Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком
Рассмотрены кинетические закономерности взаимодействия азота газовой фазы с жидким металлом и шлаком в тройной системе газ—шлак—металл. Выведены кинетические зависимости, с помощью которых рассчитаны коэффициенты массопереноса для различных видов плавок. Kinetic regularities of gas phase nitrogen in...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96570 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком / В.В. Лакомский, Г.М. Григоренко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 35-37. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860168395666751488 |
|---|---|
| author | Лакомский, В.В. Григоренко, Г.М. |
| author_facet | Лакомский, В.В. Григоренко, Г.М. |
| citation_txt | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком / В.В. Лакомский, Г.М. Григоренко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 35-37. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Рассмотрены кинетические закономерности взаимодействия азота газовой фазы с жидким металлом и шлаком в тройной системе газ—шлак—металл. Выведены кинетические зависимости, с помощью которых рассчитаны коэффициенты массопереноса для различных видов плавок.
Kinetic regularities of gas phase nitrogen interaction with molten metal and slag in ternary gas-slag-metal system are considered. Kinetic dependences are derived, which are used for calculation of coefficients of mass transfer for different types of melting.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:57:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.2
КИНЕТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
АЗОТА ГАЗОВОЙ ФАЗЫ С МЕТАЛЛОМ,
ПОКРЫТЫМ ЖИДКИМ ШЛАКОМ
В. В. Лакомский, Г. М. Григоренко
Рассмотрены кинетические закономерности взаимодействия азота газовой фазы с жидким металлом и шлаком в
тройной системе газ—шлак—металл. Выведены кинетические зависимости, с помощью которых рассчитаны коэффи-
циенты массопереноса для различных видов плавок.
Kinetic regularities of gas phase nitrogen interaction with molten metal and slag in ternary gas-slag-metal system are
considered. Kinetic dependences are derived, which are used for calculation of coefficients of mass transfer for different
types of melting.
Ключевые слова: азот; шлак; кинетика; растворимость;
коэффициент массопередачи
Проблеме взаимодействия азота с жидким металлом
и его роли в строении и формировании свойств ме-
талла заготовок или готового изделия посвящено
большое количество работ. Необходимо только ус-
тановить, как и почему азот из газовой фазы через
жидкий шлак (присутствующий практически во
всех металлургических процессах) и жидкий ме-
талл попадает в твердый металл, получаемый в ре-
зультате плавления, переплава или сварки.
Все исследователи, занимающиеся тройной сис-
темой газ—шлак—металл при реальных металлурги-
ческих процессах, определили и неоднократно до-
казали, что в реальных условиях такая система на-
ходится не в состоянии термодинамического равно-
весия, а в кинетическом режиме. В соответствии с
кинетической теорией гетерогенных реакций [1]
взаимодействие определяется (лимитируется) са-
мой медленной стадией всего процесса, которая вли-
яет на характер всего взаимодействия независимо
от того, какие и как протекают другие стадии. По-
этому важно в процессе, происходящем в кинети-
ческом режиме, определить какая же стадия явля-
ется определяющей.
Мы, например, это попытались установить в
случае взаимодействия азота с высокореакционны-
ми металлами в условиях двойной системы газ—ме-
талл [2]. При этом оговаривали, что при проведении
экспериментов жидкий металл кристаллизовали
быстро с помощью различных методических уловок
для того, чтобы зафиксировать концентрацию азо-
та, достигнутую в нем, а не исследовать концентра-
цию азота в твердом, медленно затвердевшем ме-
талле. Но если требуется рассмотреть поведение
азота в трехфазной системе газ—шлак—металл, а воз-
можности лабораторного оборудования не позволя-
ют нам зафиксировать расплавленное состояние ме-
талла (тем более шлака), то, по-видимому, стоит
обратиться к испытанному методу анализа получен-
ных результатов экспериментов на основании дос-
товерных литературных данных. Тем более, что так
поступают многие исследователи, у которых нет
возможности изучать непосредственно металл и
шлак в жидком состоянии.
