Болаттағы газ
Болат қорыту барысында газдар (оттегі, сутегі, азот) металл фазасына өтеді:
1) шикіқұрамдық материалдардан;
2) агрегат атмосферасы мен үрлемеден (ауа, оттегі);
3) ферроқорытпа мен қосымша материалдардан;
4) балқыманы шөмішке ағызу мен құймақалыпқа құю кезінде жанасқан атмосферадан.
Болатта газдың көпіршік, қосылыс (оксид, нитрид, гидрид) және ерітінді түрінде болуын, яғни атом, ион немесе қосылыс түрінде енуін, оның металда еруі дейді. Газ бөлшектері сұйық металл бетімен жанасып, абсорбция және газ молекулалары атомдарға ыдырап, металда ериді.
Газдың металда еру жылдамдығы, оның ыдырау жылдамдығы мен сұйық металдағы газ массажылжымымен анықталады. Температура көтерілген сайын газдың металда еруі ұлғаяды, өйткені диффузия коэффициентінің мәні артып әрі металдың тұтқырлығы азаяды.
Болаттағы азот мөлшері үрдіс түріне байланысты, %:
Томастық 0,015–0,020
Бессемерлік 0,010–0,015
Электрдоғалық 0,005–0,010
Мартендік 0,002–0,005
Оттегілі конвертерлік 0,002–0,005
Үрдіс түріне қарай балқымада азоттың еруі мен одан шығу үрдісі әр түрлі. Металдағы газ мөлшері аз болғанның өзінде, болат қасиетіне елеулі әсер етеді. Сондықтан болат қорыту үрдісінде газды металл фазасынан шығару шаралары қарастырылады.
Азот.Газдың темірде еру үрдісінде азот молекулалары атомдарға ыдырайды N2→2[N]. Теңдеудің тепе-теңдік константасы
KN=[N]2/рN2 (1.77)
Осыдан азоттың темірдегі ерігіштігі Сивертс заңы бойынша
[N]=KN
(1.78)
Азоттың темірде ерігіштігіне температура әсер етеді (1.5 сурет). Темір қатты күйден сұйық күйге ауысқанда және темірдің полиморфтік түрленісінде азоттың ерігіштігі секірмелі өзгереді. Азотты γ – темір, α–және δ – темірге қарағанда, көбірек ерітеді.
1.5 сурет – Азоттың темірде ерігіштігіне температураның әсері
Болат қорыту температурасында (1450-1600°) азоттың газ фазасынан металл фазасына өту қарқындылығы онша жоғары емес, бірақ өте жоғары температурада, мысалы, балқыманы оттегімен үрлеу зоналарында, азоттың металдағы концентрациясы жоғарылайды.
Азоттың ерігіштігіне балқыма құрамы әсер етеді. Нитридтүзгіш элементтер (Zr, Ti, V, Nb, Cr, Al және т.б.) азоттың темірде ерігіштігін жоғарылатса, C, Si және Р – төмендетеді.
Болат қасиетіне азот әсерінің негізгі себебі: темірдің кристалдануы және γ – темірдің α – темірге аллотроптік түрленісінде азот ерігіштігінің күрт төмендеуі.
Болатта нитрид түзетін элементтер (Ti, V, Al және т.б.) болмаса, α – темір түзілген соң, азот қатты ерітіндіден темір нитридтері (Fe2 N, Fe4N) түрінде бөлініп шыға бастайды. Бұл үрдіс болат кристалдануы аяқталған соң да жалғасын табады. Бөлінген нитридтер түйіршік шекараларында орналасып, болаттың пластикалық қасиетін төмендетеді, әсіресе соққы тұтқырлығын, сонымен қатар қаттылығы мен беріктігін жоғарылатады. Алюминий немесе ванадий қосылмаған аз көміртекті болатқа тән бұл құбылысты болаттың ескіруі деп атайды.
Болат құрамындағы азот мөлшерін төмендету шаралары мыналар:
1) азоттан таза шикіқұрамдық материалдарды қолдану;
2) балқыманың қайнауын ұйымдастыру (СО көпіршіктері арқылы металдағы азот мөлшерін төмендету);
3) балқыманы үрлеуге азоттан таза оттегіні қолдану;
4) балқыманың жоғары температуралы зоналарын азотты атмосферамен жанастырмау;
5) болатты нитридтүзгіш элементтермен қосындылау;
6) балқыманы инертті газбен үрлеу;
7) балқыманы вакууммен өңдеу.
Сутегі.Сұйық темірде протон (Н+) түрінде болады. Сутегі атомдары (иондары) темірмен ену қатты ерітіндісін түзеді. Сутегінің темірдегі ерігіштігі Сивертс заңы бойынша
[H]=KH
(1.79)
Газдың металда ерігіштігіне көптеген факторлар әсер етеді:
1) металдың агрегаттық күйі;
2) температура;
3) қысым;
4) кристалл торының түрі;
5) газ бөлшектерінің мөлшері.
Температура көтерілгенде сутегінің темірдегі ерігіштігі жоғарылайды (1.6 сурет). Сутегінің сұйық темірдегі ерігіштігі, оның қатты күйдегі темірдегі ерігіштігіне қарағанда, жоғары. Темірдің балқу температурасында және α – темірдің γ – темірге аллотроптік түрленісінде сутегінің ерігіштігі секірмелі жоғарылайды. Ғеγ-дің Ғеδ-ге полиморфтік түрлену температурасында газдың ерігіштігі аздап төмендейді.
1.6 сурет – Сутегінің темірде ерігіштігіне температураның әсері
Сутегінің темірдегі ерігіштігіне басқа элементтер әсер етеді. Мысалы, Ti, V және т.б. элементтер сутегінің ерігіштігін арттырса, С, Si, Al – төмендетеді.
Болат қорытудың соңында балқымадағы сутегі мөлшері, үрдіс түріне қарамай, 3-6 см3/100 г металға болады. Бұл оның α – темірдегі ерігіштігінен жоғары. Сондықтан кристалдану үрдісінен кейін, сутегі атомдары металл ерітіндісінен құйылманың қуыстарына, тордың ақаулы жерлеріне бөлініп шығып, молекула түзіп, газ күйіне көшеді. Сутегінің осылай бөлініп шығуынан, илемделген металда флокендер деп аталатын, болат қасиетін төмендететін, ішкі жарықшақтар пайда болады. Флокендер құруға негізінен қосындылы болаттар бейім келеді.
Болат қорытудың барысында балқымадағы сутегі мөлшері газ фазасының құрамына, балқыма материалдарындағы сутегі мөлшеріне, көміртегінің тотығу қарқындылығына және т.б. факторларға байланысты. Болаттағы сутегі мөлшерін төмендету шаралары:
1) балқыманы таза оттегімен үрлеу;
2) ылғалсыз материалдарды қолдану;
3) балқыманың қайнауын ұйымдастыру (СО көпіршіктері арқылы металдағы сутегі мөлшерін төмендету);
4) ылғалы төмен ферроқорытпаларды қолдану;
5) балқыманы сирек жерлік элементтермен қосындылау;
6) балқыманы инертті газбен үрлеу;
7) балқыманы вакууммен өңдеу.