Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы получения и обработки материалов. Теория и расчеты металлургических процессов и систем. Учебное пособие
.pdf
p
lg 0,06 1 0, 002 0,5 0,027 0,4 0,0024 2,5f
H
0,0019 2,0 0,017 0,020 0,0603.
1,1 5f
Откуда
H
.
Используя уравнение (8.6), получаем
lg | H | 1,577 0, 0603 2,652
1900
,
T
| H | 0,0022% (22ppm)
.
2. Рассчитаем величину растворимости водорода в расплаве при
р
= 5 мм рт. ст. Величина давления в безразмерной форме составит
ост
0,0066 (5 : 760).
Подставим полученное значение давления в расчетное уравнение:
lg | H | 1,577 lg 0,0066 0, 0603 3,741
1900 1
,
2T
| H | 0,00018 % (1, 8 ppm)
.
8.4. Задачи для самостоятельного решения
Задача
Рассчитать температурную зависимость растворимости водорода
в многокомпонентном расплаве на основе железа. Температурный
интервал 1823…1973 К.
Исходные данные вариантов представлены в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Варианты заданий для самостоятельного решения
№ варианта
0,05 0,30 0,50 18,0 10,0 – 0,20 0,01
0,10 0,30 0,50 15,0 10,0 – 0,20 0,10
0,15 0,30 0,50 15,0 10,0 – 0,25 0,001
0,30 0,30 0,40 15,0 10,0 2,0 0,25 0,01
0,30 0,40 0,40 12,0 0,5 1,0 0,05 0,10
0,40 0,40 0,40 12,0 0,4 3,0 0,10 0,001
0,40 0,40 0,30 12,0 0,3 0,5 0,05 0,01
0,50 0,50 0,30 5,0 5,0 1,0 0,10 0,10
0,50 0,50 0,30 5,0 10,0 2,0 0,05 0,001
1,00 0,50 0,30 5,0 15,0 3,0 0,10 0,01
Содержание растворенных элементов, %
C Mn Si Cr Ni V Al
H
2
71
Вопросы для самопроверки
1. В каком виде находится водород в газовой фазе и в металличе-
ском растворе?
2. Каков характер изменения растворимости водорода при фазо-
вых превращениях железа?
3. Представления о флокенах, волосовинах, водородной хрупко-
сти, водородном растрескивании.
4. Основные способы удаления водорода из жидкой стали при вы-
плавке и обработке.
5. Как провести пересчет величины
на температуры, отличные от 1873 К?
6. Какого порядка параметры взаимодействия используются в
расчетах растворимости водорода в железе и его сплавах?
7. Какие требования предъявляются к сталям и сплавам по содер-
жанию водорода?
8. Как влияют температура и парциальное давление водорода в га-
зовой фазе на величину растворимости водорода в жидкой
параметров взаимодействия
стали?
72
9. АЗОТ В ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО СПЛАВАХ
9.1. Теоретическое введение
Растворимость азота в железе существенно понижается при кристаллизации расплава и при переходе Fe
ся основной причиной влияния азота на свойства стали. При отсутствии в стали нитридообразующих элементов (Ti, Al, V, Zr) после образования Fe
(Fe
N, Fe4N) в виде мелкодисперсных частиц. Образование нитридов
2
железа происходит при низкой температуре длительное время. Результатом этого процесса является понижение пластических свойств
(ψ, δ), падение ударной вязкости (а
прочностные свойства и твердость металла. Данное явление называют старением металла. Ввод в сталь элементов, образующих нитриды при высоких температурах, устраняют склонность стали к старению. Спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению.