На пути от газовой фазы к закристаллизовав-
шемуся металлу азоту необходимо преодолеть нес-
колько межфазных границ раздела: газ—жидкий
шлак; жидкий шлак—жидкий металл и жидкий ме-
талл—твердый металл. Движущей силой всего про-
цесса транспорта азота будет разность химических
потенциалов в газе и твердом металле. Скорости
переноса конвективными потоками в газовой и жид-
ких фазах всегда больше, чем на диффузионных и
химико-адсорбционных этапах, поэтому их можно не
принимать во внимание.
Прохождение азотом межфазных границ услов-
но делили на три стадии: диффузионный перенос
атома (или иона) азота из фазы к границе раздела
фаз; переход азота через границу раздела и диф-
фузионный унос его от границы раздела. Любая из
них может быть лимитирующей.
© В. В. ЛАКОМСКИЙ, Г. М. ГРИГОРЕНКО, 2012
35
Рассмотрим последовательно каждый из этапов
транспорта азота от газовой фазы к закристаллизо-
вавшемуся металлу.
Адсорбция азота жидкими шлаками подчиняет-
ся закону Сивертса [3—5], как и в случае взаимо-
действия азота с жидким металлом. Это относится
к шлакам различного состава и строения. Таким
образом, количество растворяемого в жидком шла-
ке азота определяется его парциальным давлением
в газовой фазе. Лимитирующей стадией в данном
случае может быть либо химико-адсорбционное зве-
но, либо диффузия азота в шлаке. Такое допущение
мы делаем по аналогии с процессом взаимодействия
азота с металлическими расплавами, поскольку дос-
товерных данных о лимитирующей стадии абсор-
бции азота жидкими шлаками в литературе нами
не найдено. Также по аналогии с системой азот—ме-
талл можно считать вероятным лимитирующим зве-
ном диффузию азота в шлаке. Поскольку пока не
установлены металлургические шлаки, имеющие
высокое химическое сродство к азоту, как это за-
фиксировано в системах азот—высокореакционные
металлы [2].
Растворенный в шлаке азот конвективными по-
токами переносится к межфазной поверхности жид-
кий шлак—жидкий металл. Переход через эту по-
верхность может произойти, если коэффициент рас-
пределения имеет соответствующее значение. При-
чем при определении значения этого коэффициен-
та, по-видимому, необходимо учитывать не столько
равновесное содержание азота в шлаке и жидком
металле, как химический потенциал азота в диф-
фузионных слоях шлака и металла, примыкающих
к границе раздела шлак—жидкий металл. Переход
через эту границу затруднен возникающим на ней
практически во всех металлургических процессах
(особенно тех, в которых для расплавления металла
применяется электрический ток) барьерным поля-
ризованным слоем. Его наличие обусловлено тем,
что в жидких шлаках элементы находятся в виде
ионов, а в металле – в виде атомов, поэтому при обмене
элементами между металлом и шлаком происходят
окислительно-восстановительные реакции, приводя-
щие к выделению либо поглощению электронов [5].
Установление лимитирующей стадии в данном
случае затруднено, поскольку при исследованиях
изучают всю тройную систему газ—шлак—металл и
разделить процессы, происходящие на двух меж-
фазных границах раздела, невозможно [6]. Поэто-
му сделать вывод о лимитирующей стадии можно
только на основании умозрительных заключений.
Так как в основном вязкость шлака выше вязкости
металла (вязкость в некоторой степени определяет
параметры молекулярной диффузии [7]), то диффу-
зия в шлаке будет протекать медленнее, чем в металле.
Можно также предположить, что и на этой меж-
фазной границе шлак—металл лимитирующей ста-
дией станет диффузия азота в жидком шлаке. Не-
которые исследователи считают, что только диффу-
зионные процессы могут быть самыми медленными,
не принимая во внимание, что химико-адсорбционное
звено тоже не отличается большой скоростью.
