Prezentacja programu PowerPoint - Instytut Mechaniki Precyzyjnej

INSTYTUT MECHANIKI PRECYZYJNEJ
Ul. Duchnicka 3, 0101-796 Warszawa
Porównanie i cechy wspólne atmosfer azotujących w nowoczesnych
procesach azotowania gazowego
Jerzy Michalski, Jan Tacikowski, Piotr Wach
Wstęp
W procesie azotowania gazowego do utworzenia warstwy azotowanej na żelazie / stali wykorzystywany jest azot atomowy uzyskany w wyniku reakcji termicznego rozkładu
amoniaku. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest wskazanie procesów limitujących podaż azotu otrzymanego w wyniku dysocjacji amoniaku. O kinetyce i składzie
fazowym tworzącej się warstwy decyduje relacja pomiędzy strumieniem azotu z fazy gazowej do powierzchni i strumieniem azotu w podłożu. Pierwszy strumień opisują
prawa transportu masy w fazie gazowej, natomiast drugi prawa dyfuzji. Podczas procesu azotowania możemy w sposób kontrolowany regulować tylko strumień azotu z fazy
gazowej do azotowanej powierzchni. Wykorzystanie rozporządzalności azotu jako kryterium porównania atmosfer azotujących, rozcieńczanych amoniakiem zdysocjowanym
lub azotem może być pomocne w projektowaniu nowoczesnych procesów azotowania. Zagadnienia fizykochemicznych przesłanek procesów z udziałem fazy gazowej, do
których zalicza się również azotowanie gazowe, w aspekcie poszukiwania wspólnych cech atmosfer azotujących rozcieńczanych gazami obojętnymi, wodorem lub
produktami dysocjacji amoniaku jest przedmiotem licznych publikacji i monografii
Tab.1 Parametry procesów azotowania stali 40HM w atmosferze NH3
i NH3 – NH3Diss
Rozporządzalność azotu
Podczas procesów azotowania gazowego, przy dysocjacji amoniaku, z jednego
mola amoniaku tworzy się 0,5 mola azotu i 1,5 mola wodoru. Znając objętość
dysocjującego amoniaku oraz masę mola azotu (28,016g) i jego objętość (22,414
dm3) można obliczyć masę azotu, wydzielonego z reakcji dysocjacji:
α
(%)
Temperatura
o
( C)
Czas
(h)
Atmosfera
56
12
570
570
8
8
100%NH3
50%NH3-50%NH3diss
1 *
VNH 3
1
*
M 'N = 2
⋅ 28,016 =
⋅ VNH
3
22,414
1,6
= s ⋅ Vw
gdzie: s – stanowi udział objętościowy w atmosferze wlotowej Vw, to masę
wydzielonego azotu można obliczyć z równania:
MN =
1
s ⋅Vw
1, 6
60%NH3-40%NH3Dis s
Rozporz ądz alnoś ć az otu
(g/min)
Rozporządzalnoś ć azotu (g/min)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
2
4
6
8
10
Wyda te k a tmos fe ry (l/min)
12
14
25%NH3-75%NH3Dis s
1,00
2,5
2,5
2,5
100%NH3
60%NH3-40%N2
25%NH3-75%N2
0,01
2
1,6
1,4
8,0
4
6
8
10
Wydatek a tmos fery (l/min)
12
Rozporządzalno Potencjał
ść azotu (g/min) azotowy
1,35
1,01
0,53
7,9
7,4
7,3
10,5
9,5
14,4
7,5
7,5
8,0
6, 8
6
5,3
5,2
3
4,0
0
0,0
100%NH3
50%NH3-50%NH3Dis s
gs z [um ]
60%NH3-40%N2
gm p [um]
A
25%NH3-75%N2
gs z [um ]
B
Rys.2 Grubości warstwy azotków (gmp) i strefy porowatej (gsz)
poddanej azotowaniu w atmosferze NH3 i NH3-NH3Diss (A) oraz NH3 i
NH3-N2(B) Parametry procesu w tablicy 1 i 2.
Na rys. 3 pokazano zmiany rozporządzalności azotu i potencjału azotowego w
funkcji udziału objętościowego amoniaku w atmosferach NH3-N2 i NH3-NH3diss.
Obszar zakreskowany na wykresach obejmuje atmosfery równoważne pod
względem rozporządzalności azotu. Punkty przecięcia krzywych rozporządzalności
azotu dla różnych wydatków, przy tych samych udziałach objętościowych
amoniaku w atmosferze wskazują, które atmosfery z N2 i NH3Diss charakteryzują się
tą samą intensywnością azotowania. Należy podkreślić, że w przypadku atmosfer
rozcieńczanych azotem tą samą rozporządzalność azotu uzyskuje się przy
mniejszych wydatkach atmosfery wlotowej.
14 l/min (NH3-N2)
3 l/min (NH3-N2)
14 l/min (NH3-NH3Dis s )
3 l/min (NH3-NH3Dis s )
1,4
A
Wydatek
atmosfery
(l/min)
14
14
14
12
15,4
0,10
0
0,50
0,49
Rozporządzalność azotu jako kryterium porównania atmosfer azotujących
Wydatek atmosfery wlotowej stosowany najczęściej jako podstawowy parametr
regulacji procesu azotowania, wymusza zmianę potencjału – stopnia dysocjacji
amoniaku, a w konsekwencji zmianę rozporządzalności azotu.
