Su geležimi azotas sudaro dviejų tipų nitridus Fe4N Ir Fe2N. Suvirinimui svarbesnis yra geležies nitridas Fe4N, nes paprastai nėra azoto pertekliaus. Geležies nitridai susidaro žemoje temperatūroje (550-700 °C diapazone), aukštesnėje temperatūroje jie disocijuoja. Taigi geležyje azotas gali būti kietame tirpale a – Fe ir nitridų intarpų pavidalu Fe4N.
Ryžiai. 2.8 – Azoto ir vandenilio tirpumo priklausomybės nuo temperatūros kreivės
Azoto tirpumas geležyje labai priklauso nuo temperatūros. Kylant temperatūrai, didėja azoto tirpumas, staigiai keičiantis geležies polimorfinių virsmų metu.
Metalo prisotinimo azotu procesas galimas šiais būdais:
1. Disocijuotas azotas tiesiogiai ištirpsta metalo lašeliuose. Vėliau metalui atvėsus, susidaro nitridai.
2. Disocijuotas azotas aukštoje temperatūroje sudaro stabilius nitridus, kurie, ištirpę skystame metale, prisotina jį azotu. Šiuo atveju, aušinant suvirinimo baseino metalui, iš tirpalo gali išsiskirti atominis azotas, kuris, sąveikaudamas su geležimi, atitinkamoje temperatūroje suformuoja geležies nitridus.
3. Disociuotas azotas aukštos temperatūros zonoje sudaro azoto monoksidą NE, kuris tirpsta lašeliuose. Esant žemesnei nei 1000 °C metalo temperatūrai, azoto monoksidas nusėda iš kieto tirpalo ir disocijuoja, o atominis azotas sudaro nitridus, o deguonis – oksidus.
Apskritai azotas yra nepageidaujama suvirinimo metalo priemaiša, nes sumažina plieno plastines savybes, ypač jo kietumą. Pastebima metalo senėjimo tendencija, padidėja polinkis į šaltą trapumą ir mėlynumą, didėja gebėjimas sukietėti, mažėja magnetinis laidumas ir didėja metalo elektrinė varža.
Tačiau suvirinant austenitinės klasės labai legiruotą plieną, azotas padidina austenito stabilumą ir yra legiravimo priedas, galintis pakeisti dalį nikelio.
Azoto tirpumas pliene ir jo įtaka plieno savybėms. Azoto tirpumą geležyje galima apibūdinti lygtimis
- 2 [N] = N2 (g);
- K N \u003d p N 2 / [N] 2
Vadinasi, azoto tirpumas pagal Sivertso taisyklę yra proporcingas jo slėgio kvadratinei šakniai. Kadangi K N kinta priklausomai nuo temperatūros ir yra skirtingas skirtingoms fazinėms būsenoms, azoto tirpumas priklauso nuo temperatūros ir staigiai keičiasi alotropinių virsmų ir lydymosi metu.
Tyrimo rezultatai, parodyti izobaro pavidalu fig. 1 parodyk tai azoto tirpumas pliene smarkiai sumažėja kristalizacijos metu ir γ-geležies virsmo α-geležimi metu.
Kiti elementai turi įtakos skysto plieno azoto tirpumui. Šiai įtakai būdingi sąveikos parametrai. Jų požymis ir dydis rodo, kad, didėjant įtakai, azoto tirpumą didina molibdenas, siera, manganas, aliuminis, chromas, vanadis, titanas. Sumažinti azoto Ni, P, C tirpumą.
Azoto tirpumo pliene sumažėjimas kristalizacijos metu ir γ-geležies virsmo α-geležimi metu yra pagrindinė azoto įtakos plieno savybėms priežastis.
Nesant pliene elementų (Ti, Al, Zr, V), kurie aukštoje temperatūroje sudaro nitridus, susidarius a-geležies, iš tirpalo pradeda išsiskirti azotas geležies nitridų intarpų pavidalu ( Fe 2 N, Fe 4 N, Fe 8 N). Šie krituliai gali tęstis ilgą laiką po aušinimo ir, kadangi jie daugiausia vyksta žemoje temperatūroje, nusodinti intarpai yra labai išsklaidyti. Jų dydis yra 10 -3 mikronai.
Išsklaidyti geležies nitridų intarpai išsidėstę išilgai kristalografinių plokštumų ir, neleisdami judėti išnirimams, sukelia metalo trapumą. Kaip rezultatas smūgio stiprumo kritimai ir santykinis susiaurėjimas bei pailgėjimas mažėja kartu didėjant kietumui ir stiprumo savybėms.
Kaip ir geležies nitridų išsiskyrimas, atsparumo smūgiams sumažėjimas didėja laikant ar eksploatuojant plieno gaminius, pasiekdamas minimumą po 20-40 dienų. Štai kodėl aprašytas reiškinys vadinamas senėjimu.
Pliene esantis azotas sukelia senėjimą, jį galima pagreitinti dirbtinai, jei sukietėjusią geležį ar plieną veikiama šaltai plastinei deformacijai, o tai padidina kieto tirpalo skilimo greitį ir geležies nitridų išsiskyrimą.
Dėl senėjimo smūgio stiprumas gali sumažėti 4-6 kartus. Todėl polinkis į senėjimą yra reikšmingas plieno trūkumas. Jis būdingas mažai anglies turinčiam plienui, kurio nedeoksiduoja aliuminis ar vanadis.
Priedas prie plieno elementų, kurie suriša pliene esantį azotą, prie nitridų esant aukštai temperatūrai, pašalina plieno polinkį senti. Tarp šių elementų yra: aliuminis, kuris daugiausia sudaro nitridus kietėjimo metu ir kietajame metale iki γ-geležies virsmo α-geležimi temperatūros; vanadis ir cirkonis, kurie kristalizacijos metu sudaro nitridus; titaną formuojantys nitridai skystame pliene ir kristalizacijos metu.