начинается выделение из раствора нитридов железа
α
[N], %
→Feα (рис. 9.1), что являет-
γ
). Одновременно возрастают
к
0,04
0,02
δ-Fe
γ-Fe
α-Fe
600 1000
Рис. 9.1. Растворимость азота в железе
1400
Fe
ж
t, ºC
73
Азот как легирующий элемент в сталях нашел применение для
p
повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, изменения магнитных свойств. Растворению азота в жидком металле из газовой фазы предшествует стадия атомизации молекул азота N
→2N,
2
протекание которой существенно зависит от температуры. Сталь,
выплавленная в электродуговых печах, обычно содержит больше
азота, чем выплавленная в кислородном конвертере или мартене, что
объясняется высокой температурой металла в зоне горения электрических дуг (до 3000 °С и более), развитием реакции атомизации и
созданием благоприятных условий для растворения азота из газовой
фазы
в жидком металле.
9.2. Расчет растворимости азота
в легированных расплавах железа
Растворимость азота в жидком железе, как и растворимость водо-
рода, подчиняется закону квадратного корня
Константа равновесия K
1
NN.
2(г)
2
реакции
N
a
K
|N|
|N|
1/ 2 1/ 2
pp
NN
(9.1)
|N|
f
N
22
(9.2)
,
где |N| – растворимость азота в жидком металле (% масс.);
– парциальное давление азота в газовой фазе;
N
2
a
и f
|N|
– соответственно активность и коэффициент активности
|N|
азота в жидком металле.
Из выражения (9.2) имеем
1/2
N
2
|N|pKf
|N|
,
N
а после логарифмирования
lg | N | lg lg lg
1
Kpf
|N| N N
2
2
. (9.3)
Уравнение зависимости растворимости азота в жидком железе от
1p
температуры (
, fN = 1) имеет вид
N
2
74
188
f
Fe
lg | N | 1,246
. (9.4)
Т
При Т = 1873 К растворимость азота в жидком железе согласно
приведенному уравнению составляет 0,045 %.
Температурная зависимость растворимости азота в жидком никеле описывается уравнением
3610
Ni
lg | N | 0, 973
. (9.5)
Т
Из уравнения следует, что растворимость азота в жидком никеле
при
1p
и Т = 1873 К составляет 0,0013 %.
N
2
Реальные стали и сплавы содержат компоненты, которые оказывают существенное влияние на растворимость азота. Заметно увеличивает растворимость азота в жидком расплаве присутствие хрома, марганца, молибдена, имеющих большее сродство к азоту, чем железо.
Увеличение концентраций нитридообразующих элементов – титана,
циркония, ванадия и др. также увеличивает растворимость
азота.
Влияние легирующих и примесных элементов в сталях и сплавах
на поведение азота в расплавах проявляется через значение коэффициента активности азота f
nn nn
lg || || ||| |,
NN N N
22 22
ii ij
в расплаве
N
ii ij
ei ri ri j
2
ij
(9.6)
где n – общее число растворенных в металле компонентов;
|i|, |j| – концентрации компонентов i и j в расплаве;
i
e
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
N
действия азота с компонентом i расплава, первого порядка:
lg
f
i
r
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
N
i
e
N
N
||
i
[1] 100%
;
действия азота с компонентом i второго порядка:
i
r
N
2
||
i
N
2
[1] 100%
; (9.7)
75
2
lg
f
1
ij
f
r
– термодинамический параметр (массовый параметр) взаимо-
N
действия азота с компонентами i и j второго порядка:
2
lg
f
ij
r
N
N
|| | |
ij
[1] 10 0%
.
При небольших концентрациях компонентов металлического рас-
твора расчет lgf
можно выполнять с использованием только пара-
N
метров взаимодействия первого порядка:
n
lg | |
NN
ei
2
i
i
. (9.8)
При больших концентрациях компонентов раствора определение
lgf
для повышения точности расчета требует использования пара-
N
метров взаимодействия второго порядка.
Так, для расплава Fe (основа)– Cr–Ni–Mn–N уравнение (9.6) будет
иметь вид
Cr Ni Mn CrCr 2 NiNi 2
fe e e r r
lg |Cr| |Ni| |Mn| |Cr| |Ni|
NN N N N N
MnMn 2 CrNi CrMn
rr r
r
|Mn| |Cr| |Ni| |Cr| |Mn|
NN N
NiMn
|Ni| |Mn|.