Рассматривая описанные процессы с точки зре-
ния кинетики, представим их таким образом:
Учитывая, что диффузионные и химико-адсор-
бционные процессы медленнее, чем конвективные,
и используя принцип неразрывности, при условии
равенства коэффициентов массопередачи получим
Скорость поглощения азота металлами через шлаки
Способ плавки Металл Шлак
Коэффициент
массопереноса,
β, см/с
Сопротивлением Х18Н9Т 85 % CaO
15 % Al2O3
1,5⋅10—4
» Х18Н9Т 70 % CaO
15 % Al2O3
15 % TiO2
3⋅10—4
» Х18Н9Т 30 % CaF2
55 % CaO
15 % TiO2
2,7⋅10—4
Электрошлаковая Х6ВФ CaF2—7 % Ca 2⋅10—3
Дуговая Х18Г18 15 % CaF2
52 % Al2O2
29 % CaO
2 % SiO2
2,6⋅10—3
» Х18Г18 CaF2 1,55⋅10—2
газ ⎧
⎨
⎩
N2
⎫
⎬
⎭
⎧
⎨
⎩
N2
⎫
⎬
⎭s
dC
dt
= β
S
V
(⎧⎨⎩N2
⎫
⎬
⎭
— ⎧⎨
⎩
N2
⎫
⎬
⎭s
);
(N2)g (N)g = kP⎧
⎨
⎩
N2
⎫
⎬
⎭
s
1
2
шлак (N) dC
dt
= β
S
V
((N)g — (N));
(N)m dC
dt
= β
S
V
((N) — (N)m);
[N]s
L =
(N)m
[N]s
металл [N] dC
dt
= βS
V
([N] — [N]s).
(N)g — (N) = (N) — (N)m;
kP⎧
⎨
⎩
⎪
⎪
N2
⎫
⎬
⎭
⎪
⎪
1
2
— (N) = (N) — L[N];
36
[N] =
2(N) — kP⎧
⎨
⎩
⎪
⎪
N2
⎫
⎬
⎭
⎪
⎪
1
2
l
.
Если полученная зависимость верна, то количес-
тво азота, растворяемое в металле, прямо пропорци-
онально количеству азота шлака и обратно пропор-
ционально коэффициенту распределения L.
Поскольку в изученных процессах азотирования
при различных способах нагрева большая часть их
является диффузионными, мы попытались рассчи-
тать приблизительный коэффициент массопереноса
азота от газовой фазы к металлу. Результаты рас-
четов (таблица) показали, что азотирование метал-
лов, находящихся под шлаком, происходит со ско-
ростью меньшей, чем в случае контактирования ме-
таллического расплава непосредственно с газовой
фазой. При плавке в печи сопротивлением и элек-
трошлаковой азотирование идет с меньшей ско-
ростью, чем в дуговой печи, даже при добавлении
в шлак металлического кальция.
Наибольшая скорость азотирования зафиксиро-
вана в случае дуговой плавки (2,6⋅10—3…1,55⋅10—2),
а наименьшая – при плавке в печи сопротивления
(1,5…3,0)⋅10—4. Добавление в шлак металлического
кальция при электрошлаковой плавке повышает
скорость азотирования металла, но не позволяет
увеличить ее до уровня дуговой плавки.
1. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных
скоростей реакций. – М.: Иностр. лит-ра, 1948. – 583 с.
2. Кинетические особенности взаимодействия азота с высоко-
реакционными металлами / Г. М. Григоренко, Ю. М. По-
марин, В. В. Лакомский, В. Ю. Орловский // Пробл.
спец. электрометаллургии. – 1994. – № 1—2. – С. 75—
81.
3. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Тео-
ретические основы электросталеплавильных процессов. –
М.: Металлургия, 256 с.
4. Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теория
металлургических процессов. – М.: Металлургия,
1986. – 463 с.
5. Новохатский И. А. Газы в окисных расплавах. – М.:
Металлургия, 1975. – 216 с.
