- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
- •Посвящается в.И. Явойскому
- •Глава 1
- •Глава 2
- •2.1 Кинетика гетерогенных высокотемпературных процессов и методы выявления их ведущего звена
- •2.2 Исследование процессов окислительного рафинирования имеющих место в производстве стали
- •2.3 Условия протекания окислительного рафинирования в сталеплавильных агрегатах
- •2.4 Реакция окисления углерода
- •Внутридиффузионный режим лимитирования процесса
- •2.7 Окислительные процессы в многокомпонентных расплавах на основе железа
- •2.10 Окисление серы
- •2.11 Деванадация
- •2.13 Современные представления о ходе процессов окислительного рафинирования расплавов на основе железа
- •Окислительное рафинирование в условиях современных сталеплавильных агрегатов
- •2.15 Характеристика и газодинамика кислородных струй сталеплавильных агрегатов
- •Форма и геометрические размеры реакционной зоны
- •Глава 3.
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Маcсоперенос примеси в экстрагирующей фазе
- •3.3 Сера в металле и его десульфурация
- •3.4 Кинетика процесса десульфурации металла
- •3.5 Кинетика десульфурации металла за счет твердых тел (порошкообразными десульфураторами)
- •Глава 4. Раскисление стали и неметаллические включения.
- •4.1 Кислород в стали и ее раскисление
- •4.2 Термодинамика раскисления
- •4.3 Кинетика осадочного раскисления
- •4.4 Плавление и растворение в металле вводимых раскислителей
- •4.5 Взаимодействие растворенного в металле кислорода с введенным в него раскислителем
- •4.6 Образование зародышей новой фазы продуктов раскисления в объеме жидкого металла
- •4.7 Рост образовавшихся продуктов раскисления
- •4.8 Удаление продуктов раскисления из сферы протекания этой реакции
- •4.9 Переход включений из металла в шлак или другие контактирующие фазы
- •4.10 Неметаллические включения в готовом металле
- •Глава 5 газы в стали
- •5.1 Взаимодействие азота и водорода с расплавленным и охлаждающимися сплавами железа
- •5.2 Термодинамика взаимодействия азота с расплавами на основе железа
- •5.3 Методы изучения взаимодействия азота с металлами
- •5.4 Кинетика растворения азота в железе и его сплавах
- •Глава 6 поведение водорода в сплавах на основе железа
- •6.1 Некоторые особенности взаимодействия водорода
- •Со сплавами на основе железа
- •6.2 Природа газообразного водорода и взаимодействие его с металлами
- •6.3 Термодинамика сорбирования водорода расплавленными и твердыми сплавами железа
- •6.4 Кинетика растворения и выделения водорода из расплавов на основе железа
- •6.5 Состояние водорода в готовой стали его влияние на механические свойства стали и распределение водорода в металле
- •6.6 Поведение водорода при выплавке металла и при его внепечной обработке
- •Глава 7 основы обработки стали в ковше
- •7.1 "Внеагрегатная" или "ковшевая" обработка стали
- •7.2 Вакуумирование металла
- •7.3 Применение инертных газов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
5.3 Методы изучения взаимодействия азота с металлами
С тех пор, как возникла проблема растворения азота в сталях и существенного влияния его на служебные свойства последних, изучение ее осуществлялось различными методами, наиболее распространенными из которых являются:
-
Контроль концентрации азота в промышленных образцах сталей различных составов и назначений, выплавленных различными методами;
-
Измерения растворимости и кинетики растворения азота в лабораторных условиях при заданных и строго контролируемых Р, t и т.д.
Лабораторные исследования чаще всего проводят путем плавления железа или его сплавов в контакте с атмосферой азота в тигельных печах сопротивления или индукционных печах. Плавку проводят с измерением поглощаемого металлом азота при постоянном парциальном давлении его и точно определяемой тем или иным методом температуре и объема азота. Этот метод прямого измерения объема азота, поглощаемого металлом, называется «методом Сивертса» и имеет сейчас наибольшее распространение. Иногда по тем или иным соображениям в процессе плавки измеряют не изменение объема газа при =const, а изменение его давления при =const, т.е. проводят процесс "изохорически". В этом случае, принимая во внимание справедливость закона квадратного корня для железа и для большинства его сплавов, легко рассчитывается растворимость азота - иначе говоря, объем азота, поглощаемый при данной температуре и при давлении = 0,1МПа. По техническим причинам использование "метода Сивертса" при температурах выше 1650I700 °С очень затруднено и связано с увеличением ошибок определений. Поэтому упомянутый метод редко применяется для измерения растворимости азота в сплавах железа, высоко перегретых над температурой ликвидус.
В этих случаях применяют метод "бестигельной плавки", где изучается взаимодействие газов (в частности, азота) с каплями расплавленного металла, висящими в высокочастотном электромагнитном поле. Капли металла висят в «неподвижной» атмосфере азота или в его потоке, характеризующимся определенными давлением () и скоростью ().Температура металла фиксируется с помощью пирометров. После заранее заданной выдержки металла в контакте с исследуемым газом, выключают, высокочастотный генератор и металлическая капля свободно падает и кристаллизуется в толстостенной медной изложнице. Зафиксированное в капле количество азота определяют экстрагированием его в газоанализаторе при температурах, значительно превышающих температуры диссоциации даже наиболее прочных нитридов, образуемых компонентами исследуемого сплава. В современных газоанализаторах в качестве экстрагирующего, «несущего» газа используют аргон или гелий, а для измерения количества извлеченного азота применяют физические методы химического анализа, включая и масспектрометрию.
Рассматриваемый метод оказался наиболее плодотворным при изучении кинетики взаимодействия азота с металлами (растворение или извлечение азота). Большую роль здесь сыграли поддающаяся точной математической оценке величина поверхности контакта металла и азота, и возможность оценки в критериальной форме интенсивности массопереноса азота к поверхности металла в зависимости от газодинамики среды, окружающей металлическую каплю. Наконец, возможно оценить и характеристики "внутреннего массопереноса", т.е. переноса азота внутри объема металлической капли в функции электрических параметров режима высокочастотного генератора. Метод "бестигельной плавки" или "плавки во взвешенном состоянии" позволил также измерять растворимость азота в железе и его сплавах почти до температуры кипения железа.
Из многочисленных данных о растворимости азота в железе авторы наиболее надежными считают те, которые описываются следующими уравнениями:
для и - модификации железа, т.е. для его объемно-центрированной решетки
lg[% N]= –1575/T–1.010 по [158];
для - железа
lg[% N]=450/T–1.960 по [160];
для жидкого железа
lg[% N]= –1050/T–0.815 по [164].
При всех своих достоинствах метод «бестигельной плавки» имеет также и существенные недостатки, а именно:
-
Пониженная, даже с использованием современных оптических пирометров, точность измерения температуры металла по сравнению с Pt — Pt – Rh термопарой;
-
Некоторая потеря растворенного в капле азота (т.е. переход его в газовую фазу) при падении ее в газе и кристаллизации в изложнице;
-
Известные допущения и ошибки предусмотрены по паспортным данным и изготовителями аппаратуры, предназначенной для определения газов, в частности, азота в металлах;
-
Метод применим только при тех условиях, когда высокочастотный генератор обеспечивает не только заданную температуру, но и устойчивое подвешивание исследуемого металла, т.е. в ограниченном температурном диапазоне.