1. Технологические схемы производства азотосодержащих марок стали.

Плавка стали 10Х14АГ15 в ДСП с окончанием на агрегате азотно-кислородного рафинирования

2.1 Химический состав, %.

Марка стали	С	Si	Mn	Cr	N2	Cu	S	P
10Х14АГ15	н.б. 0,10	н.б. 0,80	14,5 16,5	13,0 15,0	0,15 0,25	н.б. 0,30	0,030	0,045

2.2 Состояние печи.

Откосы и подина должны быть твердыми, не требующими большой заправки, свод

хромомагнезитовый. Хотя хромомагнезит, не является идеальным футеровочным материалом, поскольку слабо противостоит механическому износу в результате истирания. Футерование печи проводят в два слоя первый - из легковесного шамота, второй - из хромомагнезитового кирпича 

Хромомагнезитовые и хромитовые изделия изготовляются из хромистого железняка, содержащего не менее 30 - 35 % окиси хрома с добавлением магнезита.

Выплавка стали производится на печах с применением ЭМП, кроме сталей 10Х14АГ15, ЭИ878, ДИ – 61, которые разрешается выплавлять без ЭМП.

2.3 Материалы.

Для легирования металла применяются: металлический марганец марок Мр1, Мр2, азотированный марганец с содержанием кремния не более 1%, азотированный феррохром, феррохром марок ФХ006А – ФХ010А, никель Н1, Н2, Н3, феррониобий ФН-0, ФН-1, ферромолибден; раскислители и шлакообразующие прокаливаются, азотированный ферросплавы нагреваются до температуры 500 – 700 ͦС. Гранулированный и прессованный никель не применяется.

А. ВЫПЛАВКА ПЕРЕПЛАВОМ С КИСЛОРОДОМ СО СКАЧИВАНИЕМ ШЛАКА ПЕРИОДА ПРОДУВКИ

2.4 Шихта.

Шихту составляют отходы выплавляемых и нержавеющих хромоникелевых сталей близкого химического состава, отходы конструкционных и инструментальных сталей, чистая стружка до 10 %, никель, кокс или электродный бой, феррохром марок ФХ200-ФХ800.

Плавки шихтуются на получение в металле по расплавлении:

• марганца не более 4%,

• хрома не более 8%,

• азота не более 0,2 %.

2.5 Плавление, продувка кислородом и легирование хромом, марганцем.

После расплавления шихты металл продувается кислородом до получения содержания углерода не более 0,05%. После продувки отбираются пробы металла на химанализ, затем в печь присаживается дробленный силикохром от 8-10 кг/т и кусковой алюминий 4-6 кг/т. Расход раскислителей определяется содержанием углерода в конце продувки и допустимым содержанием кремния в стали.

Затем в печь присаживается известь 10 кг/т, чистые прокаленные отходы сталей близкого химического состава и безазотистый феррохром.

Шлак дополнительно раскисляется порошком ферросилиция 2-3 кг/т до получения коричневого черепка с содержанием не более 9 % хрома. После этого шлак скачивается.

2.6 Рафинировка.

Феррохром и марганец присаживаются порциями, исключающими закозление ванны, в следующей последовательности:

1. безазотистый марганец,

2. азотированный феррохром,

3. азотированный марганец.

Для хорошего усвоения азота необходимо максимальная легированность металла хромом и марганцем, необходим жидкоподвижный шлак, равномерная присадка ферросплавов и невысокая температура. Перед вводом первой порции азотированных материалов температура металла не должна превышать 1520 ͦС, а перед присадкой остальных порций не выше температуры металла в ковше для данной марки стали.

Азотированные ферросплавы должны потопляться в жидкий металл присадками других материалов. С одной порцией ферросплавов вводится не более 0,15% азота.

Присадка азотированных материалов производится не позднее, чем за 15 минут до выпуска. Последняя порция азотированных материалов не должна превышать 15 кг/т.

Раскисление шлака во время рафинировки производится порошком ферросилиция по 0,7 кг/т. в смеси с известью. Смеси присаживаются через 7-10 мин. Общий расход 4-5 кг/т.

