научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СПОСОБА АЗОТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО РАСПЛАВА НА СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА В СТАЛИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СПОСОБА АЗОТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО РАСПЛАВА НА СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА В СТАЛИ»

УДК 669.786

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА АЗОТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО РАСПЛАВА НА СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА В СТАЛИ

©Шабалов Иван Павлович1, д-р техн. наук, e-mail: iqs12@yandex.ru Филиппов Георгий Анатольевич1, д-р техн. наук, проф., e-mail: iqs12@yandex.ru

Сёмин Александр Евгеньевич2, д-р техн. наук, проф., e-mail: ASEMIN2007@yandex.ru

Щукина Людмила Евгеньевна1, e-mail: lutik_181@mail.ru 1ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва 2-Научно-исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва

Статья поступила 14.01.2015 г.

Рассмотрены различные способы введения азота в сталь в качестве легирующего компонента для повышения комплекса механических и коррозионных свойств металла в дальнейшем. Отмечено, что использование высокотемпературной плазмы позволяет влиять на форму присутствия азота в газовом потоке (молекулярная, возбужденная, атомарная). В последних двух формах азот весьма активно поглощается металлом, что позволяет за достаточно короткое время получить требуемое его содержание в металле. Проведены термодинамические расчеты по усвоению металлом разных форм азота. Проведена серия лабораторных экспериментов по азотированию легированной стали 10Х8НМВФБ, которые подтвердили результаты расчетов по более высокой растворимости азота именно при плазменно-дуговом переплаве.

Ключевые слова: специальная металлургия; азотистые стали; плазменно-дуговой переплав; критическая концентрация азота.

Одним из наиболее перспективных направлений создания высокопрочных, коррозионностойких высоколегированных сталей является легирование азотом - элементом, альтернативным дорогостоящему никелю (азот обладает в 20 раз большей аусте-нитообразующей способностью (рис. 1) и приводит к упрочнению стали без существенного изменения ее пластичности и коррозионной стойкости [1, 2]).

Эффект упрочнения азотом проявляется при его присутствии в атомарном виде в твердом растворе или в составе карбонитридных фаз. В связи с этим при создании новых азотсодержащих сталей и способов их производства важно учитывать особенности поведения азота при его взаимодействии с жидким расплавом и в процессе кристаллизации и фазовой перекристаллизации. Именно эти процессы определяют эффективность легирования стали азотом.

Следует отметить, что введение в жидкую сталь азотсодержащих компонентов в сочетании с сильными нитридообразующими элементами позволяет существенно повысить прочность сталей ферритно-перлитного класса при сохранении низкой склон-

100 9080706050403020100

ности к хрупкому разрушению и хорошей свариваемости или даже при ее снижении [3, 4]. Это является следствием получения мелкозернистой структуры и дисперсионного упрочнения мелкодисперсными нитрид-ными фазами, что способствует формированию стабильной структуры и уменьшению склонности стали к разупрочнению в процессе эксплуатации.

Положительное влияние азота проявляется также и для аустенитно-мартенситных сталей: получение метастабильно-го аустенита в азотированных сталях переходного класса позволяет увеличить ресурс ответственных изделий, работающих в сложных условиях [5, 6]. В сталях аустенитного класса легирование азотом повышает прочность и пластичность готовой продукции [7].

Классический способ (электродуговая плавка) производства коррозионностойких сталей, легированных азотом, базирующийся на применении в качестве легирующих добавок азотсодержащих ферросплавов, становится все менее эффективным из-за постоянного роста стоимости ферросплавов, высоких энергозатрат, а также сложности (особенно в условиях массового производства) по-

0

123 Содержание легирующего элемента, %

Рис. 1. Влияние легирующих элементов на содержание феррита в структуре стали [1]

4

лучения стабильного по азоту состава конечной продукции.

На смену ему пришли современные, высокомобильные, высокопроизводительные и менее энергозатратные методы, позволяющие с высокой точностью легировать азотом расплав непосредственно из газовой фазы дутья, а также методы введения азота в плазменно-дуговой печи, вакуумно-индукционной печи и в виде недорогой азотсодержащей лигатуры на основе органического соединения - карбамида [8-10].

Несмотря на обилие способов легирования стали азотом, качественное проведение этого процесса достаточно сложно, так как для оценки поведения азота на различных стадиях сталеплавильного процесса необходимо располагать достоверными данными о растворимости, скорости растворения и условиях взаимодействия азота с другими компонентами расплава.

В связи с этим становится актуальной задача прогнозирования растворимости азота в металлических расплавах в зависимости от их состава, температуры, парциального давления азота в газовой фазе. Кроме того, для получения стабильного содержания азота необходимо знать кинетические характеристики процесса его растворения в жидкой стали.

Для подбора оптимальных условий введения азота в сталь необходимо оценить предельное содержание азота в металле. В настоящей работе рассмотрены особенности некоторых способов азотирования жидкой стали.

Один из наиболее распространенных способов азотирования - легирование газообразным азотом. Принципиальное преимущество этого способа - применение сталеплавильной шихты любого состава. Известно, что легирование газообразным азотом менее затратно, кроме того, оно сопровождается дополнительными положительными эффектами, такими как уменьшение содержания водорода, кислорода, неметаллических включений (и серы - при обработке стали шлаком в ковше), усреднение температуры и химического состава стали.