Aliuminis yra plačiausiai naudojamas, plačiai naudojamas kaip deoksidatorius. Esant normaliai aliuminio ir azoto koncentracijai pliene, kietajame metale susidaro nitridai. Tačiau šių nitridų, išsiskiriančių aukštesnėje temperatūroje, intarpų dydžiai yra 2–3 eilėmis didesni už geležies nitridų inkliuzų dydžius. Todėl jie neturi tokio poveikio išnirimų judėjimui ir nesukelia senėjimo.
Todėl aliuminio deoksiduoto metalo pliene yra mažai azoto ir jis nėra linkęs senti. Tačiau net ir aliuminiu deoksiduoto plieno smūgio stiprumas gali mažėti. Tai pasireiškia esant dideliam azoto ir aliuminio kiekiui (pavyzdžiui, 0,01 % N ir 0,2 % Al), kai metale susidaro tarpgranulinis lūžis, einantis per „pirminio austenito grūdelių ribas“. Tokio lūžio susidarymą lemia susilpnėjęs ryšys tarp grūdelių dėl aliuminio nitrido inkliuzų nusodinimo palei jų ribas, ir tai rodo plieno savybių pablogėjimą.
Dispersinio atskyrimo procesai
Mažų azoto kiekių įtaka plieno savybėms atsiranda dėl kritulių kietėjimo galimybės. Azoto išsiskyrimas iš geležies iš esmės paklūsta tiems patiems dėsniams kaip ir anglies išsiskyrimas. Skirtumas kartu su skirtingu difuzijos greičiu atsiranda dėl to, kad didžiausias azoto tirpumas α-geležyje yra didesnis (0,10%) nei anglies (0,018%), o didžiausio azoto tirpumo temperatūra yra 585, palyginti su 725 °. C anglimi.
Senėjimas
Senstant po kietėjimo („Abschreckalterung“), anglies ir azoto poveikis grynuose geležies-anglies ir geležies-azoto lydiniuose yra vienodas (25 pav.). Tačiau pridėjus kitų legiravimo elementų šis procesas šiek tiek pakeičiamas. Pavyzdžiui, manganas neturi įtakos anglies senėjimui, o esant 0,5 % Mn azoto senėjimas pašalinamas.
Atsižvelgiant į tai, lydinio su azotu vidinės trinties kreivės pagrindas plečiasi, kreivės maksimumas pasislenka aukštesnės temperatūros link ir net po trijų valandų grūdinimo 100 ° C temperatūroje pastebimas reikšmingas jo sumažėjimas.
Mechaninio sendinimo („Reckalterung“) metu grynos geležies-anglies ir geležies-azoto lydiniai skiriasi. Išsiskiriant nitridams, kietumas pasiekia maksimumą 50°C temperatūroje jau po 2 valandų, o anglies įtakoje esant 50°C per 2 valandas kietumas dar nepadidėja, o maksimumą pasiekia tik prie 200°C. Taigi, įvairaus azoto ir anglies tirpumo kambario temperatūroje įtaka.
Šie faktai, kartu su dideliu azoto difuzijos greičiu pliene, leidžia sieti plieno senėjimą daugiausia dėl azoto įtakos.
Mėlyną trapumą daugiausia lemia azoto kiekis. Net geležyje, kurios temperatūra yra 0,04% C, 100–250 ° C temperatūroje pastebimas nedidelis tempimo stiprio padidėjimas; geležyje su 0,02 % N šis poveikis daug ryškesnis. Aiškiai pasireiškia ir azoto įtaka smūgio stiprumui, nors dėl didelio tempimo greičio klampumas mažėja esant aukštesnei temperatūrai. Tempimo stiprio padidėjimas mėlyno atspalvio temperatūroje prasideda jau esant labai mažai azoto koncentracijai (tirpoje), didžiausią vertę jis pasiekia esant 0,01 % N. Tolesnis azoto kiekio padidėjimas nebedidina stiprumas. Esant padidėjusiam anglies kiekiui (>0,2%), vis tiek galima pastebėti stiprumo padidėjimą, kai azoto kiekis viršija 0,01%. Tačiau net ir lydiniuose, kuriuose nėra azoto, anglis taip pat gali sukelti trapumą aukštesnėje temperatūroje, panašų į trapumą mechaninio senėjimo metu.
Dėl mechaninio senėjimo ir mėlynojo trapumo priežasčių sutapimo galima tiesiog nustatyti mechaninio senėjimo tendenciją, matuojant kietumą nuo kambario temperatūros iki 300 ° C.
Didžiausias kietumo padidėjimas skiriasi plieno rūšims, turinčioms skirtingą senėjimo tendenciją. Šio kietumo padidėjimo ir azoto kiekio santykis parodytas Fig. 26. Šis skaičius patvirtina, kad azoto kiekis turi būti mažesnis nei 0,005 %, kad būtų veiksmingai kovojama su mechaniniu nenuraminto plieno senėjimu.
apibūdinti papildomą, nors ir itin nereikšmingą įtaką
Ryžiai. 26. Didžiausias plieno kietumo skirtumas aukštoje temperatūroje, priklausomai nuo azoto kiekio
anglies kietumas, nes mėginiuose buvo anglies kiekis<0,01% - поэтому прирост их твердости несколько меньше. Особенно слабый прирост твердости показывают стали Mb и МА, в которых азот связан и взаимодействие его атомов с дислокациями устранено. Если, однако, эти стали нагреть выше 1000°С, когда нитриды перейдут в раствор, и затем быстро охладить, то повышение твердости будет наблюдаться также при 200-250° С.
Išradimas yra susijęs su juodųjų metalų metalurgija, ypač su nerūdijančio plieno gamyba. Metodas apima azoto tiekimą į metalą per įtaisą, įmontuotą kaušelio dugno pamušalu. Prieš tiekiant azotą, nustatomas sieros kiekis metale ir, atsižvelgiant į jo kiekį, atliekamas azoto prisotinimas. Didžiausias azoto suvartojimas nustatomas priklausomai nuo sieros kiekio metale. Azoto srautas turi būti ne mažesnis kaip 0,5 didžiausios vertės ir ne didesnis už didžiausią azoto srautą, nustatytą pagal santykį. Metalo temperatūra palaikoma 1520–1640 °C ribose. Apdailos etape galima pridėti azotuotų ferolydinių. Išradimo panaudojimas leidžia padidinti dujinio azoto asimiliacijos laipsnį metalu, tuo pačiu sumažinant jo suvartojimą. 2 w.p. f-ly, 3 skirtukas.
