17. Азот в стали. Растворимость азота. Отрицательное и положительное влияние азота. Возможные способы легирования стали азотом.

Азот почти всегда присутствует в атмосфере сталеплавиль­ного агрегата. Растворение в металле азота, так же как и водорода подчиняется закону квадратного корня [N] = К Р_N2газ^1/2 , следовательно, процесс растворения азота может быть записан как N_2газ = 2[N]. При обычных темпера­турах сталеплавильных процессов (1450-1600⁰ С) интенсив­ность перехода азота в металл из газовой фазы невелика. Однако при очень высоких температурах, превышающих 2500⁰ С (например, в зоне электрических дуг при выплавке стали в дуговых электропечах, в зоне контакта кислородной струи с металлом при продувке ванны кислородом), молекулы азота диссоциируют и скорость проникновения в металл ато­мов азота может резко возрасти.

На растворимость азота в металле влияет также его со­став. Примеси, образующие прочные нитриды (хром, марга­нец, ванадий, титан, алюминий, церий и другие редкозе­мельные металлы), повышают растворимость азота в стали; примеси, не образующие нитридов (углерод, фосфор) или об­разующие непрочные нитриды (кремний), но сами вступающие с железом в химическое взаимодействие, заметно снижают растворимость азота.

Размеры частиц азота, растворенного в металле, гораздо больше размеров частиц водорода, скорость диффузии в ме­талле у них меньше. Поверхностно-активные примеси в ме­талле препятствуют переходу азота через поверхность кон­такта фаз и затрудняют удаление азота.

Растворимость азота в железе изменяется в зависимости от температуры и состава металла (рис. 78, в).

Резкое снижение растворимости азота при переходе из жидкого в твердое состояние и при превращении γ-Fe в ά -Fe в случае быстрого охлаждения металла приводит к получению перенасыщенного азотом твердого раствора, из которого в процессе эксплуатации по границам зерен выделяются нитри­ды, повышающие твердость, увеличивающие хрупкость и сни­жающие пластичность ("старение" металла).

Особенно вредно ухудшение, свойств металла, в котором много азота, при эксплуатации в условиях низких темпе­ратур.

Ниже указаны основные мероприятия, способствующие по­лучению стали с минимальным содержанием азота:

1. использование чистых по азоту шихтовых материалов;

2. организация кипения ванны (удаление азота с пузырь­ками СО) или продувка металла инертными газами;

3. предохранение металла от соприкосновения с азотсо­держащей атмосферой в зоне очень высоких температур или искусственное охлаждение этой зоны;

4. использование для продувки кислорода, не содержаще­го примесей азота;

5. связывание азота в прочные нитриды при введении в сталь нитридообразующих элементов (например, алюминия при производстве низкоуглеродистой "нестареющей" стали);

6. обработка металла вакуумом.

Рис.78. Изменение растворимости азота в стали.

18. Неметаллические включения. Классификация неметаллических включений. Способы удаления неметаллических включений, в том числе и при внепечной обработке (обосновать)

Неметаллические включения появляются в результате различных химических реакция, протекающих между компонентами расплавлен­ной стали (раскисление и т.п.) или в результате взаимодействия металла с шлаком к огнеупорами, а также вследствие изменения констант равновесия соответствующих реакций в процессе охлаждения я кристаллизации металла; кроме того они частично вносятся в' сталь .с шихтовыми материалами и легирующими добавками.

Даже с помощью современных самих прогрессивных методов вып­лавка и рафинирование металла на всегда удается получить сталь, достаточно чистую от неметаллических включений. Дальнейшее повы­шение чистоты стали является одним из важнейших резервов улучшения свойств металла, а следовательно и увеличения срока службы гото­вых изделий. Лишь в ограниченном числе случаев неметаллические включения в стали оказываются полезными. Например, сульфиды и селениды положительно влияют на обрабатываемость стали резанием. Образование мелкодисперсных нитридов в металле позволяет измель­чать исходное зерно аустенита, обеспечивать повышение прочности, ударной вязкости и уменьшение температурного порога хладноломкос­ти ряда конструкционных сталей. Оксиды также иногда используют, как упрочнители металла.

Классификацию неметаллических включений в стали проводят по нескольким признакам:

1. В зависимости от способа их образования:

   1. эндогенные, образовавшиеся в результате протекания раз­личных процессов в самом металле, например, раскисления, сульфидообразования и т.д;

   2. экзогенные, занесенные в металл извне - частицы огне­упоров и шлака, включения, вносимые с ферросплавами и др.;

2. По химическому составу:

а) оксидные; б) сульфидные; в) нитридные; г) карбидные; д) сложного состава (карбонитриды и др.);

3. По времени выделения:

1. предкристаллизационные: первичные, образующиеся при рас­кислении стали и вторичные, выделяющиеся при охлаждении жидкого металла до температуры ликвидуса;

2. кристаллизационные: третичные, образующиеся в затвердевшей стали в интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса;

3. послекристаллизационные: четвертичные, выделяющиеся при охлаждении металла до комнатной температуры.

4. В зависимости от размера:

1. макровключения - частицы размером более 1 мм

2. микровключения - частицы размером 1 мм и менее.

В современном сталеплавильном производстве широко используются ферросплавы в качестве легирующих добавок и раскислилелей. Ферросплавы обычно содержат значительнее количество неметалли­ческих включений, что связано с повышенной концентрацией в этих сплавах элементов, обладающих высоким сродством с такими примесями, как кислород, сера, азот, углерод и др.

Как правило, ферросплавы содержат включения, идентичные тем, которые наблюдаются в стали (оксиды, сульфиды, нитриды, карбида и др.), но в значительно большем количестве.

Поэтому введение ферросплавов приводит к загрязнению стали экзогенными неметаллическими включениями.

В настоящее время в распоряжении металлургов находятся довольно эффективные методы рафинирования стали от неметаллических включений:

1. Совершенствование технологии выплавки стали: подбор соответствующих раскислителей, порядка их ввода, шлаковый режим, интенсивное перемешивание ванны и т.д.

2. Внепечные способы обработки металла: обработка синтети­ческим шлаком, инертными газами и порошкообразными реагентами в ковше, вакуумирование, использование шлаковых смесей при разливке.

Удаление НМВ проходит в несколько стадий

1. перемещение НМВ в объем металла

2. Подход НМВ к поверхности раздела Ме–Шл. Металл–адсорбент

3. Переход через межфазную границу.

Лимитирующая стадия при перемешивании обычно 2.

Формула стока

Если НМВ крупное, то Vc большая и основная задача – получить крупное НМВ в расплаве

Способы укрупнения НМВ

1. Коалисцениция – когда есть 2 жидких НМВ. Они смешиваются в 1 НМВ с исчезновения границы раздела.

2. Коагуляция – ТВ НМВ + ТВ НМВ = 2 округлое НМВ твердое

3. Адгезия жидкое НМВ + ТВ НМВ =

Наиболее эффективен способ 1

FeS	1195 0C		Комплексное НМВ обладает низкой Tпл в растворе оно находится в жидком виде нам нужны комплексные соединения в жидком виде
MnS	1550
MnO	1650 – 1735
SiO2	1700 – 1720
Al2O3	2020 – 2050
CaO	2570 – 2600
MgO	2800
MgO·Al2O3	2135
AlN	2150 – 2650
TiN	2927 – 2950
VN	2320
FeO·SiO2	1178
MnO·SiO2	1270
2MnO·SiO2	1208