Влияние азота на качество стали. Способ легирования сталей азотом

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству нержавеющей стали. Способ включает подачу азота в металл через устройство, установленное в футеровке днища ковша. Перед подачей азота определяют содержание серы в металле и насыщение азотом ведут с учетом ее содержания. Максимальный расход азота определяют в зависимости от содержания серы в металле. Расход азота должен быть в пределах не менее 0,5 максимальной величины и не более максимальной величины расхода азота, определенной по соотношению. Температуру металла поддерживают в пределах 1520°-1640°С. Возможна присадка азотированных ферросплавов на стадии доводки. Использование изобретения позволяет повысить степень усвоения металлом газообразного азота при снижении его расхода. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству нержавеющей стали преимущественно на установках внепечной обработки металла, например агрегатах «ковш-печь», установках вакуумирования и вакуумно-кислородного обезуглероживания (рафинирования).

Известен способ легирования стали азотом с применением азотированных ферросплавов. Азотированные ферросплавы присаживают в печь или в ковш во время выпуска металла из печи (Свияжин А.Г. «Легирование стали азотом». Бюллетень научно-технической информации «Черная металлургия», вып.6 (1094), 1990, с.23).

Недостатками способа при его использовании на установках внепечной обработки являются нестабильное и низкое усвоение азота. В случае последующей вакуумной обработки происходит практически полная потеря введенного с ферросплавами азота. Подача азотированных ферросплавов в ковш с металлом приводит к плавлению и растворению ферросплавов в поверхностном слое стали и удалению большей части азота в атмосферу.

Известен способ азотирования жидкой стали в ковше, включающий продувку расплава газообразным азотом через погружную фурму и подачу азота сверху струями на поверхность барботажной зоны под конусом защиты (Патент РФ № 2009209, МПК С21С 7/072, 15.03.94).

Процесс характеризуется высоким расходом азота - 125-250 л/т·мин и сопровождается бурлением металла в верхней части ковша. Это приводит к быстрому износу футеровки ковша в шлаковой зоне.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ легирования нержавеющей стали азотом, включающий насыщение металла газообразным азотом с расходом 17-36 л/т·мин (Римкевич B.C., Буцкий Е.В., Курасов В.И., Сажин И.В., Савченко С.Г. "О возможности легирования металла азотом из газовой фазы", Электрометаллургия, № 2, 2000, с.14-16 - прототип).

Недостатком способа является высокий расход и низкая степень усвоения азота, не превышающая 32%. Значительная часть подаваемого газа удаляется в атмосферу. Процесс сопровождается интенсивным перемешиванием металла и шлака, что приводит к повышенному размыву футеровки в шлаковой зоне ковша и ускорению охлаждения стали. При легировании стали газообразным азотом на установках внепечной обработки без средств подогрева последнее может приводить к переохлаждению металла и недостижению требуемых значений содержания азота.

Задачей решаемой изобретением является устранение всех выявленных недостатков, а именно уменьшение размыва футеровки ковша, сокращение расхода азота, снижение тепловых потерь путем оптимизации процесса азотирования.

Указанная задача достигается тем, что в способе легирования нержавеющей стали азотом, включающем насыщение металла газообразным азотом путем подачи азота в металл, перед подачей азота определяют содержание серы в металле и насыщение его азотом ведут с учетом содержания серы с расходом азота не менее 0,5 и не более максимальной величины расхода азота, которую определяют по соотношению:

Q=12-29,9[S]+16,9[S],

29,9; 16,9- эмпирические коэффициенты;

Целесообразно насыщение металла газообразным азотом вести в интервале температур 1520-1640°С.

Кроме того, целесообразно для получения содержания азота в стали более 0,1% совместно с продувкой азотом производить подачу азотированных ферросплавов на стадии доводки.

Экспериментально установлено, что на растворение азота в металле из газообразной фазы оказывает влияние содержание серы как поверхностно-активного элемента, блокирующего растворение азота в металле и, как следствие, влияющего на скорость насыщения нержавеющей стали азотом. При увеличении расхода подаваемого газообразного азота увеличивается скорость насыщения стали азотом.

