Газы (водород и азот), растворившиеся в стали во время плавки и разливки стали, выделяясь из нее вследствие понижения растворимости в процессе кристаллизации слитков и при их охлаждении, вызывают появление ряда специфических дефектов и явлений в готовой стали и деталях, изготовленных из нее (флокены, старение, снижение ударной вязкости и т.д.). Поэтому в подавляющем большинстве случаев газы считаются вредными примесями в сталях, и при разработке технологии производства стали уделяется большое внимание борьбе за получение металла с низким содержанием газов. Исключение составляет группа сталей (преимущественно коррозионностойких), в которых азот является легирующим элементом и применяется для повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, стабилизации γ -фазы аустенитных сталей.
Растворимость газов в железе и его сплавах, зависимость ее от различных технологических факторов, способы борьбы с газами подробно изучены и описаны в специальной литературе.
Источниками поступления газов в металл при электроплавке являются атмосфера печи, содержащая азот, водород и пары воды, шихтовые материалы, используемые во время плавки, а также атмосфера, окружающая струю металла при выпуске и разливке плавки. Довольно большое количество газов вносят в металл шихтовые материалы. Содержание водорода в нелегированном ломе 0,0002…0,0008 %, азота – 0,003…0,008 %. Ржавый лом содержит больше водорода, в поверхностном слое такого лома – до 0,15 % водорода. Чугун чушковый содержит 0,0010…0,0025 % водорода и 0,004…0,006 % азота. Кроме того, шихтовые материалы (особенно известь) вносят в рабочее пространство печи содержащуюся в них влагу (поэтому в плавке желательно использовать свежеобожженную известь).
Газы, содержащиеся в металлических компонентах шихты, при плавлении остаются в расплавленном металле, борьба с ними на стадии плавления практически невозможна. Газы, содержащиеся в шлакообразующих компонентах в виде влаги, частично испаряются и переходят в атмосферу печи, а большей частью растворяются в шлаке и из него могут перейти в расплав. Газовая фаза, находящаяся в рабочем пространстве печи, служит постоянным поставщиком газов для металлического расплава. Задачи электрометаллургов в период плавления – по возможности уменьшить растворимость газов в шлаковой фазе и газопроницаемость шлака и ограничить поступление газов из атмосферы печи в металл.
Известно, что азот и водород не могут растворяться в металле в виде молекул N2 и Н2. Растворению должно предшествовать разложение этих молекул на атомы, требующее больших затрат энергии и высокой температуры. К сожалению, в дуговых электропечах в зоне мощных высокотемпературных электрических дуг условия для разложения молекул газов идеальны и постоянно существует поток газов, направленный в металл. Если металл не покрыт слоем шлака, то атомы (или ионы) газов довольно легко переходят границу раздела металл – печная атмосфера и растворяются в металлическом расплаве. В период плавления у электросталеплавильщиков имеется только один способ воспрепятствовать заметному увеличению содержания газов в металле – быстро навести в печи слой шлака оптимального состава и толщины, препятствующий или замедляющий процесс поступления газов в металл. Растворимость газов в основных шлаках зависит от окисленности шлака, в сильноокисленных шлаках она составляет 0,0010…0,0015 %, в раскисленных основных шлаках она в 2…3 раза выше. Понижение основности шлаков уменьшает растворимость в них газов. Так как равновесное распределение газов между шлаком и металлом в печи не достигается, большое значение имеет газопроницаемость шлаков. Окисленные шлаки имеют газопроницаемость меньшую, чем раскисленные. Газопроницаемость основных шлаков выше, чем у шлаков пониженной основности. Поэтому в период плавления для защиты металла от поступающих в него из атмосферы рабочего пространства газов надо было бы иметь окисленные шлаки пониженной основности. Но такие шлаки не эффективны для проведения быстрой и глубокой дефосфорации металла. В связи с этим в период плавления в печи обычно наводят окисленные шлаки с основностью около 2. Такие шлаки позволяют более или менее надежно защищать металл от проникновения в него газов. Чем меньше длительность плавки, тем меньше газов поступит в плавящийся металл. В сверхмощных дуговых печах раннее шлакообразование в период плавления и быстрое расплавление шихты способствуют меньшему поступлению газов в металл. В старых маломощных печах в конце плавления содержание водорода в металле было на уровне 0,0005…0,0006 %, азота – 0,005…0,008 %. При плавке в сверхмощной печи на такой же шихте содержание водорода в металле в конце плавления 0,0003…0,0004 %, азота – 0,004…0,005 %.
