Исследование одновременной абсорбции азота и кислорода расплавами на основе железа с целью уточнения кинетических параметров процесса легирования стали газообразным азотом

• Автор: Аунг Ко Ко
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
В работе исследованы физико-химические и технологические аспекты взаимодействия газообразного азота с расплавами на основе железа в сталеплавильном производстве. При проведении экспериментальной части в лабораторных условиях применили метод определения массы растворившегося газа, для определения по экспериментальным данным численных значений кинетических характеристик исследуемого процесса использовали решение уравнения диффузии при краевых условиях III рода. Установлены эмпирические параметры уравнений зависимости коэффициентов диффузии азота и кислорода от химического состава расплава, а также константы скорости поверхностной реакции процесса абсорбции азота из газовой фазы от состава межфазной поверхности. Предложен способ оценки по экспериментальным данным степени приближения к равновесию системы объем-поверхность жидкого металла в условиях межфазного массообмена. Результаты работы использованы для прогнозирования изменения содержания азота в хромоникелевой стали при продувке ее газообразным азотом в ковше вместимостью 30 т.
Работа выполнена на 116 страницах, содержит 32 рисунка, 131 формулу, 10 таблиц, список использованных источников из 107 наименований.

ВВЕДЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ АБСОРБЦИИ АЗОТА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ РАСПЛАВАМИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
2. КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ГАЗ-МЕТАЛЛ
2 Л. ОДНОСТАДИЙНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
2.2. МОДЕЛИ СМЕШАННОГО КОНТРОЛЯ
2.3. СРАВНЕНИЕ ОДНОСТАДИЙНЫХ ФОРМАЛЬНО-КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СОРБЦИИ АЗОТА С МОДЕЛЬЮ СМЕШАННОГО КОНТРОЛЯ
2.4. КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ - КИНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕПЕРЕМЕШИВАЕМОЙ СРЕДЕ
3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ НА КИНЕТИКУ МАССООБМЕНА В СИСТЕМЕ ГАЗ-МЕТАЛЛ
3.1. МОДЕЛИ МАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ ВБЛИЗИ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
3.2. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА МЕТАЛЛА НА СКОРОСТЬ АБСОРБЦИИ АЗОТА ПЕРЕМЕШИВАЕМЫМ РАСПЛАВОМ
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОВРЕМЕННОЙ ДИФФУЗИИ АЗОТА И КИСЛОРОДА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В ЛЕГИРОВАННЫХ РАСПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
4.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬН^Я^ЩШОВКА
4.2. методи^иссждо^^^^Лт.л.'.Л.;...?Т^:Т!1'л:’.:^г::....‘....дТГ55”
4.3. КОНТРОЛЬ ПОЛНОТЫ ФИКСАЦИИ АЗОТА В МЕТАЛЛЕ ПРИ ЕГО ЗАТВЕРДЕВАНИИ
4.4. КОНТРОЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДНОЙ ФАЗЫ ПО ХОДУ ОПЫТА
4.5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
5. ДИФФУЗИЯ АЗОТА И КИСЛОРОДА В НЕПОДВИЖНЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ РАСПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
5.1. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ОТСУСТВИЯ КОНВЕКЦИИ В РАСПЛАВЕ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЕРИМЕНТА
5.2. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
5.3. ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ АЗОТА И КИСЛОРОДА ОТ СОСТАВА РАСПЛАВА
6. АДСОРБЦИОННО-ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ
АЗОТА И КИСЛОРОДА В РАСПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Заметные успехи последних десятилетий в области машиностроения требуют от черной металлургии постоянного расширения сортамента металлопродукции при повышении качества металла и снижении его себестоимости. При этом наблюдается рост требований к механическим, технологическим и потребительским свойствам металлопродукции, что вызывает необходимость более жесткой регламентации химического состава и микроструктуры стали, управления и контроля технологией производства на всех стадиях передела.
Одним из химических элементов, неизбежно присутствующих в стали, даже при малых (на уровне тысячных долей процента по массе) концентрациях существенно влияющих на качество стали, является азот. Его влияние на свойства металла исследовано достаточно детально. Азот, выделяющийся из твердого раствора при снижении температуры в виде мелкодисперсной фазы преимущественно нитридов железа (при отсутствии других нитридообразующих элементов), вызывает старение металла, что сопровождается ухудшением его механических свойств: понижением пластичности, увеличением твердости и хрупкости, в особенности при низких температурах [1].
В то же время добавка в состав стали нитридообразующих элементов (ванадия, ниобия и др.) позволяет перевести азот из растворенного в связанное в виде нитридов состояние, что дает эффект дисперсионного упрочнения и модифицирования стали (создания определенного размера зерна). Благодаря этому азот во все больших масштабах используется для легирования различных групп сталей (например, коррозионно-стойких, жаропрочных и других). Являясь активным аустенитообразующим элементом, азот в сочетании с марганцем позволяет снизить расход никеля в аустенитных нержавеющих (экономно легированных) сталях. При этом увеличение содержания азота сопровождается существенным повышением как прочности, так и коррозионной стойкости материала [2-4]. В настоящее время высокоазотистые стали — по международной классификации HNS, признаны новым направлением в материаловедении [5-8].

3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ НА КИНЕТИКУ МАССООБМЕНА В СИСТЕМЕ ГАЗ-МЕТАЛЛ
Массообмен между газовой и конденсированной фазами происходит через поверхность, разделяющую эти фазы. Поэтому состав межфазной поверхности, зависящий от наличия в расплаве поверхностно-активных или поверх-ностно-инактивных веществ, а также от их количества и форма играют важную роль в массообменных процессах. Состав межфазной поверхности, прежде всего, содержание поверхностно-активных веществ на границе раздела фаз в настоящее время определяют на основе экспериментальных данных, прежде всего по величине поверхностного натяжения. Одним из требований, предъявляемых к исследуемой системе, является состояние термодинамического равновесия, завершение формирования поверхностного адсорбционного слоя, состав которого определяет поверхностное натяжение. Однако в реальных металлургических системах, как показали современные теоретические разработки и исследования, например [9, 26, 29, 80-82] концентрация примеси на поверхности, находящейся в непрерывном движении, может и не достигать равновесных значений. В свою очередь, состояние поверхности определяется как скоростью движения газового потока относительно поверхности раздела (динамического напора), так и характером и скоростью движения конденсированной фазы вблизи нее, вызванной естественной и искусственной конвекцией расплава. В большинстве важных для металлургической практики случаев потоки газа и жидкости являются турбулентными, а поля скоростей неус-тановившимися. Вследствие этого вещество переносится в результате как молекулярной, так и турбулентной (вихревой) диффузии.
Достаточно детальное исследование высокотемпературного процесса межфазного массообмена обычно не представляется возможным в виду того, что явления в области, непосредственно примыкающей к границе раздела фаз, трудно наблюдать или изучать, используя известные экспериментальные методы. Анализ результатов обработки экспериментальных данных по тем или иным кинетическим моделям позволяет получить лишь косвенную характери-