Розчинність водню, азоту та кисню у сталі та їх вплив на якість металу

Газоподібні водень, азот та кисень у твердій сталі можуть перебувати у формі газових бульбашок або у вигляді твердого розчину та хімічних сполук. На розчинність газів сталі впливають температура і тиск.

Розчинність водню та азоту в сталі за певної температури залежить від їх парціальних тисків в атмосфері над металом і виражається рівнянням Сівертса:

[Н] і [N3] — кількість відповідно водню та азоту, розчинених у сталі, %;

Кн і КN - коефіцієнти, що залежать від температури;

рH2 і pN2 - парціональний тиск відповідно водню та азоту.

Чим вище парціальний тиск газу, тим більше він розчиняється в металі. При попаданні вологи в атмосферу печі разом із шихтовими матеріалами, повітрям та киснем відбувається розкладання водяної пари в процесі взаємодії, наприклад, із залізом за реакцією: Н20 + [Fе] = 2[Н] + [FеО], тобто має місце насичення металу воднем та монооксидом заліза. Водень та азот розчиняються у сталі в атомарному стані. Із залізом та іншими елементами, присутніми у сталі, водень не утворює хімічних сполук. Кисень впливає на розчинність водню в залізі.

Азот для ряду сталей використовують як легуючий елемент (до 0,5%), так який, подібно до нікелю, підвищує ударну в'язкість і опір сталі корозії і сприяє утворенню у високохромистих сталях аустенітної структури. Легування сталі азотом здійснюють різними прийомами:

Метал істотно збагачується воднем при використанні обпаленого вапна тривалого зберігання, так званої «пушонки». Обпалене вапно активно поглинає вологу з атмосфери і гаситься з утворенням Са(ОН)2, який, потрапляючи в піч, розкладається при температурі 600 0 Сза реакцією Са (ОН)2 →саО + Н2О.

Істотний вплив на підвищення вмісту в сталі водню можуть надавати недоброякісна підготовка та недостатня сухість зливного жолоба печі, розливного та проміжного ковшів, сумішей, що утеплюють, виливниць, надставок, вкладишів і розливного припасу.

Зі зниженням температури розчинність газів у металі різко зменшується. При кристалізації частина водню видаляється з металу атмосферу, але частково водень залишається у металі як бульбашок і розчину. Після затвердіння виділення розчиненого водню зі сталі продовжується, супроводжуючись утворенням у металі різних дефектів - флокінів, тріщин та ін, що призводять до шлюбу металопрокату.

Кисень досить добре розчиняється у рідкому залозі. Одночасно залізо окислюється з утворенням монооксиду заліза, який передає кисень металу за реакцією: (FеО) = [Fе] + [О] - 121,8 кДж/моль.

Кисень у залізі може бути у вигляді хімічної сполуки із залізом [FеО] і у вигляді розчину. Хімічні сполуки кисню з марганцем, кремнієм, хромом та іншими компонентами стали утворюють звані неметалеві включення.

При розливі сталі, що містить вуглець та надмірну кількість кисню, у виливниці або на УНРС температура розплаву та розчинність кисню знижуються і в результаті взаємодії вуглецю та кисню утворюється оксид вуглецю, який частково виділяється в атмосферу, а частково залишається у металі у вигляді газових бульбашок.

Найбільш поширеними розкислювачами є кремній та алюміній. Введення в сталь кремнію в кількості не менше 0,18-0,23% запобігає утворенню та виділенню зі сталі оксиду вуглецю у вигляді пухирів. При одночасному з кремнієм введенні в метал алюмініюконцентрація кремнію, що забезпечує відсутність бульбашок у злитку, може бути знижена. Оксиди, що утворюються у ванні рідкої сталі та в ковші, частково спливають у шлак, а частково захоплюються металом у виливниці або кристалізатори УНРС і, не встигаючи випливти, залишаються у сталі.

Неметалічні включення погіршують властивості сталі. Для зниження сталі як кисню, і кисневмісних неметалевих включень вдаються до технологічних прийомів на метал:

обробкою розкислювачами;
наведенням відновлювального шлаку;
інтенсивним перемішуванням шлаку та металу;
позапічної рафінуючої обробки металу (продування в ковші інертним газом, вакуумування, обробка порошкоподібними речовинами та ін.).