При превышении максимальной скорости насыщения стали азотом начинается выделение избыточного (нерастворенного) количества азота из металла, сопровождаемое турбулентным движением металла и шлака в ковше. Поэтому дальнейшее увеличение расхода азота не влияет на скорость насыщения азотом металла, а приводит к удалению его в атмосферу и, как следствие, снижению степени усвоения, а также к интенсификации движения (перемешивания) металла и шлака в ковше и увеличению износа футеровки ковша. При этом повышается скорость охлаждения металла.

Предлагаемый способ позволяет учитывать влияние содержания серы в выплавляемом металле на скорость насыщения металла азотом и определять согласно приведенному соотношению максимальный расход азота, при котором достигается максимальная скорость насыщения металла азотом, а значит, обеспечивается высокая степень усвоения азота металлом. При превышении максимального расхода газообразного азота, определенного по соотношению, избыточное количество азота не усваивается металлом и удаляется из ковша, вызывая турбулентное движение металла и шлака в ковше и разрушение (размыв) его футеровки, а также повышенное охлаждение металла и перерасход азота. При этом степень усвоения азота снижается, так как часть азота удаляется в атмосферу. При расходе газообразного азота менее 0,5 определенного по соотношению процесс легирования затягивается, что приводит к переохлаждению металла, при этом не достигается заданное значение содержания азота в готовом металле.

Экспериментально подтверждена связь между содержанием серы в металле, максимальной скоростью насыщения нержавеющей стали азотом и расходом азота.

Максимальную скорость насыщения металла газообразным азотом при различных значениях содержании серы в нержавеющей стали определяли изменением его расхода. Результаты экспериментов приведены в табл.1.

Процесс азотирования целесообразно вести при температуре 1520-1640°С, не превышающих значений начала размягчения огнеупорной футеровки ковша. При температуре менее 1520°С происходит переохлаждение металла, так как данная температура находится в области температур разливки нержавеющей стали.

При температуре более 1640°С начинается интенсификация размыва футеровки ковша, вызываемого движением металла и шлака, происходящих под воздействием продувки азотом, т.к. указанная температура соответствует началу размягчения огнеупоров ковша под нагрузкой, используемых для внепечной обработки.

Для получения в нержавеющей стали содержания азота более 0,1% недостаточно легирования стали только газообразным азотом ввиду длительности процесса, переохлаждения металла и необходимости значительного подогрева металла, что негативно влияет на стойкость футеровки ковша. Введение на стадии доводки стали азотированных ферросплавов позволяет достигнуть заданных значений содержания азота в стали, не увеличивая длительность процесса. Таким образом, техническим результатом является повышение степени усвоения газообразного азота металлом при снижении расхода азота, размыва футеровки ковша и снижении тепловых потерь.

Способ осуществляется следующим образом.

После выпуска (полупродукта) нержавеющей стали в ковш производят необходимые операции по обработке стали (раскисление, рафинирование и др.). Непосредственно перед продувкой стали азотом производят отбор пробы на содержание серы в металле, затем определяют по приведенному соотношению максимальный расход азота на тонну стали и ведут насыщение металла газообразным азотом подачей азота через устройство, установленное в днище ковша, с учетом содержания серы до заданных величин азота в нержавеющей стали. Расход азота варьируют в указанных пределах не менее 0,5 расчетной величины максимального расхода азота и не превышая расчетной величины максимального расхода азота. При необходимости производят подогрев металла до оптимальных температур насыщения стали газообразным азотом, составляющих 1520-1640°С.

При заданном содержании азота в стали более 0,1% на стадии доводки металла совместно с продувкой азотом производят присадку азотированных ферросплавов по расчету.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. На установке вакуумно-кислородного рафинирования в ковше вместимостью 30 т проведено легирование коррозионно-стойкой стали 04Х18Н10 газообразным азотом, подаваемым в ковш с металлом через донную фурму (пробку) с щелевыми отверстиями шириной 0,2 мм.

