Видеокурс по SIMATIC STEP 7


Растворы водорода и азота в железе

Растворы водорода и азота в железе
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 (FexH или FeyN). Константы KH и KN 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; KN=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/Па1/2.

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 1600oС 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 1600oС).

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 .

Законы физико-химического равновесия для реальных систем

В реальных системах необходимо учитывать собственный объем частиц и их взаимодействие до столкновения. Степень этого взаимодействия изменяется с изменением состава раствора, в результате...

Молекулярная теория развита в работах В.В. Грум-Гржимайло, М.М. Карнаухова, Г. Шенка, Д. Чипмена и др. Предполагали, что шлак состоит из электронейтральных молекул...

Измерение давления паров компонента и сравнение этого давления с давлением паров чистого вещества. Для металлов с низким давлением паров требуются другие методы...