Примерно за 3-5 мин. до выпуска при выплавке всех марок сталей при содержании кремния в металле 0,25%, шлак раскисляется порошком алюминия 1,0 -2,0 кг/т в смеси со шпатом (1:1) до получения черепка шлака светлого цвета.

Шлак перед выпуском не должен быть перегретым. Конечное раскисление металла производится в соответствии с таблицей 1.

Конечное раскисление металла

Марка стали	Место ввода	Время ввода (мин. до выпуска)	Раскислители (кг/т; %)
			Al кус., (кг/т)	мишме-талл (кг/т)	В (%)	Ca мет. (кг/т)	Zr (%)
10Х14АГ15	В ковш	-	1,5	-	-	-	-

Температура металла в ковше должна быть в соответствии с таблицей 2.

Марка стали	Развес слитка, т	В ковше
10Х14АГ15	9-12,5	1500-1520 ͦС

Длительность рафинировки не более 2-х часов.

Б. ВЫПЛАВКА ПЕРЕПЛАВОМ С КИСЛОРОДОМ БЕЗ СКАЧИВАНИЯ ШЛАКА ПЕРИОДА ПРОДУВКИ.

Сталь марки 10Х14АГ15 в основном выплавляется этим методом.

В завалку вводится известь или отработанный синтетический шлак 10кг/т.

Плавка шихтуется на получение по расплавлении: углерода – 0,30-0,60 %;

• марганца – 4-5 %;

• хрома – 6-8 %.

Металл продувается при максимально возможном расходе кислорода и при включенной печи. Температура начала продувки не ниже 1600 ͦС.

После продувки металла в печь вводятся ферросиликохром или ферросилиций – 10 кг/т. и кусковой вторичный алюминий.

После проплавления феррохрома ванна размешивается, отбирается проба на углерод, кремний и марганец, и в печь вводится металлический и азотированный марганец. Во время рафинировки шлак дополнительно раскисляется порошками ферросилиция 1-2 кг/т и алюминия 2 кг/т.

Корректировка плавки по хрому и марганцу приводится в соответствии с таблицей 3.

Марка стали	Хром, %			Марганец, %
	Величина угара хрома при продувке, %
	до 1%	1,1-1,5%	1,5%
10Х14АГ15	12,7	12,4	12,2		16,2

Конечное раскисление металла производится в соответствии с таблицей 1.

2. Выпуск и разливка.

Сталь 10Х14АГ15 – разрешается сливать в новый ковш.

Металл разливается сифоном в сухие изложницы с экзатермической смесью. Разрешается разливка в изложницы, смазанные лаком. Далее они охлаждаются.

Агрегат азотно-кислородного рафинирования.

Продувка инертным газом - для повышения качества металлопродукции и металлопроката в металлургии получило промышленное распространение продувка на агрегатах азотно-кислородного рафинирования.

Большое распространение получил способ продувки стали инертными газами через устанавливаемые в днище ковша пористые пробки (рис. 1)

Рисунок 1 . Конструкция пористой пробки: 1- вставка с каналами для прохода газов;

2- огнеупорный корпус; 3- гнездовой кирпич.

Продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; сталь продутая с интенсивностью до 1,0 м3/т имеет пониженное содержание неметаллических включений, для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2^3 м3/т металла.

Эффективность продувки азотом составляет 0,01 – 0,05 (м³/т ме) в начальный период

в последующем она составляет 15-25 (м³/т ме)

Продувка проводится также через донные фурмы

В этом случае рафинирование азотом проходит в 4 этапа.

Периоды продувки	Длительность периодов, мин	Температура металла, ͦС	Расход газа на 1м3/т ме N2 + O2
	Заливка полупродукта	1500
I	15 -23 мин	≈ 1650	25 % 75%
II	9 (03Х18) – 27 (03Х18Н10)	≈ 1710	50% 50%
III	10(03Х18Н10) – 17	≈ 1700	75% 25%
IV	4(03Х18) – 7 (03Х18Н11)	≈ 1700	60% -

Схемы производства азотистой стали

1.Сталь 12Х18АГ18 хромомарганцевая немагнитная коррозионностойкая сталь. Назначение — заготовки бандажных колец для турбогенераторов по ТУ 24.00 4821-89. Химический состав стали 12Х18АГ18 представлен в таблице 1.

