Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 96
Скачиваний: 0
2 / 3 Cr( c ) |
+ H2 O^V8 Cr2 03 + H , ; |
|
(a) |
||
a /3 Cr( c ) |
+ 1 / e N 2 ^ 1 / 3 C r 2 N . |
|
|
(6) |
|
AF° |
реакции |
(111-40) |
при |
1100° С |
составляют |
—18400 кал/моль, отсюда |
|
|
|
||
l g f e p = |
l g P H ^ = |
18400 |
|
|
|
|
Рн.о |
4,575-1373 |
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
А р ^ 8 7 0 . |
|
|
|
(Ш-41) |
|
Задавшись значением |
р ^ , равным 0,25, получим иско |
||||
мое соотношение |
pHJpH„0, |
при котором N 2 |
будет нахо |
||
диться |
в равновесии с остальными |
компонентами реак |
|||
ции (III-40). Оно равно 1100, что близко к соотношению PHJpH„Q, найденному для стали 1Х18Н10Т по реакции (111-15) и составляющему 1450.
Чем выше температура, тем ближе друг к другу ука занные величины. Для стали марки ЭИ844Б, в которой активность хрома ниже, чем у стали Х18Н10Т, термоди намическая вероятность окисления отсутствует при зна чении /?н „/рн ,о = П 0 0 . т - е. в последнем случае можно надежно получать светлую поверхность, не опасаясь об разования нитридов хрома.
Если же нагрев вести в сухом диссоциированном ам миаке, например, при влажности, соответствующей т. т. р. —50° С, то равновесная концентрация N 2 в газе составит бесконечно малую величину (2,73-Ю- 9 % ) , т. е. реакция (III-40) будет протекать необратимо в сторону образо вания Cr2 N.
Термодинамический анализ позволил выявить тенден
ции взаимодействия |
N 2 с хромом при различном содер |
|||
жании Н 2 0 в диссоциированном |
аммиаке и |
определить |
||
граничные |
условия. |
|
|
|
Количество образовавшегося нитрида хрома при |
||||
светлом нагреве стали Х18Н10Т |
(при puJPHi0 |
=1450) |
||
зависит от скорости протекания |
реакции (Ш-39). |
|||
Реакция |
водяного |
газа. При совместном |
присутствии |
|
в газовой смеси СО, С0 2 , Н 2 и Н 2 0 состав смеси контро
лируется константой равновесия водяного |
газа kw. Для |
этого случая справедливы уравнения |
|
С 0 2 + Н2 ч±СО + Н 2 0 , |
(Ш-42) |
32
РсоРн.о |
(Ш-43) |
|
•w |
Рн2 |
|
Рсо2 |
|
|
Зависимость kw от температуры находят по данным при ложения 3. Если состав исходной газовой смеси не соот ветствует равновесному при данной температуре, то в ре зультате протекания реакции (Ш-42) состав газа изме нится.
Очистка сложной смеси газов только от водяных па ров окажется в большинстве случаев бесполезной. Толь ко совместным удалением водяных паров и углекислоты достигают желаемого результата (например, отсутствия обезуглероживания). Когда смесь газов содержит, поми мо СО, С 0 2 , Н2 , Н 2 0 , также и метан, тогда в силу кине тического торможения, оказываемого метаном, реакция водяного газа протекает так, что характеризуется дроб ными коэффициентами, а действительно наблюдаемая взаимосвязь между газовыми компонентами подчиняется уравнению
(Ш-44)
где р — общее давление, ат. k' мало зависит от температуры.
Г л а в а I V
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАГРЕВА СТАЛИ БЕЗ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ
Для безокислительного |
нагрева |
стали |
|
достаточно,. |
|||
чтобы отношения |
СО/С0 2 |
и Н 2 / Н 2 0 в газовой |
смеси, |
||||
контактирующей |
со сталью в печи, соответствовали рав |
||||||
новесным или были больше их. |
|
|
|
|
|||
Значительно более сложными с теоретической и прак |
|||||||
тической точек зрения |
являются |
расчет |
и |
получение |
|||
контролируемых |
сред, |
характеризуемых |
определенным |
||||
углеродным потенциалом, т. е. находящихся |
в |
равнове |
|||||
сии с определенным содержанием углерода на поверхно сти. Трудность заключается прежде всего в том, что со став газа должен строго соответствовать равновесным
3—391 |
33 |
С(грснрит)+
*0013%С
»005%С
о Of/ХС
• огокс
037ХС
ч074%С
•Согласно
данным Смита[10]
Рис. 7. Равновесные соотно шения газов в функции от иелнчнны, обратной темпе ратуре н содержания угле рода п стали:
а - д л я |
реакции С ( в |
„ „ , „ , + |
|
+СО,~12СО; |
б — для |
реакции |
|
С. |
, + |
1-ЬО-'СО + Н.; |
|
(в стали) |
••- |
|
|
о — д л я |
1реакции С,(в |
стали) + |
|
+2Ып^СН<. Условные обоз
начения |
для |
концентрации |
|||||
С |
на |
рнс. 7, б |
и |
7, |
в те |
ж е , |
|
что |
н |
на |
рис. |
7, |
а. |
На |
рис. |
7, в |
вместо |
«С |
( г р а ф и т ) + |
||||
+ Н - 0 = С О + Н " » |
|
|
читать: |
||||
«С ( г р а ф и т ) + 2 Н 2 = С Н Ч » . |
|
||||||
re*FesC
1/Т-103"К
0,1 Ц8 0,9 1,0 1,1 1,2 |
OS |
03Л |
10 |
II |
г/т./о'к |
• |
1/Т-Ю'°К |
|
|
условиям, так как отклонения в ту или иную сторону ме няют углеродный потенциал среды (рис. 7).
