких концентрациях они не оказывают заметного влияния на растворимость азота в стали. При выплавке сложных, высоколегированных сталей, таких как нержавеющие, жароупорные, быстрорежущие, и специальных сплавов, содержание отдельных элементов в которых составляет 10—20%, а иногда и больше, растворимость водорода и азота определяется химическим составом жидкого металла, что следует учитывать в практике. Например, растворимость азота в низколегированной стали возрастает с температурой; поэтому перегрев такой стали опасен. Растворимость азота в стали, содержащей 10—20% Cr, уменьшается с увеличением температуры, поэтому при выплавке обычной нержавеющей стали нет оснований опасаться насыщения металла газами при перегреве после легирования его феррохромом.

При переходе из жидкого состояния в твердое растворимость газов в стали обычно резко падает. Если сталь кристаллизуется с образованием объемноцентрированной решетки (a-железо), в ней может остаться меньше газов, чем в стали, кристаллизующейся с образованием гранецентрированной решетки (у-железо). Оставшиеся в твердой стали газы определяют ее свойства, поэтому важно знать, какое количество газов усваивается той или иной сталью при затвердевании и остывании. Если водород во всех случаях снижает качество стали, то азот иногда улучшает свойства металла и применяется в качестве легирующего элемента.

Водород, растворенный в жидкой стали, выделяется при понижении температуры, а также во время затвердевания жидкого металла. Выделение водорода, а также других газов в момент кристаллизации металла является причиной образования пузырей в слитках. Из рис. 27 следует, что, если содержание водорода в затвердевающем металле меньше 0,0012%, пузыри водорода не могут образоваться, так как содержание водорода в стали ниже его растворимости в твердой стали вблизи температуры плавления. Однако в действительности образование пузырей в затвердевающем слитке и получение при разливке «рослых» слитков возможно и при более низком содержании водорода в стали. Это объясняется постепенным обогащением жидкого металла в изложнице водородом вследствие ликвации, так что концентрация водорода в отдельных объемах затвердевающего слитка оказывается выше среднего его содержания в стали. В последнюю очередь затвердевает металл, находящийся в прибыльной части слитка. Поэтому здесь может происходить выделение газов и вспучивание металла при относительно низкой средней газонасыщенности жидкой стали. Образование пузырей в слитках возможно при содержании водорода в стали около 0,0010%.

После затвердевания стали выделение водорода из нее продолжается вследствие понижения растворимости водорода при охлаждении стали и достаточно высокой подвижности небольших по размеру атомов водорода в твердом металле. Выделяющийся из твердой стали водород является причиной образования в ней различных дефектов — флокенов, трещин и т. д. К образованию флокенов — различно ориентированных волосных трещин длиной до нескольких сантиметров — склонны почти все легированные стали. Технологический процесс плавки должен обеспечивать получение стали с минимальным содержанием водорода, не склонной к возникновению в ней различных пороков (флокенов, пузырей, газовой пористости и др.).

Азот понижает ударную вязкость стали. В этом отношении он влияет подобно фосфору, поэтому при производстве конструкционной стали стремятся к максимальному удалению азота из жидкого металла. Из твердого металла даже при повышенных температурах азот практически не удаляется. Нитрид железа Fe4N непрочен и разлагается при 650—700° С. Зато с цирконием, титаном и алюминием, растворенными в жидкой стали, азот образует прочные нитриды. В некоторых случаях он оказывает полезное действие: измельчает зерно в нержавеющей стали, способствует получению аустенитной структуры в нержавеющих сталях аустенитного класса. Растворимость азота в жидкой нержавеющей стали, содержащей 18% Cr и 8% Ni, при 1600° С и давлении азота 1 ат высока и составляет 0,29%. В твердой стали этого состава растворимость азота остается такой же, что позволяет получать бес-пузыристые слитки и отливки с повышением содержанием азота.