Таблица 1 — Химический состав стали

Содержание элемента, массовые доли %
С, не более	Si	Mn	Cr	N	Ni не более	V не более	S не более	P не более
0,12	0,2-0,82	17,5-20	17,5-20	0,5-0,7	0,5	0,1	0,01	0,04

Технология выплавки стали 12Х18АГ18 с использованием азотированных ферросплавов. рассматривалась на примере индукционной печи вместимостью 6 тонн.

Технология выплавки стали с использованием азотированных ферросплавов включает в себя:

1.Подготовку печи к плавке: ремонты наиболее пострадавших участков, очистка от остатков металла и шлака предыдущей плавки.

2. Загрузку шихты:

Шихтовые материалы, используемые в завалку: лом Б-10, в количестве 1500кг, лом Б-22 в количествее 1200 лом стали 12Х18АГ18.- 3300, Расход шлаковой смеси составляет 2-4% от веса шихты.известь в количестве 60 кг

Затем идет процесс расплавления с учетом коэффициента усвоения каждого элемента из лома, получаем определенный состав металла, но содержание азота будет определяться как равновесное содержание с расплавленным металлом.

Таблица 7 – Масса и химический состав после расплавления

Элемент	С	Si	Mn	Cr	N	Ni	V	S	P	Fe
Кус	0,97	0,1	0,97	0,97	0,97	0,97	0,97	1	1	0,97
Масса по расплавлению, кг	5,5	3,24	750,8	829,4	19,2	23,3	1,6	0,36	2,1	4156
Химсостав по расплавлению, %	0,095	0,06	13	14,3	0,33	0,4	0,03	0,006	0,036	71,8

Масса после расплавления составляет 5792 кг с учетом угара и окисления элементов, переход их в шлак и газовую фазу.

3.Доводку и раскисление металла проводят ферросплавами (ФХН600А, Мн89Н4, ФС-65. А1).

Необходимое количество ферросплавов для легирования и доводки металла до заданного состава:

(8)

где масса жидкого металла перед выпуском из печи, кг

- содержание легирующего элемента в готовом металле, %;

- содержание легирующего элемента в металле перед присадкой, %

– коэффициент усвоения легирующего элемента

– содержание легирующего элемента в ферросплаве. %

Для легирования металла марганцем, используем азотированный металлический марганец Мн89Н4

Для легирования металла хромом, используем низкоуглеродистый азотированный феррохром ФХН600А.

Для легирования металла азотом используем азотированный металлический марганец Мн89Н4 и низкоуглеродистый азотированный феррохром ФХН600А.

Масса внесенных азотированных ферросплавов, полностью соответствует требуемой массе для доводки металла до заданного состава по азоту.

Для легирования металла кремнием используем ФС65.

Конечное раскисление производят алюминием в количестве 0,1 0,15% от веса шихты.

4.Выпуск металла проводят в прогретый ковш, из ковша в изложницы.

2.Технология выплавки стали 12Х18АГ18 с использованием азото-кислородной продувки была рассмотрена с применением пористой пробки в шеститонной индукционной печи.

В данной технологии выплавки стали 12Х18АГ18 используются те же шихтовые материалы, что и в технологии с применением азотированных ферросплавов лом Б-10, лом Б-22. лом стали 12Х18АГ18 Массы применяемых шихтовых материалов те же, что и в предыдущей технологии (таблица 5).

3. Во время расплавления осуществляется Продувка металла газовой смесью (60 мин ),Состав газовой смеси: 95% азота и до 5% кислорода. Интенсивность подвода дутья 0.28 м’/т мин.