После выпуска полупродукта в ковш с футеровкой из периклазохромитовых огнеупоров производили вакуумно-кислородную обработку и раскисление металла и шлака в условиях вакуума. Непосредственно перед продувкой металла азотом определяли содержание серы в металле. Максимальный расход газообразного азота рассчитывали по вышеприведенному соотношению с учетом содержания серы в стали и вели легирование стали азотом с расходом азота в предельных величинах, определяемых указанным соотношением. Процесс насыщения стали азотом вели при температуре 1520-1640°С. Степень размыва футеровки ковша определяли по содержанию окиси магния в шлаке. Степень усвоения газа металлом определяли по отношению усвоенного азота к общему расходу.

Параметры плавок легирования металла газообразным азотом и результаты по сравнению с прототипом приведены в табл.2.

При превышении максимального расхода газообразного азота, определенного по соотношению, снижается степень его усвоения и усиливается размыв футеровки ковша, о чем свидетельствует увеличение окиси магния в шлаке (вариант 6, табл.2).

При расходе азота менее чем 0,5 от максимального расхода азота (вариант 8 табл.2) не достигается заданное содержание азота в стали при переохлаждении металла.

При температуре металла менее 1520°С не обеспечивается достижение заданного содержания азота в металле (вариант 5 табл.2). При температуре более 1640°С усиливается размыв футеровки ковша, о чем свидетельствует повышение количества окиси магния в шлаке (вариант 4, табл.2). Оптимальными являются варианты 1, 2, 7 табл.2.

Пример 2. На агрегате «ковш-печь» проведено легирование нержавеющей стали СВ-10Х16Н25АМ6, с пределами содержания азота 0,1-0,2%.

Металл (полупродукт) выплавляли в электродуговой печи и выпускали в ковш с футеровкой из периклазоуглеродистых огнеупоров. Перед насыщением металла газообразным азотом производили отбор пробы металла для определения его химического состава, в т.ч. содержания серы. Максимальный расход азота устанавливали по приведенному соотношению с учетом содержания серы в стали. Температуру металла поддерживали 1520-1640°С.

Включение подачи газообразного азота через продувочное устройство производили после установки ковша на транспортную тележку (сталевоз). В процессе насыщения металла газообразным азотом на стадии доводки определяли содержание азота в нержавеющей стали и по расчету в ковш с металлом подавали азотированный ферросплав-азотированный хром с содержанием азота 8%. Результаты плавок легирования металла заявляемым способом и способом-прототипом приведены в табл.3.

При превышении максимального расхода газообразного азота, определенного по соотношению (вариант 5 табл.3), степень усвоения азота снижается на 10%, а содержание окиси магния в шлаке увеличивается на 30%.

При расходе азота менее чем 0,5 от максимального расхода азота (вариант 7 табл.3) не достигается заданное содержание азота в стали.

При превышении верхнего предела температуры (1640°С) насыщения стали азотом увеличилась интенсивность размыва футеровки ковша (вариант 4, табл.3). При снижении нижнего предела интервала температур (1520°С) на днище остался затвердевший металл в количестве 580 кг (потери) (вариант 8 табл.3). Оптимальными являются варианты 1, 3, 6 табл.3.

Предложенный способ легирования нержавеющей стали газообразным азотом повышает степень усвоения азота металлом в 1,9-2,5 раза, при этом снижается размыв футеровки ковша в 1,5-2 раза, расход азота в 1,5-3,8 раза по сравнению с прототипом. Уменьшаются тепловые потери и длительность плавки.

1. Способ легирования нержавеющей стали азотом, включающий насыщение металла газообразным азотом путем подачи азота в металл, отличающийся тем, что перед подачей азота определяют содержание серы в металле и насыщение его азотом ведут с учетом содержания серы с расходом азота не менее 0,5 и не более максимальной величины расхода азота, которую определяют по соотношению

Q=12-29,9[S]+16,9[S] 2 ,

где Q - максимальный расход азота, л/т·мин;

12 - расход азота, соответствующий максимальной скорости насыщения стали азотом, л/т·мин;

29,9; 16,9 - эмпирические коэффициенты;

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение металла газообразным азотом ведут в интервале температур 1520-1640°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения содержания азота в стали более 0,1% совместно с продувкой азотом производят подачу азотированных ферросплавов на стадии доводки.