Išradimas yra susijęs su metalurgijos sritimi, o ypač su nerūdijančio plieno gamyba daugiausia antrinio metalo apdirbimo įmonėse, tokiose kaip kaušų-krosnių blokai, evakavimo ir vakuuminio deguonies dekarbonizacijos (rafinavimo) įrenginiai.
Žinomas plieno legiravimo azotu metodas, naudojant nitriduotus ferolydinius. Į krosnį arba kaušą iš krosnies sriegiant metalą įpilama azotuotų ferolydinių (Sviyazhin AG „Plieno legiravimas azotu“. Mokslinės ir techninės informacijos biuletenis „Geleodųjų metalų metalurgija“, 6 numeris (1094), 1990, p. 23 ).
Metodo trūkumai, kai jis naudojamas ne krosnies perdirbimo įmonėse, yra nestabilus ir mažas azoto pasisavinimas. Vėlesnio apdorojimo vakuuminiu atveju beveik visiškai prarandamas azotas, įtrauktas į ferolydinius. Tiekiant nitriduotus ferolydinius į kaušą su metalu, paviršiniame plieno sluoksnyje esantys ferolydiniai išsilydo ir ištirpsta, o didžioji dalis azoto pašalinama į atmosferą.
Žinomas skysto plieno azotavimo kaušelyje būdas, apimantis lydalo pūtimą dujiniu azotu per panardinamąjį vamzdį ir azoto tiekimą iš viršaus į burbuliavimo zonos paviršių po apsauginiu kūgiu (RF patentas Nr. 2009209, IPC C21C 7). /072, 15.03.94).
Procesui būdingas didelis azoto suvartojimas - 125-250 l/t·min ir lydimas metalo šnypštimo viršutinėje kaušelio dalyje. Dėl to greitai nusidėvi kaušelio pamušalas šlako zonoje.
Techniniu požiūriu arčiausiai nurodyto metodo yra nerūdijančio plieno legiravimo azotu metodas, įskaitant metalo prisotinimą dujiniu azotu, esant 17-36 l/t min debitui (Rimkevich VS, Butsky EV, Kurasov VI, Sazhin IV ., Savčenko S. G. "Dėl metalo legiravimo su azotu iš dujų fazės galimybės", Elektrometalurgija, Nr. 2, 2000, p. 14-16 - prototipas).
Šio metodo trūkumas yra didelis suvartojimas ir mažas azoto pasisavinimo laipsnis, neviršijantis 32%. Nemaža dalis tiekiamų dujų išleidžiama į atmosferą. Procesą lydi intensyvus metalo ir šlako maišymas, dėl kurio kaušelio šlako zonoje didėja pamušalo erozija ir pagreitėja plieno aušinimas. Kai plienas legiruojamas dujiniu azotu ne krosnies perdirbimo įmonėse be šildymo priemonių, dėl to metalas gali peršalti ir nepasiekti reikiamų azoto kiekio verčių.
Išradimu išspręsta problema – pašalinti visus nustatytus trūkumus, būtent sumažinti kaušelio pamušalo eroziją, sumažinti azoto suvartojimą, sumažinti šilumos nuostolius optimizuojant azotavimo procesą.
Ši užduotis pasiekiama tuo, kad taikant nerūdijančio plieno legiravimo azotu metodą, kuris apima metalo prisotinimą dujiniu azotu tiekiant į metalą azotą, prieš tiekiant azotą, nustatomas sieros kiekis metale ir jo prisotinimas azotu. atliekamas atsižvelgiant į sieros kiekį, kai azoto srautas yra ne mažesnis kaip 0,5 ir ne didesnis kaip didžiausias azoto srautas, kuris nustatomas pagal santykį:
Q = 12–29,9 [S] + 16,9 [S],
29,9; 16,9 - empiriniai koeficientai;
Patartina metalą prisotinti azoto dujomis 1520-1640°C temperatūros intervale.
Be to, patartina pasiekti, kad azoto kiekis pliene būtų didesnis nei 0,1%, kartu su azoto prapūtimu, kad būtų galima tiekti nitriduotus ferolydinius apdailos etape.
Eksperimentiškai nustatyta, kad azoto tirpimą metale iš dujinės fazės įtakoja sieros, kaip paviršinio aktyvumo elemento, kiekis, kuris blokuoja azoto tirpimą metale ir dėl to įtakoja soties greitį. iš nerūdijančio plieno su azotu. Didėjant tiekiamo dujinio azoto srautui, didėja plieno prisotinimo azotu greitis.
Viršijus didžiausią plieno įsotinimo azotu greitį, iš metalo prasideda perteklinio (neištirpusio) azoto kiekio išsiskyrimas, lydimas turbulentiško metalo ir šlako judėjimo kaušelyje. Todėl tolesnis azoto suvartojimo padidėjimas neturi įtakos metalo prisotinimo azotu greičiui, bet lemia jo pašalinimą į atmosferą ir dėl to sumažėja asimiliacijos laipsnis, taip pat suaktyvėja judėjimas ( metalo ir šlako maišymas kaušelyje ir padidėjęs kaušelio pamušalo susidėvėjimas. Tai padidina metalo aušinimo greitį.
Siūlomas metodas leidžia atsižvelgti į sieros kiekio lydytame metale įtaką metalo prisotinimo azotu greičiui ir pagal minėtą santykį nustatyti didžiausią azoto suvartojimą, kuriam esant didžiausias pasiekiamas metalo prisotinimo azotu greitis, o tai reiškia, kad užtikrinamas aukštas metalo azoto pasisavinimo laipsnis. Viršijus maksimalų dujinio azoto suvartojimą, nustatytą santykiu, perteklinis azoto kiekis nėra pasisavinamas metalo ir pašalinamas iš kaušelio, sukeliantis turbulentinį metalo ir šlako judėjimą kaušelyje ir sunaikinimą (išplovimą) jo pamušalas, taip pat padidėjęs metalo aušinimas ir per didelis azoto suvartojimas. Tuo pačiu metu azoto asimiliacijos laipsnis mažėja, nes dalis azoto pašalinama į atmosferą. Kai dujinio azoto suvartojimas yra mažesnis nei 0,5, nustatytas pagal santykį, legiravimo procesas vėluoja, o tai lemia metalo peršalimą, nepasiekiant nurodytos azoto kiekio gatavame metale vertės.
