Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Технологические процессы и производства Газы в рабочем пространстве конвертера

Газы в рабочем пространстве конвертера

Печать

Жидкая конвертерная сталь уже в первые минуты плавки находится не только в окислительной атмосфере рабочего пространства, но и в состоянии глубокого барботажа, так как энергично обрабатывается кислородом системы продувки расплава (до 2000 м3 газа пронизывает толщу металла в одну минуту). Реакционная поверхность газа с металлом становится весьма большой, расплав насыщается кислородом, азотом, водородом, в значительной степени влияющих на качество готовой стали.

Количество перешедшего в расплав газа зависит от его парционального давления, т. е. от давления конкретного газа в составе других газов.

Процесс, в результате которого газы оказываются в расплаве в атомарном или ионном состоянии, или в виде химического соединения называется процессом растворения газов в металле. Скорость растворения зависит от многих факторов: агрегатного состояния металла и состояния его поверхности, его кристаллической структуры, от давления газа, температуры расплава, от размеров атомов (ионов) растворяемого газа. На скорость растворения газа в металле существенно влияют примеси. Если поверхностная активность их достаточно высока - переход газа через границу газ - металл будет тормозиться. Лимитирующим фактором процесса растворения газа в металле может стать либо внешняя диффузия (подвод газа), либо внутренняя диффузия (массоперенос в металл).

Растворимость газов в металле изменяется скачкообразно при переходе его из жидкого состояния в твердое и при аллотропических превращениях в твердом состоянии. Процесс этот является эндотермическим. Объясняется между атомами в молекуле газа.

Нежелательным свойством газов является их малая растворимость в α - Fe, особенно в области низких температур: возникает опасность выделения газов из твердой стали при дальнейшей переработке или во время эксплуатации её, что сопряжено с разрушением изделия. Проницаемость твердого металла для газов определяется его кристаллической структурой. “Поры”, соединяющие междоузлия гранецентрированной решетки γ - Fe шире, чем поры в объемноцентрированной решетке α - Fe. Это обстоятельство определяет большую растворимость газов в железе этой модификации, а также в сталях и сплавах, имеющих структуру аустенита. Присадки, стабилизирующие фазу α - Fe (углерод, кремний, алюминий) уменьшают растворимость газов.

Водород в расплаве находится в виде протона Н+. По влиянию на растворимость его в жидком железе элементы примеси разделяют на три группы: 1) повышающие растворимость водорода (титан, неодим, цирконий, торий, церий, лантан, ванадий) и образующие с водородом соединения, прочные при низкой температуре; 2) снижающие растворимость водорода (углерод, кремний, алюминий), имеющие в растворе более сильные связи с железом, чем связи водорода с железом; 3) слабо влияющие на растворимость водорода (никель, кобальт, марганец, молибден, хром). Влияние этих элементов на растворимость водорода в железе заметно в случае высоких концентраций.

Растворимость азота в жидком железе с повышением температуры возрастает. При охлаждении стали, содержащей азот, нежелательным является скачкообразное снижение растворимости, влекущее снижение её качества.

Удаление азота из жидкой стали вакуумированием не всегда достигает цели: коэффициент диффузии азота ДN = 3,77x10-5 см2/с, тогда как у водорода Дн = (8,0 ч9,0)x10-3 см2/с, т. е. на два порядка выше - водород удаляется из стали с большей интенсивностью.

Примеси в расплаве: Mn, Сг, Nb, V способствуют растворению азота в железе; С и Si – тормозят растворение; Mo, W, Ni и Cu – слабо влияют на растворимость азота.

В кислородно-конвертерной низкоуглеродистой стали содержится 0,004-0,006% N.

Получение стали с минимальным содержанием водорода и азота способствует: 1) использование чистых шихтовых материалов; 2) ведение плавки в атмосфере с минимальным содержанием водорода и азота; 3) ведение плавки в режиме кипения ванны; 4) применение вакуумирования для очистки жидкой стали от газов; 5) продувка ванны инертными газами; 6) введение в металл редкоземельных элементов для связывания водорода и азота в прочные гидриды и нитриды.

Готовая жидкая сталь в рабочем пространстве конвертера содержит кислород в двух ипостасях: в растворе кристаллической решетки δ - Fe и в оксидах – неметаллических включениях ( при комнатной температуре растворимость кислорода в α - Fe снижается до следов).

Содержание и активность кислорода в ванне конвертера в решающей мере зависит от содержания в расплаве углерода: ванна во время плавки “кипит” – идет бурный процесс выделения СО (водород и азот, растворенные в металле, стремятся выделиться в пузырь СО, поскольку их парциальное давление в нем равно нулю). При содержании углерода менее 0,10% процесс кипения ванны замедляется и углерод уже не определяет и не регулирует окисленность металла: развивается активность оксидов в шлаке - чем она выше, тем выше окисленность металла.

При введении в металл элементов-раскислителей в нем образуются оксидные неметаллические включения. В твердой стали практически весь кислород находится не в твердом растворе, а виде оксидных неметаллических включений.