Процессы дисперсионного выделения

Влияние малых количеств азота на свойства стали обусловлено воз­можностью дисперсионного твердения. Выделение азота из железа под­чиняется в основном тем же закономерностям, что и выделение углерода. Различие, наряду с различной скоростью диффузии, вызвано тем, что максимальная растворимость азота в α-железе больше (0,10%), чем углерода (0,018%), а температура максимальной раство­римости азота равна 585 против 725° С для углерода.

Старение

При старении после закалки («Abschreckalterung») действие уг­лерода и азота в чистых железоуг­леродистых и железоазотистых спла­вах одинаково (рис.25). Однако при добавке других легирующих элементов этот процесс несколько видоизменяется. Например, марга­нец не оказывает никакого влияния на старение за счет углерода, тогда как при 0,5% Мn старение, вызывае­мое азотом, устраняется.

В соответствии с этим основа­ние кривой внутреннего трения для сплава с азотом расширяется, мак­симум на кривой сдвигается в сто­рону высоких температур, и даже после трехчасового отпуска при 100° С наблюдается его тельное снижение.

При механическом старении («Reckalterung») чистые железоуглеро­дистые и железоазотистые сплавы обнаруживают различия. При выделении нитридов твердость достигает максимума при 50°С уже через 2 ч, в то время как под влиянием углерода при 50° С за 2 ч твердость еще не повышается, а максимума она достигает только при 200° С. Таким образом, проявляется влияние различной растворимости азота и угле рода при комнатной температуре.

Эти факты наряду с высокой скоростью диффузии азота в стали дают основание приписывать старение сталей главным образом влия­нию азота.

Синеломкость обусловливается главным образом со­держанием азота. Даже в железе с 0,04% С наблюдается незначительное повышение предела прочности при 100-250° С; в железе с 0,02% N этот эффект выражен значительно сильнее. Также отчетливо проявляется влияние азота на ударной вяз­кости, хотя вследствие большой скорости деформации падение вязкости проявляется при более высокой температуре. Повышение предела прочности при температуре синего цвета побежалости начинает­ся уже при очень малой концентрации азота (в растворе), наивысшего значения он достигает при 0,01% N. Дальнейшее повышение содержания азота уже не ведет к повышению прочности. При повышенном же со­держании углерода (>0,2%) можно еще наблюдать повышение проч­ности при содержании азота сверх 0,01%. Однако и в сплавах, не содер­жащих азота, углерод также может вызвать при повышенных тем­пературах хрупкость, аналогичную охрупчиванию при механическом старении

Вследствие совпадения причин, вызывающих механическое старение и синеломкость, можно просто определять склонность к механическому старению посредством измерения твердости в интервале от комнатной температуры до 300° С.

Максимальное по­вышение твердости различно для марок стали, имеющих различную склонность к старению. Связь этого повышения твердости с содержани­ем азота иллюстрируется рис. 26. Этот рисунок подтверждает, что для эффективной борьбы с механическим старением неуспокоенных сталей содержание азота должно быть меньше 0,005% .Обведенные чертой зна­чения для групп Вк

характеризуют добавочное, хотя и крайне незначительное, влияние

Рис. 26. Максимальная разность в твер­дости при высокотемпературном испытании для сталей в зависи­мости от содержания азота

углерода на твердость, так как образцы были с со­держанием углерода <0,01% - поэтому прирост их твердости несколько меньше. Особенно слабый прирост твердости показывают стали Mb и МА, в которых азот связан и взаимодействие его атомов с дислока­циями устранено. Если, однако, эти стали нагреть выше 1000°С, когда нитриды перейдут в раствор, и затем быстро охладить, то повышение твердости будет наблюдаться также при 200-250° С.

С железом азот образует нитриды двух типов Fe 4 N и Fe 2 N . Для сварки большее значение имеет нитрид железа Fe 4 N , так как обычно избытка азота не бывает. Нитриды железа образуются в области пониженных температур (в интервале 550-700 °С), при более высоких температурах они диссоциируют. Таким образом, в железе азот может, находиться в твердом растворе a – Fe и в виде включений нитридов Fe 4 N .

