Удаление азота
Снижение содержания азота при вакуумировании происходит в результате определённых процессов.
Следующие процессы:
- всплывания нитридных неметаллических включений в сталях и сплавах, содержащих нитридообразующие элементы;
- выделения пузырей азота, зарождающихся в ванне (в случае высокого содержания азота в металле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил поверхностного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеровки или неметаллических включений;
- десорбции газа с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности, к которой атомы газа перемещаются в результате диффузии или конвекции;
- десорбции азота с поверхности пузырей СО внутрь и вынос из ванны вместе с этими пузырями;
- десорбции азота с поверхности пузырей аргона внутрь в случае продувки металла аргоном.
Равновесие реакции 2[N] = N2(г), подчиняющейся
закону квадратного корня [N] = k√pN2, при снижении
давления сдвигается вправо, однако азот в металле менее подвижен, чем водород,
коэффициент диффузии его в жидком железе на два порядка ниже: DN = (4—7) · 10-5
см2/с, поэтому интенсивность удаления азота из расплава под вакуумом
значительно ниже, чем водорода. Удалению азота препятствует также и присутствие
таких элементов, как хром, ниобий, ванадий, титан, имеющих более высокое, чем у
железа, химическое сродство к азоту.
Для обеспечения достаточной степени
удаления азота из металла требуются более глубокий вакуум и большая
продолжительность выдержки, чем в случае удаления водорода. При
непродолжительном вакуумировании содержание азота снижается незначительно.
Кинетика удаления азота (как и водорода) определяется условиями протекания
основных стадий процесса, таких, как: 1) перенос атомов газа к поверхности
раздела металл - газ; 2) диффузия через тонкий диффузионный слой, в котором
отсутствует гидродинамическое перемешивание (чем интенсивнее перемешивание
ванны, тем меньше толщина диффузионного слоя); 3) адсорбция атомов газа в
поверхностном адсорбционном слое; 4) реакция молизации и образование молекул
2Nадс = N2 5)
десорбция образовавшихся молекул в газовую фазу; 6) отвод продуктов (молекул
газа) от поверхности.
Таким образом, результирующая скорость зависит от ряда
факторов, действующих часто одновременно.Большое значение имеет интенсивность
перемешивания ванны и связанная с этим удельная поверхность F/V (отношение
поверхности к объему обрабатываемого металла): чем больше значение F/V, тем
интенсивнее дегазация. Большое значение имеет также присутствие
поверхностно-активных примесей, блокирующих поверхность металл—газ и
препятствующих процессу удаления азота. К числу таких примесей относятся, прежде
всего, кислород и сера, поэтому процессы раскисления и десульфурации металла
способствуют развитию деазотизации при вакуумировании. Процесс рафинирования
металла под вакуумом ускоряется, если одновременно развивается процесс выделения
пузырей СО. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются
дополнительными маленькими вакуумными камерами, так как в пузыре СО парциальные
давления водорода и азота равны нулю (pН2 =0 и
pN2 =0).