» » Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер
12.01.2015

Знание активности того или иного компонента в металле, подвергаемом термической обработке, позволяет найти такие составы многокомпонентных газовых смесей, которые должны обеспечивать вполне определенные условия взаимодействия между металлом и атмосферой печи. Так, при нагреве стали в зависимости от технологических задач атмосфера может быть науглероживающей, обезуглероживающей или нейтральной.
Обычно атмосферы, применяемые при нагреве стали, содержат CO, CO2, H2, H2O, CH4 и N2. При поступлении таких смесей в печь между газами происходит ряд химических реакций. Так как при температурах термической обработки эти реакции происходят быстро, то практически устанавливаются состояния, близкие к равновесным. Это позволяет применять закон действующих масс для вычислений, связанных с определением составов газовых атмосфер, необходимых для осуществления той или иной технологической задачи.
Такие вычисления основаны на решении системы уравнений, описывающих равновесия независимых реакций с учетом дополнительных условий. К последним относятся, например, постоянство температуры и давления, а также постоянство массы (закрытая система), что позволяет составлять уравнения материального баланса для каждого компонента. Таким образом, имеется возможность составления числа уравнений, которое равно числу неизвестных переменных.
Рассмотрим способ решения задачи расчета состава газовых смесей, равновесных с углеродом стали, который был предложен в работе.
Состояние рассматриваемой системы газовая смесь — сталь определяется шестью переменными для газовой фазы и, кроме того, активностью углерода аС, температурой, общим давлением робщ. Однако при равновесии не все эти переменные являются независимыми, так как концентрации различных компонентов связаны между собой уравнениями закона действующих масс.
Обмен углеродом между газовой фазой и металлом может происходить по двум независимым реакциям:
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

Протекание этих реакций вызывает изменение состава газовой смеси, в объеме которой протекает еще одна реакция:
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

Константы равновесия этих трех реакций имеют вид
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

В этих условиях достаточно задать три переменные, чтобы найти парциальные давления каждого из газов, т. е. состав смеси. Зададим, например, величины рСО, рСО2 и рН2. Зная K3, можно вычислить рН2О = рСО2 рН2/К3рСО. Парциальное давление метана определяют почленным делением уравнений (52) и (53):
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

а рН2 находят как разность между общим давлением и суммой парциальных давлений остальных газов. Активность углерода вычисляют либо по значению K1, либо по К2.
Однако при решении задачи о поведении углерода в той или иной газовой смеси целесообразнее в качестве переменных выбрать аС, рСО и pН2. Это позволяет для стали заданного состава (при заданной температуре) выбирать комбинации произвольных значений рСО и рН2 и, таким образом, находить набор различных составов газовой атмосферы равновесной с углеродом стали. Естественно, что величину аС можно выбрать как большей, так и меньшей фактической, если ставится задача нахождения состава науглероживающей или обезуглероживающей смеси. Найденная совокупность полученных значений составов газовых смесей при различных аС позволяет выразить соотношения между этими характеристиками в виде таблиц или номограмм. При описанном выборе исходных параметров состав смеси находят из,следующих четырех уравнений:
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

Такие вычисления проводят, например, для последовательно изменяющихся на определенную величину значений pН2 при некотором определенном значении рСО. Затем в некотором интервале значений изменяют рСО при постоянном рН2. Обычно для того, чтобы перекрыть практически важные области составов, достаточно примерно пяти—шести таких расчетов. Это позволяет затем осуществлять необходимую интерполяцию. Для представления полученных результатов в виде номограмм автор работы вводит для выражения состава газа новые величины — «атомные парциальные давления» р'. При этом он исходит из того, что все реагирующие в атмосфере печи газы состоят из одних и тех же трех элементов — углерода, водорода и кислорода и инертного газа азота, не принимающего участия в реакциях и действующего лишь как разбавитель. Величины р' определяются следующими уравнениями:
Применение активности для выбора состава контролируемых атмосфер

которые являются уравнениями материального баланса для газовой смеси в закрытой системе.
Следует отметить, что присутствие азота, не принимающего участия в процессах обмена углеродом или кислородом, все же смещает равновесие таких реакций, как, например, (V) или (VI).
Это обусловлено тем, что подобные реакции сопровождаются изменением числа молей газов, и поэтому влияние азота как разбавителя активных газов различно для исходных веществ и для продуктов реакции.
Для удобства дальнейшего рассмотрения обозначим сумму атомных парциальных давлений активных компонентов через s'=p'C + p'O +p'H.
Это позволяет выразить состав газа на атомной основе при помощи четырех величин: p'C/s, p'O/s, p'H/s и pN/s. Далее при заданной величине аC можно выбрать постоянное значение pN/s и для него на осях концентрационного треугольника откладывать комбинации величин p'C/s, p'O/s и p'H/s. При этом для ряда значений pN/s получаются семейства прямых линий, выражающих составы газовых смесей, равновесных (т. е. нейтральных) с заданной активностью углерода в стали.
Учитывая, что сумма p'C/s+р'O/s+р'H/s=1, можно применить обычные прямоугольные координаты, откладывая по осям только отношения p'C/s и p'O/s.
В работе содержится ряд подобных номограмм для различных температур и активностей углерода.
В более кратком виде основы изложенного метода описаны в работе. Кроме того, в указанных работах метод распространен и на расчеты реакций окисления железа.