Влияние газов на сталь

Газы в стали  после перехода из жидкого в твердое  состояние могут находиться в  состоянии твердого раствора, в виде пузырьков, в форме гидридов с  некоторыми элементами и в виде нитридов.

Газы в стали  оказывают значительное влияние  на качество слитка и в дальнейшем на свойства прокатанного из него изделия. Определим влияние каждого газа (водорода, кислорода и азота) на свойства стали.

Кислород. Уже  указывалось, что концентрация этого  газа в стали к моменту ее кристаллизации определяет получение стали того или иного типа: спокойной, полуспокойной  или кипящей.

К концу плавки общее содержание кислорода складывается из растворенного в стали кислорода  и из кислорода, находящегося в составе  оксидных включений, не успевших выделиться и находящихся во взвешенном состоянии. Эти окислы сформировались в металле  в результате прошедших окислительных  реакций.

Кислород, находящийся  в жидкой стали, вследствие резкого  уменьшения возможной его концентрации в твердой стали, выпадает из раствора в момент кристаллизации и тут  же формирует нежелательные оксидные включения. Так как эти процессы происходят на поздней стадии перехода жидкости в твердое состояние, то уже нельзя надеяться на всплывание образовавшихся окислов. Поэтому та сталь получится более чистой и будет отличаться лучшим качеством, в которой в момент затвердевания  осталось мало общего содержания кислорода (растворенного и взвешенного  в окислах).

В зависимости  от состава и расположения кислородных  включений будет проявляться  их различное влияние на свойства стали. Наиболее вредными для свойств стали оказываются окислы, располагающиеся в виде семейства цепочек, нитей или пленок по границам зерен. Такие формы образования чаще всего наблюдаются при формировании глиноземистых, корундовых и алюмосиликатных включений. Менее вредными оказываются окислы, формирующиеся при высокой еще температуре и располагающиеся внутри зерен.

Установлено, что  повышенное содержание кислорода в  стали повышает ее склонность к старению, ухудшается электросопротивление, снижаются магнитные свойства стали, из-за повышенных ваттных потерь. Влияние содержащегося кислорода на старение стали видно из примера, когда сталь из поверхностного слоя кипящего слитка, в котором содержалось 0,02% кислорода (проба на разливке), оказалась менее склонной к старению, чем сталь из сердцевинной доли того же слитка, в которой содержалось около 0,06% кислорода. Склонность стали к старению оценивалась сравнением пластических свойств и особенно ударной вязкости образцов до и после искусственного старения, когда образцы подвергались 10% деформации растяжением с последующим отпуском при 250° С в течение 1 ч. Повышенное содержание кислорода в вольфрамовой магнитной стали приводит к понижению мощности магнитов. Известно также, что повышенное содержание кислорода в стали сообщает ей свойство красноломкости даже при обычных концентрациях серы в ней. Это явление связано с выпадением кислорода из пересыщенного раствора во время кристаллизации и расположением оксисульфидной фазы вокруг зерен, что нарушает прочность связи отдельных зерен металла друг с другом.

Водород. Давно  установлено отрицательное влияние  водорода на качество слитка. Выделение  водорода во время кристаллизации способствует развитию рослости слитков, образованию  пористости как в слитках, так и в заготовках, способствует формированию в слитках пятнистой ликвации. Водород хорошо ликвирует и усиливает ликвацию других примесей. Обычно повышенные концентрации водорода обнаруживаются в центральной и головной части слитка. Способность водорода к ликвации создает опасность появления ряда дефектов в стали.

Жидкая сталь  при переходе в твердое состояние  и при дальнейшем ее охлаждении может  пересыщаться водородом, вследствие резкого  уменьшения возможной растворимости  при различных модификациях железа. Большая часть водорода выделяется из раствора внутри слитка (изделия) возле  мельчайших трещинок и несплошности усадочного происхождения и в порах на границе неметаллических включений и металла.

