- •Кафедра общей металлургии
- •А.Н. Дильдин, е.В. Соколова теория металлургических процессов
- •Челябинск
- •Взаимодействие углерода с кислородсодержащей газовой фазой
- •Контрольные вопросы
- •Восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом
- •Контрольные вопросы
- •Определение активности компонентов расплава
- •Контрольные вопросы
- •Растворимость газов в металлических расплавах
- •Контрольные вопросы:
- •Взаимодействие азота с металлическими расплавами
- •Контрольные вопросы
- •Раскисление металлических расплавов
- •Контрольные вопросы
- •Определение активностей компонентов шлаковых расплавов
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Оглавление
Контрольные вопросы
Понятие термодинамической активности компонентов расплава.
Типы стандартных состояний.
Термодинамические параметры взаимодействия первого и второго порядка.
Связь коэффициентов активности и параметров взаимодействия.
Расчет активностей компонентов сложнолегированного металлического расплава.
Растворимость газов в металлических расплавах
К газам в стали относят, как правило, азот и водород. Особенностью растворения азота и водорода в металлических расплавах является то, что они диссоциируют на атомы. В этом случае реакция растворения газа (Г) записывается в виде
. (34)
Величина растворимости газов в чистых металлах невелика (например, при 1873 К растворимость азота в железе составляет 0,044%). Растворы можно считать разбавленными и подчиняющимися закону Сивертса (частный случай закона Генри):
, (35)
где – константа Сивертса, являющаяся функцией температуры.
Если рассмотреть растворение газов в сплавах, то вместо концентрации следует подставлять значение активности, тем самым учитывать влияние добавляемого элемента на растворимость газа. Связь между растворимостью газа в чистом металле и легированном растворе можно определить, исходя из следующих соображений.
Допустим, что при постоянных температуре и давлении в равновесии с газовой фазой (Г) находятся два расплава: чистый металл (`) и металл с добавками легирующих элементов (``). Естественно, что активность азота в обоих растворах должна быть одинаковой:
. (36)
Причем
. (37)
Из соотношений (36), (37) следует
. (38)
Выражение (38) позволяет рассчитать концентрацию азота в расплаве известного состава. Значение коэффициента активности целесообразно определять по значениям параметров взаимодействия (табл. 10). Константу равновесия реакции (34) определяют по данным об изменении энергии Гиббса (табл. 11).
При изменении давления и температуры жидкого металла возможно как выделение газа, так и поглощение его расплавом. Для расчета объема газа, выделившегося из расплава при понижении давления и постоянной температуре можно использовать уравнение Менделеева – Клапейрона:
, (39)
где – объем газа, – масса газа, – молекулярная масса газа, г/моль; R=8,314 Дж/(моль·К) – газовая постоянная.
Таблица 10
Значение параметров взаимодействия в расплавах на основе и [1]
Растворитель |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
N |
0,047 |
–0,0123 |
–0,0467 |
–0,0197 |
0,123 |
H |
0,026 |
0,0020 |
0,0033 |
–0,0012 |
0,065 |
|
|
N |
0 |
–0,043 |
–0,1000 |
–0,051 |
0,090 |
H |
0,033 |
0 |
0,0020 |
0 |
0 |
Таблица 11
Изменение энергии Гиббса при растворении газов [4]
Растворитель |
Газ |
Дж/моль |
|
A |
B |
||
|
N |
10 500 |
20,37 |
H |
36 500 |
30,46 |
|
|
N |
69 270 |
18,68 |
H |
20 100 |
35,10 |
Задание
1. Определить растворимость азота и водорода в расплаве , а также в легированных расплавах на их основе, при температурах Т1 и Т2 .
2. Рассчитать объем газа, выделившегося из расплава при уменьшении давления с 1 атм до величины . Данные в табл. 12.
Таблица 12
№ вари-анта |
|
|
атм |
Содержание легирующих элементов, % |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
1 |
1873 |
1800 |
0,01 |
0,5 |
1,0 |
1,0 |
0,5 |
0,1 |
|||
2 |
1823 |
1773 |
0,03 |
0,6 |
0,9 |
1,5 |
0,6 |
0,2 |
|||
3 |
1773 |
1823 |
0,10 |
0,7 |
0,8 |
2,0 |
0,7 |
0,3 |
|||
4 |
1723 |
1700 |
0,20 |
0,8 |
0,7 |
2,5 |
0,8 |
0,4 |
|||
5 |
1673 |
1723 |
0,30 |
0,9 |
0,6 |
3,0 |
0,9 |
0,5 |
|||
6 |
1723 |
1773 |
0,40 |
1,0 |
0,5 |
3,5 |
1,0 |
0,6 |
|||
7 |
1773 |
1873 |
0,50 |
1,1 |
0,4 |
4,0 |
1,1 |
0,7 |
|||
Окончание табл. 12 |
|||||||||||
№ вари-анта |
|
|
атм |
Содержание легирующих элементов, % |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
8 |
1823 |
1673 |
0,40 |
1,2 |
0,3 |
4,5 |
1,2 |
0,8 |
|||
9 |
1873 |
1723 |
0,30 |
1,3 |
0,2 |
5,0 |
1,3 |
0,9 |
|||
10 |
1925 |
1800 |
0,20 |
1,4 |
0,1 |
5,5 |
1,4 |
1,0 |
|||
11 |
1900 |
1823 |
0,10 |
1,5 |
0,2 |
6,0 |
1,5 |
1,1 |
|||
12 |
1873 |
1800 |
0,01 |
1,6 |
0,3 |
6,5 |
1,6 |
1,2 |
|||
13 |
1823 |
1673 |
0,05 |
1,7 |
0,4 |
7,0 |
1,7 |
1,2 |
|||
14 |
1800 |
1700 |
0,15 |
1,8 |
0,5 |
7,5 |
1,8 |
1,1 |
|||
15 |
1773 |
1923 |
0,25 |
1,9 |
0,6 |
8,0 |
1,9 |
1,0 |
|||
16 |
1723 |
1673 |
0,35 |
2,0 |
0,7 |
8,5 |
2,0 |
0,9 |
|||
17 |
1700 |
1900 |
0,45 |
1,9 |
0,8 |
9,0 |
1,9 |
0,8 |
|||
18 |
1673 |
1873 |
0,55 |
1,8 |
0,9 |
9,5 |
1,8 |
0,7 |
|||
19 |
1723 |
1923 |
0,50 |
1,7 |
1,0 |
10,0 |
1,7 |
0,6 |
|||
20 |
1773 |
1900 |
0,03 |
1,6 |
1,1 |
9,0 |
1,6 |
0,5 |
|||
21 |
1800 |
1673 |
0,13 |
1,5 |
1,2 |
8,0 |
1,5 |
0,4 |
|||
22 |
1823 |
1900 |
0,27 |
1,4 |
1,3 |
7,0 |
1,4 |
0,3 |
|||
23 |
1873 |
1700 |
0,33 |
1,3 |
1,4 |
6,0 |
1,3 |
0,2 |
|||
24 |
1900 |
1673 |
0,01 |
1,2 |
1,5 |
5,0 |
1,2 |
0,1 |
|||
25 |
1923 |
1823 |
0,47 |
1,1 |
1,6 |
4,0 |
1,1 |
1,0 |