Eksperimentiškai patvirtintas ryšys tarp sieros kiekio metale, didžiausio nerūdijančio plieno prisotinimo azotu laipsnio ir azoto suvartojimo.
Didžiausias metalo prisotinimo greitis dujiniu azotu esant skirtingoms nerūdijančio plieno sieros vertėms buvo nustatytas keičiant jo suvartojimą. Eksperimentų rezultatai pateikti 1 lentelėje.
Azotavimo procesą patartina atlikti 1520-1640°C temperatūroje, neviršijant kaušelio ugniai atsparaus pamušalo minkštėjimo pradžios verčių. Esant žemesnei nei 1520°C temperatūrai metalas peršaldomas, nes ši temperatūra yra nerūdijančio plieno liejimo temperatūros intervale.
Esant aukštesnei nei 1640°C temperatūrai, prasideda kaušų pamušalo šveitimo intensyvėjimas, kurį sukelia metalo ir šlako judėjimas, vykstantis pučiant azotą, nes nurodyta temperatūra atitinka kaušų ugniai atsparių medžiagų minkštėjimo pradžią veikiant apkrovai, naudojamų ne krosnies apdorojimui.
Norint gauti didesnį nei 0,1 % azoto kiekį nerūdijančiame pliene, neužtenka plieno legiruoti tik dujiniu azotu dėl proceso trukmės, metalo peršalimo ir būtinybės gerokai pašildyti metalą, o tai neigiamai veikia. turi įtakos kaušelio pamušalo patvarumui. Azotuotų ferolydinių įvedimas plieno apdailos stadijoje leidžia pasiekti nurodytas azoto kiekio pliene vertes nepailginant proceso trukmės. Taigi techninis rezultatas yra padidinti dujinio azoto asimiliacijos laipsnį metalu, tuo pačiu sumažinant azoto suvartojimą, išplaunant kaušelio pamušalą ir sumažinant šilumos nuostolius.
Metodas atliekamas taip.
Išleidus (pusgaminį) nerūdijantį plieną į kaušą, atliekamos būtinos plieno apdirbimo operacijos (deoksidacija, rafinavimas ir kt.). Prieš pat plieną prapūtus azotu, paimamas sieros kiekis metale, tada pagal pateiktą santykį nustatomas didžiausias azoto suvartojimas tonai plieno ir metalas prisotinamas dujiniu azotu tiekiant azotą per įrengtą įrenginį. kaušo dugne, atsižvelgiant į sieros kiekį iki nurodytų nerūdijančio plieno azoto verčių. Azoto suvartojimas kinta nurodytose ribose ne mažiau kaip 0,5 didžiausio azoto debito skaičiuotinės vertės ir neviršija didžiausio azoto debito skaičiuotinės vertės. Esant reikalui metalas kaitinamas iki optimalių plieno prisotinimo temperatūrų dujiniu azotu, kurios yra 1520-1640°C.
Esant tam tikram azoto kiekiui pliene, kuris yra didesnis nei 0,1%, metalo apdailos etape kartu su azoto prapūtimu pagal skaičiavimus pridedami nitriduoti ferolydiniai.
Metodo įgyvendinimo pavyzdžiai.
1 pavyzdys. Vakuuminio deguonies rafinavimo gamykloje 30 tonų talpos kaušelyje korozijai atsparus plienas 04Kh18N10 buvo legiruotas su azoto dujomis, tiekiamomis į kaušą su metalu per apatinį vamzdelį (kamštį) su 0,2 mm pločio skylutėmis.
Išleidus pusgaminį į kaušą su periklazės-chromito ugniai atspariomis medžiagomis, buvo atliktas vakuuminis apdorojimas deguonimi ir metalo bei šlako deoksidacija vakuumo sąlygomis. Prieš pat metalą pučiant azotu, buvo nustatytas sieros kiekis metale. Didžiausias dujinio azoto suvartojimas buvo apskaičiuotas pagal aukščiau pateiktą santykį, atsižvelgiant į sieros kiekį pliene, o plienas buvo legiruotas su azotu, kurio azoto suvartojimas yra ribinės vertės, nustatytos pagal nurodytą santykį. Plieno prisotinimo azotu procesas buvo atliktas 1520-1640°C temperatūroje. Kaušo pamušalo erozijos laipsnis nustatytas pagal magnio oksido kiekį šlake. Dujų asimiliacijos metalu laipsnį lėmė asimiliuoto azoto ir bendro suvartojimo santykis.
Metalo legiravimo dujiniu azotu parametrai ir rezultatai lyginami su prototipu pateikti lentelėje.2.
Jei viršijamas maksimalus dujinio azoto srautas, nustatytas pagal santykį, jo asimiliacijos laipsnis mažėja, o kaušelio pamušalo erozija didėja, ką rodo magnio oksido padidėjimas šlake (6 variantas, 2 lentelė) .
Kai azoto suvartojimas yra mažesnis nei 0,5 maksimalaus azoto suvartojimo (2 lentelės 8 variantas), peršaldant metalą, nurodytas azoto kiekis pliene nepasiekiamas.
Kai metalo temperatūra žemesnė nei 1520°C, tam tikro azoto kiekio metale pasiekimas neužtikrina (2 lentelės 5 variantas). Esant aukštesnei nei 1640°C temperatūrai, kaušelio pamušalo šveitimas padidėja, tai rodo magnio oksido kiekio padidėjimas šlake (4 variantas, 2 lentelė). 2 lentelės 1, 2, 7 variantai yra optimalūs.
