Технические науки / Металлургия

Скачков В.А., Иванов В.И., Чепрасов А.И., Моисейко Ю.В.

КИНЕТИКА ПРЕВРАЩЕНИЙ УГЛЕРОДА В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Запорожская государственная инженерная академия

 

 

Как показывает практика, защитная атмосфера термических печей почти всегда содержит пары воды и диоксида углерода, то есть является обезуглероживающей. Для повышения углеродного потенциала такой атмосферы в ее состав вводят добавки метана.

Если выполняется условие

 ,                                                   (1)

где  ,  - парциальное давление водорода и метана в защитной атмосфере соответственно;   - константа равновесия реакции разложения метана

 ,                                             (2)

(значение  рассчитывают по формуле ), то избыток метана расходуется на науглероживание стали. Происходит растворение свободного углерода, который образуется по реакции (2), в феррите, что способствует доступу оксида углерода к поверхности металла.

Если вышеприведенное условие не выполняется, то метан разлагается с интенсивным выделением сажи

 .                                                (3)

Свободный углерод, который образуется по реакции (3), не растворяется в феррите и препятствует доступу оксида углерода к поверхности металла.

Следовательно, изменяя содержание метана в газовой атмосфере рабочего пространства печи, можно получать как науглероживающую, так и нейтральную атмосферу с заданным уровнем углеродного потенциала.

Рассмотрение известных уравнений:

 ;                                                    (4)

 ,                                                   (5)

где   - атомная доля углерода в стали;   - активность углерода при неограниченной растворимости, - позволяет установить, что содержание углерода в газовой атмосфере, способное находиться в равновесии с углеродом аустенита при неограниченной его растворимости, определяется выражением:

 .                                            (6)

Учитывая ограниченную растворимость углерода в аустените и выполняя несложные преобразования, можно записать

 ,                                             (7)

где  a - постоянная, которую рассчитывают по диаграмме «железо-углерод», ;  - предельная растворимость углерода в g-железе при данной температуре;

 , если  ;

 , если  ;

,  - парциальное давление СО2 и СО соответственно при равновесии реакции водяного пара

                                              (8)

Константу равновесия для реакции (8) определяют из уравнения

 .

При отсутствии добавок метана в защитную атмосферу печи значение параметра Х можно рассчитать с использованием соотношения

 ,                                                    (9)

где  m - изменение объемной доли исходных составляющих атмосферы для достижения равновесия при данной температуре.

При наличии добавок метана, полагая, что направление реакции (8) остается неизменным, величину параметра Х вычисляют по формуле

 ,                (10)

где  , , ,  - содержание соответствующих компонентов защитной атмосферы в исходном состоянии;   - добавочное содержание метана в атмосфере печи.

На основании вышеизложенного составили программу на языке TURBO-PASKAL для расчетов углеродного потенциала печной атмосферы в зависимости от температуры, содержания оксида и диоксида углерода, а также водорода, паров воды и метана.

Результатами последующих вычислений на ПЭВМ установлено, что при повышении температуры печной атмосферы уровень ее углеродного потенциала понижается, а науглероживающая способность возрастает. Это связано с тем, что повышение температуры сопровождается возрастанием предела растворимости углерода в твердой фазе аустенита, при этом плотность выделяющегося углерода уменьшается, тем самым, увеличивая продолжительность его жизни в активизированном состоянии. Кроме того, наблюдается снижение абсолютной величины и повышение относительной величины углеродного потенциала защитной атмосферы при увеличении содержания в ней паров воды и диоксида углерода, что объясняется ростом науглероживающей способности атмосферы печи в целом при конверсии метана в парах воды и присутствии диоксида углерода.