Газы в металлическом расплаве в период плавления

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 %.