» » Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки
13.01.2015

Состав атмосферы для нейтральной термической обработки определяется на основании общего метода количественного решения задачи равновесия, изложенного в работах. При этом рассматривают систему газ — твердое тело при постоянных температуре и давлении.
Газовая фаза в общем виде состоит из трех элементов углерода, водорода, кислорода в виде следующих их пяти соединений — компонентов газовой фазы: CO, CO2, H2, H2O, CH4 (если N2 не учитывают). Для определения равновесного содержания пяти компонентов необходима система из пяти уравнений. Такую систему составляют из уравнений двух типов: 1) уравнений, задающих произвольные ограничения системы; 2) уравнений, описывающих состояние равновесия.
Система газ — твердое тело является замкнутой, поэтому для газовой фазы характерно постоянство массы каждого элемента.
В качестве двух недостающих уравнений используют уравнения констант равновесия двух независимых реакций при выбранной температуре равновесия. Уравнения констант равновесия должны быть выражены через числа молей компонентов реакции. Общее число молей составляет nΣ=nCO+nCO2+nH2+nH2O+nCH4. Для удобства использования состав равновесной газовой фазы выражают через парциальные давления компонентов: рi=(ni/nΣ) pобщ.
Таким образом, для решения конкретных задач необходимо решение шести уравнений. Когда задаются концентрации независимых компонентов газовой фазы или составляющих их элементов, то для определения содержания зависимых неизвестных требуется одноразовое решение составленной системы уравнений. Когда все составляющие имеют переменное содержание, то необходимо многоразовое решение системы применительно к каждому варианту.
Для последнего случая предложен метод решения, который заключается в определении большого числа равновесных содержаний компонентов, согласующихся со значениями констант равновесия и общего давления, а затем в вычислении по ним атомных долей элементов в виде nC/nΣ; nH/nΣ; nO/nΣ или рC/рΣ; pH/pΣ, pO/pΣ; Полученные результаты представляют в виде таблиц или диаграмм, по которым частную задачу решают методом интерполяции. Равновесный состав газовой смеси изображают на диаграмме точкой, координаты которой представлены в виде атомных долей. Диаграмма строится по необходимости в трех или двух координатах.
Такая диаграмма охватывает весь интервал возможных составов при рΣ = 101,3 кПа.
На основании описанного общего метода количественного решения задачи равновесия формулируют и решают конкретные задачи. При этом выбор температуры и давления в рабочем объеме печи определяется температурно-кинетическим и газовым режимами термической обработки. Если на всех этапах термической обработки (нагрев, выдержка, охлаждение) применяют атмосферу одного состава, то температуру и давление принимают по этапу, на котором предъявляют наиболее жесткие требования к составу газовой фазы. Если на различных этапах термической обработки применяют атмосферы различного состава, то расчет проводят поэтапно при температурах и давлениях каждого этапа. Давление в рабочем объеме печи при термической обработке, как правило, применяют равным атмосферному.
Равновесный состав атмосферы, определяемый температурой термической обработки, является первым звеном в определении пригодности атмосферы для процесса.
Равновесный состав атмосфер N2—H2—H2O—CO—CO2 описывается системой уравнений
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

где ррi; pi — парциальное давление компонента газовой фазы соответственно равновесное и исходное; m — величина изменения парциального давления компонента.
Парциальное давление азота составляет pN2=pΣ—pCO—pH2O—pCO2—pH2.
Рассчитанная диаграмма состояния атмосферы N2—H2—H2O—CO—CO2 (неочищенного и неосушенного экзотермического газа), N2—H2—(H2O)—CO—CO2 (неочищенного и осушенного экзотермического газа) и N2—H2—(H2O)—CO—{CO2} (очищенного от CO2 и осушенного экзотермического газа) показана на рис. 16 и 17. Изменение содержания влаги в атмосфере печи из экзогаза рассмотренного состава, обусловленное только реакцией водяного газа, показано на рис. 18. Содержание влаги возрастает с повышением температуры и коэффициента расхода воздуха.
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

Равновесный состав атмосфер N2—H2—H2O—CO—CO2—CH4 описывается системой уравнений, которая включает три уравнения постоянства массы элементов, уравнения констант равновесия реакции водяного газа VII.
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

Задача определения состава газовой фазы, равновесной с углеродом стали, рассмотрена ранее.
В работе для определения состава атмосферы N2—H2—H2O—CO—CO2—CH4, равновесного с углеродом стали, предложена система уравнений, включающая три уравнения констант равновесия реакций (VI), (V), (XXVI) или (VI), (V) и (VII) и уравнения
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

Результаты расчета этой системы в виде рH2O=f([C]), проведенного при разных температурах для эндогаза и богатого осушенного и очищенного от CO2 экзогаза, приведены на рис. 19. Равновесная концентрация водяных паров снижается с повышением температуры и снижением отношения b.
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

Для определения состава атмосфер N2—H2—H2O—CO—CO2, равновесного металлу, используют уравнения постоянства массы элементов и уравнения констант равновесия реакций (XXIII) и (XXV), т. е.
Расчет состава газовой фазы для нейтральной термической обработки

Состав атмосфер для безокислительного нагрева сплавов рассчитывают по компоненту сплава, имеющего при температуре равновесия наибольшую термодинамическую активность. Например, при термической обработке хромистых сталей в атмосфере H2—H2O—N2 учитывают константу равновесия Kp=p3H2/p3H2Oa2Cr реакции (XXIII) окисления хрома, где аCr — термодинамическая активность хрома в железе.