Растворимость водорода, азота и кислорода в стали и их влияние на качество металла

Сталь содержит определенные количества водорода, азота, кисло­рода и неметаллических включений в виде сульфидов, оксидов и ни­тридов различного состава. Как правило, высокие требования к каче­ству электростали означают в числе прочих и минимальное содержа­ние в металле водорода, азота и кислорода. Существуют специальные марки стали, для которых азот используется как легирующий эле­мент и его содержание в металле нормировано.

Газообразные водород, азот и кислород в твердой стали могут на­ходиться в форме газовых пузырей или в виде твердого раствора и хи­мических соединений. На растворимость газов в стали влияют темпе­ратура и давление.

Растворимость водорода и азота в стали при определенной темпе­ратуре зависит от их парциальных давлений в атмосфере над метал­лом и выражается уравнением Сивертса:

[Н] = Кн√р_H2,   [N₃] = К_N√p_N2,

[Н] и  [N₃] – количество соответственно водорода  и азота, раствореннах в стали, %;

Кн и  К_N – коэффициенты, зависящие от температуры;

р_H2 и p_N2  – парциональные давления соответственно водорода и азота.

Чем выше парциальное давление газа, тем в большем количестве он растворяется в металле. При попадании влаги в атмосферу печи вместе с шихтовыми материалами, воздухом и кислородом происхо­дит разложение водяных паров в процессе взаимодействия, напри­мер, с железом по реакции: Н₂0 + [Fе] = 2[Н] + [FеО], т. е. имеет ме­сто насыщение металла водородом и монооксидом железа. Водород и азот растворяются в стали в атомарном состоянии. С железом и дру­гими элементами, присутствующими в стали, водород не образует химических соединений. Кислород оказывает влияние на раствори­мость водорода в железе.

В жидкой стали, содержащей 0,02—0,05% С и повышенное содержание кислорода, растворимость водорода существенно ниже, чем в стали с более высоким содержанием углеро­да. Азот в стали может быть в виде раствора и нитридов — химических соединений азота с железом, марганцем, кремнием, алюминием, хромом, цирконием, титаном и другими элементами, входящими в состав стали.

Азот для ряда сталей используют как легирующий элемент (до 0,5%), так какой, подобно никелю, повышает ударную вязкость и со­противление стали коррозии и способствует образованию в высоко­хромистых сталях аустенитной структуры. Легирование стали азотом осуществляют различными приемами:

• присадкой в металл кусков азотированных ферросплавов (содержание азота до 7%);
• продувкой расплава в ковшах через погружные фурмы газообразным азотом или порошком цианомида кальция (19% азота и 20% углерода).

Металл существенно обогащается водородом при использовании обожженной извести длительного хранения, так называемой «пу­шонки». Обожженная известь активно поглощает влагу из атмосферы и гасится с образованием Са (ОН)2, который, попадая в печь, разлагается при температуре 600⁰С по реакции Са (ОН)2 →саО + Н2О.

Существенное влияние на повышение содержания в стали водо­рода могут оказывать недоброкачественная подготовка и недостаточ­ная сухость сливного желоба печи, разливочного и промежуточного ковшей, утепляющих смесей, изложниц, надставок, вкладышей и разливочного припаса.

С понижением температуры растворимость газов в металле резко уменьшается. При кристаллизации часть водорода удаляется из ме­талла в атмосферу, но частично водород остается в металле в виде пу­зырей и раствора. После затвердевания выделение растворенного во­дорода из стали продолжается, сопровождаясь образованием в метал­ле различных дефектов — флокенов, трещин и др., приводящих к браку металлопроката.

Повышенное содержание в стали азота приводит к увеличению загрязненности металла неметаллическими включениями, сниже­нию ее механических свойств и ухудшению свариваемости. Поэтому технологические процессы выплавки, внепечной обработки и раз­ливки электростали должны обеспечивать по возможности наиболь­шее удаление водорода и азота из металла и максимальное снижение его чувствительности к возникновению различных пороков матрицы (пузырей, флокенов и др.).

В окислительный период плавки при интенсивном обезуглерожи­вании и кипении ванны из металла с пузырьками СО удаляются в значительных количествах водород и азот, которые диффундируют в полость пузырьков из раствора. Увеличение в печных газах в процес­се кипения ванны содержания СО снижает парциальное давление азота и водорода в пузырьках СО и тем самым также способствует очищению стали от этих газов. При использовании прокаленной ру­ды или агломерата и свежеобожженной извести удается к концу ки­пения снизить содержание водорода в металле до 0,0003-0,0005% и азота до 0,006-0,09%.

В восстановительный период (период доводки) содержание азота и водорода в металле несколько повышается за счет добавок ферросплавов, раскислителей и шлакообразующих, а также за счет перехода из шлака. При выпуске плавки из печи в ковш имеет место обогащение расплава водородом и азотом воздуха, увлекаемого падающей струей металла.

Кислород достаточно хорошо растворяется в жидком железе. Одновременно железо
окисляется с образованием монооксида железа, который передает кислород металлу по реакции: (FеО) = [Fе] + [О] – 121,8 кДж/моль.

Кислород в железе может присутствовать в виде химического соединения с железом [FеО] и в виде раствора. Химические соединения кислорода с марганцем, кремнием, хромом и другими компонентами стали образуют так называемые неметаллические включения.

При разливе стали, содержащей углерод и избыточное количество кислорода, в изложницы или на УНРС температура расплава и растворимость кислорода снижаются и в результате взаимодействия углерода и кислорода образуется оксид углерода, который частично выделяется в атмосферу, а частично остается в металле в виде газовых пузырей.

Наиболее распространенными раскислителями являются кремний и алюминий. Введение в сталь кремния в количестве не менее 0,18-0,23% предотвращает образование и выделение из стали оксида углерода в виде пузырей. При одновременном с кремнием введении в металл алюминия концентрация кремния, обеспечивающая отсут­ствие пузырей в слитке, может быть снижена. Оксиды, образующие­ся в ванне жидкой стали и в ковше, частично всплывают в шлак, а ча­стично увлекаются металлом в изложницы или кристаллизаторы УНРС и,  не успевая всплыть, остаются в стали.

Неметаллические включения ухудшают свойства стали. Для сни­жения в стали как кислорода, так и кислородсодержащих неметалли­ческих включений прибегают к технологическим приемам воздейст­вия на металл:

• обработкой раскислителями;
• наведением восстановительного шлака;
• интенсивным перемешиванием шлака и металла;
• внепечной рафинирующей обработкой металла (продувка в ковше инертным газом, вакуумирование, обработка порошкооб­разными веществами и др.).