Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf

Для смеси

(р = 0,1 ат) состав равновесной смеси в ы ­

числяется по уравнению (0,1—х)/х2 =0,0449, где

х—мо­

лярная дробь водорода.

Решая это уравнение, получаем

СН4 = 0,05%;

Н2 = 9,95%.

Приведенные зависимости и решенный пример спра­

ведливы для условий

термодинамического

равновесия

реакции (IV-6).

Система Ыг—СШ

изучалась рядом авторов.

Смит

[13] рассматривает

взаимодействие Н2 —СН,| с а- и у -

железом при

температурах 800 и 1000° С.

Эксперимен­

циркуляционным

контуром,

куда

подавались

водород и

метай. Система

доводилась

до

состояния

внутреннего

равновесия. Шварцманом [14] в замкнутый

контур бы­

лом в первой печи, зависело

от принятой температуры

во второй

печи.

Оптимальная

концентрация

СН4 ,

согласно

работе

[15],

близка

к

10%

(что

отвечает

0,12%

СН 4

при

p C H j + PH i

=0,1 ат) для стали марки ШХ15.

Для стали марки 60С2 вследствие образования плен­

ки из Si0 2 науглероживание

начинает

заметно

проте­

кать, когда содержание СН 4

достигает 17%.

Приведенные данные получены в результате взаимо­

действия

металла с сухой

газовой

смесью Н 2 — СН 4

при

рн „ + P C H i

=

l ат

(для

поглощения

Н 2 0

контур

снаб­

жался

печью

с

контейнером,

заполненным

гидридом

циркония).

Кинетика

реакции

C ( B T . F e )

= 2 H 2 ( r

)

=<=tCH4(r)

при.

отсутствии Н 2 0 .

Кинетика

взаимодействия

газовых

смесей Н2 —СН.(

с углеродом, растворенным в аустените, изучалась

Граб-

мая константой скорости К',

описывается

уравнением

Аррениуса

К = 2,6- 10~2 ехр (— 25300jRT)

см/(с-ат3 / 2 )

(IV-13)

и пропорциональна произведению рЦ* на

содержание

углерода [С] в образце, т. е.

dn.'dx =— К' р ^ 2 [С] см/с.

(IV-И)

dn/dx = К"

(PchJpMJ)

СМ;'С,

(IV-15)

где К" — константа скорости науглероживания.

Зависимость последней от температуры выражается

уравнением

К

= 4,55103 ехр(— 55000/ЯГ)

моль'(см2 -с-ат1 / 2 ).

(IV-16)

Суммарная

скорость

реакции

равна

-

(dn/dt) =

К! Р^

[С] -

К" (PCHJP'£).

(IV-17)

вания

составляет 25300, а

процесса

науглероживания

55000

кал/г-атом.

Кинетика процесса науглероживания

в газовой

смеси

СН4—Н2 0—Н2 , разбавленной

азотом.

В работе

[16]

за в промышленных

печах содержит влагу, которая, как

в этом можно

убедиться в дальнейшем, существенно

влияет на кинетику процесса.

Процесс обмена

углерода

между

газовой

фазой

С Н 4 — Н 2 0 — Н 2

и поверхностью

металла

сводится

к ад­

переходу

адсорбированной окиси

углерода в

газо­

вую фазу;

переходу атомарного углерода из адсорбированного

состояния в твердый раствор;

диффузии углерода

с

поверхности

металла в

его

глубину.

Удаление

и усвоение

углерода

происходят путем об­

разования

промежуточных

соединений

с

адсорбирован­

ными газами по схеме

н 2 о ^ н 2 о а д ;

Н А д - о н а д

+ н а д ;

о н „ д ^ о а я + н а д .

С^КО^СН-Кад);

С Н 4(ад)<-С Н 3(ад) + Н ад

с н 3 ( а д ) ^ с н . 2

(

а д ) + Н а д ,

СН 2 ( а д ) 7>СН а д

+ Н а д ;

^ адч"~^ад

1

ад'

^ a f l ^ ^ p a C T B . n v - F e )

>

С„„ -|- 0 ? д ^ С О п Д ;

с о а д ^ с о г .

Нами были исследованы газовые смеси, содержащие

от 40-10~3 до 270-10~3%

Н 2 0 . Концентрация водорода в

них составляла

10%, количество углеводородов (.i*1

типа

СпНгп+2 (в дальнейшем условно метана)

варьировалось

в' пределах

1,5—8,0%. Опытами

был охвачен диапазон

температур 770—820° С.

Образцы представляли собой тонкую

(38 мкм) *3 лен­

ту из стали 13Х*4, исходное содержанием

углерода

в ко-

*' Например, |х = 5%

соответствует: 4,33% метана; 0,17%

пропа­

на и 0,33% бутана.

*2

Химический состав природного газа, % (объемн.):

1,3% С02 ;

0,2% СО; 93,4% СН„;

1,8% С2 Н6 ;

1,21% С3 Н8 ;

1,16%

C 4 H 1 0 ( U 3 O >;

0,60%

С Н ю м ; 0,33% N2 .

*3

Для таких образцов можно пренебречь скоростью диффузии.

*4

Химический состав стали

13Х, % (по

массе):

1,35% С;

положения

образца

составляла

± 2

град.

Поисковыми

исследованиями

было установлено,

что

скорость

реакции

взаимо­

действия газа с углеродом в

образце

лимитируется

ско­

ростью газового

потока.

Это

наглядно

видно

на

рис. 8,

где даны

результаты

обезуглероживания

образ­

цов

из стали

13Х в

газовой

среде одного и того же со­

(0

(J

?,в

IS

става и при одинаковой вы­

держке.

Скорость, м/с

Исходя из данных рис. 8

Рис.

8. С о д е р ж а н и е

углерода

при

исследовании принима­

в образце

стали

13Х в

зависи­

ли скорость газа, превышаю­

мости от скорости газового по­

тока

(при

температуре

800° С:

щую

1,8

м/с.

химический

состав

газовой

среды:

В сответствии

с

рассмот­

7%

Н2 , 93% N,,

т.

т.

р.

- 1 5 ° С;

ренным

выше

механизмом

т =4

мин;

исходное

содержание

процесса

результирующая

углерода в образце

1,35%)

родным потенциалом

Cgc, выражается уравнением

dnJdx = Rc(Ce.c—\C\)

(IV-18)

dnc

dnH

_j_ dn0 = £„

(CB-\C\)-R0\C\,

(IV-20)

dx

dx

dx

где

п — количество

углерода,

переданного

единице

поверхности, г/см2 ;

R—коэффициент

скорости,

см/с (индексами «н»,

«о» и «с» обозначают соответственно

наугле­

роживание,

обезуглероживание и суммарный

процесс).