» » Коэффициент массоотдачи
13.01.2015

Под коэффициентом массоотдачи при переносе углерода мы подразумеваем коэффициент пропорциональности в линейном уравнении, связывающем количество углерода, передаваемое от поверхности металла в газ или от газа к поверхности металла, с разностью углеродных потенциалов, выраженных через соответствующие концентрации или активности углерода в стали.
Коэффициент массоотдачи в общем случае является комплексной величиной. Действительно, используя метод сложения сопротивлений, для реакций первого порядка можно записать
Коэффициент массоотдачи

где β* = Nu D/L; k* — истинная константа скорости химической реакции на поверхности металла; β* — истинный коэффициент массоотдачи углеродом; k — эффективная константа скорости; β — эффективный коэффициент массоотдачи.
Роль диффузии газов к поверхности определяется соотношениями между величинами k* и β* или β и β*. Например, расчеты показывают, что при науглероживании в атмосфере H2 (1200° С) с концентрацией CH4, равной 1 % (объемн.), β* р, если толщина ламинарного пограничного слоя δ=1/5 см, т. е. влиянием скорости диффузии CH4 можно пренебречь лишь при δ≤1 см 2.
Как уже отмечалось, диффузионное торможение газового потока пограничным слоем может оказать и косвенное влияние на процесс массообмена углеродом, которое связано с изменением времени диффузии газов из ядра потока к поверхности и релаксацией атмосферы неравновесного состава в пограничном слое.
Для определения коэффициентов массоотдачи в потоке безгенераторных атмосфер авторы провели исследования науглероживания и обезуглероживания пластинок из сталей У8 и У10 толщиной 0,055; 0,05; 0,1 и 0,2 мм при 950, 1050 и 1200° С в атмосфере природного газа и продуктов его сгорания при n=0,1; 0,3—0,5 и 1,0. Пластинки размером 60x60 мм устанавливали вдоль потока газов в электрообогреваемой трубе диаметром 100 мм. Скорость газов составляла около 0,3—0,5 м/с. При n=0,5 и 1,0 пластинки обезуглероживались равномерно. Науглероживание пластинок, особенно при 1200° С, характеризовалось значительной неравномерностью, в связи с чем для анализа на углерод из пластин вырезали наиболее науглероженную узкую полоску шириной 2—3 мм лобовой части. При скорости газов более 0,3 м/с науглероживание в этой части пластинок изменялось мало.
Коэффициент массоотдачи

Зависимость изменения содержания углерода в пластинках при науглероживании в природном газе от величины т/s показана на рис. 94. Аналогичные данные были получены и для других атмосфер.
По результатам экспериментов с пластинками коэффициент массоотдачи определяли по уравнению
Коэффициент массоотдачи

Рассчитанные значения β для природного газа (содержание CH4 в ядре потока нагретого газа ≥,50%) и продуктов неполного горения при n=0,5 показаны на рис. 95. Представленные на этом рисунке зависимости коэффициентов массоотдачи от температуры могут быть выражены уравнениями, см/с:
в природном газе
Коэффициент массоотдачи

в продуктах неполного сгорания природного газа с n=0,5
Коэффициент массоотдачи

Анализируя данные, приведенные на рис. 95, и полученные уравнения для определения р, можно заметить, что коэффициент массоотдачи в природном газе примерно в 2,5 раза ниже, чем в продуктах неполного его сгорания при n=0,5. Температурные же коэффициенты роста β в обоих процессах примерно одинаковы и слабо отличаются от температурного коэффициента диффузии углерода в стали, т. е. относительный коэффициент внешнего массообмена h=β/D слабо зависит от температуры.
Коэффициент массоотдачи

Чтобы оценить возможное влияние глубины пиролиза природного газа (без учета промежуточных составляющих) на процесс обмена углеродом, воспользуемся данными Г. Ю. Грабке. В табл. 22 представлены расчетные значения коэффициентов массоотдачи при науглероживании нелегированной стали метаном βн (прямая реакция) и обезуглероживания водородом β0(обратная реакция) при различных остаточных содержаниях CH4 в атмосфере продуктов пиролиза CH4. В расчетах прямой реакции принимали СокрН = 2,4%, Cпов = 1% (Спов — содержание углерода в поверхностном слое), обратной СокрО = 0%; аС = 1Cпов = 1%.
Видно, что данные рис. 95 и значения скорости прямой реакции, выраженные через коэффициент массоотдачи и приведенные в табл. 22, совпадают, если содержание метана в атмосфере СН4—H2 составляет примерно 40% при 950° С, 6% при 1100° C, 4% при 1200° С. Скорости прямой и обратной реакций имеют одинаковые значения при содержании CH4 около 0,8% при 950° С; 0,3% при 1100° C, 0,09% при 1200° С. Следует отметить, что равновесные значения CH4 в продуктах пиролиза природного газа в том же диапазоне температур составляют 0,3—1,4%, т. е. в 2—3 раза большую величину.
Коэффициент массоотдачи

Исследования, проведенные авторами по нагреву различных сталей под муфелем в неподвижных продуктах пиролиза природного газа (случай паузы при импульсном применении природного газа), показали, что высокотемпературные продукты пиролиза природного газа выполняют прежде всего роль транспортного газа, через который углерод передается от заготовки к муфелю или наоборот по схеме CFe1 + H2 ⇔ CH4 ⇔ H2 + CFe2. Скорость и направление переноса углерода между заготовкой и муфелем определяются разностью активностей углерода в заготовке и в муфеле (также разностью концентраций углерода в нелегированном аустените, находящимся в равновесии с углеродом заготовки или муфеля) и величинами.
Коэффициент массоотдачи

Опыты показали, что коэффициенты массоотдачи при обезуглероживании сталей ШХ15, У10А, 9ХС водородом в присутствии дисперсного углерода при температурах 1100—1250°С имеют примерно в 2—2,5 раза меньшие значения, чем коэффициенты массоотдачи при науглероживании армко-железа в атмосфере продуктов пиролиза природного газа с равновесным по отношению к свободному углероду содержанием CH4 [при температуре >1100° С и р=101,3 кПа СН4=100КР, % (объемн.), где Kp — константа равновесия разложения метана ].
Примерно такое же соотношение коэффициентов массоотдачи можно получить, используя результаты исследований Г. Ю. Грабке. Однако экстраполяция его данных в область температур ≥1050° С приводит к заниженным примерно в 1,5—2,0 раза значениям βк.
По результатам исследований авторов, в системе заготовка (ШХ15, У10) — продукты пиролиза природного газа — муфель (СтЗ, сталь 50) при температуре 1150—1250° С и δ=1/5 см коэффициент массопередачи составил 3—5,5*10в-6 см/с, что примерно соответствует расчетным значениям коэффициентов массоотдачи при обезуглероживании водородом нелегированной стали с содержанием углерода 1%.
Коэффициенты массоотдачи при обезуглероживании стали в водороде и продуктах неполного сгорания при rt 0,5 соответственно составляют: 5,45*10в-7 и 4,1*10в-5 при 950° С; 2,44*10в-6 и 1,45*10в-4 при 1100° C; 4,4*10в-6 и 3,15*10в-4 см/с при 1200° С. Видно, что обезуглероживание в водороде протекает на 1,5 порядка медленнее, чем в продуктах неполного сгорания природного газа.
По данным работы, в интервале температур 608—703° С с увеличением отношения рН2О/рН2 от 0,01 до 0,3 скорость обезуглероживания увеличивается на 1—1,5 порядка и достигает (1—10) 10в-5 см/с.
Таким образом, полученные коэффициенты массообмена углеродом при нагреве стали в продуктах пиролиза природного газа и продуктах его сгорания с n=0,5 качественно согласуются с данными работы для подобных атмосфер. Однако, опытные значения в природном газе при высоких температурах оказались почти на порядок меньше расчетных при CH4=50%. Относительно низкие опытные значения коэффициентов массоотдачи в природном газе могут быть объяснены значительным дополнительным пиролизом природного газа в диффузионном пограничном слое (если при этом пиролиз не сопровождается появлением соединений, активность которых выше, чем у CH4) и образованием на поверхности металла пироуглерода.
Сравнивая расчетные значения распределения углерода в поверхностном слое массивных образцов с экспериментальными, можно заключить, что как при кратковременной выдержке, так и в течение 30 мин (1050° С) влияние пироуглеродного слоя было примерно одинаковым, т. е. коэффициент массоотдачи в природном газе для определенных толщин пироуглеродного слоя слабо зависит от его размеров.
Коэффициент массоотдачи в опытах с пластинами в продуктах неполного сгорания при n= 0,1 был на 20/30% ниже, чем в природном газе. В атмосфере с n=0,3/0,4 коэффициент массообмена при науглероживании практически не отличался от коэффициента массоотдачи при обезуглероживании в продуктах неполного сгорания с n=0,5. По сравнению с n=0,5 при n=1,0 коэффициент массоотдачи снижался на 10—30%. Различие в коэффициентах массоотдачи, видимо, связано с различием в состоянии поверхности металла (образование пироуглерода, оксидов и др.).