2 pavyzdys. Nerūdijančio plieno SV-10Kh16N25AM6 legiravimas buvo atliktas "kaušas-krosnies" bloke, kai azoto kiekis ribojamas 0,1-0,2%.
Metalas (pusgaminis) buvo išlydomas elektrinėje lankinėje krosnyje ir supilamas į kaušą, išklotą periklazės-anglies ugniai atspariomis medžiagomis. Prieš prisotinant metalą dujiniu azotu, buvo paimtas metalo mėginys, siekiant nustatyti jo cheminę sudėtį, įskaitant. sieros kiekis. Didžiausias azoto suvartojimas buvo nustatytas pagal nurodytą santykį, atsižvelgiant į sieros kiekį pliene. Metalo temperatūra buvo palaikoma 1520-1640°C.
Dujinio azoto tiekimas per prapūtimo įrenginį buvo įjungtas po to, kai kaušas buvo sumontuotas ant transportavimo vežimėlio (plieninio vežimėlio). Atliekant metalo prisotinimą dujiniu azotu apdailos stadijoje, buvo nustatytas azoto kiekis nerūdijančiame pliene ir, remiantis skaičiavimais, į kaušą su metalu buvo paduodamas nitrintas ferolydinis-nitriduotas chromas, kurio azoto kiekis yra 8%. Metalo legiravimo kaitinimo rezultatai teiginiu būdu ir prototipo metodu pateikti lentelėje.3.
Viršijus maksimalų dujinio azoto suvartojimą, nustatytą santykiu (3 lentelės 5 variantas), azoto asimiliacijos laipsnis sumažėja 10%, o magnio oksido kiekis šlake padidėja 30%.
Kai azoto suvartojimas yra mažesnis nei 0,5 didžiausio azoto suvartojimo (3 lentelės 7 variantas), nurodytas azoto kiekis pliene nepasiekiamas.
Viršijus viršutinę plieno prisotinimo azotu temperatūros ribą (1640°C), kaušelio pamušalo šveitimo intensyvumas padidėjo (4 variantas, 3 lentelė). Sumažėjus apatinei temperatūros intervalo ribai (1520°C), apačioje liko sukietėjusio metalo 580 kg (nuostoliai) (3 lentelės 8 variantas). 3 lentelės 1, 3, 6 variantai yra optimalūs.
Siūlomas nerūdijančio plieno legiravimo dujiniu azotu metodas padidina metalo azoto pasisavinimo laipsnį 1,9-2,5 karto, o kaušelio pamušalo erozija sumažėja 1,5-2 kartus, azoto suvartojimas 1,5-3,8 karto prototipas. Sumažėja šilumos nuostoliai ir lydymosi trukmė.
1. Nerūdijančio plieno legiravimo azotu būdas, apimantis metalo prisotinimą dujiniu azotu tiekiant į metalą azotą, besiskiriantis tuo, kad prieš tiekiant azotą nustatomas sieros kiekis metale ir atliekamas jo prisotinimas azotu. į sieros kiekį, kai azoto debitas yra ne mažesnis kaip 0,5 ir ne didesnis kaip didžiausias azoto debitas, kuris nustatomas pagal santykį
Q = 12-29,9 [S] + 16,9 [S] 2,
čia Q yra didžiausias azoto suvartojimas, l/t min;
12 - azoto suvartojimas, atitinkantis didžiausią plieno prisotinimo azotu greitį, l/t·min;
29,9; 16,9 - empiriniai koeficientai;
2. Būdas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad metalas yra prisotinamas azoto dujomis 1520-1640°C temperatūros intervale.
3. Būdas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad norint gauti azoto kiekį pliene, kuris yra didesnis nei 0,1 %, kartu su azoto prapūtimu, baigiamajame etape tiekiami nitridinti ferolydiniai.
Azoto ir vandenilio kiekį metale pūtimo metu ir galutinį šių dujų kiekį pliene lemia jų koncentracija žaliavose ir dviejų priešingų procesų intensyvumo santykis: dujų tirpimo metale ir jų pašalinimo su metalu. anglies monoksido burbuliukai. Pučiant iš viršaus, dujų tirpimą metale palengvina aukšta reakcijos zonos temperatūra ir reikšmingas dujų kelias vonioje.Azoto ir vandenilio kiekis įvairiais procesais lydytame pliene pateiktas lentelėje. 3.16.
VANDENILIO. Plieno gamybos deguonies keitiklio metodas turi prielaidas, kad pliene būtų mažesnis vandenilio kiekis, palyginti su atviro židinio procesu. Lydymosi proceso metu vandenilio kiekis keičiasi nuo pradinio metalo įkrovos kiekio, daugiausia ketaus (3-7 cm3/100 g) iki lentelėje nurodytų verčių. Šios vertės yra mažesnės nei kritinės, kurioms esant pradeda pasireikšti žalingas vandenilio poveikis liejamo metalo kokybei. Tai labai svarbu kritiniams plienams.
Pagrindiniai vandenilio šaltiniai konverterio vonioje yra ketaus ir plieno laužas. Nemažai laužo susidaro rūdžių pavidalu. Su pasenusiomis, iš dalies hidratuotomis kalkėmis gali patekti daug drėgmės.
Vandenilio kiekis metale mažai priklauso nuo žaliavų drėgnumo, jei jos neįleidžiamos į keitiklį pasibaigus prapūtimui. Pagrindinė vandenilio dalis lydymosi proceso metu pašalinama kartu su dujų faze. Be to, labai judrų vandenilį intensyviai išplauna iš metalo CO burbuliukai.
Pagrindinė sumažėjusio vandenilio kiekio BOF pliene priežastis yra mažas drėgmės ir vandenilio kiekis dujų fazėje virš metalo. Priešingai nei atviros krosnies darbo erdvės atmosferoje, kur kuras deginamas susidarant H2O ir H2, šių dujų kiekis konverterio ertmėje neviršija 1%.
Vandenilio tirpimo procesą galima išreikšti tokia nelygybe:
Iš to išplaukia, kad kuo didesnis vandenilio kiekis pliene, tuo didesnis jo dalinis slėgis konverterio dujose.
