РАСТВОРЕННЫХ В МЕТАЛЛЕ. УДАЛЕНИЕ ГАЗОВ ИЗ МЕТАЛЛА

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 в шлак по ходу плавки и разливки; 4) ат­мосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке. Большое ко­личество газов вносится в металл с шихтой. Несмотря на то что эти газы в значительной мере удаляются из ме­талла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами технологи обращают особое внимание. Лом содер­жит обычно 0,0004-0,0008 % Н и 0,003-0,005 %N. Содержание кисло­рода в скрапе зависит от его состава, а также от степени окисленности поверх­ности. С ржавым скрапом вносится также много и водорода. Содержание водорода в мелком скрапе, покрытом слоем ржавчины толщиной 0,1 мм, по­вышается до 0,122%, т.е. подобный скрап неприемлем при выплавке каче­ственной стали. В некоторых случаях для производства сталей и сплавов осо­бо ответственного назначения поверх­ность скрапа, используемого в каче­стве шихты, тщательно очищают, на­пример в дробеструйной установке.

Чугун содержит обычно 0,0010— 0,0025 % Н и ~ 0,005 % N. Содержание водорода в чугуне в случае повышен­ной влажности воздуха дутья, а также при подаче в доменную печь природ­ного газа может быть существенно выше. 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; во время продувки металла в конвертере, при завалке легковесной шихты в мартеновские или электроду­говые печи, 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.

Содержание любого газа в металле зависит от его парциального давления в окружающей металл атмосфере. Практика показывает, например, что содержание азота в стали, полученной при продувке чугуна воздухом, выше, чем при продувке чистым кислородом; содержание водорода в мартеновской стали при отоплении печи природным газом выше, чем при отоплении мазу­том, содержащим меньше водорода. 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, но и, наоборот, содержащиеся в металле газы экстра­гируются из него. В обычных условиях роль, аналогичную воздействию ваку­ума, играют пузыри СО, которые образуются при окислении углерода. Водо­род и азот, растворенные в металле, стремятся выделиться в пузырь СО, поскольку их парциальные давления в нем равны нулю.

В тех случаях, когда металл кипит, изменение содержания газов в нем за­висит от двух действующих в проти­воположном направлении факторов: насыщения металла газами в результа­те влияния атмосферы агрегата и вы­деления газов из металла вместе с пу­зырями монооксида углерода. В мо­мент, когда кипение по каким-либо причинам прекращается, прекратится и очищающее действие пузырей СО. Так, например, в восстановительный период электроплавки (см. ниже) со­держание азота в стали возрастает в результате прекращения окисления углерода и сопутствующего ему удале­ния азота (при непрерывном поступ­лении азота из атмосферы печи и шла­ка в металл). Такое же, как и кипение ванны, очищающее воздействие ока­зывает продувка металла инертным газом (например, аргоном) или раз­ливка стали в атмосфере инертного газа. В ряде случаев, когда металл не содержит нитридообразующих приме­сей и температура металла невелика, аргон для продувки заменяют более дешевым азотом. Содержание азота в металле при этом почти не изменяет­ся, а содержание водорода уменьшает­ся. Продувка металла в ковше и защи­та струи металла при разливке инерт­ным газом получили самое широкое распространение в сталеплавильном производстве. Кроме указанных фак­торов на содержание газов в металле влияют также вводимые по ходу плав­ки добавки (известь, руда, ферроспла­вы и т. д.).

Особое внимание необходимо уде­лять контролю состава извести. Основ­ная составляющая извести СаО взаи­модействует с содержащейся в воздухе влагой СаО + Н₂О = Са(ОН)₂. В ре­зультате получается рассыпающаяся в рыхлый порошок так называемая пу­шонка. Получаемая при обжиге извест­няка известь должна немедленно ис­пользоваться, длительное ее хранение недопустимо. Если по условиям произ­водства это трудновыполнимо, известь заменяют известняком, так как он малогигроскопичен. Много влаги (осо­бенно зимой) могут содержать желез­ная руда и боксит. Некоторые виды ферросплавов и легирующих добавок содержат значительные количества азота и водорода. В виде гидроксила ОН^- некоторое количество водорода содержится в шлаке. Содержание водо­рода в шлаке, так же как и в металле, пропорционально квадратному корню из давления паров влаги в атмосфере агрегата (H)= p_H2O . Если в шлаке много водорода, то во время выпуска плавки при перемешивании такого шлака с металлом часть водорода может перейти в металл. Учитывая, что водо­род в металле находится в основном в виде протона Н⁺, а в шлаке — в виде иона гидроксила ОН^-, можно опреде­ленным образом воздействовать на процесс удаления водорода посред­ством электрического поля. При этом на катоде идет процесс выделения во­дорода:

H⁺ + e = H_г, Н_г+Н_г = Н_2(г),

а на аноде образуется вода:

4ОН^- = 2Н₂О_г + О_2(г) +4е.

Однако для практических целей это явление использовать сложно.

Таким образом, получению метал­ла с минимальным содержанием водо­рода и азота способствуют следующие мероприятия: 1) использование чис­тых шихтовых материалов; 2) ведение плавки в атмосфере с минимальным содержанием водорода и азота; 3) организация по ходу плавки кипе­ния ванны; 4) обработка металла ваку­умом; 5) продувка металла инертными газами. Вредное влияние водорода и азота снижается при введении в ме­талл примесей, связывающих водород и азот в прочные гидриды и нитриды, например при введении редкоземель­ных металлов (РЗМ) — церия, лантана и др. или при введении значительных количеств алюминия при выплавке нестареющей стали и т. д.