Водород поглощается сталью как во время плавления шихты, так и после расплавления из печной атмосферы, которая содержит некоторое количество водорода и водяных паров. В период кипения, а также после раскисления металла водород поглощается из печной атмосферы через шлак: содержащийся в печной атмосфере и недостаточно просушенных материалах, присаживаемых в шлак — извести, порошках кокса, ферросилиция, водород растворяется в шлаке, а затем переходит в металл. Основными источниками водорода являются: влага, содержащаяся в руде, извести; водород, растворенный в шихте и ферросплавах; ржавая шихта; влага футеровки желоба, ковша, разливочного припаса и стенок изложниц; водород, находящийся в шлаках; водяные нары в атмосфере печи и в воздухе.

Основным источником поступления азота в жидкий металл является воздух, а также азот, содержащийся в шихте и ферросплавах или растворенный в шлаках. Азот поглощается металлом во все периоды плавки. Атмосфера является неисчерпаемым источником его. Перегрев металла и диссоциация молекул азота на атомы в зоне действия электрических дуг способствует поглощению сталью азота. Шлак, отделяющий жидкий металл от атмосферы, препятствует поглощению азота.

Удаление газов происходит лишь во время окислительного периода плавки благодаря кипению, когда азот и водород выделяются в пузыри окиси углерода и выносятся в атмосферу. Поэтому количество удаленных из жидкой стали газов зависит от количества окисленного углерода и скорости его окисления. При вялом кипении ванны содержание азота и водорода встали может даже возрасти.

Водород удаляется из стали довольно быстро, пока его содержание в металле не приблизится к 0,0002%. Для снижения концентрации водорода до этого значения достаточно окислить около 0,15% С. Дальнейшее выделение водорода из стали происходит значительно медленнее и требует окисления большего количества углерода. В конце окислительного периода в основной электропечи содержание водорода в стали обычно находится в пределах 0,0003—0,0005%.

При высоком содержании азота по расплавлении его удаление из кипящей ванны происходит легко, и при окислении 0,2—0,3% С содержание азота в стали может быть понижено до 0,004—0,005%, если даже первоначальное содержание азота было очень высоким. При малых содержаниях азота и водорода все большую роль приобретает их поглощение из шлака и атмосферы. При малых содержаниях азота в стали количество поглощенного азота может превысить количество удаленного. В этих условиях содержание азота в стали по ходу кипения может даже увеличиваться. Чем выше скорость поглощения газов, тем больше их предельное содержание, по достижении которого прекращается дальнейшее понижение их концентрации. В основной электропечи содержание азота в металле в конце окислительного периода плавки находится в пределах 0,003—0,006%.

В восстановительный период плавки ванна не кипит, условий для удаления газов нет, поэтому сталевар должен принять все меры для предотвращения поглощения газов металлом. Уже не раз подчеркивалось, как важно прокаливать перед употреблением легирующие и шлакообразующие добавки и держать охлаждающие устройства печи в полной исправности. В течение всего восстановительного периода необходимо поддерживать в печи положительное давление, препятствующее засасыванию в печь воздуха. С этой целью сталевар должен обеспечить плотное прилегание заслонки к направляющим рабочего окна, хорошее уплотнение зазоров у электродов и избыток свободного углерода в шлаке.

Многое зависит от состава и консистенции шлака. Жидкие шлаки обладают большой газопроницаемостью, поэтому при ведении плавки под слишком жидкими шлаками увеличивается скорость поглощения сталью водорода. Кислые шлаки, а также магнезиально-кремнеземистые шлаки менее проницаемы для газов, чем белый или карбидный шлак. Содержание водорода в металле повышается после скачивания окислительного шлака и присадки новой порции шлакообразующих. Продолжительная выдержка раскисленного металла в восстановительный период плавки приводит к обогащению его газами.

Обычно содержание водорода к концу плавки низколегированной конструкционной стали в основной электропечи составляет 0,0004—0,0007% и азота 0,007—0,014%, а при выплавке высоколегированной стали достигает соответственно 0,0008—0,0011 % H и 0,015—0,020% N. В тех случаях, когда сталь преднамеренно легируют азотом с помощью азотистого феррохрома или азотистого металлического марганца, содержание азота может достигать 0,3—0,5%.

Для дегазации металла иногда используют продувку ванны инертными газами в печи или внепечное вакуумирование.