Vandenilio perėjimas į plieną iš vandens garų apibūdinamas lygtimi:
(H20) = 2[H] + [O].
Šios reakcijos pusiausvyros konstanta
Vandenilio kiekis pliene didėja padidėjus daliniam vandens garų slėgiui konverterio dujose, daugiausia dėl sprogimo drėgmės, ir mažėja padidėjus plieno oksidacijai.
Pagrindinis vandenilio šaltinis konverterio procese yra deguonis, naudojamas pūtimui. Techniniame deguonyje drėgmės yra 8-10 g/m3. Patekę į reakcijos zoną, vandens garai disocijuoja ir suteikia metalui vandenilį. Pasak V.I. Yavoisky, pusiausvyros koncentracija [H] tokiomis sąlygomis gali siekti 10–13 cm3/100 g. Faktinis vandenilio kiekis pūtimo metu yra daug mažesnis, o tai susiję su degazuojančiu virimo vonioje efektu.
Konverterių gamybos praktikoje yra žinomi atvejai, kai metale yra labai didelis vandenilio kiekis. Paprastai tai siejama su nesandarių vamzdžių naudojimu pravalymui ir aušinimo vandens patekimui į reakcijos zoną.
Reikia atsiminti, kad plieną gaminant ir deoksiduojant, vandenilio kiekis jame didėja dėl jo tiekimo iš ferolydinių ir karbiuruojančių priedų.
Vandenilio kitimo dinamika vykstant metalo pūtimui keitiklyje parodyta fig. 3.54.
Pradinį vandenilio kiekį metale lemia jo kiekis įkrovoje. Pirmuoju pūtimo periodu (4-6 min.) pastebimas vandenilio koncentracijos metale padidėjimas, susijęs su jo tiekimu iš metalo laužo rūdžių, hidratuotos kalkių drėgmės ir iš konverterio atmosferos. ; dalinis vandens garų slėgis atmosferoje šiuo laikotarpiu yra gana didelis, nes anglies oksidacijos greitis yra mažas. Didelis vandenilio koncentracijos verčių nestabilumas, gautas esant skirtingam karščiui, paaiškinamas skirtingais vandenilio kiekiais, gaunamais iš skirtingų šaltinių; po 4–6 minučių anglies kiekis metale sumažėja, o tai susiję su padidėjusiu dekarbonizacijos greičiu ir CO burbuliukų išplovimu. Pūtimo pabaigoje metale padidėja vandenilio kiekis, o tai paaiškinama sumažėjusiu anglies oksidacijos greičiu.
Galutinis vandenilio kiekis konverterio vonioje labai priklauso nuo vandenilio turinčių priedų įvedimo momento – kuo šis momentas arčiau išpūtimo pabaigos, tuo didesnė vandenilio koncentracija.
Radikali priemonė vandenilio kiekiui pliene sumažinti yra evakuacija, kurios metu vandenilio pašalinimo laipsnis yra 50-70% ar daugiau.
AZOTAS. BOF procesas dėl jam būdingų savybių (mažas dalinis azoto slėgis deguonies sraute, didelis anglies oksidacijos greitis, oro nutekėjimo į keitiklio ertmę trūkumas) puikiai tinka metalui, kurio išleidimo angoje yra mažas azoto kiekis, gaminti. .
Azoto kiekis BOF metale labiausiai domina gaminant mažai anglies turintį plieną, skirtą šaltai plastinei deformacijai. Azoto įtaka plieno lankstumui ir polinkiui senti eksploatacijos metu ir ypač žemoje temperatūroje visiškai išnyksta, kai jo koncentracija pliene neviršija 0,001-0,0005%. Atsižvelgiant į lemiamą azoto vaidmenį plieno kokybės rodikliuose, šis klausimas turėtų būti nagrinėjamas išsamiau.
Azotas gerai tirpsta skystoje geležyje – 1600 °C temperatūroje, 0,044 % N – ir labai ribotai kietoje. Geležies kambario temperatūroje azoto tirpumas tampa daug mažesnis nei tikrasis jo kiekis. Tačiau, skirtingai nei vandenilis, azotas iš plieno neišsiskiria aušdamas, sudarydamas persotintą tirpalą. Azoto nusodinimas iš persotinto tirpalo, kuris yra įmanomas termomechaniškai apdorojant metalą, sumažina plieno plastiškumą ir vadinamas senėjimu.
Azoto ir dujų fazės pusiausvyros koncentraciją metale lemia Sivertso dėsnis:
Proporcingumo konstanta priklauso nuo metalinės vonios sudėties ir temperatūros. Kylant temperatūrai, Kn reikšmės didėja, o tai padidina azoto tirpumą metale.
Deguonies keitiklio procesui ypač svarbus dalinis azoto slėgis sprogimo Pn slėgyje. Taip yra dėl to, kad reakcijos zonos temperatūra gali siekti 2500°C.
Kadangi metalas reakcijos zonoje liečiasi su deguonies srove ir praktiškai neturi anglies, azoto tirpumas jame atitiks jo tirpumą grynoje geležyje. V.I. Yavoisky parodė, kad didžiausias azoto tirpumas, kai deguonies grynumas yra 97% (PN2 = 0,18 atm ir T = 2200 ° C), yra 0,0256%.
Reakcijos zonoje azotu prisotintas metalas perkeliamas į nuo jo nutolusį metalo tūrį. Natūralu, kad azoto koncentracija visame vonios tūryje bus daug kartų mažesnė ne tik dėl didesnio vonios priemaišų kiekio ir žemesnės metalo temperatūros, bet ir dėl smarkiai sumažėjusio parcialinio azoto slėgio santykinai. didelis anglies oksidacijos greitis ir didelė anglies turinčių dujų koncentracija išmetamosiose dujose. Nepaisant to, tai, kas išdėstyta pirmiau, rodo, kad galima sumažinti reakcijos zonos temperatūrą, ypač pučiant susmulkintas medžiagas.
Veiksniai, lemiantys azoto kiekį konverterio vonioje.