6. Лакомский В. И. Взаимодействие диатомных газов с жид-
кими металлами при высоких температурах. – Киев: На-
ук. думка, 1992. – 232 с.
7. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в
химической кинетике. – М.: Наука, 1967. – 491 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 02.07.2012
INFOLine, ИА (по материалам компании)
www.advis.ru
Компания «Спецстроймонтаж-Украина»
полностью завершила возведение комплекса газоочистки
завода «Днепросталь» (г. Днепропетровск).
В рамках контракта специалисты компании выполнили монтаж технологического оборудования
общим весом 2750 т. В частности, специалисты «Спецстроймонтаж-Украина» осуществили монтаж
газоочистки, теплообменников, станции грануляции пыли, охлаждаемых и неохлаждаемых газохо-
дов, дымовой трубы, вентиляторов и объекта укрытия электродуговой печи. Все работы на объекте
завершились в середине февраля 2012 г. Контроль над исполнением заказа осуществлял генеральный
подрядчик строительства, итальянская компания DANIELI.
Установку уникального технологического оборудования комплекса газоочистки завода «Спец-
строймонтаж-Украина» завершил в ноябре 2011 г. Прошедшей осенью оборудование и системы
комплекса газоочистки предприятия прошли «холодные» испытания, т. е. индивидуальную проверку
систем, работу оборудования в холостом режиме и продувку трубопроводов.
17 января 2012 г. начались «горячие» испытания технологического оборудования электроста-
леплавильного комплекса (ЭСПК) «Днепросталь», а также была успешно осуществлена первая
плавка. Произведено 100 т заготовки.
После ввода в эксплуатацию завод «Днепросталь» станет крупнейшим в Восточной Европе элек-
тросталеплавильным комплексом. Планируемый объем производства в 2012 г. составит около
700 тыс. т стальной заготовки.
Завод «Днепросталь» построен по самым передовым для Украины технологиям. Здесь впервые
в процессе производства стали будет применена электродуговая печь. Установленное на комплексе
оборудование является уникальным для нашей страны.
37
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96570 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:57:23Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лакомский, В.В. Григоренко, Г.М. 2016-03-18T13:09:15Z 2016-03-18T13:09:15Z 2012 Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком / В.В. Лакомский, Г.М. Григоренко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 35-37. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96570 669.187.2 Рассмотрены кинетические закономерности взаимодействия азота газовой фазы с жидким металлом и шлаком в тройной системе газ—шлак—металл. Выведены кинетические зависимости, с помощью которых рассчитаны коэффициенты массопереноса для различных видов плавок. Kinetic regularities of gas phase nitrogen interaction with molten metal and slag in ternary gas-slag-metal system are considered. Kinetic dependences are derived, which are used for calculation of coefficients of mass transfer for different types of melting. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Общие вопросы металлургии Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком Kinetics of gas phase nitrogen interaction with metal, covered with molten slag Article published earlier |
| spellingShingle | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком Лакомский, В.В. Григоренко, Г.М. Общие вопросы металлургии |
| title | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| title_alt | Kinetics of gas phase nitrogen interaction with metal, covered with molten slag |
| title_full | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| title_fullStr | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| title_full_unstemmed | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| title_short | Кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| title_sort | кинетика взаимодействия азота газовой фазы с металлом, покрытым жидким шлаком |
| topic | Общие вопросы металлургии |
| topic_facet | Общие вопросы металлургии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96570 |
| work_keys_str_mv | AT lakomskiivv kinetikavzaimodeistviâazotagazovoifazysmetallompokrytymžidkimšlakom AT grigorenkogm kinetikavzaimodeistviâazotagazovoifazysmetallompokrytymžidkimšlakom AT lakomskiivv kineticsofgasphasenitrogeninteractionwithmetalcoveredwithmoltenslag AT grigorenkogm kineticsofgasphasenitrogeninteractionwithmetalcoveredwithmoltenslag |