Рис. 2.8 – Кривые зависимости растворимости азота и водорода от температуры

Растворимость азота в железе сильно зависит от температуры. По мере роста температуры растворимость азота увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в момент полиморфных превращений железа.

Процесс насыщения металла азотом возможен следующими путями:

1. Диссоциированный азот непосредственно растворяется в металле капель. При последующем охлаждении металла образуются нитриды.

2. Диссоциированный азот образует в области высоких температур стойкие нитриды, которые растворяясь в жидком металле насыщают его азотом. В этом случае по мере охлаждения металла сварочной ванны из раствора может выделиться атомарный азот, который, вступая во взаимодействие с железом образует при соответствующей температуре нитриды железа.

3. Дисоциированный азот образует, в высокотемпературной зоне монооксид азота NO , которая растворяется в каплях. При температуре металла ниже 1000 °С монооксид азота выпадает из твердого раствора и диссоциирует, при этом атомарный азот образует нитриды, а кислород оксиды.

В общем случае азот является нежелательной примесью в металле шва, так как он снижает пластические свойства стали особенно ударную вязкость. Появляется склонность металла к старению, повышенная склонность к хладноломкости и синеломкости, увеличивается способ­ность к закалке, понижается магнитная проницаемость и увеличивается электрическое сопротивление металла.

Однако в условиях сварки высоколегированных сталей аустенитного класса, азот повышает устойчивость аустенита и является легирую­щей добавкой, способной заменить некоторое количество никеля.

При выплавке сталей первого класса раньше других был применен метод ввода азота в сталь посредством использования специальных азотированных ферросплавов. Но все-таки самым дешевым является способ легирования жидкой стали газообразным азотом, успешно реализуемый при использовании сталеразливочных ковшей с пористыми днищами.

При производстве сталей второго класса используют следующие четыре метода; плавка металла в индукционных печах с разливкой его в автоклавах под давлением, порошковая металлургия, диффузионное насыщение стали в твердом состоянии и плазменная металлургия.

2.3 Химическое взаимодействие

В настоящее время еще невозможно достаточно точно изобразить тройную диаграмму состояния железо - азот - углерод. Уже при самых малых добавках углерода эвтектоид, называемый браунитом, становится особенно мелкодисперсным и микроскопически распознается труднее, чем в азотированном электролитическом железе. Одновременно при введении углерода эвтектоидная точка сдвигается в сторону низких концентраций азота. В присутствии углерода γ"- и ε-нитриды окрашиваются при травлении различно, что и позволяет сделать заключение о наличии в сплаве кристаллов с различной растворимостью в них углерода. В сталях с 0,7% С исследователи нашли светло-желтые участки сорбитной структуры, которые получили название флавита (рисунок 10).

В присутствии азота в сплавах железа с углеродом цементит испытывает изменения, причиной которых является либо замещение атомов углерода атомами азота, либо внедрение атомов азота в решетку цементита. Ферромагнитная точка Кюри цементита при введении азота снижается, а разложение содержащего азот цементита начинается при более высокой температуре, чем чистого цементита. Таким образом, азот повышает устойчивость карбида и устойчивость метастабильных состояний в системе железо - углерод.

Изучение воздействия 0,6% N в эвтектоидных углеродистых сталях на превращение аустенита в промежуточной области показало, что в результате введения азота латентный период значительно увеличивается (почти в 1000 раз) и сам процесс превращения в промежуточной области вследствие введения азота значительно замедляется. Если невозможно дать более точные указания о составе соответствующих структурных составляющих в тройных сплавах железа с углеродом и азотом, то при переходе к легированным, улучшаемым сталям, например хромоникелевым, затруднения еще более увеличиваются.

2.4 Влияние азота на свойства стали

2.4.1 Азот как легирующий элемент

Влияние азота на сталь подобно влиянию углерода: он точно так же расширяет γ-область и приводит к эвтектоидному превращению. Однако из-за того, что в нелегированные и низколегированные стали не удается в процессе плавки ввести азот в повышенных количествах и удержать его после затвердевания в твердом растворе, подобные безуглеродистые, легированные азотом стали не нашли применения. В углеродистых сталях введение азота приводит к большей прокаливаемое, снижению чувствительности к перегреву, повышению стабильности карбидов, например в чугунах, вследствие чего становится возможным применение в определенных случаях стали или чугуна с повышенным содержанием азота (до 0,02 %). Особые преимущества азота как стабилизирующего аустенит элемента проявляются в высоколегированных, особенно в полуферритных и ферритных хромистых сталях.