Развивающийся здесь процесс молекулярного  превращения 2[H] → [H₂] приводит к скоплению молекул водорода и в отвердевшей стали формируются участки, где выделившийся водород находится под значительным давлением. Это способствует возникновению внутренних напряжений в металле. При сочетании условий, когда эти напряжения складываются с напряжениями другого рода, например термическими или напряжениями, возникшими в результате фазовых превращений или при деформации, которые в сумме превышают предел прочности стали при данном ее состоянии, то это приводит к образованию внутренних разрывов стали и мельчайших трещинок волосных размеров, которые называются флокенами.

Хромоникелевые, хромоникельмолибденовые стали  обычно кристаллизуются с развитием  столбчатых кристаллитов. Эта особенность  кристаллического строения облегчает  условия для скапливания молекулярного  водорода у границ развитых кристаллитов. Именно в этой зоне возле неметаллических  образований возникают большие  напряжения, благодаря скопившемуся молекулярному водороду, которые  приводят к ослаблению прочности  связи кристаллитов, облегчая разрушение стали в поперечных образцах. Излом  стали имеет обычно древовидное (занозисто-слоистое) строение, называемое шиферным. Углеродистые стали менее  склонны к формированию шиферного  излома, чем сталь, легированная хромом, никелем и молибденом. Шиферное строение стали понижает ее пластические характеристики.

Для предупреждения вредного влияния водорода сталь  подвергают термической обработке, при которой облегчаются условия  диффузии растворенного водорода к  поверхности слитка (изделия) и последующего его удаления, чем ликвидируется  возможность скопления молекулярного  водорода внутри слитка (изделия). Образование  указанных дефектов можно предупредить медленным охлаждением слитков  в специальных устройствах или  под горячим песком.

В настоящее  время после вакуумирования жидкой стали, благодаря которому снижается концентрация в ней водорода до 1,5—2,0 сл3/100 г, полностью предупреждается образование в стали флокенов и шиферного излома. Это и подтвердило, что именно водород является основным источником порождения указанных дефектов в поковках, главным образом из легированной стали. Для этой же цели начали широко применять способ продувки жидкого металла в ванне печи, и особенно в разливочном ковше, инертными газами (гелием, аргоном) через пористые огнеупоры в виде цилиндрических конусов, установленных в днище ковша.

Азот. Н. А. Минкевич установил, что при заметном повышении концентрации азота увеличиваются прочностные характеристики и одновременно снижаются пластические свойства стали. Азот увеличивает хрупкость и твердость стали, способствует уменьшению магнитной проницаемости. Установлено также, что в стали, раскисленной и легированной нитридообразующимися элементами, например титаном или цирконием, повышается содержание нитридов.

Азот совместно  с углеродом сообщают стали склонность к старению. Наибольшее снижение ударной  вязкости после искусственного старения наблюдается у кипящей стали; сталь, успокоенная кремнием, обнаруживает небольшую склонность к старению, а эта же сталь, но дополнительно  раскисленная алюминием, практически не стареет. Известно также, что углеродистая сталь с концентрацией 0,003% азота при остаточном алюминии 0,02% не стареет, но при содержании в подобной стали 0,007% азота для сохранения нестареющих свойств требуется иметь остаточного алюминия в стали 0,035%. Небольшими концентрациями остаточного ванадия в стали (0,02—0,04%) также обеспечивается нестареющие ее свойства.

Искусственно  насыщенная азотом томасовская кипящая  сталь (до 0,03%) обладала наибольшей склонностью  к старению. Спокойная сталь с 0,20% С, раскисленная кремнием и алюминием, почти не стареет. Кипящая сталь с 0,05% углерода без алюминия, т. е. насыщенная газами, в том числе азотом, сильно стареет. Полуспокойная сталь менее склонна к старению, чем кипящая, и если полуспокойную сталь дополнительно раскислить алюминием, то она становится мало склонной к старению. Имеются также указания на возможность использования небольших добавок бора (0,005—0,015%) для связывания азота в кипящей и полуспокойной стали с целью уменьшения склонности к старению.

