Протокол расчета растворимости азота

Содержание

	Стр.
Задание
Теоретические основы
Расчетные соотношения
Протокол расчета растворимости азота в легированных расплавах железа в Приложении Microsoft Excel
Результаты расчета
Вывод
Список литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ АЗОТА

В ЛЕГИРОВАННЫХ РАСПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА»

Задание: Рассчитать температурную зависимость растворимости азота в многокомпонентном расплаве на основе железа по трем уравнениям, использующим термодинамические параметры взаимодействия азота с компонентами расплава первого и второго порядков. Построить графики рассчитанных зависимостей.

Вариант задания на курсовую работу.

Вариант	Состав металлической ванны (% по массе с учетом Fe)	Температурный интервал, °С	Давление, атм
Cr	Ni	Mn
	15,000	4,000	9,250	1450 1800

Теоретические основы

В настоящее время качественная металлургия производит значительное количество марок стали с регулируемым содержанием азота. В связи с этим важным является теоретически предвидеть растворимость азота в металлических расплавах в зависимости от их состава, температуры и парциального давления азота в газовой фазе.

Реакция растворения азота в расплаве железа:

(1)

Растворимость азота в расплаве железа можно выразить через температурную функцию константы равновесия этой реакции :

, где (2)

– коэффициент активности азота в расплаве

. (3)

Таким образом,

, где (4)

– растворимость азота в жидком металле, % (по массе);

– парциальное давление азота в газовой фазе.

Ниже приведены численные значения и для расчета константы равновесия азота в железе , полученные разными исследователями:

№ п.п.
А	– 875	– 643	–1050	– 293	– 375	–188	– 247
В	– 0,890	–1,060	– 0,815	– 1,160	–1,154	–1,250	–1,220

По этим данным растворимость азота в жидком железе при = 1 атм и = 1600 ° C равна, % (по массе):

№ п.п.
, %	0,0439	0,0399	0,0421	0,0483	0,0442	0,0446	0,0445

Выплавляемые стали и сплавы содержат легирующие элементы, существенно влияющие на поведение азота. Их влияние проявляется через значение коэффициента активности азота в расплаве, который можно рассчитать с привлечением параметра взаимодействия азота с компонентами металлического расплава:

, где (5)

; ; (6)

– термодинамический параметр взаимодействия азота первого порядка;

и – термодинамические параметры взаимодействия азота второго порядка;

, – содержание компонентов металлического расплава, % (по массе).

При небольших концентрациях легирующих элементов, когда зависимость практически прямолинейная, расчеты можно делать с использованием только параметров взаимодействия первого порядка:

(7)

При высоких концентрациях легирующих элементов это может привести к значительным погрешностям и для более точного определения коэффициента активности азота требуется учет параметров взаимодействия второго порядка, т.е. применение уравнения (5).

Так, для расплава Fe–Cr–Ni–Mn уравнение (5) примет вид:

(8)

Таблица 1. Температурные функции параметров взаимодействия азота с компонентами расплава железа.

Экспериментально определенные температурные функции параметров взаимодействия азота в жидком железе приведены в Таблице 1. Используя уравнения (4) и (8), температурные функции константы равновесия реакции и параметров взаимодействия азота (Таблица 1.), можно получить уравнение для расчета растворимости азота в расплаве Fe–Cr–Ni–Mn.

Сведения о параметрах взаимодействия второго порядка и температурных функциях параметров взаимодействия в литературе не многочисленны. Поэтому в расчетах часто используют соотношения, полученные на основе теоретических представлений или статистической обработки большого количества экспериментальных данных.

Эмпирическое соотношение

(9)

позволило оценить растворимость азота в расплаве в зависимости от его состава и температуры по уравнению

, (10)

где

Имеется также уравнение растворимости азота в многокомпонентных расплавах железа с учетом квадратичного члена температурной функции коэффициента активности азота для значения от 0 до –1,4, полученное регрессионным анализом экспериментальных данных:

(11)

В Таблице 2 приведены параметры взаимодействия азота первого порядка с элементами в жидком железе при = 1600 ° C по данным Л.Д. Фаста, Г. Шенка, Д.Ф. Эллиота и др.

Определение растворимости азота в многокомпонентных расплавах на основе железа с использованием разных уравнений и данных по термодинамическим параметрам взаимодействия азота разных авторов, анализ результатов расчета значительно ускоряется с использованием компьютерных расчетов.

Таблица 2. Термодинамические параметры взаимодействия азота с элементами в жидком железе при = 1600 ° C.

Рассчитаны по формуле табл. 1	По данным разных авторов	Можно принять в расчете
– 0,0461	– 0,045	–	– 0,057	– 0,045	– 0,045
0,0063	– 0,010	0,010	0,007	0,010	0,010
– 0,0365	– 0,020	–	– 0,020	– 0,020	– 0,020