Взаимодействие азота с металлическими расплавами
Кафедра металлургии
Расчет задач
По дисциплине:Расчет и методы исследования пирометаллургических процессов
Вариант №7
Выполнил: магистр группы МЦ-М-13 ______________ /Цыденова Д.С./
(подпись) (Ф.И.О)
Проверил: доцент _______________ /Коновалов Г.В./
(подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург
Оглавление
1. Взаимодействие углерода с кислородсодержащей газовой фазой
2. Восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом
3. Определение активности компонентов расплава
4. Растворимость газов в металлургических расплавах
5. Взаимодействие азота с металлическими расплавами
6. Раскисление металлических расплавов
7. Определение активностей компонентов шлаковых расплавов
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЗОТА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАСПЛАВАМИ
При взаимодействии азота с расплавами, легированными карбидообразующими элементами, возможно образование раствора Fe–R–N, равновесного с газовой фазой, причем с увеличением содержания R увеличивается растворимость азота. При определенных содержаниях компонента Rиз расплава может выделиться тугоплавкое соединение – нитрид RN. Наибольшим сродством к азоту обладают элементы IVaподгруппы Ti, Zr, Ра,которые и используются в основном для связывания азота в жидком металле.
Особенности взаимодействия азота с металлическими расплавами отражает диаграмма состояний системы Me–R–N, фрагмент изотермического сечения которой в областях, богатых металлом, представлен на рис. 3.
Рис. 3. Схема изометрического сечения диаграммы состояния системы Me–R–N
Линии, ограничивающие области стабильности фаз, описываются соответствующими уравнениями равновесной термодинамики.
Как видно из диаграммы, при небольших содержаниях нитридообразующего элемента существует двухфазная область стабильности жидкой фазы с газообразным азотом. Координаты линии АВ, разделяющей эту область (I) и область стабильности жидкости (II) можно определить, проанализировав уравнение [2]:
. (40)
При 
атм активность азота равна константе равновесия реакции (40). Концентрация азота в точке А равна его растворимости в бинарной системе Me–N.
Для построения линии BCDнеобходимо рассмотреть реакцию образования нитрида элемента R (табл. 13):
(41)
Значение константы равновесия реакции (41) можно определить, зная температурную зависимость изменения энергии Гиббса:
.
Рассматривая совместно с (40) равновесия следующих процессов (табл. 14):
; (42)
, (43)
выразим 
.
Отметим, что в данном случае для азота и для элемента R за стандартное принято состояние 1%-ного разбавленного раствора.
Определяя активности с помощью параметров взаимодействия Вагнера (табл. 15) и учитывая, что 
для константы равновесия реакции (41), получаем
. (44)
Таблица 13
Изменение энергии Гиббса при растворении азота и элемента R
| Растворитель | Реакция | Элемент |  Дж/моль | |
| A | B | |||
 |  | 10 500 | 20,37 | |
 | –68 500 | –27,28 | ||
 | –80 300 | –37,90 | ||
 | –115 000 | –31,41 | ||
 | | 69 270 | 18,68 | |
| | –183 700 | –9,85 | ||
| | –202 100 | –20,50 | ||
| | –216 300 | –17,45 |
Таблица 14
Изменение энергии Гиббса при образовании нитридов из чистых веществ (43) [1]
| Элемент R | | | | |||
 | A | B | A | B | A | B |
| –339 100 | 93,26 | –364 410 | 92,59 | –367 730 | 91,67 |
Таблица 15
Значения параметров взаимодействия
| Растворитель | | | ||
 |  |  | | |
| | 0,045 | –0,45 | 0,086 | –0,22 |
| | 0,028 | –0,63 | 0,059 | –0,40 |
| | 0,018 | –0,70 | 0,040 | –0,61 |
Выражение (44) является уравнением, описывающим линию BCD. Очевидно, что это немонотонная функция, имеющая экстремумы. Продифференцировав уравнение (44) по содержанию компонента R, при условии 
можно определить его концентрацию 
, обеспечивающую минимальное содержание азота в расплаве 
:
. (45)
Пересечение изотермы нитридообразования (BCD) и линии (АВ),соответствующей растворимости азота в расплаве Fe–R–Nпри 
атм,дает точку (В)трехфазного равновесия ж + Nг + RN.
ЛинииBF и BE, ограничивающие трехфазную область IV, соединяют точку Вс фигуративными точками, соответствующими равновесным фазам. Линия BЕ заканчивается на стороне [N]–[R] концентрационного треугольника в точке, отвечающей соединению RN, а линия BF – в точке, соответствующей чистому азоту при атм.
Задание:
Используя необходимые данные (табл. 16) для системы Me–R–N, рассчитать:
1) линию, ограничивающую двухфазную область (ж+N2) при давлении азота 1 атм (температура Т1 и Т2);
2) изотерму нитридообразования при температурах Т1 и Т2 при изменении содержания элемента R до 2 % (для растворов Fe) и 5 % (для растворов Ni);
3) условие минимального содержания азота в расплаве при температуре Т1 и Т2.
Таблица 16
| № варианта | Исходные данные | ||
| |  |  | |
| |
Решение: 1) Координаты линии АВ, разделяющей область (I) и область стабильности жидкости (II) можно определить, проанализировав уравнение [2]:
. (40)
При атм активность азота равна константе равновесия реакции (40). Концентрация азота в точке А равна его растворимости в бинарной системе Me–N.
Изменение энергии Гиббса при растворении азота.
Для железа: 
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Для никели: 
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Изменение энергии Гиббса при образовании нитридов из чистых веществ (43):
Ti: 
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Изменение энергии Гиббса при растворении элемента Ti:
Для железа: 
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Для никели: 
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
выразим
.
Для железа:
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Для никели:
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Для железа:
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Для никели:
при 1773 0С: 
при 1923 0С: 
Определить концентрацию , обеспечивающую минимальное содержание азота в расплаве :
.
В железе: 
В никеле: 