2.10. Азот і водень у сталі

Азот і водень входять до складу рідкого чавуну і металобрухту, що використовуються як металошихта при конвертерному процесі. Відомі дослідження, які показали, що збільшення кількості азоту у чавуні хоч і незначно, але збільшує вміст азоту у продутій сталі. У зв'язку з цим свого часу вивчалися фактори доменного процесу, що впливають на вміст азоту і водню у чавуні.

Азот і водень переходять у метал з газової фази за реакціями

Водень звичайно знаходиться в газовій фазі у вигляді парів води, що дисоціюють по рівнянню

а утворений водень розчиняється в металі по рівнянню реакції (2.129). Водень може розчинятися в конвертерних шлаках за реакцією

а потім переходити у метал

Судячи із сумарної реакції

зі збільшенням основності шлаку, виразником якої у (2.135) є (О2"), і його окислювальності, що характеризується (Fe2+), перехід водню в метал гальмується.

Азот погано розчиняється або зовсім не розчиняється в конвертерних окислювальних шлаках.

Головним джерелом надходження азоту в конвертерну ванну є вміст азоту в дутті (рис. 2.17). При звичайному вмісті {N}>10-2-10-1% концентрація азоту у продутому металі займає ділянку (заштрихована), верхня межа якої збігається з рівноважною з дуттям концентрації азоту в металі при температурі ванни.

Їх взаємне положення свідчить про те, що азот, який надходить у ванну із дуття, може також із неї видалятися.

Н а вкрай низьких концентраціях азоту в дутті {N2} < 10-2%, очевидно, позначається вміст азоту в металошихті, тому що надходження азоту із дуття значно зменшується.

Динамічні характеристики азоту в конвер­терній ванні (рис. 2.18) у бесемерівському (1), томасівському (2) і киснево-конвертерному (3) процесах різні, що пов'язано з механізмом аб­сорбції і десорбції азоту.

Якщо розрахувати рівноважний з газовою фазою вміст азоту в металі [N]*, то навіть при повному засвоєнні кисню на окислення вуглецю (ηС=1) і, отже, мінімальному парціальному тиску азоту в газовій фазі, [N]* буде більше фактичних концентрацій азоту у ванні.

Таким чином, у зоні взаємодії видалення азоту із металу неможливе і відбувається тільки абсорбція азоту із газової фази через поверхню її контакту з краплями металу і стінками первинної зони взаємодії (бульби).

Десорбція ж азоту можлива при окисленні вуглецю із крапель металу оксидами заліза у шлакометалевій емульсії, тому що газова фаза, яка при цьому утворюється, складається тільки із продуктів окислення вуглецю. Очевидно, чим більше розвинена поверхня контакту краплі металу - конвертерний шлак у шлакометалевій емульсії, тим успішніше видаляється азот із крапель металу, а, отже, і з конвертерної ванни. Згортання шлаку, перехід його у твердов'язкий стан руйнує шлакометалеву емульсію і пригнічує окислення вуглецю із крапель металу, що припиняє десорбцію азоту із крапель і конвертерної ванни.

У бесемерівському процесі шлак насичений кремнеземом, в'язкий і малоактивний, шлакометалева емульсія практично не формується, а азот із конвертерної ванни виходить неінтенсивно. Тому динамічна характеристика азоту в бесемерівському процесі демонструє (рис. 2.18, лінія 1) монотонне зростання кількості азоту у ванні протягом усієї продувки.

Т омасівський процес характеризується низькою концентрацією кремнію у чавуні. Тому перехід до інтенсивного окислення вуглецю відбувається на початку продувки, у тому числі із крапель металу в томасівському шлаку, що сприяє десорбції з них азоту. Незважаючи на однаковий із бесемерівським склад дуття, томасівський процес більшу частину продувки відрізняється більш-менш постійним вмістом азоту у ванні. Тільки в заключній стадії продувки, у зв'язку зі зниженням концентрації вуглецю у ванні і краплях металу у шлакометалевій емульсії, окислення вуглецю і десорбція із крапель азоту сповільнюються, а його вміст у ванні починає збільшуватися (рис. 2.18, лінія 2).

Найбільш сприятливий для виходу азо­ту із ванни - киснево-конвертерний процес із верхньою продувкою, тому що можливе під­тримання шлаку в рідкорухомому стані шля­хом зміни положення фурми в процесі про­дувки, підвищення окисленості конвертерно­го шлаку і розвиток окислення вуглецю із кра­пель металу у шлакометалевій емульсії. Тому динамічна характеристика азоту (рис. 2.18, лінія 3) більшу частину продувки фіксує зни­ження вмісту азоту у ванні. Тільки в заключній

с тадії продувки, у зв'язку зі зниженням вмісту вуглецю у ванні, процес окислення вуглецю із кра­пель металу у шлакометалевій емульсії сповільню­ється, і десорбція азоту із них починає відставати від абсорбції азоту в первинній зоні взаємодії, а вміст його у ванні зростає.

Труднощі, пов'язані із визначенням кількості водню в сталі, привели до того, що процес погли­нання і видалення водню з конвертерної ванни вивче­ний значно гірше, ніж азоту.

Надходження водню із дуття визначається його вологістю. У технічно чистому кисні вологи міститься до 10 г/м3, а в повітрі при повітряному дутті - від 1-5 г/м3 взимку до 12-16 г/м3 влітку. Розрахунки за (2.130) і (2.132) показують, що такі концентрації водяної пари відповідають рівноважним з ними концентраціям водню в металі 3-3,5 ррт для технічно чистого кисню, 1-2 рргл - для повітряного дуття взимку і 3,5-4,0 ррт - влітку. Це близько до вихідного, при продувці, вмісту водню у рідкому чавуні (2,5-5,0 ррт).

На початку продувки в конвертері верхнього кисневого дуття (рис. 2.19) кількість водню дещо збільшується за рахунок гідратної вологи вапна, а потім зменшується, в міру збільшення швидкості окислення вуглецю. Після зниження вмісту вуглецю нижче критичного і зменшення швидкості його окислення концентрація водню в конвертерній ванні зростає.

Можна припустити, що, як і азот, водень дуття засвоюється у первинній зоні взаємодії на поверхні контакту газової фази із краплями металу і стінками газової бульби, а виділяється у шлакометалевій емульсії при окисленні вуглецю крапель металу оксидами заліза конвертерного шлаку.