1,0
550
550
550
gm p [um ]
α NH3
1
⋅
⋅ Fw
1, 6 2 − α NH3
60%NH3-40%N2
27
20
11
100%NH3
Równanie to jest ilościowym miernikiem rozporządzalności azotu.
Rozporządzalność azotu w funkcji wydatku atmosfery azotującej
100%NH3
25%NH3-75%N2
Atmosfera
12,0
Po przekształceniach równanie umożliwiające obliczenie masy azotu w
jednostce czasu w funkcji rzeczywistego stopnia dysocjacji i wydatku atmosfery
azotującej, przyjmie więc postać:
1,2
Czas
(h)
9
1
MN =
⋅ s ⋅ Fw
1, 6
1,4
Temperatura
o
( C)
16,0
Podstawiając w miejsce wydatek atmosfery wlotowej w l/min otrzymujemy
masę azotu w jednostce czasu (g/min), wydzielonego z reakcji dysocjacji
amoniaku:
MN =
α
(%)
14
B
Rys.1 Rozporządzalność azotu w funkcji wydatku atmosfery
amoniaku i amoniaku rozcieńczonego azotem (a) oraz amoniaku
rozcieńczonego amoniakiem zdysocjowanym (b). Temperatura
procesu 550oC
Na rys. 1 pokazano zmianę rozporządzalności azotu w funkcji wydatku atmosfery
amoniaku i amoniaku z azotem (rys. 1a), a na rys.1 b amoniaku ze zdysocjowanym
amoniakiem. Jak wynika z rys. 1a w całym zakresie stosowanych w badaniach
wydatków atmosfery amoniaku z azotem, wzrostowi wydatku towarzyszy wzrost
rozporządzalności azotu. Wyniki tych badań dowodzą, że ilość otrzymywanego
azotu, limitowana jest w tym przypadku transportem masy amoniaku w fazie
gazowej i transport masy jest wówczas najwolniejszym etapem procesu.
Eksperyment
W tab. 1 i 2 podano parametry procesów azotowania stali 40HM w atmosferze NH3
i NH3 – NH3Diss (tab.1) oraz w atmosferze NH3 i NH3-N2 (tab.2).
Na rys. 2 pokazano grubości warstwy azotków żelaza wytworzonej na stali 40HM
w atmosferze 100%NH3, 60%NH3-NH3DISS i NH3-N2. Jak widać na rys. 2A w
porównywanych atmosferach uzyskano praktycznie takie same grubości warstw
azotków. Warstwy azotków uzyskane na stali 40HM w atmosferze 100%NH3 i
60%NH3 – 40%N (rys.2B)2 są zbliżonej grubości. Również rozkłady twardości mają
podobny przebieg. Natomiast warstwy azotków utworzone w atmosferze 25%NH3 –
75%N2 są nieco cieńsze. Wynika stąd, że rozporządzalność azotu w tej atmosferze
jest za mała, aby zapewnić maksymalną kinetykę tworzenia się warstwy azotków na
stali 40HM.
Rozporządzalność azotu (g/min)
V
Rozporządzalno Potencjał
ść azotu (g/min) azotowy
Tab.2 Parametry porównawczych procesów azotowania w
atmosferze NH3 i NH3-N2
gdzie - objętość amoniaku, który dysocjuje w warunkach procesu. Ponieważ:
*
NH 3
Wydatek
atmosfery
(l/min)
2
12
7 l/min (NH3-N2)
1 l/min (NH3-N2)
7 l/min (NH3-NH3Dis s )
1 l/min (NH3-NH3Dis s )
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Udz ia ł obję toś ciow y a monia ku
Rys.3 Rozporządzalność azotu w funkcji udziału objętościowego amoniaku w
atmosferach NH3-N2 i NH3-NH3Diss dla różnych wydatków atmosfery wlotowej.
Temperatura 550oC
Wnioski
- Wartości potencjałów azotowych atmosfery NH3 – N2, w zakresie badanych składów,
praktycznie nie zależą od stopnia rozcieńczenia atmosfery azotem. W miarę
rozcieńczenia zmniejsza się natomiast rozporządzalność azotu.
- Gdy w atmosferach NH3-NH3Diss i NH3 – N2, dla tych samych udziałów
objętościowych amoniaku w atmosferze, uzyskuje się takie same wartości
potencjałów to również rozporządzalność azotu będzie taka sama.
- W przypadku atmosfery rozcieńczanej azotem tą samą rozporządzalność azotu i
potencjał azotowy uzyskuje się przy mniejszych wydatkach atmosfery, niż w
przypadku atmosfery rozcieńczanej zdysocjowanym amoniakiem.
- W atmosferach NH3 i NH3 – NH3Diss zmianie rozporządzalności azotu towarzyszy
zmiana potencjału azotowego.
- W atmosferach NH3-N2 zmiana rozporządzalności azotu atmosfery nie wymaga
zmiany jej potencjału azotowego.
Prezentacja wyników pracy jest współfinansowana przez
Komisje Europejską w ramach projektu CorProt
G1MA-CT-2002-04036
Kontakt: Piotr Wach,
Wach, tel.: (48 22) 56 02 658, ee-mail:
mail: wach@
wach@imp.
imp.edu.
edu.pl