Oțelul conține anumite cantități de hidrogen, azot, oxigen și incluziuni nemetalice sub formă de sulfuri, oxizi și nitruri de diferite compoziții. De regulă, cerințele de înaltă calitate pentru oțelurile electrice înseamnă, printre altele, un conținut minim de hidrogen, azot și oxigen în metal. Există tipuri speciale de oțel pentru care azotul este utilizat ca element de aliere, iar conținutul său în metal este standardizat.
Hidrogenul, azotul și oxigenul gazos din oțelul solid pot fi sub formă de bule de gaz sau sub formă de soluții solide și compuși chimici. Solubilitatea gazelor în oțel este influențată de temperatură și presiune.
Solubilitatea hidrogenului și azotului în oțel la o anumită temperatură depinde de presiunile parțiale ale acestora în atmosfera de deasupra metalului și este exprimată prin ecuația lui Sieverts:
[H] și [N3] — cantitatea de hidrogen și, respectiv, azot dizolvată în oțel, %;
Kn și KN — sunt coeficienți dependenți de temperatură;
рH2 și pN2 — sunt presiunile parțiale ale hidrogenului și, respectiv, azotului.
Cu cât presiunea parțială a gazului este mai mare, cu atât acesta se dizolvă mai mult în metal. Când umiditatea intră în atmosfera cuptorului împreună cu materialele de încărcare, aerul și oxigenul, vaporii de apă se descompun în procesul de interacțiune, de exemplu, cu fierul prin reacție: Н20 + [Fe] = 2[H] + [FeO], adică saturarea metalului cu hidrogen și monoxid de fier. Hidrogenul și azotul se dizolvă în oțel în stare atomică. Hidrogenul nu formează compuși chimici cu fierul și alte elemente prezente în oțel. Oxigenul afectează solubilitatea hidrogenului în fier.
În oțelul lichid care conține 0,02-0,05% C și un conținut mai ridicat de oxigen, solubilitatea hidrogenului este semnificativ mai scăzută decât în oțelul cu un conținut mai ridicat de carbon. Azotul din oțel poate fi sub formă de soluție și nitruri — compuși chimici ai azotului cu fierul, manganul, siliciul, aluminiul, cromul, zirconiul, titanul și alte elemente care alcătuiesc oțelul.
Azotul pentru o serie de oțeluri este utilizat ca element de aliere (până la 0,5%), deoarece, la fel ca nichelul, crește duritatea la impact și rezistența la coroziune a oțelului și promovează formarea structurii austenitice în oțelurile cu conținut ridicat de crom. Alierea cu azot a oțelurilor se realizează prin diverse metode:
- prin adăugarea în metal a unor bucăți de feroaliaje nitrurate (cu un conținut de azot de până la 7%);
- prin suflarea cu azot gazos sau cu pulbere de cianură de calciu (19% azot și 20% carbon) a topiturii în cazane prin tuyere de imersie.
Metalul este îmbogățit în mod semnificativ cu hidrogen atunci când se utilizează var ars de depozitare îndelungată, așa-numita „pufuire”. Varul ars absoarbe activ umiditatea din atmosferă și este stins prin formarea de Ca (OH)2, care, ajungând în cuptor, se descompune la o temperatură de 600 0 C prin reacția Ca (OH)2 → CaO + H2O.
Pregătirea necorespunzătoare și uscarea insuficientă a jgheabului de descărcare a cuptorului, a căldărilor de turnare și intermediare, a amestecurilor izolante, a căptușelilor, a suprastocurilor, a căptușelilor și a materialului de turnare pot avea o influență semnificativă asupra creșterii conținutului de hidrogen în oțel.
Pe măsură ce temperatura scade, solubilitatea gazelor în metal scade brusc. În timpul cristalizării, o parte din hidrogen este eliminată din metal în atmosferă, dar o parte din hidrogen rămâne în metal sub formă de bule și soluție. După solidificare, eliberarea hidrogenului dizolvat din oțel continuă, însoțită de formarea diferitelor defecte în metal — flokens, fisuri etc., ceea ce duce la un metal laminat defect.
Creșterea conținutului de azot în oțel duce la creșterea contaminării metalului cu incluziuni nemetalice, reducerea proprietăților mecanice ale acestuia și deteriorarea sudabilității. Prin urmare, procesele tehnologice de topire, tratare în afara cuptorului și turnare a oțelului electric trebuie să asigure eliminarea cât mai mare a hidrogenului și azotului din metal și reducerea maximă a sensibilității acestuia la apariția diferitelor defecte ale matricei (bule, flokens etc.).
În timpul perioadei oxidative de topire la decarburarea intensivă și fierberea băii, cantități semnificative de hidrogen și azot sunt eliminate din metal cu ajutorul bulelor de CO, care difuzează în cavitatea bulei din soluție. Creșterea conținutului de CO în gazele cuptorului în timpul fierberii băii reduce presiunea parțială a azotului și hidrogenului din bulele de CO și, prin urmare, favorizează și purificarea oțelului din aceste gaze. Atunci când se utilizează minereu sau sinter calcinat și var proaspăt ars, este posibil să se reducă conținutul de hidrogen din metal la 0,0003-0,0005% și de azot la 0,006-0,09% până la sfârșitul fierberii.
În perioada de reducere (perioada de finisare), conținutul de azot și hidrogen din metal crește ușor datorită adaosurilor de feroaliaje, deoxidanți și agenți de formare a zgurii, precum și datorită trecerii de la zgură. Atunci când topitura este descărcată din cuptor în cuvă, aceasta este îmbogățită cu hidrogen și azot din aerul antrenat de jetul de metal care cade.
Oxigenul este destul de bine dizolvat în fierul lichid. În același timp, fierul este oxidat pentru a forma monoxid de fier, care transferă oxigenul în metal prin reacția: (FeO) = [Fe] + [O] — 121,8 kJ/mol.
Oxigenul din fier poate fi prezent ca un compus chimic cu fierul [FeO] și în soluție. Compușii chimici ai oxigenului cu manganul, siliciul, cromul și alte componente ale oțelului formează așa-numitele incluziuni nemetalice.
Atunci când oțelul care conține carbon și o cantitate excesivă de oxigen este turnat în garnituri sau la URS, temperatura de topire și solubilitatea oxigenului scad și, ca urmare a interacțiunii dintre carbon și oxigen, se formează oxid de carbon, care este parțial emis în atmosferă și parțial rămâne în metal sub formă de bule de gaz.
Cei mai comuni agenți de deoxidare sunt siliciul și aluminiul. Introducerea siliciului în oțel în cantitate de cel puțin 0,18-0,23% previne formarea și eliberarea de monoxid de carbon din oțel sub formă de bule. La introducerea simultană a aluminiului în metal în același timp cu siliciul, concentrația de siliciu, care asigură absența bulelor în lingou, poate fi redusă. Oxizii formați în baia de oțel lichid și în lingou parțial plutesc în zgură, iar parțial sunt transportați de metal în butoaiele sau cristalizatoarele URS și, neavând timp să plutească, rămân în oțel.
Incluziunile nemetalice deteriorează proprietățile oțelului. Pentru a reduce atât incluziunile nemetalice cu oxigen, cât și cele cu conținut de oxigen din oțel, se utilizează metode tehnologice de influențare a metalului:
- tratarea cu agenți dezoxidanți;
- inducerea de zgură reducătoare;
- amestecarea intensivă a zgurii și a metalului;
- tratamentul de rafinare a metalului în afara cuptorului (suflare de gaz inert în cazan, vidare, tratare cu substanțe pulverulente etc.).
