Методика эксперимента

В работе используется гравиметрический способ исследования, заключающийся в определении массы образца во времени в ходе опыта. Исследуемый образец (1) листовой стали 08ю содержит 0,05-0,08 %C, 0,2 %Mn, 0,05 %Alи не более 0,03% серы и фосфора, т.е. около 99,6 % железа. Взвешивание образца, находящегося в печи, осуществляется с помощью торсионных весов (4) с точностью до 1 мг. Схема установки приведена на рисунке 2. Температура в печи (3) измеряется хромель-алюмелевой термопарой в комплекте с милливольтметром (2) и определяется по градуировочному графику. В ходе опыта она должна быть постоянной в рабочем интервале 850-900⁰С.

В работе измеряется привес образца mот начала опыта, т.е. масса кислорода, прореагировавшего с железным образцом. Если считать, что окалина представлена вюститом, толщина ееyв любой момент определится из уравнения:

(7)

В уравнении (7):

72 и 16 – относительные молекулярные массы FeOи кислорода;

S– площадь реакционной поверхности;

 - плотность пленки окалины.

Результаты работы и их обсуждение

В таблице представлены результаты исследования макрокинетики окисления стали 08ю на воздухе при температуре 850 ⁰С. Площадь образца 5,5 см².

Таблица. Макрокинетика окисления стали

Время ,мин.	Масса образца m, мг	Привес образца m, мг	Квадрат привеса образца m2, мг2	Изменение за один замер		Скорость окисления dm/d, мг/мин
				d, мин	dm, мг
0	300	0	0	0	0
0,5	315	15	225	0,5	15	30
1,0	329	29	891	0,5	14	28
1,5	344	44	1936	0,5	15	30
2,0	355	55	3025	0,5	11	22
4,0	380	80	6400	2,0	25	12,5
6,0	403	103	9801	2,0	23	11,5
8,0	420	120	14400	2,0	17	8,5
10	434	134	18760	2,0	14	7
12	444	144	20736	2,0	10	5
15	451	151	22800	3,0	7	2,3
20	465	165	27225	5,0	14	2,8

На рисунке 3 представлено изменение во времени массы образца, т.е. количество кислорода, вступившего в реакцию к моменту времени от начала опыта. На рисунке видно, что начальный участок кривой удовлетворительно описывается прямой линиейm= А₁.

Рисунок 3. Изменение массы образца во времени

Линейный характер кривой на начальном участке вызван протеканием реакции в кинетическом режиме. Уравнение прямой, исходящей из начала координат и проходящей через точку с координатами Х=1,5 мин,Y= 44 мг, имеет вид:

m= 44/1,5= 29.A₁= 29 мг/мин.

Константа скорости кристаллохимических превращений, лимитирующих процесс окисления, определится из соотношений:

К_хим=4,5A1/(SPо2)= 4,52910-6/(51035,510^-40,2)=

=23,610^-5м/мин = 3,910^-6м/c.

Рисунок 4. Изменение квадрата привеса образца (мг²)

На рисунке 4 представлены результаты опыта в координатах m²-, и видно, что полученная зависимость относительно сложная. Участок кривой во временном интервале 8 – 20 минут близок к линейному, что соответствует закону квадратичной параболы, характерному для диффузионного режима реагирования. Определим угловой коэффициент А₂прямой, проходящей через точки с координатами:X₁=8 мин,Y₁=18750мг²;X₂=20 мин,Y₂=27200 мг².

А₂= (27200-18750)/(20-8) = 704 мг²/мин.

Эффективный коэффициент диффузии кислорода в окалине определится из уравнения:

D= 10,1 А₂/(²S²Po₂)==10,170410^-12/(5²10⁶5,5²10^-40,2)= =3,610^-12м²/мин = 610^-14м²/c.

Рисунок 5. Скорость окисленияdm/dобразца при 850⁰С

Скорость окисления стали (рисунок 5) в ходе опыта уменьшается, что вызвано нарастанием пленки продуктов реакции и протеканием процесса в переходном и диффузионном режимах.

Выводы

1. Изучена макрокинетика окисления листовой стали 08ю на воздухе при 850 ⁰С.

2. Показано, что в первые 2 минуты окисление протекает в кинетическом режиме, а по истечении 8 минут наступает диффузионный режим реагирования. В интервале 2 – 8 минут имеет место переходный (смешанный) режим процесса.

3. Оценены значения константы кристаллохимических превращений и коэффициент диффузии кислорода в окалине.

4. Скорость реакции уменьшается во времени вследствие роста толщины слоя окалины и протеканием процесса в переходном и диффузионном режимах.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются различия гомогенных и гетерогенных реакций?

2. Из каких стадий складываются гетерогенные реакции?

3. Что называют режимом гетерогенной реакции?

4. Каковы особенности протекания реакций в различных режимах реагирования?

5. Как изменяется толщина пленки окалины при окислении металлов в различных

режимах реагирования?

6. В чем сущность гравиметрического метода исследования окисления металлов?

7. Какова структура железной окалины и от каких факторов она зависит?

8. Что такое вюстит и какова его роль в окислении железных сплавов?

9. Сформулируйте принцип жаростойкости железных сплавов.

10. Дайте определения константы скорости реакции и коэффициента диффузии.

11. В чем заключается реакционная диффузия и как она проявляется при окислении железа?