Работами Сивертса впервые установлено, что равновесная концентрация водорода и азота в расплавленном железе (и во многих других металлах) пропорциональна квадратному корню из парциального давления этих газов в газовой фазе:

(3.19)

“Закон квадратного корня” свидетельствует, что водород и азот находятся в атомарном состоянии либо в виде соединений с железом, содержащих один атом водорода или азота (Fe_xH или Fe_yN). Константы K_H и K_N зависят от температуры и состава металла и характе-ризуют растворимость газов при

= 105 Па и
= 105 Па.

По данным Чипмена и его сотрудников, для реакции

(3.20)

для реакции

(3.21)

Рис. 12. Влияние температуры на растворимость Н и N в железе при

и
, равных 0,1 МПа (данные Чипмена)

При 1600⁰С KH=0,0027; K_N=0,04. Это значит, что при

=10⁵ Па [%H]=0,0027 масс. долей, %, а [%N]=0,04 масс. долей, %.

Иногда концентрацию водорода выражают в промиллях ppm (миллионных долях единицы); 1 ppm=10^-4 масс. долей, %. При 1600⁰С KH=27*10^-2,5 ppm/Па^1/2.

Часто содержание водорода выражают в кубических сантиметрах на 100 г стали: [%Н] см³/100г = [%Н]*22400/2 = [%Н]•1,12*10⁴ (т.е. 0,0001 масс. долей, %, или 1 ppm водорода соответствует выделение из пробы стали при ее полной дегазации 1,12 см³/100г). Максимальная растворимость водорода в железе при 1600^oС и

=105 Па составляет [Hmax]=0,0027*1,12*10⁴ = 30 см³/100 г стали.

По ходу мартеновской плавки [%Н] и [%N] значительно ниже предела растворимости (обычно [Н]=4,0…7,0 см³/100 г; [N]=0,003…0,005 масс. долей, %). Это обусловлено тем, что в атмосфере печи

+
=(0,12…0,18)*10⁵ Па и
~0,7*10⁵ Па, т.е. значительно меньше 10⁵ Па (1 атм.). При этом равновесное содержание водорода и азота в жидком железе должно быть меньше, чем при
=10⁵ Па или
=10⁵ Па (рис. 12).

При высокой температуре и малом содержании кислорода в металле

в газовой фазе при равновесии с железом примерно равно
. Это следует из равновесия реакции [34]

(3.22)

При Т=1873 К K=4,0; при [%О]=0,02*

=0,02К=0,08. Поэтому при расчете равновесия металла с газовой фазой по водороду можно приближенно принять
~0,9(
+
)[26].

Если

+
=0,18*10⁵ Па, то [H]_max=0,0027*
=0,0011 масс. долей, %=12 см³/100г.

При

=0,70*10⁵ Па [%N]=0,04
=0,033масс. долей, % (при 1600^oС).

Этот режим характерен для мартеновского процесса.

Однако в связи с тем, что в мартеновской печи металл защищен от атмосферы печи шлаком, а также в результате непрерывного удаления водорода и азота из металла пузырями оксида углерода во время кипения ванны [%H] и [%N] стабилизируются на более низком уровне.

В условиях конвертерной плавки в результате тесного контакта дутья с металлом [%H] и [%N] ближе к равновесию с окислительным газом, чем в мартеновской плавке. Так, в бессемеровском процессе [%N] = 0,015…0,025, т.е. в 4-6 раз больше, чем в мартеновском ме-талле. Применение в современном кислородно-конвертерном процессе кислорода высокой чистоты ({N₂}<1 масс. долей, %) обеспечивает получение металла с малым содержанием азота. Однако подсос воздуха в полость конвертера может вызвать в ряде случаев получение стали с более высоким содержанием азота, чем в мартеновской печи. В электродуговых печах [%N] приближается до уровня бессемеровского металла и составляет 0,010…0,015 масс. долей, %. Это обусловлено высокой температурой в районе электрической дуги и высокой степенью диссоциации молекулярного азота с образованием атомарного ({N₂}=2{N}).

Вопрос о форме водорода и азота в металле еще не решен окончательно [54]. Предполагают, что водород существует в металле либо в виде атомов, либо в виде протонов H⁺, но не в виде молекул Н₂. Азот находится в металле в виде атомов и частично в виде катионов, но не в виде молекул N₂. Все это подтверждается законом “квадратного корня”, а также тем, что с ростом температуры увеличивается растворимость водорода и азота (растворимость молекул газов в жидкости падает с ростом температуры; например, уменьшение концентрации СО₂ в воде при ее нагреве).

Растворимость водорода и азота в твердом железе ничтожно мала (см. рис. 12). Выделение азота в виде нитридов на границах между зернами увеличивает хрупкость стали. Выделение водорода при охлаждении стали способствует образованию “флокенов”, так как в порах металла развивается высокое давление

.