N
Значения параметров взаимодействия азота с компонентами распла-
ва железа можно вычислить, используя их температурные функции:
Cr
148 / 0, 033eT
N
Ni
8,33 / 0,0019eT
N
Mn
134 / 0,03eT
N
N
0e
.
N
CrCr
1, 6 8 / 0 , 000 6rT
N
NiNi
N
MnMn
N
CrNi
N
CrMn
N
NiMn
N
76
1,83 / 0,001rT
8,82 / 0,0056rT
1,6 / 0,0009rT
2,16 / 0,0005rT
0,09 / 0,0007rT
;
;
;
;
;
;
;
;
;
9.3. Примеры решения задач
p
Задача
Рассчитать растворимость азота в расплаве состава: Fe – основа;
1p
С = 0,3 %; Cr = 20,0 %; Ni = 15,0 %; Mn = 7,0 %;
Решение
Для расчета растворимости азота используем уравнение (9.3)
, Т = 1873 К.
N
2
lg | N | lg lg lg
1
Kpf
|N| N N
2
2
.
Для многих элементов, содержащихся в реальных сталях, отсутствуют в справочной литературе параметры взаимодействия второго
порядка. В этом случае следует ограничиться использованием в расчетах параметров взаимодействия первого порядка.
Находим lgf
fe e e e r
lg | C | | Cr | | Ni | | Mn | | Cr |
NN N N N N
NiNi 2 MnMn 2 CrNi
rr r
NN N
CrMn NiMn
rr
NN
lg 0,13 0,3 0,046 20 0,0063 15 0,011 7
f
N
0,00029 400 0,000023 225 0,00018 9 0, 000045 20 15
0,00165 20 7 0,00075 15 7 0,4087
После подстановки в уравнение (9.3) найденных значений lgf
. получаем
и
N
2
:
N
CCr Ni Mn CrCr2
|Ni| |Mn| |Cr| |Ni|
|Cr| |Mn| |Ni| |Mn|.
0,390f
N
lg | N | 1,246 0,4087 0,9376
188
.
.
, Kр
N
Т
Отсюда
| N | 0,115% .
9.4. Задачи для самостоятельного решения
Задача
Рассчитать и представить графически температурную зависимость
растворимости азота в легированных расплавах железа в интервале
77
температуре 1823…1973 К. В расчетах использовать массовые параметры взаимодействия первого и второго порядков.
Варианты исходных данных для расчета представлены в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Варианты составов легированных расплавов на основе железа
Номер
варианта
Содержание легирующих
элементов, % масс.
Сr Ni Mn V Сr Ni Mn Nb
1 25,0 15,0 5,0 2,0 1,0 11 25,0 15,0 5,0 2,0 1,0
2 25,0 10,0 5,0 – 1,0 12 25,0 10,0 5,0 1,0 0,5
3 25,0 10,0 5,0 – 0,5 13 20,0 10,0 5,0 2,0 0,5
4 20,0 15,0 5,0 – 1,0 14 20,0 10,0 5,0 – 1,0
5 20,0 15,0 5,0 2,0 0,5 15 20,0 5,0 10,0 – 1,0
6 20,0 10,0 5,0 3,0 1,0 16 20,0 5,0 10,0 – 0,5
7 15,0 10,0 6,0 – 1,0 17 15,0 10,0 4,0 – 1,0
8 15,0 5,0 8,0 – 1,0 18 15,0 10,0 4,0 2,0 1,0
9 15,0 5,0 8,0 – 0,5 19 15,0 10,0 4,0 – 0,5
10 20,0 3,0 8,0 3,0 1,0 20 22,0 10,0 8,0 – 1,0
PN2Номер
варианта
Содержание легирующих
элементов, % масс.