Состав металла получается как и в преведущей технологии, но здесь еще учитывается азот из дутья его масса находится как

4. Во время раскисления и доводки металла до заданного состава, продувка осуществляется чистым азотом, чтобы избежать окисления легирующих элементов. .Для доводки стали 12Х18АГ18 используют следующие ферросплавы:

Доводку металла до заданного состава по азоту будем осуществлять азотированным металлический марганец (Мн89Н4) с учетом количество азота перешедшею в метал из газовой фаты равно 0.22°о Как было отмечено ранее, после расплавления в металл из металлолома перейдет 0,32 % азота. Следовательно, суммарное содержание атота в стали составит 0.54%, что не соответствует требуемому составу

Для доводки металла до заданного состава по марганцу используем низкоуглеродистым ферромарганец ФМн90(А), у учетом марганца который внесет азотированный марганец

Доводку металла до заданного состава по хрому будем осуществлягь нткоуглсроднстым феррохромом ФХ050А

Для легирования металла кремнием используем ФС65.

Конечное раскисление производят алюминием в количестве 0,1 0,15% от веса шихты.

3.Расчет растворимости азота в стали

Реакция растворения азота в стали:

)

Константа химической реакции () равна:

Выразим концентрацию азота из формулы():

Коэффициент активности азота равен:

Стандартная энергия Гиббса реакции:

()

Находим константу равновесия реакции:

При объяснении механизма поглощения азота из плазмы металлом часто сталкиваются с вопросами, связанными с элементарными процессами, протекающими в разряде (ионизация, диссоциация, возбуждение. дезактивации азота и др

Ионизация электронами может происходить в том случае, когда кинетическая энергия свободных электронов превышает энергию ионизации атома и протекает по реакции:

()

При отрыв электрона возникают две заряженные частицы: оторвавшийся электрон и остаточный ион.

Если подводимая к атому или молекуле энергия меньше энергии ионизации, то атом может поглощать эту энергию за счет повышения своей внутренней энергии. Под дествием подводимой энергии один из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту и внутренняя энергия атома возрастает. Этот процесс называют возбуждением атома. Образование возбужденных молекул происходит по реакции:

()

Образование атомов происходит в результате диссоциации молекул азота в разряде в основном при столкновениях с электронами и частично с тяжелыми частицами через возбуждение колебательных уровней основного электронного состояния.

()

Атомы азота, попадая в пограничную область из горячих слоев плазмы, рекомбинируют. Рекомбинация частиц может протекать как на поверхности (гетерогенная рекомбинация), так и в объеме (гомогенная рекомбинация). Гетерогенная рекомбинация преобладает при низких давлениях до 335 Па (3 мм рт. ст.), объемная - при высоких

На поверхности расплава ( ) происходит гетерогенная рекомбинация атомов и их частичное растворение в металле:

()

()

а также дезактивация возбужденных молекул с частичным растворением их в металле:

()

()

Все перечисленные выше процессы (рекомбинация, дезактивация и растворение атомов и возбужденных молекул) сопровождаются выделением энергии и все они могут быть ответственны за повышение температуры поверхности металла.

Вклад возбужденных молекул и атомов в растворимость азота на разных участках поверхности металла будет разной из-за наличия температурной и концентрационной неоднородностей.

Как видно из приведенных реакций, в этом процессе могут участвовать как атомы, так и возбужденные молекулы, причем не все взаимодействия приводят к растворению азота, хотя все они способствуют повышению температуры поверхности расплава.

Легирование стали азотом

3 Слайд

способы азотирования жидкой стали в ковше на основе применения продувки металла в ковше газообразным азотом с помощью футерованной фурмы или устройства для подачи азота снизу через днище ковша.

При продувке жидкой стали в ковше газообразным азотом через футерованную фурму или через сопла в днище ковша на поверхности продуваемого металла образуется оголенная часть от шлака, что является крупным недостатком известных способов внепечной обработки стали .

Известные способы не предусматривают использование открытой от шлака поверхности металла в ковше для дополнительного азотирования его путем подачи струй газообразного азота сверху на поверхность металла, что не способствует достижению оптимального содержания азота в металле для повышения качества стальных отливок.