В присутствии хрома поглощение азота ванной значительно возрастает (рисунок 11) и достигает при содержании 18% Сr примерно 0,2%.

1.2 Влияние азота на свойства стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования α-Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. Результатом этого является снижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном повышении твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, снижение ударной вязкости усиливается при длительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20-40 суток, поэтому описываемое явление получило название старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа. В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в четыре-шесть раз, поэтому склонность к старению является пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием .

Влияние азота на механические свойства стали показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Влияние азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются следующие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения γ-Fe в α-Fe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко применяемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа, поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств металла.

Подводя итог всему вышесказанному избыточное содержание азота в стали приводит к понижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является основной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, производимой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Поскольку азот является трудноудалимой примесью, его отрицательное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь повышение вязких свойств сталей. Но для сведения вредного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием этого элемента меньше 0,004% .

1.3 Источники газов

К основным источникам газов относятся:

1) шихтовые материалы;

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух);

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большое количество газов вносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в значительной мере удаляются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005% N. Чугун содержит обычно 0,0055 N .

1.4 Изменение содержания азота по ходу плавки

Поведение азота при выплавке стали с использованием металлического лома в шихте изучали многие исследователи, которыми установлено, что после проплавления шихты и проведения окислительного периода концентрация азота зависит от химического состава стали, конкретных условий ведения плавки и от количества окисленного углерода.

Сталь, изготовленная в открытых электрических дуговых печах, содержит несколько больше азота, чем мартеновская сталь того же состава. Обычно это объясняют более высокой температурой и диссоциацией азота в зоне дуг.

За время плавления в электрических дуговых печах протекают оба процесса: азот поглощается из атмосферы печи плавящимся в зоне дут металлом (преимущественно в начале периода плавления до появления жидкого шлака) и выделяется совместно с окисью углерода, образующейся в результате окислительного воздействия железистого шлака на жидкий металл.

Сам факт поглощения азота из атмосферы печи подтверждается благотворным влиянием раннего шлакообразования и уменьшения засоса воздуха в ее рабочее пространство, способствующих снижению содержания азота к концу плавления. Общее количество азота, поглощенного за время плавления, видимо, невелико, так как в противном случае трудно было бы объяснить существование отчетливой зависимости между содержанием азота в шихте и его концентрацией в готовой углеродистой стали или в металле к концу окислительного периода плавки

Окисление металла во время плавления и связанное с ним выгорание некоторого количества углерода способствуют понижению концентрации азота к концу плавления. Поэтому в плавках с затянувшимся плавлением азота и углерода в металле бывает обычно меньше. Замена извести известняком снижает содержание [N] к концу плавления примерно на 0,002%.

Для выражения зависимости между изменением за время кипения (Δ) и количеством выгоревшего углерода (Δ[С]) были предложены различные уравнения. Однако в действительности:

lg[N]/[N]0 = -k([C]0-[C]), (2)

т. е. логарифм относительного изменения концентрации [N] пропорционален количеству выгоревшего углерода.

Даже в благоприятных условиях количество азота, выделяющегося из металла в окислительный период плавки, обычно не превышает 30-50% от его исходного содержания. Если в металле по расплавлении было 0,006-0,011% N, то к концу окислительного периода плавки содержание его обычно находится в пределах 0,004-0,008%. В таких пределах изменение содержания азота в металле за время кипения Δ примерно пропорционально lg[N]/[N]0, а следовательно, по уравнению и ([С]0-[С]). Чтобы более полно выделить азот, необходимо значительное увеличение Δ[С,%]. Для получения стали с низким содержанием азота рекомендуется окислять 0,35-0,45% С (vс около 0,35% С в час). Эти рекомендации подтверждаются практикой работы наших заводов и последними выводами Чуйко (0,3-0,5% С для основных и 0,2- 0,3% для кислых дуговых печей) .

Изменение содержания азота в окислительный период плавки, проводимый с использованием газообразного кислорода, зависит от чистоты кислорода и способа его подачи в ванну. При подаче кислорода через стационарную фурму ее сопло располагается на 300-500 мм от поверхности металла. В этом случае струя кислорода разбавляется инжектируемым воздухом и содержание азота в металле уменьшается медленнее, чем при подаче кислорода в ванну через трубки, а в отдельных случаях даже увеличивается. Подобное явление было установлено на одном из наших заводов, при изготовлении трансформаторной стали в 100-т дуговых печах. Среднее содержание азота за время продувки металла кислородом в проконтролированных плавках повышалось с 0,0053% до 0,0076% и вновь понижалось до 0,0070% после добавки чугуна (1% от веса садки), вызывавшего вскипание ванны.

Во все периоды плавки металл в большей или меньшей мере соприкасается с печными газами. Площадь поверхности соприкосновения металла с газами зависит от типа процесса и периода операции; при выпуске металла из печи и при его разливке площадь поверхности соприкосновения металла с газом больше, чем в те периоды плавки, когда металл покрыт шлаком. При плавке стали в электропечи азот переходит в металл из печной атмосферы во время плавления. Этому способствует восстановительная атмосфера в области дуг и в общем незначительное окисление металла, а также диссоциация азота в дугах. После образования окислительного шлака, растворяющего очень мало азота (0,002-0,008%) , поступление азота в металл из печной атмосферы практически прекращается, поэтому ранее шлакообразование позволяет меньшее содержание азота в металле к началу окислительного периода. Во время окислительного периода происходит удаление части азота из металла вследствие экстрагирования его пузырями СО. Количество удаляемого азота увеличивается с ростом количества окислительного углерода. Содержание какого-либо газа в металле зависит от парциального давления этого газа в окружающей металл атмосфере. Практика показывает, например, что содержание азота в стали, полученной при продувке чугуна воздухом выше, чем при продувке чистым кислородом. Принимая во внимание это обстоятельство, наиболее чистую по содержанию газов сталь можно получать при плавке и разливке в вакууме. В этом случае металл не только не насыщается газами из атмосферы, а наоборот, содержащиеся в металле газы экстрагируются из него. В обычных условиях роль, аналогичную воздействию вакуума, играют пузыри СО, образующие при окислении углерода. Водород и азот, растворенные в металле стремятся выделиться в пузырь монооксида углерода, поскольку их парциальные давления в нем равны нулю. В тех случаях, когда металл кипит, изменения содержания газов в нем зависит от двух действующих в противоположном направлении факторов: насыщения металла газами в результате влияния атмосферы агрегата и выделение газов из металла вместе с пузырями монооксида углерода. В момент, когда кипение по каким-то причинам прекращается, прекратиться и очищающее действие СО.

Такое же очищающее воздействие оказывает продувка металла инертным газом (например, аргоном) или разливка стали в атмосфере инертного газа. Продувка стали аргоном - один из самых распространённых способов внепечного рафинирования. Одной из задач продувки является снижение содержания газов в металле – кислорода, азота и водорода .

При дегазации раскисленной стали удаление азота при всех способах нестабильно и незначительно, при продувке стали на воздухе или в вакууме содержание азота изменяется на 8 – 13%. Дегазация нераскисленных сталей практически не сопровождается удалением азота до момента ввода раскислителей, после чего начинается период деазотации, что объясняется образованием нитридов титана и алюминия и их удалением пузырьками аргона. Однако удаление азота в процессе продувки расплава аргоном неэффективно даже при использовании большого (более 2 м3/т) расхода аргона. В ряде случаев, когда металл не содержит нитридообразующих примесей и температура металла невелика, аргон для продувки заменяют более дешевым азотом. Содержание азота при этом почти не изменяется, а содержание водорода уменьшается. Кроме указанных факторов, на содержание газов в металле влияет также вводимые по ходу плавки добавки (известь, руда, ферросплавы и т.д.) .