PN2
Вопросы для самопроверки
1. Приведите уравнение реакции растворения азота из газовой фа-
зы в жидком металле.
2. Может ли константа равновесия реакции растворения азота быть
численно равной растворимости азота в металлическом расплаве?
3. Каково влияние температуры на растворимость азота в жидком
железе?
4. Как влияют нитридообразующие элементы на растворимость
азота в расплаве?
5. Какое влияние оказывает
6. Назовите дефекты стали, причиной которых является присутст-
вие азота в металле.
7. Что такое старение металла и способы подавления этого процесса?
8. Каково влияние парциального давления азота в газовой фазе,
коэффициента активности азота на растворимость азота в расплаве?
9. Оцените влияние хрома, никеля, марганца, ванадия, ниобия на
растворимость
азота в жидком металле.
10. Параметры взаимодействия второго порядка и целесообраз-
ность их использования в расчетах.
температура на образование нитридов?
78
10. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
x
x
В ЖИДКИХ МЕТАЛЛАХ И ГАЗАХ
10.1. Теоретическое введение
Электрохимические измерения
Электрохимические измерения кислородными датчиками с твердым электролитом используют для определения парциального давления кислорода в высокотемпературных газовых атмосферах, активности растворенного кислорода в металлических расплавах. Метод ЭДС с твердым электролитом, как его кратко называют, является
эффективным инструментом контроля состояния жидкого металла,
технологических процессов производства стали и сплавов, процессов
внепечного
различные периоды выплавки и обработки жидкой стали позволяет
повысить эффективность окислительных процессов, раскисления,
легирования, повысить качество производимой стали.
Схема используемого в кислородных датчиках кислородного концентрационного элемента приведена на рис. 10.1.
рафинирования. Применение кислородных датчиков в
Электрод сравнения
(
O
2
)
p
O(c)
2
Рис. 10.1. Схема кислородного концентрационного элемента
Твердый электролит
Исследуемый жидкий
металл или газ
(
O
2
p
O()
)
2
Гальванический элемент состоит из двух электродов, разделенных
твердым электролитом. Один из электродов является электродом
сравнения, другой – исследуемым электродом. В качестве последнего может быть металлический расплав или газовая атмосфера.
При этом для электрода сравнения и исследуемого электрода приняты следующие обозначения:
,
O
2
– химический потенциал кислорода в соответствующих
O
2
электродах;
p
O(c)
2
p
,
– равновесное давление кислорода соответственно в
O()
2
электроде сравнения (с) и в исследуемом электроде (х).
Твердым электролитом служат твердые растворы оксидов,
имеющих преимущественно ионную кислородную проводимость при
79
высоких температурах. Чаще используют растворы на основе диок-
сида циркония (ZrO
) с добавками MgO и Y2O3.
2
Электродами сравнения служат смеси порошков металла и его
оксида, используют газообразный кислород или газовую смесь с известным парциальным давлением кислорода.
Движущей силой процесса возникновения электродвижущей силы
(ЭДС) в цепи кислородного концентрационного гальванического
элемента является разность химических потенциалов кислорода в
электродах.
Схема работы кислородного концентрационного гальванического
элемента (ячейки) представлена на
рис. 10.2.
Элект ро дI
p
O(c)
2
O
2
I
e
II
2O
ЭлектродII
p
O()x
2O
2
()
O
2
– +
E
Рис. 10.2. Схема работы кислородного концентрационного
гальванического элемента
На границах электродов происходят реакции:
2
O( ) 4 2O
pe
2O()
2
2O O ( ) 4pe
x
2
2O(c)
2
– на границе II;
– на границе I,
следствием которых является возникновение ЭДС в цепи.
Согласно представленной схеме (см. рис. 10.2) электрод II теряет
электроны и становится положительно заряженным, электрод I приобретает электроны и становится отрицательно заряженным.
Рассмотрим идеальную кислородную ячейку (ее заряды переносятся ионами кислорода), работающую обратимо при Т = const и
p = const.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]