Взаимодействие азота с металлическими расплавами
При взаимодействии азота с расплавами, легированными карбидообразующими элементами, возможно образование раствора Fe-R-N, равновесного с газовой фазой, причем с увеличением содержания R увеличивается растворимость азота. При определенных содержаниях компонента R из расплава может выделиться тугоплавкое соединение - нитрид RN. Наибольшим сродством к азоту обладают элементы IVa подгруппы Ti, Zr, Ра, которые и используются в основном для связывания азота в жидком металле.
Особенности взаимодействия азота с металлическими расплавами отражает диаграмма состояний системы Me-R-N, фрагмент изотермического сечения которой в областях, богатых металлом, представлен на рис.3.
Рис. 3. Схема изометрического сечения диаграммы состояния системы Me-R-N
Линии, ограничивающие области стабильности фаз, описываются соответствующими уравнениями равновесной термодинамики.
Как видно из диаграммы, при небольших содержаниях нитридообразующего элемента существует двухфазная область стабильности жидкой фазы с газообразным азотом. Координаты линии АВ, разделяющей эту область (I) и область стабильности жидкости (II) можно определить, проанализировав уравнение [2]:
. (40)
При атм активность азота равна константе равновесия реакции (40). Концентрация азота в точке А равна его растворимости в бинарной системе Me-N.
Для построения линии BCD необходимо рассмотреть реакцию образования нитрида элемента R (табл. 13):
(41)
Значение константы равновесия реакции (41) можно определить, зная температурную зависимость изменения энергии Гиббса:
.
Рассматривая совместно с (40) равновесия следующих процессов (табл. 14):
; (42) , (43)
выразим
.
Отметим, что в данном случае для азота и для элемента R за стандартное принято состояние 1% -ного разбавленного раствора.
Определяя активности с помощью параметров взаимодействия Вагнера (табл.15) и учитывая, что для константы равновесия реакции (41), получаем
. (44)
Таблица 13
Изменение энергии Гиббса при растворении азота и элемента R
Растворитель |
Реакция |
Элемент |
Дж/моль |
||
A |
B |
||||
40 |
10 500 |
20,37 |
|||
42 |
-68 500 |
-27,28 |
|||
42 |
-80 300 |
-37,90 |
|||
42 |
-115 000 |
-31,41 |
|||
40 |
69 270 |
18,68 |
|||
42 |
-183 700 |
-9,85 |
|||
42 |
-202 100 |
-20,50 |
|||
42 |
-216 300 |
-17,45 |
Таблица 14
Изменение энергии Гиббса при образовании нитридов из чистых веществ (43) [1]
Элемент R |
|||||||
A |
B |
A |
B |
A |
B |
||
-339 100 |
93,26 |
-364 410 |
92,59 |
-367 730 |
91,67 |
Таблица 15
Значения параметров взаимодействия
Растворитель |
|||||
0,045 |
-0,45 |
0,086 |
-0,22 |
||
0,028 |
-0,63 |
0,059 |
-0,40 |
||
0,018 |
-0,70 |
0,040 |
-0,61 |
Выражение (44) является уравнением, описывающим линию BCD. Очевидно, что это немонотонная функция, имеющая экстремумы. Продифференцировав уравнение (44) по содержанию компонента R, при условии можно определить его концентрацию , обеспечивающую минимальное содержание азота в расплаве :
. (45)
Пересечение изотермы нитридообразования (BCD) и линии (АВ), соответствующей растворимости азота в расплаве Fe-R-N при атм, дает точку (В) трехфазного равновесия ж + Nг + RN. Линии BF и BE, ограничивающие трехфазную область IV, соединяют точку В с фигуративными точками, соответствующими равновесным фазам. Линия BЕ заканчивается на стороне [N] - [R] концентрационного треугольника в точке, отвечающей соединению RN, а линия BF - в точке, соответствующей чистому азоту при атм.
Задание: используя необходимые данные (табл.16) для системы Me-R-N, рассчитать:
1) линию, ограничивающую двухфазную область (ж+N2) при давлении азота 1 атм (температура Т1 и Т2);
2) изотерму нитридообразования при температурах Т1 и Т2 при изменении содержания элемента R до 2 % (для растворов Fe) и 5 % (для растворов Ni);
3) условие минимального содержания азота в расплаве при температуре Т1 и Т2.
Таблица 16
№ варианта |
Исходные данные |
|||
1 |
1973 |
1723 |
||
2 |
1923 |
1700 |
||
3 |
1900 |
1673 |
||
4 |
1873 |
1700 |
||
5 |
1823 |
1723 |
||
6 |
1800 |
1973 |
||
7 |
1773 |
1923 |
||
8 |
1723 |
1900 |
||
9 |
1700 |
1823 |
||
10 |
1673 |
1823 |
||
11 |
1700 |
1800 |
||
12 |
1723 |
1873 |
Контрольные вопросы
1. Термодинамика растворения азота в металле.
2. Условия нитридообразования в чистом и легированном расплаве.
3. Влияние температуры на нитридообразование.
4. Расчет равновесной кривой нитридообразования.
- Взаимодействие углерода с кислородсодержащей газовой фазой
- Восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом
- Определение активности компонентов расплава
- Растворимость газов в металлических расплавах
- Взаимодействие азота с металлическими расплавами
- Раскисление металлических расплавов
- Определение активностей компонентов шлаковых расплавов
- Библиографический список
- 2.2. Обобщенная структурная модель металлургического процесса.
- Классификация металлургических процессов.
- 12.2. Металлургические процессы
- Глава 3. Классификация металлургических процессов
- Роль флюсов в металлургических процессах
- 1.1.3. Роль температуры, флюсов, шлаков и огнеупорных материалов в металлургических процессах Роль температуры в металлургических процессах
- Теплофизика металлургических процессов
- 5.5 Металлургические процессы при различных видах сварки
- 2.2. Обобщенная структурная модель металлургического процесса.
- 2.14. Автоматизация металлургических предприятий