В этой же |
связи изменения состава газа, возможные |
в самой печи |
в результате взаимодействия газа с окру- |
34
жающим |
пространством, |
а также с футеровкой печи |
||||
окислами, маслом (эмульсией) на поверхности металла, |
||||||
должны быть минимальными. |
|
|||||
Равновесие |
газовой |
смеси Н 2 — СН 4 с 7-Fe. Химиче |
||||
ский потенциал углерода в аустените может быть выра |
||||||
жен следующим образом |
[ 1 0 ] : |
|
||||
| х с = |
АЯС |
+ RT In |
^ |
, |
(IV-1 |
|
|
|
|
' l F e |
|
|
|
где |
Л#с — энтальпия; |
|
|
|||
|
пс, nFe-—количество |
|
атомов соответственно |
углеро |
||
|
|
R— |
да и железа в аустените; |
|
||
|
|
газовая постоянная. |
|
|||
В соответствии с определением активности ас |
хими |
|||||
ческий потенциал можно выразить и так: |
|
|||||
Не = |
ip° + |
RT |
In ас, |
|
|
(IV-2) |
где ty°c—химический потенциал растворенного углерода при концентрации, равной единице.
Приравнивая оба выражения, получаем взаимосвязь активности углерода с атомной долей углерода Nc в ау стените:
ас = |
. |
|
|
|
|
|
|
(IV-3) |
|
Экспериментальные |
данные |
указывают |
на |
зависи |
|||||
мость А # с от концентрации |
углерода. Если |
ее |
учиты |
||||||
вать, то, по Шенку и Кайзеру |
[ 1 1 ] , |
|
|
|
|
||||
lg йс |
= lg [~r=trc + |
°'9^)+^ |
|
- °'6735- |
|
(IV-4) |
|||
где |
Nc— атомная |
доля |
углерода |
в аустените, |
т. |
е. |
|||
|
пс1(пс + |
пр&); |
|
|
|
|
|
|
|
|
ас— активность углерода. |
|
|
|
|
|
|||
Последнее уравнение позволяет |
определить |
активность |
|||||||
углерода в аустените по концентрации углерода. |
|
|
|||||||
Перевод концентрации, углерода |
[С], выраженной |
в |
|||||||
% |
(по массе), в атомную долю |
Nc |
осуществляется |
по |
|||||
уравнению
=55,84 [С] 10—а
с |
12,01 + [С](55,84— 12,01) 10~> |
' |
3* |
|
. 35 |
При наличии легирующих элементов в аустените ак тивность углерода существенно изменяется. Если эле мент имеет большее, чем Fe, сродство к углероду (на пример, Mn, Cr, Ti, V ) , тогда активность при одной и той же концентрации углерода понизится. Si, Ni и Со, на оборот, повышают активность.
Для реакции
C( B Y . F e ) + 2 Н 2 ( Г ) ^ С Н 4 ( Г ) (IV-6)
константа равновесия 1гр связана с активностью уравне нием
К = |
= |
— • |
|
(IV-7) |
|
Рн._ас |
ас |
|
|
||
По Ричардсону [12], значение kp |
может быть вычис |
||||
лено из следующего уравнения: |
|
||||
A F ° = — 21550 + 26,167, |
|
(1У-8> |
|||
где |
|
|
|
|
|
AF° = — RT |
\nkp. |
|
|
||
Для газовой |
смеси окись углерода — углекислота актив |
||||
ность ас |
определяется из уравнения |
|
|||
|
2 |
|
|
|
|
К = |
|
= |
— . |
|
(IV-9) |
Рсо. а с |
|
°с |
|
|
|
где k'p — константа равновесия |
реакции |
||||
C ( B V - F e ) + C 0 2 ( r ) ^ 2 C O ( r ) . |
|
(IV-10) |
|||
Аналогичным образом для |
смеси |
СО—С02 —НгО— |
|||
Н 2 находят ас |
из уравнения |
|
|
||
g __ _Рсо£н1_ |
_ |
_гз_ ^ |
|
|
|
Рнго ас |
|
ас |
|
|
|
где k"p —константа равновесия |
реакции |
||||
C( B V .F e ) + |
H2 0:£CO + H 2 . |
|
(IV-12) |
||
Значения k' и k"p берут по данным приложения 3.
Значения Г\ и г2 приведены в приложениях 1 и 2. Задаваясь температурой и равновесным содержани
ем углерода, можно по приведенным уравнениям опре делить состав равновесной смеси.
36