Исследование взаимодействия азота с расплавами на основе железа в системах с различной окисленностью и разработка методов регулирования его содержания

• Автор: Ивлев, Сергей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

1. Современные представления о механизме и кинетике сорбции азота из газовой фазы расплавами на основе железа
2. Кинетические характеристики массообменных процессов в системе газ металл и способы их определения методами формальной кинетики.

2.1. Одностадийные кинетические модели.

2.2. Модели смешанного контроля

2.3. Анализ адекватности кинетических характеристик сорбции азота, определенных по одно и двухстадийным моделям
3. Влияние поверхностных явлений и состояния межфазной поверхности на скорость сорбции азота расплавами железа.
3.1. Анализ существующих моделей массопереноса в жидком металле вблизи межфазной поверхности.
3.2. Особенности влияния поверхностноактивных веществ на скорость сорбции азота перемешиваемым расплавом.

4. Исследование одновременной диффузии азота и кислорода в жидком железе

4.1. Методика исследования.

4.2. Постановка и решение диффузионной задачи

4.3. Кинетические характеристики сорбции азота и кислорода неподвижными расплавами железо кислород
4.3.1. Диффузия азота в жидком железе
4.3.2. Диффузия кислорода в жидком железе
4.3.3. Кинетика сорбции азота и кислорода неподвижным расплавом железа. Адсорбционнокинетическая стадия.
5. Исследование кинетики сорбции азота перемешиваемыми расплавами на основе железа
5.1. Методика проведения исследований в лабораторных и
производственных условиях
5.2. Кинетические характеристики сорбции азота перемешиваемыми расплавами на основе железа
5.3. Влияние технологических факторов на кинетические характеристики сорбции азота.
6. Практическое использование результатов работы
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ


Изменение текущей концентрации газа, растворенного в расплаве, в отсутствие химического взаимодействия между ним и другими компонентами расплава происходит от некоторого исходного содержания до предельной величины, соответствующей термодинамическому равновесию металла с газовой фазой. При этом скорость процесса изменяется от максимального значения в начальный момент времени до асимптотически стремящегося к нулю вблизи насыщения, то есть зависит от текущей концентрации. В целом скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной лимитирующей стадии. Перенос в газовой фазе, как правило, имеет высокую скорость и на технологическом уровне легко поддается регулированию. В случае легирования газообразным азотом эти стадии вообще возможно исключить из рассмотрения, так как газовая фаза будет состоять практически из одного азота. В практических исследованиях стадией 5 также в большинстве случаев пренебрегают, считая, что при условии достаточно интенсивного перемешивания основное сопротивление массопереносу будет локализовано в пограничном диффузионном слое со стороны расплава. Химическая реакция на межфазной границе в свою очередь может быть представлена в виде ряда последовательных простейших реакций адсорбция, диссоциация молекул на атомы, растворение адсорбированных атомов в металле 1, 9 . Возможны разные схемы этого процесса. Все они имеют описательный характер и основаны на предположении о существовании характерных промежуточных состояний частиц газа с соответствующей этим состояниям энергией. Результаты исследования взаимодействия газа с поверхностью твердого тела показывают, что нет резких границ или характерных устойчивых состояний при переходе азота от одного крайнего состояния молекула в газовой фазе до другого атом или ион азота в растворе. Происходит непрерывный обмен энергией в процессе соударений и изменение энергии связи между атомами азота и железа . В настоящее время еще не получены надежные данные о механизме молекулярной адсорбции газов на поверхности жидких металлов. Кроме того, существующие методы изучения кинетики сорбции азота жидким металлом не позволяют разделить простые реакции адсорбции, диссоциации и растворения адсорбированных атомов. На этом основании их объединяют в одну стадию поверхностной реакции адсорбционнокинетическое звено, характеризующуюся эффективными кинетическими параметрами, которые должны отличаться от аналогичных характеристик стадий переноса в газовой и металлической фазах . На скорость сорбции азота расплавами на основе железа оказывают влияние многие факторы. Установление в ходе эксперимента существенной зависимости скорости азотации от парциального давления азота в газовой фазе, а также от скорости газового потока может свидетельствовать о том, что лимитирующей стадией процесса является внешний массоперенос. И наоборот, если изменение указанных факторов никак не сказывается на скорости изучаемого процесса, это означает, что внешняя диффузия не является лимитирующей стадией. Аналогичный эффект вызывает интенсификация перемешивания расплава. Сравнение имеющихся в литературе экспериментальных данных показывает, что сорбция азота жидким металлом в тигле индукционной печи при прочих равных условиях протекает с более высокой скоростью, чем при плавке в печи сопротивления, то есть в отсутствие индукционного перемешивания, а применение молибденового цилиндра для экранирования переменного электромагнитного поля индукционной печи вызывает снижение скорости аб и десорбции азота . Влияние интенсивности перемешивания расплава на скорость сорбции азота может служить доказательством режима внутреннего массопереноса. При повышении температуры наблюдается рост скорости процесса. Это выражается в снижении вязкости жидкой фазы, увеличении скорости диффузии, уменьшении термодинамической прочности молекул газа. Поскольку энергия активации химической реакции больше энергии активации диффузии, то при сравнительно низких температурах процесс
может лимитироваться актом химического взаимодействия, а при более высоких массопереносом . Также положительное влияние температуры на скорость растворения азота можно связать с увеличением его растворимости в расплаве.