Процессы азотирования при дуговом шлаковом переплаве

17.07.2018
К дуговому шлаковому переплаву (ДШП) проявляют все больший интерес исследователи и инженеры. В этом процессе в качестве источника теплоты используются одновременно плазма электрической дуги и жидкий шлак, причем можно повысить температуру на торце электрода, интенсифицировать ряд металлургических процессов и в то же время сохранить достаточный прогрев периферийной части ванны за счет жидкого шлака и создать хорошую шлаковую корку на поверхности слитка. Кроме того, у ДШП есть ряд преимуществ (по сравнению с ЭШП): меньший удельный расход электроэнергии; низкий расход дорогостоящего синтетического шлака; возможность обработки жидкого металла активным газом в процессе плавки; простота его осуществления на имеющемся оборудовании для ЭШП или ВДП (в первом случае потребуется лишь так называемый флюсовый затвор для изоляции дуги от контакта с воздухом, а во втором нужно отключить вакуумную систему). При этом достигается, как и в условиях ЭШП, превосходная поверхность, химическая и структурная однородность слитков.

Особого внимания заслуживает возможность при ДШП азотировать жидкий металл непосредственно из газовой фазы при полном исключении участия азотсодержащих ферросплавов или азотсодержащих неметаллических компонентов (вроде нитрида кремния) в технологии производства.

Необходимо отметить, что при использовании ДШП для выплавки высокоазотистых сталей эффективность азотирования может быть повышена путем уменьшения слоя шлака и создания открытого пространства на поверхности ванны под электродом.

В случае азотирования из газовой фазы при плазменно-дуговом переплаве (ПДП) для получения равновесной с внешним давлением концентрации азота в металле достаточно контакта плазмы электрической дуги примерно с 1/10 поверхности ванны.

При ДШП, как и при переплаве расходуемого плазмотрона (ПРП), можно организовать подачу азота непосредственно в зону электрической дуги через полость в электроде. Это позволит выдуть пары шлака и повысить парциальное давление азота в атмосфере дуги. Повышение давления также способствует увеличению концентрации азота в металле. Правильно подбирая электрические режимы и технологические параметры, плавку можно вести при давлении в несколько десятков атмосфер, так как и при таком давлении электрическая дуга достаточно устойчива.

Для анализа процессов поглощения азота при ДШП рассмотрим схему переплава, приведенную на рисунке.

На поверхности ванны металла имеется кольцевой слой шлака. Дуга, в основном, горит между расходуемым электродом и поверхностью металлической ванны. Частично ток может протекать через дуговой промежуток на шлак, который имеет достаточную электрическую проводимость в жидком состоянии, а со шлака на ванну.

На конце электрода имеется тонкий слой жидкого металла, который поглощает азот. В этом слое зарождаются капли, которые, достигнув определенного размера, отрываются и попадают прямо в металлическую ванну или в шлак.

Концентрация азота в пленке определяется парциальным давлением азота в газовой фазе с учетом общего давления в камере. Скорость поглощения азота пленкой приближается к скорости в условиях поглощения при плазменно-дуговом плавлении, так как с металлом контактирует активный газ. В основном это возбужденные молекулы.

По оси потока азота, который подается непосредственно в дугу, на поверхности ванны, где толщина газового диффузионного слоя приближается к нулю, с металлом могут контактировать и атомы азота. Ho в этом месте имеется интенсивный встречный поток паров металла, который препятствует контакту атомов азота с поверхностью ванны. Поэтому вероятней всего, что с металлической ванной будут контактировать возбужденные молекулы азота. Металл катода бомбардируется положительными ионами азота, часть из которых внедряется в металл и повышает концентрацию независимо от равновесия.

Зона десорбции — часть поверхности, которая контактирует с газом в основном в колебательном состоянии, — при ДШП покрыта шлаком. Шлак тормозит процессы десорбции и способствует повышению скорости поглощения азота. Также тормозит процессы десорбции высокая концентрация в шлаке азота и поверхностно-активных элементов, таких как кислород, сера, кремний. Подбирая состав шлака, можно получить скорость поглощения азота при ДШП не ниже, чем при ПДП.

Капли металла имеют ту же концентрацию азота, что и пленка жидкости на торце электрода. За время пролета дугового промежутка капли, хотя и контактируют с активной газовой фазой, дополнительно почти не поглощают азот, так как время взаимодействия очень мало. В шлаковой ванне время их нахождения больше, но диффузионные процессы заторможены, т. е. поглощением азота и в этом случае можно пренебречь. Поэтому в ванну поступает металл практически с той концентрацией азота, которая была в пленке на торце электрода. Азот из газовой фазы поступает в ванну и через поверхность адсорбции. При этом насыщается тонкий слой жидкого металла у поверхности. Дальнейшая массопередача азота в глубь ванны зависит от интенсивности макропотоков в жидкости.

При ДШП электрическая дуга (интенсивный осевой источник нагрева) способствует перемешиванию металла в ванне за счет макропотоков, выравнивает концентрацию азота в ванне и увеличивает градиент концентрации в пограничном диффузионном слое жидкого металла.

Схема нагрева металла и газообменные процессы при ДШП создают все условия для интенсивного насыщения металла азотом из газовой фазы.

ДШП заготовок из стали марки 08Х18Н10Т без азота в кристаллизаторе диаметром 200 мм при парциальном давлении азота 0,1 МПа и герметизации плавильного пространства с помощью флюсового затвора дает концентрацию азота в слитке 0,20 %, что близко к значению стандартной растворимости и содержанию азота при ПДП и ПРП. При переплаве заготовок из стали подобного состава (Х18Н9) в плазменнодуговых печах получали концентрацию азота 0,20 % для парциального давления азота в газовой фазе 0,1 МПа и 0,40 % — для 0,4 МПа.

Процесс дугового шлакового переплава несомненно весьма перспективен для получения слитков металла с высоким содержанием азота путем легирования металла непосредственно из газовой фазы.