Pagrindiniai dujų, patenkančių į BOF plieną, šaltiniai yra šie:
- įkrovimo medžiagos;
- lydymosi įrenginio atmosfera;
- techninis deguonis;
- ferolydiniai ir priedai, įterpti į metalą;
- atmosfera, supanti skystą metalą jo išleidimo ir liejimo procese ir kt.
Įkraukite medžiagas ir ferolydinius.Žemiau pateikiami duomenys apie dujų kiekį įvairiose medžiagose.
3.17 lentelės duomenys rodo, kad svarbiausi azoto šaltiniai, patenkantys į konverterio plieną, pirmiausia yra įkrovos medžiagos (ketaus, laužas, ferolydiniai ir kt.). Pagrindiniam deguonies procesui pagrindinis įkrovos komponentas yra ketus, todėl akivaizdu, kad ketaus įnešamo azoto dalis turi būti reikšminga. Įvairių augalų ketaus azoto kiekis svyruoja 0,003–0,014 proc. Skirtingi azoto kiekiai daugelio gamyklų ketaus lydiniuose paaiškinami specifinėmis šių įmonių gamybos sąlygomis. Apskritai, iki 75% viso jo kiekio į keitiklio vonią įvedama ketaus.
Srautinio lydymo režimas. Vienas iš veiksnių, lemiančių azoto kiekį pliene, yra deguonies pūtimo grynumo laipsnis. Kaip parodė tyrimai, atlikti pramoninėmis sąlygomis HLMK, Krivorožstalio metalurgijos gamykloje, mažą azoto kiekį (apie 0,002%) galima gauti tik pučiant metalą didelio grynumo deguonimi (daugiau nei 99,7%). Sumažinus deguonies pūtimo grynumą iki 99,2–99,5%, padidėja ne tik azoto kiekis, bet ir padidėja šios vertės plitimas iš šilumos į šilumą. Ryšys tarp deguonies grynumo η ir azoto kiekio mažai anglies turinčiame pliene prieš jį išleidžiant iš konverterio apibūdinamas šiais 3.18 lentelėje pateiktais duomenimis.
Išvalius metalą deguonimi, kurio grynumas yra apie 98%, azoto kiekis metale padidėja iki 0,0063–0,0090%. Azoto kiekio pokytis metale priklausomai nuo sprogimo grynumo laipsnio atsiranda dėl to, kad į metalą pučiamos labai mažo azoto dalinio slėgio dujos. Šiuo atveju azoto pašalinimas iš metalo yra didesnis, tuo didesnis retėjimo laipsnis (deguonies grynumas) ir vonios maišymo su išsiskyrusiu anglies monoksidu intensyvumas (3.55 pav.).
Kaip matyti iš paveikslo, I srityje po 5-6 minučių pūtimo lydalo denitrogenacija tampa intensyvesnė nei azoto perėjimas į metalą, ir šis procesas išsivysto iki tam tikro azoto kiekio metale ( 0,003-0,004%) ir priklauso nuo jo dalinio slėgio reakcijos zonoje ir nuo dekarbonizacijos greičio per šį laikotarpį. Išvalius žemo grynumo deguonį (92–99 % O2), azoto kiekis metale pasiekia minimumą apie 12 minutę, po kurio jis pradeda augti. Paskutiniame valymo laikotarpio trečdalyje azoto kiekis stabilizuojasi, o tai rodo santykinį azoto įtekėjimo ir pašalinimo srautų lygumą.
Tačiau jei nesilaikoma optimalių lydymosi sąlygų, azoto koncentracija metale padidėja net esant dideliam deguonies grynumui. Vienas iš veiksnių, lemiančių azoto kiekį metale, yra deguonies tiekimo intensyvumas. Nustatyta, kad prapūtus didelio grynumo deguonimi, padidinus prapūtimo intensyvumą, sumažėja azoto kiekis pliene.
Reikšmingas azoto kiekio svyravimų metale lygis ir ribos yra gana suprantami, atsižvelgiant į didelį jo kiekį deguonies pūtimu, palyginti su kitais šaltiniais (3.19 lentelė).
Vykdydamas 130 keitiklių tyrimą, V.I. Yavoisky ir jo bendradarbiai nustatė, kad azoto kiekis metale po pūtimo priklauso nuo deguonies pūtimo grynumo ir anglies kiekio:
Kitas svarbus sprogimo režimo veiksnys, turintis įtakos azoto kiekiui metale, yra strypo padėtis virš metalo paviršiaus.
Azotas iš atmosferos gali patekti į plieną, kai jį išstumia deguonies srove. Pučiant „užtvindytos“ srovės režimu, išmetimas neįmanomas. Tačiau pūtimo pabaigoje, padidėjus čiurkšlės aukščiui, azoto kiekis didėja dėl jo įsiurbimo per kaklą (3.56 pav.).
Siekiant užkirsti kelią šiam procesui, pūtimo pabaigoje į čiaupo angą turėtų būti įpūstas argonas ir į konverterį įpilama kalkakmenio, malūnų nuosėdų, geležies rūdos, kuri leidžia stabilizuoti azoto kiekį metale po pūtimo. lygis 0,002%.
Dodovki. Ypač svarbu pasilikti ties pūtimo vaidmeniu didinant azoto kiekį pliene. Ypač nemalonios pasekmės ištinka du ar daugiau nupūtimų (3.57 pav.).
Po pūtimo neišvengiamai padidėja azoto kiekis metale dėl šių priežasčių:
1 - po pūtimo atnaujinama atmosfera keitiklyje;
2 - oro įsiurbimas padidėja, nes papildomas pūtimas atliekamas "atviros srovės" režimu.
Atkreiptinas dėmesys į tai, kad ypač pavojingas yra popūtimas, atliekamas esant mažam anglies kiekiui (3.57 pav.).
Šlako režimas. Svarbus technologinis veiksnys, lemiantis galutinį azoto kiekį metale, yra konverterio lydymosi šlako režimas, pirmiausia šlako būklė, jo kiekis, susijęs su apsauginiu šlako sluoksnio poveikiu. Esant optimaliam šlako lydymosi režimui, pūtimo proceso metu šlakas yra putojantis, o metalas izoliuojamas nuo sąlyčio su atmosfera. Jei pūtimo procese pastebimas šlako koaguliavimas, tada prieš išleidžiant lydalą gaunamas metalas su dideliu azoto kiekiu. Eksperimentiškai nustatyta, kad metalo prisotinimas azotu keitiklyje prasideda praėjus 60 % prapūtimo laiko (3.58 pav.), todėl norint gauti mažas azoto koncentracijas, būtina šlaką palaikyti putotoje. būsena per paskutinius 50 % išpūtimo laiko.
Plieno prisotinimas azotu sriegimo ir liejimo metu. Azoto kiekiui gatavame metale didelę įtaką daro azoto absorbcija sriegimo, deoksidacijos ir liejimo metu, be to, yra daug veiksnių, turinčių įtakos azoto absorbcijos procesui sriegimo metu. Taigi buvo nustatyta, kad azoto absorbcija metalu didėja mažėjant čiaupo angos skersmeniui ir ilgėjant jos ilgiui, didėjant šlako dangos storiui, o mažėjant aukščiui. metalo kritimo ir deguonies kiekio skystame pliene. Taip pat labai priklauso nuo paleidimo trukmės bei purkštuko geometrijos, t.y. nustatomas pagal metalo kontaktinio paviršiaus dydį su atmosferos oru nusausinimo procese.
Metalo prisotinimą azotu taip pat palengvina deoksidatorių ir legiravimo medžiagų įvedimas į plieno pylimo kaušą jo pildymo metu.
Metalo cheminė sudėtis. Visi elementai pagal jų įtakos azoto tirpumui geležyje laipsnį sąlyginai gali būti suskirstyti į tris grupes:
1. Elementai, kurie sudaro gana stabilius nitridus. Legiruojant su šiais elementais, padidėja azoto tirpumas geležyje. Šios grupės elementai yra Cr, V, B, Mn, Si, Al, Ti, Nb, Zr ir REM. Geležies lydiniuose su šiais elementais azoto aktyvumo koeficientas mažėja.
2. Elementai – geležies analogai, praktiškai neturi įtakos azoto tirpumui: Ni, Co.
3. Azoto tirpumą mažinantys elementai - C, R.
Apskritai galima teigti, kad BOF procesas yra unikalus tuo, kad po pūtimo metale gaunamas mažas azoto kiekis. Šis procesas leidžia be didelių pastangų pasiekti 0,002% ar mažiau, jei tenkinamos šios sąlygos:
1. Didelio grynumo deguonis (99,7-99,8%).
2. Ketaus, kuriame mažai azoto, naudojimas. Šia prasme perspektyvu naudoti kalkėmis ir gamtinėmis dujomis apdorotą ketų, kur pasiekiama tiek maža sieros (0,003 - 0,005%), tiek azoto (mažiau nei 0,003%) koncentracija. Perskirstant tokį ketų, plienas gaunamas su 0,0013% azoto.
3. Mažai sieros turinčio plieno siurbimas.
4. Visiškas popūtimo pašalinimas gaminant mažai azoto turintį plieną.
5. Reakcijos zonos temperatūros sumažinimas dėl kalkių, rūdos, sukepinimo ir kt.
6. Priedas prie kaušelio gaminant lydymosi dujofikuojančius priedus (kalkakmenis, rūdą ir kt.) iki 2 kg/t, kurie veikia ir kaip virimo stiprintuvai, ir kaip aktyvios dujas formuojančios medžiagos.
7. Metalo prisotinimo azotu prevencija išpylimo, apdirbimo iš krosnies ir liejimo procese, nes plieno evakavimas jo denitrogenavimui yra neveiksmingas.
DEGUONIS. Nurodytas deguonies kiekis skirtingų tipų plienams užtikrinamas atitinkamu deoksidacijos būdu. Taikant tam tikrą deoksidacijos technologiją, deguonies kiekis metale iki liejimo pradžios yra didesnis, tuo didesnis jo kiekis deoksidacijos metu.
Be to, gatavo metalo užterštumas oksidų intarpais (deoksidacijos produktais), metalo elgsena liejimo metu ir luito (tuščio) struktūra, taip pat kietame tirpale likusio deguonies koncentracija priklauso nuo deguonies kiekis skystame pliene; pastarasis prisideda prie plieno senėjimo, padidina jo trapumą, didina elektrinę varžą ir neigiamai veikia magnetines savybes.
Skystame pliene deguonis gali egzistuoti aktyvios, nesusietos formos ir oksidų intarpų pavidalu. Deguonis šiuo metu yra vienintelis elementas, kurio aktyvumą galima nustatyti tiesioginiu matavimu – išmatuojant E.F.S. aukštos temperatūros koncentracijos galvaniniame elemente.
Deguonies perėjimas iš sprogimo į metalą vyksta dviem etapais; pirmoje dalyje geležis daugiausia oksiduojama:
antroji - dalinis deguonies ištirpimas metale:
Natūralu, kad deguonies kiekis reakcijos zonos metale yra didesnis nei visame vonios tūryje. Reakcijos zonos metalas iš esmės yra deguonies donoras visai voniai.
Kartu su deguonies pernešimu iš šlako į metalą oksiduojasi ir kitos priemaišos, dėl kurių iš šlako ir metalo pasišalina deguonis, o deguonies kiekį kiekvienu lydymosi momentu lemia šių dviejų tarpusavyje priešingų procesų greitis. . Deguonies kiekio pokytis pūtimo metu parodytas fig. 3,59 (pagal R.V. Starovą).
Pačioje pūtimo pradžioje, esant mažam anglies oksidacijos greičiui ir blogai maišant vonią, deguonies kiekis šiek tiek padidėja. Prasidėjus intensyviai anglies oksidacijai, mažėja deguonies kiekis, mažėja ir verčių sklaida, šv. Sumažėjus oksidacijos greičiui ir anglies kiekiui, smarkiai padidėja absoliučios vertės ir deguonies kiekio sklaida.