Растворимость азота резко уменьшается с  понижением температуры. Поэтому при  охлаждении жидкого металла и  дальнейшем его отвердевании неизбежно  образование пересыщенных азотом объемов  стали, вследствие чего начинается его  выделение. При кристаллизации слитка несвязанный азот ликвирует подобно углероду, фосфору или сере, сосредоточиваясь в центре и головной части его. Из пересыщенных объемов стали азот будет выделяться из раствора не в газообразном виде, а в форме нитридов, устойчивых как при высоких, так и низких температурах. Выпавшая твердая мелкодисперсная фаза нитридов и карбиды вызывают напряженность кристаллической решетки, что и обусловливает явление старения. Этот процесс, как указывалось, приводит к ухудшению пластических свойств стали, повышению ее твердости и хрупкости, снижению магнитной проницаемости, увеличению коэрцитивной силы и потерь на гистерезис.

Иногда азот привлекается специально для полезных целей. Так, если в сталь, содержащую азот, добавить нитридообразующие элементы, то это будет способствовать формированию мелкозернистой структуры, так как  образующиеся нитриды будут выполнять роль центров кристаллизации. Известны также приемы устранения транскристаллизации в высокохромистой стали путем ввода азотированным феррохромом или азотированным ферромарганцем до 0,3% азота. Такой прием приводит к образованию нитридов хрома, устранению транскристаллической структуры и формированию мелких зерен.

Сущность  процесса раскисления и способы его реализации

В настоящее время наиболее широко используются следующие способы  внепечной обработки стали: раскисление и модифицирование; продувка инертным газом; внепечная десульфурация; вакуумирование с целью дегазации и глубокого обезуглероживания; корректировка химического состава металла.

18.1 Раскисление стали

18.1.1 Сущность процесса  раскисления и способы его реализации

Раскислением называют технологическую операцию, в ходе которой содержание растворенного в металле кислорода понижают до требуемого уровня.

Основными задачами раскисления стали являются:

• обеспечение необходимого характера поведения стали при затвердевании в изложницах и кристаллизаторах МНЛЗ;
• получение продуктов раскисления (неметаллических включений), которые оказывают наименьшее негативное воздействие на механические и эксплуатационные свойства металла.

При высоком содержании кислорода  в стали затвердевание ее может  сопровождаться выделением из расплава оксида углерода в результате протекания у фронта кристаллизации реакции между растворенными в металле углеродом и кислородом

 - (18.1)

Необходимая интенсивность  протекания этой реакции при затвердевании  стали в изложницах и кристаллизаторах МНЛЗ определяет основные требования к организации разливки металла, а также структуру полученных слитков.

В зависимости от характера  поведения стали при затвердевании  ее принято подразделять на кипящую, полуспокойную и спокойную.

Затвердевание кипящей стали  сопровождается выделением из металла  большого количества оксида углерода, которое принято называть кипением. Затвердевание полуспокойной стали  должно сопровождаться слабым, непродолжительным  кипением, для обозначения которого используют термин «искрение». Затвердевание  спокойной стали должно протекать  без видимого газовыделения.

Основные подходы к  решению первой задачи раскисления стали иллюстрирует рисунок 18.1.

Рисунок 18.1 – Схема решения основной задачи раскисления при производстве различных типов стали: 1 – 3 – области нормального остаточного содержания кислорода в металле при производстве спокойной, полуспокойной и кипящей стали; 4 – обычное содержание кислорода в металле перед раскислением; 5 – содержание кислорода в равновесии с растворенным в металле углеродом

Наиболее широко используются следующие способы раскисления стали: осаждающее, экстракционное (диффузионное) и вакуумно-углеродное.