Cодержание азота в стали, выплавляемой в дуговых печах, обычно колеблется от 80 до 120 ррт. При необходимости получить металл с меньшей концентрацией азота приходится усложнять технологию, используя агрегаты внепечного рафинирования стали.
На содержание азота в стали оказывают влияние большое количество факторов: лом и его заменители, шлакообразующие добавки, условия горения дуг, продувка кислородом, вдувание угля и коксика и т. д.
На заводе фирмы Sidenor (Испания) провели исследование влияния технологических параметров на концентрацию азота в стали, предназначенной для глубокой вытяжки. Задача исследования — разработка технологии получения стали с содержанием азота менее 50 ррт. Технология охватывает выплавку стали в дуговой печи, рафинирование на установке ковш-печь и непрерывную разливку.
Концентрация азота в ломе колеблется от 30 до 100 ррт. Замена лома твердым чугуном, содержащим 20—30 ррт азота, показала снижение его концентрации в готовой стали. Углеродсодержашие материалы имеют очень высокую концентрацию азота: 5000—11 000 ррт — в антраците и в коксе, загружаемых с шихтой; 4000—17 000 ррт — во вдуваемом коксике; 1500 ррт — в коксе, используемом для науглероживания стали, и 300—1000 ррт — в низкоазотистом коксе. Замена в завалке антрацита низкоазотистым коксом позволяет уменьшить содержание азота в стали на выпуске на 13 ррт.
Наибольшее влияние на концентрацию азота в стали оказывает вспенивание шлака. Выделение большого объема СО при вдувании угля и кислорода способствует "промывке" ванны и удалению азота пузырьками СО. Однако существует оптимальный момент времени, когда следует прекратить вдувание графита; этот момент отвечает минимальному содержанию кислорода в отходящем газе (около 1 %). Анализ отходящего газа поэтому является наилучшим способом контроля окисленноcти шлака и металла и концентрации азота в стали.
Влияние содержания углерода в стали перед выпуском сложнее. При высокой концентрации углерода содержание азота в стали меньше, что связано со вспениванием шлака. Концентрация азота достигает минимального значения при 0,10—0,15 %С и резко возрастает при дальнейшем снижении содержания углерода в стали, что свидетельствует о максимальном объеме выделяющегося СО при этой концентрации углерода.
Для усиления процесса выделения пузырей СО и СО2 и соответственно удаления азота несколько плавок провели с вдуванием кислорода (3 мин, 22 м3/мин) после подъема электродов. При этом содержание азота в стали снизилось с 62 до 53 ррт.
Плавки высокоуглеродистой стали с добавками кокса при выпуске по сравнению с добавками кокса на установке ковш-печь также показали уменьшение концентрации азота.
Удаление азота в процессе внепечного рафинирования стали (продувка аргоном, вакуумирование) определяется содержанием поверхностноактивных элементов в металле. При низкой их концентрации (0 + S < 50 ррт) удаление азота лимитируется его переносом в объеме металла и скорость абсорбции—десорбции высока. При высоком содержании поверхностноактивных элементов (0 + S > 200 ррт) скорость удаления азота из стали лимитируется поверхностными реакциями, поэтому при внепечной дегазации необходимо сначала снизить содержание серы в металле. Исходя из этого, провели внепечную обработку по трем вариантам. Первый вариант включал вакуумирование в течение 7 мин при давлении < 1 мбар (для получения минимального содержания серы без удаления азота) и затем вакуумирование в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувка аргоном. По второму варианту проводили вакуумирование в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувку аргоном. Третий вариант (принятый на заводе) отличался от второго только продолжительностью вакуумирования стали — 8 мин.
Наименьшее содержание азота в стали осталось при ее обработке по первому варианту (47 ррт). Рафинирование по второму варианту способствовало снижению концентрации азота до 51 ррт (по принятой технологии — 62 ррт), но продолжительность обработки немного увеличивалась (90 мин против 84 мин). От первого варианта рафинирования отказались из-за чрезмерной продолжительности (105 мин).
На опытных плавках по оптимизированной технологии (использование низкоазотистого кокса в завалку вместо антрацита, продувка металла кислородом после прекращения вспенивания шлака, содержание углерода и активность кислорода в металле на выпуске соответственно около 0,12 % и 100—200 ррт, добавка кокса в металл при выпуске плавки, а не на установке ковш-печь, вакуумирование в ковше в течение 15 мин при давлении < 1 мбар и продувка аргоном, разливка с закрьпой струей при защите зеркала металла в кристаллизаторе УНРС шлаковым слоем) содержание в стати азота значительно меньше (-50 ррт), чем на плавках по принятой на заводе технологии (68 ррт).