Следует отметить, что кажущимся недостатком легирования путем барботажа газообразным азотом является длительность процесса, но в обычных условиях, как правило, продувка расплава производится в ковше и не влияет на производительность основного сталеплавильного агрегата.

Для оценки получения заданных концентраций азота на основе определения растворимости

азота в расплаве был проведен расчет по следующей схеме [1]:

%{Ы2}=[Ы]. (1)

Константа равновесия реакции (1) равна

(2)

К-

у>т [N,1

гхт, К 1/2 тогда [М] = —Р JN

где - коэффициент активности азота в стали; р[ш] - парциальное давление молекулярного азота в газовой фазе;

1вЛт -Мго+Кго2 ■♦Е^н*,! (4)

(3)

ек =

ад

параметр взаимодействия первого

порядка, учитывающий влияние на растворимость азота содержания конкретного легирующего элемента [Л, %], входящего в состав стали;

я2.

д[Я?

'к =72

параметр взаимодействия вто-

рого порядка, учитывающий влияние элемента Я

на растворимость азота; т*к ' =

дЩ]дЩ]

пара-

метр, учитывающий взаимное влияние легирующих элементов.

Оценка показала, что при выбранных параметрах концентрация азота при введении его по стандартной технологии выплавки стали 10Х8НМВФБ составляет 0,125% (Г=1873 К, рш = 101,3 кПа).

Другим, более эффективным, способом введения азота в сталь является плазменно-дуговой переплав (ПДП). Как показывает опыт, содержание азота в металле, находящемся в контакте с плазмой, может превышать его равновесное содержание в тех же температурных и концентрационных условиях при вакуумно-индукционной плавке (ВИП) [8, 10, 11].

Существуют два предположения, объясняющие причину сверхравновесного содержания азота в металле при взаимодействии с азотсодержащей плазмой. С металлом взаимодействуют атомы азота, образовавшиеся в результате термической диссоциации молекул азота в плазме, либо молекулы, энергия молизации которых за время прохождения пограничного слоя не успевает полностью релаксировать [9, 10]. При нагреве металла плазмой в поверхностном слое существует

Рис. 2. Схема потоков азота из плазмы в металл и из металла в атмосферу: 1 - катод; 2 - плазменная дуга; 3 - металлический расплав; БаЬ - площадь зоны абсорбции азота металлом; Б^ - площадь зоны десорбции азота из расплава [11]

определенный градиент температуры и концентрации газов. Состав газа на границе с жидким металлом определяется соотношением двух процессов - диффузией атомов газа через пограничный слой и их рекомбинацией с образованием молекул. Соотношение этих процессов оценивают с помощью критерия Дамкеллера [11].

При ПДП происходит существенное ускорение всех процессов в результате активации газа в зоне дуги. Особенности взаимодействия газа с металлом при плазменном нагреве рассмотрены на примере поглощения азота металлом. При больших концентрациях азота в плазме металл перенасыщается азотом. При этом начинается процесс активного выделения азота из металла в зоне его контакта с атмосферой, что вызывает кипение ванны металла. Скорость десорбции азота резко возрастает и квазиравновесие нарушается (рис. 2).

На основе известных теоретических расчетов и экспериментальных данных произвели оценку возможных концентраций при ПДП стали 10Х8НМВФБ с учетом различных реакций с участием азота [11]

^{N2} = (М); (5)

(N1 = [М]; (6)

N2 = {N2}*; (7)

= N (8)

где {^1* - растворимость азота, находящегося в возбужденном состоянии в газовой фазе;

(N1 - растворимость азота, находящегося в атомарном состоянии в газовой фазе; [ЭД - растворимость азота в металлическом расплаве.

Исходя из реакций (5) и (6) определяется выражение для расчета константы равновесия реакции растворения азота с учетом механизма диссоциации молекул азота Кр (9); исходя из реакций (7) и (8) - для расчета к1онстанты равновесия реакции растворения азота с учетом механизма ионизации молекул азота К (11)

КР1 = р2^ * (9)

где р - парциальное давление, определяемое из выражения (9)

(10) (11)

Пр2инимая температуру плазмообразующего газа (диссоциации азота) равной 3000 К, получаем pN = 0,79рост = 79 Па (для условий атмосферы в агрегате ПДП рост = 100 Па ). В расчетах принята температура металла 1873 К.

Запишем уравнение для определения концентрации азота согласно реакции (6)

[ВД = Кр^/Л, (12)

= -49 400/7+6,0;

Кр2 = р да/.Л^}.

где 1 %К = -

Ав

-; ДС - энергия Гиббса реак-

2,3 ЯТ

ции (ДС = -461050 + 77,357, Дж/моль [11]), р{Н} = 0,01 Па из выражения (9).

Расчет показал, что при ПДП равновесная концентрация азота для стали 10Х8НМВФБ может достигать 0,280%.

Аналогично рассчитали возможную концентрацию азота при ВИП: [ЭД

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком